JP5019355B2 - 多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システム及び冷却システムにおける浮遊性結晶製造機の管壁温度制御方法 - Google Patents

Description

この発明は多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱（蓄冷）システム及び冷却システムにおける浮遊性結晶製造機の管壁温度制御方法に関するものである。

多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システムの一般的な構成を図１に示す。該システムは浮遊性結晶製造ユニット１と浮遊性結晶利用ユニット２と両ユニット間に介在する蓄熱槽３とから構成されている。

なお、浮遊性結晶とは液相中で成長する結晶であり、冷却面から成長する凍結相を構成する結晶とは異なる。

浮遊性結晶製造ユニット１は冷熱源１１と浮遊性結晶製造機１３とを含んでいる。冷熱源１１からの冷えた冷媒は浮遊性結晶製造機１３に供給され、ここでの熱交換の結果暖かくなった冷媒は冷熱源１１に還流される。浮遊性結晶製造機１３からは熱交換の結果得られた浮遊性結晶が蓄熱槽３に供給される。また蓄熱槽３からの溶液は浮遊性結晶製造機１３に還流される。この結果、蓄熱槽には蓄熱剤となる浮遊性結晶が大量に貯まることになる。

一方浮遊性結晶利用ユニット２は熱交換器２１を含んでおり、熱交換器２１には蓄熱槽３から浮遊性結晶を含む多成分系混合溶液が供給され、冷房などの熱交換の結果溶液となって蓄熱槽３に還流される。

かくして蓄熱時においては、蓄熱槽３には浮遊性結晶と溶液とが混合した状態で存在する。この溶液は例えば尿素などと水が混合した多成分系混合溶液である。一方、放熱時においては、浮遊性結晶は順次減少する。

なお、図１は間に蓄熱槽を介して製造した結晶を二次側に搬送して利用するシステムであり、製造と放熱の時間的な差がある場合に有効な方法である。しかし、製造と放熱の時間的な差がない場合（常に冷却が必要なシステム）には、間の蓄熱槽を介しないで、浮遊性結晶製造機１３の浮遊性結晶を含む多成分系混合溶液を直接熱交換器２１に送り込んで利用する、冷却システムが有効なシステムである。下記に示す記載には蓄熱システムで記載するが、この特許の示すところは浮遊性結晶製造機の凍結防止であり、このような蓄熱をしないシステムにおける内容も包含するものである。

上記のような蓄熱システムは例えば特開２００３−１１４０３８号に開示されている。また共晶点蓄熱に関しては特願２００６−１９９５１１号などに開示されている。
特開２００３−１１４０３８号 特願２００６−１９９５１１号

ところで上記の浮遊性結晶製造機は一種の熱交換器であり、その一次側には冷媒が、二次側には溶液がそれぞれ流入しており、熱交換の結果溶液の一部は浮遊性結晶となるので、二次側は溶液と浮遊性結晶とが混在した状態となっている。

この浮遊性結晶製造機内の温度状態を図２、３に示す。このグラフにおいて横軸は管壁に対して一次側の冷媒の流速であり、縦軸は浮遊性結晶製造機の各部の温度を示す。図中の縦線の部分は、ある一次側冷媒の流速の一例を示すものである。図中Ｔ_Eは共晶点温度であり、Ｔ_Wは管壁二次側温度であり、Ｔ_Bは一次側のブライン（冷媒）温度である。

ここで、冷媒流速を広範囲に変えてみると、図中斜線を施した管壁温度の安全製造範囲が存在し、その下限温度は前記冷媒流速を速くするほど温度が高くなり、溶液の共晶点温度とある一定の温度差になるまで漸近するように変化することがわかった。つまり管壁温度がこの範囲にあれば、順調に熱交換が行われて設計通りに浮遊性結晶が製造される。なお、この管壁温度の安全製造範囲とは、共晶点温度以下の限られた温度範囲である点が注目される点である。

ところが管壁二次側温度がこの安全製造範囲の下限以下になると、管壁から結晶成長が発生し、管壁の二次側壁面上に板状の凍結相が形成される結果熱交換能力が阻害される。さらに浮遊性結晶の攪拌用回転羽根がこの板状の凍結相に当たって、攪拌不可能な状態となる。この現象を一般的に「管壁面」の凍結と言う。

この発明の目的は、多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システム及び冷却システムの浮遊性結晶製造機において、管壁面の凍結を予防することにある。

このためこの発明においては、浮遊性結晶製造ユニットの浮遊性結晶製造機の管壁二次側温度を検出し、管壁二次側温度が浮遊性結晶安全製造範囲下限以下にならないように、該温度値に応じて管壁面の凍結を回避するように冷熱源の能力を制御することを要旨とするものである。

