SYSTEME CRYOGENIQUE POUR LE REFROIDISSEMENT D'UN CONSOMMATEUR PRESENTANT UNE CHARGE THERMIQUE VARIABLE DANS LE TEMPS

Description

[0001] L'invention porte sur un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps ; elle s'applique notamment au refroidissement des aimants supraconducteurs.

[0002] Un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur comporte généralement un circuit fluidique dans lequel du gaz caloporteur sous pression (N₂ ou He) circule d'un étage de compression à une « boîte froide », où il est refroidit et partiellement liquéfié par détente. La boîte froide contient un bain de gaz liquéfié, en contact thermique avec le consommateur à refroidir. La chaleur cédée par le consommateur au bain (« charge thermique ») provoque l'évaporation d'une partie du gaz, qui est évacué de la boîte froide vers l'étage de compression, de manière à boucler le circuit. Un tel système est décrit, par exemple, dans l'article de J.-C. Boissin et al. « Cryogénie : mise en oeuvre des basses températures », Technique de l'ingénieur, traité Génie énergétique, B 2 382, voir en particulier la section 1.3.7 et la figure 20.

[0003] Un système de ce type convient particulièrement pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique constante ou lentement variable, mais s'avère peu efficace lorsque la charge thermique varie d'une manière importante sur une échelle temporelle de l'ordre des minutes, voire des secondes. De telles conditions se rencontrent notamment lors du refroidissement des aimants supraconducteurs, et en particulier des aimants utilisés dans les tokamaks de recherche sur la fusion nucléaire contrôlée.

[0004] La manière conventionnelle de gérer le refroidissement des consommateurs présentant des charges thermiques variables, par exemple pulsées, consiste à surdimensionner le système cryogénique sans modifier sensiblement son architecture. Une telle solution est peu satisfaisante du point de vue économique.

[0005] Le document FR 2 919 713 décrit un procédé et une installation cryogénique selon le préambule de la revendication 1, particulièrement adaptés au refroidissement de consommateurs présentant une charge thermique variable dans le temps. La solution proposée par ce document consiste à prévoir, dans la section froide de l'instaltation, un accumulateur de gaz liquéfié. Cet accumulateur permet de stocker du fluide froid lorsque la valeur de la charge thermique est faible, et de le fournir au consommateur lorsque la charge thermique augmente.

[0006] L'accumulateur se comporte ainsi comme un filtre qui découple la variabilité de la charge thermique du circuit cryogénique, qui peut continuer à fonctionner à régime constant et être dimensionné sur la base de la charge thermique moyenne - et pas de pic - du consommateur.

[0007] L'inconvénient de cette solution est qu'elle comporte une augmentation significative du volume et de la complexité de la région froide de l'installation, ce qui a des répercussions défavorables sur son encombrement et son coût.

[0008] L'invention vise à procurer un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps, ne présentant pas les inconvénients précités de l'art antérieur.

[0009] Une idée à la base de l'invention consiste à modifier le système de manière à permettre un fonctionnement du circuit cryogénique en régime dynamique, au lieu de contourner le problème en « filtrant » la variabilité de la charge thermique par un accumulateur de fluide froid.

[0010] En outre, les inventeurs se sont rendus compte du fait qu'un système cryogénique de type conventionnel peut fonctionner de manière satisfaisante en régime dynamique, à condition d'être pourvu d'un moyen de régulation adapté. Autrement dit, les inventeurs ont compris que l'adaptation d'un système cryogénique conventionnel à une charge variable peut être obtenue grâce à des techniques relevant de l'automatique, sans besoin de modifier de manière significative sa structure matérielle, et en particulier celle de sa partie froide. L'adaptation d'une installation existante peut donc être réalisée à un coût limité, et la conception d'installations spécifiquement dédiées à des consommateurs à charge thermique variable se trouve fortement simplifiée.

[0011] Un objet de l'invention est donc un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps, comprenant : une boîte froide en contact thermique avec ledit consommateur, alimentée en gaz caloporteur comprimé par un conduit d'amenée et reliée à un conduit de refoulement pour évacuer ledit gaz à une pression plus faible ; et un ensemble de régulation des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement comportant une pluralité de vannes commandées et un dispositif de commande pour piloter l'ouverture desdites vannes ; caractérisé en ce que ledit dispositif de commande est un régulateur multivariable adapté pour générer des signaux de commande d'ouverture desdites vannes en fonction de valeurs mesurées et de valeurs de consigne des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement sur la base d'un modèle mathématique du système prenant en compte un couplage entre les valeurs de pression dans les conduites d'amenée et de refoulement par l'intermédiaire de ladite boîte froide.

