JP5049495B2 - 木材の人工乾燥方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを利用して乾燥室内空気の冷却除湿を行う木材の人工乾燥システムにおいて、乾燥室に高熱源を供給可能にして乾燥時間を短縮でき、かつ熱効率を向上し得た人工乾燥方法及びシステムに関する。

木材の人工乾燥は乾燥室内に木材を浅積みし、加熱源を用いて乾燥室内の温度を上げて乾燥させている。また乾燥工程における木材の割れや反りを防止するために乾燥室の湿度調整が重要である。
図１０にスギ材の人工乾燥における木材の含水率、乾燥室内の温度と相対湿度の一例を示す。乾燥運転の初期段階では数時間で室温を７０℃程度まで昇温させる。このとき、木材の割れ防止のため、湿球温度が乾球温度と等しくなる（相対湿度１００％）ように昇温させる必要があり、加熱と同時に加湿機器を用いて室内の加湿を行う。

その後、室内の相対湿度をゆっくりと低下させて木材から水分を蒸発させていく。乾燥工程では木材の含水率の低下に伴い水分の蒸発量が減少することから、次第に乾燥室内温度を上昇させ、相対湿度を減少させることにより、乾燥日数が多くかからないようにしている。特に含水率が３０％以下となった工程では木材中の結合水の蒸発過程となるため、高温かつ低湿度を保持しないと多くの乾燥日数が必要となる。

従来の木材人工乾燥システムは、蒸気加熱式、除湿式、減圧式などがある。２００２年のデータでは蒸気加熱式が７４％、除湿式が１８％となっている。
蒸気加熱式はボイラにより発生させた蒸気を乾燥室内の放熱管に送り、加熱した空気により乾燥させる方式である。この方式は室内を高温に昇温することが容易であり、乾燥時間が短いことから多く用いられている。乾燥室の湿度の調整は主として室外から室内への給気および排気で行っており、運転初期および運転中の湿度低下時にはボイラの蒸気により加湿を行っている。

しかしながらかかる方式では排気による熱ロスが多く、加熱源の投入エネルギーが多くなる欠点を持っている。
またヒートポンプを木材などの乾燥に適用した装置が、例えば特許文献１（特開２００１−３５３３９８号公報）で提案されている。この装置は、被乾燥物を収納する乾燥庫に吸気口と排気口とを設け、ヒートポンプの凝縮器を吸気口に設けるとともに、蒸発器を排気口に設け、乾燥庫の外から導入する空気を凝縮器で加熱して吸気口から乾燥庫内に取り入れるとともに、被乾燥物から出た水分で高湿となった空気を排気口から乾燥庫の外に排気する時に、蒸発器で熱を回収して凝縮器に回すことにより、エネルギーの消費を少なくし、かつ乾燥時間を短縮することを目的としている。

しかしながら特許文献１の方式は、乾燥庫内の高温となった空気を外部に放出し、再循環して使用しないため、依然として排気による熱ロスが多く、加熱源の投入エネルギーが多くなる欠点を持っている。
次に従来の除湿式乾燥システムの一例を図１１に示す。図１１おいて、装置は気密性の良い乾燥室０１、ヒートポンプ０２、加熱用ヒータ（電気ヒータまたは蒸気放熱管）０３、加湿器０４、送風機０５から構成されている。

図１１ではヒートポンプ０２が室内に置かれているが、室外に設置されているものもある。ヒートポンプ０２の冷媒はフロン冷媒が用いられており、乾燥室０１内に載置された木材間を通過して湿った空気ａは、ヒートポンプ０２の蒸発器（図示略）により冷却除湿され、凝縮器（図示略）の排熱とヒータ０３により加熱されて木材に供給される。

