专利名称：制冷方法和具有脉冲载荷的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲负载冷却方法和制冷器。本发明更具体地涉及用于冷却“托卡马克(Tokamak)”的构件——即用于间歇地生成等离子体的设备的构件——的脉冲负载方法，所述方法采用使诸如氦之类的工作流体经历工作循环的冷却装置，所述工作循环包括压缩；冷却和膨胀；与构件进行换热；以及加热，所述托卡马克包括至少一个称为“周期性和对称的”操作模式的操作模式，即以两个连续的等离子体之间的时长Dp的间隔周期性地产生预设时长Dp的等离子体的操作模式，所述间隔的时长与等离子体的时长Dp最多相差30%(Dnp=Dp±30%)，根据所述方法，当托卡马克处于等离子体生成相位时，由冷却装置产生的冷却功率/能力升高到相对高的水平，而当托卡马克不再处于等离子体生成相位时，由冷却装置产生的冷却能力降低至相对低的水平。
本发明更具体地涉及用于冷却托卡马克的构件、即用于间歇地生成等离子体的设备的构件的脉冲负载冷却方法和制冷器。
背景技术：
托卡马克(Tokamak,俄语“ToroidalnayaKamera c Magnitnymi Katushkami，，的首字母缩略语)是能够产生从熔融获得功率所需的物理条件的设备。具体地，托卡马克间歇地产生等离子体,即导电的电离气体。托卡马克的冷却要求取决于它们的高瞬态操作状态。托卡马克在不连续、重复的爆炸中产生等离子体。等离子体按需以规则的间隔或者随机地循环生成。该操作模式需要所谓的脉冲载荷冷却，即在很短的时间量(在等离子体生成相位期间)需要很大的冷却能力，这种高冷却要求之后为冷却要求低的较长周期(直到生成下一个等离子体)。托卡马克制冷器因此设计成满足该操作模式的要求。因此，这些制冷器采用所谓的“节约装置”模式，在等离子体之间的周期中产生液氦。所产生的液氦被存储在储器中，所述液氦将通过沸腾被消耗，以在等离子体生成相位期间冷却托卡马克的构件。当两个等离子体之间的周期足够长时，液氦储器在接下来的等离子体前达到最大充填水平。然后可以降低制冷器的冷却能力，从而节省大量功率。在常规方案中，通过减小循环的压力(即，通过降低氦在其工作循环中的压缩的压力水平)来使制冷器的功率最小化。当使用调频器时，也可以通过改变循环流速来降低或升高制冷器的功率(即，选择性地降低或升高通过工作循环的氦气的流速)。加热器通常设置在液氦储器中。启用该加热器以便消耗过量的冷却能力，从而保持液位恒定或至少低于最大阈值。通常，当生成新等离子体时，(由操作人员)手动地或者根据加热器的“加热曲线”来使制冷器产生最大冷却能力。当等离子体已消失并且所需的冷却能力较低时，制冷器返回产生较小冷却能力的机制通常在未向加热器供给功率时自动实现。尽管该操作模式总体上合意，但制冷器的功率消耗保持较高。某些托卡马克通过重复、周期性和循环地生成等离子体来操作，所述等离子体的周期性轮廓接近正弦模式，即，等离子体相位和没有等离子体的相位以相等或基本上相等的时长周期性地更替。尽管在通/断模式下生成等离子体，但制冷器所具备的热负载(即冷却要求)与正弦波相似。通常，通过使工作流体(例如氦)的工作循环的压力和流速与冷却要求匹配来调节制冷器的功率。为了简单起见，在下文的描述中将该工作流体称为“氦”。当然，该工作流体并不仅限于该气体而是可以包括任何合适的气体或气体混合物。
高冷却能力制冷器的工作循环常常包括三个循环压力水平高压(HP)、中压(MP)和低压(BP)。有时，在需要时，氦承受其它另外的压力水平。例如，该工作循环可以包括其中氦承受低于大气压的压力(LP)的阶段。然而，根据本发明的方法和装置并不限于特定数量的压力阶段。高压HP氦被进给到发生相当大程度膨胀的系统，诸如Brayton涡轮机、冷涡轮机或 Joule-Thomson 阀。通常需要中压MP氦来限制Brayton润轮机的功率,所述Brayton润轮机并非始终在技术上能够使氦在高压HP水平和低压BP水平之间完全膨胀。于是高压HP水平和中压MP水平之间可能存在受限的膨胀。此外，中压MP水平的存在可以得益于通过对氦压缩进行分级来提高压缩机的效率。普遍使用理论值MP二 BPxHP来设计最佳压力级。低压BP就其本身而言与氦的饱和压力和压缩机的入口压力对应。