JP2010012427A - 圧縮空気除湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造でありながら、圧縮空気の除湿により発生したドレン水を冷凍サイクルの冷媒の冷却に用いることができ、冷却効率を向上させることのできる圧縮空気除湿装置を提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮機４、凝縮器５、膨張弁７、蒸発器９の順に循環させる冷凍サイクル２の蒸発器９を熱交換器３の内部に配置して、熱交換器３に導入される圧縮空気を冷却して結露させて除湿する圧縮空気除湿装置１であって、熱交換器３で発生したドレン水が排出される熱交換器３に連通するドレン排出流路と、圧縮機４下流の冷媒流路とに、両流路のドレン水および冷媒が熱交換するドレン熱交換部１１が介設され、ドレン熱交換部１１よりも下流のドレン排出流路に電磁弁１２が設けられ、所定条件を満たすまで電磁弁１２を閉に制御して、所定条件を満たした時に電磁弁１２を開閉制御してドレン水を排出させる制御部を備える圧縮空気除湿装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルで圧縮空気を冷却して除湿する際に発生するドレン水を、冷媒の冷却に利用する圧縮空気除湿装置に関するものである。

工場や研究所などでは圧縮空気を動力源とする機器が設置されている。これらの機器と空気圧縮機（エアーコンプレッサ）との間には、圧縮空気中の水分を除去する圧縮空気除湿装置が設けられ、乾燥した圧縮空気が供給されている。

圧縮空気除湿装置には様々な種類の装置があるが、その一つに、冷凍サイクルを備えて圧縮空気を必要目的露点温度以下まで冷却することで、圧縮空気中の水分を結露させて除去する冷凍式の除湿装置がある。

冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備えて、この順番に冷媒を循環させる。圧縮空気除湿装置では、蒸発器を熱交換器の内部に配置することで、熱交換器に導入される圧縮空気を冷却して結露させる。この結露により、熱交換器内部にはドレン水が発生して貯留される。ドレン水は、熱交換器に付された電磁弁を間欠的に作動させて排出する。このような圧縮空気の除湿装置が、例えば、特許文献１に示されている。ドレン水は、電磁式ドレントラップを作動させた時に、圧縮空気の圧力によって強制的に短時間で熱交換器から排出される。

一方、特許文献２には、冷凍サイクルの圧縮機の下流に二重管を配置して、この二重管の内管に冷媒を、外管に蒸発器下部に溜まった凝縮水を流すことで、低温の凝縮水の冷熱を利用して冷媒温度を低下させる自動車用空調装置が記載されている。

特開２００５−４６７４４号公報 実開平５−４７７５６号公報

特許文献１に記載された従来の圧縮空気除湿装置で発生するドレン水の冷熱を利用して冷媒を冷却するには、特許文献２に記載されたように圧縮機下流に二重管を配してドレン水を流すことが考えられる。しかし、圧縮空気除湿装置では、熱交換器に高圧の圧縮空気が流れているため、電磁式ドレントラップ（電磁弁）を作動させたときに圧縮空気と共にドレン水が勢いよく排出されるので、ドレン水と圧縮空気とが短時間で二重管を通り過ぎてしまう。このため、冷媒を冷却することが難しい。

そのため、熱交換器内部に貯留しているドレン水をドレンポンプで汲み上げて二重管に流すことも考えられる。しかし、ドレンポンプからの圧縮空気の漏れを防止することが難しい。また、圧縮空気の漏れを防止する機構を備えたとしても、そもそもドレンポンプを用いることは、コストアップや故障の原因にもなるという問題もある。

このように、圧縮空気除湿装置で発生するドレン水の冷熱を冷媒の冷却に用いることは問題が多い。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、簡便な構造でありながら、圧縮空気の除湿により発生したドレン水を冷凍サイクルの冷媒の冷却に用いることができ、冷却効率を向上させることのできる圧縮空気除湿装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された圧縮空気除湿装置は、冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させる冷凍サイクルの該蒸発器を熱交換器の内部に配置して、該熱交換器に導入される圧縮空気を冷却して結露させて除湿する圧縮空気除湿装置であって、該熱交換器で結露して発生したドレン水が排出される該熱交換器に連通するドレン排出流路と、該圧縮機下流の冷媒流路とに、該両流路の該ドレン水および該冷媒が熱交換するドレン熱交換部が介設され、該ドレン熱交換部よりも下流のドレン排出流路に電磁弁が設けられ、所定条件を満たすまで該電磁弁を閉に制御して、該所定条件を満たしたときに該電磁弁を開閉制御してドレン水を排出させる制御部を備えることを特徴とする。

