JP5921788B1

JP5921788B1 - 冷却装置

Info

Publication number: JP5921788B1
Application number: JP2015552313A
Authority: JP
Inventors: 匡章隈元
Original assignee: Tlv Co Ltd
Current assignee: Tlv Co Ltd
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2035-07-08
Also published as: JPWO2016013399A1; WO2016013399A1

Abstract

予備動作時における熱交換器（加熱部）の必要加熱能力を低減すること。冷却装置１は、水供給管１２の上流側供給弁４５および下流側供給弁４２を開状態にし且つバイパス管１５のバイパス弁４６を閉状態にし、水供給管１２の加熱熱交換器３０（加熱部）を停止し、ドレン回収機構２５が水を反応釜２１との間で循環させて反応釜２１で水によって対象物を冷却する冷却動作と、下流側供給弁４２を閉状態にし、バイパス弁４６を開状態にし且つ上流側供給弁４５の開度を冷却動作時よりも小開度にすると共に、加熱熱交換器３０を駆動し、ドレン回収機構２５が水を加熱熱交換器３０との間で循環させて加熱熱交換器３０で水を加熱する予備動作とを実行可能に構成されている制御部５０を備えている。

Description

本願は、冷却用流体で対象物を冷却する冷却装置に関するものである。

例えば特許文献１に開示されている冷却装置は、ドレンタンク（タンク）と熱交換部（反応釜）との間で冷却用流体（冷却水）を循環させる冷却用循環回路と、ドレンタンクと熱交換器（冷却流体熱交換器）との間で冷却用流体を循環させる予備用循環回路とを備えている。冷却用循環回路では、ドレンタンク内の冷却用流体がポンプ（循環ポンプ）によって反応釜に供給されて対象物を冷却し、その冷却後の冷却用流体が再びドレンタンクに戻る冷却動作が行われる。こうして、対象物が所定温度に冷却される。予備用循環回路では、ドレンタンク内の冷却用流体がポンプによって熱交換器に供給されて加熱され、その加熱された冷却用流体が反応釜には流れずに再びドレンタンクに戻る予備動作が行われる。こうして、冷却用流体が所定温度に加熱される。

上記の冷却装置では、冷却動作により対象物が所定温度に冷却されると、予備動作が行われるように循環回路が切り換えられる。そして、対象物の温度が上昇すると、再び冷却動作が行われるように循環回路が切り換えられる。そうすると、最初の冷却時よりも少し高い温度の冷却用流体が反応釜に供給される。これにより、対象物に対する冷却能力を抑えることができる。そのため、対象物の温度が下がりすぎる現象（即ち、対象物温度のアンダーシュート）を抑制することができ、対象物温度のハンチング現象を防止することができる。

特開２００８−２２４１７５号公報

ところで、上述した冷却装置の予備動作（予備用循環回路）では、冷却用流体が冷却動作時と同等の比較的大流量で循環するため、熱交換器において高い加熱能力が必要であった。その結果、消費エネルギーの増大を招いていた。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、予備動作時における熱交換器（加熱部）の必要加熱能力を低減することにある。

本願の冷却装置は、ドレンタンクと、両端が上記ドレンタンクに接続される管と、該管に設けられるエゼクタとを有するポンプ機構と、熱交換部と、上記ポンプ機構と上記熱交換部との間に接続され、上記ドレンタンクの水が上記熱交換部に供給される供給通路と、上記エゼクタの吸引口と上記熱交換部との間に接続され、該熱交換部で上記水が蒸発して発生した蒸気が上記エゼクタの吸引作用によって排出される戻し通路と、上記供給通路と上記戻し通路との間に接続される上記水のバイパス通路とを備えている。さらに冷却装置は、上記供給通路における上記バイパス通路の接続点よりも上流側に設けられる加熱部と、上記供給通路において、上記加熱部よりも上流側に設けられる上流側供給弁と、上記供給通路において、上記バイパス通路の接続点よりも下流側に設けられる下流側供給弁と、上記戻し通路に設けられる排出弁と、上記バイパス通路に設けられるバイパス弁とを備えている。さらに冷却装置は、上記上流側供給弁、下流側供給弁および排出弁を開状態に設定し且つ上記バイパス弁を閉状態に設定すると共に、上記加熱部の駆動を停止し、上記ポンプ機構が上記水を上記熱交換部との間で循環させて該熱交換部で上記水によって対象物を気化冷却する冷却動作と、上記下流側供給弁および排出弁を閉状態に設定し、上記バイパス弁を開状態に設定し且つ上記上流側供給弁の開度を上記冷却動作時よりも小開度に設定すると共に、上記加熱部を駆動し、上記ポンプ機構が上記水を上記加熱部との間で循環させて該加熱部で上記水を加熱する予備動作とを実行可能に構成されている制御部を備えている。

