JP2011106723A - 乾燥装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥装置のペルチェ素子のエネルギー効率の向上を目指すこと。
【解決手段】冷却フィン３の前後に、上流側熱交換器７と下流側熱交換器８を設け、熱媒体が熱交換配管９を通して両熱交換器の間を循環する経路を形成し、熱媒体は上流側熱交換器７と下流側熱交換器８の温度差と高低差によって自然に循環し、上流側熱交換器７を通る空気の熱が下流側熱交換器８へ迂回するように構成することで、冷却フィン３にとって冷却すべき冷却能力が低減できるとともに、放熱フィン２にとって加熱すべき加熱能力も低減でき、ペルチェ素子１が負担する熱移動量を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いて、衣類や布団などを乾燥する乾燥装置に関するものである。

従来の衣類などを乾燥する乾燥装置は、図８に示すような構成が一般的である。すなわちペルチェ素子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１１６などに温風があたり加熱乾燥される。衣類１１６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（図示せず）。蒸発器１０３を通った風は再び凝縮器１０２に導入され加熱され、乾燥した温風となって再び衣類１１６を乾燥する。このように空気が加熱と冷却（除湿）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するのがヒートポンプを用いた乾燥装置の特徴であり、エネルギー効率的に優れた方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、乾燥装置の熱源としてペルチェ素子を用いたものもあり、図９のようなものも提案されている。すなわちペルチェ素子２０１を挟んだ放熱フィン２０２と冷却フィン２０３、送風手段２０４を備え、冷却フィン２０３によって風を除湿しながら放熱フィン２０３によって風を加熱し、送風手段２０４によって風を乾燥室２０５に送り、循環させる構成である。ヒートポンプを用いた方法ほどエネルギー効率は高くないが、構造がシンプルで振動騒音の少ない乾燥装置を実現できる（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１７８２８９号公報 特開平８−５７１９４号公報

しかしながら、従来のヒートポンプを用いた乾燥装置は、構造が複雑で高価な手段となりやすく、さらに振動騒音も大きい。ペルチェ素子を用いた乾燥装置はそれらの課題は克服しているものの、エネルギー効率の点でヒートパイプに遠く及ばず、ランニングコストのかかる方法と言える。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ペルチェ素子を用いつつ、エネルギー効率の良い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、被乾燥物を収納する乾燥室と、前記乾燥室へ風を送る送風手段と、ペルチェ素子を挟む放熱フィンと冷却フィンからなるペルチェユニットを有し、前記放熱フィンによって風を加熱して被乾燥物にあてて乾燥し、被乾燥物を通過した風を前記冷却フィンによって除湿し、除湿された風が再び前記放熱フィンによって加熱され、風が循環しながら被乾燥物を乾燥する乾燥装置において、前記冷却フィンの上流側の風の熱を、前記冷却フィンの下流側の風へ移動させる熱移動手段を有する乾燥装置としたものである。

これによって、冷却フィンに導入される風の熱が奪われているので温度が低下し、冷却フィンによる冷却効果が高まり、より多くの除湿を期待できる。一方で 放熱フィンに導入される風には熱が供給されるので放熱フィンによる加熱効果は高まるので、効率よく乾燥が可能となり、全体としての乾燥エネルギー効率は向上する。

本発明の乾燥装置は、ペルチェ素子を用いて効率よく乾燥が可能となり、エネルギー効率の向上、つまり省エネルギーが可能となる。

本発明の第１の実施の形態における乾燥装置の模式図 同乾燥装置のペルチェユニット周辺を上から見た模式図 同乾燥装置の上流側熱交換器もしくは下流側熱交換器の側面模式図 本発明の第２の実施の形態における乾燥装置の模式図 同乾燥装置のペルチェユニット周辺を上から見た模式図 同乾燥装置の上流側熱交換器の左側面模式図 同乾燥装置の下流側熱交換器の右側面模式図 従来のヒートポンプを用いた乾燥装置の模式図 従来のペルチェ素子を用いた乾燥装置の模式図

第１の発明は、被乾燥物を収納する乾燥室と、前記乾燥室へ風を送る送風手段と、ペルチェ素子を挟む放熱フィンと冷却フィンからなるペルチェユニットを有し、放熱フィンによって風を加熱して被乾燥物にあてて乾燥し、被乾燥物を通過した風を冷却フィンによって除湿し、除湿された風が再び放熱フィンによって加熱され、風が循環しながら被乾燥物を乾燥する乾燥装置において、冷却フィンの上流側の風の熱を、冷却フィンの下流側の風へ移動させる熱移動手段を有しているので、エネルギー効率は向上する。

