Brevet FR2708093A1 — publié le 19950127

A/l 2708093 La présente invention concerne une installation de réfrigération comprenant une capacité contenant un fluide biphasique à basse pression et basse température, notamment de l'hélium, alimentée par une ligne d'alimentation, et une ligne de compression du gaz reliée à la capacité et comprenant au moins un compresseur. Une telle installation est décrite dans le document FR-A- 2.679.635 au nom de la Demanderesse. Une telle installation de réfrigération trouve notamment son application pour la réfrigération d'éléments supra-conducteurs dans des accélérateurs de particules, o, pour obtenir, dans la capacité, une température inférieure à 4,2 K, la pression du fluide doit être abaissée à une valeur très réduite, inférieure à 20 hPa. Pour réinjecter le fluide gazeux à cette pression très basse dans l'installation, il faut mettre en oeuvre, dans la ligne de compression, au moins un, typiquement plusieurs compresseurs en série, dont la mise en oeuvre est délicate à maîtriser en raison des instabilités pouvant apparaître dans la ligne de compression, en particulier dans les phases de démarrage et d'arrêt de l'installation. La présente invention a pour objet de proposer une installation de configuration simple et efficace permettant d'optimiser le fonctionnement des étages de compression et d'ajuster les débits dans la ligne de compression dans les différentes phases de mise en oeuvre de l'installation. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, I'installation comprend, associé au compresseur, au moins un premier moyen de régulation de la vitesse de rotation du compresseur en fonction de paramètres du fluide gazeux en amont du compresseur, typiquement en fonction d'au moins le débit du fluide en amont du compresseur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'installation comprend un premier moyen de régulation du débit du fluide dans la ligne de compression, c'est-à-dire adressé au réfrigérateur en aval de cette ligne, typiquement, un deuxième moyen de régulation de ce débit de fluide; I'installation comprend, associé au compresseur, un deuxième moyen de régulation de la vitesse de rotation du compresseur en fonction de la pression en amont du compresseur, le deuxième moyen de régulation étant typiquement associé au compresseur aval de la ligne de compression quand elle comporte au moins deux compresseurs en série, à chacun desquels est associé un susdit premier moyen de régulation de vitesse. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une installation selon l'invention comportant un seul compresseur; et - la figure 2 est une vue schématique de la ligne de compression d'une installation selon l'invention comprenant plusieurs compresseurs en série. Sur la figure 1, on reconnaît une installation de réfrigération hélium du type décrit dans le document FR-A-2.679.635 sus- mentionné et comprenant essentiellement un réfrigérateur 1 délivrant après une détente en 2 de l'hélium liquide à une première pression basse dans une capacité intermédiaire 3 d'o le liquide parvient, par une ligne 4 traversant un échangeur 5 et un organe de détente final 6 dans une capacité super-froide 7 contenant de l'hélium liquide et gazeux à une seconde pression plus basse, par exemple de l'ordre de 20 hPa et à une température d'environ 2 K. Le ciel gazeux dans la capacité 7 est recomprimé dans une ligne de compression 8 traversant l'échangeur 5 pour être recyclé vers le réfrigérateur 1. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la ligne de compression 8 comporte, en aval de l'échangeur 5, un compresseur C bipassable par une conduite de dérivation 9 munie d'une valve pilotée V1. La ligne 8 comporte, entre la capacité 7 et l'échangeur 5, une vanne d'isolation V3 en aval de laquelle débouche une ligne 10 s'étendant depuis la ligne 4 en amont de l'organe de détente 6. La ligne 10 comporte une vanne pilotée V2. La ligne 8 comporte entre la capacité 7 et le débouché de la ligne 10, une vanne d'isolation V3. Au compresseur C est associée une première boucle de régulation N1 fournissant, en sortie, un signal V de commande de la vitesse de rotation du compresseur C et recevant, outre un signal VR représentatif