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WO2009145078A1 - 冷媒冷却装置 - Google Patents

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WO2009145078A1
WO2009145078A1 PCT/JP2009/059137 JP2009059137W WO2009145078A1 WO 2009145078 A1 WO2009145078 A1 WO 2009145078A1 JP 2009059137 W JP2009059137 W JP 2009059137W WO 2009145078 A1 WO2009145078 A1 WO 2009145078A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
refrigerant
heat exchanger
circulating refrigerant
liquefied gas
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2009/059137
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English (en)
French (fr)
Inventor
正浩 米倉
雅弘 武内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Sanso Holdings Corp
Original Assignee
Nippon Sanso Holdings Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Sanso Holdings Corp filed Critical Nippon Sanso Holdings Corp
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Priority to CN200980100278A priority patent/CN101796356A/zh
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D29/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25D29/001—Arrangement or mounting of control or safety devices for cryogenic fluid systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21—Temperatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerant cooling apparatus, and more specifically, refrigerant cooling for cooling a refrigerant used as a cooling source for a low temperature reaction such as fine chemical in the chemical industry by heat exchange in a heat exchanger using a low temperature liquefied gas as a cooling source. Relates to the device.
  • a refrigerant called brine When removing reaction heat generated by a chemical reaction, a refrigerant called brine is generally circulated and made of methanol, ethanol, ketone, amine, silicone oil, organic halide, or a mixture thereof.
  • Various low-temperature liquefied gases such as liquid nitrogen and liquid air, are used as cooling sources for cooling such refrigerants (circulated refrigerants) to be circulated to a low-temperature range that is difficult with ordinary refrigerators, for example, ⁇ 50 ° C. or lower.
  • the circulating refrigerant is cooled to a predetermined temperature by exchanging heat between the low-temperature liquefied gas and the circulating refrigerant in a heat exchanger.
  • a plurality of temperature sensors for detecting the temperature of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path of the heat exchanger are provided (for example, see Patent Document 1), or the refrigerant of the heat exchanger.
  • a temperature sensor and a pressure sensor are provided at the inlet / outlet part, and a temperature sensor is provided at the exhaust gas outlet part of the heat exchanger (see, for example, Patent Document 2). Control of the supply amount of the low-temperature liquefied gas to be supplied is performed.
  • the circulation is performed if the set temperature of the circulating refrigerant is up to about ⁇ 90 ° C.
  • the temperature of the refrigerant can be controlled sufficiently stably, in recent years, control in a lower temperature range has been demanded.
  • the heat transfer surface temperature of the heat exchanger may be locally below the freezing point of the circulating refrigerant.
  • Freezing and adhering to the heat transfer surface not only significantly reduces heat exchange efficiency, but also makes the flow path narrower and obstructs the flow of circulating refrigerant, making it impossible to circulate and supply a predetermined amount of circulating refrigerant to the object to be cooled. was there.
  • Patent Document 1 it is possible to avoid freezing of the circulating refrigerant by detecting the refrigerant temperature in the heat exchanger, but the temperature of the circulating refrigerant is set near the freezing point of the circulating refrigerant. It has been difficult to control to a certain level.
  • an object of the present invention is to provide a refrigerant cooling device that can cool the circulating refrigerant to a predetermined temperature efficiently and stably even when the cooling temperature of the circulating refrigerant is near the freezing point of the circulating refrigerant.
  • the refrigerant cooling device of the present invention is a refrigerant cooling device that cools the circulating refrigerant by causing countercurrent indirect heat exchange between the circulating refrigerant that cools the object to be cooled and the low-temperature liquefied gas using a heat exchanger, and the heat exchange
  • the refrigerant cooling device of the present invention is formed of a plurality of heat exchange units in which the heat exchangers are arranged in series, and at least the heat exchange unit located at the most downstream side in the flow direction of the circulating refrigerant is a double pipe type,
  • the other heat exchange unit is a plate fin type or a plate type
  • the second temperature detecting means is an inner pipe located downstream in the flow direction of the circulating refrigerant flowing in the inner pipe in the double pipe type heat exchange unit. Detect the heat transfer surface temperature.
  • the second temperature detection means is provided on the circulating refrigerant side of the heat transfer surface corresponding to the inflow portion of the low-temperature liquefied gas in the heat exchanger.
