JP6313595B2 - ヒートポンプ式乾燥装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界域のＣＯ２冷媒を用いるヒートポンプ装置と、乾燥器とが分離して配置されるヒートポンプ式乾燥装置及びその運転方法に関する。

産業用乾燥装置の用途は広く、包装印刷機器や、機能性フィルム等を生産する機器においては、印刷やフィルムコーティングを行なう際に、熱風で印刷物やフィルムを乾燥する乾燥装置が用いられている。かかる乾燥装置では、蒸気や燃料の燃焼を熱源として加熱された空気を用いている。包装印刷機器では、顔料や塗工液等の主成分を有機溶剤や水で希釈し、フィルム等に塗布し、有機溶剤や水を熱によって除去し乾燥させる。また、ラミネート加工機も、有機溶剤を熱によって保護フィルムから除去し乾燥させる。

一方、衣類の乾燥や、その他の産業用乾燥装置に、加熱手段としてヒートポンプ装置を用いた乾燥装置が提案されている。この乾燥装置は、前記加熱手段に比べ、高い熱効率を得ることができる。例えば、特許文献１には、ＣＯ２を冷媒とし、空気加熱器及び水熱源蒸発器等から構成されるヒートポンプ装置を備えた熱風発生装置で外気を加熱し、この高温空気を木材、海産物、工業部品等の乾燥に用いることが開示されている。

特開２０１０−２８１５５３号公報

空気加熱式乾燥装置は、有機溶剤や引火性のある化学物質を用いる生産設備では、防爆エリアに設置しなければならない使用機器と、非防爆エリアに設置してもよい使用機器の設置場所の制約がある。そのため、安全確保の観点から、ヒートポンプ装置と空気加熱器とを遠隔設置できるヒートポンプ式乾燥装置が求められている。
また、衣類乾燥などの産業用乾燥装置では、乾燥器と分離して、ヒートポンプ装置を機械室に設置する方法が考えられる。

ヒートポンプ装置を用いた乾燥装置をこれらの乾燥装置に適用する場合、乾燥空気の温度や風量の変動に対応しながら、安定運転を行う必要があるとともに、ヒートポンプ装置と空気加熱器とを遠隔設置した場合に安全性を確保する必要がある。
問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、ヒートポンプ装置と空気加熱器とが分離して配置されたヒートポンプ式乾燥装置において、乾燥空気の温度や風量の変動に対して高い熱効率を維持し、安定運転と安全性を確保可能な分散型乾燥装置を実現することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のヒートポンプ式乾燥装置は、被乾燥物が出入りする乾燥室を備えた乾燥器と、該乾燥器に送られる乾燥空気を加熱するヒートポンプ装置とを備えたヒートポンプ式乾燥装置において、ヒートポンプ装置は、空気加熱器と、該空気加熱器と分散配置され、圧縮機及び蒸発器を含む他の構成機器と、空気加熱器と他の構成機器との間でＣＯ２媒体を循環させるＣＯ２循環路とを備え、該ＣＯ２循環路は、他の構成機器から空気加熱器に超臨界域のＣＯ２媒体を送る往路と、空気加熱器で乾燥空気の加熱に供した後のＣＯ２媒体を他の構成機器に戻す復路とで構成され、往路を構成する配管の隔壁は断熱構造を有している。

本発明のヒートポンプ装置では、熱交換媒体は乾燥に適する高温を供給できるＣＯ２媒体を採用する。乾燥空気は６０℃〜８０℃程度に加熱される必要があるので、ＣＯ２媒体は９０〜１２０℃程度の高温を保有する必要がある。そのため、ＣＯ２媒体の圧力を超臨界状態となる１２ＭＰａ程度まで高めるようにする。
従って、空気加熱器に搬送途中のＣＯ２媒体の熱ロスを少なくするため、他の構成機器から空気加熱器にＣＯ２媒体を送る往路の搬送配管を断熱構造とする。これによって、搬送途中のＣＯ２媒体の温度低下を防止でき、高い熱効率を維持できる。

本発明の一実施態様において、空気加熱器は防爆エリアに設けられ、他の構成機器は非防爆エリアに設けられている。空気加熱器を防爆エリアに配置することで、乾燥装置の安全性を確保できる。

本発明装置の一実施態様において、ＣＯ２循環路は、往路を形成する内側管と、復路を形成する外側管とが同心状に配置された二重管で構成され、内側管を構成する隔壁は断熱構造を有している。
これによって、往路を形成する内側管を流れるＣＯ２媒体を保温できる。この実施態様では、復路を形成する外側管の断熱を行う必要がない。

本発明装置の一実施態様において、前記断熱構造は、往路を構成する配管を囲繞するように配置され、実質的に真空状態に減圧された密閉空間を有している。
さらに、前記密閉空間はメンテナンス区間毎に管軸方向に仕切られ、各密閉空間を真空引き可能な減圧装置に連通させることができる。これによって断熱効果を向上できる。
なお、往路及び復路を構成する配管は、真空条件に適用できる鋼管やＣｕ、Ａｌ等の材質で構成するとよい。

