FR2733347A1 - Corps en matiere plastique renforcee par des fibres pour bobine supraconductrice - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un corps en matière plastique renforcé par des fibres pour bobine supraconductrice. Ce corps (21) est constitué par une matière plastique renforcée par des fibres contenant une résine de matrice, des fibres de polyéthylène à coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction longitudinale des fibres, l'angle entre les fibres de polyéthylène et l'axe longitudinal du corps étant situé dans le domaine de +-(35 deg. à 90 deg.), et une substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène et présente un faible degré de déformation même lorsqu'il est utilisé sous une contrainte externe à des températures cryogéniques. Le corps selon la présente invention peut être utilisé notamment pour les limiteurs de courant de fuite supraconducteurs.
Description
La présente invention concerne un corps en matière plastique renforcée par des fibres (dans la suite en abrégé "PRF") pour bobine supraconductrice.
Les dispositifs à bobine supraconductrice sont classés en plusieurs types selon leur structure. Un exemple typique en est un dispositif comprenant un corps pour la bobine supraconductrice. Un tel dispositif est souvent utilisé à un débit de courant électrique élevé. Comme dispositifs à bobine supraconductrice de ce type, on connaît un dispositif dans lequel une bobine supraconductrice est formée par enroulement d'un supraconducteur directement sur un corps et un dispositif dans lequel une bobine supraconductrice est constituée par plusieurs couches de supraconducteur enroulé sur un corps, un élément d'écartement étant disposé entre deux couches adjacentes.Pour les dispositifs à bobine supraconductrice utilisés en courant alternatif ou en courant pulsé, les corps sont habituellement constitués par une matière plastique renforcée par des fibres de verre (dans la suite en abrégé "PRFV"), la matrice étant constituée par une résine époxy pour empêcher l'apparition de courants parasites dans le corps.
Ces dispositifs à bobine supraconductrice sont utilisés à l'état totalement immergé dans un liquide cryogénique tel que l'hélium liquide pour maintenir le supraconducteur de la bobine supraconductrice à une température inférieure à la température critique de ce supraconducteur.
Cependant, les dispositifs à bobine supraconductrice conventionnels qui comprennent un corps en PRFV présentent l'inconvénient suivant.
Lorsqu'un dispositif de ce type tel que le dispositif 4 représenté sur la figure 3(a) des dessins annexés, qui comporte un supraconducteur 2 enroulé sur un corps en PRFV 1 pour former la bobine supraconductrice 3, est plongé dans un liquide cryogénique, le corps 1 se contracte dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence, comme le montrent les flèches A et B, respectivement. Ceci est dû au fait que les fibres de verre et la résine époxy qui constituent le corps 1 ont des coefficients de dilatation thermique positifs.
Par ailleurs, le supraconducteur 2 de la bobine supraconductrice 3 est constitué par un matériau métallique qui a un coefficient de dilatation thermique positif. De ce fait, la bobine supraconductrice 3 se contracte elle aussi dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence, comme le montrent les flèches C et D de la figure 3(a), respectivement.
Ainsi, dans le dispositif à bobine supraconductrice 4 plongé dans un liquide cryogénique, le corps 1 et la bobine supraconductrice 3 présentent une contraction thermique dans la même direction et sensiblement au même degré, de sorte que ces éléments ne peuvent pas se désolidariser.
Toutefois, si la bobine supraconductrice 3 est parcourue par un courant électrique aux températures cryogéniques, elle présente un degré de contraction accru dans la direction axiale et une dilatation dans la direction de la circonférence du fait des forces électromagnétiques produites par le courant électrique, comme le montrent les flèches C' et E, respectivement, de la figure 3(b) des dessins annexés.
Ainsi, le corps 1 et la bobine supraconductrice 3 se désolidarisent de sorte que tout ou partie de la bobine supraconductrice 3 a tendance à se déplacer aisément pendant le passage d'un courant électrique. Le mouvement de la bobine supraconductrice 3, même s'il est faible, s'accompagne d'un dégagement de chaleur par frottement. En général, les liquides cryogéniques tels que l'hélium liquide ont une chaleur massique relativement faible de sorte qu'il est difficile que la chaleur par frottement soit absorbée rapidement par le liquide cryogénique. Il en résulte que le supraconducteur 2 franchit la température critique et parvient à l'état normal (cette transition est appelée habituellement "extinction" ("quenching")).
Pour résoudre ce problème, différentes tentatives ont été faites récemment pour former un corps en matière plastique renforcée par des fibres contenant comme fibres de renfort des fibres de polyéthylène (dans la suite en abrégé "FD") à haute résistance mécanique (une telle matière plastique sera appelée dans la suite en abrégé "PRFD").
Les fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique ont la propriété particulière de se dilater dans la direction longitudinale des fibres lorsque la température décroît, ce qui les distingue des fibres de verre ou des fibres céramiques ordinaires. En d'autres termes, les produits constitués de PRF contenant des fibres de polyéthylène comme fibres de renfort (c'est-à-dire les produits en
PRFD) ont des coefficients de dilatation thermique négatifs dans la direction longitudinale des fibres, comme le montrent les cercles vides (O) sur la figure 4 des dessins annexés.Au contraire, les produits en PRF contenant, comme fibres de renfort, des fibres de verre, d'alumine, de carbure de silicium ou de carbone, et également les produits constitués par un certain matériau métallique, ont des coefficients de dilatation thermique positifs dans la direction longitudinale des fibres, comme le montrent les différents types de triangles et les cercles emboîtés sur la figure 4 des dessins annexés.
PRFD) ont des coefficients de dilatation thermique négatifs dans la direction longitudinale des fibres, comme le montrent les cercles vides (O) sur la figure 4 des dessins annexés.Au contraire, les produits en PRF contenant, comme fibres de renfort, des fibres de verre, d'alumine, de carbure de silicium ou de carbone, et également les produits constitués par un certain matériau métallique, ont des coefficients de dilatation thermique positifs dans la direction longitudinale des fibres, comme le montrent les différents types de triangles et les cercles emboîtés sur la figure 4 des dessins annexés.
