JP5306708B2

JP5306708B2 - 冷媒冷却装置

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Publication number: JP5306708B2
Application number: JP2008139955A
Authority: JP
Inventors: 正浩米倉; 雅弘武内
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: JP2009287822A; CN101796356A; SG190621A1; WO2009145078A1; US20110056662A1

Description

本発明は、冷媒冷却装置に関し、詳しくは、化学工業におけるファインケミカル等の低温反応のための冷却源として用いられる冷媒を、低温液化ガスを冷却源として熱交換器での熱交換により冷却する冷媒冷却装置に関する。

化学反応により発生する反応熱を除去するときには、メタノール，エタノール，ケトン，アミン，シリコーンオイル，有機ハロゲン化物等や、あるいはこれらの混合物からなり、一般にブラインと呼ばれる冷媒が循環使用されている。このような循環使用される冷媒（循環冷媒）を通常の冷凍機では困難な低温域、例えば−５０℃以下に冷却するための冷却源としては、各種低温液化ガス、例えば液体窒素や液体空気が用いられており、低温液化ガスと循環冷媒とを熱交換器で熱交換させることにより循環冷媒を所定温度に冷却している。

また、循環冷媒の温度を設定温度に制御するため、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒温度を検出する複数の温度センサを設けたり（例えば、特許文献１参照。）、熱交換器の冷媒出入口部に温度センサ及び圧力センサをそれぞれ設けるとともに熱交換器の排ガス出口部に温度センサを設けたり（例えば、特許文献２参照。）するなどして、これらのセンサからの信号で熱交換器に供給する低温液化ガスの供給量を制御することが行われている。
実開平６−２２８８０号公報特開平１１−３７６２３号公報

従来の温度制御においても、循環冷媒の凝固点に比べて十分に高い温度の場合、例えば凝固点が−１３０〜−１４０℃程度の循環冷媒の場合、循環冷媒の設定温度が−９０℃程度までなら循環冷媒の温度を十分に安定して制御することができるが、近年は、より低温域での制御が求められている。循環冷媒を従来より低温に制御しようとする場合、設定温度が凝固点に近くなると、熱交換器の伝熱面温度が局所的に循環冷媒の凝固点以下になるおそれがあり、循環冷媒の一部が凍結して伝熱面に付着し、熱交換効率が著しく低下するだけでなく、流路が狭くなって循環冷媒の流れが妨げられ、所定量の循環冷媒を被冷却物に循環供給できなくなることがあった。

一方、凝固点の低い物質を循環冷媒に採用したり、中間冷媒を使用して熱交換器における温度差を小さくしたりすることによって循環冷媒の凍結を回避することは可能であるが、冷媒コストが嵩んだり、設備コストが大幅に増加したりする問題があった。

また、特許文献１に記載されているように、熱交換器内の冷媒温度を検出することによって循環冷媒の凍結を回避することは可能ではあるが、循環冷媒の凝固点付近では循環冷媒の温度を一定に制御することが困難となっていた。

そこで本発明は、循環冷媒の冷却温度が循環冷媒の凝固点付近であっても、循環冷媒を所定温度に効率よく安定した状態で冷却することができる冷媒冷却装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の冷媒冷却装置は、被冷却物を冷却する循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器で向流間接熱交換させることにより前記循環冷媒を冷却する冷媒冷却装置において、前記熱交換器から導出した前記循環冷媒の温度を検出する第１温度検出手段と、該第１温度検出手段で検出した循環冷媒の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第１流量制御手段と、前記熱交換器の内部の伝熱面の温度を検出する第２温度検出手段と、該第２温度検出手段で検出した伝熱面の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第２流量制御手段とを備えるとともに、前記第１流量制御手段と前記第２流量制御手段とを前記熱交換器に低温液化ガスを導入する低温液化ガス導入経路に直列に配設し、、前記第２温度検出手段は、前記熱交換器における前記低温液化ガスの流入部に対応した伝熱面の循環冷媒側に設けられていることを特徴としている。

