JP2010196939A - ヒートポンプユニットを具えた乾燥システム - Google Patents

Abstract

【課題】 流動層乾燥機等の連続式乾燥機の熱源としてヒートポンプユニットを適用することを可能にするとともに、エネルギー効率が高く、更に安定した運転を行うことのできる、新規なヒートポンプユニットを具えた乾燥システムの開発を技術課題とした。
【解決手段】 ヒートポンプユニット２における蒸発器２３へ供給する作用水Ｍは、一定量貯留されたものが循環使用されるとともに、乾燥機１から排出された作用済みの乾燥気体Ｄの排熱により昇温され、これによって常時一定水温の作用水Ｍがヒートポンプユニット２における蒸発器２３に供給されるようにしたことを特徴として成り、作用水Ｍは、作用済みの乾燥気体Ｄの排熱を有効に吸収し、一定温度に昇温された上で循環使用されるため乾燥システムＳ全体のエネルギー効率が良く、且つ作用水Ｍの消費量を著しく低減することができ、低コストでの運転が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプユニットを具えた乾燥装置に関するものであり、特に高温の乾燥気体が必要とされる乾燥機を効率的に運転することのできるヒートポンプユニットを具えた乾燥システムに係るものである。

近時、環境保全の取り組みが盛んになってきており、更にいわゆる省エネの観点から、乾燥装置において熱源としてヒートポンプユニットを適用することが試みられている。
具体的には、いわゆるバンド乾燥機に対して、フロン系の冷媒を使用したヒートポンプユニットが適用された装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。

ところで前記バンド乾燥機は、被処理物が乾燥室内に配されたネットコンベヤ等の軌道上を移動する際に、乾燥気体と接触して乾燥が行われるものであり、ネットコンベヤを多段に具えることにより、長時間の処理が可能とされたものである。
このため、フロン系の冷媒を使用したヒートポンプユニット（得られる熱風の温度が５０℃程度。）の適用が可能であったが、他の乾燥機に対して適用することは現実的ではなかった。
具体的には、例えば流動層乾燥機にあっては、被処理物の乾燥機内での滞留時間（処理時間）が短く、更に乾燥初期の段階で多量の熱量が必要とされるため、フロン系の冷媒を使用したヒートポンプでは必要な熱量が得られないことから効率的な運転ができず、かえってコスト上昇を招いてしまうこととなるのである。

更にいわゆる省エネの観点から、乾燥装置において排熱を再利用することが従来から一般的に行われている。しかしながらそのためには、作用済みの乾燥気体（排気）は、再度乾燥媒体として有効に作用させるために一定の処理を必要とする。
具体的には作用済みの乾燥気体を除湿し、更に昇温することにより再度乾燥気体として循環使用できるようにするために、除湿装置や昇温装置による処理が必要となっている。このため、排熱の一部は再利用されるとはいえ、エネルギー効率が悪く、装置の大型化を招いてしまうとともに、乾燥気体の循環使用に因む腐食やスケール付着を回避することは難しかった。

特許第３９５７６５２号公報

本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、排熱をヒートポンプユニットの熱源安定化のために利用することにより、流動層乾燥機等の連続式乾燥機の熱源として、ヒートポンプユニットを適用することを可能にするとともに、エネルギー効率が高く、更に安定した運転を行うことのできる、新規なヒートポンプユニットを具えた乾燥システムの開発を技術課題としたものである。

すなわち請求項１記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、乾燥機に供給する乾燥気体をヒートポンプユニットにおける凝縮器により昇温させる乾燥システムにおいて、前記ヒートポンプユニットにおける蒸発器へ供給する熱源媒体としての作用水は、一定量貯留されたものが循環使用されるとともに、この作用水は、前記乾燥機から排出された作用済みの乾燥気体の排熱により昇温され、これによって常時一定水温の作用水がヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給されるようにしたことを特徴として成るものである。

また請求項２記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記要件に加え、前記ヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給される作用水が、ヒートポンプユニットの最適動作温度域に調整されていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項３記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記要件に加え、前記ヒートポンプユニットは、二酸化炭素を冷媒としたものであることを特徴として成るものである。

