JP5840938B2

JP5840938B2 - 熱媒冷却装置及び熱媒冷却装置の運転方法

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Publication number: JP5840938B2
Application number: JP2011260913A
Authority: JP
Inventors: 成正山住; 公哉森; 米倉　正浩; 正浩米倉
Original assignee: Nippon Sanso Holdings Corp
Current assignee: Nippon Sanso Holdings Corp
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: JP2013113509A

Description

本発明は、熱媒冷却装置及び熱媒冷却装置の運転方法に関するものである。

有機合成や晶析等の化学反応プロセスにおいては、精度の高い温度制御が要求される。その為、反応槽の外側に熱媒が流通可能な独立した槽（ジャケット）を設けた二重構造の容器が使用され、このジャケット部に温度制御された熱媒を循環し、反応槽内部の反応液を一定温度に調整している。反応槽ジャケット部に供給された熱媒は、熱媒循環ラインに配置された冷却設備により冷却され、反応槽ジャケット部へ循環供給される。

反応槽等の熱負荷との間で循環する熱媒を冷却するための冷却設備としては、例えば機械式の冷却設備が開示されている（特許文献１を参照）。しかしながら、従来の機械式の冷却設備では、目標とする冷却温度によっては熱媒の冷却能力が充分ではない場合があり、熱媒を常温から所定の温度に冷却するまでに長時間掛かってしまうという問題があった。

また、夏場などの一時的な熱負荷の上昇に伴い、機械式の冷却設備が備える冷媒の能力を超える熱負荷が発生する場合があり、冷却能力不足によって熱媒を所定の温度に維持することができない場合があった。

これに対して、熱負荷のピークに合わせて機械式冷却設備の冷却能力を設計すると、一定温度における平均的な熱負荷に対してオーバースペックな装置となり、多大な契約電力が必要となってしまうため、コストが上昇するという問題があった。

特開平１０−３１８６４７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、機械式の冷却設備の冷却能力を超える熱負荷がかかった場合や能力を超える設定温度に熱媒を冷却する必要がある場合に、コストの大幅な上昇を抑えつつ熱媒を所定の温度に冷却することが可能な熱媒冷却装置及び熱媒冷却装置の運転方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、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である。

請求項２に係る発明は、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である。

請求項３に係る発明は、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である。

請求項４に係る発明は、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である。

請求項５に係る発明は、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である。

本発明の第一形態の熱媒冷却装置によれば、熱媒の温度制御手段を備えた循環経路に、熱負荷装置の二次側から、冷媒と熱媒とを熱交換する第１の熱交換器、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の熱交換器の順に配置する構成となっているため、第１の熱交換器を備えた主冷却設備の能力を最大限に発揮させるとともに第２の熱交換器を備えた副冷却設備を補助的に使用することができる。第２の熱交換器を備えた副冷却設備として、必要設備電力が比較的に小さい液化窒素式の冷却設備及び中間熱媒を利用した冷却設備を選択するため、電力コストの大幅な上昇を抑えつつ、一時的な熱負荷の増加に対応することができる。したがって、第１の熱交換器を備えた主冷却設備の冷却能力を超える熱負荷が一時的にかかった場合や能力を超える設定温度に熱媒を冷却する必要がある場合に、電力コストを大幅に上昇させることなく熱媒を所定の温度に冷却することができる。また、第３の熱交換器において液化窒素との熱交換によって所定の温度に冷却された中間熱媒を第２の熱交換器に供給する構成を有しており、熱媒と液化窒素とを直接熱交換することがない。このため、凝固点が比較的高い熱媒でも利用することができる。

また、本発明の第二形態の熱媒冷却装置によれば、熱媒の温度制御手段を備えた循環経路に、熱負荷装置の二次側から、第１の冷媒と熱媒とを熱交換する第１の熱交換器、第１の冷媒よりも冷却能力が高い第２の冷媒と熱媒とを熱交換する第２の熱交換器の順に配置する構成となっているため、第１の熱交換器を備えた主冷却設備の能力を最大限に発揮させるとともに第２の熱交換器を備えた副冷却設備を補助的に使用することができる。第２の熱交換器を備えた副冷却設備として、必要設備電力が比較的に小さいものを選択することができるため、電力コストの大幅な上昇を抑えつつ、一時的な熱負荷の増加に対応することができる。したがって、第１の熱交換器を備えた主冷却設備の冷却能力を超える熱負荷が一時的にかかった場合や能力を超える設定温度に熱媒を冷却する必要がある場合に、電力コストを大幅に上昇させることなく熱媒を所定の温度に冷却することができる。

