Brevet FR2309067A1 — publié le 19761119

La présente invention due aux travaux de Monsieur François Moisson Franckhauser, des Laboratoires de Marcoussis, Centre de Recherches de la Compagnie Generale dtElectricité, concerne une amenée de courant pour machine électrique supraconductrice. Le rôle d'une telle amenée (appelée en anglais "curent lead") est d'assurer la connexion électrique entre l'une des bornes d'une source d'alimentation à température ambiante et l'une des extrémités d'un conducteur de la machine à très basse température, tout en nécessitant une puissance de réfrigération aussi faible que possible.La puissance de réfrigéra- tion est la puissance électrique ou mécanique qu'il faut fournir aux organes de réfrigération, tels que liquéfacteur d'hélium, pour assurer le refroidissement nécessaire des éléments supraconducteurs. L'invention est plus particulièrement adaptée aux machines dans lesquelles les conducteurs sont refroidis, dans le but de les maintenir dans leur état supraconducteur, par un fluide cryogénique circulant dans des conduits de refroidissement. Ce fluide, après avoir parcouru la machine, peut être utilisé pour le refroidissement des amenées de courant. Son débit est alors imposé par les conditions de fonctionnement de la machine, et ne peut être modifié en fonction des perturbations affectant ces amenées. Cette situation est différente de celle des amenées de courant classiquement utilisées pour l'alimentation électrique d'appareillage supraconducteur baignant dans de I'héliun liquide contenu dans un cryostat ouvert a sa partie supérieure. Les amenées de courant, qui descendent dans le cryostat, sont refroidies par le courant ascendant d'hélium gazeux résultant de la vaporisation de l'hélium liquide. Ce refroidissement est parfois amélioré par la présence d'ailettes métalliques transversales. Si la température de l'amenée de courant croît, le débit calorifique apporté par cette amenée vers l'hélium liquide croît aussi, ainsi que le débit d'hélium vaporisé, qui refroidit l'amenée en s 'échappant du cryostat par le haut. I1 existe donc une régulation automatique de la température de cette amenée. Une telle régulation n' existe pas pour les amenées de courant selon l'inventioni qui sont refroidies par un fluide en phase vapeur ou hypercritique. Dans les amenées de courant classiques, et selon l'invention, on peut distinguer plusieurs zones successives a température progressivement croissante. Ce sont : - une zone froide : le conducteur y est mixte, *'est-à-dire qu'il comporte un matériau supraconducteur associé, en bon contact électrique et thermique, avec un conducteur métallique "normal", ctest-à-dire non supraconducteur, tel que le cuivre ou l'aluminium pur, bon conducteur électrique et thermique. La température y est toujours suffisamnent basse pour permettre la supraconductivité, - une zohe de transition froide : le conducteur y est mixte. La température y est suffisamnent basse au voisinage de la zone froide pour permettre la supraconduc tivité, mais quand on s'éloigne de cette zone froide, elle devient trop haute à partir d'un point de transition, et la supraconductivité cesse.Ce point de transition se déplace selon le débit du fluide de refroidissement et l'intensité du courant transporte. - une zone de transition chaude : le conducteur peut y être mixte ou seulement normal. La température y est toujours trop haute pour permettre la supraconductivité, - une zone chaude à température ambiante. Un problème important lors de la réalisation d'une amenée de courant est celui du choix de la section de conducteur normal dans les zones de transition. Si cette section est trop faible une quantité de chaleur trop grande sera engendrée par effet Joule, et devra être évacuée par le fluide cryogénique. Si cette section est trop grande une quantité de chaleur trop grande sera conduite par le conducteur normal de la zone chaude vers la zone froide, et devra de même être évacuée par le fluide cryogénique. Pour minimiser la puissance de réfrigération nécessaire il existe une section optimale, qui est sensiblement proportionnelle à la longueur des zones de transition. I1 convient de ne pas trop s'écarter du rapport optimal entre la section de conducteur normal et la longueur des zones de transition. Dans les amenées de courant de type classique utilisées avec un cryostat les sections de conducteur normal choisies sont voisines de la section optimale compte tenu de la longueur des zones de transition. Si l'on utilise de telles amenées en association avec