JP5325185B2

JP5325185B2 - 含水体の乾燥装置及びその運転方法

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Publication number: JP5325185B2
Application number: JP2010196128A
Authority: JP
Inventors: 仁隆門脇; 雅士加藤; 明登町田; 耕作西田
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: JP2012052744A

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて、乾燥室内に収納された木材、食品、塗装物等の含水体を乾燥する含水体の乾燥装置及びその運転方法に関する。

一般に、木材、食品、塗装物等の含水体を人工乾燥する際には、乾燥室内に含水体を収納し、加熱源を用いて乾燥室内の温度を上げて含水体を乾燥させている。さらに、含水体を高品質な状態に仕上げるには、乾燥室内の温度調整に加えて湿度調整が重要である。例えば木材の乾燥においては、乾燥時間に対して含水率が直線的な低下をみせるように均等に木材を乾燥させることによって割れや反りを防ぎ、乾燥木材を高品質化することが可能となる。

しかし、乾燥過程における木材の状況によって除湿量が変化するため、一定の加熱量、除湿量で乾燥させても含水率は直線的に低下しない。したがって、高品質の乾燥木材を得るためには、乾燥過程に対応した最適な加熱量と除湿量からなる乾燥スケジュールに基づき乾燥装置を運転する必要があった。この乾燥スケジュールは、乾燥対象である含水体の種類や特性等によって決定されるものであり含水体によって異なるため、含水体ごとに設定された乾燥スケジュールに沿って温湿度調整を行なうことが重要である。

このように含水体の温湿度制御を可能とした乾燥装置として、従来よりヒートポンプを用いた装置が知られている。これは、主としてヒートポンプの凝縮器で外気を加熱して乾燥室内に加熱空気を送り含水体の温度調整を行なうとともに、含水体から出た水分で高温となった空気を乾燥室外に排出し、蒸発器で冷却除湿することにより湿度調整を行なうものである。

しかしながら上記した従来の乾燥装置は、乾燥室内の高温となった空気を外部に放出し、再循環して使用しないため、排気による熱ロスが多く、加熱源の投入エネルギーが多くなる欠点を持っている。
そこで、乾燥室内の空気を一部循環させることによりエネルギー消費を低減し熱効率を向上させることを可能とした乾燥装置が特許文献１（特開２００７−１９２４６４号公報）に開示されている。

この乾燥装置は、乾燥室内の空気を冷却除湿器に導入しヒートポンプの蒸発側で空気を冷却除湿した後、この空気を空気加熱器に導入しヒートポンプの凝縮側で加熱して加熱空気を乾燥室内に供給する構成となっている。さらにこの装置では、ヒートポンプにＣＯ_２冷媒を用いており、蒸発工程後に超臨界圧まで圧縮したＣＯ_２冷媒の保有熱を、乾燥室内に設置したエアヒータの熱源として供給することにより温度調整を行ない、また乾燥室内に加湿器を設置して湿度調整を行なっている。

特開２００７−１９２４６４号公報

しかしながら、特許文献１等の従来の乾燥装置においては、含水体の乾燥スケジュールに追随した高精度の温湿度制御をヒートポンプ単体で行なうことは難しく、そのため加湿器や除湿機、ヒータ等の機器をヒートポンプとは別に具備する必要があった。これは、基本的なヒートポンプサイクルは加熱量と除湿量の熱バランスが常に一定であるのに対して、含水体の最適な乾燥スケジュールは乾燥過程で加熱量と除湿量の比率が変化するためである。したがって、ヒートポンプサイクルの熱バランスからはずれる加熱量又は除湿量を他の機器で補っていたのが実状である。

さらに、ヒートポンプと他の機器とを備える乾燥装置においては、乾燥スケジュールに沿った温湿度制御を行なうために、別系統の複数の機器を統合的に制御する必要があり、制御が困難でまた装置構成が複雑化するという問題があった。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ヒートポンプとは別に加湿器や除湿機、ヒータ等の機器を備える必要がなく、含水体の乾燥スケジュールに追随して精度よく温湿度制御することができる含水体の乾燥装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る含水体の乾燥装置は、含水体が収納される乾燥室と、ヒートポンプの膨張弁で減圧された一次冷媒の蒸発熱を用いて前記乾燥室から排気された水分含有空気を冷却除湿する冷却除湿器と、前記ヒートポンプの圧縮機から吐出された前記一次冷媒の凝縮熱を用いて前記冷却除湿器から排出された空気を加熱するエアヒータとを備え、温湿度調整された前記空気を前記乾燥室に供給して、前記含水体ごとに設定された最適な加熱量と除湿量とを含む乾燥スケジュールに基づき前記含水体を乾燥する含水体の乾燥装置において、前記ヒートポンプの前記一次冷媒を外気と熱交換する補助熱交換器と、前記補助熱交換器が前記エアヒータと前記膨張弁の間に接続され、該補助熱交換器を放熱手段として機能させる第１の冷媒ラインと、前記冷却除湿器が前記ヒートポンプから切り離されるとともに前記補助熱交換器が前記膨張弁と前記圧縮機の間に接続され、該補助熱交換器を蒸発手段として機能させる第２の冷媒ラインと、前記第１の冷媒ラインと前記第２の冷媒ラインとを切り替える切替手段とを備え、前記乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率に応じて前記切替手段により前記第１の冷媒ラインと前記第２の冷媒ラインとを切り替えることを特徴とする。