Lorsqu'un stratifil de FD est enroulé sur un mandrin rotatif, par exemple par le procédé d'enroulement hélicoïdal, tout en étant imprégné d'une résine époxy constituant la matrice, pour former un produit cylindrique en PRFD 5 représenté sur la figure 5(a) des dessins annexés, les variations dimensionnelles de ce produit dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence en fonction de la température dépendent de l'angle d'enroulement O qui est défini comme étant l'angle formé par le stratifil et l'axe longitudinal du mandrin (et donc du corps) comme le montre la figure 5(b), avec 0o < 1 6 l < 900 et l'angle O est de signe + ou -, par exemple lorsqu'il est mesuré dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans l'autre sens, depuis l'axe longitudinal du mandrin en direction du stratifil. Dans le procédé d'enroulement hélicoïdal, le stratifil est enroulé en hélice sur le mandrin rotatif d'une extrémité à l'autre, par exemple sous un angle d'enroulement O de 75, puis il est enroulé dans la direction opposée sous un angle d'enroulement O de -75, ces opérations étant répétées de nombreuses fois, et cet enroulement est habituellement appelé "enroulement à + 75." ou "enroulement sous l'angle d'enroulement O de + 75".
La figure 6 des dessins annexés montre les relations entre les variations dimensionnelles (coefficient de dilatation thermique) et l'angle d'enroulement 0.
Ces données ont été obtenues à partir de différents produits en PRF de forme cylindrique tels que celui représenté sur la figure 5(a) et contenant un stratifil enroulé par le procédé d'enroulement hélicoïdal représenté sur la figure 5(b). Sur la figure 6, les courbes désignées par Xa et Xc représentent les coefficients de dilatation thermique de produits en PRFD dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence respectivement. Les coefficients de dilatation thermique de produits en PRFV dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence sont représentés sur la figure 6 sous la forme des courbes désignées par Za et Zc respectivement.De plus, les coefficients de dilatation thermique de produits en matière plastique renforcée par des fibres d'alumine (FA) à haute résistance à la traction et des fibres de polyéthylène (FD) dans le rapport volumique 50:50 (produits en PRFAD) dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence sont représentés sur la figure 6 sous forme des courbes désignées par Ya et Yc respectivement.
Comme le montre la figure 6, le coefficient de dilatation thermique d'un produit en PRFD passe de faibles valeurs positives à de grandes valeurs négatives dans la direction de la circonférence mais passe de faibles valeurs négatives à de grandes valeurs positives dans la direction axiale lorsque l'angle d'enroulement 8 varie d'environ 40 à 90 du fait des caractéristiques des fibres de polyéthylène, même si la matrice utilisée a un coefficient de dilatation thermique positif. Ainsi, lorsque l'angle d'enroulement O est situé dans le domaine indiqué cidessus, les produits en PRFD présentent une grande dilatation dans la direction de la circonférence et une grande contraction dans la direction axiale lorsque la température décroît.
2 Au contraire, les produits en PRFV ont des coefficients de dilatation thermique positifs dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence pour toutes les valeurs de l'angle d'enroulement O car les fibres de verre ont ellesmêmes un coefficient de dilatation thermique positif dans toutes les directions.
Ainsi, les produits en PRFV ne peuvent pas présenter les mêmes caractéristiques que les produits en PRFD.
Si les caractéristiques décrites ci-dessus des produits en PRFD sont utilisées efficacement pour former un corps constitué par un tel produit en PRFD, ce corps peut présenter des caractéristiques idéales pour empêcher la survenue d'une extinction.
En d'autres termes, lorsqu'un dispositif à bobine supraconductrice 14 (figure 7(a)) muni d'une bobine supraconductrice 13 obtenue par enroulement d'un supraconducteur 12 sur un corps en PRFD 11 sous un angle d'enroulement 8 situé dans le domaine ci-dessus est plongé dans un liquide cryogénique, le corps 1 1 se contracte dans la direction axiale et se dilate dans la direction de la circonférence comme le montrent les flèches J et K sur la figure 7(a) respectivement. D'autre part, la bobine supraconductrice 13 se contracte dans la direction axiale et dans la direction de la circonférence comme le montrent les flèches C et D sur la figure 7(a).
Ainsi, le corps 11 et la bobine supraconductrice 13 se dilatent ou se contractent de manière opposée dans la direction de la circonférence. De ce fait, lorsqu'ils sont plongés dans un liquide cryogénique, le corps 1 1 et la bobine supraconductrice 13 sont rendus beaucoup plus solidaires. Si un courant électrique est établi dans la bobine supraconductrice 13 refroidie aux températures cryogéniques, la bobine 13 subit un degré accru de contraction dans la direction axiale mais une dilatation dans la direction de la circonférence du fait des forces électromagnétiques produites par le courant, comme le montrent les flèches C et E de la figure 7(b), respectivement.Ainsi, le corps 1 1 et la bobine supraconductrice 13 présentent une dilatation thermique dans la même direction et sensiblement au même degré de sorte que le supraconducteur 12 ne se déplace pas ce qui permet d'empêcher l'apparition d'une extinction provoquée par un mouvement du supraconducteur 12.
Toutefois, les dispositifs à bobine supraconductrice dont les corps sont formés uniquement en PRFD présentent un inconvénient qui va être évoqué dans la suite dans le cas d'un dispositif utilisé comme limiteur de courant de fuite supraconducteur tel que décrit dans le document JP-A 2-168525/1990 qui utilise l'extinction d'un supraconducteur. Dans ce dispositif, un supraconducteur enroulé sur un corps par enroulement non inductif est utilisé comme limiteur de courant relié en série à une voie ferrée. Lorsque le courant de voie qui circule dans l'élément limiteur de courant dépasse le courant critique du supraconducteur, celui-ci subit une extinction. La fonction du limiteur de courant de fuite se traduit par une augmentation importante de la résistance du supraconducteur qui accompagne cette extinction.