特開２００１−３５３３９８号公報

しかるに図１１の装置では、フロンを冷媒としているためヒートポンプ０２では７０℃の昇温が限界であり、通常は４０℃程度で用いられていることが多い。本方式は低温乾燥のため狂いや材色変化が少ないという長所を有しているが、乾燥時間が蒸気加熱式の１．５〜２倍と長くなり（特に乾燥後期は長い）、除湿能力が小さいと材にカビが発生するという問題がある。
また乾燥後期では、高温かつ低湿度を保持する必要から、ヒートポンプの圧縮機の圧縮比を高める必要があり、このため蒸発温度が低下して、ヒートポンプの消費電力が多くなることや、ヒータ０３のエネルギー消費が多くなる（ヒートポンプ消費電力の３〜４倍程度）問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、従来の除湿式乾燥システムの欠点である室内温度が低く乾燥時間が多くかかること、乾燥後期においてヒータ等の補助熱源のエネルギー消費が多いという問題を解決するために、エネルギー消費を低減して熱効率を向上できる木材の除湿式乾燥システムを実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の木材乾燥方法は、
木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を該乾燥室外に設置した冷却除湿器に導き、該冷却除湿器で冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、前記乾燥室内の上部に設置され、ファンで乾燥室内を循環させた空気を、温水によって加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備え、該乾燥室内の温度及び相対湿度を調整しながら該乾燥室内に収容した木材の乾燥を行なう木材の人工乾燥方法において、
前記ヒートポンプがＣＯ_２を冷媒とするヒートポンプであって、前記エアヒータの温水の加熱と、前記加湿器の温水の加熱および、除湿後の空気の再加熱の加熱源に、前記ヒートポンプの高温側のＣＯ _２ 冷媒を用い、該ヒートポンプの低温側ＣＯ _２ 冷媒を前記冷却除湿器の冷熱源とすることを特徴とする。

また本発明の乾燥システムは、前記本発明方法を実施するための乾燥システムとして、
木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を導入し冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、該乾燥室内の空気を加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備えた木材の人工乾燥システムにおいて、
前記ヒートポンプが、ＣＯ_２を冷媒とし、前記乾燥室内の空気と熱交換して冷却除湿する蒸発器と、ＣＯ_２冷媒を圧縮して超臨界圧以上に加圧する圧縮機と、ＣＯ_２冷媒を膨張減圧して蒸発器に導入する膨張器と、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱を前記エアヒータの熱源として供給する手段と、前記冷却除湿された空気を超臨界圧まで圧縮して高温とした前記ＣＯ _２ 冷媒の保有熱で再加熱して前記乾燥室に戻す手段とを備えたことを特徴とする。

本発明では、高温度の加熱が行えるＣＯ_２を冷媒とした超臨界サイクルのヒートポンプを用いるため、１００℃付近の熱源を取り出すことができる。
超臨界ＣＯ_２ヒートポンプサイクルのＰ−ｈ線図を図１に示す。超臨界サイクルでは高圧側は臨界圧力以上の超臨界ガスとなる。よって冷媒は放熱に伴って相変化せずに温度が低下していく。この熱交換器を一般的にガスクーラと呼んでいる。このサイクルを効率良く運転するにはガスクーラの出口温度をできるだけ低下させることが重要であり、図１に示したガスクーラ出口温度が高い点Ａを低い点Ｂまで冷却した場合には、加熱量はＱｈａからＱｈｂに、冷却熱量はＱｃａからＱｃｂに増加させることができる。

このため本発明では、蒸発工程後のＣＯ_２冷媒を超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱をエアヒータの熱源として供給し、さらに冷却除湿された空気を再加熱するための熱源としてＣＯ_２冷媒の保有熱を供することにより、超臨界ガス冷却工程での出口温度を低減するようにしている。また冷却除湿された空気を再加熱して乾燥室に戻すため、乾燥室内を高温かつ低湿度に保つことができる。
乾燥室内の循環空気を除湿しようとすると、大量の空気を冷却する必要があるため、冷却熱量が非常に大きくなる。そこで、循環させている一部の空気を除湿用としてファンを用いて取出し、それをヒートポンプに導入して冷却除湿するようにするとよい。

また乾燥室内で木材から蒸発した水分をヒートポンプですべて除湿しようとすると、ヒートポンプの冷凍能力を大きくする必要があり、そのため圧縮機を大容量とし、あるいは蒸発温度（蒸発圧力）を下げて圧縮比を高くする必要があるが、そうすると、イニシャルコストが高くなったり、あるいは熱効率が低下するという不具合が生じる。
そこで本発明では、好ましくは、蒸発工程で冷却除湿した空気の一部を排気し、該排気量の分だけ外気を導入するように構成することにより、蒸発器の負荷を軽減させている。

