(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温反応槽を冷却する低温循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器で熱交換させて前記低温循環冷媒を冷却する冷媒冷却装置において、前記熱交換器は、ブレージングプレート式熱交換器であって、該冷媒冷却装置は、ポンプにより前記低温循環冷媒を前記低温反応槽と前記ブレージングプレート式熱交換器とに循環させる冷媒循環経路と、前記低温液化ガスを低温液化ガス貯槽から前記ブレージングプレート式熱交換器に供給する低温液化ガス経路とにより形成され、前記低温液化ガス経路には、前記ブレージングプレート式熱交換器への低温液化ガス供給量を調整するための流量調整弁と、前記低温液化ガスの供給を遮断するための遮断弁とが設けられ、前記ブレージングプレート式熱交換器内の液化ガス流路で気化した蒸発ガスが流れる熱交換器出口流路には、前記ブレージングプレート式熱交換器から導出される蒸発ガスの温度を検出する蒸発ガス温度検出部が設けられ、前記冷媒循環経路には、前記ブレージングプレート式熱交換器の冷媒出口部の冷媒温度を検出する冷媒温度検出部と、前記ブレージングプレート式熱交換器の冷媒入口部及び冷媒出口部におけるそれぞれの冷媒の圧力を検出するための冷媒圧力検出部と、前記ポンプから吐出された前記低温循環冷媒を、前記ブレージングプレート式熱交換器に導入せずに前記低温反応槽に戻すためのバイパス経路及びバイパス弁とが設けられ、前記冷媒温度検出部で検出した冷媒温度は、第一温度指示調節計に入力され、該第一温度指示調節計は、あらかじめ設定された温度設定値と検出した冷媒温度とに基づいて前記流量調整弁の開度を調節して前記ブレージングプレート式熱交換器に供給する前記低温液化ガスの供給量を制御し、前記蒸発ガス温度検出部で検出した蒸発ガス温度は、前記第二温度指示調節計に入力され、該第二温度指示調節計は、あらかじめ設定された温度設定値と検出した蒸発ガス温度とに基づいて前記遮断弁を作動させて前記熱交換器への前記低温液化ガスの供給を遮断し、前記冷媒圧力検出部で検出した前記冷媒入口部及び冷媒出口部における冷媒圧力は、差圧スイッチに入力され、該差圧スイッチは、前記冷媒圧力検出部の検出圧力の差と、あらかじめ設定された差圧設定値とに基づいて、前記遮断弁を作動させて前記ブレージングプレート式熱交換器への低温液化ガスの供給を遮断し、前記第二温度指示調節計及び前記差圧スイッチは、検出した蒸発ガス温度や冷媒差圧に応じて前記バイパス弁の開度を制御することを特徴とする冷媒冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒冷却装置に関し、詳しくは、化学工業におけるファインケミカル等の低温反応のための冷却源として用いられる冷媒を、低温液化ガスを冷却源として熱交換器での熱交換により冷却する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応により発生する反応熱を除去するときには、メタノール，エタノール，ケトン，アミン，シリコーンオイル，有機ハロゲン化物等の一般にブラインと呼ばれる冷媒が循環使用されている。このような冷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、低温液化ガスと冷媒とを熱交換器で熱交換させることにより冷媒を所定温度に冷却している。
【０００３】
上記熱交換器として、従来は、熱交換器部分で冷媒が凍結しないように、タンク＆コイル方式や恒温槽方式が多く採用されていたが、近年は、製作の容易性や冷却能力の変更が容易な点等から、二重管式熱交換器を用いるようになってきている。
【０００４】
上記二重管式熱交換器を使用して低温液化ガスにより冷媒を冷却する際には、該熱交換器の冷媒流路内で冷媒が凍結しないようにする必要がある。すなわち、冷媒流路内で冷媒の凍結が少しでも発生すると、冷媒の粘度が上昇して流速が低下するとともに、熱交換器の伝熱面に凍結物が付着し、流路抵抗が増加して更に冷媒の凍結が促進される。このように、冷媒の凍結によって冷媒流路の流路抵抗が増大すると、伝熱係数が低下して熱交換能力が損なわれるため、低温液化ガスが熱交換器内で気化せずに、熱交換器から液状のまま吹き出してしまうおそれがあった。
