ES2272797T3 - Procedimiento de fabricacion de una funda electricamente aislante y mecanicamente estructurante sobre un conductor electrico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de una funda eléctricamente aislante y mecánicamente estructurante sobre un conductor (2) eléctrico, en particular un conductor de metal no superconductor o un conductor de precursor de superconductor, comprendiendo este procedimiento las etapas de: - formar un precursor (4) de cerámica en forma gelificada, - formar un revestimiento (3) del conductor con este precursor de cerámica en forma gelificada y por tanto sin sedimentación, y - tratar térmicamente este revestimiento (3), siendo este tratamiento térmico apto para formar la cerámica a partir del precursor de cerámica en forma gelificada, caracterizado porque el precursor de cerámica es un líquido constituido por una disolución que comprende agua, un componente mineral, seleccionado de entre boehmita y arcillas de la familia del caolín, y un aglutinante orgánico, y se hace reaccionar el componente mineral con un ácido para gelificar la disolución y por tanto obtener el precursor (4) de cerámica en forma gelificada, comprendiendo además este procedimiento una etapa de eliminar el aglutinante orgánico después de la etapa de formación de revestimiento (3), comenzando esta etapa de eliminación antes de la etapa de tratamiento térmico apto para formar la cerámica, pero finalizando durante esta etapa de tratamiento térmico.
Description
Procedimiento de fabricación de una funda
eléctricamente aislante y mecánicamente estructurante sobre un
conductor eléctrico.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de fabricación de una funda eléctricamente aislante y
mecánicamente estructurante sobre un conductor eléctrico.
Se aplica especialmente a la fabricación de
imanes superconductores así como a la fabricación de piezas polares
de un motor eléctrico.
La necesidad de disponer un aislamiento
eléctrico estructurante, obtenido a partir de un precursor cerámico
flexible es común en numerosas aplicaciones electrotécnicas.
El precursor se presenta, según una variante de
la invención, en forma de un tejido impregnado blando, que permite
conformar el conductor que se quiere aislar y, en ciertos casos,
garantiza el control del espesor y determina la precisión geométrica
de los bobinados realizados por medio del conductor.
A la salida de un tratamiento térmico a una
temperatura del orden de los 700ºC, el precursor se sinteriza y el
aislamiento eléctrico así constituido absorbe los esfuerzos
mecánicos ejercidos sobre el conductor durante las fases posteriores
de montaje y de funcionamiento. La naturaleza cerámica del
aislamiento realizado permite temperaturas de funcionamiento que van
de 1,8 K a 1270 K.
Estas propiedades son capitales en la
realización de imanes superconductores, capaces de crear campos
magnéticos intensos para los que se hace frente a una mayor
dificultad.
En efecto, los materiales que tienen propiedades
superconductoras y la capacidad de hacer circular densidades de
corriente elevadas, materiales entre los que se encuentran el
compuesto intermetálico definido por Nb_{3}Sn o también
NB_{3}Al, requieren un tratamiento térmico a una temperatura
elevada (superior a los 600ºC para Nb_{3}Sn y a los 700ºC para
Nb_{3}Al), de larga duración (superior a 100 horas para Nb_{3}Sn
y del orden de algunas decenas de horas para Nb_{3}Al) y en
presencia de una atmósfera inerte o a vacío.
Las condiciones de temperatura mencionadas
anteriormente impiden el uso de aislamientos eléctricos clásicos,
realizados a partir de productos orgánicos, durante el tratamiento
térmico. Además, el material superconductor obtenido a la salida de
este tratamiento térmico es frágil y las eventuales tensiones
mecánicas que son susceptibles de aplicársele pueden deteriorar
fácilmente sus propiedades superconductoras.
Por tanto, ya no es posible después del
tratamiento térmico garantizar la conformación de este material ni
las curvaturas necesarias para su bobinado. En estas condiciones, la
colocación del aislamiento eléctrico es particularmente
delicada.
La solución clásica para solucionar los
inconvenientes anteriores consiste en:
- -
- encintar de un cable superconductor, antes de su bobinado, con ayuda de una cinta de fibras minerales que soporta el tratamiento térmico,
- -
- realizar este tratamiento térmico, y después
- -
- colocar el bobinado en un módulo de impregnación a vacío, y
- -
- realizar una impregnación de resina orgánica.
