(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応装置内の反応物を冷却する冷却装置であって、
内部に空洞を有する本体と、
前記本体を前記反応装置に着脱自在に取り付けるための取付部と、
前記反応物を冷却するための冷媒を前記反応装置内に導入する配管部と、
前記配管部から導入される前記冷媒を流通させ、反応物との間で熱交換する熱交換部と、を備え、
前記本体は、前記熱交換部を通過した前記冷媒を前記空洞内に受け入れる受入口と、気化した冷媒を外部へ排出する排出口と、を有し、
前記配管部は、前記取付部に接触しないように設けられるとともに、前記本体の前記取付部よりも上部において、前記本体の内側へ挿通し、前記本体の前記取付部よりも下部において、前記本体の外側へ貫通するように設けられ、
前記熱交換部は、前記本体の外側に設けられる
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記熱交換部は、らせん状の配管により構成されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記反応物の反応状況を取得するためのセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記熱交換部は、外面の表面積を増大させるべく、外面に突起物を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置に関し、とくに、反応装置内の反応物を冷却する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反応装置内で化学反応を行わせるとき、温度、圧力、濃度、その他の外部条件により、反応速度や収率が変化するため、それらの外部条件を制御する機構が必要となる。一般に、反応速度は温度が高いほど速くなるため、反応速度を速くするという観点からは、反応装置内を加熱するのが有利であると言えるが、適切な反応速度に制御するために、または、収率を考慮して、反応装置内を冷却して低温に保つ必要がある場合もある。
【０００３】
図１は、従来の冷却装置の例を示す。冷却装置２０は、反応装置１０の外面に設けられたジャケット型の熱交換部２２を備え、その内部に循環冷媒を導入して、反応装置１０を外面から冷却する。反応装置１０と熱交換することにより温度が上昇した循環冷媒は、圧縮機などを利用した冷却器２４により再度冷却され、ポンプ２６により熱交換部２２へ送られる。
【０００４】
図２は、従来の冷却装置の他の例を示す。冷却装置３０は、図１に示した冷却装置２０と同様、反応装置１０の外面に設けられたジャケット型の熱交換部３２内部に循環冷媒を導入して、反応装置１０を外面から冷却する。反応装置１０と熱交換することにより温度が上昇した循環冷媒は、液体窒素、液体酸素、液化空気、液化天然ガスなどの超低温流体を利用した冷熱源３４により再度冷却され、ポンプ３６により熱交換部３２へ送られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の例では、いったん循環冷媒を冷却し、その循環冷媒により反応装置を冷却するため、熱損失が多く効率的でない。また、循環冷媒として引火性の物質を利用することが多く、配管の接合部などから冷媒が漏れて気化した場合などは非常に危険である。さらに、図１の例では、冷却器２４の設置および運転が必要となり、設置場所や消費電力などの観点からも効率的とはいえない。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率的に反応装置を冷却する技術の提供にある。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組合せにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は、冷却装置に関する。この冷却装置は、反応装置内の反応物を冷却する冷却装置であって、内部に空洞を有する本体と、本体を反応装置に着脱自在に取り付けるための取付部と、反応物を冷却するための冷媒を反応装置内に導入する配管部と、配管部から導入される冷媒を流通させ、反応物との間で熱交換する熱交換部と、を備え、本体は、熱交換部を通過した冷媒を空洞内に受け入れる受入口と、気化した冷媒を外部へ排出する排出口と、を有し、配管部は、取付部に接触しないように設けられる。
【０００８】