第２の発明は、第１の発明において、冷却フィンの上流側の風と熱交換する上流側熱交換器と、冷却フィンの下流側の風と熱交換する下流側熱交換器を備え、上流側熱交換器と下流側熱交換器を連通して循環する熱交換配管と、熱交換配管の中を満たす熱媒体を備え、上流側熱交換器と下流側熱交換器の間を熱媒体が循環し、熱媒体が効率よく熱を異動させるのでエネルギー効率が向上する。

第３の発明は、第１の発明において、冷却フィンの上流側の風と熱交換する上流側熱交換器と、冷却フィンの下流側の風と熱交換する下流側熱交換器を備え、上流側熱交換器と下流側熱交換器を連通するヒートパイプとを備え、上流側熱交換器にはヒートパイプの吸熱側が貫通し、下流側熱交換器にはヒートパイプの放熱側が貫通し、ヒートパイプが熱を効率よく移動させるのでエネルギー効率は向上する。

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の模式図、図２は、同乾燥装置のペルチェユニット周辺を上から見た模式図、図３は、同乾燥装置の上流側熱交換器もしくは下流側熱交換器の側面模式図である。

図１に示す乾燥装置は、衣類乾燥機を模したものであり、ペルチェ素子１と放熱フィン２と冷却フィン３からなるペルチェユニット４と、送風装置であるファン５と乾燥室６か
ら構成されている。冷却フィン３の前後には、上流側熱交換器７と下流側熱交換器８が配置され、それぞれその上部と下部を熱交換配管９が結び、内部の熱媒体（図示せず）が循環するように構成されている。

図２に示すペルチェユニット４を上から見た模式図は、ペルチェユニット４とその周囲について省略した図であり、熱交換配管９がペルチェユニット４を迂回して上流側熱交換器７と下流側熱交換器８を結んでいる位置関係を表している。

図３に示す上流側熱交換器７もしくは下流側熱交換器８は、側面より見た模式図であり、積層された熱交換フィン１０の間を熱交換配管９が上下方向に蛇行していることを表している。

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６に洗濯後脱水された衣類（被乾燥物）１１を収納する。スタートスイッチ（図示せず）が押されれば、ペルチェ素子１に直流電圧が印加され、ファン５の送風が始まり乾燥が開始される。

ペルチェ素子１では、熱を冷却フィン３側から移動させて放熱フィン２側に送り込む。放熱フィン２では熱が放出され、冷却フィン３において熱を吸収する。これによって放熱フィン２の温度は上昇し、冷却フィン３の温度は低下する。放熱フィン２と冷却フィン３は、風が中を通って風と各フィンとが熱交換するように構成している。ファン５から送り込まれる風が、放熱フィン２を通ると風の温度が上昇し、冷却フィン３を通ると風の温度が低下する。本実施の形態においては、放熱フィン２の出口温度が７５℃になるようペルチェ素子１への電圧を調整する。

乾燥開始後約３０分で放熱フィン２の出口温度が７５℃となると、乾燥室６には約７０℃の温風が導入され、衣類１１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蒸発器２へ戻る。

本実施の形態では、この湿った温風（空気）は冷却フィン３へ戻る前に上流側熱交換器７を通過し、空気の熱を上流側熱交換器７へ与えることになる。この上流側熱交換器７は、図３に示すように、熱交換配管９が上下方向に蛇行して配置されその間を熱交換フィン１０が積層している構成であり、この間を通った空気と熱交換配管９内部の熱媒体と熱交換して、空気から熱媒体に熱が与えられる。これによって空気の温度は３０〜４０℃まで低下する。

熱媒体は、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化カリウム、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールの水溶液が熱媒体の凍結防止となり、安価でもあるので望ましい。本実施の形態では、塩化カルシウム１０％水溶液を用いている。

熱交換配管９は上下方向に蛇行しているので、温められた内部の熱媒体は徐々に上昇していくことになる。上昇した熱媒体は図１の熱交換配管９の上部側を通って下流側熱交換器８へ導入される。

