JP2014001914A - 電極シート乾燥システム - Google Patents

Abstract

【課題】溶媒の蒸発熱を有効に利用できる電極シート乾燥システムを提供する。
【解決手段】溶媒を含む電極材が塗布された電極シートに加熱された空気を吹き付け、前記電極材の溶媒を蒸発させることで前記電極シートを乾燥させる電極シート乾燥装置１０と、圧縮機２１と凝縮器（第三熱交換機１４）と蒸発器（第四熱交換器２３）とを備える第一ヒートポンプ２０と、を具備し、電極シート乾燥装置１０に導入される空気は、第三熱交換機１４において加熱され、電極シート乾燥装置１０から排出される蒸発溶媒及び空気は、第四熱交換器２３にて冷却された冷却水を介して冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極シート乾燥システムの技術に関する。

電極シート乾燥システムは、電極シートに加熱した空気を吹き付け、電極シートに塗布された電極材に含まれる有機溶剤を蒸発させて、電極材を乾燥させるとともに、電極材から蒸発した有機溶剤を凝縮させて回収するものである（例えば特許文献１）。電極シートは、例えば二次電池を構成する帯状のシートであって、シート状の集電体の片面または両面に電極材を塗布したものである。電極材とは、電極合材、導電材、および結着材等を有機溶剤（溶媒）にて分散したペースト状の材料である。

溶媒を回収するには、蒸発した溶媒を冷却して凝縮させる必要がある。特許文献１に開示される電極シート乾燥システムでは、蒸発した溶媒を冷却するため、溶媒と冷媒とを熱交換させる構成が開示されているものの、冷媒によって熱交換された溶媒のエンタルピーを有効利用する構成については、開示されていない。

また、通常の電極シート乾燥システムでは、電極シートに吹き付ける空気を加熱するために電気ヒータ等が用いられるものの、電気ヒータは加熱手段として成績係数が低いため、電極シート乾燥システム全体としての成績係数を向上することができない。

特開２０１０−６４０２２号公報

本発明の解決しようとする課題は、溶媒のエンタルピーを有効に利用できる電極シート乾燥システムを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、溶媒を含む電極材が塗布された電極シートに加熱された空気を吹き付け、前記電極材の溶媒を蒸発させることで前記電極シートを乾燥させる電極シート乾燥装置と、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを備えるヒートポンプと、を具備し、前記電極シート乾燥装置に導入される空気は、前記ヒートポンプの凝縮器において加熱され、前記電極シート乾燥装置から排出される前記蒸発溶媒及び空気は、前記ヒートポンプの蒸発器にて冷却された熱媒体を介して冷却されるものである。

請求項２においては、請求項１記載の電極シート乾燥システムであって、少なくとも前記凝縮器の加熱能力を含むシステム能力を、少なくとも前記圧縮機の消費電力を含むシステム消費電力で除した係数を成績係数としたとき、前記成績係数が最大となる前記凝縮器における目標凝縮圧力、前記圧縮機の出口冷媒温度、又は前記凝縮器の出口空気温度と、前記蒸発器によって冷却される熱媒体の目標冷却温度と、を予め設定し、前記目標凝縮圧力となるように前記圧縮機の回転数、圧縮機用電動機出力、圧縮容量、又は仕事量を調整し、前記目標冷却温度となるように前記熱媒体の流量を調整する制御装置を具備するものである。

本発明の電極シート乾燥システムによれば、溶媒の蒸発熱を有効に利用できる。

電極システム乾燥システムの全体的な構成を示した構成図。 システム制御の流れを示すフロー図。 システム制御の流れを示す模式図。

図１を用いて、電極シート乾燥システム１００について説明する。
なお、図１では、溶媒を含む空気の流れを実線で表し、冷媒の流れを一点鎖線で表し、冷却水の流れを二点鎖線で表し、電気信号線を破線で表し、電流の流れを三点鎖線で表している。また、図１では、溶媒を含む空気、冷媒、冷却水、電気信号及び電流の流れの向きを矢印によって表している。

