Brevet FR2981227A1 — publié le 20130412

DISPOSITIF DE LEVITATION, INSTALLATION ET PROCEDE UTILISANT UN TEL DISPOSITIF [0001] La présente invention concerne le domaine de la supraconductivité et plus spécifiquement l'exploitation de l'effet Meissner qui permet de produire une lévitation stable d'un aimant (ou d'un supraconducteur) au dessus d'un supraconducteur (ou d'un aimant). [0002] L'invention trouve des applications dans des domaines très variés parmi lesquels on peut citer le déplacement en circuit ouvert ou fermé de personnes ou d'objets, à des fins ludiques ou industrielles. [0003] Le principe d'un déplacement par lévitation d'éléments supraconducteurs le long de rails aimantés a déjà été identifié et observé. On peut se référer par exemple à la publication « A Classroom Demonstartion of Levitation and Suspension of a Superconductor over a Magnetick Track » de Charles P. Strehlow et M.C. Sullivan, arXiv :0803.3090v1 [cond-mat.supr-con] 20 mars 2008. [0004] Ce principe de déplacement par lévitation a même été mis en application avec des prototypes ou de manière industrielle. On citera le train japonais MagLev© ou le prototype de l'université de Sherbrooke « Train à lévitation par supraconductivité » (http://www.tp.physique.usherbrooke.ca/) qui exploite chacun ce phénomène de déplacement par lévitation, le premier de manière industrielle, le second de manière expérimentale. [0005] Le déplacement par lévitation nécessite la prise en compte de plusieurs contraintes, notamment d'étanchéité thermique, de poids et de dimensionnement. [0006] Notamment, il est nécessaire de solidariser les éléments supraconducteurs au dispositif afin d'éviter que les éléments supraconducteurs lévitent à l'intérieur du dispositif et que ce dernier ne s'affaisse. [0007] Le dispositif de l'université de Sherbrooke prévoit de maintenir les éléments supraconducteurs par collage et/ou attaches de fils de fer. D'autres - 2 - dispositifs de lévitation prévoient de maintenir les éléments supraconducteurs au moyen de barres ou de grillages soudés au réceptacle du dispositif. [0008] Le collage d'éléments supraconducteurs n'est pas fiable dans le temps et le type de colle utilisée doit être compatible avec l'application. L'utilisation de fils de fer manque également de fiabilité et peut être fastidieuse lorsque le nombre d'éléments supraconducteurs augmente. La soudure de barres ou de grillages est complexe à mettre en oeuvre, limite le choix du matériau du réceptacle (une soudure sur inox requiert un étamage) et alourdi le dispositif. [0009] Le document EP-A-0 695 026 propose un corps composite supraconducteur pouvant léviter au dessus de rails aimantés. Des fragments d'éléments supraconducteurs sont incrustés dans un bloc métallique placé dans un bac et recouvert d'azote liquide. Un tel corps composite est trop lourd pour pouvoir léviter tout en portant une personne ou un objet volumineux. De plus, l'incrustation d'éléments supraconducteurs dans le bloc métallique ne permet pas de maitriser l'emplacement des éléments supraconducteurs. [0010] La présente invention vise à écarter certaines des limitations des techniques précitées et notamment vise à fournir un dispositif de lévitation qui soit compact, modulaire et fiable, y compris pour le transport de personnes ou 20 d'objets. [0011] Il est ainsi proposé un dispositif de lévitation, comprenant: - un bac comprenant un fond, des parois et un couvercle ; - au moins un élément supraconducteur disposé dans le bac ; - un bloc positionné dans le bac pour maintenir ledit au moins un élément 25 supraconducteur au fond du bac, ledit bloc étant maintenu dans le bac par pression du couvercle. [0012] Selon un mode de réalisation, le dispositif de lévitation selon l'invention peut comprendre en outre un réservoir de liquide de refroidissement constitué par une pluralité d'alvéoles agencées dans le bloc, l'agencement 30 desdites alvéoles assurant une circulation du liquide de refroidissement vers - 3 - ledit au moins un élément supraconducteur. Une isolation thermique peut être prévue à l'extérieure au bac. [0013] Selon les modes de mise en oeuvre, la pluralité d'alvéoles peut comprendre - au moins une fente s'étendant au dessus dudit au moins un élément supraconducteur ; - des rainures de circulation du liquide de refroidissement ; - une pluralité d'alvéoles périphérique ; - une ouverture de réception du liquide de refroidissement et une ouverture d'évacuation du liquide de refroidissement. [0014] Selon un mode de