CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

5
TEION KOGAKUJ. Cryo. Soc. Jpn.Vol. 40 No. 92005372 技術ノート CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW Technologies of 1.8 K / 2.4 kW Helium Refrigerators and Cold Compressors for LHC Nobuyoshi SAJI , Seiichirou YOSHINAGA, Hiroshi ASAKURA, Toru SHIMBA*, Tadaaki HONDA*and Mikio MORI* Synopsis: For the LHC (Large Hadron Collider) project of the CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), the Swiss- Japanese consortium IHI/Linde Kryotechnik AG delivered a 1.8 K helium refrigeration system. Linde has produced many helium refrigeration systems and IHI has designed and manufactured cold compressors that utilize many advanced technologies and innovative ideas for turbo machinery. The compressor has the characteristics of the highest efficiency in the world. This paper describes the 1.8 K helium refrigeration system and performance test results at CERN. Keywords: super critical helium refrigerator, cold compressor, LHC CERN( ) 20 9 km27 km)LHC(Large Hadron Collider)1,232 14 TeV 2007 CERN 1.9 K NbTi 1) 30,000 ton 27 km Fig. 1 4.5 K / 18 kW 1.8 K / 2.4 kW 1.8 K ��1.5 kPa 1.8 K 30 CERN 1994 IHI IHI 4 1.8 K / 2.4 kW 2002 6 CERN 2003 LHC Golden Hadron Award Point 8 2005 4 7 1/8 1.9 K 2) 1.8 K Fig. 2 1.8 K 4.5 K / 18 kW Received August 18, 2005 235-8501 1 Rotating Machinery Engineering Dept. Rotating Machinery Dev., Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd., 1 Shinnakahara- cho, Isogo-ku, Yokohama, Kanagawa 235-8501, Japan 135-8733 3-2-16 Environment & Plant Division, Ishikawajima-Harima Heavy Indus- tries Co., Ltd., 3-2-16 Toyosu, Koto-ku, Tokyo 135-8733, Japan E-mail: [email protected]

Transcript of CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

Page 1: CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

TEION KOGAKU(J. Cryo. Soc. Jpn.) Vol. 40 No. 9(2005)372

技術ノート

����� 40 � 1 ��2005 � 1

�����

CERN LHC � 1.8 K / 2.4 kW �����������

��������������

��� ������� ������� ����� ������ ������ �����

Technologies of 1.8 K / 2.4 kW Helium Refrigerators and Cold Compressors for LHC

Nobuyoshi SAJI�, Seiichirou YOSHINAGA, Hiroshi ASAKURA, Toru SHIMBA*, Tadaaki HONDA*and Mikio MORI*

Synopsis: For the LHC (Large Hadron Collider) project of the CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), the Swiss-Japanese consortium IHI/Linde Kryotechnik AG delivered a 1.8 K helium refrigeration system. Linde has produced many helium refrigeration systems and IHI has designed and manufactured cold compressors that utilize many advanced technologies and innovative ideas for turbo machinery. The compressor has the characteristics of the highest efficiency in the world. This paperdescribes the 1.8 K helium refrigeration system and performance test results at CERN.

