JP4575463B2 - 乾燥装置 - Google Patents

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Description

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乾燥装置に関する。
従来の乾燥装置としては、ヒートポンプを熱源として用い、乾燥用空気を循環させる衣類乾燥機がある（例えば特許文献１参照）。図１１は、特許文献１に記載された従来の乾燥装置を示す構成図である。
図１１に示す衣類乾燥機は、回転ドラム２が乾燥室として使用される。この回転ドラム２は、衣類乾燥機本体１内にて回転自在に設けられ、モータ３によってドラムベルト４を介して駆動される。また、送風機２２は、モータ３によってファンベルト８を介して駆動される。乾燥用空気は、送風機２２によって回転ドラム２からフィルタ１１と回転ドラム側吸気口１０とを通過して循環ダクト１８に送られる。
また、ヒートポンプ装置は、冷媒を蒸発させて乾燥用空気を除湿する蒸発器２３と、冷媒を凝縮させて乾燥用空気を加熱する凝縮器２４と、冷媒に圧力差を生じさせる圧縮機２５と、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２６と、冷媒が通る配管２７とで構成されている。なお、排気口２８は凝縮器２４で加熱された乾燥用空気の一部を本体１外へ排出する。矢印Ｂは乾燥用空気の流れを示している。
次に図１１に示す衣類乾燥機の動作を説明する。まず乾燥すべき衣類２１を回転ドラム２内に入れる。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が回転して乾燥用空気の流れＢが生じる。乾燥用空気は、回転ドラム２内の衣類２１から水分を奪って多湿となった後、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へ運ばれて加熱された後、再び回転ドラム２内に導かれる。排水口１９は、循環ダクト１８の途中に設けてあり、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は乾燥される。
特開平７−１７８２８９号公報
しかしながら、図１１に示す衣類乾燥機では、乾燥過程において変化するスーパーヒートを制御することができない。
ここで、乾燥が進行するに従って、スーパーヒートが変化する要因について説明する。一般的に温風を用いて、固体を乾燥する場合、乾燥が進行するにつれ、乾燥対象表面の含水率低下により乾燥速度が低下する。つまり、乾燥が進行すれば、乾燥対象を通過後の乾燥用空気中に含まれる水分量が低下し、蒸発器の吸い込み空気の絶対湿度が低下する。これにより、蒸発器における水の凝縮による吸熱量が低下し、スーパーヒートが減少する。スーパーヒートがゼロになれば、圧縮機吸入冷媒が気液二相状態となる。従って、圧縮機が液圧縮を行うことにより、圧縮機が損傷する危険が生じる。
また、スーパーヒート（ＳＨ）とヒートポンプ性能（ＣＯＰ＝加熱能力／圧縮機入力）の間には図９のような関係があり、最適なスーパーヒート値が存在する。この原理を図１０に示す。スーパーヒートが過大（ＳＨ大）の場合、最適スーパーヒート値（最適ＳＨ）の場合と比較して、圧縮機の仕事量（冷媒が圧縮機吸入状態から断熱圧縮されたときの吸入と吐出状態のエンタルピ差）が増加し、ヒートポンプ性能が低下する。一方、スーパーヒートが過小（ＳＨ小）の場合、圧縮機吐出温度が低下し、加熱能力が低下することで、ヒートポンプ性能が低下する。つまり、乾燥過程において、スーパーヒートを最適値に制御できれば、乾燥に要する消費電力量を低減することが可能である。
そこで本発明は、スーパーヒート値を変更することで、乾燥時間の短い乾燥装置を提供することを目的とする。
第１の発明に係る乾燥装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器で放熱させた冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁で膨張させた冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次直列に接続してヒートポンプ装置を構成し、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風路を備えた乾燥装置であって、ヒートポンプ装置の運転時間が所定時間経過した後には、所定時間経過前よりもスーパーヒート値が大きくなるように膨張弁の流路抵抗値を制御する制御手段を備えたものである。
第１の発明によれば、乾燥開始から所定時間経過後は、スーパーヒート値を大きくとり、乾燥用空気温度を上昇させることで、乾燥時間の短縮を図ることができる。
