JP2004116899A - ヒートポンプ式乾燥機 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷媒としてＣＯ２等の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた場合に、装置の大型化を抑制し、さらなる高効率化を実現するヒートポンプ方式の乾燥機を提供することを目的とする。
【解決手段】冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器の順に循環する構成のヒートポンプ装置を備え、放熱器で加熱された乾燥用空気を乾燥対象に導き、乾燥対象から水分を奪った乾燥用空気を蒸発器で冷却除湿した後、再び放熱器で加熱して乾燥用空気として再利用する構成を有し、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、放熱器に滴下あるいは噴霧する構成を有することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【選択図】 図１
【解決手段】冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器の順に循環する構成のヒートポンプ装置を備え、放熱器で加熱された乾燥用空気を乾燥対象に導き、乾燥対象から水分を奪った乾燥用空気を蒸発器で冷却除湿した後、再び放熱器で加熱して乾燥用空気として再利用する構成を有し、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、放熱器に滴下あるいは噴霧する構成を有することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衣類乾燥や浴室乾燥、あるいは室内除湿などに用いるヒートポンプ式乾燥機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
乾燥に必要な熱エネルギーを得る手段として、従来から一般的に用いられてきたのは電気ヒータであって、衣類乾燥機に適用されたものが知られている。しかし、電気ヒータによる加熱はエネルギー効率に劣ることは周知のところで、エネルギー利用の面で最も優れた手段としてヒートポンプを用いた乾燥機が望まれており、ヒートポンプ式乾燥機の家庭用衣類乾燥機への適用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ヒートポンプ式の家庭用衣類乾燥機の構成を、図１を用いて説明する。１は衣類乾燥機本体、２は本体１内にて回転自在に設けられた乾燥室として使用される回転ドラムで、モータ３によってドラムベルト４を介して駆動される。２２は乾燥用空気を回転ドラム２からフィルタ１１、回転ドラム側吸気口１０を通って循環ダクト１８へ送るための送風機でありモータ３によってファンベルト８を介して駆動される。２３は冷媒を蒸発させ乾燥用空気を冷却除湿する蒸発器で、２４は冷媒を凝縮させ乾燥用空気を加熱する凝縮器、２５は冷媒に圧力差を生じさせる圧縮機、２６は冷媒の圧力差を維持するためのキャピラリチューブ等の膨張機構、２７は冷媒が通る配管であり、２３〜２７でヒートポンプ装置を構成している。２８は凝縮器で加熱された乾燥用空気の一部を本体１外へ排出するための排気口である。尚、矢印Ｂは乾燥用空気の流れを示している。
【０００４】
次にその動作を説明する。まず乾燥すべき衣類２１を回転ドラム２内に置く。次にモータ３を回転させると回転ドラム２及び送風機２２が回転し乾燥用空気の流れＢが生じる。乾燥用空気は回転ドラム２内の衣類２１から水分を奪った結果、多湿となった後、送風機２２により循環ダクト１８内を通ってヒートポンプ装置の蒸発器２３へ運ばれる。蒸発器２３に熱を奪われた乾燥用空気は除湿され、更に凝縮器２４へ運ばれ加熱された後、再び回転ドラム２内へ循環される。１９は循環ダクト１８の途中に設けた排水口であり、蒸発器２３で除湿されて生じたドレン水を排出する。以上の結果、衣類２１は乾燥していくしくみである。
【０００５】
ここでヒートポンプ装置における冷媒の冷凍サイクルを考えると、凝縮器２４から乾燥用空気へ放出する熱量は、蒸発器２３にて乾燥用空気から吸上げる熱量に、圧縮機２５の消費電気エネルギーに相当する熱量を加えた熱量であるため、一般的に凝縮器２４のサイズは蒸発器２３のサイズより大きく構成していた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１７８２８９号公報（第５頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のヒートポンプ方式の乾燥機では、電気ヒータによる加熱をヒートポンプによる加熱とすることで、必要な電気エネルギーを削減できるが、少なくとも冷凍サイクルを構成する圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器を設けることが必須要件であり、電気ヒータを用いた乾燥機に比して構成要素が多く、装置が大型化する課題があった。特に、凝縮機のサイズを蒸発器よりも著しく大きくする必要があり、ヒートポンプ式乾燥機の大きさが増大する要因になっていた。
【０００８】
また、ヒートポンプ装置の冷媒として従来使われてきたＨＣＦＣ冷媒（分子中に塩素、水素、フッ素、炭素の各原子を含む）や、ＨＦＣ冷媒（分子中に水素、フッ素、炭素の各原子を含む）が、オゾン層破壊あるいは地球温暖化に直接的に影響するとして、これらの代替として自然界に存在する炭化水素や二酸化炭素（以下ＣＯ２と記す）などの自然冷媒への転換が提案されている。
【０００９】
したがって、オゾン層破壊あるいは地球温暖化に直接的に影響しないＣＯ２などの自然冷媒を用いて、さらに地球温暖化への間接的な影響を小さくするための省エネルギー化を実現しなければならない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、冷媒としてＣＯ２等の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた場合に、装置の大型化を抑制し、さらなる高効率化を実現するヒートポンプ方式の乾燥機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器の順に循環する構成のヒートポンプ装置を備え、放熱器で加熱された乾燥用空気を乾燥対象に導き、乾燥対象から水分を奪った乾燥用空気を蒸発器で冷却除湿した後、再び放熱器で加熱して乾燥用空気として再利用する構成を有し、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、放熱器に滴下あるいは噴霧する構成を有することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１２】
