JPH0480559A - helium refrigeration equipment - Google Patents

helium refrigeration equipment

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Publication number
JPH0480559A
JPH0480559A JP19300390A JP19300390A JPH0480559A JP H0480559 A JPH0480559 A JP H0480559A JP 19300390 A JP19300390 A JP 19300390A JP 19300390 A JP19300390 A JP 19300390A JP H0480559 A JPH0480559 A JP H0480559A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
helium
supercritical
heat exchanger
expansion turbine
refrigeration system
Prior art date
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Pending
Application number
JP19300390A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kozo Matsumoto
松本 孝三
Shigeto Kawamura
河村 成人
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0480559A publication Critical patent/JPH0480559A/en
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超臨界ヘリウムでの強制冷却を行うヘリウム冷
凍装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a helium refrigeration system that performs forced cooling using supercritical helium.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ヘリウム冷凍装置の代表的被冷却体として超電導マグネ
ット(以下、80Mと略称)があるが、核融合実験装置
用などで8(3Mが大形になって鳴ると、耐電圧を大き
くとれること、剛性を大きくとれることなどによつて、
超臨界ヘリウムでの強制冷却は、基本的に超臨界ヘリウ
ムの温度上昇を伴う顕熱で熱負荷を吸収するため、80
M側で許容する上限温度にもよるが、−数的に液体ヘリ
ウムの潜熱によって熱負荷を吸収する浸漬冷却と比較し
て、循環させる冷却量は大幅に多い。このために、何ら
かの強制循環手段を有する超臨界ヘリウム循環装置が必
要になる。
A superconducting magnet (hereinafter abbreviated as 80M) is a typical cooled object in helium refrigeration equipment. By being able to increase the
Forced cooling with supercritical helium basically absorbs the heat load with sensible heat that accompanies an increase in the temperature of supercritical helium.
Although it depends on the upper limit temperature allowed on the M side, the amount of cooling to be circulated is significantly larger than that of immersion cooling in which the heat load is absorbed numerically by the latent heat of liquid helium. This requires a supercritical helium circulation system with some forced circulation means.

この方法として、極低温で作動する超臨界ヘリウム循環
ポンプを採用することが考えられている。
As a method for this, it is being considered to employ a supercritical helium circulation pump that operates at extremely low temperatures.

超−界ヘリウム循環ポンプを強制循環手段とした超臨界
ヘリウムラインは、極低温で独立したループを形成して
いるため、システムのエネルギー効率を高めるように充
分検討する必要がある。なお、液体ヘリウムdi度レベ
ルの熱負荷を吸収するためには、熱負荷の数百倍の動力
が必要となる。
A supercritical helium line that uses a supercritical helium circulation pump as a forced circulation means forms an independent loop at extremely low temperatures, so careful consideration must be given to improving the energy efficiency of the system. Note that in order to absorb a heat load on the di degree level of liquid helium, a power several hundred times greater than the heat load is required.

なお、この株の*Iとして関連するものには例えば特開
昭62−134462号ば挙げられる。
Note that the *I of this strain is related to, for example, JP-A-62-134462.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

本発明は、エネルギー効率が良く、安定した運転が可能
な超臨界ヘリウムでの強制冷却を行うヘリウム冷凍装置
を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a helium refrigeration system that performs forced cooling using supercritical helium, which is energy efficient and capable of stable operation.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するために、コールドボックスの液化ラ
インに超臨界膨張タービンを設け、超臨界膨張タービン
入口、又はその上流側から分岐した高圧ヘリウムを分岐
した温度レベルより下流側(冷jli@)の熱交換器で
冷却して、超−弄ベリウムルーブに供給できるようにし
たものである。
In order to achieve the above objective, a supercritical expansion turbine is installed in the liquefaction line of the cold box, and high-pressure helium branched from the supercritical expansion turbine inlet or its upstream side is transferred to a temperature level downstream (cold jli@) from the branched temperature level. It is designed so that it can be cooled with a heat exchanger and supplied to the super-cooled beryum lube.

