(57)【要約】  本発明は、超伝導磁石等、熱負荷が時間的に変化する消費体を冷却する極低温システムに関し、該システムは、供給ラインによって圧縮される伝熱ガスが供給されると共に該ガスをより低圧で排出するための吐出ラインに接続された、消費体に熱接続するコールドボックスと、供給ライン及び吐出ライン内の圧力を調節し、複数の制御される弁（ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３）及びそれらの弁の開放を制御する制御器（ＭＣ）を備えるアセンブリとを有する。本発明は、制御器が、供給ライン内の圧力値と吐出ライン内の圧力値との上述したコールドボックスによる結合を考慮する、本システムの数学モデルに基づいて、供給ライン及び吐出ライン内の圧力に関する測定値（ＰＨＰ、ＰＢＰ）及び設定値（Ｐ０ＨＰ、Ｐ０ＢＰ）に従って前記弁の開放を制御する信号（ＳＣＳ１、ＳＣＳ２、ＳＣＳ３）を生成する多変量制御器であることを特徴とする。【選択図】  図２
2012521535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱負荷（Θ）が経時的に変化する消費体（ＣＯＮＳ）を冷却する極低温システムであって、
圧縮された伝熱ガスが送出管（ＣＨＰ）によって供給されると共に、前記ガスをより低圧で排出する戻り管（ＣＢＰ）に接続された、前記消費体と熱接触するコールドボックス（ＢＦ）と、
前記送出管及び前記戻り管内の圧力を調節するユニットであって、複数の制御される弁（ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３）とそれらの弁の開放を制御する制御装置（ＭＣ）とを有するユニットとを備え、
前記制御装置が、前記システムの数学モデルに基づいて、前記送出管及び前記戻り管の前記圧力に関する測定値（ＰＨＰ、ＰＢＰ）及び設定値（Ｐ０ＨＰ、Ｐ０ＢＰ）の関数として、前記弁に関する開放制御信号（ＳＣＳ１、ＳＣＳ２、ＳＣＳ３）を生成するように適合された多変量調節器であり、
前記モデルが、前記コールドボックスを介する、前記送出管内の前記圧力値と前記戻り管内の前記圧力値との結合を考慮することを特徴とする極低温システム。
【請求項２】
前記制御装置が、
前記システムの第１の部分モデルに基づいて前記弁を制御する第１の信号を生成する第１の調節器（ＭＣ１）と、
前記第１の部分モデルとは異なる、前記システムの第２の部分モデルに基づいて前記弁を制御する第２の信号を生成する第２の調節器（ＭＣ２）と、
前記弁に前記第１の制御信号又は前記第２の制御信号を選択的に印加する制御選択器（ＳＥＬＣ）と、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記調節ユニットが、
前記送出管の前記圧力と前記戻り管の前記圧力との中間である圧力の伝熱ガスの供給源（ＲＳ）と、
ガスが前記供給源から前記戻り管内に注入されることを可能にするために、前記供給源と前記戻り管との間に配置された第１の制御された弁（ＶＣ１）と、
ガスが前記送出管から前記供給源に排出されることを可能にするために、前記供給源と前記送出管との間に配置された第２の制御された弁（ＶＣ２）と、
前記コールドボックスが迂回されることを可能にするために、前記送出管と前記戻り管との間に配置された第３の制御された弁（ＶＣ３）と、
を備える、請求項１又は請求項２に記載の極低温システム。
【請求項４】
前記第１の調節器が、前記システムの前記第１の部分モデルに基づいて、前記第２の弁を除外して、前記第１の弁及び前記第３の弁を開放するための第１の制御信号（ＳＣ１、ＳＣ’３）を生成するように適合され、
前記第２の調節器が、前記システムの前記第２の部分モデルに基づいて、前記第１の弁を除外して、前記第２の弁及び前記第３の弁を開放するための第２の制御信号（ＳＣ２、ＳＣ”３）を生成するように適合された、請求項２又は請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の部分モデルが、所定の体積のガスが前記戻り管に注入されるときの前記システムの挙動をモデル化し、