Keywords: super critical helium refrigerator, cold compressor, LHC

��� ������

CERN(�����������)����������

������� 20 �����������������

��������������������������

��������� 9 km����� 27 km)�������

LHC(Large Hadron Collider)��������������

��������������� 1,232 ��������

������������������14 TeV ����

��������� 2007 ��������������

��������������������������

������������������������

�������������������������

����CERN ������ 1.9 K ������ NbTi ���������������������������

��� 1)������������ 30,000 ton �����

����� 27 km ������ � ����������

���Fig. 1 ��������������������

����� 4.5 K / 18 kW ���� 1.8 K / 2.4 kW ����

���������1.8 K ��������������

�������� 1.5 kPa �������������

��������������� 1.8 K �������

�������������������������

���������������������� 30 ��

��������������������������

��������������������������

��������������������������

CERN ��1994 ������������������

��������������������������

����� IHI �������������� �� ���

���������

IHI ����������������� 4 ��� 1.8 K / 2.4 kW ��������������2002 � 6 ���

�������������� CERN ��������

�������������������������

��������� 2003 ��� LHC Golden Hadron Award �����������������������

������� Point 8 ����� 2005 � 4 � 7 ����

���������� 1/8 � 1.9 K ����������

�� 2)�

�������� �����������

1.8 K ����������������������

���� ���������������������

��������������������������

����������������������Fig. 2 �

1.8 K �����������������������

���� 4.5 K / 18 kW ����������������

Received August 18, 2005 ������������ ������� �������

�235-8501� �������������� 1 ��� ���

�����������

Rotating Machinery Engineering Dept. Rotating Machinery Dev.,Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd., 1 Shinnakahara-cho, Isogo-ku, Yokohama, Kanagawa 235-8501, Japan

� ������������ ����������

�135-8733 �������� 3-2-16� ����������

����

Environment & Plant Division, Ishikawajima-Harima Heavy Indus-tries Co., Ltd., 3-2-16 Toyosu, Koto-ku, Tokyo 135-8733, Japan

† E-mail: [email protected]

Page 2: CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

低温工学 40巻 9号 2005年 3733733732 J. Cryo. Soc. Jpn. Vol. 40 No. 1 (2005)

Fig. 1 CERN and the distribution of the 1.8 K refrigerator.

��1.8 K / 2.4 kW ����������� 1.5 kPa ���

������� 1.8 K ����������������

�������� 1.9 K ���������������

��������������������� 1.5 kPa �

������������ � �������������

60 kPa ����������������������

�������� 20 K / 130 kPa �����������

��� 4.5 K ����������

CERN ����������������������

����������������������

���������������

���� ���������������

LHC ����������������������

��������������������������

�� Cadrache(France)������������� Tore Supra � TJNAF(Tomas Jefferson Accelerator Facility, USA Newport News)������ CEBAF(Continuous Electron Beam Accelerator Facility)���������������

��� Air Liquide �������������Tore Supra��������������������������

�� 16 g/s � LHC ����������������

CEBAF � 274 g/s�������������������

��������������������������

���������������� 3)���������

������ 2 �������������������

���CERN �� LHC ����������������

��������������1994 ����������

��� 5 �������� 1 kPa / 18 g/s ��������

��������������� CERN ��������

��������������������������

Fig. 2 �The 1.8 K / 2.4 kW helium refrigerator for the LHC.

���� 3����� 60%��������������

�� LHC ���������������������

����������������������CERN �

�������� LHC ����������������

��������������������������

��������������������������

������������������

������������ CEBAF ���������

�����IHI �������������������

�������������������������

��������������������������

�������������������������

������� CEBAF ����� Air Liquide �����

�������������������������

��1996 ��������� ICEC16 ���������

������������� Gistau �(Air Liduide)���

�����������������������1996 �

�� 1997 ��� CERN ���� Linde � Air Liquide ��

���������������������� 65%��

�����������������LHC �������

� 1995 �����������������������

����������������18 g/s, �� 3.5 K, 1

Point 8

Tandem type screw Compressor [500 kW]

299 K/57 kPa 304 K/708 kPa

Cold box

T1

Adspber

27 K/62.2 kPa

T2 20 K/130 kPa

29 K/440 kPa

B

C

D

21 K/38 kPa

13 K/15 kPa

7.4 K/4.8 kPa

3.96 K/1.4 kPa

4.5 K/18 kW

Helium

Refrigerator

LHe Dewar

for small flow

operation

Accelerator Ring

1.9 K/100 kPa 1.8 K/1.5 kPa

Mixing chamber

4.6 K/300 kPa

CC4

CC3

CC2

CC1

Mont Blanc

Geneva Airport

2 sets of IHI�Linde

Point 2

2 sets of Air Liquide

Point 6 2 sets of Air Liquide

Point 4

2 sets of IHI/Linde

Page 3: CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

TEION KOGAKU(J. Cryo. Soc. Jpn.) Vol. 40 No. 9(2005)374����� 40 � 1 ��2005 � 3

Table 1 Required temperature and mass flow rate specifications of the 1.8 K helium refrigerator for the LHC

Operation modeInterface T [K] m[g/s] T [K] m[g/s] T [K] m[g/s]

