(57)【要約】【課題】ヒートポンプを用いた熱交換システムにおいてエネルギー効率を改善する。【解決手段】熱交換システム１は、第１の糖液Ｆ１が複数の区間を順次流れるようにされた第１の配管Ｌ１と、第２の糖液Ｆ２が複数の区間を順次流れるようにされた第２の配管Ｌ２と、複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４と、を有している。複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は、第１の配管Ｌ１の少なくとも１つの区間Ｓ１１〜Ｓ１４から受熱して第２の配管Ｌ２の複数の区間Ｓ２１〜Ｓ２４にそれぞれ放熱し、または第１の配管Ｌ１の複数の区間Ｓ１１〜Ｓ１４からそれぞれ受熱して第２の配管Ｌ２の少なくとも１つの区間Ｓ２１〜Ｓ２４に放熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の糖液が複数の区間を順次流れるようにされた第１の配管と、第２の糖液が複数の区間を順次流れるようにされた第２の配管と、複数のヒートポンプと、を有し、
前記複数のヒートポンプは、前記第１の配管の少なくとも１つの前記区間から受熱して前記第２の配管の複数の前記区間にそれぞれ放熱し、または前記第１の配管の複数の前記区間からそれぞれ受熱して前記第２の配管の少なくとも１つの前記区間に放熱する、糖液精製システム。
【請求項２】
前記第１の配管と前記複数のヒートポンプとの間または前記第２の配管と前記複数のヒートポンプとの間に設けられ、またはこれらの双方にそれぞれ設けられた、単一の循環流路を有し、前記循環流路は媒体が複数の区間を順次流れるようにされ、前記複数のヒートポンプは前記循環流路の前記複数の区間を介して、前記第１の配管と前記第２の配管との間の熱の授受を行う、請求項１に記載の糖液精製システム。
【請求項３】
前記単一の循環流路は前記第１の配管と前記複数のヒートポンプとの間に設けられ、前記第１の配管上の少なくとも１つの前記区間と前記循環流路上の少なくとも１つの区間との間で熱交換を行う少なくとも１つの循環流路熱交換器を有し、前記複数のヒートポンプは前記循環流路の複数の区間からそれぞれ受熱して、前記第２の配管の複数の前記区間にそれぞれ放熱する、請求項２に記載の糖液精製システム。
【請求項４】
前記単一の循環流路は前記第２の配管と前記複数のヒートポンプとの間に設けられ、前記第２の配管上の少なくとも１つの前記区間と前記循環流路上の少なくとも１つの区間との間で熱交換を行う少なくとも１つの循環流路熱交換器を有し、前記複数のヒートポンプは前記第１の配管の複数の前記区間からそれぞれ受熱して、前記循環流路の複数の区間にそれぞれ放熱する、請求項２に記載の糖液精製システム。
【請求項５】
前記複数のヒートポンプは、前記第１の配管の複数の前記区間からそれぞれ受熱し、前記第２の配管の複数の前記区間にそれぞれ放熱する、請求項１に記載の糖液精製システム。
【請求項６】
前記第１の配管と個々の前記ヒートポンプとの間に設けられた複数の循環流路と、前記第１の配管と個々の前記循環流路との間で熱交換を行う複数の循環流路熱交換器と、を有し、前記複数のヒートポンプは個々の前記循環流路からそれぞれ受熱して、前記第２の配管の複数の前記区間にそれぞれ放熱する、請求項１に記載の糖液精製システム。
【請求項７】
前記第２の配管と個々の前記ヒートポンプとの間に設けられた複数の循環流路と、前記第２の配管と個々の前記循環流路との間で熱交換を行う複数の循環流路熱交換器と、を有し、前記複数のヒートポンプは前記第１の配管の複数の前記区間からそれぞれ受熱して、個々の前記循環流路にそれぞれ放熱する、請求項１に記載の糖液精製システム。
【請求項８】
前記第１の糖液と前記第２の糖液は、前記複数のヒートポンプを挟んで互いに対向する方向に流れるようにされている、請求項１から７のいずれか１項に記載の糖液精製システム。
【請求項９】
前記第１の糖液と前記第２の糖液は、前記複数のヒートポンプを挟んで同じ方向に流れるようにされている、請求項１から７のいずれか１項に記載の糖液精製システム。
【請求項１０】
前記第１の配管と前記第２の配管とを直列で接続する第３の配管を有し、前記第１の配管と前記第２の配管の一方から流出した前記第１または第２の糖液が、前記第３の配管を通って、前記第１の配管と前記第２の配管の他方に流入するようにされている、請求項１から９のいずれか１項に記載の糖液精製システム。
【請求項１１】
前記第１の配管と前記第２の配管のうち上流側の配管にその上流側で接続する第４の配管と、前記第３の配管と前記第４の配管との間で熱交換する熱交換器と、を有する、請求項１０に記載の糖液精製システム。
【請求項１２】
前記第３の配管上にイオン交換樹脂塔をさらに有し、糖液が前記第４の配管に供給され、前記熱交換器で冷却され、前記第１の配管に供給され、前記ヒートポンプで冷却され、前記第３の配管に供給され、前記イオン交換樹脂塔で精製され、さらに前記第３の配管を通って前記熱交換器で加熱される、請求項１１に記載の糖液精製システム。
【請求項１３】
第１の糖液が複数の区間を順次流れるようにされた第１の配管と第２の糖液が複数の区間を順次流れるようにされた第２の配管との間で熱交換を行う方法であって、