本発明では、ヒートポンプの一次冷媒を外気と熱交換する補助熱交換器を設け、この補助熱交換器を第１の冷媒ラインでは放熱手段として、第２の冷媒ラインでは蒸発手段として機能させている。これにより、乾燥室の加熱量と除湿量の比率を調整でき、含水体の乾燥スケジュールに追随して精度よく温湿度制御することが可能となる。さらに、本発明はヒートポンプ単体での温湿度制御が可能であるため、加湿器や除湿機、ヒータ等の他の機器を備える必要がなくなり、装置構成の簡素化が図れる。

また、前記冷却除湿器は、前記ヒートポンプの蒸発器で前記一次冷媒により冷却された二次冷媒が循環し、前記二次冷媒と前記水分含有空気とを熱交換して該空気を冷却除湿する構成であり、前記二次冷媒の循環ラインに配設され該二次冷媒を貯留する貯留タンクをさらに備えていることが好ましい。
このように、二次冷媒を貯留する貯留タンクを設けて冷熱を蓄熱することで、除湿量が急増した場合など負荷急変時においても乾燥スケジュールに必要な量の冷熱を供給することが可能となる。

また、前記貯留タンク内の前記二次冷媒の温度変化を検出する温度検出手段を有し、前記温度検出手段で検出された温度変化に基づいて前記切替手段により前記第１の冷媒ラインと前記第２の冷媒ラインとを切り替えることが好ましい。
本構成において、冷熱側負荷である冷却除湿器に供給される二次冷媒は、冷却除湿器と貯留タンクとの間を循環しているため、冷熱負荷の変動は貯留タンク内の温度から検出することができる。したがって、貯留タンク内の二次冷媒の温度変化を検出し、この温度変化に基づいて第１の冷媒ラインと第２の冷媒ラインとを切り替えることで、冷熱負荷が変化した場合であっても補助熱交換器を含むヒートポンプでの熱バランスを適切に維持することが可能となる。

さらに、前記第２の冷媒ラインに切り替えられた状態で、前記冷却除湿器は前記貯留タンク内の蓄熱により前記水分含有空気を冷却除湿することが好ましい。
このように、ヒートポンプの熱バランスを維持しながら、貯留タンク内に蓄熱された冷熱により冷却除湿を行なうことが可能となる。

さらにまた、前記第１の冷媒ラインに切り替えられた状態で、前記補助熱交換器は前記乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率に応じて作動と停止が切り替えられるように構成されていることが好ましい。
このように、補助熱交換器の作動と停止が切り替えられるように構成することで、乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率の調整幅を増大させることができる。

また、含水体が乾燥室に収納され、前記乾燥室から排気された水分含有空気を冷却除湿器で冷却除湿した後、ヒートポンプの凝縮熱を用いたエアヒータで前記空気を加熱し、この温湿度調整された空気により前記含水体ごとに設定された最適な加熱量と除湿量とを含む乾燥スケジュールに基づいて前記含水体を乾燥する含水体の乾燥装置の運転方法において、前記冷却除湿器は貯留タンクに貯留された二次冷媒が循環する構成となっており、前記二次冷媒を前記ヒートポンプの蒸発器で蒸発潜熱により冷却し、前記冷却除湿器で前記二次冷媒により前記水分含有空気を冷却除湿した後前記エアヒータで加熱する第１の除湿運転工程と、前記冷却除湿器を前記ヒートポンプから切り離し、前記冷却除湿器で前記二次冷媒の蓄熱により前記水分含有空気を冷却除湿した後前記エアヒータで加熱するとともに、前記ヒートポンプの一次冷媒を、前記蒸発器を用いずに補助熱交換器で外気と熱交換して蒸発させる加熱運転工程とを備え、前記乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率に応じて各運転工程を切り替えることを特徴とする。

また、前記貯留タンク内の前記二次冷媒の温度に対する第１の温度しきい値と、前記第１の温度しきい値よりも低い第２の温度しきい値とが予め設定されており、前記貯留タンク内の前記二次冷媒の温度変化を検出し、温度上昇中に前記二次冷媒の温度が前記第１の温度しきい値を超えたら前記第１の除湿運転工程に切り替え、温度下降中に前記二次冷媒の温度が前記第２の温度しきい値を下回ったら前記加熱運転工程に切り替えることが好ましい。

さらに、前記第１の除湿運転工程に加えて、前記エアヒータから排出された前記一次冷媒を前記補助熱交換器で外気と熱交換して放熱させる第２の除湿運転工程をさらに備え、前記第１の温度しきい値よりも高い第３の温度しきい値が予め設定されており、前記二次冷媒の温度が前記第３の温度しきい値以上である場合には前記第２の除湿運転工程に切り替えることが好ましい。

以上記載のように本発明によれば、ヒートポンプの一次冷媒を外気と熱交換する補助熱交換器を設け、この補助熱交換器を第１の冷媒ラインでは放熱手段として、第２の冷媒ラインでは蒸発手段として機能させている。これにより、乾燥室の加熱量と除湿量の比率を調整でき、含水体の乾燥スケジュールに追随して精度よく温湿度制御することが可能となる。さらに、本発明はヒートポンプ単体での温湿度制御が可能であるため、加湿器や除湿機、ヒータ等の他の機器を備える必要がなくなり、装置構成の簡素化が図れる。

