技术领域
[0001] 本
发明涉及一种脉冲负载冷却方法和制冷器。
[0002] 本发明特别涉及用于冷却“托卡
马克”（Tokamak）元件，即用于间歇产生
等离子体的装置元件的脉冲负载方法，采用使例如氦的
工作流体受控于工作循环的冷却设备的该方法包括：压缩；冷却和膨胀；与元件的热交换；和加热，当托卡马克处于等离子体产生阶段时由冷却设备产生的冷却功率增加到相对高的
水平而当托卡马克不再处于等离子体产生阶段时冷却设备产生的冷却功率减少到相对低的水平。
[0003] 本发明更特别涉及用于冷却托卡马克元件，即间歇产生等离子体的装置元件的脉冲负载冷却方法和制冷器。
背景技术
[0004] 托卡马克(“Toroidalnaya Kamera c Magnitnymi Katushkami”的俄语首字母缩写）是一种能够产生用于获得聚变
能量所需的物理条件的装置。特别地，托卡马克装置间歇地产生等离子体，即导电的电离气体。
[0005] 托卡马克的冷却需求取决于它们的高度瞬时工作状态。托卡马克产生非连续的重复脉冲的等离子体。每隔一定间隔循环地或基于
请求随机地产生等离子体。
[0006] 这种操作模式需要所谓的“脉冲负载”冷却，即一个非常短的时间量（在等离子体产生阶段期间）需求非常大的冷却功率，而在较长周期（直到产生下次等离子体）期间存在很少冷却需求的该较长时期遵循该高冷却要求。
[0007] 因此托卡马克制冷器设计为满足该操作模式的需求。因此，这些制冷器使用被称作“节能器”模式的在等离子体之间的周期中产生液态氦。产生的液态氦存储在等离子体产生阶段期间通过
沸腾（boiling）来冷却托卡马克元件所消耗的储备中。
[0008] 当两个等离子体之间的周期足够长时，在下个等离子体之前达到液态氦储备的最大填充水平。则制冷器的冷却功率可能减小，从而节省大量电
力。在传统解决方案中，制冷器的功率通过减小循环压力（即通过在其工作循环内减小氦压缩的压力水平）最小化。制冷器的功率也可通过当使用
频率变换器时改变循环流动速率减小或者增加（即通过工作循环的氦流动速率选择性地减小或增加）。
[0009] 一般在液态氦储备中提供加热器。激活该加热器以用来消耗剩余的冷却功率，从而保持液位恒定或者至少低于最大
阈值。
[0010] 按照传统，取决于加热器的有效功率请求在功率状态之间的转换（所产生冷却功率的增加或者减少），即使用定义循环的压力设定点和/或制冷器的压缩站的变换器的频率设定点的“加热曲线”解释的加热器的电控制
信号。
[0011] 当产生新的等离子体时，使制冷器手动地（由操作者）或作为加热器的“加热曲线”的函数来产生最大的制冷功率。
[0012] 当等离子体消失并且需要冷却功率较低时，当没有电力供给加热器时，一般自动实现制冷器的产生更少冷却功率的方式的返回。
[0013] 文件WO 2009/02740512描述一种用于基于由制冷器产生的冷却功率调节由制冷器输送到消耗者（consumer）的制冷功率的方法。
[0014] 虽然这些操作模式全部满足，但是制冷器的功率消耗仍然很高。
发明内容
[0015] 本发明的一个目标是减轻上面简单涉及的
现有技术中所有或一些
缺陷。特别地，本发明的目标是提供一种优于那些现有技术的冷却方法和制冷器。
[0016] 为此，根据本发明和此外根据在上面导言中给出的其中的一般定义，用于冷却托卡马克元件的方法基本上特征在于响应于在托卡马克中的等离子体的启动步骤期间产生的信号，自动地触发由冷却设备所产生的冷却功率的增加。
[0017] 本发明因此允许制冷器的冷却功率
自动调节，最小化液态氦消耗。如下面将描述的，本发明允许减小在制冷器的所有功耗。本发明特别允许减小在它的最大冷却功率的冷却器使用的周期长度。
[0018] 根据本发明可在氦储备受影响之前预期等离子体的产生获得。
[0019] 另外，本发明的