以上のように、本願の冷却装置によれば、予備動作時において上流側供給弁の開度が小開度に設定されているため、加熱部を通過する供給通路の冷却用流体の流量を少なくすることができる。つまり、予備動作時において冷却用流体の循環流量を少なくすることができる。これにより、加熱部における必要な加熱能力を低減することができる。よって、冷却装置の消費エネルギーを削減することができる。

図１は、実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す配管系統図である。図２は、実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す配管系統図である。図３は、冷却動作時と予備動作時における各弁の開閉状態を示す表である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、本実施形態の冷却装置１は、対象物を冷却する冷却動作だけでなく対象物を加熱する加熱動作、冷却動作の予備動作を行うことができるものである。具体的に、冷却装置１は、反応釜２１に冷却源である水（冷却用流体）と加熱源である蒸気（加熱用流体）を供給し、反応釜２１に収容された対象物（図示省略）を冷却および加熱するものである。冷却装置１は、蒸気や水の流体回路１０と、制御部５０とを備えている。

流体回路１０は、蒸気供給菅１１と、水供給管１２と、ドレン排出管１３と、蒸気排出管１４と、バイパス管１５と、反応釜２１と、ドレン回収機構２５と、加熱熱交換器３０とを備えている。

反応釜２１は、ほぼ全周に亘って形成されたジャケット部２２を有しており、本願の請求項に係る熱交換部を構成している。蒸気供給菅１１は、ジャケット部２２に接続され、図示しない蒸気生成部から所定温度の蒸気がジャケット部２２に供給される。反応釜２１では、ジャケット部２２に供給された蒸気が反応釜２１の内部の対象物と間接的に熱交換して凝縮（液化）し、対象物が加熱される。つまり、反応釜２１の対象物は蒸気の凝縮潜熱が与えられることで加熱される。水供給管１２は、一端（流出端）がジャケット部２２に接続され、他端（流入端）がドレン回収機構２５に接続されている。なお、図示しないが、水供給管１２の一端にはジャケット部２２に水を噴霧するためのスプレーノズルが設けられている。反応釜２１では、ジャケット部２２に供給された水が反応釜２１の内部の対象物と間接的に熱交換して蒸発（気化）し、対象物が冷却される。つまり、反応釜２１の対象物は水に熱（水の蒸発潜熱）を奪われることで冷却（気化冷却）される。

ドレン排出管１３は、一端（流入端）がジャケット部２２の下端部に接続され、他端（流出端）がドレン回収機構２５に接続されている。ドレン排出管１３は、ジャケット部２２で蒸気が凝縮して発生したドレン（復水）が排出される。蒸気排出管１４は、一端（流入端）がジャケット部２２に接続され、他端（流出端）がドレン排出管１３の途中に接続されている。蒸気排出管１４は、ジャケット部２２で水が蒸発して発生した蒸気が排出される。

ドレン回収機構２５は、ドレンタンク２６と、管２７と、ポンプ２８と、エゼクタ２９とを有しており、本願の請求項に係るポンプ機構を構成している。ドレンタンク２６は、ジャケット部２２で発生したドレンが貯留されるものであり、冷却用流体のタンクを構成している。管２７は、ドレンタンク２６に接続されている。つまり、管２７は、一端（流入端）がドレンタンク２６の下部に接続され、他端（流出端）がドレンタンク２６の上部に接続されている。管２７には、上流側（流入端側）から順に、ポンプ２８およびエゼクタ２９が設けられている。ドレン回収機構２５では、蒸気排出管１４がエゼクタ２９の吸引口に接続され、水供給管１２が管２７におけるポンプ２８の流出口とエゼクタ２９の流入口との間に接続されている。

