JP5049495B2 - 木材の人工乾燥方法及びシステム - Google Patents
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Description
図10にスギ材の人工乾燥における木材の含水率、乾燥室内の温度と相対湿度の一例を示す。乾燥運転の初期段階では数時間で室温を70℃程度まで昇温させる。このとき、木材の割れ防止のため、湿球温度が乾球温度と等しくなる(相対湿度100%)ように昇温させる必要があり、加熱と同時に加湿機器を用いて室内の加湿を行う。
蒸気加熱式はボイラにより発生させた蒸気を乾燥室内の放熱管に送り、加熱した空気により乾燥させる方式である。この方式は室内を高温に昇温することが容易であり、乾燥時間が短いことから多く用いられている。乾燥室の湿度の調整は主として室外から室内への給気および排気で行っており、運転初期および運転中の湿度低下時にはボイラの蒸気により加湿を行っている。
またヒートポンプを木材などの乾燥に適用した装置が、例えば特許文献1(特開2001−353398号公報)で提案されている。この装置は、被乾燥物を収納する乾燥庫に吸気口と排気口とを設け、ヒートポンプの凝縮器を吸気口に設けるとともに、蒸発器を排気口に設け、乾燥庫の外から導入する空気を凝縮器で加熱して吸気口から乾燥庫内に取り入れるとともに、被乾燥物から出た水分で高湿となった空気を排気口から乾燥庫の外に排気する時に、蒸発器で熱を回収して凝縮器に回すことにより、エネルギーの消費を少なくし、かつ乾燥時間を短縮することを目的としている。
次に従来の除湿式乾燥システムの一例を図11に示す。図11おいて、装置は気密性の良い乾燥室01、ヒートポンプ02、加熱用ヒータ(電気ヒータまたは蒸気放熱管)03、加湿器04、送風機05から構成されている。
また乾燥後期では、高温かつ低湿度を保持する必要から、ヒートポンプの圧縮機の圧縮比を高める必要があり、このため蒸発温度が低下して、ヒートポンプの消費電力が多くなることや、ヒータ03のエネルギー消費が多くなる(ヒートポンプ消費電力の3〜4倍程度)問題がある。
木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を該乾燥室外に設置した冷却除湿器に導き、該冷却除湿器で冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、前記乾燥室内の上部に設置され、ファンで乾燥室内を循環させた空気を、温水によって加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備え、該乾燥室内の温度及び相対湿度を調整しながら該乾燥室内に収容した木材の乾燥を行なう木材の人工乾燥方法において、
前記ヒートポンプがCO2を冷媒とするヒートポンプであって、前記エアヒータの温水の加熱と、前記加湿器の温水の加熱および、除湿後の空気の再加熱の加熱源に、前記ヒートポンプの高温側のCO 2 冷媒を用い、該ヒートポンプの低温側CO 2 冷媒を前記冷却除湿器の冷熱源とすることを特徴とする。
木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を導入し冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、該乾燥室内の空気を加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備えた木材の人工乾燥システムにおいて、
前記ヒートポンプが、CO2を冷媒とし、前記乾燥室内の空気と熱交換して冷却除湿する蒸発器と、CO2冷媒を圧縮して超臨界圧以上に加圧する圧縮機と、CO2冷媒を膨張減圧して蒸発器に導入する膨張器と、超臨界圧まで圧縮して高温としたCO2冷媒の保有熱を前記エアヒータの熱源として供給する手段と、前記冷却除湿された空気を超臨界圧まで圧縮して高温とした前記CO 2 冷媒の保有熱で再加熱して前記乾燥室に戻す手段とを備えたことを特徴とする。
超臨界CO2ヒートポンプサイクルのP−h線図を図1に示す。超臨界サイクルでは高圧側は臨界圧力以上の超臨界ガスとなる。よって冷媒は放熱に伴って相変化せずに温度が低下していく。この熱交換器を一般的にガスクーラと呼んでいる。このサイクルを効率良く運転するにはガスクーラの出口温度をできるだけ低下させることが重要であり、図1に示したガスクーラ出口温度が高い点Aを低い点Bまで冷却した場合には、加熱量はQhaからQhbに、冷却熱量はQcaからQcbに増加させることができる。
乾燥室内の循環空気を除湿しようとすると、大量の空気を冷却する必要があるため、冷却熱量が非常に大きくなる。そこで、循環させている一部の空気を除湿用としてファンを用いて取出し、それをヒートポンプに導入して冷却除湿するようにするとよい。
