Brevet FR2568051A1 — publié le 19860124

i La présente invention a trait à un interrupteur pouvant changer d'état entre un état de "fermeture" dans lequel il offre au courant électrique un trajet à très faible résistan- ce et un état d'ouverture" dans lequel il établit un trajet de courant à résistance relativement élevée. L'interrupteur selon l'invention trouve une utilisation dans le domaine des bobines d'aimants supraconducteurs. Ces bobines sont typiquement maintenues à de très basses tempé- -. ratures-dans des bains- dthélium liquide contenus dans-.des- -- récipients clos, tels que vases de Dewar. Pour certaines ap- plications, il est souhaitable de pouvoir établir sélective- ment un trajet de courant ayant une résistance très faible, comme de 10 9 ohms, entre deux points situés dans le vase de Dewar. Les interrupteurs classiques ne sont pas aptes à éta- blir des trajets de courant ayant une résistance aussi faible. Les matériaux supraconducteurs présentent des résistan- ces électriques très faibles à de très basses températures. Un matériau supraconducteur a typiquement une température de transition de 10 à 20 K, au-dessus de laquelle il constitue un conducteur normal à résistance relativement élevée. On a déjà proposé d'utiliser des supraconducteurs comme interrupteurs en faisant varier leur température. Toutefois, ces interrupteurs comportaient typiquement des matrices de stabilisation continues à résistance relativement faible et étaient typiquement inaptes à établir, en position d'ouvertu- re, des trajets de courant à haute résistance. La présente invention propose un interrupteur comportant un tronçon de matériau supraconducteur et des moyens de sta- bilisation qui réduisent l'instabilité du tronçon de matériau supraconducteur sans réduire à l'excès la résistance de l'in- terrupteur à l'état d'ouverture. Dans la réalisation préférée, il est prévu un dispositif chauffant qui porte la température du matériau supraconducteur au-delà de sa température de tran- sition pour ouvrir l'interrupteur. De l'isolant enferme pra- tiquement le matériau supraconducteur et le dispositif chauf- fant pour permettre le maintien d'une différence de tempéra- ture entre le matériau supraconducteur et le milieu environ- nant. Les moyens de stabilisation sont de préférence consti- tués par une série de segments de cuivre en contact avec le matériau supraconducteur. Les segments sont espacés l'un de l'autre de façon à ne pas établir un trajet de courant conti- nu à travers le cuivre. Par conséquent, la présente invention a pour but général de réaliser un interrupteur perfectionné qui fonctionne en supraconducteur à l'état de fermeture et un conducteur nor- mal à l'état d'ouverture. Elle^. a en.core.pour jut.de proppoqser un interrup3eur qui fonctionne en supraconducteur à l'état de fermeture et éta- blisse entre ses bornes une résistance relativement élevée à l'état d'ouverture. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-dessous de la réalisa- tion préférée de l'invention en se référant aux dessins an- nexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un interrupteur selon la présente invention; - la figure 2 est une vue grossie en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, en regardant dans le sens des flèches; - la figure 3 est une vue grossie suivant la ligne 3- 3 de la figure 2, en regardant dans le sens des flèches. La présente invention est matérialisée dans un interrup- teur désigné par la référence générale 10 sur la figure 1. L'interrupteur 10 comporte une première et une seconde bor- nes 12 et 14. L'interrupteur comporte un tronçon 16 de maté- riau supraconducteur qui s'étend entre les première et se- conde bornes 12 et 14. Ici, le tronçon de matériau supra- conducteur 16 est enroulé en hélice autour d'un noyau 18. Le noyau 18 représenté à titre d'exemple est un tronçon de tube d'aluminium rempli d'isolant thermique tel que mousse syn- thétique. Lorsqu'on le maintient à une température extrêmement basse, le matériau supraconducteur 16 agit en supraconducteur, c'est-à-dire qu'il n'oppose au passage de courant qu'une ré- sistance extrêmement faible. A de plus hautes températures, le matériau supraconducteur 16 agit en conducteur normal et oppose au passage de courant une résistance relativement éle- vée. La température de transition à laquelle le matériau passe de l'état normal à l'état supraconducteur est