JP5631644B2 - 乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システム - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプと、流動層乾燥機や回転ドラム式乾燥機等の熱風乾燥装置とが具えられた乾燥システムに関するものであり、特に定常運転時にヒートポンプユニットの熱源として乾燥排ガスの熱を利用する乾燥システムにおいて、乾燥排ガスの温度が充分に上昇していない起動運転時に、ヒートポンプユニットを好条件で稼働することのできる、乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システムに係るものである。

近時、環境保全の取り組みが盛んになってきており、更に省エネルギー（いわゆる省エネ）の観点から、乾燥装置において熱源としてヒートポンプユニットを適用することが試みられている。
具体的には、いわゆるバンド乾燥機に対して、フロン系の冷媒を使用したヒートポンプユニットが適用された装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。

ところで前記バンド乾燥機は、被処理物が乾燥室内に配されたネットコンベヤ等の軌道上を移動する際に、乾燥気体と接触して乾燥が行われるものであり、ネットコンベヤを多段に具えることにより、長時間での処理が可能とされたものである。
一方、比較的短時間で処理が行われる流動層乾燥機や回転ドラム式乾燥機等の熱風乾燥装置においては、その熱源にヒートポンプユニットを適用することは現実的ではなかった。

具体的には流動層乾燥機等にあっては、被処理物の乾燥機内での滞留時間（処理時間）が短く、更に乾燥初期の段階で高温の乾燥気体が必要とされるため、フロン系の冷媒を使用したヒートポンプでは得られる熱風の温度が５０℃程度であり、短時間で乾燥するのに必要な温度が得られないことから、乾燥機を大型化する等して対応する必要があり、効率的な運転をすることができず、かえってコスト上昇を招いてしまうこととなるのである。

そこで本出願人は、熱風乾燥装置に対して高温の乾燥気体を供給するための機器としてヒートポンプユニットを適用することを可能にするとともに、乾燥システム全体としてのエネルギー効率が高く、更に高エネルギー効率で安定した運転を行うことのできる、新規なヒートポンプユニットと昇温装置とを具えた乾燥システムを開発し、既に特許出願に及んでいる（特許文献２参照）。
そして本出願人は、その後もこの種のヒートポンプユニットを具えた乾燥システムの研究・開発を継続しており、特に乾燥システムの起動時における、ヒートポンプユニットの挙動について着目した。

すなわち図３に示すように、ヒートポンプユニット２′における蒸発器２３′の熱源として作用水Ｍを用い、この作用水Ｍに対し、乾燥排ガスＤ３の熱を移動させて利用する乾燥システムＳ′においては、起動運転時には乾燥排ガスＤ３の温度が充分に上昇していないため、作用水Ｍの温度も十分に上昇せず、ヒートポンプユニット２′の効率が著しく低下してしまう。
このため、乾燥機１′に供給される乾燥気体Ｄ１、Ｄ２の温度を所望の値とするためには、外気Ｄ０の風量を抑える必要があり、乾燥効率が著しく低下してしまうこととなる。

そして引用文献２に開示された装置はこのような事態を回避すべく、乾燥システムＳ′の周辺設備からの排温水や蒸気を熱源とする昇温装置７′（図３中、仮想線で示す）を用いて、ヒートポンプユニット２′によって昇温された外気Ｄ０を更に昇温し、所望の温度の乾燥気体Ｄ１が得られるように構成されたものである。
しかしながらこのような構成は、周辺設備からの排温水や蒸気が安定的に供給されることを前提としたものであり、これらが不足してしまう状況下での運転操作において改善の余地があった。
すなわち前記周辺設備からの排温水や蒸気が不足してしまうときには昇温装置７′の作用が低下するため、所望の温度の乾燥気体Ｄ１が得られず、定常運転になるまでに非常に長時間を要することになってしまう。

特許第３９５７６５２号公報 特願２００９−４０６９９

本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、ヒートポンプと、熱風乾燥装置とが具えられ、ヒートポンプユニットの熱源として乾燥排ガスの熱を利用する乾燥システムにおいて、特に乾燥排ガスの温度が充分に上昇していない起動運転時であっても、ヒートポンプユニットを好条件で稼働して、ヒートポンプユニットによって所望の温度の乾燥気体を、所望の風量で得ることのできる、新規な乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システムの開発を技術課題としたものである。