さらに、本発明の熱媒冷却装置及び熱媒冷却装置の運転方法によれば、循環経路に第１の熱交換器を迂回するように設けられた第１のバイパス経路と、第２の熱交換器を迂回するように設けられた第２のバイパス経路と、これらの熱媒経路の切り替え手段と、を備える場合には、熱媒の最終目標温度に応じて第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して、最適な循環経路を構成することができる。したがって、第１の熱交換器を備えた主冷却設備の冷却能力を超える熱負荷が一時的にかかった場合や能力を超える設定温度に熱媒を冷却する必要がある場合に、対応することができる。

本発明を適用した第１の実施形態である熱媒冷却装置を示す系統図である。本発明を適用した第１の実施形態である熱媒冷却装置の運転方法を示すフローチャートである。本発明を適用した第２の実施形態である熱媒冷却装置を示す系統図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である熱媒冷却装置について、図面を用いて詳細に説明する。
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。

＜第１実施形態＞
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。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る熱媒冷却装置１００は、冷却対象物を冷却した後の熱媒を冷却設備で冷却して所定の温度に制御した後に、熱媒を循環して再び冷却対象物を冷却する装置である。本実施形態の熱媒冷却装置１００は、熱媒が循環する循環経路と、冷却対象物を冷却する低温反応槽（熱負荷装置）１と、この循環経路に熱媒を循環させる主循環ポンプ２と、機械式冷凍機（機械式の冷却設備）３と、液化窒素式冷凍機（液化窒素式の冷却設備）４と、を備えており、循環経路に、低温反応槽１の二次側から、主循環ポンプ２、機械式冷凍機３及び液化窒素式冷凍機４の順となるように配置されていることを特徴とするものである。

本実施形態の熱媒冷却装置１００にかかる循環経路は、図１に示すように、その内部に熱媒を流通させる配管等からなる経路Ｌ１〜Ｌ９を用いて構成されており、接続点Ｐ_１〜Ｐ_５において経路Ｌ１〜Ｌ９がそれぞれ分岐あるいは合流されて全体として環状の経路となるように構成されている。

また、分岐点となる接続点Ｐ_１〜Ｐ_３の二次側の経路Ｌ２、Ｌ４、Ｌ７、Ｌ８及びＬ９には、開閉弁（熱媒経路の切り替え手段）Ｖ_１〜Ｖ_５がそれぞれの経路を開閉自在に設けられている。これらの開閉弁Ｖ_１〜Ｖ_５について開放状態あるいは閉止状態を適宜選択することにより、低温反応槽１を経た熱媒を、機械式冷凍機３及び液化窒素式冷凍機４の少なくともいずれか一方又は両方で冷却することができるように、循環経路を自在に構成することができる。

熱媒としては、例えば、アルコール水溶液、アルコール、エチレングリコール、シリコーンオイル、フッ素系熱媒を使用することができる。

主循環ポンプ２は、低温反応槽１の二次側の経路Ｌ１に設けられている。すなわち、主循環ポンプ２は、循環経路において、低温反応槽１の二次側であって主冷却設備である機械式冷凍機３の前段に配置されている。これにより、熱媒を循環経路に循環させるとともに、熱媒の温度制御において主循環ポンプにおける熱負荷の影響を最小源にすることができる。

機械式冷凍機（機械式の冷却設備）３は、循環経路において低温反応槽１の二次側（出口側）に設けられており、冷却対象物を冷却した後の熱媒を所定の設定温度に冷却するための主冷却設備である。この機械式冷凍機３は、循環経路の一部である経路Ｌ２と、所定の冷媒を循環させる循環経路Ｌ１０と、経路Ｌ２と循環経路Ｌ１０とに亘って設けられた熱交換器（第１の熱交換器）５と、から概略構成されている。

経路Ｌ２は、循環経路の接続点Ｐ_１において経路Ｌ１から分岐した後、機械式冷凍機３の内部に引き込まれるとともに、接続点Ｐ_２において経路Ｌ７と合流する経路である。機械式冷凍機３内の経路Ｌ２には、熱交換器５、温度変化による熱媒の体積収縮・膨張を吸収するためのバッファタンク６、熱媒を加熱するためのヒーター７、機械式冷凍機３から出る直前の熱媒の温度を検出する温度検出器８がこの順に設けられている。また、温度検出器８には、この温度検出器８による熱媒の検出温度と所定の設定温度との差異に応じた制御信号を出力する温度調節器９が設けられている。

