專利名稱：制冷方法和具有脈沖載荷的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖負(fù)載冷卻方法和制冷器。本發(fā)明更具體地涉及用于冷卻“托卡馬克(Tokamak)”的構(gòu)件——即用于間歇地生成等離子體的設(shè)備的構(gòu)件——的脈沖負(fù)載方法，所述方法采用使諸如氦之類的工作流體經(jīng)歷工作循環(huán)的冷卻裝置，所述工作循環(huán)包括壓縮；冷卻和膨脹；與構(gòu)件進(jìn)行換熱；以及加熱，所述托卡馬克包括至少一個(gè)稱為“周期性和對稱的”操作模式的操作模式，即以兩個(gè)連續(xù)的等離子體之間的時(shí)長Dp的間隔周期性地產(chǎn)生預(yù)設(shè)時(shí)長Dp的等離子體的操作模式，所述間隔的時(shí)長與等離子體的時(shí)長Dp最多相差30%(Dnp=Dp±30%)，根據(jù)所述方法，當(dāng)托卡馬克處于等離子體生成相位時(shí)，由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率/能力升高到相對高的水平，而當(dāng)托卡馬克不再處于等離子體生成相位時(shí)，由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻能力降低至相對低的水平。
本發(fā)明更具體地涉及用于冷卻托卡馬克的構(gòu)件、即用于間歇地生成等離子體的設(shè)備的構(gòu)件的脈沖負(fù)載冷卻方法和制冷器。
背景技術(shù)：
托卡馬克(Tokamak,俄語“ToroidalnayaKamera c Magnitnymi Katushkami，，的首字母縮略語)是能夠產(chǎn)生從熔融獲得功率所需的物理?xiàng)l件的設(shè)備。具體地，托卡馬克間歇地產(chǎn)生等離子體,即導(dǎo)電的電離氣體。托卡馬克的冷卻要求取決于它們的高瞬態(tài)操作狀態(tài)。托卡馬克在不連續(xù)、重復(fù)的爆炸中產(chǎn)生等離子體。等離子體按需以規(guī)則的間隔或者隨機(jī)地循環(huán)生成。該操作模式需要所謂的脈沖載荷冷卻，即在很短的時(shí)間量(在等離子體生成相位期間)需要很大的冷卻能力，這種高冷卻要求之后為冷卻要求低的較長周期(直到生成下一個(gè)等離子體)。托卡馬克制冷器因此設(shè)計(jì)成滿足該操作模式的要求。因此，這些制冷器采用所謂的“節(jié)約裝置”模式，在等離子體之間的周期中產(chǎn)生液氦。所產(chǎn)生的液氦被存儲在儲器中，所述液氦將通過沸騰被消耗，以在等離子體生成相位期間冷卻托卡馬克的構(gòu)件。當(dāng)兩個(gè)等離子體之間的周期足夠長時(shí)，液氦儲器在接下來的等離子體前達(dá)到最大充填水平。然后可以降低制冷器的冷卻能力，從而節(jié)省大量功率。在常規(guī)方案中，通過減小循環(huán)的壓力(即，通過降低氦在其工作循環(huán)中的壓縮的壓力水平)來使制冷器的功率最小化。當(dāng)使用調(diào)頻器時(shí)，也可以通過改變循環(huán)流速來降低或升高制冷器的功率(即，選擇性地降低或升高通過工作循環(huán)的氦氣的流速)。加熱器通常設(shè)置在液氦儲器中。啟用該加熱器以便消耗過量的冷卻能力，從而保持液位恒定或至少低于最大閾值。通常，當(dāng)生成新等離子體時(shí)，(由操作人員)手動地或者根據(jù)加熱器的“加熱曲線”來使制冷器產(chǎn)生最大冷卻能力。當(dāng)?shù)入x子體已消失并且所需的冷卻能力較低時(shí)，制冷器返回產(chǎn)生較小冷卻能力的機(jī)制通常在未向加熱器供給功率時(shí)自動實(shí)現(xiàn)。盡管該操作模式總體上合意，但制冷器的功率消耗保持較高。某些托卡馬克通過重復(fù)、周期性和循環(huán)地生成等離子體來操作，所述等離子體的周期性輪廓接近正弦模式，即，等離子體相位和沒有等離子體的相位以相等或基本上相等的時(shí)長周期性地更替。盡管在通/斷模式下生成等離子體，但制冷器所具備的熱負(fù)載(即冷卻要求)與正弦波相似。通常，通過使工作流體(例如氦)的工作循環(huán)的壓力和流速與冷卻要求匹配來調(diào)節(jié)制冷器的功率。為了簡單起見，在下文的描述中將該工作流體稱為“氦”。當(dāng)然，該工作流體并不僅限于該氣體而是可以包括任何合適的氣體或氣體混合物。
高冷卻能力制冷器的工作循環(huán)常常包括三個(gè)循環(huán)壓力水平高壓(HP)、中壓(MP)和低壓(BP)。有時(shí)，在需要時(shí)，氦承受其它另外的壓力水平。例如，該工作循環(huán)可以包括其中氦承受低于大氣壓的壓力(LP)的階段。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置并不限于特定數(shù)量的壓力階段。高壓HP氦被進(jìn)給到發(fā)生相當(dāng)大程度膨脹的系統(tǒng)，諸如Brayton渦輪機(jī)、冷渦輪機(jī)或 Joule-Thomson 閥。通常需要中壓MP氦來限制Brayton潤輪機(jī)的功率,所述Brayton潤輪機(jī)并非始終在技術(shù)上能夠使氦在高壓HP水平和低壓BP水平之間完全膨脹。于是高壓HP水平和中壓MP水平之間可能存在受限的膨脹。此外，中壓MP水平的存在可以得益于通過對氦壓縮進(jìn)行分級來提高壓縮機(jī)的效率。普遍使用理論值MP二 BPxHP來設(shè)計(jì)最佳壓力級。低壓BP就其本身而言與氦的飽和壓力和壓縮機(jī)的入口壓力對應(yīng)。當(dāng)所需的氦溫度低于4. 3K時(shí)，飽和壓力為低于大氣壓(LP)，于是在低于大氣壓的壓力LP和低壓BP之間需要另外的壓縮級。本發(fā)明的發(fā)明人已觀察到調(diào)節(jié)制冷器的功率以便恰當(dāng)?shù)貪M足托卡馬克的冷卻要求較為困難并需要操作人員一方作出大量的努力。