JP5963101B1

JP5963101B1 - 水蒸気流制御構造及びこれを用いた乾燥装置

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Publication number: JP5963101B1
Application number: JP2015240093A
Authority: JP
Inventors: 田中　裕之; 裕之田中; 良男荒井; 康芳荒井
Original assignee: ARAI FURNITURE MANUFACTURING INC.; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: ARAI FURNITURE MANUFACTURING INC.; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: JP2017105047A; WO2017099177A1; CN108307653A; CN108307653B

Abstract

【課題】高い透湿性及び高い断熱性を有する水蒸気流制御構造及びこれを用いた乾燥装置を提供する。【解決手段】炭化物粒子層１の炭化物粒子１ａはフィルムタイプの２つの透湿性シート２−１、２−２によって挟むことによって保持される。炭化物粒子層１の炭化物粒子１ａの直径は透湿性シート２−１、２−２の孔２ａの直径より小さくされる。炭化物粒子層１が水蒸気の吸湿性、内部拡散性及び脱湿性、つまり透湿性を有し、透湿性シート２−１、２−２によって炭化物粒子層１の透湿性は維持される。水蒸気Ｖは透湿性シート２−１によって吸湿され、さらに炭化物粒子層１によって吸湿され、透湿性シート２−２に内部拡散し、透湿性シート２−２から脱湿され、高い透湿性を呈する。炭化物粒子層１は高い断熱性を呈する。【選択図】図１

Description

本発明は水蒸気流制御構造及びこれを用いた乾燥装置たとえば高含水率バイオマスを低温（３５°Ｃ〜６０°Ｃ）乾燥させるための乾燥装置に関する。

一般に、食品有機廃棄物、木材等の固有形状の高含有水率バイオマスを対象とする乾燥装置は、箱型である。この種の箱型乾燥装置として、真空方式（参照：非特許文献１）、減圧方式、ヒートポンプ方式及び熱風方式（参照：非特許文献１）がある。

真空方式は真空ポンプを必要とし、また、減圧方式は減圧のための減圧ファン、循環ファンを必要とし、さらに、ヒートポンプ方式はヒートポンプを必要とし、従って、製造コスト及び消費電力が高い。

これに対し、熱風方式は、ヒータ及び送風ファンを必要とするが製造コストは低い。しかしながら、熱風方式は、熱風が外部から送り込まれ対象物の水分を蒸発させて外部へ排気される空気非循環式なので、乾燥に使われる熱量は投入熱量の２５〜４０％程度であり、残りの熱量は主に排出熱風によって排出される（参照：非特許文献２）。従って、消費電力は高い。尚、熱風方式に空気循環方式を導入できるが、この場合には、低温で操作した場合、湿度の増加によって乾燥速度が大きく低下し、さらに、消費電力が高くなる（参照：非特許文献３）。

他方、真空ポンプ、減圧ファン、循環ファン、ヒートポンプ、送風ファン等の機器を用いない第１の従来の乾燥装置においては、乾燥室の天井、壁、床等の躯体を内側板材、中間層及び外側板材とし、中間層に多量の潮解性の吸湿剤を含浸又は塗布した吸湿材料（たとえばダンボール紙）を隙間なく挿入してあり、さらに、乾燥室内に遠赤外線を放出する天然鉱石を設けてある（参照：特許文献１）。これにより、内側板材から蒸発する水分を短時間に中間層が吸湿して拡散し、中間層が吸湿した水分を外側板材が排出する。これにより、吸湿剤による透湿性及び板材による断熱性の両立を図っている。

尚、透湿性とは、３つの性質、つまり内側の水蒸気を吸湿する吸湿性、吸湿された水蒸気を外側へ向って拡散する内部拡散性、及び拡散された水蒸気を外側へ脱湿する脱湿性をいう。

また、真空ポンプ、減圧ファン、循環ファン、ヒートポンプ等の機器を用いない第２の従来の乾燥装置においては、乾燥室の天井、壁、床等の躯体を板材で構成し、さらに、熱を発生する加熱手段及び加熱手段からの熱を乾燥室に送り込む送風手段を設けている（参照：特許文献２）。これにより、内側の水蒸気を外側へ放出する透湿性を確保できる。

特開２００６−１３２９１１号公報特開２０１１−２１７６２８号公報

中村ら、"はじめての乾燥技術"、日刊工業新聞社、p.102(2011) 中村ら、"はじめての乾燥技術"、日刊工業新聞社、p.130(2011) 中村ら、"はじめての乾燥技術"、日刊工業新聞社、p.132(2011)