前記第２の部分モデルが、所定の体積のガスが前記送出管から抽出されるときの前記システムの挙動をモデル化するように構成された、請求項２〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムの前記数学モデルが、前記調節システムの前記弁の前記開放における仮想変動を用いて、前記コールドボックスと熱連通している消費体の熱負荷の経時的な変動によって誘導される、前記伝熱ガスの流量の乱れをモデル化し、
前記仮想開放が、前記圧力に関する前記測定値及び前記設定値と共に入力変数として前記制御装置に供給されるように構成された、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記制御装置が、前記送出管及び前記戻り管において測定される前記圧力及びそれら圧力のそれぞれの設定値間の差と、生成された前記制御信号の振幅とに依存する費用関数を最小化するように適合された、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御装置が、線形二次調節器である、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記コールドボックスが、一部は消費体の前記熱負荷の影響下で蒸発する液化伝熱ガスの供給源（ＢＴ）を有し、
前記蒸発したガスが、前記戻り管を介して排出され、前記送出管からの前記ガスの少なくとも一部を液化することによって交換され、
ガス蒸発量及び液化量の経時的な変動性が、前記送出管及び前記戻り管内の前記圧力の乱れを引き起こすように構成された、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記消費体が、パルス化熱負荷を有する超伝導磁石である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱負荷が時間的に変化する消費体（consumer）を冷却する極低温システムに関し、本発明は特に、超電導磁石を冷却することに適用される。
【背景技術】
【０００２】
消費体を冷却する極低温システムは、一般に、流体流回路を有し、その中を、伝熱（Heat-Conveying）ガス（Ｎ２又はＨｅ）が圧力下で圧縮部から「コールドボックス」まで流れ、そこで、冷却されると共に膨張により部分的に液化される。コールドボックスは、冷却するために消費体と熱接続している液化ガス貯槽を有している。消費体から貯槽まで伝達される熱（「熱負荷」）により、ガスの一部が蒸発し、そのガスは、回路をループするようにコールドボックスから圧縮部に排出される。例として、こうしたシステムは、非特許文献１に記載されており、特にセクション１．３．７及び図２０を参照されたい。
【０００３】
そのタイプのシステムは、熱負荷が一定であるか又はその変化が低速である消費体を冷却するのに特に適しているが、熱負荷が、ほぼ分又はさらには秒の時間尺度にわたり大幅に変化する場合、比較的非効率であることが分かる。こうした状態は、特に、超電導磁石、特に核融合制御に関する研究のためのトカマクに用いられる磁石を冷却する場合に見られる。
【０００４】
熱負荷が変化する、たとえば脈動する消費体の冷却を管理する従来の方法は、極低温システムを、その設計を大幅に変更することなく過大に大きくすることである。こうした解決法は、経済的観点から十分ではない。
【０００５】
特許文献１は、熱負荷が経時的に変化する消費体を冷却するのに特に適している極低温方法及び設備を記載している。そこで提案されている解決法は、設備の低温部に液化ガスアキュムレータを設けることである。アキュムレータにより、熱負荷の値が低い間には低温流体を貯蔵することができ、熱負荷が増大したときには消費体を冷却することができる。
【０００６】
したがって、アキュムレータは、極低温回路から熱負荷の変動性を分離するフィルタのように挙動するため、極低温回路は、一定流量で動作し続けることができ、消費体のピーク熱負荷に基づくのではなく、平均熱負荷に基づいてサイズを決めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】仏国特許第２９１９７１３号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J.C. Boissin他著、「低温学：低温を実現する（Cryogenie: mise en ouevre des basses temperatures（Cryogenics: implementing low temperature））」、Technique de l'ingenieur発行、traite Genie energetique, B 2 382
