FR2637728A1 - Low-loss cryogenic power lead - Google Patents
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Abstract
Description
Amenée de courant crVc#éniQue à faibles nertes
L'invention concerne une amenée de courant cryogénique, c'est-à-dire un dispositif assurant la liaison électrique entre un conducteur disposé à l'extérieur d'un cryostat, à la température ambiante, et un élément supraconducteur placé à l'intérieur du cryostat au sein d'un fluide cryogénique à très basse température. Typiquement, l'élément supraconducteur est une bobine supraconductrice disposée dans de l'hélium liquide à la température de 4 K. Current supply crVc # eniQue at low nertes
The invention relates to a cryogenic current supply, that is to say a device ensuring the electrical connection between a conductor arranged outside a cryostat, at ambient temperature, and a superconductive element placed inside. cryostat in a cryogenic fluid at very low temperature. Typically, the superconductive element is a superconductive coil placed in liquid helium at the temperature of 4 K.
Le passage du courant dans l'amenée crée des pertes Joule par ailleurs, l'amenée est le siège de pertes thermiques dues à la conduction thermique d'un matériau bon conducteur de la chaleur placé entre deux zones ayant un écart de température très important. The passage of current in the supply creates losses Joule moreover, the supply is the seat of thermal losses due to the thermal conduction of a material good conductor of the heat placed between two zones having a very important temperature difference.
Un but de la présente invention est de réaliser une amenée cryogénique dont les pertes électriques et thermiques sont réduites. An object of the present invention is to provide a cryogenic feed whose electrical and thermal losses are reduced.
Ce problème est résolu par une amenée de courant cryogénique pour un élement supraconducteur placé dans un cryostat, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'amenée est réalisée en un matériau supraconducteur présentant le phénomène de supraconductivité à une température nettement supérieure à celle pour laquelle ledit élément présente ltetat supraconducteur. This problem is solved by a cryogenic current supply for a superconductive element placed in a cryostat, characterized in that at least part of the supply is made of a superconductive material exhibiting the phenomenon of superconductivity at a temperature significantly higher than that for which said element has the superconductive state.
Divers modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-après en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 explique le principe de l'invention et représente
Schématiquement un cryostat muni d'une amenée selon l'invention - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 - la figure 3 est une vue agrandie de la même partie selon une variante; - la figure 4 représente schématiquement une variante de mise en oeuvre
de la traversée de 11 invention. Various embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawing in which - Figure 1 explains the principle of the invention and represents
Schematically a cryostat provided with a feed according to the invention - Figure 2 is an enlarged view of part of Figure 1 - Figure 3 is an enlarged view of the same part according to a variant; - Figure 4 shows schematically an alternative implementation
of the crossing of the invention.
Dans la figure 1, on a représenté schématiquement en 1 une bobine supraconductrice logée à l'intérieur d'un cryostat 2 rempli en partie d'un fluide cryogénique liquide 3, tel que l'hélium liquide ou l'azote liquide. In Figure 1, there is shown schematically at 1 a superconductive coil housed inside a cryostat 2 partially filled with a liquid cryogenic fluid 3, such as liquid helium or liquid nitrogen.
La bobine est suspendue au cryostat à l'aide de deux tubes isolants 4,4' contenant chacun une amenée de courant. Dans la suite, on ne décrira que l'amenée 5, l'autre amenée 5' étant identique. Les tubes 4 et 4' sont de préférence en matériau connu sous la dénomination MACROLON. The coil is suspended from the cryostat using two 4.4 'insulating tubes, each containing a current supply. In the following, only the feed 5 will be described, the other feed 5 'being identical. The tubes 4 and 4 'are preferably made of a material known under the name MACROLON.
Dans le cas de l'hélium liquide, étant donné la moins bonne tenue diélectrique de l'hélium gazeux, il est utile, pour éviter des décharges partielles sous tension permanente, d'avoir des surfaces métallisées 6 partiellement à l'extérieur et à l'intérieur du tube isolant 4 (Fig. 2). In the case of liquid helium, given the poorer dielectric strength of gaseous helium, it is useful, in order to avoid partial discharges under permanent tension, to have metallized surfaces 6 partially outside and outside. inside the insulating tube 4 (Fig. 2).
Les tubes isolants 4,4' sont fixés rigidement à un couvercle métallique 7 du cryostat à l'aide d'anneaux de serrage 8. The insulating tubes 4,4 'are rigidly fixed to a metal cover 7 of the cryostat using clamping rings 8.
Des traversées de tension 9(9') en matériau isolant à faible perte thermique (matériau composite) munies d'ailettes protègent diélectriquement les amenées de courant 5(5') jusqu'à leur extrémité supérieure 10(10'). L'espace ll entre l'amenée de courant 5 et la traversée 9 est rempli d'un fluide isolant (huile, azote gazeux, etc.). Voltage bushings 9 (9 ') made of insulating material with low thermal loss (composite material) provided with fins dielectrically protect the current leads 5 (5') up to their upper end 10 (10 '). The space ll between the current supply 5 and the bushing 9 is filled with an insulating fluid (oil, nitrogen gas, etc.).