すなわち請求項１記載の乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、熱風乾燥機を適用した乾燥機と、この乾燥機に乾燥気体を供給するためのヒートポンプユニットを具えた給気機構とを具えた乾燥システムにおいて、前記ヒートポンプユニットにおける蒸発器には、熱源媒体としての作用水が循環供給されるものであり、且つ前記乾燥機から排気される乾燥排ガスの熱を、前記作用水に移動させるための熱交換器が具えられ、更に前記作用水を、この乾燥システム外のエネルギーによって昇温するための昇温機構が、作用水タンクに対して具えられているとともに、常に作用水の温度を安定させることにより、乾燥排ガスの温度が充分に上昇していない起動運転時や、乾燥機の運転状態が変動した場合であっても、ヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給される作用水の温度を好適な状態とすることができるように構成されていることを特徴として成るものである。

また請求項２記載の乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記要件に加え、前記昇温機構は、電気をエネルギー源とするものであることを特徴として成るものである。

更にまた請求項３記載の乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システムは、前記請求項１記載の要件に加え、前記昇温機構は、乾燥システム外から供給される蒸気および／または排温水をエネルギー源とするものであることを特徴として成るものである。
そしてこれら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。

まず請求項１記載の発明によれば、乾燥排ガスの温度が充分に上昇していない起動運転時であっても、ヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給される作用水の温度を好適な状態とし、ヒートポンプユニットを好条件で稼働して、ヒートポンプユニットによって所望の温度の乾燥気体を所望の風量で得ることができる。
また、起動時以外で、被処理物の性状の変化により、乾燥機の運転状態が変動した場合、乾燥排ガスから回収される熱量に変動を生じて、所望の作用水温度にならないこともあるが、乾燥システム外からエネルギーを作用水に供給することにより、常に作用水の温度を安定させ、ヒートポンプユニットの安定した運転と効率的な運転を行うことができる。

また請求項２記載の発明によれば、蒸発器に供給される作用水の温度を、安定的に好適な状態とすることができる。
また、作用水の系をクローズドサイクルで形成することができるため、作用水の清浄度の管理や給排水等の管理が極めて容易となる。

更にまた請求項３記載の発明によれば、蒸発器に供給される作用水を好適な温度とするために、乾燥システム外のエネルギーを利用することになるので、乾燥システム外の工場設備のエネルギー効率を高め、延いては工場全体のエネルギーコストの向上が図れる。

本発明の乾燥システムを示すブロック図である。 昇温機構を異ならせた本発明の乾燥システムを示すブロック図である。 発明の背景で述べた乾燥システムを示すブロック図である。

本発明の乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システムを実施するための形態は以下の実施例に示すとおりであるが、この実施例に対して本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更を加えることも可能である。

本発明の「乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システム」（以下、乾燥システムＳと称す）は、乾燥機１と、この乾燥機１に乾燥気体Ｄを供給するための給気機構とを具えて成るものである。具体的には一例として図１に示すように、乾燥システムＳには、乾燥機１と、給気機構を構成するヒートポンプユニット２とが主要要素として具えられる。
また乾燥システムＳには、前記ヒートポンプユニット２に対して熱源として供給される作用水Ｍを貯留するための作用水タンク３が具えられ、更に作用水Ｍを昇温するための熱交換器４及び昇温機構５が具えられる。
以下、これら乾燥システムＳの構成要素について詳しく説明し、続いて乾燥システムＳの作動態様を説明する。

まず前記乾燥機１について説明すると、この実施例では熱風乾燥機の一例である流動層乾燥機が適用される。このものは、筐体１０内を乾燥のための処理空間とするものであり、処理空間を上下に分割するように設けられた通気板１１の下方から乾燥気体Ｄ（Ｄ１、Ｄ２）が供給され、通気板１１上に位置する被処理物Ｈに流動層を形成させながら乾燥を行うものである。
このため筐体１０の下部には給気口１２が形成され、また前方（図１中、左側）上部には投入口１３が形成され、更に後方（図１中、右側）上部には排気口１４が形成され、更に後方且つ通気板１１よりも上方の個所に接続されるダクト１０ａに対して排出口１５が形成される。
また乾燥機１の周辺機器として、吹込ファン１６Ａ、吹込ファン１６Ｂ、サイクロン１７及び排気ファン１８が具えられるものであり、これらの接続状態については後程、詳しく説明する。