本発明の一実施態様は、ＣＯ２循環路の高圧領域と低圧領域とに夫々開閉弁を介して接続されたＣＯ２回収タンクを備えている。
これによって、運転停止時にＣＯ２循環路及び空気加熱器でＣＯ２媒体が高圧のままにならないように、ＣＯ２回収タンクにＣＯ２ガスを回収する高圧低下運転を行うことで、運転停止時のＣＯ２循環路のＣＯ２媒体圧力を所望圧に減圧できる。

前記実施態様において、複数のＣＯ２回収タンクをＣＯ２循環路の高圧領域と低圧領域とに並列に接続させることができる。
これによって、ＣＯ２循環路のＣＯ２媒体を複数のＣＯ２回収タンクに段階的に分配することで、ＣＯ２循環路及び空気加熱器を段階的に減圧できる。そのため、ＣＯ２循環路の高圧領域の減圧操作を確実に実行できる。
なお、運転開始時は、圧縮機の吸入圧力が設定値に下がってきてから、ＣＯ２回収タンクの低圧領域側の開閉弁を開け、低圧領域にＣＯ２媒体を放出する。これでＣＯ２回収タンクの内圧はほぼ低圧となるので、運転中高圧となったＣＯ２循環路からＣＯ２媒体を回収できる。

本発明装置の一実施態様は、空気加熱器より上流の往路に設けられ、ＣＯ２媒体から熱を吸収する補助熱交換器と、空気加熱器出口の乾燥空気の温度を検出する温度センサと、補助熱交換器で吸収した熱を放熱する放熱器とを備え、温度センサの検出値に応じて放熱器の放熱量を調整するようにしたものである。
これによって、乾燥器の負荷が変動しても、ＣＯ２媒体圧力及び乾燥空気の温度を所望の値に制御できる。

本発明装置の一実施態様において、ヒートポンプ装置の蒸発器に熱源水循環路を接続すると共に、蒸発器で冷却された熱源水を冷熱源とする冷却装置を設けることで、ヒートポンプ装置のフル稼働及び安定稼働が可能になる。
これによって、外気から取り込んだ乾燥用空気を乾燥に必要な高温空気に加熱できる。また、大気開放口から外気を取り込んだ場合でも、乾燥用空気を余裕をもって乾燥に必要な高温に保持できる。さらに、冷却装置を乾燥器側設備に必要な空調装置や生産ラインの冷却装置として用いることができる。

また、乾燥空気搬送路の入口に設けられた第１の送風機、及び乾燥空気搬送路の出口に設けられた第２の送風機とを備え、これらの送風機を夫々別々に稼動させることで、乾燥器に必要な乾燥空気の風量の確保と、ヒートポンプ装置の安定稼動とが可能となる。
また、空気流量センサ及び空気温度センサの検出値に基づいて、制御装置でヒートポンプ装置の運転又は第２の送風機の送風量を制御することで、乾燥器に必要な温度及び風量の乾燥空気の安定供給が可能になる。
こうして、ヒートポンプ装置の省エネ安定運転を可能にすると共に、装置全体の安全性を高めることができる。

なお、前記空気流量センサは、直接空気流量を検出せず、乾燥空気の圧力又は流速を検出し、それらの検出値から間接的に乾燥空気の流量を求める構成のものでもよい。
また、本発明では、ヒートポンプ装置の熱交換媒体として、超臨界ＣＯ２を用いているが、代替フロンを用いることができる。超臨界ＣＯ２を用いた場合、ＣＯ２は空気加熱器で凝縮せず、代替フロンを用いた場合には代替フロンは空気加熱器で凝縮する。

本発明装置の一実施態様は、空気取入口と被乾燥物を乾燥する乾燥器との間の乾燥空気供給路に設けられた空気加熱器と、乾燥空気供給路に供給する送風機と、乾燥空気供給路に設けられた空気流量センサ及び空気温度センサとを備えている。
前記実態態様において、さらに、空気流量センサ及び空気温度センサ及び超臨界ＣＯ２の搬送圧力の検出値に基づいて、ヒートポンプ装置の運転を制御すると共に、第２の送風機の送風量を制御する制御装置を設けることができる。

本発明装置によれば、電熱ヒータや蒸気加熱を加熱源とし、あるいは燃料燃焼式熱風発生器を加熱源とした既存の乾燥装置を改造し、ヒートポンプ装置を導入するに当たって、防爆エリアのため一体型で設置の制約のあった課題を、空気加熱器とヒートポンプの他の構成機器とを分散配置することによって解決でき、熱効率が良いヒートポンプ式乾燥装置に改造できる。しかも、既存の機器を大幅改造することなく、ほぼそのまま利用でき、ヒートポンプ装置等の新設機器を既存機器に追設するだけでよいので、改造工程を短期間かつ低コストで終了できる。

第１の本発明のヒートポンプ式乾燥装置の運転方法は、ＣＯ２循環路の高圧領域のＣＯ２媒体圧力を検出する圧力検出ステップと、ＣＯ２媒体圧力が閾値を超えたとき、圧縮機の回転数を制御してＣＯ２媒体圧力を前記閾値以下とする圧力調整ステップとからなるものである。
これによって、ヒートポンプ装置の高圧領域で、ＣＯ２媒体圧力を許容圧力以下に調整でき、安全性を確保できる。