【０００５】
このため、例えば、実開平６−２２８８０号公報に記載されている冷媒冷却装置では、冷媒流路の複数箇所で冷媒温度を検出し、検出温度に応じて熱交換器への低温液化ガス供給量を制御することにより、冷媒流路内での冷媒の凍結を防止するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、多数のプレートを積層して各プレート間を流体流路としたプレート式熱交換器は、前記タンク＆コイル方式や恒温槽方式、二重管式熱交換器等に比べて小型で高性能であることから、冷媒冷却装置にも、このプレート式熱交換器を使用することが望まれている。
【０００７】
しかし、プレート式熱交換器の場合、流路途中の温度を正確に測定することが困難なため、前述の冷媒流路の複数箇所で冷媒温度を検出するという制御方式を採用することができなかった。
【０００８】
そこで本発明は、熱交換器の冷媒流路内での冷媒の凍結を確実に防止することができ、ブレージングプレート式熱交換器を使用することができる冷媒冷却装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の冷媒冷却装置は、低温反応槽を冷却する低温循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器で熱交換させて前記低温循環冷媒を冷却する冷媒冷却装置において、前記熱交換器は、ブレージングプレート式熱交換器であって、該冷媒冷却装置は、ポンプにより前記低温循環冷媒を前記低温反応槽と前記ブレージングプレート式熱交換器とに循環させる冷媒循環経路と、前記低温液化ガスを低温液化ガス貯槽から前記ブレージングプレート式熱交換器に供給する低温液化ガス経路とにより形成され、前記低温液化ガス経路には、前記ブレージングプレート式熱交換器への低温液化ガス供給量を調整するための流量調整弁と、前記低温液化ガスの供給を遮断するための遮断弁とが設けられ、前記ブレージングプレート式熱交換器内の液化ガス流路で気化した蒸発ガスが流れる熱交換器出口流路には、前記ブレージングプレート式熱交換器から導出される蒸発ガスの温度を検出する蒸発ガス温度検出部が設けられ、前記冷媒循環経路には、前記ブレージングプレート式熱交換器の冷媒出口部の冷媒温度を検出する冷媒温度検出部と、前記ブレージングプレート式熱交換器の冷媒入口部及び冷媒出口部におけるそれぞれの冷媒の圧力を検出するための冷媒圧力検出部と、前記ポンプから吐出された前記低温循環冷媒を、前記ブレージングプレート式熱交換器に導入せずに前記低温反応槽に戻すためのバイパス経路及びバイパス弁とが設けられ、前記冷媒温度検出部で検出した冷媒温度は、第一温度指示調節計に入力され、該第一温度指示調節計は、あらかじめ設定された温度設定値と検出した冷媒温度とに基づいて前記流量調整弁の開度を調節して前記ブレージングプレート式熱交換器に供給する前記低温液化ガスの供給量を制御し、前記蒸発ガス温度検出部で検出した蒸発ガス温度は、前記第二温度指示調節計に入力され、該第二温度指示調節計は、あらかじめ設定された温度設定値と検出した蒸発ガス温度とに基づいて前記遮断弁を作動させて前記熱交換器への前記低温液化ガスの供給を遮断し、前記冷媒圧力検出部で検出した前記冷媒入口部及び冷媒出口部における冷媒圧力は、差圧スイッチに入力され、該差圧スイッチは、前記冷媒圧力検出部の検出圧力の差と、あらかじめ設定された差圧設定値とに基づいて、前記遮断弁を作動させて前記ブレージングプレート式熱交換器への低温液化ガスの供給を遮断し、前記第二温度指示調節計及び前記差圧スイッチは、検出した蒸発ガス温度や冷媒差圧に応じて前記バイパス弁の開度を制御することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の冷媒冷却装置の一形態例を示す系統図である。この冷媒冷却装置は、低温反応槽１を所定温度に冷却するための低温循環冷媒、例えば塩化メチレンを、低温液化ガス、例えば液体窒素との熱交換により冷却するためのものであって、冷却源となる低温液化ガスを貯留する低温液化ガス貯槽２と、低温液化ガスと循環冷媒とを熱交換させるブレージングプレート式熱交換器（以下、「熱交換器」という。）３と、ポンプ４により低温循環冷媒を低温反応槽１と熱交換器３とに循環させる冷媒循環経路５と、低温液化ガスを低温液化ガス貯槽２から熱交換器３に供給する低温液化ガス経路６とにより形成されている。
