JP2014066383A

JP2014066383A - 真空冷却装置

Info

Publication number: JP2014066383A
Application number: JP2012210373A
Authority: JP
Inventors: Masato Nishiyama; 将人西山; Seiji Tada; 聖司多田; Nobumoto Akio; 伸基明尾
Original assignee: SAMSON CO Ltd
Current assignee: SAMSON CO Ltd
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-04-17

Abstract

【課題】ドライ式の真空ポンプによって冷却槽内を減圧する真空冷却装置であって、冷却運転時間が長くなることを防止する。
【解決手段】被冷却物を収容する冷却槽２、冷却槽内の空気を吸引する真空ポンプ１、冷却槽内の圧力を検出する圧力検出装置７、外気を真空ポンプへ送るための真空ポンプ乾燥弁４、真空ポンプ乾燥弁から吸引した空気が冷却槽へ送られることを防止する真空弁６を持ち、冷却槽内を真空化することで被冷却物の冷却を行う真空冷却装置において、冷却運転開始時における冷却槽内の圧力Ｐ１と、冷却運転開始から所定時間経過後における冷却槽内圧力の圧力Ｐ２を検出し、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２から冷却運転時における冷却槽内の想定圧力値を算出しておき、冷却運転中の冷却槽内圧力が想定圧力値よりも高くなっていた場合、冷却運転を中断し、真空ポンプ乾燥弁を通じて真空ポンプへ外気を供給しながら真空ポンプを作動する乾燥運転を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドライ式真空ポンプを使用して冷却槽内を真空化することにより、冷却槽内の被冷却物を冷却するようにしている真空冷却装置に関するものである。

冷却槽内に加熱調理した食品などの被冷却物を収容しておき、冷却槽内を真空化することで被冷却物を冷却する真空冷却装置がある。被冷却物を収容している冷却槽内を減圧し、飽和温度を被冷却物の温度よりも低下させると、被冷却物中の水分が蒸発する。その際に被冷却物から気化熱を奪うため、被冷却物の温度は低下する。真空冷却では被冷却物の内部から冷却を行うため、均一に短時間で冷却することができる。

真空発生装置としては、エジェクタ装置や真空ポンプが使用されており、ドライ式の真空ポンプであれば、蒸気の供給や水の循環が必要ないために装置の構造としては単純なものとすることができる。ただしドライ式の真空ポンプの場合、真空ポンプが多量の水分を吸入すると能力の低下を招き、さらには故障が発生するおそれがある。また、真空発生装置にて冷却槽内の空気を吸引する場合、空気と同時に被冷却物から発生した蒸気も吸引することになる。この場合、水は液体から気体に変わることで体積が大幅に増大しているため、真空発生装置で排出しなければならない気体量が多くなり、そのことで冷却槽内を減圧する能力は小さくなってしまう。

そのため、特開２０１２−１０２９５６号公報に記載があるように、冷却槽内の空気を真空発生装置へ送る真空配管の途中に熱交換器を設け、真空発生装置が吸引している空気を真空配管の途中で冷却することを行っている。熱交換器によって空気の冷却を行うと、蒸気は凝縮して液体となるため、空気流から水分を分離することができる。このことにより、真空ポンプ内へ入る水分量を削減することができ、また真空ポンプが排出する気体の体積が小さくなるため、減圧の効率を高めることができる。

ただし、吸引空気からすべての水分を除去することは不可能であり、真空冷却運転を行うことで真空ポンプ内にドレンがたまると、真空ポンプの能力は低下する。真空冷却装置では冷却運転を終了するごとに真空ポンプの乾燥運転を行っており、冷却運転の開始時には真空ポンプ内からドレンをなくした状態で開始しているのであるが、それでも冷却運転の途中で真空ポンプ内にドレンがたまり、真空ポンプの能力を低下させることがあった。図３は真空冷却運転時における冷却槽内の圧力値の変化を表したものであり、真空ポンプ内にドレンがたまった場合の圧力値を実線で示し、ドレンがたまらなかった場合の圧力値を破線で示している。ドレンは冷却運転開始前に排出しているため、冷却運転の初期時には２つの曲線は重なっている。しかしその後、ドレンのたまりが発生して排気能力が低下すると、圧力低下が止まっているために両者は異なった値となる。真空ポンプ内にたまったドレンも、いずれは真空ポンプから排出されるために能力は自然に回復するが、減圧能力が低下している時間帯では冷却槽内の減圧は行われておらず、被冷却物の温度低下も止まるため、冷却運転を終了するのは大幅に遅くなっている。