第２の発明に係る乾燥装置は、第１の発明に係る乾燥装置において、所定時間経過前よりも大きなスーパーヒート値を所定時間経過後に適用するか否かを選択する選択手段を備えたものである。
上記第２の発明によれば、選択手段を付加することで、ユーザーの意図による消費電力量低減と乾燥時間短縮との選択を可能とすることができる。
本発明の乾燥装置によれば、乾燥時間の短縮を図ることができ、選択手段を付加することで、消費電力量低減と乾燥時間短縮との選択をすることができる。
（実施の形態１）
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。
図１は、本発明の実施の形態１による乾燥装置の構成図であり、図２は、本実施の形態による乾燥装置の制御フローチャートである。
図１において、本実施の形態の乾燥装置は、ヒートポンプ装置と、このヒートポンプ装置を乾燥の熱源として用いるとともに乾燥用空気を循環させて再利用する風路４１とを備えている。ヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機３１と、放熱作用で冷媒を凝縮して乾燥用空気を加熱する放熱器３２と、冷媒を減圧する膨張弁３３と、吸熱作用で冷媒を蒸発させて乾燥用空気を除湿する蒸発器３４とを順に配管３５を介して直列に接続して構成される。このヒートポンプ装置に用いる冷媒としては、放熱側（圧縮機３１の吐出部〜放熱器３２〜膨張弁３３の入口部までの間）で超臨界となりうる冷媒、例えばＣＯ２冷媒が封入されている。
また、乾燥装置の風路４１内には放熱器３２及び蒸発器３４が配設されている。放熱器３２及び蒸発器３４は、乾燥対象３６（例えば衣類、浴室空間など）から水分を奪った乾燥用空気の除湿および加熱を行う。この乾燥用空気は、送風ファン３７によって風路４１内を循環する。
さらに、本実施の形態では、蒸発器３４の出口から圧縮機３１の入口までの間の冷媒温度（圧縮機吸入冷媒温度）Ｔ１を検出する第一の温度センサ３８を備えている。なお、第一の温度センサ３８による冷媒温度の検出には、直接的に冷媒温度を測定する方法と、配管温度を検出して冷媒温度を間接的に測定する方法とがある。
また、本実施の形態では、記憶手段１１と、タイマー１２と、処理手段１３と、制御手段１４とを備えている。記憶手段１１には、ヒートポンプ装置の運転開始からの時間と蒸発器３４における蒸発温度との相関データ、及び目標スーパーヒート値をあらかじめ記憶している。タイマー１２は、タイマーのカウントアップによる検出の他、風路４１内の温度や湿度の検出によってヒートポンプ装置の運転時間を検出する。処理手段１３では、タイマー１２で検出した運転時間と記憶手段１１に記憶している相関データとから蒸発温度を推算し、推算した蒸発温度と第一の温度センサ３８で検出した検出値とからスーパーヒート値を推算する。制御手段１４では、処理手段１３で推算したスーパーヒート値が記憶手段１１に記憶した目標スーパーヒート値となるように膨張弁３３の流路抵抗値を制御する。予め乾燥装置の運転時間に応じた蒸発器３４の圧力又は蒸発温度の推移を把握しておけば、タイマー１２と第一の温度センサ３８からの検出値を用いて、その時点の蒸発温度を推算できる。そして、推算された蒸発温度と第一の温度センサ３８からの検出値の差として、スーパーヒート値を求めることができる。なお、図１中の実線矢印は冷媒流れを、また白抜き矢印は乾燥用空気の流れを示す。
次に、上記乾燥装置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。放熱器３２で冷却された冷媒は、膨張弁３３で減圧されて低温低圧の状態となる。そして、膨張弁３３で減圧された冷媒は、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する。そして、冷媒は、乾燥用空気に含まれた水分を凝縮して除湿する一方で、乾燥用空気によって加熱され、再び圧縮機３１に吸入される。以上がヒートポンプ動作の原理である。
また、乾燥用空気は、蒸発器３４で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、乾燥対象から水分を奪って多湿状態となり、再び蒸発器３４で除湿される。以上が乾燥対象３６から水分を奪う乾燥動作の原理である。
なお、膨張弁３３の流路抵抗を大きくすれば、圧縮機３１の吸入冷媒温度が上昇する。これは、膨張弁３３の流路抵抗を大きくすれば、吸熱側（膨張弁３３の出口部から〜蒸発器３４〜圧縮機３３の吸入部までの間）の圧力が低下し、蒸発器３４内の冷媒量が減少し、冷媒が気化し、過熱され易くなるためである。従って、膨張弁３３の流路抵抗を小さくすれば、圧縮機３１の吸入冷媒温度が低下する。
次に、乾燥装置の制御動作について説明する。
