JP2012002396A - 乾燥装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプを用いた乾燥装置の立ち上がりの遅さを解決するとともに、ヒートポンプ乾燥に不可避な余剰の熱を有効利用する。
【解決手段】凝縮器２の下流側に、塩化カルシウム１７を格納した発熱反応容器６と、その上部に水１６を格納した凝縮容器７を配置する。乾燥開始時に凝縮水配管開閉弁１４を開いて水１６で塩化カルシウム１７を溶解せしめ、発熱した熱によって乾燥開始時の熱量不足を補う。乾燥が進めば、余剰の熱によって水は次第に気化し、凝縮容器へ戻って凝縮して水になり、次回の乾燥に使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて、衣類、浴室、室内等の乾燥をおこなう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５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により温風として乾燥室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）。

特開平７−１７８２８９号公報

しかしながら、前記従来の乾燥装置は、起動してからコンプレッサー１０１の立ち上がりが遅く、凝縮器１０２から放熱が得られるまでに時間がかかるため、少量の衣類を乾燥したい場合であっても、乾燥に要する時間が長く使い勝手が悪い。また、前記乾燥装置は、温風が循環しており、被乾燥物から奪った熱を再び加熱に用いているので、冷却するためにコンプレッサー１０１を駆動させる熱量の分だけが余ってしまうことになる。つまり、その分の熱量を系外に捨てなければ、循環系内の温度が過剰に上昇するという問題があり、温風の循環経路に排気口等を設けて熱を放出することが行われる。つまり、排熱した分だけエネルギーが無駄に使われていることになる。また、乾燥機を設置した部屋が排熱によって不必要に加熱され、湿度が上昇するなどの不都合が生じ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、起動してから迅速に乾燥を開始し、かつ余剰の熱量を無駄に捨てず、エネルギー効率のよい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、被乾燥物へ風を送る送風手段と、前記送風手段により送風した風を蒸発器で除湿し凝縮器で加熱するヒートポンプと、溶解時に発熱反応する溶質を格納し前記凝縮器の下流側に設けた発熱反応容器と、水を格納し前記発熱反応容器の上方に設けた凝縮容器と、前記発熱反応容器の上部と前記凝縮容器の上部を連結した蒸気配管と、前記発熱反応容器と前記凝縮容器の下部を連結し開閉弁を設けた凝縮水配管とを備え、乾燥開始時に前記開閉弁を開いて前記凝縮容器中の水を前記発熱反応容器へ導入し、前記水と溶質が接触して溶解するときの反応熱で被乾燥物へ送られる風を加熱し、乾燥が進むと前記発熱反応容器内の水分が蒸発し前記凝縮容器で凝縮して水に戻るようにしたものである。

これによって、乾燥開始時に発熱反応容器内で溶質が水と接触して発熱反応が起こるので、発熱反応容器の温度が上昇する。この熱が被乾燥物に送られる風に熱交換され、風の温度を急速に上昇させて、迅速な乾燥が始まる。次に、ヒートポンプが十分に暖機されて凝縮器の温度が高くなってくると、発熱反応容器内の水が蒸発し始める。この蒸気が凝縮容器へ達し、そこで凝縮して水にもどる。このときの蒸発に用いられる熱量は本来余剰であった熱を用いることになるので、エネルギーのロスを少なくすることができる。