une machine sans bain liquide on doit choisir une longueur de zones de transition relativement importante. La section optimale de conducteur normal est alors, elle aussi, importante et l'encombrement de l'amenée de courant devient considérable et gênant dans certains cas, par exemple s'il s'agit d'alimenter l'inducteur supraconducteur tournant d'un alternateur. La présente invention a pour but de permettre de réaliser des zones de transition de longueur totale faible, de manière à pouvoir utiliser une section de conducteur normal faible et à diminuer ainsi l'encombrement de l'amenée de courant. Elle a pour objet une amenée de courant pour machine supraconductrice à conducteurs refroidis par un fluide cryogénique circulant dans des conduits de refroidissement, dispositif comportant - une borne chaude constituée par un matériau bon conducteur à une température sensiblement égale à la température ambiante, - une borne froide constituée par un conducteur supraconducteur placé dans un conduit froid apte à être parcouru par ledit fluide cryogénique, - et un conducteur mixte assurant la connexion électrique entre lesdites bornes chaude et froide, ce conducteur mixte étant constitué par l'association, en bon contact électrique et thermique, d' un conducteur supraconducteur avec un conducteur normal bon conducteur électrique et thermique, - des moyens de refroidissement étant prévus pour faire refroidir ce conducteur mixte par le fluide cryogénique provenant dudit conduit froid, caractérisé par le fait que lesdits moyens de refroidissement sont constitués par un tube de refroidissement bon conducteur thermique parcouru par ledit fluide cryogénique en continuité avec ledit conduit froid, ce tube de refroidissement s'étendant de ladite borne froide à ladite borne chaude en étant courbe sur lui- e^ e de manière à former une succession de spires séparées les unes des autres par des intervalles thermiquement isolants, - ledit conducteur mixte étant disposé à l'extérieur dudit tube de refroidissement et s'étendant de ladite connexion chaude à ladite connexion froide selon un trajet plus court que celui dudit tube de refroidissement en croisant les spires successives de ce tube avec contact thermique entre ce conducteur mixte et ce tube de refroidissement aux points de croisement. A l'aide des figures schématiques I à 3, ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif deux modes de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignes par les Se^oes sU signes de référence. La figure I représente une vue en coupe de l'ensemble d'un premier mode de réalisation de I 'amenée de courant selon l'invention, le plan de coupe A-A passant par l'ase du manchon cylindrique de cette amenée. La figure 2 représente une vue en coupe du manchon cylindrique de la figure 1, le plan de coupe B-B étant perpendiculaire à l'axe do ce manchon. La figure 3 représente une vue en coupe à une plus grande échelle d'un ruban de la figure 2. L'amenée de courant qui va être décrite peut être utilisée pour l'alimentation électrique de l'inducteur tournant d'un cryoalternateur. Cet inducteur comporte des bobinages constitués par des conducteurs supraconducteurs du type wultifilamentaire, constitués par des filaments de niobium-étain Nb 3Sn ou de niobilletitane NbTi enrobés dans une matrice de cuivre. Ces bobinages sont parcourus par un courant électrique pouvant atteindre une intensité de plusieurs milliers d'amperes. Ils sont refroidis par un courant d'hélium gazeux injecté sous une pression de 1 à 3 bars. Un débit d'hélium d'environ 0,7 g/s est prélevé sur ce courant de refroidissement des bobinages et assure le refroidissement de l'amenée de courant. Son sens d'écoulement définira les sens "amont" et "aval" mentionnés ci-dessous, sa température allant croissante de l'amont vers l'aval. L'amenée décrite comporte, à son extrémité amont, une borne froide 2 qui est de préférence la prolongation d'un conducteur supraconducteur de l'inducteur. Cette borne froide est de forme cylindrique de révolution et de structure coaxiale. Elle comporte, de l'axe vers la périphérie, un conducteur supraconducteur 4 du type multifilamentaire déjà décrit, un enrobage isolant 6, constitué d'un ruban isolant de polytéréphtalate d'éthylène glycol, par exemple, enroulé autour du conducteur 4, un canal annulaire 8 parcouru dans le sens de la flèche 9 par le courant d'hélium froid précédement mentionné et un conduit "froid" cylindrique 10 en titane ou en acier inoxydable canalisant le courant d'hélium. La température est comprise entre 