特別地，控制托卡馬克的熱負(fù)載的規(guī)則性相對困難。本發(fā)明的發(fā)明人已觀察到，如果制冷器的功率調(diào)節(jié)得不好，則緩沖區(qū)中的液氦液位在各循環(huán)間可能總是升高或降低。因此，需要中斷等離子體生成的順序以便允許緩沖罐中的液氦液位返回其初始狀態(tài)或給定的充填水平，以試圖只要有可能就將該水平保持在最大閾值和最小閾值之間——這對于設(shè)備的安全操作是必要的。作者為Dauguet P. ;Briend P. ;Deschildre C.和 Sequeira S. E.的文章“UsingDynamic Simulation to support Helium Refrigerator Process Engineering”，Proceedings of ICEC 22-ICMC 2008，第39-44頁記載了一種冷卻方法，其中控制冷卻裝置以便保持工作循環(huán)壓力恒定并且還保持冷卻裝置所消耗的電力恒定。本發(fā)明的一個(gè)目的是減輕上文觸及的現(xiàn)有技術(shù)的全部或一部分缺點(diǎn)。具體地，本發(fā)明的目的是提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的冷卻方法和制冷器。

發(fā)明內(nèi)容
為此，根據(jù)本發(fā)明而且還根據(jù)上文在前序部分中給出的本發(fā)明的一般定義的方法的特征主要在于，在托卡馬克的“周期性和對稱的”操作相位期間，使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制一即，生成高冷卻水平和生成低冷卻功率水平耗費(fèi)的相應(yīng)相位的時(shí)長最多相差30%——來調(diào)節(jié)冷卻裝置的冷卻功率/能力，并且冷卻功率變化以便產(chǎn)生冷卻功率的逐漸升高和降低，并且響應(yīng)于在托卡馬克中開始所述等離子體的步驟期間——即，在構(gòu)件上的熱負(fù)載升高前——產(chǎn)生的信號而在預(yù)期生成等離子體時(shí)觸發(fā)由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率的升高。此外，本發(fā)明的實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)以下特征-所述工作循環(huán)包括其中工作流體在托卡馬克的周期性和對稱的操作相位期間分別承受高壓、中壓和低壓的階段，使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制來調(diào)節(jié)高壓水平和中壓水平中的至少一者，即，對于最多相差30%的相應(yīng)時(shí)長在相應(yīng)較高值和較低值之間調(diào)節(jié)壓力的振幅；-通過在相應(yīng)的預(yù)設(shè)平均壓力值左右調(diào)制壓力的振幅來調(diào)整高壓水平和/或中壓水平； -通過實(shí)行以下中的至少一者的電子邏輯器件來自動執(zhí)行壓力振幅的調(diào)制_比例積分微分(PID)閉環(huán)控制；-通過實(shí)行以下中的至少一者的電子邏輯器件來自動執(zhí)行壓力振幅的調(diào)制-比例積分微分(PID)閉環(huán)控制；-經(jīng)由諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應(yīng)控制法則的迭代控制或線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)控制；-經(jīng)由諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應(yīng)控制法則的迭代控制；和-線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)控制；-所述方法包括其中冷卻裝置使工作流體液化并將液化的流體存儲在緩沖儲器中以便在等離子體相位期間使用所述流體來釋放冷卻功率的至少一個(gè)周期，根據(jù)在緩沖儲器中測定的液位和/或根據(jù)該液位的平均值來調(diào)整高壓水平和/或中壓和/或低壓水平；-根據(jù)在緩沖儲器中測定的液位的均方根(RMS)值來調(diào)整高壓水平和/或中壓和/或低壓水平；-根據(jù)緩沖儲器中的液位的最大測定值來調(diào)整高壓水平和/或中壓水平和/或低壓水平；-調(diào)整冷卻裝置的冷卻能力，以便一方面在等離子體相位期間從預(yù)設(shè)的初始液位開始消耗緩沖液儲器中的液體，且另一方面在等離子體相位之間使儲器恢復(fù)至所述初始液位；-調(diào)整冷卻裝置的冷卻功率以便保持儲器中的液位的平均值恒定；-托卡馬克的周期性和對稱的操作模式向構(gòu)件施加諧波熱負(fù)載；-使用諧波強(qiáng)制控制來調(diào)整冷卻裝置的冷卻功率；-托卡馬克以預(yù)設(shè)時(shí)長Dp生成等離子體，兩個(gè)連續(xù)的等離子體之間的間隔的時(shí)長Dnp介于等離子體的時(shí)長Dp的80%到120%之間(Dnp=Dp±20%)且優(yōu)選地兩個(gè)連續(xù)的等離子體之間的間隔的時(shí)長Dnp介于等離子體的時(shí)長Dp的90%到110%之間(Dnp=Dp± 10%)；-一方面生成高冷卻水平和另一方面生成低冷卻功率水平所耗費(fèi)的相應(yīng)時(shí)間最多相差20%且優(yōu)選最多相差10% ；
