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Title:
REFRIGERANT COOLER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/145078
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a refrigerant cooler which can cool circulating refrigerant down to a predetermined temperature efficiently under stabilized state even if the cooling temperature of the circulating refrigerant is near the freezing point thereof.  The refrigerant cooler cools down circulating refrigerant for cooling an object to be cooled such as a cryogenic reaction tank (11) by performing indirect counterflow heat exchange of the circulating refrigerant and cryogenic liquefied gas by means of a heat exchanger (17).  A first flow control means (23) for controlling cryogenic liquefied gas supply by detecting the temperature of circulating refrigerant led out from the heat exchanger (17) by a first temperature detection means (20), and a second flow control means (25) for controlling cryogenic liquefied gas supply by detecting the temperature of a heating surface in the heat exchanger by a second temperature detection means (21) are arranged in series in a cryogenic liquefied gas introduction passage (16) for supplying cryogenic liquefied gas to the heat exchanger.

Inventors:
YONEKURA,Masahiro (3-26 Koyama 1-chom, Shinagawa-ku Tokyo 58, 〒1428558, JP)
米倉 正浩 (〒58 東京都品川区小山一丁目3番26号 大陽日酸株式会社内 Tokyo, 〒1428558, JP)
Application Number:
JP2009/059137
Publication Date:
December 03, 2009
Filing Date:
May 18, 2009
Export Citation:
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Assignee:
YONEKURA,Masahiro (3-26 Koyama 1-chom, Shinagawa-ku Tokyo 58, 〒1428558, JP)
米倉 正浩 (〒58 東京都品川区小山一丁目3番26号 大陽日酸株式会社内 Tokyo, 〒1428558, JP)
TAKEUCHI,Masahiro (3-26 Koyama 1-chom, Shinagawa-ku Tokyo 58, 〒1428558, JP)
International Classes:
F25D9/00; F25D3/10; F25D17/02
Foreign References:
JP2007127334A
JPH0622880U
JPH1137623A
Attorney, Agent or Firm:
KIDO,Kazuhiko et al. (Maruishi Dai-Ni Building, 9-16 Kajicho 1-chome, Chiyoda-k, Tokyo 44, 〒1010044, JP)
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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であって、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、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た冷媒冷却装置。
 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請求項1記載の冷媒冷却装置。
 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請求項1又は2記載の冷媒冷却装置。
Description:
冷媒冷却装置

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

 化学反応により発生する反応熱を除去す ときには、メタノール,エタノール,ケトン, ミン,シリコーンオイル,有機ハロゲン化物 や、あるいはこれらの混合物からなり、一 にブラインと呼ばれる冷媒が循環使用され いる。このような循環使用される冷媒(循環 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 るため、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒 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 入口部に温度センサ及び圧力センサをそれ れ設けるとともに熱交換器の排ガス出口部 温度センサを設けたり(例えば、特許文献2 照。)するなどして、これらのセンサからの 号で熱交換器に供給する低温液化ガスの供 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 固点に比べて十分に高い温度の場合、例え 凝固点が-130~-140℃程度の循環冷媒の場合、 環冷媒の設定温度が-90℃程度までなら循環 媒の温度を十分に安定して制御することが きるが、近年は、より低温域での制御が求 られている。循環冷媒を従来より低温に制 しようとする場合、設定温度が凝固点に近 なると、熱交換器の伝熱面温度が局所的に 環冷媒の凝固点以下になるおそれがあり、 環冷媒の一部が凍結して伝熱面に付着し、 交換効率が著しく低下するだけでなく、流 が狭くなって循環冷媒の流れが妨げられ、 定量の循環冷媒を被冷却物に循環供給でき 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 したり、中間冷媒を使用して熱交換器にお る温度差を小さくしたりすることによって 環冷媒の凍結を回避することは可能である 、冷媒コストが嵩んだり、設備コストが大 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 環冷媒の凝固点付近であっても、循環冷媒 所定温度に効率よく安定した状態で冷却す ことができる冷媒冷却装置を提供すること 目的としている。

 本発明の冷媒冷却装置は、被冷却物を冷 する循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器 向流間接熱交換させることにより前記循環 媒を冷却する冷媒冷却装置であって、前記 交換器から導出した前記循環冷媒の温度を 出する第1温度検出手段と、該第1温度検出 段で検出した循環冷媒の温度に応じて熱交 器に導入する前記低温液化ガスの供給量を 御する第1流量制御手段と、前記熱交換器の 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 温度に応じて熱交換器に導入する前記低温 化ガスの供給量を制御する第2流量制御手段 を備え、前記第1流量制御手段と前記第2流 制御手段とを前記熱交換器に低温液化ガス 導入する低温液化ガス導入経路に直列に配 している。