当所需的氦温度低于4. 3K时，饱和压力为低于大气压(LP)，于是在低于大气压的压力LP和低压BP之间需要另外的压缩级。本发明的发明人已观察到调节制冷器的功率以便恰当地满足托卡马克的冷却要求较为困难并需要操作人员一方作出大量的努力。特别地，控制托卡马克的热负载的规则性相对困难。本发明的发明人已观察到，如果制冷器的功率调节得不好，则缓冲区中的液氦液位在各循环间可能总是升高或降低。因此，需要中断等离子体生成的顺序以便允许缓冲罐中的液氦液位返回其初始状态或给定的充填水平，以试图只要有可能就将该水平保持在最大阈值和最小阈值之间——这对于设备的安全操作是必要的。作者为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页记载了一种冷却方法，其中控制冷却装置以便保持工作循环压力恒定并且还保持冷却装置所消耗的电力恒定。本发明的一个目的是减轻上文触及的现有技术的全部或一部分缺点。具体地，本发明的目的是提供优于现有技术的冷却方法和制冷器。
发明内容
为此，根据本发明而且还根据上文在前序部分中给出的本发明的一般定义的方法的特征主要在于，在托卡马克的“周期性和对称的”操作相位期间，使用强制的“周期性和对称的”控制一即，生成高冷却水平和生成低冷却功率水平耗费的相应相位的时长最多相差30%——来调节冷却装置的冷却功率/能力，并且冷却功率变化以便产生冷却功率的逐渐升高和降低，并且响应于在托卡马克中开始所述等离子体的步骤期间——即，在构件上的热负载升高前——产生的信号而在预期生成等离子体时触发由冷却装置产生的冷却功率的升高。此外，本发明的实施例可以包括一个或多个以下特征-所述工作循环包括其中工作流体在托卡马克的周期性和对称的操作相位期间分别承受高压、中压和低压的阶段，使用强制的“周期性和对称的”控制来调节高压水平和中压水平中的至少一者，即，对于最多相差30%的相应时长在相应较高值和较低值之间调节压力的振幅；-通过在相应的预设平均压力值左右调制压力的振幅来调整高压水平和/或中压水平； -通过实行以下中的至少一者的电子逻辑器件来自动执行压力振幅的调制_比例积分微分(PID)闭环控制；-通过实行以下中的至少一者的电子逻辑器件来自动执行压力振幅的调制-比例积分微分(PID)闭环控制；-经由诸如最小均方(LMS)法则之类的自适应控制法则的迭代控制或线性二次型调节器(LQR)控制；-经由诸如最小均方(LMS)法则之类的自适应控制法则的迭代控制；和-线性二次型调节器(LQR)控制；-所述方法包括其中冷却装置使工作流体液化并将液化的流体存储在缓冲储器中以便在等离子体相位期间使用所述流体来释放冷却功率的至少一个周期，根据在缓冲储器中测定的液位和/或根据该液位的平均值来调整高压水平和/或中压和/或低压水平；-根据在缓冲储器中测定的液位的均方根(RMS)值来调整高压水平和/或中压和/或低压水平；-根据缓冲储器中的液位的最大测定值来调整高压水平和/或中压水平和/或低压水平；-调整冷却装置的冷却能力，以便一方面在等离子体相位期间从预设的初始液位开始消耗缓冲液储器中的液体，且另一方面在等离子体相位之间使储器恢复至所述初始液位；-调整冷却装置的冷却功率以便保持储器中的液位的平均值恒定；-托卡马克的周期性和对称的操作模式向构件施加谐波热负载；-使用谐波强制控制来调整冷却装置的冷却功率；-托卡马克以预设时长Dp生成等离子体，两个连续的等离子体之间的间隔的时长Dnp介于等离子体的时长Dp的80%到120%之间(Dnp=Dp±20%)且优选地两个连续的等离子体之间的间隔的时长Dnp介于等离子体的时长Dp的90%到110%之间(Dnp=Dp± 10%)；-一方面生成高冷却水平和另一方面生成低冷却功率水平所耗费的相应时间最多相差20%且优选最多相差10% ；
