JPH07284603A

JPH07284603A - ヒートポンプ式結晶生成物製造方法及び装置

Info

Publication number: JPH07284603A
Application number: JP9913294A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakashita; 茂坂下; Makoto Fujii; 誠藤井; Kanako Ooji; かな子大治
Original assignee: JAPAN SMALL CORP
Current assignee: JAPAN SMALL CORP
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1995-10-31
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JP2660485B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ヒートポンプを利用して真空に保持された結
晶缶内を加熱し、原料液から砂糖等の結晶物を得る装置
において、熱バランスを安定させることにより結晶缶内
の圧力を均一に保持し、結晶物の生成機能を向上せしめ
る。【構成】凝縮器出口と膨張弁との間の冷媒管路中に、
冷却流体により冷却する冷媒過冷却器を設けて、圧縮機
の軸動力相当分の熱量を放出せしめる。また冷媒過冷却
器内を流れる冷媒量を制御するため、バイパス路と切換
弁とを設けて、制御装置により結晶缶内圧力の検出信号
に基づきこれを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空に保持され原料液
が収容された結晶缶内をヒートポンプの凝縮器からの熱
で加熱し、原料液から砂糖や硫安等の結晶生成物（スラ
リー若しくは粘稠物質も含む）を生成するヒートポンプ
式結晶生成物製造方法とその装置に関する発明である。

【０００２】

【従来の技術】例えば糖分を含有する原料液を真空の結
晶缶内に導き、これを加熱して原料液中の糖分を結晶せ
しめて製品（砂糖）として取り出す精糖装置において
は、ヒートポンプにより発生する熱を結晶缶内の加熱用
として利用する手段が利用されている。

【０００３】図３は、かかるヒートポンプを利用した精
糖装置の要部を示すブロック図（系統図）である。図３
において、２はヒートポンプシステムの冷媒用圧縮機、
３は該圧縮機駆動用のモータ、４は凝縮器、５は蒸発
器、６は膨張弁であり、圧縮機２にて圧縮された冷媒気
体が凝縮器４にて被加熱流体に放熱して液化し、膨張弁
６及び蒸発器５にて気化して熱を吸収し圧縮機に戻され
る通常のヒートポンプを構成する。

【０００４】即ち、前記凝縮器４には、結晶缶１内に設
置された加熱器９を循環する加熱管路３１、３２が接続
され、該凝縮器４内にて冷媒（気体）と加熱管路３１、
３２内を流れる加熱流体とを熱交換して該加熱流体を昇
温せしめて蒸気を生成する。この蒸気は結晶缶１内の加
熱器９に送られここで結晶缶１の原料液と熱交換し、こ
れを加熱する。これにより原料液中から糖分が析出され
るとともに、ベーパは結晶缶１の上部から管路２２に取
り出される。

【０００５】７は真空ポンプで、吸引管路２１、蒸発器
５及び吸引管路２２を経て結晶缶１内の上部空間に接続
され、結晶缶１内の流体（ベーパ）を吸引して該結晶缶
１内を真空若しくは負圧下に維持せしめるものである。

【０００６】前記蒸発器５には、結晶缶１の上部に開口
する吸引管路２２が接続され、該蒸発器５内において
は、結晶缶１内で生成されたベーパと冷媒とを熱交換し
てベーパから吸熱し、これを凝縮せしめてベーパ凝縮水
となし吸引管路２１に送る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この種のヒートポンプ
式精糖装置においては、結晶缶内の圧力は缶内の熱バラ
ンスがとれている場合に安定する一方、缶内への入熱量
が大きくなると缶内温度の上昇とともに圧力は上昇し、
逆に缶内からの出熱量が多くなると缶内温度の低下とと
もに圧力は低下する。

【０００８】従って図３に示されるような従来のヒート
ポンプを利用した精糖装置においては、結晶缶１内の加
熱器９による加熱量はヒートポンプによる熱回収量と圧
縮機２の軸動力相当熱量の和となり、常時軸動力相当熱
量分が大きい関係となる。

