JP6859398B2

JP6859398B2 - 除湿ローターの省エネ制御システム及びその方法

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Publication number: JP6859398B2
Application number: JP2019124603A
Authority: JP
Inventors: 雅俊長澤; 甫尾形; 三上　秀人; 秀人三上; 佐原　亮; 亮佐原
Original assignee: Shinryo Corp
Current assignee: Shinryo Corp
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: JP2021010852A

Description

本発明は、除湿剤が含浸された回転可能な除湿ローターを通過する処理空気から水分を吸着して除湿し、低湿度の環境を提供する除湿ローターの省エネ制御システム及びその方法に関する。

一般に、ドライルーム用の除湿機には、シリカゲルやゼオライトなどの吸着材を添着した除湿ローターが搭載されることが多い。除湿ローターは低速で回転し、除湿と再生が繰り返されることで、ドライルームへ連続的に低露点の空気が供給される。除湿機では、除湿ローターから水分を脱着するエネルギー（以降、「再生エネルギー」と言う。）が非常に大きく、除湿機の消費エネルギーの５０％以上を占める。

例えば、全外気方式で給気露点温度が低露点（−５０℃ＤＰ以下）の除湿機の場合、一般的に除湿ローターは直列に二段設置される。この場合、後段のローターは、除湿・再生・パージの３セクションを備えている（以降、「３分割ローター」と言う。）が、前段の除湿ローターはイニシャルコストやランニングコストの面で除湿と再生の２セクションを備えている（以降、「２分割ローター」と言う。）ことが多い。

このような除湿機では、前段の２分割ローターへの潜熱負荷が大きいため、再生エネルギーが非常に大きいが、ドライルーム用の除湿機の再生エネルギーは、潜熱負荷が最大となる夏期設計条件で設計される。そのため、潜熱負荷の小さい冬期や無人時には再生エネルギーを削減する余地がある。

そこで、従来、再生エネルギーを制御するシステムとして、除湿セクション出口側に設置された露点計の測定値が所定の露点温度になるように、再生エネルギーを制御するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、除湿セクション入口側に設置された露点計の測定値から、除湿セクション出口の露点温度を予測し、この露点温度が所定の露点温度となるよう再生エネルギーを制御するシステムも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３２６６３２６号公報特開２００７−２６０５０６号公報

上記した特許文献１や特許文献２に記載のシステムの場合、露点温度の測定に静電容量式露点計や鏡面冷却式露点計が用いられている。静電容量式露点計の場合、測定誤差が大きく応答速度も遅いために、本来の露点温度と異なった露点温度で再生エネルギーの制御が行われ、設定値を大幅に超えてしまう可能性がある。また、鏡面冷却式露点計の場合、静電容量式露点計と比べて、測定誤差が小さく応答速度も速いが、鏡面の汚れなどにより測定誤差や応答速度が著しく低下するために、日常的なメンテナンスが必要となる。さらに、鏡面冷却式露点計は静電容量式露点計と比べてイニシャルコストが高いという問題もある。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、測定精度が良く、応答速度が速く、制御性が良く、メンテナンス性に優れ、イニシャルコストが安価な除湿ローターの省エネ制御システム及びその方法を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するため、本発明は、通過する処理空気から水分を吸着して該処理空気を除湿する除湿セクションと、通過する高温空気により加熱されて水分が脱着される再生セクションと、に分割された回転可能な除湿ローターの省エネ制御システムであって、前記除湿ローターの回転方向において、前記再生セクションの下流側に隣接する前記除湿セクションの一部分を擬似パージセクションの領域に設定し、前記再生セクションを通過する高温空気が損失した顕熱エネルギーと前記擬似パージセクションの領域を通過する低温空気が取得した顕熱エネルギーとの差分のエネルギーを前記除湿セクションを通過する処理空気の風量で除して得たエネルギー収支値に基づき、前記除湿ローターの再生風量比又は再生温度を制御する制御装置を備えていることを特徴とする。

