JP6374807B2

JP6374807B2 - 除湿乾燥装置

Info

Publication number: JP6374807B2
Application number: JP2015039394A
Authority: JP
Inventors: 将司鍋田; 誠彦千葉; 一平金指; 隆行梅原; 晃平根岸
Original assignee: 株式会社日立空調Ｓｅ
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016159218A

Description

本発明は、除湿乾燥装置に関する。

食品工場、水産加工場等の倉庫、食糧保管庫等で室内の除湿乾燥を行う除湿乾燥装置が知られている。本技術分野の背景技術として、特開昭６３−１３５７３１号公報（特許文献１）がある。この公報には、「蒸発器から凝縮器への風路中に内部熱交換器が配置されている。また、流入口では内部熱交換器をバイパスして蒸発器へ空気を導く風路の切り換えができる」と記載されている（特許請求の範囲参照）。

特開６３−１３５７３１号公報

前記特許文献１では、冷凍サイクルの構成部品である蒸発器を通過する空気の相対湿度が低い状態では、特別な制御を行わず運転していると、蒸発器の表面温度が蒸発器を通過する空気の露点温度よりも高い温度となり、蒸発器表面に結露が生じず、空気の除湿乾燥が行えなくなる。特許文献１では、この不具合を、低湿度の空気を予冷することで解決しようとしている。
しかし、予冷により低湿度の空気を冷やし過ぎると、蒸発器（の表面）が凍結し結氷してしまう。対策としては、これを溶かすために、圧縮機で圧縮された冷媒ガスを蒸発器に直接導入する除霜運転などが行われている。

しかしながら、このような蒸発器の凍結を解除する除霜運転を実行していると、その間は除湿乾燥装置で除湿乾燥運転を行うことができないため、全体として除湿乾燥装置の能力を低下させてしまう不具合がある。
そこで、本発明は、蒸発器の凍結を防止しつつ低湿度の空気の除湿乾燥を可能とすることで、能力の低下を防止することができる除湿乾燥装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の一形態は、蒸発器の伝熱面積を可変する伝熱面積可変装置と、伝熱面積可変装置を制御して、当該伝熱面積の可変を行う伝熱面積可変制御部とを有する。

本発明によれば、蒸発器の凍結を防止しつつ低湿度の空気の除湿乾燥を可能とすることで、能力の低下を防止することができる除湿乾燥装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の一実施例である除湿乾燥装置の冷凍サイクル構成例を示す説明図である。図２は、本発明の一実施例である除湿乾燥装置の内部の機器配置について説明する縦断面図である。図３は、本発明の一実施例である除湿乾燥装置のコントローラの電気的な接続を示すブロック図である。図４は、本発明の一実施例である除湿乾燥装置が実行する処理を説明するフローチャートである。図５は、湿り空気線図の概略例を示す説明図である。図６は、空気線図の概略例を示す説明図である。図７は、冷凍サイクルのモリエル線図の概略例を示す説明図である。図８は、図４の制御による蒸発器の蒸発温度の時間変化を示すグラフである。図９は、本発明の一実施例である除湿乾燥装置の変形例である冷凍サイクル構成例を示す説明図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、本実施例の除湿乾燥装置の冷凍サイクル構成例を示す説明図である。図１に示すように除湿乾燥装置１は、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５などを冷媒配管６で接続して冷凍サイクルを構成している。すなわち、圧縮機２で圧縮されて吐出された高圧の冷媒ガスは、凝縮器３により冷却されて凝縮し、高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒を膨張弁４により膨張させ、低温低圧となった液冷媒（気液混合冷媒）を蒸発器５により蒸発させ、その後の低圧の冷媒ガスを再び圧縮機２に吸入させる。除湿乾燥装置１は、このような冷凍サイクルを利用し、蒸発器５の表面温度を、蒸発器５を通過する空気の露点温度より低くすることで、空気中の水分を蒸発器５（の表面）に結露させて除湿乾燥を行う。

図２は、本実施例の除湿乾燥装置の内部の機器配置について説明する縦断面図である。除湿乾燥装置１の筺体１１内の下部には、圧縮機２が配置され、また、圧縮機２の単位時間当たりの回転数（回転速度）を可変して、除湿乾燥装置１の能力を可変するインバータ１２も配置されている。

筺体１１の側部には、除湿対象空間の空気を吸い込む吸込口１０が設けられ、筺体１１の上部には、この空気を吹き出す吹出口１４が設けられている。吸込口１０からの空気の吸い込み、その空気の吹出口１４からの吹き出しは、筺体１１内の上部に設けられた送風機１５により行う。吸込口１３には空気の露点温度を判定するための物理量を検出する露点温度検出用センサ１６が設けられている。この場合の空気の流れは矢印ａで示している。露点温度検出用センサ１６は、吸込口１０から吸い込む空気の相対湿度、乾球温度、湿球温度のうちのいずれか２つ（例えば、相対湿度及び乾球温度）を検出するためのセンサである。このいずれか２つが検出されれば、空気の露点温度を求めることができる。