本発明の実施形態に係る含水体の乾燥装置を示す全体構成図である。木材の乾燥スケジュールの一例を示すグラフである。乾燥スケジュールに対応した温熱量と冷熱量を示すグラフである。タンク温度に基づく各運転モードの切り替え制御を説明するグラフである。含水体の乾燥装置における一連の運転方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る含水体の乾燥装置の基本的な運転方法を示すフローチャートである。加熱運転モードを示すフローチャートである。除湿運転モードを示すフローチャートである。含水体の乾燥装置における第１の除湿運転モードを示す構成図である。第１の除湿運転モードの温度領域を示すグラフである。第１の除湿運転モードにおけるヒートポンプサイクルのモリエル線図である。含水体の乾燥装置における第２の除湿運転工程を示す構成図である。第２の除湿運転モードの温度領域を示すグラフである。第２の除湿運転モードにおけるヒートポンプサイクルのモリエル線図である。含水体の乾燥装置における加熱運転モードを示す構成図である。加熱運転モードの温度領域を示すグラフである。加熱運転モードにおけるヒートポンプサイクルのモリエル線図である。含水体の乾燥装置におけるデフロスト運転モードを示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。本発明の実施形態に係る含水体の乾燥装置は、木材、食品、塗装物等の含水体を人工乾燥する際に用いられる。なお、以下に示す実施形態では、一例として木材を乾燥する場合につき説明する。

まず最初に、図１を参照して本発明の実施形態に係る含水体の乾燥装置の全体構成を説明する。
この装置は、主に、木材Ｗが収納される乾燥室１と、乾燥室１から排気された空気が循環する空気ライン３と、空気ライン３上に配置され、乾燥室１から排気された空気を冷却除湿する冷却除湿器４、及び冷却除湿器４から排出された空気を加熱するエアヒータ１５と、このエアヒータ１５を含むヒートポンプ１０とを備える。

ヒートポンプ１０は、一次冷媒が流通する冷媒ライン２０と、この冷媒ライン上に配置された膨張弁１１、蒸発器１２、圧縮機１４、エアヒータ１５からなるヒートポンプサイクルの主要構成と、さらに補助熱交換器１６と、冷媒ライン２０を切り替える各バルブ２２〜２４、２６〜２８とを有する。また好適には、膨張弁１１に導入される直前の一次冷媒と、蒸発器１２から排出された直後の一次冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１３を有していてもよい。
また、二次冷媒である水を貯留する水貯留タンク３０と、水を循環させることにより冷却除湿器４に蒸発器１２の冷熱を供給する水循環ライン３１、３４とを有する。

ヒートポンプ１０の冷媒ライン２０を循環する一次冷媒には、例えばＣＯ_２冷媒、アンモニア冷媒、フロン冷媒等等を用いることができるが、本実施形態では特にＣＯ_２冷媒を用いることが好ましく、さらに好適にはＣＯ_２冷媒の超臨界サイクルのヒートポンプを用いるとよい。これは、１００℃付近の熱源を取り出すことができるためである。
また、二次冷媒には自然冷媒を用いることができるが、本実施形態に示すように水もしくはブラインを用いることが好ましい。

次に、各構成要素を詳細に説明する。
乾燥室１には、含水体である木材Ｗが収納される。好適には、木材Ｗは、木材間に空気が流通するように互いに間隔をあけて設置されている。乾燥室１内には、空気の循環流が形成されるように仕切り１ａが設けられ、仕切り１ａで形成される循環流路には乾燥室循環ファン２が配置されている。また、乾燥室１内の温湿度管理のために、温度センサと湿度センサが配置されている。

乾燥室１には空気ライン３が接続されており、空気ライン３を含めて乾燥室１は密閉系となっている。空気ライン３は、乾燥室１内を循環して木材Ｗから生じた水分を含む水分含有空気が排気され、冷却除湿器４で冷却除湿された後、エアヒータ１５で加熱されて温湿度調整された空気となって乾燥室１に再度供給される。この空気ライン３を循環する空気は、ファン５によってその循環量が調整される。
ヒートポンプ１０には、上述したように、冷媒ライン２０に、膨張弁１１、蒸発器１２、圧縮機１４、エアヒータ１５、補助熱交換器１６、及び各バルブ２２〜２４、２６〜２８が介設されている。

蒸発器１２では、ヒートポンプ１０を循環する一次冷媒と、水循環ライン３１、３４を循環する水とが熱交換される。すなわち、蒸発器１２では、膨張弁１１で減圧された一次冷媒の蒸発熱により水が冷却される。そして、冷熱を保有する水は水循環ライン３１、３４を通って冷却除湿器４に送られ、冷却除湿器４で乾燥室１から排気された水分含有空気と水が熱交換されて、水分含有空気が冷却除湿される。

ここで、水循環ライン３１、３４上には水貯留タンク３０が介設されており、ここで冷熱が蓄熱されるようになっている。具体的には水循環ラインは、蒸発器１２と水貯留タンク３０との間を水が循環する第１の水循環ライン３４と、水貯留タンク３０と冷却除湿器４との間を水が循環する第２の水循環ライン３１とを含む。第１の水循環ライン３４上にはポンプ３５が設けられ、第２の水循環ライン３１上にはポンプ３２が設けられ、それぞれのポンプ３５を制御することにより、冷却除湿器４に供給する冷熱量を制御するようになっている。

さらに、第１の水循環ライン３４は、蒸発器１２をバイパスするバイパスライン３４ａを有しており、バイパスライン３４ａの分岐点に三方弁３６が配設されている。この三方弁３６により、水貯留タンク３０から排出された水が蒸発器１２を通って水貯留タンク３０に戻るラインと、蒸発器１２を通らずに水貯留タンク３０に戻るラインとが選択的に設定される。同様に、第２の水循環ライン３１は、冷却除湿器４をバイパスするバイパスライン３１ａを有しており、バイパスライン３１ａの分岐点に三方弁３３が配設されている。この三方弁３３により、水貯留タンク３０から排出された水が冷却除湿器４を通って水貯留タンク３０に戻るラインと、冷却除湿器４を通らずに水貯留タンク３０に戻るラインとが選択的に設定される。

