CABLE SUPERCONDUCTOR Y PROCEDIMIENTO PARA SU PRODUCCIÓN.

Cable hueco superconductor (1), que presenta las siguientes características:

un tubo exterior (2) con una sección transversal de forma circular y pared interior cilíndrica (3), un canal de refrigeración central (4) con una sección transversal poligonal o de forma circular, que es menor que la sección transversal interior del tubo exterior (2); 5 alambres superconductores (5) perfilados, que están dispuestos entre la pared interior (3) y el canal de refrigeración (4) y que presentan al menos un filamento superconductor (6) y que poseen un perfil de la sección transversal de una dovela o bien Keystone, como se conoce para puentes de piedra romanos o para bóvedas de crucería; en el que el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) perfilados presenta una sección de curvatura exterior (7), que está adaptada a la sección transversal interior poligonal o de forma circular del tubo exterior (2) y el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) presenta cantos laterales (9, 10), que están alineados sobre el punto medio (11) del canal de refrigeración (4); caracterizado porque los alambres superconductores (5) perfilados están dispuestos sobre la pared interior (3) del tubo exterior (2); el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) perfilados presenta una sección de curvatura interior (8), que está adaptada a la sección transversal de forma circular del canal de refrigeración (4); los alambres superconductores (5) perfilados forman con sus secciones de curvatura interior (8) el canal de refrigeración cilíndrico (4) del cable hueco superconductor (1), de manera que están dispuestos con sus cantos laterales (9, 10) alineados radialmente tan estrechamente apoyados entre sí y con sus secciones de curvatura exterior (7) tan herméticamente sobre la pared interior del tubo exterior (2) que se pueden mantener en posición en unión positiva y en unión por aplicación de fuerza y mantienen el canal de refrigeración (4) a todas las temperaturas de funcionamiento del cable hueco superconductor (1)

[0001] La invención se refiere a un cable hueco superconductor con un tubo exterior, que presenta una sección transversal interior de forma circular y, por lo tanto una pared interior cilíndrica. Además, el cable hueco superconductor tiene un canal de refrigeración central con sección transversal de forma circular, que es menor que la sección transversal interior del tubo exterior. Entre la pared interior del tubo exterior y el canal de refrigeración están dispuestos alambres superconductores perfilados. Tales alambres superconductores perfilados presentan al menos un superconductor (filamento superconductor) y tienen un perfil de la sección transversal de una dovela o bien Keystone, como se conoce para puentes de piedra romanos o para bóveda de crucería.

Se conocen claves superconductores perfilados con un perfil de la sección transversal de una dovela a partir de la publicación US 6.675.623 B2. Además, el documento US 2003/0024 730 es el estado de la técnica. Los cables superconductores en forma de dovela conocidos están constituidos por alambres superconductores, retorcidos entre sí, con sección transversal redonda y han obtenido una forma trapezoidal después de la torsión con la ayuda de cilindros perfiladores.

La estructura de un cable hueco superconductor del tipo Nuklotron con alambres superconductores redondos (variante estándar, figura 16) o alambres superconductores perfilados (cable Nuklotron mejorado, figura 17) se conoce a partir de la publicación “Design and test of new hollow high current NbTi cable for fast ramped synchrotron magnets” Proc. EUCAS 2003, Sorrento, Septiembre de 2003, H. Khodzhibagiyan y col. En el cable hueco conocido se forma en primer lugar un canal de refrigeración, preparando un tubo interior metálico compacto de CuNi. Sobre su envolvente exterior están colocados o bien arrollados alambres superconductores perfilados en dirección longitudinal con una sección transversal en forma de dovela. Para fijar los alambres superconductores sobre el tubo interior compacto, están arrollados unos alambres de NiCr en el exterior alrededor de los alambres superconductores radialmente o bien en forma helicoidal. Una cinta de Kapton, que está arrollada sobre los alambres de NiCr, forma una envolvente exterior de protección. Una cinta de fibras de vidrio arrollada sobre la envolvente exterior se ocupa del aislamiento eléctrico del cable hueco superconductor.

Un cable hueco superconductor constituido de esta manera tiene, entre otras, la ventaja de poder compensar cargas dinámicas altas, como aparecen a través de las fuerzas de Lorentz en imanes de impulsos rápidos y campos magnéticos altos. Las fuentes de calor provocadas por estos campos alternos a través de corrientes parásitas, ciclos de histéresis, campos de tensión mecánica y otras influencias exteriores (por ejemplo haces de iones) pueden se refrigeradas de manera muy efectiva en el funcionamiento continuo a través del canal de refrigeración interno debido al tubo interior compacto. La sección transversal relativamente grande del tubo interior compacto con superficie lisa posibilita un caudal alto de refrigerante con una resistencia de fricción reducida y, por lo tanto, con caídas reducidas de la presión en la corriente de helio de dos fases. Además, todos los alambras superconductores están dispuestos absolutamente simétricos y, por lo tanto, en condiciones de funcionamiento idénticas, con lo que se impide en la mayor medida posible una degradación de la corriente crítica del cable con carga electromagnética creciente.