-当存在可以在托卡马克中观察到的物理参数的预设修改时生成信号；-当存在以下物理参数中的至少一者的预设修改时生成信号托卡马克的内部温度的预设升高；用于使托卡马克切换到等离子体生成相位的手动或自动控制信号；与压力和/或电流和/或电压和/或磁场测量值相关的电信号；或由诸如照相机或一根或多根光纤之类的光学测量仪器传输的信号；-经由使所产生的过量液氦气化的加热器和/或经由选择性地使由冷却单元输出的氦的一部分返回压缩站的冷旁通系统来选择性地调整由制冷器产生的超过热负载的冷却功率的至少一部分；-响应于构件上的热负载的预设变化——即构件的冷却要求的预设变化——而自动触发由冷却装置产生的冷却功率降低到低水平；以及-响应于以下中的至少一者而自动触发由冷却装置产生的冷却功率的降低指示确保构件和工作流体之间的换热的流体回路中的预设降温的信号；储罐中的液氦液位的升 高；冷旁路的开度阈值；和/或冷压缩机或涡轮机的阈值速度。本发明因此可以在于周期性或对称地——例如协调地或者以接近协调变化的周期方式一强制地改变工作循环的高压HP、中压MP和可选地低压BP和/或LP水平。因此，本发明允许不以瞬时可观察量而是以适合于协调机制的可观察量来调整制冷器，诸如-在缓冲储器中测定的液氦液位的平均值；和/或-在缓冲储器中测定的液氦液位的均方根(RMS)平均值；-在缓冲储器中测定的液氦液位的最大值，然后可以根据液位的均方根(RMS)值通过相应平均值左右的振幅调制来调整工作循环的压力(MP和/或HP和/或BP)。该方案保证了在每一个等离子体生成循环之间缓冲罐中的液氦液位返回其初始状态并且该液位的平均值保持恒定。这具有以下优点允许制冷器并因此间接允许托卡马克在恒定的协调机制——即，在制冷器和托卡马克操作期间改变的所有物理参数具有恒定或基本上恒定的平均值的机制——下连续操作而不中断。本发明还涉及一种用于冷却托卡马克的构件的脉冲负载制冷器，所述制冷器装备有冷却装置，所述冷却装置包括形成用于诸如氦之类的工作流体的工作循环的回路，所述冷却装置的回路包括-用于压缩工作气体的站，所述站装备有至少一个压缩机；-预冷/冷却单元，其包括至少一个热交换器和用于使从压缩站输出的工作气体膨胀的至少一个构件；-用于在冷却的工作流体和构件之间换热的系统；以及-用于使已与构件换热的流体返回压缩站的系统，所述制冷器包括电子逻辑器件，所述电子逻辑器件用于控制冷却装置，从而确保由所述冷却装置产生的冷却功率的调整，以便该冷却功率在托卡马克处于等离子体生成相位时迅速升高至相对高的水平，所述制冷器的特征在于，所述托卡马克包括每次在开始等离子体时都发射触发信号的发射器，所述电子逻辑器件包括接收器，所述接收器接收所述触发信号以便在接收该信号后自动请求由冷却装置产生的冷却功率的升高，并且所述电子控制逻辑器件构造成响应于所述信号而使用强制的“周期性和对称的”控制来选择性地调整冷却装置的冷却功率。根据其它可能的特征-制冷器可以包括测量可以在托卡马克中观察到并且指示等离子体是否被撞击的物理参数的值的传感器，所述传感器向所述发射器传送信号，以便给电子控制逻辑器件提供输入；-所述传感器包括以下中的至少一者用于感测托卡马克的内部温度或外部温度的传感器；用于感测请求托卡马克从所谓的“待命”相位切换到等离子体生成相位的手动或自动命令的切换传感器；或托卡马克的仪器中存在的任何其它电传感器；-预冷/冷却单元包括在工作循环期间液化的流体的缓冲储器；加热器，其可以被选择性地启用以便使储器的一部分液化的流体气化；以及用于在储器的流体和构件之间选择性地换热的回路，所述制冷器包括测量构件上的热负载的传感器，即测量代表待冷却的构件的冷却要求的量的值的传感器，所述测量构件上的热负载的传感器向电子控制逻辑·器件传送信号，所述电子控制逻辑器件被编程为响应于指示构件上的热负载的预设降低的信号而将由冷却装置产生的冷却功率降低至相对低的水平；并且-测量构件上的热负载的传感器包括以下中的至少一者用于感测选择性地确保构件与工作流体之间的换热的流体回路中的温度的传感器；压力传感器；用于测量向加热器供给的电力的装置；以及用于测量冷却装置的冷压缩机和/或涡轮机的速度的装置。本发明还可以涉及包括上述或下述特征的任何组合的任何替换装置或方法。因此，对于“周期性和对称地”操作的托卡马克，本发明允许自动地调整制冷器的冷却功率，使液氦消耗最小化。如下文将描述的，本发明允许减少制冷器的总体功率消耗。本发明尤其允许缩短在制冷器的最大冷却功率下使用制冷器的周期长度。本发明并未局限于严格的正弦操作模式，而是可以适用于与其类似的任何周期机制，即具有时长类似或相等的高功率和低功率相位的周期机制。例如，本发明还适用于其中热负载信号可能与正方形周期波形、三角形周期波形或半正弦周期波形或任何其它周期波形类似的操作模式。