第２の本発明のヒートポンプ式乾燥装置の運転方法は、ＣＯ２循環路の高圧領域のＣＯ２媒体圧力を検出する圧力検出ステップと、ＣＯ２媒体圧力が上限圧力を超えたとき、ＣＯ２循環路のＣＯ２媒体をＣＯ２回収タンクに回収してＣＯ２媒体圧力を上限圧力以下とする圧力調整ステップとからなるものである。
これによって、ヒートポンプ装置の高圧領域で、ＣＯ２媒体圧力を許容圧力以下に調整でき、安全性を確保できる。

前記実施態様において、さらに、空気加熱器出口の乾燥空気の温度を検出する温度検出ステップと、乾燥空気の温度検出値と温度設定値との差が閾値以下となるように圧縮機の回転数を制御する回転数制御ステップとをさらに含むことができる。
空気加熱器とヒートポンプ装置の他の構成機器とが遠隔設置される場合、乾燥空気の温度制御の時定数が長くなるため、乾燥器の負荷変動に対応するために、ＣＯ２媒体の圧力制御と空気加熱器側の温度制御とを併用するようにしたものである。これによって、空気加熱器出口の乾燥空気の温度制御の応答性を向上させることができる。

本発明によれば、空気加熱器と他の構成機器とを遠隔配置したヒートポンプ装置において、ＣＯ２搬送路を断熱構造としたことで熱ロスを抑制でき、乾燥空気の温度や風量の変動に対して高い熱効率を維持し、かつ安定した運転が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る乾燥装置の全体構成である。 前記乾燥装置のＣＯ２媒体搬送管の横断面図である。 前記ＣＯ２媒体搬送管の往管の縦断面図である。 前記乾燥装置のヒートポンプ装置のモリエル線図である。 前記乾燥装置の運転停止手順を示すフロー図である。 図５の運転停止手順をさらに具体的に示したフロー図である。 前記乾燥装置の運転開始手順を示すフロー図である。 図７の運転開始手順をさらに具体的に示したフロー図である。 本発明の第２実施形態に係るＣＯ２搬送管の縦断面図である。 図９中のＡ―Ａ線に沿う横断面図である。 本発明の乾燥装置の変形例の構成図である。 本発明の乾燥装置の別な変形例の構成図である。 本発明の乾燥装置のさらに別な変形例のフロー図である。 本発明の乾燥装置のさらに別な変形例のブロック線図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式乾燥装置及びその運転方法を図１〜図８に基づいて説明する。図１は本実施形態に係るヒートポンプ式乾燥装置１０の全体構成図である。図１において、Ａ１は防爆エリアを示し、Ａ２は非防爆エリアを示している。乾燥空気供給路１２の一端に空気取入口１４が設けられ、その下流にエアフィルタ１６及び送風機１８が設けられている。送風機１８の作動で外気ａが空気取入口１４から乾燥空気供給路１２に取り入れられる。送風機１８の下流には非防爆エリアＡ２に設けられたヒートポンプ装置２０の一部を構成する空気加熱器２６が設けられている。

ヒートポンプ装置２０は、熱交換媒体としてＣＯ２が循環するＣＯ２循環路２２に、圧縮機２４、空気加熱器２６、膨張弁２８及び蒸発器３０が介設されている。また、圧縮機２４の下流のＣＯ２循環路２２と、膨張弁２８の下流のＣＯ２循環路２２とに接続されたバイパス路３２が設けられ、バイパス路３２に２個のＣＯ２回収タンク３４ａ及び３４ｂが並列に設けられている。ＣＯ２回収タンク３４ａ及び３４ｂの上流及び下流に開閉弁３６ａ、３６ｂ、３８ａ及び３８ｂが設けられている。蒸発器３０と、乾燥器側設備に必要な空調装置や生産ラインの冷却装置に冷熱を供給する冷却装置４０との間に熱源水循環路４２が接続されている。また、膨張弁２８をバイパスするバイパス路が設けられ、該バイパス路に均圧弁３９が設けられている。

空気加熱器２６より下流の乾燥空気供給路１２に、大気開放口４４及び４６、及び流量調整用のダンパ４８が設けられている。また、大気開放口４４及び４６にも流量調整用のダンパ５０及び５２が設けられている。大気開放口４６より下流の乾燥空気供給路１２にエアフィルタ５４が設けられ、エアフィルタ５４より下流の乾燥空気供給路１２に乾燥器５６が設けられている。送風機１８の送風量と後述する給気ファン６２の送風量との違いに基づいて、大気開放口４４及び４６で外気ａの出し入れが行われる。これによって、乾燥空気供給路１２を流れる乾燥空気の流量が調整される。

乾燥器５６は直列に配置された複数の乾燥室５８を有している。乾燥空気供給路１２はエアフィルタ５４の下流側で乾燥室５８の数に対応した数の分岐路１２ａ〜１２ｃに分岐し、各分岐路は夫々乾燥室５８に接続されている。各分岐路１２ａ〜１２ｃには、補助空気加熱器６０及び給気ファン６２が設けられている。また、各乾燥室５８には排気路６４が接続され、排気路６４には排気ファン６６が設けられている。
複数の乾燥室５８には分岐路１２ａ〜１２ｃから乾燥空気が供給されると共に、フィルムｆが導入され、フィルムｆは乾燥室５８の内部で乾燥処理される。

