JP3843697B2

JP3843697B2 - 乾燥装置

Info

Publication number: JP3843697B2
Application number: JP2000131632A
Authority: JP
Inventors: 裕直小倉
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001317874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乾燥プロセスを有する各種装置で使用される乾燥装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、乾燥プロセスを有する各種装置において、乾燥プロセスは、多くの熱エネルギーを必要とする高エネルギー負荷操作になっている。このため、エネルギー使用量を抑制するための一つの手段として、機械式圧縮ヒートポンプを使用した乾燥装置が知られている。
【０００３】
このような機械式圧縮ヒートポンプを使用した乾燥装置は、例えば図５に示すように構成されている。
図５において、乾燥装置１は、乾燥すべき対象物が収容される乾燥部２に対して、機械式圧縮ヒートポンプ３を接続して、空気循環機４によりヒートポンプ３から乾燥した空気を乾燥部２内に送り込み、乾燥部２からの湿った空気をヒートポンプ３に循環させるようにしている。
【０００４】
上記機械式圧縮ヒートポンプ３は、図示の場合、冷媒蒸発部３ａと冷媒凝縮部３ｂとを備えており、冷媒蒸発部３ａが冷媒の気化熱により冷却を行なうとともに、冷媒凝縮部３ｂが冷媒の凝縮熱により加熱を行なう。
【０００５】
このような構成の乾燥装置１によれば、ヒートポンプ３が外部から供給される電気エネルギーにより動作することにより、空気循環機４により乾燥部２から戻される湿った空気を、冷媒蒸発部３ａによって冷却して、空気内に含まれる水分を凝結させ、さらに冷媒凝縮部３ｂで加熱することにより、空気を乾燥させて、再び乾燥部２内に送り込むようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の機械式圧縮ヒートポンプ１は、ヒートポンプを備えていない乾燥装置と比較すると、乾燥効率が向上するが、用途が限定されてしまうとともに、電気エネルギーの使用量が多く、さらにフロン等の環境汚染物質を含むことが多い。
【０００７】
これに対して、化学反応を利用したケミカルヒートポンプも知られている。
ここで、ケミカルヒートポンプは、例えば図６に示すように構成されている。図６において、ケミカルヒートポンプ５は、高温側反応器６及び低温側反応器７と、これらを連結するパイプ８と、から構成されている。
高温側反応器６は、蓄熱材として反応平衡圧力の比較的低い反応材Ａが充填されている。
【０００８】
また、低温側反応器７は、高温側反応材Ａに対抗し得る高反応平衡圧の反応材Ｂが充填され、それぞれ真空に保持されている。
なお、低温側反応器７内では、液体の蒸発及び気体の凝縮も行なわれる。
上記パイプ８は、両端にて、それぞれ高温側反応器６及び低温側反応器７の内部に対してバルブ（図示せず）により開閉可能に構成されている。
【０００９】
このような構成のケミカルヒートポンプ５によれば、図６（Ａ）に示す放熱過程においては、バルブが開弁されると、高温側反応器６及び低温側反応器７の内部の圧力差によって、低温側反応器７からガスＣが分離発生してパイプ８を通って高温側反応器６内に移動する。
ここで、このガスＣは、高温側反応器６内にて反応材Ａと反応して、ＡＣが形成され、その際高温熱が生成される。他方、低温側反応器７内では、分解熱により吸熱反応が進行して、冷熱が生成される。
これにより、高温側反応器６内では、加熱が行なわれ、低温側反応器７内では冷却が行なわれる。
【００１０】
これに対して、図６（Ｂ）に示す蓄熱過程では、高温側反応器６に熱を加えることにより、放熱過程で生成されたＡＣが分解して、Ａが再生すると共に、発生したガスＣがパイプ８を通って、低温側反応器７内に移動して、反応材Ｂと反応し、反応熱を生成してＢＣとなり、再び高温熱・冷熱発生前の状態に戻る。
【００１１】
このように、ケミカルヒートポンプは、ＡとＣからＡＣを生成する反応、そしてＡＣをＡとＣに戻す反応、という二つの可逆反応を主に利用するものであるが、原理的には従来の機械式圧縮ヒートポンプや顕熱，潜熱蓄熱と比較して、ヒートポンプ性能や蓄熱性能に関して多くの利点を有しているものの、化学反応利用システムであることから、化学反応に依存する蓄熱及び放熱形態のコントロールが困難である。また、ケミカルヒートポンプの高温側反応器においては、放熱過程で時間経過とともに、加熱効率が低下して、送出空気の温度が低下することが知られている。このため、実験室規模では作動例が報告されているが、実際の産業用システムとしてケミカルヒートポンプは殆ど利用されていない。