ドレン回収機構２５は、ポンプ２８によってドレンタンク２６の水が、エゼクタ２９の流入口に供給され、エゼクタ２９の流出口から排出されることにより、エゼクタ２９の吸引口において吸引作用が生じるように構成されている。このエゼクタ２９の吸引作用によって、ジャケット部２２のドレンがドレン排出管１３に排出され、ジャケット部２２の蒸気が蒸気排出管１４に排出される。また、ドレン回収機構２５は、ポンプ２８によってドレンタンク２６の水を水供給管１２にも供給するように構成されている。

このように、ドレン回収機構２５は、ドレンタンク２６の水を水供給管１２を通じてジャケット部２２に供給する一方、ジャケット部２２のドレンおよび蒸気をドレン排出管１３および蒸気排出管１４を通じてドレンタンク２６に回収するものである。

バイパス管１５は、一端（流入端）が水供給管１２の途中に接続され、他端（流出端）がドレン排出管１３の途中に接続され、反応釜２１（ジャケット部２２）をバイパスするものである。つまり、バイパス管１５は、ドレン回収機構２５から水供給管１２に供給された水を反応釜２１（ジャケット部２２）には流さずにドレン回収機構２５に戻すものであり、本願の請求項に係るバイパス通路を構成している。

加熱熱交換器３０は、水供給管１２におけるバイパス管１５の接続点よりも上流側に設けられ、水供給管１２の水を加熱する加熱部である。具体的に、加熱熱交換器３０は、内部流路３１を有しており、その内部流路３１が水供給管１２と接続されている。加熱熱交換器３０には、加熱源としての蒸気や温水等を加熱熱交換器３０に供給するための供給菅３２が接続されている。つまり、加熱熱交換器３０は、供給菅３２から供給された蒸気や温水等によって水供給管１２の水を加熱するように構成されている。

以上のように構成された流体回路１０では、冷却用流体がドレン回収機構２５から水供給管１２およびジャケット部２２を順に流れて再びドレン回収機構２５に戻る経路が、冷却用循環回路を構成している。また、流体回路１０では、冷却用流体がドレン回収機構２５から水供給管１２、バイパス管１５およびドレン排出管１３を順に流れて再びドレン回収機構２５に戻る経路が、予備用循環回路を構成している。冷却用循環回路は冷却動作時に冷却用流体が流通する回路であり、予備用循環回路は予備動作時に冷却用流体が流通する回路である。また、水供給管１２は本願の請求項に係る供給通路を構成し、ドレン排出管１３および蒸気排出管１４は本願の請求項に係る戻し通路を構成している。

流体回路１０には、各種弁が設けられている。具体的に、蒸気供給菅１１には開閉弁である供給弁４１が設けられ、蒸気排出管１４には開閉弁である排出弁４４が設けられている。水供給管１２には、下流側供給弁４２と上流側供給弁４５の２つが設けられている。下流側供給弁４２は、水供給管１２におけるバイパス管１５の接続点よりも下流側に設けられる開閉弁である。上流側供給弁４５は、水供給管１２における加熱熱交換器３０よりも上流側に設けられる流量調整弁である。バイパス管１５には、開閉弁であるバイパス弁４６が設けられている。供給菅３２には、流量調整弁である供給弁４７が設けられている。ドレン排出管１３には、流入したドレンのみを自動的にドレン回収機構２５側へ排出するスチームトラップ４３が設けられている。

制御部５０は、上述したポンプ２８や各弁等を制御して、流体回路１０に加熱動作、冷却動作および予備動作を実行させるものである。具体的な制御部５０の制御動作については後述する。

