Brevet FR2660482A1 — publié le 19911004

I La présente invention concerne un toron supraconducteur utilisé dans un transformateur ou un dispositif analogue, pour per- mettre le passage d'un courant alternatif. Les fils supraconducteurs destinés au Gourant alternatif possèdent un diamètre réduit, et le diamètre du fil est générale- ment fixé à environ 0,1 mm Toutefois, si le diamètre du fil est petit, sa capacité de transport de courant devient également petite, si bien que, lorsqu'on utilise du fil supraconducteur pour une bobine supraconductrice, on toronne ensemble un nombre pré- établi de fils supraconducteurs pour constituer un toron supra- conducteur. Comme représenté sur la figure 1, le toron supraconduc- teur classique possède généralement une structure dans laquelle des torons de fils toronnés sont toronnés ensemble, et, par exemple, on toronne sur la surface extérieure d'un élément âme non magnétique 3, qui comprend des fils d'acier inoxydable ou autres, six torons principaux 2, que l'on construit en toronnant ensemble sept fils supraconducteurs 1 De façon générale, le toron principal 2 est formé de 3, 7 ou 19 fils supraconducteurs, ayant un même diamètre pour faciliter le toronnage. Puisqu'une production de chaleur se produit, par suite de pertes de courant alternatif, dans le fil supraconducteur dans lequel passe un courant alternatif, il est nécessaire de refroidir suffisamment le fil supraconducteur Toutefois, puisque le toron supraconducteur classique pour courant alternatif possède une structure dans laquelle des torons formés de fils toronnés sont eux-mêmes toronnés, le rendement d'enlèvement de chaleur des fils supraconducteurs qui sont disposés dans la partie interne du toron supraconducteur est moindre que celui des fils supraconducteurs disposés dans la partie externe du toron supraconducteur et, par conséquent, leur température tend à s'élever, ce qui provoque un phénomène de transition supraconductrice Dans le cas particulier o le toron supraconducteur est imprégné de résine époxy dans un but d'isolation, la tendance ci-dessus indiquée devient importante. De plus, puisqu'on construit le toron supraconducteur classique en toronnant plusieurs torons principaux qui sont eux- mêmes chacun formés d'un nombre préétabli de fils supraconducteurs toronnés, le nombre de fils supraconducteurs utilisé ne peut pas varier continûment, et il est quelquefois impossible de satisfaire la condition pour que le toron ait une capacité voulue de transport de courant. De plus, dans ce type de toron supraconducteur classique, on forme les pellicules isolantes des fils supraconducteurs et de l'élément âme en faisant cuire un vernis isolant sur eux, et les pellicules d'isolation formées ont généralement une épaisseur d'environ 10 pm Toutefois, avec les pellicules d'isolation clas- siques, des défauts d'isolation tendent à apparaître entre les fils par suite de la formation de trous d'épingle, d'irrégularités de cuisson et de dommages causés aux fils lors des opérations de toronnage ou de bobinage, et, si le défaut d'isolation s'est pro- duit et qu'on fait circuler un courant alternatif dans le toron supraconducteur, un courant de couplage anormal circule entre les fils supraconducteurs ou entre le fil supraconducteur 1 et le fil en acier inoxydable 3 par suite de la différence d'inductance, ce qui fait que la réation de chaleur partielle casse l'état supra- conducteur. Un premier but de l'invention est de produire un toron supraconducteur pour courant alternatif qui est en mesure d'éli- miner efficacement la chaleur créée par les pertes du courant alternatif, de façon à rendre difficile la production d'un phéno- mène de transition supraconductrice et à maintenir de façon stable l'état supraconducteur. Un autre but de l'invention est de produire un toron supraconducteur pour courant alternatif qui est en mesure de main- tenir de façon stable l'isolation entre l'élément âme et le fil supraconducteur afin d'empêcher la circulation du courant de cou- plage créé par des défauts d'isolation et de supprimer la création de chaleur partielle même dans le cas o certains trous d'épingle sont formés dans la pellicule d'isolation du fil supraconducteur ou que des irrégularités de cuisson se sont produites dans celle-ci. Un autre but de l'invention est de produire un toron supraconducteur pour courant alternatif, dans lequel on peut libre- ment sélectionner le nombre des fils supraconducteurs de façon à pouvoir disposer d'une capacité voulue de transport de courant. Un toron supraconducteur pour courant alternatif selon l'invention comprend un élément âme non magnétique; et pas moins de 13 fils supraconducteurs qui ont un diamètre plus petit que celui de l'élément âme, formé de préférence d'un fil d'acier inoxy- dable ou d'un fil de titane, et sont toronnés en une seule couche sur la surface périphérique externe de l'élément âme. De préférence une couche tressée électriquement isolante, qui est formée en fibre de polyester, s'interpose entre l'élément âme et les fils supraconducteurs toronnés de façon à maintenir de manière stable l'isolation entre l'élément âme et les fils supra- conducteurs. Le fil supraconducteur est formé d'un grand nombre de filaments supraconducteurs de Nb Ti. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue en section droite montrant la structure du toron supraconducteur classique; la figure 2 est une vue en section droite montrant la structure d'un toron supraconducteur pour courant alternatif selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est une vue en section droite montrant la structure de l'un des fils supraconducteurs du toron supra- conducteur représenté sur la figure 2; la figure 4 est une vue en section droite agrandie montrant une partie qui est définie par le cercle IV sur la figure 3; la figure 5 est une vue en section droite montrant la structure d'un toron supraconducteur pour courant alternatif selon un autre mode de réalisation de l'invention; et la figure 6 est une vue en section droite montrant la structure d'un toron à 7 x 7 torons secondaires, qui est formé de façon que ses performances puissent être comparées avec celles d'un toron supraconducteur pour courant alternatif selon l'invention. Sur la figure 2, est représenté un premier mode de réali- sation d'un toron supraconducteur pour courant alternatif selon OS l'invention On construit un toron supraconducteur pour courant alternatif 10 en toronnant, en une forme à une seule couche, un nombre préétabli de fils supraconducteurs 11, par exemple 22 fils supraconducteurs, sur la surface périphérique externe d'un élément âme 13 Puisque les fils supraconducteurs 11 sont toronnés ensemble sur une seule couche, le nombre de fils supraconducteurs toronnés 1 peut être librement fixé à un nombre voulu égal ou supérieur à 13, par un ajustement approprié du diamètre externe de l'élément âme 13, si bien qu'on peut obtenir une capacité voulue de transport de courant. L'élément âme 13 est formé sous la forme d'un toron pos- sédant un diamètre externe de 0,855 mm, qui est réalisé par toron- nage de 7 fils d'acier inoxydable 14 ayant un diamètre externe de 0,265 mm, sur chacun desquels est formée une pellicule de polyester d'une épaisseur pelliculaire de 10 pm Il faut que l'élément âme 13 soit non magnétique et ait une résistance électrique élevée et une grande rigidité, et on peut de préférence utiliser comme élé- ment âme un fil de titane ou un fil d'acier inoxydable non magné- tique De plus, l'élément âme possède un toron tel que décrit ci- dessus ou bien peut être un fil rond unique Chacun des fils supra- conducteurs 11 porte une pellicule de polyester d'une épaisseur de pm, et le diamètre du fil est de 0,14 mm. Les figures 3 et 4 montrent la structure du fil supra- conducteur 11 Pour fabriquer le fil supraconducteur 11, on prépare d'abord des fils de Cu Ni-Cu 11 a et de Cu Ni-Nb Ti 11 b On forme le fil 11 a de Cu Ni-Cu en insérant un lingot de cuivre exempt d'oxygène dans un tube de Cu Ni contenant Ni à raison de 10 % en poids, et Cu pour le reste, et on le travaille à la forme d'un fil ayant une section droite hexagonale en effectuant des opérations d'extrusion et d'étirage de fil On forme le fil 11 b de Cu Ni-Nb Ti en commençant par insérer des lingots de Nb Ti, contenant Nb à raison de 50 % en poids et Ti à raison de 50 % en poids, dans des tubes de Cu Ni du type ci-dessus décrit et on lestravaille pour former des fils prin- cipaux ayant une section droite hexagonale en effectuant les opéra- tions d'extrusion et d'étirage de fil, puis en insérant 85 fils primaires dans un tube de Cu Ni et en le travaillant à la forme d'un fil à section droite hexagonale en effectuant les opérations d'extrusion et d'étirage de fil. Ensuite, on réunit en faisceau 85 fils 11 a de Cu Ni-Cu dans la position centrale, on dispose 168 fils 11 b de Cu Ni-Nb Ti sur la partie périphérique externe de ceux-ci, on insère l'ensemble de fils ainsi obtenu dans le tube 11 c de Cu Ni, on réduit le diamètre externe de celui-ci à 0,12 mm en effectuant les opérations d'extru- sion et d'étirage de fil, et on revêt la surface externe d'une pellicule de polyester 11 d de façon à former un fil supraconducteur 11 qui possède un diamètre externe final de 0,14 mm Le fil supra- conducteur 11 ainsi obtenu possède environ 15 500 filaments supra- conducteurs et le diamètre équivalent moyen de Nb Ti est de 0,5 Pm. Le rapport des aires en section droite Cu: Cu Ni: Nb Ti du fil 11 est donné par 0,2: 2,5: 1,0. Puisque, dans le toron supraconducteur 10 pour courant alternatif ayant la structure ci-dessus, les fils supraconducteurs 11 sont tous disposés sur la surface périphérique externe de l'élé- ment âme 13, les fils 11 peuvent être uniformément et efficacement refroidis lors du refroidissement du toron supraconducteur au moyen d'un agent réfrigérant, par exemple de l'hélium liquide, et on peut ainsi augmenter la valeur du courant de transition supraconductrice en courant alternatif par comparaison avec le toron supraconducteur classique représenté sur la figure 1. La figure 5 représente un toron supraconducteur 20 pour courant alternatif selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, et le toron 20 porte une couche tressée 26, d'une épaisseur de 60 pm, comme couche électriquement isolante, laquelle est inter- posée