また、圧縮機３４からＣＯ２媒体を空気加熱器２６に送る往路２２ａが設けられ、空気加熱器２６で、ＣＯ２媒体は乾燥空気供給路１２に導入された外気ａを加熱する。空気加熱器２６で外気ａを加熱した後のＣＯ２媒体は復路２２ｂを通り、膨張弁２８出口のＣＯ２循環路２２に戻る。
空気加熱器２６入口の往路２２ａに補助熱交換器６８が設けられている。補助熱交換器６８にはＣＯ２媒体とは別な熱媒体が循環する熱媒循環路７０が接続されている。熱媒循環路７０は、他方でフィルムｆを予熱する予熱器７２及び放熱器７４に接続されている。前記熱媒体は空気加熱器２６で加熱され、予熱器７２でフィルムｆを予熱すると共に、放熱器７４で放熱する。これによって、フィルムｆの加熱量が調整される。

空気加熱器２６下流の乾燥空気供給路１２に圧力センサ７６が設けられ、エアフィルタ５４下流の乾燥空気供給路１２に風量センサ７８及び温度センサ８０が設けられている。これらセンサの検出値は制御装置８２に入力され、制御装置８２は、これらの検出値に基づいて、送風機１８及び給気ファン６２の回転数を制御すると共に、ダンパ４８、５０及び５２の開度を制御する。

次に、往路２２ａ及び復路２２ｂの構成を図２及び図３に基づいて説明する。
ヒートポンプ装置２０の高圧領域においてＣＯ２媒体は超臨界域となっている。そのため、圧縮機吐出温度から膨張弁２８の入口までの温度幅が広がるほど、高温側のエンタルピが大きくなり、ヒートポンプ装置２０のＣＯＰが向上する。例えば、空気加熱器２６のＣＯ２媒体入口温度を９０〜１２０℃とすると、ＣＯ２媒体の圧力は１２ＭＰａ程度となる。一方、空気加熱器２６の出口では、上記理由から空気取り入れ温度１０〜３０℃近傍の２０〜４０℃まで近づけることにより、高いＣＯＰが得られる。

また、空気加熱器２６にＣＯ２媒体を送る往路２２ａは、供給温度９０〜１２０℃から熱ロスによる温度降下があると所定の温熱量が確保できなくなり、乾燥工程に大きな影響を与える。これを補うためにヒートポンプ装置２０から送られるＣＯ２媒体の温度を高くすると、圧縮機２４の動力が増加してヒートポンプ装置２０のＣＯＰが低下する。
これを避けるため、空気加熱器２６に超臨界域のＣＯ２媒体を送る往路２２ａの配管は防熱を行うとともに、一方、戻りの復路２２ｂは常温に近いため防熱無しの配管を基本とする。

図２において、往路２２ａを構成する往管８４と、復路２２ｂを構成する復管８６とは並列に並べられて台板８８上に固定されている。往管８４は内管８４ａと外管８４ｂとで構成されている。内管８４ａの内部にＣＯ２流路Ｆ１が形成され、復管８６の内部にＣＯ２流路Ｆ２が形成されている。往管８４の内管８４ａの径は復管８６の径より大径に形成されている。外管８４ｂの内側に空間ｓが形成されている。

図３は往管８４の縦断面図である。図３において、空間ｓは管軸方向にメンテナンス区間毎に仕切板９０で仕切られている。複数に仕切られた空間ｓは夫々管路９２を介して減圧装置（不図示）に連通している。該減圧装置の作動によって、空間ｓは真空引きされてほぼ真空圧となり、空間ｓは断熱空間を形成している。外管８４ｂ及び空間ｓで断熱構造を構成している。空間ｓには固体伝導の小さい微粒体を充填する。
往路２２ａに対して復路２２ｂのＣＯ２媒体の密度は２〜３倍となるため、復管８６を小径化できる。そのため、配管断面積は内管８４ａ＞復管８６とし、好ましくは、内管８４ａ：復管８６＝２：１の比に近い値となるように配管径を選択する。

こうして、往管８４を流れるＣＯ２媒体を温度を９０〜１２０℃に保持する。往管８４は真空断熱構造を有している。仕切り板９０で区画した気密性のあるメンテナンス区間を設置し、真空引きラインにより真空度を確保すると共に、真空度の管理を行い、断熱効果を維持する。
また、多孔質の微粒充填材は、空気の対流を防ぎ、点接触でつながるため、優れた断熱効果が期待できる。従来使用されるロックウールの使用温度範囲、熱伝達率の代替防熱材の例として、微粒多孔質材のパーライトを用いることができる（−１５０℃〜６００℃、熱伝達率０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ）。

かかる構成において、空気取入口１４から取り入れられた外気ａは、空気加熱器２６で６０〜８０℃程度の温度に加熱される。そして、加熱空気は乾燥器５６でフィルムｆを乾燥し、その後排気される。送風機１８及び給気ファン６２は制御装置８２によって別々に稼動される。これによって、乾燥室５８に必要な乾燥空気の風量の確保と、ヒートポンプ装置２０の安定稼働とが可能になる。
また、風量センサ７８及び温度センサ８０の検出値に基づいて、制御装置８２で送風機１８の送風量を制御することで、乾燥室５８に必要な風量及び温度の乾燥空気を安定供給できる。