typique- ment de 10 à 20 K. On ferme l'interrupteur 10 en amenant la température du matériau supraconducteur 16 au-dessous du point de transi- tion. On ouvre l'interrupteur 10 en portant la température du matériau supraconducteur au-dessus du point de transition. Bien que les moyens de modification de la température du matériau supraconducteur 16 puissent être un dispositif chauffant, un dispositif refroidisseur ou l'un et l'autre, l'interrupteur représenté à titre d'exemple est destiné à servir dans un milieu dont la température ambiante est infé- rieure à la température de transition du matériau supracon- ducteur et, par conséquent, un dispositif chauffant 22 est prévu pour ouvrir l'interrupteur en portant la température du matériau au-delà du point de transition. Quand le dispo- sitif chauffant 22 n'est pas en action, le matériau supra- conducteur 16 transmet de la chaleur au milieu et change d' état quand sa température devient suffisamment basse, fer- mant ainsi l'interrupteur 10. Le dispositif chauffant 22 représenté à titre d'exemple est constitué par un élément chauffant 24 ayant une résis- tance électrique relativement élevée de façon à engendrer de la chaleur lorsqu'il est traversé par du courant. L'élément chauffant est alimenté en courant électrique par des conduc- teurs de dispositif chauffant 26 et 28. L'élément chauffant 24 peut être une résistance courante. Pour éviter un transfert excessif de chaleur du dispo- sitif chauffant au milieu, de l'isolant thermique 30 enferme pratiquement le tronçon de matériau supraconducteur 16 et le dispositif chauffant 22. L'isolant peut être constitué par un enroulement de ruban de verre-époxy. Le matériau supraconducteur est ici un fil métallique multifilament 16 composé d'une série de filaments en nobium- titane 32 montés en parallèle. Pendant le fonctionnement en supraconduction, une perturbation mécanique ou thermique relativement faible peut engendrer de la chaleur dans un fi- lament 32 et porter une partie du filament à une température supérieure au point de transition. Lorsqu'une partie relati- vement petite d'un seul filament 32 vient à dépasser la tem- pérature de transition, la résistance électrique qui en ré- sulte dans cette partie engendre de la chaleur qui élève la température des parties voisines du filament. Pour éviter que par un tel effet tout le fil 16 se trouve rendu normal, c'est-à-dire porté à une température supérieure à celle de transition, du matériau stabilisateur est typiquement prévu sur les filaments supraconducteurs pour établir autour des parties des filaments supraconducteurs qui sont momentanément conductrices un trajet de courant à résistance relativement élevée. Le matériau stabilisateur peut aussi évacuer de la chaleur de ces parties. Un câble supraconducteur est typiquement stabilisé par un conducteur normal continu de même étendue que le matériau supraconducteur présent dans son intérieur. Le conducteur normal a typiquement une résistance électrique supérieure à celle que le matériau supraconducteur présente audessous de la température de transition, mais inférieure à celle que ce matériau présente au-dessus de la température de transition. Le matériau stabilisateur se présente typiquement sous la forme d'une matrice en cuivre qui entoure individuelle- ment et collectivement les filaments. Parce que la matrice en cuivre a une résistance électrique relativement faible au-dessus de la température de transition, un fil supracon- ducteur stabilisé au cuivre a une résistance relativement faible même audessus de la température de transition. De ce fait, un tel fil stabilisé ne convient pas pour utilisa- tion dans un interrupteur lorsqu'on souhaite ouvrir l'inter- rupteur, c'est-à-dire établir une haute résistance entre les extrémités du fil supraconducteur, en portant la température de celui-di au-dessus de la température de transition. Suivant la présente invention, des moyens stabilisa- teurs 34 sont prévus pour stabiliser le fil supraconducteur 16 tout en permettant le maintien d'une résistance relative- ment élevée entre les extrémités opposées du fil 16 à des températures supérieures à la température de transition du matériau supraconducteur. Dans la réalisation illustrée, les moyens stabilisateurs 34 sont une série de segments en maté- riau à conductibilité normale. Les segments 34 sont espacés 2'5 68051 les uns des autres sur la longueur du fil 