Ainsi, lorsqu'un dispositif à bobine supraconductrice est utilisé dans un limiteur de courant de fuite supraconducteur, le supraconducteur se comporte comme une résistance lorsque l'extinction se produit, ce qui entraîne le dégagement d'une grande quantité de chaleur par effet Joule, quantité de chaleur déterminée par la valeur de la résistance et par l'intensité du courant. Du fait de ce dégagement de chaleur, le liquide cryogénique utilisé, tel que l'hélium liquide, s'évapore subitement en formant une zone à haute pression de gaz autour du corps.
Dans cette zone, la pression atteint localement 106Pa (10 kg/cm2) et fait subir au corps une contrainte externe importante.
Le module élastique de PRFD n'est pas suffisant pour résister à une telle augmentation de pression lorsque le courant électrique est limité lors de l'extinction. De ce fait, un corps en PRFD subit une déformation élastique sous l'influence de la contrainte externe importante évoquée ci-dessus. Cette déformation élastique du corps entraîne un déplacement du supraconducteur depuis la position stable précédente au moment de la déformation. Il en résulte que, lorsque le supraconducteur passe à l'état supraconducteur et qu'un courant électrique est de nouveau amené à y circuler, le supraconducteur est susceptible de se déplacer dans une autre position stable. Le mouvement du supraconducteur entraîne un dégagement de chaleur par frottement comme décrit ci-dessus, qui est responsable de l'extinction du supraconducteur.Ce phénomène survient de manière répétée et maintient inévitablement à un faible niveau le courant électrique qui peut circuler dans l'élément limiteur de courant.
Ainsi, un dispositif à bobine supraconductrice dont le corps est constitué uniquement de PRFD présente l'inconvénient qu'il ne peut pas utiliser efficacement la fonction anti-extinction du corps en PRFD lorsqu'il est employé pour des applications dans lesquelles des contraintes externes importantes sont exercées sur le corps, par exemple dans le cas d'un limiteur de courant de fuite supraconducteur, car le PRFD a un faible module élastique.
Comme décrit ci-dessus, les corps en PRFV ou en PRFD ne permettent pas d'éviter l'instabilité d'une bobine supraconductrice, ce qui pose un grave problème.
Compte tenu de ces circonstances, on a fait des recherches approfondies pour développer un corps pour bobine supraconductrice qui permette de résoudre les problèmes de l'état de la technique évoqués ci-dessus. On a ainsi constaté qu'il est possible d'obtenir un tel corps en utilisant une matière plastique renforcée par des fibres qui contient des fibres de polyéthylène à coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction longitudinale des fibres et une substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène.
Ainsi, la présente invention fournit un corps pour bobine supraconductrice qui est constitué par une matière plastique renforcée par des fibres comprenant : (1) une résine de matrice, (2) des fibres de polyéthylène ayant un coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction longitudinale des fibres, l'angle entre les fibres de polyéthylène et l'axe longitudinal du corps étant situé dans le domaine de +(35 à 908), et (3) une substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène.
Le corps pour bobine supraconductrice selon la présente invention peut trouver de nombreuses applications, par exemple sous forme de commutateurs en courant permanent, d'électroaimants en courant alternatif et d'électroaimants en courant pulsé, applications dans lesquelles l'utilisation de matériaux métalliques est évitée pour empêcher l'apparition de courants parasites ou dans lesquelles la stabilité d'une bobine supraconductrice est très nécessaire du fait de l'utilisation de
Cu-Ni comme matrice du supraconducteur.
Cu-Ni comme matrice du supraconducteur.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfere aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels
la figure 1(a) est une vue schématique montrant, en coupe longitudinale, un dispositif à bobine supraconductrice typique muni d'un corps selon la présente invention;
la figure 1(b) est une vue schématique du dispositif en coupe transversale suivant la ligne A-A de la figure 1(a);
la figure 2 est un graphique montrant les caractéristiques d'extinction (amélioration de la valeur maximale du courant d'extinction avec l'augmentation du nombre d'opérations) de dispositifs à bobine supraconductrice produits dans les exemple 1 et 2 et dans les exemples comparatifs 1 et 2;;
les figures 3(a) et 3(b) sont des vues schématiques destinées à exposer les problèmes rencontrés aux températures cryogéniques dans le dispositif à bobine supraconductrice comprenant un corps conventionnel en PRFV avant et après application d'un courant électrique, respectivement;
la figure 4 est un graphique montrant le degré de contraction thermique de différents produits en PRF contenant des fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique ou d'autres fibres.Ce graphique montre également les données concernant un certain matériau métallique lui-même;
la figure 5(a) est une vue en perspective montrant la forme d'un produit en PRFD ou en PRFAD obtenu dans les exemples 1 et 2 et dans les exemples comparatifs 1 et 2;
la figure 5(b) est une vue partielle servant à la définition de l'angle d'enroulement O dans la préparation d'un produit tel que celui représenté sur la figure 5(a).Sur la figure 5(b), un mandrin est entraîné en rotation en sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde la figure de haut en bas et un stratifil est enroulé dans le même sens sur le mandrin par le procédé d'enroulement hélicoïdal;
la figure 6 est un graphique montrant la relation entre le coefficient de dilatation thermique et l'angle d'enroulement 8 dans le cas de produits en PRFAD,
PRFD et PRFV;
les figures 7(a) et 7(b) sont des vues schématiques destinées à expliquer le comportement aux températures cryogéniques d'un dispositif à bobine supraconductrice dont le corps est en PRFD avant et après application d'un courant électrique, respectivement.