Las operaciones de transferencia del bobinado
son particularmente delicadas y, a día de hoy, nunca han permitido
la producción en serie de bobinados complejos (de tipo bipolar o
cuadrupolar), de gran tamaño (especialmente de longitud superior a 1
metro), utilizando superconductores de la familia del
Nb_{3}Sn.
El coste de los materiales superconductores
utilizados (del orden de 750
\euro/kg a 2000
\euro/kg según los procedimientos de realización empleados) así como los tiempos de tratamiento y la duración de las operaciones de bobinado representan más del 30% del coste de fabricación de los electroimanes superconductores.
El riesgo asociado a la transferencia del molde
de reacción (en el que el precursor del superconductor se transforma
en superconductor) hacia el molde de impregnación es por tanto muy
importante.
La posibilidad de disponer de un bobinado
completamente aislado y que presente una integridad mecánica
completa a la salida del tratamiento de reacción del superconductor
permitiría desarrollar la industrialización de los electroimanes
superconductores.
Se conocen ya técnicas de aislamiento eléctrico
de electroimanes superconductores con Nb_{3}Sn. Pero todas estas
técnicas conocidas precisan una impregnación con ayuda de una resina
epoxídica y no permiten garantizar el comportamiento mecánico del
bobinado de un electroimán superconductor para resistir a los
esfuerzos magnéticos creados por el funcionamiento del electroimán
para campos intensos.
Otras técnicas conocidas utilizan un aislamiento
cerámico.
Se hace referencia en concreto al documento
siguiente:
EP-A-0044144
(invención de G.R. Sutcliffe, S.J. Warden y D. Humpherson),
correspondiente al documento
US-A-4.407.062.
No obstante, todas estas otras técnicas
conocidas consisten en depositar un aislante alrededor de hebras de
un material superconductor, ya sea mediante el paso de estas hebras
por una disolución de un precursor inorgánico, ya sea por extrusión
del precursor alrededor de las hebras a través de dados, y ninguna
de estas otras técnicas conocidas permite disponer de una cinta de
fibras minerales, estando esta cinta impregnada previamente con el
precursor de una matriz cerámica.
La presente invención tiene como objetivo
solucionar los inconvenientes de las técnicas conocidas de
fabricación de fundas eléctricamente aislantes sobre conductores
eléctricos, en particular aquellos que están fabricados a partir de
materiales superconductores.
La invención tienen como objeto un procedimiento
de fabricación de un aislante eléctrico que puede depositarse sobre
un conductor eléctrico o con el que puede encintarse este conductor,
en particular en el caso de un conductor destinado a bobinarse,
permitiendo el procedimiento encintar el conductor con el aislante o
depositar este último, antes del bobinado del conductor.
Este procedimiento pretende también dejar una
cierta flexibilidad al conductor revestido de esta manera,
permitiendo esta flexibilidad curvar, en particular bobinar, este
conductor.
Además, este procedimiento permite la síntesis
de un material cerámico durante un tratamiento térmico.
En el caso particular del bobinado, la invención
lleva a los resultados siguientes, especialmente en el caso de un
conductor superconductor:
- -
- el aislamiento eléctrico del conductor es adecuado,
- -
- la cohesión mecánica del bobinado a temperatura ambiente es buena,
- -
- esta cohesión mecánica se mantiene durante un enfriamiento por helio líquido del conductor aislado de este modo así como durante la alimentación del bobinado con corriente,
- -
- el dominio de las dimensiones del bobinado es bueno, en particular en lo que concierne al espacio entre las vueltas del bobinado, a cualquier temperatura, y
- -
- el bobinado presenta ventajosamente una cierta porosidad al helio líquido.
Además, el aislante cerámico fabricado según la
invención carece de fase orgánica a la salida del tratamiento
térmico y no requiere la adición de una fase orgánica para obtener
sus propiedades de aislamiento eléctrico.
Además, en un modo de realización particular,
este aislante está formado por una matriz cerámica reforzada con
fibras cerámicas cortas.
De forma precisa, la presente invención tienen
como objeto un procedimiento de fabricación de una funda
eléctricamente aislante y mecánicamente estructurante sobre un
conductor eléctrico, en particular un conductor de metal no
superconductor o un conductor de precursor de superconductor,
comprendiendo este procedimiento las etapas de:
- -
- formar un precursor de cerámica en forma gelificada,
- -
- formar un revestimiento del conductor con este precursor de cerámica en forma gelificada y por tanto sin sedimentación, y
- -
- tratar térmicamente este revestimiento, siendo este tratamiento térmico apto para formar la cerámica a partir del precursor de cerámica en forma gelificada.
