Brevet FR2088092A1 — publié le 19720107

La présente invention est relative à un procédé de refroidissement des bobinages supraconducteurs destinés, plus particulièrement, à travailler en présence de champs magnétiques variables. Dans ces conditions, en effet, des pertes d'énergie se développent sous forme de chaleur dans les bobinages supraconducteurs j l'origine de ces pertes est électromagnétique (variation du flux magnétique dans un supraconducteur) ou mécanique (friction des conducteurs sous l'effet des efforts électromagnétiques). On sait, par ailleurs, que pour réduire le niveau des pertes électromagnétiques on a intérêt à utiliser des brins supraconducteurs très fins que l'on peut alimenter parallèlement en courant, à condition de les transposer convenablement. L'échauffement lié à ces pertes entraîne une diminution de la densité critique de courant du matériau supraconducteur et, partant, des performances du câble d'autant plus sensible que la température critique du matériau au champ maximum considéré est plus basse. Cette diminution de Jc peut se traduire approximativement par A T =——— jcq TCB - T0 où T0 représente la température du bain d'hélium, Tc2 LA. température critique du matériau supraconducteur à l'induction B considérée, ÀT l'échauffement du matériau par rapport au bain, Jc0 représente la densité critique de courant supraconducteur à température TQ et sous l'induction B. On voit que, de ce point de vue, on a intérêt à choisir- un katériau à TQg élevés, par exemple llb-jSn, toutefois à l'heure actuelle la technologie de fabrication de filaments fins de lliobium Titane est beaucoup >lus avancée. A une induction de 5 à 6 Teslas, TC£ est voisine de 6° K pour le îTiobium Titane; A un échauffement de 0,2° K correspond donc une diminution de J0 de l'ordre de 10 fo. Par ailleurs, les pertes par centimètre cube et par cycle pour des filaments de ITiobium Titane de diamètre 10 microns soumis à une induction puisée d'amplitude 6 _2 Teslas sont typiquement de 6.10 joules. Les considérations précédentes mettent 1'accent sur l'intérêt d'un bon refroidissement de ces bobinages supraconducteurs. Actuellement : - On compte sur la conductibilité du bobinage imprégné ou non pour amener au bain d'hélium la chaleur produite dans le bobinage par les pertes. - On bien on améliore le refroidissement en ménageant des canaux de circulation d'hélium à l'intérieur du bobinage. 70 17906 2 2088092 Le premier procédé, qui permet la réalisation de bobinages compacte et de bonne tenue mécanique, provoque actuellement des échauffements trop élevés par suite d'une conductibilité thermique apparente du bobinage insuffisante. Le second procédé donne de bons résultats quant à l'échauffement dans la mesure où le système de canaux permet réellement la circulation de l'hélium liquide, cela suppose : soit un effet de thermosiphon qui implique un système de canaux orientés dans une direction voisine de la verticale, soit une circulation forcée de l'hélium. Dans un bobinage complexe la mise en oeuvre d'un tel procédé peut s'avérer lourde. Pratiquement l'épaisseur des canaux doit être supérieure à quelques dixièmes de millimètre ce qui diminue sensiblement le coefficient de remplissage du bobinage par le matériau supraconducteur. De plus, ce procédé n'est pas favorable à la tenue mécanique du bobinage. Lors de la réalisation de bobinages supraconducteurs à courant continu, on insère parfois, depuis plusieurs années, entre les couches de spires des feuilles métalliques. Ce procédé est employé dans lë but d'améliorer la stabilisation du bobinage, d'une part par augmentation de sa conductibilité thermique et d'autre part par ralentissement de la pénétration du -flux magnétique dans le supraconducteur à l'occasion d'un saut de flux, (par l'intermédiaire des courants de îbucault qui se développent dans les feuilles conductrices). Ce procédé n'est pas directement applicable aux bobinages fonctionnant en régime magnétique variable car le niveau des pertes liées aux courants de Foucault qui se développeraient dans ces feuilles métalliques serait trop élevé. La présente invention fournit un procédé et un dispositif pour augmenter la