  • the circulating refrigerant temperature derived from the heat exchanger and the heat transfer surface temperature inside the heat exchanger are detected, and the supply amount of the low-temperature liquefied gas is controlled based on these detected temperatures.
  • the circulating refrigerant can be stably cooled to a predetermined temperature while avoiding that the circulating refrigerant partially freezes and adheres to the heat transfer surface.
  • the object to be cooled can be efficiently cooled.
  • FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the refrigerant cooling device of the present invention
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the state inside the heat exchanger.
  • the refrigerant cooling apparatus shown in the present embodiment is for cooling a low-temperature circulating refrigerant for cooling the low-temperature reaction tank 11 to a predetermined temperature, for example, a hydrocarbon-based refrigerant by heat exchange with a low-temperature liquefied gas, for example, liquefied nitrogen. Then, the circulating refrigerant flowing through the refrigerant circulation path 15 including the flow meter 12, the refrigerant circulation pump 13 and the reserve tank 14 and the low-temperature liquefied gas L introduced from the low-temperature liquefied gas introduction path 16 are subjected to countercurrent indirect heat exchange. A heat exchanger 17 is provided.
  • the heat exchanger 17 includes a plate fin type or plate type first heat exchange unit 18 disposed on the upstream side of the refrigerant circulation path 15 in the flow direction of the circulation refrigerant, and a double disposed on the downstream side of the circulation direction of the circulation refrigerant. It is composed of a tube-type second heat exchange unit 19, and the circulating refrigerant is cooled to the vicinity of a set temperature by a plate fin type or plate type first heat exchange unit 18 excellent in heat exchange efficiency, and is a double tube type.
  • the second heat exchange unit 19 is configured to cool the circulating refrigerant to a set temperature.
  • a flow path of the low-temperature liquefied gas L is formed between the outer pipe 19a and the inner pipe 19b, and a flow path of the circulating refrigerant D is formed in the inner pipe 19b.
  • the heat exchanger outlet side path 15a of the refrigerant circulation path 15 connected to the circulating refrigerant outlet side of the inner pipe 19b is provided with first temperature detection means 20 for detecting the temperature of the circulating refrigerant derived from the heat exchanger 17. ing.
  • the circulating refrigerant flow path side serving as the inner peripheral surface of the inner pipe 19b is provided.
  • the second temperature detecting means 21 for detecting the heat transfer surface temperature is provided.
  • the second heat exchange unit 19 is a countercurrent type, normally, the inflow in which the low-temperature liquefied gas flows into the flow path of the low-temperature liquefied gas L at the outlet of the second heat exchange unit 19 in the flow path of the circulating refrigerant D.
  • the second temperature detecting means 21 is provided at a position corresponding to the part.
  • a first temperature indicating controller (TIC-1) 22 that operates based on the refrigerant temperature detected by the first temperature detecting means 20 and a preset first temperature set value.
  • a second temperature indicating controller (TIC-) which operates based on the heat transfer surface temperature detected by the second temperature detecting means 21 and a preset second temperature set value.
  • the second flow rate control means 25 controlled by 24 is arranged in series.
  • a certain amount of the circulating refrigerant is discharged from the refrigerant circulation pump 13 that operates based on the detected flow rate of the flow meter 12 and is introduced into the heat exchanger 17.
  • the heat exchanger 17 first, it is cooled to a temperature slightly higher than the set temperature in the upstream plate fin type or plate type first heat exchange unit 18, and then the downstream double pipe type second heat
  • the replacement unit 19 cools to the set temperature.
  • the circulating refrigerant cooled to the set temperature is introduced into the jacket 11a of the low-temperature reaction tank 11 which is the object to be cooled, and is cooled by the refrigerant circulation pump 13 through the flow meter 12 after cooling the low-temperature reaction tank 11. Circulates through the refrigerant circulation path 15. Further, the circulating refrigerant in the reserve tank 14 enters and exits the refrigerant circulation path 15 in accordance with a change in the volume of the circulating refrigerant due to temperature.
  • the low-temperature liquefied gas is introduced from the low-temperature liquefied gas introduction path 16 through the first flow rate control means 23 and the second flow rate control means 25 into the heat exchanger 17 from the circulating refrigerant outlet side of the heat exchanger 17, and the second heat exchange.
