JPH0674582A - Low temperature helium compressor and cooling method therefor - Google Patents

Low temperature helium compressor and cooling method therefor

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JPH0674582A
JPH0674582A JP22242192A JP22242192A JPH0674582A JP H0674582 A JPH0674582 A JP H0674582A JP 22242192 A JP22242192 A JP 22242192A JP 22242192 A JP22242192 A JP 22242192A JP H0674582 A JPH0674582 A JP H0674582A
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脩好 佐治
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博志 大矢
Hiroshi Asakura
啓 朝倉
Mikiro Mori
幹郎 森
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Abstract

PURPOSE:To provide a low temperature helium compressor and a method for cooling the same in which the facility cost of a nitrogen liquefying unit, connecting tubes, etc., can be reduced by decreasing a necessary amount of liquefied nitrogen, a control is simply, and there is no fear of a local strain due to pull-down. CONSTITUTION:The low temperature helium compressor is used for a nitrogen.helium two-stage cascade refrigerating cycle, and comprises a motor 12 for driving a helium compressor 11. The motor has a guide cylinder 14 surrounding the outer periphery of the motor at an interval, cooling fins 16 axially aligned between the cylinder and the outer periphery of the motor, and a helium. nitrogen heat exchanger 18. The fins are cooled with evaporated nitrogen gas, and further helium gas passed through the motor is indirectly cooled with nitrogen gas passed through the fins by the exchanger.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は低温ヘリウム圧縮機及び
その冷却方法に関し、更に詳しくは、液化ヘリウムを製
造する液化装置に用いる低温ヘリウム圧縮機を駆動する
電動機とその冷却方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low temperature helium compressor and a cooling method thereof, and more particularly to an electric motor for driving a low temperature helium compressor used in a liquefaction apparatus for producing liquefied helium and a cooling method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】液化ヘリウムは実在気体のうちで最も低
い沸点を有し、超電導発電機など超電導電力応用機器へ
の利用が図られている。かかる液化ヘリウムを製造する
には、従来、図4に示すような二元冷凍サイクルが考え
られてきた。すなわち、液化ヘリウム製造装置は、直列
に連結した複数の低温ヘリウム圧縮機51を内蔵する圧
縮機ユニット52と、圧縮されたヘリウムを断熱膨張さ
せて液化させるヘリウム液化ユニット53とからなるヘ
リウム冷凍サイクルと、液化窒素を製造し圧縮機ユニッ
ト52に供給する窒素液化ユニット54からなる窒素冷
却サイクルとから構成され、圧縮機ユニット52内でヘ
リウムガスを圧縮し、圧縮したヘリウムガスを液化窒素
により冷却し、次いでヘリウム液化ユニット53内でヘ
リウムガスを更に冷却後、断熱膨張させてその一部を液
化し、製造した液化ヘリウムを超電導発電機55等で使
用するものである。
2. Description of the Related Art Liquid helium has the lowest boiling point among existing gases, and is used for superconducting power application equipment such as superconducting generators. In order to produce such liquefied helium, a binary refrigeration cycle as shown in FIG. 4 has been conventionally considered. That is, the liquefied helium production apparatus includes a helium refrigeration cycle including a compressor unit 52 containing a plurality of low temperature helium compressors 51 connected in series, and a helium liquefaction unit 53 that adiabatically expands and compresses the compressed helium. , A nitrogen cooling cycle consisting of a nitrogen liquefaction unit 54 for producing liquefied nitrogen and supplying it to the compressor unit 52, compressing helium gas in the compressor unit 52, and cooling the compressed helium gas with liquefied nitrogen, Next, the helium gas is further cooled in the helium liquefaction unit 53, adiabatically expanded to liquefy a part of the helium gas, and the produced liquefied helium is used in the superconducting power generator 55 and the like.