4 et 7 K environ. La tension électrique entre le conducteur 4 et le conduit froid 10 peut atteindre 10 kV. Le conduit 10 comporte, à son extrémité aval, une section d'isolement constitué par une pièce de céramique 12 de forme annulaire fixée entre deux sections de raccordement amont 14 et aval 16 faites d'un métal soudable à la pièce de céramique. Cette section d'isolement assure l'isolement électrique entre le conduit froid 10 et un dispositif de transition qui sera décrit plus loin et qui est connecté électriquement au conducteur 4. Elle assure en même temps la continuité de la canalisation d'hélium. L'enrobage isolant 6 s'arrête vers l'aval en regard de la pièce céramique 12. Le dispositif de transition précédemment mentionné est disposé entre un flasque amont 18 et un flasque aval 20 en forme de disques épais constitués de cuivre pur. Il comporte en outre un manchon cylindrique de révolution coaxial aux flasques 18 et 20, de meme diamètre extérieur 100 , , de longueur 500 min, et formé par un tube de refroidissement 22 enroulé en hélice sur un mandrin isolant 23 avec un très faible intervalle entre spires adjacentes, cet intervalle étant seulement destiné à isoler thermiquement les spires adjacentes. Ce tube a une section rectangulaire intérieure de 4 min et 10 mm de côté, et une épaisseur de paroi de 2 un. Il est constitué de cuivre ordinaire, c'est- à-dire présentant un taux d'impuretés tel que sa résistivité décroit dans un rapport inférieur à 10 lorsquton passe de la température ambiante à 7-K, alors que la résistivité du cuivre pur décroit dans un rapport supérieur à 50 dans les mêmes conditions. On sait que la conductivité électrique et thermique du cuivre pur est supérieure à celle du cuivre ordinaire. Les flasques amont 18 et aval 20 comportent des canaux internes raccordant respectivement l'extrémité aval du conduit froid 10 à l'extrémité amont du tube 22 et l'extrémité aval du tube 22 à l'entrée d'un conduit de sortie 24, de telle sorte que l'hélium passe du conduit 10 au conduit 24 en parcourant le tube 22. A partir du flasque aval 20 l'hélium est sensiblement à la température ambiante. Le conduit de sortie 24 est métallique et porté au potentiel élevé du conducteur 4. Pour disposer d'un conduit de sortie du fluide cryogénique électriquement à la masse dans sa partie terminale 26 on munit ce conduit d'une section dtisole- ment constituée par un conduit électriquement isolant 28, par exemple en matière plastique. Mais les distances nécessaires à l'isolement électrique dans l'hélium chaud étant très supérieures à ce qu'elle sont dans l'hélium froid, ce conduit isolant doit avoir une grande longueur, de l'ordre de 1 mètre dans l'exemple décrit. Pour diminuer son encombrement il peut être avantageux de le replier plusieurs fois sur lui-même, par exemple en lui donnant une forme en hélice. Le courant électrique est transporté, entre les flasques 18 et 20, de manière presque exclusive, par un conducteur mixte présentant la forme de 25 rubans tels que 30 de 12,7 mm de large appliqués sur la surface extérieure du manchon formé par le tube 22. Leur longueur est parallèle à l'axe de ce manchon et leur épaisseur est radiale. Ils sont régulièrement répartis tout autour du manchon avec des intervalles entre eux. Chaque ruban est soudé à l'étain à chaque spire du tube 22 et aux flasques 18 et 20, de manière à assurer un bon contact thermique avec ces spires et un bon contact électrique avec ces flasques. Un conducteur épais en cuivre pur 29 est soudé au flasque aval 20 pour assurer sa connexion électrique. I1 constitue, avec ce flasque la borne chaude précéder ment mentionnée. Dans le cas décrit d'une amenée de courant pour inducteur tournant, il peut être connecté à des bagues collectrices d'un dispositif collecteur à contact tournant non représenté. Dans ce cas seuls les charbons de collecteur sont fixes, tous les autres éléments décrits étant solidaires de l'inducteur tournant. La sortie d'hélium se fait alors, à partir de la partie aval 26 du conduit de sortie, par un dispositif à joint tournant de type connu, fonctionnant à température ordinaire et au potentiel de la masse Les flasques 18 et 20 et les rubans tels que 30 sont isolés électriquement de la masse par le vide. Conformément à la figure 3 le ruban 30 est constitué de couches empilées symétriquement sur les deux faces d'une couche de niobium 32 de 12 microns d'épaisseur. On rencontre, à partir de chaque face de cette couche 32, une couche de niobium-étain Xupraconductrice 34 épaisse de 3 microns, et une