la figure 1(a) est une vue schématique montrant, en coupe longitudinale, un dispositif à bobine supraconductrice typique muni d'un corps selon la présente invention;
la figure 1(b) est une vue schématique du dispositif en coupe transversale suivant la ligne A-A de la figure 1(a);
la figure 2 est un graphique montrant les caractéristiques d'extinction (amélioration de la valeur maximale du courant d'extinction avec l'augmentation du nombre d'opérations) de dispositifs à bobine supraconductrice produits dans les exemple 1 et 2 et dans les exemples comparatifs 1 et 2;;
les figures 3(a) et 3(b) sont des vues schématiques destinées à exposer les problèmes rencontrés aux températures cryogéniques dans le dispositif à bobine supraconductrice comprenant un corps conventionnel en PRFV avant et après application d'un courant électrique, respectivement;
la figure 4 est un graphique montrant le degré de contraction thermique de différents produits en PRF contenant des fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique ou d'autres fibres.Ce graphique montre également les données concernant un certain matériau métallique lui-même;
la figure 5(a) est une vue en perspective montrant la forme d'un produit en PRFD ou en PRFAD obtenu dans les exemples 1 et 2 et dans les exemples comparatifs 1 et 2;
la figure 5(b) est une vue partielle servant à la définition de l'angle d'enroulement O dans la préparation d'un produit tel que celui représenté sur la figure 5(a).Sur la figure 5(b), un mandrin est entraîné en rotation en sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde la figure de haut en bas et un stratifil est enroulé dans le même sens sur le mandrin par le procédé d'enroulement hélicoïdal;
la figure 6 est un graphique montrant la relation entre le coefficient de dilatation thermique et l'angle d'enroulement 8 dans le cas de produits en PRFAD,
PRFD et PRFV;
les figures 7(a) et 7(b) sont des vues schématiques destinées à expliquer le comportement aux températures cryogéniques d'un dispositif à bobine supraconductrice dont le corps est en PRFD avant et après application d'un courant électrique, respectivement.
La matière plastique renforcée par des fibres qui est utilisée dans la présente invention contient un stratifil, une couche de fibres unidirectionnelles ou une couche de tissu en fibres de polyéthylène ayant un coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction longitudinale des fibres et une substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène (une telle substance sera appelée dans la suite "HMA"). Dans une matière plastique renforcée par des fibres de ce type, l'angle entre les fibres de polyéthylène et l'axe longitudinal du corps, c'est-à-dire l'angle d'enroulement8, est situé dans le domaine spécifié ci-dessous.
La forme de HMA peut être choisie dans le groupe consistant en les filaments, les fibres courtes et les particules. L'alumine, le carbone, la silice, la zircone, le carbure de silicium, l'oxyde de titane et le nitrure de silicium sont des exemples de HMA. On préfère des fibres d'alumine à haute résistance à la traction et on préfère encore les fibres d'alumine ayant une résistance mécanique d'au moins 1200 MPa et un module élastique d'au moins 120 GPa.
Lorsque de courtes fibres d'alumine ou des particules d'alumine sont utilisées comme HMA, les fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique(FD) peuvent être mises sous forme d'une couche de fibres unidirectionnelles ou d'une couche de tissu qui est ensuite imprégnée d'une résine de matrice contenant les courtes fibres ou particules d'alumine et qui est enroulée sous forme cylindrique autour de l'axe longitudinal du corps.
Lorsque des fibres d'alumine à haute résistance à la traction (FA) sont utilisées comme HMA, les fibres de polyéthylène et les fibres d'alumine peuvent être sous forme d'un stratifil enroulé autour de l'axe longitudinal du corps et imprégné d'une résine de matrice. La combinaison de fibres de polyéthylène et de fibres d'alumine peut être obtenue par un procédé quelconque, par exemple par enroulement d'un stratifil préalablement préparé à partir de fibres de polyéthylène et de fibres d'alumine combinées en filaments ou en fils, ou par enroulement alterné de stratifils individuels de fibres de polyéthylène et de fibres d'alumine pour former des couches alternées de ces stratifils.
Le rapport de mélange de FA à FD dans le stratifil peut être situé dans le domaine de 5:95 à 75:25, de préférence de 10:90 à 65:35, pour présenter dans la plus grande mesure les caractéristiques de FA et de FD.
Comme le montre la figure 6, il est important que le stratifil de FD et de FA, ou au moins de FD, soit enroulé autour de l'axe longitudinal du corps sous un angle d'enroulement O situé dans le domaine de + (35 à 90t), de préférence de +(43 à 90 et de préférence encore de + (80 à 90-).
Le procédé pour enrouler un stratifil sur un mandrin rotatif (et donc autour de l'axe longitudinal du corps) n'est pas limité d'une manière particulière, et le stratifil peut être enroulé par le procédé d'enroulement hélicoïdal conventionnel dans lequel l'angle d'enroulement O est constant, dans le domaine de + (35' à 90 , sauf aux deux extrémités du mandrin.
Le stratifil peut être imprégné d'une résine de matrice juste avant d'être enroulé sur le mandrin (enroulement humide) ou bien il peut être préimprégné d'une résine de matrice partiellement réticulée (enroulement sec). Le positionnement du stratifil peut être obtenu par exemple au moyen d'un bras d'alimentation situé devant le mandrin rotatif. Le bras d'alimentation est animé d'un mouvement de va et vient parallèlement à l'axe longitudinal du mandrin sur toute la longueur du mandrin, à vitesse constante.
Lorsque le processus d'enroulement est terminé, l'ensemble est soumis à une réticulation dans un four et le mandrin est ensuite retiré. Le produit cylindrique ainsi obtenu est traité mécaniquement pour former des rebords aux deux extrémités et obtenir un corps pour bobine supraconductrice.