そこで本発明では、好ましくは、蒸発工程で冷却除湿した空気の一部を排気し、該排気量の分だけ外気を導入するように構成することにより、蒸発器の負荷を軽減させている。
給・排気部を通過した空気は、高圧のCO2冷媒と熱交換させる空気加熱器によって昇温させた後に、乾燥室に戻す。
このように乾燥室内の空気を冷却水と直接接触させれば、湿度コントロールが容易になり、また冷却水と空気との熱伝達率が向上するため、圧縮機の大型化を図ったり、圧縮機の圧縮比をそれほど高める必要がなくなる。
図2は本発明の第1実施例を示すブロック線図、図3は、第1実施例の制御系を示すブロック線図、図4は、排気ライン19に設けられたエアーダンパ19aの構成図、図5は、第1実施例の初期運転時の作動を示すブロック線図、図6は、本発明の第2実施例を示すブロック線図、図7は、本発明の第3実施例を示すブロック線図、図8は、本発明の第4実施例を示すブロック線図、図9は第4実施例の制御系を示すブロック線図である。
冷却除湿器22には、空気ライン9を介して除湿ファン10によって乾燥室1内の空気が供給され、冷却除湿器22でCO2冷媒と熱交換されて冷却除湿され、その後ライン11を経て空気加熱器26に送られ、そこでCO2冷媒と熱交換してCO2冷媒の凝縮熱を得て、乾燥室内空位温度と同じ温度に加熱され、戻りライン12を経て乾燥室1内に戻るように構成されている。
木材の乾燥工程は、図10のように乾燥時間(含水率)に適した温度及び湿度があり、上記制御を行うことによって、乾燥室1内を図10にように設定された温度及び湿度に正確に制御することができる。
なお図2において、各部に記された温度表示は、そのラインを流れる空気、CO2冷媒又は温水の温度を示す。
また同時に開閉弁35を開として、エアヒータ3と温水加熱器25の間を循環する温水の一部を温水循環ライン13から分岐ライン16に取り出し、加湿用加熱器24において圧縮機23により超臨界圧に達した高温のCO2冷媒と熱交換させて加熱し、その後加熱した温水を乾燥室1内の加湿器4に噴霧して加湿を行なう。
かかる操作によって初期運転を行ない、乾燥室1内を急速昇温及び急速加湿し、70℃及び相対湿度100%の雰囲気とした後、図2に示す通常運転に移行する。
なお冷却除湿器22で乾燥室1から送られた全ての空気を冷却除湿すると、ヒートポンプ2の冷凍能力に負担がかかり、圧縮機の容量を大きくするか、あるいは圧縮比を上げる必要があるが、圧縮比を上げると、COPが低下するので、冷却除湿後の空気の一部を排気ライン19から排気し、低湿度及び常温の外気を給気ライン18から給気ファン18aによって導入する。
かかる第1実施例によれば、ヒートポンプ2がCO2を冷媒とする超臨界圧冷凍サイクルを構成することにより、高温の熱源を乾燥室1に供給することができる。従って乾燥室1に十分な熱源を供給できて嵌挿時間を短縮でき、特に急速な昇温及び高湿度化を必要とする初期運転時に超臨界圧の高温の保有熱を放出して加湿器8に高温水を供給できるとともに、温水加熱器25でその凝縮熱を放出してエアヒータ3の熱源用温水を供給でき、さらにその後残った凝縮熱で乾燥室1に戻る空気を再加熱することができる。
また冷却除湿器22で冷却除湿した空気の一部をライン11で外気と入れ替えることにより、ヒートポンプの負荷軽減を図ることができ、これによってCOPを向上させることができるとともに、イニシャルコストを低減することができる。
また初期運転時に外気の保有熱を利用することができるため、急速昇温が可能になる。
また図3に示す制御系を具備することにより、乾燥室1内の温度及び湿度を所望の状態に正確に制御することができる。
その他の初期運転時の操作は、第1実施例と同一である。また通常運転時の操作は、排気弁42を閉とした後、第1実施例と同一の操作を行う。
かかる第2実施例によれば、第1実施例において初期運転時に作動する空気採熱器28と通常運転時に作動する冷却除湿器22とを兼用できるので、設備費を軽減することができる。
かかる構成の第3実施例によれば、CO2冷媒と温水とを熱交換する温水加熱器25及び温水循環ライン13に介設されるバッファタンク15等が不要になり、設備が低減するとともに、CO2冷媒を直接乾燥室内の空位と熱交換するので、熱効率が向上するという利点がある。
該除湿器62は、容器形状をなし、内部に冷却水が貯留され、該冷却水は循環ライン63に設けられたポンプ64で蒸発器61との間を循環され、蒸発器61で吸熱され冷却される。乾燥室1内の空気は、除湿器62内に貯留する冷却水中のヘッダ67から放出され、冷却水と直接接触して冷却除湿される。
2 ヒートポンプ
3 エアヒータ
4 加湿器
7 温度センサ
8 加湿センサ
9 空気ライン
10 除湿ファン
12 戻りライン
13 温水循環ライン
18 給気ライン
18a 給気ファン
19 排気ライン
19a エアーダンパ
21 CO2冷媒循環ライン
22 冷却除湿器
23 圧縮機
23a 圧縮機駆動モータ
24 加湿用加熱器
25 温水加熱器
26 空気加熱器
28 空気採熱器
31 コントローラ