  • the unit 19 and the first heat exchange unit 18 perform countercurrent indirect heat exchange with the circulating refrigerant to cool the circulating refrigerant.
  • the gas whose temperature has increased by cooling the circulating refrigerant and is vaporized is led out as exhaust gas G from the first heat exchange unit 18 to the exhaust gas outlet path 26.
  • the set temperature of the circulating refrigerant is input to the first temperature indicating controller 22 as the first temperature set value, and the second temperature is set.
  • the indication controller 24 receives a freezing point (melting point) of the circulating refrigerant or a temperature close to the freezing point as a second temperature set value.
  • the control of the first flow rate control unit 23 by the first temperature indicating controller 22 is as follows: It opens when the refrigerant temperature detected by the first temperature detection means 20 is higher than the first temperature set value, and closes when the refrigerant temperature is lower than the first temperature set value.
  • the control of the second flow rate control means 25 by the second temperature indicating controller 24 opens when the heat transfer surface temperature detected by the second temperature detection means 21 is higher than the second temperature set value, and the heat transfer surface temperature Is closed when the temperature is lower than the second temperature set value.
  • the first flow rate control means 23 arranged in series in the low-temperature liquefied gas introduction path 16 based on the refrigerant temperature detected by the first temperature detection means 20 and the heat transfer surface temperature detected by the second temperature detection means 21;
  • each of the second flow rate control means 25 it is possible to prevent a part of the circulating refrigerant from freezing in the inner pipe 19b even when the set temperature is near the freezing point of the circulating refrigerant.
  • the frozen material F does not adhere to the heat transfer surface S in large quantities and obstructs the flow of the circulating refrigerant, and does not reduce the heat exchange efficiency. Can do.
  • the heat exchanger 17 can use only one double-pipe heat exchange unit, but the heat transfer surface on the upstream side in the flow direction of the circulating refrigerant is larger than that of the double-pipe type.
  • the plate fin type or plate type heat exchange unit 18 having high heat exchange efficiency, the circulating refrigerant whose temperature is rising can be efficiently cooled, and the entire heat exchanger can be reduced in size and low in temperature. The consumption of liquefied gas can also be reduced.
  • the mounting position of the second temperature detection means 21 is arbitrary, and the number of installations is also arbitrary.
  • the AC heat exchange unit 19 In the second heat exchange unit 19, the outlet portion where the refrigerant is at the lowest temperature or its vicinity, the AC heat exchange unit In this case, by installing it on the side of the circulating refrigerant flow path on the heat transfer surface corresponding to the part where the low temperature liquefied gas flows into the low temperature liquefied gas flow path, the transmission of the portion where the circulating refrigerant is most likely to freeze and adhere is increased. Since the hot surface temperature can be detected, the second flow rate control means 25 can be reliably controlled by one temperature detection means (temperature sensor).
  • the configuration and number of installed heat exchangers are arbitrary, and when installing multiple heat exchange units, the double pipe type heat that can reliably measure the heat transfer surface temperature at the most downstream in the flow direction of the circulating refrigerant. Arrange the replacement unit.
  • the flow rate control means is not limited to the shut-off valve that performs the open / close control, and may be a flow rate adjustment valve that can adjust the flow rate.
  • the positional relationship between the first flow rate control means and the second flow rate control means in the low-temperature liquefied gas introduction path is arbitrary, and either may be located upstream.
  • the heat exchange method in each heat exchange unit may be either counter-current or parallel flow, or may be an immersion method.
  • the refrigerant cooling apparatus having the configuration shown in the above embodiment was used, and the low temperature reaction tank was cooled using a circulating refrigerant having a freezing point of ⁇ 136 ° C. as the circulating refrigerant.
  • the temperature setting value of the first temperature indicating controller was set to ⁇ 110 ° C.
  • the temperature setting value of the second temperature indicating controller was set to ⁇ 136 ° C.
  • the cooling operation was performed by circulating the circulating refrigerant at a constant flow rate. .
  • the detected values are stabilized 30 minutes after the start of the cooling operation, and the circulating refrigerant is cooled to ⁇ 110 ° C. in a stable state and can be supplied to the low-temperature reaction tank at a constant flow rate. .
  • FIG. 4 shows changes with time of the circulating refrigerant temperature T4 detected by the refrigerant temperature detector and the exhaust gas temperature T5 detected by the evaporative gas temperature detector.