また、本発明は、蒸発器および放熱器は伝熱管とフィンから構成され、蒸発器を上部に、放熱器を下部に設置し、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を重力および風力などにより、放熱器に滴下することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１３】
また、本発明は、蒸発器を構成するフィンの重力方向下端面に凹凸を設けたことを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１４】
また、本発明は、蒸発器を構成するフィンが、フィン基材を折り曲げたコルゲート状フィンであることを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１５】
また、本発明は、蒸発器および放熱器は伝熱管とフィンから構成され、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、ポンプで汲み上げ放熱器に噴霧する機構を備えたことを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１６】
また、本発明は、冷媒として、ヒートポンプ装置の高圧側で超臨界状態となりうる二酸化炭素などの冷媒を用いることを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の構成図である。図１において、３１は圧縮機、３２は放熱器、３３は膨張弁（膨張機構）、３４は蒸発器であり、これらを順に配管接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成し、冷媒として放熱側（圧縮機３１吐出部〜放熱器３２〜減圧器３３入口部）で超臨界状態となりうる冷媒、例えばＣＯ２冷媒が封入されている。また、３６は乾燥対象（例えば衣類、浴室空間など）、３７は送風ファン、３８は乾燥用空気の粗熱取り熱交換器、３９は粗熱取り熱交換器用の送風ファン、４０はドレン水受けである。そして、蒸発器３４を放熱器３２の風上側で、しかも重力方向に上部に設置している。図１中の実線矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は乾燥用空気の流れを、また斜線矢印は外気の流れを表す。
【００１９】
次にその動作について説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器３２で蒸発器３４を出た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を加熱することにより冷媒は冷却されて、膨張機構３で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器３４で乾燥対象３６を経た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却して乾燥用空気に含まれた水分を凝縮、除湿することにより冷媒は加熱されて、再び圧縮機３１に吸入される。したがって、乾燥用空気は蒸発器３４で冷却除湿された後に放熱器３２で加熱されて高温低湿となり、送風ファン３７によって乾燥対象３６に強制的に接触させられた際に、乾燥対象３６から水分を奪って多湿状態となり、粗熱取り熱交換器３８で外気と熱交換して温度を低下させた後、さらに蒸発器３４で再び冷却除湿される。
【００２０】
以上のような動作を繰り返すことにより、乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作を行うことができる。
【００２１】
本実施の形態では、蒸発器３４で乾燥対象３６を経た多湿の乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却し、乾燥用空気に含まれた水分を蒸発器３４のフィン表面に凝縮させ、その結果生じるドレン水を、重力および送風によるせん断力を利用して、放熱器３２に滴下する構成としたことにより、放熱器３２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われることになり、伝熱が促進される。その結果、放熱器３２での熱交換量が増大し、放熱器３２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器３２の大きさを蒸発器３４と同等に小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００２２】
また、放熱器３２での熱伝達が促進されることから、放熱器３２出口での冷媒温度が低下して蒸発器３４での冷却能力が増大し、さらに省エネルギーとなる。
【００２３】
また、冷媒として地球環境への悪影響が少ない自然冷媒の中から、ヒートポンプ装置の放熱側で超臨界状態となるＣＯ２冷媒を用いた場合には、遷臨界冷凍サイクルとなるため、放熱器３２出口での冷媒温度が低下することにより、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も生じ、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００２４】
さらに、ＣＯ２冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルとしたため、従来のＨＦＣ冷媒を用いた亜臨界冷凍サイクルの場合と比較して、放熱器３２で高温のＣＯ２冷媒と乾燥用空気が熱交換する熱交換効率を高くすることができ、乾燥用空気を高温に昇温することが可能となる。したがって、乾燥対象３６から水分を奪う能力が増大し、短時間で乾燥を行うことが可能となる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、膨張弁を膨張機構に用いたが、キャピラリチューブを用いても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００２６】
また、本実施の形態では、放熱側で超臨界状態となるＣＯ２冷媒を用いたが、従来のＨＦＣ冷媒を用いた場合にも、蒸発器で生じるドレン水を放熱器に滴下させることにより、同様に放熱器での熱交換量が増大し、放熱器の大きさを小型化することが可能となり、ヒートポンプ装置の小型化を図ることができる。
