JPH0480558A - Helium liquefying refrigerator - Google Patents
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- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超電導機器の冷却等に用いられる極低温用ヘ
リウム液化冷凍機に関まるものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a cryogenic helium liquefaction refrigerator used for cooling superconducting equipment and the like.
従来の装置を第２図を用いて説明する。 A conventional device will be explained using FIG. 2.
低段圧縮機ｌおよび高段圧縮機２で圧縮されたヘリウム
ガスは、油分離ユニット３にて、油分を分離し、コール
トポ呼りス５に入り、熱交換器６にて戻りヘリウムガス
と熱交換し、冷却される。The helium gas compressed by the low-stage compressor 1 and the high-stage compressor 2 is separated from oil in the oil separation unit 3, enters the coal topo tank 5, and returns to the heat exchanger 6 where it is exchanged with helium gas and heat. Replaced and cooled.
一部のヘリウムガスは、高温膨張タービン１６にて二段
階に膨張し、寒冷を発生し、熱交換器６で寒冷を回収し
、高段圧ＪＩ機２の吸入側に戻る。他方のヘリウムガス
は、さらに、熱交換器７にて冷却され、一部のヘリウム
ガスは、膨張タービン１７にて二段階に膨張し、寒冷を
発生し、戻りヘリウムガスと合流する。他方のヘリウム
ガスは、さらに、熱交換器７にて冷却されＪＴ弁刃にて
膨張し、低温移送配管ｌＯを経てタライオスタットνに
送られ、一部液体ヘリウムとなって液体ヘリウム槽１４
に溜り、非冷却体Ｂを冷却する。一方のガスヘリウムは
戻りガスヘリウムとなって、低温移送配管■を経てコー
ルドボックス５にもどり、熱交換器７゜６を通って低段
圧縮機ｌの吸入側へ戻る。A portion of the helium gas expands in two stages in the high temperature expansion turbine 16 to generate cold, recovers the cold in the heat exchanger 6, and returns to the suction side of the high-pressure JI machine 2. The other helium gas is further cooled in the heat exchanger 7, and part of the helium gas is expanded in two stages in the expansion turbine 17 to generate refrigeration, and then merges with the returned helium gas. The other helium gas is further cooled in the heat exchanger 7, expanded in the JT valve blade, and sent to the Taliostat ν via the low temperature transfer pipe 1O, where it partially becomes liquid helium and enters the liquid helium tank 14.
and cools the non-cooled body B. One gas helium becomes return gas helium and returns to the cold box 5 via the low-temperature transfer pipe (2), and returns to the suction side of the low stage compressor (1) through the heat exchanger (7.6).
圧縮機の吐出および吸入圧は、圧力調整弁狙。The discharge and suction pressure of the compressor is aimed at the pressure regulating valve.
冨を介して中圧タンク４とガスのやりとりを行なうこと
により、一定にｗ１４整される。By exchanging gas with the intermediate pressure tank 4 through the gas, w14 is kept constant.
運転初期においては、系内に不純ガスが多（存在するの
で、低圧ラインのガスヘリウムをガスパプグ５１を経て
回収圧縮機５２にて圧縮し、ヘリウム精製器郭で精製し
て中圧ラインへ戻す。At the beginning of operation, since there is a large amount of impure gas in the system, the gas helium in the low pressure line is compressed by the recovery compressor 52 via the gas pump 51, purified by the helium purifier enclosure, and returned to the medium pressure line.
二のようなヘリウム液化冷凍機については、例えば、ア
トパンシーズ イ／ クライオジェニヲク エンジニア
リング 第３１４（１９８６）第６９３頁から第６９８
員 （Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙ。Regarding the helium liquefaction refrigerator, see, for example, Atopanse I/Cryogeniwok Engineering No. 314 (1986), pp. 693 to 698.
(Advances in Cry.
ｇｅｎｉｃ ＥｎｇＪｎｅｅｒｌｎｇ、 Ｖｏｌ ３１
． （１９８６）ＰＰ６９３〜６９８）において論じ
られている。Generic EngJneerlng, Vol 31
．． (1986) PP693-698).