  • the temperature setting value of the first temperature indicating controller when the temperature setting value of the first temperature indicating controller is in the range from ⁇ 80 ° C. to ⁇ 95 ° C. (the range from 30 minutes to 190 minutes after the start of operation), the temperature of the circulating refrigerant corresponds to each temperature setting value. However, if the temperature setting value of the first temperature indicating controller is set to a low temperature of ⁇ 95 ° C. or lower, the temperature of the circulating refrigerant becomes unstable and the temperature setting value is reduced to ⁇ 110 ° C. Then (290 minutes after the start of operation), the exhaust gas temperature also changes abruptly, indicating that the circulating refrigerant could not be cooled in a stable state at -110 ° C.

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Abstract

　循環冷媒の冷却温度が循環冷媒の凝固点付近であっても、循環冷媒を所定温度に効率よく安定した状態で冷却することができる冷媒冷却装置である。この装置は、低温反応槽１１などの被冷却物を冷却する循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器１７で向流間接熱交換させて循環冷媒を冷却する装置であって、熱交換器１７から導出した循環冷媒の温度を第１温度検出手段２０で検出して低温液化ガスの供給量を制御する第１流量制御手段２３と、熱交換器内部の伝熱面温度を第２温度検出手段２１で検出して低温液化ガスの供給量を制御する第２流量制御手段２５とを、熱交換器へ低温液化ガスを供給する低温液化ガス導入経路１６に直列に配設する。

Description

冷媒冷却装置
　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冷媒冷却装置に関する。
　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や、あるいはこれらの混合物からなり、一般にブラインと呼ばれる冷媒が循環使用されている。このような循環使用される冷媒（循環冷媒）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、低温液化ガスと循環冷媒とを熱交換器で熱交換させることにより循環冷媒を所定温度に冷却している。
　また、循環冷媒の温度を設定温度に制御するため、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒温度を検出する複数の温度センサを設けたり（例えば、特許文献１参照。）、熱交換器の冷媒出入口部に温度センサ及び圧力センサをそれぞれ設けるとともに熱交換器の排ガス出口部に温度センサを設けたり（例えば、特許文献２参照。）するなどして、これらのセンサからの信号で熱交換器に供給する低温液化ガスの供給量を制御することが行われている。
実開平６－２２８８０号公報 特開平１１－３７６２３号公報
　従来の温度制御においても、循環冷媒の凝固点に比べて十分に高い温度の場合、例えば凝固点が－１３０～－１４０℃程度の循環冷媒の場合、循環冷媒の設定温度が－９０℃程度までなら循環冷媒の温度を十分に安定して制御することができるが、近年は、より低温域での制御が求められている。循環冷媒を従来より低温に制御しようとする場合、設定温度が凝固点に近くなると、熱交換器の伝熱面温度が局所的に循環冷媒の凝固点以下になるおそれがあり、循環冷媒の一部が凍結して伝熱面に付着し、熱交換効率が著しく低下するだけでなく、流路が狭くなって循環冷媒の流れが妨げられ、所定量の循環冷媒を被冷却物に循環供給できなくなることがあった。