[0012] Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :

• Ledit dispositif de commande peut comporter : un premier régulateur pour générer un premier signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un premier modèle partiel du système ; un deuxième régulateur pour générer un deuxième signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un deuxième modèle partiel du système, différent dudit premier modèle partiel ; et un sélecteur de commande pour appliquer sélectivement auxdites vannes le premier ou le deuxième signal de commande.
• Ledit système de régulation peut comprendre : une réserve de stockage de gaz caloporteur à une pression intermédiaire entre celle dudit conduit d'amenée et celle dudit conduit de refoulement ; une première vanne commandée, disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit de refoulement, pour permettre une injection de gaz dans ce dernier à partir de ladite réserve ; une deuxième vanne commandée, disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit d'amenée, pour permettre une évacuation de gaz depuis ce dernier vers ladite réserve ; et une troisième vanne commandée, disposée entre ledit conduit d'amenée et ledit conduit de refoulement, pour permettre un contournement de la boîte froide.

• Ledit premier régulateur peut être adapté pour générer un premier signal de commande d'ouverture de la première et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite deuxième vanne, sur la base dudit premier modèle partiel du système ; et ledit deuxième régulateur peut être adapté pour générer un deuxième signal de commande d'ouverture de la deuxième et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite première vanne, sur la base dudit deuxième modèle partiel du système.
• Ledit premier modèle partiel peut modéliser le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est injecté dans le conduit de refoulement, et ledit deuxième modèle partiel peut modéliser le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est extrait du conduit d'amenée.
• Ledit modèle mathématique du système peut modéliser des perturbations de débit du gaz caloporteur induites par des variations temporelles de la charge thermique d'un consommateur en communication thermique avec ladite boîte froide par des variations virtuelles des ouvertures des vannes du système de régulation, ces dernières étant fournies audit dispositif de commande en tant que variables d'entrée à côté des valeurs mesurées et de consigne des pressions
• Ledit dispositif de commande peut être adapté pour minimiser une fonction de coût dépendant des écarts entre les pressions mesurées dans les conduites d'amenée et de refoulement et les valeurs de consigne respectives, ainsi que de l'amplitude des signaux de commande générés. En particulier, il peut être un régulateur linéaire quadratique.
• La boîte froide peut contenir une réserve de gaz caloporteur liquéfié qui s'évapore en partie sous l'effet de la charge thermique d'un consommateur, le gaz évaporé étant évacuée par le conduit de refoulement et remplacé par la liquéfaction d'au moins une partie du gaz provenant dudit conduit d'amenée, la variabilité dans le temps des taux d'évaporation et de liquéfaction du gaz induisant de ce fait des perturbations dans la pression à l'intérieur desdits conduits d'amenée et de refoulement.
• Le consommateur peut être un aimant supraconducteur présentant une charge thermique pulsée.

[0013] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

• La figure 1A, un schéma d'un système cryogénique selon l'art antérieur;
• La figure 1B, le principe de « commande partagée »
  (« split range ») mis en oeuvre dans le système de la figure 1A ;
• La figure 2, un diagramme de principe du moyen de régulation d'un système cryogénique selon un mode de réalisation de l'invention ; et
• Les figures 3A, 3B et 3C et 4A, 4B, 4C, des graphiques illustrant le comportement d'un système cryogénique selon l'invention sous charge thermique pulsée, et sa comparaison avec l'art antérieur.

[0014] La figure 1A illustre, de manière simplifiée, la structure et le fonctionnement d'un réfrigérateur-liquéfacteur à hélium CRY de type conventionnel.

[0015] Une telle installation comporte un circuit cryogénique comprenant une conduite à haute pression CHP, une conduite à basse pression CBP, un étage de compression CMP et une boîte froide BF.

[0016] L'étage de compression CMP peut comporter un ou plusieurs compresseurs, par exemple de type à vis, ainsi qu'un déhuileur non représenté. Le gaz - Hélium en particulier - comprimé par l'étage de compression s'écoule dans la conduite à haute pression, ou conduite d'amenée CHP, à une pression P_HP de l'ordre de 15 -20 bar, en direction de la boîte froide BF ; on indique par Q_CMP le débit massique du compresseur, supposé constant.

[0017] A l'intérieur de la boîte froide, le flux de gaz caloporteur (Hélium) se subdivise en deux : un débit Q_JT traverse une vanne de détente à effet Joule-Thomson V_JT (après un pré-refroidissement éventuel à l'azote liquide, non représenté), tandis que le débit restant traverse une turbine de détente TD. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure, le gaz refroidi par son passage à travers la turbine TD est injecté dans des échangeurs à contre-courant et utilisé pour pré-refroidir le flux qui traverse la vanne de Joute-Thomson, en amont de cette dernière, selon le principe du cycle de Claude.

[0018] Une fraction Q^L_JT du débit Q_JT traversant la vanne Joule-Thomson V_JT est liquéfiée suite à la détente dans ladite vanne. Le gaz liquide ainsi produit alimente un bain thermique BT, tandis que la fraction Q^V_JT = Q_JT-Q^L_JT demeure à l'état gazeux. Le rapport Q^V_JT/Q^L_JT dépend notamment de la température amont de la vanne de détente.

