Brevet FR2522899A1 — publié le 19830909

Ecran thermique de protection contre la chaleur rayonnante pour génératrice supraconductrice. La présente invention se rapporte à une machine dynamo-électrique et au rotor d'une génératrice supraconductrice et elle concerne, en parti- culier, la fabrication de l'écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante, utilisé dans cette machine. Une génératrice supraconductrice comporte, de manière caractéris- tique, un rotor réfrigéré qui inclut un bobinage inducteur supraconducteur et une structure de support du bobinage En fonctionnement, le rotor est réfrigéré à une température cryogénique par un fluide réfrigérant, tel que l'hélium, que l'on fait circuler au voisinage des éléments conducteurs Pen- dant le-fonctionnement normal de la génératrice, l'hélium liquide qui cir- cule dans le rotor, est transformé en gaz par une ébullition relativement lente mais constante. Un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante pour rotor supraconducteur a pour fonction d'intercepter la chaleur rayonnée de- puis les environs du rotor, qui se trouvent de manière caractéristique à la température ambiante, afin d'empêcher que cette chaleur rayonnée n'élève la température de la zone froide cryogénique à l'intérieur du rotor Un écran thermique caractéristique de protection contre la chaleur rayonnante se com- pose d'une structure tubulaire disposée radialement à l'extérieur des bobi- nages inducteurs du rotor supraconducteur Cette structure tubulaire est pourvue de plusieurs canaux intérieurs de circulation du fluide réfrigérant ainsi que de moyens permettant à ce fluide réfrigérant de pénétrer radiale- ment à l'intérieur de l'écran thermique de protection, de circuler axiale- ment dans les canaux de fluide réfrigérant et de sortir, par un autre passa- ge radial, du côté de la partie interne du rotor supraconducteur Le brevet américain N O 4 250 418 décrit des conceptions d'écrans thermiques de protec- tion contre la chaleur rayonnante. La présente invention a pour objet de fournir un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante pour génératrice supraconductrice, cet écran thermique étant conçu pour être fabriqué de manière fiable et ce- pendant économique. Dans une génératrice supraconductrice caractéristique, l'écran thermique de protection' contre la chaleur rayonnante peut dépasser 3,30 m de longueur et 0,76 m de diamètre, et doit être refroidi au moyen de plu- sieurs passages de fluide réfrigérant formés dans ses parois cylindriques. Ces paramètres de construction exigent essentiellement une structure d'écran thermique à enveloppe multiple La liaison métallurgique de ces deux enve- loppes doit fournir un réseau de canaux efficacement étanches de circula- tion du fluide réfrigérant et elle ne doit pas déformer l'écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante ni affaiblir son unité de struc- ture. La machone dynamo-électrique suivant la présente invention comporte un rotor supraconducteur comprenant un bobinage inducteur réfrigéré, un pre- mier tube disposé radialement à l'extérieur de ce bobinage inducteur et un deuxième tube monté radialement à l'extérieur du premier tube, coaxialement et concentriquement à ce dernier Le premier tube comporte deux rainures circonférentielles formées dans sa face cylindrique extérieure, ces deux rainures circonférentielles étant espacées l'une de l'autre d'une distance axiale présélectionnée Le premier tube présente en outre plusieurs rainures axiales formées dans sa face cylindrique extérieure, chacune de ces rainures axiales coupant les deux rainures circonférentielles et établissant entre celles-ci une communication de fluide Dans chacune de ces rainures circon- férentielles est percé un trou qui se prolonge radialement vers l'intérieur pour déboucher dans la face cylindrique intérieure du premier tube Le deu- xième tube est relié métallurgiquement au premier par brasage et il consti- tue un joint extérieur radial, étanche aux fluides, pour les rainures cir- conférentielles et axiales. De manière pratique, un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante comprend un tube cylindrique intérieur et un tube cylin- drique extérieur associés coaxialement et concentriquement l'un à l'autre. Le tube intérieur comporte un réseau de canaux de circulation du fluide ré- frigérant formés dans sa face cylindrique extérieur Ce réseau de canaux de circulation du fluide réfrigérant peut se composer de deux rainures circon- férentielles situées à une distance axiale prédéterminée l'une de l'autre, et de plusieurs rainures axiales qui coupent et relient chacune les deux rainures