réalisation, le dispositif de lévitation selon l'invention peut comprendre en outre une entrée d'injection du liquide de refroidissement et un échappement du liquide de refroidissement, avec un compresseur placé entre l'échappement et l'entrée d'injection. [0015] Selon un mode de réalisation, le bac est composé d'un matériau non magnétique. Ledit au moins un élément supraconducteur peut être choisi parmi les oxyde de cuivre ou les supraconducteurs à base de Fer, notamment YBaCuO, TIBaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO, ou BaCoFeAs, LaOFFeAs, SmFeAsOF ou une combinaison de ceux-ci. Le bloc peut être composé d'un matériau choisi parmi du polyester expansé, du polystyrène extrudé, du plexiglas, de la fibre de verre, ou une combinaison de ceux-ci. [0016] Selon un mode de réalisation, le couvercle du bac présente des moyens d'accroche sur sa face extérieure. [0017] Selon un mode de réalisation, le bloc présente au moins un évidement encastrant, sensiblement à mi-hauteur, ledit au moins un élément supraconducteur. Le dispositif peut comprendre au moins une rangée d'éléments supraconducteurs ; le bloc peut alors présenter au moins une rainure encastrant, sensiblement à mi-hauteur, ladite au moins une rangée d'éléments supraconducteur. [0018] L'invention concerne aussi une installation pour un déplacement par - 4 - lévitation, comprenant un dispositif de lévitation selon l'invention et au moins un rail aimanté. L'installation peut comprendre une paire d'électro-aimants disposée sur le rail aimanté. L'installation peut aussi comprendre au moins un détecteur de passage du dispositif de lévitation et un microcontrôleur adapté à contrôler un passage de courant dans la paire d'électro-aimants. [0019] L'invention concerne en outré un procédé de déplacement par lévitation, le procédé comprenant les étapes suivantes : /a/ fournir une installation selon l'invention ; /b/ donner une impulsion de départ au dispositif de lévitation. [0020] Le procédé de l'invention peut comprendre une étape consistant à remplir un réservoir de liquide de refroidissement du dispositif de lévitation. [0021] Selon les modes de mise en oeuvre, l'impulsion de départ peut être manuelle ou électrique. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de lévitation selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale du bac du dispositif de lévitation selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale du dispositif de lévitation selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique de dessus du dispositif de lévitation selon l'invention, couvercle ôté ; - la figure 5 est une vue schématique de dessous du bloc de maintien des éléments supraconducteurs du dispositif de lévitation selon l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique d'une installation de déplacement par lévitation selon l'invention ; - les figures 7a et 7b sont des schémas d'un rail pour l'installation de déplacement par lévitation selon l'invention ; - 5 - - la figure 8 est un schéma des lignes de champ magnétique d'une piste d'aimants permanents en présence d'un supraconducteur ; - la figure 9 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de lévitation selon un autre mode de réalisation de l'invention. [0023] Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. [0024] Un dispositif de lévitation 100 selon l'invention comporte un bac 1 comprenant un fond, des parois et un couvercle 12 solidarisé au bac, par des vis 18 par exemple. Le bac contient au moins un élément supraconducteur et des moyens pour maintenir ledit au moins un élément supraconducteur au fond du bac. Les éléments supraconducteurs et les moyens de maintien desdits éléments seront décrits en détails plus bas. Le bac contient également un liquide de refroidissement assurant le maintien à basse température dudit au moins un élément supraconducteur. Le couvercle 12 du bac présente ainsi une entrée d'injection 14 du liquide de refroidissement et un échappement 15. Le bac est entouré d'une couche d'isolation thermique 5 afin de conserver au maximum la très basse température apportée par le liquide de refroidissement dans le bac. [0025] La figure 1 montre également des moyens d'accroche 13 sur la face extérieure du couvercle 12. Ces moyens d'accroche peuvent être des attaches adaptées à retenir des objets placés sur le dispositif de lévitation 100 selon l'invention, pour une application au transport d'objets par lévitation par exemple. Ces moyens d'accroche peuvent être des