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の解決法の欠点は、設備の低温領域の体積及び複雑性が大幅に増大し、それが、そのサイズ及びコストに好ましくない影響を与える、ということである。
【００１０】
本発明は、従来技術の上述した欠点を回避しながら、熱負荷が経時的に変化する消費体を冷却する極低温システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明が基礎を置く概念は、低温流体アキュムレータを用いて熱負荷の変動性を「フィルタリングする」ことにより問題を回避することとは対照的に、極低温回路が動的状態下で動作することができるようにシステムを変更することにある。
【００１２】
さらに、本発明者らは、従来型の極低温システムは、適切な調節手段が設けられると動的状態下で十分に動作することに気付いた。言い換えれば、本発明者らは、従来の極低温システムを可変負荷に適応させることを、設備のハードウェア構造、特にその低温部の構造を大幅に変更する必要なしに、自動制御に適用される技法によって達成することができることを知見した。したがって、既存の設備を限られたコストで適合させると共に、熱負荷が可変の消費体に対して特に専用の設備の設計を大幅に簡略化することが可能である。
【００１３】
したがって、本発明は、熱負荷が経時的に変化する消費体を冷却する極低温システムであって、
圧縮された伝熱ガスが送出管によって供給されると共に、前記ガスをより低圧で排出する戻り管に接続された、前記消費体と熱接触するコールドボックスと、
前記送出管及び前記戻り管内の圧力を調節するユニットであって、複数の制御される弁とそれらの弁の開放を制御する制御装置とを有するユニットとを備え、
前記制御装置は、前記システムの数学モデルに基づいて、前記送出管及び前記戻り管の前記圧力に対する測定値及び設定値の関数として、前記弁に対する開放制御信号を生成するように適合された多変量調節器であり、前記モデルは、前記コールドボックスを介する前記送出管内の前記圧力値と前記戻り管内の前記圧力値との結合を考慮することを特徴とする、システムを提供する。
【００１４】
本発明の特定の実施の形態では、
前記制御装置は、
前記システムの第１の部分モデルに基づいて前記弁を制御する第１の信号を生成する第１の調節器と、
前記第１の部分モデルとは異なる、前記システムの第２の部分モデルに基づいて前記弁を制御する第２の信号を生成する第２の調節器と、
前記弁に前記第１の制御信号又は前記第２の制御信号を選択的に印加する制御選択器と、
を備えることができる。
【００１５】
前記調節ユニットは、
前記送出管の前記圧力と前記戻り管の前記圧力との中間である圧力の伝熱ガスの供給源と、
ガスが前記供給源から前記戻り管内に注入されることを可能にするために、前記供給源と前記戻り管との間に配置された第１の制御された弁と、
ガスが前記送出管から前記供給源に排出されることを可能にするために、前記供給源と前記送出管との間に配置された第２の制御された弁と、
前記コールドボックスが迂回されることを可能にするために、前記送出管と前記戻り管との間に配置された第３の制御された弁と、
を備えることができる。
【００１６】
前記第１の調節器は、前記システムの前記第１の部分モデルに基づいて、前記第２の弁を除外して、前記第１の弁及び前記第３の弁を開放するための第１の制御信号を生成するように適合され、前記第２の調節器は、前記システムの前記第２の部分モデルに基づいて、前記第１の弁を除外して、前記第２の弁及び前記第３の弁を開放するための第２の制御信号を生成するように適合されることができる。
【００１７】
前記第１の部分モデルは、所定の体積のガスが前記戻り管に注入されるときの前記システムの挙動をモデル化することができ、前記第２の部分モデルは、所定の体積のガスが前記送出管から抽出されるときの前記システムの挙動をモデル化することができる。
【００１８】