上記従来技術は、液体窒素温度レベルより高温側の寒冷
発生方法が、高温膨張タービンによるものだけであり、
運転モードの変更による寒冷発生量の１ｌ１１ｉおよび
、タービン故障時のパブクアブブに問題点があり、さら
に、初期＃ｔＩＲ時において、外部精製器による精製が
必要であるという問題点があった。In the above conventional technology, the only method for generating cold at a temperature higher than the liquid nitrogen temperature level is a high temperature expansion turbine.
There are problems with the amount of cold generation being 1l11i due to changes in the operation mode, and the amount of cooling generated when the turbine fails, and there is also a problem that purification by an external purifier is required at the time of initial #tIR.
本発明は、ヘリウム液化冷凍後の液体窒素温度レベルよ
り高温側の寒冷発生方法に関して、より完全な運転モー
ドの変化への対応と冗長性の確保を目的としており、さ
らに、安価で効率的な初期精製の実現が可能となるヘリ
ウム液化冷凍機を供給することを目的としている。The present invention aims to more completely respond to changes in operation modes and ensure redundancy regarding the cold generation method on the side higher than the liquid nitrogen temperature level after helium liquefaction freezing, and furthermore, aims to provide an inexpensive and efficient initial stage. The aim is to supply a helium liquefaction refrigerator that enables purification.
〔ｔ！１題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、ヘリウム液化冷凍機の液体
窒素温度レベルより高温側の寒冷発生方法を液体Ｍ素に
よるものと高温膨張タービンによるものとの２ｓ類にし
、さらに上記の他の目的を達成するために、上記の液体
窒素による寒冷発生方法に不純ガスを凝着あるいはｑ＆
看線除去るシステムを付加したものである。[t! Means for Solving Problem 1] In order to achieve the above objective, the method of generating cold on the side higher than the liquid nitrogen temperature level of the helium liquefaction refrigerator is divided into two types: one using liquid M element and one using high temperature expansion turbine. In addition, in order to achieve the other objectives mentioned above, the above method of generating cold using liquid nitrogen is combined with condensation of impurity gas or q&
A system for removing blind lines has been added.
圧縮機の吐出ガスである中圧ヘリウムガスをコールドボ
ックスに入る前に分流し、本来の熱交換器および高温膨
張タービンによる液体窒素温度レベル以上の寒冷発生以
外に、液体窒素との熱交換を行なう液体窒素熱交換器を
もうける。Medium-pressure helium gas, which is the discharge gas of the compressor, is diverted before entering the cold box, and in addition to generating cold above the liquid nitrogen temperature level using the original heat exchanger and high-temperature expansion turbine, heat exchange with liquid nitrogen is performed. Build a liquid nitrogen heat exchanger.
液化運転のように寒冷の発生を多畷要求するような運転
モードにおいては、高温膨張タービンによる寒冷発生に
付加して液体窒素熱交換器を働かせ、寒冷発生量を増加
させる。また、通常の運転において、高温膨張タービン
が故障等により停止した場合には、そのパブクアップと
して液体窒素熱交換器を働かせる。また、系内の初期冷
却運転において、液体窒素温度レベル以上のガスを使用
する場合には、回転体である膨張タービンをすべて停止
し、液体窒素熱交換器を働かせて初期冷却することが可
能となる。その際、系内の不純ガスが液体窒素熱交換器
のヘリウムラインに蓄積されるが、初期冷却完了後に当
該ヘリウムラインを加温真空引することにより、不純ガ
スを系外に、除去可能である。In an operation mode such as liquefaction operation that requires generation of a large amount of cold, the liquid nitrogen heat exchanger is operated in addition to the cold generated by the high-temperature expansion turbine to increase the amount of cold generated. In addition, during normal operation, if the high-temperature expansion turbine is stopped due to a failure or the like, the liquid nitrogen heat exchanger is activated to repair the turbine. In addition, when using gas with a temperature higher than the liquid nitrogen temperature level during initial cooling operation in the system, it is possible to stop all the rotating expansion turbines and activate the liquid nitrogen heat exchanger for initial cooling. Become. At that time, impure gas in the system accumulates in the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger, but by heating and vacuuming the helium line after initial cooling is completed, the impure gas can be removed from the system. .
