JP2010281500A

JP2010281500A - 乾燥装置

Info

Publication number: JP2010281500A
Application number: JP2009134860A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishida; 博史西田; Toshiyuki Kurakake; 敏之倉掛
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】ヒートポンプの圧縮機の負担を軽減し、圧縮機の小型化とエネルギー効率を高める。
【解決手段】蒸発器８の上流側に配設した上流側熱交換器１３と、蒸発器８の下流側に配設した下流側熱交換器１４と、上流側熱交換器１３と下流側熱交換器１４を連通するヒートパイプ１２とを有し、上流側熱交換器１３にヒートパイプ１２の吸熱側を貫通し、下流側熱交換器１４にヒートパイプ１２の放熱側を貫通し、ヒートパイプ１２の吸熱側を放熱側より下方に位置し、ヒートパイプ１２を介して蒸発器８の上流側の乾燥用空気の熱を蒸発器８の下流側の乾燥用空気へ移動させるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて、衣類、浴室、室内などを乾燥する乾燥装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプを用いた乾燥装置は、図１０に示すような構成が一般的である。すなわちコンプレッサー１０１と凝縮器１０２と蒸発器１０３からなるヒートポンプを備え、凝縮器１０２から放熱される熱を空気に与え、送風装置１０４によって温風とし乾燥室１０５に送り込む。乾燥室１０５内の被乾燥物である衣類１０６などに温風があたり加熱乾燥される。衣類１０６を通過し湿った温風は、ヒートポンプの蒸発器１０３を通って熱が奪われ、露点以下になると水分が凝縮しドレン水となって回収される。蒸発器１０３を通った風は再び凝縮器１０２に導入されて加熱され、乾燥した温風となって再び衣類１０６を乾燥する。このように乾燥用空気の冷却（除湿）と加熱を繰り返し、循環しながら被乾燥物から水分を奪って乾燥をおこなうものである（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１７８２８９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、被乾燥物を通過し湿った温風を露点以下まで冷却し、再び加熱して乾燥した温風としているので、多くの熱を移動させる必要があり、それだけヒートポンプの圧縮機にかかる負担が大きく、圧縮機の小型化を困難にしている。また、圧縮機を駆動するために大きなエネルギーを必要とするという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機にかかる負担を少なくしてエネルギー効率を向上したヒートポンプを用いた乾燥装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の乾燥装置は、蒸発器の上流側に配設し循環風路を流れる乾燥用空気と熱交換する上流側熱交換器と、前記蒸発器の下流側に配設し前記循環風路を流れる乾燥用空気と熱交換する下流側熱交換器と、前記上流側熱交換器と前記下流側熱交換器を連結するヒートパイプとを有し、前記上流側熱交換器に前記ヒートパイプの吸熱側を接続し、前記下流側熱交換器に前記ヒートパイプの放熱側を接続し、前記ヒートパイプの吸熱側を放熱側より下方に位置し、前記ヒートパイプを介して前記蒸発器上流側の乾燥用空気の熱を前記蒸発器下流側の乾燥用空気へ移動させるようにしたものである。

これによって、循環風路を流れる乾燥用空気は、蒸発器の前後で温度差があり、蒸発器上流側の熱の一部はヒートパイプの熱移動作用により蒸発器の下流側へ流れることになり、圧縮機が担う熱移動の量が軽減されてエネルギー効率は向上する。

つまり、蒸発器の上流側では温風が通過するので上流側熱交換器が暖められ、蒸発器の下流側では蒸発器によって冷却された後の風が通過するので下流側熱交換器が冷やされる。ここに温度差が発生するので、これらの熱交換器を貫通しているヒートパイプは温度差
が無くなるよう内部の作動流体が相変化しながら移動するので、蒸発器の上流側の熱が蒸発器の下流側へ移動し、この熱の移動分だけ圧縮機による熱移動ではないので、圧縮機への負担を軽減することができる。

本発明の乾燥装置は、ヒートポンプの圧縮機の負担を軽減することができ、圧縮機の小型化とエネルギー効率を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態における乾燥装置の模式図同乾燥装置の上流側熱交換器の側面模式図同乾燥装置の下流側熱交換器の側面模式図同乾燥装置のヒートポンプの要部の模式図本発明の第２の実施の形態における乾燥装置の模式図同乾燥装置の上流側熱交換器の側面模式図同乾燥装置の下流側熱交換器の側面模式図本発明の第３の実施の形態における乾燥装置の模式図同乾燥装置のヒートポンプの要部の模式図従来のヒートポンプを用いた乾燥装置の模式図