【0003】上述した液化ヘリウム製造装置において、
低温ヘリウム圧縮機51を駆動するには電動機57が用
いられ、この電動機57の発熱を圧縮機ユニット52内
で冷却する必要がある。従来、この電動機57の冷却
は、電動機の固定子外周部のケーシングにジャケットを
設け、ここに液化窒素を導入して固定子、ケーシング等
を冷却し、同時に電動機内部に圧縮機で圧縮したヘリウ
ムガスの一部を流して電動機内部を冷却していた。この
場合、ジャケットを通過した液化窒素は圧縮機ユニット
下部の液化窒素58に供給され、電動機内部を通過した
ヘリウムガスは圧縮機上流側の熱交換器に戻していた。
In the above-mentioned liquid helium production apparatus,
An electric motor 57 is used to drive the low temperature helium compressor 51, and it is necessary to cool the heat generated by the electric motor 57 in the compressor unit 52. Conventionally, the cooling of the electric motor 57 is performed by providing a jacket on the casing of the outer periphery of the stator of the electric motor, and introducing liquefied nitrogen into the jacket to cool the stator, the casing, etc., and at the same time, helium gas compressed by the compressor inside the electric motor. The inside of the electric motor was cooled by flowing a part of it. In this case, the liquefied nitrogen that passed through the jacket was supplied to the liquefied nitrogen 58 below the compressor unit, and the helium gas that passed through the inside of the motor was returned to the heat exchanger on the upstream side of the compressor.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した電動
機の冷却ではヘリウムの冷却に必要な液化窒素の量に加
えて、電動機の冷却のために相当余分に液化窒素を必要
とする問題があった。これにより、窒素液化ユニット5
4の容量、及び圧縮機ユニット52との連結管の容量が
増大し、設備費が高くなる問題があった。その上、窒素
液化ユニット54に戻る窒素の温度が相当に低く(約8
0K)、そのため窒素液化ユニット内の低温部分に戻り
配管用の連結部を設ける必要があり、窒素液化ユニット
が複雑化し設備費が更に高くなる問題があった。
However, in the above-described cooling of the electric motor, in addition to the amount of liquefied nitrogen required for cooling helium, there is a problem that a considerable amount of liquefied nitrogen is needed for cooling the electric motor. . As a result, the nitrogen liquefaction unit 5
4 and the capacity of the connecting pipe with the compressor unit 52 are increased, and there is a problem that the equipment cost is increased. In addition, the temperature of the nitrogen returning to the nitrogen liquefaction unit 54 is considerably low (about 8
0K). Therefore, it is necessary to provide a connecting portion for a return pipe in a low temperature portion in the nitrogen liquefaction unit, which causes a problem that the nitrogen liquefaction unit becomes complicated and the equipment cost further increases.

【0005】また、液化窒素をヘリウム冷却用と電動機
冷却用に二分して供給する必要があり、特に電動機はそ
の負荷がそれぞれ異なるのでそれぞれの電動機用に液化
窒素用の流量調節弁59を備え、運転状態に応じてこれ
を制御する必要があった。従って、それぞれ独立した制
御装置が必要になる問題があった。更に、運転開始に先
立って圧縮機ユニットを予冷する場合に、電動機が極低
温(約77K、−196°C)の液化窒素により急激に
冷やされるため局部歪を生じ、電動機が急速起動できな
くなるおそれがあった。
Further, it is necessary to supply the liquefied nitrogen in two parts for cooling helium and for cooling the electric motor. Especially, since the electric motors have different loads, a flow control valve 59 for the liquefied nitrogen is provided for each electric motor. It was necessary to control this according to the operating conditions. Therefore, there is a problem in that independent control devices are required. Furthermore, when pre-cooling the compressor unit prior to the start of operation, the electric motor is rapidly cooled by liquefied nitrogen at a very low temperature (about 77K, -196 ° C), which may cause local distortion and prevent the electric motor from rapidly starting. was there.

【0006】本発明は上述した問題を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、液化
窒素の必要量を低減して窒素液化ユニット、連結管等の
設備費を低減することができ、制御が簡単であり、かつ
予冷により局部歪が生じるおそれのない、低温ヘリウム
圧縮機とその冷却方法を提供することにある。
The present invention was created to solve the above problems. That is, the object of the present invention is to reduce the required amount of liquefied nitrogen to reduce the equipment cost of the nitrogen liquefaction unit, the connecting pipe, etc., the control is simple, and there is no risk of local strain due to precooling. , To provide a low temperature helium compressor and its cooling method.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明によれは、窒素・
ヘリウム二元冷凍サイクルに使用する低温ヘリウム圧縮
機であって、ヘリウム圧縮機を駆動する電動機を備え、
該電動機は電動機外周を間隔を隔てて囲む案内筒と、該
案内筒と電動機の外周部との間に互いに軸方向に整合し
て設けられた冷却フィンとヘリウム・窒素熱交換器とを
有し、前記冷却フィンは蒸発した窒素ガスにより冷却さ
れ、かつ前記ヘリウム・窒素熱交換器は、電動機内部を
通過したヘリウムガスを冷却フィンを通過した窒素ガス
により間接冷却するようになっている、ことを特徴とす
る。
According to the present invention, nitrogen
A low-temperature helium compressor used for a helium dual refrigeration cycle, comprising an electric motor for driving the helium compressor,
The electric motor has a guide tube surrounding the outer circumference of the electric motor with a gap, a cooling fin and an helium / nitrogen heat exchanger axially aligned with each other between the guide cylinder and the outer peripheral portion of the electric motor. The cooling fins are cooled by the evaporated nitrogen gas, and the helium / nitrogen heat exchanger is configured to indirectly cool the helium gas that has passed through the inside of the electric motor by the nitrogen gas that has passed through the cooling fins. Characterize.