【００２７】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の構成図、図３は本発明の第２の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の蒸発器を構成するフィンの要部拡大図である。図２において、図１と共通の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。３１は圧縮機、４２は放熱器、３３は膨張弁（膨張機構）、４４は蒸発器であり、これらを順に配管接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成し、冷媒として放熱側で超臨界状態となりうるＣＯ２冷媒が封入されている。第１の実施の形態と異なるのは、蒸発器４４および放熱器４２を傾斜して設置し、かつ蒸発器４４を構成するフィン４５の重力方向下端面に凹凸４６を形成した点である。蒸発器４４を放熱器４２の風上側で、しかも重力方向に上部に設置している点は同様である。また、図２中の実線矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は乾燥用空気の流れを、また斜線矢印は外気の流れを表す。
【００２９】
次にその動作について説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器４２で蒸発器４４を出た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を加熱することにより冷媒は冷却されて、膨張機構３で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器４４で乾燥対象３６を経た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却して乾燥用空気に含まれた水分を凝縮、除湿することにより冷媒は加熱されて、再び圧縮機３１に吸入される。したがって、乾燥用空気は蒸発器４４で冷却除湿された後に放熱器４２で加熱されて高温低湿となり、送風ファン３７によって乾燥対象３６に強制的に接触させられた際に、乾燥対象３６から水分を奪って多湿状態となり、粗熱取り熱交換器３８で外気と熱交換して温度を低下させた後、さらに蒸発器４４で再び冷却除湿される。
【００３０】
以上のような動作を繰り返すことにより、乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作を行うことができる。
【００３１】
本実施の形態では、蒸発器４４および放熱器４２を傾斜して設置しているため、熱交換器の設置スペースを削減し、ヒートポンプ式乾燥機の小型化が可能となる。また、フィン４５の重力方向下端面に凹凸４６（凸部４６ａ）を形成しているため、蒸発器３４のフィン４５表面で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水が凸部４６ａに集約し、液滴４７を形成する。その液滴４７は成長して、重力および送風によるせん断力を利用して、放熱器４２に滴下する。このように、ドレン水が凸部４６ａに集約し、液滴を形成するため、液滴４７の形成場所の不安定性がなくなる。この液滴４７が形成される凸部４６ａを蒸発器３４全面にわたって均一に形成すれば、液滴４７は放熱器４２に均一に滴下するため、放熱器４２全面で均一にドレン水の液膜が形成される。そして、放熱器３２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われ伝熱が促進されることになる。その結果、放熱器４２での熱交換量が増大し、放熱器４２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器４２の大きさを一層小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００３２】
また、放熱器４２での熱伝達が促進されることから、放熱器４２出口での冷媒温度が低下して蒸発器４４での冷却能力が増大し、省エネルギーとなる。さらに、放熱側が超臨界状態となる遷臨界冷凍サイクルとなるため、放熱器４２出口での冷媒温度が低下することから、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も生じ、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００３３】
次に、他の実施形態におけるヒートポンプ式乾燥機の蒸発器を構成するフィンの断面図および平面図を図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。図４に示すように、蒸発器を構成するフィン５５に、折り曲げ部５６を設けたコルゲート状フィンを用いている。折り曲げ部５５の稜線方向は、概略重力方向である。このように、フィン５５の重力方向に折り曲げ部５６を形成しているため、蒸発器４４のフィン５５表面で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水が折り曲げ部５６の谷部５７に集約し、液滴４７を形成する。その液滴４７は成長して、重力および送風によるせん断力を利用して、放熱器４２に滴下する。このように、ドレン水が谷部５７に集約し液滴４７を形成するため、液滴４７の形成場所の不安定性がなくなる。この液滴４７が形成される谷部５７を蒸発器４４全面にわたって均一に形成すれば、液滴４７は放熱器４２に均一に滴下するため、放熱器４２全面で均一にドレン水の液膜が形成される。そして、放熱器３２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われ伝熱が促進されることになる。その結果、放熱器４２での熱交換量が増大し、放熱器４２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器４２の大きさを一層小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００３４】
また本実施の形態では、フィンの重力方向下端面に凹凸を形成する場合に比べて、フィンの伝熱面積を著しく拡大することが可能であるため、蒸発器４４の伝熱性能を著しく向上させることが可能となる。この結果、乾燥用空気の除湿能力が向上するとともに、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も有しているので、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００３５】
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図５は、本発明の第３の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の構成図である。図５において、図１と共通の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。３１は圧縮機、６２は放熱器、３３は膨張弁（膨張機構）、６４は蒸発器であり、これらを順に配管接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成し、冷媒として放熱側で超臨界状態となりうるＣＯ２冷媒が封入されている。第１の実施の形態と異なるのは、蒸発器６４で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水をドレン水受け６５で受け、ドレン水受け６５に貯められたドレン水をポンプ６６で汲み上げ、噴霧機構６７を設けて放熱器６２にドレン水を噴霧する点である。
