ITMI20131185A1 - Cavo elettrico superconduttore e metodo di realizzazione dello stesso - Google Patents

Description

La presente invenzione ha per oggetto un cavo elettrico ed un metodo per la sua realizzazione. In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un cavo elettrico superconduttore.

La presente invenzione trova applicazione nella realizzazione di generatori di campi magnetici di alta intensità per, ad esempio, reattori per la fusione nucleare, acceleratori di particelle o linee ferroviarie a levitazione magnetica.

La presente invenzione può trovare applicazione anche nella trasmissione di energia elettrica ad alta potenza.

Sono noti cavi elettrici realizzati in materiali superconduttori in cui tali materiali sono realizzati in fili o nastri associati a supporti di varie forme e rivestiti per proteggere l’integrità dei materiali stessi.

I materiali superconduttori sono materiali che presentano una resistività molto bassa o nulla al di sotto di una determinata temperatura, detta temperatura critica TC. Ciò consente un passaggio di corrente elettrica praticamente ideale e senza dispersioni di energia, ad esempio sotto forma di calore.

Tra i più noti materiali superconduttori utilizzati ci sono la lega Niobio-Titanio (Nb-Ti) e il composto intermetallico Niobio-Stagno (Nb3Sn). Questi materiali sono detti Low Temperature Superconductor (LTS). Essi, tipicamente hanno temperature critiche molto basse, rispettivamente TC= 9 K e TC= 18K.

Questi materiali sono disponibili in fili che vengono intrecciati in maniera nota per creare il cavo.

I cavi fatti in questo modo operano ad una temperatura bassissima, pari a 4,2 K, e devono essere necessariamente raffreddati attraverso l’uso di elio liquido.

Una delle tecniche più utilizzate per il raffreddamento del cavo è detta Cable In Conduit Conductor (CICC) risalente agli anni ’70 e consistente nell’intrecciare i fili all’interno di un condotto metallico in cui è fatto scorrere l’elio liquido.

Negli ultimi anni sono stati messi a punto materiali superconduttori ad alta temperatura critica, i cosiddetti High Temperature Superconductor (HTS).

Tra questi materiali, buone caratteristiche presentano quelli basati su composti del tipo ReBa2Cu3O7-δ, ovvero composti a base di ossigeno (in quantità variabile), rame, bario e dove per “Re” si può intendere l’ittrio o una qualunque delle terre rare (rare earth element).

Questi materiali sono contraddistinti da temperature critiche più elevate, come ad esempio TC= 90-94 K.

Spesso, questi ultimi materiali sono disponibili in nastri, essendo complicato ottenerli in forma di fili.

In particolare, i nastri utilizzati sono detti coated conductors perché sono nastri con un’anima di acciaio o leghe a base di nichel rivestita con una sottile pellicola di superconduttore ed uno strato esterno di rame.

Anche nel caso dei nastri, i cavi vengono realizzati mediante la tecnica CICC, ovvero prevedendo un condotto di scorrimento del liquido refrigerante.

A tale proposito, su un supporto metallico cavo per far fluire il refrigerante sono previste sedi in cui i nastri, disposi in pile, vengono alloggiati.

Una guaina metallica viene avvolta per chiudere le sedi.

Svantaggiosamente, per raffreddare sufficientemente il superconduttore è necessario utilizzare una notevole quantità di energia per garantire le corrette temperature di funzionamento e garantire l’operatività del cavo.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è proporre un cavo elettrico ed un metodo per la sua realizzazione che superino l’inconveniente della tecnica nota sopra citato.

In particolare, è scopo della presente invenzione mettere a disposizione un cavo elettrico ed un metodo per la sua realizzazione che permettano un raffreddamento maggiormente efficace dell’elemento superconduttore.

Il compito tecnico precisato e lo scopo specificato sono sostanzialmente raggiunti da un cavo elettrico ed un metodo per la sua realizzazione comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un cavo elettrico ed un metodo per la sua realizzazione, come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1 è una vista prospettica parzialmente in sezione di un cavo elettrico superconduttore in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 è una vista piana in sezione del cavo di figura 1;

- la figura 3 è un particolare della vista in sezione di figura 2 in una prima forma realizzativa; e

- la figura 4 è un particolare della vista in sezione di figura 2 in una seconda forma realizzativa.

Con riferimento alle allegate figure, con 1 è stato complessivamente indicato un cavo elettrico, in particolare superconduttore, in accordo con la presente invenzione.

Il cavo 1 comprende un corpo di supporto 2 ed una pluralità di nastri 3 conduttori associati al corpo di supporto 2.

Il corpo di supporto 2 presenta forma allungata ed è realizzato in materiale flessibile in modo da poter essere avvolto in bobine.

In particolare, il corpo di supporto 2 è realizzato in un materiale metallico.