de la vitesse de rotation du compresseur, un signal de consigne N1 c élaboré par un moyen de calcul MC en fonction d'un calcul utilisant la caractéristique du compresseur et qui élabore une vitesse de rotation théorique du compresseur en fonction des température T, pression P et débit D" à l'admission du compresseur, mesurés par des capteurs dans la ligne 8. Au compresseur C est également associée une deuxième boucle de régulation N2 fournissant en sortie un signal de commande de la vitesse de rotation du compresseur C en fonction d'un signal de consigne PC, qui est la pression nominale d'aspiration du compresseur, et d'un signal représentatif de la pression P mesurée à l'aspiration du compresseur. La vanne V1, qui permet de limiter le débit de gaz prélevé dans la capacité 7, est pilotée par une boucle de contrôle D1 en réponse à un signal de consigne DC représentatif du débit de fluide souhaité de la ligne de compression pour recyclage au réfrigérateur 1, d'un signal de débit D représentatif notamment du débit mesuré dans la ligne 8 en sortie de l'échangeur 5 et d'un signal transformé du signal de consigne N1C. La vanne V2, qui permet de bipasser l'organe de détente 6, est pilotée par une boucle de contrôle D2 en fonction d'un signal de consigne D'c représentatif du débit souhaité dans la ligne 8 en amont de l'échangeur 5 et d'un signal D' représentatif du débit de fluide mesuré dans la ligne 8 en amont de l'échangeur 5. Le fonctionnement de l'installation est le suivant: 1. Procédure de démarrage: 1.1. Démarrage sur la capacité 7, sans limitation de débit: La boucle N1 maintient le compresseur C dans la zone de fonctionnement autorisé: si le débit de gaz est insuffisant, la vitesse de rotation augmente, ainsi que le taux de compression, et la pression d'admission dans la capacité 7 diminue, libérant ainsi le débit d'hélium supplémentaire souhaité. Dans ces conditions, le débit nécessaire au fonctionnement correct du compresseur est fourni en dynamique par la capacité 7. En effet, si la vitesse du compresseur n'augmente pas suffisamment rapidement, le débit est trop faible. A contrario, si la vitesse du compresseur augmente trop rapidement, le débit est trop important. Dans les deux cas, I'inadéquation du débit à la vitesse peut provoquer un décrochage du compresseur. La boucle de contrôle N1 permet d'adapter automatiquement la vitesse de diminution en pression dans la capacité 7, en fonction de la taille de cette dernière, de la quantité d'hélium liquide qu'elle contient et du débit émis à pression constante, en raison des pertes thermiques, par la capacité. 1.2. Démarrage sur la capacité, à débit contrôlé: Le débit que peut absorber l'installation de réfrigération est limité. Il faut donc assurer le fonctionnement correct du compresseur C en lui fournissant un débit complémentaire par recyclage. C'est le rôle de la conduite 9 et de la boucle D1. Si le débit demandé par le compresseur excède la valeur de consigne DC de la boucle D1, la vanne V1 assure, par recyclage, le complément de débit. On notera que la valeur de consigne D'c de la boucle D2 de pilotage de la vanne V2 correspond au débit que peut absorber l'installation de refrigération. 1.3. Démarrage sans capacité: La capacité 7 se trouve isolée de la ligne de compression 8 par la vanne V3, par exemple à la suite d'un arrêt récent de la ligne de compression. Avant de pouvoir raccorder la ligne 8 à la capacité 7, il faut que dans la ligne 8, on atteigne une pression égale à celle régnant dans la capacité 7. Dans ces conditions, le démarrage est assuré comme suit: la valeur de consigne D'C correspond au débit autorisé sur la capacité 7 et la vitesse du compresseur évolue selon une loi fixée par rapport au temps. Lorsque la pression à l'aspiration du compresseur est égale à celle régnant dans la capacité 7, la boucle N1 est mise en service, on ouvre la vanne V3, et on ferme progressivement la vanne V2. 