【００１１】
低温液化ガス経路６には、熱交換器３への低温液化ガス供給量（流量）を調整するための流量調整弁７と、低温液化ガスの供給を遮断するための遮断弁８とが設けられている。さらに、熱交換器３内の液化ガス流路６ａで気化した蒸発ガスが流れる熱交換器出口流路６ｂには、熱交換器３から導出される蒸発ガスの温度を検出する蒸発ガス温度検出部（温度センサー）９が設けられている。
【００１２】
また、冷媒循環経路５には、熱交換器３の冷媒出口部３ａの冷媒温度を検出する冷媒温度検出部（温度センサー）１０と、熱交換器３の冷媒入口部３ｂ及び冷媒出口部３ａにおける冷媒の圧力を検出するための冷媒圧力検出部（圧力センサー）１１，１２とが設けられるとともに、ポンプ４から吐出された低温循環冷媒を、熱交換器３に導入せずに低温反応槽１に戻すためのバイパス経路１３及びバイパス弁１４が設けられている。
【００１３】
前記冷媒温度検出部１０で検出した冷媒温度は、第一温度指示調節計（ＴＩＣ１）１５に入力され、第一温度指示調節計１５は、あらかじめ設定された温度設定値と検出した冷媒温度とに基づいて前記流量調整弁７の開度を調節し、熱交換器３に供給する低温液化ガスの供給量を制御する。
【００１４】
前記蒸発ガス温度検出部９で検出した蒸発ガス温度は、第二温度指示調節計（ＴＩＣ２）１６に入力され、第二温度指示調節計１６は、あらかじめ設定された温度設定値と検出した蒸発ガス温度とに基づいて前記遮断弁８を作動させ、熱交換器３への低温液化ガスの供給を遮断する。
【００１５】
さらに、前記冷媒圧力検出部１１，１２で検出した冷媒圧力は、差圧スイッチ（ＰＳ）１７に入力され、差圧スイッチ１７は、冷媒圧力検出部１１，１２の検出圧力の差、すなわち両経路を流れる冷媒の差圧と、あらかじめ設定された差圧設定値とに基づいて、第二温度指示調節計１６と同様に、前記遮断弁８を作動させ、熱交換器３への低温液化ガスの供給を遮断する。
【００１６】
また、第二温度指示調節計１６及び差圧スイッチ１７は、検出した蒸発ガス温度や冷媒差圧に応じて前記バイパス弁１４の開度も制御する。
【００１７】
上述の冷媒冷却装置において、低温液化ガス貯槽２から供給される低温液化ガスは、低温液化ガス経路６の遮断弁８及び流量調整弁７を介して熱交換器３内の液化ガス流路６ａに導入され、冷媒循環経路５から熱交換器３内の冷媒流路５ａに導入される低温循環冷媒を冷却することにより気化して蒸発ガスとなり、熱交換器出口流路６ｂから流出する。一方、低温反応槽１で昇温した低温循環冷媒は、ポンプ４によって熱交換器３に導入され、冷媒流路５ａで冷却された後、再び低温反応槽１に戻される。
【００１８】
通常の運転状態では、冷媒温度検出部１０で検出した冷媒出口部３ａの冷媒温度に応じて流量調整弁７の開度が調節され、熱交換器３への低温液化ガスの供給量が制御される。すなわち、冷媒出口部３ａの冷媒温度があらかじめ設定された温度より低下したら低温液化ガスの供給量を減少させ、冷媒温度が設定温度より上昇したら低温液化ガスの供給量を増加させる。これにより、低温反応槽１における通常の熱負荷の変動に対しては十分に対処することが可能である。
【００１９】
なお、冷媒出口部３ａに代えて冷媒入口部３ｂに冷媒温度検出部を設け、熱交換器３に流入する冷媒温度を検出しても同様の制御を行うことができ、冷媒入口部３ｂ及び冷媒出口部３ａの双方の冷媒温度を検出するようにしてもよい。
【００２０】
また、冷媒温度を、その凝固点付近で制御する場合、熱交換器３に流入する低温循環冷媒の粘度が増大して冷媒の流動性が低下する。これにより、熱交換器３の冷媒流路５ａにおける流路抵抗が増加し、冷媒入口部３ｂと冷媒出口部３ａとの差圧が次第に上昇してくる。この差圧の上昇の程度は、低温循環冷媒の種類や冷媒流路５ａの状態等の各種条件によって異なるが、通常運転時の差圧が１．３〜１．４ｋｇｆ／ｃｍ2 の場合、２ｋｇｆ／ｃｍ2 以上に差圧が上昇すると、冷媒の凍結が急速に始まることが多い。