circonférentielles Dans cette disposition particulière du réseau de canaux de circulation du fluide réfrigérant, chaque rainure circonféren- tielle est percée d'un ou plusieurs trous radiaux qui établissent une com- munication de fluide entre elle et la face interne du tube intérieur. Un cylindre extérieur est disposé radialement à l'extérieur du tube intérieur et est relié métallurgiquement à ce dernier afin de former une structure unitaire d'écran thermique de protection contre la chaleur rayon- nante Le tube extérieur entoure la partie radialement tournée vers l'exté- rieur, de chacune des rainures mentionnées ci-dessus et forme donc un ré- seau de canaux fermés de circulation du fluide réfrigérant, qui assure, à son tour, une communication de fluide entre le ou les trous radiaux qui sont percés dans une des rainures circonférentielles et le ou les trous radiaux qui sont percés dans les autres rainures circonférentielles. Afin de fournir une liaison métallurgique appropriée entre le tube intérieur et le tube extérieur, la face cylindrique extérieure du tube intérieur est recouverte d'un produit d'apport de brasagepréalablement à l'assemblage par compression des tubes intérieur et extérieur Cet assem- blage par compression peut s'effectuer par un profilage à froid du tube in- térieur et du tube extérieur ensemble En variante à ce profilage à froid des tubes ensemble, on peut utiliser une opération de frettage à chaud pour assembler le tube intérieur et le tube extérieur avec un ajustement serré diamétral En outre, on peut appliquer le produit d'apport de brasage à la fois sur la face cylindrique intérieure du tube extérieur et sur la face cylindrique extérieure du tube intérieur Après avoir comprimé le tube in- térieur et le tube extérieur afin de réaliser un contact intime entre eux, on porte les deux tubes à une température qui ne dépasse pas la température de fusion du produit de brasage mentionné ci-dessus Les produits caracté- ristiques d'apport de brasage que l'on peut utiliser conformément à la pré- sente invention sont ceux qui contiennent 85 % d'argent et 15 % de mangané- se, 7 % d'argent avec 85 % de carbone et 8 % d'étain, on un composé qui con- tient du bore, du silicium et du nickel Ces produits d'apport de brasage ont des températures respectives de fusion de 960 OC à 971 OC, 663 OC à 985 OC, et de l 038 OC On doit bien voir que d'autres produits appropriés d'ap- port de brasage sont compris dans les limites de la présente invention. De même, afin d'obtenir un assemblage brasé plus fiable du tube intérieur et du tube extérieur, on peut nickeler le tube intérieur avant d'appliquer le produit d'apport de brasage comme on l'a indiqué ci-dessus. Conformément à la présente invention, le nickelage et l'application du pro- duit d'apport de brasage sont faits de manière à éviter d'affecter les par- ties axialement extérieures de la face cylindrique extérieure du tube inté- rieur Cette précaution est prise afin d'éviter une contamination de la face cylindrique extérieure du tube intérieur au voisinage de ses extrémi- tés cylindriques et empêcher ainsi toute action nuisible au cours d'une opé- ration ultérieure de soudage effectuée en vue de former une soudure étanche aux extrémités axiales du tube intérieur et du tube extérieur. Avant le profilage à froid ou le frettage à chaud du tube intérieur et du tube extérieur, on peut disposer une substance amovible dans le ré- seau de canaux mentionné ci-dessus Cette substance amovible empêche toute déformation locale du tube extérieur à l'intérieur des canaux pendant l'opération de compression On peut ensuite retirercette substance après l'opération de compression Bien que de nombreuses substances amovibles soient disponibles à cet effet, on peut utiliser une substance fusible telle qu'un métal à bas point de fusion ou du soufre, une substance combus- tible telle que le polystyrène,ou une substance chimiquement attaquable telle qu'un acier au carbone. Après l'opération de compression, on peut chauffer l'assemblage à une température d'environ 10660 C pendant une heure Cette élévation de température a pour effets de fondre le produit d'apport de brasage qui a été déposé entre le tube intérieur et le tube extérieur, de provoquer un recuit de recristallisation du métal de soudage utilisé dans la soudure étanche mentionnée ci-dessus, et d'effectuer un recuit de recristallisation du tube intérieur et du tube extérieur On peut ensuite traiter thermique- ment l'assemblage en le portant à 760 O C environ pendant cinq heures, puis à 649 OC pendant huit heures afin de vieillir correctement les composants de l'écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante On peut finalement usiner l'assemblage aux tolérances dimensionnelles définitives. On doit bien voir que la présente invention fournit un procédé de fabrication d'un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante, qui présente un bon contact entre les faces contiguës du tube intérieur et du tube extérieur, et qui empêche toute fuite du fluide réfrigérant entre les rainures axiales contiguës ou entre le réseau de canaux de circulation du fluide réfrigérant et l'environnement qui est, de manière caractéristi- que, sous vide En outre, on doit bien comprendre que la présente invention fournit un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante pour rotors supraconducteurs, qui est fabriqué de telle manière qu'il en résulte une structure mécaniquement très unitaire et qui fournit également un moyen fiable de retenue du fluide réfrigérant d'un rotor supraconducteur. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels la figure 1 représente une vue écorchée d'un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante; et la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'écran thermi- que de protection contre la chaleur rayonnante de la figure 1. Comme le représente la figure 1, un écran thermique 10 de protec- tion contre la chaleur rayonnante comprend un tube intérieur 12 autour du- quel est disposé coaxialement et concentriquement un tube extérieur 14 Un réseau de canaux de circulation du fluide réfrigérant est formé dans la face extérieure du tube intérieur 12 A la figure 1, ce réseau de canaux de circulation du fluide réfrigérant se compose de deux rainures circonfé- rentielles 15 et 16, et de plusieurs rainures axiales 17 qui coupent cha- cune des deux rainures circonférentielles 15 et 16, et assurent entre elles une communication de fluide Deux trous radiaux 18 et 19 établissent res- pectivement une communication de fluide entre les rainures circonférentiel- les 15 et 16, et la face cylindrique intérieure du tube intérieur 12 Il est bien entendu qu'on peut percer plus d'un trou dans chaque rainure cir- conférentielle afin d'augmenter la circulation du fluide et répartir cette circulation plus uniformément dans le réseau de fluide réfrigérant. Avant l'assemblage du tube intérieur et du tube extérieur, des parties présélectionnées 20 de la face cylindrique extérieure du tube inté- rieur sont recouvertes d'un produit d'apport de brasage Afin de fournir une meilleure liaison métallurgique, on peut également appliquer le produit d'apport de brasage sur la face cylindrique intérieure du tube extérieur 14. Bien entendu, on prendra soin d'éviter de déposer le produit d'apport de brasage au voisinage immédiat des extrémités axiales des tubes afin de ne pas affecter défavorablement une opération ultérieure de soudage qui assu- rerait une étanchéité plus fiable du réseau de fluide réfrigérant entre les deux tubes On place ensuite le tube extérieur 14 autour du tube intérieur 12 et on comprime ensemble ces deux tubes par un procédé approprié tel qu' un profilage à froid Bien que, dans la description de la présente inven- tion, on utilise une opération de profilage à froid, il doit être bien en- tendu qu'un procédé de frettage à chaud est également applicable et se trou- ve dans les limites de la présente invention Pour le frettage à chaud, il faut que le diamètre intérieur du tube extérieur 14 soit usiné à une dimen- sion qui est légèrement inférieure au diamètre extérieur du tube intérieur 12 Le chauffage du tube extérieur 14 ou, en variante, le refroidissement du tube intérieur 12 fournira un jeu diamétral suffisant pour permettre l'assem- blage coaxial et concentrique des deux tubes Lorsqu'ils seront ramenés à la température ambiante, les deux tubes seront assemblés par compression comme ce serait le cas dans le profilageâ froid décrit dans la présente invention. Après que le tube intérieur 12 et le tube extérieur 14 ont été assemblés par compression, on porte l'assemblage à une température qui est supérieure à la température de fusion du produit d'apport de brasage décrit ci-dessus Afin d'assurer une liaison métallurgique plus appropriée entre le tube intérieur 12 et le tube extérieur 14, les parties présélectionnées de la face cylin- drique extérieure du tube intérieur peuvent être nickelées préalablement à l'application du produit d'apport de brasage De même, pour empêcher toute déformation locale du tube extérieur à l'intérieur des rainures circonfé- rentielles 15 ou 16, ou à l'intérieur des rainures axiales 17, on peut remplir ces rainures d'une substance amovible, avant que le tube intérieur 12 et le tube extérieur 14 soient