前記システムの前記数学モデルは、前記調節システムの前記弁の前記開放における仮想変動を用いて、前記コールドボックスと熱連通している消費体の熱負荷の経時的な変動によって誘導される、前記伝熱ガスの流量の擾乱をモデル化することができ、前記仮想開放は、前記圧力に対する前記測定値及び前記設定値と共に入力変数として前記制御装置に供給される。
【００１９】
前記制御装置は、前記送出管及び前記戻り管において測定される前記圧力とそれら圧力のそれぞれの設定値との差と、生成された前記制御信号の振幅とに依存する費用関数を最小化するように適合されることができる。特に、これは線形二次調節器とすることができる。
【００２０】
前記コールドボックスは、一部は消費体の前記熱負荷の影響下で蒸発する液化伝熱ガスの供給源を有することができる。前記蒸発したガスは、前記戻り管を介して排出され、前記送出管からくる前記ガスの少なくとも一部を液化することによって交換され、したがって、ガス蒸発量及び液化量の経時的な変動性が前記送出管及び前記戻り管内の前記圧力の乱れを引き起こす。
【００２１】
前記消費体は、パルス化熱負荷（Pulsed Thermal Load）を有する超伝導磁石とすることができる。
【００２２】
本発明の他の特徴、詳細及び利点は、例として示す添付図面を参照して行う以下の説明を読むことにより明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】従来技術の極低温システムを示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムで実施される「スプリットレンジ（split range）」原理を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態において極低温システムを調節する手段の原理を示す図である。
【図３Ａ】パルス化熱負荷の下での本発明の極低温システムの挙動、及び従来技術との比較を示すグラフである。
【図３Ｂ】パルス化熱負荷の下での本発明の極低温システムの挙動、及び従来技術との比較を示すグラフである。
【図３Ｃ】パルス化熱負荷の下での本発明の極低温システムの挙動、及び従来技術との比較を示すグラフである。
【図４Ａ】パルス化熱負荷の下での本発明の極低温システムの挙動、及び従来技術との比較を示すグラフである。
【図４Ｂ】パルス化熱負荷の下での本発明の極低温システムの挙動、及び従来技術との比較を示すグラフである。
【図４Ｃ】パルス化熱負荷の下での本発明の極低温システムの挙動、及び従来技術との比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１Ａは、従来型のヘリウム液化冷凍機ＣＲＹの構造及び動作を説明するための簡略図である。
【００２５】
こうした設備は、高圧管ＣＨＰ、低圧管ＣＢＰ、圧縮部ＣＭＰ及びコールドボックスＢＦを有する極低温回路を備えている。
【００２６】
圧縮部ＣＭＰは、脱油装置（図示せず）と共に、たとえばスクリュー型の１つ又は複数の圧縮機を有する場合がある。圧縮部によって圧縮されるガス、特にヘリウムは、高圧管又は送出管ＣＨＰ内を約１５Ｂａｒ（バール）〜２０Ｂａｒ（バール）の圧力ＰＨＰでコールドボックスＢＦに向かって流れる。圧縮機を通る質量流量をＱＣＭＰと記述し、それは一定であるものとする。
【００２７】
コールドボックス内部では、伝熱（Heat-Conveying）ガス（ヘリウム）の流れが２つの流れに分割され、一方の流れＱＪＴはジュール・トムソン効果膨張弁ＶＪＴを（場合によっては、図示しない液体窒素で予冷された後に）通過し、残りの流れは、膨張タービンＴＤを通過する。図には示されていないが、タービンＴＤを通過することによって冷却されるガスは、クロードサイクルの原理の応用において、向流式熱交換器内に注入され、ジュール・トムソン弁を通過する流れをその弁の上流で予冷するために用いられる。
【００２８】
ジュール・トムソン弁ＶＪＴを通過する流れＱＪＴの一部ＱＬＪＴは、上記弁における膨張の結果として液化される。このようにして生成された液体ガスは熱貯槽ＢＴに供給され、その間、残りの部分ＱＶＪＴ＝ＱＪＴ−ＱＬＪＴは気体状態を維持する。比ＱＶＪＴ／ＱＬＪＴは、特に、膨張弁の上流の温度に依存する。
【００２９】