实施例可包括一个或多个下列特征：
[0020] -当存在可在托卡马克中观察到的物理参数的预定
修改时产生信号；
[0021] -当存在至少一个下列物理参数的预定修改时产生信号：托卡马克的内部
温度的预定升高；用于切换托卡马克到等离子体产生阶段的手动或者自动
控制信号；与压力和/或
电流和/或
电压和/或
磁场测量相关联的
电信号；或者由例如
照相机或一条或多条光纤的光学测量仪器传导的信号；
[0022] -当托卡马克装置不再处于等离子体产生阶段时，该方法包括至少一个在该期间冷却设备
液化工作流体并将工作流体储存到缓冲储备中的周期，在储备中的液化流体的液位通过可选择地激活的加热器的方式保持在阈值以下，以及当等离子体阶段启动时，在加热器失效之前并且在储备中的液位下降之前，增加由冷却设备产生的冷却功率，即该信号指示在托卡马克中触发的等离子体先于加热器的失效和在等离子产生期间由于托卡马克元件的冷却由流体
蒸发所产生的在储备中的液位下降；
[0023] -响应于元件上的热负载的预定变化，即关于元件的冷却需求的预定变化，自动触发由冷却设备产生的冷却功率的到低水平的减少；以及
[0024] -响应于下面至少一个自动触发由冷却设备产生的冷却功率的减少：指示在元件与工作流体之间确保热交换的
流体回路中的预定温度下降的信号；在储存罐中的液态氦的液位升高；制冷旁路（cold bypass）的开启阈值；和/或
制冷压缩机或
涡轮的阈值速度。
[0025] 本发明也可涉及用于冷却托卡马克元件的脉冲负载制冷器，该制冷器具有包括形成例如氦的工作流体的工作循环的回路的制冷器，冷却设备的回路包括：
[0026] -站，用于压缩工作气体，该站具有至少一个压缩机；
[0027] -预冷却/冷却单元，包括至少一个
热交换器和至少一个用于使从压缩站输出的工作气体膨胀的元件；以及
[0028] -用于在冷却的工作流体与元件之间交换热量的系统；
[0029] -用于将已经与元件交换
过热量的流体返回到压缩站的系统；
[0030] 制冷器包括用于控制确保由所述冷却设备产生的冷却功率的调节的冷却设备的
电子逻辑，以用来为当托卡马克处于等离子体产生阶段时快速地增加该冷却功率到一个相对高的水平，制冷器的特征在于托卡马克包括每次启动等离子体时发出触发信号的发射器，电子逻辑包括接收上述触发信号从而根据该信号的接收自动地命令由冷却设备产生的冷却功率的增加。
[0031] 另外，本发明的实施例可包括一个或多个下列特征：
[0032] -制冷器包括测量可在托卡马克中观察到并指示等离子体是否触发的物理参数的值的
传感器，并且在其中所述传感器传送信号到发射器以向电子控制逻辑提供输入;
[0033] -传感器包括至少一个:检测托卡马克的内部或外部温度的传感器;用于检测要求托卡马克从被称作“待机”的阶段切换到等离子体产生阶段的手动或自动命令的切换传感器；或者在托卡马克的仪器中存在的任意其它电子传感器；
[0034] -预冷却/冷却单元包括在工作循环期间液化的流体的缓冲储备，一个可选择性地激活从而蒸发储备的一些液化的流体的加热器，用于在储备的流体与元件之间选择性地交换热量的回路；制冷器包括测量在元件上的热负载的传感器，即测量代表要冷却的元件的冷却需求的量的值的传感器，测量在传送信号到电子控制逻辑的元件上的热负载的传感器，响应于指示在元件上的热负载的预定减少的信号编程所述电子控制逻辑以减少由冷却设备产生的冷却功率到相对低的水平。
[0035] -测量在元件上的热负载的传感器包括至少一个：检测在选择性地确保在元件与工作流体之间的热交换的流体回路中的温度的传感器；
压力传感器；用于测量提供给加热器的
电能的装置；以及用于测量
制冷压缩机和/或涡轮的速度的装置；
[0036] -提供所述存储的液体的缓冲储备以在等离子体产生阶段期间通过与元件热交换由沸腾消耗；