[0019] Un consommateur CONS, représenté par une résistance électrique, est en communication thermique avec le bain BT. Ce consommateur dissipe sous la forme de chaleur une puissance Θ (« charge thermique ») qui provoque l'évaporation d'un débit Q_W de gaz liquide. Ce débit Q_W, ainsi que le débit Q^V_JT et le débit traversant la turbine de détente sont évacués de la boîte froide par le conduit de refoulement à basse pression CBP (P_BP de l'ordre de 1,05 bar) vers le compresseur CMP.

[0020] Comme ledit compresseur fonctionne à vitesse - et donc à débit volumétrique - constant, la pression dans les conduits CHP et CBP est régulée grâce à un système de vannes commandées VC₁, VC₂ et VC₃.

[0021] Une réserve de stockage de gaz RS à une pression P_RS, intermédiaire entre P_BP et P_HP (par exemple, de l'ordre de 9 bar) est connectée au conduit à basse pression CBP par l'intermédiaire d'une première vanne commandée VC₁, et au conduit à haute pression CHP par l'intermédiaire d'une deuxième vanne commandée VC₂. Lorsque la première vanne VC₁ est ouverte, un débit Q_VC1 de gaz est injecté dans l'installation à partir de la réserve RS ; inversement, lorsque la deuxième vanne VC₂ est ouverte, un débit Q_VC2 de gaz est évacué de l'installation pour être stocké dans la réserve RS. Les deux vannes VC₁, VC₂ ne doivent jamais être ouvertes en même temps.

[0022] Une troisième vanne commandée VC₃ fixe le point de fonctionnement de l'installation en ouvrant et fermant une voie de contournement de la boîte froide, traversée par un débit Q_VC3 de gaz.

[0023] D'une manière conventionnelle (voir l'article précité de J.-C. Boissin et al.), les vannes VC₁. VC₂ et VC₃ sont commandées par deux régulateurs indépendants, généralement de type PID (proportionnel - intégral - dérivée) pour maintenir les valeurs de pression P_BP et P_HP proches de valeurs de consigne respectifs P⁰_BP et P⁰_HP.

[0024] Comme le montre la figure 1A, un premier régulateur PID1 engendre un signal de commande SC₃ de la vanne VC₃ en fonction de la différence P_BP- P⁰_BP afin de réguler la pression dans le conduit de refoulement CBP. De même, un deuxième régulateur PID2 engendre un signal de commande SC₁₂ des vannes VC₁ et VC₂ en fonction de la différence P_HP-P⁰_HP afin de réguler la pression dans le conduit d'amenée CHP.

[0025] Le signal SC₁₂ peut commander les deux vannes VC₁ et VC₂ grâce à un mécanisme de « commande partagée » (« split range ») SR, dont le fonctionnement est illustré sur la figure 1B. On suppose que la valeur du signal SC₁₂ puisse varier entre 0 et 1. Pour SC₁₂=0, la vanne VC₁ est complètement ouverte, tandis que la vanne VC₂ est fermée. Pour 0<SC₁₂<0,5 l'ouverture de la vanne VC₁ diminue linéairement et la vanne VC₂ reste fermée. Pour SC₁₂=0,5 les deux vannes sont fermées, et pour 0,5<SC₁₂≤1 la vanne VC₂ s'ouvre linéairement tandis que la vanne VC₁ reste fermée. De cette manière on peut assurer que les deux vannes ne soient jamais ouvertes en même temps.

[0026] Les inventeurs ce sont rendus compte du fait que cette stratégie de régulation est responsable du comportement dynamique peut satisfaisant de l'installation CRY. En effet, les valeurs de pression dans les conduits à haute et à basse pression sont couplés par l'intermédiaire de la boîte froide BF, mais ce couplage n'est pas pris en compte par les deux régulateurs indépendants PID1 et PID2 ; cela engendre un effet de « pompage » en cas de variation rapide de la charge thermique Θ. En effet, si une perturbation modifie rapidement la valeur de P_BH, le premier régulateur PID1 réagit pour la neutraliser ; mais à cause du couplage introduit par la boîte froide, l'action de PID1 perturbe inévitablement la valeur de P_HP, ce qui déclenche l'intervention du deuxième régulateur PID2. A son tour, ce dernier perturbe à nouveau la valeur de P_BP, et ainsi de suite.

[0027] Cette découverte a permis aux inventeurs de proposer une nouvelle stratégie de commande prenant en compte ledit couplage haute pression/basse pression par l'utilisation d'un régulateur multivariable, par exemple du type linéaire quadratique, en remplacement des deux régulateurs PID indépendants de l'art antérieur.

[0028] La méthode de commande multivariable dite « linéaire quadratique » est bien connue de l'art antérieur ; voir par exemple les ouvrages :

• « Contrôle optimale : théorie et applications », Emmanuel Trelat, Editions Vuibert, collections : Mathématiques concrètes, 2e édition ISBN : 9782711722198, en particulier le chapitre 1 ; et
• « Optimal control: linear quadratics methods » ; de B.D.O Anderson et J.B Moore, Dover publications, ISBN 9780486457666.