assemblés par compression Cette substan- ce peut être une substance fusible telle qu'un métal à bas point de fusion ou du soufre, une substance combustible telle que le polystyrène, ou une substance chimiquement attaquable telle qu'un acier au carbone Le produit d'apport de brasage peut être un composé quelconque approprié de brasage tel qu'un composé à 85 X d'argent et 15 % de manganèse (point de fusion de 960 'C à 971 OC) ou à 7 % d'argent avec 85 % de carbone et 8 X- d'étain (point de fusion de 663 O C à 985 OC). Après que le tube intérieur 12 et le tube extérieur 14 ont été assemblés par compression pour former une structure unitaire, on peut sou- der de manière étanche les extrémités axiales de l'interface 22 du tube in- térieur 12 et du tube extérieur 14 Afin d'éviter toute contaminat-ion-au voisinage de cette soudure d'étanchéité, on effectuera le nickelage et les applications du produit d'apport de brasage de manière à ne pas affecter les extrémités axiales de la face cylindrique extérieure du tube intérieur 12. La figure 2 est une vue en coupe transversale du tube intérieur 12 et du tube extérieur 14 représentés à la figure 1 Les positions radia- les relatives des rainures axiales 17 et de la rainure circonférentielle 15 sont également représentées Le trou radial 18 représenté débouche dans la rainure circonférentielle 15 et il assure une communication de fluide entre cette dernière et la partie interne du tube intérieur 12 Comme la figure 1, la figure 2 illustre le trajet d'écoulement d'un fluide réfrigérant circu- lant radialement vers l'extérieur par le trou radial 18, circonférentielle- ment autour du tube intérieur dans la rainure circonférentielle 15, axiale- ment entre le tube intérieur 12 et le tube extérieur 14 dans les canaux 17, circonférentiellement dans la rainure circonférentielle 16 et radialement vers l'intérieur par le trou-radial 19, de manière à constituer un réseau permettant au fluide réfrigérant de circuler dans l'écran thermique de pro- tection contre la chaleur rayonnante et de diminuer la température de cet écran thermique Comme on l'a mentionné ci-dessus, on peut utiliser plus d'un trou radial pour permettre un écoulement de fluide vers ou venant de chaque rainure circonférentielle. On se reportera de nouveau à la figure 1 Après l'assemblage du tube intérieur 12 et du tube extérieur 14 comme on l'a décrit ci-dessus, on porte l'écran thermique 10 de protection contre la chaleur rayonnante à la température d'environ 1 066 OC pendant une heure avec un triple résul- tat Premièrement, le produit d'apport de brasage fond et crée une liaison métallurgique entre le tube intérieur 12 et le tube extérieur 14 Deuxiè- mement, un recuit de recristallisation de la soudure située à l'interface 22 du tube intérieur 12 et du tube extérieur 14 s'accomplit Troisièmement, on obtient un recuit de recristallisation du tube intérieur 12 et du tube extérieur 14 qui peuvent avoir été écrouis par le procédé de profilage à froid décrit ci-dessus L'écran thermique 10 de protection contre la cha- leur rayonnante subit ensuite un vieillissement par un traitement à 760 OC pendant cinq heures suivi d'un traitement à 649 O C pendant huit heures On peut ensuite usiner à ses dimensions définitives l'écran thermique 10 de protection contre la chaleur rayonnante. Pour l'appréciation des valeurs de mesure indiquées ci-dessus, on doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de va- riantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. R E V E N D I C AT 10 N S 1 Machine dynamo-électrique à rotor supraconducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend un bobinage inducteur réfrigéré; un premier tube disposé radialement à l'extérieur de ce bobinage inducteur, ce premier tube comportant deux rainures circonférentielles formées dans sa face cylindrique extérieure, ces deux rainures circonférentielles étant espacées l'une de l'autre d'une distance axiale présélectionnée, ce premier tube présentant en outre plusieurs rainures axiales formées dans sa face cylindrique extérieure, chacune des rainures axiales coupant les deux rainures circonférentielles et établissant entre celles-ci une communication de fluide, chacune des rainures circonférentielles étant percée d'un trou qui se prolonge radialement vers l'intérieur pour déboucher dans la face cylindrique intérieure du premier tu- be; et un deuxième tube monté radialement à l'extérieur du premier tube, coaxialement et concentriquement à ce dernier, ce deuxième tube étant relié métallurgiquement au premier par brasage et constituant un joint radialement extérieur, étanche aux fluides, pour les rainures circonférentielles et axiales. 