電気抵抗によって表される消費体ＣＯＮＳは、貯槽ＢＴと熱連通している。この消費体は、出力Θ（「熱負荷」）を熱の形態で放散し、それにより液体ガスが流量ＱＷで蒸発する。流量ＱＶＪＴと共にこの流量ＱＷと膨張タービンを通過する流量とは、低圧戻り管ＣＢＰ（およそ１．０５ＢａｒのＰＢＰ）によりコールドボックスから圧縮機ＣＭＰに排出される。
【００３０】
上記圧縮機が、一定の速度（したがって体積流量）で動作するため、管ＣＨＰ及びＣＢＰ内の圧力は、制御された弁ＶＣ１、ＶＣ２及びＶＣ３のシステムによって調節される。
【００３１】
ＰＢＰとＰＨＰとの中間の圧力ＰＲＳ（たとえば約９Ｂａｒ）でのガス供給源ＲＳは、第１の制御された弁ＶＣ１を介して低圧管ＣＢＰに、第２の制御された弁ＶＣ２を介して高圧管ＣＨＰに接続されている。第１の弁ＶＣ１が開放しているとき、ガスは、供給源ＲＳから流量ＱＶＣ１で設備内に注入され、逆に、第２の弁ＶＣ２が開放しているとき、ガスは、供給源ＲＳに貯蔵されるために設備から流量ＱＶＣ２で排気される。２つの弁ＶＣ１及びＶＣ２は、両方が決して同時に開放していてはならない。
【００３２】
第３の制御された弁ＶＣ３は、コールドボックスを迂回する経路を開放するか又は閉鎖することにより、設備の動作点を設定し、ガスはそこを流量ＱＶＣ３で流れる。
【００３３】
従来の方法（上述したJ.C. Boissin他による文献を参照されたい）では、弁ＶＣ１、ＶＣ２及びＶＣ３は、圧力値ＰＢＰ及びＰＨＰをそれぞれの設定値Ｐ０ＢＰ及びＰ０ＨＰの近くに維持するために概して比例−積分−微分（ＰＩＤ）型である、２つの独立した調節器によって制御される。
【００３４】
図１Ａに示されているように、第１の調節器ＰＩＤ１は、戻り管ＣＢＰ内の圧力を調節するために、差ＰＢＰ−Ｐ０ＢＰの関数として弁ＶＣ３に対する制御信号ＳＣ３を生成する。同様に、第２の調節器ＰＩＤ２は、送出管ＣＨＰ内の圧力を調節するために、差ＰＨＰ−Ｐ０ＨＰの関数として弁ＶＣ１及びＶＣ２に対する制御信号ＳＣ１２を生成する。
【００３５】
信号ＳＣ１２は、図１Ｂに示されている方式で動作する「スプリットレンジ」機構ＳＲの応用において２つの弁ＶＣ１及びＶＣ２を制御することができる。信号ＳＣ１２の値は、範囲０〜１にわたって変化することができるものとする。ＳＣ１２＝０である場合、弁ＶＣ１は完全に開放し、一方で弁ＶＣ２は閉鎖している。０＜ＳＣ１２＜０．５である場合、弁ＶＣ１の開放は直線的に低減し、一方で弁ＶＣ２は閉鎖したままである。ＳＣ１２＝０．５である場合、両弁は閉鎖し、０．５＜ＳＣ１２≦１である場合、弁ＶＣ２は直線的に開放し、一方で、弁ＶＣ１は閉鎖したままである。このように、２つの弁が決して共に同時に開放しないことを確実にすることができる。
【００３６】
本発明者らは、この調節方法が、それほど満足のいくものではない設備ＣＲＹの動的挙動に関与していることを知見した。高圧管及び低圧管内の圧力値は、コールドボックスＢＦを介して結合されているが、この結合は、２つの独立した調節器ＰＩＤ１及びＰＩＤ２によって考慮されていない。これにより、熱負荷Θが迅速に変化する場合に「モーターボーティング（motorboating）」効果が発生する。乱れがＰＢＨの値を迅速に変化させる場合、第１の調節器ＰＩＤ１はその変動に抵抗するように反応するが、コールドボックスを介する結合が導入されることにより、ＰＩＤ１の動作が、ＰＨＰの値を必然的に妨害し、それにより第２の調節器ＰＩＤ２の介入が引き起こされる。そして、この介入により、ＰＢＰの値がもう一度妨害されることなどが発生する。
【００３７】
この発見により、本発明者らは、従来技術の２つの独立したＰＩＤ調節器の代りとして、たとえば線形二次型の多変量調節器を利用することにより、上記高圧／低圧結合を考慮する新規な制御方法を提案することができた。
【００３８】
いわゆる「線形二次」多変量制御方法は周知の従来技術であり、以下の著作物を参照することができる。
・Emmanuel Trelat著、「最適制御：理論及び応用（Control optimal: theorie et applications（Optimal control: theory and applications））」、Editions Vuibert, collections: Mathmatiques concretes, 2nd edition ISBN: 9782711722198、特に第１章、及び