また、液体窒素温度レベルのヘリウムガス温度を検出す
ることにより、液体窒素温度レベル以上の寒冷量の過不
足が籾量し、液体窒素熱交換器に流すガス流量を調整す
ることが可能となる。Furthermore, by detecting the helium gas temperature at the liquid nitrogen temperature level, it is possible to determine whether the amount of chilling is too much or too little above the liquid nitrogen temperature level, and to adjust the gas flow rate to flow into the liquid nitrogen heat exchanger.
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
低段圧縮機ｌおよび高段圧縮機２で圧縮されたヘリウム
ガスは、油分離ユニット３にて、油分を分離し、コール
ドボックス５に入り、熱交換器６にて戻りヘリウムガス
と熱交換し、冷却される。The helium gas compressed by the low-stage compressor 1 and the high-stage compressor 2 is separated from oil by an oil separation unit 3, enters a cold box 5, and returns to a heat exchanger 6 to exchange heat with the helium gas. , cooled.
一部のヘリウムガスは、高温膨張タービン１６にて二段
階に膨張し、寒冷を発生し、熱交換器６で寒冷を回収し
、高段圧縮機２の吸入側に戻る。他方のヘリウムガスは
、さらに、熱交換器７にて冷却され、一部のヘリウムガ
スは、膨張タービン１７にて二段階に膨張し、寒冷を発
生し、戻りヘリウムガスと合流する。他方のヘリウムガ
スは、さらに、熱交換器７にて冷却されＪＴ弁島にて膨
張し、低温移送配管１０を経てクライオスタット認に送
られ、一部液体ヘリウムとなって液体ヘリウム槽１４に
溜り、非冷却体１３を冷却する。一方のガスヘリウムは
戻りガスヘリウムとなって、低温移送配管ｌ】を経てコ
ールドボックス５に戻り、熱交換器７．６を通って低段
圧縮ＩＩＩＩ！１の吸入側へ戻る。A portion of the helium gas expands in two stages in the high-temperature expansion turbine 16 to generate cold, recovers the cold in the heat exchanger 6, and returns to the suction side of the high-stage compressor 2. The other helium gas is further cooled in the heat exchanger 7, and part of the helium gas is expanded in two stages in the expansion turbine 17 to generate refrigeration, and then merges with the returned helium gas. The other helium gas is further cooled in the heat exchanger 7, expanded in the JT Benjima, sent to the cryostat via the low temperature transfer pipe 10, and partially becomes liquid helium and accumulates in the liquid helium tank 14. The non-cooled body 13 is cooled. One gas helium becomes return gas helium, returns to the cold box 5 via the low-temperature transfer pipe 1], passes through the heat exchanger 7.6, and undergoes low-stage compression III! Return to the suction side of 1.
圧縮機の吐出および吸入圧は、圧力調整弁３１゜！を介
して中圧タンク４とガスのやりとりを行なうことにより
、一定に調整される。The discharge and suction pressure of the compressor is controlled by the pressure regulating valve 31°! By exchanging gas with the intermediate pressure tank 4 through the , the pressure is adjusted to a constant level.