更にまた請求項４記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記要件に加え、前記ヒートポンプユニットにより昇温された乾燥気体を、更に昇温して乾燥機に供給すすることを特徴として成るものである。

更にまた請求項５記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記要件に加え、前記ヒートポンプユニットを複数基具えたことを特徴として成るものである。

更にまた請求項６記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記要件に加え、前記乾燥気体は、熱源媒体としての作用水を昇温した後、外部に排気されることを特徴として成るものである。
そしてこれら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。

まず請求項１記載の発明によれば、ヒートポンプユニットの熱源媒体としての作用水は、作用済みの乾燥気体の排熱を有効に吸収し、一定温度に昇温された上で循環使用される。このため乾燥システム全体のエネルギー効率が良く、且つ作用水を循環使用することから、作用水の消費量を著しく低減することができ、低コストでの運転が可能となる。
更にまたヒートポンプユニットに供給される作用水の温度が一定であるため、圧縮機への負荷の変動を抑えて安定した運転を行うことができる。

また請求項２記載の発明によれば、ヒートポンプユニットを効率良く稼働させることができる。

また請求項３記載の発明によれば、ヒートポンプユニットにより昇温される乾燥気体の温度を９０℃程度とすることができ、乾燥機として流動層乾燥機等の連続式乾燥機を適用することが可能となる。

また請求項４記載の発明によれば、被処理物の性状や乾燥機の構成に応じた良好な乾燥を行うことができる。

また請求項５記載の発明によれば、被処理物の性状や乾燥機の構成に応じた良好な乾燥を行うことができる。

また請求項６記載の発明によれば、乾燥気体を循環使用しないため、冷却、除湿、再加熱といった一連の操作を行う装置が不要となり、装置構成を簡素化することができる。また腐食やスケールの付着を回避することができる。

本発明のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムを示すブロック図である。 排熱回収装置を示す骨格図である。

本発明のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムの形態は以下の実施例に示すとおりであるが、この実施例に対して本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更を加えることも可能である。

本発明のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムＳ（以下、乾燥システムＳと称す）は図１に示すように、乾燥機１と、ヒートポンプユニット２と、排熱回収装置３と、作用水タンク４とを主要要素として具えて構成されるものである。なおこの実施例ではこれら装置に加え、昇温装置５を具えるようにした。
また本発明の乾燥システムＳは、乾燥機１内での被処理物Ｈの滞留時間（処理時間）が短く、更に乾燥初期の段階で多量の熱量が必要とされる連続式の乾燥機１による乾燥処理を、ヒートポンプユニット２を用いながらもエネルギー効率が高く、更に安定した状態で行うことができるようにしたものである。
以下、これら乾燥システムＳの構成要素について詳しく説明し、続いて乾燥システムＳの作動態様を説明する。

まず前記乾燥機１は、一例として連続式乾燥機が適用されるものであり、この実施例では流動層乾燥機が適用される。
この装置は、筐体１０内を乾燥のための処理空間とするものであり、処理空間を上下に分割するように設けられた通気板１１の下方から乾燥気体Ｄが供給され、通気板１１上に位置する被処理物Ｈに流動層を形成させながら乾燥を行うものである。
このため筐体１０の下部には給気口１２が形成され、また前方（図１中、左側）上部には投入口１３が形成され、更に後方（図１中、右側）上部には排気口１４が形成され、更に後方且つ通気板１１よりも上方の個所に接続されるダクト１０ａに対して排出口１５が形成される。
また乾燥機１の周辺機器として、吹込ファン１６、サイクロン１７及び排気ファン１８が具えられるものであり、これらの接続状態については後程、詳しく説明する。

なおこの実施例では、前記通気板１１の中程に堰板１１ａが設けられ、ある程度乾燥の進んだ被処理物Ｈがこの堰板１１ａを乗り越えて次の乾燥段階に移行するような構成が採られるものであり、このため通気板１１の下方空間も堰板１１ａの下方で分割され、それぞれの空間に給気口１２Ａ、１２Ｂが形成されるようにした。