La préparation des fibres de polyéthylène n'est pas limitée d'une manière particulière et ces fibres peuvent être obtenues auprès de sources commerciales ou peuvent être produites par un procédé connu quelconque, par exemple de la manière décrite dans les documents JP-A 56-15408/1981 et JP
A 58-5228/1983. Par exemple, un polyéthylène de masse moléculaire élevée ayant une masse moléculaire moyenne en poids d'au moins 100 000, de préférence d'au moins 1 000 000, est dissous dans la décaline pour former une solution de filage qui est extrudée dans l'air ou dans l'eau depuis une filière et qui est refroidie pour former des fibres d'un gel contenant de la décaline. Les fibres de gel sont ensuite tirées à un taux de tirage total de 30 à 40 par tirage à une étape ou à étapes multiples pour donner les fibres voulues.Les fibres ainsi obtenues ont une résistance mécanique d'au moins 1,32 GPa et un module élastique d'au moins 23,9 GPa.
A 58-5228/1983. Par exemple, un polyéthylène de masse moléculaire élevée ayant une masse moléculaire moyenne en poids d'au moins 100 000, de préférence d'au moins 1 000 000, est dissous dans la décaline pour former une solution de filage qui est extrudée dans l'air ou dans l'eau depuis une filière et qui est refroidie pour former des fibres d'un gel contenant de la décaline. Les fibres de gel sont ensuite tirées à un taux de tirage total de 30 à 40 par tirage à une étape ou à étapes multiples pour donner les fibres voulues.Les fibres ainsi obtenues ont une résistance mécanique d'au moins 1,32 GPa et un module élastique d'au moins 23,9 GPa.
Comme décrit ci-dessus, les fibres de polyéthylène présentent la propriété particulière de se dilater dans la direction longitudinale des fibres lorsque la température décroît, ce qui differe du cas des fibres de verre ou des fibres céramiques ordinaires. D'autre part, les fibres d'alumine ont un module élastique très élevé par rapport aux fibres de verre et aux fibres de polyéthylène.
Les fibres d'alumine peuvent être constituées par A1203 de haute pureté (pureté de 99,5 % ou plus, alumine à structure cristalline de typea),
A1203-SiO2 (pureté de 80-85 % en masse, alumine à structure cristalline de type y ou b) ou par A1203-B203 (pureté de 80-85 % en masse). Pour obtenir un corps ayant d'excellentes caractéristiques il est préférable d'employer A1203 de haute pureté à structure cristalline de type a. Du point de vue de la manipulation, on préfere A1203-SiO2 à structure cristalline de type y ou o.
A1203-SiO2 (pureté de 80-85 % en masse, alumine à structure cristalline de type y ou b) ou par A1203-B203 (pureté de 80-85 % en masse). Pour obtenir un corps ayant d'excellentes caractéristiques il est préférable d'employer A1203 de haute pureté à structure cristalline de type a. Du point de vue de la manipulation, on préfere A1203-SiO2 à structure cristalline de type y ou o.
De préférence, les fibres d'alumine ont une résistance mécanique d'au moins 1 200 MPa et un module élastique d'au moins 120 GPa.
Les fibres d'alumine à structure cristalline de type a ont une résistance mécanique d'au moins 1500 MPa, de préférence d'au moins 1 800 MPa, et un module élastique d'au moins 300 GPa, de préférence d'au moins 330 GPa. Les fibres d'alumine à structure cristalline de type y ont une résistance mécanique d'au moins 1 500 MPa, de préférence d'au moins 1 800 MPa, et un module élastique d'au moins 200 GPa, de préférence d'au moins 210 GPa. Les fibres d'alumine à structure cristalline de type 6 ont une résistance mécanique d'au moins 1 300 MPa, de préférence d'au moins 1 600 MPa, et un module élastique d'au moins 150 GPa, de préférence d'au moins 160 GPa.
Un corps que l'on préfère est constitué par une matière plastique renforcée par des fibres contenant un stratifil de FD et de FA dans une matrice comme décrit ci-dessus. De ce fait, un tel corps présente la propriété d'une matière plastique renforcée par des fibres d'alumine d'être peu susceptible de subir une déformation provoquée par une contrainte externe du fait de son module élastique élevé tout en conservant les excellentes caractéristiques de PRFD qui se dilate dans la direction de la circonférence lorsqu'il est refroidi aux températures cryogéniques.
Ainsi, le corps peut remplir la fonction particulièrement satisfaisante d'empêcher la survenue d'une extinction, même lorsqu'il est utilisé sous une contrainte externe aux températures cryogéniques.
Les résines époxy, les résines d'uréthane, les résines de polyesters insaturés, les résines d'esters vinyliques et les résines uréthane-acrylate sont des exemples de résines de matrice. On préfère en particulier les résines époxy.
La fraction volumique des fibres (Vf) du corps est de préférence de 25 à 85 %, de préférence encore de 35 à 75 %.
Le corps obtenu dans les conditions évoquées ci-dessus peut avoir un module élastique circonférentiel d'au moins 20 GPa, de préférence d'au moins 30 GPa et de préférence encore d'au moins 35 GPa. Ceci signifie qu'il est possible selon la présente invention d'obtenir des corps hautement élastiques pour bobine supraconductrice.
Le corps est de préférence muni sur sa périphérie d'une rainure en spirale destinée à maintenir un supraconducteur enroulé sur le corps et il peut être muni également d'au moins un canal d'écoulement longitudinal destiné à guider un liquide cryogénique pour refroidir le supraconducteur.
La présente invention va être décrite de manière plus détaillée au moyen des exemples suivants.
