特開 2024-115772 ２次冷媒の冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115772

(43)【公開日】2024-08-27

(54)【発明の名称】２次冷媒の冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F25D 17/02 20060101AFI20240820BHJP

   F25D 9/00 20060101ALI20240820BHJP

   F25D 3/10 20060101ALI20240820BHJP

【ＦＩ】

F25D17/02 304

F25D9/00 B

F25D3/10 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021601

(22)【出願日】2023-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100128358

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 良彦

(74)【代理人】

【識別番号】100086210

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 一彦

(72)【発明者】

【氏名】米倉 正浩

【テーマコード（参考）】

3L044

【Ｆターム（参考）】

3L044AA01

3L044CA03

3L044DB03

3L044FA01

3L044FA04

3L044HA05

3L044JA03

3L044JA05

3L044KA04

(57)【要約】

【課題】リザーブタンク中の２次冷媒の液面位置を一定の高さ以上に維持させ、２次冷媒の冷却中でも熱交換部が２次冷媒の液面から露出することを防止することができる２次冷媒の冷却装置を提供する。
【解決手段】２次冷媒を貯留するリザーブタンク４に、１次冷媒を流通させた熱交換部２を設け、該熱交換部２で、１次冷媒と熱交換することにより冷却された２次冷媒を、負荷部８に循環供給する２次冷媒の冷却装置において、リザーブタンク４に、２次冷媒の液面を維持させる液面維持部材５を設け、液面維持部材５は、内部に非凝縮性ガスが封入されるとともに、封入された非凝縮性ガスの圧力調整機構を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２次冷媒を貯留するリザーブタンクに、１次冷媒を流通させた熱交換部を設け、該熱交換部で、前記１次冷媒と熱交換することにより冷却された前記２次冷媒を、負荷部に循環供給する２次冷媒の冷却装置において、前記リザーブタンクに、前記２次冷媒の液面を維持させる液面維持部材を設け、
前記液面維持部材は、内部に非凝縮性ガスが封入されるとともに、封入された非凝縮性ガスの圧力調整機構を備えていることを特徴とする２次冷媒の冷却装置。

【請求項2】

前記２次冷媒熱交換部は、金属製パイプをコイル状に巻いて形成され、
前記リザーブタンクは、前記リザーブタンクの上方から下方に亘って回転自在に保持される回転軸と、該回転軸の下端部に設けられ、回転軸と一体に回転して前記２次冷媒を撹拌する撹拌羽根とを備え、
前記液面維持部材は、薄肉金属で中空円筒状に形成されるとともに、中心部に前記回転軸を挿通させる回転軸挿通孔を備え、該回転軸挿通孔に前記回転軸を挿通し、前記２次冷媒熱交換部の内側で、且つ、前記撹拌羽根と接触しない位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の２次冷媒の冷却装置。

【請求項3】

前記圧力調整機構は、前記非凝縮性ガスを液面維持部材に導入する非凝縮性ガス導入経路に設けられた圧力調整弁と、前記非凝縮性ガスを液面維持部材から排気する非凝縮性ガス排気経路に設けられ圧力調整弁とを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の２次冷媒の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２次冷媒の冷却装置に関し、詳しくは、リザーブタンク内に貯留される２次冷媒の液面位置を一定の高さ以上に維持させる構造を備えた２次冷媒の冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、液化窒素等の低温液化ガスの持つ寒冷を利用して、液体状態の２次冷媒を循環制御し、負荷部を低温に維持する２次冷媒の冷却装置が知られている（特許文献１，２を参照。）。低温液化ガスと２次冷媒とを熱交換し、２次冷媒を冷却するための熱交換部を、特許文献１のように２次冷媒の循環経路に設けるものや、特許文献２のように２次冷媒を貯留するリザーブタンク内部に設けるものがあった。特許文献２の熱交換部は、金属製のパイプをコイル状に巻いて形成され、２次冷媒を冷却する低温液化ガスを流通させていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０６８１０８号公報

【特許文献2】国際公開第２０１４／０８３８１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上述の特許文献２の熱交換部は、２次冷媒との伝熱面積を確保するために、２次冷媒の液中に配置されることが好ましいが、２次冷媒の低温下での密度や粘度などの物性値は推算値であることが多く、冷却時における２次冷媒の密度の増加により、２次冷媒の液面が設定上の想定よりも低下し、熱交換部が液面から露出することがあった。熱交換部が２次冷媒の液面から露出すると、伝熱面積が不足し冷却速度が低下したり、２次冷媒を循環させるためのポンプの揚呈が不足し、循環させる２次冷媒の流量が安定しなかったりする不都合があった。