ヒートポンプ装置２０で、ＣＯ２媒体は圧縮機２４→空気加熱器２６→膨張弁２８→蒸発器３０の順にＣＯ２循環路２２を循環している。ＣＯ２媒体が圧縮機２４の出口から往路２２ａを通って空気加熱器２６に流れる高圧領域Ｐｈでは、運転時にＣＯ２媒体は１２ＭＰａ程度の高圧及び９０〜１２０℃の高温となり、空気加熱器２６で外気ａを加熱乾燥させる。空気加熱器２６で外気ａの乾燥に供された後のＣＯ２媒体は、復路２２ｂで２０〜４０℃の温度に下がっている。
運転中に、高圧側開閉弁３６ａ及び３６ｂを開けて高圧領域のＣＯ２媒体をＣＯ２回収タンク３４ａ及び３４ｂに回収する。圧力バランス後に高圧側開閉弁３６ａ及び３６ｂを閉じてＣＯ２媒体を貯蔵し、運転停止時のＣＯ２媒体を所定圧に減圧する。

図４は、超臨界域のＣＯ２媒体を用いたヒートポンプ装置のモリエル線図を示す。実線のサイクルは乾燥加熱運転を示し、破線のサイクルは高圧低下運転を示している。これらサイクルは、右上から反時計回りに、圧縮機２４吐出→（空気加熱器２６入口）→空気加熱器２６出口→膨張弁２８→蒸発器３０→圧縮機２４吸入の順に循環している。
実線のサイクルで示す乾燥運転では、圧縮機２４の出口で１２０℃、１２ＭＰａの高温高圧になった超臨界ＣＯ２媒体は、遠隔配置された空気加熱器２６に供給され、乾燥用の空気を加熱して、３０℃、１２ＭＰａ程度で往路２２ａに戻る。破線のサイクルで示す高圧低下運転では、ヒートポンプ装置２０を停止する前に、ＣＯ２媒体の回収を行いながら８ＭＰａまで降下させる容量制御運転を行う。

空気加熱器２６と他の構成機器を遠隔配置して往路２２ａ及び復路２２ｂで接続する分散型ヒートポンプ乾燥装置は、運転停止時に装置配管の圧力を高いまま維持することは安全上好ましくない。そのため、ＣＯ２媒体をＣＯ２回収タンク３４ａ及び３４ｂに回収して、ＣＯ２循環路２２を所定の圧力まで降圧させる必要がある。この回収ステップでは、まず、ＣＯ２臨界点（３１．１℃、７．４ＭＰａ）を下回らない状態で回収する。そのため、高圧低下運転の設定圧力を８ＭＰａとして、回収時に気液混相状態にならない超臨界冷媒を回収する。

図５及び図６に運転停止時の具体的な操作手順を示し、図７及び図８に運転開始時の具体的な操作手順を示す。
高圧低下運転による第１回収ステップはＣＯ２回収タンク３４ａで行う。高圧領域の容量をＶｈ（ｍ^３）、圧力をＰｈ（ＭＰａ）として回収タンク容量ＶＴ（ｍ^３）とすると、回収圧力Ｐは容量比の逆数として求められるので、Ｐ=Ｖｈ×Ｐｈ／（Ｖｈ＋ＶＴ）となる。例えば、高圧領域の容量を１ｍ^３、圧力を１２ＭＰａ⇒回収圧８ＭＰａとすると、容量は１．５ｍ^３となり、ＣＯ２回収タンク３４ａの容量は０．５ｍ^３となる。
次に、さらに高圧領域Ｐｈの圧力を下げる必要がある場合は、第２回収ステップで、ＣＯ２回収タンク３４ｂで運転停止後に高圧部の回収を行う。ＣＯ２回収タンク３４ｂの容量を０．５ｍ^３とすると５．３ＭＰａとなる。

このように、複数のＣＯ２回収タンクによるステップ回収を行うことにより、設定圧力まで降下できる。ＣＯ２回収タンクの本数は、費用との兼ね合いはあるが、複数本で構成する方が減圧圧力をより低くできる。
回収ステップが終了してヒートポンプ装置２０内の圧力が設定圧を得られたら、低圧領域Ｐ_Ｌと高圧領域Ｐｈを、均圧弁３９開によりバイパスして同圧にする均圧ステップを行い、装置運転停止が完了する。

一方、ヒートポンプ装置２０の運転を開始するときは、均圧状態での圧縮機２４の運転になるため、圧縮機２４を起動して吸入圧力を設定圧力まで下げてから、ＣＯ２回収タンク３４ｂに貯蔵しているＣＯ２媒体の放出を行う。回収タンク圧と圧縮機吸入圧力の差がなくなったら、ＣＯ２回収タンク３４ｂの放出は完了したと判断できる。
次に、第１回収ステップで貯蔵したＣＯ２回収タンク３４ａの貯蔵分を放出し、かつ容量制御の圧縮容量を増加させながら、空気加熱器２６に送る設定冷媒温度及び圧力になるよう調整する。
また、運転中に乾燥負荷の変動によって、ヒートポンプ装置２０の圧力変動がある場合は、圧縮機２４の回転数制御とＣＯ２回収タンク３４ａ及び３４ｂを用いて回収や放出を行うことにより、圧縮機２４の吐出圧力を安定させることも可能となる。