Un procedimiento de este tipo se conoce por el
documento EP 0 435 154.
Según la invención, reivindicación 1, el
precursor de cerámica es un líquido constituido por una disolución
que comprende agua, un componente mineral, seleccionado de entre la
boehmita y las arcillas de la familia del caolín, y un aglutinante
orgánico y se hace reaccionar el componente mineral con un ácido
para gelificar la disolución y obtener por tanto el precursor de
cerámica en forma gelificada.
El ácido puede seleccionarse del grupo que
comprende el ácido bórico, el ácido cítrico, el ácido clorhídrico,
el ácido nítrico y los ácidos carboxílicos, preferiblemente el ácido
fórmico.
La disolución puede comprender además frita de
vidrio y/o al menos un óxido mineral suplementario.
Según un modo de realización particular de la
invención, la disolución comprende, en porcentaje en masa, del 35%
al 45% de agua, del 8% al 30% del componente mineral, del 1% al 10%
de aglutinante orgánico, del 0% al 15% de uno o varios óxidos
minerales suplementarios y un complemento eventual de frita de
vidrio, estando comprendido este complemento eventual de frita de
vidrio, por supuesto, de un 0% a un 56%.
Ha de observarse que la función del agua en esta
disolución es hacer la mezcla fluida y también hidratar los óxidos
minerales, especialmente la boehmita o el caolín. Posteriormente en
el tratamiento, el agua se evapora durante un secado y, en
consecuencia, será posible aumentar de hecho algo artificialmente el
porcentaje de agua en la disolución y disminuir, en proporción, el
de los otros constituyentes, sin salirse del marco de la invención
ya que sería suficiente por tanto prolongar la fase de secado para
eliminar el exceso de agua.
Evidentemente no hay que añadir tanta agua como
para estropear la gelificación.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el porcentaje en masa del componente mineral va del 15%
al 30% en esta disolución, estando comprendido el complemento
eventual de frita de vidrio por tanto, por supuesto, del 0% al
49%.
Cada uno de los óxidos minerales suplementarios
puede seleccionarse del grupo que comprende alúmina, circona, sílice
y arcillas silicoaluminosas.
Según la invención (reivindicación 1), este
procedimiento comprende además una etapa de eliminación del
aglutinante orgánico después de la etapa de formación del
revestimiento, comenzando esta etapa de eliminación antes de la
etapa de tratamiento térmico apto para formar la cerámica pero
finalizando durante esta etapa de tratamiento térmico, de forma que
estas dos etapas se solapan parcialmente en el tiempo.
Preferiblemente, el procedimiento comprende
además una etapa de eliminación del aglutinante orgánico mediante
reacción con oxígeno, después de la etapa de formación de
revestimiento.
Según un primer modo de realización particular
del procedimiento objeto de la invención, el conductor es de
precursor del superconductor Nb_{3}SN o Nb_{3}Al y se realiza un
tratamiento térmico global de este conductor dotado del
revestimiento, realizándose este tratamiento térmico global en una
atmósfera neutra y apto para formar el superconductor Nb_{3}SN o
Nb_{3}Al, eliminar el aglutinante orgánico y formar la
cerámica.
Según un segundo modo de realización particular,
el conductor es de precursor del superconductor a base de óxido de
cobre, en particular YBa_{2}Cu_{3}O_{7},
Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{2} o
Bi_{2}Sr_{2}Ca_{2}Cu_{3}O_{10}, y se elimina el
aglutinante orgánico mediante calentamiento, en aire, del conductor
dotado del revestimiento y después se realiza un tratamiento térmico
global, en aire, del conductor dotado del revestimiento, siendo este
tratamiento térmico global apto para formar el superconductor a base
de óxido de cobre y para formar la cerámica.
Según un tercer modo de realización particular,
el conductor es de metal no superconductor y se realiza un
tratamiento térmico global de este conductor dotado del
revestimiento, realizándose este tratamiento térmico global en una
atmósfera neutra y apto para eliminar el aglutinante orgánico y para
formar la cerámica.
La etapa de formación del revestimiento puede
comprender una etapa de deposición del precursor de cerámica en
forma gelificada sobre un tejido de fibras cerámicas previamente
desencolado (es decir, un tejido de fibras cerámicas cuyo encolado
se ha retirado previamente), y después una etapa de deposición del
tejido dotado del precursor de cerámica alrededor del conductor.