複数のヒートポンプによって、前記第１の配管の少なくとも１つの前記区間から受熱して前記第２の配管の複数の前記区間にそれぞれ放熱し、または前記第１の配管の複数の前記区間からそれぞれ受熱して前記第２の配管の少なくとも１つの前記区間に放熱することを有する糖液精製方法。
【請求項１４】
第１の流体が複数の区間を順次流れるようにされた第１の配管と、第２の流体が複数の区間を順次流れるようにされた第２の配管と、複数のヒートポンプと、を有し、
前記複数のヒートポンプは、前記第１の配管の少なくとも１つの前記区間から受熱して前記第２の配管の複数の前記区間にそれぞれ放熱し、または前記第１の配管の複数の前記区間からそれぞれ受熱して前記第２の配管の少なくとも１つの前記区間に放熱する、熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いた糖液精製システム及び糖液精製方法、並びに熱交換システムに関し、特に熱交換システムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種流体の浄化、精製を目的とした様々なプロセスが知られている。
【０００３】
例えば糖液の精製は、通常、活性炭、骨炭、イオン交換樹脂などによる脱色処理と、イオン交換樹脂による脱塩処理との組み合わせによって行われる。イオン交換樹脂による脱塩処理システムは対象とする糖類によって異なる。蔗糖液の精製の場合、蔗糖液を強塩基性アニオン交換樹脂塔と、弱酸性カチオン交換樹脂塔とに順次通液するリバース式システム、蔗糖液を強塩基性アニオン交換樹脂及び弱酸性カチオン交換樹脂の混床塔に通液する混床式システム、蔗糖液を強塩基性アニオン交換樹脂塔と、強塩基性アニオン交換樹脂及び弱酸性カチオン交換樹脂の混床塔と、に順次通液するシステムなどが知られている（特許文献１）。デンプン糖液の精製に関しては、強酸性カチオン交換樹脂と弱塩基性アニオン交換樹脂を用いた複床式の前脱塩システムと、強酸性カチオン交換樹脂とＩＩ形強塩基性アニオン交換樹脂を用いた混床式の仕上げ脱塩システムと、によって構成されるシステムが知られている。デンプン糖以外の還元糖類の脱塩においても同様のシステムが用いられている（特許文献２）。糖液の精製においては、糖液の腐敗防止、異性化の制御、イオン交換樹脂の耐熱性などの種々の理由から、液温の調整を行う必要がある（特許文献３〜６）。
【０００４】
流体の温度調整は糖液の精製に限らず、流体を取り扱う様々なプロセスで広く行われている。流体の温度調整は一般に加熱と冷却とによって行われる。加熱は、化石燃料の燃焼や電気エネルギー等で生成させた熱エネルギー、または温水、蒸気等の持つ熱エネルギーを直接流体に供給することによって行われる。冷却は、冷凍機、冷却塔などを用いて冷却対象の流体よりも温度の低い流体を製造し、冷却対象の流体が持つ熱エネルギーをこの温度の低い流体に直接移動させることによって行われる。加熱や冷却のために必要なエネルギーは、加熱対象や冷却対象ごとに個別に独立して投入される。しかし、この方法はエネルギーの回収ができないため、一般にプロセス全体の総エネルギー消費量が大きくなる。このため、エネルギー効率の高い熱交換手段としてヒートポンプが知られている（特許文献７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７８５８３３号明細書
【特許文献２】特開２００３−２４５１００号公報
【特許文献３】特開平２−２９５５００号公報
【特許文献４】特開２００１−１２８７００号公報
【特許文献５】特開２００１−０６１４９９号公報
【特許文献６】特開２００２−１８６５００号公報
【特許文献７】特開平１１−２２６３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ヒートポンプは一方の熱源から受熱し、他方の熱源に放熱するため、原理的にエネルギーの回収効率あるいは利用効率が高い。従って、特に加熱と冷却が異なる部位で同時に行われるプロセスにおいて、ヒートポンプは効果的な熱交換手段である。本発明はエネルギー効率が一層改善され、特にエネルギー消費量の一層の低減が可能な、ヒートポンプを用いた糖液精製システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の糖液精製システムは、第１の糖液が複数の区間を順次流れるようにされた第１の配管と、第２の糖液が複数の区間を順次流れるようにされた第２の配管と、複数のヒートポンプと、を有している。複数のヒートポンプは、第１の配管の少なくとも１つの区間から受熱して第２の配管の複数の区間にそれぞれ放熱し、または第１の配管の複数の区間からそれぞれ受熱して第２の配管の少なくとも１つの区間に放熱する。
【発明の効果】
【０００８】