[0029] Fondamentalement, il s'agit d'un schéma de commande optimale d'un système dynamique défini par un système d'équations différentielles linéaire, dans lequel la fonction de coût est représentée par une fonctionnelle quadratique de l'écart entre les variables de commande (P_HP, P_BP) et leurs consignes respectives (P⁰_HP, P⁰_BP), et des intensités des signaux de commande. Dans ces conditions, la commande optimale (c'est à dire qui minimise la fonction de coût) peut être obtenue par résolution d'une équation algébrique de Riccati.

[0030] En fait, la mise en oeuvre d'une régulation multivariable dans l'installation cryogénique de la figure 1A est difficile à cause de la commande partagée SR, qui constitue une contrainte intrinsèquement non-linéaire. En effet, les équations qui régissent le fonctionnement de l'installation ne sont pas les mêmes en régime d'apport de matière (vanne VC₁ ouverte) et en régime de retrait de matière (vanne VC₂ ouverte).

[0031] Conformément à invention, ce problème peut être résolu en appliquant une technique connue comme « commutation de commande ». Dans cette technique, on modélise le système à commander par une pluralité de sous-systèmes indépendants, chacun pourvu d'un régulateur propre, parmi lesquels le système réel « commute ». En l'espèce, l'installation cryogénique SYS peut être modélisée à l'aide de deux modèles partiels décrivant le fonctionnement de l'installation en régime d'apport et de retrait de matière respectivement. A chaque instant, deux signaux de commande vectoriels sont générés, un pour chaque modèle partiel ; un sélecteur de commande choisit lequel de ces signaux de commande doit être effectivement appliqué à l'installation.

[0032] Les modèles partiels sont linéarisés autour du point de fonctionnement de l'installation, ce qui ne peut pas être fait pour un modèle « global » censé rendre compte du comportement du système dans les deux régimes à la fois.

[0033] Le principe de la commutation de commande est connu, par exemple, des publications suivantes :

• D. Liberzon et S. Morse, « Basic Problems in Stability and Design of Switched Systems », IEEE Control Systems Magazine, Octobre 1999, pages 59 - 70 ; et
• M. Zefran et J. W. Burdick « Design of switching controllers for system with changing dynamics », Proceedings of 37th Conference on Decision and Control, 1998.

[0034] Un régulateur mettant en oeuvre les principes de l'invention sera décrit plus en détail en référence à la figure 2.

[0035] Les valeurs de pression P_HP et P_BP, mesurées dans les conduits CHP et CBP respectivement, sont fournies en entrée à un modèle mathématique MOD de l'installation CRY, constitué par deux sous-modèles ou modèles partiels MP₁, MP₂, représentant le fonctionnement de l'installation en régime d'apport et de retrait de matière respectivement. Ces modèles permettent d'associer aux variations temporelles des pressions P_HP et P_BP des variations « virtuelles » d'ouverture des vannes CV₁, CV₂. Autrement dit, les modèles partiels permettent de calculer des « ouvertures virtuelles » O^V₁. O^V₂ desdites vannes qui, si elles étaient réelles, produiraient les fluctuations de pression observées (qui, en réalité, sont engendrées essentiellement par les variations de charge thermique, non mesurées directement). On dit que les perturbations du système sont « ramenées sur les entrées ». Il est important de noter que les deux ouvertures virtuelles dépendent à la fois de P_HP et P_BP : les modèles du système prennent en compte les couplages existants entre les régions à haute et à basse pression de l'installation.

[0036] On dispose ainsi d'un vecteur constitué par six variables scalaires d'entrée, dépendantes du temps : tes pressions mesurées dans les conduits, P_HP et P_BP ; les valeurs de consigne respectives, P⁰_HP, P⁰_BP ; et les « ouvertures virtuelles » O^V₁. O^V₂. Ce vecteur est fourni en entrée à un dispositif de commande DC, constitué par un premier et un deuxième régulateurs, DC₁ et DC₂. Ces deux régulateurs - mutuellement indépendants - sont du type linéaire quadratique et basés sur le premier et le deuxième modèle partiel, respectivement.

[0037] Le premier régulateur DC₁ est destiné à commander l'installation cryogénique CRY en régime d'apport de matière : pour ce faire, il engendre des signaux de commande (ou un premier signal vectoriel de commande) SC₁ et SC'₃ destinés à piloter les vannes CV₁ et CV₃ respectivement. Par contre, ce régulateur n'agit pas sur la vanne CV₂ qui, en régime d'apport de matière, est censée rester à l'état fermé.

[0038] Réciproquement, le deuxième régulateur DC₂ est destiné à commander l'installation cryogénique CRY en régime de retrait de matière : pour ce faire, il engendre des signaux de commande (ou un deuxième signal vectoriel de commande) SC₂ et SC"₃ destinés à piloter les vannes CV₂ et CV₃ respectivement. Par contre, ce régulateur n'agit pas sur la vanne CV₁ qui, en régime de retrait de matière, est censée rester à l'état fermé.