【0008】また、本発明の好ましい実施例によれば、
前記案内筒には更に、ヘリウムガスの冷却によって蒸発
した窒素ガスを前記冷却フィンとヘリウム・窒素熱交換
器に導く案内板が設けられている。更に、本発明によれ
ば、窒素・ヘリウム二元冷凍サイクルに使用する低温ヘ
リウム圧縮機の冷却方法であって、ヘリウムガスの冷却
によって蒸発した窒素ガスにより、低温ヘリウム圧縮機
を駆動する電動機の外周部を冷却し、ヘリウムガスによ
り前記電動機の内部を冷却し、更に電動機外周部を冷却
した窒素ガスにより電動機内部を冷却した前記ヘリウム
ガスを冷却する、ことを特徴とする。
According to a preferred embodiment of the present invention,
The guide cylinder is further provided with a guide plate for guiding the nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas to the cooling fins and the helium / nitrogen heat exchanger. Furthermore, according to the present invention, there is provided a cooling method for a low temperature helium compressor used in a nitrogen / helium binary refrigeration cycle, wherein the outer periphery of an electric motor for driving the low temperature helium compressor by nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas. And cooling the inside of the electric motor with helium gas, and further cooling the helium gas inside the electric motor with nitrogen gas that has cooled the outer peripheral portion of the electric motor.

【0009】[0009]

【作用】従来は液化窒素により電動機を冷却し、圧縮機
ユニット内で蒸発した窒素は、そのまま窒素液化ユニッ
トに戻していたが、本発明では逆に蒸発後の窒素ガスに
より電動機を冷却し、液化窒素は本来の目的のみに使用
するものである。すなわち、上述した本発明によれば、
案内筒と電動機の外周部との間に互いに軸方向に整合し
て設けられた冷却フィンとヘリウム・窒素熱交換器とを
有し、ヘリウムガスの冷却によって蒸発した窒素ガスに
より、低温ヘリウム圧縮機を駆動する電動機の外周部を
冷却し、ヘリウムガスにより電動機の内部を冷却し、更
に電動機外周部を冷却した窒素ガスにより電動機内部を
冷却したヘリウムガスを冷却するので、圧縮機ユニット
を出る窒素ガスの温度は従来に較べて相当高くなる(例
えば、78Kから117K)。従って、圧縮機ユニット
内で同一の電動機の発熱を冷却するために必要な液化窒
素の量が少なくなり、窒素液化ユニット、連結管等の設
備費を低減することができる。
In the past, the electric motor was cooled by liquefied nitrogen, and the nitrogen evaporated in the compressor unit was returned to the nitrogen liquefaction unit as it is. However, in the present invention, conversely, the electric motor is cooled by liquefied nitrogen gas and liquefied. Nitrogen is only used for its original purpose. That is, according to the present invention described above,
A low-temperature helium compressor having a cooling fin and a helium / nitrogen heat exchanger provided axially aligned with each other between the guide tube and the outer peripheral portion of the electric motor, and using nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas. The helium gas that cools the inside of the motor is cooled by the helium gas, and the helium gas that cools the inside of the motor is cooled by the nitrogen gas that cools the outside of the motor. Is considerably higher than in the past (eg, 78K to 117K). Therefore, the amount of liquefied nitrogen required to cool the heat generation of the same electric motor in the compressor unit is reduced, and the equipment cost of the nitrogen liquefaction unit, the connecting pipe, etc. can be reduced.

