JP2012245496A

JP2012245496A - 圧縮空気除湿装置

Info

Publication number: JP2012245496A
Application number: JP2011121319A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ota; 浩一太田; Yoshiaki Kitamura; 良明北村
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP5531246B2

Abstract

【課題】温度制御の応答性がよく、高精度に温度制御ができる圧縮空気除湿装置を提供する。
【解決】圧縮機３１から送り出される冷媒が、冷媒流路３２から分岐する第１の分岐流路３３に分配器３５、３６により分配され、第１凝縮器３７、第１膨張弁３８、第１蒸発器３９、および圧縮機３１の順に循環される冷却回路Ｘと、圧縮空気入口４２から流入された圧縮空気が、冷却回路Ｘの第１蒸発器３９によって冷却され、除湿されたうえで、リヒート部によって再加熱されて圧縮空気出口４４から流出される圧縮空気流通部Ｙとを具備する圧縮空気除湿装置３０において、圧縮機３１から送り出される冷媒が、第２の分岐流路３４に分配器３５、３６から分配され、リヒート部を構成する第２凝縮器４８、第２膨張弁４９、冷却回路Ｘの第１凝縮器３７の排熱を吸熱する第２蒸発器５０、および冷却回路Ｘの第１蒸発器３９の下流側となる冷媒流路３２に合流されて圧縮機３１に循環されるリヒート回路Ｚを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮空気除湿装置に関する。

圧縮空気を冷凍回路により冷却して除湿する圧縮空気除湿装置がある。この圧縮空気除湿装置では、圧縮空気が冷却されるため、二次側（出口側）の空気配管に結露するおそれがある。そのため、二次側の圧縮空気を再加熱（リヒート）し、結露を防止するようにしている。また、加熱することにより、空気量を多くすることができる点でも有利となる。
この二次側の圧縮空気を加熱する方式には種々のものが検討されている。電熱ヒータを用いるのもその一例であるが、消費電力が大きくなり好ましくない。

そこで、特許文献１に示す圧縮空気除湿装置１０では、図２に示すように、圧縮機１１からの冷媒流路１２を分岐し、この分岐冷媒流路１３を流れる高温の冷媒と二次側の圧縮空気とを熱交換させる冷媒リヒート方式を採用している。
図２において、圧縮機１１、冷媒流路１２、流量調整バルブ１４、凝縮器１５、膨張弁１６、蒸発器１７（冷却器）、圧縮機１１の循環回路が冷却回路を構成している。一方、圧縮空気は、圧縮空気入口１８から、配管１９を通じて蒸発器１７で構成される熱交換器に供給され、この熱交換器で冷却され、除湿されて、分岐冷媒流路１３を流れる高温の冷媒によりリヒータ２１で再加熱されて、圧縮空気出口２２から所要箇所に供給される。圧縮空気出口２２には温度センサ２３が配設され、この温度センサ２３で検出される温度が所要設定温度となるように、制御部２４により、流量調整バルブ１４、２０の開度が制御される。

特開２０１０−１０４９６４

特許文献１のものでは、消費電力を小さくでき、省エネルギー化が図れる。しかしながら、特許文献１に示される冷媒リヒート方式では、圧縮空気回路において、低負荷（空気停止または少空気流量、空気低温時）から高負荷（定格空気流量、空気低温時）に変動するとき、加温能力が低く、温度制御の精度が悪く、低温度の空気が流出して所要の設定温度とすることができず、配管表面に結露を生じさせるおそれがある。
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、前述のような負荷変動があっても、低温空気の流出がなく、温度制御の応答性がよく、高精度に温度制御ができる圧縮空気除湿装置を提供することにある。

本発明に係る圧縮空気除湿装置は、圧縮機から冷媒流路に送り出される冷媒が、前記冷媒流路から分岐する第１の分岐流路および第２の分岐流路のうちの該第１の分岐流路に分配器により分配され、第１凝縮器、第１膨張弁、第１蒸発器（冷却器）、および前記圧縮機の順に循環される冷却回路と、圧縮空気入口から流入された圧縮空気が、前記冷却回路の第１蒸発器（冷却器）によって冷却され、除湿されたうえで、リヒート部によって再加熱されて圧縮空気出口から流出される圧縮空気流通部とを具備する圧縮空気除湿装置において、前記圧縮機から前記冷媒流路に送り出される冷媒が、前記第２の分岐流路に前記分配器から分配され、前記リヒート部を構成する第２凝縮器（加熱器）、第２膨張弁、前記冷却回路の第１凝縮器の排熱を吸熱する第２蒸発器、および前記冷却回路の前記第１蒸発器の下流側となる前記冷媒流路に合流されて前記圧縮機に循環されるリヒート回路を具備することを特徴とする。