【０００９】このため前記従来の精糖装置においては、
結晶缶１内の熱バランスが崩れ、蒸発器５における結晶
缶内ベーパの蒸発温度が上昇し、缶内圧力の異常な上昇
による精糖機能の低下を招くという不具合の発生をみる
ことが多々ある。

【００１０】本発明の目的は、結晶缶内における入熱量
を正確に所要量に制御することにより熱バランスを安定
せしめ、結晶缶内の圧力を所要の圧力に維持して結晶生
成物の生成機能の低下を阻止することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、ヒートポンプ
を利用した結晶生成物製造装置において、圧縮機の軸動
力相当熱量をヒートポンプシステム中から放熱せしめる
ことにより熱バランスを安定を得るようにしたもので、
次のように構成したことを特徴としている。

【００１２】即ち、本発明は、原料液が収容された結晶
缶内を負圧下に保持ながら、ヒートポンプサイクルを構
成する凝縮器からの加熱流体により缶内を加熱して、前
記原料液から結晶化した若しくはスラリー状の結晶生成
物を得るようにしたヒートポンプ式結晶生成物製造方法
において、前記ヒートポンプサイクルの凝縮器出口側と
膨張弁入口側との間の冷媒管路中に冷媒過冷却手段を設
け、該過冷却手段により圧縮機の軸動力相当熱量に対応
させて冷媒を降温制御しながらヒートポンプサイクル側
の発生熱量と、結晶缶側の消費熱量との熱バランスを取
りながら結晶缶圧をほぼ一定に維持させることを特徴と
するものである。この場合、前記結晶缶内圧力に基づき
演算制御された信号により前記冷媒過冷却手段の降温量
を制御するのが良い。

【００１３】又運転条件の急変動時に、前記結晶缶内圧
力に対し前記信号による前記冷媒過冷却手段の制御降温
量は時間遅れを生じるために、結晶缶内圧力の負圧を調
整する調整手段により結晶缶内の負圧を理論負圧より時
定数を持たせて制御するのが良い。

【００１４】そしてかかる発明を達成する構成として、
前記ヒートポンプサイクルの凝縮器出口側と膨張弁入口
側との間の冷媒管路中に冷媒過冷却手段と、該冷媒過冷
却手段を側路するバイパス路を設け、所定の制御信号に
より、前記バイパス路と前記冷媒過冷却手段の流路を切
り換えるか若しくはその開度調整するか、更には前記冷
媒過冷却手段の冷媒冷却流体の流量制御を行うことによ
り、該過冷却手段により圧縮機の軸動力相当熱量に対応
させて冷媒を降温制御させる事が出来る。

【００１５】この場合前記結晶缶内の圧力を検出する圧
力検出器よりの圧力検知信号に基づいて前記制御信号を
生成する演算手段を設けるのがよい。又前記切り換え制
御は、前記バイパス路と前記冷媒過冷却手段の集合位置
に冷媒通路切り換え弁を設け、前記制御信号に基づいて
前記切り換え弁の切り換え制御を行うように構成すれば
よく、又前記バイパス路と前記冷媒過冷却手段の集合位
置に冷媒通路切り換え弁を設けるとともに、前記冷媒過
冷却手段の冷媒冷却流体の導入流量を調整する調整弁を
設け、前記制御信号に基づいて前記切り換え弁の切り換
え制御とともに、調整弁の開度調整を行うように構成し
ても良い。

【００１６】運転条件の急変動時における前記結晶缶内
圧力と前記冷媒過冷却手段の制御降温量の時間遅れに対
処するために、前記前記結晶缶内を吸引する真空ポンプ
と前記結晶缶とを接続する吸引管路には該管路の通路面
積を調整する真空調整弁を設け、該調整弁により結晶缶
内の負圧を理論負圧より時定数を持って制御するのがよ
い。

【００１７】

【作用】前記のように、結晶缶内の圧力は、缶内の熱バ
ランスがとれている場合に安定し、缶内への入熱量が大
きくなり缶内温度が上昇すると缶内圧力は上昇し、逆に
缶内からの出熱量が大きくなり缶内温度が低下すると缶
内圧力は低下する。