以上の回収ステップと放出ステップを行うことにより、ヒートポンプ装置２０に急激な圧力変動がなく、スムーズな運転操作を行うことができる。また、ＣＯ２搬送配管を含めた機器が停止後に高圧状態のまま維持されることがないので、安全性も確保できる。さらに圧縮機２４の容量制御を加えることにより、乾燥器５６の負荷変動に対応できる。

さらに、高圧低下運転の際には、ＣＯ２回収タンク３４ａの高圧側開閉弁３６ａを開けて高圧ラインのＣＯ２媒体を回収する。ＣＯ２回収タンク３４ａ内の圧力がバランスしたら開閉弁３６ａを閉じる。
さらに第２ステップで、運転が停止した後でＣＯ２回収タンク３４ｂの高圧側開閉弁３６ｂを開けて高圧ラインのＣＯ２媒体を回収する。その後、圧力バランスした後開閉弁３６ｂを閉じる。
第３ステップで、高圧領域の圧力Ｐｄと低圧領域の圧力Ｐｓを均圧させて、安全圧まで下げて次の運転開始まで維持する。
ＣＯ２回収タンクを２本設置する場合は、均圧後の装置圧力は、ＣＯ２回収タンク３４ａ＞ＣＯ２回収タンク３４ｂ＞配管・装置になる。

一方、運転開始でのＣＯ２回収タンクからの放出を行う運転開始時は、圧縮機を起動して吸入圧力を設定圧力まで下げてから、ＣＯ２回収タンクの低圧側の開閉弁３８ａ又は３８ｂを開けて低圧領域へＣＯ２媒体を放出し、低圧バランス後に開閉弁３８ａ又は３８ｂを閉じて、回収スタンバイをする。
複数タンクの場合は、これを手順に繰返し、高圧１２ＭＰａ程度の乾燥運転条件になるように調整を行う。
運転中に、空気加熱器２６の負荷変動によりヒートポンプ装置２０の高圧領域が規定圧力(例えば１２ＭＰａ)を超える場合は、ＣＯ２回収タンクにＣＯ２媒体を回収して、高圧の運転圧力を調整する。

なお、図６及び図８において、設定圧力のうち高圧低下ステップの設定圧力Ｐ１は、臨界点圧力７．４ＭＰａ以上を設定して、運転中に圧縮機２４の高圧領域でＣＯ２媒体が凝縮液化しないよう配慮する。Ｐ４の設定差圧は放出を確認する圧力差を設定する。

また、本実施形態では、図１に示すように、圧縮機２４の吐出口に圧力センサ９４を設けている。そして、圧力センサ９４の検出値が閾値を超えたとき、圧縮機２４の回転数を制御して、高圧領域のＣＯ２媒体圧力を閾値以下とする。

また、空気加熱器２６とヒートポンプ装置２０の他の構成機器とが距離を隔てて設置されているため、温度制御によるフィードバックは時定数が長く安定するまで時間を要し、的確性を欠く。そこで、ヒートポンプ装置２０は圧縮機２４の吐出圧力を検出して一定範囲で運転することとし、乾燥器５６での温度制御は、空気加熱器２６の下流側の乾燥空気供給路の空気温度を計測して、途中ダンパ５２による吸気により温度調節を行う。
また、空気加熱器２６の入口手前に補助熱交換器６８を設けて余分の熱量を冷却除去してＣＯ２媒体温度を下げることで、空気加熱器２６の温度調整を行ってもよい。

運転開始条件では、装置自体の加熱のために温度上昇が遅く、圧力上昇が先行する。その場合は、起動時の制御吐出圧１（例えば８ＭＰａ）を設定しておき、圧縮機２４の回転数を上げて冷媒循環量を増やしながら８ＭＰａを維持するように暖機運転を行う。次に、運転制御圧２（例えば１２ＭＰａ）を設定し、さらに圧縮機２４の回転数を上げて乾燥器５６の運転状態を調整する。一時的に高圧領域の圧力が上昇する場合は、圧縮機２４の回転数制御により圧力を調整するが、圧力変動スピードが速くて回転数制御を行うと大きなハンチングを起こす場合は、ＣＯ２回収タンクに一時的にＣＯ２媒体を回収し、急激な圧力上昇が生じないように対処する。

空気加熱器２６は、取り入れた外気ａの加熱を行うため、空気加熱器２６を構成する熱交換器は、超臨界ＣＯ２と加熱空気との熱交換器となるため、フィンコイル、プレートフィンコイル、プレート熱交やマイクロチャンネルなどを用いる。
空気加熱器２６の空気入口温度は１０℃〜３０℃程度で、超臨界ＣＯ２媒体の温度９０〜１２０℃で乾燥工程に適した６０〜８０℃の乾燥空気となるように加熱する。また、空気加熱器２６出口のＣＯ２媒体温度は低いほど、ヒートポンプ装置２０のＣＯＰが高くなるので、２０〜４０℃程度になる。このため、熱交換器流路の空気と超臨界ＣＯ２の流れ方向を対向流とした熱交換器を採用することにより、超臨界ＣＯ２の加熱能力を効率よく引き出せる乾燥装置を提供できる。