液化運転のように寒冷の発生を多く要求するような運転
モードにおいては、高温膨張タービン１６による寒冷発
生に付加して液体窒素熱交換器８を働かせ、寒冷発生量
を増加させる。即ち、コールドボックス５に入る中圧ガ
スを一部分流させ、液体窒素熱交換器８において、液体
窒素と熱交換させ、液体窒素温度レベルのヘリウムガス
な吸着器９を経てメインの中圧ラインに合流させる。こ
れにより、液体窒素温度レベル以上の寒冷発生量が増加
することになる。In an operation mode that requires generation of a large amount of cold, such as liquefaction operation, the liquid nitrogen heat exchanger 8 is operated in addition to the cold generation by the high-temperature expansion turbine 16 to increase the amount of cold generation. That is, a part of the intermediate pressure gas entering the cold box 5 is caused to flow, exchanged heat with liquid nitrogen in the liquid nitrogen heat exchanger 8, and flows into the main intermediate pressure line through the helium gas absorber 9 at the liquid nitrogen temperature level. let This results in an increase in the amount of cold generated above the liquid nitrogen temperature level.
また、通常の運転において、高温膨張タービン１６が故
障等により停止した場合には、そのバックアップとして
液体窒素熱交換器８を鋤かせる。即ち、弁羽を閉止し、
高温膨張タービンへのガスの流れはない状態となり、弁
４７を経てコールドボックス５に入るヘリウムガスは、
すべて、熱交換器６において、戻りガスヘリウムと熱交
換し、液体窒素熱交換器８を経たヘリウムガスと合流し
て、さらに低温部へと進む。高温膨張タービン１６で発
生していた寒冷を補うだけであるので、比較的わずかな
ヘリウムガスを液体窒素熱交換器８に供給するだけで、
高温膨張タービンのバックアップは可能である。Further, in normal operation, if the high temperature expansion turbine 16 is stopped due to a failure or the like, the liquid nitrogen heat exchanger 8 is used as a backup. That is, the valve blades are closed,
There is no gas flow to the hot expansion turbine, and helium gas enters the cold box 5 via the valve 47.
All of the gas exchanges heat with the return gas helium in the heat exchanger 6, merges with the helium gas that has passed through the liquid nitrogen heat exchanger 8, and then proceeds to the low temperature section. Since the cold generated in the high-temperature expansion turbine 16 is only supplemented, only a relatively small amount of helium gas is supplied to the liquid nitrogen heat exchanger 8.
Backup of hot expansion turbines is possible.
また、系内の初期冷却運転において、液体窒素温度レベ
ル以上のガスを使用する場合には、回転体である膨張タ
ービン１６．１７をすべて停止し、液体窒素熱交換器８
を働かせて初期冷却することが可能となる。その際、系
内の不純ガスが液体窒素熱交換器のヘリウムラインに蓄
積されるが、初期冷却完了後に当該ヘリウムラインを弁
４１．４２を閉止することにより締切、弁葛を閉止して
、液体窒素の供給を止め、その後、弁材、５を開は窒素
ガスにより加温した後、弁柄、４５を閉止し、弁槌な開
は真空引装＠２５で真空引することにより、不純ガスを
系外に、除去可能である。初期冷却完了後は、液体窒素
熱交換器８を加温真空引している段階でも高温膨張ター
ビン１６を起動することにより、さらに、冷却が可能と
なる。In addition, in the initial cooling operation in the system, if gas with a temperature higher than the liquid nitrogen temperature level is used, all the expansion turbines 16 and 17, which are rotating bodies, are stopped, and the liquid nitrogen heat exchanger 8
This makes it possible to perform initial cooling. At that time, impure gas in the system accumulates in the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger, but after the initial cooling is completed, the helium line is shut off by closing valves 41 and 42, and the After stopping the nitrogen supply, the valve material 5 is heated with nitrogen gas, the valve handle 45 is closed, and the valve hammer opening is evacuated with the vacuum suction device @25 to remove impure gas. can be removed outside the system. After the initial cooling is completed, further cooling becomes possible by starting the high temperature expansion turbine 16 even while the liquid nitrogen heat exchanger 8 is being heated and evacuated.