ヒートポンプでは、内部を循環する冷媒が蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。ヒートポンプの効率（成績係数）を上げるためには、凝縮温度と蒸発温度の差をできるだけ小さくすることが望ましい。これはヒートポンプで熱交換を行う２つの糖液の温度差が小さい方が好ましいことを意味する。１台のヒートポンプしか設けない場合、加熱または冷却の対象となる糖液の所望の温度変化を１台のヒートポンプで実現する必要があるため、凝縮温度と蒸発温度の差が大きくなる傾向にある。これに対し、本発明では複数のヒートポンプを設け、第１の配管の少なくとも１つの区間から受熱して第２の配管の複数の区間にそれぞれ放熱し、または第１の配管の複数の区間からそれぞれ受熱して第２の配管の少なくとも１つの区間に放熱するため、個々のヒートポンプにおける２つの糖液の温度差を小さくすることができる。従って、本発明の熱交換システムは、同じ流量の糖液を処理するのに必要なヒートポンプの総消費エネルギーを抑制することが可能となる。
【０００９】
このように、本発明によれば、エネルギー効率が一層改善され、特にエネルギー消費量の一層の低減が可能な、ヒートポンプを用いた糖液精製システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。
【図２】ヒートポンプの概略構成図である。
【図３】蒸気圧縮式ヒートポンプの熱サイクルを示すモリエル線図である。
【図４】参照例の熱交換システムの概略構成図である。
【図５】各実施形態と参照例のヒートポンプの出口温度を示す概略図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。
【図８】第３の実施形態に係る熱交換システムの変形例の概略構成図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。
【図１０】第４の実施形態に係る熱交換システムの変形例の概略構成図である。
【図１１】第４の実施形態に係る熱交換システムの他の変形例の概略構成図である。
【図１２】図９の実施形態においてヒートポンプを並列配置した、比較例の熱交換システムの概略構成図である。
【図１３】本発明の糖液精製プロセスの概略構成図である。
【図１４】実施例１に係る熱交換システムの概略構成図である。
【図１５】比較例に係る熱交換システムの概略構成図である。
【図１６】実施例２に係る熱交換システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る熱交換システム１の概略構成図である。本熱交換システム１は後述する糖液の精製の他、純水製造などの水処理にも適用することができる。
【００１２】
熱交換システム１は、内部を第１の流体Ｆ１が流れるようにされた第１の配管Ｌ１と、内部を第２の流体Ｆ２が流れるようにされた第２の配管Ｌ２と、第１の配管Ｌ１と第２の配管Ｌ２との間に位置する複数のヒートポンプＨＰと、を有している。第１及び第２の流体Ｆ１，Ｆ２は本実施形態では糖液であるが、これに限定されず、あらゆる種類の流体（液体及び気体）であってよい。第１の配管Ｌ１は第１の装置Ｅ１１と第２の装置Ｅ１２とを連絡しており、第２の配管Ｌ２は第３の装置Ｅ２１と第４の装置Ｅ２２とを連絡している。これらの装置Ｅ１１〜Ｅ２２は流体が流通可能である限り限定されず、イオン交換装置、活性炭等を用いた浄化装置、貯槽、フィルタ、膜装置、ポンプ、弁、冷却器、加熱器、熱交換器、計器等の配管上に設置可能なあらゆる要素を含む。また、図示は省略するが、第１の配管Ｌ１と第２の配管Ｌ２とを一つの配管対としたときに、複数の配管対が並列で設けられていてもよい。すなわち、複数の第１の配管の上流及び下流に共通の第１の母管が設けられ、同様に複数の第２の配管の上流及び下流に共通の第２の母管が設けられていてもよい。このような構成では、一つが配管対が本発明の対象である。
【００１３】
複数のヒートポンプＨＰは、第１の配管Ｌ１と第２の配管Ｌ２との間に直列に配列されている。図示の例では４つのヒートポンプ（第１〜第４のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４）を示している。各ヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は第１の配管Ｌ１の複数の区間Ｓ１１〜Ｓ１４からそれぞれ受熱して第２の配管Ｌ２の複数の区間Ｓ２１〜Ｓ２４にそれぞれ放熱する。従って、第１の配管Ｌ１内を流れる第１の流体Ｆ１は冷却され、第２の配管Ｌ２内を流れる第２の流体Ｆ２は加熱される。複数の区間Ｓ１１〜Ｓ１４はヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４の蒸発器１１（後述）と熱交換する、第１の配管上Ｌ１の区間であり、第１の流体Ｆ１がこれらの区間を区間Ｓ１１、Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４の順で順次流れる。第１の配管Ｌ１の第１〜第４の区間Ｓ１１〜Ｓ１４は第１の流体Ｆ１の流れる方向Ｄ１に関し上流側から下流側にこの順で位置している。第１の配管Ｌ１内を流れる流体Ｆ１の温度について、第１のヒートポンプＨＰ１の入口側温度をＴ１０、第１〜第４のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４の出口側温度をＴ１１〜Ｔ１４とすると、Ｔ１０＞Ｔ１１＞Ｔ１２＞Ｔ１３＞Ｔ１４となる。