-當(dāng)存在可以在托卡馬克中觀察到的物理參數(shù)的預(yù)設(shè)修改時(shí)生成信號；-當(dāng)存在以下物理參數(shù)中的至少一者的預(yù)設(shè)修改時(shí)生成信號托卡馬克的內(nèi)部溫度的預(yù)設(shè)升高；用于使托卡馬克切換到等離子體生成相位的手動或自動控制信號；與壓力和/或電流和/或電壓和/或磁場測量值相關(guān)的電信號；或由諸如照相機(jī)或一根或多根光纖之類的光學(xué)測量儀器傳輸?shù)男盘枺?經(jīng)由使所產(chǎn)生的過量液氦氣化的加熱器和/或經(jīng)由選擇性地使由冷卻單元輸出的氦的一部分返回壓縮站的冷旁通系統(tǒng)來選擇性地調(diào)整由制冷器產(chǎn)生的超過熱負(fù)載的冷卻功率的至少一部分；-響應(yīng)于構(gòu)件上的熱負(fù)載的預(yù)設(shè)變化——即構(gòu)件的冷卻要求的預(yù)設(shè)變化——而自動觸發(fā)由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率降低到低水平；以及-響應(yīng)于以下中的至少一者而自動觸發(fā)由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率的降低指示確保構(gòu)件和工作流體之間的換熱的流體回路中的預(yù)設(shè)降溫的信號；儲罐中的液氦液位的升 高；冷旁路的開度閾值；和/或冷壓縮機(jī)或渦輪機(jī)的閾值速度。本發(fā)明因此可以在于周期性或?qū)ΨQ地——例如協(xié)調(diào)地或者以接近協(xié)調(diào)變化的周期方式一強(qiáng)制地改變工作循環(huán)的高壓HP、中壓MP和可選地低壓BP和/或LP水平。因此，本發(fā)明允許不以瞬時(shí)可觀察量而是以適合于協(xié)調(diào)機(jī)制的可觀察量來調(diào)整制冷器，諸如-在緩沖儲器中測定的液氦液位的平均值；和/或-在緩沖儲器中測定的液氦液位的均方根(RMS)平均值；-在緩沖儲器中測定的液氦液位的最大值，然后可以根據(jù)液位的均方根(RMS)值通過相應(yīng)平均值左右的振幅調(diào)制來調(diào)整工作循環(huán)的壓力(MP和/或HP和/或BP)。該方案保證了在每一個(gè)等離子體生成循環(huán)之間緩沖罐中的液氦液位返回其初始狀態(tài)并且該液位的平均值保持恒定。這具有以下優(yōu)點(diǎn)允許制冷器并因此間接允許托卡馬克在恒定的協(xié)調(diào)機(jī)制——即，在制冷器和托卡馬克操作期間改變的所有物理參數(shù)具有恒定或基本上恒定的平均值的機(jī)制——下連續(xù)操作而不中斷。本發(fā)明還涉及一種用于冷卻托卡馬克的構(gòu)件的脈沖負(fù)載制冷器，所述制冷器裝備有冷卻裝置，所述冷卻裝置包括形成用于諸如氦之類的工作流體的工作循環(huán)的回路，所述冷卻裝置的回路包括-用于壓縮工作氣體的站，所述站裝備有至少一個(gè)壓縮機(jī)；-預(yù)冷/冷卻單元，其包括至少一個(gè)熱交換器和用于使從壓縮站輸出的工作氣體膨脹的至少一個(gè)構(gòu)件；-用于在冷卻的工作流體和構(gòu)件之間換熱的系統(tǒng)；以及-用于使已與構(gòu)件換熱的流體返回壓縮站的系統(tǒng)，所述制冷器包括電子邏輯器件，所述電子邏輯器件用于控制冷卻裝置，從而確保由所述冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率的調(diào)整，以便該冷卻功率在托卡馬克處于等離子體生成相位時(shí)迅速升高至相對高的水平，所述制冷器的特征在于，所述托卡馬克包括每次在開始等離子體時(shí)都發(fā)射觸發(fā)信號的發(fā)射器，所述電子邏輯器件包括接收器，所述接收器接收所述觸發(fā)信號以便在接收該信號后自動請求由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率的升高，并且所述電子控制邏輯器件構(gòu)造成響應(yīng)于所述信號而使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制來選擇性地調(diào)整冷卻裝置的冷卻功率。根據(jù)其它可能的特征-制冷器可以包括測量可以在托卡馬克中觀察到并且指示等離子體是否被撞擊的物理參數(shù)的值的傳感器，所述傳感器向所述發(fā)射器傳送信號，以便給電子控制邏輯器件提供輸入；-所述傳感器包括以下中的至少一者用于感測托卡馬克的內(nèi)部溫度或外部溫度的傳感器；用于感測請求托卡馬克從所謂的“待命”相位切換到等離子體生成相位的手動或自動命令的切換傳感器；或托卡馬克的儀器中存在的任何其它電傳感器；-預(yù)冷/冷卻單元包括在工作循環(huán)期間液化的流體的緩沖儲器；加熱器，其可以被選擇性地啟用以便使儲器的一部分液化的流體氣化；以及用于在儲器的流體和構(gòu)件之間選擇性地?fù)Q熱的回路，所述制冷器包括測量構(gòu)件上的熱負(fù)載的傳感器，即測量代表待冷卻的構(gòu)件的冷卻要求的量的值的傳感器，所述測量構(gòu)件上的熱負(fù)載的傳感器向電子控制邏輯·器件傳送信號，所述電子控制邏輯器件被編程為響應(yīng)于指示構(gòu)件上的熱負(fù)載的預(yù)設(shè)降低的信號而將由冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率降低至相對低的水平；并且-測量構(gòu)件上的熱負(fù)載的傳感器包括以下中的至少一者用于感測選擇性地確保構(gòu)件與工作流體之間的換熱的流體回路中的溫度的傳感器；壓力傳感器；用于測量向加熱器供給的電力的裝置；以及用于測量冷卻裝置的冷壓縮機(jī)和/或渦輪機(jī)的速度的裝置。本發(fā)明還可以涉及包括上述或下述特征的任何組合的任何替換裝置或方法。因此，對于“周期性和對稱地”操作的托卡馬克，本發(fā)明允許自動地調(diào)整制冷器的冷卻功率，使液氦消耗最小化。如下文將描述的，本發(fā)明允許減少制冷器的總體功率消耗。本發(fā)明尤其允許縮短在制冷器的最大冷卻功率下使用制冷器的周期長度。本發(fā)明并未局限于嚴(yán)格的正弦操作模式，而是可以適用于與其類似的任何周期機(jī)制，即具有時(shí)長類似或相等的高功率和低功率相位的周期機(jī)制。例如，本發(fā)明還適用于其中熱負(fù)載信號可能與正方形周期波形、三角形周期波形或半正弦周期波形或任何其它周期波形類似的操作模式。