【００１２】
この発明は、以上の点にかんがみて、ケミカルヒートポンプを利用して、電気エネルギーを殆ど必要としない乾燥装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明によれば、乾燥すべき対象物が収容される乾燥部と、それぞれが低温側反応器と乾燥部に接続された高温側反応器とを有し放熱過程で動作する第一のケミカルヒートポンプ及び蓄熱過程で動作する第二のケミカルヒートポンプと、第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器から第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器に対して空気を送出するように切換え接続する切換え手段と、第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器から乾燥部を通って第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器まで気体を循環させる送風手段と、を備えていて、乾燥部内で対象物からの水分を吸収し温度降下した空気が、蓄熱過程で動作する第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器内に送られ、第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器で空気の持つ熱エネルギーが蓄熱されて冷却された空気は、切換え手段を介して、放熱過程で動作する第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器内に導入され、第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器を通過した空気は、該低温側反応器にて吸熱されてから、第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器内に導入され、第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器を通過した空気は、該高温側反応器にて加熱されてから、再び乾燥部内に供給され、第一のケミカルヒートポンプと第二のケミカルヒートポンプとが所定の時間間隔で交互に蓄熱過程及び放熱過程で動作することを特徴とする乾燥装置により、達成される。
【００１４】
この発明による乾燥装置は、好ましくは、第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器が、不足する熱エネルギーを外部から供給される。
【００１５】
この発明による乾燥装置は、好ましくは、第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器が、不足する熱エネルギーを外部から供給される。
【００１６】
この発明による乾燥装置は、好ましくは、外部から供給される熱エネルギーが常温空気により与えられる。
【００１７】
この発明による乾燥装置は、好ましくは、第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの気体が外部からの空気と混合されて乾燥部に供給される。
【００１８】
この発明による乾燥装置は、好ましくは、第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの気体の少なくとも一部が、外部に排出される。
【００１９】
上記構成によれば、二つのケミカルヒートポンプを所定の時間間隔で交互に蓄熱過程及び放熱過程で動作させて、送風手段によって、放熱過程で動作する第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器から高温乾燥空気が乾燥部に送り込まれる。これにより、空気は、乾燥部内にて対象物を乾燥させることにより、水分を吸収すると共に温度降下する。そして、乾燥部からの湿った空気が蓄熱過程で動作する第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器に送り込まれる。