Las fibras de cerámica pueden fabricarse de un
material seleccionado de entre vidrio E, vidrio C, vidrio R, vidrio
S2, sílice, alúmina y mullita.
El tejido de fibras cerámicas puede desencolarse
previamente de manera térmica o química.
Según un modo de realización particular de la
invención, se conforma, en particular en forma de bobina, el
conductor dotado del revestimiento, antes de la etapa de tratamiento
térmico apto para formar la cerámica.
La presente invención se comprenderá mejor con
la lectura de la descripción de ejemplos de realización facilitados
a continuación a título puramente indicativo y de ningún modo
limitativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los
que:
- la figura 1 ilustra esquemáticamente un modo
de realización particular del procedimiento de la invención y
- la figura 2 ilustra esquemáticamente una
aplicación particular de la invención.
Se facilitan ahora ejemplos del procedimiento de
fabricación de una funda eléctricamente aislante y mecánicamente
estructurante sobre un conductor eléctrico según la invención. Este
conductor es, por ejemplo, un hilo o cable eléctrico.
Conviene remarcar que el procedimiento se aplica
tanto a conductores comunes, de metales no superconductores, como a
superconductores. Además, este procedimiento es compatible con la
técnica denominada "WAR" ("Wind And React", bobinado y
reacción).
En un ejemplo de la invención se utiliza una
cinta de vidrio impregnada de un precursor de cerámica. Este
precursor de cerámica se obtiene a partir de una disolución líquida
y no tiene sedimentación porque la disolución líquida contiene
boehmita o una arcilla de la familia del caolín, que se hace
reaccionar con un ácido para obtener una gelificación de esta
disolución líquida.
Esta propiedad de homogeneidad del precursor de
cerámica, que permite obtener un aislante estructurante, facilita su
uso durante su depósito sobre el conductor, en particular en el caso
en el que el depósito se hace mediante el paso del conductor por un
baño de este precursor de cerámica, sirviendo este baño para formar
una funda flexible que permite la conformación (en particular el
bobinado) posterior del conductor.
Tras la cocción del conductor tratado y
conformado de esta manera, la funda es rígida y el conductor (en
particular el superconductor) se encuentra eléctricamente aislado y
encerrado dentro de una matriz cerámica. La resistencia a las
tensiones mecánicas aumenta considerablemente con respecto a la
técnica anterior. El aislamiento eléctrico es muy bueno y la
porosidad de la funda es débil debido a la vitrificación.
Se precisa que la invención se aplica en
particular a la fabricación de electroimanes con campos elevados y a
bobinados para motores eléctricos.
Se proporciona ahora un ejemplo del
procedimiento objeto de la invención.
En una primera etapa de este procedimiento se
fabrica el precursor de cerámica en forma de una disolución líquida,
más o menos viscosa y sin sedimentación.
La composición de esta disolución en porcentaje
en masa es:
- -
- del 35% al 40% de agua,
- -
- del 1% al 10% de un aglutinante orgánico (comercialmente disponible),
- -
- del 15% al 30% de boehmita o de una arcilla de la familia del caolín,
- -
- del 0% al 15% de otros óxidos minerales tales como alúmina, circona, sílice, una arcilla silicoaluminosa (por ejemplo la mica), que forman una adición de cargas minerales, y
- -
- del 5% al 49% de frita de vidrio.
Tras la agitación de esta disolución, por
ejemplo mediante un recipiente giratorio o agitador magnético, se
añade el ácido para obtener la gelificación de la disolución en
presencia de boehmita o de arcilla de la familia del caolín. Se
utiliza por ejemplo ácido fórmico con un porcentaje en masa del 0,3%
al 2%. Se elimina así la sedimentación.
El gel se forma por la reacción química del
ácido sobre la boehmita o la arcilla de la familia del caolín y el
resto de la disolución se encuentra encerrado en el gel. La
gelificación permite utilizar mucho menos aglutinante orgánico con
respecto a la técnica tradicional que consiste en añadir un
dispersante orgánico que después hay que eliminar.
A propósito de la gelificación en presencia de
boehmita, pero en un campo técnico totalmente diferente, puede
remitirse al documento siguiente:
Artículo de F. Ananthakumar et al.,
Materials Letters 43, páginas 174-179, 2000.