循環経路Ｌ１０は、熱交換器５に温度制御された所定の冷媒を供給する循環経路である。ここで、冷媒としては、例えばクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン等の冷媒を使うことができる。この循環経路Ｌ１０には、熱交換器５の二次側から、冷媒を圧縮する圧縮機１０、冷媒を液化するためのファン１１ａを備えた熱交換器１１、液化された冷媒を貯蔵するリザーブタンク１２、液化された冷媒を気化させて寒冷を発生させるための膨張弁１３がこの順に設けられている。

熱交換器（第１の熱交換器）５は、経路Ｌ２と循環経路Ｌ１０とに亘って設けられており、経路Ｌ２内の熱媒と循環経路Ｌ１０内の冷媒とを互いに熱交換させるものである。ここで、熱交換器５内の循環経路Ｌ１０内には、寒冷源となる気化された冷媒が供給されるため、経路Ｌ２内の熱媒を所定の設定温度となるまで冷却することができる。

液化窒素式冷凍機（液化窒素式の冷却設備）４は、循環経路において機械式冷凍機３の二次側と低温反応槽１の一次側との間に設けられており、主冷却設備である機械式冷凍機３によって冷却された熱媒をさらに低い温度にまで冷却可能とする補助冷却設備である。この液化窒素式冷凍機４は、液化窒素と熱交換を行っても凍結しない中間熱媒が循環する循環経路（副循環経路）Ｌ１１と、冷媒である液化窒素を供給する経路Ｌ１２と、循環経路Ｌ１１と経路Ｌ１２とに亘って設けられた熱交換器（第３の熱交換器）１４と、から概略構成されている。

循環経路Ｌ１１は、循環経路の接続点Ｐ_４とＰ_５との間に配設される経路Ｌ５に設けられた熱交換器１５と、液化窒素式冷凍機４が有する熱交換器１４との間で、中間熱媒を循環させる経路である。中間熱媒としては、熱媒の凝固点よりも低い凝固点を有し、液化窒素と熱交換しても熱交換器１４で凍結、閉塞しない流体、例えば、アルコール、混合アルコール、シリコーンオイル、フッ素系熱媒を使用する。

この循環経路Ｌ１１には、熱交換器１５の二次側から、温度変化による中間熱媒の体積収縮・膨張の影響を吸収するためのリザーブタンク１６、循環経路Ｌ１１内に中間熱媒を循環させるための循環ポンプ１７、熱交換器１４、熱交換器１４を経た後の中間熱媒の温度を検出する温度検出器１８がこの順に設けられている。また、温度検出器１８には、この温度検出器１８による中間熱媒の検出温度と、熱媒の所定の設定目標温度との差異に応じた制御信号を出力する温度調節器１９が設けられている。

経路Ｌ１２は、寒冷源となる液化窒素を熱交換器１４に供給する経路である。液化窒素式冷凍機４内の経路Ｌ１２には、液化窒素制御弁２０、熱交換器１４がこの順に設けられている。

また、液化窒素式冷凍機４外の経路Ｌ１２には、経路Ｌ１２と経路Ｌ１３とに亘って配設され、熱交換器１４で中間熱媒と熱交換をした後の窒素ガス（液化窒素式冷凍機４から排出される窒素ガス）と他の冷熱利用元（図示せず）からの他の流体とを互いに熱交換させる熱交換器２１と、上記熱交換器２１から排出される窒素ガスを蓄圧するためのバッファタンク２２とがこの順に設けられている。

バッファタンク２２には、タンク内の窒素ガスを他の利用先へと供給するための経路Ｌ１４と、余剰ガスをタンク内から排出するための経路Ｌ１５とが設けられている。また、経路Ｌ１５には、バッファタンク２２内の圧力を制御するための圧力制御弁２３が設けられている。

熱交換器（第３の熱交換器）１４は、循環経路Ｌ１１と経路Ｌ１２とに亘って設けられており、循環経路Ｌ１１内の中間熱媒と経路Ｌ１２内の液化窒素とを互いに熱交換させるものである。ここで、熱交換器１４を経た循環経路Ｌ１１内の中間熱媒の温度は、機械式冷凍機３において設定される熱媒の所定の設定温度よりも低い温度となるように設定温度を選択することができる。なお、中間熱媒の設定温度は、後述する熱交換器１５における熱媒との熱交換をした際に、熱媒が凍結しない温度とすることが好ましい。