其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在閱讀下文參考附圖給出的描述后變得明顯，在附圖中-圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明的托卡馬克制冷器的結(jié)構(gòu)和操作的局部示意圖；-圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例的托卡馬克制冷器的結(jié)構(gòu)和操作的局部示意圖；以及-圖3在同一個(gè)曲線圖上示出了托卡馬克的構(gòu)件上的熱負(fù)載CT的隨時(shí)間的示范性正弦變化和相關(guān)的制冷器的隨時(shí)間(t)變化的兩個(gè)循環(huán)壓力設(shè)定點(diǎn)信號CC、CH—分別為正方形和諧波波形。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將參考圖I描述總的操作原理。圖I中示意性地示出的制冷器以傳統(tǒng)方式包括冷卻裝置2，所述冷卻裝置2包括使氦經(jīng)歷工作循環(huán)以便產(chǎn)生冷卻效果的回路。
冷卻裝置2的回路包括裝備有至少一個(gè)壓縮機(jī)8的壓縮站12，所述壓縮機(jī)8壓縮氦。一旦從壓縮站12輸出，氦便進(jìn)入冷卻單元32 (可選地帶有預(yù)冷單元22)。冷卻/預(yù)冷單元22、32包括與氦換熱以便冷卻氦的一個(gè)或多個(gè)交換器10。冷卻/預(yù)冷單元22、32包括用于使氦膨脹的一個(gè)或多個(gè)渦輪機(jī)211。優(yōu)選地，冷卻/預(yù)冷單元22、32采用Brayton循環(huán)。至少一部分氦在從冷卻/預(yù)冷單元22、32輸出前液化，并且設(shè)置了回路4、7以確保液氦與待冷卻的托卡馬克構(gòu)件I之間的選擇性換熱。待冷卻的構(gòu)件I例如包括利用超導(dǎo)磁體獲得磁場的發(fā)生器，和/或一個(gè)或多個(gè)低溫泵。換熱回路4、7例如可以包括存儲液氦儲備的罐4和管道以及確保構(gòu)件I和液氦之間的間接換熱的一個(gè)或多個(gè)交換器。在與構(gòu)件I換熱期間被加熱的氦的至少一部分返回壓縮站。在返回壓縮站12的過程中，氦可以用于冷卻交換器10，所述交換器10又冷卻從壓縮站12輸出的氦。 當(dāng)托卡馬克11中生成等離子體時(shí)，構(gòu)件I承受較高的熱負(fù)載(即，升高的冷卻要求)。因此必須升高冷卻裝置2的冷卻能力。制冷器具備用于控制冷卻裝置2的電子邏輯器件15，所述電子邏輯器件15尤其允許調(diào)整由所述冷卻裝置2產(chǎn)生的冷卻能力。具體地，電子邏輯器件15允許該冷卻能力在托卡馬克11處于等離子體生成相位時(shí)快速升高至相對高的水平(例如提供最大冷卻效果的水平)。同樣，電子邏輯器件15控制該冷卻能力在托卡馬克11不再處于等離子體生成相位時(shí)降低至相對低的水平(例如預(yù)設(shè)的最低水平)。通常通過修改循環(huán)壓力P—即氦在工作循環(huán)期間承受的壓縮12的壓力水平(BP和/或MP和/或HP)——來獲得由冷卻裝置2產(chǎn)生的冷卻能力的變化。如果需要的話，也可以通過修改循環(huán)流速，S卩，通過修改通過工作循環(huán)的氦的流速，來執(zhí)行由冷卻裝置2產(chǎn)生的冷卻能力的變化。為了滿足周期性和對稱地生成等離子體的托卡馬克的構(gòu)件I的冷卻要求(尤其是在與正弦機(jī)制相似的諧波機(jī)制下)，又使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制來調(diào)整冷卻裝置2的冷卻能力，并且在觀察到構(gòu)件I上的熱負(fù)載的作用之前在希望生成等離子體時(shí)觸發(fā)由冷卻裝置2產(chǎn)生的冷卻能力的升高。此外，優(yōu)選地，冷卻能力的變化產(chǎn)生逐漸且非全有或全無的變化的冷卻能力的升高或降低。借助于例如在撞擊托卡馬克11中的等離子體的步驟期間產(chǎn)生的信號S來預(yù)期冷卻能力的升聞。因此，與現(xiàn)有技術(shù)形成對照，根據(jù)本發(fā)明的制冷器的裝置2的冷卻能力的升高并非響應(yīng)于液氦儲備的加熱器的加熱曲線上的信息而觸發(fā)。相反，低冷卻能力操作模式和高冷卻能力操作模式之間的這種切換是自動的并且相對于加熱器的加熱曲線上的相關(guān)信息來預(yù)期。具體地，在根據(jù)本發(fā)明的制冷器中，托卡馬克11包括用于在等離子體被撞擊時(shí)發(fā)射信號S的發(fā)射器(參見圖2)。該信號S被(有線或無線地)發(fā)送到電子邏輯器件15。為此，電子邏輯器件15可以包括用于接收所述信號S的接收器。當(dāng)該信號S被接收時(shí)，電子邏輯器件15自動請求由冷卻裝置2產(chǎn)生的冷卻能力的升高。指示等離子體正在托卡馬克中被撞擊的信號S例如基于可以在托卡馬克11中或其上游(而不是像現(xiàn)有技術(shù)中的情形那樣在托卡馬克11的下游)觀察到的物理參數(shù)。例如，且不限于這一點(diǎn)，為了檢測等離子體相位何時(shí)已開始而監(jiān)控的物理參數(shù)可以包括以下中的至少一者托卡馬克的內(nèi)部溫度的閾值；電氣控制信號；來自操作人員的起動托卡馬克或任何其它相當(dāng)?shù)难b置的手動控制信號；以及壓力和/或電流和/或電壓和/或磁場測量值。