請求項２に記載された圧縮空気除湿装置は、請求項１に記載されたものであって、前記制御部は、前記電磁弁を閉に制御してから所定時間の経過を前記所定条件として、該電磁弁を開閉制御することを特徴とする。

請求項３に記載された圧縮空気除湿装置は、請求項２に記載されたものであって、前記制御部は、前記冷凍サイクルの負荷に応じて、前記所定時間を可変することを特徴とする。

請求項４に記載された圧縮空気除湿装置は、請求項１に記載されたものであって、前記ドレン熱交換部には、その内部の前記ドレン水の満水を検知する水量検出センサが配されて、前記制御部は、該水量検出センサによる満水の検知を前記所定条件として、前記電磁弁を開閉制御することを特徴とする。

本発明の圧縮空気除湿装置によれば、熱交換器に連通するドレン排出流路と、圧縮機下流の冷媒流路とに、両流路のドレン水および冷媒が熱交換するドレン熱交換部が介設され、ドレン熱交換部よりも下流のドレン排出流路に電磁弁が設けられ、所定条件を満たすまで電磁弁を閉に制御して、所定条件を満たした時にドレン水を排出させる制御部を備えることにより、例えばドレンポンプを備えるよりも簡便な構造で、ドレン水の冷熱で圧縮機下流の高温の冷媒を冷却することができる。しかも、低温のドレン水がドレン熱交換部に貯留されるため、ドレン水の冷熱を無駄にすることなく冷媒を冷却することができる。したがって、冷凍サイクルの冷却効率が向上して、凝縮器や凝縮器ファンを小型化できるため、装置全体を小型化できると共にコストダウンすることができる。また、ドレン水はドレン熱交換部で加温されるため、ドレン排出流路の結露を防止することができる。

また、本発明の圧縮空気除湿装置によれば、制御部は、電磁弁を閉に制御してから所定時間の経過を所定条件として電磁弁を開閉制御することにより、例えば予め満水となる最短時間に所定時間を設定しておくことで、ドレン水が貯留可能な量を超えることなく冷媒を冷却することができる。

また、本発明の圧縮空気除湿装置によれば、制御部は、冷凍サイクルの負荷に応じて前記所定時間を可変することにより、ドレン水の発生量に合わせた時間で、ドレン熱交換部からドレン水を排出できるため、冷媒を安定して冷却することができる。

また、本発明の圧縮空気除湿装置によれば、制御部は、水量検出センサによって満水を検知したときを所定条件として電磁弁を開閉制御することにより、ドレン熱交換部の満水に合わせて確実にドレン水を排出できるので、ドレン水の冷熱を無駄にすることなく冷媒を安定して冷却することができる。

発明を実施するための好ましい形態

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１は本発明を適用する圧縮空気除湿装置のブロック図である。圧縮空気除湿装置１は、同図に示すように、冷凍サイクル２、熱交換器３、および制御部１０を備えている。

冷凍サイクル２は、圧縮機４、凝縮器５、冷媒ストレーナ６、電子膨張弁７、および蒸発器８をこの順に環状に配管接続して冷媒を循環させるものであるが、本発明ではさらに、圧縮機４と凝縮器５との間に、つまり圧縮機４の下流の冷媒流路に、本発明のドレン熱交換部の一例である二重管１１が介されて設置されている。

二重管１１は、図２（ａ）に示されるように、その内管を冷媒流路として接続されている。また、二重管１１は、内管の冷媒と外管のドレン水とが熱交換可能に、例えば熱伝導性の良い銅管で形成されている。内管の外周壁にはフィンを設けてもよい。二重管１１の管路長は、一例として３０ｃｍで形成されている。外管は、一例として約５００ｃｃのドレン水を収容可能な容量で形成されている。外管の両端部にドレン水の入力口や排出口が設けられている。

圧縮機４は、一例としてインバータ式の圧縮機であって、冷凍サイクル２の負荷に応じて、制御部１０に回転数を制御される。凝縮器５は、凝縮器ファン２０から外気を送風されて、内部を流れる冷媒を冷却する。凝縮器ファン２０は、インバータ式のファンであって、冷媒の凝縮温度に応じて、制御部１０に回転数を制御される。蒸発器８は、図１に示されるように、熱交換器３の内部に配置されている。

