DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE

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1 PROSPETTO MODULO A DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE _ NUMERO DATA DEPOSITO: i 04 -ago-06 RICHIEDENTE/1 COGNOME E NOME O DENOMINAZIONE RESIDENZA O STATO. ENEA - Ente per le Nuove Tecnologie, l'energia e l'ambiente, di nazionalità italiana, con sede in Lungotevere Grande Ammiraglio Thaon di Revel, Roma TITOLO PER LA REALIZZAZIONE DI UN GIUNTO TRA CAVI SUPERCONDUTTORI DI TIPO CICC A BASSO LIVELLO DI INGOMBRO, BASSA RESISTENZA ELETTRICA E BASSO COSTO DI REALIZZAZIONE SEZIONE CLASSE SOTTOCLASSE GRUPPO SOTTOGRUPPO E. CLASSE PROPOSTA RIASSUNTO La presente invenzione è relativa ad un procedimento per la realizzazione di una giunzione tra cavi superconduttori di tipo Cable In Conduit (CC), che consiste sostanzialmente nell'accostamento fianco-a-fianco, prima del trattamento termico necessario alla creazione della fase superconduttrice, delle terminazioni dei vari sub-cavi corrispondenti all'ultimo stadio di realizzazione delle trecce superconduttrici di cui i due cavi sono composti. Questi sottostadi vengono tagliati a lunghezze diverse in modo tale che ogni terminazione sia circondata da tutti gli altri che sono integri. Tutta la porzione dei cavi utilizzata viene inglobata in un tubo preferibilmente di rame che viene poi opportunamente compattato. Il nuovo cavo così ottenuto viene quindi sottoposto al trattamento termico necessario alla formazione della fase superconduttrice che allo stesso tempo agisce sul giunto favorendo un processo di sinterizzazione tra le matrici di rame dei singoli strand ed il tubo in rame. P. DISEGNO PRINCIPALE l C DEL / DEI DENTE / I SARPI Maurizio dello STUDIO FERRARI

2 Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: PROCEDIMENTO PER LA REALIZZAZIONE DI UN GIUNTO TRA CAVI SUPERCONDUTTORI DI TIPO CICC A BASSO LIVELLO DI INGOMBRO, BASSA RESISTENZA ELETTRICA E BASSO COSTO DI REALIZZAZIONE; a nome dell'enea - Ente per le Nuove Tecnologie, l'energia e l'ambiente, con sede in Lungotevere Grande Ammiraglio Thaon di Revel, Roma. Inventori designati: Antonio DELLA CORTE, Aldo DI ZENOBIO. ***** La presente invenzione è relativa ad un procedimento per la realizzazione di una giunzione tra cavi superconduttori di tipo Cable In Conduit (CIC), che consiste sostanzialmente nell'accostamento fianco-a-fianco, prima del trattamento termico necessario alla creazione della fase superconduttrice, delle terminazioni dei vari subcavi corrispondenti all'ultimo stadio di realizzazione delle trecce superconduttrici di cui i due cavi sono composti. Questi sottostadi vengono tagliati a lunghezze diverse in modo tale che ogni terminazione sia circondata da tutti gli altri che sono integri. Tutta la porzione dei cavi utilizzata viene inglobata in un tubo preferibilmente di rame 2

3 che viene poi opportunamente compattato. Il nuovo cavo così ottenuto viene quindi sottoposto al trattamento termico necessario alla formazione della fase superconduttrice che allo stesso tempo agisce sul giunto favorendo un processo di sinterizzazione tra le matrici di rame dei singoli strand ed il tubo in rame. Questo processo riduce notevolmente la resistenza elettrica del giunto fino ad un valore minore di l ng2. Inoltre l'ingombro totale di giunzioni di questo tipo è poco superiore alle dimensioni originali dei cavi, il che rappresenta un notevole vantaggio nella costruzione di magneti. Stato della tecnica La tecnica di realizzazione di un giunto fra cavi CIC finora più diffusa è quello definita "twin box" [1], in cui i due conduttori, dai quali è stato preventivamente rimosso il jacket e il rivestimento interstrand per una lunghezza dell'ordine di un passo di twist (twist pitch), vengono singolarmente pressati in una scatola di rame/acciaio, reagiti con il trattamento termico grazie al quale si forma la fase superconduttrice, quindi uniti l'uno all'altro tramite saldatura della parte comune in rame. Il giunto così ottenuto ha il vantaggio di essere smontabile, ma ha tre principali 3