第１の発明は、被乾燥物を収容する乾燥室と、前記乾燥室に乾燥用空気を送風するファンと、前記乾燥室と循環風路で連結したヒートポンプとを備え、前記ヒートポンプは、冷媒を圧縮するコンプレッサーと、前記循環風路を流れる乾燥用空気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器で冷却された乾燥用空気を加熱する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器に冷媒を流す管路と、冷媒の圧力を減圧する減圧弁と、前記蒸発器の上流側に配設し前記循環風路を流れる乾燥用空気と熱交換する上流側熱交換器と、前記蒸発器の下流側に配設し前記循環風路を流れる乾燥用空気と熱交換する下流側熱交換器と、前記上流側熱交換器と前記下流側熱交換器を連結するヒートパイプとを有し、前記上流側熱交換器に前記ヒートパイプの吸熱側を接続し、前記下流側熱交換器に前記ヒートパイプの放熱側を接続し、前記ヒートパイプの吸熱側を放熱側より下方に位置し、前記ヒートパイプを介して前記蒸発器上流側の乾燥用空気の熱を前記蒸発器下流側の乾燥用空気へ移動させるようにしたことにより、循環風路を流れる乾燥用空気は、蒸発器の前後で温度差があり、蒸発器上流側の熱の一部はヒートパイプの熱移動作用により蒸発器の下流側へ流れることになり、圧縮機が担う熱移動の量が軽減してエネルギー効率を向上することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の上流側熱交換器は、下流側熱交換器より下方に配設したことにより、上流側熱交換器と、この上流側熱交換器を貫通するヒートパイプの吸熱側との熱交換面積を大きくとることができる。また、ヒートパイプの放熱側が吸熱側より上方に位置するので、下流側熱交換器と、この下流側熱交換器を貫通するヒートパイプの放熱側との熱交換面積を大きくとることができるので、循環風路を流れる乾燥用空気の熱をより多くヒートパイプによって移動させることができ、エネルギー効率を向上することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の循環風路は、仕切り部によって下部循環風路と上部循環風路に分離して設けるとともに、上流側熱交換部と下流側熱交換部とヒートパイプを一体に構成し、前記上流側熱交換部を前記下部循環風路に配置し、前記下流側熱交換部を前記上部循環風路に配置し、前記上流側熱交換部を前記下流側熱交換部の略直下に位置するように構成したことにより、ヒートパイプを略直立状態にすることができ、ヒートパイプによる熱移動量を大きくすることができる。また、上流側熱交換器と下流側熱交換器と
ヒートパイプが一体構造となるので、ヒートパイプが放熱部と吸熱部だけで構成されることになり、熱移動に関与しない部位がなくなるので、放熱等が抑えられて熱移動量が大きくなり、エネルギー効率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における乾燥装置を衣類乾燥機とした模式図、図２は、同乾燥装置の上流側熱交換器の側面模式図、図３は、同乾燥装置の下流側熱交換器の側面模式図、図４は、同乾燥装置のヒートポンプの要部の模式図である。

図１〜図４において、１は衣類Ａ等の被乾燥物を収容する乾燥室、２は乾燥室１と循環風路３で連結したヒートポンプで、乾燥室１には循環風路３から乾燥用空気が供給される給気口４と、乾燥用空気が排出される排気口５を設けている。ヒートポンプ２は、冷媒を圧縮するコンプレッサー６と、循環風路３を流れる乾燥用空気を冷却する蒸発器８と、蒸発器８で冷却された乾燥用空気を加熱する凝縮器７と、蒸発器８と凝縮器７に冷媒を流す管路９と、冷媒の圧力を減圧する減圧弁１０を有し、蒸発器８および凝縮器７は循環風路３に設けて循環する乾燥用空気が通過するようにしている。

乾燥用空気は送風装置を構成するファン１１によって送風され、蒸発器８の前後には熱移動手段を構成する４本のヒートパイプ１２でつながれた上流側熱交換器１３と下流側熱交換器１４を配置している。上流側熱交換器１３および下流側熱交換器１４は、多数の良熱伝導性の金属製薄板（例えば、アルミニウム等）で積層されたフィン１５を有し、ヒートパイプ（熱移動手段）１２は上流側熱交換器１３側が低く、下流側熱交換器１４側が高くなるように傾斜させており、ヒートパイプ１２の低位側の一端を上流側熱交換器１３の内部に貫通させ、高位側の他端を下流側熱交換器１４の内部に貫通している。ヒートパイプ１２は、蒸発器８を迂回して循環風路３外で上流側熱交換器１３と下流側熱交換器１４を結んでいる。