En este ejemplo se utiliza ácido fórmico porque
la molécula de este ácido sólo contiene un átomo de carbono y
proporciona propiedades de gelificación interesantes, sin embargo
podrían utilizarse otros ácidos, por ejemplo el ácido nítrico, el
ácido bórico, el ácido clorhídrico, el ácido cítrico u otro ácido de
la familia de los ácidos carboxílicos. Además, el ácido fórmico es
un ácido relativamente fuerte entre los ácidos débiles, pero si se
utiliza un ácido más débil hará falta más.
La viscosidad de la disolución se ajusta según
las necesidades, mediante dosificación de diversas cargas minerales
y el agua.
En particular, pueden añadirse cargas fibrosas
para obtener un precursor de cerámica viscoso o incluso pastoso. Se
utiliza entre un 5% y un 40% de carga fibrosa para tener una
viscosidad suficiente.
Después de haber fabricado el precursor de
cerámica en forma gelificada, puede tratarse directamente de manera
superficial el hilo o el cable haciendo circular éste último por un
baño de este precursor de cerámica en forma gelificada.
En una variante de este ejemplo, después de la
etapa de fabricación del precursor de cerámica en forma gelificada,
se encuentra una etapa de de desencolado y de impregnación de una
cinta de fibras cerámicas.
Esta cinta de fibras cerámicas se desencola en
primer lugar. Esta cinta es, por ejemplo, de vidrio E, vidrio C,
vidrio R, vidrio S2, sílice, alúmina o mullita (que es un silicato
que forma un constituyente esencial de las cerámicas).
Esta cinta puede ser una cinta comercial, por
ejemplo de vidrio E de la empresa Bourgeois o de vidrio S2 de la
empresa Hiltex o de cerámica comercializada con la marca Nextel de
la empresa 3M.
También pueden utilizarse fibras de sílice
comercializadas con la marca Quartzel por la empresa
Saint-Gobain, preferiblemente tejidas con un espesor
de 60 \mum por la empresa Textile Bourguisanne.
El desencolado puede ser térmico (según las
prescripciones del fabricante de la cinta), por ejemplo a 700ºC
durante 1 minuto o a 350ºC durante 20 horas.
En una variante, se utiliza un desencolado
químico con un disolvente adaptado. En este caso, el disolvente sólo
sirve para disolver el encolado. La elección del disolvente y del
tiempo de estancia en la disolución depende del tipo de cinta y de
los productos utilizados para su encolado. El disolvente sólo debe
disolver por tanto los polímeros y no debe atacar la fibra
cerámica.
A continuación se impregna la cinta desencolada
con el precursor cerámico en forma gelificada.
A continuación, se dispone la cinta así
impregnada alrededor del hilo o del cable conductor, formando esta
cinta entonces una funda flexible, y después se conforma el
conductor. A título de ejemplo, se bobina el conductor.
A continuación, se distinguen tres casos.
(1) Si el conductor está fabricado a partir de
un precursor de superconductor, es decir, el precursor de Nb_{3}Sn
o de Nb_{3}Al (antes de que este material se haya sometido al
tratamiento térmico que le confiere sus propiedades
superconductoras), se realiza entonces a la vez mediante aumento de
la temperatura:
- -
- el tratamiento térmico de reacción del Nb_{3}Sn o del Nb_{3}Al,
- -
- la eliminación, por cocción, del aglutinante orgánico (y de los residuos carbonados) bajo una atmósfera neutra (por ejemplo una atmósfera de argón o de nitrógeno), con una adición de oxígeno en el momento en que la temperatura es suficiente para iniciar la carbonización (oxidación) del aglutinante (aproximadamente de 350ºC a 450ºC según el aglutinante) para inyectar el mínimo de oxígeno (correspondiente a la carbonización completa), lo que permite obtener la carbonización completa del aglutinante sin oxidación del conductor porque, entre 350ºC y 450ºC, la reacción de oxidación es activa de manera muy preferida sobre el aglutinante, y
- -
- la sinterización de la cerámica.
Para este tratamiento térmico global, en el caso
del Nb_{3}Sn, se aumenta la temperatura desde la temperatura
ambiente (alrededor de 20ºC) hasta una meseta del orden de 600ºC a
700ºC (temperatura de reacción del Nb_{3}Sn) durante de 100 horas
a 300 horas, duración que es necesaria para la transformación del
precursor del superconductor en superconductor Nb_{3}Sn.
En el caso del conductor con el precursor de
Nb_{3}Al, se aumenta la temperatura desde la temperatura ambiente
hasta una meseta del orden de 700ºC a 800ºC (temperatura de reacción
del Nb_{3}Al) durante algunas decenas de horas, duración que es
necesaria para la transformación del precursor del superconductor en
superconductor Nb_{3}Al.