[0039] Il est intéressant de noter que le premier régulateur fournit un signal de commande SC₁ de la vanne CV₁ même lorsque le système se trouve en régime de retrait de matière ; dans ce cas, cependant, ce signal de commande correspondra à un niveau d'ouverture de ladite vanne non physiquement réalisable - par exemple négatif. Il en va de même pour le signal de commande SC₂ engendré par le deuxième régulateur lorsque le système se trouve, en réalité, en régime d'apport de matière. Cela permet à un sélecteur de commande SELC de sélectionner les signaux de commande SC^S₁, SC^S₂, SC^S₃ qui seront réellement appliqués aux vannes CV₁, CV₂ et CV₃ respectivement. Par exemple :

• Si SC₁<0, alors : SC^S₁= 0; SC^S₂= SC₂; SC^S₃= SC"₃ (fonctionnement en régime de retrait de matière, le régulateur DC₂ commande le système) ;
• Si SC₂<0, alors : SC^S₁= SC₁; SC^S₂= 0; SC^S₃ = SC'₃ (fonctionnement en régime d'apport de matière, le régulateur DC₁ commande le système).

[0040] On pourrait également utiliser des régulateurs DC₁, DC₂ non linéaires, fournissant uniquement des signaux d'ouverture physiquement réalisables ; dans ce cas, la sélection de commande se ferait en identifiant lequel parmi les signaux SC₁ et SC₂ est le plus proche de zéro.

[0041] On discutera maintenant, de manière synthétique, quelle peut être la forme des modèles partiels utilisés pour la mise en oeuvre de la commande du système.

[0042] Le point de départ pour obtenir ces modèles est constitué par les équations de conservation de la masse à l'intérieur des sections à basse pression (m_BP) et à haute pression (m_HP) du système SYS :

[0043] Tous les termes à la droite de ces équations ont été décrits plus haut, en référence à la figure 1A.

[0044] Or:

• Q_VC3 dépend linéairement de P_HP et non-linéairement du niveau d'ouverture de la vanne VC₃, représenté par ouv₃ ; le flux gazeux dans le chemin de contoumement étant sonique, le débit ne dépend pas de la pression aval P_BP. On peut donc écrire : Q_VC3=f₃(P_HP, ouv₃).
• Q_VC1 dépend linéairement de P_RS et non-linéairement du niveau d'ouverture de la vanne VC₁, représenté par ouv₁ ; le flux gazeux dans le chemin de contournement étant sonique, le débit ne dépend pas de la pression aval P_BP. Comme la pression de la réserve P_RS est considéré constante, on peut écrire : Q_VC1=f₁(ouv₁).
• Q_VC2 dépend non-linéairement à la fois de P_HP, de la différence P_HP-P_RS (le flux est subsonique, car la pression amont P_HP est inférieur à deux fois la pression aval P_RS, par conséquent la pression aval doit être prise en considération) et du niveau d'ouverture de la vanne VC₂, représenté par ouv₂. En « cachant » la constante P_RS dans la fonction non-linéaire f₂ on peut donc écrire : Q_VC2=f₂(P_HP, ouv₂).
• Qw dépend linéairement du flux thermique (ou charge thermique) Θ du consommateur : Q_W=K_W·Θ.
• Q_CMP dépend linéairement de P_BP, en supposant que le débit volumétrique du compresseur est constant et que la densité du gaz est proportionnelle à sa pression : Q_CMP=K_CMP· P_BP, avec K_CMP constant.
• Q_V^JT dépend essentiellement de la température du gaz au niveau de la vanne de détente V_JT ; il s'agit d'un paramètre indépendant des autres, qui peut être considéré constant.

[0045] L'équation d'état du gaz (qui peut être supposé parfait) permet de lier les masses m_BP, m_HP aux pressions correspondantes P_BP, P_HP.

[0046] En remplaçant ces expressions dans les équations de conservation de la masse on obtient un système de deux équations différentielles non linéaires pour les pressions P_BP, P_HP :

[0047] F_BP et F_HP sont deux fonctions non-linéaires qui peuvent être linéarisées autour de deux points de fonctionnement :

• un premier point de fonctionnement correspondant au régime d'apport de matière, caractérisé par ouv₂=0 ; et
• un deuxième point de fonctionnement correspondant au régime de retrait de matière, caractérisé par ouv₁=0.

[0048] La linéarisation de ces équations permet d'écrire les deux sous-systèmes correspondant auxdits points de fonctionnement sous la forme de représentations d'état dans lesquelles les valeurs de pression P_BP, P_HP définissent les états, les niveaux d'ouverture des vannes ouv₁, ouv₂ et ouv₃ représentent les commandes et la charge thermique Θ constitue une perturbation externe.

[0049] Les équations linéarisées permettent également de calculer les « ouvertures virtuelles » O^V₁, O^V₂ en fonction des pressions P_BP, P_HP mesurées.

[0050] Il est donc possible de concevoir deux régulateurs multivariables pour ces deux sous-systèmes par des techniques conventionnelles. Il est particulièrement avantageux d'utiliser une commande optimale de type linéaire quadratique.