4 inconvenienti: - l'ingombro (la giunzione ha uno spessore almeno due volte quello del cavo originario); - la difficoltà di realizzazione con conseguente alto costo; - la maggior resistenza elettrica globale del giunto. Scopo principale della presente invenzione, quindi, è quello di ovviare a tali problemi realizzando un giunto, preferibilmente tra superconduttori, avente un ingombro ridotto ed una bassa resistenza elettrica. Ciò è stato ottenuto, secondo il trovato, mediante un procedimento come definito nella rivendicazione 1. Una migliore comprensione dell'invenzione si avrà con la seguente descrizione e con riferimento ai disegni allegati che illustrano, a puro titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma di attuazione del trovato. Nei disegni: la figura la mostra i due conduttori da giuntare che sono stati liberati alle loro estremità del jacket e del rivestimento interstrand, poi tagliati a lunghezze differenti per ogni sub-cavo che forma la treccia superconduttrice (nel caso illustrato sono 4

5 mostrati quattro tagli: uno per ciascuno dei quattro sottocavi che formano l'ultimo stadio di realizzazione del conduttore). Risulta ben visibile il rame che forma la matrice dello strand; la figura 13 mostra le foto relative ad un altro esempio di cavo di tipo CIC: a sx la sua sezione e a dx un esploso in cui si possono osservare i vari stadi di realizzazione della treccia superconduttrice e la spirale che forma il canale centrale attraverso cui circola il fluido refrigerante; la figura 2A mostra i sub-cavi che vengono affacciati ricostruendo la treccia originaria; la figura 23 mostra il cavo ottenuto che viene inserito in un tubo di rame e compresso opportunamente con il supporto di guance d'acciaio; la figura 3 è un grafico relativo ad un esempio di misura di resistenza del giunto: le prese di tensione ai suoi capi si stabilizzano su di un valore di lpv per 3kA di corrente, da cui si può affermare che la R giunto = 0.3±0.1 n9; la figura 4 è un grafico di confronto teorico tra la potenza dissipata da un giunto di tipo "twinbox" e quella dissipata da un giunto realizzato secondo il trovato: si nota come nel secondo caso, all'aumentare della corrente, il risparmio nella 5

6 refrigerazione del magnete conseguente alla ridotta dissipazione ohmica risulta notevole; la figura 5 mostra schematicamente una vista laterale del giunto; e la figura 6 è una vista 3D di una parte del giunto in cui si vede la disposizione dei sub-cavi composti dagli strand, i quali sub-cavi hanno lunghezze diverse in corrispondenza del giunto stesso. Nell'ambito dei magneti per la fusione nucleare in generale e della costruzione di ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) [2] si fa largo uso di conduttori a circolazione forzata di Elio, i cosiddetti CICC (Cable in Conduit Conductor). La costruzione di un magnete prevede che le varie lunghezze di conduttore prodotte vengano di volta in volta collegate tra loro per raggiungere la lunghezza totale necessaria da avvolgere. La realizzazione di giunzioni che siano facili, economiche, del minor ingombro possibile, e della minor resistenza elettrica possibile, è quindi fortemente auspicata. Con tali premesse, è stato sviluppato un nuovo tipo di giunto, in particolare per superconduttori, che viene realizzato mediante il procedimento oggetto 6

