Výroba / technologie | 16. 12. 2019

PBS vyvíjí zařízení pro kryogeniku již přes 30 let. Letos dodá nejvíc heliových expanzních turbín od začátku 90. let

Již od konce 80. let dodává PBS kryogenní turbíny pro zkapalňování helia. Plynné helium se zkapalňuje ve zkapalňovačích a používá k chlazení, například u magnetické rezonance nebo ve vědeckém výzkumu. Důkazem kvality kryogenních zařízení z PBS je, že turbíny HEXT 1.5 vyrobené v letech 1995 až 2003 jsou stále v provozu a Divize letecké techniky (DLT) pro ně v pravidelných intervalech dodává náhradní díly. Prodeje po letech útlumu opět rostou a letos bude dodáno 14 turbín.

Kryogenika je fyzikální obor, který se zabývá dosahováním velmi nízkých teplot a chováním materiálů při těchto teplotách. Kryogenními teplotami se většinou rozumí teploty v rozsahu od −180 °C až do −273,15 °C (absolutní nula), ale lze se setkat i s odlišnými údaji. Uplatnění kryogeniky lze nalézt v řadě odvětví, zejména v lékařství (magnetická rezonance, uchování tkání a orgánů, kapalné plyny), ve výzkumu (urychlovače částic, výzkum laserů, výzkum supravodivosti, supratekutosti a samotný výzkum nízkých teplot), v kosmonautice (zkapalněné plyny jako palivo, výzkum vesmíru), a také ve strojírenství (nízkoteplotní stabilizace dílců, chlazení obrobků kapalným dusíkem) apod.

Výjimečné postavení mezi kryogenními tekutinami má helium

Helium má ze všech látek nejnižší zkapalňovací teplotu. Používá se proto pro chlazení velice specifi ckých zařízení a všude tam, kde je potřeba dosáhnout extrémně nízkých teplot.

Výhodou helia je, že je to plyn nereaktivní a nevýbušný, velice dobře odvádí teplo. I když je helium druhý nejrozšířenější prvek ve vesmíru, na Zemi jsou jeho zásoby malé, a tak se řadí mezi vzácné prvky. Je obsažen v atmosféře, ale pouze v zanedbatelné koncentraci. Větší obsah helia lze nalézt v zemním plynu. Proto také výroba helia probíhá nejčastěji separací ze zemního plynu s vhodným složením. Takových ložisek na světě ale není mnoho. Současná výroba téměř nestíhá pokrývat spotřebu. Helium, jeho výroba i hospodářství je tak velice nákladné. Tam, kde není potřeba dosahovat tak nízkých teplot se používají jiné, dostupnější plyny, běžně např. dusík.

Kolo kompresoru

30letá historie kryogeniky v PBS

Kryogenika na DLT je spojená nejvíce právě s heliem. Na DLT se kryogenní technika rozvíjí již více než 30 let, kdy se začalo s výrobou heliových expanzních turbín pro zkapalňovače helia od spol. LINDE. Dnes se jedná především o produkci expanzních turbín pro různé zkapalňovače kryogenních plynů (helia) a tzv. studených kompresorů a čerpadel pro systémy zásobování a skladování helia. Aplikace s heliem, ať již plynným či zkapalněným, vyžadují velice vysokou technickou úroveň výrobních procesů, konstrukčních a výpočetních návrhů, vývoje ale i montáže a zkoušek. PBS jako jedna z mála společností na světě zajišťuje samostatně všechny tyto etapy výroby kryogenních zařízení, tzv. vše pod jednou střechou. Pracovníci DLT také zabezpečují uvádění do provozu, školení, záruční i pozáruční servis. S jinými plyny užívanými v kryogenice se u výrobku PBS setkáme méně. Řeší se poptávky na turbíny a kompresory na vzduch, dusík neon i argon. Nově se bude dodávat turbína pracující s neonem. Dosud všechny kryogenní produkty PBS byly pro aplikace s inertními plyny, ale jejich konstrukce je v zásadě použitelná i pro další plyny. V poslední době se vážně uvažuje o aplikaci s vodíkem, protože je znatelný rostoucí zájem o kapalný vodík, zejména pro využití v automobilismu. Odhaduje se významný nárůst spotřeby vodíku ve světě a výrobky PBS by se mohly v tomto segmentu uplatnit.

