Brevet FR2669470A1 — publié le 19920522

Procédé de refroidissement d'une amenée de courant pour appareillage électrique à très basse température et dispositif pour sa mise en oeuvre La présente invention concerne un procédé de refroidissement d'une amenée de courant entre une borne à température ambiante et un appareillage électrique fonctionnant à très basse température et à intensité de courant variable Selon ce procédé on réalise un échange de chaleur entre l'amenée de courant et un fluide auxiliaire de refroidissement L'injection de ce fluide auxiliaire, à température ambiante, se fait à un niveau situé entre la borne à température ambiante et l'appareillage électrique La sortie de ce fluide se trouve sur la borne à température ambiante L'invention s'étend en outre à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Elle s'applique en particulier au refroidissement d'appareil- lages supraconducteurs, notamment de machines supraconductrices, soumis à des périodes de fonctionnement à vide ou à courant faible, au régime nominal et en surrégime (intensité supérieure à l'intensité nominale). Ces amenées de courant assurent la liaison électrique entre un circuit extérieur fonctionnant dans un milieu à température ambiante et l'appareillage électrique à très basse température, par exemple plongé dans l'hélium liquide à 4,2 K ou dans l'azote liquide à 77 K. Elles sont le siège de pertes par effet Joule et par conduction thermique; ces pertes se traduisent par une dépense de25 liquéfaction-réfrigération supplémentaire par rapport à celle correspondant au maintien en froid de l'appareillage à très basse température. Il est connu que le bilan des besoins de liquéfaction-réfri- gération (bilan cryogénique) est amélioré lorsque les amenées de courant sont refroidies par échange de chaleur avec un fluide injecté à leur contact au niveau basse température, fluide évacué au niveau à température ambiante, puis refroidi par la machine cryogénique assurant le maintien en froid Il s'agit le plus souvent du fluide cryogénique vaporisé par l'amenée de courant elle-même, que l'on dit35 alors "auto-refroidie" Dans ces conditions, il est également connu -2- que les pertes calorifiques pour une intensité de courant I donnée sont minimales lorsque le rapport I L r = I L s (L et S désignant la longueur et la section droite du conducteur) a r une valeur optimale opt ne dépendant que de la nature du matériau conducteur Dans le cas d'une amenée de courant dont la section droite S ( 1) n'est plus constante dans toute la longueur du conducteur, on10 obtient une loi analogue avec I L d 1 r dl) o La définition de l'amenée de courant présentant les pertes minimales dépend donc de l'intensité I de courant qui le parcourt En particulier, une amenée de courant optimisée pour un courant Il donné présente à vide des pertes non négligeables (environ 50 % des pertes en charge) et peut même être détruite en cas de surcharge, pour une intensité variant de 1,05 Il à 3 Il suivant sa structure et le matériau conducteur utilisé. Il y a donc avantage à modifier l'amenée de courant en fonction du courant I qui doit la traverser, de façon à maintenir le rapport r ci-dessus aussi proche que possible de la valeur ropt. On a proposé en premier lieu un débrochage mécanique de l'amenée de courant lors des arrêts de l'appareillage électrique Il permet de réduire considérablement les pertes à vide, mais crée des problèmes de fiabilité et de résistance électrique du contact, et nécessite en cas d'automatisation un asservissement complexe et la présence d'un espace de débattement suffisant L'amenée de courant n'est alors optimisée que pour une seule valeur de courant, sauf si elle est décomposée en plusieurs éléments individuellement débrochables et isolés thermiquement les uns des autres, ce qui entraîne une installation très complexe. On a aussi proposé que le contact électrique soit déplaçable -3- entre un conducteur surdimensionné, à température proche de l'ambiante et l'amenée de courant proprement dite (contact dit "glissant"), de façon à faire varier la longueur utile L de sorte que sa valeur reste proche du produit opt S Cette solution crée des problèmes de 5 I fiabilité, de résistance électrique et de défauts d'étanchéité Elle nécessite un espace de débattement important au-dessus du cryostat, ainsi que des conducteurs souples ou