【0010】また、蒸発した窒素ガスにより電動機を冷
却することから、液化窒素を用いる場合のように厳密な
制御を必要とせず、実質的には制御装置が不要であり、
かつ予冷により局部歪が生じるおそれもなくなる。
Further, since the electric motor is cooled by the evaporated nitrogen gas, there is no need for strict control as in the case of using liquefied nitrogen, and a control device is substantially unnecessary.
In addition, there is no possibility that local strain will occur due to pre-cooling.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図1は、本発明による低温ヘリウム圧縮
機を用いた液化ヘリウム製造装置の全体構成図である。
この図において、液化ヘリウム製造装置は、直列に連結
した複数の低温ヘリウム圧縮機10を内蔵する圧縮機ユ
ニット20と、圧縮されたヘリウムを断熱膨張させて液
化させるヘリウム液化ユニット53とからなるヘリウム
冷凍サイクルと、液化窒素を製造し圧縮機ユニット20
に供給する窒素液化ユニット30からなる窒素冷却サイ
クルとから構成される。すなわち、液化ヘリウム製造装
置は、ヘリウム冷凍サイクルと窒素冷却サイクルとから
構成される二元冷凍サイクルである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an apparatus for producing liquefied helium using a low temperature helium compressor according to the present invention.
In this figure, the liquefied helium production apparatus is a helium refrigeration unit including a compressor unit 20 containing a plurality of low-temperature helium compressors 10 connected in series, and a helium liquefaction unit 53 that adiabatically expands and compresses the compressed helium. Cycle and compressor unit 20 for producing liquefied nitrogen
And a nitrogen cooling cycle consisting of a nitrogen liquefaction unit 30 supplied to the. That is, the liquefied helium production apparatus is a binary refrigeration cycle including a helium refrigeration cycle and a nitrogen cooling cycle.

【0012】この装置の使用において、圧縮機ユニット
20内でヘリウムガスを圧縮し、圧縮したヘリウムガス
を液化窒素8により冷却し、次いでヘリウム液化ユニッ
ト53内でヘリウムガスを更に冷却後、断熱膨張させて
その一部を液化し、製造された液化ヘリウムを超電導発
電機55等で使用する。ヘリウム液化ユニット53は、
熱交換器、膨張機、膨張弁等により構成される。なお、
ヘリウム液化ユニット53と超電導発電機55は、図4
に示した従来の液化ヘリウム製造装置と同一であり、詳
細の説明は省略する。
In the use of this apparatus, the helium gas is compressed in the compressor unit 20, the compressed helium gas is cooled by the liquefied nitrogen 8, and then the helium gas is further cooled in the helium liquefaction unit 53 and then adiabatically expanded. Then, a part of it is liquefied and the produced liquefied helium is used in the superconducting generator 55 or the like. The helium liquefaction unit 53
It is composed of a heat exchanger, an expander, an expansion valve, and the like. In addition,
The helium liquefaction unit 53 and the superconducting generator 55 are shown in FIG.
Since it is the same as the conventional liquefied helium production apparatus shown in FIG.

【0013】更に、図1に示すように、圧縮機ユニット
20内には、ヘリウムガスを冷却する複数の熱交換器
2、4、6が設けられ、また圧縮機ユニット20の下部
には熱交換器2、4、6を冷却する液化窒素8が熱交換
器2、4、6よりも高いレベルまで供給されている。更
に、窒素液化ユニット30は圧縮機32、膨張弁34、
液化熱交換器36、低温熱交換器38からなる窒素冷却
サイクルであり、かつその膨張弁34の上流側と圧縮機
ユニット20内とを結ぶ液化窒素供給ラインには別の膨
張弁40が設けられている。低温高圧の窒素は膨張弁4
0により減圧され、大部分が液化窒素となって圧縮機ユ
ニット20に供給される。圧縮機ユニット20内の圧力
は、常圧(1atm)であり、約77Kの液化窒素と窒
素ガスが供給され、液化窒素は圧縮機ユニット下部の液
化窒素8に混入する。また、圧縮機ユニット20の上部
と、液化熱交換器36と低温熱交換器38の連結部との
間には窒素ガスの戻りラインが設けられており、蒸発し
た窒素ガスはこのラインを介して直接窒素液化ユニット
30に戻される。
Further, as shown in FIG. 1, a plurality of heat exchangers 2, 4, 6 for cooling the helium gas are provided in the compressor unit 20, and heat exchange is provided in the lower part of the compressor unit 20. Liquefied nitrogen 8 for cooling the reactors 2, 4, 6 is supplied to a higher level than the heat exchangers 2, 4, 6. Further, the nitrogen liquefaction unit 30 includes a compressor 32, an expansion valve 34,
It is a nitrogen cooling cycle consisting of a liquefied heat exchanger 36 and a low temperature heat exchanger 38, and another expansion valve 40 is provided in the liquefied nitrogen supply line connecting the upstream side of the expansion valve 34 and the inside of the compressor unit 20. ing. Expansion valve 4 for low temperature and high pressure nitrogen
The pressure is reduced by 0, and most of the liquefied nitrogen is supplied to the compressor unit 20. The pressure inside the compressor unit 20 is normal pressure (1 atm), and about 77 K of liquefied nitrogen and nitrogen gas are supplied, and the liquefied nitrogen mixes with the liquefied nitrogen 8 in the lower part of the compressor unit. Further, a nitrogen gas return line is provided between the upper part of the compressor unit 20 and the connecting portion of the liquefaction heat exchanger 36 and the low temperature heat exchanger 38, and the evaporated nitrogen gas is passed through this line. It is directly returned to the nitrogen liquefaction unit 30.