Prodeje rostou.
DLT letos dodá 14 kryogenních turbín

Prvním kryogenním výrobkem DLT světového významu byla kryogenní turbína HEXT 0,5 určená pro zkapalňovač Helia LKKA od fi rmy LINDE (Německo, Švýcarsko). Spolupráce byla velice úspěšná, celkově bylo mezi lety 1986 až 1992 dodáno 270 ks turbín (135 zkapalňovacích jednotek). Následovníkem byla turbína HEXT 1.5 dodávaná na zkapalňovače LINDE TCF 10 – dodáno bylo 56 ks v letech 1995–2003. Zajímavostí a výrazným ukazatelem kvality naší výroby je, že turbíny HEXT 1.5 jsou stále v provozu a DLT v pravidelných intervalech dodává náhradní díly pro tento typ kryogenních turbín. V roce 2003 se podařilo realizovat další zásadní krok ve vývoji turbín – byly zahájeny dodávky nového typu kryogenních turbín – HEXT 2 na zkapalňovače HELIAL 1000 pro další světově významnou kryogenní společnost – AirLiquide (Francie), celkem dodáno 36 ks. Období let 2006 až 2016 přinesl významný propad v prodejnosti kryogenních strojů. Celkem bylo dodáno v tomto období pouze 10 turbín pro výzkumné aplikace. Hlavním důvodem bylo osamostatnění hlavních zákazníků, LINDE a AIR LIQUIDE ve výrobě turbín. V letech 2017 a 2018 se však podařilo navýšit prodeje na 8 ks a pro rok 2019 je podepsána dodávka na 14 ks turbín.

Vývoj kryogenních turbín probíhá téměř ve všech oblastech

Vylepšují se a optimalizují složité výrobní procesy, jako je např. spojování dílců z titanu a nerezu pomocí vakuového pájení nebo chemické niklování, dále se také rozšiřuje použití svařování elektronovým paprskem. Všechny tyto nové metody a postupy jsou ověřovány a vyhodnocovány na celé řadě vzorků. Do portfolia byla koncem roku 2018 zařazena nová kryogenní turbína s chladicím výkonem až 3,5 kW (do té doby max. 2,5 kW). V rámci grantového projektu je také vyvíjena výkonnější kryogenní turbína s chladicím výkonem až 6 kW. Novinkou pro rok 2019 je také návrh a výroba kryogenní turbíny na Neon s expanzí do oblasti mokré páry.

Kryogenní kompresory a čerpadla

Počátky výroby kryogenních kompresorů a čerpadel sahají do poloviny devadesátých let minulého století. Primárně byla konstrukční koncepce vyvíjena ve spolupráci s fi rmou LINDE pro jejich zásobníky kapalného helia. Podařilo se však realizovat i významnou dodávku do výzkumného centra CERN ve spolupráci s fi rmou AIR LIQUIDE. Kompresory a čerpadla jsou dodávány prozatím v podobě subdodávky – PBS dodává kompresorovou skříň, nízkoteplotní část a průtočné části, kryogenní pohon si však koncový zákazník zajišťuje sám.

Z těchto důvodů byl v loňském roce zahájen vývoj vlastního pohonu s uložením na aerodynamických plynových ložiskách, který by měl zajistit dlouhodobý bezporuchový a bezúdržbový chod celého kompresoru, a především možnost nabízet kompletní odzkoušený kryogenní kompresor/čerpadlo s vyšší přidanou hodnotou. Prototyp tohoto pohonu s max. výkonem 3 kW by měl být připraven do konce příštího roku.

Nové pracoviště pro nízkoteplotní stabilizaci v kapalném dusíku

Všechny díly použité v kryogenním zařízení musí splňovat velmi náročné požadavky na těsnost. Vlastní detekci netěsnosti si následně naši pracovníci pomocí helia a heliového hledače provádí zcela samostatně, protože mají všechna příslušná certifi kovaná školení. Velice kritickou oblastí jsou svarové a pájené spoje, pro včasné odhalení netěsnosti musí být vždy teplotně stabilizovány pomocí kapalného dusíku, a to nejlépe hned po svařování či pájení. Tuto stabilizaci provádíme prozatím externě, ale v nejbližší době bude na DLT připraveno pracoviště pro nízkoteplotní stabilizaci v kapalném dusíku, čímž dojde k výraznému zrychlení výrobního procesu složitých kryogenních dílců.


Zásadní roli v kryogenní technice hrají tzv. kryogenní tekutiny s vhodnými vlastnostmi pro dosahování nízkých teplot. Nejčastěji používané kryogenní tekutiny:

www.pbs.cz