〔作  用〕[For production]

超臨界膨張タービン入口、又はその上流側から分岐した
高圧ヘリウムは、分岐した温度レベルより下流側の熱交
換器で冷却され、液体ヘリウム温度に近い状態で超臨界
ヘリウムループに導入されるので、エネルギー効率が高
く、超臨界ヘリウムループの運転圧力を安定に保持でき
る。
High-pressure helium branched from the supercritical expansion turbine inlet or its upstream side is cooled in a heat exchanger downstream of the branched temperature level, and is introduced into the supercritical helium loop at a state close to the liquid helium temperature. It has high efficiency and can stably maintain the operating pressure of the supercritical helium loop.

〔実 施 例〕〔Example〕

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.

第1図において、lは窒素出口ライン、2は高圧ヘリウ
ム入口ライン、3は低圧ヘリウム出口ライン、10はコ
ールドボックス、IN1〜1111は熱交換器、認は膨
張タービン人口弁、13a〜13 bは膨張タービン、
14は超臨界膨張タービン人口弁、15は超臨界膨張タ
ービン、16はJT弁、17 a 〜17 gは極低温
冷媒移送管、18は液体ヘリウム容器、加は超−界ヘリ
ウム循環装置、21は超臨界ヘリウム循環ポンプ、2は
極低温減圧ポンプ、2は超臨界ヘリウム熱交換器、冴は
ヘリウム供給弁、5はヘリウム逃し弁、(9)は被冷却
体(図示省略)を内蔵したクライオスタット、 31は
パワーリード冷却ガス制御弁、友はパワーリード冷却ガ
スラインである。
In Fig. 1, 1 is a nitrogen outlet line, 2 is a high pressure helium inlet line, 3 is a low pressure helium outlet line, 10 is a cold box, IN1-1111 are heat exchangers, ID is an expansion turbine valve, and 13a-13b are expansion turbine,
14 is a supercritical expansion turbine artificial valve; 15 is a supercritical expansion turbine; 16 is a JT valve; 17a to 17g are cryogenic refrigerant transfer pipes; 18 is a liquid helium container; 2 is a supercritical helium circulation pump, 2 is a cryogenic pressure reducing pump, 2 is a supercritical helium heat exchanger, Sae is a helium supply valve, 5 is a helium relief valve, (9) is a cryostat with a built-in object to be cooled (not shown), 31 is a power lead cooling gas control valve, and its companion is a power lead cooling gas line.

次に、前記のように構成された本実施例の動作について
説明する。高圧ヘリウム入口ライン2から供給された高
圧、常温のヘリウムは、第1の熱交換器11mで第7の
極低温冷媒移送管11 gから供給される液体窯素およ
び低圧ヘリウムと熱交換し、さらに第2の熱交換器11
 bで冷却された後、膨張タービンラインと液化ライン
に分岐する。膨張タービンラインに分岐したヘリウムは
、膨張タービン入口弁[を通り第1の膨張タービン13
 aで断熱膨張仕事をすることによってmK降下して第
4の熱交換器udに入る。第4の熱交換器11 dを出
た膨張タービンラインのヘリウムは、第2の膨張タービ
ン13 bで低圧まで断熱膨張仕事をし温度降下して低
圧ラインに合流する。
Next, the operation of this embodiment configured as described above will be explained. The high-pressure, room-temperature helium supplied from the high-pressure helium inlet line 2 exchanges heat with the liquid kiln and low-pressure helium supplied from the seventh cryogenic refrigerant transfer pipe 11g in the first heat exchanger 11m, and then Second heat exchanger 11
After being cooled in step b, it branches into an expansion turbine line and a liquefaction line. The helium branched into the expansion turbine line passes through the expansion turbine inlet valve [to the first expansion turbine 13
By doing adiabatic expansion work at a, it drops by mK and enters the fourth heat exchanger ud. The helium in the expansion turbine line that has exited the fourth heat exchanger 11d performs adiabatic expansion work to a low pressure in the second expansion turbine 13b, lowers its temperature, and joins the low pressure line.