次に前記ヒートポンプユニット２について説明すると、このものは、凝縮器２１と、膨張弁２２と、蒸発器２３と、圧縮機２４とを具えてヒートポンプサイクルを形成するものであり、この実施例では二酸化炭素を冷媒とするものが採用される。
なおヒートポンプユニット２が複数具えられる場合には、ヒートポンプユニット２及び周辺機器の符号にアルファベット大文字の副番を付して区別するものとする。

次に前記排熱回収装置３について説明すると、このものは被処理物Ｈに作用した後、乾燥機１から排出された乾燥気体Ｄの熱（排熱）を、作用水Ｍに取り込むための装置である。
具体的には図２に示すように、熱交換器３１とサイレンサー３２とを管路Ｐによって直列に接続して乾燥気体Ｄの流路が形成されるものであり、更に乾燥気体Ｄが熱交換器３１及びサイレンサー３２を通過しない経路を取るためのバイパス管路３３が具えられる。
前記熱交換器３１としては一例として、パイプ３１ａの側周に複数の放熱フィン３１ｂが具えられ、パイプ３１ａ内を通過する流体（作用水Ｍ）と、放熱フィン３１ｂに接する流体（乾燥気体Ｄ）との間で熱交換を行うプレートフィン式の機器が適用される。
また前記バイパス管路３３には、ダンパ３３ａが具えられ、バイパス管路３３に流入する乾燥気体Ｄの量を調整できるように構成されている。

そして図１に示すように、前記乾燥機１、ヒートポンプユニット２、排熱回収装置３及び作用水タンク４を組み合わせて乾燥システムＳが構成される。
まずヒートポンプユニット２Ａ、２Ｂにおける凝縮器２１の入力側に吹込ファン１６Ａ、１６Ｂが管路Ｐによって接続され、また凝縮器２１の出力側と、乾燥機１の給気口１２Ａ、１２Ｂとの間が管路Ｐによって接続される。
またヒートポンプユニット２Ａ、２Ｂにおける蒸発器２３の入力側及び出力側が、管路Ｐによって作用水タンク４に接続されるものであり、蒸発器２３の入力側と作用水タンク４との間にポンプ４１が具えられる。
なお作用水タンク４には、内部に収容される作用水Ｍの温度を測定するための温度センサＴ１が具えられる。

また乾燥機１における排気口１４と、排熱回収装置３における熱交換器３１の入力側（放熱フィン３１ｂ側の流路）との間が管路Ｐによって接続されるものであり、この管路Ｐに対してサイクロン１７及び排気ファン１８が具えられる。

そして前記排熱回収装置３における熱交換器３１のパイプ３１ａの両端が管路Ｐによって作用水タンク４に接続されるものであり、パイプ３１ａの入力側と作用水タンク４との間にポンプ４２が具えられる。

本発明の乾燥システムＳは、上述した構成を基本となる構成とするものであるが、この実施例では更に昇温装置５が具えられる。
すなわちこの実施例では、乾燥機１に対して温度の異なる乾燥気体Ｄ１、Ｄ２が給気口１２Ａ、１２Ｂに対してそれぞれ供給されるものであり、また乾燥機１たる流動層乾燥機は高温の乾燥気体Ｄが要求されるものであるため、ヒートポンプユニット２Ａによって昇温された乾燥気体Ｄ１を、更に昇温装置５によって昇温するような構成が採られるものである。
具体的には一例として、パイプ５１ａの側周に複数の放熱フィン５１ｂが具えられ、パイプ５１ａ内を通過する流体（蒸気）と、放熱フィン５１ｂに接する流体（乾燥気体Ｄ１）との間で熱交換を行うプレートフィン式の熱交換器５１が、ヒートポンプユニット２Ａと乾燥機１との間の管路Ｐに対して具えられる。
なお前記熱交換器５１には図示しない適宜の蒸気発生装置から蒸気が供給されるものであり、この蒸気量を調節するための調節弁５２が具えられる。
また熱交換器５１と給気口１２Ａとの間の管路Ｐには、乾燥気体Ｄ１の温度を計測するための温度センサＴ２が具えられ、この温度センサＴ２の検出値に基づいて、適宜の制御装置によって前記調節弁５２の開度が調整される。
更にヒートポンプユニット２Ｂにおける凝縮器２１と給気口１２Ｂとの間の管路Ｐには、乾燥気体Ｄ２の温度を計測するための温度センサＴ３が具えられる。