fixations pour recevoir les pieds d'une personne montant sur le dispositif de lévitation 100 selon l'invention ou une couche grippante (telle qu'illustrée sur la figure 1) permettant de soutenir l'équilibre d'une personne montant sur le dispositif de lévitation 100 selon l'invention. [0026] La figure 2 montre une vue en coupe Il-Il du bac 1 du dispositif de lévitation selon l'invention. Le bac 1 est composé d'un matériau non magnétique tel que de l'inox, de l'aluminium, de la fibre de verre, ou autres. Les parois du bac sont entourées d'une isolation thermique 5 qui peut être une 2 9 8122 7 - 6 - couche d'un matériau thermiquement isolant tel que du polystyrène extrudé, ou une enceinte à vide par exemple. [0027] Le couvercle 12 est fixé fermement au bac 1, par des vis 18 par exemple, ou tout autre type d'attaches assurant un maintien ferme du 5 couvercle 12 sur le bac 1 quelles que soient les forces de pression exercées depuis l'intérieur du bac. [0028] La figure 3 montre une vue en coupe III-III du dispositif de lévitation selon l'invention permettant d'illustrer les éléments supraconducteurs 2 et les moyens de maintien desdits éléments supraconducteurs au fond du bac 1. La lo figure 4 montre une vue du dessus du dispositif de lévitation selon l'invention avec le couvercle du bac ôté afin de compléter l'illustration des moyens de maintien desdits éléments supraconducteurs au fond du bac 1. [0029] Le dispositif de lévitation selon l'invention comprend notamment un bloc 3 positionné dans le bac 1 et plaquant les éléments supraconducteurs 2 15 contre le fond 11 du bac 1. Ce bloc de maintien 3 des éléments supraconducteurs est lui même maintenu dans le bac 1 par pression du couvercle 12. Les dimensions en hauteur du bloc 3 sont ainsi choisies, en fonction de la hauteur des parois du bac 1, pour garantir une immobilité du bloc 3 dans le bac 1 lorsque le couvercle 12 est fermement fixé au bac. 20 [0030] Le bloc 3 peut comprendre une pluralité d'alvéoles 32, 33, 34, 35, 36, 37 agencées dans le bloc de maintien des éléments supraconducteurs. Ces alvéoles constituent un réservoir de liquide de refroidissement et leur agencement assure une circulation du liquide de refroidissement vers les éléments supraconducteurs 2. Les alvéoles du bloc de maintien 3 permettent 25 une diffusion du liquide de refroidissement introduit dans le bac 1 vers les éléments supraconducteurs 2. [0031] Les éléments supraconducteurs 2 peuvent être choisis par exemple parmi la famille des oxydes de cuivre ou des supraconducteurs à base de Fer, tels que notamment YBaCuO, TIBaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO ou 30 BaCoFeAs, LaOFFeAs, SmFeAsOF ou une combinaison de ceux-ci qui, maintenus à basse température présentent des propriétés supraconductrices. Il -7 n'est cependant pas exclu que soient identifiés d'autres matériaux supraconducteurs à plus basse ou plus haute température voire même des matériaux présentant des propriétés supraconductrices à température ambiante ou sous d'autres conditions opératoires qu'un refroidissement du matériau. De tels éléments supraconducteurs pourraient alors également être utilisés dans le cadre de la présente invention. Le cas échéant, le bloc de maintien 3 pourrait être prévu sans alvéoles si un réservoir de liquide de refroidissement n'était pas nécessaire. [0032] Le bloc de maintien 3 est composé d'un matériau non magnétique, léger et usinable, tel que du polyester expansé, du polystyrène extrudé, du plexiglas, de la fibre de verre, ou une combinaison de ceux-ci. Le bloc de maintien 3 peut être composé de plusieurs couches superposées de ces matériaux afin d'atteindre la hauteur requise par rapport à la hauteur des parois du bac 1 et garantir un plaquage des éléments supraconducteurs 2 dans le fond du bac 1 lorsque le couvercle 12 est fermement fixé au bac et vient en appui sur le bloc de maintien 3. [0033] Le bloc 3 sert essentiellement de moyen de maintien desdits éléments supraconducteurs 2 contre le fond 11 du bac 1 - grâce à la pression du couvercle 12 sur le bloc 3. Le bloc 3 peut également servir de réservoir pour le liquide de refroidissement introduit dans le bac 1 - grâce à une pluralité d'alvéoles ménagées dans le bloc. Les éléments supraconducteurs 2 peuvent ainsi être efficacement refroidis tout en évitant une lévitation desdits éléments supraconducteurs 2 à l'intérieur du bac. [0034] Selon un mode de réalisation, le bloc de maintien 3 peut présenter des évidements 31 dans lesquels sont encastrés