[0037] -由冷却装置产生的冷却功率的变化通过修改循环压力，即在工作循环期间工作流体所受控于的压缩的压力水平和/或通过修改循环流动速率，即通过工作循环的工作流体的流动速率而获得；以及
[0038] -循环的压力和流动速率的变化经由制冷旁路的控制
阀、室温存储罐和在罐中的液态氦的消耗的伴随使用来平滑。
[0039] 本发明同时涉及任何包括上述或下述特征的任何结合的可选择的设备或方法。
附图说明
[0040] 根据参照附图给出的下面描述的阅读，其他特性和优点将变得显而易见，在其中：
[0041] -图1是示出根据本发明的托卡马克制冷器的结构和操作的部分原理图。
[0042] -图2是示出根据本发明的另一个实施例的托卡马克制冷器的结构和操作的部分原理图。
[0043] -图3示出在同一曲线图上当等离子体PA存在时在要冷却的托卡马克元件上的作为时间t的函数的循环压力P和负载T1的变化a。
[0044] -图4示出在同一曲线图上当等离子体PA存在时作为时间t的函数的循环压力P和在图2中的制冷器的可选择的制冷旁路B的变化。
[0045] -图5示出在同一曲线图上作为时间t的函数的对于现有技术的制冷器在两个连续的等离子体阶段PA之间的循环压力P，平均循环压力Pm和制冷器的储备中的液位N的变化t；以及
[0046] -图6示出在同一曲线图上作为时间的函数的对根据本发明的制冷器在两个连续的等离子体阶段PA期间的循环压力P，平均循环压力Pm和制冷器的储备中的液位N的变化。
具体实施方式
[0047] 现在将参考图1描述基本工作原理。
[0048] 在图1中图示化的制冷器以传统方式包括冷却设备2，该冷却设备包括使工作流体受控于工作循环从而提供冷却效果的回路。例如，工作流体包括或由氦组成。为了简化的目的，在描述的其余部分中将工作流体称为“氦”。
[0049] 冷却设备2的回路包括具有至少一个压缩氦的压缩机8的压缩站12。一旦从压缩站12输出，氦进入冷却单元32（可选择性地带有预冷却单元22）。冷却/预冷却单元22，32包括一个或多个与氦交换热量从而冷却后者的交换器。
[0050] 冷却/预冷却单元22，32包括一个或多个用于膨胀氦的涡轮。优选地，冷却/预冷却单元22，32采用布雷顿（Brayton）循环。
[0051] 在从冷却/预冷却单元22，32输出之前将至少一些氦液化，并且提供回路4和7以确保在液态氦与要冷却的托卡马克元件1之间的选择性热交换。元件1例如包括使用超导磁体获得的磁场发生器和/或一个或多个
低温泵。
[0052] 热交换回路4和7例如可包括存储液化的氦的储备的罐4，和管道7，和一个或多个确保在元件1与液态氦之间的间接热交换的交换器。
[0053] 在与元件1的热交换期间加热的至少一些氦返回到压缩站。在到压缩站12的返回期间，氦可用交换器冷却，该交换器依次冷却从压缩站12输出的氦。
[0054] 当在托卡马克11中产生等离子体时，元件1受控于更高的热负载（即增加的冷却需求）。因此必须增加冷却设备2的冷却功率。
[0055] 制冷器具有用于控制冷却设备2的电子逻辑15，该冷却设备特别允许调节由所述冷却设备2产生的冷却功率。特别地，当托卡马克11处于等离子体产生阶段时电子逻辑15允许该冷却功率迅速增加到相对高的水平（例如到提供最大冷却效果的水平）。同样，当托卡马克11不再处于等离子体产生阶段时电子逻辑15控制该冷却功率到相对低的水平（例如到预设的最小水平）的减少。
[0056] 由冷却设备2产生的冷却功率的变化通常通过修改循环压力P，即在工作循环期间氦所受控于的压缩12的压力水平获得。
[0057] 与现有技术相反，根据本发明的制冷器的设备2的冷却功率的增加不是响应于在液态氦储备中的加热器的加热曲线上的信息而触发。根据本发明，在低冷却功率操作模式和高冷却功率操作模式之间的切换与在加热器的加热曲线上的相关信息相关联。