Les figures 1(a) et 1(b) montrent un dispositif à bobine supraconductrice équipé d'un corps selon la présente invention. Ce dispositif à bobine supraconductrice est constitué principalement par un corps 21 et par une bobine supraconductrice 23 formée par enroulement d'un supraconducteur 22 sur le corps 21. Le corps 21 est constitué par un produit cylindrique formé de PRFAD qui a été obtenu en enroulant un stratifil de FD et de FA sur un mandrin rotatif tandis qu'il était imprégné dans une résine époxy en tant que matrice.
Le corps 21 comporte des rebords 24a et 24b aux deux extrémités et comporte également une rainure en spirale 25 ainsi que plusieurs canaux d'écoulement longitudinaux 26 ayant chacun une profondeur supérieure à celle de la rainure en spirale 25 et s'étendant chacun dans la direction axiale, sur la périphérie de la partie formant noyau située entre les rebords 24a et 24b. De plus, plusieurs trous 27 communiquant chacun avec les extrémités des canaux d'écoulement longitudinaux 26 correspondants sont formés dans les rebords 24a et 24b.
Le supraconducteur 22 est enroulé sous forme de solénoïde sous une tension constante de manière à pénétrer partiellement dans la rainure en spirale 25, comme le montre la figure 1(a).
Dans les exemples 1 et 2 et dans les exemples comparatifs 1 et 2 cidessous, la contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel de produits cylindriques (et donc du corps 21) sont mesurés de la manière suivante.
1. Contrainte thermique circonférentielle
Une jauge de contrainte est fixée à la périphérie d'un produit puis reliée à un montage en pont et à un enregistreur. Le produit est plongé dans l'azote liquide et amené à atteindre l'équilibre, après quoi la valeur de la contrainte thermique est lue sur l'enregistreur.
Une jauge de contrainte est fixée à la périphérie d'un produit puis reliée à un montage en pont et à un enregistreur. Le produit est plongé dans l'azote liquide et amené à atteindre l'équilibre, après quoi la valeur de la contrainte thermique est lue sur l'enregistreur.
2. Module élastique circonférentiel (ou module d'Young dans la direction de la circonférence).
Une plaque constituée par une matière plastique renforcée par des fibres unidirectionnelles (dans la suite en abrégé "PRF-UD") est préparée dans les mêmes conditions (concernant les types de résine de matrice, de FD et de HMA, le rapport de mélange de HMA à FD, la fraction volumique des fibres) que celles utilisées dans la production d'un produit cylindrique et cette plaque est examinée à la température ambiante avec une machine d'essai de traction en ce qui concerne le module d'Young dans la direction longitudinale des fibres (EL), le module d'Young dans la direction transversale des fibres (ET) et le module de cisaillement (GLT) ainsi que le coefficient de Poisson dans la direction longitudinale des fibres (vL) et le coefficient de Poisson dans la direction transversale des fibres (vT). La valeur du module élastique circonférentiel ou du module d'Young dans la direction circonférentielle (Ey)du produit cylindrique est calculée en introduisant les valeurs mesurées dans les équations suivantes::
1/Ey = l/Ey~92Gxy
l/Ey=m4/EL+14/ET+(l/GLT-2vL/EL)12m2
1/Gxy=4[(1+vL)/EL+(î+vT)/ET]l2rn2+(l2m2)2YGLT
t=2[12/ET-m2 /EL+(l/GLT-2vL/EL)(12-m2/2]1m
l=cos O
m=sin O où Gxy est le module de cisaillement du produit cylindrique et O est l'angle d'enroulement, comme décrit par M. Vemura dans J. Ppn. Soc. Aero. Space Sci., X, 496(1976).
1/Ey = l/Ey~92Gxy
l/Ey=m4/EL+14/ET+(l/GLT-2vL/EL)12m2
1/Gxy=4[(1+vL)/EL+(î+vT)/ET]l2rn2+(l2m2)2YGLT
t=2[12/ET-m2 /EL+(l/GLT-2vL/EL)(12-m2/2]1m
l=cos O
m=sin O où Gxy est le module de cisaillement du produit cylindrique et O est l'angle d'enroulement, comme décrit par M. Vemura dans J. Ppn. Soc. Aero. Space Sci., X, 496(1976).
Les exemples suivants sont des exemples typiques d'un tel corps.
Exemple 1
Un stratifié a été préparé comme fibres de renfort pour un corps 21 en
PRFAD en mélangeant des fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique (dénomination commerciale "Dyneema SK-60", Toyobo) et des fibres d'alumine dans des fils selon un rapport volumique de 40:60 puis en les enroulant sur un mandrin rotatif sous un angle d'enroulement O de + 75 par le procédé d'enroulement hélicoïdal, comme le montre la figure 5(b), tandis que les fibres étaient imprégnées d'une résine époxy en tant que matrice. On a ainsi obtenu un ensemble de forme cylindrique.
Un stratifié a été préparé comme fibres de renfort pour un corps 21 en
PRFAD en mélangeant des fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique (dénomination commerciale "Dyneema SK-60", Toyobo) et des fibres d'alumine dans des fils selon un rapport volumique de 40:60 puis en les enroulant sur un mandrin rotatif sous un angle d'enroulement O de + 75 par le procédé d'enroulement hélicoïdal, comme le montre la figure 5(b), tandis que les fibres étaient imprégnées d'une résine époxy en tant que matrice. On a ainsi obtenu un ensemble de forme cylindrique.
L'ensemble a été réticulé par chauffage à 100'C pendant 2 h puis à 130'C pendant 3 h pour donner un produit cylindrique en PRFAD, comme le montre la figure 5(a). La fraction volumique des fibres (Vf) de ce produit (et donc du corps 21) était de 65 %. De plus, la contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température compris entre la température ambiante et la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel de ce produit (et donc du corps 21) qui ont été mesurés étaient égaux respectivement à +700 He et 73 GPa.
Le produit en PRFAD a été traité mécaniquement pour former non seulement des rebords 24a et 24b aux deux extrémités mais aussi une rainure en spirale 25 et plusieurs canaux d'écoulement longitudinaux 26 s'étendant chacun en direction axiale sur la périphérie de la partie comprise entre les rebords 24a et 24b.