該有利特征允許檢測等離子體生成相位的開始并且可以利用熱負(fù)載在托卡馬克的核心(等離子體生成區(qū)域)和制冷器的熱界面(待冷卻的構(gòu)件I)之間的傳遞的時(shí)間常數(shù)。這樣，制冷器考慮了系統(tǒng)的慣性，以便在觀察到其對構(gòu)件I的影響之前預(yù)期升高的冷卻要求。因此，通過本發(fā)明，冷卻能力機(jī)制的改變以在升高的熱負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)可立即獲得制冷器的最大功率這樣的方式發(fā)生。這可以在觀察到熱負(fù)載對氦緩沖浴的影響前緩慢和平滑地改變循環(huán)的壓力。此 夕卜，這種預(yù)期可以優(yōu)化制冷器的功率消耗并限制液氦液位的變化幅度。在諧波機(jī)制的特定情形中，這種預(yù)期還可以實(shí)現(xiàn)相位提前，所述相位提前具有穩(wěn)定作用并提高調(diào)整的可靠性。為了補(bǔ)償制冷器產(chǎn)生的過剩功率(在觀察到熱負(fù)載的影響前有意提高由制冷器產(chǎn)生的功率)，一個(gè)方案可以在于在制冷器中設(shè)置所謂的冷旁通系統(tǒng)。冷旁路31因此可以可選地設(shè)置在最后一個(gè)渦輪機(jī)下游，以便選擇性地使來自冷卻單元22的氦的一部分直接或間接返回壓縮站12。這種系統(tǒng)30、31有利地允許使循環(huán)的壓力和流速變得平穩(wěn)(參看圖2)。這還允許限制冷卻單元12的溫度變化幅度(例如文獻(xiàn)W02009/024705中記載了這種冷旁路的操作模式)。該方案可以消除加熱器的不可忽略不計(jì)的功率消耗，并恰當(dāng)?shù)叵拗评鋯卧臏囟茸兓取Ｊ褂眉訜崞骱?或冷旁路使得可以使用任何過剩的冷卻功率來降低冷卻單元32的熱交換器的溫度。這允許減小通過冷卻單元32的各級的渦輪機(jī)的流速。圖2示出了這種用于非限制性的示范性制冷器2的操作模式。圖2中的制冷器的壓縮站12包括兩個(gè)壓縮機(jī)8。所述壓縮機(jī)例如限定三個(gè)壓力級低壓BP水平(在壓縮站12的入口處)，中壓MP水平(在第一壓縮機(jī)8的出口處)，和高壓HP水平(在第二壓縮機(jī)8的出口處)。如圖所示，壓縮站12可以包括用于使液態(tài)氫轉(zhuǎn)移到緩沖儲罐16的管道18。閥17系統(tǒng)允許調(diào)整氦在工作回路3和緩沖儲罐16之間的轉(zhuǎn)移。同樣，以常規(guī)方式，可以設(shè)置裝備有相應(yīng)閥的管道19以便確保經(jīng)壓縮的氦選擇性地返回特定壓縮級。在從壓縮站12輸出后，氦進(jìn)入預(yù)冷單元22，其中該氦經(jīng)由與一個(gè)或多個(gè)交換器10換熱而被冷卻并可選地在渦輪機(jī)211中膨脹。也可以設(shè)置裝備有閥120的管道20以便使來自預(yù)冷單元的氦選擇性地返回壓縮站12。然后高壓氦進(jìn)入冷卻單元32。氦經(jīng)由與一個(gè)或多個(gè)交換器10換熱而被冷卻并可選地在一個(gè)或多個(gè)渦輪機(jī)211中膨脹。如上所述，可以設(shè)置裝備有閥30的冷旁通管道31以便使膨脹的氦選擇性地返回壓縮站12。在冷卻單元中液化的氦主要被存儲在儲器4中。該液氦儲器4形成計(jì)劃與待冷卻的構(gòu)件I換熱的冷儲器。冷卻例如經(jīng)由裝備有泵122的閉環(huán)回路7而發(fā)生。從儲器4輸出的經(jīng)加熱的氦然后返回壓縮站12(例如經(jīng)由可選地裝備有壓縮機(jī)14的管道13)。在其返回期間，氦可以用于冷卻冷卻單元32和預(yù)冷單元22的交換器10。電子邏輯器件15 (其可以包括微處理器)連接到壓縮站12，以便調(diào)整冷卻能力(來自各種構(gòu)件的控制信號C :閥、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)等)。電子邏輯器件15還連接到冷卻單元32和預(yù)冷單元22 (來自各種構(gòu)件的控制信號C :閥、渦輪機(jī)、加熱器等)。具體地，電子邏輯器件15控制儲器4的加熱器5以便調(diào)整儲器4中的液氦液位。根據(jù)本發(fā)明，托卡馬克11可以包括測量可以在托卡馬克11中觀察到的物理參數(shù)的值并指示等離子體何時(shí)被撞擊的傳感器111 (參見圖I)。來自所述傳感器的信號由發(fā)射器112中繼至電子邏輯器件15的接收器。
有利地，容納在制冷器和構(gòu)件I之間流動的流體的回路7中的溫度傳感器6也向電子邏輯器件15提供輸入。當(dāng)測定的溫度T降低時(shí)(S卩，冷卻要求由于等離子體相位結(jié)束而降低)，電子邏輯器件15請求C降低冷卻功率設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)然，可以通過任何其它手段，例如經(jīng)由加熱器5的加熱曲線、經(jīng)由托卡馬克中的參數(shù)、或者經(jīng)由制冷器內(nèi)部的其它可觀察量如冷壓縮機(jī)或渦輪機(jī)速度，來檢測等離子體相位的結(jié)束。具體而言，如果有意選擇不調(diào)整渦輪機(jī)的速度，則這些速度將根據(jù)所需冷卻而自然地變化，并且因此將指示熱負(fù)載正施加到液氦儲器4。這兩個(gè)參數(shù)(指示等離子體相位開始的信號S和等離子體相位后的溫度)可以用于前饋控制計(jì)劃，即，以下中的至少一者可以由例如集成在電子邏輯器件15中的數(shù)字計(jì)算機(jī)限定-工作循環(huán)中的壓力設(shè)定點(diǎn)曲線；-可選的循環(huán)調(diào)節(jié)器(用于控制工作回路中的氦流速)的頻率的控制曲線；以及-冷旁路30開啟的程度。該數(shù)字計(jì)算機(jī)可以例如使用簡單的可參數(shù)化算術(shù)函數(shù)或內(nèi)部狀態(tài)預(yù)測模型來獲得更精確的調(diào)整，以便優(yōu)化功率消耗。