JP5840938B2 - 熱媒冷却装置及び熱媒冷却装置の運転方法 - Google Patents
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Description
熱媒が循環する循環経路と、
前記循環経路に熱媒を循環させる主循環ポンプと、
前記循環経路の前記熱負荷装置の二次側に設けられ、冷媒と熱媒とを熱交換する第1の熱交換器と、
前記第1の熱交換器の二次側と前記熱負荷装置の一次側との間の前記循環経路に設けられ、前記熱媒の凝固点よりも低い凝固点を有する中間熱媒と熱媒とを熱交換する第2の熱交換器と、
前記中間熱媒が循環する副循環経路と、
前記副循環経路に設けられ、前記中間熱媒と液化窒素とを熱交換する第3の熱交換器と、
前記熱負荷装置に供給する熱媒の温度を所定の温度に制御する温度制御手段と、を備えることを特徴とする熱媒冷却装置である。
前記第2の熱交換器の一次側と二次側とを結ぶように前記循環経路に設けられた第2のバイパス経路と、
熱媒経路の切り替え手段と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の熱媒冷却装置である。
前記バッファタンク内の圧力を制御する圧力制御弁と、を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の熱媒冷却装置である。
熱媒の最終目標温度となるまで冷却する際に、当該最終目標温度に応じて、前記第1及び第2の熱交換器のいずれか一方又は両方に熱媒を供給するように熱媒経路を選択することを特徴とする熱媒冷却装置の運転方法である。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
先ず、本発明を適用した第1実施形態に係る熱媒冷却装置100の構成について説明する。図1は、本発明の熱媒冷却装置における第1実施形態の系統図である。
本実施形態の熱媒冷却装置100において、機械式冷凍機3の単独運転を行う場合には、開閉弁V1、V5を開放するとともに、開閉弁V2〜V4を閉止する。これにより、低温反応槽1の二次側から経路L1,L2,L3,L9,L6を経た後に、再び低温反応槽1の一次側に接続される循環経路を形成する。この循環経路では、主循環ポンプ2によって循環される熱媒は、機械式冷凍機3において冷却され、その後、低温反応槽1に再び供給されることとなる。
本実施形態の熱媒冷却装置100において、熱媒を常温から所定の温度まで冷却する際の冷却時間の短縮や、機械式冷凍機3の能力以上の負荷が発生した場合には、主冷却設備である機械式冷凍機3と補助冷却設備である液化窒素式冷凍機4とを用いたハイブリッド運転を行う。
本実施形態の熱媒冷却装置100において、機械式冷凍機3の使用可能温度以下で熱媒を循環する場合には、液化窒素式冷凍機4の単独運転を行う
本実施形態の熱媒冷却装置100では、機械式冷凍機3の単独運転によって熱媒温度が低下した状態(例えば−40℃)において熱負荷が上昇するなどしてハイブリッド運転(液化窒素式冷凍機4の運転)が必要になった場合、つぎのような問題が生じる場合がある。すなわち、中間熱媒が常温(例えば20℃)であると、液化窒素式冷凍機4の運転を開始し、かつ、液化窒素式冷凍機4へ熱媒を供給するようにラインを切り替えた際、第2の熱交換器15にて常温の中間熱媒と−40℃の熱媒が熱交換することになるため、熱媒温度が上昇してしまう。このため、ハイブリッド運転の前に中間熱媒が循環する副循環経路L11の予冷運転を行い、予め副循環経路L11の中間熱媒の温度を下げておくことが好ましい。
まず、上述したように、時間tが経過した際の温度検出器26の値と温度検出器24の値との温度差ΔTとの勾配(ΔT/t)を一定の周期(例えば、1分間ごと)でモニタリングすることにより、上記勾配の変動傾向を把握することができるため、温度差ΔTが許容値であるΔT2=5℃に到達する時間t2を予測する。
t1=t/ΔT×ΔT2−(t2−t1) ・・・(1)