本発明の乾燥システムＳは、一例として上述したように構成されるものであり、以下、その作動態様について説明する。
（１）乾燥気体の流れ
初めに被処理物Ｈの乾燥に寄与する乾燥気体Ｄの流れについて説明する。
乾燥気体Ｄは、まず外気が吹込ファン１６により取り込まれ、次いでヒートポンプユニット２における凝縮器２１によって昇温され（一例として乾燥気体Ｄ１を９０℃、乾燥気体Ｄ２を６０℃とする。）、更に必要に応じて昇温装置５によって蒸気加熱を受けて昇温され（一例として乾燥気体Ｄ１を１２０℃とする。）、その後、乾燥機１に送り込まれて処理空間を乾燥雰囲気にする。
そして被処理物Ｈに作用した乾燥気体Ｄは、湿気を含み、更に温度が低下した状態（一例として６６℃）で排気口１４から乾燥機１の外部に排気される。
このように乾燥気体Ｄは、排気された状態で高温状態であるため、熱源として供するためのカロリーは十分に維持された状態となっている。

（２）ヒートポンプユニットによる乾燥気体の昇温
ここでヒートポンプユニット２による乾燥気体Ｄの昇温プロセスについて説明する。
ヒートポンプユニット２においては、蒸発器２３において外部の熱を冷媒に取り込み、この取り込んだ熱を凝縮器２１において乾燥気体Ｄに供給することにより昇温が行われる。そしてこのような蒸発器２３における外部熱源としては、作用水タンク４から供給される作用水Ｍが供されるものであって、蒸発器２３に供給された作用水Ｍ（一例として１２℃）は、冷媒（二酸化炭素）の気化にエネルギーを奪われて温度が低下した状態（一例として７℃）で蒸発器２３から排出される。

（３）排熱回収装置による作用水の昇温
そして作用水Ｍは蒸発器２３から作用水タンク４に戻されるため、作用水タンク４内に貯留される作用水Ｍの温度は低下することとなるが、この作用水Ｍを再度ヒートポンプユニット２における熱源として供するためには、再び昇温する必要がある（一例として１２℃）。
このために本発明では、作用水タンク４内の作用水Ｍをいったん排熱回収装置３に供給し、乾燥空気Ｄの排熱を利用して昇温を行うようにした。

すなわち排熱回収装置３においては、乾燥気体Ｄは熱交換器３１に流入し、作用水タンク４から送られてきた作用水Ｍとの間で熱交換が行われ、作用水Ｍが昇温される（この実施例では２１．９℃）。
このようにして乾燥気体Ｄの排熱を吸収した作用水Ｍは、作用水タンク４に戻され、ヒートポンプユニット２から戻された作用水Ｍ（７℃）と混合され、再度ヒートポンプユニット２に送られて乾燥気体Ｄ１、Ｄ２の昇温に供される。

このとき、作用水タンク４内の作用水Ｍの温度が常時一定水温となるように（一例として１２．０℃）、温度センサＴ１の検出値に応じて、図示しない適宜の制御装置によって排熱回収装置３におけるダンパ３３ａの開度が調整され、熱交換器３１に流入する乾燥気体Ｄの量が調節される。
このような作用水Ｍの温度は、ヒートポンプには効率的に運転するための吸熱熱源の最適動作温度域が存在するため、この最適動作温度域内（一例として１２℃）となるように設定され、ヒートポンプユニット２は効率良く運転されることとなる。