De plus, les rebords 24a et 24b ont été munis de plusieurs trous 27 communiquant chacun avec les extrémités des canaux d'écoulement longitudinaux 26 correspondants.
On a ainsi obtenu un corps 21 qui avait un diamètre interne de 210 mm, un diamètre externe de 220 mm et une longueur axiale de 400 mm. Puis, un supraconducteur 22 d'un diamètre de fil de 2,5 mm a été enroulé sur le corps 21 sous une tension constante de manière à être maintenu par pénétration partielle dans la rainure en spirale 25, pour former un dispositif à bobine supraconductrice..
Exemple 2
Un dispositif à bobine supraconductrice a été produit de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que le stratifil a été enroulé sous un angle d'enroulement8 de +85'. La contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel du produit en PRFAD formé (et donc du corps 21) qui on été mesurés étaient égaux respectivement à +400fut E et 92GPa.
Un dispositif à bobine supraconductrice a été produit de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que le stratifil a été enroulé sous un angle d'enroulement8 de +85'. La contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel du produit en PRFAD formé (et donc du corps 21) qui on été mesurés étaient égaux respectivement à +400fut E et 92GPa.
Exemple comparatif 1
Un dispositif à bobine supraconductrice a été produit de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que du PRFD a été utilisé comme matière plastique renforcée par des fibres et que le stratifil en fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique utilisé dans l'exemple 1 a été enroulé sous un angle d'enroulement O de +60'. La contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel du produit en
PRFD (et donc du corps 21) qui ont été mesurés étaient égaux respectivement à +2000,ut et 11 GPa.
Un dispositif à bobine supraconductrice a été produit de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que du PRFD a été utilisé comme matière plastique renforcée par des fibres et que le stratifil en fibres de polyéthylène à haute résistance mécanique utilisé dans l'exemple 1 a été enroulé sous un angle d'enroulement O de +60'. La contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel du produit en
PRFD (et donc du corps 21) qui ont été mesurés étaient égaux respectivement à +2000,ut et 11 GPa.
Exemple comparatif 2
Un dispositif à bobine supraconductrice a été produit de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que le stratifil a été enroulé sous un angle d'enroulement8 de +30'. La contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel du produit en PRFAD (et donc du corps 21) qui ont été mesurés étaient respectivement de -5400 et de 11 GPa.
Un dispositif à bobine supraconductrice a été produit de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que le stratifil a été enroulé sous un angle d'enroulement8 de +30'. La contrainte thermique circonférentielle dans le domaine de température qui s'étend de la température ambiante à la température de l'azote liquide et le module élastique circonférentiel du produit en PRFAD (et donc du corps 21) qui ont été mesurés étaient respectivement de -5400 et de 11 GPa.
Expériences
Quatre dispositifs à bobine supraconductrice ainsi obtenus ont été plongés dans l'hélium liquide et la variation du courant d'extinction pour chaque dispositif a été mesurée par un procédé dans lequel les dispositifs sont amenés à fonctionner selon des opérations répétées. Les résultats sont représentés sur la figure 2.
Quatre dispositifs à bobine supraconductrice ainsi obtenus ont été plongés dans l'hélium liquide et la variation du courant d'extinction pour chaque dispositif a été mesurée par un procédé dans lequel les dispositifs sont amenés à fonctionner selon des opérations répétées. Les résultats sont représentés sur la figure 2.
Sur la figure 2, les carrés vides et les carrés pleins désignent respectivement les valeurs mesurées pour les dispositifs de l'exemple 1 (avec un corps en PRFAD et un enroulement à +75t) et de l'exemple 2 (avec un corps en
PRFAD et un enroulement à +85t), et les cercles vides et les cercles pleins désignent les valeurs mesurées pour les dispositifs de l'exemple comparatif 1 (avec un corps en PRFD et un enroulement à +60') et de l'exemple comparatif 2 (avec un corps en PRFAD et un enroulement à +30-), respectivement.
PRFAD et un enroulement à +85t), et les cercles vides et les cercles pleins désignent les valeurs mesurées pour les dispositifs de l'exemple comparatif 1 (avec un corps en PRFD et un enroulement à +60') et de l'exemple comparatif 2 (avec un corps en PRFAD et un enroulement à +30-), respectivement.
Comme le montre la figure 2, le dispositif de l'exemple comparatif 1, qui comporte un corps en PRFr > , ne permettait au courant électrique de circuler que jusqu'à une limite supérieure d'au plus 1800A, même lorsque le nombre d'opérations a été augmenté. Le dispositif de l'exemple comparatif 2 présentait lui aussi des caractéristiques médiocres semblables à celles de l'exemple comparatif 1.
Au contraire, le dispositif de l'exemple 1 à corps en PRFAD a permis, au bout d'environ 30 opérations, la circulation d'un courant électrique jusqu'à une limite supérieure de 2400 A, qui est supérieure d'environ 30 % à celle de l'exemple comparatif 1. Ceci est dû au fait que le module élastique du corps a été amélioré par addition de fibres d'alumine de sorte que la déformation du corps en PRFAD provoquée par la contrainte externe a été réduite à environ la moitié de celle du corps en PRFr > , si bien que le supraconducteur était peu susceptible de se déplacer.
Ainsi, même si des corps en PRFAD sont utilisés pour des applications dans lesquelles des contraintes externes importantes sont exercées sur le corps aux températures cryogéniques, par exemple dans le cas d'un limiteur de courant de fuite supraconducteur, la fonction anti-extinction semblable à celle des corps en
PRFD peut efficacement être mise à profit.
PRFD peut efficacement être mise à profit.