本発明の乾燥装置は、ヒートポンプの暖機を待つことなく、迅速に乾燥が開始されて乾燥時間を短縮することができ、エネルギー効率の良い乾燥を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態における乾燥装置の模式図 同乾燥装置の発熱反応容器と凝縮容器の外観模式図 同乾燥装置の乾燥開始前における発熱反応容器と凝縮容器の内部模式図 同乾燥装置の溶解途中における発熱反応容器と凝縮容器の内部模式図 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、被乾燥物へ風を送る送風手段と、前記送風手段により送風した風を蒸発器で除湿し凝縮器で加熱するヒートポンプと、溶解時に発熱反応する溶質を格納し前記凝縮器の下流側に設けた発熱反応容器と、水を格納し前記発熱反応容器の上方に設けた凝縮容器と、前記発熱反応容器の上部と前記凝縮容器の上部を連結した蒸気配管と、前記発熱反応容器と前記凝縮容器の下部を連結し開閉弁を設けた凝縮水配管とを備え、乾燥開始時に前記開閉弁を開いて前記凝縮容器中の水を前記発熱反応容器へ導入し、前記水と溶質が接触して溶解するときの反応熱で被乾燥物へ送られる風を加熱し、乾燥が進むと前記発熱反応容器内の水分が蒸発し前記凝縮容器で凝縮して水に戻るようにしたことにより、乾燥開始時に発熱反応容器内で発熱反応が起こり、この熱が被乾燥物に送られる風に熱交換され、風の温度を急速に上昇させて、迅速な乾燥が始まるのである。特に、少量の被乾燥物を乾燥したいときは乾燥時間を格段に短縮することができる。そして、ヒートポンプが十分に暖機されて凝縮器の温度が高くなってくると、発熱反応容器内の水が蒸発し始める。この蒸気が凝縮容器へ達し、そこで凝縮して水にもどる。このときの蒸発に用いられる熱量は本来余剰であった熱を用いることになるので、エネルギーのロスを少なくすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、発熱反応容器に格納された溶質は、臭化カルシウム、塩化カルシウム、塩化鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩＩ）、硫酸銅（ＩＩ）、臭化マグネシウム、塩化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、硝酸マグネシウム、塩化マンガン、硫酸マンガン、硫酸亜鉛の少なくとも１種からなることにより、それらの塩は溶解熱が高く、溶解度が大きいので、水に溶けると効率よく発熱し、より迅速な乾燥が実現できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の発熱反応容器は、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなることにより、化学的安定性が高い上に、熱伝導率が高いので、より速く熱を伝えることができ、迅速な乾燥が実現できる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の発熱反応容器および凝縮容器は、表面に複数のリブもしくはフィンを設けて表面積を大きくしたことにより、乾燥の風との熱交換性能が高くなって、より迅速な乾燥が実現できる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の凝縮容器の近傍に前記凝縮容器を冷却する冷却ファンを設けたことにより、より確実に凝縮容器への水の凝縮が実現できるようになり、次回の迅速な乾燥を確かなものとすることができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明の発熱反応容器および凝縮容器内部を減圧したことにより、水の沸点が下がり、発熱反応容器の中での蒸発が起こりやすくなるので、より確実に凝縮容器への水の凝縮が実現できるようになり、次回の迅速な乾燥を確かなものとすることができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明の蒸気配管に開閉弁を設けたことにより、溶質が溶解して発熱するときは蒸気が凝縮容器に漏れないようにすることができるので、溶解による熱が凝縮容器へ伝達されることなく乾燥の風に熱交換され、乾燥の温度をより高くして迅速な乾燥を実現することが可能となる。

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、この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、同乾燥装置の発熱反応容器と凝縮容器の外観模式図、図３は、乾燥開始前の発熱反応容器と凝縮容器の内部模式図、図４は、溶解途中の発熱反応容器と凝縮容器の内部模式図である。

図１に示す乾燥装置は、衣類等を乾燥させる衣類乾燥機、もしくは衣類乾燥機能付き洗濯機に搭載した模式図であり、図５の従来例に記載の構成と同様に、コンプレッサー１と凝縮器２および蒸発器３等を有するヒートポンプと、送風ファン（送風手段）４と、乾燥させる衣類等を収容する乾燥室５から構成されている。ヒートポンプと乾燥室５は風路４ａで連結され、ヒートポンプで除湿し加熱された乾燥用空気を送風ファン４により風路４ａを通して乾燥室５へ供給し、両者の間を循環させる。

凝縮器２の下流に発熱反応容器６が配置され、その上部に凝縮容器７が配置されて、蒸気配管８がそれぞれをつないでいる。また、凝縮容器７の近傍には冷却ファン９を配置し、その送風によって凝縮容器７を冷却する。

図２に示す発熱反応容器６と凝縮容器７の模式図は、その外観を示し、発熱反応容器６の上部と凝縮容器７の上部を蒸気配管８で繋ぎ、途中を蒸気配管開閉弁（開閉弁）１３で開閉可能として蒸気の流れを制御している。また一方で、発熱反応容器６の上部と凝縮容器７の下部を凝縮水配管１２で繋ぎ、途中を凝縮水配管開閉弁（開閉弁）１４で開閉可能として凝縮水の流れを制御している。発熱反応容器６と凝縮容器７には表面に多数のフィン１５を設け、表面積を大きくして空気と熱交換しやすい構成としている。

図３は、発熱反応容器６と凝縮容器７の内部を示しており、発熱反応容器６には溶解すると発熱する溶質である塩化カルシウム１７が格納されており、凝縮容器７には水１６が格納されている。図４は、凝縮水配管開閉弁１４が開かれ、凝縮容器７内の水１６が凝縮水配管１２を通って発熱反応容器６へ導入され、塩化カルシウム１７が溶解しつつある状態を示している。

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。乾燥開始前の段階では、図３に示すように発熱反応容器６には塩化カルシウム１７だけが、また凝縮容器７内には水１６が格納されている状態であり、凝縮水配管開閉弁１４は閉じられていて、凝縮容器７内の水１６が発熱反応容器６に導入されないようになっている。また、
蒸気配管開閉弁１３も閉じられた状態で蒸気が行き来できないようになっている。