（４）被処理物の乾燥
乾燥機１に対して供給された食品原料等の被処理物Ｈは、まず給気口１２Ａから吹き込まれる乾燥気体Ｄ１（１２０℃）によって流動層が形成されるとともに、水分が除去される。
やがて被処理物Ｈは、乾燥の進行とともに自重が軽くなり、堰板１２ａを乗り越えて給気口１２Ｂから吹き込まれる乾燥気体Ｄ２（６０℃）の作用域に入り込み、更に乾燥が進行し、所望の乾燥状態となって排出口１５から外部に排出される。
一方、被処理物Ｈに作用した後の乾燥気体Ｄ１、Ｄ２は、排気口１４から乾燥機１の外部に排気され、サイクロン１７によって微粉が除去された後、 排熱回収装置３に供給される。

〔他の実施例〕
本発明は上述した実施例を基本となる実施例とするものであるが、本発明の技術的思想に基づいて、以下に示すような形態を採ることもできる。
まず上述した基本となる実施例で示した乾燥システムＳは、乾燥機１として流動層乾燥機を適用したものであったが、乾燥機１としては、背景技術で述べたいわゆるバンド乾燥機等、種々の乾燥装置を適用することもできる。

また上述した基本となる実施例で示した乾燥システムＳは、ヒートポンプユニット２を二基具えて構成されたものであったが、乾燥機１の要求に応じて一基または二基以上の複数機を具えるようにしてもよい。
また同様に乾燥機１の要求に応じて、ヒートポンプユニット２の冷媒として、二酸化炭素以外の冷媒を用いるようにしてもよい。
また同様に乾燥機１の要求に応じて、昇温装置５を設けずに乾燥システムＳを構成するようにしてもよい。

Ｓ 乾燥システム
１ 乾燥機
１０ 筐体
１０ａ ダクト
１１ 通気板
１１ａ 堰板
１２ 給気口
１２Ａ 給気口
１２Ｂ 給気口
１３ 投入口
１４ 排気口
１５ 排出口
１６Ａ 吹込ファン
１６Ｂ 吹込ファン
１７ サイクロン
１８ 排気ファン
２ ヒートポンプユニット
２Ａ ヒートポンプユニット
２Ｂ ヒートポンプユニット
２１ 凝縮器
２２ 膨張弁
２３ 蒸発器
２４ 圧縮機
３ 排熱回収装置
３１ 熱交換器
３１ａ パイプ
３１ｂ 放熱フィン
３２ 水分除去装置
３３ バイパス管路
３３ａ ダンパ
４ 作用水タンク
４１ ポンプ
４２ ポンプ
５ 昇温装置
５１ 熱交換器
５１ａ パイプ
５１ｂ 放熱フィン
５２ 調節弁
Ｄ 乾燥気体
Ｄ１ 乾燥気体
Ｄ２ 乾燥気体
Ｈ 被処理物
Ｍ 作用水
Ｐ 管路
Ｔ１ 温度センサ
Ｔ２ 温度センサ
Ｔ３ 温度センサ

Claims (6)

1. 乾燥機に供給する乾燥気体をヒートポンプユニットにおける凝縮器により昇温させる乾燥システムにおいて、前記ヒートポンプユニットにおける蒸発器へ供給する熱源媒体としての作用水は、一定量貯留されたものが循環使用されるとともに、この作用水は、前記乾燥機から排出された作用済みの乾燥気体の排熱により昇温され、これによって常時一定水温の作用水がヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給されるようにしたことを特徴とするヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
2. 前記ヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給される作用水が、ヒートポンプユニットの最適動作温度域に調整されていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
3. 前記ヒートポンプユニットは、二酸化炭素を冷媒としたものであることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
4. 前記ヒートポンプユニットにより昇温された乾燥気体を、更に昇温して乾燥機に供給すすることを特徴とする請求項１、２または３記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
5. 前記ヒートポンプユニットを複数基具えたことを特徴とする請求項１、２、３または４記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
6. 前記乾燥気体は、熱源媒体としての作用水を昇温した後、外部に排気されることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。

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