一方で、風は上流側熱交換６を通った後、冷却フィン３に導入され、前述のように空気の熱を奪って温度を低下せしめ、その温度が露点以下となると結露して水となって排水される（図示せず）。凝縮器３を出た風は温度が２０〜３０℃ほどになり今度は下流側熱交換器８に導入される。

下流側熱交換器８は、上流側熱交換器７と同じく、図３のように、熱交換配管９が上下方向に蛇行して配置されその間を熱交換フィン１０が積層している構成であり、この間を通った空気と熱交換配管９内部の熱媒体と熱交換して、熱媒体から空気に熱が与えられる。つまり下流側熱交換器８内部の熱媒体を冷やすことになる。

下流側熱交換器８での熱交換配管９も上下方向に蛇行しているので、冷やされた内部の熱媒体は徐々に下降していくことになる。一方で上流側熱交換器７から上部の熱交換配管９から熱媒体が流れてくるので、熱媒体は上流側熱交換器７の中を上昇し、上流側熱交換器７から上部の熱交換配管９を通って下流側熱交換器８へ流れ、中を下降し、下部の熱交換配管９を通って再び上流側熱交換器７へ流れるという循環経路が形成される。

本実施の形態では、図１のように上流側熱交換器７よりも下流側熱交換器８が上下方向で高い位置に配置する。このようにすれば、上流側熱交換器７で温められ上昇する熱媒体がさらに効率よく下流側熱交換器８へ流れて行き、下流側熱交換器８で冷やされ下降する熱媒体がさらに効率よく上流側熱交換器７へ流れていくようになる。この熱交換配管９の上流側熱交換器７と下流側熱交換器８の間の部分においては、管の周囲をグラスウールなどで断熱したほうが望ましい。

また、この循環経路の途中に循環ポンプを導入して強制的に熱媒体を循環させると、さらに熱移動量が増して効果的である。但し、循環ポンプが消費する電力の分だけ省エネルギーから反するし、循環ポンプは音や振動を発生するので振動騒音の少ないペルチェ素子を用いる意味が低減するので、循環ポンプの使用には配慮が必要となる。

このようにして、下流側熱交換器８において空気は温められ、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７に導入される空気が持っていた熱の一部であり、この熱が冷却フィン３を迂回して放熱フィン２へ送られるということになる。

以上のように、空気の温度の変化を見ると、上流側熱交換器７に導入される空気の温度は４０〜５０℃であり、上流側熱交換器７を通過すると３０〜４０℃に低下する。その後冷却フィン３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８を通過すると３０〜４０℃に加熱されて、最後には凝縮器２において７５℃まで加熱される。つまり、ペルチェ素子１の負担は軽減され、その分電力消費が抑えられるのでエネルギー効率のいい乾燥装置が実現できる。

（実施の形態２）
図４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５は、同乾燥装置のペルチェユニット周辺を上から見た模式図、図６は、同乾燥装置の上流側熱交換器の左側面模式図、図７は、同乾燥装置の下流側熱交換器の右側面模式図である。

図４に示す乾燥装置は、衣類乾燥機を模したものであり、ペルチェ素子１と放熱フィン２と冷却フィン３からなるペルチェユニット４と、送風装置であるファン５と乾燥室６から構成されている。冷却フィン３の前後には、上流側熱交換器７と下流側熱交換器８が配置され、それぞれその上部と下部をヒートパイプ１２が結び、ヒートパイプ１２の下部が上流側熱交換器７に、ヒートパイプ１２の上部が下流側熱交換器８内部にそれぞれ貫通している。

図５に示すペルチェユニット４を上から見た模式図は、ペルチェユニット４とその周囲について省略した図であり、ヒートパイプ１２がペルチェユニット４を迂回して上流側熱交換器７と下流側熱交換器８を結んでいる位置関係を表している。

図６、図７に示す上流側熱交換器７あるいは下流側熱交換器８は、ともに積層された熱交換フィン１０で構成されており、ヒートパイプ１２が斜めに上昇するような角度をもって貫通している。

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。

但し、第１の実施の形態と構成が同一の部分が多く、ヒートパイプ１２による熱移動に関してのみ相違する内容であるので、他の説明は省略し、ヒートパイプ１２に関連する部分のみ説明する。