Il corpo di supporto 2 presenta, al proprio interno, una cavità 4 che si sviluppa concordemente al corpo di supporto 2 stesso e che definisce un condotto di scorrimento 5 per un liquido refrigerante.

Una pluralità di guide 6 sono fissate al corpo di supporto 2 per definire rispettive sedi 7 per l’accoglimento dei nastri 3.

Le guide 6 comprendono una pluralità di pareti 8 che si sviluppano in allontanamento del corpo di supporto 2. Ciascuna coppia di pareti 8 adiacenti definisce una sede 7.

Le sedi 7 si sviluppano concordemente allo sviluppo del corpo di supporto 2 e dell’intero cavo 1.

Le sedi 7, e corrispondentemente le pareti 8, hanno uno sviluppo sostanzialmente rettilineo, immaginando di considerare un tratto di cavo 1 rettilineo.

In alternativa, le sedi 7, e corrispondentemente le pareti 8, hanno uno sviluppo sostanzialmente elicoidale. Ciò trova particolare applicazione nella conduzione di corrente alternata.

Ciascuna sede 7 presenta una faccia di base 9 su cui i nastri 3 sono in appoggio e due facce laterali 10 che si sviluppano a partire dalla faccia di base 9.

La faccia di base 9 presenta una sezione trasversale orientata ortogonalmente ad una direzione radiale.

Le facce laterali 10 sono le due facce opposte delle pareti 8.

Preferibilmente, quando le guide 6 hanno sviluppo rettilineo, le facce laterali 10 di ciascuna sede 7 sono tra loro sostanzialmente parallele.

Preferibilmente, quando le guide 6 hanno sviluppo elicoidale, le facce laterali 10 di ciascuna sede 7 sono tra loro affacciate e a distanza costante ed uniforme.

In altre parole, le sedi 7 hanno forma in sezione sostanzialmente quadrata o rettangolare.

I nastri 3 sono sovrapposti l’uno sull’altro in pile. Le pile vengono poi disposte nelle sedi 7. Tutti i nastri 3 presentano una medesima larghezza. Inoltre, tutte le pile presentano il medesimo numero di nastri 3.

I nastri 3 sono del tipo coated conductor. In altre parole, ciascun nastro 3 comprende un’anima metallica coma acciaio o leghe a base di nichel. Le anime sono rivestite di una sottile pellicola di superconduttore. Infine, i nastri 3 presentano un rivestimento esterno in rame a ricoprire il tutto. Preferibilmente, il materiale superconduttore utilizzato è del tipo High Temperature Superconductor. Ancor più preferibilmente, il materiale utilizzato è del tipo ReBCO.

In accordo con la presente invenzione, il cavo 1 presenta almeno un canale di scorrimento 11 in ciascuna sede 7 per far fluire fluido refrigerante anche all’interno delle sedi 7 stesse.

Con maggiore dettaglio, almeno una scanalatura 12 è ricavata all’interno di ciascuna sede 7 in modo che vi scorra il fluido refrigerante a contatto diretto con i nastri 3.

In particolare, in ciascuna sede 7 sono ricavate due scanalature 12 preferibilmente sulla faccia di base 9 e tra loro affiancate ed a distanza uniforme.

Alternativamente, le scanalature 12 posso essere ricavate anche sulle facce laterali 10.

Ciascuna scanalatura 12 segue lo sviluppo della faccia di base 9 e, dunque, segue lo sviluppo delle sedi 7 stesse.

Ciascuna scanalatura 12 ha una sezione trasversale alla direzione di sviluppo della sede 7 di forma sostanzialmente semicircolare. Vantaggiosamente, questa forma delle scanalature 12 garantisce un transito efficace del fluido refrigerante.

Inoltre, gli spigoli 12a delle scanalature 12 in corrispondenza delle facce di base 9 delle sedi 7 sono arrotondati. Vantaggiosamente, questa forma degli spigoli 12a delle scanalature 12 impedisce che i nastri 7, premuti come si vedrà nelle sedi 7, vengano danneggiati proprio dagli spigoli 12a delle scanalature 12.

Preferibilmente in associazione a quanto sopra, la larghezza dei nastri 3 è inferiore alla larghezza delle sedi 7. La larghezza delle sedi 7 è calcolata come la distanza tra le facce laterali delle sedi 7 stesse.

In tal modo, vengono a determinarsi intercapedini 13 tra i nastri 3 impilati e ciascuna faccia laterale 10 di ogni sede 7. Il fluido refrigerante che scorre nei canali di scorrimento 11 trafila anche nelle intercapedini 13, raggiungendo direttamente tutti i nastri 3 ed aumentando notevolmente il raffreddamento degli stessi.

Il cavo 1 comprende inoltre un rivestimento 14 posto attorno alle guide 6 per chiudere le sedi 7. Vantaggiosamente, una fascia 15 è avvolta direttamente sopra le guide 6 e risulta interposta tra le guide 6 e il rivestimento 14.