� 3.98 124 3.97 83 4.24 62.2� 4.6 1.69 4.6 1.69 4.6 1.69� 20 126 27.5 84 30 63.9

Installed Normal Low intensity

kPa, ��� 3.0 ��������������� 75%�

����������� �������

� ���� ���������������

1.8 K ���������� Fig. 2 � B,C,D �����

�������������� Fig. 2 ��� Table 1 ��

��������������������������

�������������������������

��������������������������

��������������������������

�������������������������

��� �����������������������

��������������������������

��� Fig. 3 ����� � ��������������

��������������������������

���������������������� Table 2����

���� ���������������

������������������ Fig. 4 ����

��������������������������

��������������������������

��������������������������

�������������������������

��������������������������

�� Fig. 5 ���������������������

��������������������������

��������������������������

�����������������

05000

100001500020000250003000035000400004500050000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Reduced Speed of 1st Stage Nr1=Nr1*SQRT(4/Tin1) rpm

Red

uced

Spe

ed N

r2,N

r3,N

r4 rp

m

2nd Stage

3rd Stage

4th Stage

Nr2=N2*SQRT(7.2/Tin2)Nr3=N3*SQRT(12.6/Tin3)Nr4=N4*SQRT(20.1/Tin4)

Fig. 3 Rotating speed of each stage compressor for each mode.

Table 2 Design specifications of the cold compressor stages Item Stage 1st 2nd 3rd 4thInlet pressure [kPa] 1.4 4.12 12.1 30.83Inlet temperature [K] 3.97 6.78 11.58 18.37Mass flow rate [g/s] 125.6 125.6 125.6 125.6Impeller diameter [mm] 250.9 164.7 115 104.3Rotating speed [rpm] 11,899 23,654 40,194 44,224Shaft power [kW] 2.08 3.52 4.89 4.69�

������ ���������

�������������������������

��������������������������

�������������������������IHI��������������������������

����������� 1.5 kPa �����������

������������������

����� �����

� �������������������������

�������������������������

��������������������������

��������������������������

�������������������������

��������������������������

���������������������������

Fig. 4 Sectional drawing of the cold compressor.�

60 K helium

300 K helium gas for seal

3.97 K/1.5 kPa helium

Rotor

Stator

Magnetic bearing

Helium outlet

Honeycomb Cooling water

Radiation sealed

Impeller

Atmosphere

Vacuum

Hollow vacuum shaft

Thermal anchor

Heat intercept plate

Double O ring seal

Installed

Norm

al

Low Intensity

Injection Standby

Page 4: CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

低温工学 40巻 9号 2005年 3753753754 J. Cryo. Soc. Jpn. Vol. 40 No. 1 (2005)

First stage cold compressorpredicted performance

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Reduced flow mr

Pre

ssur

e ra

tio

Surge line

Reduced speedNr = 1.03

�ad= 0.77

0.73

0.68

0.73Operation point

�� Installed

���Normal

� Low Intensity

Fig. 5 Cold compressor cartridge.

�������60 K �����������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������� � ���������������

251 mm ������ 59 mm �������������

���������� 3.6 W �������������

��������� 1.2 W � 2.4 W � 4 K �������

������������� 7.2 W ����������

������������ 0.4%������

� ������ ��������

�������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

� 100�m/s (at 4 K)�������� 3 �� 1 ������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

�����������������������

��������

���� �����������������������

� CERN ��� Point 1 ����������������

��������������������������

��������������������������

�� Air Liquide ��� 4.5 K / 18 kW ����������

Table 3 Power consumption of the 1.8 K/2.4 kW refrigerator.

Power consumption Operation mode

Guaranteed Test results Installed mode 465 kW 443 kW

Normal mode 334 kW 311 kW

Low intensity 275 kW 274 kW

�������������� 1.8 K/2.4 kW ������

���������������� IHI/Linde � Air Liquide��� 2 �� 1.8 K/2.4 kW ��������������

������������������� IHI/Linde ��

1 ��������2002 � 6 ��� Pre-series ������

����������������� 1.8 K/2.4 kW ���

����� 6)�1.5 kPa ���������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

���������������������Table 3 ���

��������������������������

�������2003 ��� LHC ������������

���� LHC Golden Hadron Award ����������

���������������������� 2 ���

�����

2003 � 7 �������������� Pre-series ��

� 3 ����������� 5 ���� 20 ������

����������������� 7)�Fig. 6 �� 1 �

����������������������� 1 ��

��������������������������

�������������������������

��������������������������

Fig. 6 Test results of the cold compressor’s 1st stage.