El aglutinante y el precursor de cerámica
reaccionan también en el intervalo de temperatura anterior. Hay que
vigilar el aumento de temperatura que debe ser muy lento, para que
el conductor no "explote" por el paso del estaño (el aluminio)
al estado líquido, lo que conlleva una expansión demasiado
fuerte.
En una variante, se modifica la atmósfera de
forma gradual mediante la introducción de una mezcla gaseosa
ligeramente reductora (por ejemplo una mezcla que contiene menos del
5% de hidrógeno y más del 95% de nitrógeno porque, si hubiese más
hidrógeno, la mezcla sería explosiva) al inicio de la meseta de
tratamiento térmico de reacción del Nb_{3}Sn o del Nb_{3}Al.
Esta mezcla sustituye la atmósfera de argón o de nitrógeno y permite
garantizar que el conductor no se oxidará por eventuales residuos de
oxígeno.
Los que sigue es igualmente válido para los
casos (2) y (3).
En lo que respecta a la eliminación del
aglutinante orgánico, se precisa que la reacción debe tener lugar a
temperaturas compatibles con la sinterización de la cerámica y con
el tratamiento de reacción del superconductor y tampoco debe dejar
ningún residuo de carbono (que es un buen conductor eléctrico).
Se utiliza aquí oxígeno con el que se asegura la
eliminación total mediante formación de gas. Además, esta reacción
es muy rápida en cuanto se superan los 350ºC. El gas creado (CO o
CO_{2}) debe evacuarse. Por ello el tratamiento térmico tiene
lugar con barrido de gas.
Además, la eliminación del aglutinante y la
sinterización se realizan durante una misma operación mediante
encadenamiento y entrelazado de la fase de eliminación del
aglutinante y la fase de sinterización. Se trata de una
característica esencial del ejemplo considerado de la invención.
En efecto, la funda no se deshace gracias a este
entrelazado o solapamiento parcial en el tiempo de la etapa de
eliminación del aglutinante y la etapa de sinterización. Sin
entrelazado, se correría el riesgo de obtener una funda pulverulenta
muy frágil y no se podría perturbar el conductor conformado. Ahora
bien, en la técnica anterior, estas etapas se separan lo que precisa
una impregnación de resina.
Además, cuando se quiere formar un enrollado muy
preciso, que es el caso de los imanes superconductores de tipo
bipolar o cuadrupolar, se coloca preferiblemente en un molde, por
ejemplo de acero refractario, para la operación de eliminación del
aglutinante y de sinterización y el barrido gaseoso se realiza en
este molde.
(2) Si el conductor está hecho de un precursor
de un superconductor a base de óxido de cobre, tal como:
- -
- YBa_{2}Cu_{3}O_{7} de 92 K de temperatura crítica,
- -
- Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{8} de 95 K de temperatura crítica,
- -
- Bi_{2}Sr_{2}Ca_{2}Cu_{3}O_{10} de 110 K de temperatura crítica,
la etapa de eliminación completa
del aglutinante orgánico se realiza por cocción en aire según los
parámetros de temperatura, de duración y de aumento de la
temperatura que dependen del aglutinante seleccionado y se indican
por el proveedor de éste
último.
A continuación, tienen lugar a la vez el
tratamiento térmico de reacción del superconductor y la
sinterización de la cerámica. Los parámetros de este tratamiento
térmico que se realiza al aire son una temperatura de meseta del
orden de 800ºC a 900ºC y un tiempo de meseta de 10 minutos a 3
horas.
(3) Si el conductor está fabricado de un metal o
de un compuesto metálico no superconductor, la etapa de eliminación
térmica del aglutinante orgánico tiene lugar en atmósfera neutra,
con introducción de una cantidad controlada de oxígeno,
correspondiente a la carbonización completa del aglutinante. En
efecto, en aire el metal se oxidaría totalmente, a menos que ese
metal fuese oro.
A título puramente indicativo y de ningún modo
limitativo, se proporciona un ejemplo del procedimiento según la
invención haciendo referencia a la figura 1. En esta figura se
observa un hilo 2 sobre el que se forma un revestimiento 3 de
precursor de cerámica en forma gelificada haciendo pasar este hilo 2
a través de este precursor 4 de cerámica en forma gelificada
contenido en un recipiente 6.