其它特征和优点将在阅读下文参考附图给出的描述后变得明显，在附图中-图I是示出了根据本发明的托卡马克制冷器的结构和操作的局部示意图；-图2是示出了根据本发明的另一个示范性实施例的托卡马克制冷器的结构和操作的局部示意图；以及-图3在同一个曲线图上示出了托卡马克的构件上的热负载CT的随时间的示范性正弦变化和相关的制冷器的随时间(t)变化的两个循环压力设定点信号CC、CH—分别为正方形和谐波波形。
具体实施例方式现将参考图I描述总的操作原理。图I中示意性地示出的制冷器以传统方式包括冷却装置2，所述冷却装置2包括使氦经历工作循环以便产生冷却效果的回路。
冷却装置2的回路包括装备有至少一个压缩机8的压缩站12，所述压缩机8压缩氦。一旦从压缩站12输出，氦便进入冷却单元32 (可选地带有预冷单元22)。冷却/预冷单元22、32包括与氦换热以便冷却氦的一个或多个交换器10。冷却/预冷单元22、32包括用于使氦膨胀的一个或多个涡轮机211。优选地，冷却/预冷单元22、32采用Brayton循环。至少一部分氦在从冷却/预冷单元22、32输出前液化，并且设置了回路4、7以确保液氦与待冷却的托卡马克构件I之间的选择性换热。待冷却的构件I例如包括利用超导磁体获得磁场的发生器，和/或一个或多个低温泵。换热回路4、7例如可以包括存储液氦储备的罐4和管道以及确保构件I和液氦之间的间接换热的一个或多个交换器。在与构件I换热期间被加热的氦的至少一部分返回压缩站。在返回压缩站12的过程中，氦可以用于冷却交换器10，所述交换器10又冷却从压缩站12输出的氦。 当托卡马克11中生成等离子体时，构件I承受较高的热负载(即，升高的冷却要求)。因此必须升高冷却装置2的冷却能力。制冷器具备用于控制冷却装置2的电子逻辑器件15，所述电子逻辑器件15尤其允许调整由所述冷却装置2产生的冷却能力。具体地，电子逻辑器件15允许该冷却能力在托卡马克11处于等离子体生成相位时快速升高至相对高的水平(例如提供最大冷却效果的水平)。同样，电子逻辑器件15控制该冷却能力在托卡马克11不再处于等离子体生成相位时降低至相对低的水平(例如预设的最低水平)。通常通过修改循环压力P—即氦在工作循环期间承受的压缩12的压力水平(BP和/或MP和/或HP)——来获得由冷却装置2产生的冷却能力的变化。如果需要的话，也可以通过修改循环流速，S卩，通过修改通过工作循环的氦的流速，来执行由冷却装置2产生的冷却能力的变化。为了满足周期性和对称地生成等离子体的托卡马克的构件I的冷却要求(尤其是在与正弦机制相似的谐波机制下)，又使用强制的“周期性和对称的”控制来调整冷却装置2的冷却能力，并且在观察到构件I上的热负载的作用之前在希望生成等离子体时触发由冷却装置2产生的冷却能力的升高。此外，优选地，冷却能力的变化产生逐渐且非全有或全无的变化的冷却能力的升高或降低。借助于例如在撞击托卡马克11中的等离子体的步骤期间产生的信号S来预期冷却能力的升闻。因此，与现有技术形成对照，根据本发明的制冷器的装置2的冷却能力的升高并非响应于液氦储备的加热器的加热曲线上的信息而触发。相反，低冷却能力操作模式和高冷却能力操作模式之间的这种切换是自动的并且相对于加热器的加热曲线上的相关信息来预期。具体地，在根据本发明的制冷器中，托卡马克11包括用于在等离子体被撞击时发射信号S的发射器(参见图2)。该信号S被(有线或无线地)发送到电子逻辑器件15。为此，电子逻辑器件15可以包括用于接收所述信号S的接收器。当该信号S被接收时，电子逻辑器件15自动请求由冷却装置2产生的冷却能力的升高。指示等离子体正在托卡马克中被撞击的信号S例如基于可以在托卡马克11中或其上游(而不是像现有技术中的情形那样在托卡马克11的下游)观察到的物理参数。例如，且不限于这一点，为了检测等离子体相位何时已开始而监控的物理参数可以包括以下中的至少一者托卡马克的内部温度的阈值；电气控制信号；来自操作人员的起动托卡马克或任何其它相当的装置的手动控制信号；以及压力和/或电流和/或电压和/或磁场测量值。该有利特征允许检测等离子体生成相位的开始并且可以利用热负载在托卡马克的核心(等离子体生成区域)和制冷器的热界面(待冷却的构件I)之间的传递的时间常数。