【００３７】
図５中の実線矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は乾燥用空気の流れを、また斜線矢印は外気の流れを表す。乾燥用空気は、乾燥対象３６の下方から蒸発器６４、放熱器６２の順に流れる構成とした。すなわち、蒸発器６４を放熱器６２の風上側で、放熱器６２の下方に設置した。
【００３８】
次にその動作について説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器６２で蒸発器６４を出た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を加熱することにより冷媒は冷却されて、膨張機構３３で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器６４で乾燥対象３６を経た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却して乾燥用空気に含まれた水分を凝縮、除湿することにより冷媒は加熱されて、再び圧縮機３１に吸入される。したがって、乾燥用空気は蒸発器６４で冷却除湿された後に放熱器４２で加熱されて高温低湿となり、送風ファン３７によって乾燥対象３６に強制的に接触させられた際に、乾燥対象３６から水分を奪って多湿状態となり、粗熱取り熱交換器３８で外気と熱交換して温度を低下させた後、さらに蒸発器６４で再び冷却除湿される。
【００３９】
以上のような動作を繰り返すことにより、乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作を行うことができる。
【００４０】
本実施の形態では、蒸発器６４で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水をドレン水受け６５で受け、ドレン水受け６５に貯められたドレン水をポンプ６６で汲み上げ、噴霧機構６７を用いて放熱器６２に噴霧する構成であるため、安定して一定量のドレン水を放熱器６２全面にわたり均一に噴霧することが可能となる。このため、放熱器６２全面で均一にドレン水の液膜が形成される。そして、放熱器６２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行なわれ、伝熱が促進されることになる。その結果、放熱器６２での熱交換量が増大し、放熱器６２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器６２の大きさを一層小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００４１】
また、放熱器６２での熱伝達が促進されることから、放熱器６２出口での冷媒温度が低下して蒸発器６４での冷却能力が増大し、省エネルギーとなる。さらに、放熱側で超臨界状態となる遷臨界冷凍サイクルとなるため、放熱器６２出口での冷媒温度が低下することから、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も有しているので、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、蒸発器６４で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水をポンプ６６で放熱器６２に供給したが、ドレン水でなく外部からの供給水を用いても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４３】
また、乾燥用空気を乾燥対象３６に対して強制的に上方から下方に流し両者を接触させ、乾燥対象３６から水分を奪って乾燥させ、乾燥対象３６の下方からヒートポンプ乾燥機に流す構成であるため、縦型の乾燥機付き洗濯機にヒートポンプ乾燥機を適応しやすいという特徴も有する。
【００４４】
なお、本実施例では、乾燥用空気を乾燥対象３６に対して強制的に上方から下方に流す構成を説明したが、この構成に限るものではなく、第１の実施例および第２の実施例と同様に乾燥用空気を乾燥対象３６に対して強制的に下方から上方に流す構成であっても、蒸発器６４で凝縮生成したドレン水をポンプ６６で放熱器６２に供給した場合、同じ効果を有することは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明によれば、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、放熱器に滴下あるいは噴霧する構成としたため、放熱器では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われることになり、その結果、放熱器での熱交換量が増大し、放熱器内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器を小型化し、ヒートポンプ乾燥機の小型化を図ることができる。また、放熱器での熱伝達が促進されることから、冷媒としてＣＯ２等の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた場合に、放熱器出口での冷媒温度が低下すること、および蒸発器の冷却能力が増大することから、さらに高効率なヒートポンプ方式の乾燥機を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図
【図３】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図の蒸発器を構成するフィンの要部拡大図
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図の蒸発器を構成する他のフィンの要部断面図
（ｂ）は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図の蒸発器を構成する他のフィンの要部拡大図
【図５】本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図
【図６】従来のヒートポンプ式乾燥機の構成図
【符号の説明】
３１ 圧縮機
３２，４２，６２ 放熱器
３３ 膨張弁
３４，４４，６４ 蒸発器
３６ 乾燥対象
３７ 送風ファン
３８ 乾燥用空気の粗熱取り熱交換器
３９ 粗熱取り熱交換器用の送風ファン
４０，６５ ドレン水受け
４５，５５ フィン
４６ 凹凸
４６ａ 凸部
４７ 液滴
５６ 折り曲げ部
５７ 谷部
６６ ポンプ