・B.D.O. Anderson及びJ.B. Moore著、「最適制御：線形二次法（Optimal control: linear quadratic methods）」、Dover Publications, ISBN 9780486457666。
【００３９】
基本的に、これは、線形微分方程式系によって定義される動的システムを制御する最適な方式であり、そこでは、費用関数が、制御変数（ＰＨＰ、ＰＢＰ）及びそれらのそれぞれの設定値（Ｐ０ＨＰ、Ｐ０ＢＰ）間の差と制御信号の大きさとの二次関数として表される。こうした状況下で、最適制御（すなわち、費用関数を最小化する制御）を、代数リカッチ方程式（algebraic Riccati equation）を解くことによって得ることができる。
【００４０】
本質的に非線形である制約を構成するスプリットレンジ制御ＳＲのために、図１Ａの極低温設備において多変量調節を実施することは困難である。設備の挙動を管理する方程式は、物質を送り出している（弁ＶＣ１が開放している）間と物質を取り除いている（弁ＶＣ２が開いている）間とでは同じではない。
【００４１】
本発明によれば、この問題は、「制御切替（control switching）」として知られる技法を適用することによって解決される。この技法では、制御されるべきシステムは、各々がそれ自体の調節器を有する複数の独立したサブシステムと、それらを「切り替える」実システムとによってモデル化される。特に、極低温設備ＳＹＳを、物質送出し状態下及び物質除去状態下のそれぞれの設備の動作を記述する２つの部分モデルによってモデル化することができる。各瞬間において、各部分モデルに対する１つとして、２つのベクトル制御信号が生成され、制御選択器は、これらの制御信号のうちのいずれが実際に設備に適用されるべきであるかを選択する。
【００４２】
部分モデルは、設備の動作点の周囲で線形化され、それは、両方の状況におけるシステムの挙動を同時に考慮するように想定された「全体」モデルでは行うことができない。
【００４３】
制御切替原理は、たとえば以下の刊行物で知られている。
・D. Liberzon及びS. Morse著、「切り替えられたシステムにおける安定性及び設計の基本問題（Basic problems in stability and design of switched systems）」、IEEE Control Systems Magazine, October 1999, pp.59-70、及び
・M. Zehran及びJ.W. Burdick著、「動特性が変化するシステムに対する切替制御器の設計（Design of switching controllers for system with changing dynamics）」、Proceedings of 37th Conference on Decision and Control, 1998。
【００４４】
本発明の原理を実施する調節器について、図２を参照してより詳細に説明する。
【００４５】
管ＣＨＰ及びＣＢＰそれぞれにおいて測定される圧力値ＰＨＰ及びＰＢＰは、設備ＣＲＹの数学モデルＭＯＤに入力され、そのモデルは、物質送出し状態及び物質除去状態それぞれの下での設備の挙動を表す、２つの部分モデル又はサブモデルＭＰ１、ＭＰ２からなる。これらのモデルは、圧力ＰＨＰ及びＰＢＰの経時的な変動を、弁ＣＶ１、ＣＶ２の開放の「仮想」変動に関連付けるのに役立つ。言い換えれば、部分体積は、上記弁の「仮想開放」ＯＶ１及びＯＶ２を計算するのに役立ち、それらの開放は、現実であった場合、観察される圧力変動（現実では、直接測定されない、本質的に熱負荷の変動によってもたらされる）をもたらす。システムに対する外乱は「入力に回される」と言われている。２つの仮想開放の各々がＰＨＰ及びＰＢＰの両方に依存することに注意することが重要であり、すなわち、システムのモデルは、設備の高圧領域と低圧領域との間に存在する結合を考慮する。
【００４６】