本実施形態によれば、往路２２ａにおける搬送途中のＣＯ２媒体の温度低下を防止でき、高い熱効率を維持できる。
また、運転中、ＣＯ２回収タンク３４ａ及び３４ｂにＣＯ２媒体を回収する高圧低下運転を行うことで、高圧領域のＣＯ２媒体圧力を許容値以下に保持できると共に、運転停止時のＣＯ２循環路２２のＣＯ２媒体圧力を所望値に減圧できる。
また、空気加熱器２６の入口に補助熱交換器６８を設けたことで、フィルムｆの予熱が可能になると共に、ＣＯ２媒体温度の調整が可能になる。

なお、ヒートポンプ装置２０のヒートポンプサイクルは単純なサイクルを表示したが、さらにＣＯＰを向上させるためには、熱回収熱交換器を設置して、空気加熱器２６からの戻りの低温高圧媒体(２０〜４０℃)と蒸発器３０から圧縮機２４間の低温低圧媒体(０〜１０℃)と熱交換を行い、さらに高圧領域のエンタルピー幅を増やすことにより、ＣＯＰを向上できる。
また、本実施形態では、空気加熱器２６を一台設け、複数の乾燥室５８を配置にしているが、場合によっては複数台の空気加熱器を設け、これらに超臨界ＣＯ２媒体を供給してもよい。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態として、往路２２ａ及び復路２２ｂの別な構成を図９及び図１０に基づいて説明する。本実施形態に係る往路２２ａ及び復路２２ｂは三重管１００で構成されている。
三重管１００は、互いに同心状に配置され円形断面を有する内側管１０２、中間管１０４及び外側管１０６で構成されている。内側管１０２の内部に形成されたＣＯ２流路Ｆ１は往路２２ａに当たり、外側管１０６の内側に形成されたＣＯ２流路Ｆ２は復路２２ｂに当たる。

中間管１０４の内側に形成された空間ｓは、前記第１実施形態と同様に、管軸方向にメンテナンスコスト区間毎に仕切板９０で複数に仕切られている。各空間ｓは管路９２を介して減圧装置（不図示）に連通している。該減圧装置を作動させ、空間ｓを真空引きすることで、空間ｓはほぼ真空圧に保持され、断熱空間を形成している。また、空間ｓはパーライトなどの固体伝導の小さい微粒体が充填されている。中間管１０４と空間ｓとで断熱構造を構成している。

本実施形態によれば、往路２２ａ及び復路２２ｂを三重管１００で構成することで、コンパクト化できると共に、空間ｓを真空圧とし、かつ微粒体を充填したことで、良好な断熱特性を得ることができる。なお、経時変化で真空度が甘くなる場合、定期点検で真空引きを行うとよい。
前記第１実施形態及び前記第２実施形態で用いられた往路２２ａの断熱構造は、いずれも真空圧に保持された断熱空間ｓを有しているが、本発明は、これに限定されない。例えば、断熱空間ｓの代わりに、断熱材で形成された断熱層を設けた断熱構造としてもよい。

（変形例）
以下、本発明の各種変形例を説明する。第１の変形例を図１１に基づいて説明する。本変形例は、工場建屋内防爆エリアＡ１に複数の空気加熱器２６ａ〜２６ｃが設けられ、非防爆エリアＡ２にヒートポンプ装置２０の他の構成機器が設けられている。複数の空気加熱器２６と他の構成機器とは、共通のＣＯ２循環路２２で接続されている。
図１２は、別な変形例を示している。本変形例は、複数の空気加熱器２６ａ〜２６ｃと他の構成機器とは、夫々別々のＣＯ２循環路２２Ａ〜２２Ｃで接続されている。

図１３及び図１４は、ヒートポンプ装置３０の圧縮機２４の別な運転制御装置及び運転制御方法を示している。図１３において、本運転制御装置は、圧縮機２４の駆動装置としてインバータ付きモータ２４ａを備えている。また、空気加熱器２６の出口の乾燥空気供給路１２に温度センサ１１０が設けられ、圧縮機２４の出口の往路２２ａに圧力センサ９４及び温度センサ１１４が設けられている。各センサの検出値は制御装置８２に入力され、制御装置８２は、前記検出値に基づいてインバータ付きモータ２４ａの回転数を制御する。

図１４に示すように、この運転制御装置による運転制御方法は、空気加熱器２６出口の乾燥空気の温度設定値ＴＡＳと温度検出値ＴＡＯとの差が閾値Ｃ１以下となるように、圧縮機２４の回転数をＰＩＤでインバータ制御するものである。このとき、圧縮機２４の吐出圧力Ｐｄが上限圧力Ｐｄ１を超えたなら、ＣＯ２循環路２２のＣＯ２媒体をＣＯ２回収タンク３４ａ又は３４ｂに戻して、圧縮機２４の吐出圧力Ｐｄを減圧する。
本変形例によれば、空気加熱器２６出口の乾燥空気の温度を応答性良く制御できると共に、圧縮機２４の吐出圧力が上限圧力を超えるのを防止できる。

本発明によれば、ヒートポンプ装置と空気加熱器とが分離して配置されたヒートポンプ式乾燥装置において、乾燥空気の温度や風量の変動に対して高い熱効率を維持し、安定運転と安全性を確保できる。