【0014】図2は本発明による低温ヘリウム圧縮機の
全体構成図である。図2に示すように、低温ヘリウム圧
縮機10は、ヘリウム圧縮機11を駆動する電動機12
を備え、電動機12は電動機外周を間隔を隔てて囲む案
内筒14と、案内筒14と電動機12の外周部との間に
互いに軸方向に整合して設けられた冷却フィン16とヘ
リウム・窒素熱交換器18とを有する。電動機12は、
回転子12a、軸受12b、固定子12c等を備え、回
転子12aの回転によりヘリウム圧縮機11を駆動す
る。電動機12の内部には圧縮後のヘリウムガスが導入
できるようになっている。冷却フィン16は、電動機の
ケーシング外周に嵌め込まれたアルミニウム製フィンと
するのが良い。またヘリウム・窒素熱交換器18は電動
機内部を通過したヘリウムガスを冷却フィン16を通過
した窒素ガスにより間接冷却する。ヘリウム・窒素熱交
換器18はフィンチューブ式熱交換器であり、フィンの
まわりを窒素ガスが流れ、チューブ内をヘリウムガスが
流れるようになっている。更に、案内筒14には、ヘリ
ウムガスの冷却によって蒸発した窒素ガスを冷却フィン
16とヘリウム・窒素熱交換器18に導く案内板19が
設けられている。案内板19は圧縮機ユニット20内部
を仕切り、蒸発した窒素ガスの全量を案内筒14に導く
ようになっているのが良い。
FIG. 2 is an overall configuration diagram of the low temperature helium compressor according to the present invention. As shown in FIG. 2, the low temperature helium compressor 10 includes an electric motor 12 that drives a helium compressor 11.
The motor 12 includes a guide tube 14 surrounding the motor outer periphery with a gap, and cooling fins 16 and helium / nitrogen heat provided axially aligned with each other between the guide tube 14 and the outer peripheral portion of the motor 12. And a exchanger 18. The electric motor 12 is
The rotor 12a, the bearing 12b, the stator 12c, etc. are provided, and the helium compressor 11 is driven by the rotation of the rotor 12a. The compressed helium gas can be introduced into the electric motor 12. The cooling fins 16 are preferably aluminum fins fitted around the casing of the electric motor. The helium / nitrogen heat exchanger 18 indirectly cools the helium gas that has passed through the inside of the electric motor by the nitrogen gas that has passed through the cooling fins 16. The helium / nitrogen heat exchanger 18 is a fin-tube heat exchanger, and nitrogen gas flows around the fins and helium gas flows inside the tubes. Further, the guide cylinder 14 is provided with a guide plate 19 for guiding the nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas to the cooling fin 16 and the helium / nitrogen heat exchanger 18. The guide plate 19 preferably partitions the interior of the compressor unit 20 and guides the entire amount of evaporated nitrogen gas to the guide cylinder 14.

【0015】本発明による低温ヘリウム圧縮機の冷却方
法によれば、ヘリウムガスの冷却によって蒸発した窒素
ガスにより、ヘリウム圧縮機11を駆動する電動機12
の外周部を冷却し、ヘリウムガスにより電動機12の内
部を冷却し、更に電動機外周部を冷却した窒素ガスによ
り電動機内部を冷却したヘリウムガスを冷却する。すな
わち、図1において、熱交換器2、4、6で熱交換し蒸
発した窒素ガスは、全量が冷却フィン16と案内筒14
の間を通り、電動機12が発する熱を奪った後、その上
部に設けられたヘリウム・窒素熱交換器18に入り、チ
ューブ内を流れる電動機内部冷却後のヘリウムガスと熱
交換して圧縮機ユニット20の外に出、窒素液化ユニッ
ト30に戻される。一方、ヘリウム・窒素熱交換器18
で冷却されたヘリウムガスは、前段の圧縮機出口側に戻
され熱交換器を経て再び圧縮機に吸入される。また、図
1の例では、1段圧縮機の場合は冷却されたヘリウムガ
スは、入口ガスと合流し、熱交換器2に入る。
According to the cooling method of the low temperature helium compressor of the present invention, the electric motor 12 for driving the helium compressor 11 by the nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas.
The outer peripheral portion is cooled, the inside of the electric motor 12 is cooled with helium gas, and the helium gas that has cooled the inside of the electric motor is further cooled with nitrogen gas that has cooled the outer peripheral portion of the electric motor. That is, in FIG. 1, all of the nitrogen gas that has undergone heat exchange in the heat exchangers 2, 4, and 6 and has evaporated is the cooling fin 16 and the guide cylinder 14.
After taking the heat generated by the electric motor 12 through the space between them, it enters the helium / nitrogen heat exchanger 18 provided at the upper part of the electric motor 12, and exchanges heat with the helium gas after cooling the inside of the electric motor flowing inside the tube, and the compressor unit. It goes out of 20 and is returned to the nitrogen liquefaction unit 30. On the other hand, helium / nitrogen heat exchanger 18
The helium gas cooled in (1) is returned to the outlet side of the compressor at the previous stage, and is again sucked into the compressor via the heat exchanger. Further, in the example of FIG. 1, in the case of the one-stage compressor, the cooled helium gas merges with the inlet gas and enters the heat exchanger 2.