さらに、本発明の冷媒冷却装置は、前記熱交換器が直列に配置された複数の熱交換ユニットで形成され、少なくとも前記循環冷媒の流れ方向最下流に位置する熱交換ユニットが二重管式、他の熱交換ユニットがプレートフィン式又はプレート式であって、前記第２温度検出手段は、二重管式の熱交換ユニットにおける内管内を流れる循環冷媒の流れ方向下流側に位置する内管の伝熱面温度を検出することを特徴としている。

本発明の冷媒冷却装置によれば、熱交換器から導出した循環冷媒温度と熱交換器内部の伝熱面温度とを検出し、これらの検出温度に基づいて低温液化ガスの供給量を制御する手段を低温液化ガス導入経路に直列に配設したことにより、循環冷媒の一部が凍結して伝熱面に付着することを回避しながら循環冷媒を所定温度に安定して冷却することができ、被冷却物を効率よく冷却することができる。

図１は本発明の冷媒冷却装置の一形態例を示す系統図、図２は熱交換器内部の状態を示す説明図である。

本形態例に示す冷媒冷却装置は、低温反応槽１１を所定温度に冷却するための低温循環冷媒、例えば炭化水素系冷媒を、低温液化ガス、例えば液化窒素との熱交換により冷却するためのものであって、流量計１２、冷媒循環ポンプ１３及びリザーブタンク１４を備えた冷媒循環経路１５を流れる循環冷媒と低温液化ガス導入経路１６から導入される低温液化ガスＬとを向流間接熱交換させる熱交換器１７を備えている。

熱交換器１７は、冷媒循環経路１５における循環冷媒の流れ方向上流側に配置されるプレートフィン式又はプレート式の第１熱交換ユニット１８と、循環冷媒の流れ方向下流側に配置される二重管式の第２熱交換ユニット１９とで構成されており、熱交換効率に優れたプレートフィン式又はプレート式の第１熱交換ユニット１８で設定温度付近まで循環冷媒を冷却し、二重管式の第２熱交換ユニット１９で循環冷媒を設定温度に冷却するように形成されている。

図２に示すように、第２熱交換ユニット１９は、外管１９ａと内管１９ｂとの間に低温液化ガスＬの流路が形成され、内管１９ｂ内に循環冷媒Ｄの流路が形成されている。内管１９ｂの循環冷媒出口側に接続した冷媒循環経路１５の熱交換器出口側経路１５ａには、熱交換器１７から導出された循環冷媒の温度を検出する第１温度検出手段２０が設けられている。さらに、内管１９ｂ内を流れる循環冷媒の流れ方向下流側で、循環冷媒の温度が最も低くなる位置、あるいはこの最低温度位置の近傍には、内管１９ｂの内周面となる循環冷媒流路側の伝熱面温度を検出する第２温度検出手段２１が設けられている。この第２熱交換ユニット１９が向流式の場合、通常は、循環冷媒Ｄの流路における第２熱交換ユニット１９の出口部で、低温液化ガスＬの流路に低温液化ガスが流入する流入部に対応した位置に前記第２温度検出手段２１が設けられる。

一方、低温液化ガス導入経路１６には、前記第１温度検出手段２０で検出した冷媒温度及びあらかじめ設定された第１温度設定値に基づいて作動する第１温度指示調節計（ＴＩＣ−１）２２により制御される第１流量制御手段２３と、前記第２温度検出手段２１で検出した伝熱面温度及びあらかじめ設定された第２温度設定値に基づいて作動する第２温度指示調節計（ＴＩＣ−２）２４によりに制御される第２流量制御手段２５とが直列に配設されている。

循環冷媒は、流量計１２の検出流量に基づいて作動する冷媒循環ポンプ１３から一定量が吐出されて熱交換器１７に導入される。熱交換器１７では、最初に上流側のプレートフィン式又はプレート式の第１熱交換ユニット１８にて設定温度より僅かに高い温度にまで冷却され、次いで下流側の二重管式の第２熱交換ユニット１９にて設定温度に冷却される。設定温度に冷却された循環冷媒は、被冷却物である低温反応槽１１のジャケット１１ａ内に導入され、低温反応槽１１を冷却した後、流量計１２を経て冷媒循環ポンプ１３に吸引されることによって冷媒循環経路１５を循環する。また、温度による循環冷媒の体積変化に応じてリザーブタンク１４内の循環冷媒が冷媒循環経路１５に出入りする。