【００１８】凝縮器からの蒸気により結晶缶内を加熱す
るヒートポンプによる熱回収加熱方式においては、結晶
缶内の加熱量Ｑ₁ は、ヒートポンプによる熱回収量をＱ
₀ 、圧縮機軸動力相当熱量をＱ₄ とすると数１のように
なる。

【００１９】

【数１】

【００２０】即ち、結晶缶内の熱バランス上は、圧縮機
軸動力相当分の熱量が余分な熱量となる。従って、結晶
缶内の熱バランスを正常にするには、圧縮機軸動力相当
分の熱量（Ｑ₄ ）をヒートポンプサイクル中で放熱すれ
ばよいこととなる。

【００２１】本発明においては、ヒートポンプの凝縮器
出口の冷媒管路中に、冷媒と冷却水、冷却空気等の冷却
流体とを熱交換する冷媒過冷却手段を設けて、該冷媒過
冷却手段にて冷媒から圧縮機軸動力相当分の熱量を放出
せしめる。

【００２２】前記冷媒過冷却器における放出熱量（即ち
圧縮機軸動力相当熱量）は、制御装置からの制御信号に
より、冷媒過冷却器内を流れる冷媒流量と該冷却器をバ
イパスして流れる冷媒流量との割合を変化せしめるこ
と、又は冷媒過冷却器への冷却流体の流量を変化せしめ
ること、等により制御される。

【００２３】この制御装置により制御される圧縮機軸動
力相当熱量（Ｑ₄ ）が、Ｑ₁₁＝製品（結晶糖）の熱量Ｑ₁₂＝原料液により供給される熱量Ｑ₁₃＝結晶缶からのベーパ凝縮水熱量Ｑ₁₄＝真空ポンプによるベント熱量Ｑ₁₅＝装置の自然放熱量とすると、数２に示すΣＱを上廻ったとき、この分の熱
量を冷媒過冷却器にて放熱するように該冷媒過冷却器を
流れる冷媒流量または冷却流体流量を制御する。

【００２４】

【数２】

【００２５】そして本発明においては、特に結晶缶内の
圧力を検出して制御装置に入力し、該制御装置におい
て、該圧力検出信号に基づき三方弁（切り換え弁）の切
換信号又は冷媒過冷却器への冷却流体通路に設けた冷却
流体調節弁の開度制御信号を出力し、冷媒過冷却器にお
ける放出熱量を制御する。

【００２６】また更に好ましい発明においては、前記の
作用に加えて、制御装置により真空調整弁の開度を調整
して、真空ポンプの吸引量を制御し、運転条件の急変動
時における応答性を改善する。

【００２７】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示
的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されてい
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

【００２８】図１は本発明に係わる砂糖（結晶糖）の製
造システムのブロック図を示す。図１において、１は結
晶缶であり、原料液の導入口１ａ及び製品（結晶糖）の
抽出口１ｂを備えている。

【００２９】２はヒートポンプシステムの冷媒用圧縮
機、３は該圧縮機駆動用のモータ、４は加熱用の凝縮
器、５は吸熱用の蒸発器、６は冷媒を膨張せしめる膨張
弁であり、圧縮機２にて圧縮された冷媒気体が凝縮器４
にて被加熱流体に放熱して液化し、膨張弁６及び蒸発器
５にて気化して熱を吸収し圧縮機に戻される通常のヒー
トポンプを構成する。

【００３０】即ち、前記凝縮器４には、結晶缶１内に設
置された加熱器９を循環する加熱管路３１、３２が接続
され、該凝縮器４内にて冷媒（気体）と加熱管路３１、
３２内を流れる加熱流体とを熱交換して該加熱流体を昇
温せしめて蒸気を生成する。この蒸気は結晶缶１内の加
熱器９に送られここで結晶缶１内の原料液と熱交換し、
これを加熱する。

