JP5470531B2 - 圧縮空気除湿装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮空気を冷却することによって、圧縮空気中の水分を結露させて除湿する圧縮空気除湿装置に関する。
圧縮空気を冷却することによって除湿する圧縮空気除湿装置としては、図6に示すような構成のものがすでに開示されている(例えば、特許文献1参照)。
この圧縮空気除湿装置10は、冷凍サイクルを構成する冷却回路9と、横置き円筒状の除湿装置本体11とを備えている。除湿装置本体11内には、冷却回路9を構成する蒸発器15が配置されている。蒸発器15以外の構成である、冷媒を圧縮する圧縮機8、圧縮された冷媒の熱を放出する凝縮器7、冷媒を膨張させる膨張弁6については除湿装置本体11の外部に配置されている。
除湿装置本体11には、圧縮空気の導入口13と、排気口14が設けられている。導入口13から導入された圧縮空気は、下方に向けて屈曲した流路17を通って冷却回路9の蒸発器(冷却器)15が配置された冷却部16に導入される。
冷却部16は、蒸発器(冷却器)15と、複数枚の熱交換用のフィン18とが配置されている。圧縮空気は、このフィン18に接触しながら通過することで蒸発器15を通過する冷媒との間で熱交換がなされて冷却される。
冷却された圧縮空気は、圧縮空気を除湿装置本体へ導入する際に用いられた屈曲した流路17に接触しながら、排気口14から除湿装置本体11の外部へ排出される。屈曲した流路17に接触する部位が、圧縮空気を再び加熱させる再熱部19である。再熱部19において、冷却後の圧縮空気は屈折した流路17に接触することで、冷却前の圧縮空気と熱交換して温度上昇する。このように、除湿された圧縮空気は、加熱されてさらに乾燥度を増し、必要な機器等に送風される。
特開2003−326126号公報
除湿装置本体11内の冷却部16を通過して低温低湿となった圧縮空気は、再熱部19で加熱されて排出されていく。しかし、再熱部19で加熱したとしても、除湿装置本体11から排気される圧縮空気の温度は、導入時の圧縮空気の温度よりもかなり低くなってしまう。
このように、除湿後の圧縮空気が除湿前の圧縮空気よりも低温になると以下のような不都合が生じる。
まず、除湿後の圧縮空気が除湿前の圧縮空気よりも低温になると除湿後の圧縮空気の排気量は、導入量よりも減少してしまう。すなわち、除湿された圧縮空気を必要としている機器への供給量が減少してしまうという課題がある。
除湿後の圧縮空気の供給量を増加させるためには、圧縮空気を作り出すエアーコンプレッサーの駆動量を大きくすればよいが、このエアーコンプレッサーの駆動コストが増加してしまい、また省エネという観点からも問題がある。
一方で、除湿後の圧縮空気を別のエネルギー源(例えば電気ヒータ等)を用いて加熱すれば、除湿された圧縮空気は温度が高くなり、除湿された圧縮空気を必要としている機器への供給量は増加する。しかし、この方法によっても加熱用のエネルギー源のためのコスト増や、省エネという観点から問題がある。
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、エネルギー使用の増加を伴わずに、除湿後の圧縮空気の温度を上昇させて除湿された圧縮空気を必要とする機器への供給量が減少しないようにできる圧縮空気除湿装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成すべく、以下の構成を備える。
すなわち、本発明にかかる圧縮空気除湿装置によれば、圧縮空気を導入する導入口と、該導入口から導入された圧縮空気を冷却させて圧縮空気内の水分を結露させて圧縮空気を除湿する冷却部と、冷却部で除湿された圧縮空気を排気する排気口とを有する除湿装置本体と、除湿装置本体内部の冷却部に配置された蒸発器、並びに除湿装置本体の外部に配置された圧縮機、凝縮器および膨張弁を有し、蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁の順に冷媒を循環させる冷却回路とを具備する圧縮空気除湿装置において、前記排気口から排気された圧縮空気を、前記冷却回路の放熱を利用して加熱させる再熱器を備え、該再熱器として、前記排気口から排気された圧縮空気を、前記冷却回路の凝縮器からの放熱によって加熱させる排熱回収再熱器と、該排熱回収再熱器によって加熱された圧縮空気を、前記冷却回路の圧縮機によって圧縮された冷媒によってさらに加熱させる冷媒リヒート再熱器とを有し、該冷媒リヒート再熱器は、前記冷却回路において前記圧縮機の下流であるとともに、前記凝縮器よりも上流に設けられていることを特徴としている。