[0058] 特别地，在根据本发明的制冷器中，托卡马克11包括当等离子体触发时用于发出信号S的发射器112。该信号S（通过有线或无线方式）发送到电子逻辑15。出于这个目的，电子逻辑15可包括用于接受所述信号S的接收器。当接收该信号S时，电子逻辑15自动地要求由冷却设备2产生的冷却功率的增加。
[0059] 指示在托卡马克中触发等离子体的信号S基于相比可在托卡马克11中或其上游观察到（而不是如在现有技术中的情况中的托卡马克11的下游）的物理参数。
[0060] 例如并且没有该限制下，被监控从而检测等离子体阶段什么时候开始的物理参数可包括至少一个：托卡马克的内部温度的阈值；电子控制信号；来自启动托卡马克的操作者或任意其它等效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。
[0061] 该有利特性允许将检测到的等离子体产生阶段的开始并且使充分利用在托卡马克的核心（等离子体产生区域）和制冷器的热界面（要冷却的元件1）之间的热负载的传输的时间常数成为可能。以这种方式，制冷器考虑系统的惯性以在观察到元件1上的其效果之前预见增加的冷却需求。
[0062] 因此，由于本发明，冷却功率方式的改变以当出现增加的热负载时制冷器的最大功率是立即有效的这样的方式出现。
[0063] 优选地，冷却功率的改变（例如通过改变循环压力和/或流动速率实现的）不是陡峭的（不是全有-全无（all-or-nothing）变化）而是平缓的，例如变化至少是部分平缓的。
[0064] 图3说明这种类型的操作：作为时间“t”的函数的循环压力P（为了增加设备2的冷却功率，将最大压力设置为设定点PMAX）的增加优先于表示等离子体（曲线PA的峰）信号PA。图3同时示出表示元件1施加到液态氦储备4的热负载变化的曲线T1，即该负载曲线T1表示从元件1消耗的热量。当由元件1施加的热负载T1再次减少时，压力设定点P可以一种优化方式降低，优选地以与负载相同的速率，直到达到低压力设定点（最小压力）。
[0065] 在这种操作模式下，在热负载中的有效增加之前短时间提供剩余冷却功率。剩余热功率可通过蒸发任何产生的剩余液体的加热器或经由从冷却单元到压缩站返回一些氦的制冷旁路系统来调节。但是这样的制冷旁路系统是可选的。然而，循环压力和流动速率的变化通过制冷旁路阀30（该制冷旁路的示意性操作模式在文献WO2009/024705中描述），室温存储罐，和罐4中的液态氦的消耗的伴随使用有利地平滑。此外该解决方案使防止加热器的不可忽略的功率消耗成为可能，并且明智地限制冷却单元温度变化的幅度。
[0066] 用于加热器和/或制冷旁路使利用任何剩余冷却功率以降低冷却单元32的热交换器的温度成为可能。这允许降低通
过冷却单元32阶段的涡轮的流动速率。
[0067] 图5和图6证明相比现有技术的本发明的优点。
[0068] 每一附图示出，在给出的曲线图上，作为时间t的函数，受控于两个连续等离子体阶段（两个连续的峰）的制冷器的循环压力P，平均循环压力Pm和液体储备中的液态氦的液位N的变化。图5说明根据现有技术的操作（循环压力的增加取决于加热器的加热曲线的变化）。图6说明根据本发明的操作（循环压力的增加响应于在托卡马克中触发等离子体的步骤期间产生的信号S）。
[0069] 这些曲线的对比说明本发明允许制冷器的压缩站12的平均操作压力显著地减少（大约10%）。
[0070] 因此本发明在一系列等离子体上日益增多地降低制冷器的总功率消耗。
[0071] 因此，发明者观察到，在现有技术中，只有当使用加热器的“加热曲线”时，关于由于等离子体的热负载，在设备2的冷却功率方式的改变延迟。本发明使改进在设备2的冷却功率与冷却需求之间的匹配成为可能。这通过减少下述实现：
[0072] -液态氦的消耗（参见图5和图6中的液位N）；以及
[0073] -压缩站的功率消耗（参见上述）；