したがって、時間に依存する６つの入力スカラー変数、すなわち、管で測定される圧力ＰＨＰ及びＰＢＰと、それぞれの設定値Ｐ０ＨＰ及びＰ０ＢＰと、「仮想開放」ＯＶ１及びＯＶ２とによって構成されるベクトルが利用可能となる。このベクトルは、第１の調節器ＤＣ１及び第２の調節器ＤＣ２によって構成される制御装置ＤＣへの入力として提供される。これら２つの相互に独立した調節器は線形二次型であり、それらは、第１の部分モデル及び第２の部分モデルそれぞれに基づく。
【００４７】
第１の調節器ＤＣ１は、物質送出し状態下で極低温設備ＣＲＹを制御するためのものであり、これを行うために、弁ＣＶ１及びＣＶ３それぞれを制御する制御信号（又は第１の制御ベクトル信号）ＳＣ１及びＳＣ’３を生成する。対照的に、この調節器は弁ＣＶ２に対しては作用せず、それは、物質送出し状態下では、この弁は閉鎖状態を維持しなければならないためである。
【００４８】
相互的に、第２の調節器ＤＣ２は、物質除去状態下で極低温設備ＣＲＹを制御するように設計されており、これを行うために、弁ＣＶ２及びＣＶ３それぞれを制御する制御信号（又は第２の制御ベクトル信号）ＳＣ２及びＳＣ”３を生成する。しかしながら、この調節器は弁ＣＶ１に対しては作用せず、それは、物質除去状態下では、この弁は閉鎖状態を維持しなければならないためである。
【００４９】
第１の調節器は、システムが物質除去状態下である場合であっても、弁ＣＶ１に対する制御信号ＳＣ１を提供することに注意することが重要である。しかしながら、こうした状況下では、この制御信号は、たとえば負である、物理的に達成可能でない上記弁の開放レベルに対応する。これは、システムが実際には物質送出し状態下にあるときに第２の調節器によって生成される制御信号ＳＣ２に対しても当てはまる。これにより、制御選択器ＳＥＬＣは、制御信号ＳＣＳ１、ＳＣＳ２及びＳＣＳ３を選択することができ、それら信号は、実際に、それぞれ弁ＣＶ１、ＣＶ２及びＣＶ３に適用される。たとえば、
・ＳＣ１＜０である場合、ＳＣＳ１＝０、ＳＣＳ２＝ＳＣ２及びＳＣＳ３＝ＳＣ”３であり（物質除去状態下で動作しており、調節器ＤＣ２がシステムを制御している）、並びに、
・ＳＣ２＜０である場合、ＳＣＳ１＝ＳＣ１、ＳＣＳ２＝０及びＳＣＳ３＝ＳＣ”３である（物質除去状態下で動作しており、調節器ＤＣ２がシステムを制御している）。
【００５０】
物理的に達成可能である開放信号のみを提供する非線形調節器ＤＣ１、ＤＣ２を用いることも可能であり、こうした状況下では、制御選択は、信号ＳＣ１及びＳＣ２のうちのいずれがゼロにより近いかを識別することによって実行される。
【００５１】
以下、システムの制御を実施するために用いられる部分モデルのあり得る形態を概説する。
【００５２】
これらのモデルを得るための開始点は、以下のように、システムＳＹＳの低圧部内の質量（ｍＢＰ）及び高圧部内の質量（ｍＨＰ）を保存するための方程式によって構成される。
【００５３】
【数１】
2012521535.tif 000003
【００５４】
これらの方程式の右側の項はすべて、図１Ａを参照して上述している。
【００５５】
しかしながら、
・ＱＶＣ３は、ＰＨＰに線形に、ｏｕｖ３によって表される弁ＶＣ３の開放レベルに非線形に依存し、迂回経路のガスの流れが音速（すなわちチョーク（choked））であるため、流量は下流の圧力ＰＢＰに依存しない。したがって、
ＱＶＣ３＝ｆ３（ＰＨＰ，ｏｕｖ３）
と記述することができる。
・ＱＶＣ１は、ＰＲＳに線形に、ｏｕｖ１によって表される弁ＶＣ１の開放レベルに非線形に依存し、迂回経路のガスの流れが音速であるため、流量は下流の圧力ＰＢＰに依存しない。供給源の圧力ＰＲＳが一定であるものとみなされるため、
ＱＶＣ１＝ｆ１（ｏｕｖ１）
と記述することができる。
・ＱＶＣ２は、ＰＨＰに、差ＰＨＰ−ＰＲＳに（上流の圧力ＰＨＰが下流の圧力ＰＲＳの２倍未満であるため、流れは亜音速であり、したがって、下流の圧力を考慮する必要がある）、かつｏｕｖ２によって表される弁ＶＣ２の開放レベルに同時に非線形に依存する。非線形関数ｆ２における定数ＰＲＳを「隠す」ことにより、
ＱＶＣ２＝ｆ２（ＰＨＰ，ｏｕｖ２）
と記述することができる。
・ＱＷは、以下のように、消費体の熱流（又は熱負荷）Θに線形に依存する。
ＱＷ＝ＫＷ・Θ
・圧縮機の体積流量が一定であり、かつガスの密度がその圧力に比例すると仮定すると、ＱＣＭＰは、以下のように、ＰＢＰに線形に依存する。
ＱＣＭＰ＝ＫＣＭＰ・ＰＢＰ
ここではＫＣＭＰは定数である。