L'isolement sur la partie 12 non métallisée du tube 4 permet de tenir la tension, soit en cas de transition résistive de la bobine, soit en régime permanent dans le cas d'un transformateur supraconducteur. The isolation on the non-metallized part 12 of the tube 4 makes it possible to hold the voltage, either in the case of a resistive transition of the coil, or in steady state in the case of a superconductive transformer.
Des anneaux métalliques 16 améliorent la tenue diélectrique de la partie 12 du tube 4. Metal rings 16 improve the dielectric strength of the part 12 of the tube 4.
Des écrans thermiques 13 régularisent l'échange thermique entre le fluide cryogénique 3 et le couvercle 7 qui est à la température ambiante. Heat shields 13 regulate the heat exchange between the cryogenic fluid 3 and the cover 7 which is at room temperature.
A l'intérieur du tube 4, l'amenée 5 relie la bobine 1 à l'extrémité 10. Inside the tube 4, the feed 5 connects the coil 1 to the end 10.
Selon l'art antérieur, l'amenée 5 est en cuivre et formée de plusieurs fils baignés dans le fluide cryogénique gazeux qui surmonte le liquide 3. According to the prior art, the feed 5 is made of copper and formed of several wires bathed in the gaseous cryogenic fluid which overcomes the liquid 3.
Selon l'invention, l'amenée 5 comprend une portion en cuivre 5A, réalisée de manière classique et une portion 5B constituée par un matériau supraconducteur ayant une température critique supérieure à celle de la bobine 1. La portion 5B a une longueur comprise environ entre 1/3 et 2/3 de la hauteur H de l'amenée de courant au-dessus du niveau minimal 23 du liquide cryogénique. According to the invention, the feed 5 comprises a copper portion 5A, produced in a conventional manner and a portion 5B constituted by a superconductive material having a critical temperature higher than that of the coil 1. The portion 5B has a length of between approximately 1/3 and 2/3 of the height H of the current supply above the minimum level 23 of the cryogenic liquid.
La hauteur exacte choisie dépend de la valeur de la température critique du matériau supraconducteur 5B utilisé. The exact height chosen depends on the value of the critical temperature of the 5B superconducting material used.
La section totale du conducteur SE est choisie suffisante pour transporter le courant nominal sans perte Joule. The total cross section of the SE conductor is chosen to be sufficient to carry the nominal current without Joule loss.
La température à laquelle se trouve le conducteur supraconducteur SE assure sa supraconductivité. The temperature at which the superconductive conductor SE is found ensures its superconductivity.
Le matériau choisi pour constituer le conducteur supraconducteur 5B peut être par exemple un composé de formule Y Ba Cu 0 dont la température critique est de 950K ; en variante, ce peut etre un composé de formule Th BaCaCu 0 dont la température critique est voisine de 125pu. The material chosen to constitute the superconductive conductor 5B can for example be a compound of formula Y Ba Cu 0, the critical temperature of which is 950K; alternatively, it can be a compound of formula Th BaCaCu 0 whose critical temperature is close to 125pu.
La portion supraconductrice SE est reliée par une jonction 20 à la portion SA et par une jonction 21 à une portion 5C en matériau supraconducteur de même nature que celui de la bobine et baignant dans le fluide cryogénique liquide. The superconductive portion SE is connected by a junction 20 to the portion SA and by a junction 21 to a portion 5C made of superconductive material of the same kind as that of the coil and immersed in the liquid cryogenic fluid.
Ces jonctions sont précisées par la description de la figure 2 qui montre un premier mode de réalisation de la partie 5B de l'amenée. These junctions are specified by the description of Figure 2 which shows a first embodiment of part 5B of the feed.
Le matériau supraconducteur est constitué par un tube 50 serré entre deux plaques circulaires 20 et 21 constituant les jonctions précitées. The superconductive material consists of a tube 50 clamped between two circular plates 20 and 21 constituting the aforementioned junctions.
Les plaques 20 et 21 sont serrées entre elles au moyen de tiges isolantes 26 pouvant être vissées. Les plaques 20 et 21 portent des trous 25 pour le passage du fluide cryogénique. The plates 20 and 21 are clamped together by means of insulating rods 26 which can be screwed. The plates 20 and 21 carry holes 25 for the passage of the cryogenic fluid.
Les parties SA et 5C sont reliées aux plaques 20 et 21 respectivement. The parts SA and 5C are connected to the plates 20 and 21 respectively.
La hauteur h du tube est un compromis pour avoir le minimum
de pertes thermiques (h grand) et le minimum de risque de voir le tube transiter à l'état non supraconducteur en raison d'une température supérieure à la température critique vers le sommet du tube.The height h of the tube is a compromise to have the minimum
heat losses (h large) and the minimum risk of the tube transiting in a non-superconductive state due to a temperature above the critical temperature towards the top of the tube.
La figure 3 montre une variante de réalisation dans laquelle le tube 50 est divisé en deux tubes 51 et 52 enserrés entre des plaques de cuivre 20 et 22 d'une part, et 22 et 21 d'autre part. Figure 3 shows an alternative embodiment in which the tube 50 is divided into two tubes 51 and 52 sandwiched between copper plates 20 and 22 on the one hand, and 22 and 21 on the other hand.