【００２１】
したがって、前記差圧スイッチ１７の設定値を、例えば１．７ｋｇｆ／ｃｍ2 とし、差圧が１．７ｋｇｆ／ｃｍ2 に上昇したときに、差圧スイッチ１７が作動して前記遮断弁８を閉じ、熱交換器３への低温液化ガスの供給を遮断するように設定すればよい。これにより、低温循環冷媒の温度がそれ以上低下することがなくなり、冷媒流路５ａ内で低温循環冷媒が凍結することを防止できる。
【００２２】
また、上述のように、熱交換器３に流入する低温循環冷媒の粘度が上昇すると、熱交換器３における熱交換能力が低下するので、低温循環冷媒と熱交換を行う低温液化ガスを十分に加温することができなくなる。これにより、熱交換器３の液化ガス流路６ａから熱交換器出口流路６ｂに流出する蒸発ガスの温度が次第に低下してくる。この温度低下の程度も、前記差圧と同様に、低温循環冷媒の種類や低温液化ガスの種類等、各種条件によって異なるが、例えば、低温循環冷媒が塩化メチレンで、低温液化ガスが液体窒素である場合は、熱交換器出口流路６ｂの蒸発ガス温度が−１５０℃以下になると、低温循環冷媒が冷媒流路５ａ内で凍結するおそれがある。したがって、この場合は、蒸発ガス温度検出部９で検出した蒸発ガス温度が−１５０℃になったら、第二温度指示調節計１６が作動して前記遮断弁８を閉じるように設定すればよい。
【００２３】
なお、遮断弁８の復帰は、低温反応槽１の運転状態に応じて自動的に行うこともでき、手動で行ってもよい。また、遮断弁８を設けずに、第二温度指示調節計１６や差圧スイッチ１７の信号で流量調整弁７を全閉するようにしてもよい。
【００２４】
さらに、本形態例では、上述のように低温循環冷媒に凍結するおそれが発生した場合、第二温度指示調節計１６や差圧スイッチ１７の信号で前記バイパス弁１４を開くようにしている。これにより、万一、熱交換器３で低温循環冷媒が凍結して冷媒流路５ａが閉塞された場合でも、低温循環冷媒の循環流路が確保されるので、ポンプ４に負荷を与えることがなくなり、冷媒入口部３ｂ側流路の圧力が異常に上昇したり、ポンプ４が破損したりすることを防止できる。
【００２５】
このように、冷媒循環経路５を流れる低温循環冷媒の温度を検出して熱交換器３への低温液化ガスの供給量を調整するだけでなく、冷媒入口部３ｂと冷媒出口部３ａとにおける冷媒差圧や、熱交換器３から流出する蒸発ガスの温度を検出することによって低温循環冷媒の凍結発生を未然に検知することができ、低温液化ガスの供給を遮断することによって低温循環冷媒の凍結を確実に防止することができる。
【００２６】
さらに、熱交換器３の各入口部及び入口部に温度センサーや圧力センサー等の検出手段を設けるようにしているので、各種構造の熱交換器に対応することが可能となり、従来は適用が困難だったプレート式熱交換器、特に、各プレートをブレージング接合（ろう付け）したブレージングプレート式熱交換器を使用することが可能となり、熱交換効率の大幅な向上が図れ、熱交換器だけでなく装置全体の小型化や効率向上、製造コストの低減が図れる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の冷媒冷却装置によれば、熱交換効率に優れたブレージングプレート式熱交換器を使用することができるので、装置全体の小型化や低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一形態例を示す冷媒冷却装置の系統図である。
【符号の説明】
１…低温反応槽、２…低温液化ガス貯槽、３…熱交換器、３ａ…冷媒出口部、３ｂ…冷媒入口部、４…ポンプ、５…冷媒循環経路、６…低温液化ガス経路、６ａ…液化ガス流路、６ｂ…熱交換器出口流路、７…流量調整弁、８…遮断弁、９…蒸発ガス温度検出部、１０…冷媒温度検出部、１１，１２…冷媒圧力検出部、１３…バイパス経路、１４…バイパス弁、１５…第一温度指示調節計、１６…第二温度指示調節計、１７…差圧スイッチ
【図１】
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