この構成を採用することによって、除湿装置本体から排気された圧縮空気を冷却回路の放熱を用いて加熱するので、圧縮空気を導入時の圧縮空気の温度よりも低くならないように確実に加熱することができる。また、エアコンプレッサーの駆動量増加や加熱用に別個のエネルギー源を必要としないので、低コストであり、且つエコロジーの観点からも好ましい。
本発明にかかる圧縮空気除湿装置によれば、従来機器と比較してエネルギーの使用量を増加させずに、除湿した圧縮空気の供給量を増加することができる。
第1の実施形態にかかる圧縮空気除湿装置の構成を示す説明図である。 第2の実施形態にかかる圧縮空気除湿装置の構成を示す説明図である。 第3の実施形態にかかる圧縮空気除湿装置の構成を示す説明図である。 従来の構成、第1の実施形態および第3の実施形態における各地点での圧縮空気温度の測定データを示した表である。 第1の実施形態および第3の実施形態における各地点での圧縮空気温度の測定データを示したグラフである。 従来の圧縮空気除湿装置の構成を示す説明図である。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を図1に基づいて詳細に説明する。
本実施形態の圧縮空気除湿装置30は、エアーコンプレッサー29で生成された圧縮空気を圧縮空気を除湿し、乾燥した圧縮空気を必要とする機器等の被供給体28へ供給する装置である。
圧縮空気除湿装置30は、有底筒状で横置きに設置されている除湿装置本体31と、除湿装置本体31内部を冷却するための冷却器(後述する蒸発器40)を有する冷却回路32とを備えている。
冷却回路32は、冷媒を圧縮する圧縮機34と、圧縮機34で圧縮された冷媒を凝縮させて凝縮熱を放熱させる凝縮器36と、冷媒を膨張させて液化する膨張弁38と、蒸発器40とを有している。圧縮機34、凝縮器36、膨張弁38、蒸発器40は冷媒が流通する流通管33によって直列に接続されている。
蒸発器40は、除湿装置本体31内で圧縮空気を冷却する冷却器として機能している。冷却回路32の蒸発器40以外の構成である、圧縮機34、凝縮器36および膨張弁38は除湿装置本体31の外部に配置されている。
冷却回路32では、圧縮機34によって圧縮された冷媒が、流通管33を通って凝縮器36へ流入する。凝縮器36は空冷用のファン35が設けられており、冷媒が周囲の空気との間で熱交換して冷却されて液化される。液化した冷媒は、膨張弁38に導入されて液化した状態で膨張させられ、冷媒は沸点を下げる。そして、蒸発器40に導入された冷媒は、除湿装置本体31内部の空気から蒸発熱を奪って蒸発し、除湿装置本体31内部を所望の低温となるように冷却する。
蒸発器40で蒸発熱を奪って気化した冷媒は、再び圧縮機34に導入される。
冷却回路32を循環する冷媒の例としては、プロパン、イソブタンやシクロペンタン等の炭化水素、フロン類、アンモニア、炭酸ガスがある。
続いて、除湿装置本体31について説明する。
除湿装置本体31の上部には、圧縮空気が導入される導入口42と、圧縮空気を排気する排気口44とが設けられている。導入口42と排気口44とは、横長に配置されている除湿装置本体31のそれぞれ長手方向の両端部側に配置されている。
導入口42には、エアーコンプレッサー29から圧送される圧縮空気を流通させるための流通管45が接続される。
導入口42から導入された圧縮空気は、流路が屈曲して形成された再熱部46に導入される。再熱部46は、導入口42から排気口44へ向かう方向に導入直後の圧縮空気が移動するように設けられており、除湿装置本体31の内部空間の上部に形成されている。
再熱部46は、後述する冷却部で冷却された圧縮空気と、導入された圧縮空気との間で熱交換を行うために設けられている。したがって、再熱部46は、導入された圧縮空気に対しては冷却部で冷却される前のプレクーラーとしての機能を有する。
再熱部46は、導入された圧縮空気が流通する流路51と、流路51とは仕切られていて冷却後の圧縮空気が流通する流路52とを有している。
冷却後の圧縮空気が流通する流路52は、除湿装置本体31の長手方向(横方向)に向けて直線状に複数本形成されており、この流路の52の周囲に導入された圧縮空気が流通する流路51が配置されている。
再熱部46で冷却された圧縮空気は、冷却部48へ導入される。冷却部48は、除湿装置本体31内において再熱部46の下方に位置している。
冷却部48は、冷却回路32の蒸発器40が冷却器として設けられている。蒸発器(冷却器)40は、複数枚の熱交換用フィン49を冷却回路32の流通管33が貫通して構成されたフィンアンドチューブ式の熱交換器である。