６７ 噴霧機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、衣類乾燥や浴室乾燥、あるいは室内除湿などに用いるヒートポンプ式乾燥機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
乾燥に必要な熱エネルギーを得る手段として、従来から一般的に用いられてきたのは電気ヒータであって、衣類乾燥機に適用されたものが知られている。しかし、電気ヒータによる加熱はエネルギー効率に劣ることは周知のところで、エネルギー利用の面で最も優れた手段としてヒートポンプを用いた乾燥機が望まれており、ヒートポンプ式乾燥機の家庭用衣類乾燥機への適用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ヒートポンプ式の家庭用衣類乾燥機の構成を、図１を用いて説明する。１は衣類乾燥機本体、２は本体１内にて回転自在に設けられた乾燥室として使用される回転ドラムで、モータ３によってドラムベルト４を介して駆動される。２２は乾燥用空気を回転ドラム２からフィルタ１１、回転ドラム側吸気口１０を通って循環ダクト１８へ送るための送風機でありモータ３によってファンベルト８を介して駆動される。２３は冷媒を蒸発させ乾燥用空気を冷却除湿する蒸発器で、２４は冷媒を凝縮させ乾燥用空気を加熱する凝縮器、２５は冷媒に圧力差を生じさせる圧縮機、２６は冷媒の圧力差を維持するためのキャピラリチューブ等の膨張機構、２７は冷媒が通る配管であり、２３〜２７でヒートポンプ装置を構成している。２８は凝縮器で加熱された乾燥用空気の一部を本体１外へ排出するための排気口である。尚、矢印Ｂは乾燥用空気の流れを示している。
【０００４】
次にその動作を説明する。まず乾燥すべき衣類２１を回転ドラム２内に置く。次にモータ３を回転させると回転ドラム２及び送風機２２が回転し乾燥用空気の流れＢが生じる。乾燥用空気は回転ドラム２内の衣類２１から水分を奪った結果、多湿となった後、送風機２２により循環ダクト１８内を通ってヒートポンプ装置の蒸発器２３へ運ばれる。蒸発器２３に熱を奪われた乾燥用空気は除湿され、更に凝縮器２４へ運ばれ加熱された後、再び回転ドラム２内へ循環される。１９は循環ダクト１８の途中に設けた排水口であり、蒸発器２３で除湿されて生じたドレン水を排出する。以上の結果、衣類２１は乾燥していくしくみである。
【０００５】
ここでヒートポンプ装置における冷媒の冷凍サイクルを考えると、凝縮器２４から乾燥用空気へ放出する熱量は、蒸発器２３にて乾燥用空気から吸上げる熱量に、圧縮機２５の消費電気エネルギーに相当する熱量を加えた熱量であるため、一般的に凝縮器２４のサイズは蒸発器２３のサイズより大きく構成していた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１７８２８９号公報（第５頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のヒートポンプ方式の乾燥機では、電気ヒータによる加熱をヒートポンプによる加熱とすることで、必要な電気エネルギーを削減できるが、少なくとも冷凍サイクルを構成する圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器を設けることが必須要件であり、電気ヒータを用いた乾燥機に比して構成要素が多く、装置が大型化する課題があった。特に、凝縮機のサイズを蒸発器よりも著しく大きくする必要があり、ヒートポンプ式乾燥機の大きさが増大する要因になっていた。
【０００８】
また、ヒートポンプ装置の冷媒として従来使われてきたＨＣＦＣ冷媒（分子中に塩素、水素、フッ素、炭素の各原子を含む）や、ＨＦＣ冷媒（分子中に水素、フッ素、炭素の各原子を含む）が、オゾン層破壊あるいは地球温暖化に直接的に影響するとして、これらの代替として自然界に存在する炭化水素や二酸化炭素（以下ＣＯ２と記す）などの自然冷媒への転換が提案されている。
【０００９】
したがって、オゾン層破壊あるいは地球温暖化に直接的に影響しないＣＯ２などの自然冷媒を用いて、さらに地球温暖化への間接的な影響を小さくするための省エネルギー化を実現しなければならない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、冷媒としてＣＯ２等の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた場合に、装置の大型化を抑制し、さらなる高効率化を実現するヒートポンプ方式の乾燥機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器の順に循環する構成のヒートポンプ装置を備え、放熱器で加熱された乾燥用空気を乾燥対象に導き、乾燥対象から水分を奪った乾燥用空気を蒸発器で冷却除湿した後、再び放熱器で加熱して乾燥用空気として再利用する構成を有し、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、放熱器に滴下あるいは噴霧する構成を有することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１２】
また、本発明は、蒸発器および放熱器は伝熱管とフィンから構成され、蒸発器を上部に、放熱器を下部に設置し、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を重力および風力などにより、放熱器に滴下することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１３】
また、本発明は、蒸発器を構成するフィンの重力方向下端面に凹凸を設けたことを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１４】
また、本発明は、蒸発器を構成するフィンが、フィン基材を折り曲げたコルゲート状フィンであることを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１５】
また、本発明は、蒸発器および放熱器は伝熱管とフィンから構成され、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、ポンプで汲み上げ放熱器に噴霧する機構を備えたことを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１６】
