Brevet FR2661780A1 — publié le 19911108

DISPOSITIF DE COMMUTATION DE COURANT. La présente invention concerne un dispositif de commutation électrique à supraconducteur inséré dans un circuit électrique et permettant de couper le courant le traversant au moyen d'une commande thermique. Dans le domaine de la commutation électrique, on connaît déjà, notamment ad'après le brevet FR - 1.370.988, des commutateurs à supraconducteur dans lesquels la transition du matériau supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal est commandée par une augmentation de la température du matériau au-dessus de sa température critique. Selon ce brevet, un tronçon de matériau supraconducteur est enfermé dans une enceinte étanche immergée dans un récipient rempli d'un fluide réfrigérant (hélium liquide) à une température inférieure à la température critique du matériau ; le matériau est maintenu à l'état supraconducteur par remplissage de l'enceinte avec le fluide réfrigérant.Un dispositif de chauffage tel qu'un réservoir de gaz chaud est actionné par une vanne pour communiquer avec l'enceinte via une canalisation et expulser de l'enceinte le fluide réfrigérant à travers une autre canalisation communiquant avec l'enceinte, de sorte que la température du matériau dépasse la température critique provoquant la transition du matériau de l'état supraconducteur à l'état normal. Toutefois, ce système de commande thermique par échauffement du matériau supraconducteur pour provoquer la transition du matériau de l'état supraconducteur à l'état normal est compliqué et surtout, le temps de réaction de ce système, c'est-à-dire le temps séparant l'action de la commande et ladite transition du matériau, est particulièrement long. L'invention a pour but de réaliser un dispositif à supraconducteur pour la commutation de courant électrique qui met en oeuvre une commande rapide pour provoquer la transition du matériau supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal par augmentation de la température du matériau au-dessus de sa température critique, et ce avec une faible puissance de commande. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de commutation de courant, comportant - un élément supraconducteur inséré dans un circuit élec trique parcouru par un courant principal dont l'intensité est inférieure à celle du courant critique de l'élément supraconducteur ; - une enceinte étanche dans laquelle est placé l'élément supraconducteur - un milieu thermostaté à une température inférieure à la température critique de l'élément supraconducteur, et dans lequel est immergée l'enceinte étanche - un élément chauffant actionné par un organe de commande et transmettant de la chaleur à l'élément supraconduc teur de manière à porter la température de celui-ci au dessus de sa température critique. Selon l'invention, ce dispositif de commutation de courant est plus particulièrement caractérisé en ce que l'élément chauffant est placé dans l'enceinte étanche et est électriquement isolé de l'élément supraconducteur au moyen d'un élément diélectrique, et que l'enceinte étanche est remplie d'un gaz qui reste à l'état gazeux à la température du milieu thermostaté. Ainsi, le gaz contenu dans l'enceinte étanche joue le rôle d'un isolant thermique dont la masse calorifique est très faible, de sorte qu'en structurant l'élément supraconducteur de manière à ce qu'il ait une masse calorifique également très faible, on obtient une montée en température extrêmement rapide de l'élément supraconducteur au-dessus de sa température critique par action de la commande au moyen de 1 'élément chauffant, d'où une transition rapide de l'élément supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal. Dans une première forme d'exécution, l'élément chauffant est une résistance électrique et l'ensemble élément supraconducteur / élément diélectrique / résistance électrique est réalisé sous la forme de trois couches superposées, respectivement supraconductrice, diélectrique et résistive, réalisées à partir d'un substrat. Dans une deuxième forme d'exécution, l'élément chauffant est un module à effet Peltier dont l'une des deux faces, dite face froide, est plaquée contre une paroi de l'enceinte étanche, laquelle enceinte étant réalisée en métal, et l'ensemble élément supraconducteur / élément diélectrique est réalisé sous la forme de deux couches superposées, respectivement supraconductrice et diélectrique, dont la couche diélectrique est déposée sur l'autre face, dite face chaude, du module à effet Peltier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels La figure 1 représente schématiquement