吸込口１０と吹出口１４との間の空気流路の途中には空気を除湿する蒸発器５が配置され、当該蒸発器５より下流側に除湿空気を加温する凝縮器３が配置されている。すなわち、凝縮器３は、蒸発器５で除湿乾燥後の空気で冷媒の冷却（換言すると空気の加温）を行うものである。このように、除湿乾燥装置１から吹き出される空気は、凝縮器３を通過するため、除湿乾燥装置１は、吸込んだ空気よりも（蒸発器５を通過した空気よりも）高温、低相対湿度の空気を吹き出す（再熱除湿）。
コントローラ１７は、マイクロコンピュータ等を中心に構成され、除湿乾燥装置１の全体を集中的に制御する制御装置である。操作部１８は、除湿乾燥装置１の各種操作を受け付ける操作パネルである。

図１に戻り、空気を冷却して除湿を行う蒸発器５は、複数、この例で２つの蒸発部５ａ，５ｂ（第１蒸発部５ａ、第２蒸発部５ｂ）を備えている。そして、凝縮器３の出口から圧縮機２の入口までの間で冷媒配管６は二股に分岐し、このそれぞれが各蒸発部５ａ，５ｂに接続されている。また、蒸発部５ａ，５ｂのそれぞれに対応して、二股に分岐した各冷媒配管６には、それぞれ膨張弁４ａ，４ｂが介装されている。各蒸発部５ａ，５ｂは、各膨張弁４ａ，４ｂで膨張された冷媒で空気を冷却して除湿乾燥する。膨張弁４ａ，４ｂは、その開閉により各蒸発部５ａ，５ｂに選択的に冷媒を供給する。すなわち、膨張弁４ａ，４ｂによって冷媒が流通する蒸発部５ａ，５ｂを選択することによって（蒸発部５ａ，５ｂの両方又は一方だけに冷媒を流通させることによって）、蒸発器５の伝熱面積を可変することができる。つまり、蒸発部５ａ，５ｂ、膨張弁４ａ，４ｂ等により、本発明の伝熱面積可変装置を実現している。

また、除湿乾燥装置１には、センサ８が設けられている。このセンサ８としては、蒸発器５入口の冷媒の温度若しくは圧力を検出するセンサ８ａであってもよいし、蒸発器５出口の冷媒の温度若しくは圧力を検出するセンサ８ｂであってもよいし、圧縮機２入口の冷媒の温度若しくは圧力を検出するセンサ８ｃであってもよい（図１には、３つのセンサを図示しているが、いずれか１つでよい）。

図３は、コントローラ１７の電気的な接続を示すブロック図である。コントローラ１７には、前記のセンサ８、露点温度検出用センサ１６、膨張弁４ａ，４ｂがそれぞれ接続されている。
コントローラ１７は、その機能により、伝熱面積可変装置を構成する膨張弁４ａ，４ｂを制御して、蒸発器５の伝熱面積の可変を行う伝熱面積可変制御部２１を実現している。また、コントローラ１７は、露点温度検出用センサ１６の検出値（例えば、空気の相対湿度及び乾球温度）に基づいて空気の露点温度を求める露点温度判定部２２も実現している。露点温度を求めるには、露点温度検出用センサ１６の検出値に基づき、テーブルルックアップや、演算などにより求めることができる。以下では、伝熱面積可変制御部２１が実行する制御内容について説明する。

まず、伝熱面積可変制御部２１の制御内容で解決しようとする課題について説明する。前記特許文献１では、流入口（吸込口１０に相当）から流入した空気は内部熱交換器へ入り、すでに蒸発器により冷却除湿された空気と熱交換して予冷され、その後蒸発器を通って除湿される場合と、流入口から流入した空気は内部熱交換器をバイパスして蒸発器を通って除湿される場合とに切り換えられ、最終的に凝縮器で温められて室内へ放出され、高湿度な空気は予冷せず低湿度の空気は予冷して除湿する。

すなわち、冷凍サイクルの構成部品である蒸発器を通過する空気の相対湿度が低い状態では、特別な制御を行わず運転していると、蒸発器の表面温度が蒸発器を通過する空気の露点温度よりも高い温度となり、蒸発器表面に結露が生じず、空気の除湿乾燥が行えなくなる不具合を、低湿度の空気を予冷することで解決しようとしている。
しかし、予冷により空気を冷やし過ぎると、蒸発器（の表面）が凍結する。この結果として除湿が行えなくなる。対策としては、これを溶かすために、圧縮機で圧縮された冷媒ガスを蒸発器に直接導入する除霜運転などが行われている。
しかしながら、このような蒸発器の凍結を解除する除霜運転を実行していると、その間は除湿乾燥装置で除湿乾燥運転を行うことができないため、全体として除湿乾燥装置の能力を低下させてしまう不具合がある。