また、熱交換器１４としては、応答性が良く、熱媒容量の少ない高効率な熱交換器を採用することが好ましい。具体的には、例えば、プレートフィン熱交換器、プレート式熱交換器、または二重管式熱交換器等が挙げられる。このように、熱交換器１４として、高効率で熱媒容量の少ない熱交換器を採用する事により、循環経路Ｌ１１内に循環させる中間熱媒の量を最小限とすることができるため、応答性が速くなり、ひいては中間熱媒と熱交換させる熱媒の温度制御の精度を向上させることができる。

熱交換器１５（第２の熱交換器）は、循環経路において機械式冷凍機３の二次側と低温反応槽１の一次側との間であって、経路Ｌ５と循環経路Ｌ１１とに亘って設けられており、経路Ｌ５内の機械式冷凍機３によって冷却された熱媒と、循環経路Ｌ１１内の液化窒素との熱交換により冷却された中間熱媒とを互いに熱交換させるものである。この熱交換器１５としては、圧力損失が低く、且つ、熱媒及び中間熱媒の液容量が少ないものが応答性の点で好ましい。

このように、循環経路に設けられた熱交換器１５において熱媒と中間熱媒とを互いに熱交換することにより、熱媒と液化窒素式冷凍機４の液化窒素とを中間熱媒を介して間接的に熱交換することになる。これにより、液化窒素と直接熱交換を行うと凍結してしまう熱媒（例えば、エチレングリコール等）を用いる場合であっても、熱媒を凍結させることなく所定の設定温度に早く到達させることができる。また、機械式冷凍機よりも低い設定温度に熱媒を冷却することができる。

また、本実施形態の熱媒冷却装置１００には、低温反応槽１の一次側の経路Ｌ６に、低温反応槽１に供給する直前の熱媒の温度を検出する温度検出器２４と、検出された熱媒の温度を制御信号として出力する温度調節器２５とが設けられている。一方、低温反応槽１の二次側の経路Ｌ１に、低温反応槽１を経た直後の熱媒の温度を検出する温度検出器２６と、検出された熱媒の温度を制御信号として出力する温度調節器２７とが設けられている。

さらに、本実施形態の熱媒冷却装置１００を構成する循環経路に設けられた温度調節器（温度制御手段）９，１９，２５，２７と、制御盤Ｃ内の温度制御部（図示略）とは、互いに電気的に接続されている。

また、循環経路を構成する経路（第１のバイパス経路）Ｌ７は、機械式冷凍機３の一次側となる接続点Ｐ_１と二次側となる接続点Ｐ_２とを直結するように設けられており、機械式冷凍機３を迂回するバイパスラインとなっている。

同様に、循環経路を構成する経路（第２のバイパス経路）Ｌ９は、液化窒素式冷凍機４の一次側となる接続点Ｐ_３と二次側となる接続点Ｐ_５とを直結するように設けられており、液化窒素式冷凍機４を迂回するバイパスラインとなっている。

本実施形態の熱媒冷却装置１００に係る経路Ｌ１の主循環ポンプ２には、流量が一定となるように周波数調整を行うためのインバーター３１’が電気信号的に接続されており、流量検出器２９で検出される流量を電気的な流量信号に変換する信号変換器２８と流量信号を制御信号としてインバーター３１’に出力する流量調節器２９ａにより、流量が調整される。さらに、液化窒素式冷凍機４の一次側の接続点Ｐ４で合流する一方の経路Ｌ８には、循環経路中の熱媒の流量を増幅する副循環ポンプ３０が設けられている。

また、副循環ポンプ３０には、流量検出器２９で検出される流量が一定となるように周波数調整を行うためのインバーター３１が電気信号的に接続されている。さらに、インバーター３１と、制御盤Ｃ内の流量制御部（図示略）とは、互いに電気的に接続されている。

このような構成により、熱媒の低温利用時において熱媒の粘度上昇により圧力損失が増加した場合であっても、循環経路において熱媒の必要流量を確保することができ、且つ、熱媒の冷却制御において副循環ポンプ３０に起因する入熱の影響を低減することができる。

また、機械式冷凍機３内のバッファタンク６のみでは容量が不足する場合には、循環経路を構成する経路Ｌ３にリザーブタンク３２を設けることが好ましい。さらに、循環経路を構成する経路Ｌ２において、接続点Ｐ_２の上流側に開閉バルブを設けないことにより、機械式冷凍機３内のバッファタンク６を循環経路全体で使用することができる。