まず、使用者は乾燥室５に洗濯後脱水された衣類１０等の被乾燥物を収納する。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１が起動し、送風ファン４による送風が始まり乾燥が開始される。

コンプレッサー１では、冷媒を圧縮して凝縮器２に送り込む。凝縮器２では冷媒が凝縮して熱を放出する。冷媒は減圧弁１１で減圧され、蒸発器３において蒸発して熱を吸収する。このサイクルを繰り返して、凝縮器２の温度は上昇し、蒸発器３の温度は低下する。凝縮器２と蒸発器３は、図示は省略するが、冷媒が通る管と積層されたフィンから構成されており、乾燥用空気が通過して循環する冷媒と熱交換するようになっている。

送風ファン４から送り込まれる風が凝縮器２を通ると風の温度が上昇し、温風となって衣類１０に当って乾燥させ、その風が蒸発器３を通ると風の温度が低下し、衣類１０から奪ってきた水分を除湿する。除湿された水は図で明示していないが機外へ排水される。以上が通常のヒートポンプシステムによる乾燥の概略であるが、本発明の特徴であるところの、発熱反応容器６と凝縮容器７の動作を以下に説明する。

本実施例においては、温風の凝縮器２出口での温度が７５℃になるようコンプレッサー１の出力を調整するが、乾燥開始からすぐには凝縮器２の温度が上がらず、３０分近くは乾燥に必要な温度の風を得られない。そこで本実施の形態では、乾燥開始後すぐに凝縮水配管開閉弁１４を開き、水１６が凝縮容器７から凝縮水配管１２を通って発熱反応容器６へと導入される。水１６は流下するだけなので全量の水１６はすぐに発熱反応容器６へ入り、開いた後１分後に凝縮水配管開閉弁１４を再び閉じて発熱反応容器６を密閉する。

本実施の形態では水１６の量を６００ｇ、塩化カルシウム１７の量を６００ｇとしている。図４に示すように、これらが合わさり塩化カルシウム１７は発熱しながら溶解し始める。

塩化カルシウムの溶解度は３０℃において約５０％であるので、発熱しながら溶解する塩化カルシウム１７は容易に３０℃に達して全量が溶解できる量である。このとき発生する熱量は、塩化カルシウムの溶解熱８１．３ｋＪ／ｍｏｌであるので、４４０ｋＪになる。この熱が発熱反応容器６の周囲を通過する風と熱交換し、風の温度が（風量によるが）５０〜６０℃に上がって乾燥に十分な温風を実現することができる。ちなみに、発熱する時間は約１０分間であり、溶解熱から算出される仕事率は７３０Ｗとなる。

この間、蒸気配管開閉弁１３は閉じられていて熱が凝縮容器７へ逃げることはない。本実施の形態では、乾燥開始後３０分に蒸気配管開閉弁１３を開ける。この頃になると凝縮器２は乾燥に必要な熱を与えることのできるほど十分に暖機されているので溶解熱に頼る必要は無い。

蒸気配管開閉弁１３を開くと、発熱反応容器６内の水１６が蒸発し始め、その蒸気が蒸気配管８を通って凝縮容器７に達して、そこで凝縮し始める。このとき冷却ファン９を運転し、凝縮容器７を冷却すると凝縮効率も高くなる。

発熱反応容器６および凝縮容器７を予め（製造時に）減圧しておくことが望ましい。本実施の形態では、その圧力は常温２５℃で１０ｋＰａとした。この圧力であると塩化カルシウム溶液である水１６は沸点上昇もあるが７０℃以下で沸騰するので、凝縮器２を通って送られてくる温風（約７５℃）で十分に気化し、短時間で凝縮容器７へ蒸気となって凝縮する。

この６００ｇの水１６が気化するための熱量は、水の蒸発潜熱４０．８ｋＪ／ｍｏｌであるから１３６０ｋＪ必要とする。前述したように、風を循環させながらヒートポンプで加熱と除湿をおこなうような乾燥機は、必ず余剰の熱を系外に出さなければならない。本実施の形態では仕事率として６００Ｗの熱が余剰となると算出されていたので、この熱を前記の蒸発に使うとすれば、理論上３８分かかると計算される。通常衣類を乾燥させるほとんどの場合、乾燥時間が２時間以上であるのでこの水１６はほぼ全量が蒸発して、凝縮容器７に達して凝縮し水に戻るのである。

ここで用いる塩化カルシウムのような溶質は、溶解時に発熱反応するものであれば何でも所定の機能を発するが、望ましくは溶解度が高く（飽和溶解度が３０％以上）、溶解時の発熱量の大きいもの（モルあたり５０ｋＪ以上）でないと、溶解に時間がかかったり、発熱量が小さくて乾燥に寄与できなかったり、溶解に必要な水の量が多くて、後に蒸発させるのに必要以上の熱量が必要になったりするからである。