また、前記圧縮空気流通部の圧縮空気出口側の圧縮空気の温度を検出する第１の温度センサーと、該第１の温度センサーにより検出される出口側の圧縮空気の温度が所要設定温度となるように、前記分配器による前記第１の分岐流路と第２の分岐流路とに流れる冷媒量を制御する制御部とを具備することを特徴とする。
また、前記圧縮空気流通部における圧縮空気の流れを検出する空気流検出センサーと、前記リヒート回路の前記第２凝縮器（加熱器）出口側における冷媒温度を検出する第２の温度センサーとを具備し、前記制御部は、前記空気流検出センサーにより前記圧縮空気流通部を流れる空気流が検出されないとき、もしくは空気流が所要設定値よりも小さいとき、および前記第２の温度センサーにより検出される冷媒の温度が所要設定値よりも高くなったとき、前記第２の分岐流路に冷媒が流れないように前記分配器を制御することを特徴とする。

本発明によれば、負荷変動（空気流れの停止や空気流量の変動）があっても、低温空気の流出がなく、温度制御の応答性がよく、高精度に温度制御ができる圧縮空気除湿装置を提供できる。

本実施の形態における圧縮空気除湿装置の冷却回路および圧縮空気流通部を示す回路図である。従来の圧縮空気除湿装置の冷却回路および圧縮空気流通部を示す回路図である。

以下本発明に係る圧縮空気除湿装置３０の好適な実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における圧縮空気除湿装置３０の冷却回路Ｘおよび圧縮空気流通部Ｙを示す回路図である。
冷却回路Ｘでは、冷媒を圧縮する圧縮機３１から冷媒流路３２に送り出される冷媒が、冷媒流路３２から分岐する第１の分岐流路３３および第２の分岐流路３４のうちの該第１の分岐流路３３に分配器（流量調整弁３５、３６）により分配され、第１凝縮器３７、第１膨張弁３８、第１蒸発器（冷却器：熱交換器）３９、および圧縮機３１の順に循環される。流量調整弁３５、３６の開度は、制御部４０で制御できるようになっている。この場合に、流量調整弁３５と流量調整弁３６の冷媒流量の和は常に１００％になるように制御される。
なお、分配器は２つの流量調整弁３５、３６で構成したが、１つの三方流量調整弁で構成するようにしてもよい。また、膨張弁３８は、冷媒を断熱膨張させる減圧機構の一例であるが、電子膨張弁などのほか、キャピラリチューブを含む概念で用いている（後記するリヒート回路Ｚ中の膨張弁４９も同じ）。

圧縮空気流通部Ｙでは、圧縮空気入口４２から流入された圧縮空気が、配管４３を通じて、冷却回路Ｘの第１蒸発器（冷却器）３９を通過することによって冷却され、生じた水滴が図示しないドレンバルブを通じて排出されることによって除湿され、次いで後記するリヒート回路Ｚにおけるリヒート部である第２凝縮器（加熱器）４８で再加熱された後、圧縮空気出口４４から流出される。

リヒート回路Ｚでは、圧縮機３１から冷媒流路３２に送り出される冷媒が、第２の分岐流路３４に分配器（流量調整弁３５、３６）から分配され、前記リヒート部を構成する第２凝縮器（加熱器）４８、第２膨張弁４９、冷却回路Ｘの第１凝縮器３７の排熱を吸熱する第２蒸発器５０、および冷却回路Ｘの第１蒸発器（冷却器）３９の下流側となる冷媒流路３２に合流されて圧縮機３１に循環される。

リヒート回路Ｚにおける第２凝縮器４８は、圧縮機３１で圧縮されて高温となった冷媒によって、第１蒸発器３９によって冷却され除湿された低温の圧縮空気を再加熱して所要温度まで昇温させる。
また、冷却回路Ｘの第１凝縮器３７と、リヒート回路Ｚの第２蒸発器５０とは直列に配置され（送風ファン５１の風の流れとして直列）、第１凝縮器３７の排熱を送風ファン５１により第２蒸発器５０に吹き付けることによって効率よく熱交換するようになっている。すなわち、リヒート回路Ｚは、冷却回路Ｘ側の排熱を効果的に利用するヒートポンプ回路に構成され、第２凝縮器（加熱器）４８において圧縮空気を効率よく再加熱するものである。