以上のように構成された乾燥装置について、以下その動作、作用を説明する。使用者は乾燥室１に洗濯後脱水された衣類Ａを収納する。図示していないスタートスイッチが押されると、コンプレッサー６が起動し、ファン１１の送風が始まり乾燥が開始される。

コンプレッサー６では冷媒を圧縮し管路９を通して凝縮器７に送り込む。凝縮器７では冷媒が凝縮して熱を放出し、循環風路３を流れる乾燥用空気を加熱する。冷媒は減圧弁１０で減圧されて蒸発器８において蒸発して熱を吸収し、循環風路３を流れる乾燥用空気を冷却する。

このサイクルを繰り返して、凝縮器７の温度は上昇し、蒸発器８の温度は低下する。凝縮器７と蒸発器８は、冷媒が通る管路９と積層されたフィン（図示せず）から構成されており、循環風路３を流れる乾燥用空気と冷媒が熱交換するようになっている。

ファン１１で送風された乾燥用空気が凝縮器７を通ると乾燥用空気の温度が上昇し、蒸発器８を通ると乾燥用空気の温度が低下する。本実施の形態においては、凝縮器７の出口温度が７５℃になるようコンプレッサー６の出力を調整する。

乾燥開始後約３０分で凝縮器７の出口温度が７５℃となると、乾燥室１には約７０℃の温風が給気口４から導入され、衣類Ａを加熱し水分を奪って、温風は４０〜５０℃の湿った空気となって排気口５から循環風路３に入り蒸発器８へ戻る。

従来の衣類乾燥機であれば、この湿った温風（乾燥用空気）は直接蒸発器８へ戻る構成であるが、本発明ではその前に上流側熱交換器１２を通過し、乾燥用空気の熱を上流側熱交換器１３へ与える。この上流側熱交換器１３は、図２のように、ヒートパイプ１２が斜めに上昇するよう傾斜配置されその間をフィン１５が積層している構成であり、フィン１５の間を通った乾燥用空気と熱交換して、４０〜５０℃の乾燥用空気からヒートパイプ１２に熱が与えられる。

ヒートパイプ１２は、内部に水などの作動流体が入った熱輸送デバイスであり、作動流体の相変化によって熱を高速で輸送させるものである。ヒートパイプ１２の高温側（吸熱側）では作動流体が沸騰し、その蒸気が低温側（放熱側）に達すると凝縮をおこす。液体に戻った作動流体は、重力や毛細管力によって吸熱側へ還流して内部で循環しながら熱を輸送するもので、吸熱側が放熱側より下部に位置する方が重力による還流速度が速まるので熱輸送量は高まる。

本実施の形態のヒートパイプ１２は、熱輸送量１００Ｗのものを４本用いて、その吸熱側を図２のように上流側熱交換器１３の内部で傾斜角度をもたせて重力還流を起こしやすいように配置する。また、図１のように、上流側熱交換器１３から下流側熱交換器１４への導入部分も、下流側熱交換器１４側が高位となるように所定の角度で傾斜させており、図３のように下流側熱交換器１４の内部も傾斜させている。

下流側熱交換器１４内部においては、乾燥用空気が蒸発器８を通った後で冷却されて低温となっており、ヒートパイプ１２はその部分において上流側熱交換１３の部分よりも低温となる。ヒートパイプ１２において温度差が発生すると熱輸送が始まるので、上流側熱交換器１３において乾燥用空気から熱がヒートパイプ１２に与えられる。

ヒートパイプ１２内部では作動流体の沸騰がおこり、蒸気がヒートパイプ１２内部を通って下流側熱交換器１４内に達し、後述するようにそこで放熱される。これによって４０〜５０℃であった乾燥用空気の温度は、上流側熱交換器１３を通ることによって３０〜４０℃まで低下する。

乾燥用空気は上流側熱交換１３を通った後、蒸発器８に導入され、前述のように乾燥用空気の熱を奪って温度を低下させ、その温度が露点以下となると結露し水となって排水口（図示せず）から排水される。蒸発器８を出た乾燥用空気は温度が２０〜３０℃ほどになり今度は下流側熱交換器１４に導入される。

下流側熱交換器１４は図３のように、ヒートパイプ１２が斜めの角度をもって配置されその間をフィン１５が積層している構成であり、この間を通った乾燥用空気とヒートパイプ１２が熱交換して、ヒートパイプ１２から乾燥用空気に熱が与えられる。つまり、ヒートパイプ１２内部において作動流体の凝縮がおこり、作動流体が液体となって重力によってヒートパイプ１２内部を通って、上流側熱交換器１３内部へ還流する。