また、本発明は、冷媒として、ヒートポンプ装置の高圧側で超臨界状態となりうる二酸化炭素などの冷媒を用いることを特徴とするヒートポンプ式乾燥機である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の構成図である。図１において、３１は圧縮機、３２は放熱器、３３は膨張弁（膨張機構）、３４は蒸発器であり、これらを順に配管接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成し、冷媒として放熱側（圧縮機３１吐出部〜放熱器３２〜減圧器３３入口部）で超臨界状態となりうる冷媒、例えばＣＯ２冷媒が封入されている。また、３６は乾燥対象（例えば衣類、浴室空間など）、３７は送風ファン、３８は乾燥用空気の粗熱取り熱交換器、３９は粗熱取り熱交換器用の送風ファン、４０はドレン水受けである。そして、蒸発器３４を放熱器３２の風上側で、しかも重力方向に上部に設置している。図１中の実線矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は乾燥用空気の流れを、また斜線矢印は外気の流れを表す。
【００１９】
次にその動作について説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器３２で蒸発器３４を出た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を加熱することにより冷媒は冷却されて、膨張機構３で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器３４で乾燥対象３６を経た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却して乾燥用空気に含まれた水分を凝縮、除湿することにより冷媒は加熱されて、再び圧縮機３１に吸入される。したがって、乾燥用空気は蒸発器３４で冷却除湿された後に放熱器３２で加熱されて高温低湿となり、送風ファン３７によって乾燥対象３６に強制的に接触させられた際に、乾燥対象３６から水分を奪って多湿状態となり、粗熱取り熱交換器３８で外気と熱交換して温度を低下させた後、さらに蒸発器３４で再び冷却除湿される。
【００２０】
以上のような動作を繰り返すことにより、乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作を行うことができる。
【００２１】
本実施の形態では、蒸発器３４で乾燥対象３６を経た多湿の乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却し、乾燥用空気に含まれた水分を蒸発器３４のフィン表面に凝縮させ、その結果生じるドレン水を、重力および送風によるせん断力を利用して、放熱器３２に滴下する構成としたことにより、放熱器３２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われることになり、伝熱が促進される。その結果、放熱器３２での熱交換量が増大し、放熱器３２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器３２の大きさを蒸発器３４と同等に小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００２２】
また、放熱器３２での熱伝達が促進されることから、放熱器３２出口での冷媒温度が低下して蒸発器３４での冷却能力が増大し、さらに省エネルギーとなる。
【００２３】
また、冷媒として地球環境への悪影響が少ない自然冷媒の中から、ヒートポンプ装置の放熱側で超臨界状態となるＣＯ２冷媒を用いた場合には、遷臨界冷凍サイクルとなるため、放熱器３２出口での冷媒温度が低下することにより、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も生じ、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００２４】
さらに、ＣＯ２冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルとしたため、従来のＨＦＣ冷媒を用いた亜臨界冷凍サイクルの場合と比較して、放熱器３２で高温のＣＯ２冷媒と乾燥用空気が熱交換する熱交換効率を高くすることができ、乾燥用空気を高温に昇温することが可能となる。したがって、乾燥対象３６から水分を奪う能力が増大し、短時間で乾燥を行うことが可能となる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、膨張弁を膨張機構に用いたが、キャピラリチューブを用いても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００２６】
また、本実施の形態では、放熱側で超臨界状態となるＣＯ２冷媒を用いたが、従来のＨＦＣ冷媒を用いた場合にも、蒸発器で生じるドレン水を放熱器に滴下させることにより、同様に放熱器での熱交換量が増大し、放熱器の大きさを小型化することが可能となり、ヒートポンプ装置の小型化を図ることができる。
【００２７】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の構成図、図３は本発明の第２の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の蒸発器を構成するフィンの要部拡大図である。図２において、図１と共通の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。３１は圧縮機、４２は放熱器、３３は膨張弁（膨張機構）、４４は蒸発器であり、これらを順に配管接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成し、冷媒として放熱側で超臨界状態となりうるＣＯ２冷媒が封入されている。第１の実施の形態と異なるのは、蒸発器４４および放熱器４２を傾斜して設置し、かつ蒸発器４４を構成するフィン４５の重力方向下端面に凹凸４６を形成した点である。蒸発器４４を放熱器４２の風上側で、しかも重力方向に上部に設置している点は同様である。また、図２中の実線矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は乾燥用空気の流れを、また斜線矢印は外気の流れを表す。
【００２９】
次にその動作について説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器４２で蒸発器４４を出た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を加熱することにより冷媒は冷却されて、膨張機構３で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器４４で乾燥対象３６を経た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却して乾燥用空気に含まれた水分を凝縮、除湿することにより冷媒は加熱されて、再び圧縮機３１に吸入される。したがって、乾燥用空気は蒸発器４４で冷却除湿された後に放熱器４２で加熱されて高温低湿となり、送風ファン３７によって乾燥対象３６に強制的に接触させられた際に、乾燥対象３６から水分を奪って多湿状態となり、粗熱取り熱交換器３８で外気と熱交換して温度を低下させた後、さらに蒸発器４４で再び冷却除湿される。