[0051] Les figures 3A - 3C permettent de comparer le comportement d'un système selon l'invention avec un système de l'art antérieur, du type représenté sur la figure 1A. La seule différence entre les deux systèmes, basés sur le réfrigérateur-liquéfacteur cryogénique «400W@1,8K» du Service des Basses Températures de l'Institut de Nanosciences et Cryogénie, Grenoble, France, tient dans la stratégie de régulation adoptée. Le gaz caloporteur est l'Hélium, et le bain thermique B est à une température de 4,2 K.

[0052] Des essais ont été réalisés en envoyant à un consommateur (résistance électrique) des impulsions de puissance de 300W de forme rectangulaire, d'une durée de 50 s et avec une période de 100 s. Les courbes Θ^INV et Θ^REF sur la figure 3A montrent les charges thermiques correspondantes, dont la variation est amortie par l'inertie thermique du consommateur. L'exposant « INV » indique les mesures se rapportant au système de l'invention, tandis que « REF » dénote les mesures de référence, réalisées sur le système conventionnel.

[0053] Les figures 3B et 3C montrent l'évolution des basses pressions (P^INV_BP, P^REF_BP) et des hautes pressions (P^INV_HP, P^REF_HP), respectivement. On peut remarquer que l'amplitude des variations de P_HP et P_BP autour de leurs valeurs nominales (P⁰_HP=16 bar ; P⁰_BP=1,05 bar) est réduite d'environ un facteur trois à cinq par l'utilisation de la stratégie de commande de l'invention.

[0054] Les figures 4A - 4C montrent les courbes Θ^INV, P^INV_BP et P^INV_HP pour un essai utilisant des créneaux de puissance thermique de 1000 W. Dans ces conditions, le système de l'art antérieur cesse de fonctionner (le compresseur s'arrête), alors que dans le système de invention les fluctuations de pression se maintiennent à des niveaux acceptables.

Revendications

1. Système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur (CONS) présentant une charge thermique (Θ) variable dans le temps, comprenant :

- une boîte froide (BF) en contact thermique avec ledit consommateur, alimentée en gaz caloporteur comprimé par un conduit d'amenée (CHP) et reliée à un conduit de refoulement (CBP) pour évacuer ledit gaz à une pression plus faible ; et

- un ensemble de régulation des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement comportant une pluralité de vannes commandées (CV₁, CV₂, CV₃) et un dispositif de commande (MC) pour piloter l'ouverture desdites vannes ;
caractérisé en ce que ledit dispositif de commande est un régulateur multivariable adapté pour générer des signaux de commande d'ouverture (SC^S1, SC^S₂, SC^S₃) desdites vannes en fonction de valeurs mesurées (P_HP, P_BP) et de valeurs de consigne (P⁰_HP, P⁰_BP) des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement sur la base d'un modèle mathématique du système prenant en compte un couplage entre les valeurs de pression dans les conduites d'amenée et de refoulement par l'intermédiaire de ladite boîte froide.

2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif de commande comporte :

- un premier régulateur (MC₁) pour générer un premier signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un premier modèle partiel du système ;

- un deuxième régulateur (MC₂) pour générer un deuxième signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un deuxième modèle partiel du système, différent dudit premier modèle partiel ; et

- un sélecteur de commande (SELC) pour appliquer sélectivement auxdites vannes le premier ou le deuxième signal de commande.

3. Système cryogénique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de régulation comprend :

- une réserve de stockage (RS) de gaz caloporteur à une pression intermédiaire entre celle dudit conduit d'amenée et celle dudit conduit de refoulement ;

- une première vanne commandée (VC₁), disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit de refoulement, pour permettre une injection de gaz dans ce dernier à partir de ladite réserve ;

- une deuxième vanne commandée (VC₂), disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit d'amenée, pour permettre une évacuation de gaz depuis ce dernier vers ladite réserve ; et

- une troisième vanne commandée (VC₁), disposée entre ledit conduit d'amenée et ledit conduit de refoulement, pour permettre un contournement de la boîte froide.

4. Système selon les revendications 2 et 3, dans lequel ledit premier régulateur est adapté pour générer un premier signal de commande (SC₁, SC'₃) d'ouverture de la première et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite deuxième vanne, sur la base dudit premier modèle partiel du système ; et ledit deuxième régulateur est adapté pour générer un deuxième signal de commande (SC₂, SC"₃) d'ouverture de la deuxième et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite première vanne, sur la base dudit deuxième modèle partiel du système.

5. Système selon l'une des revendications 2, 3 en combinaison avec 4 ou 4, dans lequel ledit premier modèle partiel modélise le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est injecté dans le conduit de refoulement, et ledit deuxième modèle partiel modélise le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est extrait du conduit d'amenée.

6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit modèle mathématique du système modélise des perturbations de débit du gaz caloporteur induites par des variations temporelles de la charge thermique d'un consommateur en communication thermique avec ladite boîte froide par des variations virtuelles des ouvertures des vannes du système de régulation, ces dernières étant fournies audit dispositif de commande en tant que variables d'entrée à côté des valeurs mesurées et de consigne des pressions

7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de commande est adapté pour minimiser une fonction de coût dépendant des écarts entre les pressions mesurées dans les conduites d'amenée et de refoulement et les valeurs de consigne respectives, ainsi que de l'amplitude des signaux de commande générés.