本発明に係る除湿ローターの省エネ制御システムにおいて、前記制御装置は、前記除湿ローターの回転数をＲ（ｒｐｈ）、前記除湿セクションの面風速をＶ（ｍ／ｓ）、ａ及びｂを再生条件によって異なる定数とした場合に、各再生条件における前記擬似パージセクションの領域の中心角度を、ａ×ｅｘｐ（ｂ×Ｒ／Ｖ）の式に従って算出し、各再生条件における前記擬似パージセクションの領域の中心角度のうちの最小角度を該擬似パージセクションの領域の中心角度に設定するのが良い。

本発明に係る除湿ローターの省エネ制御システムにおいて、前記擬似パージセクションの領域の出口温度を検出する温度センサーを備え、前記温度センサーは、最大潜熱負荷時における前記除湿セクションの出口温度と最小潜熱負荷時における前記除湿セクションの出口温度との温度差が最大であって、前記除湿セクションの表面から５０ｍｍ以内且つ該除湿セクションに接触しない位置に設置されるのが良い。

本発明は、通過する処理空気から水分を吸着して該処理空気を除湿する除湿セクションと、通過する高温空気により加熱されて水分が脱着される再生セクションと、に分割された回転可能な除湿ローターの省エネ制御方法であって、前記除湿ローターの回転方向において、前記再生セクションの下流側に隣接する前記除湿セクションの一部分を擬似パージセクションの領域に設定し、前記再生セクションを通過する高温空気が損失した顕熱エネルギーと前記擬似パージセクションの領域を通過する低温空気が取得した顕熱エネルギーとの差分のエネルギーを前記除湿セクションを通過する処理空気の風量で除して得たエネルギー収支値に基づき、前記除湿ローターの再生風量比又は再生温度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、測定精度が良く、応答速度が速く、制御性が良く、メンテナンス性に優れ、イニシャルコストが安価な省エネ除湿システムを提供することができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムを示す説明図である。本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムにおいて、除湿セクションの出口温度と擬似パージセクションの領域の中心角度との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムにおいて、擬似パージセクションの領域の中心角度と除湿セクションの面風速に対する除湿ローターの回転数の比との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムにおいて、エネルギー収支値と再生風量比との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムにおいて、エネルギー収支値と再生温度との関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムを全外気方式のシステムに適用した場合について例示して説明する。

図１に示されているように、本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システム１０には、シリカゲルやゼオライトなどの除湿剤がガラス繊維ペーパーやセラミックペーパーに含浸されて円筒状に成形された除湿ローター２０，３０が前後二段に亘って直列に設置されており、各除湿ローター２０，３０はモータ等の駆動手段（図示省略）によって所定の速度で回転される。

前段の除湿ローター２０は、仕切板などによって、通過する処理空気から水分を吸着して除湿する除湿セクション２１と、通過する高温空気により加熱されて水分が脱着される再生セクション２２と、に分割された２分割ローターである。

一方、後段の除湿ローター３０は、仕切板などによって、通過する処理空気から水分を吸着して該処理空気を除湿する除湿セクション３１と、通過する高温空気により加熱されて水分が脱着される再生セクション３２と、通過する低温空気により冷却されるパージセクション３３と、に分割された３分割ローターである。

前段の除湿ローター２０の回転方向において、再生セクション２２の下流側に隣接する除湿セクション２１の一部分の領域２３は、後段の除湿ローター３０のような３分割ローターのパージセクション３３と同様に、ローターの温度が高く、出口空気の温度が高いため、除湿能力がほとんど無い。そこで、我々は、この領域２３を、擬似パージセクションの領域２３に設定することを考えた。この擬似パージセクションの領域２３の出口側には、この出口温度Ｔ２を検出する第２の温度センサー２４が設けられている。なお、擬似パージセクションの領域２３の詳細については、後述する。

外部と前段の除湿ローター２０の除湿セクション２１の入口側部分とは第１のダクト４０により接続されている。第１のダクト４０には、外部側から空気の流れ方向に沿って順に、プレクーラー４１、第１の風量調整ダンパ（ＶＤ）４２がそれぞれ設けられている。第１のダクト４０の除湿セクション２１の近傍には除湿セクション２１の入口側の空気の温度Ｔ１を測定する第１の温度センサー４３が設けられている。