・ＱＶＪＴは、膨張弁ＶＪＴにおけるガスの温度に本質的に依存し、これは他のものから独立しているパラメータであり、それを定数であるものとみなすことができる。
【００５６】
ガスの状態方程式（完全であると仮定することができる）により、質量ｍＢＰ及びｍＨＰを対応する圧力ＰＢＰ及びＰＨＰに関連付けることができる。
【００５７】
これらの表現を質量保存の方程式において置き換えることにより、圧力ＰＢＰ、ＰＨＰに関する２つの非線形微分方程式系が得られる。
【００５８】
【数２】
2012521535.tif 000004
【００５９】
ＦＢＰ及びＦＨＰは、２つの動作点を中心に線形化することができる２つの非線形関数である。
・ｏｕｖ２＝０によって特徴付けられる、物質送出し状態に対応する第１の動作点、及び
・ｏｕｖ１＝０によって特徴付けられる、物質除去状態に対応する第２の動作点。
【００６０】
これらの方程式を線形化することにより、弁の開放レベルｏｕｖ１、ｏｕｖ２及びｏｕｖ３が制御を表し、熱負荷Θが外乱を構成するものとすることにより圧力値ＰＢＰ、ＰＨＰが状態を定義するという状態表現の形態で、上記動作点に対応する２つのサブシステムを記述することができる。
【００６１】
線形化された方程式により、測定された圧力ＰＢＰ、ＰＨＰの関数として「仮想開放」ＯＶ１及びＯＶ２を計算することも可能になる。
【００６２】
したがって、従来の技法を用いてそれら２つのサブシステムに対して２つの多変量調節器を案出することができる。線形二次型の最適制御を用いることが特に有利である。
【００６３】
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明のシステムの挙動を図１Ａに示すタイプの従来技術のシステムと比較するのに役立つ。２つのシステム間の唯一の相違は、採用される調節方法である。なお、両システムはともに、フランス、グルノーブルのCryogenics and Nanoscience Institute（Institut de Nanosciences et Cryogenie）の低温の「４００Ｗ＠１．８Ｋ」極低温液化冷凍機に基づくものである。伝熱ガスはヘリウムであり、熱貯槽Ｂは温度が４．２Ｋである。
【００６４】
試験を、３００Ｗ（ワット）の出力を有する方形波パルスを５０ｓ（秒）の間、１００ｓの周期で、電気抵抗の形態である消費体に送出することによって行った。図３Ａにおける曲線ΘＩＮＶ及びΘＲＥＦは、対応する熱負荷を示し、その変動は、消費体の熱慣性によって減衰する。上付き文字「ＩＮＶ」は、測定値が本発明のシステムに関することを示し、「ＲＥＦ」は、従来のシステムで行われる参照測定値に関することを示す。
【００６５】
図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ低圧（ＰＩＮＶＢＰ、ＰＲＥＦＢＰ）及び高圧（ＰＩＮＶＨＰ、ＰＲＥＦＨＰ）の変動を示す。公称値（Ｐ０ＨＰ＝１６ ｂａｒ、Ｐ０ＢＰ＝１．０５ ｂａｒ）を中心とするＰＨＰ及びＰＢＰの変動の振幅は、本発明の制御方法を用いる場合、約１／３〜１／５に低減することが分かる。
【００６６】
図４Ａ〜図４Ｃは、１０００Ｗで方形波として提供される熱出力を利用する試験に関する曲線ΘＩＮＶ、ＰＩＮＶＢＰ及びＰＩＮＶＨＰをプロットしているグラフである。こうした状況下で、従来技術によるシステムは動作を停止し（圧縮機が停止し）、一方で、本発明のシステムでは、圧力変動は許容可能なレベルを維持する。
【図１Ａ】
2012521535.tif 000005
【図１Ｂ】
2012521535.tif 000006
【図２】
2012521535.tif 000007
【図３Ａ】
2012521535.tif 000008
【図３Ｂ】
2012521535.tif 000009
【図３Ｃ】
2012521535.tif 000010
【図４Ａ】
2012521535.tif 000011
【図４Ｂ】
2012521535.tif 000012
【図４Ｃ】
2012521535.tif 000013
【国際調査報告】
2012521535.tif 000014
2012521535.tif 000015
2012521535.tif 000016
2012521535.tif 000017