les éléments supraconducteurs 2. Par exemple, si les éléments supraconducteurs 2 sont agencés en rangées, le bloc alvéolé 3 peut présenter des rainures 31 encastrant la ou les rangées d'éléments supraconducteurs 2, tel que cela est représenté plus en détails sur la figure 5. Ces évidements 31 encastrent les éléments supraconducteurs 2 à mi-hauteur environ afin d'assurer un maintien ferme sans nuire à l'efficacité du refroidissement des éléments supraconducteurs. - 8 - [0035] Selon un mode de réalisation, le bloc de maintien 3 peut aussi présenter des fentes 32 s'étendant au dessus des éléments supraconducteurs 2. Ces fentes constituent en partie le réservoir de liquide de refroidissement et améliorent la diffusion du liquide de refroidissement vers les éléments 5 supraconducteurs. [0036] Selon un mode de réalisation, le bloc de maintien 3 peut aussi présenter une fente centrale 37 s'étendant entre les éléments supraconducteurs 2. Cette fente centrale 37 constitue en partie le réservoir de liquide de refroidissement et permet de répartir la diffusion du liquide de 10 refroidissement vers l'ensemble des éléments supraconducteurs. [0037] Selon un mode de réalisation, le bloc de maintien 3 peut aussi présenter des rainures de circulation 33 s'étendant entre les fentes 32, 37. Ces rainures 33 constituent en partie le réservoir de liquide de refroidissement et permettent une répartition uniforme du liquide de refroidissement dans le bac. 15 [0038] Selon un mode de réalisation, le bloc de maintien 3 peut aussi présenter des alvéoles périphériques 34 s'étendant en bordure du bloc 3. Ces alvéoles périphériques 34 constituent en partie le réservoir de liquide de refroidissement et permettent une circulation du liquide de refroidissement le long des parois du bac 1 vers le fond 11 et les éléments supraconducteurs 2. 20 [0039] Selon un mode de réalisation, le bloc de maintien 3 peut aussi présenter une ouverture de réception 35 du liquide de refroidissement, avantageusement positionnée en vis-à-vis de l'entrée d'injection 14 ménagée dans le couvercle 12 du bac 1. Le bloc de maintien 3 peut aussi présenter une ouverture d'évacuation 36 du liquide de refroidissement, avantageusement 25 positionnée en vis-à-vis de l'échappement 15 ménagé dans le couvercle 12 du bac 1. Ces ouvertures 35, 36 constituent en partie le réservoir de liquide de refroidissement. Des rainures de circulation 33 s'étendent entre ces ouvertures 35, 36 et les fentes 32, 37 pour assurer une répartition uniforme du liquide de refroidissement dans le bac. 30 [0040] Le nombre, les formes, dispositions et dimensions des alvéoles agencées dans bloc de maintien 3 peuvent varier de celles décrites ci-dessus 2 98122 7 - 9 - et illustrées sur les figures selon les modes de mise en oeuvre de l'invention. [0041] La figure 9 illustre une variante de réalisation dans laquelle le dispositif de lévitation selon l'invention comprend en outre un compresseur 17 placé entre l'échappement 15 et l'entrée d'injection 14 du liquide de refroidissement. Cette variante permet de limiter la quantité de liquide de refroidissement utilisé en réinjectant le liquide de refroidissement s'échappant du bac et améliore l'autonomie du dispositif de lévitation selon l'invention. Des vannes (non illustrées) peuvent être prévues pour permettre l'injection initiale de liquide de refroidissement par l'entrée d'injection 14 avant de relier ladite entrée d'injection 14 à la sortie du compresseur 17. [0042] Le dispositif de lévitation 100 selon l'invention est compact, léger et modulaire. Le bloc de maintien 3 des éléments supraconducteurs 2 peut être retiré du bac 1 sans difficulté après désolidarisation du couvercle 12 afin d'accéder librement aux éléments supraconducteurs disposés dans le fond du bac. En effet, aucune soudure, aucun collage n'est effectué dans le bac. Il est ainsi possible de remplacer un ou plusieurs éléments supraconducteurs 2 ou de faire varier le nombre d'éléments supraconducteurs selon les applications. [0043] Une installation pour le déplacement par lévitation est illustrée figure 6. Une telle installation comprend un dispositif de lévitation 100 selon l'invention et au moins un rail aimanté 200. Selon les modes de réalisation, on peut prévoir deux, trois ou davantage, rails aimantés 200 parallèles. La disposition des éléments supraconducteurs 2 dans le bac 1 du dispositif de lévitation peut être avantageusement adaptée au nombre et à l'écartement des rails aimantés 200 afin d'assurer