なおこの実施例では、前記通気板１１の中程に堰板１１ａが設けられ、ある程度乾燥の進んだ被処理物Ｈがこの堰板１１ａを乗り越えて次の乾燥段階に移行するような構成が採られるものであり、このため通気板１１の下方空間も堰板１１ａの下方で分割され、それぞれの空間に給気口１２Ａ、１２Ｂが形成されるようにした。なお図示は省略するが、前記堰板１１ａを上方に持ち上げることができる構成とし、適宜の時間間隔で解放することにより、被処理物Ｈの移動を行うようにしてもよい。
またこの実施例では、乾燥機１として流動層乾燥機が採用されたが、流動層造粒乾燥機、バンド乾燥機あるいは気流乾燥機等、他の熱風乾燥機を採用することもできる。

次に前記ヒートポンプユニット２について説明すると、このものは、凝縮器２１と、膨張弁２２と、蒸発器２３と、圧縮機２４とを具えてヒートポンプサイクルを形成するものであり、一例として二酸化炭素を冷媒とするものが採用される。なお前記冷媒として二酸化炭素を採用することにより、ヒートポンプユニット２で昇温される乾燥気体Ｄ１の温度を高くすることができるものである。因みに現状では、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプユニット２が、乾燥気体Ｄ１の温度を１００℃付近まで昇温することができるものとして実用化されているが、今後、他の冷媒を用いた同等の性能を有するヒートポンプユニット２が実用化された場合には、これを採用することもできる。

そして図１に示すように、前記乾燥機１、ヒートポンプユニット２及び作用水タンク３を組み合わせて乾燥システムＳが構成される。
なおこの実施例では、乾燥機１に対して温度の異なる乾燥気体Ｄ１、Ｄ２が給気口１２Ａ、１２Ｂに対してそれぞれ供給される構成が採られるものである。このためヒートポンプユニット２における凝縮器２１の入力側に吹込ファン１６Ａが管路によって接続され、更に凝縮器２１の出力側に接続されれる管路が分岐して、それぞれ給気口１２Ａ、１２Ｂに接続される。更に給気口１２Ｂに接続される管路には、吹込ファン１６Ｂを具えた管路が接続されることにより、乾燥気体Ｄ１に外気Ｄ０を混入して、温度の低下した乾燥気体Ｄ２とすることができるように構成されている。

また前記ヒートポンプユニット２における蒸発器２３の入力側は、管路によって作用水タンク３に接続されるものであり、この管路の途中にポンプ３１が具えられている。
一方、蒸発器２３の出力側は、管路によって熱交換器４（伝熱管４１の入力側）に接続されている。この熱交換器４は、前記乾燥機１から排気される乾燥排ガスＤ３の熱を、前記作用水Ｍに移動させるためのものであり、筐体４０内に伝熱管４１を具えて成るものである。そして伝熱管４１の出力側と、作用水タンク３とが管路によって接続されている。
更にまた前記蒸発器２３の出力側と伝熱管４１との間の管路には三方弁Ｖの弁体が接続され、更に残りの弁体は作用水タンク３と伝熱管４１との間の管路に接続される。
そしてこのような構成が採られることにより、乾燥排ガスＤ３から作用水Ｍへの熱回収を行う必要がない場合には、作用水Ｍが熱交換器４を経由せずに、作用水タンク３と蒸発器２３との間を流れるようにすることが可能となる。
また前記作用水タンク３には、内部に収容される作用水Ｍの温度を測定するための温度センサＴ１が具えられる。

そして前記作用水Ｍを、乾燥システムＳ外のエネルギーによって昇温するための昇温機構５が具えられるものであり、この実施例では一例としてニクロム線ヒータ、カーボンヒータ、シーズヒータ、セラミックヒータ等の発熱素子や、ペルティエ素子等、電気をエネルギー源とする電気昇温機器５１が適用される。

またヒートポンプユニット２と、給気口１２Ａとの間の管路には、乾燥気体Ｄ１の温度を計測するための温度センサＴ２が具えられ、この温度センサＴ２の検出値に基づいて、適宜の制御装置により圧縮機２４の動作状態が調整され、温度センサＴ２によって検出される乾燥気体Ｄ１の温度が所定の値（一例として１００℃）となるように自動制御される。