當(dāng)裝置2、15接收到指示等離子體正被撞擊的信號時(shí)，向壓縮站12提供最大壓力設(shè)定點(diǎn)。在該瞬間，冷卻裝置2仍處于其降低的操作模式下，并且冷旁通閥30打開(旁路上游的流體的基準(zhǔn)溫度Tref升高)。冷旁路開啟的事實(shí)限制了制冷器的功率。施加在壓縮站12中的真實(shí)壓力和得到的效果將取決于用于調(diào)整壓縮站的數(shù)字控制方法。所述調(diào)整可以使用預(yù)先限定的內(nèi)部模型、“PID”控制或諸如LQR控制之類的多變量控制等。當(dāng)儲器4上的熱負(fù)載升高時(shí)，冷旁通閥30關(guān)閉。旁路的溫度Tref降低以便向構(gòu)件I傳送最大冷卻功率。獲得最佳的壓力調(diào)整。這實(shí)現(xiàn)了大量功率節(jié)省。現(xiàn)將說明托卡馬克11的周期性和對稱的操作，其中等離子體例如向構(gòu)件I施加正弦諧波熱負(fù)載?？梢允褂弥芷诜讲ɑ鶐盘杹眍A(yù)期熱負(fù)載，S卩，可以預(yù)期由制冷器傳送的冷卻功
率的升高。
該基帶信號可以被用作上游設(shè)定點(diǎn)，從壓縮站12請求最大和最小壓力(分別地，高壓HP和/或中壓MP和/或低壓BP的設(shè)定點(diǎn))。如在上文可見，通過在等離子體被撞擊時(shí)生成的信號S來請求最大壓力設(shè)定點(diǎn)。如上所述，可以響應(yīng)于制冷器內(nèi)部的可觀察量如溫度、壓力、渦輪機(jī)速度或冷離心式壓縮機(jī)速度而請求最小壓力。優(yōu)選地，該預(yù)期的方波設(shè)定點(diǎn)(參見圖3中的信號CC)未被直接使用，因?yàn)樵撛O(shè)定點(diǎn)在制冷器設(shè)置(工作循環(huán)中的壓力、流速)中誘導(dǎo)的變化將過于突然。因此，根據(jù)本發(fā)明，方波基帶控制信號CC轉(zhuǎn)化為級進(jìn)信號，例如準(zhǔn)諧波信號(參見圖3中的CH)。為此，可以使用設(shè)定點(diǎn)濾波器來生成用于控制制冷器的級進(jìn)信號。例如，6階低通多項(xiàng)式濾波器可以將該方波基帶信號CC轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)正弦控制信號CH0可以由操作人員調(diào)節(jié)該濾波器的時(shí)間常數(shù)，以便使壓力控制的相位差與構(gòu)件I上的熱負(fù)載匹配。例如，可以使壓縮站12的壓力與冷卻單元32的最冷渦輪機(jī)211的速度同 相。在諧波機(jī)制中，如果要有效地調(diào)制壓力振幅，則重要的是且甚至必須確保制冷器設(shè)定點(diǎn)控制信號CH和熱負(fù)載CT之間的相位差正確。圖3非限制性例如示出了預(yù)期熱負(fù)載CT的制冷器循環(huán)壓力控制信號CH。圖3還示出了級進(jìn)制冷器循環(huán)壓力控制信號CH的強(qiáng)制周期性和對稱的性質(zhì)，即，圖3示出了在預(yù)期待冷卻的構(gòu)件I上的熱負(fù)載時(shí)協(xié)調(diào)和逐漸地調(diào)制制冷器的冷卻功率。當(dāng)已設(shè)定相位差時(shí)，控制邏輯器件15可以請求工作循環(huán)的壓力MP、HP、BP的振幅調(diào)制。循環(huán)的高壓HP和中壓MP的平均值是優(yōu)選由操作人員調(diào)節(jié)的參數(shù)。壓力在這些相應(yīng)的平均值左右的振幅變化是優(yōu)選由例如設(shè)置在電子邏輯器件15中的調(diào)整器自動調(diào)整的參數(shù)。該調(diào)整器可以是比例積分微分(PID)控制裝置。所述控制也可以經(jīng)由針對諧波機(jī)制中的單變量處理定制的諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應(yīng)控制法則來迭代。該調(diào)整器的可觀察量可以例如是在儲器4中測定的液氦液位的均方根(RMS)值。使用在儲器4中測定的液氦液位的均方根(RMS)值使得可以在不調(diào)整液位的值本身的情況下將液氦充填液位保持在其初始值。不過，操作人員可以選擇調(diào)整液位的平均值而不是RMS值。操作人員然后必須中斷振幅調(diào)制，即，振幅變化必須保持恒定并使用第二調(diào)整器，該第二調(diào)整器對壓力振幅的平均值而不對振幅變化起作用。一旦已獲得液氦液位的期望平均值，便優(yōu)選返回振幅調(diào)制模式，因?yàn)樵撃Ｊ綄⒉粌H允許該平均液位保持恒定，而且將允許確定液位變化的最佳幅度，從而使制冷器的平均功率消耗最小化。因此，本發(fā)明組合了允許操作人員使由制冷器消耗的功率最小化的各種調(diào)整、預(yù)期和調(diào)制過程。由于本發(fā)明采用的壓力振幅偏差，可以證實(shí)有必要控制壓縮站12的閥，以使用比例積分微分(PID)調(diào)整通常采用的更有效的控制方法。一個(gè)可能的方案是使用線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)控制，所述控制使用多個(gè)變量。該控制可以通過利用制冷器內(nèi)部或制冷器中可獲得的可觀察量(諸如壓力、溫度、渦輪機(jī)速度、冷壓縮機(jī)速度等)來將循環(huán)3中的氦的壓力的測量值(經(jīng)調(diào)整的變量)和擾動的測量值(BP和MP循環(huán)中的氦流速)兩者關(guān)聯(lián)。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法不在于簡單地將循環(huán)壓力與冷卻要求匹配。相反，根據(jù)本發(fā)明的方法在于有意決定在強(qiáng)制的、周期性和對稱的(如果需要的話，協(xié)調(diào)的)機(jī)制下調(diào)整循環(huán)壓力(尤其是HP和/或MP以及可選地BP)?？