【００３１】７は真空ポンプで、後述する真空調整弁１
２、吸引管路２１、蒸発器５及び吸引管路２２を経て結
晶缶１内の上部空間に接続され、結晶缶１内の流体（ベ
ーパ）を吸引して、該結晶缶１内を真空にせしめる。

【００３２】前記蒸発器５には、結晶缶１の上部に開口
する吸引管路２２が接続され、該蒸発器５内においては
結晶缶１内で生成されたベーパと冷媒とを熱交換してベ
ーパから吸熱し、これを凝縮せしめてベーパ凝縮水とな
し、吸引管路２１に送る。

【００３３】１２は真空調整弁で、後述する制御装置か
らの制御信号でこれの開度を変化せしめることにより前
記真空ポンプ７の吸引量を調整し、結晶缶１内の真空度
（缶内負圧）を制御する。

【００３４】１３は前記結晶缶１内の圧力を検出する圧
力計、１４は該圧力計１３による検出圧力を電気信号に
変換する圧力検出器である。

【００３５】前記凝縮器４と膨張弁６との間の冷媒管路
（液体冷媒管路）２３中には、冷媒過冷却器２０が設け
られ、また該冷媒過冷却器２０と前記膨張弁６との間の
冷媒管路２４には三方弁１５が設けられている。さらに
前記冷媒管路２３の冷媒過冷却器２０直上流部位から分
岐され前記三方弁１５の一方の入口に接続されるバイパ
ス路１６が設けられている。

【００３６】前記冷媒過冷却器２０には、冷却水、冷却
空気等の冷却流体を導くための冷却管路２５が接続され
ており、該冷媒過冷却器２０においては前記凝縮器４か
ら冷媒管路２３に導出された冷媒（液状）と冷却管路２
５から導かれた冷却流体とを熱交換し、冷媒を降温せし
めている。

【００３７】１７は前記冷却管路２５から冷媒過冷却器
２０に導入される冷却流体の流量を制御する冷却流体調
整弁である。また、前記三方弁１５は、冷媒過冷却器２
０の冷媒出口通路又はバイパス路１６と膨張弁６入口側
の冷媒管路２４との接続を切り換えるもので、市販の三
方弁を適用することができる。

【００３８】１１は制御装置で、前記圧力検出器１４か
ら結晶缶１内の圧力の検出信号が、温度検出器１８から
膨張弁６入口の冷媒温度の検出信号が夫々入力される。
そして該制御装置１１においては、前記結晶缶１内の圧
力及び冷媒管路２３の冷媒温度に基づき、冷却流体調整
弁１７の開度、三方弁１５の切換方向及び真空調整弁１
２の開度を演算し、これら３つの弁１７、１５、１２に
操作信号を出力する。

【００３９】前記のように構成されたヒートポンプ式結
晶生成物製造装置の動作を説明する。圧縮機２により圧
縮された（図２のＡ→Ｂ行程）冷媒（気体）は冷媒管路
２６を経て凝縮器４に入り、ここで結晶缶１から液体管
路３１を経て送られる加熱流体と熱交換してこれを加熱
して凝縮、液化し（図２のＢ→Ｃ行程）冷媒管路２３に
送出される。

【００４０】凝縮器４にて加熱された加熱流体は蒸気と
なって加熱管路３１を通り、結晶缶１内の加熱器９に入
る。結晶缶１内は真空ポンプ７の吸引により真空になっ
ており、この真空下において加熱器９にて原料液と前記
蒸気との熱交換が行われ、原料液中から結晶糖（製品）
が析出せしめられる。

【００４１】一方、前記凝縮器４にて液化された冷媒管
路２３内の冷媒は、冷媒過冷却器２０とバイパス路１６
とに合流する。三方弁１５によりバイパス路１６が閉
じ、冷媒過冷却器２０側が開いている場合は、前記冷媒
は冷媒過冷却器２０にて冷却流体管路２５から導入され
る冷却流体と熱交換して降温（冷却）せしめられ、図２
に示す熱量Ｑ₃ を放出する（図２のＣ→Ｄ行程）。さら
に、この冷媒は膨張弁６に送られて膨張した後、蒸発器
５にて、結晶缶１で発生し吸引管路２２を経て導入され
たベーパと熱交換して吸熱気化し（図２のＤ→Ｅ→Ａ行
程）、冷媒管路２７を通って圧縮機２に戻される。