そこで、かかる不具合を解決するため、本実施例では図４の制御を行う。まず、通常の除湿乾燥運転においては、膨張弁４ａ，４ｂの両方を開いて、第１蒸発部５ａ、第２蒸発部５ｂの両方に冷媒を流し、原則として蒸発部５の伝熱面積の全体を利用している。ここで、センサ８の検出値により蒸発器５の蒸発温度が分かる。伝熱面積可変制御部２１は、センサ８で検出した蒸発器５の蒸発温度が露点温度判定部２２で求めた露点温度より高いか否かを判断する（Ｓ１）。

蒸発器５の蒸発温度が露点温度より高いときは（Ｓ１のＹｅｓ）、伝熱面積可変制御部２１は、膨張弁４ｂは閉じ、膨張弁４ａだけを開いて、第１蒸発部５ａだけに冷媒を流し、第２蒸発部５ｂには冷媒を流さない（Ｓ２）。これにより、第１蒸発部５ａの蒸発温度を露点温度以下に低下させることが可能となり、もって、空気を除湿乾燥することが可能となる。
すなわち、膨張弁４ｂを絞る（蒸発温度（蒸発器５の入口温度）を下げる）と、冷媒の循環量自体は減少する。そして、蒸発器５の伝熱面積が広いままでは、膨張弁４ｂを絞って蒸発温度を下げても、蒸発器５の熱交換の処理能力が大きいため、蒸発器５の入口温度は低いが、熱交換した冷媒が過度にスーパーヒート（過熱）し、蒸発器５の出口温度（蒸発器５の全体的温度）は高くなってしまうため、空気が低湿度でも除湿ができるほどには蒸発器５の温度を下げることができない。
そこで、蒸発器５の伝熱面積を狭くすれば、蒸発器５の熱交換の処理能力が小さくなるため、膨張弁４ｂを絞って蒸発器５の蒸発温度を下げても、冷媒のスーパーヒート量は適度となり、蒸発器５の温度を低下させることができる。

次に、蒸発器５の蒸発温度が所定の基準値より低いか否かを判断する（Ｓ３）。この基準値は、露点温度より低い温度であるが、露点温度より過度に低すぎない程度に設定されている。この基準値は、露点温度等に応じて定める。蒸発器５の蒸発温度が当該基準値より低いときは（Ｓ３のＹｅｓ）、膨張弁４ｂを開き、第２蒸発部５ｂにも冷媒を流す（Ｓ４）。これにより、第１蒸発部５ａ、第２蒸発部５ｂの両方に冷媒が流れるので、第１蒸発部５ａが過度に冷えて凍結してしまうことを防止することができる。

より具体的に、図４の処理について説明する。図５は、湿り空気線図の概略例を示す説明図である。空気の相対湿度、乾球温度、湿球温度のうちの２つが判明することで、Ａ点を求めることができれば、Ｂ点である露点温度を求めることができる。符号ｂは飽和線である。このような手法により、露点温度判定部２２は、露点温度検出用センサ１６の検出値に基づいて、空気の露点温度を求める。

図６は、湿り空気線図の概略例を示す説明図である。図６に示すように、露点温度は、同じ乾球温度を示すＡ点、Ｂ点であっても相対湿度が異なると、露点温度Ａ’点、Ｂ’点は異なり、相対湿度の低いＢ点の方が露点温度は低くなることを示している。

図７は、冷凍サイクルのモリエル線図の概略例を示す説明図である。横方向が比エンタルピー、縦方向が圧力であり、符号ｂは飽和線である。そして、符号ｃが前記の冷凍サイクル内における比エンタルピーと圧力との変動を示している。Ｃ点は、センサ８ａで検出する蒸発器５入口の冷媒の圧力（及び温度）を示し、Ｄ点は、センサ８ｂで検出する蒸発器５出口の冷媒の圧力（及び温度）を示し、Ｅ点は、センサ８ｃで検出する圧縮機２入口の冷媒の圧力（及び温度）を示している。これにより、センサ８ａ、センサ８ｂ、又はセンサ８ｃ（センサ８）の検出値によって、蒸発器５の蒸発温度（Ｅｔ）を検出できることがわかる。