低温液化ガスは、第１流量制御手段２３及び第２流量制御手段２５を通って低温液化ガス導入経路１６から熱交換器１７の循環冷媒出口側から熱交換器１７に導入され、第２熱交換ユニット１９及び第１熱交換ユニット１８にて循環冷媒と向流間接熱交換を行い、循環冷媒を冷却する。循環冷媒を冷却することにより温度上昇して気化したガスは、第１熱交換ユニット１８から排ガス導出経路２６に排ガスＧとして導出される。

このように熱交換器１７にて低温液化ガスで循環冷媒を設定温度に冷却するにあたり、第１温度指示調節計２２には循環冷媒の設定温度が第１温度設定値として入力され、第２温度指示調節計２４には循環冷媒の凝固点（融点）あるいは凝固点に近い温度が第２温度設定値として入力される。第１流量制御手段２３及び第２流量制御手段２５として共にＯＮ−ＯＦＦ制御（開閉制御）される遮断弁を用いた場合、第１温度指示調節計２２による第１流量制御手段２３の制御は、第１温度検出手段２０で検出した冷媒温度が第１温度設定値より高いときに開き、冷媒温度が第１温度設定値より低いときに閉じる動作を行う。同様に、第２温度指示調節計２４による第２流量制御手段２５の制御は、第２温度検出手段２１で検出した伝熱面温度が第２温度設定値より高いときに開き、伝熱面温度が第２温度設定値より低いときに閉じる動作を行う。

すなわち、第１温度検出手段２０で検出した冷媒温度と第２温度検出手段２１で検出した伝熱面温度とに基づいて低温液化ガス導入経路１６に直列に配設した第１流量制御手段２３及び第２流量制御手段２５をそれぞれ制御することにより、設定温度が循環冷媒の凝固点付近の場合であっても、循環冷媒の一部が内管１９ｂ内で凍結することを防止することができ、図２に示すように凍結物Ｆが伝熱面Ｓに大量に付着して循環冷媒の流れを妨げたり、熱交換効率を低下させたりすることがなく、安定した状態で効率よく熱交換を行うことができる。

また、熱交換器１７は、二重管式の熱交換ユニットを１基だけ用いることも可能であるが、循環冷媒の流れ方向上流側に、二重管式に比べて伝熱面が多く、熱交換効率が高いプレートフィン式又はプレート式の熱交換ユニット１８を配置することにより、温度上昇している循環冷媒を効率よく冷却することができ、熱交換器全体の小型化が図れるとともに、低温液化ガスの消費量も低減することができる。

さらに、第２温度検出手段２１の取付位置は任意であり、設置数も任意であるが、第２熱交換ユニット１９において冷媒が最低温度となる出口部分又はその近傍部分、交流式熱交換ユニットの場合には低温液化ガス流路に低温液化ガスが流入する部分に対応した伝熱面の循環冷媒流路側面に設置することにより、循環冷媒が凍結して付着するおそれが最も高くなる部分の伝熱面温度を検出することができるので、第２流量制御手段２５の制御を一つの温度検出手段（温度センサ）で確実に行うことができる。

なお、熱交換器の構成及び設置数は任意であり、複数の熱交換ユニットを設置する場合、循環冷媒の流れ方向最下流には伝熱面温度を確実に測定可能な二重管式の熱交換ユニットを配置する。また、流量制御手段は、開閉制御を行う遮断弁に限るものではなく、流量調整を行える流量調整弁であってもよい。さらに、低温液化ガス導入経路における第１流量制御手段と第２流量制御手段との位置関係は任意であり、どちらが上流側に位置してもよい。また、各熱交換ユニットにおける熱交換方式は、向流、並流のいずれであってもよく、浸漬方式であってもよい。