しかしながら、上述の第１の従来の乾燥装置は、透湿性及び断熱性の両立を図ることができるも、潮解性の吸湿剤として用いる塩類等が安全上食品を対象とすることができず、しかも、内側板材及び外側板材の二重壁の間に中間層を挿入する三重構造のために製造コストが高いという課題がある。

また、上述の第２の従来の乾燥装置においては、潮解性の吸湿剤を用いていない。しかしながら、板材を薄くすれば高い透湿性が得られるが高い断熱性は得られず、他方、板材を厚くすれば高い断熱性が得られるが高い透湿性は得られない。つまり、透湿性及び断熱性はトレードオフの関係にあり、両立を図れないという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る水蒸気流制御構造は、バイオマスを原料として産生された抗菌性成分を含む溶液に含浸させて乾燥させた炭化物粒子層と、炭化物粒子層を挟んだ第１、第２の透湿性シートとを具備し、炭化物粒子層の炭化物粒子の直径は第１、第２の透湿性シートの孔の直径より大きいものである。これにより、炭化物粒子層の炭化物粒子は第１、第２の透湿性シートによって漏れずに保持される。

また、本発明に係る乾燥装置は、乾燥室と、乾燥室内に設けられた加熱手段とを具備し、乾燥室の天井、壁、床、開閉扉の少なくとも一部は上述の水蒸気流制御構造によって構成されたものである。

さらに、本発明に係る乾燥装置は、主乾燥室と、主乾燥室内に設けられた減圧乾燥室と、主乾燥室と減圧乾燥室との間の近傍に設けられた減圧ファンとを具備し、主乾燥室の天井、壁、床、開閉扉の少なくとも一部は上述の水蒸気流制御構造によって構成されたものである。

本発明によれば、透湿性シートによって挟まれた炭化物粒子層は高い透湿性及び高い断熱性を有する。従って、これを用いた乾燥装置の消費電力を低減できる。また、必要とする機器が少ないので、製造コストも低くできる。

本発明に係る水蒸気流制御構造を示す断面図である。図１の水蒸気流制御構造の変更例を示す斜視図である。本発明に係る乾燥装置の第１の実施の形態を示す概略図である。図３の乾燥装置の実施例１を説明する表であり、（Ａ）は市販乾燥装置の乾燥処理データを示し、（Ｂ）は図３の乾燥処理データを示す。図３の乾燥装置の実施例２を説明する表であり、（Ａ）は第２の従来の乾燥装置の乾燥処理データを示し、（Ｂ）は図３の乾燥処理データを示す。本発明に係る乾燥装置の第２の実施の形態を示す概略図である。

図１は本発明に係る水蒸気流制御構造を示す断面図である。

図１において、炭化物粒子層１の炭化物粒子１ａはフィルムタイプの２つの透湿性シート２−１、２−２によって挟むことによって保持される。この場合、炭化物粒子層１の炭化物粒子１ａの直径は透湿性シート２−１、２−２の孔２ａの直径より大きくされており、この結果、炭化物粒子層１の炭化物粒子１ａは透湿性シート２−１、２−２によって漏れずに保持される。たとえば、炭化物粒子１ａの直径は０．１μｍ〜１０ｍｍであり、他方、透湿性シート２−１、２−２の孔２ａの直径は０．１μｍ〜１００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜１０μｍ（参照：http://www.ntba.jp/modules/weblog0/）である。このような炭化物粒子層１としては、杉チップ又は竹チップを４００℃で炭化した顆粒状炭粒があり、他方、このような透湿性シート２−１、２−２としてはポリエステルシートがある。

図１の水蒸気流制御構造においては、炭化物粒子層１が水蒸気の吸湿性、内部拡散性及び脱湿性、つまり透湿性を有し、透湿性シート２−１、２−２によって炭化物粒子層１の透湿性は維持される。従って、水蒸気Ｖは透湿性シート２−１によって吸湿され、さらに炭化物粒子層１によって吸湿及び内部拡散され、透湿性シート２−２に向い、透湿性シート２−２から脱湿され、高い透湿性を呈する。尚、水蒸気Ｖの水蒸気粒子の直径は０．０００４μｍ程度である。また、炭化物粒子層１は高い断熱性を呈する。従って、炭化物粒子層１及び透湿性シート２−１、２−２の各厚さｄ_１、ｄ_２−１、ｄ_２−２を適当な値にすると、図１の水蒸気流制御構造は高い透湿性及び高い脱湿性を発揮する。たとえば、上記厚さｄ_１、ｄ_２−１、ｄ_２−２は、
ｄ_１＝１０〜３０ｍｍ
ｄ_２−１＝ｄ_２−２＝１ｍｍ
である。