エアヒータ１５では、ヒートポンプ１０を循環する一次冷媒と、空気ライン３を循環する空気とが熱交換される。すなわち、エアヒータ１５では、圧縮機１１から吐出された一次冷媒の凝縮熱により、冷却除湿器４から排出された除湿空気が加熱される。

補助熱交換器１６は、ファン１６ａで外気を取り込み、外気と一次冷媒とを熱交換する。この補助熱交換器１６は、後述する乾燥装置の運転モードによってその機能が切り替えられるようになっている。第１の除湿運転モードにおいて補助熱交換器１６は、ファン１６ａがＯＦＦにされて単なる冷媒通路の一部となる。第２の除湿運転モードにおいて補助熱交換器１６は、ファン１６ａがＯＮにされるとともにエアヒータ１５を通過した一次冷媒が供給され、一次冷媒を外気によりさらに冷却する放熱手段として機能する。加熱運転モードにおいては、ファン１６ａがＯＮにされるとともに膨張弁１１で減圧された一次冷媒が供給され、一次冷媒を外気により加温して蒸発させる蒸発手段として機能する。

ここで、各運転モードを実現するための冷媒ライン２０について説明する。
冷媒ライン２０は、第１の除湿運転モード及び第２の除湿運転モードを含む除湿運転モードを実現する第１の冷媒ライン２１（図９、図１２参照）と、加熱運転モードを実現する第２の冷媒ライン２２（図１５参照）とを有している。
なお、図１、図９、図１２、図１５に示す冷媒ラインは、上記した各運転モードを実現するための冷媒ライン構成の一例である。

第１の冷媒ライン２１は、補助熱交換器１６がエアヒータ１５と膨張弁１１の間に接続される構成となっており、補助熱交換器１６を放熱手段として機能させるものである。
第２の冷媒ライン２２は、冷却除湿器４（及び蒸発器１２）がヒートポンプ１０から切り離されるとともに補助熱交換器１６が膨張弁１１と圧縮機１４の間に接続され、補助熱交換器１６を蒸発手段として機能させるものである。

図１を参照して、具体的には冷媒ライン２０は、膨張弁１１、蒸発器１２、内部熱交換器１３、圧縮機１４、エアヒータ１５、補助熱交換器１６、内部熱交換器１３、膨張弁１１を順に通るライン２０１を有している。また、蒸発器１２−内部熱交換器１３間のライン２０１と補助熱交換器１６−内部熱交換器１３間のライン２０１とを接続するライン２０２と、膨張弁１１−蒸発器１２間のライン２０１とエアヒータ１５−補助熱交換器１６間のライン２０１とを接続するライン２０３とを有している。さらに、エアヒータ１５−補助熱交換器１６間のライン２０１と補助熱交換器１６−内部熱交換器１３間のライン２０１とを接続するライン２０４を有している。なお、このライン２０４のエアヒータ１５−補助熱交換器１６間の接続部は、ライン２０３の接続部よりエアヒータ１５側に位置する。

また、冷媒ライン２０における各バルブの配置構成は以下のようになっている。
ライン２０１上には、膨張弁１１−蒸発器１２間にバルブ２２が設けられ、エアヒータ１５−補助熱交換器１６間にバルブ２３が設けられ、補助熱交換器１６−内部熱交換器１３間にバルブ２４が設けられている。なお、バルブ２２はライン２０３の接続部より蒸発器１２側に位置し、バルブ２３はライン２０４の接続部とライン２０３の接続部との間に位置し、バルブ２４はライン２０２の接続部より内部熱交換器１３側に位置する。
ライン２０２上には、バルブ２６が設けられている。
ライン２０３上には、バルブ２７が設けられている。
ライン２０４上には、バルブ２８が設けられている。

そして、上記構成を有する冷媒ライン２０において、図９及び図１２に示す第１の冷媒ライン２１を形成するためには、バルブ２２、バルブ２３、バルブ２４を開にし、バルブ２６、バルブ２７、バルブ２８を閉にする。一方、第２の冷媒ライン２２を形成するためには、バルブ２２、バルブ２３、バルブ２４を閉にし、バルブ２６、バルブ２７、バルブ２８を開にする。各バルブの開閉制御は、制御手段４０によって行なわれる。

制御手段４０では、除湿運転モードを実現する第１の冷媒ライン２１と、加熱運転モードを実現する第２の冷媒ライン２２とを、木材Ｗの乾燥スケジュールの加熱量（温熱量）と除湿量（冷熱量）の比率に応じて各バルブを開閉制御することにより切り替えるようになっている。
ここで乾燥スケジュールとは木材を乾燥する条件の予定表であり、木材Ｗごとに設定された最適な加熱量と除湿量の時系列目標値で表される。乾燥スケジュールは、樹種や木材厚さ等により異なるもので、予め設定されている。

図２に乾燥スケジュールの一例を示す。
目標温度は、乾燥時間が進むにつれて徐々に上昇するが、乾燥初期に比べて乾燥後期は温度上昇幅が小さくなっている。
目標湿度は、乾燥時間が進むにつれて徐々に下降するが、乾燥初期に比べて乾燥後期は湿度下降幅が小さくなっている。
このような目標温度、目標湿度となるように乾燥室１内の温湿度調整を行なう。