電極シート乾燥システム１００は、電極シート（図示略）に加熱した空気を吹き付け、電極シートに塗布された電極材に含まれる有機溶剤（以下、「溶媒」と記載する）を蒸発させて、前記電極材を乾燥させるとともに、前記電極材から蒸発した溶媒を凝縮させて回収するものである。

電極シートは、例えば二次電池を構成する帯状のシートであって、シート状の集電体の片面または両面に電極材を塗布したものである。電極材とは、電極合材、導電材、および結着材等を溶媒にて分散したペースト状の材料である。

電極シート乾燥システム１００の構成について説明する。
電極シート乾燥システム１００は、電極シート乾燥装置１０と、第一ヒートポンプ２０と、第二ヒートポンプ３０と、冷却装置４０と、制御装置としてのコントローラ５０と、を具備している。

電極シート乾燥装置１０は、電極シートから蒸発した溶媒を含む空気、或いは、空気のみが循環する回路として構成されている。電極シート乾燥装置１０は、第一熱交換器１１と、第二熱交換器１２と、溶媒回収器１３と、凝縮器としての第三熱交換器１４と、電極シート乾燥部１５と、補助ヒータ１６と、を具備している。電極シート乾燥装置１０では、第一熱交換器１１、第二熱交換器１２、溶媒回収器１３、第三熱交換器１４、電極シート乾燥部１５の順にて、それぞれがダクトによって連通されている。

電極シート乾燥部１５は、電極シートに加熱された空気を吹き付けるものである。なお、本実施形態では、電極シート乾燥部１５について、詳細な説明は省略する。
第一熱交換器１１は、電極シート乾燥装置１０を循環する空気、及び電極シート乾燥部１５にて蒸発した溶媒と、冷却装置４０を循環する冷却水との間で熱交換を行うものである。この第一熱交換器１１による熱交換により、電極シート乾燥装置１０内の空気及び溶媒から冷却水へ熱が移動する。

第二熱交換器１２は、電極シート乾燥装置１０を循環する空気、及び電極シート乾燥部１５にて蒸発した溶媒と、第二ヒートポンプ３０によって冷却される冷却水との間で熱交換を行うものである。この第二熱交換器１２による熱交換により、電極シート乾燥装置１０内の空気及び溶媒から冷却水へ熱が移動する。
溶媒回収器１３は、第一熱交換器１１及び第二熱交換器１２により熱交換されて凝縮した溶媒を回収するものである。なお、本実施形態では、溶媒回収器１３について、詳細な説明は省略する。

第三熱交換器１４は、電極シート乾燥装置１０を循環する空気と、第一ヒートポンプ２０の冷媒との間で熱交換を行うものである。この第三熱交換器１４は凝縮器として作用し、第三熱交換器１４による熱交換により、第一ヒートポンプ２０の冷媒の凝縮熱が電極シート乾燥装置１０を循環する空気に放出され、前記空気が加熱される。
補助ヒータ１６は、電極シート乾燥装置１０を循環する空気を加熱するものである。補助ヒータ１６は、コントローラ５０に接続され、補助ヒータ１６を通過した空気の温度信号がコントローラ５０へ伝送される。

第一ヒートポンプ２０は、冷媒（本実施形態ではＣＯ２）が循環する冷媒サイクルとして構成されている。第一ヒートポンプ２０は、圧縮機２１と、凝縮器としての第三熱交換器１４と、膨張弁２２と、蒸発器としての第四熱交換器２３と、を具備している。第一ヒートポンプ２０では、圧縮機２１、第三熱交換器１４、膨張弁２２、第四熱交換器２３の順にて、それぞれが配管によって連通されている。

圧縮機２１は、インバータモータ２５によって駆動されるものであって、インバータモータ２５の周波数を変化させることで圧縮機の回転数を調整することができる。圧縮機２１は、コントローラ５０に接続され、冷媒の凝縮圧力信号、冷媒の温度信号、或いは、凝縮器出口における空気の温度信号がコントローラ５０へ伝送される。