前段の除湿ローター２０の除湿セクション２１の出口側部分と後段の除湿ローター３０の除湿セクション３１の入口側部分とは第２のダクト４４により接続され、第２のダクト４４には給気ファン４５が設けられている。給気ファン４５の下流側には第２のダクト４４から第３のダクト４６が分岐接続されており、第３のダクト４６は後段の除湿ローター３０のパージセクション３３の入口側部分に接続されている。

後段の除湿ローター３０の除湿セクション３１の出口側と低湿度の環境が要求される空間（例えば、ドライルーム）とは第４のダクト４７により接続され、第４のダクト４７には第２の風量調整ダンパ（ＶＤ）４８が設けられている。

後段の除湿ローター３０のパージセクション３３の出口側部分と後段の除湿ローター３０の再生セクション３２の入口側部分とは第５のダクト４９により接続され、第５のダクト４９には再生ヒーター５０が設けられている。

後段の除湿ローター３０の再生セクション３２の出口側部分と前段の除湿ローター２０の再生セクション２２の入口部分とは第６のダクト５１により接続され、第６のダクト５１には再生ヒーター５２が設けられている。第６のダクト５１の再生セクション２２の近傍には再生セクション２２の入口側の空気の温度Ｔ３を測定する第３の温度センサー５３が設けられている。

再生ヒーター５２の上流側には第６のダクト５１に第７のダクト５４が接続され、第７のダクト５４には可変風量装置（ＶＡＶ）５５が設けられている。

前段の除湿ローター２０の再生セクション２２の出口側部分と外部とは第８のダクト５６により接続されている。第８のダクト５６の再生セクション２２の近傍には再生セクション２２の出口側の空気の温度Ｔ４を測定する第４の温度センサー５７が設けられている。また、第８のダクト５６には排気ファン５８及び第３の風量調整ダンパ（ＶＤ）５９が設けられている。

上記した除湿ローターの省エネ制御システム１０には、制御装置６０が設けられている。制御装置６０は、第１〜第４の温度センサー４３，２４，５３，５７、再生ヒーター５２、可変風量装置（ＶＡＶ）５５、排気ファン５８などと電気的に接続されている。

除湿ローターの省エネ制御システム１０において、計測対象は、前段の除湿ローター２０の除湿セクション２１の入口温度Ｔ１、擬似パージセクションの領域２３の出口温度Ｔ２、前段の除湿ローター２０の再生セクション２２の入口温度Ｔ３、前段の除湿ローター２０の再生セクション２２の出口温度Ｔ４、前段の除湿ローター２０の除湿セクション２１における差圧ΔＰ１、前段の除湿ローター２０の再生セクション２２における差圧ΔＰ２、外気再生風量Ｑ４である。各温度の測定は、それぞれ、第１〜第４の温度センサー４３，２４，５３，５７によって行われ、第１〜第４の温度センサー４３，２４，５３，５７には熱電対や白金測温抵抗体などが使用される。また、前段の除湿ローター２０の各セクション２１（２３），２２の通過風量Ｑ１（Ｑ２），Ｑ３は除湿ローター２０の差圧計（図示省略）により測定される差圧ΔＰ１，ΔＰ２から算出される。さらに、外気再生風量Ｑ４は、可変風量装置（ＶＡＶ）５５などの風量測定器を備えたダンパからの測定値が用いられる。

このような構成を備えた除湿ローターの省エネ制御システム１０において、第１のダクト４０を介して外部から処理空気として導入された外気（ＯＡ）はプレクーラー４１で予冷除湿され、前段の除湿ローター２０の除湿セクション２１を通過する。その後、前段の除湿ローター２０に供給された処理空気のうち、所定風量の処理空気は第２のダクト４４を介して後段の除湿ローター３０の除湿セクション３１を通過し、残りの風量の処理空気は第３のダクト４６を介して後段の除湿ローター３０のパージセクション３３を通過する。