articulés, de sorte qu'elle n'est guère envisageable en espace confiné. Il a enfin été proposé dans le document US-A-4 209 658 un procédé d'optimisation d'une amenée de courant, dans lequel on déplace le point de cette amenée maintenu à la température ambiante en faisant coulisser dans un alésage interne à l'amenée un piston délimitant le point extrême auquel peut parvenir de l'eau de refroidissement15 introduite dans cet alésage, de façon à faire varier la longueur de l'amenée de courant au-dessous de la température ambiante en sens inverse de l'intensité du courant Un tel procédé présente les mêmes inconvénients que ceux indiqués ci-dessus, sauf celui de la résistance électrique de contact. La présente invention a pour but d'assurer l'optimisation de l'amenée de courant pour plusieurs valeurs de l'intensité, par exemple une valeur nulle ou faible (marche à vide de l'appareillage électrique à très basse température), une valeur correspondant au fonctionnement nominal et une valeur correspondant à une surcharge temporaire de cet appareillage électrique (démarrage). L'invention a donc pour un objet un procédé de refroidissement d'une amenée de courant entre une borne à température ambiante et un appareillage électrique plongé dans un fluide cryogénique, l'appareillage devant fonctionner sous une intensité variable, le30 refroidissement étant obtenu par circulation d'un fluide auxiliaire de refroidissement à température ambiante en échange de chaleur avec l'amenée de courant, caractérisé en ce que l'on introduit le fluide auxiliaire de refroidissement à un niveau intermédiaire de l'amenée de courant lorsque l'intensité du courant dépasse un certain seuil, et35 éventuellement tout ou partie du fluide auxiliaire de refroidissement -4- à d'autres niveaux, d'autant plus proches de l'appareillage électrique que l'intensité du courant est plus élevée. L'invention a encore pour objet un dispositif de refroidissement d'une amenée de courant selon le procédé ci-dessus, comprenant une première enceinte entourant l'amenée de courant et délimitant un premier canal de circulation du fluide auxiliaire de refroidissement en contact thermique avec l'amenée de courant, et des moyens pour admettre dans le premier canal de circulation à un niveau choisi en fonction de l'intensité du courant parmi un ou plusieurs niveaux10 possibles, tout ou partie dudit fluide de refroidissement. L'invention a enfin pour objet un dispositif de refroidissement d'une amenée de courant selon le procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de refroidissement à la température ambiante des vapeurs du fluide cryogénique après leur réchauffage en échange de chaleur avec l'amenée de courant, et des moyens de réintroduction des vapeurs de ce fluide en contact direct avec le conducteur de l'amenée de courant, à un niveau choisi en fonction de l'intensité de courant parmi un ou plusieurs niveaux possibles. Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des procédés et dispositifs de refroidissement d'amenées de courant pour appareillage électrique supraconducteur d'une motrice ferroviaire, fonctionnant dans un bain de fluide cryogénique. La figure 1 représente en élévation et coupe diamétrale un dispositif dans lequel le fluide auxiliaire de refroidissement est de l'air à la température ambiante. La figure 2 est une coupe transversale selon l'axe II-II de la figure 1. La figure 3 est une coupe transversale selon l'axe III-III de la figure 1. La figure 4 est un jeu de courbes représentant en fonction de l'intensité les consommations cryogéniques d'une amenée de courant refroidie par l'air ambiant, suivant les zones de l'amenée de courant refroidies.35 La figure 5 représente en coupe diamétrale un dispositif dans -5- lequel le fluide de refroidissement est du fluide cryogénique gazeux préalablement réchauffé par échange de chaleur avec l'amenée de courant, puis refroidi par échange de chaleur avec l'air ambiant. Dans les figures 1 à 3, le conducteur 1 de l'amenée de courant est constitué par un feuillard mince spiralé présentant une grande surface développée, en laiton ou en un matériau présentant à basse température une résistivité électrique du même ordre (environ 3. 