couche d'étain 36 épaisse de 10 microns et qui a servi, par réaction chimique avec le niobium de la couche 32, à l'élaboration de la couche supraconductrice 34. L'ensemble est recouvert d'une couche de cuivre pur connu sous le nom de CuC2, à très bonne conductivité, et épaisse de 150 microns environ pour une section totale de cuivre de 1 cm2 pour le conducteur mixte constitué par les 25 rubans tels que 30. Le comportement électrique et thermique du dispositif de transition alimenté par un débit d'hélium constant imposé pour les conditions de fonctionnenent de la machine est le suivant - En l'absence de courant, la distance L entre le flasque aval 20 à température ambiante et le début de la région à l'état supraconducteur sur le ruban 30 admet une valeur minimale Ln et la puissance calorifique Q arrivant au flasque 20 à partir de son environnement à température ordinaire, admet une valeur maximale QM. - Pour des valeurs croissantes du courant I, la distance L s'accroit et la puissance calorifique Q prélevée à l'extrémité aval admet des valeurs decrois- santes. - Pour une valeur particulière du courant Ic associée à une distance Lc, la puissance calorifique Q prélevée à l'extrémité aval est nulle ; lorsque I est supérieure à Ic, il y a divergence thermique avec perte de l'état supraconducteur de proche en proche I1 en résulte que les caractéristiques suivantes doivent être adoptees pour la réalisation de l'amenée de courant - le courant Ic doit excéder le courant maximal IM de la machine, pour éviter la divergence thermique, et par conséquent le débit d'hélium en g/s doit excéder 0,07 x IM, l'intensité IM étant exprimée en kA, - La longueur des conducteurs 30 doit excéder Lc et on adopte une longueur de 80 cm pour un conducteur mixte présentant une section totale de cuivre de I cm2, - la marge entre IM et Ic sera minimisée en vue d'une économie de puissance de réfrigération, et pour éviter le givrage que peut provoquer le prélèvement d'une puissance calorifique Q trop importante au niveau du flasque 20 et du conducteur 29 connecté par exemple à une bague de collecteur. A condition que la longueur des conducteurs 30 excède Lc, le comportement de l'amenée devient complètement indépendant de cette longueur, contrairement aux amenées de courant classiques. Les avantages de faible encombrement obtenus par l'invention tiennent au fait que, tout en gardant une valeur convenable pour le rapport de la section de conducteur normal constitué par les couches telles que 38 à la longueur des zones de transition qui est la distance entre les flasques 18 et 20, on peut donner des valeurs faibles à la fois à cette section de conducteur normal et à cette longueur Ceci résulte du refroidissement particulièrement énergique apporté par l'hélium circulant dans le tube 22, en raison de la grande surface de cuivre en contact avec l'hélium. En raison de l'isolement entre spires adjacentes du tube 22, cette grande surface de contact ne s' accompagne pas accroissement sensible de la section effective de conducteur normal susceptible d'être parcourue par le courant électrique et la chaleur d'un flasque à l'autre, car le courant et la chaleur allant d'un flasque à l'autre par le tube 22 doivent parcourir toute la longueur de ce tube sans pouvoir suivre de trajet direct parallèle à l'axe du dispositif de transition. Cet accroissement de section effective est encore évité par le choix, pour la réalisation du tube 22, d'un matériau à conductivité électrique et thermique inférieure à celle du conducteur normal présent dans le conducteur mixte.La conductivité thermique de ce matériau doit cependant être choisie assez élevée pour assurer un contact thermique suffisant entre l'hélium circulant dans ce tube et le conducteur mixte, Le dispositif de transition décrit permet d'obtenir ces avantages tout en étant d'une construction très simple. Il est bien évident cependant que des structures sensiblement différentes pourraient être utilisées pour le dispositif de transition selon l'invention. Le manchon forme par le tube 22 pourrait par exemple présenter une section rectangulaire, ou être de forme générale conique ou en tronc de pyramide. Le tube 22 pourrait aussi être enroulé sur luiloême de manière à former par ses spires successives non plus un manchon mais une plaque rectangulaire ou un disque plan, ce tube formant l'épaisseur de cette plaque ou de ce disque et ayant, dans le cas d'une plaque, la forme d'une courbe sinusoidale, et dans le cas d'un disque, la forme d'une spirale. Dans tous ces cas le conducteur