また、冷凍サイクル２には、圧縮機４から吐出される冷媒温度を検知する吐出温度センサ１３、および、二重管１１を通った冷媒温度を検知する凝縮温度センサ１４が配されて、各々制御部１０に接続されている。さらにセンサとしては、非図示であるが、電子膨張弁７で低圧化された冷媒温度を検知するセンサや、圧縮機４が吸入する冷媒温度を検知するセンサ、圧縮空気の露点温度を検知する露点温度センサなどが配され、制御部１０に接続されている。

熱交換器３は、耐圧式のタンク形状に形成されており、この熱交換器３には、湿った圧縮空気を導入する導入口２１、除湿された圧縮空気を出力する出力口２２、および、熱交換器３内部で結露して発生したドレン水を排出するドレン排出口２３が形成されている。ドレン排出口２３は、熱交換器３の底部に形成されている。

二重管１１の外管は、熱交換器３のドレン水排出口２３に連通するドレン排出流路に介設されている。また、二重管１１よりも下流のドレン排出流路に電磁弁１２が設けられている。具体的には、二重管１１の外管の入力口には、ドレン排出口２３に連通するように配管接続されている。この配管は、短いほうがドレン水の温度が変化しにくいため好ましい。この配管には断熱材が装着されている。また、二重管１１の外管の排出口には、電磁弁１２が付されたドレン排出管が接続されている。このドレン排出管は、非図示のドレン処理装置に接続されている。このドレン排出管には、断熱材は装着されていない。

制御部１０には、図３に示されるように、中央処理装置、動作プログラムを記憶したＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、動作状態などを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、時間経過を計測可能なタイマーなどが備えられて、電磁弁１２の動作を制御する。また、制御部１０は圧縮空気除湿装置１全体の動作の制御も兼用して行っている。制御部１０には、中央処理装置によって、後述する電磁弁制御処理を行う電磁弁制御手段や、所定条件判別処理を行う所定条件判別手段が構成されている。この制御部１０は、所定条件を満たすまで電磁弁１２を閉に制御して、所定条件を満たした時に電磁弁１２を開閉制御してドレン水を排出させる。

次に、圧縮空気除湿装置１の動作について説明する。

圧縮空気除湿装置１の運転を開始すると、制御部１０は、熱交換器３の導入口２１から導入される圧縮空気が一例として１０℃の目標露点温度に冷却されるように、センサ１３、１４などの各センサの検知結果に基づいて、圧縮機４や凝縮機ファン２０、電子膨張弁７を制御する。また、制御部１０は、電磁弁制御処理を開始する。

図４を参照しつつ、電磁弁制御処理について説明する。この電磁弁制御処理では、制御部１０が、まず電磁弁１２を閉に制御維持して（ステップ５１）、所定条件を満たすか否かを判別する所定条件判別処理を実施する（ステップ５２）。所定条件判別処理では、制御部１０は、予めＲＯＭに記録された所定時間（一例として４５秒）の値を読み込んでタイマーにセット（ステップ６１）して、タイマーをスタートさせる（ステップ６２）。タイマーは、所定時間が経過した時にストップし（ステップ６３）、これにより制御部１０は、所定条件判別処理を終了してメインルーチンへ戻る。続いて制御部１０は、二重管１１からドレン水を全て排出できる短い時間（一例として０．５秒）だけ電磁弁１２を開に制御し（ステップ５３）、再びステップ５１に戻り、電磁弁１２を閉に制御維持する。制御部１０は、この処理を繰り返す。つまり、制御部１０は、電磁弁１２を閉に制御してから所定時間が経過するまでを所定条件として、電磁弁１２を開閉制御する。この所定時間は、実験的に予め決定される時間であって、ドレン水が多く発生する条件下で二重管１１の外管が満水となる最短の時間とする。

熱交換器３での冷却により、圧縮空気中の水分が結露してドレン水が発生する。発生したドレン水は、熱交換器３のドレン排出口２３から流れ出て、二重管１１に流れ込む。このドレン水は、一例として１５℃程度の低温の水である。電磁弁１２は閉に制御されているため、ドレン水は二重管１１の外管内に貯留し始め、圧縮空気の除湿と共に次第にその貯水量を増していく。