図３は、上記した乾燥スケジュールを実現する際に必要とされる温熱量と冷熱量を示すグラフである。これは、実際にヒートポンプ１０の運転に関わる数値である。乾燥スケジュールに沿って適正に温湿度調整しようとすると、同グラフに示されるように温熱量と冷熱量との熱バランスが変動する。すなわち、冷却除湿後の除湿空気の加熱量と、乾燥室１から排気された水分含有空気の除湿量とが一定の比率であれば従来のヒートポンプ１０での一定運転が可能であるが、加熱量と除湿量との比率が変動するとヒートポンプ単体での温湿度調整ができなくなる。
したがって本実施形態では、乾燥スケジュールの温熱量と冷熱量の比率に応じて除湿運転モードと加熱運転モードとを切り替えることにより、ヒートポンプ１０にて熱バランスの変動を吸収できるようになっている。

図１に示すような装置構成とした場合、乾燥スケジュールの温熱量と冷熱量の熱バランスは水貯留タンク３０内の水の温度により検出することができる。冷却除湿後の除湿空気の加熱量に対して、乾燥室１から排気された水分含有空気の除湿量が多ければ水貯留タンク３０内の水温が上がり、除湿量が少なければ水貯留タンク３０内の水温が下がる。
そこで、本実施形態では、水貯留タンク３０内の水温を温度センサ３９で検出し、検出温度に基づいて制御手段４０により各運転モードを切り替える構成としている。

図４はタンク温度に基づく各運転モードの切り替え制御を説明するグラフである。
ここでは、貯留タンク３０内の水温に対する第１の温度しきい値（上限Ｔｈ）と、この第１の温度しきい値よりも低い第２の温度しきい値（下限Ｔｃ）とを予め設定しておき、
温度上昇中に検出温度が上限Ｔｈを超えたら第１の除湿運転モードに切り替え、温度下降中に検出温度が下限Ｔｃを下回ったら加熱運転モードに切り替える制御を行なう。さらに好ましくは、上限Ｔｈよりも高い第３の温度しきい値（放熱温度Ｔａ）を設定しておき、第１の除湿運転モード中に検出温度が放熱温度Ｔａを超えたら第２の除湿運転モードに切り替える。

次に、本実施形態に係る装置の運転方法について説明する。
図５は一連の運転方法を示すフローチャートである。乾燥装置の運転を開始したら、立ち上げ運転モードに設定する。立ち上げ運転モードでは、例えば、第２の冷媒ライン２２に設定して、蒸発器１２の代わりに補助熱交換器１６に一次冷媒が導入されて、外気から蒸発潜熱を得るようにする。運転初期は、乾燥室１内の空気は外気に近い状態であり、これを７０℃程度の乾燥温度及び相対湿度１００％まで数時間で急速上昇させる必要がある。このため、運転開始時には立ち上げ運転モードに設定し、上記したように補助熱交換器１６に一次冷媒を導入して外気から蒸発潜熱を採熱する立ち上げ運転工程を実施するとよい。

立ち上げ運転モードに設定されて立ち上げ運転工程を実施し、乾燥室１内を急速昇温、急速加湿し、温度７０℃及び相対湿度１００％の雰囲気とした後、スケジュール乾燥運転工程を実施する。スケジュール乾燥運転工程は、乾燥スケジュールに基づいた運転であり、第１の除湿運転モードと第２の除湿運転モードと加熱運転モードとデフロスト運転モードとを含む。各運転モードにおける詳細な構成は後述するが、水貯留タンク３０内の検出温度に基づいて、制御装置４０により各バルブを開閉制御して各運転モードを切り替える。
乾燥スケジュールに対応した乾燥運転が終了したら、停止運転モードに設定して運転を終了させる。

より具体的な運転方法を説明する。
図６は乾燥装置の基本的な運転方法を示すフローチャートで、図７は加熱運転モードを示すフローチャートで、図８は除湿運転モードを示すフローチャートである。
図６に示すように、制御手段４０にて立ち上げ運転モードＡからスケジュール乾燥運転モードの運転指令がＯＮとなったら、制御手段４０は水貯留タンク３０内の検出温度Ｔ０と上限Ｔｈとを比較し、検出温度Ｔ０が上限Ｔｈ以上である場合には除湿運転モードに切り替え、検出温度Ｔ０が上限Ｔｈ未満である場合には加熱運転モードに切り替える。

図７に示すように、加熱運転モードでは、加熱運転モードの運転指令がＯＮであるか否かを判断し、ＯＮとなっていない場合には図６のＡに戻る。ＯＮとなっている場合には加熱運転工程を実施し、水貯留タンク３０内の検出温度Ｔ０が上限Ｔｈ以上となったら除湿運転モードに切り替える。

図８に示すように、除湿運転モードでは、除湿運転モードの運転指令がＯＮであるか否かを判断し、ＯＮとなっていない場合には図６のＡに戻る。ＯＮとなっている場合には除湿運転工程を実施する。このとき、水貯留タンク３０内の検出温度Ｔ０が上限Ｔｈ未満である場合には、さらに検出温度Ｔ０と下限Ｔｃとを比較して、検出温度Ｔ０が下限Ｔｃ以下となったら加熱運転モードに切り替える。
一方、検出温度Ｔ０が上限Ｔｈ以上である場合には、第１の除湿運転モードに設定して、補助熱交換器１６の補助ファン１６をＯＦＦにした第１の除湿運転工程を実施する。さらに、この状態で検出温度Ｔ０が放熱温度Ｔａを超えたら第２の除湿運転モードに設定して、補助ファン１６をＯＮにした第２の除湿運転工程を実施する。検出温度Ｔ０が放熱温度Ｔａを超えない場合には、補助ファン１６はＯＦＦにしたままである。