【００１４】
各ヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は第１の配管Ｌ１の第１〜第４の区間Ｓ１１〜Ｓ１４からそれぞれ受け取った熱を、第２の配管Ｌ２の第１〜第４の区間Ｓ２１〜Ｓ２４にそれぞれ放熱する。複数の区間Ｓ２１〜Ｓ２４はヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４の凝縮器１３（後述）と熱交換する、第２の配管上Ｌ２の区間であり、第２の流体Ｆ２がこれらの区間を区間Ｓ２１、Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の順で順次流れる。第２の配管Ｌ２の第１〜第４の区間Ｓ２１〜Ｓ２４も第２の流体Ｆ２の流れる方向Ｄ２に関し上流側から下流側にこの順で位置している。第２の配管Ｌ２内を流れる流体Ｆ２の温度について、第１のヒートポンプＨＰ１の入口側温度をＴ２０、第１〜第４のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４の出口側温度をＴ２１〜Ｔ２４とすると、Ｔ２４＞Ｔ２３＞Ｔ２２＞Ｔ２１＞Ｔ２０となる。
【００１５】
本実施形態では、第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２は、複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４の配列方向Ａに関し同じ方向Ｄ１，Ｄ２に流体が流れるようにされている（並行流）。
【００１６】
ヒートポンプＨＰは本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。図２に示すように、ヒートポンプＨＰは、アンモニア、二炭化炭素、フロン類やＲ４１０Ａを始めとする代替フロン類などの冷媒を蒸発させる蒸発器１１と、冷媒を圧縮するコンプレッサ１２と、冷媒を凝縮させる凝縮器１３と、冷媒を膨張させる膨張弁１４、とを備え、これらの要素１１〜１４がこの順で閉ループ１５上に配置されている。冷媒は、閉ループ１５内を循環しながら、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。蒸発器１１に隣接して第１の配管Ｌ１が位置しており、冷媒が蒸発した際の気化熱によって、第１の配管Ｌ１内を流れる第１の流体Ｆ１から熱が奪われる。蒸発した冷媒はコンプレッサ１２で圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器１３に送られ、周囲に熱を放出して凝縮する。凝縮器に隣接して第２の配管Ｌ２が位置しており、凝縮の際に放出された凝縮熱が第２の配管Ｌ２内を流れる第２の流体Ｆ２に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁１４を通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプＨＰの１サイクルの運転の間に、第１の配管Ｌ１からの受熱と、第２の配管Ｌ２への放熱が行われる。
【００１７】
ヒートポンプは蒸気圧縮式に加えて、熱電子式を用いることもできる。熱電子式ヒートポンプは、いわゆる熱電素子（ペルチェ素子）の原理を用いたヒートポンプである。基板上に設けられたｐ型半導体とｎ型半導体とが電極を介して直列に接続されており、ｐｎ接合部に電流を流すと、電流の向きに沿ってｎ型からｐ型となる接合部分では吸熱現象が、ｐ型からｎ型になる接合部分では放熱現象が発生する。化学式、吸着式または吸収式のヒートポンプを用いることも可能である。例えば、化学式ヒートポンプは塩化カルシウム、酸化カルシウムなどの水和物が充填された反応室と、連通管を介して反応室と接続された凝縮室と、を備えている。反応室に充填された塩化カルシウム等の水和物が配管から受熱し、それによって水和物の水分子が水蒸気となって水和物から離脱し、凝縮室に移行する。凝縮室に移行した水蒸気は凝縮して液化し、隣接して位置する配管を加熱する。
【００１８】
図３は、蒸気圧縮式ヒートポンプの熱サイクルを示すモリエル線図である。冷媒は点Ａから点Ｂの区間で、冷媒よりも高温の第１の流体Ｆ１と熱交換する。冷媒は加熱され、第１の配管Ｌ１から熱量ＱCを奪い、高温の第１の流体Ｆ１は冷却される（冷却工程）。冷媒は、点Ｂから点Ｃの区間ではコンプレッサによる圧縮仕事Ｗを受け、温度及び圧力が上昇する。冷媒は、点Ｃから点Ｄの区間では、冷媒よりも低温の第２の流体Ｆ２と熱交換する。冷媒は冷却され、熱量ＱHが第２の配管Ｌ２に放出され、低温の第２の流体Ｆ２は冷却される（加熱工程）。点Ｄから点Ａの区間では、冷媒は膨張弁を通過しながら膨張し、減圧される。熱量ＱHは、熱量ＱCにコンプレッサの圧縮仕事Ｗを加えた値である（ＱH＝ＱC＋Ｗ）。加熱時の成績係数はＱH／Ｗであり、冷却時の成績係数はＱC／Ｗである。従って、Ｗが小さいほど成績係数は増加し、エネルギー効率が向上する。
【００１９】