También se observa que el hilo pasa sobre una
sucesión de poleas 8, 12 y 14 y pasa también a través de una serie
de dispositivos 16 y 18 de control del espesor para quitar las
cantidades en exceso del revestimiento 3 formado sobre el hilo. El
hilo se seca entonces pasando a través de un horno 20 de secado y se
bobina a continuación sobre una bobina 22 apropiada.
Puede entonces someterse el hilo así bobinado a
los tratamientos térmicos mencionados anteriormente, que permiten la
eliminación del aglutinante orgánico, la formación de la cerámica y
la formación del superconductor cuando el hilo 2 es
superconductor.
El hilo 2 se dota por tanto de una funda
eléctricamente aislante y mecánicamente estructurante.
Se proporciona ahora a modo de ejemplo una
aplicación de la invención para la fabricación de bobinados de
electroimanes superconductores de Nb_{3}Sn, aptos para soportar el
tratamiento térmico del conductor y, durante el funcionamiento,
importantes esfuerzos mecánicos debidos a las fuerzas de
Lorentz.
De manera más precisa, se fabrican electroimanes
cuadrupolares que comprenden cada uno cuatro bobinados idénticos.
Cada uno de ellos necesita aproximadamente 75 m de cable
superconductor. Este último, de sección ligeramente trapezoidal,
está constituido por 36 hebras a base de Nb_{3}Sn. Estas hebras
tienen un diámetro de 0,825 mm y están retorcidas entre sí y
repartidas en dos capas.
Las dimensiones de la sección derecha de este
cable son: 1,362 mm para el lado corto, 1,598 mm para el lado largo
y 15,1 mm de anchura.
Cada una de las longitudes (75 m) de cable se
encinta por aproximadamente 40 m de una cinta de 15 mm de
anchura.
Esta cinta está constituida por fibras cerámicas
y está impregnada de una disolución que contiene boehmita y mica
como cargas minerales, una frita de vidrio comercializada con la
referencia VN 821 por la empresa Cerde, un dispersante y un
aglutinante respectivamente comercializados con las referencias
D-3005 y B-1000 por la empresa Rohm
et Haas y agua como disolvente.
Esto se ilustra esquemáticamente por el ejemplo
de la figura 2 en la que se observa un cable 24 (antes del
tratamiento). Este cable es un cable plano de tipo Rutherford, con
dos capas de hebras 26.
El cable 24 está encintado: se observa una
primera cinta 28 de fibras de vidrio, que está impregnada de
precursor cerámico y que rodea el cable 24.
Se observa además una segunda cinta 30 de fibras
de vidrio, que es idéntica a la primera y por tanto igualmente
impregnada de precursor cerámico.
Cada una de estas cintas 28 y 30 se enrolla
alrededor del cable de forma que el borde de una vuelta de cinta se
encuentra contra el borde de la vuelta adyacente, pero, con el fin
de garantizar la continuidad del aislamiento eléctrico, la segunda
cinta 30, que se enrolla por encima de la primera, se desplaza medio
paso con respecto a esta primera cinta 28.
Pueden utilizarse otra clase de fritas de vidrio
y/o aglutinantes.
Después de haber formado los bobinados, estos
últimos se someten a un tratamiento térmico que comprende un
calentamiento a 6ºC/hora hasta 660ºC. Este calentamiento va seguido
de una meseta de 240 horas a 660ºC y de un enfriamiento lento en el
recinto del horno que sirve para el tratamiento térmico.
Antes de este tratamiento térmico se evacua el
aire contenido dentro de este recinto y se rellena éste último con
un gas neutro tal como argón. Además, tiene lugar un barrido
continuo de argón durante el tratamiento térmico.
Para alcanzar el estado superconductor, cada
bobinado se enfría a la temperatura del helio líquido (4,2 K a
presión atmosférica) o a la del helio superfluido (inferior o igual
a 2,1 K a presión atmosférica).
Resulta conveniente observar que, durante la
excitación de cada electroimán por una corriente, se crean fuerzas
de Lorenzt considerables en los bobinados del mismo.
La invención se aplica también a la fabricación
de pequeños selenoides superconductores compactos, desprovistos de
elementos metálicos estructurantes.
La invención también puede utilizarse para los
bobinados de máquinas eléctricas giratorias superconductoras.
La invención puede utilizarse además para los
bobinados de máquinas eléctricas giratorias no superconductoras,
destinadas a funcionar a alta temperatura (superior a 300ºC).