図２に示すように、タイマー１２によってヒートポンプ装置の運転時間ｔを検出し、予め作成した運転時間ｔと蒸発器圧力Ｐｅ（＝蒸発温度Ｔｅ）のテーブルから、蒸発器圧力Ｐｅ（＝蒸発温度Ｔｅ）を推算する（ステップ４１）。そして、第一の温度センサ３８によって圧縮機３１の吸入温度Ｔｓを検出し、検出値Ｔｓとステップ４１で推算した蒸発温度Ｔｅからスーパーヒート値ＴＳＨ（ＴＳＨ＝Ｔｓ−Ｔｅ）を推算する（ステップ４２）。次に、ステップ４２で推算したスーパーヒート値ＴＳＨと目標スーパーヒート値Ｔｃとを比較する（ステップ４３）。ステップ４３において、スーパーヒート値ＴＳＨが目標値Ｔｃよりも大きい場合は、制御手段１４によって膨張弁３３の流路抵抗値を小さくする制御を行い（ステップ４４Ｂ）、ステップ４１に戻る。ステップ４３において、スーパーヒート値ＴＳＨが目標値ＴＣよりも小さい場合は、制御手段１４によって膨張弁３３の流路抵抗値を大きくする制御を行い（ステップ４３Ａ）、ステップ４１に戻る。
本制御は、タイマー１２と第一の温度センサ３８の値を用いることによって、スーパーヒート値をＣＯＰが最大となる最適値に近い値に制御することが可能となる。
本実施の形態の乾燥装置では、スーパーヒート値を目標値の近傍に収束させることが可能であり、ヒートポンプ性能（ＣＯＰ）の低下を回避することができる。即ち、従来の乾燥装置と比較して消費電力量の低減を図ることが可能となる。換言すれば、乾燥装置の運転効率の低下を回避できるので、地球温暖化への影響が少ないＣＯ２冷媒を用いることが可能となる。
ところで、本実施の形態の乾燥装置では、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におけるＣＯ２冷媒と乾燥用空気の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。
なお、本実施の形態では、放熱側で超臨界となるＣＯ２冷媒を用いたが、従来のＨＦＣ冷媒を用いてもよい。また、プロパンやイソブタン等のＨＣ冷媒を用いても同様の効果がある。
（実施の形態２）
図３は、本発明による実施の形態２の乾燥装置の構成図であり、図４は、本実施の形態による乾燥装置の制御フローチャートである。なお、以下の実施の形態において、実施の形態１と同一構成には同一符号を付してその説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。
本実施の形態の乾燥装置は、実施の形態１の構成に、膨張弁３３の出口から蒸発器３４の入口までの間の冷媒温度を検出する第二の温度センサ３９を備え、処理手段１３では第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９からの検出値の差によってスーパーヒート値を算出している。また、記憶手段１１には、目標スーパーヒート値として複数の値を記憶するとともにそれぞれの目標スーパーヒート値を適用するための所定時間を記憶している。なお、第二のセンサは、液冷媒が存在している部分であれば、蒸発器本体に設置してもよい。
以下にこの乾燥装置の動作について説明する。
図４に示すように、タイマー１２によって検出したヒートポンプ装置の運転時間ｔと、記憶手段１１に記憶している所定時間ｔ１とを比較する（ステップ５１）。ステップ５１において、運転時間ｔが所定値ｔ１よりも大きい場合、第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９の差から求められるスーパーヒート値ＴＳＨ１と目標スーパーヒート値Ｔｃ１を比較する（ステップ５２）。ステップ５２において、スーパーヒート値ＴＳＨ１が目標値Ｔｃ１よりも大きい場合は、膨張弁３３の流路抵抗値を小さくする制御を行い（ステップ５３Ａ）、ステップ５２に戻る。ステップ５２において、スーパーヒート値ＴＳＨ１が目標値Ｔｃ１よりも小さい場合は、膨張弁３３の流路抵抗値を大きくする制御を行い（ステップ５３Ｂ）、ステップ５２に戻る。
また、ステップ５１において、運転時間ｔが所定時間ｔ１よりも小さい場合には、第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９の差から求められるスーパーヒート値ＴＳＨ２と目標スーパーヒート値Ｔｃ２を比較する（ステップ５４）。ステップ５４において、スーパーヒート値ＴＳＨ２が目標値Ｔｃ２よりも大きい場合は、膨張弁３３の流路抵抗値を小さくする制御を行い（ステップ５５Ａ）、ステップ５１に戻る。ステップ５４において、スーパーヒート値ＴＳＨ２が目標値Ｔｃ２よりも小さい場合は、膨張弁３３の流路抵抗値を大きくする制御を行い（ステップ５５Ｂ）、ステップ５１に戻る。なお、目標スーパーヒート値Ｔｃ２は、ＣＯＰが最適となるスーパーヒート値であり、目標スーパーヒート値Ｔｃ１は目標スーパーヒート値Ｔｃ２よりも大きなスーパーヒート値を設定している。