Preferibilmente, il rivestimento 14 è metallico ed è trafilato coassialmente al corpo di supporto 2, come si vedrà meglio nel seguito. Ad esempio, il rivestimento è di acciaio o alluminio.

Preferibilmente, anche la fascia 15 è metallica. In accordo con un ulteriore aspetto dell’invenzione, il cavo 1 comprende inoltre mezzi di compressione attivi sui nastri 7 per comprimerli all’interno delle rispettive sedi 7.

In particolare, i mezzi di compressione comprendono una pluralità di distanziatori 16, ciascuno posto in una rispettiva sede 7 i nastri 3. I distanziatori 16 compattano le pile di nastri 3 in ciascuna sede 7. Con maggiore precisione, i distanziatori 16 compattano le pile di nastri 3 in ciascuna sede 7 in cooperazione con il rivestimento 14.

Infatti, i distanziatori 16 sono posti al di sotto del rivestimento 14, oltre che della fascia 15, e sono premuti proprio dal rivestimento 14. A tale proposito, i distanziatori 16 vengono applicati in modo da sporgere leggermente dalle sedi 7 in modo da essere spinti all’interno delle sedi 7 proprio durante l’applicazione del rivestimento 16.

Vantaggiosamente, l’uso dei distanziatori 16 che premono contro i nastri 3 consente di schiacciare i nastri 3 nelle sedi 7 impedendo loro di muoversi. Questo impedisce che, durante l’uso, la presenta di forti campi magnetici generi forze indotte sui nastri 7 stessi e che essi si muovano generando attrito. L’eliminazione di tale attrito indotto dai campi magnetici consente di impedire surriscaldamenti locali che possono interrompere la funzionalità dei materiali superconduttori utilizzati nei nastri 7 e di impedire usure locali che possono compromettere meccanicamente i nastri 7.

Ciascun distanziatore 16 può essere un unico corpo nastriforme 17 (figura 3), preferibilmente metallico, avente una larghezza sostanzialmente pari alla larghezza delle sedi 7.

Alternativamente, ciascun distanziatore 16 può comprendere una pluralità di fili metallici 18 (figura 4) aventi sezione sostanzialmente circolare ed accostati l’un l’altro nelle sedi 7 sopra i nastri 3.

L’invenzione realizza inoltre un metodo di realizzazione del cavo 1 sopra descritto.

Il metodo ha origine con la predisposizione del corpo di supporto 2.

Esso viene realizzato mediante estrusione a caldo preferibilmente di materiale metallico.

In particolare, il processo produttivo del corpo di supporto 2 prevede una fase di raffreddamento a valle dell’estrusione per garantirne le caratteristiche dimensionali.

Insieme al corpo di supporto 2 vengono estruse, nel medesimo procedimento, anche le pareti 8 che definiscono le sedi 7 delle guide 6.

Nel caso in cui le guide 6 abbiano uno sviluppo elicoidale, successivamente all’estrusione, il corpo di supporto 2 e le guide 6 vengono sottoposte a torsione con passo constante.

A questo punto, i nastri 3 vengono disposti nelle sedi 7. A tale scopo, i nastri 3 vengono svolti a tensione costante da apposite bobine e vengono sovrapposti l’un l’altro a formare le pile sopra dette.

Le pile di nastri 3 vengono poi inserite nelle sedi 7, preferibilmente contemporaneamente alla fase di impilamento.

L’inserimento avviene mediante teste di inserimento (non illustrate) che spingono le pile nelle sedi 7. Nel caso in cui lo sviluppo delle sedi 7 sia elicoidali, le teste di inserimento sono poste in rotazione mediante una gabbia rotante sincronizzata con il passo delle guide 6 in modo da seguire l’andamento delle sedi 7 stesse.

Successivamente, la fascia 15 metallica viene avvolta attorno alle guide 6.

Infine, viene applicato il rivestimento 14 mediante un processo di trafilatura. In tal modo, le sedi 7 vengono chiuse ermeticamente. In dettaglio, l’applicazione del rivestimento 14 avviene avvolgendo le guide 6 con un tubo metallico che viene poi trafilato per fargli raggiungere il corretto diametro ed aderendo perfettamente alle guide 6.

Il tubo viene avvolto predisponendo un foglio metallico ed avvolgendolo alle guide 6. Il foglio viene saldato longitudinalmente per realizzare il tubo tramite processo TIG o laser.

In accordo con l’aspetto principale dell’invenzione, il metodo comprende la fase di predisporre il canale di scorrimento 11 (o i canali) per il fluido refrigerante in ciascuna sede Tale fase è realizzata predisponendo almeno una delle scanalature 12 nella sede 7. Nel dettaglio, le scanalature 12 sono realizzate direttamente durante la fase di estrusione del corpo di supporto 2 e delle guide 6.