Esta disposición de los alambres superconductores conduce, además, a una inductividad reducida del cable y, por lo tanto (entre otras cosas) también a una reducción de la energía acumulada.

Otro tipo de cable se prefiere, en general, cuando el sistema de bobinas a crear no debe activarse en régimen de impulsos extremadamente rápidos, pero para ello debe acumularse una energía de alta inductividad, que debe cederse en impulsos térmicos altos y estocásticos de corta duración. En este caso, una potencia de refrigeración continua alta es secundaria, mientras que se pretende principalmente la transmisión de calor lo más rápida posible en el intervalo de milisegundos a la capacidad térmica del helio que refrigera los alambres superconductores. Para este cometido han sido desarrollados los cables huecos conocidos del tipo CICC, como se muestra en la figura 14.

No obstante, puesto que en la aplicación práctica estos cables deben dominar cada vez más también cargas mecánicas y térmicas más elevadas, su desarrollo ha conducido a un cable de alta corriente del tipo CICC que dispone, a través de elementos de construcción adicionales y una refrigeración complicada, de dos circuitos de refrigeración en principio diferentes con helio supercrítico en el circuito de refrigeración exterior y con helio de dos fases en el canal de refrigeración central.

Esta estructura complicada no sólo tiene inconvenientes tecnológicos y, por lo tanto, relevantes de costes, sino condicionada automáticamente una densidad de corriente media reducida. Un cable de este tipo de acuerdo con el estado actual de la técnica se representa en la figura 15 y se conoce como cable POLO (ver, por ejemplo, “CHATS”, FzK, Karlsruhe, Septiembre de 2002, L. Bottura y col.), Representa el prototipo para la invención explicada a continuación.

El cometido de la invención es superar los inconvenientes del estado de la técnica e indicar un cable hueco superconductor, que posibilita una refrigeración intensiva de los componentes superconductores y, además, proporciona una alta densidad de corriente para un cable hueco del tipo CICC con una estructura compacta y mecánicamente estable del cable hueco. Deben indicarse soluciones para superar en la mayor medida posible los inconvenientes del cable CICC frente al cable del tipo Nuklotron y para hacer posibles las ventajas de los dos tipos de cables huecos en un cable hueco superconductor nuevo.

Este cometido se soluciona con el objeto de las reivindicaciones independientes. Los desarrollos ventajosos se deducen a partir de las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la invención, se crea un cable hueco, que presenta un tubo exterior con una sección transversal interior de forma circular y pared interior cilíndrica. En el centro del cable hueco superconductor está dispuesto un canal de refrigeración central con sección transversal poligonal o cilíndrica, que es menor que la sección transversal interior del tubo exterior. Entre la pared interior y el canal de refrigeración están dispuestos alambres superconductores perfilados. Estos alambres superconductores perfilados presentan al menos un filamento superconductor (habitualmente en una matriz de Cu). Además, los alambres superconductores tienen un perfil de la sección transversal de una dovela o bien Keystone.

El perfil de la sección transversal de los alambres superconductores perfilados presenta una sección de curvatura exterior, que está adaptada a la sección transversal interior de forma circular de tubo exterior. Además, la sección transversal de los alambres superconductores perfilados presenta una sección de curvatura interior, que está adaptada de nuevo a la sección transversal de forma circular del canal de refrigeración. Por último, el perfil de la sección transversal posee cantos laterales, que están alineados perfilados sobre el punto medio del canal de refrigeración. En este caso, los alambres superconductores perfilados están dispuestos sobre la pared interior del tubo exterior y forman con sus secciones interiores el canal de refrigeración del cable hueco superconductor.

En resumen, hay que establecer que el cable superconductor presenta tres elementos principales, que presentan las siguientes ventajas. Por una parte, los filamentos superconductores están reducidos al mínimo, con lo que se reducen el efecto de Meissner y las pérdidas de corriente alterna. En segundo lugar, se incrusta una cantidad lo más grande posible de filamentos en una matriz metálica, que estabiliza mecánicamente los filamentos y garantiza una alta conducción de calor. En tercer lugar, en el cable superconductor se combinan y se estabilizan mecánicamente una pluralidad de alambres superconductores y se establece el contacto con el refrigerante. Los alambres superconductores de acuerdo con la invención, aislados eléctricamente unos de los otros, forman con la barrera de la resistencia el material bruto para la producción de elementos de bobinas concretos. Puesto que los alambres no están... [Seguir leyendo]

