JPH0784961B2 - Helium liquefier - Google Patents
Helium liquefierInfo
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- JPH0784961B2 JPH0784961B2 JP2193002A JP19300290A JPH0784961B2 JP H0784961 B2 JPH0784961 B2 JP H0784961B2 JP 2193002 A JP2193002 A JP 2193002A JP 19300290 A JP19300290 A JP 19300290A JP H0784961 B2 JPH0784961 B2 JP H0784961B2
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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。The present invention relates to a cryogenic helium liquefying 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 described with reference to FIG.
低段圧縮機1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。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、高段圧縮器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39にて膨張し、低温移送配管10を経てクラ
イオスタット12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11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1の吸入側へ戻る。The helium gas compressed by the low-stage compressor 1 and the high-stage compressor 2 is separated into oil by the oil separation unit 3, enters the cold box 5, and returns to the heat exchanger 6 to exchange heat with the helium gas. , Cooled. Part of the helium gas is expanded in two stages in the high temperature expansion turbine 16 to generate cold, the heat exchanger 6 recovers the cold, and returns to the suction side of the high-stage compressor 2. The other helium gas is further cooled by the heat exchanger 7, and a part of the helium gas is expanded in two stages by the expansion turbine 17 to generate cold and join the returned helium gas. The other helium gas is further cooled by the heat exchanger 7 and expanded by the JT valve 39, is sent to the cryostat 12 through the low temperature transfer pipe 10, becomes a part of liquid helium, and is stored in the liquid helium tank 14. The non-cooling body 13 is cooled. One gas helium becomes return gas helium, and returns to the cold box 5 via the low temperature transfer pipe 11 and the heat exchangers 7, 6
To the suction side of the low-stage compressor 1.
圧縮機の吐出および吸入圧は、圧力調整弁31,32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 pressures of the compressor are controlled by exchanging gas with the intermediate pressure tank 4 through the pressure adjusting valves 31 and 32.
Adjusted to a constant.
運転初期においては、系内に不純ガスが多く存在するの
で、低圧ラインのガスヘリウムをガスバッグ51を経て回
収圧縮機52にて圧縮し、ヘリウム精製器53で精製して中
圧ラインへ戻す。Since a large amount of impure gas exists in the system at the initial stage of operation, the gas helium in the low pressure line is compressed by the recovery compressor 52 via the gas bag 51, purified by the helium purifier 53 and returned to the medium pressure line.
このようなヘリウム液化冷凍機については、例えば、ア
ドバンシーズ イン クライオジェニック エンジニア
リング 第31巻(1986)第693頁から第698頁 (Advanc
es in Cryogenic Engineering,Vol31,(1986)PP693〜6
98)において論じられている。Such a helium liquefier refrigerator is described in, for example, Advances in Cryogenic Engineering Volume 31 (1986), pages 693 to 698 (Advanc
es in Cryogenic Engineering, Vol31, (1986) PP693 ~ 6
98).
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調整および、ター
ビン故障時のバックアップに問題点があり、さらに、初
期精製時において、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 method of generating cold on the higher temperature side than the liquid nitrogen temperature level is only by the high temperature expansion turbine,
There was a problem in adjusting the amount of cold generation by changing the operation mode and backup in case of turbine failure, and further, there was a problem that purification by an external refiner was necessary at the time of initial purification.
本発明は、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 relates to a method of generating cold on the higher temperature side than the liquid nitrogen temperature level of a helium liquefaction refrigerator, and is aimed at more complete correspondence to a change in the operation mode and ensuring of redundancy, and further, an inexpensive and efficient initial stage. The purpose is to supply a helium liquefier refrigerator that can realize purification.
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窒素に
よるものと高温膨張タービンによるものとの2種類に
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吸
着除去するシステムを付加したものである。In order to achieve the above-mentioned object, there are two types of cold generation method on the high temperature side of the liquid nitrogen temperature level of the helium liquefier refrigerator, one using liquid nitrogen and the other using a high-temperature expansion turbine, and yet another object described above is achieved. To this end, a system for adhering or adsorbing an impure gas is added to the above-described method for generating cold by liquid nitrogen.
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 gas discharged from the compressor, is split before entering the cold box, and heat is exchanged with liquid nitrogen in addition to the cold generation above the liquid nitrogen temperature level due to the original heat exchanger and high temperature expansion turbine. Install a liquid nitrogen heat exchanger.