梢允褂们梆伩刂七壿嬈骷碚{(diào)整制冷器的循環(huán)的壓力(調(diào)整制冷器的冷卻能力的制冷器的循環(huán)的壓力的調(diào)整)。該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用了平均值(例如RMS值)而不是調(diào)整可觀察量的瞬時(shí)值。這使壓力振幅調(diào)整成為可能并通過組合預(yù)期和調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)而允許使用適合于諧波機(jī)制的方法來優(yōu)化制冷器的功率消耗。因此，本發(fā)明保證了托卡馬克可以連續(xù)操作而不中斷，同時(shí)使其功率消耗最小化。
本發(fā)明特別允許在一系列等離子體上逐漸減少設(shè)備的總體功率消耗，特別是當(dāng)托卡馬克尤其在諧波機(jī)制下周期性和對稱地生成等離子體時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻“托卡馬克”(11)的構(gòu)件(I)、即用于間歇地生成等離子體的設(shè)備(11)的構(gòu)件(I)的脈沖負(fù)載方法，所述方法采用使諸如氦之類的工作流體經(jīng)歷工作循環(huán)(3)的冷卻裝置(2)，所述工作循環(huán)(3)包括壓縮(12);冷卻和膨脹(22，211);與所述構(gòu)件(I)換熱(32);以及加熱，所述托卡馬克(11)包括稱為“周期性和對稱的”操作模式——即，其中以兩個(gè)連續(xù)的等離子體之間的時(shí)長(Dnp)的間隔周期性地生成預(yù)設(shè)時(shí)長(Dp)的等離子體的操作模式一的至少一個(gè)操作模式，所述間隔的時(shí)長(Dnp)與所述等離子體的時(shí)長(Dp)相差最多30% (Dnp=Dp±30%)，根據(jù)所述方法，當(dāng)所述托卡馬克(11)處于等離子體生成相位(Dp)時(shí)，由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率升高至相對高的水平，而當(dāng)所述托卡馬克(11)不再處于等離子體生成相位(Dnp)時(shí)，由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率降低至相對低的水平，所述方法的特征在于，在所述托卡馬克(11)的所述“周期性和對稱的”操作相位期間，使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制——即，生成高冷卻水平和生成低水平冷卻功率所耗費(fèi)的相應(yīng)相位的時(shí)長最多相差30%——來調(diào)整由所述冷卻裝置(2 )產(chǎn)生的冷卻功率，并且所述冷卻功率變化以便產(chǎn)生所述冷卻功率的逐漸升高和降低，并且響應(yīng)于在所述托卡馬克(11)中開始所述等離子體的步驟期間產(chǎn)生的信號(S)而在預(yù)期生成等離子體時(shí)一即，在所述構(gòu)件(I)上的熱負(fù)載升高前——觸發(fā)由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率的升聞。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述工作循環(huán)(3)包括其中所述工作流體分別承受高壓(HP)、中壓(MP)和低壓(BP)的階段，并且在所述托卡馬克的所述周期性和對稱的操作相位期間，使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制來調(diào)整所述高壓水平(HP)和所述中壓水平(MP)中的至少一者，即，在最多相差30%的相應(yīng)時(shí)長的相應(yīng)較高值和較低值之間調(diào)整所述壓力(MP，HP)的振幅。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過在相應(yīng)的預(yù)設(shè)平均壓力值左右調(diào)制所述壓力的振幅來調(diào)整所述高壓水平(HP)和/或所述中壓水平(MP)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過執(zhí)行以下中的至少一者的電子邏輯器件來自動執(zhí)行所述壓力的振幅的調(diào)制 -比例積分微分(PID)閉環(huán)控制； -經(jīng)由諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應(yīng)控制法則的迭代控制；以及 -線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)控制。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括其中所述冷卻裝置(2)使所述工作流體液化并將液化的流體存儲在緩沖儲器(4)中以便在等離子體相位期間使用所述流體來釋放冷卻功率的至少一個(gè)周期，并且根據(jù)在所述緩沖儲器(4)中測定的液位和/或根據(jù)該液位的平均值來調(diào)整所述高壓(HP)水平和/或所述中壓(MP)和/或低壓水平。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)在所述緩沖儲器(4)中測定的液位的均方根(RMS)值來調(diào)整所述高壓(HP)水平和/或所述中壓(MP)和/或低壓水平。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述緩沖儲器(4)中的液位的最大測定值來調(diào)整所述高壓(HP)水平和/或所述中壓(MP)和/或低壓水平。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，調(diào)整由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率，以便一方面在等離子體相位期間從預(yù)設(shè)的初始液位開始消耗所述緩沖儲器(4)中的液體且另一方面在等離子體相位之間使所述儲器(4)恢復(fù)至所述初始液位。