圧縮機４からは、高温高圧の冷媒が吐出される。この冷媒は、二重管１１の内管を通過する間に、外管内に貯留しているドレン水と熱交換することで冷却される。一例として、圧縮機４から８０℃の冷媒が吐出されたときに、二重管１１を通過することで６０℃程度まで冷却される。この際に、ドレン水が二重管１１に貯留されているため、ドレン水の冷熱は無駄なく冷媒の冷却に用いることができる。

ドレン水は、二重管１１で冷媒と熱交換することで加熱される。一例として、ドレン水は４５℃程度まで加熱されて所定時間の経過ごとに排出される。このため、二重管１１下流のドレン排出管に結露水が付着することが防止され、断熱材の装着が不要になる。

二重管１１内のドレン水の量は、所定時間が経過するごとに全て排出され、時間経過に伴い増加する。このため、ドレン水が排出された直後は冷媒をほとんど冷却することはできないが、ドレン水貯留量の増加に伴い冷媒は低温まで冷却される。このように、時間経過に伴い冷媒温度は変化するが、ドレン水によって冷媒は冷却されるため、冷凍サイクル２の冷媒の冷却効率が向上する。このため、凝縮器５や凝縮器ファン２０を小型化することができる。

本実施例では、ドレン水を排出する時間は、ドレン水が多く発生する条件下で二重管１１が満水となる最短時間とした。この場合、ドレン水の発生量が少ないときには、ドレン水は、二重管１１の外管が満水になる前に排出されることになる。しかし、このような場合では、冷凍サイクル２の負荷が小さいときであるので、冷媒温度は低く保たれるので、実用上問題ない。

なお、下記のように、制御部１０は、電磁弁制御処理で電磁弁１２を開閉制御する所定時間を、冷凍サイクル２の負荷に応じて可変することもできる。この場合には、図３に破線で示されるように、中央処理装置に、後述する冷凍サイクル負荷判別処理Ａ〜Ｃを行う冷凍サイクル負荷判別手段を追加する。

圧縮空気の処理量が多いときや導入される圧縮空気の温度が高いときには、制御部１０は、圧縮機４の回転数を高くして単位時間当たりの冷媒流量を増加させる。つまり、冷凍サイクル２の負荷が高くなる。この場合にドレン水の発生量は多くなる。逆に、圧縮空気の処理量が少ないときや導入される圧縮空気の温度が低いときには、制御部１０は、圧縮機４の回転数を低くする。つまり、冷凍サイクル２の負荷が低くなる。この場合にドレン水の発生量は少なくなる。

例えば、図４のステップ６１に換えて、図５に示される冷凍サイクル負荷判別処理Ａを実行して、制御部１０は、圧縮機４の回転数が回転数閾値（一例として４５Ｈｚ）以上のときに冷凍サイクル２の負荷が高いと判別して（ステップ７０ａ）、電磁弁２を閉じている所定時間を短く（一例として４５秒）してタイマーにセットし（ステップ７１）、圧縮機４の回転数が回転数閾値未満のときに冷凍サイクル２の負荷が低いと判別して（ステップ７０ａ）、所定時間を長く（一例として９０秒）してタイマーにセットすることもできる（ステップ７２）。このように圧縮機４の回転数に応じて所定時間を可変して設定することもできる。

このように所定時間を可変することで、ドレン水が可及的満水近くまで二重管１１内に貯留されるため、ドレン水の冷熱を一層利用することができ、冷媒を一層冷却することができる。

また、冷凍サイクル２の負荷は、圧縮機４下流の吐出温度センサ１３の温度を検出することで判別することもできる。例えば、図４のステップ６１に換えて、図５に示される冷凍サイクル負荷判別処理Ｂを実行して、制御部１０は、圧縮機４から吐出される冷媒温度が吐出温度閾値（一例として８０℃）以上のときに冷凍サイクル２の負荷が高いと判別し、吐出温度が吐出温度閾値未満のときに冷凍サイクル２の負荷が低いと判別して（ステップ７０ｂ）、上記のようにステップ７１またはステップ７２で所定時間を可変して設定することもできる。