サイクルＡＢＣＤは凝縮温度Ｔ２と蒸発温度Ｔ１に対応している。これに対してサイクルＡＢＣ’Ｄ’は、より高い凝縮温度Ｔ２’に対応しており（蒸発温度Ｔ１は一定）、ＱHはＱH’に増加するが、圧縮仕事ＷもＷ’に増加する。図より明らかな通りＱH／Ｗ≧ＱH’／Ｗ’であるため、凝縮温度が増加すると加熱時の成績係数が低下する。同様にＱC／Ｗ≧ＱC／Ｗ’であるため、凝縮温度が増加すると冷却時の成績係数も低下する。以上のように、成績係数を上げるには凝縮温度Ｔ２と蒸発温度Ｔ１の差（以下、ΔＴ、ΔＴ１等とする）をできるだけ小さくすることが有効である。
【００２０】
図４には、本実施形態との比較のため、本実施形態と同数のヒートポンプが並列に設けられた参照例の構成を示している。図５（ａ），（ｂ）にはそれぞれ本実施形態と参照例１０１における各ヒートポンプの出口温度を示している。図中、Ｄ１，Ｄ２は第１及び第２の流体Ｆ１，Ｆ２の流れる方向を示している。一般に配管の入口温度と出口温度はシステム要求により決定されることが多いため、各配管の入口温度Ｔ１０，Ｔ２０と出口温度Ｔ１４，Ｔ２４は本実施形態と参照例とで同じであるとする。また、分かりやすくするため第２の配管Ｌ２の入口温度Ｔ２０は第１の配管Ｌ１の入口温度Ｔ１０以上（Ｔ２０≧Ｔ１０）であるとし（図面はＴ２０＝Ｔ１０としている）、凝縮温度と蒸発温度は各区間Ｓ１１〜Ｓ２４のヒートポンプ出口温度に等しいと仮定する。この場合、参照例のヒートポンプはいずれもΔＴ＝Ｔ２４−Ｔ１４の温度差のサイクルで運転する。これに対し本実施形態では第１のヒートポンプＨＰ１がΔＴ１＝Ｔ２１−Ｔ１１の温度差、第２のヒートポンプＨＰ２がΔＴ２＝Ｔ２２−Ｔ１２の温度差、第３のヒートポンプＨＰ３がΔＴ３＝Ｔ２３−Ｔ１３の温度差、第４のヒートポンプＨＰ４がΔＴ４＝Ｔ２４−Ｔ１４の温度差のサイクルで運転する。Ｔ２０≧Ｔ１０としたので、Ｔ２４＞・・＞Ｔ２０≧Ｔ１０＞・・＞Ｔ１４の関係が成り立ち、第１〜第３のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ３の温度差ΔＴ１〜ΔＴ３はΔＴ＝Ｔ２４−Ｔ１４より小さくなる。これに対し第４のヒートポンプＨＰ４の温度差ΔＴ４はΔＴに等しい。従って、第１〜第３のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ３は参照例のヒートポンプよりも高い成績係数で運転し、第４のヒートポンプＨＰ４は参照例のヒートポンプと同等の成績係数で運転する。このため、全体としてのヒートポンプのエネルギー効率は実施形態の方が有利となり、より少ない動力費で運転することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る熱交換システム２の概略構成図である。本実施形態では、第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２は、複数のヒートポンプの配列方向Ａに関し互いに対向する方向Ｄ１，Ｄ２に流体が流れるようにされている（対向流）。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００２２】
図５（ｃ）に本実施形態における各ヒートポンプの出口温度を示している。第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２の入口温度をそろえるため、Ｔ１０＝Ｔ２４としている。本実施形態では第１のヒートポンプＨＰ１がΔＴ１’＝Ｔ２０−Ｔ１１の温度差、第２のヒートポンプＨＰ２がΔＴ２’＝Ｔ２１−Ｔ１２の温度差、第３のヒートポンプＨＰ３がΔＴ３’＝Ｔ２２−Ｔ１３の温度差、第４のヒートポンプＨＰ４がΔＴ４’＝Ｔ２３−Ｔ１４の温度差のサイクルで運転する。本実施形態は第１の実施形態と比べて、ΔＴ１’〜ΔＴ４’の変動が少ない。従って、各ヒートポンプの負荷も同程度となり、同一の容量、サイズのヒートポンプを用いることが容易である。ΔＴ１’〜ΔＴ４’はいずれも参照例のΔＴより小さいため、参照例より少ない動力費で運転することができる。
【００２３】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。本実施形態の熱交換システム３は、第１の配管Ｌ１と個々のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に設けられた複数の個別循環流路（中間ループ）Ｌ３１〜Ｌ３４を有している。各循環流路Ｌ３１〜Ｌ３４には、第１の配管Ｌ１と循環流路Ｌ３１〜Ｌ３４との間で熱交換を行う循環流路熱交換器Ｈｘ１〜Ｈｘ４と、循環流路Ｌ３１〜Ｌ３４を流れる媒体Ｆ３を循環させるポンプＰ３１〜Ｐ３４と、が設けられている。複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は個々の循環流路Ｌ３１〜Ｌ３４からそれぞれ受熱して、第２の配管Ｌ２の複数の区間Ｓ２１〜Ｓ２４にそれぞれ放熱する。循環流路に用いる媒体に特に制約はなく、特に、腐食性の弱い流体、スケールの発生しにくい流体、熱交換効率の高い流体が好適に用いられる。一例として水やＣＯ2が利用可能であり、特にＣＯ2は水をよりも効率的に熱を運搬できる。
【００２４】