また、液体窒素温度レベルのヘリウムガス温度を温度検
出器Ｂにより検出することにより、制御装［６１におい
て、液体窒素温度レベル以上の寒冷量の過不足が判明し
、液体窒素熱交換器８に流すガス流量を弁４１．４３に
より調整することにより、運転モードの変化に対応した
最適な弁操作が可能となる。また、液位検出器Ｃにより
、液体ヘリウム槽１４のヘリウムレベルを知ることによ
り、より適切な運転モードの把握が可能となることはい
うまでもないことである。In addition, by detecting the helium gas temperature at the liquid nitrogen temperature level by the temperature detector B, the control device [61] determines whether the amount of cooling is too much or too little above the liquid nitrogen temperature level, and the temperature is changed to the liquid nitrogen heat exchanger 8. By adjusting the gas flow rate using the valves 41 and 43, optimal valve operation corresponding to changes in the operating mode is possible. It goes without saying that by knowing the helium level in the liquid helium tank 14 using the liquid level detector C, it is possible to determine a more appropriate operating mode.
本実施例によれば、液体窒素温度レベルより高温側の寒
冷発生方法が液体窒素によるものと高温膨張タービンに
よるものとの２ｓ＠であるので、運転モードによる寒冷
発生量の１Ｉｉｌ整が容易になり、高温膨張タービンが
停止した場合のバックアップができ、さらに初期冷却時
において、液体窒素熱交換器および吸着器により不純ガ
スを凝着あるいは吸着除去することができるので、ヘリ
ウム液化冷凍機の信頼性を高め、安定で、効率的な運転
ができる効果がある。According to this embodiment, since the method of generating cold on the side higher than the liquid nitrogen temperature level is 2s@, using liquid nitrogen and using a high-temperature expansion turbine, it is easy to adjust the amount of cold generation depending on the operation mode. This feature provides backup in case the high-temperature expansion turbine stops, and during initial cooling, impurity gas can be condensed or adsorbed and removed using the liquid nitrogen heat exchanger and adsorber, improving the reliability of the helium liquefaction refrigerator. It has the effect of enabling high, stable, and efficient driving.
本発明によれば、液体窒素温度レベルより高温側の寒冷
発生方法が液体窒素によるものと高温鳳張タービンによ
るものとの２種類であるので、運転モードによる寒冷発
生量の！Ｉ！！が容易になり、高温膨張タービンが停止
した場合のバ、クア、ブができ、さらに初期冷却時にお
いて、液体窒素熱交換器および吸着器により不純ガスを
凝着あるＬ＋は吸着除去することができるので、ヘリウ
ム液化冷凍機の信頼性を高め、安定で、効率的な運転か
できるという効果がある。According to the present invention, since there are two methods of generating cold on the side higher than the liquid nitrogen temperature level: using liquid nitrogen and using a high-temperature turbine, the amount of cold generated depends on the operation mode. I! ! When the high temperature expansion turbine stops, it becomes easy to do so, and when the high-temperature expansion turbine stops, it is possible to remove condensed impurity gas by adsorption and removal using the liquid nitrogen heat exchanger and adsorber. Therefore, it has the effect of increasing the reliability of the helium liquefaction refrigerator and enabling stable and efficient operation.
第１図は、本発明の一実施例のヘリウム液化冷凍機のフ
ロー図、第２図は、従来例のヘリウム液化冷凍機のフロ
ー図である。
１・・・・・・低段圧縮機、２・・・・・・高段圧縮機
、３・・・・・・油分離ユニット、５・・・−・・コー
ルドボックス、６゜７・・・・・・熱交換器、８・・・
・・・液体窒素熱交換器、９・・・吸ｌｌ器、１（１，
１１・・・・・・低段移送配管、１４・・・・・・液体
ヘリウム槽、１６・・・・・・高温膨張タービン、１７
・・・・・・膨張タービン、２５・・・・・・真空引装
置、５１・・・・・・ガスバッグ５２・・・・・・回収
圧縮機、
Ｓ・・・・・・
精製器、
６１・・・・・・制御装
置、
Ｃ・・・・・・
液位検出器、
簡・・・・・・
温度検出器
【FIG. 1 is a flow diagram of a helium liquefaction refrigerator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flow diagram of a conventional helium liquefaction refrigerator. 1...Low stage compressor, 2...High stage compressor, 3...Oil separation unit, 5...Cold box, 6゜7... ...Heat exchanger, 8...