一方、液化ラインに分岐したヘリウムは第3〜第6の熟
考換器11c〜llfで冷却された後、大部分は超臨界
膨張タービン人口弁14を通り、超臨界膨張タービン1
5に導入され、超臨界膨張タービンbで約4atmまで
断熱膨張仕事をして温度降下して、第7の熱交換器ug
に入る。第7の熱交換器11 gを出た約4 atmの
ヘリウムは、最終的に、JT弁16でほぼ大気圧まで断
熱膨張して一部が液体ヘリウムになり、第1の極低温冷
媒移送管17 mを通り液体ヘリウム容#g18に送ら
れる。液体ヘリウム容器正の液体ヘリウムは、第2の極
低温冷媒移送管17 bを通り、超臨界ヘリウム循′I
i1装[20に送られる。
On the other hand, after the helium branched to the liquefaction line is cooled in the third to sixth deep exchangers 11c to llf, most of it passes through the supercritical expansion turbine artificial valve 14 and passes through the supercritical expansion turbine 1.
5, the supercritical expansion turbine b performs adiabatic expansion work to about 4 atm, the temperature is lowered, and the temperature is lowered to the seventh heat exchanger ug.
to go into. Approximately 4 atm of helium leaving the seventh heat exchanger 11g is finally adiabatically expanded to almost atmospheric pressure at the JT valve 16, and a portion becomes liquid helium, which is transferred to the first cryogenic refrigerant transfer pipe. 17 m to liquid helium volume #g18. The liquid helium in the liquid helium container passes through the second cryogenic refrigerant transfer pipe 17b and enters the supercritical helium circulation 'I'.
i1 unit [sent to 20.

第6の熱交換器11 fで冷却された一部のヘリウムは
、j17の熱交換器11gで冷却されて、j84の極低
温冷媒移送管17dを通り、約16atmの高圧状態で
超臨界ヘリウム循3!装置園に供給される。
A part of the helium cooled by the sixth heat exchanger 11f is cooled by the heat exchanger 11g of j17, passes through the cryogenic refrigerant transfer pipe 17d of j84, and enters the supercritical helium circulation at a high pressure of about 16 atm. 3! Supplied to equipment garden.

超臨界ヘリウム循環ポンプ力で昇圧(6〜10atm 
)された超臨界ヘリウムは超臨界ヘリウム熱交換器2で
冷却されて、第5の極低温冷媒移送管17eでクライオ
スタット蕊に供給され被冷却体を冷却する。被冷却体を
冷却した超臨界ヘリウムは第6の極低温冷媒移送管17
 fを通り超臨界ヘリウム循環装!20に戻り、超臨界
ヘリウム熱交換器器で冷却された後、超臨界ヘリウム循
環ボンブムに戻り超臨界ヘリウムループを形成する。超
臨界ヘリウム熱交換器りで発生したヘリウムガスは、極
低温減圧ポンプ乙を通り、1!3の極低温冷媒移送管1
7 cを経由して、コールドボックス10に戻る。
Pressure increase (6 to 10 atm) using supercritical helium circulation pump power
) The supercritical helium is cooled in the supercritical helium heat exchanger 2, and is supplied to the cryostat via the fifth cryogenic refrigerant transfer pipe 17e to cool the object to be cooled. The supercritical helium that has cooled the object to be cooled is transferred to the sixth cryogenic refrigerant transfer pipe 17.
Supercritical helium circulation system through f! 20, and after being cooled in a supercritical helium heat exchanger, returns to the supercritical helium circulation bomb to form a supercritical helium loop. The helium gas generated in the supercritical helium heat exchanger passes through the cryogenic pressure reducing pump B, and is transferred to the cryogenic refrigerant transfer pipe 1 in 1!3.
Return to the cold box 10 via 7c.

クライオスタット(資)に供給された超臨界ヘリウムの
一部は、パワーリードを冷却するために、パワーリード
冷却ガス制御弁31.パワーリード冷却ガスライン(を
通り、低圧ヘリウム出口ライン3に戻る。
A portion of the supercritical helium supplied to the cryostat is supplied to the power lead cooling gas control valve 31 to cool the power lead. through the power lead cooling gas line (and return to the low pressure helium outlet line 3).