本制御によって、乾燥開始から所定時間経過後は、スーパーヒート値を大きくとり、乾燥用空気温度を上昇させることが可能となる。これにより、目標スーパーヒート値Ｔｃ２を適用するか否かを選択する選択手段（図示せず）を付加することで、ユーザーの意図による消費電力量低減と乾燥時間短縮との選択を可能とすることができる。なお、本実施の形態では、所定時間ｔ１によって目標スーパーヒート値をＴｃ２から目標スーパーヒート値Ｔｃ１に変更する場合を説明したが、３段階以上に目標スーパーヒート値を上昇させたり、連続的に上昇させてもよい。更に実施の形態１においても、本実施の形態のように複数の目標スーパーヒート値を設定してもよく、複数の目標スーパーヒート値を設定した場合には選択手段（図示せず）を付加することが好ましい。
（実施の形態３）
図５は、本発明による実施の形態３の乾燥装置の構成図であり、図６は、本実施の形態による乾燥装置の制御フローチャートである。なお、以下の実施の形態において、実施の形態２と同一構成には同一符号を付してその説明を省略し、実施の形態２と異なる構成について説明する。
本実施の形態の乾燥装置は、実施の形態２の構成に、圧縮機３１の吐出側配管から膨張弁３３までの間の冷媒温度を検出する第三の配管温度検出手段４０を備えている。そして、制御手段１４では、第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９からの検出値の差（スーパーヒート値）と第三の配管温度検出手段４０からの検出値を用いて膨張弁３３の流路抵抗を制御する。なお、実施の形態３の乾燥装置は、実施の形態２の構成に備えていた乾燥装置の運転時間を検出するタイマー１２は有していない。
以下にこの乾燥装置の動作について説明する。
図６に示すように、吐出温度検出手段４０にて検出した吐出温度Ｔｄと、設定温度Ｔｍ（例えば１００℃）を比較する（ステップ６１）。ステップ６１において、吐出温度Ｔｄが設定温度Ｔｍより大きい場合には、膨張弁３３の流路抵抗を小さくする制御を行い（ステップ６４）、ステップ６１に戻る。ステップ６１において、吐出温度Ｔｄが設定温度Ｔｍより小さい場合には、第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９にて検出したスーパーヒート値ＴＳＨと目標スーパーヒート値Ｔａ（例えば１０ｄｅｇ）を比較する（ステップ６２）。ステップ６２において、スーパーヒート値ＴＳＨが目標スーパーヒート値Ｔａよりも大きい場合には、膨張弁３３の流路抵抗を小さくする制御を行い（ステップ６４）、ステップ６１に戻る。ステップ６２において、スーパーヒート値ＴＳＨが目標スーパーヒート値Ｔａよりも小さい場合には、膨張弁３３の流路抵抗を大きくする制御を行い（ステップ６３）、ステップ６１に戻る。
一般的にスーパーヒートを増加させた場合、圧縮機吸入温度が増加し、圧縮機吐出温度が増加するが、実施の形態３の乾燥装置においては、圧縮機３１の吐出温度とスーパーヒート値を検出し、検出した値に基づいて膨張弁３３の流路抵抗を制御することによって、吐出温度が圧縮機３１の許容範囲を超過することなく、スーパーヒート値をＣＯＰが最大となる目標値近傍に収束させることが可能である。これにより、圧縮機３１の使用材料（例えば、シール部材）や冷凍機油の劣化を防止でき、圧縮機３１の信頼性をより確実に確保しつつ、ヒートポンプ性能を最大限に発揮させることができる。即ち、安定かつ高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことができる。なお、本実施の形態においても、実施の形態２のように、乾燥開始から所定時間経過後は、スーパーヒート値を大きくとり、乾燥用空気温度を上昇させてもよい。また、目標スーパーヒート値Ｔｃ２を適用するか否かを判別する判別手段を付加することで、ユーザーの意図による消費電力量低減と乾燥時間短縮との選択を可能とすることができる。また、本実施の形態においても、３段階以上に目標スーパーヒート値を上昇させてもよい。
（実施の形態４）
図７は、本発明による実施の形態４の乾燥装置の構成図であり、図８は、本実施の形態による乾燥装置の制御フローチャートである。
本実施の形態の乾燥装置は、実施の形態２の構成に、圧縮機３１の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段４２を備えている。そして、制御手段１４では、吐出圧力検出手段４２からの検出値及び第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９からの検出値の差（スーパーヒート値）を用いて膨張弁３３の流路抵抗を制御する。なお、実施の形態３の乾燥装置は、実施の形態２の構成に備えていた乾燥装置の運転時間を検出するタイマー１２は有していない。