なお、真空ポンプ内にドレンがたまるか否かは、真空ポンプ内に入るドレン量と、真空ポンプ内から排出されるドレン量のバランスによって決まり、同じように冷却運転を行ってもドレンがたまる場合とたまらない場合がある。そのために冷却運転終了時間にばらつきが生じることになっていた。また、被冷却物の状態や冷却温度等も冷却時間に影響を与える。そのためにドレンがたまっていなくても冷却時間が長くなることがあり、冷却時間が長くなってるということが分かっても、その原因は真空ポンプ内のドレンであるとは言い切れないという難しさもあった。

特開２０１２−１０２９５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、ドライ式の真空ポンプによって冷却槽内を減圧することで被冷却物から水分を蒸発させている真空冷却装置であって、冷却運転時間が長くなることを防止できる真空冷却装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、被冷却物を収容する冷却槽、冷却槽と真空配管によって接続しており冷却槽内の空気を吸引する真空ポンプ、冷却槽内の圧力を検出する圧力検出装置、外気を真空ポンプへ送るための真空ポンプ乾燥弁、真空ポンプ乾燥弁から吸引した空気が冷却槽へ送られることを防止する真空弁を持ち、冷却槽内を真空化することで被冷却物の冷却を行う真空冷却装置において、
冷却運転開始時における冷却槽内の圧力Ｐ１と、冷却運転開始から所定時間経過後における冷却槽内圧力の圧力Ｐ２を検出し、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２から冷却運転時における冷却槽内の想定圧力値を算出しておき、
冷却運転中の冷却槽内圧力が想定圧力値よりも高くなっていた場合、冷却運転を中断し、真空ポンプ乾燥弁を通じて真空ポンプへ外気を供給しながら真空ポンプを作動する乾燥運転を行うものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の真空冷却装置において、冷却槽内圧力が想定圧力値よりも所定圧力値以上高い状態が一定時間継続した場合に、冷却槽内圧力が想定圧力値よりも高くなったと判断するものであることを特徴とする。

冷却槽内の減圧状況は、真空ポンプの能力だけでなく被冷却物によっても影響を受ける。冷却運転の時間が長くなる原因としては、被冷却物が保有している熱量が通常より大きな場合、真空ポンプや真空経路での劣化による慢性的な能力低下が発生している場合、真空ポンプ内にドレンがたまることでの一時的な能力低下が発生した場合などがある。真空ポンプの能力からモデルとなる冷却槽内圧力の変化曲線が分かっていても、上記要因で槽内圧力値の曲線は理論値から変化する。ただし、冷却運転の途中で真空ポンプ内にドレンがたまったことによる突発的な能力低下が発生した場合の圧力値曲線は、事前に予想できないが、被冷却物の状態などが原因の場合は、事前に圧力曲線を想定することができる。

冷却運転初期における冷却槽内の圧力値とその変化を検出しておき、理論値から実際の槽内圧力値に基づいて補正することで、その回の冷却運転時における槽内圧力を想定することができる。なお、冷却運転は真空ポンプ内にドレンがない状態で開始するため、冷却運転初期であれば真空ポンプ内にはドレンはたまっておらず、ドレンによる影響が表れるのは冷却運転の中盤以降となる。先に求めた想定圧力は、真空ポンプ内にドレンがたまっていない真空冷却初期のものであるため、真空ポンプ内にドレンがたまった場合には、また別の圧力値となる。

実際に冷却運転を行った際、理論値からの補正によって求めた想定圧力よりも実際の圧力変化が遅くなっていた場合には、その原因は真空ポンプ内にドレンがたまったためであると分かる。ドレンによって真空ポンプの能力が低下した場合には、真空ポンプの乾燥運転を行うことで能力を回復させることができる。