　一方、凝固点の低い物質を循環冷媒に採用したり、中間冷媒を使用して熱交換器における温度差を小さくしたりすることによって循環冷媒の凍結を回避することは可能であるが、冷媒コストが嵩んだり、設備コストが大幅に増加したりする問題があった。
　また、特許文献１に記載されているように、熱交換器内の冷媒温度を検出することによって循環冷媒の凍結を回避することは可能ではあるが、循環冷媒の凝固点付近では循環冷媒の温度を一定に制御することが困難となっていた。
　そこで本発明は、循環冷媒の冷却温度が循環冷媒の凝固点付近であっても、循環冷媒を所定温度に効率よく安定した状態で冷却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。
　本発明の冷媒冷却装置は、被冷却物を冷却する循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器で向流間接熱交換させることにより前記循環冷媒を冷却する冷媒冷却装置であって、前記熱交換器から導出した前記循環冷媒の温度を検出する第１温度検出手段と、該第１温度検出手段で検出した循環冷媒の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第１流量制御手段と、前記熱交換器の内部の伝熱面の温度を検出する第２温度検出手段と、該第２温度検出手段で検出した伝熱面の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第２流量制御手段とを備え、前記第１流量制御手段と前記第２流量制御手段とを前記熱交換器に低温液化ガスを導入する低温液化ガス導入経路に直列に配設している。
　さらに、本発明の冷媒冷却装置は、前記熱交換器が直列に配置された複数の熱交換ユニットで形成され、少なくとも前記循環冷媒の流れ方向最下流に位置する熱交換ユニットが二重管式、他の熱交換ユニットがプレートフィン式又はプレート式であって、前記第２温度検出手段は、二重管式の熱交換ユニットにおける内管内を流れる循環冷媒の流れ方向下流側に位置する内管の伝熱面温度を検出する。また、前記第２温度検出手段は、前記熱交換器における前記低温液化ガスの流入部に対応した伝熱面の循環冷媒側に設けられている。
　本発明の冷媒冷却装置によれば、熱交換器から導出した循環冷媒温度と熱交換器内部の伝熱面温度とを検出し、これらの検出温度に基づいて低温液化ガスの供給量を制御する手段を低温液化ガス導入経路に直列に配設したことにより、循環冷媒の一部が凍結して伝熱面に付着することを回避しながら循環冷媒を所定温度に安定して冷却することができ、被冷却物を効率よく冷却することができる。
本発明の冷媒冷却装置の一形態例を示す系統図である。 熱交換器内部の状態を示す説明図である。 本発明の冷媒冷却装置で冷却運転を行っているときの排ガス温度、冷媒温度、伝熱面温度及び差圧の経時変化を示す図である。 従来の冷媒冷却装置で冷却運転を行っているときの循環冷媒温度及び排ガス温度の経時変化を示す図である。
　図１は本発明の冷媒冷却装置の一形態例を示す系統図、図２は熱交換器内部の状態を示す説明図である。
　本形態例に示す冷媒冷却装置は、低温反応槽１１を所定温度に冷却するための低温循環冷媒、例えば炭化水素系冷媒を、低温液化ガス、例えば液化窒素との熱交換により冷却するためのものであって、流量計１２、冷媒循環ポンプ１３及びリザーブタンク１４を備えた冷媒循環経路１５を流れる循環冷媒と低温液化ガス導入経路１６から導入される低温液化ガスＬとを向流間接熱交換させる熱交換器１７を備えている。
　熱交換器１７は、冷媒循環経路１５における循環冷媒の流れ方向上流側に配置されるプレートフィン式又はプレート式の第１熱交換ユニット１８と、循環冷媒の流れ方向下流側に配置される二重管式の第２熱交換ユニット１９とで構成されており、熱交換効率に優れたプレートフィン式又はプレート式の第１熱交換ユニット１８で設定温度付近まで循環冷媒を冷却し、二重管式の第２熱交換ユニット１９で循環冷媒を設定温度に冷却するように形成されている。