さらに、制御盤Ｃ内に流路制御部（図示略）を設け、循環経路を構成する経路に設けられたそれぞれの開閉弁Ｖ_１〜Ｖ_５と互いに電気的に接続するように構成してもよい。

次に、上述のように構成された第１実施形態に係る熱媒冷却装置１００の運転方法について説明する。

（機械式冷凍機の単独運転）
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Ｖ_１、Ｖ_５を開放するとともに、開閉弁Ｖ_２〜Ｖ_４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。

機械式冷凍機の単独運転をする場合、熱媒の温度は、制御盤Ｃ内の温度制御部（図示略）によって制御される。具体的には、先ず、低温反応槽１の一次側に設けられた温度調節器２５の設定温度と、温度検出器２４が検出する現在の熱媒温度との偏差を算出する。そして、算出された上記偏差に応じて機械式冷凍機３内の経路Ｌ２に設けられた温度調節器９に設定する冷却設定温度をカスケード制御で決定するとともに、温度検出器８で検出する熱媒の温度が追従するように機械式冷凍機３を運転する。

（機械式冷凍機及び液化窒素式冷凍機のハイブリッド運転）
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。

上記ハイブリッド運転を行う場合には、開閉弁Ｖ_１、Ｖ_２を開放するとともに、開閉弁Ｖ_３〜Ｖ_５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〜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において第１目標温度となるまで冷却され、さらに熱交換器１５において中間熱媒と熱交換することによって最終目標温度となるまで冷却された後、低温反応槽１に再び供給されることとなる。

ハイブリッド運転をする場合、熱媒の温度は、制御盤Ｃ内の温度制御部（図示略）によって制御される。具体的には、先ず、低温反応槽１の一次側に設けられた温度調節器２５の設定温度と、温度検出器２４が検出する現在の熱媒温度との偏差を算出する。そして、算出された上記偏差に応じて機械式冷凍機３内の経路Ｌ２に設けられた温度調節器９に設定する冷却設定温度（第１目標温度）をカスケード制御で決定する。ただし、上記冷却設定温度が機械式冷凍機３の設定下限温度を下回るときは、当該設定下限温度を設定値とする。

次に、循環経路Ｌ１１に設けられた温度調節器１９に設定する冷却設定温度についても、上記偏差に応じてカスケード制御で決定するとともに、温度検出器１８で検出する中間熱媒の温度が追従するように液化窒素式冷凍機４を運転する。

ところで、機械式冷凍機３のみを備えた既存の熱媒冷却装置に、液化窒素式冷凍機４を増設して本実施形態の熱媒冷却装置１００を構成する場合、循環経路を構成する経路Ｌ５への熱交換器１５を設置することに起因して熱媒循環系統の圧力損失が増加し、循環経路内に所定の熱媒流量が確保できなくなる場合がある。そのような場合には、開閉弁Ｖ_２を閉止するとともに開閉弁Ｖ_４を開放することで循環流路の構成を変更する。これにより、熱媒は経路Ｌ８に流れることとなり、この経路Ｌ８に設けられた副循環ポンプ３０によって循環経路内の熱媒の流量が増幅されることとなる。

（液化窒素式冷凍機の単独運転）
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

液化窒素式冷凍機４の単独運転を行う場合には、開閉弁Ｖ_２、Ｖ_３を開放するとともに、開閉弁Ｖ_１、Ｖ_４及びＶ_５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，Ｌ７，Ｌ４，Ｌ５，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をバイパスした後に液化窒素式冷凍機４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。

ここで、一般的に熱媒温度が低くなると液体粘度が上昇して圧力損失が増加することから、熱交換器１５の圧力損失が増加して、主循環ポンプ２のみでは所定の熱媒流量を確保できないおそれがある。したがって、経路Ｌ８を通る循環経路を構成し、副循環ポンプ３０を運転して所定の流量を確保することが好ましい。

また、液化窒素式冷凍機４の単独運転においては、液化窒素式冷凍機４内の熱交換器１４において液化窒素と中間熱媒とを熱交換し、熱交換した後の中間熱媒を内蔵する循環ポンプ１７を運転することによって熱交換器１５へ循環する。また、中間熱媒の冷却温度は熱媒が熱交換器内で凍結しない温度設定とすることに留意する。

なお、液化窒素式冷凍機４内の熱交換器１４に、プレートフィン熱交換器、プレート式熱交換器、または二重管式熱交換器などの高効率で熱媒容量の少ない応答性が良い熱交換器を採用することにより、中間熱媒の温度を±１℃以内で制御することができる。