なお、真空ポンプにドレンがたまっていない状態で真空ポンプの乾燥運転を行っても、減圧能力が向上することはなく、真空ポンプの乾燥運転を行っている間は減圧を行えないために冷却時間はかえって長くなる。真空ポンプ内にドレンがたまることで減圧能力が低下した場合には、そのことを検出して乾燥運転を行うので、無駄な乾燥運転を行うことはなく、乾燥運転が必要な場合には乾燥運転を行うことで冷却時間の増加を最小限に抑えることができる。

本発明を実施することで、真空ポンプ内にドレンがたまってもそのことを検出して乾燥運転を行うことで減圧能力を回復させることができる。そのため、減圧できない状態のままで無駄に時間をロスすることはなくなり、冷却運転の時間が延びるのを最小限に抑えることができる。また、乾燥運転が必要な場合にのみ乾燥運転を行うことになるので、行う必要のない乾燥運転を行うことで無駄に冷却時間が長くなることも防ぐことができる。

本発明を実施している真空冷却装置の構成概要図本発明の実施例での運転状況と槽内圧力の説明図本発明を実施していない場合の運転状況と槽内圧力の説明図真空ポンプの構造説明図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施している真空冷却装置の構成概要図、図２は実施例での運転状況と槽内圧力の変化状況を説明するもの、図３は比較のため本発明を実施していない場合での運転状況と槽内圧力変化を説明するためのもの、図４は一般的な真空ポンプの内部構造を説明するためのものである。

真空冷却装置は、被冷却物を収容する冷却槽２、冷却槽２の空気を吸引する真空ポンプ１、冷却槽２と真空ポンプ１の間をつなぐ真空配管部９などからなる。冷却槽２は、側面に扉を持った略直方体の容器であり、中に被冷却物を収容して密閉することができるようにしている。冷却槽２には、内部の圧力を検出するための圧力検出装置７を設けておき、圧力検出装置７で検出した圧力値は真空冷却装置の運転を制御する運転制御装置１０へ出力する。運転制御装置１０は真空ポンプ１とも接続しており、運転制御装置１０が真空ポンプ１の作動を行うことで冷却槽２内の空気を吸引させ、冷却槽２内に収容した被冷却物の冷却を行う。

真空冷却装置は、冷却槽内を減圧することで被冷却物内の水分を蒸発させ、気化熱によって被冷却物の冷却を行うものであるため、冷却槽から吸引している空気は蒸気を含んでいる。水は蒸気になると体積が大幅に大きくなるため、そのままでは大容積の蒸気を真空ポンプ１へ送ることになり、それでは真空ポンプ１の運転効率が悪くなる。また、真空ポンプ内に水分が入った場合には、真空ポンプの能力低下や真空ポンプの故障を招くことがあるため、途中の真空配管部９で吸引空気から水分の除去を行う。真空配管部９の途中には熱交換器５を設け、熱交換器５には冷却用水を供給するようにしておき、冷却槽２から吸引してきた空気と冷却用水の間で熱交換を行うことで、吸引空気の冷却を行う。熱交換器で吸引空気の冷却を行うと、空気中に含まれている蒸気が凝縮するため、空気中の水分を分離することができる。熱交換器で分離した凝縮水は、熱交換器の下方に設置している凝縮水タンク８にためておき、冷却運転の終了後に排出する。

真空配管部９には、熱交換器５よりも下流に真空弁６を設け、真空弁６の下流側に空気取り入れ経路３を接続する。空気取り入れ経路３には、真空ポンプの乾燥運転時に空気を真空ポンプ１へ送るための真空ポンプ乾燥弁４を設けておく。真空ポンプ乾燥弁４は、真空ポンプ１の乾燥運転を行う場合に開くものであり、通常時は閉じている。真空弁６及び真空ポンプ乾燥弁４も運転制御装置１０と接続しており、運転制御装置１０によって真空弁６と真空ポンプ乾燥弁４の作動を制御する。

図２に基づいて運転動作を説明する。冷却運転は、冷却槽２内に被冷却物を収容し、冷却槽２を密閉した状態で真空ポンプ１を作動することによって行う。その時、冷却開始時における冷却槽内の圧力を圧力Ｐ１とし、圧力検出装置７にて検出して記録しておく。冷却運転開始時には、真空ポンプ乾燥弁４は閉じ、真空弁６は開いておき、真空ポンプ１を作動すると真空ポンプ１は冷却槽２内の空気を吸引する。冷却槽２から空気の吸引を行うと、冷却槽内の圧力は低下していく。運転制御装置１０では、冷却運転開始時から所定のＸ秒が経過すると、再び冷却槽２での槽内圧力を圧力Ｐ２とし、圧力検出装置７にて検出して記録する。