【0005】

そこで本発明は、リザーブタンク中の２次冷媒の液面位置を一定の高さ以上に維持させ、２次冷媒の冷却中でも熱交換部が２次冷媒の液面から露出することを防止することができる２次冷媒の冷却装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の２次冷媒の冷却装置は、２次冷媒を貯留するリザーブタンクに、１次冷媒を流通させた熱交換部を設け、該熱交換部で、前記１次冷媒と熱交換することにより冷却された前記２次冷媒を、負荷部に循環供給する２次冷媒の冷却装置において、前記リザーブタンクに、前記２次冷媒の液面を維持させる液面維持部材を設け、前記液面維持部材は、内部に非凝縮性ガスが封入されるとともに、封入された非凝縮性ガスの圧力調整機構を備えていることを特徴としている。

【0007】

また、前記２次冷媒熱交換部は、金属製パイプをコイル状に巻いて形成され、前記リザーブタンクは、前記リザーブタンクの上方から下方に亘って回転自在に保持される回転軸と、該回転軸の下端部に設けられ、回転軸と一体に回転して前記２次冷媒を撹拌する撹拌羽根とを備え、前記液面維持部材は、薄肉金属で中空円筒状に形成されるとともに、中心部に前記回転軸を挿通させる回転軸挿通孔を備え、該回転軸挿通孔に前記回転軸を挿通し、前記２次冷媒熱交換部の内側で、且つ、前記撹拌羽根と接触しない位置に配置されると好ましい。

【0008】

さらに、前記圧力調整機構は、前記非凝縮性ガスを液面維持部材に導入する非凝縮性ガス導入経路に設けられた圧力調整弁と、前記非凝縮性ガスを液面維持部材から排気する非凝縮性ガス排気経路に設けられ圧力調整弁とを備えていると好適である。

【発明の効果】

【0009】

本発明の２次冷媒の冷却装置によれば、液面維持部材により、冷却中の２次冷媒の密度増加により液面が低下しても、リザーブタンク内の２次冷媒の液面を一定以上に維持した状態となっていることから、熱交換部が２次冷媒の液面から露出することを防止する。これにより、熱交換部と２次冷媒との伝熱面積が不足して、２次冷媒の冷却速度が低下するおそれがない。さらに、２次冷媒を循環させるためのポンプの揚呈が、液面低下によって不足するおそれがないことから、循環させる２次冷媒の流量を安定させることができる。

【0010】

また、液面維持部材の内部に非凝縮性ガスを封入し、圧力保持機構を設けることにより、液面維持部材の内圧を安定させ、非凝縮性ガスの圧力変動が少ないことから、リザーブタンク内の温度が低温下から常温下となった際に、非凝縮性ガス排気経路から排出される非凝縮性ガスの量を抑えることができ、コストの低減化を図ることができる。

【0011】

また、液面維持部材は中空円筒状に形成され、中心部に設けた回転軸挿通孔に撹拌羽根の回転軸を挿通し、金属製パイプをコイル状に巻いて形成した熱交換部の内側で、且つ、撹拌羽根と接触しない位置に配置されることにより、リザーブタンクを大型化させることなく液面維持部材をリザーブタンク内に配置でき、さらに、液面維持部材が、熱交換部と２次冷媒との熱交換や、撹拌羽根の作動を邪魔することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一形態例である２次冷媒の冷却装置を示す模式図である。

【図2】図２（ａ）は本発明の一形態例を示す液面維持部材の斜視図で、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、その変形例である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は本発明の一形態例である２次冷媒の冷却装置１を示すものである。冷却装置１は、熱交換部２、封入窒素ガス供給ライン３、リザーブタンク４、液面維持部材５、２次冷媒流下ライン６、２次冷媒循環ライン７、負荷部８、排気ライン９及び２次冷媒供給部（図示せず）から概略構成されている。

【0014】

熱交換部２は、リザーブタンク４内の２次冷媒を熱交換によって冷却するために内部に１次冷媒としての低温液化ガス（液化窒素など）を流通させるものである。この熱交換部２は、低温液化ガス供給源（図示せず）からリザーブタンク４内に挿通する液化ガス供給ライン２ａと、液化ガス供給部と連結し、熱伝導に優れた銅や銅合金等で形成されたパイプをコイル状に巻いて形成されている熱交換本体部２ｂと、熱交換本体部２ｂで熱交換された後の気化した液化ガスをリザーブタンク４の外に抜き出す液化ガス排気ライン２ｃと、で概略構成されている。

【0015】

封入窒素ガス供給ライン３は、２次冷媒とともにリザーブタンク４の気相部に封入される窒素ガスを供給する経路であり、途中に圧力制御弁３ａが設けられている。本形態例では、０．０３－０．０５ＭＰａに圧力制御されている。