コールドボックス10から供給された約16atmの高
圧ヘリウムは、超臨界ヘリウム供給ラインの圧力を一定
に保持するように、ヘリウム供給弁スで供給される。超
臨界ヘリウムラインが圧力上昇した場合は、ヘリウム逃
し弁5で超臨界ヘリウム熱交換器おにヘリウムを放出す
る。前記の、ヘリウム供給弁、ヘリウム逃し弁5によっ
て、超臨界ヘリウムループの圧力は安定に保持される。
High-pressure helium of about 16 atm supplied from the cold box 10 is supplied by a helium supply valve so as to keep the pressure of the supercritical helium supply line constant. When the pressure in the supercritical helium line increases, the helium relief valve 5 releases helium to the supercritical helium heat exchanger. The pressure of the supercritical helium loop is maintained stably by the helium supply valve and helium relief valve 5 described above.

本実施例によれば、エネルギー効率が高く、安定した超
臨界ヘリウム強制冷却を行うヘリウム冷凍装置となる効
果がある。
According to this embodiment, there is an effect that the helium refrigeration device performs stable supercritical helium forced cooling with high energy efficiency.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、超臨界膨張タービンを採用してエネル
ギー効率な高めたコールドボックスから、極低温に冷却
した高圧ヘリウムを超臨界ヘリウムループに供給したの
で、エネルギー効率が良く、安定した運転が可能な超臨
界ヘリウムでの強制冷却を行うヘリウム冷凍装置とする
ことができる効果がある。
According to the present invention, high-pressure helium cooled to an extremely low temperature is supplied to the supercritical helium loop from a cold box that uses a supercritical expansion turbine to increase energy efficiency, allowing for energy efficient and stable operation. This has the effect that it can be used as a helium refrigeration system that performs forced cooling using supercritical helium.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の一実施例のヘリウム冷凍装置の系統
図である。 11・・・・・・熱交換器、郷・・・・・・超臨界膨張
タービン、Z・・・・・・超臨界ヘリウム循環ポンプ、
n・・・・・・極低温減圧ポンプ 代理人 弁理士  小 川 勝 男
FIG. 1 is a system diagram of a helium refrigeration system according to an embodiment of the present invention. 11...Heat exchanger, Go...Supercritical expansion turbine, Z...Supercritical helium circulation pump,
n...Cryogenic pressure reducing pump representative Patent attorney Katsuo Ogawa

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、液化ラインに超臨界膨張タービンを有するコールド
ボックスと、超臨界循環ポンプを有する超臨界ヘリウム
発生装置とを主要構成機器としたヘリウム冷凍装置にお
いて、前記超臨界膨張タービン入口又はその上流側の高
圧ラインから分岐し、分岐した温度レベルより下流側(
冷端側)に配置された熱交換器で冷却された高圧ヘリウ
ムガスを、前記超臨界循環ポンプで強制循環される超臨
界ヘリウムループに接続したことを特徴とするヘリウム
冷凍装置。 2、前記超臨界ヘリウムループから電力供給源を冷却す
るために、一部の超臨界ヘリウムを抜き出すようにした
第1請求項に記載のヘリウム冷凍装置。 3、前記超臨界ヘリウムループの超臨界ヘリウムを液体
ヘリウムと熱交換させ冷却するための熱交換器を有し、
前記液体ヘリウムの温度を下げるための低圧ポンプを有
する第1請求項に記載のヘリウム冷凍装置。
[Scope of Claims] 1. In a helium refrigeration system whose main components include a cold box having a supercritical expansion turbine in the liquefaction line and a supercritical helium generator having a supercritical circulation pump, the inlet of the supercritical expansion turbine Or branched from the high pressure line on the upstream side, and downstream from the branched temperature level (
A helium refrigeration system, characterized in that high-pressure helium gas cooled by a heat exchanger disposed at the cold end is connected to a supercritical helium loop forcedly circulated by the supercritical circulation pump. 2. The helium refrigeration system according to claim 1, wherein a part of the supercritical helium is extracted from the supercritical helium loop in order to cool the power supply source. 3. It has a heat exchanger for cooling the supercritical helium of the supercritical helium loop by exchanging heat with liquid helium,
The helium refrigeration system according to claim 1, further comprising a low pressure pump for lowering the temperature of the liquid helium.
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