またこうすると、冷却除湿された空気の温度をさらに下げることになり、その後超臨界圧以上に圧縮されたＣＯ_２冷媒との熱交換に際して熱交換後のＣＯ_２冷媒温度を下げることになるため、ヒートポンプの冷凍能力の向上につながる。この外気の給排気は、好ましくは、乾燥室内に設けた湿度センサによって給気部に設けた給気ファンを制御し、排気は給気量に応じてダンパにて排気量を制御するとよい。
給・排気部を通過した空気は、高圧のＣＯ_２冷媒と熱交換させる空気加熱器によって昇温させた後に、乾燥室に戻す。

本発明において、乾燥室内で木材の水分を蒸発させるのに必要となる加熱量の主要なものは、乾燥室に設けたエアヒータによって行う。本発明システムにおいて、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱をエアヒータの熱源として供給する手段として、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒とエアヒータに熱源を供給する２次側熱媒体（例えば温水）とを熱交換する加熱器を設けてもよく、あるいは超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒をエアヒータの前記乾燥室内の空気と熱交換する領域に導入して乾燥室内の空気と熱交換した後、空気を再加熱する空気加熱器に戻す管路を設けるようにしてもよい。

本発明システムにおいて、好ましくは、乾燥室内に設けられた温度センサ及び湿度センサと、前記給気部に設けられた給気ファンと、乾燥室内の空気をヒートポンプの蒸発器に導入する除湿ファンと、前記温度センサで検知された温度に基づいて前記除湿ファンとヒートポンプの圧縮機の駆動装置とを制御するとともに、前記湿度センサで検知された湿度に基づいて前記給気ファン及び前記除湿ファンを制御するコントローラとを備えるようにする。

木材の乾燥工程は、図１０のように乾燥時間（含水率）に適した温度・湿度があり、乾燥室内の温度センサによって除湿ファンの回転数と圧縮機の回転数を制御するとともに、湿度センサによって外気の給気ファンと除湿ファンの回転数を制御することよって、乾燥室内を図１０にように設定された温度及び湿度に正確に制御することができる。

本発明システムの初期運転時の一実施形態として、蒸発器と並列に外気から蒸発潜熱を吸収する空気採熱器を設け、乾燥初期運転時にＣＯ_２冷媒が該空気採熱器に導入されるように構成するとともに、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒と前記加湿器で噴霧される温水とを熱交換する加湿用加熱器を設け、乾燥初期運転時に前記加湿器から該温水を噴霧するように構成する。

運転初期では、外気温度・湿度に近い状態から、７０℃程度の乾燥温度まで、相対湿度１００％で昇温させる必要がある。通常運転では、前述のように、ヒートポンプの採熱源として乾燥室内の空気を用いていたが、数時間で室内を昇温させる必要があるため、外気から採熱してヒートポンプで乾燥室内空気を加熱させる。

本発明システムの初期運転時の他の実施形態として、蒸発器上流側の空気流路に排気部を設け、初期運転時に前記給気部から前記蒸発器を通って前記排気部に抜ける外気流路を形成させるようにしてもよい。このようにすれば、前記実施形態のように、空気採熱器を別に設ける必要がなく、空気除湿用の蒸発器を初期運転時に兼用することができる。

また本発明システムでは、冷却水を貯留した冷却水槽と、該冷却水槽と前記蒸発器との間で冷却水を循環させる管路とを備え、前記蒸発器で冷却され前記冷却水槽内に貯留した冷却水中に前記乾燥室内の空気を導入して冷却除湿するように構成してもよい。
このように乾燥室内の空気を冷却水と直接接触させれば、湿度コントロールが容易になり、また冷却水と空気との熱伝達率が向上するため、圧縮機の大型化を図ったり、圧縮機の圧縮比をそれほど高める必要がなくなる。

本発明方法によれば、ヒートポンプがＣＯ_２を冷媒とした超臨界域に達する冷凍サイクルで構成したことにより、乾燥室に高温の熱源を供給することができるとともに、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱を乾燥室を加熱するエアヒータの熱源として、また蒸発器で冷却除湿された乾燥室空気の再加熱の熱源として少なくとも２段階に亘って放熱することにより、木材の乾燥に十分な熱を供給できるため、木材を短時間で乾燥することができる。またヒートポンプのＣＯＰを向上させることができるため、ヒートポンプの熱量も少なくて済み、イニシャルコストも低減することができる。