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
せざる。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、そのバックアップと
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 in which a large amount of cold is required, such as a liquefaction operation, liquid nitrogen heat exchanger must be operated in addition to the cold generation by the high temperature expansion turbine to increase the amount of cold generation. Further, in normal operation, when the high temperature expansion turbine stops due to a failure or the like, the liquid nitrogen heat exchanger is operated as a backup. Also, in the initial cooling operation of the system, when using a gas above the liquid nitrogen temperature level, it is possible to stop all the expansion turbines that are rotating bodies and operate the liquid nitrogen heat exchanger to perform initial cooling. Become. At that time, the impure gas in the system is accumulated in the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger, but the impure gas can be removed to the outside of the system by heating and emptying the helium line after completion of the initial cooling. .
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
足が判明し、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。Further, by detecting the helium gas temperature at the liquid nitrogen temperature level, it becomes clear that the amount of refrigeration above the liquid nitrogen temperature level is excessive or insufficient, and it becomes possible to adjust the gas flow rate flowing to 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1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。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、高段圧縮器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39にて膨張し、低温移送配管10を経てクラ
イオスタット12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11を経てコールドボックス5に戻り、熱交換器7,6を
通って低段圧縮機1の吸入側へ戻る。The helium gas compressed by the low-stage compressor 1 and the high-stage compressor 2 is separated into oil by the oil separation unit 3, enters the cold box 5, and returns to the heat exchanger 6 to exchange heat with the helium gas. , Cooled. Part of the helium gas is expanded in two stages in the high temperature expansion turbine 16 to generate cold, the heat exchanger 6 recovers the cold, and returns to the suction side of the high-stage compressor 2. The other helium gas is further cooled by the heat exchanger 7, and a part of the helium gas is expanded in two stages by the expansion turbine 17 to generate cold and join the returned helium gas. The other helium gas is further cooled by the heat exchanger 7 and expanded by the JT valve 39, sent to the cryostat 12 through the low temperature transfer pipe 10, and partly becomes liquid helium and collects in the liquid helium tank 14, The non-cooling body 13 is cooled. One gas helium becomes return gas helium, returns to the cold box 5 through the low temperature transfer pipe 11, passes through the heat exchangers 7 and 6, and returns to the suction side of the low-stage compressor 1.
圧縮機の吐出および吸入圧は、圧力調整弁31,32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 pressures of the compressor are controlled by exchanging gas with the intermediate pressure tank 4 through the pressure adjusting valves 31 and 32.
Adjusted to a constant.
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、液体窒素温度レべルのヘリウムガスを
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 in which a large amount of cold is required, such as a 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, part of the medium pressure gas that enters the cold box 5 is caused to exchange heat with liquid nitrogen in the liquid nitrogen heat exchanger 8, and helium gas at the liquid nitrogen temperature level is passed through the adsorber 9 and the main medium pressure line. Join to. As a result, the amount of cold generation above the liquid nitrogen temperature level will increase.
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を働かせる。即ち、弁33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。In normal operation, when the high temperature expansion turbine 16 is stopped due to a failure or the like, the liquid nitrogen heat exchanger 8 is operated as a backup. That is, the valve 33 is closed, there is no gas flow to the high temperature expansion turbine, and the valve 47
All the helium gas that enters the cold box 5 via the heat exchanger 6 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 proceeds to a lower temperature portion. Since it only compensates for the cold generated in the high temperature expansion turbine 16, the high temperature expansion turbine can be backed up by supplying a relatively small amount of helium gas to the liquid nitrogen heat exchanger 8.
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ガスラインを弁
41,42を閉止することにより締切、弁43を閉止して、液
体窒素の供給を止め、その後、弁44,45を開け窒素ガス
により加温した後、弁44,45を閉止し、弁46を開け真空
引装置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。Further, in the initial cooling operation of the system, when a gas having a liquid nitrogen temperature level or higher is used, all the expansion turbines 16 and 17 which are rotating bodies are stopped and the liquid nitrogen heat exchanger 8 is operated to perform the initial cooling. It becomes possible. At that time, the impure gas in the system is accumulated in the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger, but after the initial cooling is completed, the helium gas line is closed.
By closing 41 and 42, the valve 43 is closed and the supply of liquid nitrogen is stopped.After that, the valves 44 and 45 are opened and heated by nitrogen gas, then the valves 44 and 45 are closed and the valve 46 is closed. Open the vacuum and pull the vacuum with the vacuum device 25 to remove the impure gas from the system.