第三熱交換器１４は、第一ヒートポンプ２０の冷媒と、電極シート乾燥装置１０を循環する空気との間で熱交換を行うものである。第三熱交換器１４は凝縮器として作用し、第三熱交換器１４による熱交換により、第一ヒートポンプ２０の冷媒からは凝縮熱が放出されて、前記冷媒が凝縮する。
膨張弁２２は、凝縮された高圧の冷媒液を減圧し気液冷媒まで減圧するものである。
第四熱交換器２３は、第一ヒートポンプ２０の冷媒と、冷却装置４０を循環する冷却水との間で熱交換を行うものである。第四熱交換器２３は蒸発器として作用し、第四熱交換器２３による熱交換により、前記冷却水から前記冷媒へ蒸発熱が付与される。

第二ヒートポンプ３０は、冷媒が循環するヒートポンプサイクルとして構成されている。第二ヒートポンプ３０は、圧縮機３１と、第五熱交換器３２と、膨張弁３３と、第六熱交換器３４と、を具備している。第二ヒートポンプ３０では、圧縮機３１、第五熱交換器３２、膨張弁３３、第六熱交換器３４の順にて、それぞれが配管によって連通されている。

圧縮機３１は、モータによって駆動されるものであって、コントローラ５０に接続され、第二熱交換器１２を通過した空気の温度信号がコントローラ５０へ伝送される。
第五熱交換器３２は、第二ヒートポンプ３０を循環する冷媒と大気中の空気等との間で熱交換を行うものである。第五熱交換器３２は凝縮器として作用し、第五熱交換器３２による熱交換により、第二ヒートポンプ３０の冷媒から大気中へ凝縮熱が放出されて、前記冷媒が凝縮する。

膨張弁３２は、凝縮された高圧の冷媒液を減圧し気液混合冷媒まで減圧するものである。
第六熱交換器３４は、第二ヒートポンプ３０を循環する冷媒と冷却水との間で熱交換を行うものである。第六熱交換器３４は蒸発器として作用し、第六熱交換器３４による熱交換により、前記冷却水から前記冷媒へ蒸発熱が付与される。

なお、第一熱交換器１１と第二熱交換器１２との間に第七熱交換器を設け、第七熱交換器へ大気中の空気との熱交換により冷却された冷却水を通水し、電極シート乾燥装置１０を循環する空気との間で熱交換する構成、或いは、第二ヒートポンプ３０として吸収式冷凍機などを適用する構成も考えられる。

冷却装置４０は、冷却水が循環する回路として構成されている。冷却装置４０は、冷却水タンク４１と、第一熱交換器１１と、流量ポンプ４２と、第四熱交換器２３と、を具備している。冷却装置４０では、冷却水タンク４１、第一熱交換器１１、流量ポンプ４２、第四熱交換器２３の順にて、それぞれが配管によって連通されている。

冷却水タンク４１は、冷却装置４０内を循環する冷却水が貯溜されるものである。
第一熱交換器１１は、前述のように、冷却装置４０内を循環する冷却水と、電極シート乾燥装置１０を循環する空気、及び電極シート乾燥部１５にて蒸発した溶媒との間で熱交換を行うものである。

流量ポンプ４２は、冷却装置４０内を循環する冷却水の循環量を調整するものである。流量ポンプ４２は、インバータ４３によって駆動されるものであって、インバータモータの周波数を変化させることによって流量の調整を行うことができる。インバータ４３は、コントローラ５０に接続されており、冷却水の流量信号がコントローラ５０へ伝送される。なお、冷却水の流量の調整方式はインバータ４３の周波数変化に限定されるものではない。例えば、循環ポンプの運転台数の変化、或いは、冷却水配管上に設けられた電動モータ駆動弁の開度変化による流量調整であっても良い。

第四熱交換器２３は、前述のように、冷却装置４０内を循環する冷却水と、第一ヒートポンプ２０の冷媒との間で熱交換を行うものである。

電極シート乾燥システム１００の作用について説明する。
以下では、電極シート乾燥装置１０、第一ヒートポンプ２０、第二ヒートポンプ３０及び冷却装置４０に分けて、電極シート乾燥システム１００の作用について説明する。