一実施例においては、温度検出を管壁二次側の入口と出口で行う。浮遊性結晶製造機の熱交換状態は、一次側の冷媒側を顕熱交換で実施するブラインの場合（出入口温度が変化する場合）と冷媒の蒸発潜熱を利用する場合（蒸発時は温度一定で、熱交換器出口で過熱して温度上昇する場合）の二つの熱交換状態がある。この入口と出口の管壁温度を検出する実施例の場合は、一次側冷媒がブラインの場合の例である。通常は、ブラインの一次側の温度が低いので、温度検出はその一次側の低い場合でよいが、冷却途中の温度低下時の場合や、安定状態で一次側の温度をコントロールすることで製氷状態を安定化させる場合などでは、必ずしも一次側の温度の低い側と限定できない場合がある。このような時には、出入口の両端の二次側管壁温度を検出しておき、そのどちらかが安定範囲下限値を下回るようになった場合には、冷熱源側の能力を制限するように制御をかけることにより、どんなときにも安定して浮遊性結晶の製造を実施させるものである。

他の実施例においては、温度検出を二次側管壁の最低温度部分で行う。これは、一次側冷媒がフロン系冷媒などに代表される蒸発潜熱を利用する場合の例である。この場合は、冷媒液が蒸発している下流側に最低管壁温度が存在することになる。

このように、この発明で示したいのは管壁温度の一番低くなるところを検出し、それが安定製造範囲になるように冷熱源の能力を制御することにある。

また、他の実施例としては、フロン系などの冷媒の蒸発圧力を検出して、それの蒸発温度を設定値以下にならないように間接的に最低管壁温度を制御する蒸発圧力制御弁を用いる方法がある。この場合は、管壁温度と蒸発温度との関係を設計時点で明確にしておく必要があるが、制御としては簡単でしかも応答制御性の良い方法である。なお、この蒸発圧力制御方法は蒸発温度をとらえて制御することも包含する。

管壁二次側面の凍結が予防されるので、熱交換能力が阻害されることがなく、さらに浮遊性結晶の攪拌用回転羽根による攪拌不可能な状態が回避される。

この発明の方法においては、まず浮遊性結晶製造ユニットの浮遊性結晶製造機の管壁二次側温度を検出する。この検出は第１の実施例においては管壁二次側の入口と出口で行う。また第２の実施例においては、温度検出を二次側管壁の最低温度部分で行う。また、第３の実施例においては、蒸発圧力（温度）を検出して設定圧力（温度）以下にならないように圧力（温度）を維持して、間接的に二次側管壁の最低温度制御を行う。

さらにこの発明の方法においては、管壁二次側温度が浮遊性結晶安全製造範囲下限以下になるような場合に、該管壁二次側温度の値に応じて管壁二次側面での凍結を回避するように冷熱源の能力を制御する。この能力制御としては下記のようなものが例示されるが、冷熱源の能力を制御できるものであれば、特に制限されるものではない。

例示される制御方法としては、（１）冷熱源の運転をオンオフ制御、（２）冷熱源の容量を変化させるアンロード制御、（３）冷熱源の吸入側に弁を設けて吸入量を変化させる制御、（４）冷熱源の回転数を変化させるインバーター制御、（５）電気ヒーターを用いる制御、（６）蒸発圧力制御弁を用いて冷熱源の蒸発温度を低下させないように維持させる制御、などがある。

この発明は冷房、暖房、冷凍および冷蔵などの産業分野において広く利用されるものである。

この発明を実施する蓄熱システムの一般的構成を示す模型図である。 浮遊性結晶製造機における管壁周りの温度状態を示すグラフである。 管壁周りの温度状態を示す説明図である。

符号の説明

１： 浮遊性結晶製造ユニット
１１： 冷熱源
１３： 浮遊性結晶製造機
２： 浮遊性結晶利用ユニット
２１： 熱交換器
３： 蓄熱槽

Claims (4)

1. 一次側の管壁に冷媒が流入され二次側の管壁に溶液が流入される浮遊性結晶製造機において、
   前記溶液の共晶点温度以下の温度範囲であって、その下限温度は一次側冷媒の流速を速くするほど温度が高くなり、共晶点温度とある一定の温度差になるまで漸近するように変化する前記温度範囲を浮遊性結晶安全製造範囲とした場合、
   前記二次側の管壁の温度と前記冷媒の流速を検出し、前記二次側の管壁の温度が前記浮遊性結晶安全製造範囲の下限以下にならないように、前記二次側の管壁の温度の値に応じて前記二次側の管壁での凍結を回避するように冷熱源の能力を制御することを特徴とする多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システム及び冷却システムにおける浮遊性結晶製造機の管壁温度制御方法。
2. 前記一次側の管壁の蒸発圧力（温度）を検出し、設定圧力（温度）以下にならないように制御することにより、間接的に前記二次側の管壁の温度が前記浮遊性結晶安全製造範囲の下限以下にならないように、該蒸発圧力（温度）の値に応じて前記二次側の管壁での凍結を回避するように冷熱源の能力を制御することを特徴とする請求項１に記載の多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システム及び冷却システムにおける浮遊性結晶製造機の管壁温度制御方法。
3. 温度検出を前記二次側の管壁の最低温度部分で行うことを特徴とする請求項１に記載の多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システム及び冷却システムにおける浮遊性結晶製造機の管壁温度制御方法。
4. 温度検出を前記二次側の管壁の入口と出口で行うことを特徴とする請求項１に記載の多成分系混合溶液の共晶点を利用した蓄熱システム及び冷却システムにおける浮遊性結晶製造機の管壁温度制御方法。

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