[0074] 图2说明对于特定的示例性制冷器2（非限制性的例子）本发明的应用。
[0075] 在图2中的制冷器的压缩站12包括3个压缩机8。
[0076] 如所示的，压缩站12可包括用于转移液态氢到缓冲存储罐16的管道18。阀17的系统允许调节在工作回路和缓冲存储罐16之间的氦的传输。同样，在传统方式中，可提供具有各自的阀的管道19以确保压缩的氦到某个压缩阶段的选择性返回。
[0077] 在从压缩站12输出之后，将氦导入预冷却单元22，在该预冷却单元22中氦经由与一个或多个交换器10热交换冷却并可选地在涡轮中膨胀。可以提供具有阀
门的管道20以使氦选择性地返回到压缩站12。
[0078] 然后将氦导入冷却单元。经由与一个或多个交换器10热交换将氦冷却并选择性地在一个或多个涡轮11中膨胀。如上所描述的，可提供具有阀门30的制冷旁路管道31以将膨胀的氦返回到压缩站12。
[0079] 液化的氦主要存储在储备4中。液态氦的储备4形成打算与要冷却的元件1交换热量的冷储备。该冷却例如经由具有泵122的闭环回路7发生。
[0080] 如所示的，一些液化的氦可从储备4（旁路管道21和阀2）的上游转移从而提供形成辅助储备24的另一个罐。可使用液态氦的辅助储备（这是可选择的）在装置的
低温泵系统25中（或者用来冷却其它热负载）。例如，元件1的冷却回路中可包括用于转移液态氦到该其它热负载25的回路。
[0081] 从储备4和24输出的加热的氦则返回到压缩站12。在其返回期间，可使用氦以冷却冷却和预冷却单元32，22的交换器10。
[0082] 将电子逻辑15（可包括
微处理器）连接到压缩站从而调节冷却功率。电子逻辑15同时连接到储备4的加热器从而调节在该储备中的液态氦的液位。
[0083] 根据本发明，托卡马克11包括测量可在托卡马克11中观察到的并指示等离子体何时被触发的物理参数的值的传感器111。来自传感器111的信号通过发射器112转发到电子逻辑15的接收器115。
[0084] 有利地，包含在制冷器和元件1之间流动的流体的回路7中的温度传感器6也提供电子逻辑15输入。当测量的温度T下降时（即由于等离子体正在结束的冷却需求减少），电子逻辑15降低冷却功率的设定点。当然，可由其它方式检测等离子体的结束，例如经由加热器5的加热曲线；经由在托卡马克中测量的参数，或经由制冷器内部可观测的例如制冷压缩机或者涡轮的速度。特别地，如果故意选择不调节涡轮的速度，那么这些速度将取决于冷却要求自然地变化，并将因此指示提供到液态氦的热负载。
[0085] 这两个参数（指示等离子体阶段开始的信号S和等离子体阶段之后的温度）可在前馈控制方案中使用，即至少一个：
[0086] -在工作循环中的压力设定点曲线；
[0087] -可选择的循环变换器的频率的控制曲线（用于控制在工作循环中的氦流动速率）；
[0088] -制冷旁路30开启的程度；
[0089] 可由数字计算机定义，例如集成到电子逻辑15内。例如数字计算机可使用单个可参数化的算术函数或者内部状态
预测模型来获得更好的调节，目的在于优化功率消耗。
[0090] 图4说明当制冷器具有制冷旁路时的操作（见图2中的标记30，31）。当由设备2，15接收到指示正触发等离子体的信号时，将最大压力P设定点提供给压缩站12。此时冷却设备2仍处于其减少的操作模式，并且制冷旁路阀30开启（参见阀门开启程度的增加，参考温度Tref升高，曲线B）。
[0091] 制冷旁路开启的事实限制制冷器的功率。由压缩站12施加的真实压力和最后的效果将取决于用于调节压缩站的数字控制方法。调节可使用预定义的内部模型，“PID”控制，或者例如LQR控制等的多变量控制。
[0092] 当在储备4上的热负载增加时，关闭制冷旁路阀30。旁路的温度Tref下降从而将最大冷却功率传送到元件1。
[0093] 获得了压力的优化调节。这导致显著的功率节约。