mixte va directement de l'extrémité chaude à l'extrémité froide du tube 22. Si l'amenée de courant est limitée par des pièces massives bonnes conductrices constituant ses extrémités, le conducteur mixte s'étend de préférence en ligne droite de l'extrémité chaude à l'extrémité froide0 Cependant, si le tube 22 forme une nappe de forme générale différente, ni cylindrique, ni conique, ni plane, le conducteur mixte s'étend de préférence selon une ligne de plus court chemin allant de l'extrémité froide à l'extrémité chaude en restant sur une face de cette nappe, et cette ligne de plus court chemin n'est plus irone ligne droite. RElENDICATIONS 1/ Amenée de courant pour machine supraconductrice à conducteurs refroidis par un fluide cryogénique circulant dans des conduits de refroidissement, dispositif comportant : - une borne chaude (29) constituée par un matériau bon conducteur à une température sensiblement égale à la température ambiante, - une borne froide constituée par un conducteur supraconducteur (4) placé dans un conduit froid (10) apte à être parcouru par ledit fluide cryogénique, - et un conducteur mixte (30) assurant la connexion électrique entre lesdites bornes chaude et froide, ce conducteur mixte (30) étant constitué par l'association, en bon contact électrique et thermique, d'un conducteur supraconducteur (34) avec un conducteur normal (38) bon conducteur électrique et thermique, - des moyens de refroidissement étant prévus pour faire refroidir ce conducteur mixte par le fluide cryogénique provenant dudit conduit froid, caractérisée par le fait que lesdits moyens de refroidissement sont constitués par un tube de refroidissement (22) bon conducteur thermique parcouru par ledit fluide cryogénique en continuité avec ledit conduit froid (10), ce tube de refroidissement s'étendant de ladite borne froide (4, 10) à ladite borne chaude (29) en étant courbé sur lui-meme de manière à former une succession de spires séparées les unes des autres par des intervalles thermiquement isolants, - ledit conducteur mixte (30) étant disposé à l'extérieur dudit tube de refroidissement et s'étendant de ladite connexion chaude à ladite connexion froide selon un trajet plus court que celui dudit tube de refroidissement (22) en croisant les spires successives de ce tube avec contact thermique entre ce conducteur mixte et ce tube de refroidissement aux points de croisement. 2/ Amenée selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit tube (22) est enroulé sensiblement en hélice, de maniere à former un manchon, ledit conducteur mixte (30) s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe de ce manchon. 3/ Amenée selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit conducteur mixte (30) a la forme d'une couche appliquée sur la surface extérieure dudit manchon. 4/ Amenée selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les intervalles entre les spires successives dudit tube (22) sont inférieurs aux dimensions transversales de ce tube. 5/ Amenée selon la revendication 4, caractérisée par le fait que le conducteur normal (38) dudit conducteur mixte (30) a une conductivité électrique et thermique supérieure à celle du matériau constituant ledit tube (22). 6/ Amenée selon la revendication 3, caracterisee par le fait que ledit manchon est cylindrique de révolution, ledit conducteur mixte (30) ayant la forme d'une pluralité de rubans disposés selon des génératrices du cylindre forme par ce manchon avec des invervalles entre deux rubans adjacents, chacun de ces rubans étant soudé à chacune desdites spires. 7/ Amenée selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit conduit froid (10) de ladite borne froide (4, 10) est métallique et comporte une section d'isolement annulaire constituée d'un matériau isolant (12). 8/ Amenée selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ledit conducteur supraconducteur (4) de ladite borne froide est entouré d'un enrobage (6) forme par un ruban constitué d'un haut polymère organique isolant, des moyens étant prévus pour faire le vide au voisinage dudit dispositif de transition 9/ Amenée selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit tube de refroidissement (22) est muni d'un conduit (24) de sortie du fluide cryogénique ce conduit de sortie étant métallique et raccordé audit tube (22) à l'extrémité chaude dudit manchon, ce conduit étant pourvu d'une section d'isolement (28) constituée d'un matériau électriquement isolant et faisant parcourir audit fluide cryogénique un trajet replié plusieurs fois sur lui-même.