また前記給気口１２Ｂと吹込ファン１６Ｂとの間の管路には、温度センサＴ３が具えられ、この温度センサＴ３の検出値に基づいて、適宜の制御装置により吹込ファン１６Ｂの動作状態が調整され、温度センサＴ３によって検出される乾燥気体Ｄ２の温度が所定の値（一例として９０℃）となるように自動制御される。

更に乾燥機１における排気口１４と熱交換器４との間を接続する管路に対して、サイクロン１７及び排気ファン１８が具えられる。
また熱交換器４の後段には、脱臭装置６及び排気ファン１９が具えられる。

また上述した乾燥システムＳは、ヒートポンプユニット２を一基具えて構成されたものであったが、二基のヒートポンプユニット２を具えることにより、各々の給気口１２Ａ、１２Ｂに個別に乾燥気体Ｄ１、Ｄ２を供給するようにしてもよい。

本発明の乾燥システムＳは、一例として上述したように構成されるものであり、以下、その作動態様について説明する。
（１）乾燥気体の流れと被処理物の乾燥
初めに乾燥気体Ｄの流れについて説明する。まず外気Ｄ０は吹込ファン１６Ａによりヒートポンプユニット２に送られ、ここで凝縮器２１において昇温されて乾燥気体Ｄ１となる（一例として１００℃）。この乾燥気体Ｄ１の一部は直接、乾燥機１における給気口１２Ａに送られ、残りの乾燥気体Ｄ１には外気Ｄ０が混入されて乾燥気体Ｄ２（一例として９０℃）となり、給気口１２Ｂに送られる。
そして乾燥機１に対して供給された食品原料等の被処理物Ｈは、まず給気口１２Ａから吹き込まれる乾燥気体Ｄ１（１００℃）によって流動層が形成されるとともに、水分等の揮発分が除去される。
やがて被処理物Ｈは、乾燥の進行とともに自重が軽くなり、堰板１１ａを乗り越えて給気口１２Ｂから吹き込まれる乾燥気体Ｄ２（９０℃）の作用域に入り込み、更に乾燥が進行し、所望の乾燥状態となって排出口１５から外部に排出される。
そして筐体１０内において被処理物Ｈに作用した乾燥気体Ｄ１、Ｄ２は、被処理物Ｈから水分等の揮発分を蒸発させて温度が低下した乾燥排ガスＤ３（一例として６６℃）となり、排気ファン１８の作用によって排気口１４から乾燥機１の外部に排気される。
次いで乾燥排ガスＤ３はサイクロン１７によって被処理物Ｈの乾燥粉等が除去された後、熱交換器４に送られ、ここで作用水Ｍとの間で熱交換が行われる。次いで乾燥排ガスＤ３は温度の下がった状態で脱臭装置６に送られ、脱臭処理が施された後、外部に排気される。

（２）ヒートポンプユニットの動作と作用水の流れ
次にヒートポンプユニット２の動作と作用水Ｍの流れについて説明する。
前記ヒートポンプユニット２においては、蒸発器２３において外部の熱が冷媒（二酸化炭素等）に取り込まれ、次いで冷媒が圧縮機２４において昇温された後、凝縮器２１において冷媒の熱が外気Ｄ０に移動することにより、外気Ｄ０の昇温が行われる。そしてこのような蒸発器２３における外部熱源としては、作用水タンク３から供給される作用水Ｍが供されるものであって、蒸発器２３に供給された作用水Ｍは、冷媒（二酸化炭素等）の気化にエネルギーを奪われて温度が低下した状態で蒸発器２３から排出される。
このようにして温度が低下した作用水Ｍを、再度ヒートポンプユニット２における熱源として供するためには、３０℃前後に昇温する必要がある。
このために、蒸発器２３から排出される作用水Ｍ（一例として２５℃）は、熱交換器４における伝熱管４１に送られるものであり、ここで作用水Ｍには乾燥排ガスＤ３の熱が移動して昇温されることとなる（一例として３０℃）。
このようにして、乾燥排ガスＤ３の熱によって昇温された作用水Ｍは、作用水タンク３に貯留されるものであり、このとき、温度センサＴ１の検出値が所定の温度（一例として２５℃）より低かった場合には、昇温機構５が起動されるものであり、この実施例では電気昇温機器５１から作用水Ｍへ熱が供給され、作用水Ｍを所望の温度（一例として３０℃）にまで昇温させる。
このように本発明によれば、乾燥排ガスＤ３の温度が充分に上昇していない起動運転時であっても、ヒートポンプユニット２における蒸発器２３に供給される作用水Ｍを好適な温度とし、ヒートポンプユニット２を好条件で稼働して、ヒートポンプユニット２によって所望の温度の乾燥気体Ｄ１を所望の風量で得ることができる。