そして、第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器内では、空気の持つ熱エネルギーが蓄熱される。この場合、蓄熱のためのエネルギーが不足する場合には外部から供給される。
その後、空気は第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器に送出される。
【００２０】
これに対して、第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器内では、第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの空気が吸熱され、必要に応じて冷却除湿される。この場合、吸熱のためのエネルギーが不足する場合には、外部から供給される。
その後、空気は、第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの放熱により加熱されて高温乾燥空気となり、必要に応じて外気と混合されて、再び乾燥部内に供給される。
【００２１】
これにより、本発明による乾燥装置においては、従来の単純に外気をボイラー等により加熱して高温乾燥空気を乾燥部に供給する乾燥装置と比較して、二つのケミカルヒートポンプの蓄熱・昇温モードを利用するとともに、乾燥部からの排気の熱エネルギーを再利用することによって、消費エネルギーを大幅に削減することができることに加えて、環境汚染物質を使用せず、省エネルギーを実現することができる。
【００２２】
外部から供給される熱エネルギーが、常温空気により与えられる場合には、空気を加熱する必要がないので、コストが著しく低減され得る。
【００２３】
第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの気体の少なくとも一部が外部に排出される場合には、乾燥部で吸湿した空気の少なくとも一部が外部に排出されることによって乾燥効率がより一層向上することになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１はこの発明による乾燥装置の一実施形態を示している。
図１において、乾燥装置１０は、乾燥すべき対象物が収容される乾燥部１１に対して、所定の時間間隔で交互に蓄熱過程及び放熱過程で動作する二つのケミカルヒートポンプ１２及び１３が選択的に切換え接続されることにより構成されており、これら二つのケミカルヒートポンプ１２，１３間には空気循環器１４が接続され、さらに、上記二つのケミカルヒートヒポンプ１２，１３を交互に切換え接続するための後述する切換え手段１５（図２参照）を備えている。
【００２５】
一方のケミカルヒートポンプ１２は、図示の場合、蓄熱過程で動作しており、乾燥部１１からの空気が高温側反応器１２ａに供給される。
これに対して、他方のケミカルヒートポンプ１３は放熱過程で動作しており、高温側反応器１２ａから高温乾燥空気を乾燥部１１内に送出する。
なお、ケミカルヒートポンプ１２，１３は、具体的には図２に示すように、高温側反応器１２ａ，１３ａ内にて、反応材料として消石灰Ｃａ（ＯＨ）₂が使用されている。
【００２６】
上記空気循環器１４は、図１にて実線で示すように、ケミカルヒートポンプ１２の高温側反応器１２ａからケミカルヒートポンプ１３の低温側反応器１３ｂ内に空気を送出するように接続されているが、後述する切換え手段１５の切換え操作により、図１にて鎖線で示すように、ケミカルヒートポンプ１３の高温側反応器１３ａからケミカルヒートポンプ１２の低温側反応器内１２ｂに空気を送出するように切換え接続される。
【００２７】
上記切換え手段１５は、図１にて実線で示す第一の切換え状態にて、ケミカルヒートポンプ１３の高温側反応器１３ａを乾燥部１１を介してケミカルヒートポンプ１２の高温側反応器１２ａに接続し、さらにケミカルヒートポンプ１２の高温側反応器１２ａを空気循環器１４を介してケミカルヒートポンプ１３の低温側反応器１３ｂに接続する。
【００２８】
また、上記切換え手段１５は、図１にて鎖線で示す第二の切換え状態にて、ケミカルヒートポンプ１２の高温側反応器１２ａを乾燥部１１を介してケミカルヒートポンプ１３の高温側反応器１３ａに接続し、さらにケミカルヒートポンプ１３の高温側反応器１３ａを空気循環器１４を介してケミカルヒートポンプ１２の低温側反応器１２ｂに接続する。
【００２９】
尚、このような切換え手段１５は、例えば図２に示すように、制御バルブから構成されている。
この場合、切換えを容易にするために、ケミカルヒートポンプ１２の高温側反応器１２ａから乾燥部１１を介してケミカルヒートポンプ１３の高温側反応器１３ａまでの空気の通路において、制御バルブの切換えにより、空気流が逆方向になるように構成されている。