前記形態例に示した構成の冷媒冷却装置を使用し、循環冷媒として凝固点が−１３６℃の循環冷媒を用いて低温反応槽の冷却運転を行った。第１温度指示調節計の温度設定値を−１１０℃に、第２温度指示調節計の温度設定値を−１３６℃にそれぞれ設定するとともに、循環冷媒を一定流量で循環させて冷却運転を行った。排ガス温度Ｔ１、第１温度検出手段で検出した冷媒温度Ｔ２、第２温度検出手段で検出した伝熱面温度Ｔ３及び循環冷媒の熱交換器前後の差圧Ｐ１の経時変化を図３に示す。図３から明らかなように、冷却運転開始３０分後には各検出値が安定し、循環冷媒を安定した状態で−１１０℃に冷却し、一定流量で低温反応槽に供給できていることがわかる。

一方、前記特許文献２に記載された構成の従来の冷媒冷却装置を使用し、該冷媒冷却装置における第一温度指示調節計の温度設定値を−８０℃から−１１０℃まで段階的に変化させて冷却運転を行った。冷媒温度検出部で検出した循環冷媒温度Ｔ４及び蒸発ガス温度検出部で検出した排ガス温度Ｔ５の経時変化を図４に示す。

図４において、第一温度指示調節計の温度設定値が−８０℃から−９５℃までの範囲（運転開始後３０分から１９０分までの範囲）では、循環冷媒を各温度設定値に対応した温度に安定して冷却することができたが、第一温度指示調節計の温度設定値を−９５℃以下の低温に設定すると循環冷媒の温度が不安定になり、温度設定値を−１１０℃にすると（運転開始後２９０分）、排ガス温度も急激に変化するようになり、循環冷媒を−１１０℃に安定した状態で冷却することができなくなったことがわかる。

本発明の冷媒冷却装置の一形態例を示す系統図である。熱交換器内部の状態を示す説明図である。本発明の冷媒冷却装置で冷却運転を行っているときの排ガス温度、冷媒温度、伝熱面温度及び差圧の経時変化を示す図である。従来の冷媒冷却装置で冷却運転を行っているときの循環冷媒温度及び排ガス温度の経時変化を示す図である。

符号の説明

１１…低温反応槽、１１ａ…ジャケット、１２…流量計、１３…冷媒循環ポンプ、１４…リザーブタンク、１５…冷媒循環経路、１５ａ…熱交換器出口側経路、１６…低温液化ガス導入経路、１７…熱交換器、１８…第１熱交換ユニット、１９…第２熱交換ユニット、１９ａ…外管、１９ｂ…内管、２０…第１温度検出手段、２１…第２温度検出手段、２２…第１温度指示調節計、２３…第１流量制御手段、２４…第２温度指示調節計、２５…第２流量制御手段、２６…排ガス導出経路

Claims

被冷却物を冷却する循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器で向流間接熱交換させることにより前記循環冷媒を冷却する冷媒冷却装置において、前記熱交換器から導出した前記循環冷媒の温度を検出する第１温度検出手段と、該第１温度検出手段で検出した循環冷媒の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第１流量制御手段と、前記熱交換器の内部の伝熱面の温度を検出する第２温度検出手段と、該第２温度検出手段で検出した伝熱面の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第２流量制御手段とを備えるとともに、前記第１流量制御手段と前記第２流量制御手段とを前記熱交換器に低温液化ガスを導入する低温液化ガス導入経路に直列に配設し、前記第２温度検出手段は、前記熱交換器における前記低温液化ガスの流入部に対応した伝熱面の循環冷媒側に設けられていることを特徴とする冷媒冷却装置。
前記熱交換器は、直列に配置された複数の熱交換ユニットで形成され、少なくとも前記循環冷媒の流れ方向最下流に位置する熱交換ユニットが二重管式、他の熱交換ユニットがプレートフィン式又はプレート式であって、前記第２温度検出手段は、二重管式の熱交換ユニットにおける内管内を流れる循環冷媒の流れ方向下流側に位置する内管の伝熱面温度を検出することを特徴とする請求項１記載の冷媒冷却装置。