１０ ヒートポンプ式乾燥装置
１２ 乾燥空気供給路
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 分岐路
１４ 空気取入口
１６、５４ エアフィルタ
１８ 送風機
２０ ヒートポンプ装置
２２ ＣＯ２循環路
２２ａ 往路
２２ｂ 復路
２４ 圧縮機
２６ 空気加熱器
２８ 膨張弁
３０ 蒸発器
３２ バイパス路
３４ａ、３４ｂ ＣＯ２回収タンク
３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ 開閉弁
３９ 均圧弁
４０ 冷却装置
４２ 熱源水循環路
４４、４６ 大気開放口
４８、５０、５２ ダンパ
５６ 乾燥器
５８ 乾燥室
６０ 補助空気加熱器
６２ 給気ファン
６４ 排気路
６６ 排気ファン
６８ 補助熱交換器
７０ 熱媒循環路
７２ 予熱器
７４ 放熱器
７６ 圧力センサ
７８ 風量センサ
８０ 温度センサ
８２ 制御装置
８４ 往管
８４ａ 内管
８４ｂ 外管
８６ 復管
９０ 仕切板
９２ 管路
１００ 三重管
１０２ 内側管
１０４ 中間管
１０６ 外側管
Ａ１ 防爆エリア
Ａ２ 非防爆エリア
Ｆ１、Ｆ２ ＣＯ２流路
Ｐｈ 高圧領域
Ｐ_Ｌ 低圧領域

Claims (10)

1. 被乾燥物が出入りする乾燥室を備えた乾燥器と、該乾燥器に送られる乾燥空気を加熱するヒートポンプ装置とを備えたヒートポンプ式乾燥装置において、
   前記ヒートポンプ装置は、空気加熱器と、該空気加熱器と分散配置され、圧縮機及び蒸発器を含む他の構成機器と、前記空気加熱器と前記他の構成機器との間でＣＯ２媒体を循環させるＣＯ２循環路とを備え、
   前記ＣＯ２循環路は、前記他の構成機器から前記空気加熱器に超臨界域のＣＯ２媒体を送る往路と、前記空気加熱器で乾燥空気の加熱に供した後のＣＯ２媒体を前記他の構成機器に戻す復路とで構成され、
   前記往路を構成する往管は、
   前記ＣＯ２媒体が流れる第１管と、
   前記第１管の外周側に設けられ、真空状態の断熱空間を内側に形成する第２管と、
   を含む
   断熱構造を有していることを特徴とするヒートポンプ式乾燥装置。
2. 前記空気加熱器は防爆エリアに設けられ、前記他の構成機器は非防爆エリアに設けられ、
   前記往管を含む前記ＣＯ２循環路は、前記防爆エリア内の前記空気加熱器と前記非防爆エリア内の前記他の構成機器との間を接続している
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式乾燥装置。
3. 前記ＣＯ２循環路は、前記第１管を形成する内側管と、前記第２管を形成する外側管とが同心状に配置された二重管で構成される請求項１又は２に記載のヒートポンプ式乾燥装置。
4. 前記断熱構造は、前記往路を構成する第１管を囲繞するように配置され、実質的に真空状態に減圧された密閉空間を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式乾燥装置。
5. 前記ＣＯ２循環路の高圧領域と低圧領域とに夫々開閉弁を介して接続されたＣＯ２回収タンクを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式乾燥装置。
6. 複数の前記ＣＯ２回収タンクが前記ＣＯ２循環路の高圧領域と低圧領域とに並列に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式乾燥装置。
7. 前記空気加熱器より上流の前記往路に設けられ、ＣＯ２媒体から熱を吸収する補助熱交換器と、
   前記空気加熱器の出口の乾燥空気の温度を検出する温度センサと、
   前記補助熱交換器で吸収した熱を放熱する放熱器とを備え、
   前記温度センサの検出値に応じて前記放熱器の放熱量を調整するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式乾燥装置。
8. 請求項１に記載されたヒートポンプ式乾燥装置の運転方法において、
   前記ＣＯ２循環路の高圧領域のＣＯ２媒体圧力を検出する圧力検出ステップと、
   前記ＣＯ２媒体圧力が閾値を超えたとき、前記圧縮機の回転数を制御して前記ＣＯ２媒体圧力を前記閾値以下とする圧力調整ステップとからなることを特徴とするヒートポンプ式乾燥装置の運転方法。
9. 請求項４に記載されたヒートポンプ式乾燥装置の運転方法において、
   前記ヒートポンプ式乾燥装置は、前記ＣＯ２循環路の高圧領域と低圧領域とに夫々開閉弁を介して接続されたＣＯ２回収タンクを備え、
   前記ＣＯ２循環路の高圧領域のＣＯ２媒体圧力を検出する圧力検出ステップと、
   前記ＣＯ２媒体圧力が上限圧力を超えたとき、前記ＣＯ２循環路のＣＯ２媒体を前記ＣＯ２回収タンクに回収して前記ＣＯ２媒体圧力を上限圧力以下とする圧力調整ステップとからなることを特徴とするヒートポンプ式乾燥装置の運転方法。
10. 前記空気加熱器の出口の乾燥空気の温度を検出する温度検出ステップと、
    前記乾燥空気の温度検出値と温度設定値との差が閾値以下となるように前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御ステップとをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ式乾燥装置の運転方法。

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