ところで、液化窒素式冷凍機４内の熱交換器１４から排気される窒素ガスは低温であるため、経路Ｌ１２に熱交換器２１を設置すると他の対象物に冷熱を与えることが可能である。また、窒素ガスは、熱交換器２１の後段に設けたバッファタンク２２で蓄圧することにより、他の窒素ガス利用先に例えば保安用の窒素ガスとして供給することができる。ここで、液化窒素式冷凍機４の冷却能力を確保するには、経路Ｌ１５に設けた圧力制御弁２３によって余剰な窒素ガスを排気して、一定の差圧を設け、経路Ｌ１２に液化窒素が流れるようにする。これにより、液化窒素式冷凍機４内の熱交換器１４の二次側の圧力が一定となるため、他の窒素ガス利用先の供給源として利用することができる。

（熱媒冷却装置の運転方法）
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。

以下に、上述した熱媒冷却装置１００において、熱媒の流量を一定とし、運転開始からの時間ｔにおける低温反応槽１の二次側の熱媒の温度（温度検出器２６の検出値）と一次側の熱媒の温度（温度検出器２４の検出値）との温度差ΔＴの許容値を５℃と設定した場合における、上述した機械式冷凍機の単独運転からハイブリッド運転へ切り替えるタイミングについて説明する。ここで、図２は、本発明を適用した第１の実施形態である熱媒冷却装置１００の運転方法を示すフローチャートである。

具体的には、先ず、図２中に示すステップＳ１において、低温反応槽１の一次側の温度調節器２５の設定値と、機械式冷凍機３の温度調節器９の設定下限温度との比較を行う。ここで、低温反応槽１の一次側の温度調節器２５の設定値が、機械式冷凍機３の温度調節器９の設定下限温度以上である場合には、ステップＳ２を行う。

これに対して、温度調節器２５の設定値が、温度調節器９の設定下限温度未満である場合には、ステップＳ７に示すように液化窒素式冷凍機４の準備として、開閉弁Ｖ_３、Ｖ_２を開放するとともに、開閉弁Ｖ_１、Ｖ_２及びＶ_５を閉止する。そして、図２中に示すステップＳ８に示すように、上述した液化窒素式冷凍機４の単独運転を直ちに開始する。

次に、図２中に示すステップＳ２では、低温反応槽１の一次側（入口側）の熱媒の温度の現在値（すなわち、温度検出器２４の現在の検出値）と、低温反応槽１の一次側の温度調節器２５の設定値に２℃を加えた温度との比較を行う。ここで、温度検出器２４の検出値が温度調節器２５の設定値＋２℃以上の場合には、後述するステップＳ９において液化窒素式冷凍機４の予冷運転を開始する。これに対して、温度検出器２４の検出値が温度調節器２５の設定値＋２℃未満の場合には、ステップＳ３を行う。

次に、図２中に示すステップＳ３では、機械式冷凍機３の単独運転からハイブリッド運転へと切り替える前に、中間熱媒を副循環経路Ｌ１１に循環させる予冷運転の開始時間ｔ_１に到達しているか否かの確認を行う。

ここで、予冷運転の開始時間ｔ_１の算出方法は、以下の通りである。
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ΔＴ_２＝５℃に到達する時間ｔ_２を予測する。

次に、温度差ΔＴが許容値であるΔＴ_２＝５℃に到達する時間ｔ_２と、中間熱媒を副循環経路Ｌ１１に循環させる予冷運転の開始時間ｔ_１とを用いて、予冷運転における液化窒素式冷凍機４の立ち上げ時間を表記すると、予冷の必要な時間（立ち上げ時間）は（ｔ_２−ｔ_１）として示すことができる。ここで、予冷の必要な時間（ｔ_２−ｔ_１）は、予め温度制御部のプログラムに入力しておく。

例えば、予冷の必要な時間（ｔ_２−ｔ_１）が５分（３００ｓｅｃ）であり、時間ｔ＝６０ｓｅｃが経過した際に温度差ΔＴ＝０．３℃であり、許容値ΔＴ_２＝５℃である場合には、許容温度到達時間ｔ_２が１７分後であり、予冷運転の開始時間ｔ_１は、下式（１）から１２分後（７００ｓｅｃ）と算出することができる。したがって、この場合には、熱媒冷却装置１００の運転開始から１２分後に中間熱媒の予冷運転を開始する。
ｔ_１＝ｔ／ΔＴ×ΔＴ_２−（ｔ_２−ｔ_１）・・・（１）