図８は、図４の制御による蒸発器５の蒸発温度の時間変化を示すグラフである。蒸発温度が露点温度より高くなると（ｄ１）、空気中の水分を蒸発器５に結露させることができない。そこで、前記のとおり第２蒸発部５ｂに冷媒を流さないようにするため（Ｓ２）、第１蒸発部５ａに集中的に冷媒が流れ、蒸発温度は露点温度以下になる。これにより、蒸発器５で除湿乾燥を行えるようになる。その後、蒸発温度が露点温度より低い基準値以下となったときは（ｄ２）、再び第２蒸発部５ｂに冷媒を流すようにするため（Ｓ４）、過度の蒸発温度の低下を防止することで、蒸発器５の霜付を最小限に留め、本来、除湿には不要な前記の除霜運転を抑制することが可能となる。よって、除霜運転の抑制により、除湿乾燥装置１の能力の低下を防止することができる。このような目的のためには、基準値は露点温度より過度に低い値とならないようにすることが好ましい。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば、図１の例では、膨張弁４を２つ（膨張弁４ａ、４ｂ）設けているが、図９に示すように、図１の膨張弁４ａ、４ｂのそれぞれの位置に電磁弁７ａ、７ｂをそれぞれ介装し、冷媒配管６が分岐する手前に単一の膨張弁４を介装し、電磁弁７ａ、７ｂの開閉により蒸発器５の伝熱面積を可変するようにしてもよい。これにより、電磁弁より高価な膨張弁を１つ減らして、装置の製造コストを削減することができる。この場合に、電磁弁７ａ、７ｂは一方だけを設けるようにし、第１蒸発部５ａ、第２蒸発部５ｂの一方は冷媒が流れなくできないようにしてもよい。

また、前記の例では、蒸発器５は２つの蒸発部に分割されるが、３つ以上の蒸発部に分割してもよい。この場合は、３つ以上に分岐された蒸発部の少なくとも一つに対応した冷媒配管６に膨張弁又は電磁弁を設ければ、蒸発器５の伝熱面積の可変が可能である。

また、前記の手段によっても蒸発温度を露点温度以下にできない場合は、インバータ１２により、圧縮機２や送風機１５の回転数を調整して蒸発器５の蒸発温度を露点温度以下にしても良い。これにより、蒸発器５の蒸発温度を露点温度以下に制御することが可能となり、相対湿度が低い状態においても、除湿運転を行うことが可能となる。

さらに、１つの蒸発部に前記のとおり集中的に冷媒を流す際には、常に第１蒸発部５ａだけに冷媒を流すのではなく、前回は第１蒸発部５ａに冷媒を流したときには、今回は第２蒸発部５ｂだけに冷媒を流すというように、蒸発部を交互に用いれば、第１蒸発部５ａの外表面ばかりが結露して第１蒸発部５ａの劣化だけが激しくなるのを防止することができる。
蒸発器５を第１蒸発部５ａと第２蒸発部５ｂとに分割するには、図２における上下方向に分割してもよいし、左右方向（あるいは紙面に垂直な方向）に分割してもよい。

１除湿乾燥装置
２圧縮機
３凝縮器
４膨張弁
５蒸発器
４ａ、４ｂ膨張弁（弁、伝熱面積可変装置）
５ａ、５ｂ蒸発部（伝熱面積可変装置）
７ａ、７ｂ電磁弁（弁、伝熱面積可変装置）
２１伝熱面積可変制御部
２２露点温度判定部

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁で膨張された冷媒で空気を冷却して除湿乾燥し、その後の冷媒が前記圧縮機で圧縮する冷媒となる蒸発器とを備え、
前記凝縮器は、前記蒸発器で除湿乾燥後の前記空気で前記冷媒の冷却を行うものであり、
前記蒸発器の伝熱面積を可変する伝熱面積可変装置と、
前記伝熱面積可変装置を制御して、当該伝熱面積の可変を行う伝熱面積可変制御部と、
前記蒸発器入口の冷媒の温度若しくは圧力、前記蒸発器出口の冷媒の温度若しくは圧力、又は、前記圧縮機入口の冷媒の温度若しくは圧力を検出するセンサと、
空気の露点温度を求める露点温度判定部とを備え、
前記伝熱面積可変制御部は、前記センサの検出値に基づく前記蒸発器の蒸発温度が前記露点温度より高いときは、それ以前よりも前記伝熱面積を狭め、前記蒸発温度が前記露点温度より低い基準値を下回るときは、それ以前よりも前記伝熱面積を拡げることを特徴とする除湿乾燥装置。
前記伝熱面積可変装置は、
前記蒸発器に設けられ、前記膨張弁で膨張された冷媒で空気を冷却して除湿乾燥する複数の蒸発部と、
開閉により前記各蒸発部に選択的に冷媒を供給する複数の弁とを備え、
前記伝熱面積可変制御部は、前記複数の弁の開閉を制御することにより前記冷媒を供給する前記蒸発部の数を可変することで、前記伝熱面積の可変を行うことを特徴とする請求項１に記載の除湿乾燥装置。