〈運転動作〉
上記冷却装置１の加熱動作、冷却動作および予備動作について図１〜図３を参照しながら説明する。

加熱動作は、蒸気が反応釜２１のジャケット部２２に供給されて対象物が加熱される動作である。加熱動作では、制御部５０によってポンプ２８が駆動される。また、制御部５０によって、供給弁４１および排出弁４４が開状態に設定され、その他の下流側供給弁４２，上流側供給弁４５，バイパス弁４６，供給弁４７が閉状態に設定される。この状態では、所定温度の蒸気が蒸気供給菅１１から真空減圧状態のジャケット部２２に供給され、その蒸気が対象物と熱交換して凝縮し、対象物を所定温度で加熱する。一方、ドレン回収機構２５では、ポンプ２８によってドレンタンク２６の水がエゼクタ２９に供給され、再びドレンタンク２６に戻る。その際、ジャケット部２２で蒸気の凝縮によって発生したドレンや凝縮しきれなかった蒸気が、ドレン排出管１３および蒸気排出管１４を介してエゼクタ２９に吸引され、ドレンタンク２６に流入する。こうして、ジャケット部２２で発生したドレンはドレンタンク２６に貯留（回収）される。なお、加熱動作では、供給弁４７が閉じられることで加熱熱交換器３０は停止状態になる。

冷却動作は、水（冷却用流体）が反応釜２１のジャケット部２２に供給されて対象物が冷却される動作である。冷却動作では、ポンプ２８や各弁が制御部５０によって図３に示すように制御される。なお、図３では供給弁４１の開閉状態については省略している。具体的に、冷却動作では、ポンプ２８が駆動されると共に、下流側供給弁４２および排出弁４４が開状態に設定され、供給弁４１、バイパス弁４６および供給弁４７が閉状態に設定される。また、上流側供給弁４５は開度が全開ないし大開度に設定される。このように設定された冷却動作では、図１に太線で示すように、水（冷却用流体）が上述した冷却用循環回路で循環する。具体的には、ドレンタンク２６の所定温度の水がポンプ２８によってエゼクタ２９に供給されると共に水供給管１２に供給される。水供給管１２に供給された水は、真空減圧状態のジャケット部２２に供給される。エゼクタ２９に供給された水は、再びドレンタンク２６に戻る。ジャケット部２２では、供給された水が対象物と熱交換して蒸発し、対象物を所定温度で冷却（気化冷却）する。

ジャケット部２２で水が蒸発して発生した蒸気は、エゼクタ２９の吸引作用によって蒸気排出管１４に排出される。蒸気排出管１４に排出された蒸気は、ドレン排出管１３を介してエゼクタ２９に吸引される。エゼクタ２９に吸引された蒸気は、ドレンタンク２６に流入する。なお、ジャケット部２２で蒸発しきれなかった水等は、ドレン排出管１３を介してエゼクタ２９に吸引され、ドレンタンク２６に流入する。こうして、冷却動作では反応釜２１の対象物が所定温度に冷却される。なお、冷却動作では、供給弁４７が閉じられることで加熱熱交換器３０は停止状態になる。

上記の冷却動作によって反応釜２１の対象物が所定温度に冷却されると、制御部５０によって予備動作に切り換えられる。予備動作は、対象物の温度が上昇して対象物を再度冷却する必要が生じた場合のために、上記の冷却動作時に循環させた水の温度よりも少し高い温度の水を用意しておく動作である。

予備動作では、ポンプ２８や各弁が制御部５０によって図３に示すように制御される。具体的に、予備動作では、ポンプ２８が駆動されると共に、バイパス弁４６が開状態に設定され、供給弁４１、下流側供給弁４２および排出弁４４が閉状態に設定される。また、上流側供給弁４５は開度が小開度に設定される。また、供給弁４７は適切な開度に設定される。このように設定された予備動作では、図２に太線で示すように、水（冷却用流体）が上述した予備用循環回路で循環する。また、予備動作では、供給弁４７が開くことで加熱熱交換器３０は駆動状態になる。