循環流路は図８に示すように、第２の配管Ｌ２と個々のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に設けることもできる。この実施形態の熱交換システム４では、第２の配管Ｌ２と個々の循環流路Ｌ４１〜Ｌ４４との間で熱交換を行う複数の循環流路熱交換器Ｈｘ１〜Ｈｘ４と、循環流路Ｌ４１〜Ｌ４４を流れる媒体Ｆ３を循環させるポンプＰ４１〜Ｐ４４が設けられている。複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は第１の配管Ｌ１の複数の区間Ｓ１１〜Ｓ１４からそれぞれ受熱して、個々の循環流路Ｌ４１〜Ｌ４４にそれぞれ放熱する。
【００２５】
図示は省略するが、第１の配管Ｌ１と個々のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間、及び第２の配管Ｌ２と個々のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に、それぞれ上述の循環流路を設けることもできる。
【００２６】
循環流路を設けることで、腐食性の高いプロセス流体を第１及び第２の流体Ｆ１，Ｆ２（または、そのいずれか）として直接ヒートポンプに導入する必要がなくなるため、ヒートポンプの信頼性を高めることが可能となる。例えば、後述する実施例において、カチオン交換樹脂塔で処理されたブドウ糖原液は腐食性が強いため、循環流路を介して熱交換を行うことはヒートポンプの保護の観点から有効である。また、汚染防止の要請が高いプロセス流体にヒートポンプの冷媒がリークして混入することもなくなり、プロセスの安全性を高めることができる。このような例として、厳しい安全性が求められる食品プロセスへの適用が挙げられる。
【００２７】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。本実施形態の熱交換システム５は、第１の配管Ｌ１と複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に設けられた単一の循環流路（中間ループ）Ｌ５と、第１の配管Ｌ１上の単一の区間Ｓ３５と循環流路Ｌ５上の単一の区間Ｓ３６との間で熱交換を行う循環流路熱交換器Ｈｘと、循環流路Ｌ５を流れる媒体Ｆ３を循環させる１台のポンプＰ５と、を有している。循環流路Ｌ５は、媒体Ｆ３が複数の区間Ｓ３１〜Ｓ３４，Ｓ３６を巡回しながら順次流れるようにされている。複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は、循環流路熱交換器Ｈｘを介して第１の配管Ｌ１から受熱した熱量を、循環流路Ｌ５の複数の区間Ｓ３１〜Ｓ３４から受熱して、第２の配管Ｌ２の複数の区間Ｓ２１〜Ｓ２４にそれぞれ放熱する。循環流路熱交換器Ｈｘは複数個設けることもできる。すなわち、第１の配管Ｌ１上の２以上の区間と循環流路Ｌ５上の２以上の区間との間で熱交換を行う２以上の循環流路熱交換器を設け、２以上の循環流路熱交換器が第１の配管Ｌ１上の複数の区間からそれぞれ受熱して、循環流路Ｌ５の複数の区間にそれぞれ放熱してもよい。
【００２８】
循環流路は図１０に示すように、第２の配管Ｌ２と複数のヒートポンプとの間に設けることもできる。この実施形態の熱交換システム６では、第２の配管Ｌ２上の単一の区間Ｓ４５と循環流路Ｌ６上の単一の区間Ｓ４６との間で熱交換を行う循環流路熱交換器Ｈｘと、循環流路Ｌ６を流れる媒体Ｆ３を循環させる１台のポンプＰ６と、を有している。循環流路Ｌ６は、媒体Ｆ３が複数の区間Ｓ４１〜Ｓ４４，Ｓ４６を巡回しながら順次流れるようにされている。複数のヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４は第１の配管Ｌ１の複数の区間Ｓ１１〜Ｓ１４からそれぞれ受熱した熱量を、循環流路Ｌ６の複数の区間Ｓ４１〜Ｓ４４へ放熱する。放熱された熱量は循環流路熱交換器Ｈｘを介して第２の配管Ｌ２上の単一の区間Ｓ４５へ放熱する。この場合も、循環流路熱交換器Ｈｘは複数個設けることができる。すなわち、第２の配管Ｌ２上の２以上の区間と循環流路Ｌ６上の２以上の区間との間で熱交換を行う２以上の循環流路熱交換器を設け、２以上の循環流路熱交換器が循環流路Ｌ６の複数の区間からそれぞれ受熱して、第２の配管Ｌ２の複数の区間にそれぞれ放熱するようにしてもよい。
【００２９】
図１１に示すように、第１の配管Ｌ１とヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間、及び第２の配管Ｌ２とヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に、それぞれ本実施形態の単一の循環流路を設けることもできる。この実施形態の熱交換システム７では、第１の配管Ｌ１とヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に循環流路Ｌ５が、第２の配管Ｌ２とヒートポンプＨＰ１〜ＨＰ４との間に循環流路Ｌ６が、それぞれ設けられている。各部の構成については図９，１０の説明を参照されたい。