圧縮空気流通部Ｙには、圧縮空気の流れを検出する空気流検出センサ５３が配設され、空気流の有無を検出するようになっている。空気流有無の検出信号は制御部４０に入力される。空気流検出センサ５３は種々の構成のものを採用できる。
また、圧縮空気流通部Ｙの圧縮空気出口には、圧縮空気の温度を検出する第１の温度センサ５４が配設されている。第１の温度センサ５４で検出される圧縮空気温度の検出信号は制御部４０に入力される。
さらに、リヒート回路Ｚのリヒート部たる第２凝縮器（加熱器）４８出口側における冷媒温度を検出する第２の温度センサ５５が配設されている。この検出された冷媒温度の検出信号も制御部４０に入力される。
なお、５７はホットガスバイパス回路で、圧縮機３１の出口側と吸込側とをバイパスし、開閉弁５８によって通常は閉じられている。後記するように、無負荷運転時に開閉弁５８が開けられる。空気の流れのない無負荷運転だと、熱交内（第１蒸発器３９内）は過冷却となり、結露水凍結のおそれがある。そのため、熱交内（第１蒸発器３９内）が凍結する温度にならないように、圧縮機３１吐出の高温高圧冷媒をバイパスさせて凍結を防止するようにしている。

本実施の形態における圧縮空気除湿装置３０は上記のように構成されている。
圧縮空気流通部Ｙに圧縮空気が流通される通常運転時には、冷却回路Ｘとリヒート回路Ｚに、圧縮機３１からの冷媒が、分配器（流量調整弁３５、３６）を通じて所要量に分配されて循環され、除湿と再加熱が行われる。
すなわち、圧縮空気入口４２から配管４３中に流入された湿気を含んだ圧縮空気は、第１蒸発器（冷却器）３９にて冷却され、生じた水滴が図示しないドレンバルブを通じて排出されることによって除湿される。この除湿された低温状態の圧縮空気は、圧縮機３１で圧縮され高温となった冷媒によって、リヒート部たる第２凝縮器（加熱器）４８で再加熱される。再加熱された圧縮空気の温度は、第１の温度検出センサ５４によって検出され、この検出信号が制御部４０に入力され、制御部４０では、検出温度が予め設定されている設定温度となるように、流量調整弁３５、３６の開度を調整して冷却回路Ｘおよびリヒート回路Ｚを流れる冷媒量を調整することによって温度調整をするのである。

このように、本実施の形態では、分配器（流量調整弁３５、３６）により冷媒の流量を調整して、冷却回路Ｘによる冷却とリヒート回路Ｚによる再加熱とをバランスさせるヒートポンプバランス制御方式を採用している。そして、冷却回路Ｘの第１凝縮器３７における排熱を、ヒートポンプのリヒート回路Ｚの第２蒸発器５０で吸熱して有効利用するので、熱効率に優れるものとなる。また、排熱を回収するので、装置周囲の温度上昇を防ぐことができ、環境負荷の低減を図ることができる。

さらに具体的に説明すると、図２に示すような従来の単純なリヒート方式の場合、冷媒の全量がエアードライヤーの蒸発器（冷却器）で冷却に供されるが、上記のように、本実施の形態（ヒートポンプバランス制御方式）では、冷却回路Ｘとリヒート回路Ｚとを独立して設けているので、圧縮空気除湿装置の蒸発器（冷却器）３９には冷却回路Ｘの冷媒のみが供される。またリヒート回路Ｚのリヒート部たる凝縮器４８は独立した回路となっており、凝縮器３７の排熱も利用するため加熱能力が向上する。出口空気温度で比較した場合、従来のリヒート方式に対し、+５ｄｅｇ高い温度まで制御することが可能となる。

従来のリヒート方式の場合、圧縮空気除湿機能よりも温調機能が優先されるため、冷却能力１００％、加熱能力１３０％で、冷却と加熱がひとつの回路であるため実３０％の加熱能力しかない。この点、ヒートポンプバランス制御方式の場合には、冷却と加熱の回路がそれぞれ独立しているため、冷却能力１００％〜０％、加熱能力１３０％〜０％で、冷却が必要ない場合は１００％まで加熱できる。したがって、従来のリヒート方式に比べて、１３０/３０=４．３倍の加熱能力があり、すばやく加熱することができる。
さらに、ヒートポンプバランス制御方式の場合、冷却回路Ｘおよびリヒート回路Ｚが独立しており冷媒分配比率を制御できるため、入口空気温度（負荷）の変動に対して細かな分配制御が可能となり、出口空気温度を高精度（±０．１℃）で制御できる。

なお、圧縮空気除湿装置では、無負荷運転されることがある。無負荷運転とは、圧縮空気回路の流れがなく、圧縮空気除湿装置にかかる負荷がない状態での運転をいう。すなわち、圧縮空気の場合、ユーザにおいて空気を使用しなければ、空気圧力が掛かっているが流れは止まっているということになる。この場合、リヒート部たる第２凝縮器４８での熱交換がなくなるから、第２凝縮器４８内の冷媒の温度が上昇しすぎるおそれがある。