そのような望ましい溶質は、臭化カルシウム、塩化カルシウム、塩化鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩＩ）、硫酸銅（ＩＩ）、臭化マグネシウム、塩化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、硝酸マグネシウム、塩化マンガン、硫酸マンガン、硫酸亜鉛などが挙げられ、これらは安価で比較的安全な化学物質である。

本実施の形態は塩化カルシウムの量を６００ｇとしたが、さらに多くすると溶解熱も多く得られるが、その分溶かすための水も多くなる。つまりその後の蒸発に必要な熱量も多くなり、エネルギー収支のバランスを最適なところで見極める必要がある。

また、発熱反応容器６や凝縮容器７を構成する材質は、熱伝導率の高い金属が望ましいが、上記の様な塩類が高濃度で気化と凝縮を繰り返すので腐食の恐れが大きい。耐腐食性の高いステンレスを用いても良いが、高価であるので、本実施の形態では、ポリフェニレンサルファイドを使用した。この樹脂は化学的安定性が非常に高く、熱伝導率が樹脂の中では格段に高いのである。

また、発熱反応容器６と凝縮容器７には、図２のように表面に複数のフィン１５を設けることが望ましい。樹脂で成形する場合はリブ状のものとしてもよい。

以上のように、溶解熱による乾燥から始まり、その後のヒートポンプシステムによる乾燥が終了すれば、蒸気配管開閉弁１３を閉じる。このとき凝縮容器７には水１６が、発熱反応容器６には析出した塩化カルシウムが残り、乾燥開始前と同じ状態に戻る。

本実施の形態によれば、乾燥する衣類の量にもよるが、衣類の量が少ないときには乾燥時間が３０％ほど短くなり、消費するエネルギーも２０％以上少なくすることができる。

以上のように、ヒートポンプの弱点である乾燥開始時の立ち上がりの遅さを溶解による発熱反応で補い、一方でヒートポンプ乾燥時に余剰となる熱を有効に使って溶解による発熱反応を可逆的なものとした乾燥装置が実現できるものであり、ヒートポンプを用いた乾燥装置の立ち上がりの遅さを解決するとともに、ヒートポンプ乾燥に不可避な余剰の熱を有効に利用することができる。

以上のように、本発明にかかる乾燥装置は、ヒートポンプの暖機を待つことなく、迅速に乾燥が開始されて乾燥時間を短縮することができ、エネルギー効率の良い乾燥を実現することができるので、乾燥装置として有用である。

１ コンプレッサー
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ 送風ファン（送風手段）
６ 発熱反応容器
７ 凝縮容器
８ 蒸気配管
１２ 凝縮水配管
１３ 蒸気配管開閉弁（開閉弁）
１４ 凝縮水配管開閉弁（開閉弁）
１６ 水
１７ 塩化カルシウム（溶質）

Claims (7)

1. 被乾燥物へ風を送る送風手段と、前記送風手段により送風した風を蒸発器で除湿し凝縮器で加熱するヒートポンプと、溶解時に発熱反応する溶質を格納し前記凝縮器の下流側に設けた発熱反応容器と、水を格納し前記発熱反応容器の上方に設けた凝縮容器と、前記発熱反応容器の上部と前記凝縮容器の上部を連結した蒸気配管と、前記発熱反応容器と前記凝縮容器の下部を連結し開閉弁を設けた凝縮水配管とを備え、乾燥開始時に前記開閉弁を開いて前記凝縮容器中の水を前記発熱反応容器へ導入し、前記水と溶質が接触して溶解するときの反応熱で被乾燥物へ送られる風を加熱し、乾燥が進むと前記発熱反応容器内の水分が蒸発し前記凝縮容器で凝縮して水に戻るようにした乾燥装置。
2. 発熱反応容器に格納された溶質は、臭化カルシウム、塩化カルシウム、塩化鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩＩ）、硫酸銅（ＩＩ）、臭化マグネシウム、塩化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、硝酸マグネシウム、塩化マンガン、硫酸マンガン、硫酸亜鉛の少なくとも１種からなる請求項１記載の乾燥装置。
3. 発熱反応容器は、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなる請求項１または２記載の乾燥装置。
4. 発熱反応容器および凝縮容器は、表面に複数のリブもしくはフィンを設けて表面積を大きくした請求項１〜３のいずれか１項に記載の乾燥装置。
5. 凝縮容器の近傍に前記凝縮容器を冷却する冷却ファンを設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の乾燥装置。
6. 発熱反応容器および凝縮容器内部を減圧した請求項１〜５のいずれか１項に記載の乾燥装置。
7. 蒸気配管に開閉弁を設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の乾燥装置。

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