【0016】

リザーブタンク４は、２次冷媒供給部（図示せず）によって供給された２次冷媒を、熱交換部２によって冷却して貯留するタンクである。中心部には、駆動モータＭによって回転する回転軸１０がリザーブタンク４の上方から下方に亘って保持され、回転軸１０の下端部には、回転軸１０と一体に回転して２次冷媒を撹拌する複数の撹拌羽根１１が備えられている。また、リザーブタンク４には、液面計１２と温度支持調節器１３とが設けられるとともに、内部には、液面維持部材５が配置されている。

【0017】

液面維持部材５は、図２（ａ）に示されるように、極低温領域で使用可能な例えば、オーステナイト系ステンレス鋼や、アルミ合金、銅合金等の厚さ１～５ｍｍ程度の薄肉金属で、中空円筒状に形成されるとともに、中心部に回転軸挿通孔５ａが形成され、中空部には、非凝縮性ガス（例えば窒素ガス）が封入される。液面維持部材５の上部には、非凝縮性ガスを液面維持部材５に導入する非凝縮性ガス導入経路１４と、非凝縮性ガスを排気する非凝縮性ガス排気経路１５とが接続され、非凝縮性ガス導入経路１４の途中には、圧力制御弁１４ａと逆止弁１４ｂとが、非凝縮性ガス排気経路１５の途中には、圧力制御弁１５ａと逆止弁１５ｂとがそれぞれ設けられている。このように、冷却終了後、２次冷媒の温度が徐々に上昇するに従って、液面維持部材５の内圧が上昇しても、内圧を一定圧力に保持する機構を設けられている（本発明の圧力調整機構）。液面維持部材５は、回転軸挿通孔５ａに前記回転軸１０を挿通し、コイル状に巻かれた熱交換本体部２ｂの内側で、且つ、撹拌羽根１１の上部側に配置される。

【0018】

なお、液面維持部材５の形状は、撹拌羽根１１の形状に応じて適宜変更すればよく、例えば、撹拌羽根１１が回転軸１０の下端部だけでなく中間部の２カ所に設けられている場合では、図２（ｂ）に示されるように、液面維持部材を下部液面維持部材５ｂと上部液面維持部材５ｃとを連結管１６で連結して上下に分割し、下部液面維持部材５ｂの下方に下端部の撹拌羽根を、上部液面維持部材５ｃと下部液面維持部材５ｂとの間に、中間部の撹拌羽根を配置させ、双方の撹拌羽根の回転に支障を来さないようにする。さらに、図２（ｃ）に示されるように、下部液面維持部材５ｂと上部液面維持部材５ｃとを更に左右に分割し、下部液面維持部材５ｂを下部分割体５ｄ，５ｄで構成し、上部液面維持部材５ｃを上部分割体５ｅ，５ｅで構成するようにしてもよい。

【0019】

２次冷媒流下ライン６は、リザーブタンク４の底部に貯留した２次冷媒を、後述する２次冷媒循環ライン７に供給する経路であり、一端がリザーブタンク４に接続されており、他端が２次冷媒循環ライン７に接続されている。

【0020】

２次冷媒循環ライン７は、リザーブタンク４において冷却された２次冷媒を負荷部８に供給するとともに、負荷部８から排出した２次冷媒をリザーブタンク４に戻す経路であり、途中に循環ポンプ７ａと流量計７ｂとが設けられている。

【0021】

排気ライン９は、リザーブタンク４の上部において、気相の２次冷媒及び窒素ガスが当該リザーブタンク４内部で一定圧以上（例えば、０．１０ＭＰａ）となった場合に排出されるための経路であり、途中に圧力制御弁９ａが設けられている。

【0022】

本形態例の２次冷媒の冷却装置１では、リザーブタンク４内に液面維持部材５を配置したことにより、リザーブタンク４の２次冷媒の液面が、液面維持部材５の体積分、上昇した状態となっており、低温下で２次冷媒の液面が下がったとしても、熱交換本体部２ｂが２次冷媒の液面から露出することを防止する。これにより、伝熱面積が不足して冷却速度が低下するおそれがない。さらに、循環ポンプ７ａの揚呈が、液面低下によって不足するおそれがなく、循環させる２次冷媒の流量を安定させることができる。また、２次冷媒を必要最低限の容量を充填すれば良く、冷媒コストも低減できる。

【0023】

また、液面維持部材５は、中心部に回転軸１０を挿通させる回転軸挿通孔５ａを備えた中空円筒状に形成され、熱交換本体部２ｂの内側の空いている領域を利用して、撹拌羽根１１の上部に配置することから、リザーブタンク４を大型化させることなく液面維持部材５をリザーブタンク４内に配置させることができる。また、これにより、液面維持部材５が、熱交換本体部２ｂと２次冷媒との熱交換や、撹拌羽根１１の作動の邪魔をするおそれがない。