図１の炭化物粒子１ａは、バイオマスを原料として産生された抗菌性成分を含む溶液に含浸させて乾燥させることができる。また、この場合、溶液は天然抗菌性物質であるフルボ酸溶液及び／又は酢液とすることができる。

図２の（Ａ）に示すごとく、機械的強度を保持するために、図１の水蒸気流制御構造は、透湿性シート２−１、２−２をメッシュ状部材３−１、３−２たとえばメラミン焼き付け塗装した直径２．５ｍｍの鉄丸棒を交叉させることによって固定する。

また、図２の（Ｂ）に示すごとく、組立、解体、撤去を容易にするために、図１の水蒸気流制御構造は所定サイズのユニット４にする。

図３は本発明に係る乾燥装置の第１の実施の形態を示す概略図である。

図３において、乾燥装置は、天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉（図示せず）よりなる乾燥室１０、被乾燥物を設定するための３段のトレー１４−１、１４−２、１４−３、ヒータ１５、送風ファン１６−１、１６−２、乾燥室１０の温度Ｔを検出する温度センサ１７、及び温度センサ１７の温度Ｔに基づいてヒータ１５及び送風ファン１６−１、１６−２を制御する制御ユニット（マイクロコンピュータ）１８よりなる。

図３において、乾燥室１０の天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉（図示せず）は図１の水蒸気流制御構造をなしている。

図３の乾燥装置の動作を以下に説明する。

始めに、被乾燥物たとえば野菜、薬草等をトレー１４−１、１４−２、１４−３に載せる。次に、所定の温度Ｔ_０を設定し、ヒータ１５及び送風ファン１６−１、１６−２を起動する。制御ユニット１８は温度センサ１７の温度Ｔが所定の温度Ｔ_０となるようにヒータ１５をオンオフ制御する。この結果、ヒータ１５によって加温された空気は、太線矢印に示すごとく、トレー１４−１、１４−２、１４−３内を通過して被乾燥物を乾燥させ、天井１１、壁１２に沿って下降して循環する。このとき、乾燥を終えた空気の水蒸気圧は上昇し、その空気に含まれる水蒸気は、細線矢印に示すごとく、天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉（図示せず）を構成する水蒸気流制御構造によって乾燥装置の内側から外側へ排出される。

天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉（図示せず）の水蒸気流制御構造の内部は循環式となり、乾燥に要した熱以外の熱は水蒸気流制御構造の断熱性によって漏出することなく、又は漏出されてもその熱は小さく、非循環式の乾燥装置内で循環される。一方、水蒸気は水蒸気流制御構造によって排出されるので、循環される空気の水蒸気圧は低くなり、被乾燥物を乾燥できる。
［実施例１］

市販の乾燥装置（東明テック（株）製、製造名：プチマレンギ、モデル名：ＴＴＭ−４３５Ｓ）と図３に示す第１の実施の形態の乾燥装置との比較を行った。共通の条件は次の通りである。
設定乾燥温度：４５℃
乾燥時間：１４時間
被乾燥試料（１個当り）：直径３０−７０ｍｍ、幅１２ｍｍの輪切り野菜
乾燥開始時乾燥装置外温度：２１℃
乾燥終了時乾燥装置外温度：１８℃
乾燥開始時乾燥装置外湿度：６５．５％
乾燥終了時乾燥装置外湿度：６４．５％
また、図３の第１の実施の形態の乾燥装置の条件は次の通りである。
寸法：横５００ｍｍ、奥行き６４５ｍｍ、縦５２０ｍｍ
天井、壁、床面の６面：水蒸気流制御構造
炭化物粒子１ａ：杉チップを４００℃で炭化した顆粒状炭化物粒子
炭化物粒子層１の厚さ：２５ｍｍ
透湿性シート：ポリエステルシート
メッシュ部材：メラミン焼き付け塗装した直径２．５ｍｍの鉄丸棒
枠材料：厚さ１０ｍｍの杉材

市販乾燥装置については、図４の（Ａ）に示す結果が得られ、図３の乾燥装置については、図４の（Ｂ）に示す結果が得られた。すなわち、水分減少率は、市販乾燥装置については、０．８０であり、図３の乾燥装置については、０．６８であった。他方、乾燥に要した消費電力量は、市販乾燥装置については、２．３７ｋＷｈであり、図３の乾燥装置については、０．９４ｋＷｈであった。ここで、水分減少率の増加と消費電力量とが比例すると仮定すると、同一の水分減少率０．８を実現するのに、図３の乾燥装置の消費電力量は市販乾燥装置の消費電力量の（０．９４／２．３７）×（０．８０／０．６８）＝０．４７倍となり、大きな消費電力低減効果が認められた。
［実施例２］