蒸発器(冷却器)40の熱交換用フィン49は、冷却対象となる圧縮空気の流通方向に対してフィン表面が直交する方向に位置するように配置されている。複数の熱交換用フィン49は、冷却部48を囲む壁面のうち天井面47と底面39に交互に取り付けられて支持されていてもよいし、複数の熱交換用フィン49のうちいずれかが支持用として天井面47または底面39に取り付けられていてもよい。
熱交換用フィン49どうしの隙間を通過した圧縮空気は、蒸発器(冷却器)40内を流れる冷媒と熱交換して冷却される。ここで、圧縮空気に含まれる水分は結露し、圧縮空気と分離させられる。結露した水分は、ドレン口50から排出される。
ドレン口50は、除湿装置本体31の底面に形成され、圧縮空気から分離された水分を除湿装置本体31の外部へ排出するように設けられている。
水分が分離され、低温低湿化した圧縮空気は、再熱部46の流路52を通過して冷却前の圧縮空気と熱交換して加熱される。ここで、加熱されることにより、低温低湿の圧縮空気は高温低湿の圧縮空気となり、より乾燥度を上げることができる。
加熱された圧縮空気は、除湿装置本体31の上部に設けられた排気口44から排気される。
排気口44には、除湿された圧縮空気を流通させる流通管53が接続されている。本願の構成では、流通管53が、冷却回路32の凝縮器36の排熱側に配置されて凝縮器36の排熱を回収する排熱回収再熱器54に接続されている。
排熱回収再熱器54は、複数枚の熱交換用フィン55を流通管53が貫通して形成されたプレート式の熱交換器である。流通管53は、熱交換用フィン55を複数回貫通するように屈曲して配置される。
このような排熱回収をする構成が存在しない場合、冷却回路32の凝縮器36が圧縮空気除湿装置30内部の空気中に熱を放出しているため、冷却回路32の運転が長時間にわたると圧縮空気除湿装置30内部の温度が上昇してしまい、凝縮器36における冷媒の冷却が困難になってしまうことも考えられる。かかる場合、冷媒の冷却が不十分なままとなってしまい、圧縮空気の除湿が十分に行えない可能性もある。
本実施形態では、排熱回収再熱器54の熱交換用フィン55は、凝縮器36に設けられたファン35の風向きに対して熱交換用フィン55同士の間の隙間を風が通過するように配置される。このため、凝縮器36で空気中に廃棄された熱が排熱回収再熱器54によって十分に回収され、圧縮空気除湿装置30内部の温度上昇を防止するとともに、流通管53を流通する除湿後の圧縮空気を十分に加熱させることができる。さらに、圧縮空気除湿装置30外部の高温排気の排出も無くすことができるため、環境負荷の低減が可能になる。
排熱回収再熱器54の次に、流通管53には、冷媒リヒート再熱器56が設けられている。
冷媒リヒート再熱器56は、排熱回収再熱器54で加熱された圧縮空気を、さらに冷却回路32の冷媒の熱量で加熱するように設けられている。冷媒リヒート再熱器56は、冷却回路32の圧縮機34の下流における冷媒の流通管33の周囲を覆って配置されている。すなわち、圧縮機34で圧縮された冷媒は高温となっているため、この冷媒と熱交換して圧縮空気を加熱するのである。
冷媒リヒート再熱器56は、向流二重管構造の熱交換器として構成されている。冷媒リヒート再熱器56は、流通管33の周囲を所定の間隔を開けて覆う周壁部57と、周壁部57の外周面に設けられた圧縮空気の導入口59と、圧縮空気の排気口60とを備えている。
本実施形態の冷媒リヒート再熱器56は、向流であるから熱源となる流通管33の冷媒の流通方向とは逆行する方向に圧縮空気が移動するように構成される。このため、導入口59は、周壁部57の流通管33の下流側に配置され、排気口60は、周壁部57の流通管33の上流側に配置されている。また、導入口59と排気口60は流通管33を挟んで対向する位置に配置されており、圧縮空気と流通管33との接触面積がなるべく大きくなるように設けられている。
冷媒リヒート再熱器56の排気口60からは、冷却回路32の冷媒で加熱された圧縮空気が排気される。
排気口60には、被供給体28へ圧縮空気を供給するための供給管61が接続されている。乾燥した圧縮空気は、供給管61を通って被供給体28へ供給される。
なお、本実施形態において、排熱回収再熱器54と冷媒リヒート再熱器56との接続順序を逆にしてはならない。すなわち、除湿装置本体31から排出された圧縮空気を、最初に圧縮機34の下流において冷却回路32の高温の冷媒と熱交換してしまうと、凝縮器36に導入される冷媒温度が低下しすぎてしまい、冷却回路32の冷却サイクルに支障を来すためである。
(第2の実施形態)
次に、図2に基づいて第2の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