電極シート乾燥装置１０では、電極シート乾燥部１５から排出された高温の空気及び蒸発して気化した溶媒は、第一熱交換器１１において、冷却装置４０の冷却水によって熱が奪われて冷却され、気化した溶媒は凝縮される。さらに、第一熱交換器１１を通過後の前記空気及び溶媒は、第二熱交換器１２において、第二ヒートポンプ３０によって冷却された冷却水によって熱が奪われて冷却され、気化した状態にある溶媒は凝縮する。

第一熱交換器１１及び第二熱交換器１２において凝縮した溶媒は、溶媒回収機１３に回収される。一方、第一熱交換器１１及び第二熱交換器１２において冷却された空気は、第三熱交換器１４において第一ヒートポンプの冷媒によって熱が与えられる。第三熱交換器１４において熱が与えられた空気は、補助ヒータ１６によってさらに加熱される。補助ヒータ１６によってさらに加熱された空気は、電極シート乾燥部１５に導入され、電極シートに吹き付けられる。

第一ヒートポンプ２０では、圧縮機２１によって吐出された高温高圧の冷媒ガスは、第三熱交換器１４において電極シート乾燥装置１０を循環する空気によって熱を奪われて冷却される。凝縮された高圧の冷媒液は、膨張弁２２によって減圧し気液冷媒まで減圧される。減圧された気液冷媒は、第四熱交換器２３において冷却装置４０の冷却水から熱が与えられて蒸発する。蒸発した低温低圧の冷媒ガスは、圧縮機２１に吸入される。

第二ヒートポンプ３０では、圧縮機３１によって吐出された高温高圧の冷媒ガスは、第五熱交換器３２において空気に熱を奪われて凝縮する。凝縮された高圧の冷媒液は、膨張弁３３によって気液冷媒まで減圧される。減圧された気液冷媒は、第六熱交換器３４において、第二熱交換器１２にて電極シート乾燥装置１０の空気等及び溶媒から熱を奪って高温になった冷却水から熱が与えられて蒸発する。蒸発した低温低圧の冷媒ガスは、圧縮機３１に吸入される。なお、第二ヒートポンプ３０として、吸収式冷凍機を適用する構成も考えられる。

冷却装置４０では、冷却水タンク４１より循環する冷却水は、第一熱交換器１１において電極シート乾燥装置１０を循環する高温の空気及び蒸発した溶媒から熱が与えられる。第一熱交換器１１において熱が与えられた冷却水は、第四熱交換器２３において、第一ヒートポンプ２０の冷媒に熱を奪われ冷却される。なお、冷却装置４０の冷却水の循環量は、流量ポンプ４２の吐出量によって調整される。

電極シート乾燥システム１００の効果について説明する。
本実施形態の電極シート乾燥システム１００によれば、電極シート乾燥装置１０の電極シート乾燥部１５から排出される溶媒の蒸発熱を、冷却装置４０及び第一ヒートポンプ２０を介して、電極シート乾燥装置１０の電極シート乾燥部１５に導入される空気の加熱に利用できる。

図２及び図３を用いて、電極シート乾燥システム１００のシステム制御Ｓ１００について説明する。
なお、図２では、システム制御Ｓ１００の流れをフローチャートによって表している。また、図３では、システム制御Ｓ１００の流れを模式的に表している。なお、図３では、溶媒を含む空気の流れを実線で表し、冷媒の流れを一点鎖線で表し、冷却水の流れを二点鎖線で表し、電気信号線を破線で表し、電流の流れを三点鎖線で表している。

システム制御Ｓ１００は、電極シート乾燥システム１００において、システム全体としての成績係数である成績係数（ＣＯＰ）ｓｙｓが最大となるように、第一ヒートポンプ２０の運転条件を制御するものである。