なお、第１の温度しきい値である上限Ｔｈは、圧縮機１４の運転条件と、蒸発器１２の容量とに基づいて設定されることが好ましい。これにより、圧縮機１４の定圧を高く設定することができ、運転効率が向上する。第２の温度しきい値である下限Ｔｃは、一次冷媒、二次冷媒が凍結しない温度に基づき設定されることが好ましい。第３の温度しきい値であるＴａは、補助熱交換器１６の能力によって設定されることが好ましい。

次いで、各運転モードについて、その構成と作用を詳細に説明する。
図９は第１の除湿運転モードを示す乾燥装置の構成図である。なお、第１の除湿運転モードは、図１０のタンク温度（Ｔ）と運転時間（ｔ）のグラフにおけるハッチングで示された領域で実施される。このモードは、基本的なヒートポンプ要素（圧縮機、エアヒータ、膨張弁、蒸発器）で生成される加熱量と除湿量の熱バランスが取れている場合に用いられる。
図９を参照して、第１の除湿運転モードでは、制御装置４０により各バルブを切り替えて、第１の冷媒ライン２１が形成されている。また、補助熱交換器１６はＯＦＦとなっている。

第１の除湿運転モードに設定されたときの運転工程を以下に示す。
乾燥室１から排気された空気は、空気ライン３を通って冷却除湿器４に導入され、ここで水循環ライン３１、３４を循環する水と熱交換することにより冷却除湿された後、エアヒータ１５で加熱されて乾燥室１に戻される。乾燥室１に戻される空気の温度と湿度は、エアヒータ１５出口又は乾燥室１内の空気循環流の上流側に配置された温度センサ及び湿度センサで検出される。さらにこの検出温度及び検出湿度に基づいて、制御手段４０により、主にファン５及び／又は圧縮機１４を制御することにより乾燥室１内の空気が適切な温度及び湿度となるように調整する。

ヒートポンプ１０では、膨張弁１１で減圧された一次冷媒の蒸発熱により蒸発器１２で二次冷媒である水を冷却し、その後低圧気体の一次冷媒は、膨張弁１１に導入される高圧液体の一次冷媒と内部熱交換器１３で熱交換され、さらに低圧気体の一次冷媒は圧縮機１４で圧縮されて高温高圧気体となりエアヒータ１５に供給される。高温高圧気体の一次冷媒はエアヒータ１５にて除湿空気を加熱して温熱が奪われることにより高圧液体となり、補助熱交換器１６、内部熱交換器１３を通って膨張弁１１に導入される。このとき、補助熱交換器１６はＯＦＦとなっているため、単なる冷媒ライン２０の一部として一次冷媒が通過する。
水循環ライン３１、３４では、ポンプ３２、３５が作動して水タンク３０と蒸発器１２間、及び水タンク３０と冷却除湿器４間にそれぞれ水が循環するようになっている。

図１１は第１の除湿運転モードにおけるヒートポンプサイクルのモリエル線図である。図１１の縦軸と横軸がそれぞれ圧力Ｐとエンタルピーｈを表している。同図からわかるように、第１の除湿運転モードで得られる冷熱量と加熱量（温熱量）は、基本的なヒートポンプ要素から構成されるヒートポンプと同様である。

図１２は第２の除湿運転モードを示す乾燥装置の構成図である。なお、第２の除湿運転モードは、図１３のタンク温度（Ｔ）と運転時間（ｔ）のグラフにおけるハッチングで示された領域で実施される。このモードは、基本的なヒートポンプ要素（圧縮機、エアヒータ、膨張弁、蒸発器）で生成される加熱量と除湿量の熱バランスにおいて、除湿量が大きい場合に用いられる。
図１２を参照して、第２の除湿運転モードでは、制御装置４０により各バルブを切り替えて、第１の冷媒ライン２１が形成されている。また、補助熱交換器１６はＯＮとなっている。

第２の除湿運転モードに設定されたときの運転工程を以下に示す。
乾燥室１内空気は、第１の除湿運転モードと同様に、空気ライン３を通って循環し、冷却除湿器４で冷却除湿された後、エアヒータ１５で加熱されて乾燥室１に戻される。
ヒートポンプ１０も第１の除湿運転モードと同様の構成、作用を有するが、補助熱交換器１６の補助ファン１６ａがＯＮとなっているため、エアヒータ１５から排出された空気は補助熱交換器１６で外気と熱交換されて冷却される。
水循環ライン３１、３４も第１の除湿運転モードと同様である。

図１４は第１の除湿運転モードにおけるヒートポンプサイクルのモリエル線図である。同図からわかるように、補助熱交換器１６にて一次冷媒を外気で冷却しているため、補助熱交換器１６における放熱量の分だけ冷熱量（除湿量）が増加する。

図１５は加熱モードを示す乾燥装置の構成図である。なお、加熱運転モードは、図１６のタンク温度（Ｔ）と運転時間（ｔ）のグラフにおけるハッチングで示された領域で実施される。このモードは、基本的なヒートポンプ要素（圧縮機、エアヒータ、膨張弁、蒸発器）で生成される加熱量と除湿量の熱バランスに比べて、加熱量が大きい場合に用いられる。
図１５を参照して、加熱運転モードでは、制御装置４０により各バルブを切り替えて、第２の冷媒ライン２２が形成されている。また、補助熱交換器１６はＯＮとなっている。