したがって、ステップＳ３において、予冷運転の開始時間ｔ_１に到達している場合には、ステップＳ９において液化窒素式冷凍機４の予冷運転を開始する。これに対して予冷運転の開始時間ｔ_１に到達していない場合には、ステップＳ４を行う。

次に、図２中に示すステップＳ４では、開閉弁Ｖ_１、Ｖ_５を開放するとともに、開閉弁Ｖ_２〜Ｖ_４を閉止する。そして、上述した機械式冷凍機３の単独運転を実施する。

次に、図２中に示すステップＳ５では、上述したステップＳ３と同様に、中間熱媒を副循環経路Ｌ１１に循環させる予冷運転の開始時間ｔ_１に到達しているか否かの確認を行う。ここで、予冷運転の開始時間ｔ_１に到達している場合には、ステップＳ９において液化窒素式冷凍機４の予冷運転を開始する。これに対して予冷運転の開始時間ｔ_１に到達していない場合には、ステップＳ６を行う。

次に、図２中に示すステップＳ６では、上述したステップＳ２と同様に、低温反応槽１の一次側（入口側）の熱媒の温度（温度検出器２４の検出値）と、低温反応槽１の一次側の温度調節器２５の設定値に２℃を加えた温度との比較を行う。ここで、温度検出器２４の検出値が温度調節器２５の設定値＋２℃以上の場合には、後述するステップＳ９において液化窒素式冷凍機４の予冷運転を開始する。これに対して、温度検出器２４の検出値が温度調節器２５の設定値＋２℃未満の場合には、上述したステップＳ４に示すように機械式冷凍機３の単独運転を継続する。

次に、図２中に示すステップＳ１０では、熱交換器１４を経た後の中間熱媒の温度を検出する温度検出器１８による中間熱媒の検出温度と、温度調節器１９の中間熱媒の設定温度＋１℃（任意に設定可能）との比較を行う。ここで、中間熱媒の検出温度が設定温度よりも１℃低くなった場合（予冷が完了した場合）には、ステップＳ１１において、開閉弁Ｖ_１、Ｖ_２を開放するとともに、開閉弁Ｖ_３〜Ｖ_５を閉止して、上述したハイブリッド運転を開始する。

次に、図２中に示すステップＳ１２では、低温反応槽１の二次側（出口側）の熱媒の温度（すなわち、温度検出器２６の検出値）と、低温反応槽１の一次側（入口側）の熱媒の温度（すなわち、温度検出器２４の検出値）と、の温度差を算出する。低温反応槽１の二次側と一次側との温度差が５℃以上の場合には、ハイブリッド運転を継続する。一方、上記温度差が５℃未満の場合には、上記ステップＳ４に進み、ハイブリッド運転を停止して、機械式冷凍機３の単独運転を開始する。

以上説明したように、本実施形態の熱媒冷却装置１００によれば、循環経路に、低温反応槽１の二次側から、主循環ポンプ２、冷媒と熱媒とを熱交換する機械式冷凍機３、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熱交換器１５の順に配置する構成となっているため、第１の熱交換器５を備えた機械式冷凍機（主冷却設備）３の能力を最大限に発揮させるとともに、中間熱媒を循環させる経路Ｌ１１、熱交換器１５及び液化窒素式冷凍機４から構成される副冷却設備を補助的に使用することができる。そして、副冷却設備として、必要設備電力が比較的に小さい液化窒素式の冷却設備及び中間熱媒を利用した冷却設備を選択するため、電力コストの大幅な上昇を抑えつつ、一時的な熱負荷の増加に対応することができる。したがって、機械式冷凍機３の冷却能力を超える熱負荷が一時的にかかった場合や能力を超える設定温度に熱媒を冷却する必要がある場合に、電力コストを大幅に上昇させることなく熱媒を所定の温度に冷却することができる。

また、本実施形態の熱媒冷却装置１００によれば、液化窒素式冷凍機４と熱媒の循環経路との間に、液化窒素と熱交換可能な中間熱媒を循環させる副循環経路Ｌ１１を設けるとともに、循環経路に熱媒と中間熱媒とを互いに熱交換させる熱交換器１５を設ける構成となっている。これにより、熱媒と液化窒素とを直接熱交換することがないため、熱媒が凝固することがない。したがって、凝固点が比較的高い熱媒でも利用することができる。