このようにヒートパイプ１２は、上流側熱交換器１３内で吸熱し、下流側熱交換器１４内で放熱し、作動流体が内部を蒸気と液体の相変化しながら循環することによって、上流側熱交換器１３の熱が下流側熱交換器１４へ輸送されることになる。

このようにして下流側熱交換器１４において乾燥用空気は温められ、その温度は３０〜４０℃ほどになる。この熱はもともと上流側熱交換器１３に導入される乾燥用空気が持っていた熱の一部であり、この熱が蒸発器８を迂回して凝縮器７へ送られる。

乾燥用空気の温度の変化を見ると、上流側熱交換器１３に導入される乾燥用空気の温度は４０〜５０℃であり、上流側熱交換器１３を通過すると３０〜４０℃に低下する。その後蒸発器８を通過すると、さらに冷却され、２０〜３０℃となる。そして、下流側熱交換器１４を通過すると３０〜４０℃に加熱されて、最後には凝縮器７において７５℃まで加熱される。

本実施の形態において、蒸発器８では３０〜４０℃の空気を２０〜３０℃まで冷却するだけでよいことになるが、従来構成では４０〜５０℃の空気を２０〜３０℃に冷却しているので、それだけ蒸発器１０３の負担が大きいことになる。また、本実施の形態の凝縮器７では、３０〜４０℃の乾燥用空気を７５℃まで加熱するのに対し、従来構成では２０〜３０℃の空気を７５℃まで加熱しなければならず、それだけ凝縮器１０２の負担が大きい。

また、実際の乾燥能力を比較する。従来の構成における乾燥試験の結果は、消費電力あたりの乾燥重量が１．２８（ｇ／Ｗｈ）であるのに対し、本実施の形態における乾燥試験の結果は、１．３４（ｇ／Ｗｈ）であり、効率が５％近くアップするという結果であった。

本実施の形態において、ヒートパイプ１２は熱輸送力１００Ｗのものを４本用いているので、４００Ｗの熱輸送量があるはずであるが、乾燥試験の結果から算出される熱輸送量は約２００Ｗであり、熱輸送効率は５０％ほどである。これは、熱交換効率や断熱効率などが１００％ではないためと考えられる。

以上のように本発明によれば、コンプレッサー６の負担を軽くして乾燥効率を高めることができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における乾燥装置の模式図、図６は、同乾燥装置の上流側熱交換器の側面模式図、図７は、同下流側熱交換器の側面模式図である。この構成の特徴は、上流側熱交換器１３を下流側熱交換器１４より下方に配設したところにあり、上流側熱交換器１３と下流側熱交換器１４を６本のヒートパイプ（熱移動手段）１２で結んだものである。他の構成は実施の形態１と同じであり、詳細な説明は実施の形態１のものを援用する。

上流側熱交換器１３を下流側熱交換器１４より下方に配設することにより、ヒートパイプ１２の傾斜角度を維持してヒートパイプ１２の数を増加させることができる。

乾燥能力を比較すると、従来の構成における乾燥試験の結果は、消費電力あたりの乾燥重量が１．２８（ｇ／Ｗｈ）であるのに対し、本実施の形態の構成における乾燥試験の結果は、１．３７（ｇ／Ｗｈ）であり、効率が７％アップするという結果であった。第１の実施の形態の効率アップが５％であったことから、ヒートパイプ１２の本数を増やす効果はあるということがいえる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の第３の実施の形態における乾燥装置の模式図である。図９は、同乾燥装置のヒートパイプユニットの側面模式図である。この構成の特徴は、上流側熱交換器１３と下流側熱交換器１４およびヒートパイプ（熱移動手段）１２をヒートパイプユニットとして一体構造としたところにある。他の構成は実施の形態１と同じであり、詳細な説明は実施の形態１のものを援用する。

本実施の形態は、乾燥用空気の流れと熱の収支については第１の実施の形態と基本的に同じである。すなわち、乾燥室１から出てきた湿った温風が、上流側熱交換器１３においてその熱の一部を与え、蒸発器８において冷却、除湿され、下流側熱交換器１４において上流側熱交換器１３から輸送されてきた熱を空気に再び与え、凝縮器７においてさらに加熱して乾いた温風を作り出すものである。

図８において、循環風路３は上方へ略Ｕ字状に折り返すように形成してあり、仕切り部１６によって下部循環風路３ａと上部循環風路３ｂとに分離している。ヒートパイプユニット１７は横方向に積層された多数のフィン１５に複数の直立したヒートパイプ１２を貫通させて構成している。