conductibilité thermique apparente d'une bobine supraconductrice tout en évitant les inconvénients des procédés ci-dessus. De façon plus précise l'invention a pour objet un procédé de réalisation de bobinage supraconducteurs destinés à travailler en présence d'un champ magnétique continu ou variable, caractérisé en ce qu'il consiste à relier thermiquement toutes les spires du bobinage supraconducteur à un bain d'hélium liquide, entourant ladite bobine. La présente invention a également pour objet une bobine supraconductrice mettant en oeuvre le procédé selon l'invention caractérisée en ce qu'elle comporte entre les différentes couches ou galettes du bobinage un ensemble de filaments métalliquesfins, électriquement isolés les uns des autres, en bon contact thermique avec les spires supi&conductrices d'une part et avec un bain d'hélium liquide d'autre part. 70 17906 J 2088092 La présentation de ce métal sous forme de filaments isolés électriquement les uns des autres a pour effet de diminuer fortement le niveau des pertes liées aux courants de Foucault qui se développent dans le métal en régime magnétique variable. On fera appel de préférence à un métal de haute pureté et recuit après 5 transformation en filaments afin de bénéficier d'une conductibilité thermique élevée à très basse température. Mais tout métal présentant une bonne conductibilité thermique pourra être utilisé comme filament. Pour diminuer l'écart de température entre le supraconducteur et les filaments, il est souhaitable de réaliser une imprégnation à l'aide d'un isolant électrique de la Meilleure conductibilité thermique 10 possible. En effet par l'imprégnation de la bobine on élimine les couches de gaz qui constituent des isolants thermique. Il est possible d'améliorer la conductibilité de cette imprégnation par adjonction soit de poudres métalliques, du cuivre par exemple, aoit de poudres de silice. Les calculs montrent que l'échange de chaleur entre les filaments et la 15 bain d'hélium constitue un point délicat, si l'on souhaite en effet que l'écart de température entre le bain d'hélium et la surface des filaments en contact avec celui- ci soit de l'ordre de 0,1° K, le flux de chaleur échangée par cm2 doit être inférieur —2 à 10 WATTS. Pour aboutir à ce résultat on peut : - soit laisser dépasser hors du bobinage', les filaments sur une certaine longueur. 20 Toutefois, ce procédé apparemment simple risque de s'avérer difficile à réaliser si l'on imprègne la bobine. - soit se contenter de la section transversale des filaments comme surface d'échange avec l'hélium. Cette section transversale serait mise à nu après imprégnation par meulage de la surface du bobinage. Ce procédé est relativement facile à mettre en 25 oeuvre, mais risque de conduire dans la plupart des cas, à un surdimensionnement du volume -des filaments si l'on veut préserver une surface l'échange suffisante. - soit relier les «xtrémitées des filaments disposés entre deux couches ou galettes de spire par un bourrelet métallique qui s'appuierait sur une spire extrême de l'une de ces couches ou galettes. 30 Après imprégnation de la bobine ce bourrelet pourrait être facilement mis à nu par meulage. Si les drains sont reliés par un bourrelet à leurs deux extrémités la surface d'échange se trouvera doublée mai^/êera çécessaire de les couper afin d'éviter la création de boucles conductrices fermées. - soit créer une circulation forcée d'hélium dans une canalisation possédant un bon 35 contact thermique avec les drains. L'invention sera "mieux comprise à la lecture de la description qui suit, relative à plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention donnée à titre indicatif et non limitatif. Sur les dessins annexés : La fig. 1 est une bobine supraconductrice multicouche suivant l'invention. 