【0016】上記本発明によれば、案内筒14と電動機
12の外周部との間に互いに軸方向に整合して設けられ
た冷却フィン16とヘリウム・窒素熱交換器18とを有
し、ヘリウムガスの冷却によって蒸発した窒素ガスによ
り、ヘリウム圧縮機11を駆動する電動機12の外周部
を冷却し、ヘリウムガスにより電動機の内部を冷却し、
更に電動機外周部を冷却した窒素ガスにより電動機内部
を冷却したヘリウムガスを冷却するので、圧縮機ユニッ
トを出る窒素ガスの温度は従来に較べて高くなる(例え
ば、78Kから117K)。すなわち、熱交換によって
電動機発熱相当分は全量窒素ガスに吸収され、その分液
化窒素消費量が減る。従って、圧縮機ユニット20内で
同一の電動機の発熱を冷却するために必要な液化窒素の
量が少なくなる。これにより、窒素液化ユニット、連結
管等の設備費を低減することができる。
According to the present invention, the cooling fin 16 and the helium / nitrogen heat exchanger 18 are provided between the guide cylinder 14 and the outer peripheral portion of the electric motor 12 so as to be axially aligned with each other. The nitrogen gas evaporated by the cooling of the gas cools the outer peripheral portion of the electric motor 12 that drives the helium compressor 11, and the helium gas cools the inside of the electric motor.
Further, since the helium gas that has cooled the inside of the electric motor is cooled by the nitrogen gas that has cooled the outer peripheral portion of the electric motor, the temperature of the nitrogen gas that exits the compressor unit becomes higher than in the conventional case (for example, 78K to 117K). That is, by heat exchange, the entire amount of heat generated by the electric motor is absorbed by the nitrogen gas, and the amount of liquefied nitrogen consumed is reduced. Therefore, the amount of liquefied nitrogen required to cool the heat generated by the same electric motor in the compressor unit 20 is reduced. As a result, the equipment cost of the nitrogen liquefaction unit, the connecting pipe, etc. can be reduced.

【0017】また、電動機負荷と蒸発する窒素ガス量と
はほぼ比例し、かつ、電動機と圧縮機が直結されており
同じ温度範囲で運転されることから、電動機冷却系の窒
素ガスの流量制御は特に必要でない。すなわち、蒸発し
た窒素ガスにより電動機を冷却することから、液化窒素
による冷却の場合のように厳密な制御を必要とせず、実
質的には制御装置が不要である。又、予冷は熱交換器を
冷却した後のガスを用いるため急激に冷却されることが
なく、電動機に局部歪を生じるおそれがない。
Further, since the electric motor load and the amount of evaporated nitrogen gas are almost proportional to each other, and the electric motor and the compressor are directly connected and are operated in the same temperature range, the flow rate control of the nitrogen gas in the electric motor cooling system is performed. Not particularly necessary. That is, since the electric motor is cooled by the evaporated nitrogen gas, there is no need for strict control as in the case of cooling by liquefied nitrogen, and a control device is substantially unnecessary. Further, since the pre-cooling uses the gas after cooling the heat exchanger, it is not rapidly cooled, and there is no possibility of causing local distortion in the electric motor.