1. Cable hueco superconductor (1), que presenta las siguientes características:

un tubo exterior (2) con una sección transversal de forma circular y pared interior cilíndrica (3),

un canal de refrigeración central (4) con una sección transversal poligonal o de forma circular, que es menor que la sección transversal interior del tubo exterior (2); alambres superconductores (5) perfilados, que están dispuestos entre la pared interior (3) y el canal de refrigeración (4) y que presentan al menos un filamento superconductor (6) y que poseen un perfil de la sección transversal de una dovela o bien Keystone, como se conoce para puentes de piedra romanos o para bóvedas de crucería;

en el que el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) perfilados presenta una sección de curvatura exterior (7), que está adaptada a la sección transversal interior poligonal o de forma circular del tubo exterior (2) y el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) presenta cantos laterales (9, 10), que están alineados sobre el punto medio (11) del canal de refrigeración (4);

caracterizado porque los alambres superconductores (5) perfilados están dispuestos sobre la 15 pared interior (3) del tubo exterior (2);

el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) perfilados presenta una sección de curvatura interior (8), que está adaptada a la sección transversal de forma circular del canal de refrigeración (4);

los alambres superconductores (5) perfilados forman con sus secciones de curvatura interior (8) el canal de refrigeración cilíndrico (4) del cable hueco superconductor (1), de manera que están dispuestos con sus cantos laterales (9, 10) alineados radialmente tan estrechamente apoyados entre sí y con sus secciones de curvatura exterior (7) tan herméticamente sobre la pared interior del tubo exterior (2) que se pueden mantener en posición en unión positiva y en unión por aplicación de fuerza y mantienen el canal de refrigeración (4) a todas las temperaturas de funcionamiento del cable hueco superconductor (1).

2. Cable hueco superconductor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la suma de las anchuras de los intersticios (s) de las formaciones de intersticios radiales posibles entre los alambres superconductores (5) perfilados a todas las temperaturas de funcionamiento del cable hueco superconductor (1) es menor que la diferencia de las longitudes (l) entre la sección de curvatura exterior (7) y la sección de curvatura interior (8) de un alambre superconductor perfilado interior.

3. Cable hueco superconductor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los alambres superconductores (5) perfilados presentan cantos laterales (12, 13) perfilados que engranan entre sí.

4. Cable hueco superconductor de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los alambres superconductores (5) perfilados presentan recubrimientos superficiales especiales o envolturas parciales de alta resistencia, para reducir los efectos de la corriente parásita y las pérdidas térmicas.

5. Cable hueco superconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los alambres superconductores (5) perfilados están retorcidos alrededor del canal de refrigeración central.

40 6. Cable hueco superconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los alambres superconductores (5) retorcidos presentan superconductores cerámicos o superconductores de alta temperatura.

7. Cable hueco superconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado porque el tubo exterior (2) presenta un contorno exterior (17) de forma circular, cuadrado o 45 trapezoidal.

8. Cable hueco superconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tubo exterior (2) presenta canales de refrigeración (18) en su dirección longitudinal.

9. Cable hueco superconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

50 caracterizado porque el coeficiente de dilatación térmica del material de un tubo exterior compacto (2) es mayor que el coeficiente de dilatación térmica de los superconductores (5) perfilados.

10. Procedimiento para la fabricación de un cable hueco superconductor (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que presenta las siguientes etapas del procedimiento:

fabricación de alambres superconductores (5) perfilados con un perfil de la sección transversal de una dovela o bien Keystone, como se conoce para puentes de piedra romanos o para bóvedas de crucería, en el que el perfil de la sección transversal de los alambres superconductores (5) perfilados presenta una sección de curvatura exterior (7) y una sección interior (8), que está adaptada a una sección transversal poligonal o de forma circular de un canal de refrigeración central (4) y en el que el perfil de la sección transversal presenta cantos laterales (9, 10), que están alineados sobre el punto medio (11) de un canal de refrigeración (4) que se forma a través de las secciones interiores (8).

reunión de los alambres superconductores (5) perfilados para formar un haz redondo circular (28) extendido alargado, de manera que los cantos laterales (9, 10) de los alambres superconductores (5) perfilados adyacentes están contiguos entre sí y forman con sus secciones interiores (8) un canal de refrigeración central (4); y opcionalmente

inserción del haz (28) redondo circular con el canal de refrigeración central (4) en un tubo exterior (2) o

reunión de dos semi-cáscaras de un tubo exterior (2) compacto con una sección transversal interior de forma circular y pared interior cilíndrica (3) con haz (28) dispuesto en el interior para formar un tubo exterior compacto del cable hueco superconductor.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque se realiza un arrollamiento de forma helicoidal del haz (28) con al menos un alambre tensor y se lleva a cabo una cobertura del alambre tensor arrollado con una capa exterior de aislamiento eléctrico y de cierre hermético del cable hueco superconductor antes de la reunión de las semi-cáscaras que forman el tubo exterior.

12. Procedimiento para la fabricación de alambres superconductores perfilados para un cable hueco superconductor de acuerdo con la reivindicación 10 y 11, que presenta la siguiente etapa de procedimiento:

perfilado de la forma redonda estándar de los alambres superconductores (5).

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el perfilado del alambre se realiza por medio de cilindros perfiladores.

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el perfilado del alambre se realiza a través de una piedra perfiladora.

15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el perfilado del alambre se realiza por medio de forzado de transformación.

16. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque se lleva a cabo una envoltura parcial adicional de los alambres superconductores perfilados por medio de recubrimiento metálico.