【００３０】
以上のような動作を繰り返すことにより、乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作を行うことができる。
【００３１】
本実施の形態では、蒸発器４４および放熱器４２を傾斜して設置しているため、熱交換器の設置スペースを削減し、ヒートポンプ式乾燥機の小型化が可能となる。また、フィン４５の重力方向下端面に凹凸４６（凸部４６ａ）を形成しているため、蒸発器３４のフィン４５表面で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水が凸部４６ａに集約し、液滴４７を形成する。その液滴４７は成長して、重力および送風によるせん断力を利用して、放熱器４２に滴下する。このように、ドレン水が凸部４６ａに集約し、液滴を形成するため、液滴４７の形成場所の不安定性がなくなる。この液滴４７が形成される凸部４６ａを蒸発器３４全面にわたって均一に形成すれば、液滴４７は放熱器４２に均一に滴下するため、放熱器４２全面で均一にドレン水の液膜が形成される。そして、放熱器３２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われ伝熱が促進されることになる。その結果、放熱器４２での熱交換量が増大し、放熱器４２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器４２の大きさを一層小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００３２】
また、放熱器４２での熱伝達が促進されることから、放熱器４２出口での冷媒温度が低下して蒸発器４４での冷却能力が増大し、省エネルギーとなる。さらに、放熱側が超臨界状態となる遷臨界冷凍サイクルとなるため、放熱器４２出口での冷媒温度が低下することから、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も生じ、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００３３】
次に、他の実施形態におけるヒートポンプ式乾燥機の蒸発器を構成するフィンの断面図および平面図を図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。図４に示すように、蒸発器を構成するフィン５５に、折り曲げ部５６を設けたコルゲート状フィンを用いている。折り曲げ部５５の稜線方向は、概略重力方向である。このように、フィン５５の重力方向に折り曲げ部５６を形成しているため、蒸発器４４のフィン５５表面で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水が折り曲げ部５６の谷部５７に集約し、液滴４７を形成する。その液滴４７は成長して、重力および送風によるせん断力を利用して、放熱器４２に滴下する。このように、ドレン水が谷部５７に集約し液滴４７を形成するため、液滴４７の形成場所の不安定性がなくなる。この液滴４７が形成される谷部５７を蒸発器４４全面にわたって均一に形成すれば、液滴４７は放熱器４２に均一に滴下するため、放熱器４２全面で均一にドレン水の液膜が形成される。そして、放熱器３２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われ伝熱が促進されることになる。その結果、放熱器４２での熱交換量が増大し、放熱器４２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器４２の大きさを一層小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００３４】
また本実施の形態では、フィンの重力方向下端面に凹凸を形成する場合に比べて、フィンの伝熱面積を著しく拡大することが可能であるため、蒸発器４４の伝熱性能を著しく向上させることが可能となる。この結果、乾燥用空気の除湿能力が向上するとともに、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も有しているので、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００３５】
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図５は、本発明の第３の実施の形態であるヒートポンプ式乾燥機の構成図である。図５において、図１と共通の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。３１は圧縮機、６２は放熱器、３３は膨張弁（膨張機構）、６４は蒸発器であり、これらを順に配管接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成し、冷媒として放熱側で超臨界状態となりうるＣＯ２冷媒が封入されている。第１の実施の形態と異なるのは、蒸発器６４で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水をドレン水受け６５で受け、ドレン水受け６５に貯められたドレン水をポンプ６６で汲み上げ、噴霧機構６７を設けて放熱器６２にドレン水を噴霧する点である。
【００３７】
図５中の実線矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は乾燥用空気の流れを、また斜線矢印は外気の流れを表す。乾燥用空気は、乾燥対象３６の下方から蒸発器６４、放熱器６２の順に流れる構成とした。すなわち、蒸発器６４を放熱器６２の風上側で、放熱器６２の下方に設置した。
【００３８】
次にその動作について説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器６２で蒸発器６４を出た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を加熱することにより冷媒は冷却されて、膨張機構３３で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器６４で乾燥対象３６を経た乾燥用空気と熱交換して、乾燥用空気を冷却して乾燥用空気に含まれた水分を凝縮、除湿することにより冷媒は加熱されて、再び圧縮機３１に吸入される。したがって、乾燥用空気は蒸発器６４で冷却除湿された後に放熱器４２で加熱されて高温低湿となり、送風ファン３７によって乾燥対象３６に強制的に接触させられた際に、乾燥対象３６から水分を奪って多湿状態となり、粗熱取り熱交換器３８で外気と熱交換して温度を低下させた後、さらに蒸発器６４で再び冷却除湿される。
【００３９】
以上のような動作を繰り返すことにより、乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作を行うことができる。