It can be removed. After the initial cooling is completed, the cooling can be further performed by starting the high temperature expansion turbine 16 even when the liquid nitrogen heat exchanger 8 is 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63により検出することにより、制御装置61におい
て、得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62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。Further, by detecting the temperature of the helium gas at the liquid nitrogen temperature level with the temperature detector 63, it is found in the control device 61 that the excess or deficiency of the amount of refrigeration above the target nitrogen temperature level is exceeded and the gas to be passed to the liquid nitrogen heat exchanger 8 By adjusting the flow rate with the valves 41 and 43, optimum valve operation corresponding to the change in the operation mode becomes possible. Also, with the liquid level detector 62,
By knowing the helium level in the liquid helium tank 14,
It goes without saying that a more appropriate operation mode can be grasped.
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2種類であるので、運転モードによる寒冷
発生量の調整が容易になり、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
る効果である。According to the present embodiment, there are two types of cold generation on the higher temperature side than the liquid nitrogen temperature level, one using liquid nitrogen and one using a high temperature expansion turbine, so it becomes easy to adjust the amount of cold generation depending on the operating mode. It is possible to back up when the high temperature expansion turbine is stopped, and since the impure gas can be adhered or removed by the liquid nitrogen heat exchanger and the adsorber during the initial cooling, the reliability of the helium liquefier refrigerator can be improved. The effect is that stable and efficient operation is possible.
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膨張タービンによ
るものとの2種類であるので、運転モードによる寒冷発
生量の調整が容易になり、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
るという効果がある。According to the present invention, there are two types of cold generation on the higher temperature side than the liquid nitrogen temperature level, one using liquid nitrogen and the other using a high temperature expansion turbine. It is possible to back up when the expansion turbine is stopped, and further, during the initial cooling, the impure gas can be coagulated or adsorbed and removed by the liquid nitrogen heat exchanger and the adsorber. There is an effect that stable and efficient operation can be performed.
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……吸着器、10,11……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、53……精製器、61…
…制御装置、62……液位検出器、63……温度検出器FIG. 1 is a flow chart of a helium liquefying refrigerator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flow chart of a conventional helium liquefying 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 …… Adsorber, 10,11 …… Low-stage transfer piping, 14 …… Liquid helium tank, 16 …… High temperature expansion turbine, 17 …… Expansion turbine, 25 …… Vacuum suction Equipment, 51 ...
… Gas bag, 52 …… Recovery compressor, 53 …… Refiner, 61…
… Control device, 62 …… Liquid level detector, 63 …… Temperature detector
Claims (4)
液体窒素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。1. A normal temperature level having a liquid nitrogen heat exchanger for exchanging heat between liquid nitrogen and helium gas between a normal temperature level and a liquid nitrogen temperature level, and a high temperature expansion turbine whose outlet temperature is the liquid nitrogen temperature level. And a helium gas heat exchanger for exchanging heat between helium gas and helium gas between the liquid nitrogen temperature level and the liquid nitrogen temperature level, and the medium pressure gas as the compressor discharge gas is used as the liquid nitrogen heat exchanger. A helium liquefaction refrigerator capable of producing helium gas at a liquid nitrogen temperature level in a medium pressure line by introducing it to an exchanger or a high temperature expansion turbine or both.
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。2. The helium line of the liquid nitrogen heat exchanger is heated by flowing a warming gas to the impure gas adhering to the helium line when the heat exchanger with the liquid nitrogen is operating, and the helium line is heated. The helium liquefier refrigerator according to claim 1, wherein the impure gas can be discharged and removed to the outside of the system by drawing a vacuum.
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。3. The liquefied helium refrigeration according to claim 1 or 2, wherein an adsorber is provided on the low temperature side of the helium line of the liquid nitrogen heat exchanger to add an impure gas adsorption capacity at low temperatures. Machine.
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。4. The liquid nitrogen heat exchanger alone or at the high temperature expansion by detecting the helium gas temperature at the liquid nitrogen temperature level and adjusting the flow rates of the liquid nitrogen and helium gas flowing through the liquid nitrogen heat exchanger. The helium liquefier refrigerator according to claim 1, comprising a control device that enables optimization of parallel operation of the turbine and the liquid nitrogen heat exchanger.
Priority Applications (1)
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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 |
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JPH0480558A JPH0480558A (en) | 1992-03-13 |
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JP2193002A Expired - Lifetime JPH0784961B2 (en) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | Helium liquefier |
Country Status (1)
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