41 排気ライン
51 CO2冷媒供給ライン
52 CO2冷媒戻りライン
62 直接接触式除湿器
63 冷却水循環ライン
W 木材
Claims (11)
- 木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を該乾燥室外に設置した冷却除湿器に導き、該冷却除湿器で冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、前記乾燥室内の上部に設置され、ファンで乾燥室内を循環させた空気を、温水によって加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備え、該乾燥室内の温度及び相対湿度を調整しながら該乾燥室内に収容した木材の乾燥を行なう木材の人工乾燥方法において、
前記ヒートポンプがCO2を冷媒とするヒートポンプであって、前記エアヒータの温水の加熱と、前記加湿器の温水の加熱および、除湿後の空気の再加熱の加熱源に、前記ヒートポンプの高温側のCO2冷媒を用い、該ヒートポンプの低温側CO2冷媒を前記冷却除湿器の冷熱源とすることを特徴とする木材の人工乾燥方法。 - 前記蒸発工程で冷却除湿した空気の一部を排気し、該排気量の分だけ外気を導入することを特徴とする請求項1記載の木材の人工乾燥方法。
- 乾燥運転初期の前記ヒートポンプの蒸発工程において前記乾燥室内の空気の代わりに外気と熱交換して外気の保有熱を吸収するとともに、
前記加湿器で噴霧する水に超臨界圧まで圧縮したCO2冷媒の保有熱を供するようにしたことを特徴とする請求項1記載の木材の人工乾燥方法。 - 木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を導入し冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、該乾燥室内の空気を加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備えた木材の人工乾燥システムにおいて、
前記ヒートポンプが、CO2を冷媒とし、前記乾燥室内の空気と熱交換して冷却除湿する蒸発器と、CO2冷媒を圧縮して超臨界圧以上に加圧する圧縮機と、CO2冷媒を膨張減圧して蒸発器に導入する膨張器と、超臨界圧まで圧縮して高温としたCO2冷媒の保有熱を前記エアヒータの熱源として供給する手段と、前記冷却除湿された空気を超臨界圧まで圧縮して高温とした前記CO 2 冷媒の保有熱で再加熱して前記乾燥室に戻す手段とを備えたことを特徴とする木材の人工乾燥システム。 - 前記蒸発器で冷却除湿された後の空気の一部を排気する排気部と、該排気量の分だけ給気する給気部とを備えたことを特徴とする請求項4記載の木材の人工乾燥システム。
- 超臨界圧まで圧縮して高温としたCO2冷媒と前記エアヒータに熱源を供給する2次側熱媒体とを熱交換する加熱器と、該加熱器で熱交換した後のCO2冷媒と冷却除湿された空気とを熱交換して該空気を再加熱する空気加熱器を備えたことを特徴とする請求項4記載の木材の人工乾燥システム。
- 超臨界圧まで圧縮して高温としたCO2冷媒を前記エアヒータの前記乾燥室内の空気と接触する領域に導入した後、空気を再加熱する空気加熱器に戻す管路を設けたことを特徴とする請求項4記載の木材の人工乾燥システム。
- 前記乾燥室内に設けられた温度センサ及び湿度センサと、
前記給気部に設けられた給気ファンと、
前記乾燥室内の空気を前記ヒートポンプの蒸発器に導入する除湿ファンと、
前記温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒートポンプの圧縮機の駆動装置を制御するとともに、前記湿度センサで検知された湿度に基づいて前記給気ファン及び前記除湿ファンを制御するコントローラとを備えたことを特徴とする請求項5記載の木材の人工乾燥システム。 - 冷却水を貯留した冷却水槽と、該冷却水槽と前記蒸発器との間で冷却水を循環させる管路とを備え、前記蒸発器で冷却され前記冷却水槽内に貯留した冷却水中に前記乾燥室内の空気を導入して冷却除湿するように構成したことを特徴とする請求項4記載の木材の人工乾燥システム。
- 前記蒸発器と並列に外気から蒸発潜熱を吸収する空気採熱器を設け、乾燥初期運転時にCO2冷媒が該空気採熱器に導入されるように構成するとともに、
超臨界圧まで圧縮して高温としたCO2冷媒と前記加湿器で噴霧される温水とを熱交換する加湿用加熱器を設け、乾燥初期運転時に前記加湿器から該温水を噴霧するように構成したことを特徴とする請求項4記載の木材の人工乾燥システム。 - 前記蒸発器上流側の空気流路に排気部を設け、初期運転時に前記給気部から前記蒸発器を通って前記排気部に抜ける外気流路を形成させることを特徴とする請求項5記載の木材の人工乾燥システム。
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