　図２に示すように、第２熱交換ユニット１９は、外管１９ａと内管１９ｂとの間に低温液化ガスＬの流路が形成され、内管１９ｂ内に循環冷媒Ｄの流路が形成されている。内管１９ｂの循環冷媒出口側に接続した冷媒循環経路１５の熱交換器出口側経路１５ａには、熱交換器１７から導出された循環冷媒の温度を検出する第１温度検出手段２０が設けられている。さらに、内管１９ｂ内を流れる循環冷媒の流れ方向下流側で、循環冷媒の温度が最も低くなる位置、あるいはこの最低温度位置の近傍には、内管１９ｂの内周面となる循環冷媒流路側の伝熱面温度を検出する第２温度検出手段２１が設けられている。この第２熱交換ユニット１９が向流式の場合、通常は、循環冷媒Ｄの流路における第２熱交換ユニット１９の出口部で、低温液化ガスＬの流路に低温液化ガスが流入する流入部に対応した位置に前記第２温度検出手段２１が設けられる。
　一方、低温液化ガス導入経路１６には、前記第１温度検出手段２０で検出した冷媒温度及びあらかじめ設定された第１温度設定値に基づいて作動する第１温度指示調節計（ＴＩＣ－１）２２により制御される第１流量制御手段２３と、前記第２温度検出手段２１で検出した伝熱面温度及びあらかじめ設定された第２温度設定値に基づいて作動する第２温度指示調節計（ＴＩＣ－２）２４によりに制御される第２流量制御手段２５とが直列に配設されている。
　循環冷媒は、流量計１２の検出流量に基づいて作動する冷媒循環ポンプ１３から一定量が吐出されて熱交換器１７に導入される。熱交換器１７では、最初に上流側のプレートフィン式又はプレート式の第１熱交換ユニット１８にて設定温度より僅かに高い温度にまで冷却され、次いで下流側の二重管式の第２熱交換ユニット１９にて設定温度に冷却される。設定温度に冷却された循環冷媒は、被冷却物である低温反応槽１１のジャケット１１ａ内に導入され、低温反応槽１１を冷却した後、流量計１２を経て冷媒循環ポンプ１３に吸引されることによって冷媒循環経路１５を循環する。また、温度による循環冷媒の体積変化に応じてリザーブタンク１４内の循環冷媒が冷媒循環経路１５に出入りする。
　低温液化ガスは、第１流量制御手段２３及び第２流量制御手段２５を通って低温液化ガス導入経路１６から熱交換器１７の循環冷媒出口側から熱交換器１７に導入され、第２熱交換ユニット１９及び第１熱交換ユニット１８にて循環冷媒と向流間接熱交換を行い、循環冷媒を冷却する。循環冷媒を冷却することにより温度上昇して気化したガスは、第１熱交換ユニット１８から排ガス導出経路２６に排ガスＧとして導出される。
　このように熱交換器１７にて低温液化ガスで循環冷媒を設定温度に冷却するにあたり、第１温度指示調節計２２には循環冷媒の設定温度が第１温度設定値として入力され、第２温度指示調節計２４には循環冷媒の凝固点（融点）あるいは凝固点に近い温度が第２温度設定値として入力される。第１流量制御手段２３及び第２流量制御手段２５として共にＯＮ－ＯＦＦ制御（開閉制御）される遮断弁を用いた場合、第１温度指示調節計２２による第１流量制御手段２３の制御は、第１温度検出手段２０で検出した冷媒温度が第１温度設定値より高いときに開き、冷媒温度が第１温度設定値より低いときに閉じる動作を行う。
同様に、第２温度指示調節計２４による第２流量制御手段２５の制御は、第２温度検出手段２１で検出した伝熱面温度が第２温度設定値より高いときに開き、伝熱面温度が第２温度設定値より低いときに閉じる動作を行う。
　すなわち、第１温度検出手段２０で検出した冷媒温度と第２温度検出手段２１で検出した伝熱面温度とに基づいて低温液化ガス導入経路１６に直列に配設した第１流量制御手段２３及び第２流量制御手段２５をそれぞれ制御することにより、設定温度が循環冷媒の凝固点付近の場合であっても、循環冷媒の一部が内管１９ｂ内で凍結することを防止することができ、図２に示すように凍結物Ｆが伝熱面Ｓに大量に付着して循環冷媒の流れを妨げたり、熱交換効率を低下させたりすることがなく、安定した状態で効率よく熱交換を行うことができる。
　また、熱交換器１７は、二重管式の熱交換ユニットを１基だけ用いることも可能であるが、循環冷媒の流れ方向上流側に、二重管式に比べて伝熱面が多く、熱交換効率が高いプレートフィン式又はプレート式の熱交換ユニット１８を配置することにより、温度上昇している循環冷媒を効率よく冷却することができ、熱交換器全体の小型化が図れるとともに、低温液化ガスの消費量も低減することができる。