加熱運転モードに設定されたときの運転工程を以下に示す。
乾燥室１内空気は、第１、第２の除湿運転モードと同様に、空気ライン３を通って循環し、冷却除湿器４で冷却除湿された後、エアヒータ１５で加熱されて乾燥室１に戻される。

ヒートポンプ１０では、膨張弁１１で減圧された一次冷媒は、蒸発器１２に導入されず補助熱交換器１６に導入される。補助熱交換器１６では、外気により一次冷媒が加温されて蒸発し、低圧気体の一次冷媒は内部熱交換器１３を通って圧縮機１４に導入される。圧縮機１４で圧縮された高温高圧気体の一次冷媒はエアヒータ１５に導入される。エアヒータでは一次冷媒により除湿空気を加熱して温熱が奪われることによって一次冷媒は高圧液体となり、内部熱交換器１３を通って膨張弁１１に導入される。

水循環ライン３１、３４では、ポンプ３２が作動して水貯留タンク３０と冷却除湿器４間を水が循環するようになっている。ポンプ３５は停止して、蒸発器１２内には水が循環しないようになっている。またこのとき、ポンプ３５を停止せず、三方弁３６により蒸発器１２をバイパスして水が蒸発器１２を通過しないように循環させてもよい。
このとき、水には新たな冷熱が供給されないが、水貯留タンク３０の蓄熱により空気の冷却除湿を行なうようになっている。

図１７は加熱運転モードにおけるヒートポンプサイクルのモリエル線図である。同図からわかるように、蒸発器１２の変わりに補助熱交換器１６で得られる冷熱量によって冷凍サイクルが成立している。補助熱交換器１６は外気によって一次冷媒を冷却する構成となっており、空気は水に比べて熱伝導率が低いため冷熱量も小さくなる。このため、基本的なヒートポンプ要素（圧縮機、エアヒータ、膨張弁、蒸発器）で生成される加熱量と除湿量の熱バランスに比べて冷熱量が小さい、すなわち加熱量を大きくすることができる。

図１８はデフロスト運転モードを示す乾燥装置の構成図である。このモードは、加熱運転時（立ち上げ運転時）にのみ設定される。具体的には、加熱運転において、蒸発温度を検出し、蒸発温度が予め設定された設定値よりも小さい場合に、所定時間デフロスト運転工程を実施するものである。
図９を参照して、デフロスト運転モードでは、制御装置４０により各バルブを切り替えて、第１の冷媒ライン２１が形成されている。また、補助熱交換器１６はＯＮとなっている。

デフロスト運転モードに設定されたときの運転工程を以下に示す。
空気ライン３のファン５は停止され、空気の循環を停止する。
ヒートポンプ１０では、膨張弁１１で減圧された一次冷媒の蒸発熱により蒸発器１２で二次冷媒である水を冷却し、その後低圧気体の一次冷媒は、膨張弁１１に導入される高圧液体の一次冷媒と内部熱交換器１３で熱交換され、さらに低圧気体の一次冷媒は圧縮機１４で圧縮されて高温高圧気体となりエアヒータ１５に供給される。ここで、エアヒータ１５には空気が流通していないため、エアヒータ１５は単なる冷媒ラインの一部となる。エアヒータ１５を通過した一次冷媒は補助熱交換器１６に導入され、外気により冷却されて凝縮し、高圧液体となり内部熱交換器１３を通って膨張弁１１に導入される。
水循環ライン３１、３４では、ポンプ３２が停止してポンプ３５が作動し、水貯留タンク３０と蒸発器１２間のみを水が循環するようになっている。これにより、エアヒータ１５の除霜を行なうことができる。

上述したように本実施形態によれば、ヒートポンプ１０の一次冷媒を外気と熱交換する補助熱交換器１６を設け、この補助熱交換器１６を第１の冷媒ライン２１では放熱手段として、第２の冷媒ライン２２では蒸発手段として機能させることにより、乾燥室１の加熱量と除湿量の比率を調整でき、含水体の乾燥スケジュールに追随して精度よく温湿度制御することが可能となる。さらに、本実施形態ではヒートポンプ単体での温湿度制御が可能であるため、加湿器や除湿機、ヒータ等の他の機器を備える必要がなくなり、装置構成の簡素化が図れる。

また、水を貯留する水貯留タンク３０を設けて冷熱を蓄熱することで、除湿量が急増した場合など負荷急変時においても乾燥スケジュールに必要な量の冷熱を供給することが可能となる。さらに、加熱運転モードにおいては、水貯留タンク３０に蓄熱された冷熱により冷却除湿を行なうことが可能となる。
さらにまた、補助熱交換器１６の作動と停止が切り替えられるように構成することで、乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率の調整幅を増大させることができる。
また、水貯留タンク３０内の温度に基づいて運転モードを切り替えるようにしたため、正確に且つ簡単にヒートポンプ１０の熱バランス制御を行なうことが可能となる。

なお、上記した実施形態においては、一例として木材の乾燥について説明したが、乾燥対象となる含水体はこれに限定されるものではなく、他にも食品、塗装物等のように、乾燥スケジュールを有する含水体全般に適用できる。例えば、干物を製造する場合においては、アジのような小さな魚とホッケのような大きな魚を乾燥させる場合では、乾燥スケジュールが異なる。これは、大きな魚を急速に乾燥させると内部に比べて表面が乾きすぎてしまうためである。したがって、それぞれの魚種や大きさ等に応じた乾燥スケジュールに基づいて、加熱量と除湿量を適宜調整して乾燥を行なう。このとき、本実施形態のように、第１の除湿運転モード、第２の除湿運転モード、加熱運転モードを適宜切り替えて最適な加熱量と除湿量となるように温湿度調整することで、高品質の干物を製造可能となる。