また、液化窒素式冷凍機４内の熱交換器１４として、プレートフィン熱交換器、プレート式熱交換器、または二重管式熱交換器などの高効率で熱媒容量の少ない熱交換器が採用されているため、循環経路Ｌ１１内に循環させる中間熱媒の量を最小限に抑えることができる。これにより、応答性が速くなり、熱媒の温度制御の精度を向上することができる。

また、熱媒の循環経路において、液化窒素式冷凍機４の上流に副循環ポンプ３０を設けることで、熱媒を低温にした際に粘度上昇によって圧力損失が増加した場合でも、熱媒の必要流量を確保することができる。

また、機械式冷凍機３のバイパスラインとなる経路Ｌ７を設ける構成となっており、液化窒素式冷凍機４の単独運転によって機械式冷凍機３の使用可能温度以下とされた熱媒を循環運転する際に機械式冷凍機３を迂回する循環経路を構成することができるため、機械式冷凍機３の保護が可能となる。

また、本実施形態の熱媒冷却装置１００の運転方法によれば、機械式冷凍機３の単独運転からハイブリッド運転への切り替え時において、予め液化窒素式冷凍機４の立上げ時間を考慮して予冷運転の開始のタイミングを決定する構成となっている。したがって、熱媒の循環経路の切り替えに伴う熱媒の温度変化を低減することができる。

＜第２実施形態＞
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。

具体的には、熱媒冷却装置１００を構成する、中間熱媒を循環させる循環経路Ｌ１１と、この循環経路Ｌ１１中の中間熱媒と経路Ｌ５中の熱媒とを互いに熱交換させる熱交換器１５と、中間熱媒と液化窒素とを互いに熱交換させる熱交換器１４を有する液化窒素式冷凍機４と、に変えて、本発明の第２実施形態に係る熱媒冷却装置２００では、経路Ｌ５中の熱媒と経路Ｌ１２中の第２の冷媒とを互いに熱交換させる熱交換器２１４を有する液化窒素式冷凍機２０４を備えて構成されている。

なお、本実施形態では、上記第１実施形態における機械式冷凍機３で用いた冷媒を第１の冷媒とする。また、上記第２の冷媒としては、機械式冷凍機３で用いる第１の冷媒よりも冷却能力が高い冷媒を用いることができ、液化窒素を用いることが好ましい。これにより、中間熱媒を介することなく、冷却能力の高い液化窒素によって熱媒を冷却することが可能となる。

また、経路Ｌ１２の熱交換器２１４の一次側には、制御弁３３を有する経路Ｌ１６が設けられている。経路Ｌ１２から分岐されるこの経路Ｌ１６は、液化窒素式冷凍機２０４の予冷運転を行う際に液化窒素の呼び込みラインとして機能するものである。

以上説明したように、本実施形態の熱媒冷却装置２００によれば、中間熱媒を利用する構成を省略しているため、簡便な構成とすることができる。

＜各実施形態の変形例＞
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。

すなわち、熱負荷装置として、低温反応槽１に代えて、食品凍結や金属熱処理を行う冷却槽に適用でき、予め温度調整された熱媒を槽内に供給することで、攪拌ファンなどを必要とせず対象物を均一に冷却することができる。また、熱負荷装置として、低温反応槽１に代えて、コイル管又はその他の熱交換器を使用して蒸気を冷却、凝縮又は凝固させるコールドトラップに適用できる。コールドトラップに適用する場合、予め温度調整された熱媒を熱交換器内部に通すことにより精度よく均一な温度で凝縮及び凝固させることができる。

また、本発明の熱媒の循環経路を構成する経路及び開閉弁の位置、数は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。例えば、循環経路中の熱媒の一時的な温度変動が許容される場合には、液化窒素式冷凍機を迂回するバイパスラインとして機能する経路Ｌ９及び開閉弁Ｖ_５を省略することもできる。

さらに、液化窒素式冷凍機４，２０４の単独運転を行う必要がない場合には、機械式冷凍機３を迂回するバイパスラインとして機能する経路Ｌ７、Ｌ８、開閉弁Ｖ_１、Ｖ_３、Ｖ_４、副循環ポンプ３０、インバーター３１及び流量調整手段２９を省略することもできる。

本発明の熱媒冷却装置は、有機合成や晶析等の化学反応プロセスにおける温度制御に利用できる。

１００，２００・・・熱媒冷却装置
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）
Ｖ_１〜Ｖ_５・・・開閉弁（熱媒経路の切り替え手段）

Claims

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。