8. Système selon la revendication 7, dans lequel ledit dispositif de commande est un régulateur linéaire quadratique.

9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boîte froide contient une réserve de gaz caloporteur liquéfié (BT) qui s'évapore en partie sous l'effet de la charge thermique d'un consommateur, le gaz évaporé étant évacuée par le conduit de refoulement et remplacé par la liquéfaction d'au moins une partie du gaz provenant dudit conduit d'amenée, la variabilité dans le temps des taux d'évaporation et de liquéfaction du gaz induisant de ce fait des perturbations dans la pression à l'intérieur desdits conduits d'amenée et de refoulement.

10. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le consommateur est un aimant supraconducteur présentant une charge thermique pulsée.

Ansprüche

1. Tiefkühlsystem zur Kühlung eines Verbrauchers (CONS) mit zeitlich wechselnder thermischer Belastung (Θ), bestehend aus:

- einer Kühlbox (BF) in thermischem Kontakt mit besagtem Verbraucher, welche über eine Zuführleitung (CHP) mit komprimiertem Wärmeübertragungsgas gespeist wird und mit einer Abführleitung (CBP) zum Abführen des besagten Gases bei geringerem Druck verbunden ist; sowie

- einer Kombination zur Druckregulierung in der besagten Zuführ- und Abführleitung, welche eine Vielzahl von gesteuerten Ventilen (CV₁, CV₂, CV₃) sowie eine Steuervorrichtung (MC) zur Steuerung des Öffnens der besagten Ventile aufweist;

- dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Steuervorrichtung einen Mehrgrößenregler darstellt, welcher zum Erzeugen von Steuersignalen zur Öffnung (SC^S₁, SC^S₂, SC^S₃) der besagten Ventile angepasst ist, in Abhängigkeit von den gemessenen Werten (P_HP, P_BP) sowie den Einstellwerten (P^O_HP, P^O_BP) des Drucks in der besagten Zuführ- und Abführleitung, auf der Grundlage eines mathematischen Systemmodells, unter Berücksichtigung einer Koppelung der Druckwerte in der Zuführ- und Abführleitung mittels der besagten Kühlbox.

2. System nach Anspruch 1, in welchem die besagte Steuervorrichtung aufweist:

- einen ersten Regler (MC₁) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals der besagten Ventile auf der Grundlage eines ersten Teilmodells des Systems

- einen zweiten Regler (MC₂) zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals der besagten Ventile auf der Grundlage eines zweiten Teilmodells des Systems, welches sich von dem ersten besagten Teilmodell unterscheidet; sowie

- einen Steuerwahlschalter (SELC) zur selektiven Anwendung des ersten oder zweiten Steuersignals auf die besagten Ventile.

3. Tiefkühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das besagte Regulierungssystem besteht aus:

- einer Lagerreserve (RS) von
Wärmeübertragungsgas mit einem Druck zwischen jenem der besagten Zuführ- und jenem der besagten Abführleitung;

- einem ersten gesteuerten Ventil (VC₁), angeordnet zwischen der besagten Lagerreserve und der besagten Abführleitung, um eine Gaseinspritzung in die letztere von der besagten Reserve aus zu ermöglichen;

- einem zweiten gesteuerten Ventil (VC₂), angeordnet zwischen der besagten Lagerreserve und der besagten Zuführleitung, um eine Gasabführung von der letzteren aus in die besagte Reserve zu ermöglichen; sowie

- einem dritten gesteuerten Ventil (VC₃), angeordnet zwischen der besagten Zuführleitung und der besagten Abführleitung, um ein Umgehen der Kühlbox zu ermöglichen.

4. System nach Anspruch 2 und 3, wobei der besagte erste Regler zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (SC₁, SC'₃) zur Öffnung des ersten und des dritten Ventils angepasst ist, unter Ausschluss des besagten zweiten Ventils, auf der Grundlage des besagten ersten Teilmodells des Systems; und der besagte zweite Regler zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals (SC₂, SC"₃) zur Öffnung des zweiten und des dritten Ventils angepasst ist, unter Ausschluss des besagten ersten Ventils, auf der Grundlage des besagten zweiten Teilmodells des Systems.