7 della presente invenzione. Questo innovativo metodo comprende le seguenti fasi: A. rimozione, dalle due estremità dei cavi da giuntare, del "jacket per una lunghezza minima L pari ad almeno un twist pitch (passo di avvolgimento dell'ultimo stadio di realizzazione della treccia superconduttrice: i valori tipici sono compresi tra i 10 e 50 cm); B. individuazione e separazione dei sub-cavi SC relativi all'ultimo stadio di realizzazione della treccia superconduttrice (figg. 1A, 1B e 5); C. taglio di ognuno dei detti sub-cavi SC o strand ad una lunghezza diversa dagli altri; D. applicazione, sul cavo nudo così ottenuto, di un trattamento chimico preferibilmente in acido per rimuovere il rivestimento degli strand (usualmente Cr o Ni), lasciando così scoperto e perfettamente pulito il rame che forma la matrice dello strand; E. disposizione dei sub-cavi SC appartenenti ai due conduttori in modo che quelli di lunghezza complementare siano affacciati e gli altri siano fianco-a-fianco, tentando di ricostruire il twist originario (figg. 2A e 6); F. inserimento della treccia così ricostruita in un 7

8 elemento tubolare ET di materiale conduttore (quale ad esempio rame, oro, alluminio, argento, ecc.), e successiva compressione radiale dello stesso elemento tubolare ET, così da ridurre la "void fraction" (frazione di vuoto all'interno del condotto, in questo caso dell'elemento tubolare) e favorire il contatto tra gli strand; G. saldatura, tra i due estremi del giunto, di un corpo scatolare dello stesso materiale del jacket del cavo (solitamente di acciaio) ed avente lo stesso spessore e caratteristiche del medesimo, la quale saldatura è effettuata sul jacket J in prossimità della parte scoperta di entrambi i cavi, in modo tale da garantire la tenuta per il fluido refrigerante (preferibilmente Elio Supercritico) che deve circolare forzatamente all'interno del conduttore nonché una sufficiente solidità meccanica del giunto stesso. H. applicazione sul giunto e sui cavi del trattamento termico notoriamente necessario alla creazione della fase superconduttrice. Relativamente alla fase B è interessante notare che, solitamente, i cavi vengono realizzati avvolgendo gli strand tra loro, partendo da un elemento base che è una tripletta, la quale a sua 8

9 volta viene avvolta ad altre due triplette e così via in gruppi di tre, quattro o cinque, a seconda delle esigenze, fino ad ottenere la treccia che viene quindi inserita nel jacket J. A tale riguardo, le sperimentazioni hanno dimostrato che la soluzione che unisce la maggior praticità alla buona qualità del giunto è quella per cui si determina la lunghezza "L" totale del giunto, che sia almeno pari ad una lunghezza di twist, e se N è il numero dei sub-cavi corrispondenti all'ultimo stadio di avvolgimento della treccia, ognuno dei tagli viene effettuato ad una lunghezza multiplo di L/(N+1) a partire da una distanza dalla fine del jacket corrispondente ad 10 mm + L/2(N+1). I dieci millimetri in più servono per avere agio nelle successive operazioni di compattazione e per permettere una agevole circolazione dell'elio. E' utile evidenziare che la soluzione ideale potrebbe essere quella per cui ogni singolo strand dei subcavi SC (o comunque un numero di strand minore rispetto a quello considerato finora) venga tagliato ad una lunghezza diversa dagli altri e poi ricostituita la treccia, ma và da sé che quest'operazione sarebbe poco pratica e causerebbe una eccessiva lunghezza del giunto. 9