冷媒を導入するための配管を、取付部に接触しないように設けることで、冷媒の通過により低温となる配管部分と、常温に近い取付部との間の温度差に起因する局所的な熱応力を低減することができる。これにより、冷媒として液体窒素などの超低温流体をそのまま利用することができるので、熱損失が小さく効率的な冷却技術を実現することができる。
【０００９】
配管部は、本体の取付部よりも上部において、本体の内側へ挿通するように設けられてもよい。配管部は、本体の取付部よりも下部において、本体の外側へ貫通し、熱交換部は、本体の外側に設けられてもよい。熱交換部は、反応物と直接接触するように設けられてもよい。熱交換部は、らせん状の配管により構成されてもよい。これにより、反応物との接触面積が大きくなり、より効率的に反応物を冷却することができる。
【００１０】
熱交換部は、本体の内側の側面に設けられてもよい。反応物の反応状況を取得するためのセンサをさらに備えてもよい。センサとして、たとえば、温度計、ｐＨメータ、濃度メータ、圧力計などを備えてもよい。これにより、反応条件を監視し、適切に制御することができる。熱交換部は、外面の表面積を増大させるべく、外面に突起物を有してもよい。これにより、より効率よく熱交換を行うことができる。
【００１１】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴の組合せも又発明となりうる。また、本発明の表現を装置、方法、システムの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、又実施の形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１３】
本実施の形態の冷却装置では、液体窒素などの超低温流体を反応装置内に導入して反応物を冷却することにより、超低温流体の顕熱とそれが蒸発するときの蒸発潜熱を利用して、熱損失の少ない効率的な冷却を実現する。まず、図３を参照して、超低温流体を反応装置内に導入する形式の冷却装置の一例を説明し、その問題点を指摘した後、図４を参照して、その問題点を解決することが可能な本実施の形態の冷却装置について説明する。
【００１４】
図３は、超低温流体を反応装置内に導入する形式の冷却装置の例を示す。冷却装置４０において、超低温流体の一例としての液体窒素を導入するための配管４２は、反応装置１０のフランジ部１２から反応装置内に挿通される。配管４２内を液体窒素が流通するとき、配管４２内はおよそ−１９６℃になるが、フランジ部１２はおよそ常温であり、それらの間の温度差は２００℃を超える。このとき、フランジ部１２に大きな局所的熱応力が生じ、劣化損傷が発生する恐れがある。劣化損傷を軽減するために、配管４２の径を大きくして強度を向上させた場合は、液体窒素の停滞量が増大し、内部の温度制御が困難となるという問題が生じる。
【００１５】
図４は、実施の形態に係る冷却装置１００の全体構成を概略的に示す。冷却装置１００は、内部に空洞を有する筒状の本体１０２と、本体１０２を反応装置１０のフランジ部１２に着脱自在に取り付けるための取付部１０４と、反応装置１０内の反応物１４を冷却するための冷媒の一例としての液体窒素を反応装置１０内に導入する配管１０６と、配管１０６から導入される液体窒素を流通させ、反応物１４との間で熱交換する熱交換部１０８とを備える。配管１０６は、本体１０２の取付部１０４よりも上部において、本体１０２の内側へ挿通するように設けられており、液体窒素は、筒状の本体１０２の内部を通る配管１０６により熱交換部１０８へ導入される。この構成により、液体窒素の導入経路が反応装置１０に直接接触しないので、局所的熱応力の発生を防止することができる。また、このような構成を採用することで、冷媒として超低温流体を利用することができるので、熱損失の少ない冷却装置を提供することができる。冷媒として、液体窒素、液化空気などの引火性のない冷媒を利用することもできるので、安全な冷却装置を提供することができる。冷媒として、液化天然ガス等の可燃性物質を利用した場合は、冷媒として利用したあとに回収し、燃料として再利用してもよい。
【００１６】
配管１０６は、本体１０２の取付部１０４の下部において、本体１０２の外側へ貫通しており、その配管１０６から延伸して、本体１０２の外側に熱交換部１０８が設けられている。熱交換部１０８は、反応物１４に直接接触して熱交換を行う。反応物１４との接触面積をより大きくすべく、熱交換部１０８をらせん状の配管としてもよいし、熱交換部１０８の外面にフィンまたは突起物を形成してもよい。これにより、効率よく反応物１４との間で熱交換を行うことができる。
【００１７】