2. Régime normal: Lorsque, à la fin de la phase de démarrage, la vanne V3 demeurant ouverte, la pression nominale à l'entrée du compresseur C est atteinte, la boucle N1 est désactivée et la boucle N2 est mise en service. Lorsque cette pression d'aspiration nominale est atteinte, le fonctionnement du système n'est plus dynamique puisque la capacité 7 ne peut fournir que la partie du débit à pression constante correspondant aux portes statiques. Le débit complémentaire est alors fourni par la vanne V2, la valeur de la consigne D'C de la boucle D2 correspondant au débit minimum autorisé en amont de la ligne 8 correspondant à la pression d'aspiration. 3. Arrêt: La phase d'arrêt est précédée de l'annulation de la puissance dynamique qui résulte de l'échange avec les objets refroidis par le bain dans :2708093 la capacité 7, et donc d'une diminution du débit émis à pression constante par la capacité 7. La boucle D2 ouvre alors la vanne V2 et la procédure d'arrêt est la suivante: la boucle D1 est activée, on ferme progressivement la vanne V3 et, lorsque cette dernière est fermée, la vitesse de rotation du compresseur décroît selon une loi définie par rapport au temps, jusqu'à son arrêt final. On a représenté sur la figure 2 un mode de réalisation comportant, comme c'est souvent nécessaire, plusieurs compresseurs Ci en série. Comme on le voit sur la figure 2, chaque compresseur Ci est pourvu de sa propre boucle de régulation N1, la conduite 9 bipassant l'ensemble des compresseurs et la boucle de régulation N2 n'intéressant que le compresseur aval (C4), le signal d'entrée étant la pression P1 en amont du premier compresseur (C1). Les procédures sont les mêmes que celles décrites ci-dessus, si ce n'est que l'évolution des vitesses de rotation en fonction du temps dans les phases de démarrage sans capacité ou d'arrêt portent sur le dernier compresseur (C4) seul muni de la boucle de régulation N2. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Installation de réfrigération comprenant une capacité (7) contenant un fluide biphasique à basse pression et à basse température alimentée par une ligne d'alimentation (4), et une ligne de compression de gaz (8) provenant de la capacité (7) et comprenant au moins un compresseur (Ci), caractérisée en ce qu'elle comprend, associé au compresseur (Ci) au moins un premier moyen (N1) de régulation de la vitesse de rotation du compresseur en fonction de paramètres du fluide gazeux en amont du compresseur. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les paramètres comprennent le débit (D) du fluide gazeux en amont du compresseur (Ci). 3. Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier moyen (V1, D1) de régulation du débit de fluide dans la ligne (8). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le premier moyen de régulation de débit comprend une première conduite (9) bipassant le compresseur (Ci) et pourvue d'une première vanne (V1) pilotée en fonction d'au moins un signal (D) représentatif du débit de fluide dans la ligne (8). 5. Installation selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième moyen (V2-D2) de régulation du débit de fluide dans la ligne (8). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le deuxième moyen de régulation comprend une deuxième conduite (10) reliant la ligne d'alimentation (4) à la ligne de compression (8) et pourvue d'une deuxième vanne (V2) pilotée en fonction d'un signal (D') représentatif du débit de fluide dans la ligne (8). 7. Installation selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend, associé au compresseur (Ci) un deuxième moyen (N2) de régulation de la vitesse de rotation du compresseur en fonction de la pression (P) en amont du compresseur. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ligne de compression (8) comprend au moins deux compresseurs en série (Ci,Cj) associés chacun à un susdit premier moyen de régulation de vitesse (N1). 9. Installation selon la revendication 7 et la revendication 8, caractérisée en ce que le deuxième moyen de régulation (N2) est associé au compresseur aval (CN) de la ligne de compression (8) et reçoit un signal (Pi) représentatif de la pression en amont du compresseur amont (Cl) dans la ligne de compression. 10. Installation selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur (5) traversé par la ligne de compression (8) en amont du compresseur (Ci) et par la ligne d'alimentation (4), la deuxième conduite (10) reliant lesdites lignes entre l'échangeur (5) et la capacité (7).