10 Relativamente alla fase F, è opportuno osservare che l'elemento tubolare ET di materiale conduttore può avere una sezione di qualsiasi forma (circolare, quadrata, rettangolare, ecc.): tale scelta dipende sostanzialmente dalla forma dei conduttori da giuntare. Detta fase F comprende anche la compressione di detto elemento tubolare ET per ridurre la "void fraction", cioè la frazione di spazio all'interno del tubo non occupata dagli strand, fino ad un valore sensibilmente minore (il più piccolo possibile e comunque prossimo allo zero) della void fraction originaria del cavo (fig. 2b). Così facendo la treccia assume una dimensione minore della treccia originaria. E' importante osservare che nel caso in cui il cavo superconduttore abbia al suo interno una spirale metallica inserita per creare l'hole (fig. 1B), ovvero un condotto aggiuntivo al centro della treccia in cui far circolare il fluido refrigerante (molti conduttori hanno questa caratteristica, in particolare per i magneti di grandi dimensioni), detta spirale dovrà essere sostituita per tutta la lunghezza del giunto con un tubo d'acciaio di spessore sufficiente a sopportare le pressioni dovute alla compressione in direzione radiale dell'elemento 10

11 tubolare ET sopra descritta. A tal proposito è importante sottolineare che, ai fini della circolazione del fluido refrigerante, sulla superficie esterna dell'elemento tubolare ET risulta utile realizzare delle scanalature in senso longitudinale così da permettere il passaggio del suddetto fluido anche se la scatola d'acciaio saldata sul jacket J (fase G) fosse a stretto contatto con l'elemento tubolare stesso. Il risultato finale della saldatura del corpo scatolare della fase G è un giunto le cui dimensioni sono leggermente superiori di quelle dei singoli cavi da unire. Infine, con riferimento al trattamento termico della fase H, giova osservare che tale trattamento ha un importante effetto secondario sul giunto: realizza una sinterizzazione del rame delle matrici degli strand, diminuendo di fatto la resistenza elettrica traversa (ovvero la resistenza interstrand) e quindi la resistenza globale del giunto. A titolo di esempio, si mostrano i risultati del test di un giunto realizzato su di un cavo in Nb3Sn con struttura 3x3x4x4 (quindi con 4 sub-cavi nello stadio finale di realizzazione della treccia) con rivestimento in Cr (da cui sono tratte le immagini li

12 precedentemente mostrate) e twist pitch di 170mm. In questo caso sono stati effettuati 4 tagli, uno su ognuno dei 4 sub-cavi, con una distanza di circa 45mm fra un taglio e il successivo, così da ottenere un giunto la cui lunghezza globale fosse di circa 210mm. Il giunto ottenuto ha una resistenza elettrica globale di circa 0.3 na In fig. 3 è mostrato l'andamento di alcune prese di tensione ai capi del giunto insieme all'andamento della corrente che attraversa il giunto stesso. Risulta chiaro che, dopo una prima fase in cui si risente del segnale induttivo dovuto alla rampa in salita della corrente, il valore della tensione del giunto si assesta a circa l LIV con 3kA di corrente, il che permette di stabilire che la R gaunto = 0.3 ± 0.1 Si è quindi ottenuto, con un metodo molto semplice ed economico, un giunto che alle correnti operative tipiche dei magneti superconduttori per la fusione (da alcune migliaia di ampere ad alcune decine di migliaia) ha, oltre ad un ingombro ridotto, una potenza dissipata notevolmente minore rispetto a quelle tipiche dei giunti "twin-box" (la cui resistenza globale è tipicamente pari ad alcuni n5-2) (fig. 4). Contando quindi che in un magnete per la 12

13 fusione sono presenti di solito alcune decine di giunzioni, il risparmio nella refrigerazione dello stesso, adottando il giunto di tipo ENEA, è notevole. Possibili applicazioni del trovato. Il giunto secondo la presente invenzione può essere utilizzato ogni qualvolta si voglia creare un avvolgimento composto da più lunghezze di cavo superconduttore. Le applicazioni immediate sono: i magneti per fusione, in particolare i magneti per ITER, i magneti per le alte energie, i magneti per la NMR, i cavi di potenza per la trasmissione della corrente elettrica, gli SMES, gli FCL, trasformatori di corrente. La procedura di realizzazione può essere utilizzata per ogni tipo di giunzione tra cavi in cui i fili (superconduttori e non) che li costituiscono siano esternamente composti da rame o altro materiale conduttore (alluminio, oro, argento, ecc.). E chiaro che le dimensioni e le caratteristiche specifiche fin qui descritte andranno adattate di volta in volta alle specifiche tecniche esatte del conduttore utilizzato e del contesto di utilizzo. Vantaggiosamente, l'asportazione chimica del rivestimento di protezione dei fili (tipicamente nichel o cromo) che consente di portare a nudo il 13