【0024】

さらに、液面維持部材５は、中空部に非凝縮性ガスを封入し、非凝縮性ガス導入経路１４と非凝縮性ガス排気経路１５とを接続したことにより、液面維持部材５の内圧を安定させることができる。また、非凝縮性ガスは圧力変動が少ないことから、リザーブタンク４内の温度が低温下から常温下となった際に、非凝縮性ガス排気経路１５から排出される非凝縮性ガスの量を抑えることができ、コストの低減化を図ることができる。

【実施例0025】

前記形態例に示した構成の冷却装置を使用し、２次冷媒として大気圧沸点＋４２℃、凝固点約－１４７℃、蒸気圧０．０５ＭＰａ（＋２０℃）のフッ化エーテルを用いて、冷却運転を行った。体積１５０Ｌのリザーブタンク４内は、予め窒素ガスで十分にパージし、水分が混入しないようにした。体積３９Ｌの液面維持部材５に、非凝縮性ガスとして窒素ガスを封入した。

【0026】

２次冷媒投入口（図示せず）から、フッ化エーテル（＋２０℃～＋２５℃）をリザーブタンク４に供給し、液面Ｌ１となるまで供給する。次に、２次冷媒投入口を閉じ、循環ポンプ７ａを起動させ、フッ化エーテルを負荷部８に循環させるとともに、駆動モータＭを起動させ、リザーブタンク４内を撹拌させた。フッ化エーテルは、熱交換本体部２ｂにより低温液化ガス（液化窒素）と熱交換され、液化ガス供給ライン２ａに設けられた温度制御弁（図示せず）を利用して、温度支持調節器１３の設定値、例えば、－１２０℃まで冷却される。フッ化エーテルは、冷却されると密度増加により徐々に液面が低下していく。液面維持部材５をリザーブタンク４に配置しなかった場合には、液面Ｌ３まで液面が低下し、熱交換本体部２ｂが液面Ｌ３から露出するが、低下しても液面維持部材５の堆積分、上昇した液面Ｌ２となっており、熱交換本体部２ｂが、液面Ｌ２から露出することがなかった。

【0027】

これにより、熱交換本体部２ｂと２次冷媒との伝熱面積を確保でき冷却性能を維持することができた。また、低温下でもフッ化エーテルの液面を液面Ｌ２に維持できることから、循環ポンプ７ａの揚呈を確保でき、循環ポンプ７ａの負担を軽減させ、循環させるフッ化エーテルの流量を安定させることができた。さらに、液面維持部材５を用いることで、フッ化エーテルのリザーブタンク４への初期投入量を低減でき、冷媒コストの低減化を図ることができた。

【0028】

また、液面維持部材５は、例えば、０．２ＭＰａで非凝縮性ガスが封入されており、フッ化エーテル冷却時に非凝縮性ガスの一部が液化して減容して内圧が降下すると、非凝縮性ガス導入経路１４を介して自動供給される。一方、フッ化エーテルの温度上昇し、内圧が０．９ＭＰａを超過すると非凝縮性ガス排気経路１５を介して超過圧力分は外部に排出されるように設定されているが、上記実施例においては、フッ化エーテルの温度上昇後の圧力は、０．５ＭＰａであり、圧力上昇が僅かであることから、非凝縮性ガスが外部に排出されることがなく、且つ次回冷却時に追加供給されることもないことから、コストの削減化を図ることができた。

【0029】

なお、本発明は上述の形態例に限るものではなく、液面維持部材の形状は任意であり、その配置場所も任意で、熱交換部と２次冷媒との熱交換を妨げず、撹拌羽根の回転に支承をきたさない位置であればよい。また、液面維持部材は、２次冷媒の冷却温度やリザーブタンクの容量に応じて、複数個配置することも可能である。さらに、液面維持部材は低温耐性の材料を利用した風船状のものでもよく、この場合、リザーブタンク内に固定するために、金属格子の容器に収容すればよい。

【符号の説明】

【0030】

１…冷却装置、２…液化ガス供給ライン、２ａ…液化ガス供給ライン、２ｂ…熱交換本体部、２ｃ…液化ガス排気ライン、３…封入窒素ガス供給ライン、３ａ…圧力制御弁、４…リザーブタンク、５…液面維持部材、５ａ…回転軸挿通孔、５ｂ…下部液面維持部材、５ｃ…上部液面維持部材、５ｄ…下部分割体、５ｅ…上部分割体、６…２次冷媒流下ライン、７…２次冷媒循環ライン、７ａ…循環ポンプ、７ｂ…流量計、８…負荷部、９…排気ライン、１０…回転軸、１１…撹拌羽根、１２…液面計、１３…温度支持調節器、１４…非凝縮性ガス導入経路、１５…非凝縮性ガス排気経路、１６…連結管

【図1】

【図2】