Page 5: CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW

TEION KOGAKU(J. Cryo. Soc. Jpn.) Vol. 40 No. 9(2005)376����� 40 � 1 ��2005 � 5

Fig. 7 First pump-down of 1.8 K refrigeration units in the final LHC configuration at Point 8 on 7 April 2005.

���� ���������

� 2005 � 4 � 7 ��Point 8 ��������������

����������� 1/8 � 1.9 K ���������

���������� LHC �������������

��������������������������

���� 2)�Fig. 7 ������������������

��������������� 1 ��� 1.5 kPa ��

pump down �������������

������

1.8 K / 2.4 kW ������� IHI/Linde �������

��������������������������

��������������������������

��������������� 4 ����������

������ 4 ����������� 1/8 �������

���LHC ���������������������

��������������������������

��������������������������

��������������

� ������������������������

��������������������������

���������

�� �� �� ��

1) T. Shintomi: “Collaboration program on construction of the LHC accelerator super conducting magnet.” TEION KOGAKU 37(1996) 418-427 (in Japanese) ������LHC �������������������

� 31 (1996) 418-427 2) “LHC: A cool 1.8 K is achieved for first time.” CERN Weekly

Bulletin No.19 (2005) 9th May 3) V. Ganni, D. M. Arenius, B. S. Bevins, W. C. Chronis, J. D. Creel,

D. Wilson,Jr.: “Design, fabrication, commissioning and testing of a 250 g/s, 2 K helium cold compressor system.” Adv. Cryog. Eng. 47A (2002) 288-304

4) N. Saji, H. Asakura, S. Yoshinaga, K. Nogaku, A. B�zaguet, J. Casas, Ph. Lebrun, L. Tavian: “A one kPa centrifugal cold compressor for 1.8 K helium refrigeration system.” ICEC17, Institute of Physics, Bristol and Philadelphia (1998) 295-298

5) A. B�zaguet, J. Casas, Ph. Lebrun, L. Tavian: “Performance

assessment of industrial prototype cryogenic helium compressors for Large Hadron Collider.” ICEC17, Institute of Physics, Bristol and Philadelphia (1998) 145-148

6) S. Claudet, G. Ferlin, Ph. Gully, B. Jager, F. Millet, P. Roussel, and L. Tavian:”A Cryogenic test station for the pre-series 2400 W @ 1.8 K refrigeration units for LHC” ICEC19, Narosa Publishing House, New Delhi (2003) 83-86

7) S. Yoshinaga, N. Saji, S. Ozaki, T. Honda, T. Shinnba: “Cold compressor test result for CERN LHC.” Abstracts of CSJ Conference 69 (2003) 256 ����������������������� ��

�CERN LHC ������������ ������� 69 �

2003 ������������������� (2003) 256

� � � �� �� 14 � 9 � 11 ����� 38 ������

����������� 38 ���������

(�)��������������������

���������������������

���������������������

���� 11 ����������������

���������������������.

� � � � �� � �� 44 � 1 � 31 ����� 4 ������

�������������� 6 ������

�������������� 6 ������

���(�)����������������

���������������������

���������������������

�����������

�� �� � � �� � �� 29 � 6 ������� 55 ������

���������������������

���������������������

���������������������

���������������������

���������������������

�����

� � � �� � �� 40 � 12 ����� 3 ��������

��������������������

���� 6 ��9 ��������������

����������� 9 ���������

���������������������

���������������������

���������������������

�����Project Management Professional�

�� �� � � �� � �� 40 � 4 ���������������

��������������������(�)������ 9 ��12 �����������

������������ITER � He ����

����������� 12 ���������

��(�)������������������

���������������������

��������

�� � � �� �� � �� 16 � 9 ���1964 ����������

�������������(�)������

����������������2000 ���

���2004 ����������������

��(�)���������