【００３０】
また、第３の実施形態の個別循環流路と本実施形態の循環流路とを組み合わせることも可能である。例えば、第１の配管Ｌ１（または第２の配管Ｌ２）の一部に隣接して個別循環流路を設け、第１の配管Ｌ１（または第２の配管Ｌ２）の他の一部に隣接して複数の区間を跨ぐ本実施形態の循環流路を設けることができる。あるいは、第１の配管Ｌ１と第２の配管Ｌ２の一方に第３の実施形態の循環流路を設け、他方に第４の実施形態の循環流路を設けることもできる。
【００３１】
さらに、第１の配管Ｌ１内を流れる第１の流体Ｆ１と第２の配管Ｌ２内を流れる第２の流体Ｆ２は、第１の実施形態の並行流としてもよいし、第２の実施形態の対向流としてもよい。同様に、循環流路の媒体の流れ方向も図示の例では反時計回りであるが、時計回りとすることもできる。
【００３２】
本実施形態では第３の実施形態の個別循環流路と同じ効果が得られるほか、個別循環流路と比べ循環ポンプの台数が削減可能であり、設備のレイアウトによっては循環流路の総配管長さを低減することも可能である。
【００３３】
また、循環経路を並列設置する場合と比べて、循環流路を流れる媒体の流量及び圧送動力を減少させることが可能である。循環経路を並列設置する場合、図１２に示すような形態１０５となる。ここで、ヒートポンプに流す媒体の流量は上限、下限ともに実用上制限を受けることに注意する。すなわち、ヒートポンプの圧力損失に対する許容度などから流量の上限が決定し、ヒートポンプ内の蒸発器や凝縮器へ流れる媒体の偏流防止上の観点などから流量の下限が決定する。よって、循環経路を並列設置する場合、循環流量は各ヒートポンプの下限媒体流量の和以下とすることはできない。循環経路を単一ループで設置する場合、すべてのヒートポンプのうち、下限媒体流量の最も高いヒートポンプの流量が、循環流量の下限値となり、媒体の流量を減らすことが可能である。簡単のため、図９，１２において、ヒートポンプの容量は全て同じとし、第１の配管Ｌ１におけるプロセス流量と温度変化も同一とする。媒体の熱交換器前段温度Ｔ３４が同じであれば、並列設置の場合の循環流量Ｆｐは各ヒートポンプの下限媒体流量×４となり、全ヒートポンプでの交換熱量の総量はＦp×ΔＴｈ×（循環媒体の比熱容量）となる。単一ループの循環経路において、Ｔ１４-Ｔ１０＞ΔＴｈであれば、単一ループの循環経路の場合の循環流量ＦｓはＦｐ＞Ｆｓとすることが可能である。
（糖液の精製プロセスへの適用例）
本発明の熱交換システムを糖液の精製プロセスに適用した例を示す。図１３はブドウ糖の精製プロセス２１の一例を示している。カチオン交換樹脂が充填されたカチオン交換樹脂塔２２にブドウ糖の原液が約６０℃で供給され、原液に含まれるカチオン成分が除去される。原液は熱交換器２３で約４２．５℃まで冷却され、強酸性のカチオン交換樹脂と弱塩基性のアニオン交換樹脂とが混床形式で充填されたイオン交換樹脂塔（ＭＢ塔）２４に供給され、カチオン成分とアニオン交換成分が除去される。原液はヒートポンプ２５（ＨＰ）とチラー水が供給される冷却器２６とを通ってさらに冷却されたあと、最終的な仕上げ精製を行う混床式の最終段イオン交換樹脂塔（ＭＢ塔）２７に供給され、カチオン成分とアニオン交換成分が除去される。ここまでの過程で、原液の温度はイオン交換樹脂塔２４及び最終段イオン交換樹脂塔２７におけるイオン交換樹脂の性能確保のため徐々に下げられており、最終段イオン交換樹脂塔２７の出口温度は約２５℃となっている。冷却された原液は熱交換器２３に戻され、高温の原液との間で熱交換を行い、ほぼ同じ温度となるまで温度調整される。その後ヒートポンプ２５で熱交換され、昇温したのち、さらに予熱器２８で約７０℃となるまで加熱される。
【００３４】
本適用例では、同一の原液（ただし、精製度は異なる）がヒートポンプ２５の加熱側と冷却側に供給される。すなわち、イオン交換樹脂塔２４から冷却器２６までの配管区間が本発明の第１の配管Ｌ１に相当し、熱交換器２３から予熱器２８までの区間が本発明の第２の配管Ｌ２区間に相当している。また、冷却器２６から熱交換器２３までの区間は、第１の配管Ｌ１と第２の配管Ｌ２とを直列で接続する第３の配管Ｌ３を構成している。比較的精製度の低い高温の原液がヒートポンプ２５の蒸発側で冷却され、最終段イオン交換樹脂塔２７で所望の精製度に調整されたのち、ヒートポンプ２５の凝縮側に供給される。このように同一の流体をまずヒートポンプ２５の冷却側（第１の配管Ｌ１）に供給し、その後加熱側（第２の配管Ｌ２）に供給することで、他に利用すべき熱源がない場合でも、自己完結的に流体の加熱、冷却を行うことができる。
【００３５】
また、本適用例では、原液をヒートポンプ２５の加熱側と冷却側に供給する前に熱交換器２３に通し、２つの原液がほぼ同じ温度となるように温度調整をしている。つまり、第１の配管Ｌ１の上流側の区間を第４の配管Ｌ４としたときに、熱交換器は第３の配管Ｌ３と第４の配管Ｌ４との間で熱交換を行う。これによって、高温の原液と低温の原液とがほぼ同じ温度に揃えられてから、これらの原液がヒートポンプ２５の冷却側と加熱側とにそれぞれ供給される。高温の原液はイオン交換樹脂塔２４での処理のため除熱することが望ましく、低温の原液は予熱器２８での消費エネルギーを抑えるため加熱することが望ましい。第４の配管Ｌ４の温度は第３の配管Ｌ３の温度に比べて充分高いため、熱交換器２３による熱の移動が可能である。また、蒸気圧縮式ヒートポンプでは、ヒートポンプからの放熱を受けた後の流体（Ｌ２、Ｌ６など）の温度が、ヒートポンプが受熱した後の流体の温度（Ｌ１、Ｌ５など）より低温となるのは、避けるべきである。凝縮不良などヒートポンプのトラブルの原因となるためである。よって熱交換器２３はプロセス全体のエネルギー効率を改善し、ヒートポンプの運転状態を安定化する効果がある。