以下にこの乾燥装置の動作について説明する。
図８に示すように、吐出圧力検出手段４２にて検出した吐出圧力Ｐｄと、設定圧力Ｐｍ（例えば１２ＭＰａ）を比較する（ステップ７１）。ステップ７１において、吐出圧力Ｐｄが設定圧力Ｐｍより大きい場合には、膨張弁３３の流路抵抗を小さくする制御を行い（ステップ７４）、ステップ７１に戻る。ステップ７１において、吐出圧力Ｐｄが設定圧力Ｐｍより小さい場合には、第一の温度センサ３８と第二の温度センサ３９にて検出したスーパーヒート値ＴＳＨと目標スーパーヒート値Ｔｂ（例えば１０ｄｅｇ）を比較する（ステップ７２）。ステップ７２において、スーパーヒート値ＴＳＨが目標スーパーヒート値Ｔｂよりも大きい場合には、膨張弁３３の流路抵抗を小さくする制御を行い（ステップ７４）、ステップ７１に戻る。ステップ７２において、スーパーヒート値ＴＳＨが目標スーパーヒート値Ｔｂよりも小さい場合には、膨張弁３３の流路抵抗を大きくする制御を行い（ステップ７３）、ステップ７１に戻る。
一般的にスーパーヒートを増加させるために、膨張弁の流路抵抗値を大きくすると、圧縮機吐出圧力が増加するが、実施の形態４の乾燥装置においては、圧縮機３１の吐出圧力とスーパーヒート値を検出し、検出した値に基づいて膨張弁３３の流路抵抗を制御することによって、吐出圧力が圧縮機３１の許容範囲を超過することなく、スーパーヒート値をＣＯＰが最大となる目標値近傍に収束させることが可能である。これにより、圧縮機３１のシェルの耐圧以下でのヒートポンプサイクル運転が可能となり、信頼性をより確実に確保しつつ、ヒートポンプ性能を最大限に発揮させることができる。即ち、安定かつ高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことができる。なお、本実施の形態においても、実施の形態２のように、乾燥開始から所定時間経過後は、スーパーヒート値を大きくとり、乾燥用空気温度を上昇させてもよい。また、目標スーパーヒート値Ｔｃ２を適用するか否かを判別する判別手段を付加することで、ユーザーの意図による消費電力量低減と乾燥時間短縮との選択を可能とすることができる。また、本実施の形態においても、３段階以上に目標スーパーヒート値を上昇させてもよい。
本発明にかかる乾燥装置は、衣類乾燥、浴室乾燥等の用途に有用である。また食器乾燥や、生ゴミ処理乾燥等の用途にも応用できる。
路抵抗値を小さくすることを特徴とする請求項９に記載の乾燥装置。
本発明の実施の形態１による乾燥装置の構成図 実施の形態１による乾燥装置の制御フローチャート 本発明の実施の形態２による乾燥装置の構成図 実施の形態２による乾燥装置の制御フローチャート 本発明の実施の形態３による乾燥装置の構成図 実施の形態３による乾燥装置の制御フローチャート 本発明の実施の形態４による乾燥装置の構成図 実施の形態４による乾燥装置の制御フローチャート スーパーヒートとヒートポンプ性能（ＣＯＰ）の関係図 スーパーヒートを変化させたときの冷凍サイクル挙動を示すモリエル線図 従来の乾燥装置の構成図
符号の説明
１１ 記憶手段
１２ 運転時間検出手段
１３ 処理手段
１４ 制御手段
３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 膨張弁
３４ 蒸発器
３５ 配管
３６ 乾燥対象
３７ 送風ファン
３８ 第一の配管温度検出手段
３９ 第二の配管温度検出手段
４０ 吐出温度検出手段
４１ 循環ダクト
４２ 吐出圧力検出手段

Claims (2)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される前記冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱させた前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁で膨張させた前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次直列に接続してヒートポンプ装置を構成し、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風路を備えた乾燥装置であって、前記ヒートポンプ装置の運転時間が所定時間経過した後には、前記所定時間経過前よりもスーパーヒート値が大きくなるように前記膨張弁の前記流路抵抗値を制御する制御手段を備えたことを特徴とする乾燥装置。
  2. 前記所定時間経過前よりも大きなスーパーヒート値を前記所定時間経過後に適用するか否かを選択する選択手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の乾燥装置。
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