衣類１１に当てられて湿った温風（空気）は４０〜５０℃の温度となって冷却フィン３へ戻る前に上流側熱交換器７を通過し、空気の熱を上流側熱交換器７へ与えることになる。この上流側熱交換器７は図６のように、ヒートパイプ１２が斜めに上昇するよう配置されその間を熱交換フィン１０が積層している構成であり、この間を通った空気と熱交換して、４０〜５０℃の空気からヒートパイプ１２に熱が与えられる。

ヒートパイプとは、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というもので、吸熱側が放熱側より下部にあるほうが重力による還流速度が速まるので熱輸送量は高まるとされている。

本実施の形態のヒートパイプ１２においては、熱輸送量１５０Ｗのものを３本用いて、その吸熱側を図６のように上流側熱交換器７の内部で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４のように、上流側熱交換器７から下流側熱交換器８への導入部分も同じように角度をもたせ、図７のように、下流側熱交換器８の内部も角度をもたせた。

下流側熱交換器８内部においては、風が冷却フィン３を通った後なので冷却されて低温となっているので、ヒートパイプ１２はその部分において上流側熱交換器７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７において空気から熱がヒートパイプ１２に与えられるのである。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８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℃であった空気の温度は上流側熱交換器７を通ることによって３０〜４０℃まで低下する。

風（空気）は上流側熱交換６を通った後、冷却フィン３に導入され、前述のように空気の熱を奪って温度を低下せしめ、その温度が露点以下となると結露して水となって排水される（図示せず）。凝縮器２を出た風は温度が２０〜３０℃ほどになり今度は下流側熱交換器８に導入される。

下流側熱交換器８は、図７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、その間を熱交換フィン１０が積層している構成であり、この間を通った空気とヒートパイプ１２と熱交換して、ヒートパイプ１２から空気に熱が与えられる。つまりヒートパイプ１２内部においては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７内部へ還流することになる。

このように、ヒートパイプ１２において、上流側熱交換器７内では吸熱し、下流側熱交換器８内では放熱し、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７の熱が下流側熱交換器８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８において空気は温められ、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７に導入される空気が持っていた熱の一部であり、この熱が冷却フィン３を迂回して凝縮器２へ送られるということになる。

以上のように、実施の形態２では、ペルチェ素子１の負担は軽減され、その分電力消費が抑えられるのでエネルギー効率のいい乾燥装置が実現できる。

以上のように、本発明にかかる乾燥装置は非常エネルギー効率が高く消費電力の少ない乾燥を実現できるので、乾燥・除湿が必要な各種機械、設備に利用でき、例えばエアコン、除湿機のような空調機器などに応用できる。

１ ペルチェ素子
２ 放熱フィン
３ 冷却フィン
４ ペルチェユニット
５ ファン
６ 乾燥室
７ 上流側熱交換器
８ 下流側熱交換器
９ 熱交換配管
１０ フィン
１１ 衣類
１２ ヒートパイプ

Claims (3)

1. 被乾燥物を収納する乾燥室と、前記乾燥室へ風を送る送風手段と、ペルチェ素子を挟む放熱フィンと冷却フィンからなるペルチェユニットを有し、前記放熱フィンによって風を加熱して被乾燥物にあてて乾燥し、被乾燥物を通過した風を前記冷却フィンによって除湿し、除湿された風が再び前記放熱フィンによって加熱され、風が循環しながら被乾燥物を乾燥する乾燥装置において、前記冷却フィンの上流側の風の熱を、前記冷却フィンの下流側の風へ移動させる熱移動手段を有する乾燥装置。
2. 冷却フィンの上流側の風と熱交換する上流側熱交換器と、前記冷却フィンの下流側の風と熱交換する下流側熱交換器を備え、前記上流側熱交換器と前記下流側熱交換器を連通して循環する熱交換配管と、前記熱交換配管の中を満たす熱媒体を備え、前記上流側熱交換器と前記下流側熱交換器の間を前記熱媒体が循環する請求項１記載の乾燥装置。
3. 冷却フィンの上流側の風と熱交換する上流側熱交換器と、前記冷却フィンの下流側の風と熱交換する下流側熱交換器を備え、前記上流側熱交換器と前記下流側熱交換器を連通するヒートパイプとを備え、前記上流側熱交換器には前記ヒートパイプの吸熱側が貫通し、前記下流側熱交換器には前記ヒートパイプの放熱側が貫通する請求項１記載の乾燥装置。

Images