前段の除湿ローター２０及び後段の除湿ローター３０は、それぞれの除湿セクション２１，３１を通過する処理空気から水分を吸着して除湿し、該除湿された処理空気は低湿度の環境が要求される空間に供給される。

一方、後段の除湿ローター３０のパージセクション３３を通過した処理空気は低温空気として後段の除湿ローター３０を冷却した後、第５のダクト４９を通り、再生ヒーター５０により加熱されて高温空気となる。そして、この高温空気は、後段の除湿ローター３０の再生セクション３２を通過し、第６のダクト５１を通って、第７のダクト５４からの外気（ＯＡ）と合流する。

第６のダクト５１において合流した空気は、再生ヒーター５２により加熱された後、前段の除湿ローター２０の再生セクション２２を通過し、排気ファン５８によって排気（ＥＡ）として外部に排出される。

次に、上記した擬似パージセクションの領域２３について、詳細に説明する。

我々は、前段の除湿ローター２０のような２分割ローターにおいて、除湿セクション２１の出口空気の温度分布が潜熱負荷により異なることに着眼した。図２は、高負荷条件（除湿機の設計における最大の潜熱負荷であり、夏期設計条件を意味し、露点温度で＋５℃ＤＰ〜＋１２℃ＤＰ程度であることが多い。）と低負荷条件（除湿機の設計における最小の潜熱負荷であり、冬期設計条件を意味し、露点温度で−２０℃ＤＰ〜−１５℃ＤＰ程度であることが多い。）とにおける、除湿セクション２１の出口温度と擬似パージセクションの領域２３の再生セクション２２からの中心角度θ１（図１参照）との関係を示す図である。

図２によれば、除湿セクション２１のうちの再生セクション２２から近い領域（角度の小さい領域）では、潜熱負荷が大きいほど除湿セクション２１の出口温度が低く、再生セクション２２から遠い領域（角度の大きい領域）では、吸着熱により逆の傾向になっていることが分かる。そこで、我々は、図２中の低負荷条件の出口温度と高負荷条件の出口温度とが逆転しない領域で、なるべく風量が大きい（すなわち、角度が大きい）交点ｘの角度（図２中の３５°）を擬似パージセクションの領域２３の中心角度θ１とした。

また、我々の実験により、擬似パージセクションの領域２３の角度θ１は、再生条件ごとに次式（２）よって推定できることを見出した。なお、次式（１）の定数ａ及びｂは再生条件によって異なる。

θ１=ａ×ｅｘｐ（ｂ×α）・・・（１）
θ１：擬似パージセクションの中心角度（°）
Ｒ：除湿ローターの回転数（ｒｐｈ）
Ｖ：除湿セクションの面風速（ｍ／ｓ）
α：除湿ローター回転数と除湿セクションの面風速との比（＝Ｒ／Ｖ）
ａ，ｂ：定数

擬似パージセクションの領域２３の出口温度Ｔ２の測定点については、低負荷条件と高負荷条件との間で温度差が大きい箇所で測定することが望ましい。図２によれば、角度が２５°の点がその温度差が最大の点であるため、この付近に第２の温度センサー２４を設置して測定すると制御性が良い。また、第２の温度センサー２４は、除湿セクション２１の出口の空気が混合する前の温度を測定するために、除湿ローター２０の表面から５０ｍｍ以内で除湿ローター２０には接触しない位置に配置するのが好ましい。

また、擬似パージセクションの領域２３の顕熱エネルギー収支は、次式（２）により表すことができる。

擬似パージセクションの顕熱エネルギー収支=（Ｔ２−Ｔ１）×Ｑ１×θ１／θ×ρ×Ｃｐ・・・（２）
Ｔ１：:除湿セクションの入口温度（℃）
Ｔ２：擬似パージセクションの出口温度（℃）
Ｑ１：除湿セクションの風量（ｍ^３／ｈ）
θ１：擬似パージセクションの領域の中心角度（°）
θ ：除湿セクションの角度（°）
ρ：空気密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｃｐ：定圧比熱（ｋＪ／℃・ｋｇ）