このように設定された予備動作では、ドレンタンク２６の水がポンプ２８によってエゼクタ２９に供給されると共に水供給管１２に供給される。水供給管１２に供給された水は、加熱熱交換器３０で加熱されて所定温度の水になる。つまり、加熱熱交換器３０では、水供給管１２の水が上記の冷却動作時に循環させた水の温度よりも少し高い温度に加熱される。加熱熱交換器３０で所定温度に加熱された水は、バイパス管１５およびドレン排出管１３を順に通ってエゼクタ２９に吸引される。エゼクタ２９に吸引された水は、再びドレンタンク２６に戻る。つまり、予備動作では、ドレンタンク２６の水が、ジャケット部２２には流れずに加熱熱交換器３０との間で循環する。こうして、予備動作では予備用循環回路で循環する水が所定温度に加熱される。

そして、反応釜２１の対象物の温度が上昇すると、制御部５０によって再び上記の冷却動作に切り換えられる。この冷却動作では、上述した冷却動作時よりも少し高い温度の水が水供給管１２からジャケット部２２に供給される。これにより、対象物に対する冷却能力を抑えることができる。そのため、対象物の温度が下がりすぎる（即ち、対象物温度のアンダーシュート）のを抑制することができ、対象物の温度のハンチング現象を防止できる。

上記実施形態の予備動作では、上流側供給弁４５の開度が小開度に設定されているため、加熱熱交換器３０を流れる水供給管１２の水の流量を少なくすることができる。つまり、予備用循環回路における水の循環流量を少なくすることができる。これにより、加熱熱交換器３０における必要な加熱能力を低減することができる。よって、冷却装置１の消費エネルギーを削減することができる。

なお、上記実施形態では、加熱部として蒸気や温水等の流体と水とを熱交換させる加熱熱交換器３０を用いたが、本願に開示の技術はこれに限らず、水供給管１２の水を加熱し得るものであれば如何なる構成のものであってもよい。

また、上記実施形態では、バイパス管１５の流出端をドレン排出管１３に代えて蒸気排出管１４に接続するようにしてもよい。

また、上記実施形態の冷却装置１は、加熱動作は省略して冷却動作および予備動作のみを行うものであっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

本願に開示の技術は、冷却用流体で対象物を冷却する冷却装置について有用である。

１冷却装置
１２水供給管（供給通路）
１３ドレン排出管（戻し通路）
１４蒸気排出管（戻し通路）
１５バイパス管（バイパス通路）
２１反応釜（熱交換部）
２５ドレン回収機構（ポンプ機構）
２６ドレンタンク（タンク）
３０加熱熱交換器（加熱部）
４２下流側供給弁
４５上流側供給弁
４６バイパス弁
５０制御部

Claims

ドレンタンクと、両端が上記ドレンタンクに接続される管と、該管に設けられるエゼクタとを有するポンプ機構と、
熱交換部と、
上記ポンプ機構と上記熱交換部との間に接続され、上記ドレンタンクの水が上記熱交換部に供給される供給通路と、
上記エゼクタの吸引口と上記熱交換部との間に接続され、該熱交換部で上記水が蒸発して発生した蒸気が上記エゼクタの吸引作用によって排出される戻し通路と、
上記供給通路と上記戻し通路との間に接続される上記水のバイパス通路と、
上記供給通路における上記バイパス通路の接続点よりも上流側に設けられる加熱部と、
上記供給通路において、上記加熱部よりも上流側に設けられる上流側供給弁と、
上記供給通路において、上記バイパス通路の接続点よりも下流側に設けられる下流側供給弁と、
上記戻し通路に設けられる排出弁と、
上記バイパス通路に設けられるバイパス弁と、
上記上流側供給弁、下流側供給弁および排出弁を開状態に設定し且つ上記バイパス弁を閉状態に設定すると共に、上記加熱部の駆動を停止し、上記ポンプ機構が上記水を上記熱交換部との間で循環させて該熱交換部で上記水によって対象物を気化冷却する冷却動作と、上記下流側供給弁および排出弁を閉状態に設定し、上記バイパス弁を開状態に設定し且つ上記上流側供給弁の開度を上記冷却動作時よりも小開度に設定すると共に、上記加熱部を駆動し、上記ポンプ機構が上記水を上記加熱部との間で循環させて該加熱部で上記水を加熱する予備動作とを実行可能に構成されている制御部とを備えている冷却装置。