運転制御装置１０には、冷却運転を行った場合の理論値である標準の圧力曲線を設定しているが、真空冷却装置での冷却時間は、真空ポンプの能力だけで決まるものではなく、被冷却物の状態によっても異なるため、実際の圧力曲線は標準の圧力曲線通りにはならない。そのため運転制御装置１０では、その冷却運転回での冷却開始時の槽内圧力と、冷却開始から所定時間経過後の槽内圧力を検出しておくことで、その回での槽内圧力の変化を想定する。想定圧力値は、理論値である標準の圧力曲線から、開始時の圧力Ｐ１と、開始から所定時間後での圧力Ｐ２を使って補正して算出する。

図２では、理論値から補正した想定圧力値は破線で示している。ここでの想定圧力値は、真空ポンプ自体の能力や被冷却物の状態などを加味した総合的な能力となっている。また圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２は冷却運転初期のものであって、真空ポンプにはドレンがたまっていない状態のものである。そのため、真空ポンプにドレンがたまらなければ、実際の圧力値は想定圧力値に近い値となるが、真空ポンプにドレンがたまった場合には想定圧力値から外れた値となる。

冷却槽２は密閉しておいて真空ポンプ１を作動すると、冷却槽内の空気は排出され、冷却槽内の圧力は低下していく。冷却槽２内の圧力を低下させると、被冷却物からは水分の蒸発が発生し、水分が蒸発する際には周囲から気化熱を奪う。そのため、槽内圧力の低下につれて被冷却物の温度は低下していく。吸引空気中に含まれている蒸気は、真空配管部９の途中に設置している熱交換器５で冷却することによって凝縮させ、吸引空気から分離させている。しかし、すべての水分を除去することは不可能であるため、一部の水分は真空配管部９を通して真空ポンプ１内に入る。また、排気中に含まれていた水分が真空ポンプのなかで凝縮し、凝縮水が現れることもある。

真空ポンプ１の内部は、図４に記載しているような構造となっている。ケーシング内部で互いに反対方向に回転する２つの３葉ロータを設置しておき、３葉ロータがケーシング内壁及びロータ間にわずかなすき間を保って回転し、３葉ロータの羽根の間にできる空間に入った空気を運ぶ。真空ポンプ１内に水分が入っても排気とともに排出されれば問題はないが、真空ポンプ内に入る水分量が真空ポンプ内から排出される水分量より多くなると、真空ポンプ内にドレンがたまることになる。真空ポンプ内にドレンがたまると、羽根間の空気を運ぶ空間が小さくなるため、その空間に入る空気の量が少なくなり、真空ポンプの排気能力が低下する。そして真空ポンプ内でドレンが再蒸発すると、真空ポンプ内が蒸気で満たされることになり、この場合も押し出す空気量が少なくなるために排気能力が低下する。真空ポンプ１にドレンがたまることで真空配管部９からの空気を吸引できなくなると、冷却槽２内では圧力が低下しなくなる。

圧力検出装置７で検出している実際の槽内圧力値は、図２では実線で示しており、冷却運転の初期は破線の想定圧力線と実線の実際圧力値が重なった状態で低下している。しかし、真空ポンプ１では、内部に水分がたまると排気能力が低下することになり、途中で槽内圧力の低下が止まるため、想定圧力値とは異なる曲線を描いている。

運転制御装置１０では、実際の圧力値が想定圧力値よりも所定幅以上高い状態が所定時間以上続いた場合、ドレンの影響により真空ポンプの能力が低下したと判断し、真空ポンプの乾燥運転を行う。乾燥運転では、まず冷却槽と真空ポンプの間に設けた真空弁６を閉じ、冷却槽内に空気が逆流しない状態とする。次に真空ポンプ乾燥弁４を開き、真空ポンプ１に外気を吸入させる。真空ポンプ１では減圧状態の冷却槽２から空気を吸引していた場合、吸引する空気量は少なくなっていくため、真空ポンプ内にドレンがあってもドレンを押し出す力は弱くなっている。しかし、真空ポンプに外気を吸引させると、真空ポンプ内を流れる空気量が大きくなるため、空気流が真空ポンプ内のドレンを押し出すことになり、真空ポンプ内のドレンを排出することができる。