ヒートパイプユニット１７の下部が上流側熱交換器１３としての機能を有し、下部循環風路３ａに位置している。また、ヒートパイプユニット１７の上部が下流側熱交換器１４としての機能を有し、上部循環風路３ｂに位置している。

乾燥室１から出てきた温風は、下部循環風路３ａを通って最初にヒートパイプユニット１７の下部、すなわち、上流側熱交換器１３に達し、乾燥用空気の熱が熱交換されてヒートパイプ１２の下部（吸熱部）に熱を与える。この熱はヒートパイプ１２の内部を通ってヒートパイプユニット１７の上部に達し、放熱される。この熱は、蒸発器８を通り上部循環風路３ｂを通る乾燥用空気に与えられる。

本実施の形態のように、ヒートパイプ１２が図９のように直立していることによって、ヒートパイプ１２内部の作動流体が重力で還流しやすい構成となり、熱輸送量を増加させることができる。また、上流側熱交換器１３の部分（上流側熱交換部）と、下流側熱交換器１４の部分（下流側熱交換部）を一体構造としているので、ヒートパイプ１２の吸熱部分と放熱部分の間に熱作用の寄与しない部位が存在しないので、放熱によるロスがなくなり、より熱輸送効率が増加する。

また、ヒートパイプ１２が直立していることにより、横方向のフィン１５で構成されたヒートパイプユニット１７内部に無駄なスペースがないレイアウトが実現できる。つまり、ヒートパイプ１２が傾斜していないので、フィン１５の中に隈なくヒートパイプ１２を配置することができ、熱交換効率を高めることができる。本実施の形態では、ヒートパイプを計９本（横方向に３列、奥行き方向に３列）配置することが可能となった。

以上のように、熱輸送量が増大した本実施の形態における、実際の乾燥試験の結果は、消費電力あたりの乾燥重量が１．５１（ｇ／Ｗｈ）であった。

また、本実施の形態において、ヒートパイプ１２は熱輸送力１００Ｗのものを９本用いているので、９００Ｗの熱輸送量があるはずであるが、乾燥試験の結果から算出される熱輸送量は約６８０Ｗである。熱輸送効率は７５％ほどであり、前述の実施の形態よりも熱輸送効率が高まったのは、ヒートパイプユニット１２のような一体構造とした効果であった考えられる。

以上のように、本発明にかかる乾燥装置は、ヒートポンプの圧縮機の負担を軽減することができ、圧縮機の小型化とエネルギー効率を高めることができるので、ヒートポンプを利用した乾燥装置として有用である。

１乾燥室
２ヒートポンプ
３循環風路
６コンプレッサー
７凝縮器
８蒸発器
９管路
１０減圧弁
１１ファン
１２ヒートパイプ（熱移動手段）
１３上流側熱交換器
１４下流側熱交換器

Claims

被乾燥物を収容する乾燥室と、前記乾燥室に乾燥用空気を送風するファンと、前記乾燥室と循環風路で連結したヒートポンプとを備え、前記ヒートポンプは、冷媒を圧縮するコンプレッサーと、前記循環風路を流れる乾燥用空気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器で冷却された乾燥用空気を加熱する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器に冷媒を流す管路と、冷媒の圧力を減圧する減圧弁と、前記蒸発器の上流側に配設し前記循環風路を流れる乾燥用空気と熱交換する上流側熱交換器と、前記蒸発器の下流側に配設し前記循環風路を流れる乾燥用空気と熱交換する下流側熱交換器と、前記上流側熱交換器と前記下流側熱交換器を連結するヒートパイプとを有し、前記上流側熱交換器に前記ヒートパイプの吸熱側を接続し、前記下流側熱交換器に前記ヒートパイプの放熱側を接続し、前記ヒートパイプの吸熱側を放熱側より下方に位置し、前記ヒートパイプを介して前記蒸発器上流側の乾燥用空気の熱を前記蒸発器下流側の乾燥用空気へ移動させるようにした乾燥装置。
上流側熱交換器は、下流側熱交換器より下方に配設した請求項１記載の乾燥装置。
循環風路は、仕切り部によって下部循環風路と上部循環風路に分離して設けるとともに、上流側熱交換部と下流側熱交換部とヒートパイプを一体に構成し、前記上流側熱交換部を前記下部循環風路に配置し、前記下流側熱交換部を前記上部循環風路に配置し、前記上流側熱交換部を前記下流側熱交換部の略直下に位置するように構成した請求項２記載の乾燥装置。