16 et chacun d'eux est en contact avec tous les filaments 32. Les segments 34 relient ainsi en parallèle les filaments 32, ce qui permet la redistribution du courant autour de tronçons de filaments individuels qui sont temporairement audessus de la tempéra- ture de transition. En plus de leurs fonctions électriques, les segments 34 peuvent aussi retarder la propagation de la chaleur le long des filaments 32, ce qui contribue encore au maintien de la stabilité. Les segments 34 sont de préférence en cuivre. Les caractéristiques de l'interrupteur 10 dépendent beaucoup de la longueur et de l'espacement des segments en cuivre 34. Si les intervalles séparant ces segments sont trop grands, la stabilisation assurée est inadéquate. L'ef- ficacité des segments stabilisateurs réside principalement dans leur aptitude à offrir au courant d'autres trajets pos- sibles quand des tronçons particuliers de filaments se trou- vent temporairement portés au-dessus de la température de transition. A mesure que les intervalles s'allongent, le risque augmente qu'à un moment donné, le nombre de filaments présentant de tels tronçons entre deux segments particuliers soit assez grand pour que les filaments restants ne puissent acheminer la totalité du courant. Si ceci arrivait, le fil 16 deviendrait un conducteur normal. Toutefois, si la lon- gueur totale des intervalles est trop faible, la résistance de l'interrupteur 10 en position d'ouverture peut être indé- sirablement basse. Un autre facteur à considérer est que les segments 34 doivent être assez longs pour que la résistance rencontrée par le courant les traversant entre filaments 32 soit né- gligeable. Si les segments 34 sonttrop courts, l'aire de contact entre un segment 34 et les filaments 32 peut être assez faible pour que la résistance ohmique rencontrée par le courant passant entre les filaments 32 et le segment 34 soit trop élevée. De plus, si les segments en cuivre 34 sont relativement longs, la transmission de chaleur aux tronçons des filaments supraconducteurs 32 situés dans les segments en cuivre 34 est légèrement retardée et ces tronçons demeurent supracon- ducteurs pendant un temps bref après la mise en action du dispositif de chauffage 22. Pareillement, lorsqu'on souhaite fermer l'interrupteur 10, la transmission de chaleur à par- tir de ces tronçons se trouve retardée par les segments en cuivre 34. Ces retards sont indésirables. Pour l'obtention selon l'invention d'une efficacité ac- ceptable, le fil supraconducteur 16 peut être constitué par une longueur de 122m de fil supraconducteur multifilament de 0,51 mm, les segments de cuivre 34 couvrant environ 8 cm par mètre du fil supraconducteur. On peut fabriquer la partie de l'interrupteur 10 trans- mettant le courant, c'est-à-dire le fil 16 et les segments 34, à partir d'un fil supraconducteur stabilisé en retirant de celui-ci des parties du matériau stabilisateur. On fabri- que typiquement du fil supraconducteur stabilisé par un pro- cessus de coextrusion par lequel on enferme une série de fi- laments supraconducteurs dans une matrice en cuivre. Un tel fil a sur toute sa longueur une section telle que représen- tée sur la figure 3. Le processus de coextrusion établit un bon contact électrique entre la matrice en cuivre et les fi- laments supraconducteurs sur toute la longueur du fil. Dans la réalisation illustrée de la présente invention, on peut fabriquer la partie conductrice de l'interrupteur 10 par attaque chimique d'un tronçon de fil supraconducteur multifilament, stabilisé au cuivre, de 0,51 mm pour en éli- miner toute la matrice de cuivre stabilisatrice sauf environ 8 cm par mètre sur presque tout le fil, mais en laissant intacts les tronçons extrêmes 36 de la matrice voisins des extrémités devant constituer les bornes 12, 14 de l'inter- rupteur. Ainsi, après l'attaque chimique, la partie enroulée 38 du fil 16 demeure munie d'une série de segments de 2,54 cm répartis à intervalles d'environ 0,305 m. Dans cette réalisa- tion de l'invention, la résistance à l'état normal, c'est-à- dire en position d'ouverture, est d'environ 1 060 ohms et 1' interrupteur 10 est capable de transmettre environ 80 ampères lorsqu'il est à l'état supraconducteur ou de fermeture. Dans une application particulière, l'interrupteur 10 décrit ci-dessus est destiné à permettre le fonctionnement en mode persistant d'une bobine d'aimant supraconducteur. En fonctionnement