図３に示されているように、擬似パージセクションの領域２３の中心角度θ１は再生条件によって異なるため、各再生条件における角度θ１の最小中心角度を、制御時の中心角度θ１とする。

上記したように、前段の除湿ローター２０の回転方向において、再生セクション２２の下流側に隣接する除湿セクション２１の一部分の領域２３を、擬似パージセクションの領域２３に設定することにより、我々は、本出願人による特許第５６５４９６０号に記載の発明と同様に、次式（３）により算出される顕熱エネルギー収支値（ｋＪ／ｍ^３）を用いることで、前段の除湿ローター２０の再生エネルギーを制御することが可能になると考えた。

顕熱エネルギー収支値＝（再生セクションの顕熱エネルギー収支−擬似パージセクションの領域の顕熱エネルギー収支）÷除湿風量＝｛（Ｔ３−Ｔ４）×Ｑ３×ρ×Ｃｐ｝−｛（Ｔ２−Ｔ１）×Ｑ１×θ１／θ×ρ×Ｃｐ｝÷Ｑ１・・・・・（３）
Ｔ３：再生セクションの入口温度（℃）
Ｔ４：再生セクションの出口温度（℃）
Ｑ３：再生セクションの風量（ｍ３／ｈ）
Ｃｐ：定圧比熱（ｋＪ／℃・ｋｇ）

上記式（３）において、顕熱エネルギー収支値が潜熱負荷によって大きく変化するほど、制御性は高くなる。潜熱負荷が小さい領域では、再生セクション２２の顕熱エネルギー収支の変化が小さくなるため、擬似パージセクションの領域２３の顕熱エネルギー収支が重要になる。

以下、図１に示されている全外気方式の２段ローターを備えた本制御システム１０において、外気風量Ｑ１が１,９００ｍ^３／ｈ、設計給気露点温度が−６０℃ＤＰ、前段の除湿ローター２０の回転数が８ｒｐｈ、除湿セクション２１の面速が２．９ｍ／ｓ、再生温度が１３０℃ＤＢの場合の実施例について説明する。

前段の除湿ローター２０の実験結果から、図３に示されているように、再生条件（定格、下限再生風量比、下限再生温度）毎に、擬似パージセクションの領域２３の中心角度と除湿ローターの回転数と除湿セクションの面速との関係式が求められる。この関係式と、回転数と除湿面速の比の２．７６から、擬似パージセクションの領域２３の中心角度は、定格再生風量比で３２．０°、下限再生風量比で３５．０°、下限再生温度で３０．０°となる。その中で最小の角度である３０．０°を制御時の擬似パージセクションの領域２３の中心角度θ１とする。

なお、図３において、定格とは定格運転時の再生風量比と再生温度を含み、下限再生風量比とは省エネ制御運転時の最小の再生風量比を意味し、下限再生温度とは省エネ制御運転時の最小の再生温度を意味する。また、再生風量比は、再生セクション２２の風量Ｑ３を除湿セクション２１の風量Ｑ１で除した値を意味し、再生温度は、除湿ローター２０の再生セクション２２を通過する空気の入口温度Ｔ３を意味する。

上記したように第２の温度センサー２４の設置位置を擬似パージセクションの領域２３の中心角度以下で、低負荷条件と高負荷条件の間で温度差が大きい箇所とした上で、除湿ローター２０の入口の潜熱負荷を変動させ、乾球温度、露点温度、風量のデータを取得した。図４には、それらの結果から得た再生風量比（再生風量÷除湿風量）の制御式が示されている。

本制御システム１０では、除湿ローターの運転時に算出された顕熱エネルギー収支値と、その時の再生風量比から、運転点が決定される。例えば、測定された再生風量比および顕熱エネルギー収支値から図４中でａ点にプロットされたとすると、前段の除湿ローター２０の設定露点温度を−１８℃ＤＰとした時に、再生風量比がｂ点の位置に運転点が移動される。再生風量比の制御下限値以下より負荷が小さい場合には、図５に示されているように、再生温度による制御に切り替わり、負荷に応じてｃ点からｄ点に運転点が移動される。