这样，制冷器考虑了系统的惯性，以便在观察到其对构件I的影响之前预期升高的冷却要求。因此，通过本发明，冷却能力机制的改变以在升高的热负荷出现时可立即获得制冷器的最大功率这样的方式发生。这可以在观察到热负载对氦缓冲浴的影响前缓慢和平滑地改变循环的压力。此 夕卜，这种预期可以优化制冷器的功率消耗并限制液氦液位的变化幅度。在谐波机制的特定情形中，这种预期还可以实现相位提前，所述相位提前具有稳定作用并提高调整的可靠性。为了补偿制冷器产生的过剩功率(在观察到热负载的影响前有意提高由制冷器产生的功率)，一个方案可以在于在制冷器中设置所谓的冷旁通系统。冷旁路31因此可以可选地设置在最后一个涡轮机下游，以便选择性地使来自冷却单元22的氦的一部分直接或间接返回压缩站12。这种系统30、31有利地允许使循环的压力和流速变得平稳(参看图2)。这还允许限制冷却单元12的温度变化幅度(例如文献W02009/024705中记载了这种冷旁路的操作模式)。该方案可以消除加热器的不可忽略不计的功率消耗，并恰当地限制冷单元的温度变化幅度。使用加热器和/或冷旁路使得可以使用任何过剩的冷却功率来降低冷却单元32的热交换器的温度。这允许减小通过冷却单元32的各级的涡轮机的流速。图2示出了这种用于非限制性的示范性制冷器2的操作模式。图2中的制冷器的压缩站12包括两个压缩机8。所述压缩机例如限定三个压力级低压BP水平(在压缩站12的入口处)，中压MP水平(在第一压缩机8的出口处)，和高压HP水平(在第二压缩机8的出口处)。如图所示，压缩站12可以包括用于使液态氢转移到缓冲储罐16的管道18。阀17系统允许调整氦在工作回路3和缓冲储罐16之间的转移。同样，以常规方式，可以设置装备有相应阀的管道19以便确保经压缩的氦选择性地返回特定压缩级。在从压缩站12输出后，氦进入预冷单元22，其中该氦经由与一个或多个交换器10换热而被冷却并可选地在涡轮机211中膨胀。也可以设置装备有阀120的管道20以便使来自预冷单元的氦选择性地返回压缩站12。然后高压氦进入冷却单元32。氦经由与一个或多个交换器10换热而被冷却并可选地在一个或多个涡轮机211中膨胀。如上所述，可以设置装备有阀30的冷旁通管道31以便使膨胀的氦选择性地返回压缩站12。在冷却单元中液化的氦主要被存储在储器4中。该液氦储器4形成计划与待冷却的构件I换热的冷储器。冷却例如经由装备有泵122的闭环回路7而发生。从储器4输出的经加热的氦然后返回压缩站12(例如经由可选地装备有压缩机14的管道13)。在其返回期间，氦可以用于冷却冷却单元32和预冷单元22的交换器10。电子逻辑器件15 (其可以包括微处理器)连接到压缩站12，以便调整冷却能力(来自各种构件的控制信号C :阀、压缩机、涡轮机等)。电子逻辑器件15还连接到冷却单元32和预冷单元22 (来自各种构件的控制信号C :阀、涡轮机、加热器等)。具体地，电子逻辑器件15控制储器4的加热器5以便调整储器4中的液氦液位。根据本发明，托卡马克11可以包括测量可以在托卡马克11中观察到的物理参数的值并指示等离子体何时被撞击的传感器111 (参见图I)。来自所述传感器的信号由发射器112中继至电子逻辑器件15的接收器。
有利地，容纳在制冷器和构件I之间流动的流体的回路7中的温度传感器6也向电子逻辑器件15提供输入。当测定的温度T降低时(S卩，冷却要求由于等离子体相位结束而降低)，电子逻辑器件15请求C降低冷却功率设定点。当然，可以通过任何其它手段，例如经由加热器5的加热曲线、经由托卡马克中的参数、或者经由制冷器内部的其它可观察量如冷压缩机或涡轮机速度，来检测等离子体相位的结束。具体而言，如果有意选择不调整涡轮机的速度，则这些速度将根据所需冷却而自然地变化，并且因此将指示热负载正施加到液氦储器4。这两个参数(指示等离子体相位开始的信号S和等离子体相位后的温度)可以用于前馈控制计划，即，以下中的至少一者可以由例如集成在电子逻辑器件15中的数字计算机限定-工作循环中的压力设定点曲线；-可选的循环调节器(用于控制工作回路中的氦流速)的频率的控制曲线；以及-冷旁路30开启的程度。该数字计算机可以例如使用简单的可参数化算术函数或内部状态预测模型来获得更精确的调整，以便优化功率消耗。