第2の実施形態では、冷媒リヒート再熱器56を設けずに、排熱回収再熱器54のみを設けている。
したがって、本実施形態では、除湿装置本体31から排出された圧縮空気は、流通管53を通って排熱回収再熱器54へ流入する。
排熱回収再熱器54には、供給管61が接続され、排熱回収再熱器54で加熱されて高温低湿となった圧縮空気は供給管61を通って被供給体28へ供給される。
このような構成によっても、除湿装置本体31から排気された圧縮空気を確実に加熱することができ、また凝縮器36からの放熱を圧縮空気に与えるので圧縮空気除湿装置30内の温度上昇を防止できる。
次に、本実施形態において、具体的にどの程度除湿後の圧縮空気の供給量の増加が見込めるかについて説明する。
除湿装置本体31から排出される除湿後の圧縮空気温度を20℃と仮定する。この圧縮空気が排熱回収再熱器54によって40℃にまで加熱されるものとする。ボイル=シャルルの法則pv/T=p/T(p:圧力、v:体積、T:絶対温度)において、使用圧力は同じ(p=p)とし、T=273+20、T=273+40であるから、v/v=1.068となる。したがって、この例では、排熱回収再熱器54によって約6.8%圧縮空気の体積が増加する。
(第3の実施形態)
次に、図3に基づいて第3の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
第3の実施形態では、排熱回収再熱器54を設けずに、冷媒リヒート再熱器56のみを設けている。
本実施形態では、流通管53は、冷媒リヒート再熱器56の導入口59に接続されており、除湿装置本体31から排出された圧縮空気は、流通管53を通って冷媒リヒート再熱器56へ流入する。冷媒リヒート再熱器56の排気口60には、被供給体28へ圧縮空気を供給するための供給管61が接続されている。
冷媒リヒート再熱器56で加熱されて高温低湿となった圧縮空気は供給管61を通って被供給体28へ供給される。
このような構成によっても、除湿装置本体31から排気された圧縮空気を確実に加熱することができる。
以下に、冷却回路で再熱器を構成していない従来の構造の圧縮空気除湿装置と、上記第1の実施形態にかかる排熱利用再熱器および冷媒リヒート再熱器の双方を用いた圧縮空気除湿装置と、上記第3の実施形態にかかる冷媒リヒート再熱器を用いた圧縮空気除湿装置において各場所における空気温度がどの程度であるかを実際に測定したデータについて説明する。
図4に、これらのデータをまとめた表を示し、図5に、これらのデータをまとめたグラフを示す。ただし、図5には、従来の構造のデータは示していない。
図4に示すように、従来の構成では、室温が31.8℃の状態で、エアーコンプレッサー29から除湿装置本体31に導入されるときの空気温度は37.2℃であった。この圧縮空気は、除湿装置本体31内の冷却部48で10℃まで冷却される。冷却部48で冷却された圧縮空気は、除湿装置本体31内の再熱部46で23.3℃まで加熱される。23.3℃となった圧縮空気は、被供給体28へ供給される。
このように、従来の構成では、エアーコンプレサー29から吐出されたときの温度37.2℃と比較して10℃以上も低い温度(23.3℃)で、被供給体28へ供給することを余儀なくされていた。
次に、冷媒リヒート再熱器56を設けた圧縮空気除湿装置30について説明する。室温が32.2℃の状態で、エアーコンプレッサー29から除湿装置本体31に導入されるときの空気温度は37.3℃であった。この圧縮空気は、除湿装置本体31内の冷却部48で10℃まで冷却される。
冷却部48で冷却された圧縮空気は、除湿装置本体31内の再熱部46で21.6℃まで加熱される。21.6℃まで加熱された圧縮空気は、除湿装置本体31から出て冷媒リヒート再熱器56へ導入される。冷媒リヒート再熱器56では、圧縮空気は、高温の冷媒によって32.7℃にまで加熱され、被供給体28へ供給される。
このように、冷媒リヒート再熱器56を設けたことで、除湿装置本体31から排出されたときよりも、11.1℃も温度上昇させることができる。すなわち、エアーコンプレサー29から吐出されたときの温度37.3℃と比較してわずかに5℃程度低い程度で、被供給体28へ供給することができる。すなわち、圧縮空気の供給量を十分に確保し且つ乾燥度が高い圧縮空気を提供できる。
次に、排熱回収再熱器54と冷媒リヒート再熱器56を設けた圧縮空気除湿装置30について説明する。室温が34.2℃の状態で、エアーコンプレッサー29から除湿装置本体31に導入されるときの空気温度は37.1℃であった。この圧縮空気は、除湿装置本体31内の冷却部48で10℃まで冷却される。
