[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 (N
2 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
LJT 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
VJT = Q
JT-Q
LJT demeure à l'état gazeux. Le rapport Q
VJT/Q
LJT 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
VJT 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 VC
1, VC
2 et VC
3.
[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 VC
1, et au conduit à haute pression CHP par l'intermédiaire d'une deuxième vanne commandée
VC
2. Lorsque la première vanne VC
1 est ouverte, un débit Q
VC1 de gaz est injecté dans l'installation à partir de la réserve RS ; inversement, lorsque
la deuxième vanne VC
2 est ouverte, un débit Q
VC2 de gaz est évacué de l'installation pour être stocké dans la réserve RS. Les deux
vannes VC
1, VC
2 ne doivent jamais être ouvertes en même temps.
[0022] Une troisième vanne commandée VC
3 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 VC
1. VC
2 et VC
3 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 P
0BP et P
0HP.
[0024] Comme le montre la figure 1A, un premier régulateur PID1 engendre un signal de commande
SC
3 de la vanne VC
3 en fonction de la différence P
BP- P
0BP afin de réguler la pression dans le conduit de refoulement CBP. De même, un deuxième
régulateur PID2 engendre un signal de commande SC
12 des vannes VC
1 et VC
2 en fonction de la différence P
HP-P
0HP afin de réguler la pression dans le conduit d'amenée CHP.
[0025] Le signal SC
12 peut commander les deux vannes VC
1 et VC
2 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 SC
12 puisse varier entre 0 et 1. Pour SC
12=0, la vanne VC
1 est complètement ouverte, tandis que la vanne VC
2 est fermée. Pour 0<SC
12<0,5 l'ouverture de la vanne VC
1 diminue linéairement et la vanne VC
2 reste fermée. Pour SC
12=0,5 les deux vannes sont fermées, et pour 0,5<SC
12≤1 la vanne VC
2 s'ouvre linéairement tandis que la vanne VC
1 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 :
[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 (P
0HP, P
0BP), 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 VC
1 ouverte) et en régime de retrait de matière (vanne VC
2 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 :
[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 MP
1, MP
2, 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 CV
1, CV
2. 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, P
0HP, P
0BP ; 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, DC
1 et DC
2. 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 DC
1 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) SC
1 et SC'
3 destinés à piloter les vannes CV
1 et CV
3 respectivement. Par contre, ce régulateur n'agit pas sur la vanne CV
2 qui, en régime d'apport de matière, est censée rester à l'état fermé.
[0038] Réciproquement, le deuxième régulateur DC
2 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) SC
2 et SC"
3 destinés à piloter les vannes CV
2 et CV
3 respectivement. Par contre, ce régulateur n'agit pas sur la vanne CV
1 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
SC
1 de la vanne CV
1 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 SC
2 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 CV
1, CV
2 et CV
3 respectivement. Par exemple :
- Si SC1<0, alors : SCS1= 0; SCS2= SC2; SCS3= SC"3 (fonctionnement en régime de retrait de matière, le régulateur DC2 commande le système) ;
- Si SC2<0, alors : SCS1= SC1; SCS2= 0; SCS3 = SC'3 (fonctionnement en régime d'apport de matière, le régulateur DC1 commande le système).
[0040] On pourrait également utiliser des régulateurs DC
1, DC
2 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 SC
1 et SC
2 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:
- QVC3 dépend linéairement de PHP 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 PBP. On peut donc écrire : QVC3=f3(PHP, ouv3).
- QVC1 dépend linéairement de PRS 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 PBP. Comme la pression de la réserve PRS est considéré constante, on peut écrire : QVC1=f1(ouv1).
- QVC2 dépend non-linéairement à la fois de PHP, de la différence PHP-PRS (le flux est subsonique, car la pression amont PHP est inférieur à deux fois la pression aval PRS, 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 PRS dans la fonction non-linéaire f2 on peut donc écrire : QVC2=f2(PHP, ouv2).
- Qw dépend linéairement du flux thermique (ou charge thermique) Θ du consommateur :
QW=KW·Θ.
- QCMP dépend linéairement de PBP, en supposant que le débit volumétrique du compresseur est constant et que la densité
du gaz est proportionnelle à sa pression : QCMP=KCMP· PBP, avec KCMP constant.
- QVJT dépend essentiellement de la température du gaz au niveau de la vanne de détente
VJT ; 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 ouv
1, ouv
2 et ouv
3 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
INVBP, P
REFBP) et des hautes pressions (P
INVHP, P
REFHP), respectivement. On peut remarquer que l'amplitude des variations de P
HP et P
BP autour de leurs valeurs nominales (P
0HP=16 bar ; P
0BP=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
INVBP et P
INVHP 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.
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 (SCS1, SCS2, SCS3) desdites vannes en fonction de valeurs mesurées (PHP, PBP) et de valeurs de consigne (P0HP, P0BP) 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.
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 (SCS1, SCS2, SCS3) der besagten Ventile angepasst ist, in Abhängigkeit von den gemessenen Werten (PHP, PBP) sowie den Einstellwerten (POHP, POBP) 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.
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 (SCS1, SCS2, SCS3) for said valves as a function of measured values (PHP, PBP) and of setpoint values (P0HP, P0BP) 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.