 さらに、本発明の冷媒冷却装置は、前記 交換器が直列に配置された複数の熱交換ユ ットで形成され、少なくとも前記循環冷媒 流れ方向最下流に位置する熱交換ユニット 二重管式、他の熱交換ユニットがプレート 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 。また、前記第2温度検出手段は、前記熱交 器における前記低温液化ガスの流入部に対 した伝熱面の循環冷媒側に設けられている

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

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

 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 説明図である。

 本形態例に示す冷媒冷却装置は、低温反 槽11を所定温度に冷却するための低温循環 媒、例えば炭化水素系冷媒を、低温液化ガ 、例えば液化窒素との熱交換により冷却す 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 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 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 路が形成され、内管19b内に循環冷媒Dの流路 形成されている。内管19bの循環冷媒出口側 接続した冷媒循環経路15の熱交換器出口側 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 手段21が設けられている。この第2熱交換ユ ット19が向流式の場合、通常は、循環冷媒D 流路における第2熱交換ユニット19の出口部 、低温液化ガスLの流路に低温液化ガスが流 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 第1温度検出手段20で検出した冷媒温度及び らかじめ設定された第1温度設定値に基づい 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 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 る第2温度指示調節計(TIC-2)24によりに制御さ る第2流量制御手段25とが直列に配設されて る。

 循環冷媒は、流量計12の検出流量に基づ 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1 7では、最初に上流側のプレートフィン式又 プレート式の第1熱交換ユニット18にて設定 度より僅かに高い温度にまで冷却され、次 で下流側の二重管式の第2熱交換ユニット19 て設定温度に冷却される。設定温度に冷却 れた循環冷媒は、被冷却物である低温反応 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 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 積変化に応じてリザーブタンク14内の循環 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 2流量制御手段25を通って低温液化ガス導入 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 第1熱交換ユニット18にて循環冷媒と向流間 熱交換を行い、循環冷媒を冷却する。循環 媒を冷却することにより温度上昇して気化 たガスは、第1熱交換ユニット18から排ガス 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 環冷媒を設定温度に冷却するにあたり、第1 度指示調節計22には循環冷媒の設定温度が 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 固点に近い温度が第2温度設定値として入力 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 弁を用いた場合、第1温度指示調節計22によ 第1流量制御手段23の制御は、第1温度検出手 20で検出した冷媒温度が第1温度設定値より 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 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 に開き、伝熱面温度が第2温度設定値より低 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 媒温度と第2温度検出手段21で検出した伝熱 温度とに基づいて低温液化ガス導入経路16 直列に配設した第1流量制御手段23及び第2流 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 っても、循環冷媒の一部が内管19b内で凍結 ることを防止することができ、図2に示すよ に凍結物Fが伝熱面Sに大量に付着して循環 媒の流れを妨げたり、熱交換効率を低下さ たりすることがなく、安定した状態で効率 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 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 べて伝熱面が多く、熱交換効率が高いプレ トフィン式又はプレート式の熱交換ユニッ 18を配置することにより、温度上昇してい 循環冷媒を効率よく冷却することができ、 交換器全体の小型化が図れるとともに、低 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 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 口部分又はその近傍部分、交流式熱交換ユ ットの場合には低温液化ガス流路に低温液 ガスが流入する部分に対応した伝熱面の循 冷媒流路側面に設置することにより、循環 媒が凍結して付着するおそれが最も高くな 部分の伝熱面温度を検出することができる で、第2流量制御手段25の制御を一つの温度 出手段(温度センサ)で確実に行うことがで る。

 なお、熱交換器の構成及び設置数は任意 あり、複数の熱交換ユニットを設置する場 、循環冷媒の流れ方向最下流には伝熱面温 を確実に測定可能な二重管式の熱交換ユニ トを配置する。また、流量制御手段は、開 制御を行う遮断弁に限るものではなく、流 調整を行える流量調整弁であってもよい。 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 任意であり、どちらが上流側に位置しても い。また、各熱交換ユニットにおける熱交 方式は、向流、並流のいずれであってもよ 、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 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℃ 、第2温度指示調節計の温度設定値を-136℃ それぞれ設定するとともに、循環冷媒を一 流量で循環させて冷却運転を行った。排ガ 温度T1、第1温度検出手段で検出した冷媒温 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 化を図3に示す。図3から明らかなように、 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 流量で低温反応槽に供給できていることが 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 運転を行った。冷媒温度検出部で検出した 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 30分から190分までの範囲)では、循環冷媒を 温度設定値に対応した温度に安定して冷却 ることができたが、第一温度指示調節計の 度設定値を-95℃以下の低温に設定すると循 冷媒の温度が不安定になり、温度設定値を-1 10℃にすると(運転開始後290分)、排ガス温度 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 ったことがわかる。

 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 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 器、18…第1熱交換ユニット、19…第2熱交換 ニット、19a…外管、19b…内管、20…第1温度 出手段、21…第2温度検出手段、22…第1温度 示調節計、23…第1流量制御手段、24…第2温 指示調節計、25…第2流量制御手段、26…排ガ ス導出経路