CERN LHC 1.8 K / 2.4 kW
Transcript of 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]
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
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
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.
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 ����������������
��(�)���������