このように、制御装置６０は、外気潜熱負荷に合わせて、可変風量装置（ＶＡＶ）５５や再生ヒーター５２を制御することで、前段の除湿ローター２０の再生エネルギー（再生風量比、再生温度）を制御する。

上記した本発明の実施の形態に係る除湿ローターの制御システム１０によれば、全外気方式の直列２段の除湿ローター２０，３０で構成した場合、前段の２分割ローターの再生エネルギーを潜熱負荷に合わせて最適に制御することで、ランニングコストを年間で約２５％削減することができる。

また、前段の除湿ローター２０を制御することにより、外気潜熱負荷の変動に早く応答できるため、ドライルームへ供給する空気の露点温度の制御性を向上させることができる。

さらに、露点計を用いずに、温度センサーと差圧計を用いて露点温度を推定するため、制御性及び応答速度を向上させることができる。また、露点計と比べてメンテナンス性に優れており、イニシャルコストも削減することができる。

なお、上記した本発明の実施の形態の説明では、本発明の実施の形態に係る除湿ローターの省エネ制御システムを、全外気方式の直列２段の除湿ローター２０，３０を備えたシステムに適用した場合について説明したが、これは単なる例示に過ぎず、本発明は、全外気方式以外の他のシステムや、２分割ローターが１段で設けられるシステムにも適用可能である。

また、上記した本発明の実施の形態の説明は、本発明に係る除湿ローターの省エネ制御システム及びその方法における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。さらに、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１０除湿ローターの省エネ制御システム
２０前段の除湿ローター
２１除湿セクション
２２再生セクション
２３擬似パージセクションの領域
２４第２の温度センサー
３０後段の除湿ローター
３１除湿セクション
３２再生セクション
３３パージセクション
６０制御装置

Claims

通過する処理空気から水分を吸着して該処理空気を除湿する除湿セクションと、通過する高温空気により加熱されて水分が脱着される再生セクションと、に分割された回転可能な除湿ローターの省エネ制御システムであって、
前記除湿ローターの回転方向において、前記再生セクションの下流側に隣接する前記除湿セクションの一部分であって、該再生セクションから所定の中心角度回転した領域を擬似パージセクションの領域に設定し、
前記再生セクションを通過する高温空気が損失した顕熱エネルギーと前記擬似パージセクションの領域を通過する低温空気が取得した顕熱エネルギーとの差分のエネルギーを前記除湿セクションを通過する処理空気の風量で除して得たエネルギー収支値に基づき、前記除湿ローターの再生風量比による制御と再生温度による制御とを切り替えて制御する制御装置を備えていることを特徴とする除湿ローターの省エネ制御システム。
前記擬似パージセクションの領域の出口温度を検出する温度センサーを備え、
前記温度センサーは、最大潜熱負荷時における前記除湿セクションの出口温度と最小潜熱負荷時における前記除湿セクションの出口温度との温度差が最大であって、前記除湿セクションの表面から５０ｍｍ以内且つ該除湿セクションに接触しない位置に設置される請求項１に記載の除湿ローターの省エネ制御システム。
通過する処理空気から水分を吸着して該処理空気を除湿する除湿セクションと、通過する高温空気により加熱されて水分が脱着される再生セクションと、に分割された回転可能な除湿ローターの省エネ制御方法であって、
前記除湿ローターの回転方向において、前記再生セクションの下流側に隣接する前記除湿セクションの一部分であって、該再生セクションから所定の中心角度回転した領域を擬似パージセクションの領域に設定し、
前記再生セクションを通過する高温空気が損失した顕熱エネルギーと前記擬似パージセクションの領域を通過する低温空気が取得した顕熱エネルギーとの差分のエネルギーを前記除湿セクションを通過する処理空気の風量で除して得たエネルギー収支値に基づき、前記除湿ローターの再生風量比による制御と再生温度による制御とを切り替えて制御することを特徴とする除湿ローターの省エネ制御方法。