【００３０】
本発明による乾燥装置１０は、以上のように構成されており、以下のように動作する。
先ず、ケミカルヒートポンプは、一般的に図３に示すように、操作方式によって四つの動作モード、即ち蓄熱モード（図３（Ａ）参照），増熱モード（図３（Ｂ）参照），冷凍モード（図３（Ｃ）参照）及び昇温モード（図３（Ｄ）参照）で動作する。
上記蓄熱モード（図３（Ａ））は、蓄・放熱過程でほぼ同レベルの温度域で動作する。
また、昇温モード（図３（Ｄ））は、放熱過程で低温側反応器に対してやや高い熱ＱＭを供給することにより、高温側反応器から蓄熱温度より高温の熱ＱＨを取り出すことができる。
【００３２】
本発明実施形態による乾燥装置１０は、上述した動作モードを利用して、以下のように動作する。
即ち、図１及び図２に示すように、ケミカルヒートポンプ１３の高温側反応器１３ａからの高温乾燥空気（温度ＴＡ１＝５５０℃）が、空気循環器１４により乾燥部１１内に供給され、乾燥部１１内にて、高温乾燥空気によって対象物が乾燥される。
【００３３】
そして、乾燥部１１内で対象物からの水分を吸収し温度降下した空気（温度ＴＡ２＝４５０℃）が、蓄熱過程で動作するケミカルヒートポンプ１２の高温側反応器１２ａ内に送られる。この高温側反応器１２ａ内では、蓄熱に必要な中温熱ＱＭ１が外部から供給されることにより、
Ｃａ（ＯＨ）₂（固体）＋中温熱ＱＭ１→ＣａＯ（固体）＋Ｈ₂Ｏ（気体）
の反応（図４にて符号Ａ）が進行し、発生したＨ₂Ｏ（気体）が圧力Ｐ１＝４．２ｋＰａで低温側反応器１２ｂ内に移動して、低温側反応器１２ｂ内では、
Ｈ₂Ｏ（気体）→Ｈ₂Ｏ（液体）＋低温熱ＱＬ１
の反応（図４にて符号Ｂ）が進行して、低温熱ＱＬ１（温度ＴＬ１＝３０℃）が生成される。
高温側反応器１２ａを通過した空気は、高温側反応器１２ａ（温度ＴＭ１＝３８０℃）にて冷却され（温度ＴＡ３＝４００℃）、切換え手段１５を介して、放熱過程で動作するケミカルヒートポンプ１３の低温側反応器１３ｂ内に導入される。
【００３４】
次に、ケミカルヒートポンプ１３の低温側反応器１３ｂ内では、放熱に必要な中温熱ＱＭ２が外部から供給されることにより、
Ｈ₂Ｏ（液体）＋中温熱ＱＭ２→Ｈ₂Ｏ（気体）
の反応（図４にて符号Ｃ）が進行して、発生したＨ₂Ｏ（気体）が圧力Ｐ２＝４７６ｋＰａで高温側反応器１３ａ内に移動して、高温側反応器１３ａ内では、
ＣａＯ（固体）＋Ｈ₂Ｏ（気体）→Ｃａ（ＯＨ）₂（固体）＋高温熱ＱＨ２
の反応（図４にて符号Ｄ）が進行して、高温熱ＱＨ２が発生する。
低温側反応器１３ｂを通過した空気は、低温側反応器１３ｂ（温度ＴＭ２＝１５０℃）にて吸熱され、冷却除湿（温度ＴＡ４＝３００℃）されることにより高温側反応器１３ａ内に導入され、高温側反応器１３ａ（温度ＴＨ２＝５９４℃）を通過することにより加熱され（温度ＴＡ１＝５５０℃）、再び乾燥部１１内に供給される。
【００３５】
上記動作が所定時間継続した後、各ケミカルヒートポンプ１２，１３は、それぞれ放熱過程及び蓄熱過程で動作すると共に、切換え手段１５が切換え動作を行なうことにより、図１にて鎖線で示す第二の切換え状態になると、各ケミカルヒートポンプ１２及び１３は、上述したケミカルヒートポンプ１３，１２と同じ動作を行ない、同様に乾燥部１１内に高温乾燥空気を供給して、乾燥部１１内の対象物が乾燥される。
【００３６】
このようにして、二つのケミカルヒートポンプ１２，１３が交互に蓄熱過程及び放熱過程で動作することによって、乾燥部１１にて乾燥が連続して行なわれ、しかも、時間経過による加熱効率の低下が抑制されるとともに、各ケミカルヒートポンプ１２，１３に外部から導入される熱エネルギーＱＭ１，ＱＭ２は、それぞれ中温熱であることから、常温空気であってもよく、熱エネルギーコストが殆ど不要である。
さらに、ケミカルヒートポンプ１２，１３は、前述した昇温モードで動作することによって、空気をより高温に加熱することができることから、熱効率が向上する。
【００３７】
上述した実施形態においては、ケミカルヒートポンプ１２，１３は、反応材料として消石灰を使用しているが、これに限らず、他の反応材料を使用したケミカルヒートポンプを使用することもできることは明らかである。
また、乾燥装置１０の各所における温度，圧力等は例示したものにすぎず、これらの数値に限定されるものではない。
【００３８】
【発明の効果】
従って、従来の単純に外気をボイラー等により加熱して高温乾燥空気を乾燥部に供給する乾燥装置と比較して、二つのケミカルヒートポンプの蓄熱・昇温モードを利用するとともに、乾燥部からの排気の熱エネルギーを再利用することによって、消費エネルギーを大幅に削減することができることに加え、環境汚染物質を使用することなく、省エネルギーを実現することができる。