5. System nach einem der Ansprüche 2, 3 in Verbindung mit 4 oder 4, wobei das besagte Teilmodell das Verhalten des Systems modelliert, wenn ein Gasvolumen in die Abführleitung eingespritzt wird, und das zweite Teilmodell das Verhalten des Systems modelliert, wenn ein Gasvolumen aus der Zuführleitung abgeführt wird.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das besagte mathematische Systemmodell Störungen des Stroms an Wärmeübertragungsgas modelliert, welche durch zeitliche Variationen in der thermischen Belastung eines Verbrauchers in thermischem Kontakt mit der besagten Kühlbox aufgrund virtueller Variationen der Ventilöffnungen des Regulierungssystems induziert werden, wobei die letzteren der besagten Steuervorrichtung als Eingangsgrößen neben den gemessenen und den eingestellten Druckwerten beigestellt sind.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagte Steuervorrichtung zwecks Minimierung einer der Kostenfunktionen in Abhängigkeit von den Unterschieden in den gemessenen Druckwerten in der Zuführ- und Abführleitung und den entsprechenden Einstellwerten sowie von der Amplitude der erzeugten Steuersignale angepasst ist.

8. System nach Anspruch 7, wobei die besagte Steuervorrichtung einen quadratischen Linearregler darstellt.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlbox eine Reserve von verflüssigtem Waermeübertragungsgas (BT) enthält, welches unter der Einwirkung der thermischen Belastung eines Verbrauchers teilweise verdunstet, wobei das verdunstete Gas über die Abführleitung abgeführt und durch die Verflüssigung wenigstens eines Teils des Gases aus der besagten Zuführleitung ersetzt wird, und deswegen der zeitliche Wechsel in der Verdunstungs-und der Verflüssigungsrate des Gases Druckstörungen im Inneren der besagten Zuführ- und Abführleitung induziert.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbraucher einen supraleitenden Magneten mit thermischer Pulsbelastung darstellt.

Claims

1. A cryogenic system for cooling a consumer (CONS) presenting a thermal load (Θ) that varies over time, the system comprising:

· a cold box (BF) in thermal contact with said consumer, fed with a compressed heat-conveying gas by a delivery pipe (CHP) and connected to a return pipe (CBP) for exhausting said gas at a lower pressure; and

· a unit for regulating the pressures in said delivery and return pipes, the unit comprising a plurality of controlled valves (CV₁, CV₂, CV₃) and a control device (MC) for controlling the opening of said valves;
the system being characterized in that said control device is a multivariable regulator adapted to generate opening control signals (SC^S₁, SC^S₂, SC^S₃) for said valves as a function of measured values (P_HP, P_BP) and of setpoint values (P⁰_HP, P⁰_BP) for the pressures of said delivery and return pipes on the basis of a mathematical model of the system, which model takes account of coupling between the pressure values in the delivery and return pipes via said cold box.

2. A system according to claim 1, wherein said control device comprises:

· a first regulator (MC₁) for generating a first signal for controlling said valves on the basis of a first partial model of the system;

· a second regulator (MC₂) for generating a second signal for controlling said valves on the basis of a second partial model of the system that is different from said first partial model; and

· a control selector (SELC) for selectively applying the first or the second control signal to said valves.

3. A cryogenic system according to either preceding claim, wherein said regulation unit comprises:

· a supply (RS) of heat-conveying gas at a pressure that is intermediate between the pressure of said delivery pipe and that of said return pipe;

· a first controlled valve (VC₁) arranged between said supply and said return pipe in order to enable gas to be injected into the return pipe from said supply;

· a second controlled valve (VC₂) arranged between said supply and said delivery pipe in order to enable gas to be exhausted from the delivery pipe to said supply; and

· a third controlled valve (VC₃) arranged between said delivery pipe and said return pipe in order to enable the cold box to be bypassed.

4. A system according to claims 2 and 3, wherein said first regulator is adapted to generate a first control signal (SC₁, SC'₃) for opening the first and third valves, to the exclusion of said second valve, on the basis of said first partial model of the system; and said second regulator is adapted to generate a second control signal (SC₂, SC"₃) for opening the second and third valves, to the exclusion of said first valve, on the basis of said second partial model of the system.

5. A system according to any one of claims 2, 3 in combination with claim 4 or 4, wherein said first partial model models the behavior of the system when a volume of gas is injected into the return pipe, and said second partial model models the behavior of the system when a volume of gas is extracted from the delivery pipe.

6. A system according to any preceding claim, wherein said mathematical model of the system models the disturbances in the flow rate of the heat-conveying gas that are induced by variations over time in the heat load
of a consumer in thermal communication with said cold box, by means of virtual variations in the openings of the valves of the regulation system, said virtual openings being supplied to said control device as input variables together with the measured and setpoint values for the pressures.

7. A system according to any preceding claim, wherein said control device is adapted to minimize a cost function that depends on the differences between the pressures measured in the delivery and return pipes and the respective setpoint values therefor, and also on the amplitudes of the control signals generated.

8. A system according to claim 7, wherein said control device is a linear quadratic regulator.

9. A system according to any preceding claim, wherein the cold box contains a supply of liquefied heat-conveying gas (BT) that evaporates in part under the effect of the thermal load of a consumer, the evaporated gas being exhausted via the return pipe and replaced by liquefying at least some of the gas coming from said delivery pipe, the variability over time in the gas evaporation and liquefaction rates, thereby giving rise to disturbances in the pressures within the delivery and return pipes.

10. A system according to any preceding claim, wherein the consumer is a superconductive magnet that presents a pulsed thermal load.

Dessins