une lévitation stable du dispositif. Par exemple, les éléments supraconducteurs 2 peuvent être agencés en rangées distantes les unes des autres de l'écartement des rails entre eux. [0044] Les figures 7a et 7b schématisent un rail aimanté 200 pouvant être utilisé dans l'installation selon l'invention. Un tel rail 200 est constitué d'une pluralité d'aimants permanents 201, 202, 203 magnétisés à travers leur épaisseur et orientés S-N-S sur le rail. Un tel agencement produit de forts gradients de champ magnétique selon la direction x tout en permettant un -10- déplacement libre selon la direction y. Un supraconducteur placé dans un tel champ magnétique peut alors léviter de manière stable selon la direction x et se déplacer sans frottements selon la direction y comme cela est illustré sur la figure 8 qui montre le champ magnétique d'une piste d'aimants permanents en présence d'un supraconducteur 2. [0045] Le nombre et la taille des éléments supraconducteurs 2 sont déterminés pour permettre la lévitation d'objets ou d'une personne placés sur le dispositif de lévitation selon l'invention. Plus la personne ou les objets transportés sont lourds, plus le dispositif 100 se rapprochera du rail aimanté 200 et sera repoussés selon la direction z par les lignes de champs magnétiques du rail. On peut ainsi obtenir une lévitation stable de personnes ou d'objets. [0046] Par exemple, un dispositif de lévitation selon l'invention a été réalisé par la demanderesse à partir d'un bac en inox entouré d'une isolation thermique en polystyrène extrudé avec deux rangées de treize pains supraconducteurs agencés dans le fond du bac et un bloc alvéolé en polyester expansé. Chaque pain supraconducteur, composé de YBaCuO, mesure 65*33*25 mm3. La lévitation d'une personne de 100 kg a pu être obtenue avec un tel dispositif, au dessus de deux rails aimantés d'une épaisseur de 25 mm assurant une lévitation d'environ 30 mm au dessus des rails. Il est entendu que ces valeurs ne sont données qu'à titre d'exemple et que le nombre et la taille des éléments supraconducteurs et des aimants peuvent varier selon les applications. [0047] L'installation selon l'invention peut comprendre en outre au moins une paire d'électro-aimants disposée sur le rail aimanté afin de permettre une accélération ou décélération du dispositif de lévitation 100 se déplaçant le long du rail aimanté 200. Par exemple, l'installation selon l'invention peut comprendre un détecteur de passage du dispositif de lévitation et un microcontrôleur adapté à contrôler un passage de courant dans la paire d'électro-aimants. [0048] L'utilisation du dispositif de lévitation selon l'invention dans un procédé de déplacement par lévitation peut se faire comme suit : /a/ on fournit une installation selon l'invention, avec un dispositif de lévitation 100 tel que décrit ci-dessus et au moins un rail aimanté 200 tel que décrit ci-dessus ; /b/ le cas échéant, on remplit le réservoir de liquide de refroidissement; et /c/ on donne une impulsion de départ au dispositif de lévitation. [0049] Le remplissage peut se faire en versant du liquide de refroidissement dans le bac 1 par l'entrée d'injection 14 jusqu'à ce que le liquide s'échappe par l'échappement 15, indiquant ainsi que l'ensemble des alvéoles du bloc de maintien 3 est rempli de liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement peut être de l'azote liquide, de l'air liquide, de l'hélium ou autre. [0050] Selon les applications, l'impulsion de départ donnée au dispositif de lévitation selon l'invention peut être manuelle ou électrique. Par exemple, une personne pousse ou tire le dispositif légèrement, ou une personne embarquée sur le dispositif fléchi un genou pour imprimer un premier mouvement au dispositif le long des rails aimantés. L'impulsion de départ peut aussi être fournie par l'alimentation en courant électrique d'électro-aimants placés sur le rail et introduisant un gradient selon la direction y dans les lignes de champs magnétiques du rail. [0051] Les applications du dispositif selon l'invention sont très variées. On peut par exemple citer : - la lévitation d'une personne en circuit ouvert ou fermé, sur un plan horizontal ou incliné, pour une animation scientifique du phénomène de supraconduction ; - la lévitation de personnes embarquées pour une animation grand publique de type parc d'attraction, fête foraine ou autre ; - le transport d'objets en industrie pour des déplacements de stocks de marchandises, au sol, aux murs ou au plafond ...