当装置2、15接收到指示等离子体正被撞击的信号时，向压缩站12提供最大压力设定点。在该瞬间，冷却装置2仍处于其降低的操作模式下，并且冷旁通阀30打开(旁路上游的流体的基准温度Tref升高)。冷旁路开启的事实限制了制冷器的功率。施加在压缩站12中的真实压力和得到的效果将取决于用于调整压缩站的数字控制方法。所述调整可以使用预先限定的内部模型、“PID”控制或诸如LQR控制之类的多变量控制等。当储器4上的热负载升高时，冷旁通阀30关闭。旁路的温度Tref降低以便向构件I传送最大冷却功率。获得最佳的压力调整。这实现了大量功率节省。现将说明托卡马克11的周期性和对称的操作，其中等离子体例如向构件I施加正弦谐波热负载。可以使用周期方波基带信号来预期热负载，S卩，可以预期由制冷器传送的冷却功
率的升高。
该基带信号可以被用作上游设定点，从压缩站12请求最大和最小压力(分别地，高压HP和/或中压MP和/或低压BP的设定点)。如在上文可见，通过在等离子体被撞击时生成的信号S来请求最大压力设定点。如上所述，可以响应于制冷器内部的可观察量如温度、压力、涡轮机速度或冷离心式压缩机速度而请求最小压力。优选地，该预期的方波设定点(参见图3中的信号CC)未被直接使用，因为该设定点在制冷器设置(工作循环中的压力、流速)中诱导的变化将过于突然。因此，根据本发明，方波基带控制信号CC转化为级进信号，例如准谐波信号(参见图3中的CH)。为此，可以使用设定点滤波器来生成用于控制制冷器的级进信号。例如，6阶低通多项式滤波器可以将该方波基带信号CC转化为准正弦控制信号CH0可以由操作人员调节该滤波器的时间常数，以便使压力控制的相位差与构件I上的热负载匹配。例如，可以使压缩站12的压力与冷却单元32的最冷涡轮机211的速度同 相。在谐波机制中，如果要有效地调制压力振幅，则重要的是且甚至必须确保制冷器设定点控制信号CH和热负载CT之间的相位差正确。图3非限制性例如示出了预期热负载CT的制冷器循环压力控制信号CH。图3还示出了级进制冷器循环压力控制信号CH的强制周期性和对称的性质，即，图3示出了在预期待冷却的构件I上的热负载时协调和逐渐地调制制冷器的冷却功率。当已设定相位差时，控制逻辑器件15可以请求工作循环的压力MP、HP、BP的振幅调制。循环的高压HP和中压MP的平均值是优选由操作人员调节的参数。压力在这些相应的平均值左右的振幅变化是优选由例如设置在电子逻辑器件15中的调整器自动调整的参数。该调整器可以是比例积分微分(PID)控制装置。所述控制也可以经由针对谐波机制中的单变量处理定制的诸如最小均方(LMS)法则之类的自适应控制法则来迭代。该调整器的可观察量可以例如是在储器4中测定的液氦液位的均方根(RMS)值。使用在储器4中测定的液氦液位的均方根(RMS)值使得可以在不调整液位的值本身的情况下将液氦充填液位保持在其初始值。不过，操作人员可以选择调整液位的平均值而不是RMS值。操作人员然后必须中断振幅调制，即，振幅变化必须保持恒定并使用第二调整器，该第二调整器对压力振幅的平均值而不对振幅变化起作用。一旦已获得液氦液位的期望平均值，便优选返回振幅调制模式，因为该模式将不仅允许该平均液位保持恒定，而且将允许确定液位变化的最佳幅度，从而使制冷器的平均功率消耗最小化。因此，本发明组合了允许操作人员使由制冷器消耗的功率最小化的各种调整、预期和调制过程。由于本发明采用的压力振幅偏差，可以证实有必要控制压缩站12的阀，以使用比例积分微分(PID)调整通常采用的更有效的控制方法。一个可能的方案是使用线性二次型调节器(LQR)控制，所述控制使用多个变量。该控制可以通过利用制冷器内部或制冷器中可获得的可观察量(诸如压力、温度、涡轮机速度、冷压缩机速度等)来将循环3中的氦的压力的测量值(经调整的变量)和扰动的测量值(BP和MP循环中的氦流速)两者关联。因此，根据本发明的方法不在于简单地将循环压力与冷却要求匹配。相反，根据本发明的方法在于有意决定在强制的、周期性和对称的(如果需要的话，协调的)机制下调整循环压力(尤其是HP和/或MP以及可选地BP)。可以使用前馈控制逻辑器件来调整制冷器的循环的压力(调整制冷器的冷却能力的制冷器的循环的压力的调整)。该方法的一个优点是使用了平均值(例如RMS值)而不是调整可观察量的瞬时值。这使压力振幅调整成为可能并通过组合预期和调整的优点而允许使用适合于谐波机制的方法来优化制冷器的功率消耗。因此，本发明保证了托卡马克可以连续操作而不中断，同时使其功率消耗最小化。