9.如權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，調(diào)整所述冷卻裝置(2)的冷卻功率以便保持所述儲器(4)中的液位的平均值恒定。
10.如權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用諧波強(qiáng)制控制來調(diào)整所述冷卻裝置(2)的冷卻功率。
11.如權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過控制所述工作循環(huán)中的所述工作流體的至少一個(gè)循環(huán)壓力的水平和/或通過調(diào)整所述工作循環(huán)中所用的、尤其在壓縮期間的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整由所述冷卻裝置產(chǎn)生的冷卻功率。
12.如權(quán)利要求I至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過直接或間接改變由所述冷 卻裝置消耗的電力來調(diào)整所產(chǎn)生的冷卻功率。
13.一種用于冷卻托卡馬克(11)的構(gòu)件(I)的脈沖負(fù)載制冷器，所述制冷器裝備有冷卻裝置(2)，所述冷卻裝置(2)包括形成用于諸如氦之類的工作流體的工作循環(huán)的回路，所述冷卻裝置(2)的所述回路包括 -用于壓縮所述工作氣體的站(12)，所述站裝備有至少一個(gè)壓縮機(jī)(8)； -預(yù)冷/冷卻單元(9)，其包括至少一個(gè)熱交換器(10)和用于使從所述壓縮站(2)輸出的工作氣體膨脹的至少一個(gè)構(gòu)件(7)； -用于在冷卻的工作流體和所述構(gòu)件(I)之間換熱的系統(tǒng)(4，7，122);以及 -用于使已與所述構(gòu)件(I)換熱的流體返回所述壓縮站(12)的系統(tǒng)(13，14，10)， 所述制冷器包括電子邏輯器件(15)，所述電子邏輯器件(15)用于控制所述冷卻裝置(2)，從而確保由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率的調(diào)整，以便該冷卻功率在所述托卡馬克(11)處于等離子體生成相位時(shí)迅速升高至相對高的水平，所述制冷器的特征在于，所述托卡馬克(11)包括每次在開始等離子體時(shí)都發(fā)射觸發(fā)信號(S)的發(fā)射器(112)，所述電子邏輯器件(15)包括接收器，所述接收器接收所述觸發(fā)信號(S)以便在接收該信號(S)后自動請求(C)由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率的升高，并且所述電子控制邏輯器件(15)構(gòu)造成響應(yīng)于所述信號(S)而使用強(qiáng)制的“周期性和對稱的”控制來選擇性地調(diào)整所述冷卻裝置(2)的冷卻功率。
14.如權(quán)利要求13所述的制冷器，其特征在于，所述電子邏輯器件(15)構(gòu)造成通過控制所述工作循環(huán)中的所述工作流體的至少一個(gè)循環(huán)壓力和/或通過控制所述工作循環(huán)中所用的、尤其在所述壓縮期間的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變由所述裝置產(chǎn)生的冷卻功率。
15.如權(quán)利要求13或14所述的制冷器，其特征在于，所述電子邏輯器件(15)構(gòu)造成直接或間接調(diào)整由所述冷卻裝置消耗的電力。
全文摘要
一種用于托卡馬克(11)的構(gòu)件(1)的脈沖負(fù)載制冷的方法，所述方法使用使諸如氦之類的工作流體經(jīng)歷工作循環(huán)(3)的制冷裝置(2)，所述托卡馬克(11)包括稱為“周期性和對稱的”的至少一種操作模式，根據(jù)所述方法，當(dāng)所述托卡馬克(11)處于等離子體生成相位時(shí)(Dp)，由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率升高至相對高的水平，而當(dāng)所述托卡馬克(11)不再處于等離子體生成相位時(shí)(Dnp)，由所述冷卻裝置(2)產(chǎn)生的冷卻功率降低至相對低的水平，所述方法的特征在于，在所述托卡馬克(11)的所述“周期性和對稱的”操作相位期間，根據(jù)也屬于“周期性和對稱的”類型——亦即其中生成高制冷水平和生成低制冷功率水平的相應(yīng)時(shí)長最多相差30%——的強(qiáng)制變化來調(diào)整所述制冷裝置(2)的制冷功率，并且制冷功率的變化帶來制冷功率的逐漸升高或降低，并且響應(yīng)于在所述托卡馬克(11)中的等離子體開始步驟期間——亦即在所述構(gòu)件(1)上的熱負(fù)載升高前——生成的信號(S)而提前觸發(fā)由所述制冷裝置(2)產(chǎn)生的制冷功率的升高。
文檔編號F25B9/00GK102803866SQ201180014746
公開日2012年11月28日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者G·艾古伊, P·布里安, C·德希爾德爾, E·法福, J-M·伯恩哈特, F·德爾凱爾 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司