Dans l'exemple 2, le courant électrique a pu circuler jusqu'à une limite supérieure de 2600 A qui est encore plus élevée que celle de l'exemple 1. Ceci semble indiquer qu'une augmentation de la valeur de l'angle d'enroulement O (c'est-à-dire une augmentation de +75 à +85B) conduit à une amélioration de la rigidité du corps et par conséquent à un niveau plus élevé de stabilisation de la bobine.
Bien que ce ne soit pas représenté dans les figures annexées, on a vérifié qu'un corps en PRFAD ayant un angle d'enroulement O d'environ +35' présentait aussi de bonnes caractéristiques semblables à celles des exemples 1 et 2.
Bien que, dans les exemples ci-dessus, le corps soit constitué de
PRFAD dans sa totalité, y compris les rebords, il est possible également, compte tenu de l'usinabilité, que la surface de la partie formant noyau située entre les rebords, qui est munie de la rainure en spirale 25 et des canaux d'écoulement longitudinaux 26, soit formée de PRFA ou de PRFV, et que l'intérieur de cette partie soit formé de PRFAD.
PRFAD dans sa totalité, y compris les rebords, il est possible également, compte tenu de l'usinabilité, que la surface de la partie formant noyau située entre les rebords, qui est munie de la rainure en spirale 25 et des canaux d'écoulement longitudinaux 26, soit formée de PRFA ou de PRFV, et que l'intérieur de cette partie soit formé de PRFAD.
Comme décrit ci-dessus, le corps selon la présente invention présente seulement un faible degré de déformation, même lorsqu'il est utilisé sous une contrainte externe à des températures cryogéniques, ce qui lui permet de maintenir constamment une bobine supraconductrice et contribue à empêcher l'apparition d'une extinction. De ce fait, le corps selon la présente invention peut être utilisé pour différentes applications, notamment pour les limiteurs de courant de fuite supraconducteurs.
Claims (22)
1. Corps pour bobine supraconductrice caractérisé en ce qu'il est constitué par une matière plastique renforcée par des fibres comprenant une résine de matrice, des fibres de polyéthylène ayant un coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction longitudinale des fibres, l'angle entre les fibres de polyéthylène et l'axe longitudinal du corps étant situé dans le domaine de j(35' à 90t), et une substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène.
2. Corps selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle entre les fibres de polyéthylène et l'axe longitudinal du corps est compris dans le domaine de j(43' à 90').
3. Corps selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'angle entre les fibres de polyéthylène et l'axe longitudinal du corps est compris dans le domaine de 80'à 90d).
4. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres de polyéthylène ont une masse moléculaire moyenne en poids d'au moins 100 000.
5. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres de polyéthylène ont une résistance mécanique d'au moins 1,32 GPa et un module élastique d'au moins 23,9 GPa.
6. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène est sous forme de fibres d'alumine ayant une résistance mécanique d'au moins 1 200 MPa et un module élastique d'au moins 120 GPa.
7. Corps selon la revendication 6 caractérisé en ce que les fibres d'alumine sont constituées par une alumine à structure cristalline de type y et ont une résistance mécanique d'au moins 1500 MPa et un module élastique d'au moins 200 GPa.
8. Corps selon la revendication 6 caractérisé en ce que les fibres d'alumine sont constituées par une alumine à structure cristalline de type a et ont une résistance mécanique d'au moins 1 500 MPa et un module élastique d'au moins 300 GPa.
9. Corps selon la revendication 6 caractérisé en ce que les fibres d'alumine sont constituées par une alumine à structure cristalline de type ô et ont une résistance mécanique d'au moins 1 300 MPa et un module élastique de 150 GPa.
10. Corps selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que les fibres de polyéthylène et les fibres d'alumine sont sous forme d'un stratifil enroulé autour de l'axe longitudinal du corps et imprégné de la résine de matrice.
11. Corps selon la revendication 10 caractérisé en ce que le rapport de mélange des fibres d'alumine aux fibres de polyéthylène dans le stratifil est compris dans le domaine de 5:95 à 75:25.
12. Corps selon la revendication 11 caractérisé en ce que le rapport de mélange des fibres d'alumine aux fibres de polyéthylène dans le stratifil est compris dans le domaine de 10:90 à 65:35.
13. Corps selon la revendication 1 caractérisé en ce que la substance ayant un module élastique supérieur à celui des fibres de polyéthylène est sous forme de courtes fibres d'alumine ou de particules d'alumine.
14. Corps selon la revendication 13 caractérisé en ce que les fibres de polyéthylène sont mises sous forme d'une feuille de fibres unidirectionnelles ou d'une feuille de tissu imprégnée de la résine de matrice contenant les courtes fibres d'alumine ou les particules d'alumine et enroulée en forme de cylindre autour de l'axe longitudinal du corps.
15. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la résine de matrice est choisie dans le groupe consistant en les résines époxy, les résines d'uréthane, les résines de polyesters insaturés, les résines d'esters vinyliques et les résines uréthane-acrylate.
16. Corps selon la revendication 15 caractérisé en ce que la résine de matrice est une résine époxy.
17. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la fraction volumique des fibres du corps est comprise dans le domaine de 25 % à 85 %.
18. Corps selon la revendication 17 caractérisé en ce que la fraction volumique des fibres du corps est comprise dans le domaine de 35 % à 75 %.
19. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il a un module élastique circonférentiel d'au moins 20 GPa.
20. Corps selon la revendication 19 caractérisé en ce qu'il a un module élastique circonférentiel d'au moins 30 GPa.
21. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une rainure en spirale (25) destinée à maintenir un supraconducteur (22) qui doit être enroulé sur le corps (21) est formée sur la périphérie du corps.
22. Corps selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins un canal d'écoulement longitudinal (26) pour guider un liquide cryogénique destiné à refroidir un supraconducteur (22) qui doit être enroulé sur le corps (21) est formé sur la périphérie du corps.
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1996
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