【００４２】一方、蒸発器５にて冷媒と熱交換したベー
パ（水蒸気）は降温、凝縮されてベーパ混入凝縮水とな
り、吸引管路２１及び真空調整弁１２を通って真空ポン
プ７に吸引される。

【００４３】次に制御装置１１の作用について説明す
る。制御装置１１には、圧力計１３及び圧力検出器１４
にて検出された結晶缶１内の圧力Ｐ及び温度検出器１８
にて検出された冷媒過冷却器２０出口即ち膨張弁６入口
の冷媒温度Ｔが入力される。

【００４４】そして制御装置１１においては、前記結晶
缶１内の圧力Ｐ及び過冷却後の冷媒温度Ｔに基づき、三
方弁１５の接続切り換え信号、冷却流体調整弁１７の開
度信号及び真空調整弁１２の開度信号を算出して、これ
らの弁１５、１７、１２に出力する。

【００４５】即ち、凝縮器４から結晶缶１内への入熱量
が大きくなると缶内圧力Ｐが上昇するが、制御装置１１
においては、この圧力Ｐの検出信号を受けて、三方弁１
５を冷媒過冷却器２０出口と膨張弁６入口の冷媒通路２
４とが接続されるように切り換えるとともに、冷却流体
調整弁１７の開度を大きくして冷媒過冷却器２０におけ
る放熱量を増加せしめて冷媒温度Ｔを下げることにより
缶内圧力Ｐを設定圧力まで下げ、缶内圧力をこの設定圧
力状態に保持せしめる。

【００４６】また結晶缶１内の出熱量の増加により缶内
圧力Ｐが低下すると、制御装置１１においては、三方弁
１５をバイパス路と膨張弁６入口の冷媒通路とが接続さ
れるように切り換えて冷媒過冷却器２０を通る冷媒量を
減じて放熱量を減少せしめ、冷媒温度Ｔを上昇せしめる
ことにより缶内圧力Ｐを設定圧力まで上昇せしめる。

【００４７】また制御装置１１は、温度検出器１８から
の冷媒温度Ｔの検出信号を受けて、前記三方弁１５の接
続切り換え及び冷却流体調整弁１７の開度調整を冷媒温
度Ｔが設定温度になるように制御する。即ち、結晶缶１
内の熱バランスは缶内圧力Ｐ及び冷媒温度Ｔの双方の検
出信号を制御装置１１にフィードバックすることにより
高精度で維持されることとなる。

【００４８】また、制御装置１１においては、装置の運
転条件に急激な変動が生じた際には該制御装置１１に入
力されている缶内圧力、冷媒温度等の検出信号を受けて
真空調整弁１２の開度を大きくして真空ポンプ７の吸引
容量を増加せしめることにより、装置全体が時定数大な
ることに起因する応答遅れを防止し、缶内圧力Ｐの追縦
性を改善せしめる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、冷媒管路中に設けた冷
媒過冷却器により圧縮機軸動力相当分の熱量を放熱する
ので、熱バランスが安定し、結晶缶内の圧力上昇が防止
されて、結晶生成物生成機能の低下が防止される。

【００５０】また、請求項２、３の発明によれば、冷媒
過冷却器のバイパス路と該過冷却器とを通る冷媒の量を
切換弁により調整し、この切換弁及び／または冷媒過冷
却器への冷却流体用調整弁を結晶缶内圧力の検出信号を
受けて制御するので、高精度で以って缶内圧力の制御が
可能となる。

【００５１】さらに請求項４の発明によれば、真空ポン
プ吸引路中に設けた真空調整弁の開度を制御装置により
調整可能としているので、装置の運転条件に急激な変動
があった場合においても装置の時定数による応答遅れを
防止でき、運転条件の変化に対しても追縦性の良好な制
御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わるヒートポンプ式精糖装
置の系統図。