...Liquid nitrogen heat exchanger, 9...Suction device, 1 (1,
11...Low stage transfer piping, 14...Liquid helium tank, 16...High temperature expansion turbine, 17
...... Expansion turbine, 25 ... Vacuum suction device, 51 ... Gas bag 52 ... Recovery compressor, S ... Purifier, 61...Control device, C...Liquid level detector, Simple...Temperature detector [
Claims (1)
とヘリウムガスとを熱交換させる液体窒素熱交換器と、
出口温度が液体窒素温度レベルである高温膨張タービン
を有し常温レベルと液体窒素温度レベルとの間でヘリウ
ムガスとヘリウムガスとを熱交換させるヘリウムガス熱
交換器とを、同一のコールドボックス内に有し、圧縮機
吐出ガスである中圧ガスを前記液体窒素熱交換器または
高温膨張タービンまたはその両方に導き、中圧ラインの
液体窒素温度レベルのヘリウムガスを生成できることを
特徴とするヘリウム液化冷凍機。２、前記液体窒素熱交
換器のヘリウムラインに液体窒素との熱交換器運転時に
、ヘリウムラインに凝着した不純ガスを加温ガスを流す
ことにより加温し、かつ、当該ヘリウムラインを真空引
することにより不純ガスを系外に排出除去可能な第１請
求項に記載のヘリウム液化冷凍機。 ３、前記液体窒素熱交換器のヘリウムラインの低温側に
吸着器を有し、低温時の不純ガスの吸着能力を付加した
第１請求項若しくは第２請求項に記載のヘリウム液化冷
凍機。 ４、液体窒素温度レベルのヘリウムガス温度を検出し、
前記液体窒素熱交換器を流れる液体窒素およびヘリウム
ガスの流量を調整することにより、前記液体窒素熱交換
器の単独あるいは前記高温膨張タービンと液体窒素熱交
換器の並列運転の最適化が可能となるような制御装置を
有する第１請求項に記載のヘリウム液化冷凍機。[Claims] 1. A liquid nitrogen heat exchanger that exchanges heat between liquid nitrogen and helium gas between a room temperature level and a liquid nitrogen temperature level;
A helium gas heat exchanger that has a high temperature expansion turbine whose outlet temperature is at the liquid nitrogen temperature level and exchanges heat between helium gas and helium gas between the room temperature level and the liquid nitrogen temperature level is installed in the same cold box. Helium liquefaction refrigeration, characterized in that the medium-pressure gas that is the compressor discharge gas is guided to the liquid nitrogen heat exchanger or the high-temperature expansion turbine, or both, to generate helium gas at a temperature level of the liquid nitrogen in the medium-pressure line. Machine. 2. When operating the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger with liquid nitrogen, the impure gas that has condensed in the helium line is heated by flowing heating gas, and the helium line is evacuated. The helium liquefaction refrigerator according to claim 1, wherein impurity gas can be discharged and removed from the system by doing so. 3. The helium liquefaction refrigerator according to claim 1 or 2, which has an adsorber on the low temperature side of the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger, and has an added ability to adsorb impurity gas at low temperatures. 4. Detect the helium gas temperature at the liquid nitrogen temperature level,
By adjusting the flow rates of liquid nitrogen and helium gas flowing through the liquid nitrogen heat exchanger, it is possible to optimize the operation of the liquid nitrogen heat exchanger alone or in parallel with the high temperature expansion turbine and the liquid nitrogen heat exchanger. A helium liquefaction refrigerator according to claim 1, having a control device as described above.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2193002A JPH0784961B2 (en) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | Helium liquefier |
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| JP2193002A JPH0784961B2 (en) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | Helium liquefier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0480558A true JPH0480558A (en) | 1992-03-13 |
| JPH0784961B2 JPH0784961B2 (en) | 1995-09-13 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2193002A Expired - Lifetime JPH0784961B2 (en) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | Helium liquefier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0784961B2 (en) |
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