そこで、本実施の形態では、空気流検出センサ５３を設け、この空気流検出センサ５３により圧縮空気流通部Ｙを流れる空気流が検出されないとき、もしくは空気流が所要設定値より小さいとき、制御部４０により分配器における流量制御弁３６を閉じる。すなわち、リヒート回路Ｚを閉じる。これにより、リヒート回路Ｚの第２凝縮器４８における冷媒の温度が上昇しすぎるのを防止できる。また、無負荷運転となるから、前記のように、ホットガスバイパス回路５７の開閉弁５８を開放し、熱交内（第１蒸発器３９内）で結露水が凍結するのを防止する。

なお、空気流検出センサ５３によっては、物理的あるいは機械的な検出機構のため、微小な空気の流れを検出できないおそれがある。すなわち、ユーザーによって少量ずつ使用されているにもかかわらず、微小な空気の流れであるため、検出できない場合がある。そこで、空気流検出センサ５３による空気流の検出の他に、第２の温度センサ５５によって、第２凝縮器４８の出口側における冷媒の温度を検出し、該冷媒の温度が所要設定値よりも高くなったときにリヒート回路Ｚを閉じるようにする。この冷媒の温度が所要設定値以内であれば、空気流検出センサ５３で空気流が検出されなくても、ユーザーにより微小ながら、使用されていると判断してリヒート回路Ｚを閉じないようにするのである。

本実施の形態では、上記のように冷却回路Ｘでの排熱を有効利用するヒートポンプを構成するリヒート回路Ｚを設けたので、効率よく除湿した圧縮空気の再加熱が行えるという上記作用効果を奏する。
また、さらに、除湿された圧縮空気の供給量を増加させることによって、圧縮空気の堆積当たりのエアーコンプレッサーの駆動電力量を相対的に低くすることができ、省エネ効果をあげることができる。
さらに、圧縮空気除湿装置内の配管内の温度を上げることができるので、冬場等において結露の発生を抑制することができる。このため、配管に断熱材を巻き付けるなどの対策も不要とすることができる。

３０圧縮空気除湿装置
３１圧縮機
３２冷媒流路
３３第１の分岐流路
３４第２の分岐流路
３５流量調整弁
３６流量調整弁
３７第１凝縮器
３８第１膨張弁
３９第１蒸発器（冷却器）
４０制御部
４２圧縮空気入口
４３配管
４４圧縮空気出口
４８第２凝縮器（加熱器）
４９第２膨張弁
５０第２蒸発器
５１送風ファン
５３空気流検出センサ
５４第１の温度センサ
５５第２の温度センサ
５７ホットガスバイパス回路
５８開閉弁
Ｘ冷却回路
Ｙ圧縮空気流通部
Ｚリヒート回路

Claims

圧縮機から冷媒流路に送り出される冷媒が、前記冷媒流路から分岐する第１の分岐流路および第２の分岐流路のうちの該第１の分岐流路に分配器により分配され、第１凝縮器、第１膨張弁、第１蒸発器（冷却器）、および前記圧縮機の順に循環される冷却回路と、
圧縮空気入口から流入された圧縮空気が、前記冷却回路の第１蒸発器（冷却器）によって冷却され、除湿されたうえで、リヒート部によって再加熱されて圧縮空気出口から流出される圧縮空気流通部とを具備する圧縮空気除湿装置において、
前記圧縮機から前記冷媒流路に送り出される冷媒が、前記第２の分岐流路に前記分配器から分配され、前記リヒート部を構成する第２凝縮器（加熱器）、第２膨張弁、前記冷却回路の第１凝縮器の排熱を吸熱する第２蒸発器、および前記冷却回路の前記第１蒸発器の下流側となる前記冷媒流路に合流されて前記圧縮機に循環されるリヒート回路を具備することを特徴とする圧縮空気除湿装置。
前記圧縮空気流通部の圧縮空気出口側の圧縮空気の温度を検出する第１の温度センサーと、
該第１の温度センサーにより検出される出口側の圧縮空気の温度が所要設定温度となるように、前記分配器による前記第１の分岐流路と第２の分岐流路とに流れる冷媒量を制御する制御部とを具備することを特徴とする請求項１記載の圧縮空気除湿装置。
前記圧縮空気流通部における圧縮空気の流れを検出する空気流検出センサーと、
前記リヒート回路の前記第２凝縮器（加熱器）出口側における冷媒温度を検出する第２の温度センサーとを具備し、
前記制御部は、前記空気流検出センサーにより前記圧縮空気流通部を流れる空気流が検出されないとき、もしくは空気流が所要設定値よりも小さいとき、および前記第２の温度センサーにより検出される冷媒の温度が所要設定値よりも高くなったとき、前記第２の分岐流路に冷媒が流れないように前記分配器を制御することを特徴とする請求項２記載の圧縮空気除湿装置。