14 rame delle matrici dei singoli strand, oltre a ridurre le resistenze di contatto tra i fili, favorisce la loro sinterizzazione durante il trattamento termico per la formazione della fase superconduttrice. Inoltre, è interessante notare che la treccia ottenuta attestando ed affiancando i sub-cavi dei due monconi da unire, viene pressata dentro un tubo di rame o altro materiale conduttore che può avere sezione circolare, ellittica, poligonale, ecc., con conseguente contenimento degli ingombri e facilità di realizzazione: il giunto finale ha una dimensione solo di poco maggiore di quella dei singoli cavi da unire. Infine, si deve rilevare che, vantaggiosamente, il giunto realizzato secondo il trovato può essere deformato meccanicamente e acquisire, ad esempio, lo stesso raggio di curvatura sopportabile dal cavo originale. Bibliografia: [1] D. Ciazynski and A. Martinez, "Electrical and Thermal Designs and Analyses of Joints for the ITER PE Colls", IEEE Trans. On App. Superconductivity, Vol. 12, No. l, March 2002 [2] R. Aymara et al., "Overview of ITER-FEAT The 14

15 future International burning plasma experiment", Nuclear Fusion, Vol. 41, No. 10,

16 RIVENDICAZIONI: 1. Procedimento per la realizzazione di un giunto tra due cavi conduttori trefoli del tipo comprendente un rivestimento esterno o "jacket" (J) ed una pluralità di conduttori avvolti a spirale, preferibilmente ma non esclusivamente superconduttori, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: A. rimozione del "jacket" (J) dalle due estremità dei cavi da giuntare, per una lunghezza minima pari ad almeno un twist pitch; B. individuazione e separazione dei sub-cavi (SC) o strand relativi all'ultimo stadio di realizzazione della treccia conduttrice o superconduttrice; C. taglio di ciascuno di detti sub-cavi o sottocavi (SC) ad una lunghezza diversa dagli altri; O. applicazione, sul cavo nudo così ottenuto, di un trattamento chimico di tipo noto per rimuovere il rivestimento degli strand, lasciando così scoperto e perfettamente pulito il rame che forma la matrice dello strand; E. disposizione dei sub-cavi (SC) appartenenti ai due conduttori da giuntare in modo che ognuno sia affacciato a quello di lunghezza 16

17 complementare e posto fianco-a-fianco agli altri, al fine di ricostruire il twist originario; F. inserimento della treccia così ricostruita in un elemento tubolare (ET) di materiale conduttore, e successiva compressione radiale dello stesso elemento tubolare (ET) così da ridurre la "void fraction" e favorire il contatto tra gli strand; G. saldatura, tra i due estremi del giunto, di un corpo scatolare dello stesso materiale del jacket (J) dei cavi da giuntare ed avente lo stesso spessore e caratteristiche di quest'ultimo, la quale saldatura è effettuata jacket (J) in prossimità della parte scoperta di entrambi i cavi; ottenendosi così di garantire la tenuta per il fluido refrigerante che deve circolare forzatamente all'interno del conduttore, nonché una sufficiente solidità meccanica del giunto stesso. H. Applicazione sul giunto del medesimo trattamento termico cui viene usualmente sottoposto il cavo per la creazione della fase superconduttrice. 2. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che per la fase B, dopo aver determinato la lunghezza totale "L" (in 17