en coupe un exemple de réalisation d'un dispositif de commutation de courant conforme à l'invention La figure 2 représente en fonction du temps la réponse en température de l'élément supracon ducteur à un échelon de commande La figure 3 représente l'élément supraconduc teur déposé en couche mince sur un substrat La figure 4 représente schématiquement en coupe une variante du dispositif de commutation de courant ; et La figure 5 représente schématiquement en coupe une autre variante du dispositif. Sur les figures 1, 4 et 5, le commutateur de courant commandé, désigné par la référence générale 10, est inséré en série avec une charge 11 dans un circuit électrique 12 parcouru par un courant principal I sous une tension d'alimentation U. Le commutateur de courant 10 comporte un élément supraconducteur 14 disposé dans une enceinte étanche 15, laquelle est immergée dans un milieu thermostaté 16 contenu dans un récipient 17 et constitué par exemple par de l'azote liquide ou par tout autre gaz liquéfié de température inférieure à la température critique du matériau supraconducteur 14 ; l'élément supraconducteur 14 est inséré dans le circuit électrique 12 via des traversées étanches isolantes (non figurées). A titre uniquement d'exemple non limitatif, le matériau supraconducteur est une perovskite du type Y1 Ba2 Cu3 07-x dont la température critique théorique Tc est voisine de 92 K, le milieu thermostaté 16 étant alors de l'azote liquide (température d'ébullition égale à 77,3 K à la pression atmosphérique). A l'intérieur de l'enceinte étanche 15 (figures 1, 4 et 5) est disposé un élément chauffant, référencé globalement en 19, qui est relié par des conducteurs électriques 20, 21 via des traversées étanches isolantes (non figurées) à un organe extérieur de commande électrique, non illustré, et qui est associé à l'élément supraconducteur 14 en étant électriquement isolé de celui-ci par un diélectrique 22. Cet élément chauffant 19 permet, lorsqu'il est parcouru par un courant de commande i fourni par l'organe extérieur de commande, d'augmenter la température de l'élément supraconducteur 14 au-dessus de sa température critique, provoquant ainsi la transition du matériau supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal. Il convient de noter que l'échauffement de l'élément supraconducteur 14 est rendu possible dans le cas présent grâce à l'enceinte étanche 15 qui isole le matériau supraconducteur 14 vis-à-vis du milieu thermostaté 16. Sur la figure 2, on a représenté en R la réponse en température de l'élément supraconducteur 14, en fonction du temps, à un échelon de commande Nc généré par l'organe extérieur de commande et transmis à l'élément chauffant 19. Cette réponse R, en première approximation, peut être approchée par une droite entre les températures To (température du milieu thermostaté 16) et Tc (température critique du matériau supraconducteur 14), qui définit la pente P de la courbe R, laquelle pente étant fonction du facteur l/mc où m est la masse de l'élément supraconducteur et t sa capacité calorifique. Dans ces conditions, l'élément supraconducteur 14 est structuré de manière à ce que son produit mc soit le plus faible possible, de sorte qu'en travaillant en régime transitoire, on obtient un temps de réaction du système (noté t1 sur la figure 2), c'est-à-dire le temps séparant l'action de la commande et la transition du matériau supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal obtenue par augmentation de sa température au-dessus de sa température critique Tc au moyen de l'élément chauffant 19, qui est le plus court possible ; ce temps de réaction t1 peut être inférieur à 10 ms par exemple. Selon un aspect important de l'invention, l'enceinte étanche 15 (figures 1, 4 et 5) est remplie d'un gaz 25, tel que par exemple de l'azote, de l'hélium ou encore de l'air sec, qui reste à l'état gazeux à la température du milieu thermostaté 16. Comme l'enceinte étanche 15 enfermant l'élément supraconducteur 14 baigne dans le milieu thermostaté 16, le gaz 25 sert donc à isoler thermiquement l'élément supraconducteur 14 de sorte qu'au cours de l'échauffement de ce dernier, les pertes d'énergie vers le milieu thermostaté 16 sont très faibles. De plus, le gaz 25 présente une faible masse calorifique contribuant notablement à l'établissement rapide de la transition de l'élément supraconducteur 14 de l'état supraconducteur à l'état normal par action de l'élément chauffant 19. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, l'élément chauffant 19 est une résistance électrique constituée par une couche plane métallique 27, par exemple en nickel ou en argent, déposée sur l'élément supraconducteur 14 en forme de couche via la couche diélectrique 22, par exemple en zircone, de faible épaisseur de l'ordre de quelques microns. Ces trois couches planes superposées 14, 22 et 27 sont réalisées à partir d'un substrat 28. Une éventuelle mince couche d'arrêt (non figurée) peut être interposée entre le substrat 28 et la couche supraconductrice 14. Sur la figure 3, on a illustré une réalisation possible en couche mince de l'élément supraconducteur 14 sous la forme de méandres exécutés sur le substrat 28. A titre de variante représentée à la figure 4, la couche résistive est constituée par un substrat 29 en matériau approprié, par exemple en silicium dopé, à partir duquel sont formées les couches respectivement diélectrique 22 et supraconductrice 14. Il convient de noter que sans s'écarter de l'esprit de l'invention, d'une part, les trois couches respectivement supraconductrice, diélectrique et résistive peuvent constituer une structure filaire et, d'autre part, dans ce cas ainsi que dans celui d'une structure par empilage de ces trois couches comme illustré en particulier à la figure 1, les deux couches respectivement supraconductrice et résistive peuvent être inversées, la couche diélectrique interposée entre elles assurant l'isolement électrique entre la partie puissance et la partie commande. Dans ces exemples des figures 1 et 4, le passage commandé du courant de commande i dans la couche résistive 27 (figure 1), respectivement 29 (figure 4), transmet de la chaleur au matériau supraconducteur 14, lequel s'échauffe et atteint rapidement la température critique Tc permettant à la transition du matériau de l'état supraconducteur à l'état normal de s'effectuer ; la résistance de l'élément 14 augmente alors considérablement, ce qui permet la commutation du courant I. On notera qu'après arrêt volontaire du courant de commande i, l'élément 14 revient à l'état de supraconduction par simple échange thermique entre lui-même et le milieu thermostaté 16 via le gaz 25 contenu dans l'enceinte 15. Selon un autre exemple de réalisation illustré à la figure 5, l'élément chauffant 19 est un module à effet Peltier, connu en soi et représenté schématiquement en 32 sur cette figure 5, qui présente, d'une part, une première face plane 32a dite face froide plaquée contre une paroi plane 15a de l'enceinte 15 réalisée ici en métal, tel que par exemple en cuivre, et, d'autre part, une seconde face plane 32b dite face chaude, par exemple en cuivre, disposée en contact thermique avec la couche supraconductrice 14 via la couche diélectrique 22, par exemple en zircone et de faible épaisseur (de l'ordre de quelques microns). A titre de variante, on indiquera que la face froide, par exemple en cuivre, du module à effet Peltier peut constituer l'une des parois externes de l'enceinte et être ainsi directement en contact avec le milieu thermostaté dans ce cas, l'enceinte n'a pas lieu d'être réalisée en métal. Dans cet exemple de la figure 5, le passage commandé du courant de commande i dans le module à effet Peltier 32 provoque une élévation de température de sa face chaude 32b, laquelle porte rapidement la température du matériau supraconducteur 14 au-dessus de la température critique Tc permettant ainsi à la transition du matériau de l'état supraconducteur à ltétat normal de s'effectuer ; la résistance de l'élément 14 augmente alors considérablement, ce qui permet la commutation du courant I. On notera que dans cet exemple, l'élément 14 revient à l'état de supraconduction par refroidissement de la face chaude 32b du module à effet Peltier 32 obtenu par inversion du courant dans ledit module. L'emploi du module à effet Peltier 32 est particulièrement avantageux dans le cas présent car il procure un bon rendement thermique et permet, d'une part, d'obtenir la transition du matériau supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal avec une très faible puissance de commande et, d'autre part, de pouvoir contrôler d'une manière rapide le retour dudit matériau de l'état normal à l'état supraconducteur. Comme on l'a vu précédemment, le courant principal I traversant le circuit électrique 12 (figures 1, 4 et 5) est commuté par action sur le courant de commande dans l'élément chauffant 19 pour faire transiter l'élément supraconducteur 14 de l'état supraconducteur à l'état normal, cette transition de l'élément 14 permettant d'introduire dans le circuit électrique 12 une résistance relativement élevée, notée RLC. Or, dans certains cas, il peut être intéressant d'avoir une résistance RLC telle que le courant