【0018】図3は、窒素液化ユニットにおける物質収
支を(A)従来の方法による場合、と(B)本発明の方
法による場合、とを比較した計算例を示している。
(A)と(B)とは電動機から同一の熱量を冷却により
回収した場合を比較している。(A)と(B)との比較
から明らかなように、窒素ガスの戻り温度が(A)の7
8Kに較べて(B)では117Kであり、本発明では相
当に高い。これは、従来のように蒸発した窒素ガスをそ
のまま戻すのではなく、本発明では電動機の冷却に使用
してから戻すことによる。この温度の違いから窒素ガス
の全体必要量は(A)6,325kg/h から(B)6,
290kg/h へ減り、また圧縮機ユニットに供給される
量も(A)1,398kg/h から(B)1,136kg/h
へ約20%低減している。更に、戻り温度が117K
と高いため、戻りの窒素ガスを液化熱交換器36と低温
熱交換器38の連結部に直接戻すことができる。従っ
て、従来のように窒素液化ユニット内の低温部分に戻り
配管用の連結部を設ける必要がない。
FIG. 3 shows an example of calculation comparing the material balance in the nitrogen liquefaction unit between (A) the conventional method and (B) the method of the present invention.
(A) and (B) compare the case where the same amount of heat is recovered from the electric motor by cooling. As is clear from the comparison between (A) and (B), the return temperature of nitrogen gas is 7
It is 117K in (B) compared to 8K, which is considerably higher in the present invention. This is because the vaporized nitrogen gas is not returned as it is as in the conventional case, but is returned after being used for cooling the electric motor in the present invention. Due to this difference in temperature, the total amount of nitrogen gas required is (A) 6,325 kg / h (B) 6,
290 kg / h, and the amount supplied to the compressor unit is (A) 1,398 kg / h to (B) 1,136 kg / h
To about 20%. Furthermore, the return temperature is 117K
Therefore, the returned nitrogen gas can be directly returned to the connection portion between the liquefaction heat exchanger 36 and the low temperature heat exchanger 38. Therefore, it is not necessary to provide a connecting portion for the return pipe in the low temperature portion in the nitrogen liquefaction unit as in the conventional case.

【0019】[0019]

【発明の効果】上述したように本発明によれば、1.液
化窒素供給量が少なくかつ窒素ガス戻り温度が高いた
め、窒素液化系とヘリウム液化系の連結や両設備の設計
が容易になる、2.液化窒素の供給量が少なくて済むた
め、窒素液化ユニットが小さくて済む、3.電動機冷却
のための制御装置が不要になる、4.予冷は熱交換器を
冷却した後のガスを用いるため、電動機の温度の急変に
よに局部歪を生じるおそれがない、等の効果を有する。
As described above, according to the present invention, 1. Since the supply amount of liquefied nitrogen is small and the nitrogen gas return temperature is high, it is easy to connect the nitrogen liquefaction system and the helium liquefaction system and design both equipments. 2. Since the supply amount of liquefied nitrogen is small, the nitrogen liquefaction unit can be small. 3. No need for a controller for cooling the motor Since the pre-cooling uses the gas after cooling the heat exchanger, there is an effect that there is no possibility of causing local distortion due to a sudden change in the temperature of the electric motor.

【0020】すなわち、要約すれば、従来は液化窒素に
より電動機を冷却し、圧縮機ユニット内で蒸発した液化
窒素は、そのまま窒素液化ユニットに戻していたが、本
発明では逆に蒸発後の窒素ガスにより電動機を冷却し、
液化窒素は本来の目的のみに使用するので、液化窒素の
必要量を低減して窒素液化ユニット、連結管等の設備費
を低減することができ、制御が簡単で制御装置が不要と
なり、かつ予冷により局部歪が生じるおそれがなくな
る、等の効果を有する。
That is, in summary, conventionally, the electric motor was cooled by liquefied nitrogen, and the liquefied nitrogen vaporized in the compressor unit was returned to the nitrogen liquefaction unit as it is. To cool the motor,
Since liquefied nitrogen is used only for its original purpose, it is possible to reduce the required amount of liquefied nitrogen and reduce the equipment cost of the nitrogen liquefaction unit, connecting pipes, etc., easy control, no controller is required, and pre-cooling is possible. This has the effect of eliminating the possibility of local distortion.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による低温ヘリウム圧縮機を用いた液化
ヘリウム製造装置の全体構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an apparatus for producing liquefied helium using a low temperature helium compressor according to the present invention.

【図2】本発明による低温ヘリウム圧縮機の全体構成図
である。
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a low temperature helium compressor according to the present invention.

【図3】窒素液化ユニットにおける物質収支の比較例で
ある。
FIG. 3 is a comparative example of material balance in a nitrogen liquefaction unit.