La invención puede servir asimismo para la
fabricación de aislamientos eléctricos resistentes a un fuerte
calor, por ejemplo al de una llama, o a proyecciones de líquidos muy
calientes debido a la débil porosidad del aislante
estructurante.
Claims (15)
1. Procedimiento de fabricación de una funda
eléctricamente aislante y mecánicamente estructurante sobre un
conductor (2) eléctrico, en particular un conductor de metal no
superconductor o un conductor de precursor de superconductor,
comprendiendo este procedimiento las etapas de:
- -
- formar un precursor (4) de cerámica en forma gelificada,
- -
- formar un revestimiento (3) del conductor con este precursor de cerámica en forma gelificada y por tanto sin sedimentación, y
- -
- tratar térmicamente este revestimiento (3), siendo este tratamiento térmico apto para formar la cerámica a partir del precursor de cerámica en forma gelificada,
caracterizado porque el
precursor de cerámica es un líquido constituido por una disolución
que comprende agua, un componente mineral, seleccionado de entre
boehmita y arcillas de la familia del caolín, y un aglutinante
orgánico, y se hace reaccionar el componente mineral con un ácido
para gelificar la disolución y por tanto obtener el precursor (4) de
cerámica en forma gelificada, comprendiendo además este
procedimiento una etapa de eliminar el aglutinante orgánico después
de la etapa de formación de revestimiento (3), comenzando esta etapa
de eliminación antes de la etapa de tratamiento térmico apto para
formar la cerámica, pero finalizando durante esta etapa de
tratamiento
térmico.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el ácido se selecciona del grupo que comprende ácido bórico,
ácido cítrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico y ácidos
carboxílicos, preferiblemente ácido fórmico.
3. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, en el que la disolución comprende además
frita de vidrio.
4. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que la disolución comprende además al
menos un óxido mineral suplementario.
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que la disolución comprende, en
porcentaje en masa, del 35% al 45% de agua, del 8% al 30% de
componente mineral, del 1% al 10% de aglutinante orgánico, del 0% al
15% de uno o varios óxidos minerales suplementarios y un complemento
eventual de frita de vidrio.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en
el que el porcentaje en masa del componente mineral va del 15% al
30% en esta disolución.
7. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 6, en el que cada óxido mineral suplementario
se selecciona del grupo que comprende alúmina, circona, sílice y
arcillas silicoaluminosas.
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que se elimina el aglutinante orgánico
mediante reacción con oxígeno.
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el conductor (2) es un precursor
del superconductor Nb_{3}Sn o Nb_{3}Al y se realiza un
tratamiento térmico global de este conductor dotado del
revestimiento (3), realizándose este tratamiento térmico global en
una atmósfera neutra y apto para formar el superconductor Nb_{3}SN
o Nb_{3}Al, eliminar el aglutinante orgánico y formar la
cerámica.
10. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el conductor (2) es un precursor
del superconductor a base de óxido de cobre, en particular
YBa_{2}Cu_{3}O_{7}, Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{2} o
Bi_{2}Sr_{2}Ca_{2}Cu_{3}O_{10}, y se elimina el
aglutinante orgánico mediante calentamiento en aire del conductor
dotado del revestimiento (3) y después se realiza un tratamiento
térmico global, en aire, del conductor dotado del revestimiento,
siendo este tratamiento térmico global apto para formar el
superconductor a base de óxido de cobre y para formar la
cerámica.
11. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el conductor (2) es de metal no
superconductor y se realiza un tratamiento térmico global de este
conductor dotado del revestimiento (3), realizándose este
tratamiento térmico global en una atmósfera neutra y apto para
eliminar el aglutinante orgánico y para formar la cerámica.
12. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que la etapa de formación de
revestimiento (3) comprende una etapa de deposición del precursor de
cerámica en forma gelificada sobre un tejido de fibras cerámicas
previamente desencolado y después una etapa de deposición del tejido
dotado del precursor de cerámica alrededor del conductor.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que las fibras cerámicas están fabricadas de un material
seleccionado de vidrio E, vidrio C, vidrio R, vidrio S2, sílice,
alúmina y mullita.
14. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 12 y 13, en el que el tejido de fibras cerámicas se
desencola previamente de manera térmica o química.
15. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, en el que se conforma, en particular en
bobina, el conductor (2) dotado del revestimiento (3) antes de la
etapa de tratamiento térmico apto para formar la cerámica.
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