熱交換部１０８を通過した液体窒素は、受入口１１０から本体１０２の内部の空洞に導入される。液体窒素の大部分は、熱交換部１０８における熱交換により気化しているが、気化せずに残った液体および同伴されてきた液滴が外部に放出されるのを防ぐために、本体１０２の内部にトラップする。すなわち、液体の窒素は本体１０２において気体の窒素と分離され、周囲との温度差により蒸発し、気体の窒素のみが本体１０２上部の排出口１１２から外部へ放出される。このように、本体１０２の内部の空洞を利用して気液を分離することにより、本体１０２上部の排水口１１２から液体が同伴されることを防ぎ、反応装置１０の周囲に液体窒素が飛散することを防ぐことができる。
【００１８】
冷却装置１００は、温度計、ｐＨメータ、濃度計、圧力計など、反応物の反応状況を取得するためのセンサ（図示せず）を備えてもよい。温度計により取得された反応物１４の温度は、流量制御部１１８に送られる。流量制御部１１８は、反応物１４の温度を所定の温度に保つために、液体窒素の流量を制御すべく弁１１６の開閉を制御する。これにより、反応温度を適切に制御することができる。圧力、ｐＨなど、その他の反応条件についても、同様にしてセンサにより状況を取得し、図示しない制御機構により適切に制御することができる。
【００１９】
冷却装置１００の本体１０２および熱交換部１０８は、反応装置１０から取り外すことが可能となっている。これにより、冷却装置１００を適切に洗浄することができる。ある化学反応に用いた反応装置１０を、別の化学反応に用いるときには、内部に反応物が残留しないように洗浄する必要があり、とくに医薬品などを合成する際には他の物質の混入量の制限が厳しい。本実施の形態の冷却装置１００は、反応装置１０から取り外して洗浄することができるため、他の物質の混入量を最小限に抑えることができる。
【００２０】
化学反応を行わせるとき、攪拌棒１１４により反応物を攪拌して反応の進行を促進するが、このとき、冷却装置１００がバッフルとして機能し、攪拌の効率を向上させることができるという利点もある。冷却装置１００に液面を取得するための目盛りまたはセンサなどを取り付け、反応物１４の液面を管理することもできる。
【００２１】
冷却装置１００の各構成部材は、熱伝導性および耐熱性の高いステンレスなどの材料により形成されることが好ましい。各構成部材の材料は、それぞれの部材の特性に応じて決められてもよく、たとえば、熱交換部１０８は熱交換の効率を向上させるために熱伝導性の高い材料で形成されるのが好ましく、配管１０６は急激な温度変化に耐えられるように耐熱性の高い材料で形成されるのが好ましい。また、配管１０６と本体１０２との接合部は、局所的な熱応力に耐えられるような材料および接合方法で形成されることが好ましい。
【００２２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せに、さらにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００２３】
そのような変形例の一例として、実施の形態では、熱交換部１０８が本体１０２の外部に設けられる例を説明したが、別の形態では、熱交換部１０８は、本体１０２の内側の側面に設けられてもよい。このとき、配管１０６により導入された超低温流体は、本体１０２の底部から側面に設けられた熱交換部１０８の内部を上昇し、熱交換部１０８の上端から本体１０２の内部の空洞へ流れる。この冷却装置によっても、効率的に反応物を冷却することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、効率の良い冷却技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の冷却装置の例を示す図である。
【図２】従来の冷却装置の他の例を示す図である。
【図３】超低温流体を反応装置内に導入する形式の冷却装置の例を示す。
【図４】実施の形態に係る冷却装置の全体構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０・・・反応装置、１２・・・フランジ部、１４・・・反応物、１００・・・冷却装置、１０２・・・本体、１０４・・・取付部、１０６・・・配管、１０８・・・熱交換部、１１０・・・受入口、１１２・・・排出口、１１４・・・攪拌棒、１１６・・・弁、１１８・・・流量制御部。
【図１】
0004246951.tif 000002
【図２】
0004246951.tif 000003
【図３】
0004246951.tif 000004
【図４】
0004246951.tif 000005