一定時間の乾燥運転を行うと、真空ポンプ乾燥弁４を閉じて乾燥運転を終了し、真空弁６を開くことで冷却運転を再開する。乾燥運転によって真空ポンプ内からドレンを排出することで能力を回復した真空ポンプ１では、冷却槽２内の減圧を行うことができる。被冷却物が目標温度に達すると、冷却運転は終了する。冷却運転を終了させる時の冷却槽内圧力は、目標温度に相当する圧力で終了することになる。実際圧力の曲線での終了は、想定圧力の曲線での終了よりも遅くなってはいるが、真空ポンプ内にドレンがたまることは仕方のないことであり、ドレンがたまっても冷却が終了するまでの時間の延びは乾燥運転を行うことで短くしているため、影響を最小限に抑えることができる。

図３は比較のための本発明を行っていない場合でのものである。図３の場合、冷却開始時における冷却槽内の圧力と、冷却開始から所定時間後の圧力から想定圧力値を算出することは行っておらず、図１での想定圧力値の曲線に該当するものは作成していない。しかし、目安がないと分かりにくいため、想定圧力値の曲線をドレンたまりなし時圧力値として破線で記載している。

ドレンたまり発生時圧力値は、ドレンたまりが発生したが乾燥運転は行っていない場合の圧力値であり、実線で記している。この場合も冷却運転の初期では、両者は同じ曲線を描いている。しかしその後、ドレンたまり発生側の圧力値は、真空ポンプへのドレンたまりが発生して減圧能力が低下すると、槽内圧力は低下しなくなっている。乾燥運転を行わなかった場合、真空ポンプ内のドレンが排出されるまでには長い時間が掛かり、その間の槽内圧力は低下せずにほぼ一定の値を保つ。この状態は、真空ポンプ内のドレンが自然になくなるまで続くことになり、減圧能力を回復させるのはドレンが自然に抜けた後となるため、冷却運転が終了するまでには非常に長い時間が掛かることになっている。

冷却運転中に乾燥運転を行う場合、乾燥運転中は冷却槽内の空気を吸引することができないが、真空ポンプにドレンがたまっていた場合には、冷却運転を中断して乾燥運転を行う方が冷却運転を早く終わらせることができる。しかし、真空ポンプにドレンがたまっていない場合には、冷却運転を中断して乾燥運転を行うと、冷却運転の時間がかえって長くなる。乾燥運転が必要か否かは、冷却槽内の圧力値に基づいて判断することができるため、乾燥運転が必要な場合にのみ乾燥運転を行うことで、冷却運転時間が長くなることを防止できる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１真空ポンプ
２冷却槽
３空気取り入れ経路
４真空ポンプ乾燥弁
５熱交換器
６真空弁
７圧力検出装置
８凝縮水タンク
９真空配管部
１０運転制御装置

Claims

被冷却物を収容する冷却槽、冷却槽と真空配管によって接続しており冷却槽内の空気を吸引する真空ポンプ、冷却槽内の圧力を検出する圧力検出装置、外気を真空ポンプへ送るための真空ポンプ乾燥弁、真空ポンプ乾燥弁から吸引した空気が冷却槽へ送られることを防止する真空弁を持ち、冷却槽内を真空化することで被冷却物の冷却を行う真空冷却装置において、
冷却運転開始時における冷却槽内の圧力Ｐ１と、冷却運転開始から所定時間経過後における冷却槽内圧力の圧力Ｐ２を検出し、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２から冷却運転時における冷却槽内の想定圧力値を算出しておき、冷却運転中の冷却槽内圧力が想定圧力値よりも高くなっていた場合、
冷却運転を中断し、真空ポンプ乾燥弁を通じて真空ポンプへ外気を供給しながら真空ポンプを作動する乾燥運転を行うものであることを特徴とする真空冷却装置。
請求項１に記載の真空冷却装置において、冷却槽内圧力が想定圧力値よりも所定圧力値以上高い状態が一定時間継続した場合に、冷却槽内圧力が想定圧力値よりも高くなったと判断するものであることを特徴とする真空冷却装置。