ステップＳ１１０において、コントローラ５０は、成績係数（ＣＯＰ）ｓｙｓが最大となる第一ヒートポンプ２０の第三熱交換器１４の冷媒の目標凝縮圧力（以下、目標圧力）Ｈｐ１と、冷却装置４０の第四熱交換器２３における目標冷却水温度（以下、目標水温）Ｔｗ１と、を算出する。

成績係数（ＣＯＰ）ｓｙｓは、電極シート乾燥システム１００の消費熱量の総和（第一ヒートポンプ２０による電極シート乾燥装置１０の空気の加熱量（Φｈｐ１）、第二ヒートポンプ３０による電極シート乾燥装置１０の空気及び溶媒の冷却量（−Φｈｐ２）、並びに補助ヒータ１６による電極シート乾燥装置１０の空気の加熱量（Φｈｔ））を、電極シート乾燥システム１００の消費電力の総和（第一ヒートポンプ２０の消費電力（Ｅｈｐ１）、第二ヒートポンプ３０の消費電力（Ｅｈｐ２）、及び補助ヒータ１６の消費電力（Ｅｈｔ））で除したもので求められる（数１参照）。なお、数１では、加熱量を＋として表している。

そして、コントローラ５０は、成績係数（ＣＯＰ）ｓｙｓが最大となる第一ヒートポンプ２０の目標圧力Ｈｐ１、圧縮機２１の出口における冷媒の温度、或いは、第三熱交換器１４の出口における空気の温度（本実施例では冷媒の凝縮圧力）と、冷却装置４０の第四熱交換器２３における目標水温Ｔｗ１と、を実験的に算出し、予め設定しておく。

ステップＳ１２０において、コントローラ５０は、第一ヒートポンプ２０の高圧Ｈｐが予め設定された目標圧力Ｈｐ１になるように、第一ヒートポンプ２０の圧縮機２１の回転数を調整し、圧縮機２１の容量を制御する。

ステップＳ１３０において、コントローラ５０は、冷却装置４０の水温Ｔｗが予め設定された目標水温Ｔｗ１になるように、冷却装置４０の流量ポンプ４２の吐出量を調整する。

システム制御Ｓ１００の効果について説明する。
システム制御Ｓ１００によれば、電極シート乾燥システム１００全体としての成績係数である成績係数（ＣＯＰ）ｓｙｓを最大とすることができる。

１０ 電極シート乾燥装置
１１ 第一熱交換器
１２ 第二熱交換器
１３ 溶媒回収器
１４ 第三熱交換器
１６ 補助ヒータ
２０ 第一ヒートポンプ
２１ 圧縮機
２３ 第四熱交換器
３０ 第二ヒートポンプ
３１ 圧縮機
４０ 冷却装置
４２ 流量ポンプ
５０ コントローラ

Claims (2)

1. 溶媒を含む電極材が塗布された電極シートに加熱された空気を吹き付け、前記電極材の溶媒を蒸発させることで前記電極シートを乾燥させる電極シート乾燥装置と、
   圧縮機と凝縮器と蒸発器とを備えるヒートポンプと、
   を具備し、
   前記電極シート乾燥装置に導入される空気は、前記ヒートポンプの凝縮器において加熱され、
   前記電極シート乾燥装置から排出される前記蒸発溶媒及び空気は、前記ヒートポンプの蒸発器にて冷却された熱媒体を介して冷却される、
   電極シート乾燥システム。
2. 請求項１記載の電極シート乾燥システムであって、
   少なくとも前記凝縮器の加熱能力を含むシステム能力を、少なくとも前記圧縮機の消費電力を含むシステム消費電力で除した係数を成績係数としたとき、
   前記成績係数が最大となる前記凝縮器における目標凝縮圧力、前記圧縮機の出口冷媒温度、又は前記凝縮器の出口空気温度と、前記蒸発器によって冷却される熱媒体の目標冷却温度と、を予め設定し、前記目標凝縮圧力となるように前記圧縮機の回転数、圧縮機用電動機出力、圧縮容量、又は仕事量を調整し、前記目標冷却温度となるように前記熱媒体の流量を調整する制御装置を具備する、
   電極シート乾燥システム。

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