Evidentemente, essendo le scanalature 12 realizzate durante l’estrusione del corpo di supporto 2 e delle guide 6, esse sono realizzate lungo lo sviluppo delle guide 6 e delle sedi 7 stesse.

In accordo con l’aspetto secondario dell’invenzione, il metodo comprende inoltre la fase di inserire la pluralità di distanziatori 16 nelle sedi 7.

Sia nel caso in cui i distanziatori 16 siano dei corpi nastriformi 17, sia nel caso in cui siano gruppi di fili accostati, l’introduzione dei distanziatori 16 è realizzata in modo del tutto analogo all’inserimento dei nastri 3.

Tale fase è realizzata prima della fase in cui le guide 6 vengono avvolte dalla fascia 15 e prima dell’applicazione del rivestimento 14.

In tal modo, queste ultime fasi, concorrono a realizzare la necessaria compressione dei nastri 3 nelle sedi 7.

L’invenzione raggiunge lo scopo proposto.

Infatti, la presenza di canali di scorrimento del fluido refrigerante nelle sedi consente, come detto, un raffreddamento diretto e più efficace dei nastri di superconduttore con una riduzione dell’energia necessaria per mantenere il materiale superconduttore sotto la temperatura critica.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cavo elettrico comprendente: - un corpo di supporto (2) di forma allungata avente una cavità (4) al proprio interno definente un condotto di scorrimento (5) per un fluido refrigerante; - una pluralità di nastri (3) realizzati almeno in parte in materiale superconduttore associati a detto corpo di supporto (2); - una pluralità di guide (6) fissate a detto corpo di supporto (2) definenti rispettive sedi (7) di accoglimento dei nastri (3); caratterizzato dal fatto di presentare un canale di scorrimento (11) per il fluido refrigerante in ciascuna sede (7).
2. 2. Cavo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna sede (7) presenta almeno una scanalatura (12) sviluppantesi concordemente allo sviluppo della sede (7) e definente detto canale di scorrimento (11).
3. 3. Cavo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ciascuna sede (7) presenta due scanalature (12) affiancate tra loro e sviluppantesi concordemente allo sviluppo della sede (7) e definenti rispettivi canali di scorrimento (11).
4. 4. Cavo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che ciascuna sede (7) presenta una faccia di base (9) su cui i nastri (3) giacciono in appoggio e due facce laterali (10) connesse alla faccia di base (9); ciascuna scanalatura (12) essendo ricavata su detta faccia di base (9).
5. 5. Cavo secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che ciascuna scanalatura (12) presenta una sezione trasversale di forma sostanzialmente semicircolare.
6. 6. Cavo secondo una qualunque delle rivendicazioni dalla 3 alla 5, caratterizzato dal fatto che ciascuna scanalatura (12) presenta spigoli (12a) laterali arrotondati in prossimità della faccia di base (9).
7. 7. Cavo secondo una qualunque delle rivendicazioni dalla 4 alla 6, caratterizzato dal fatto che detti nastri (3) presentano una larghezza inferiore alla larghezza delle sedi (7) in modo da definire un’intercapedine (13) tra detti nastri e dette facce laterali (10) delle sedi (7).
8. 8. Cavo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un pluralità di distanziatori (16), ciascuno inserito in una rispettiva sede (7) sopra detti nastri (3) per compattare detti nastri (3) nelle dette sedi (7).
9. 9. Cavo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un rivestimento (14) posto attorno a dette guide (6) e che chiude dette sedi (7); detti distanziatori (16) essendo posti tra detti nastri (3) e detto rivestimento (14).
10. 10. Cavo secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che ciascun distanziatore (16) comprende un corpo nastriforme (17) avente larghezza sostanzialmente pari alla larghezza delle sedi (7).
11. 11. Cavo secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che ciascun distanziatore (16) comprende una pluralità di fili (18) disposti affiancati tra loro in ciascuna sede (7) in appoggio sui nastri (3).
12. 12. Metodo di realizzazione di un cavo elettrico in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente le fasi di: - predisporre un corpo di supporto (2) di forma allungata avente una cavità (4) al proprio interno definente un condotto di scorrimento (5); - predisporre una pluralità di guide (6) fissate a detto corpo di supporto (2) definenti rispettive sedi (7); - disporre una pluralità di nastri (3) realizzati almeno in parte in materiale superconduttore in dette sedi (7); caratterizzato dal fatto di comprende inoltre la fase di predisporre almeno un canale di scorrimento (11) per il fluido refrigerante in ciascuna sede (7).
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la fase di predisporre almeno un canale di scorrimento (11) comprende la fase di realizzare almeno una scanalatura (12) all’interno di ciascuna sede (7).