10 8 ohm m) Avant sa mise en forme, le feuillard se présente comme une feuille en forme de L dont la branche horizontale possède un c 8 té supérieur oblique, ce qui confère au feuillard spiralé la forme représentée à la figure 1. Le feuillard est contenu dans un tube étanche composé de deux parties 2 A et 2 B et à l'intérieur duquel peuvent circuler les vapeurs du fluide cryogénique résultant de la vaporisation créée à la surface15 du bain de fluide cryogénique 3 par les pertes calorifiques de l'amenée de courant, de l'appareil électrique (non représenté) relié à l'amenée de courant par le fil supraconducteur 4, et des autres éléments de l'installation cryogénique Ces vapeurs pénètrent dans le tube 2 A par les ouvertures 5 pratiquées à sa périphérie inférieure A cet effet, la brasure permettant la liaison entre le conducteur 1 et la pièce conductrice massive 28, sur laquelle est soudé le fil 4, ne doit pas obstruer l'extrémité inférieure du feuillard. Le tube 2 A est par exemple en verre époxy Le tube 2 B est en un métal bon conducteur de la chaleur Une rondelle métallique 18, en cuivre par exemple, assure la continuité entre les parties 2 A et 2 B et est brasée sur la partie intermédiaire du feuillard pour assurer une reprise du contact électrique à ce niveau. L'amenée de courant comprend à sa partie supérieure une borne de connexion 7 possédant un trou borgne axial au fond duquel est brasée l'extrémité supérieure du feuillard 1 afin d'assurer la continuité électrique La paroi du trou borgne de la borne 7 est percée de trous débouchant dans une chambre annulaire 31 formée dans la tête 32 de l'amenée de courant La tête 32, qui peut être en résine époxy, est également pourvue d'un orifice 33 reliant la chambre annulaire 31 à un conduit 6 fixé sur la tête Le feuillard possède, dans sa partie -6- engagée dans la borne 7, des trous 34 percés radialement L'intérieur du feuillard est donc en communication avec le conduit 6 par l'intermédiaire des trous 34 et 30, de la chambre annulaire 31 et de l'orifice 33 La partie basse du feuillard, c'est-à- dire la partie correspondant à l'élément 2 A du tube étanche, est également percée de trous pour que les vapeurs du fluide cryogénique puissent circuler jusqu'à l'intérieur du feuillard. La tête 32 permet la fixation de l'amenée de courant sur la cuve contenant le fluide cryogénique et l'appareillage électrique à relier, et permet également le maintien de la borne 7 par des moyens non représentés. Les vapeurs de fluide cryogénique, réchauffées à température voisine de l'ambiante en échange de chaleur avec le conducteur 1, sont évacuées ou renvoyées à un liquéfacteur par le conduit 6 L'extrémité chaude de l'amenée de courant est reliée au circuit électrique à température ambiante par la borne de connexion à température ambiante et de faibles résistances électrique et thermique 7. Le tube étanche 2 B est entouré d'une enceinte isolante 35, par exemple en époxy, afin de constituer un canal de refroidissement 9 dans lequel sont disposées de préférence des ailettes 11, 12 fixées sur le tube 2 B et améliorant les échanges thermiques Ces ailettes, réalisées en métal bon conducteur thermique comme le cuivre, peuvent être soudées sur le tube métallique 2 B. Une enceinte isolante externe 8, fixée à sa partie supérieure sur la tête 32 par exemple par collage, enveloppe l'amenée de courant jusqu'au niveau de la rondelle métallique 18 L'enceinte 8 est collée à sa partie basse au tube 2 A par un joint de colle torique 36, en araldite ou en résine époxy Le tube 2 A et les enceintes 8 et 35 ont avec la rondelle 18 des surfaces communes du type glissant juste ce30 qui assure une bonne étanchéité et permet aux parties métalliques de se dilater ou de se contracter sans problème par rapport aux parties isolantes. Les enceintes 8 et 35 délimitent un espace annulaire qui est séparé en deux canaux 14 et 17 grâce à des cloisons longitudinales 19 visibles sur la figure 3 Ces cloisons 19 sont présentes sur toute la -7longueur de l'enceinte 35 Cette enceinte 35 possédant des ouvertures périphériques 37 en partie basse, les canaux 9 et 14 communiquent à ce niveau. Le canal 14 est relié à une tubulure d'entrée 13 d'air déshydraté à température peu supérieure à l'ambiante ou d'un autre fluide tel que de l'azote La tubulure 13 est fixée sur la tête 32 qui possède une chambre 38 de communication avec le canal 14 prolongée par un orifice 39 vers la tubulure 13 Le canal 9, relié en partie basse au canal 14, est destiné à assurer le refroidissement