〔他の実施例〕
本発明は上述した実施例を基本となる実施例とするものであるが、本発明の技術的思想に基づいて、以下に示すような形態を採ることもできる。
具体的には前記昇温機構５として、乾燥システムＳの周辺設備等、外部から供給される蒸気および／または排温水をエネルギー源とするものとして構成することもできる。具体的には図２に示すように、前記作用水タンク３に対して排温水を供給するための排温水管５２を接続し、更にこの排温水管５２に蒸気管５３を接続することにより構成されるものである。
このような構成が採られることにより、排温水管５２を通じて排温水を作用水タンク３に供給し、作用水Ｍの温度を上昇させることが可能となる。なおこの際、余剰となった作用水Ｍ及び排温水は適宜作用水タンク３から外部に排水される。
また同様に、前記蒸気管５３を通じて蒸気を供給することにより、作用水タンク３内の作用水Ｍを蒸気の作用によって昇温するようにすることもできる。
なお前記周辺設備とは、乾燥システムＳの周辺設備のみならず、例えば同じ工場内に設置された他の生産設備を構成する機器、更には他の工場内に設置された機器等をも含んだものとする。

Ｓ 乾燥システム
１ 乾燥機
１０ 筐体
１０ａ ダクト
１１ 通気板
１１ａ 堰板
１２ 給気口
１２Ａ 給気口
１２Ｂ 給気口
１３ 投入口
１４ 排気口
１５ 排出口
１６Ａ 吹込ファン
１６Ｂ 吹込ファン
１７ サイクロン
１８ 排気ファン
１９ 排気ファン
２ ヒートポンプユニット
２１ 凝縮器
２２ 膨張弁
２３ 蒸発器
２４ 圧縮機
３ 作用水タンク
３１ ポンプ
４ 熱交換器
４０ 筐体
４１ 伝熱管
５ 昇温機構
５１ 電気昇温機器
５２ 排温水管
５３ 蒸気管
６ 脱臭装置
７′ 昇温装置
Ｄ０ 外気
Ｄ 乾燥気体
Ｄ１ 乾燥気体
Ｄ２ 乾燥気体
Ｄ３ 乾燥排ガス
Ｈ 被処理物
Ｍ 作用水
Ｔ１ 温度センサ
Ｔ２ 温度センサ
Ｔ３ 温度センサ
Ｖ 三方弁

Claims (3)

1. 熱風乾燥機を適用した乾燥機と、この乾燥機に乾燥気体を供給するためのヒートポンプユニットを具えた給気機構とを具えた乾燥システムにおいて、
   前記ヒートポンプユニットにおける蒸発器には、熱源媒体としての作用水が循環供給されるものであり、
   且つ前記乾燥機から排気される乾燥排ガスの熱を、前記作用水に移動させるための熱交換器が具えられ、
   更に前記作用水を、この乾燥システム外のエネルギーによって昇温するための昇温機構が、作用水タンクに対して具えられているとともに、常に作用水の温度を安定させることにより、乾燥排ガスの温度が充分に上昇していない起動運転時や、乾燥機の運転状態が変動した場合であっても、ヒートポンプユニットにおける蒸発器に供給される作用水の温度を好適な状態とすることができるように構成されていることを特徴とする乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
   
2. 前記昇温機構は、電気をエネルギー源とするものであることを特徴とする請求項１記載の乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。
   
3. 前記昇温機構は、乾燥システム外から供給される蒸気および／または排温水をエネルギー源とするものであることを特徴とする請求項１記載の乾燥排ガスの熱を利用するヒートポンプユニットを具えた乾燥システム。

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