このようにして、本発明によれば、ケミカルヒートポンプを利用して、電気エネルギーを殆ど必要としない、極めて優れた乾燥装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による乾燥装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の乾燥装置の具体的な構成を示す詳細図である。
【図３】ケミカルヒートポンプの各種動作モードを示すグラフである。
【図４】図１の乾燥装置におけるケミカルヒートポンプの動作を示すグラフである。
【図５】従来の機械式圧縮ヒートポンプを使用した乾燥装置の一例の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のケミカルヒートポンプの動作を示す概略図である。
【符号の説明】
１０乾燥装置
１１乾燥部
１２，１３ケミカルヒートポンプ
１２ａ，１３ａ高温側反応器
１２ｂ，１３ｂ低温側反応器
１４空気循環器（送風手段）
１５切換え手段

Claims

乾燥すべき対象物が収容される乾燥部と、
それぞれが低温側反応器と乾燥部に接続された高温側反応器とを有し放熱過程で動作する第一のケミカルヒートポンプ及び蓄熱過程で動作する第二のケミカルヒートポンプと、
第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器から第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器に対して空気を送出するように切換え接続する切換え手段と、
第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器から乾燥部を通って第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器まで気体を循環させる送風手段と、を備えていて、
乾燥部内で対象物からの水分を吸収し温度降下した空気が、蓄熱過程で動作する第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器内に送られ、
第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器で空気の持つ熱エネルギーが蓄熱されて冷却された空気は、切換え手段を介して、放熱過程で動作する第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器内に導入され、
第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器を通過した空気は、該低温側反応器にて吸熱されてから、第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器内に導入され、
第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器を通過した空気は、該高温側反応器にて加熱されてから、再び乾燥部内に供給され、
第一のケミカルヒートポンプと第二のケミカルヒートポンプとが所定の時間間隔で交互に蓄熱過程及び放熱過程で動作することを特徴とする、乾燥装置。
前記第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器が、不足する熱エネルギーを外部から供給されることを特徴とする、請求項１に記載の乾燥装置。
前記第一のケミカルヒートポンプの低温側反応器が、不足する熱エネルギーを外部から供給されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の乾燥装置。
外部から供給される熱エネルギーが、常温空気により与えられることを特徴とする、請求項２又は３に記載の乾燥装置。
前記第一のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの気体が外部からの空気と混合されて乾燥部に供給されることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の乾燥装置。
前記第二のケミカルヒートポンプの高温側反応器からの気体の少なくとも一部が、外部に排出されることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の乾燥装置。