本发明特别允许在一系列等离子体上逐渐减少设备的总体功率消耗，特别是当托卡马克尤其在谐波机制下周期性和对称地生成等离子体时。
权利要求
1.一种用于冷却“托卡马克”(11)的构件(I)、即用于间歇地生成等离子体的设备(11)的构件(I)的脉冲负载方法，所述方法采用使诸如氦之类的工作流体经历工作循环(3)的冷却装置(2)，所述工作循环(3)包括压缩(12);冷却和膨胀(22，211);与所述构件(I)换热(32);以及加热，所述托卡马克(11)包括称为“周期性和对称的”操作模式——即，其中以两个连续的等离子体之间的时长(Dnp)的间隔周期性地生成预设时长(Dp)的等离子体的操作模式一的至少一个操作模式，所述间隔的时长(Dnp)与所述等离子体的时长(Dp)相差最多30% (Dnp=Dp±30%)，根据所述方法，当所述托卡马克(11)处于等离子体生成相位(Dp)时，由所述冷却装置(2)产生的冷却功率升高至相对高的水平，而当所述托卡马克(11)不再处于等离子体生成相位(Dnp)时，由所述冷却装置(2)产生的冷却功率降低至相对低的水平，所述方法的特征在于，在所述托卡马克(11)的所述“周期性和对称的”操作相位期间，使用强制的“周期性和对称的”控制——即，生成高冷却水平和生成低水平冷却功率所耗费的相应相位的时长最多相差30%——来调整由所述冷却装置(2 )产生的冷却功率，并且所述冷却功率变化以便产生所述冷却功率的逐渐升高和降低，并且响应于在所述托卡马克(11)中开始所述等离子体的步骤期间产生的信号(S)而在预期生成等离子体时一即，在所述构件(I)上的热负载升高前——触发由所述冷却装置(2)产生的冷却功率的升闻。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述工作循环(3)包括其中所述工作流体分别承受高压(HP)、中压(MP)和低压(BP)的阶段，并且在所述托卡马克的所述周期性和对称的操作相位期间，使用强制的“周期性和对称的”控制来调整所述高压水平(HP)和所述中压水平(MP)中的至少一者，即，在最多相差30%的相应时长的相应较高值和较低值之间调整所述压力(MP，HP)的振幅。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在相应的预设平均压力值左右调制所述压力的振幅来调整所述高压水平(HP)和/或所述中压水平(MP)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过执行以下中的至少一者的电子逻辑器件来自动执行所述压力的振幅的调制 -比例积分微分(PID)闭环控制； -经由诸如最小均方(LMS)法则之类的自适应控制法则的迭代控制；以及 -线性二次型调节器(LQR)控制。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括其中所述冷却装置(2)使所述工作流体液化并将液化的流体存储在缓冲储器(4)中以便在等离子体相位期间使用所述流体来释放冷却功率的至少一个周期，并且根据在所述缓冲储器(4)中测定的液位和/或根据该液位的平均值来调整所述高压(HP)水平和/或所述中压(MP)和/或低压水平。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据在所述缓冲储器(4)中测定的液位的均方根(RMS)值来调整所述高压(HP)水平和/或所述中压(MP)和/或低压水平。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，根据所述缓冲储器(4)中的液位的最大测定值来调整所述高压(HP)水平和/或所述中压(MP)和/或低压水平。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，调整由所述冷却装置(2)产生的冷却功率，以便一方面在等离子体相位期间从预设的初始液位开始消耗所述缓冲储器(4)中的液体且另一方面在等离子体相位之间使所述储器(4)恢复至所述初始液位。