en mode persistant, une bobine d'aimant se charge, c'est-à-dire qu'il s'y établit un courant élevé, puis on relie l'une à l'autre les extrémités opposées de la bo- bine pour que du courant puisse traverser continuellement la bobine sans qu'il soit besoin d'une source d'alimentation pour entretenir le courant. Pour charger une bobine d'aimant au moyen de l'interrupteur 10 selon la présente invention, on monte l'interrupteur entre les conducteurs d'aimant qui sont reliés à des bornes opposées de la source d'alimentation et on le fait passer à l'état normal ou d'ouverture. On met ensuite la source d'alimentation en action pour charger la bobine. A mesure que la bobine se charge, un courant relati- vement faible traverse l'interrupteur 10 à l'état ouvert. Ce courant engendre assez de chaleur pour maintenir l'interrup- teur ouvert pendant la charge de la bobine. A mesure que le courant présent dans la bobine approche de sa valeur souhaitée, la tension aux bornes de l'interrup- teur approche d'une valeur nulle. Quand cette valeur nulle est atteinte, le courant traversant l'interrupteur approche de zéro, ce qui ramène le dégagement de chaleur dans l'inter- tupteur au-dessous du niveau voulu pour maintenir l'inter- rupteur ouvert, permettant à celui-ci d'être rapidement re- froidi par le bain d'hélium et de se fermer, de sorte que du courant peut le traverser en rencontrant une résistance ex- trêmement faible. La connexion électrique entre les extrémités opposées 12, 14 du fil supraconducteur et les conducteurs d'aimant peut être établie par brasage ou par soudage par points. Les conducteurs d'aimant sont typiquement en fil supraconducteur stabilisé au cuivre. Le brasage établit une connexion entre le cuivre présent sur le fil d'interrupteur 16 et les con- ducteurs. Le soudage par points établit un contact direct entre les filaments supraconducteurs 32 de l'interrupteur 10 et ceux des conducteurs d'aimant. Le soudage par points est généralement jugé moins fiable car les connexions soudées sont fragiles. Toutefois, le soudage par points a l'avantage de réaliser une connexion ayant une résistance moindre. D'après ce qui précède, on voit que la présente inven- tion fournit un interrupteur original et perfectionné qui Z568051 agit en supraconducteur lorsqu'il est à l'état de fermeture et oppose une résistance relativement élevée au courant élec- trique lorsqu'il est ouvert. La description donnée ici d'une réalisation préférée est dépourvue de tout caractère limita- tif. REVENDICATIONS 1. Interrupteur caractérisé en ce qu'il comprend: un tronçon de matériau supraconducteur (16) comportant une sé- rie de filaments (32) et présentant une température de tran- sition; des moyens stabilisateurs constitués par une série de segments (34) en matériau à conductibilité normale espa- cés les uns des autres le long dudit tronçon de matériau supraconducteur et en contact avec celui-ci de façon à re- lier en parallèle lesdits filaments; et des moyens (22, 30) permettant de faire varier la température du matériau supra- conducteur entre des valeurs respectivement supérieure et in- férieure à sa température de transition. 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits segments (34) a environ 2,54 cm de long et en ce que ces segments sont répartis sur la longueur du matériau supraconducteur à intervalles d'environ 0,305 m. 3. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau supraconducteur est du nobium-titane et en ce que ledit matériau à conductibilité normale est du cuivre. 4. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens permettant de faire varier la tempé- rature du matériau supraconducteur comprennent une enceinte isolante (30) contenant pratiquement ledit tronçon de maté- riau supraconducteur, et un dispositif chauffant (22) disposé dans ladite enceinte pour transmettre de la chaleur au maté- riau supraconducteur. 5. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tronçon de matériau supraconducteur est enroulé en hélice. 6. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tronçon de matériau supraconducteur est consti- tué par un fil supraconducteur multifilament. 7. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tronçon de matériau supraconducteur a environ 122 m de long. 8. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un noyau isolé et en ce que le matériau supraconducteur est enroulé sur ce noyau.