１乾燥室
３空気ライン
４冷却除湿器
１０ヒートポンプ
１１膨張弁
１２蒸発器
１４圧縮機
１５エアヒータ
１６補助熱交換器
２０冷媒ライン
２１第１の冷媒ライン
２２第２の冷媒ライン
３０水貯留タンク
３１、３４水循環ライン
３２、３５ポンプ
３９温度センサ
４０制御手段

Claims

含水体が収納される乾燥室と、ヒートポンプの膨張弁で減圧された一次冷媒の蒸発熱を用いて前記乾燥室から排気された水分含有空気を冷却除湿する冷却除湿器と、前記ヒートポンプの圧縮機から吐出された前記一次冷媒の凝縮熱を用いて前記冷却除湿器から排出された空気を加熱するエアヒータとを備え、温湿度調整された前記空気を前記乾燥室に供給して、前記含水体ごとに設定された最適な加熱量と除湿量とを含む乾燥スケジュールに基づき前記含水体を乾燥する含水体の乾燥装置において、
前記ヒートポンプの前記一次冷媒を外気と熱交換する補助熱交換器と、
前記補助熱交換器が前記エアヒータと前記膨張弁の間に接続され、該補助熱交換器を放熱手段として機能させる第１の冷媒ラインと、
前記冷却除湿器が前記ヒートポンプから切り離されるとともに前記補助熱交換器が前記膨張弁と前記圧縮機の間に接続され、該補助熱交換器を蒸発手段として機能させる第２の冷媒ラインと、
前記第１の冷媒ラインと前記第２の冷媒ラインとを切り替える切替手段とを備え、
前記乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率に応じて前記切替手段により前記第１の冷媒ラインと前記第２の冷媒ラインとを切り替えることを特徴とする含水体の乾燥装置。
前記冷却除湿器は、前記ヒートポンプの蒸発器で前記一次冷媒により冷却された二次冷媒が循環し、前記二次冷媒と前記水分含有空気とを熱交換して該空気を冷却除湿する構成であり、
前記二次冷媒の循環ラインに配設され該二次冷媒を貯留する貯留タンクをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の含水体の乾燥装置。
前記貯留タンク内の前記二次冷媒の温度変化を検出する温度検出手段を有し、
前記温度検出手段で検出された温度変化に基づいて前記切替手段により前記第１の冷媒ラインと前記第２の冷媒ラインとを切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の含水体の乾燥装置。
前記第２の冷媒ラインに切り替えられた状態で、前記冷却除湿器は前記貯留タンク内の蓄熱により前記水分含有空気を冷却除湿することを特徴とする請求項２又は３に記載の含水体の乾燥装置。
前記第１の冷媒ラインに切り替えられた状態で、前記補助熱交換器は前記乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率に応じて作動と停止が切り替えられるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の含水体の乾燥装置。
含水体が乾燥室に収納され、前記乾燥室から排気された水分含有空気を冷却除湿器で冷却除湿した後、ヒートポンプの凝縮熱を用いたエアヒータで前記空気を加熱し、この温湿度調整された空気により前記含水体ごとに設定された最適な加熱量と除湿量とを含む乾燥スケジュールに基づいて前記含水体を乾燥する含水体の乾燥装置の運転方法において、
前記冷却除湿器は貯留タンクに貯留された二次冷媒が循環する構成となっており、
前記二次冷媒を前記ヒートポンプの蒸発器で蒸発潜熱により冷却し、前記冷却除湿器で前記二次冷媒により前記水分含有空気を冷却除湿した後前記エアヒータで加熱する第１の除湿運転工程と、
前記冷却除湿器を前記ヒートポンプから切り離し、前記冷却除湿器で前記二次冷媒の蓄熱により前記水分含有空気を冷却除湿した後前記エアヒータで加熱するとともに、前記ヒートポンプの一次冷媒を、前記蒸発器を用いずに補助熱交換器で外気と熱交換して蒸発させる加熱運転工程とを備え、
前記乾燥スケジュールの加熱量と除湿量の比率に応じて各運転工程を切り替えることを特徴とする含水体の乾燥装置の運転方法。
前記貯留タンク内の前記二次冷媒の温度に対する第１の温度しきい値と、前記第１の温度しきい値よりも低い第２の温度しきい値とが予め設定されており、
前記貯留タンク内の前記二次冷媒の温度変化を検出し、温度上昇中に前記二次冷媒の温度が前記第１の温度しきい値を超えたら前記第１の除湿運転工程に切り替え、温度下降中に前記二次冷媒の温度が前記第２の温度しきい値を下回ったら前記加熱運転工程に切り替えることを特徴とする請求項６に記載の含水体の乾燥装置の運転方法。
前記第１の除湿運転工程に加えて、前記エアヒータから排出された前記一次冷媒を前記補助熱交換器で外気と熱交換して放熱させる第２の除湿運転工程をさらに備え、
前記第１の温度しきい値よりも高い第３の温度しきい値が予め設定されており、
前記二次冷媒の温度が前記第３の温度しきい値以上である場合には前記第２の除湿運転工程に切り替えることを特徴とする請求項７に記載の含水体の乾燥装置の運転方法。