【００４０】
本実施の形態では、蒸発器６４で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水をドレン水受け６５で受け、ドレン水受け６５に貯められたドレン水をポンプ６６で汲み上げ、噴霧機構６７を用いて放熱器６２に噴霧する構成であるため、安定して一定量のドレン水を放熱器６２全面にわたり均一に噴霧することが可能となる。このため、放熱器６２全面で均一にドレン水の液膜が形成される。そして、放熱器６２では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行なわれ、伝熱が促進されることになる。その結果、放熱器６２での熱交換量が増大し、放熱器６２内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器６２の大きさを一層小型化することが可能となる。したがって、ヒートポンプ装置を小型化を図ることができる。
【００４１】
また、放熱器６２での熱伝達が促進されることから、放熱器６２出口での冷媒温度が低下して蒸発器６４での冷却能力が増大し、省エネルギーとなる。さらに、放熱側で超臨界状態となる遷臨界冷凍サイクルとなるため、放熱器６２出口での冷媒温度が低下することから、冷凍サイクルＣＯＰを大きく向上できる効果も有しているので、さらに省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、蒸発器６４で乾燥用空気が除湿されて凝縮生成したドレン水をポンプ６６で放熱器６２に供給したが、ドレン水でなく外部からの供給水を用いても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４３】
また、乾燥用空気を乾燥対象３６に対して強制的に上方から下方に流し両者を接触させ、乾燥対象３６から水分を奪って乾燥させ、乾燥対象３６の下方からヒートポンプ乾燥機に流す構成であるため、縦型の乾燥機付き洗濯機にヒートポンプ乾燥機を適応しやすいという特徴も有する。
【００４４】
なお、本実施例では、乾燥用空気を乾燥対象３６に対して強制的に上方から下方に流す構成を説明したが、この構成に限るものではなく、第１の実施例および第２の実施例と同様に乾燥用空気を乾燥対象３６に対して強制的に下方から上方に流す構成であっても、蒸発器６４で凝縮生成したドレン水をポンプ６６で放熱器６２に供給した場合、同じ効果を有することは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明によれば、蒸発器で乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、放熱器に滴下あるいは噴霧する構成としたため、放熱器では乾燥用空気との顕熱交換およびドレン水との潜熱交換が行われることになり、その結果、放熱器での熱交換量が増大し、放熱器内を流れる冷媒との熱伝達が促進されることから、放熱器を小型化し、ヒートポンプ乾燥機の小型化を図ることができる。また、放熱器での熱伝達が促進されることから、冷媒としてＣＯ２等の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を用いた場合に、放熱器出口での冷媒温度が低下すること、および蒸発器の冷却能力が増大することから、さらに高効率なヒートポンプ方式の乾燥機を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図
【図３】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図の蒸発器を構成するフィンの要部拡大図
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図の蒸発器を構成する他のフィンの要部断面図
（ｂ）は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図の蒸発器を構成する他のフィンの要部拡大図
【図５】本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ式乾燥機の構成図
【図６】従来のヒートポンプ式乾燥機の構成図
【符号の説明】
３１ 圧縮機
３２，４２，６２ 放熱器
３３ 膨張弁
３４，４４，６４ 蒸発器
３６ 乾燥対象
３７ 送風ファン
３８ 乾燥用空気の粗熱取り熱交換器
３９ 粗熱取り熱交換器用の送風ファン
４０，６５ ドレン水受け
４５，５５ フィン
４６ 凹凸
４６ａ 凸部
４７ 液滴
５６ 折り曲げ部
５７ 谷部
６６ ポンプ
６７ 噴霧機構
Claims (6)
- 冷媒が、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器の順に循環する構成のヒートポンプ装置を備え、前記放熱器で加熱された乾燥用空気を乾燥対象に導き、前記乾燥対象から水分を奪った前記乾燥用空気を前記蒸発器で冷却除湿した後、再び前記放熱器で加熱して前記乾燥用空気として再利用する構成を有し、前記蒸発器で前記乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、前記放熱器に滴下あるいは噴霧する構成を有することを特徴とするヒートポンプ式乾燥機。
- 前記蒸発器および前記放熱器は伝熱管とフィンから構成され、前記蒸発器を上部に、前記放熱器を下部に設置し、前記蒸発器で前記乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を重力および風力などにより、前記放熱器に滴下させることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式乾燥機。
- 前記蒸発器を構成するフィンの重力方向下端面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式乾燥機。
- 前記蒸発器を構成するフィンが、フィン基材を折り曲げたコルゲート状フィンであることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式乾燥機。
- 前記蒸発器および前記放熱器は伝熱管とフィンから構成され、前記蒸発器で前記乾燥用空気が除湿されて発生するドレン水を、ポンプで汲み上げ前記放熱器に噴霧する機構を備えたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式乾燥機。
- 前記冷媒として、前記ヒートポンプ装置の高圧側で超臨界状態となりうる二酸化炭素などの冷媒を用いることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のヒートポンプ式乾燥機。
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