de l'amenée de10 courant lorsque l'intensité qui la parcourt est élevée. La tubulure de sortie 15 est reliée au canal 9 par l'intermédiaire de la chambre annulaire 40 et de l'orifice 41 usinés dans la tête 32. En cas d'intensité élevée et comme il est indiqué par les flèches sur la figure 1, l'air ou le fluide de refroidissement descend dans le canal 14 jusqu'à un premier niveau 14 A, remonte par le canal 9 le long des ailettes, puis sort par la tubulure 15 pour être soit évacué, soit recyclé après échange de chaleur avec le milieu ambiant. Le canal 17 est relié à une tubulure d'entrée 16 d'air déshydraté (ou d'un autre fluide) à température peu supérieure à l'ambiante Cet air est destiné à assurer le refroidissement de l'amenée de courant lorsqu'elle est parcourue par l'intensité nominale Du c 8 té du canal 17, l'enceinte 35 est interrompue au niveau 17 A Comme indiqué par les flèches, le fluide de refroidissement descend dans le canal 17 jusqu'au second niveau 17 A plus élevé que le premier, remonte par le canal 9 au contact des ailettes 12, puis sort par la tubulure 15 pour être soit évacué, soit recyclé. L'interruption du canal 17 peut être réalisée au moyen d'une cloison transversale 10 en forme de demi-couronne. Comme représenté, la section droite du conducteur est de préférence plus importante dans la zone proche du milieu à très basse température ( 2 A) que dans la zone plus éloignée ( 2 B). La figure 4 représente pour une amenée de courant de longueur 1,2 m et de diamètre extérieur l O Omm, telle que celle des figures 1 à 3, destinée à être parcourue par des intensités entre O et 3 000 -8- ampères et dans le cas o le fluide cryogénique est de l'hélium, les pertes thermiques P observées (exprimées en watts à 4,2 K) en fonction de l'intensité I circulant dans l'amenée de courant: a) sans refroidissement par un circuit d'air auxiliaire (courbe A) La consommation est de 0,12 watts à 4,2 K pour une intensité nulle; b) avec refroidissement par le seul circuit d'air auxiliaire 16 17 9 15, dans le cas du passage dans l'amenée de courant de l'intensité nominale (courbe B) La consommation est de 1,17 watts à 4,2 K pour une intensité de 1 000 ampères; c) avec refroidissement sur toute la hauteur de l'enceinte entourant l'amenée de courant, par les deux circuits d'air auxiliaire 13 14 9 15 et 16 17 9 15, dans le cas du passage dans l'amenée de courant d'une intensité plus élevée que l'intensité nominale (courbe C) La consommation est de 2,58 watts à 4,2 K pour une intensité de 2 000 ampères. A titre de comparaison, une amenée de courant connue, dimensionnée pour pouvoir transmettre 2 000 ampères, ne comportant pas d'enceintes de circulation d'un fluide de refroidissement auxiliaire,20 présente des pertes à vide d'environ 1,2 W à 4,2 K, soit dix fois plus qu'une amenée de courant selon l'invention. Lorsque l'échange de chaleur entre le fluide de refroidissement auxiliaire et l'amenée de courant est satisfaisant, les pertes thermiques par effet Joule dans la section refroidie par ce fluide25 auxiliaire n'ont pas d'incidence sur la consommation de maintien en froid à très basse température, et sont très faibles La consommation d'énergie correspondant à la mise en circulation du fluide auxiliaire est également très faible. Dans la variante représentée en figure 5, on utilise comme gaz de refroidissement les vapeurs de fluide cryogénique dégagées du bain 3, après leur réchauffage un peu au-dessus de la température ambiante en échange de chaleur avec l'amenée de courant Ces vapeurs sont refroidies à la température ambiante dans un échangeur 20 refroidi à l'air, puis recyclées à l'aide de circulateurs 21, 22 par les conduits35 23, 24. 9 - Dans ce cas, il n'est plus nécessaire de disposer autour de l'amenée de courant des canaux de circulation du gaz auxiliaire, le fluide cryogénique recyclé pouvant s'écouler avec les vapeurs issues du bain de liquide à l'intérieur du tube étanche contenant le conducteur. Le procédé selon l'invention consiste donc à choisir en fonction de l'intensité circulant dans l'amenée de courant le niveau auquel le fluide auxiliaire de refroidissement est amené en échange de chaleur avec le conducteur En effet, la partie de l'amenée de courant située au-dessus du niveau d'introduction du fluide auxiliaire de refroidissement est approximativement à la température ambiante, pourvu