【００３６】
また、熱交換の対象流体が、精製度は異なるものの基本的に同一の原液であるため、万が一熱交換器２３でリークが生じ、双方の流体が混合しても被害を最小限にとどめることができる。
【００３７】
なお、本発明が適用される糖液の精製プロセスは、少なくとも上述したヒートポンプが直列で設けられていればよく、糖液は第１の配管内と第２の配管内の少なくとも一方を流れるようにされていればよい。
【００３８】
（実施例１）
図１４に示す装置で糖液の温度、流量及びヒートポンプの消費エネルギーを計測した。ヒートポンプは４台直列で配置し、ブドウ糖液は対向流で供給した。図中、ＴＩは温度センサーを、ＨＰはヒートポンプを、ＦＩは流量計を示す。Ｂｘ(ブリックス糖濃度)３０％のブドウ糖液をそれぞれ容量５ｍ3のタンクに貯蔵し、第１及び第２の配管Ｌ１，Ｌ２に流量８．２ｍ3/ｈで通液し、各ヒートポンプ流入前後のブドウ糖液の温度と各ヒートポンプの消費電力を測定した。第１の配管Ｌ１はヒートポンプが受熱する受熱側配管であり、糖液は冷却される。第２の配管Ｌ２はヒートポンプが放熱する放熱側配管であり、糖液は加熱される。表１に示すように、ブドウ糖液は、放熱側配管では３９．８℃から６６．４℃まで加熱され、受熱側配管では４４．８℃から２４．８℃まで冷却された。このときのヒートポンプの総消費電力は４１．５ｋＷであり、８.２ｍ3/ｈのブドウ糖液が処理された。
【００３９】
比較例として、図１５に示す装置で糖液の温度、流量及び消費エネルギーを計測した。比較例ではヒートポンプが１台だけ設けられている。その他の構成、計測条件は実施例１と同じである。ブドウ糖液の加熱側及び冷却側の温度変化は、実施例に対し若干の相違を生じたものの、ほぼ実施例１と同じであった。具体的には、表１に示すように、ブドウ糖液は、放熱側配管（Ｌ２）では４０．３℃から６４.１℃まで加熱され、受熱側配管（Ｌ１）では４５.１℃から２４.９℃まで冷却された。このときのヒートポンプの消費電力は１３.０ｋＷであり、１．５ｍ3/ｈのブドウ糖液が処理された。
【００４０】
ここで、実施例１と比較例の処理流量をできるだけ揃えるため、比較例において５台のヒートポンプを並列配置した場合を想定する。このときのヒートポンプの総消費電力は１３．０×５＝６５.０ｋＷとなり、１．５×５＝７．５ｍ3/ｈのブドウ糖液が処理されることになる。ブドウ糖１ｍ3/ｈあたりの消費電力で比較すると、実施例１は４１．５ｋＷ／８.２ｍ3/ｈ＝５．１ｋＷ、比較例は６５.０ｋＷ／７．５ｍ3/ｈ＝８．７ｋＷとなる。従って、実施例１は比較例よりもヒートポンプのエネルギー効率が高い。さらに、一般にヒートポンプは放熱側と受熱側の液温に差が出るほどエネルギー効率が低下するが、実施例１（直列式対向流）は比較例よりも、系全体での液温差が大きく、効率が高かった。
【００４１】
（実施例２）
図１６に示す装置で糖液の温度、流量及びヒートポンプの消費エネルギーを計測した。ヒートポンプは５台直列で配置し、ブドウ糖液は並行流で供給した。５台直列で配置したのはブドウ糖液の温度変化を実施例１とできる限り揃えるためである。ブドウ糖液は、放熱側配管（Ｌ２）では３９．８℃から６７．０℃まで加熱され、受熱側配管（Ｌ１）では４５.１℃から２４.５℃まで冷却された。このときのヒートポンプの総消費電力は５４．５ｋＷであり、８.２ｍ3/ｈのブドウ糖液が処理された。ブドウ糖１ｍ3/ｈあたりの消費電力で比較すると、実施例２は５４．５ｋＷ／８.２ｍ3/ｈ＝６．６ｋＷ、比較例は８．７ｋＷとなる。従って、実施例２は比較例よりもヒートポンプのエネルギー効率が高い。液温差とエネルギー効率の関係に関しても、実施例１と同様である。
【００４２】
【表１】
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【符号の説明】
【００４３】
Ａ  ヒートポンプの配列方向
Ｄ１，Ｄ２  第１、第２の流体の流れる方向
Ｆ１，Ｆ２  第１、第２の流体
Ｈｘ１〜Ｈｘ４  循環流路熱交換器
ＨＰ，ＨＰ１〜ＨＰ４  ヒートポンプ
Ｌ１〜Ｌ４  第１〜第４の配管
Ｌ３１〜Ｌ３４，Ｌ４１〜Ｌ４４，Ｌ５，Ｌ６  循環流路
Ｐ３１〜Ｐ３４，Ｐ４１〜Ｐ４４，Ｐ５，Ｐ６  ポンプ
Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜Ｓ３６，Ｓ４１〜Ｓ４６  区間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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