70 17906 4 2088092 La Fig. 2 est une "bobine supraconductrice à galettes constituant une variante de réalisation. La "bobine représentée sur la Fig 1 comporte plusieurs couches 1 de spires consécutives constituées de fils ou de câbles 2 qui peuvent être par exemple des 5 câbles de Niobium Titane. Chaque couche 1 de fils ou de câble est séparée de la couche voisine par des filaments métalliques 3 de très bonne conductibilité thermique réalisée par exemple en cuivre recuit de très haute pureté. Ces filaments métalliques 3» de faibles dimensions transversales de l'ordre de 100 microns, sont isolés électriquement par un isolant tel que vernis époxy, polyester ou polyviiiy— ^ ® lacétal. Les fils ou câbles ont une forme aplatie afin d'améliorer le contact thermique avec les filaments qui peuvent égalements être de forme aplatie. L'une, ou les deux extrémités, des filaments 3 de chaque couche, dépouillées àe leur isolant électrique sont noyées dans un bourrelet métallique 4 qui baigne dans xm. bain d'hélium liquide. Dans le cas où on réalise un bourrelet à chaque extrémité les filaments 3 doivent être coupés en 5 afin d'éviter la création de boucles conductrices fermées. Le dispositif de la Fig. 2 est une variante de réalisation et pour plus de clarté^les mêmes numéros de référence ont été utilisés pour désigner les pièces correspondantes sur les figures. Dans la bobine représentée par cette figure les spires constituent des galettes telles que 6 et 7 séparées par des filaments métalliques 3 isolés, mais disposés de façon radiale. Les extrémités extérieures de ces filaments 3 sont également noyées dans un bourrelet métallique 4. L'extrémité intérieure de ces filaments peut être également réunie,à un deuxième bourrelet si le diamètre intérieur de la bobine le permet, mais les filaments doivent être coupés en 5. Ce nouveau procédé de refroidissement des bobines supraconductrices soumises à un régime magnétique variable concilie les avantages des deux procédés actuellement employés (imprégnation du bobinage et système de canaux). Ces avantages sont t - compacité du bobinage, bonne tenue mécanique et taux d'occupation élevé du bobinage par le supraconducteur, - bon refroidissement du bobinage indépendamment de sa complexité. JJ - simplification du cryostat, la bobine pouvant ne pas être placée l'hélium liquide. 70 17906 5 2088092 -REVENDICATIONS 1°) Procédé de réalisation de bobinages supraconducteurs destinés à travailler en en présence d'un champ magnétique continu ou variable caractérisé en ce qu'il consiste à relier thermiquement toutes les spires du bobinages supraconducteur à un bain d'hélium liquide, entourant ladite bobine, 5 2°) Bobine supraconductrice mettant en oeuvre le procédé selon l'invention caractérisée en ce qu'elle comporte entre les différentes couches ou galettes du bobinage un ensemble de filaments métalliques fins, électriquement isolés les uns des autres, en bon contact thermique avec les spires supraconductrices d'une part et avec un bain d'hélium liquide d'autre part, 10 3°) Bobine supraconductrice selon la revendication 2 dans laquelle la surface d'échange thermique entre les filaments métalliques et le bain d'hélium est obtenu par l'intermédiaire de bourrelets métalliques dans lesquels sont noyées les extrémités de ces filaments préalablement dépouillées de leur isolant, 4°) Bobine supraconductrice selon la revendication 2 dans laquelle les extrémités 15 desdits filaments métalliques dépouillées de leur isolant baignent dans le bain d'hélium liquide, 5°) Bobine supraconductrice selon la revendication 2 dans laquelle les extrémités desdits filaments métalliques sont en contact thermique avec le bain d'hélium par leur section transversale, 20 6°) Bobine supraconductrice selon la revendication 2 dans laquelle l'échange thermique entre le système de filaments et d'hélium s'effectue dans des canalisations d'hélium, ou dans un réservoir d'hélium dans lequel la bobine n'est pas nécessairement immergée, ce qui peut simplifier la réalisation du cryostat. 7°) Bobine supraconductrice selon la revendication 2 dans laquélle le bon contact 25 thermique entre le supraconducteur et le filament est réalisé par imprégnation du bobinage à l'aide d'un isolant électrique qui peut d'ailleurs .être chargé de poudres bonnes conductrices de la chaleur. 8°) Bobine supraconductrice selon la revendication 2, dans laquelle les filaments métalliques sont constitués d'un métal de haute pureté,.tel que l'argent, 30 1'aluminium ou le cuivre, de préférence recuit après réalisation des filaments.