冷却部48で冷却された圧縮空気は、除湿装置本体31内の再熱部46で22.3℃まで加熱される。22.3℃まで加熱された圧縮空気は、除湿装置本体31から出て排熱回収再熱器54へ導入される。排熱回収再熱器54では、排熱を回収して圧縮空気は30.8℃まで上昇する。排熱回収再熱器54を出た圧縮空気は、冷媒リヒート再熱器56へ導入される。冷媒リヒート再熱器56では、圧縮空気は、高温の冷媒によって38.0℃にまで加熱され、被供給体28へ供給される。
このように、排熱回収再熱器54と冷媒リヒート再熱器56を設けたことで、除湿装置本体31から排出されたときよりも、15.7℃も温度上昇させることができ、エアーコンプレサー29から吐出されたときの温度37.1℃と比較して0.9℃も高い温度で、被供給体28へ供給することができる。
すなわち、排熱回収再熱器54と冷媒リヒート再熱器56を設ければ、エアーコンプレサー29から吐出されたときの温度とほぼ同温度の除湿された圧縮空気を被供給体28に供給できるため、除湿後の圧縮空気の量を減少させないようにすることができる。これにより省エネ効果を奏することもできる。また、圧縮空気除湿装置30内の温度測定の結果、冷却回路32からの排熱をほぼ100%回収することができるので、圧縮空気除湿装置30内の温度上昇を確実に防止することができる。
また、上述してきた各実施形態により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、圧縮空気の体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、省エネ効果を上げることができる。
さらに、圧縮空気除湿装置内の配管(流通管)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(流通管)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。
以上本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
28 被供給体
29 エアーコンプレッサー
30 圧縮空気除湿装置
31 除湿装置本体
32 冷却回路
33 流通管
34 圧縮機
35 ファン
36 凝縮器
38 膨張弁
39 底面
40 蒸発器
42 導入口
44 排気口
45 流通管
46 再熱部
47 天井面
48 冷却部
49 熱交換用フィン
50 ドレン口
51,52 流路
53 流通管
54 排熱回収再熱器
55 熱交換用フィン
56 冷媒リヒート再熱器
57 周壁部
59 導入口
60 排気口
61 供給管

Claims (3)

  1. 圧縮空気を導入する導入口と、該導入口から導入された圧縮空気を冷却させて圧縮空気内の水分を結露させて圧縮空気を除湿する冷却部と、冷却部で除湿された圧縮空気を排気する排気口とを有する除湿装置本体と、
    除湿装置本体内部の冷却部に配置された蒸発器、並びに除湿装置本体の外部に配置された圧縮機、凝縮器および膨張弁を有し、蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁の順に冷媒を循環させる冷却回路とを具備する圧縮空気除湿装置において、
    前記排気口から排気された圧縮空気を、前記冷却回路の放熱を利用して加熱させる再熱器を備え、
    該再熱器として、
    前記排気口から排気された圧縮空気を、前記冷却回路の凝縮器からの放熱によって加熱させる排熱回収再熱器と、
    該排熱回収再熱器によって加熱された圧縮空気を、前記冷却回路の圧縮機によって圧縮された冷媒によってさらに加熱させる冷媒リヒート再熱器とを有し、
    該冷媒リヒート再熱器は、前記冷却回路において前記圧縮機の下流であるとともに、前記凝縮器よりも上流に設けられていることを特徴とする圧縮空気除湿装置。
  2. 前記凝縮器にはファンが設けられており、
    前記排熱回収再熱器は、前記ファンによる風向と平行に熱交換用フィンが複数配設され、該熱交換用フィンを前記圧縮空気が流通する流通管が貫通して構成されたプレート式の熱交換器であることを特徴とする請求項1記載の圧縮空気除湿装置。
  3. 前記冷媒リヒート再熱器は、前記冷却回路の冷媒が流通する流通管の周囲を圧縮空気が通過するような二重管構造であって、圧縮機によって圧縮された冷媒が通過する方向に対して、圧縮空気が向流となるように設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の圧縮空気除湿装置。
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