次に、本発明における第2実施形態を説明する。図3は、本発明の熱媒冷却装置における第2実施形態の系統図である。
図3に示すように、本発明の第2実施形態に係る熱媒冷却装置200は、上記第1実施形態に係る熱媒冷却装置100の構成と比較して、中間熱媒を利用しない構成である点で異なっており、その他の構成は同一であるため、説明を省略する。
上述した第1及び第2実施形態に係る熱媒冷却装置100,200は、低温反応制御装置に適用した例である。低温反応制御装置は、熱負荷として反応液を貯留する低温反応槽と、低温反応槽周囲のジャケット又は低温反応槽内に設置された熱交換器と有し、ジャケット又は熱交換器に熱媒を供給する構成を有しており、予め温度調整された熱媒を供給することで伝熱面において反応液を凍結させることなく冷却することができる。その他に、以下の装置にも適用することができる。
1・・・低温反応槽(熱負荷装置)
2・・・主循環ポンプ
3・・・機械式冷凍機(主冷却設備)
4,204・・・液化窒素式冷凍機(副冷却設備)
5・・・熱交換器(第1の熱交換器)
6,22・・・バッファタンク
7・・・ヒーター
8,18,24,26・・・温度検出器
9,19,25,27・・・温度調節器(温度制御手段)
10・・・圧縮機
11,21・・・熱交換器
12,16,32・・・リザーブタンク
13・・・膨張弁
14・・・熱交換器(第3の熱交換器)
15・・・熱交換器(第2の熱交換器)
17・・・循環ポンプ
20・・・液化窒素制御弁
23・・・圧力制御弁
28・・・信号変換器
29・・・流量検出器
29a・・・流量調節器
30・・・副循環ポンプ
31,31’・・・インバーター
33・・・制御弁
P1〜P5・・・接続点
L1〜L6・・・経路
L7・・・経路(第1のバイパス経路)
L8・・・経路
L9・・・経路(第2のバイパス経路)
L11・・・循環経路(副循環経路)
V1〜V5・・・開閉弁(熱媒経路の切り替え手段)
Claims (5)
- 熱負荷装置に温度制御された熱媒を供給する熱媒冷却装置であって、
熱媒が循環する循環経路と、
前記循環経路に熱媒を循環させる主循環ポンプと、
前記循環経路の前記熱負荷装置の二次側に設けられ、冷媒と熱媒とを熱交換する第1の熱交換器と、
前記第1の熱交換器の二次側と前記熱負荷装置の一次側との間の前記循環経路に設けられ、前記熱媒の凝固点よりも低い凝固点を有する中間熱媒と熱媒とを熱交換する第2の熱交換器と、
前記中間熱媒が循環する副循環経路と、
前記副循環経路に設けられ、前記中間熱媒と液化窒素とを熱交換する第3の熱交換器と、
前記熱負荷装置に供給する熱媒の温度を所定の温度に制御する温度制御手段と、を備えることを特徴とする熱媒冷却装置。 - 前記第1の熱交換器の一次側と二次側とを結ぶように前記循環経路に設けられた第1のバイパス経路と、
前記第2の熱交換器の一次側と二次側とを結ぶように前記循環経路に設けられた第2のバイパス経路と、
熱媒経路の切り替え手段と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の熱媒冷却装置。 - 前記循環経路の前記第2の熱交換器の一次側に副循環ポンプが設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱媒冷却装置。
- 前記第3の熱交換器から排出される窒素ガスを蓄圧するバッファタンクと、
前記バッファタンク内の圧力を制御する圧力制御弁と、を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の熱媒冷却装置。 - 請求項1に記載の熱媒冷却装置の運転方法であって、
熱媒の最終目標温度となるまで冷却する際に、当該最終目標温度に応じて、前記第1及び第2の熱交換器のいずれか一方又は両方に熱媒を供給するように熱媒経路を選択することを特徴とする熱媒冷却装置の運転方法。
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