18 centimetri) del giunto in modo che sia maggiore o uguale ad una lunghezza di twist ed individuato il numero "N" dei sub-cavi (SC) corrispondenti all'ultimo stadio di avvolgimento della treccia, ognuno dei tagli viene effettuato ad una lunghezza multiplo di L/(N+1) a partire da una distanza dalla fine del jacket (J) corrispondente ad lcm + L/2(N+1); il centimetro in più essendo atto ad agevolare le successive operazioni di compattazione ed a permettere una agevole circolazione del fluido refrigerante. 3. Procedimento secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che per la fase F, l'elemento tubolare (ET) di materiale conduttore ha una sezione trasversale di forma circolare, quadrata, rettangolare, ecc.; la forma di detta sezione dipendendo sostanzialmente dalla forma dei conduttori da giuntare. 4. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la compressione dell'elemento tubolare (ET) di cui alla fase F è atta a ridurre la "void fraction" fino ad un valore sensibilmente minore della void fraction originaria dei cavi da giuntare; ottenendosi così che la treccia del giunto assuma una dimensione minore della treccia originaria. 18

19 5. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui il cavo superconduttore abbia al suo interno una spirale metallica inserita per creare l'hole, ovvero un condotto aggiuntivo al centro della treccia in cui far circolare il fluido refrigerante, si prevede la sostituzione di detta spirale per tutta la lunghezza del giunto con un tubo d'acciaio di spessore sufficiente a sopportare le pressioni dovute alla compressione in direzione radiale dell'elemento tubolare stesso. 6. Procedimento secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che la saldatura del corpo scatolare di cui alla fase G è atta a formare un giunto le cui dimensioni sono leggermente superiori di quelle dei singoli cavi da unire. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il trattamento termico di cui alla fase H è atto a realizzare una sinterizzazione del rame delle matrici degli strand, diminuendo di fatto la resistenza elettrica traversa (ovvero la resistenza interstrand) e quindi la resistenza globale del giunto; ottenendosi cosi un giunto che, oltre ad un ingombro ridotto, presenta una potenza dissipata notevolmente minore rispetto a 19

20 quelle tipiche dei noti giunti "twin-box". 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'asportazione chimica del rivestimento di protezione dei fili di cui alla fase D, atta a portare a nudo il rame delle matrici dei singoli strand, oltre a ridurre le resistenze di contatto tra i fili, è ulteriormente atta a favorire la loro sinterizzazione durante il successivo trattamento termico per la formazione della fase superconduttrice di cui alla fase H. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno strand è realizzato interamente in rame, o argento, o oro, o alluminio, o altro materiale a buona conducibilità elettrica. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno strand è realizzato in materiale superconduttore rivestito in rame, o argento, o oro, o alluminio, o altro materiale a buona conducibilità elettrica. 11. Procedimento secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che ciascuno strand è accoppiato elettricamente e/o meccanicamente con rame, o argento, o oro, o alluminio, o altro materiale a buona conducibilità elettrica. 20

21 12. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'elemento tubolare (ET) di cui alla fase F è in rame o altro materiale con buona conducibilità elettrica. 13. Procedimento secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che detto fluido refrigerante è Elio Supercritico. 14. Giunto tra due cavi conduttori trefoli, caratterizzato dal fatto di essere realizzato con il procedimento secondo una o più delle rivendicazioni predenti. 15. Giunto secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che è atto ad essere modellato secondo diverse forme e per acquisire lo stesso raggio di curvatura sopportabile dai due cavi giuntati. 16. Procedimento per la realizzazione di un giunto tra due cavi conduttori trefoli del tipo comprendente un rivestimento esterno o "jacket" ed una pluralità di conduttori avvolti a spirale, preferibilmente ma non esclusivamente superconduttori, come sostanzialmente descritto ed illustrato nella presente descrizione e nei disegni allegati. Per il Richiedente, il Rappresentante. 21