Ces plaques sont identiques à celles décrites précédemment. These plates are identical to those described above.
Le tube 51, placé à la partie supérieure, est shunté par des conducteurs 28 en métal bon conducteur à la température ambiante, de préférence en cuivre. The tube 51, placed at the top, is shunted by conductors 28 of metal which is a good conductor at room temperature, preferably copper.
Cette disposition permet d'éviter une transition temporaire possible de l'élément SE avant la bobine 1. This arrangement makes it possible to avoid a possible temporary transition of the element SE before the coil 1.
En cas de transition du barreau 51, le courant nominal circulera instantanément à travers les conducteurs 28 sans créer de pertes notables par effet Joule. Le barreau 52, lorsqu'il est dans l'état supraconducteur, conduit le courant nominal sans aucune perte
Joule tout en réduisant fortement l'effet de la conduction thermique. In case of transition of the bar 51, the nominal current will instantly flow through the conductors 28 without creating significant losses by the Joule effect. The bar 52, when in the superconductive state, conducts the nominal current without any loss
Joule while greatly reducing the effect of thermal conduction.
La figure 4 représente un mode particulier de mise en oeuvre d'une amenée selon l'invention. FIG. 4 represents a particular mode of implementation of a feed according to the invention.
Les éléments communs à la figure 4 et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de références. The elements common to FIG. 4 and to FIG. 1 have been given the same reference numbers.
La bobine supraconductrice 1 se trouve dans un récipient isolant 60 dans lequel se trouve un premier fluide cryogénique 61, par exemple de l'hélium hypercritique à une pression de 2 à 3 bars. Le récipient est soutenu par des supports 62, à l'intérieur d'un cryostat 63 rempli d'un second fluide cryogénique 64 dont la température est inférieure à la température critique du matériau de la partie SE de l'amenée. C'est par exemple de l'azote liquide. Le niveau supérieur du liquide est référencé 65 et il est surmonté d'une phase vapeur 66. The superconductive coil 1 is located in an insulating container 60 in which there is a first cryogenic fluid 61, for example hypercritical helium at a pressure of 2 to 3 bars. The container is supported by supports 62, inside a cryostat 63 filled with a second cryogenic fluid 64 whose temperature is lower than the critical temperature of the material of the SE part of the supply. It is for example liquid nitrogen. The upper level of the liquid is referenced 65 and it is surmounted by a vapor phase 66.
Comme dans la figure I, la bobine est maintenue par des tubes isolants qui cette fois traversent le récipient 60 de manière étanche : à l'intérieur des tubes, l'amenée comprenant, comme précédemment, trois parties SA, SE et 5C, la partie SA en cuivre, la partie 5C en matériau supraconducteur similaire à celui de la bobine, et la partie 5B en matériau supraconducteur à la température qui règne dans l'azote liquide ou gazeux. As in Figure I, the coil is held by insulating tubes which this time pass through the container 60 in a sealed manner: inside the tubes, the supply comprising, as previously, three parts SA, SE and 5C, the part SA in copper, part 5C in superconductive material similar to that of the coil, and part 5B in superconductive material at the temperature prevailing in liquid or gaseous nitrogen.
On notera que compte tenu de la bonne tenue diélectrique de l'azote gazeux, il est inutile de métalliser les tubes isolants 4 et 4'. Note that given the good dielectric strength of the nitrogen gas, it is unnecessary to metallize the insulating tubes 4 and 4 '.
Le fluide 61 est relié par des tuyaux isolants 67,68 à un réfrigérateur cryogénique non représenté permettant de maintenir la température du fluide du récipient 60 à la température voulue. The fluid 61 is connected by insulating pipes 67,68 to a cryogenic refrigerator not shown making it possible to maintain the temperature of the fluid in the container 60 at the desired temperature.
La hauteur de la portion 5B est avantageusement comprise entre 1/3 et 2/3 de la distance L comprise entre le sommet du récipient 60 et celui du récipient 63. The height of the portion 5B is advantageously between 1/3 and 2/3 of the distance L between the top of the container 60 and that of the container 63.
Grâce à l'invention, on obtient une amenée dans laquelle l'ensemble des pertes Joule et des pertes thermiques est réduit de manière notable, tout en conservant une grande sûreté de fonctionnement. Thanks to the invention, a supply is obtained in which the set of Joule losses and thermal losses is reduced significantly, while retaining a high degree of operational reliability.
L'invention s'applique notamment aux limiteurs de courant supraconducteurs. The invention applies in particular to superconductive current limiters.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8813346A FR2637728A1 (en) | 1988-10-11 | 1988-10-11 | Low-loss cryogenic power lead |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR8813346A FR2637728A1 (en) | 1988-10-11 | 1988-10-11 | Low-loss cryogenic power lead |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR2637728A1 true FR2637728A1 (en) | 1990-04-13 |
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ID=9370898
Family Applications (1)
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| FR8813346A Withdrawn FR2637728A1 (en) | 1988-10-11 | 1988-10-11 | Low-loss cryogenic power lead |
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