entre l'élément âme 13 du toron supraconducteur 10 représenté sur la figure 2 et les fils supraconducteurs 11 disposés sur la surface périphérique externe de l'élément âme 13 On utilise de préférence, comme matériau pour la couche tressée 26, des fibres de polyester, des fibres de verre, etc On forme l'élément âme 23 du toron 20 en toronant ensemble 7 fils d'acier inoxydable 24 qui pos- sèdent un diamètre de 0,175 mm et sont chacun revêtus d'une pelli- cule d'isolation de polyester 25 ayant une épaisseur de 10 pm Les fils supraconducteurs 11 toronnés en une couche unique formée sur La surface périphérique externe de la couche tressée 26 sont iden- tiques à ceux utilisés dans le toron supraconducteur 10 de la figure 2 Le diamètre externe du toron 20 de ce mode de réalisation est de 0,985 mm. Il est également possible de disposer en outre une couche 28 tressée en fibres de polyester, d'une épaisseur de 60 pm, sur la surface périphérique externe du fil supraconducteur 11 du mode de réalisation représenté sur la figure 5 et, dans ce cas, le diamètre externe total devient 1,105 mm environ. Comme décrit ci-dessus, lorsqu'on dispose la couche tressée, comme couche électriquement isolante, entre l'élément âme et les fils supraconducteurs, la couche tressée fait fonction d'élément tampon et le toron supraconducteur garde une certaine souplesse, ce qui empêche que la pellicule isolante du fil supra- conducteur ne soit endommagée par le frottement entre l'élément âme et les fils supraconducteurs pendant les opérations de toronnage et de câblage De plus, 'même si des trous d'épingle se sont formés dans la pellicule isolante du fil supraconducteur ou que des irré- gularités de cuisson s'y sont produites, l'isolation entre l'élé- ment âme et le fil supraconducteur peut être maintenue et, en résultat, on peut obtenir une isolation stable entre l'élément âme et le fil supraconducteur, lesquels ont des inductances diffé- rentes, si bien qu'on empêche qu'un courant de couplage anormal ne circule entre l'élément âme et le fil supraconducteur et on peut maintenir un état supraconducteur stable De plus, la présence de la couche tressée permet l'imprégnation aisée de la résine époxy ou autre. L'effet obtenu par toronnage des fils supraconducteurs 11 en une seule couche a été expérimentalement confirmé par l'utilisa- tion du toron supraconducteur 20 pour courant alternatif selon cette invention, qui est représenté sur La figure 5, et du toron supraconducteur 30 pour courant alternatif, représenté sur La figure 6, qui a été formé en vue de Leur comparaison On a cons- truit Le toron supraconducteur 30 pour courant alternatif de La figure 6 en formant 7 torons principaux 30 a formés chacun par toronnage de 7 fi Ls supraconducteurs 11, puis par toronnage des 7 torons principaux 30 a en un câble toronné 7 x 7 Dans L'expé- rience, on a formé des aimants supraconducteurs en enroulant Les torons supraconducteurs 20 et 30 pris comme échanti L Lon sur des bobines FRP respectives de façon non inductive et en imprégnant de La résine époxy dans ce L Les-ci On a mesuré Les courants de transi- tion supraconductrice en courant alternatif après avoir p Lacé Les bobines dans un champ magnétique alternatif externe En résu Ltat, Les rapports des courants rée Ls de transition supraconductrice en courant alternatif des torons supraconducteurs 20 et 30 à un courant critique continu obtenu à partir du courant critique con- tinu du fi L supraconducteur se sont révéLés respectivement va Loir 62 % et 44 %, si bien que L'effet du toron en une seu Le couche a pu être prouvé. Bien entendu, L'homme de L'art sera en mesure d'imaginer, à partir du toron supraconducteur dont La description vient d'être donnée à titre simplement i L Lustratif et nu L Lement Limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de L'invention. REVENDICATIONS 1 Toron supraconducteur ( 10; 20) pour courant alter- natif, caractérisé en ce qu'il comprend: un éLément âme non magnétique ( 13; 23); et des fils supraconducteurs ( 11), en un nombre qui n'est pas inférieur à 13, possédant chacun un diamètre plus petit que celui dudit élément âme et toronnés en une seule couche sur la sur- face périphérique externe dudit élément âme. 2 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément âme est formé d'un fil d'acier inoxydable non magnétique. 3 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément âme est formé d'un fil de titane. 4 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément âme est un toron. Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément âme est un fil rond unique. 6 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil supraconducteur comporte une pluralité de filaments supraconducteurs de Nb Ti. 7 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche tressée électriquement isolante ( 26) qui est interposée entre ledit élément âme et lesdits fils supraconducteurs toronnés. 8 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche tressée est formée de fibres de polyester. 9 Toron supraconducteur pour courant alternatif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche tressée est formée de fibres de verre.