【図２】同作用説明用線図。

【図３】従来のヒートポンプ式精糖装置を示す系統図。

【符号の説明】

１結晶缶２圧縮機４凝縮器６膨張弁７真空ポンプ１１制御装置１２真空調整弁１３圧力計１４圧力検出器１５三方弁１６バイパス路２０冷媒過冷却器２１、２２吸引管路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料液が収容された結晶缶内を負圧下に保
持ながら、ヒートポンプサイクルを構成する凝縮器から
の加熱流体により缶内を加熱して、前記原料液から結晶
化した若しくはスラリー状の結晶生成物を得るようにし
たヒートポンプ式結晶生成物製造方法において、前記ヒートポンプサイクルの凝縮器出口側と膨張弁入口
側との間の冷媒管路中に冷媒過冷却手段を設け、該過冷
却手段により冷媒を降温制御しながらヒートポンプサイ
クル側の発生熱量と、結晶缶側の消費熱量との熱バラン
スを取りながら結晶缶圧をほぼ一定に維持させることを
特徴とするヒートポンプ式結晶生成物製造方法。
【請求項２】前記結晶缶内圧力に基づき演算制御された
信号により前記冷媒過冷却手段の降温量を制御すること
を特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式結晶生成物
製造方法。
【請求項３】前記結晶缶内の負圧を調整する調整手段を
設け、該調整手段により結晶缶内の負圧を理論負圧より
時定数をもたして制御することを特徴とする請求項１記
載のヒートポンプ式結晶生成物製造方法。
【請求項４】原料液が収容された結晶缶内を負圧下に保
持しながら、ヒートポンプサイクルを構成する凝縮器か
らの加熱流体により缶内を加熱して、前記原料液から結
晶化した若しくはスラリー状の結晶生成物を得るように
したヒートポンプ式結晶生成物製造方法において、前記ヒートポンプサイクルの凝縮器出口側と膨張弁入口
側との間の冷媒管路中に冷媒過冷却手段と、該冷媒過冷
却手段を側路するバイパス路を設け、所定の制御信号により、前記バイパス路と前記冷媒過冷
却手段の流路を切り換えるか若しくはその開度調整、更
には前記冷媒過冷却手段の冷媒冷却流体の流量制御を行
いながら、ヒートポンプサイクル側の発生熱量と、結晶
缶側の消費熱量との熱バランスを取りながら結晶缶圧を
ほぼ一定に維持させることを特徴とするヒートポンプ式
結晶生成物製造装置。
【請求項５】前記結晶缶内の圧力を検出する圧力検出器
よりの圧力検知信号に基づいて前記制御信号を生成する
演算手段を設けたことを特徴とする請求項４記載のヒー
トポンプ式結晶生成物製造装置。
【請求項６】前記バイパス路と前記冷媒過冷却手段の集
合位置に冷媒通路切り換え弁を設け、前記制御信号に基
づいて前記切り換え弁の切り換え制御を行うことを特徴
とする請求項５記載のヒートポンプ式結晶生成物製造装
置。
【請求項７】前記バイパス路と前記冷媒過冷却手段の集
合位置に冷媒通路切り換え弁を設けるとともに、前記冷
媒過冷却手段の冷媒冷却流体の導入流量を調整する調整
弁を設け、前記制御信号に基づいて前記切り換え弁の切
り換え制御とともに、調整弁の開度調整を行うことを特
徴とする請求項５記載のヒートポンプ式結晶生成物製造
装置。
【請求項８】前記前記結晶缶内を吸引する真空ポンプと
前記結晶缶とを接続する吸引管路には該管路の通路面積
を調整する真空調整弁を設け、該調整弁により結晶缶内
の負圧を理論負圧より時定数を持たせて制御可能に構成
したことを請求項４記載の特徴とするヒートポンプ式結
晶生成物製造装置。