ILC = RU , dénommé courant de fuite, soit très inférieur au courant principal I (en supposant que l'impédance de la charge 11 est nettement inférieure à la résistance RLC). La résistance RLC étant définie par RLC = PLC . L où PLC S est la résistivité de l'élément 14 à l'état normal, L et S respectivement la longueur et la section de l'élément 14, le courant de fuite ILC est donc égal à S ILC = U . -#- (1) PLC L et dépend donc de la nature et de la géométrie de 1 'élément supraconducteur. Il est par ailleurs bien connu qu'un élément supraconducteur transite intrinsèquement de l'état supraconducteur à l'état normal lorsque la valeur du courant le traversant dépasse celle de son courant critique Ic défini par Ic = JcS où Jc est la densité de courant critique dépendant de la nature du matériau supraconducteur. Au-dessus de cette valeur de courant critique, l'élément supraconducteur se comporte comme un limiteur passif de courant avec une valeur de courant dite de limitation intrinsèque ILI = Ic = JcS qui dépend donc également de la nature et de la géométrie de l'élément supraconducteur. La formule (1) devient alors ILI LC = U PLC Jc L A titre uniquement d'exemple, en utilisant un matériau supraconducteur du type Y1 Ba2 Cu3 07-x dont la densité de courant Jc est égale à 106 A/cm2, il est possible d'obtenir une valeur de courant de limitation intrinsèque ILI = 100A en dimensionnant l'élément supraconducteur, par exemple dans le cas où celui-ci est plan de section droite S = hl où h et 1 sont respectivement son épaisseur et sa largeur, de telle sorte que S = 10-4 cm2, soit par exemple h = 50 pm et 1 = 200 pm. Dans cet exemple, la rêsistivité de ce type de matériau supraconducteur à l'état normal PLC est égale à 10-3 Q.cm, de sorte que pour une longueur L de l'élément supraconducteur égale par exemple à 4m et pour une tension d'alimentation U = 400 v, la valeur du courant de fuite est égale à ILC = 0,1 A. Ainsi, pour toute valeur du courant principal I au plus égale à 100A dans l'exemple ci-dessus, il est possible de commuter ce courant I par commande thermique de l'élément supraconducteur 14 (figures 1, 4 et 5) à une faible valeur ILCI égale à 0,1 A dans l'exemple choisi. L'invention ntest bien entendu nullement limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Revendications 1. Dispositif de commutation de courant, comportant - un élément supraconducteur (14) inséré dans un circuit électrique parcouru par un courant principal dont l'intensité est inférieure à celle du courant critique de l'élément supraconducteur - une enceinte étanche (15) dans laquelle est placé l'élément supraconducteur (14) ;; - un milieu thermostaté (16) à une température inférieure à la température critique de l'élément supraconducteur, et dans lequel est immergée l'enceinte étanche (15) - un élément chauffant (19) actionné par un organe de commande et transmettant de la chaleur à l'élément supraconducteur (14) de manière à porter la température de celui-ci au-dessus de sa température critique caractérisé en ce que l'élément chauffant (19) est placé dans l'enceinte étanche (15) et est électriquement isolé de l'élément supraconducteur (14) au moyen d'un élément diélectrique (22), et que l'enceinte étanche (15) est remplie d'un gaz (25) qui reste à l'état gazeux à la température du milieu thermostaté (16). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chauffant est une résistance électrique (27) et que l'élément supraconducteur, l'élément diélectrique et la résistance électrique forment un ensemble de trois couches superposées, à savoir une couche supraconductrice (14), une couche diélectrique (22) et une couche résistive (27), réalisées à partir d'un substrat (28). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chauffant est une résistance électrique constituée par un substrat résistif (29) à partir duquel sont formées successivement deux couches superposées, à savoir une couche diélectrique (22) constituant l'élément diélectrique et une couche supraconductrice (14) constituant l'élément supraconducteur. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chauffant est un module à effet Peltier (32) dont l'une des deux faces, dite face froide (32a), est plaquée contre une paroi (15a) de l'enceinte étanche (15), laquelle enceinte étant réalisée en métal, et dont l'autre face dite face chaude (32b) est en contact thermique avec une couche supraconductrice (14) constituant l'élément supraconducteur via une couche diélectrique (22) constituant l'élément diélectrique. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu thermostaté (16) est un gaz liquéfié.