9.如权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述冷却装置(2)的冷却功率以便保持所述储器(4)中的液位的平均值恒定。
10.如权利要求I至9中任一项所述的方法，其特征在于，使用谐波强制控制来调整所述冷却装置(2)的冷却功率。
11.如权利要求I至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制所述工作循环中的所述工作流体的至少一个循环压力的水平和/或通过调整所述工作循环中所用的、尤其在压缩期间的压缩机的转速来调整由所述冷却装置产生的冷却功率。
12.如权利要求I至11中任一项所述的方法，其特征在于，通过直接或间接改变由所述冷 却装置消耗的电力来调整所产生的冷却功率。
13.一种用于冷却托卡马克(11)的构件(I)的脉冲负载制冷器，所述制冷器装备有冷却装置(2)，所述冷却装置(2)包括形成用于诸如氦之类的工作流体的工作循环的回路，所述冷却装置(2)的所述回路包括 -用于压缩所述工作气体的站(12)，所述站装备有至少一个压缩机(8)； -预冷/冷却单元(9)，其包括至少一个热交换器(10)和用于使从所述压缩站(2)输出的工作气体膨胀的至少一个构件(7)； -用于在冷却的工作流体和所述构件(I)之间换热的系统(4，7，122);以及 -用于使已与所述构件(I)换热的流体返回所述压缩站(12)的系统(13，14，10)， 所述制冷器包括电子逻辑器件(15)，所述电子逻辑器件(15)用于控制所述冷却装置(2)，从而确保由所述冷却装置(2)产生的冷却功率的调整，以便该冷却功率在所述托卡马克(11)处于等离子体生成相位时迅速升高至相对高的水平，所述制冷器的特征在于，所述托卡马克(11)包括每次在开始等离子体时都发射触发信号(S)的发射器(112)，所述电子逻辑器件(15)包括接收器，所述接收器接收所述触发信号(S)以便在接收该信号(S)后自动请求(C)由所述冷却装置(2)产生的冷却功率的升高，并且所述电子控制逻辑器件(15)构造成响应于所述信号(S)而使用强制的“周期性和对称的”控制来选择性地调整所述冷却装置(2)的冷却功率。
14.如权利要求13所述的制冷器，其特征在于，所述电子逻辑器件(15)构造成通过控制所述工作循环中的所述工作流体的至少一个循环压力和/或通过控制所述工作循环中所用的、尤其在所述压缩期间的压缩机的转速来改变由所述装置产生的冷却功率。
15.如权利要求13或14所述的制冷器，其特征在于，所述电子逻辑器件(15)构造成直接或间接调整由所述冷却装置消耗的电力。
全文摘要
一种用于托卡马克(11)的构件(1)的脉冲负载制冷的方法，所述方法使用使诸如氦之类的工作流体经历工作循环(3)的制冷装置(2)，所述托卡马克(11)包括称为“周期性和对称的”的至少一种操作模式，根据所述方法，当所述托卡马克(11)处于等离子体生成相位时(Dp)，由所述冷却装置(2)产生的冷却功率升高至相对高的水平，而当所述托卡马克(11)不再处于等离子体生成相位时(Dnp)，由所述冷却装置(2)产生的冷却功率降低至相对低的水平，所述方法的特征在于，在所述托卡马克(11)的所述“周期性和对称的”操作相位期间，根据也属于“周期性和对称的”类型——亦即其中生成高制冷水平和生成低制冷功率水平的相应时长最多相差30%——的强制变化来调整所述制冷装置(2)的制冷功率，并且制冷功率的变化带来制冷功率的逐渐升高或降低，并且响应于在所述托卡马克(11)中的等离子体开始步骤期间——亦即在所述构件(1)上的热负载升高前——生成的信号(S)而提前触发由所述制冷装置(2)产生的制冷功率的升高。
文档编号F25B9/00GK102803866SQ201180014746
公开日2012年11月28日 申请日期2011年2月28日 优先权日2010年3月23日
发明者G·艾古伊, P·布里安, C·德希尔德尔, E·法福, J-M·伯恩哈特, F·德尔凯尔 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司