【図4】従来の液化ヘリウム製造装置の全体構成図であ
る。
FIG. 4 is an overall configuration diagram of a conventional liquid helium production apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、4、6 熱交換器 8 液化窒素 10 低温ヘリウム圧縮機 11 ヘリウム圧縮機 12 電動機 14 案内筒 16 冷却フィン 18 ヘリウム・窒素熱交換器 19 案内板 20 圧縮機ユニット 30 窒素液化ユニット 32 圧縮機 34 膨張弁 36 液化熱交換器 38 低温熱交換器 40 膨張弁 53 ヘリウム液化ユニット 55 超電導発電機 2, 4, 6 heat exchanger 8 liquefied nitrogen 10 low temperature helium compressor 11 helium compressor 12 electric motor 14 guide cylinder 16 cooling fin 18 helium / nitrogen heat exchanger 19 guide plate 20 compressor unit 30 nitrogen liquefaction unit 32 compressor 34 Expansion valve 36 Liquefied heat exchanger 38 Low temperature heat exchanger 40 Expansion valve 53 Helium liquefaction unit 55 Superconducting generator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝倉 啓 東京都江東区豊洲3丁目2番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 (72)発明者 森 幹郎 東京都江東区豊洲3丁目2番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kei Asakura 3-2-16 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima Harima Heavy Industries, Ltd. Toyosu General Office (72) Inventor Mikiro Mori 3-2 Toyosu, Koto-ku, Tokyo No. 16 Ishikawajima Harima Heavy Industries Co., Ltd.Toyosu General Office

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒素・ヘリウム二元冷凍サイクルに使用
する低温ヘリウム圧縮機であって、 ヘリウム圧縮機を駆動する電動機を備え、該電動機は電
動機外周を間隔を隔てて囲む案内筒と、該案内筒と電動
機の外周部との間に互いに軸方向に整合して設けられた
冷却フィンとヘリウム・窒素熱交換器とを有し、 前記冷却フィンは蒸発した窒素ガスにより冷却され、か
つ前記ヘリウム・窒素熱交換器は、電動機内部を通過し
たヘリウムガスを冷却フィンを通過した窒素ガスにより
間接冷却するようになっている、ことを特徴とする低温
ヘリウム圧縮機。
1. A low-temperature helium compressor used in a nitrogen / helium binary refrigeration cycle, comprising a motor for driving the helium compressor, the motor including a guide cylinder surrounding the motor outer periphery at intervals, and the guide cylinder. It has a cooling fin and a helium / nitrogen heat exchanger provided axially aligned with each other between the cylinder and the outer peripheral portion of the electric motor, the cooling fin being cooled by the evaporated nitrogen gas, and the helium / nitrogen heat exchanger. The low temperature helium compressor is characterized in that the nitrogen heat exchanger indirectly cools the helium gas that has passed through the inside of the electric motor by the nitrogen gas that has passed through the cooling fins.
【請求項2】 前記案内筒には更に、ヘリウムガスの冷
却によって蒸発した窒素ガスを前記冷却フィンとヘリウ
ム・窒素熱交換器に導く案内板が設けられている、こと
を特徴とする請求項1に記載の低温ヘリウム圧縮機。
2. The guide cylinder is further provided with a guide plate for guiding the nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas to the cooling fins and the helium / nitrogen heat exchanger. Low temperature helium compressor as described in.
【請求項3】 窒素・ヘリウム二元冷凍サイクルに使用
する低温ヘリウム圧縮機の冷却方法であって、 ヘリウムガスの冷却によって蒸発した窒素ガスにより、
ヘリウム圧縮機を駆動する電動機の外周部を冷却し、ヘ
リウムガスにより前記電動機の内部を冷却し、更に電動
機外周部を冷却した窒素ガスにより電動機内部を冷却し
た前記ヘリウムガスを冷却する、ことを特徴とする低温
ヘリウム圧縮機の冷却方法。
3. A cooling method for a low temperature helium compressor used in a nitrogen / helium binary refrigeration cycle, wherein the nitrogen gas evaporated by cooling the helium gas comprises:
Cooling the outer peripheral portion of the electric motor driving the helium compressor, cooling the inside of the electric motor with helium gas, and further cooling the helium gas cooling the inside of the electric motor with nitrogen gas that has cooled the outer peripheral portion of the electric motor. Cooling method for low temperature helium compressor.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU704468B2 (en) * 1996-11-21 1999-04-22 Nissei Kabushiki Kaisha Method of manufacturing molded baked snacks
KR102459885B1 (en) * 2022-06-07 2022-10-28 한국표준과학연구원 Sub-Kelvin Closed-Cycle Cryostat and Sub-Kelvin Realization

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