　さらに、第２温度検出手段２１の取付位置は任意であり、設置数も任意であるが、第２熱交換ユニット１９において冷媒が最低温度となる出口部分又はその近傍部分、交流式熱交換ユニットの場合には低温液化ガス流路に低温液化ガスが流入する部分に対応した伝熱面の循環冷媒流路側面に設置することにより、循環冷媒が凍結して付着するおそれが最も高くなる部分の伝熱面温度を検出することができるので、第２流量制御手段２５の制御を一つの温度検出手段（温度センサ）で確実に行うことができる。
　なお、熱交換器の構成及び設置数は任意であり、複数の熱交換ユニットを設置する場合、循環冷媒の流れ方向最下流には伝熱面温度を確実に測定可能な二重管式の熱交換ユニットを配置する。また、流量制御手段は、開閉制御を行う遮断弁に限るものではなく、流量調整を行える流量調整弁であってもよい。さらに、低温液化ガス導入経路における第１流量制御手段と第２流量制御手段との位置関係は任意であり、どちらが上流側に位置してもよい。また、各熱交換ユニットにおける熱交換方式は、向流、並流のいずれであってもよく、浸漬方式であってもよい。
　前記形態例に示した構成の冷媒冷却装置を使用し、循環冷媒として凝固点が－１３６℃の循環冷媒を用いて低温反応槽の冷却運転を行った。第１温度指示調節計の温度設定値を－１１０℃に、第２温度指示調節計の温度設定値を－１３６℃にそれぞれ設定するとともに、循環冷媒を一定流量で循環させて冷却運転を行った。排ガス温度Ｔ１、第１温度検出手段で検出した冷媒温度Ｔ２、第２温度検出手段で検出した伝熱面温度Ｔ３及び循環冷媒の熱交換器前後の差圧Ｐ１の経時変化を図３に示す。図３から明らかなように、冷却運転開始３０分後には各検出値が安定し、循環冷媒を安定した状態で－１１０℃に冷却し、一定流量で低温反応槽に供給できていることがわかる。
　一方、前記特許文献２に記載された構成の従来の冷媒冷却装置を使用し、該冷媒冷却装置における第一温度指示調節計の温度設定値を－８０℃から－１１０℃まで段階的に変化させて冷却運転を行った。冷媒温度検出部で検出した循環冷媒温度Ｔ４及び蒸発ガス温度検出部で検出した排ガス温度Ｔ５の経時変化を図４に示す。
　図４において、第一温度指示調節計の温度設定値が－８０℃から－９５℃までの範囲（運転開始後３０分から１９０分までの範囲）では、循環冷媒を各温度設定値に対応した温度に安定して冷却することができたが、第一温度指示調節計の温度設定値を－９５℃以下の低温に設定すると循環冷媒の温度が不安定になり、温度設定値を－１１０℃にすると（運転開始後２９０分）、排ガス温度も急激に変化するようになり、循環冷媒を－１１０℃に安定した状態で冷却することができなくなったことがわかる。
　１１…低温反応槽、１１ａ…ジャケット、１２…流量計、１３…冷媒循環ポンプ、１４…リザーブタンク、１５…冷媒循環経路、１５ａ…熱交換器出口側経路、１６…低温液化ガス導入経路、１７…熱交換器、１８…第１熱交換ユニット、１９…第２熱交換ユニット、１９ａ…外管、１９ｂ…内管、２０…第１温度検出手段、２１…第２温度検出手段、２２…第１温度指示調節計、２３…第１流量制御手段、２４…第２温度指示調節計、２５…第２流量制御手段、２６…排ガス導出経路

Claims (3)

  1. 　被冷却物を冷却する循環冷媒と低温液化ガスとを熱交換器で向流間接熱交換させることにより前記循環冷媒を冷却する冷媒冷却装置であって、前記熱交換器から導出した前記循環冷媒の温度を検出する第１温度検出手段と、該第１温度検出手段で検出した循環冷媒の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第１流量制御手段と、前記熱交換器の内部の伝熱面の温度を検出する第２温度検出手段と、該第２温度検出手段で検出した伝熱面の温度に応じて熱交換器に導入する前記低温液化ガスの供給量を制御する第２流量制御手段とを備え、前記第１流量制御手段と前記第２流量制御手段とを前記熱交換器に低温液化ガスを導入する低温液化ガス導入経路に直列に配設した冷媒冷却装置。
  2. 　前記熱交換器は、直列に配置された複数の熱交換ユニットで形成され、少なくとも前記循環冷媒の流れ方向最下流に位置する熱交換ユニットが二重管式、他の熱交換ユニットがプレートフィン式又はプレート式であって、前記第２温度検出手段は、二重管式の熱交換ユニットにおける内管内を流れる循環冷媒の流れ方向下流側に位置する内管の伝熱面温度を検出する請求項１記載の冷媒冷却装置。
  3. 　前記第２温度検出手段は、前記熱交換器における前記低温液化ガスの流入部に対応した伝熱面の循環冷媒側に設けられている請求項１又は２記載の冷媒冷却装置。
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