第２の従来の乾燥装置と図３に示す第１の実施の形態の乾燥装置との比較を行った。共通の条件は次の通りである。
設定乾燥温度：４５℃
乾燥時間：１７時間
被乾燥試料（１個当り）：直径４０−７０ｍｍ、幅１０ｍｍの輪切り野菜
乾燥開始時乾燥装置外温度：１８℃
乾燥終了時乾燥装置外温度：１３．８℃
乾燥開始時乾燥装置外湿度：２２．０％
乾燥終了時乾燥装置外湿度：２５．５％
また、第２の従来の乾燥装置は次の通りである。
寸法：横５６０ｍｍ、奥行き６７０ｍｍ、縦５９０ｍｍ
天井、壁、床面の６面：２５ｍｍ厚さの杉材
さらに、図３の第１の実施の形態の乾燥装置の条件は次の通りである。
天井、壁、床面の６面：水蒸気流制御構造
炭化物粒子１ａ：杉チップを４００℃で炭化した顆粒状炭化物粒子
炭化物粒子層１の厚さ：２５ｍｍ
透湿性シート：ポリエステルシート
メッシュ部材：メラミン焼き付け塗装した直径２．５ｍｍの鉄丸棒
枠材料：厚さ１０ｍｍの杉材

第２の従来の乾燥装置については、図５の（Ａ）に示す結果が得られ、図３の乾燥装置については、図５の（Ｂ）に示す結果が得られた。すなわち、水分減少率は、第２の従来の乾燥装置については、０．８６であり、図３の乾燥装置については、０．８７であった。他方、乾燥に要した消費電力量は、第２の従来の乾燥装置については、１．８２ｋＷｈであり、図３の乾燥装置については、１．３８ｋＷｈであった。ここで、水分減少率の増加と消費電力量とが比例すると仮定すると、同一の水分減少率０．８７を実現するのに、図３の乾燥装置の消費電力量は第２の従来の乾燥装置の消費電力量の（１．３８／１．８２）×（０．８６／０．８７）＝０．７５倍となり、大きな消費電力低減効果が認められた。

尚、上述の図３に示す第１の実施の形態においては、天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉を図１の水蒸気流制御構造によって構成しているが、天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉の少なくとも一部を図１の水蒸気流制御構造によって構成すればよい。

また、上述の図３に示す乾燥装置においては、送風ファン１６−１、１６−２を設けずに空気の流れは自然対流としてもよい。

さらに、上述の図３に示す乾燥装置はロータリーキルン（円筒）式乾燥室を有する乾燥装置にも適用できる。ロータリーキルン式乾燥室は横向き円筒形をなしており、おから等の乾燥に適する。この場合には、ロータリーキルン式乾燥室の円筒壁の少なくとも一部を図１の水蒸気流制御構造によって構成する。

図６は本発明に係る乾燥装置の第２の実施の形態を示す概略図である。

図６において、乾燥装置は、主乾燥室２０、主乾燥室２０内に設けられた減圧乾燥室３０、及び制御ユニット（マイクロコンピュータ）４０よりなる。

主乾燥室２０は、天井１１、壁１２、床１３及び開閉扉（図示せず）よりなる。

減圧乾燥室３０には、被乾燥物を設定するための３段のトレー３１−１、３１−２、３１−３、主乾燥室２０との境界近傍に設けられた減圧ファン３２及び循環ファン３３、減圧乾燥室３０の温度Ｔ及び圧力Ｐを検出する温度センサ３４及び圧力センサ３５が設けられている。

制御ユニット４０は温度センサ３４の温度Ｔ及び圧力センサ３５の圧力Ｐに基づいて減圧ファン及び循環ファン３３を制御する。

図６において、主乾燥室２０の天井２１、壁２２、床２３及び開閉扉（図示せず）は図１の水蒸気流制御構造をなしている。従って、主乾燥室２０は断熱されているので、減圧乾燥室３０は断熱する必要がない。

減圧乾燥室３０においては、減圧ファン３２及び循環ファン３３のオンオフ動作により減圧乾燥室３０内の空気は主乾燥室２０内に排気され、減圧乾燥室３０内の圧力は減圧される。このとき、減圧ファン３２及び循環ファン３３から発生する熱により主乾燥室２０から減圧乾燥室３０内に吸入される空気の温度は上昇する。このようにして、減圧下での乾燥が行われる。