2.Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison métallurgique est réalisée par un nickelage de parties présélection- nées de la face cylindrique extérieure du premier tube; une application d'un produit d'apport de brasage sur ces parties présélectionnées; un assemblage du premier tube et du deuxième tube par compression; et un chauffage du premier tube et du deuxième tube à une température supérieure à la tempéra ture de fusion de ce produit d'apport de brasage. 3 Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison métallurgique est réalisée par une application d'un produit d'apport de brasage sur des parties présélectionnées de la face cylindrique intérieure du deuxième tube; un assemblage du premier tube et du deuxième tube par com- pression; et un chauffage du premier tube et du deuxième tube à une tempéra- ture supérieure à la température de fusion de ce produit d'apport de brasage. 4 Machine suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le produit d'apport de brasage est choisi dans un groupe comprenant un composé à 85 % d'Ag et 15 % de Mn et un composé à 7 % d'Ag, 85 % de C et 8 % de Sn; et en ce que ce produit d'apport de brasage a un point de fusion com- pris entre 663 OC et 1 038 OC. Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisée en ce que l'assemblage par compression est effectué par profilage à froid du premier tube et du deuxième tube ensemble ou par frettage à chaud du premier tube et du deuxième tube ensemble. 6 Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac caractérisée en ce qu'elle comprend un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante constitué d'un tube intérieur dans la face cylindrique extérieure duquel sont formées deux rainures circonférentielles espacées l'une de l'autre d'une distance axiale présélectionnée, plusieurs rainures axiales étant formées également dans la face cylindrique extérieure de ce tube intérieur, ces rainures axiales se combinant aux deux rainures circon- férentielles pour établir une communication de fluide entre elles, chacune de ces rainures circonférentielles étant percée d'un trou qui se prolonge radialement pour déboucher dans la face cylindrique intérieure de ce tube intérieur; et d'un tube extérieur monté autour du tube intérieur, coaxia- lement et concentriquement à ce dernier, le tube intérieur et le tube exté- rieur étant brasés ensemble le long de parties présélectionnées de leurs fa- ces cylindriques contiguës. 7 Machine suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la face cylindrique extérieure du tube intérieur est nickelée avant d'être bra- sée au tube extérieur; ou en ce que le tube intérieur et le tube extérieur sont profilés à froid ensemble ou frettés à chaud ensemble ou soudés le long de leurs extrémités axiales avant d'être brasés l'un à l'autre. 8 Procédé de fabrication d'un écran thermique de protection contre la chaleur rayonnante pour un rotor supraconducteur de machine dynamo- électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les stades de mise à disposi- tion d'un premier tube; perçage dans ce premier tube de deux trous radiaux à une distance axiale prédéterminée l'un de l'autre; formation dans la face cylindrique extérieure de ce premier tube d'un réseau de canaux établissant une communication de fluide entre ces deux trous; application d'un produit d'apport de brasage dont le point de fusion se situe entre 649 OC et 1 038 OC environ sur des parties présélectionnées de la face cylindrique extérieure de ce premier tube; mise en place d'un deuxième tube autour du premier tube, coaxialement et concentriquement à celui-ci; assemblage du premier tube et du deuxième tube par compression; et chauffage du premier tube et du deu- xième tube à une température qui est supérieure à la température de fusion du produit d'apport de brasage. 9 Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il com- prend en outre les stades de placage de la face extérieure du premier tube avant l'application du produit d'apport de brasage; et application du pro- duit de brasage sur des parties présélectionnées de la face cylindrique in- térieure du deuxième tube avant le stade de mise en place de ce dernier. Procédé suivant l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les stades de remplissage du réseau de canaux par une substance amovible avant le stade d'assemblage par compression; évacuation de cette substance amobible après le stade d'assemblage par com- pression; et soudage du premier tube et du deuxième tube l'un à l'autre, le long de chaque extrémité axiale du premier tube, là o ce dernier est contigu au deuxième tube.