また、冷凍サイクル２の負荷は、凝縮温度センサ１４の温度を検出することで判別することもできる。例えば、図４のステップ６１に換えて、図５に示される冷凍サイクル負荷判別処理Ｃを実行して、冷媒温度が凝縮温度閾値（一例として４０℃）以上のときに冷凍サイクル２の負荷が高いと判別し、冷媒温度が凝縮温度閾値未満のときに冷凍サイクル２の負荷が低いと判別して（ステップ７０ｃ）、上記のようにステップ７１またはステップ７２で所定時間を可変することもできる。

なお、所定時間は、上記のように２段階に可変するだけでなく、３段階等の複数段階に可変することもできる。

また、二重管１１内部のドレン水の満水を直接検出して電磁弁１２を開閉することもできる。例えば、図１、図３に破線で示すように、二重管１１の外管内部にドレン水の満水を検知する水量検出センサ１５を配置して制御部１０に接続する。制御部１０は、この水量検出センサ１５によって外管の満水を検出したときを本発明における所定条件を満たしたとして電磁弁１２を開閉制御する。具体的には、図４のステップ５２の所定条件判別処理で、制御部１０は、水量検出センサ１５によって満水を検出した時に、ステップ５３を実行して電磁弁１２を開制御する。このように制御することで、ドレン水が満水になるまで二重管１１から排出されないため、ドレン水の冷熱を無駄にすることなく冷媒を冷却することができる。また、満水になった時には、ドレン水が直ちに排出される。

また、本発明におけるドレン熱交換部を二重管１１で構成した例について説明したが、これに限定されず、例えば、図２（ｂ）に示されるドレン熱交換部１１ａのように、直管上の冷媒管路の外壁にドレン水の貯留される管路をコイル状に巻きつけて構成することもできる。また、図２（ｃ）に示されるドレン熱交換部１１ｂのように、ドレン水の貯留される耐圧式の槽の中に冷媒が通るコイル状の管路を配して構成してもよい。このようなドレン熱交換部１１ａ，１１ｂであっても、制御部１０が電磁弁１２を閉じることでドレン水が貯留されるため、冷媒を冷却することができる。

本発明を適用する圧縮空気除湿装置のブロック図である。 本発明を適用するドレン熱交換器の構成図である。 本発明を適用する圧縮空気除湿装置の制御系ブロック図である。 本発明を適用する制御部による電磁弁制御処理および所定条件判別処理を示すフローチャートである。 本発明を適用する制御部による電磁弁制御処理中に他実施例として行う冷凍サイクル負荷判別処理Ａ〜Ｃを示すフローチャートである。

符号の説明

１は圧縮空気除湿装置、２は冷凍サイクル、３は熱交換器、４は圧縮機、５は凝縮器、６は冷媒ストレーナ、７は電子膨張弁、８は蒸発器、１０は制御部、１１は二重管、１１ａ,１１ｂはドレン熱交換部、１２は電磁弁、１３は吐出温度センサ、１４は凝縮温度センサ、１５は水量検出センサ、２０は凝縮器ファン、２１は導入口、２２は出力口、２３はドレン排出口、５１〜５３,６１〜６３,７０ａ〜７２はフローチャートにおけるステップ、Ａ,Ｂ,Ｃは冷凍サイクル負荷判別処理である。

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させる冷凍サイクルの該蒸発器を熱交換器の内部に配置して、該熱交換器に導入される圧縮空気を冷却して結露させて除湿する圧縮空気除湿装置であって、該熱交換器で結露して発生したドレン水が排出される該熱交換器に連通するドレン排出流路と、該圧縮機下流の冷媒流路とに、該両流路の該ドレン水および該冷媒が熱交換するドレン熱交換部が介設され、該ドレン熱交換部よりも下流のドレン排出流路に電磁弁が設けられ、所定条件を満たすまで該電磁弁を閉に制御して、該所定条件を満たしたときに該電磁弁を開閉制御してドレン水を排出させる制御部を備えることを特徴とする圧縮空気除湿装置。
2. 前記制御部は、前記電磁弁を閉に制御してから所定時間の経過を前記所定条件として、該電磁弁を開閉制御することを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気除湿装置。
3. 前記制御部は、前記冷凍サイクルの負荷に応じて、前記所定時間を可変することを特徴とする請求項２に記載の圧縮空気除湿装置。
4. 前記ドレン熱交換部には、その内部の前記ドレン水の満水を検知する水量検出センサが配されて、前記制御部は、該水量検出センサによる満水の検知を前記所定条件として、前記電磁弁を開閉制御することを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気除湿装置。

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