que le débit de ce fluide et son coefficient d'échange de chaleur avec le conducteur soient suffisants La transition entre la température ambiante et le bain à très basse température est ainsi assurée par la partie de l'amenée de courant située sous le niveau d'introduction du fluide auxiliaire de refroidissement On doit optimiser la longueur Li de cette partie de l'amenée de courant en fonction de l'intensité Ii de façon à obtenir la résistance optimale Li ropt = i I dl :i S(l) Les résultats restent cependant assez bons tant que l'intensité I ne diffère pas trop de la valeur optimale Ii, pour les matériaux dont la résistivité électrique dépend peu de la température, tels que le laiton et certains alliages, à l'exclusion des métaux très purs. Par exemple, dans les cas des figures 1 à 5, l'amenée de courant est optimisée par trois valeurs Ik, Il, I 2 de l'intensité qui la parcourt, suivant qu'il n'y a aucune circulation de fluide auxiliaire de refroidissement, que ce fluide circule à partir du niveau 17 A ou à partir du niveau 14 A A vide, en l'absence de refroidissement par le fluide auxiliaire, les pertes calorifiques sont réduites à celles d'une amenée de courant optimisée pour le courant à vide I 0, ou moins, si l'on effectue en outre un débrochage mécanique. - REVENDICATIONS 1/ Procédé de refroidissement d'une amenée de courant entre une borne à température ambiante ( 7) et un appareillage électrique plongé dans un fluide cryogénique, l'appareillage devant fonctionner sous une intensité variable, le refroidissement étant obtenu par circulation d'un fluide auxiliaire de refroidissement à température ambiante en échange de chaleur avec l'amenée de courant, caractérisé en ce que l'on introduit le fluide auxiliaire de refroidissement à un niveau intermédiaire ( 17 A) de l'amenée de courant lorsque l'intensité du courant dépasse un certain seuil, et éventuellement tout ou partie du fluide auxiliaire de refroidissement à d'autres niveaux ( 14 A), d'autant plus proches de l'appareillage électrique que l'intensité du courant est plus élevée. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en régime correspondant au passage d'une intensité élevée dans l'amenée de courant on introduit également une partie du fluide auxiliaire de refroidissement à un niveau ( 17 A) correspondant au passage dans l'amenée de courant d'une intensité réduite. 3/ Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire de refroidissement est de l'air. 4/ Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire de refroidissement est constitué par les vapeurs du fluide cryogénique récupérées par l'amenée de courant et recyclées après échange thermique avec le milieu ambiant. 5/ Dispositif de refroidissement d'une amenée de courant selon le procédé de la revendication 1, comprenant une première enceinte ( 35) entourant l'amenée de courant et délimitant un premier canal de circulation ( 9) du fluide auxiliaire de refroidissement en contact thermique avec l'amenée de courant, et des moyens ( 16, 17, 17 A, 13, 14, 14 A) pour admettre dans le premier canal de circulation ( 9) à un niveau choisi en fonction de l'intensité du courant parmi un ou plusieurs niveaux possibles ( 17 A, 14 A), tout ou partie dudit fluide de refroidissement. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 11, 12) d'augmentation du coefficient d'échange 1 I a il - de chaleur entre l'amenée de courant et le fluide auxiliaire de refroidissement. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en qu'il comprend une deuxième enceinte ( 8) entourant la première enceinte ( 35) pour constituer un espace de circulation du fluide auxiliaire de refroidissement, cet espace étant séparé en un deuxième canal ( 14) et un troisième canal ( 17) qui ont chacun un accès au premier canal ( 9) selon des niveaux différents ( 14 A, 17 A). 8/ Dispositif de refroidissement d'une amenée de courant selon le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur ( 20) de refroidissement à la température ambiante des vapeurs du fluide cryogénique après leur réchauffage en échange de chaleur avec l'amenée de courant, et des moyens ( 21, 23; 22, 24) de réintroduction des vapeurs de ce fluide en contact direct avec le conducteur de l'amenée de courant, à un niveau choisi en fonction de l'intensité de courant parmi un ou plusieurs niveaux possibles ( 17 A, 14 A).