図６の乾燥装置の動作を以下に説明する。

始めに、被乾燥物たとえば野菜、薬草等をトレー３１−１、３１−２、３１−３に載せる。次に、所定の温度Ｔ_０及び圧力Ｐ_０を設定し、減圧ファン３２及び循環ファン３３を起動する。制御ユニット４０は温度センサ３４の温度Ｔが所定の温度Ｔ_０となるようにかつ圧力センサ３５の圧力Ｐが所定圧力Ｐ_０となるように減圧ファン３２及び循環ファン３３をオンオフ制御する。この結果、主乾燥室２０から吸入された空気は、太線矢印に示すごとく、トレー３１−１、３１−２、３１−３内を通過して被乾燥物を乾燥させ、天井２１、壁２２に沿って下降して循環する。このとき、乾燥を終えた空気の水蒸気圧は上昇し、その空気に含まれる水蒸気は、細線矢印に示すごとく、天井２１、壁２２、床２３及び開閉扉（図示せず）を構成する水蒸気流制御構造によって主乾燥室２０の内側から外側へ排出される。

このように、図６に示す第２の実施の形態においては、従来の減圧乾燥装置において必要としていた減圧乾燥室の断熱が不要となった分、製造コストを低減できる。また、吸気と排気との間の熱変換が不要となった分、消費電力を低くできる。

尚、上述の図６に示す第２の実施の形態においては、減圧ファン３２のみで減圧乾燥室３０の圧力及び温度を制御できれば、循環ファン３３は不要となる。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内でのいかなる変更にも適用できる。

本発明に係る水蒸気流制御構造は、野菜、薬草等の乾燥装置の外、木材の乾燥装置、防水装置等に利用できる。

１：炭化物粒子層
１ａ：炭化物粒子
２−１、２−２：透湿性シート
２ａ：孔
３−１、３−２：メッシュ状部材
４：ユニット
１０：乾燥室
１１：天井
１２：壁
１３：床
１４−１、１４−２、１４−３：トレー
１５：ヒータ
１６−１、１６−２：送風ファン
１７：温度センサ
１８：制御ユニット
２０：主乾燥室
２１：天井
２２：壁
２３：床
３０：減圧乾燥室
３１−１、３１−２、３１−３：トレー
３２：減圧ファン
３３：循環ファン
３４：温度センサ
３５：圧力センサ
４０：制御ユニット

Claims

バイオマスを原料として産生された抗菌性成分を含む溶液に含浸させて乾燥させた炭化物粒子層と、
前記炭化物粒子層を挟んだ第１、第２の透湿性シートと
を具備し、
前記炭化物粒子層の炭化物粒子の直径は前記第１、第２の透湿性シートの孔の直径より大きい水蒸気流制御構造。
前記炭化物粒子の直径は０．１μｍ〜１０ｍｍであり、
前記透湿性シートの孔の直径は０．１μｍ〜１００μｍである請求項１に記載の水蒸気流制御構造。
前記炭化物粒子層は炭化した顆粒状炭粒よりなる請求項１に記載の水蒸気流制御構造。
前記第１、第２の透湿性シートはポリエステルシートよりなる請求項１に記載の水蒸気流制御構造。
前記溶液はフルボ酸溶液及び／又は酢液である請求項１に記載の水蒸気流制御構造。
前記第１、第２の透湿性シートをメッシュ状部材で固定した請求項１に記載の水蒸気流制御構造。
所定サイズでユニット化した請求項１に記載の水蒸気流制御構造。
乾燥室と、
前記乾燥室内に設けられた加熱手段と
を具備し、
前記乾燥室の天井、壁、床、開閉扉の少なくとも一部は請求項１〜７のいずれか１つに記載の水蒸気流制御構造によって構成された乾燥装置。
さらに、送風ファンを具備する請求項８に記載の乾燥装置。
ロータリーキルン式乾燥室と、
前記ロータリーキルン式乾燥室内に設けられた加熱手段と
を具備し、
前記ロータリーキルン式乾燥室の円筒壁の少なくとも一部は請求項１〜７のいずれか１つに記載の水蒸気流制御構造によって構成された乾燥装置。
主乾燥室と、
前記主乾燥室内に設けられた減圧乾燥室と、
前記主乾燥室と前記減圧乾燥室との間の近傍に設けられた減圧ファンと
を具備し、
前記主乾燥室の天井、壁、床、開閉扉の少なくとも一部は請求項１〜７のいずれか１つに記載の水蒸気流制御構造によって構成された乾燥装置。
さらに、前記主乾燥室と前記減圧乾燥室との間の近傍に設けられた循環ファンを具備する請求項１１に記載の乾燥装置。