また本発明システムによれば、ヒートポンプが、ＣＯ_２を冷媒とし、乾燥室内の空気と熱交換して冷却除湿する蒸発器と、ＣＯ_２冷媒を圧縮して超臨界圧以上に加圧する圧縮機と、ＣＯ_２冷媒を膨張減圧して前記蒸気器に導入する膨張器と、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱をエアヒータの熱源として供給する手段と、冷却除湿された空気を再加熱して乾燥室に戻す手段とを備え、ＣＯ_２を冷媒とした超臨界域に達する冷凍サイクルで構成したことにより、乾燥室に高温の熱源を供給することができるとともに、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱を乾燥室を加熱するエアヒータの熱源として、また蒸発器で冷却除湿された乾燥室空気の再加熱の熱源として少なくとも２段階に亘って放熱することにより、木材の乾燥に十分な熱を供給できるため、木材を短時間で乾燥することができる。また同時にヒートポンプのＣＯＰを向上させることができるため、ヒートポンプの熱量も少なくて済み、イニシャルコストも低減することができる。

また好ましくは、蒸発器で冷却除湿された後の空気の一部を排気する排気部と、該排気量の分だけ給気する給気部とを備え、該排気部から蒸発器で冷却除湿した空気の一部を排気し、該給気部から該排気量の分だけ外気を導入するように構成することにより、蒸発器の負荷を軽減させ、圧縮機の容量又は圧縮比を低減できて、イニシャルコストを低減できるとともに、冷却除湿された空気の温度をさらに下げ、その後超臨界圧とされたＣＯ_２冷媒との熱交換に際して熱交換後のＣＯ_２冷媒温度を下げることになるため、ヒートポンプの冷凍能力の向上につながる。

また本発明システムにおいて、好ましくは、乾燥室内に設けられた温度センサ及び湿度センサと、前記給気部に設けられた給気ファンと、乾燥室内の空気をヒートポンプの蒸発器に導入する除湿ファンと、前記温度センサで検知された温度に基づいて前記除湿ファンとヒートポンプの圧縮機の駆動装置とを制御するとともに、前記湿度センサで検知された湿度に基づいて前記給気ファン及び前記除湿ファンを制御するコントローラとを備えることにより、乾燥室内を図１にように設定された温度及び湿度に正確に制御することができる。

また本発明システムにおいて、好ましくは、蒸発器と並列に外気から蒸発潜熱を吸収する空気採熱器を設け、乾燥初期運転時にＣＯ_２冷媒が該空気採熱器に導入されるように構成するとともに、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒と前記加湿器で噴霧される温水とを熱交換する加湿用加熱器を設け、乾燥初期運転時に前記加湿器から該温水を噴霧するように構成すれば、初期運転時に必要な急速な温度上昇と相対湿度１００％への到達を短時間で行なうことができる。

あるいは、初期運転時の別な実施態様として、蒸発器上流側の空気流路に排気部を設け、初期運転時に蒸発器可撓性下流側の給気部から蒸発器を通って前記排気部に抜ける外気流路を形成させるようにすれば、空気採熱器を別に設ける必要がなく、空気除湿用の蒸発器を初期運転時に兼用することができるため、設備費を低減することができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例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、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
図２は本発明の第１実施例を示すブロック線図、図３は、第１実施例の制御系を示すブロック線図、図４は、排気ライン１９に設けられたエアーダンパ１９ａの構成図、図５は、第１実施例の初期運転時の作動を示すブロック線図、図６は、本発明の第２実施例を示すブロック線図、図７は、本発明の第３実施例を示すブロック線図、図８は、本発明の第４実施例を示すブロック線図、図９は第４実施例の制御系を示すブロック線図である。

本発明の第１実施例を示す図１において、密閉機能を有する乾燥室１には被乾燥物である木材Ｗが間を空気ａが流通するように互いに間隔を設けて載置されている。乾燥室１内には、空気の循環流ｂを形成するための仕切り６が設けられ、該循環流路ｂに面してエアヒータ３、ファン５、加湿器４、温度センサ８及び湿度センサ７が配置されている。

一方ヒートポンプ２は、ＣＯ_２を冷媒とし、ＣＯ_２冷媒が循環する冷媒ライン２１に、冷却除湿器（蒸発器）２２と、圧縮機２３と、加湿用加熱器（凝縮器）２４と、温水加熱器（凝縮器）２５と、空気加熱器（凝縮器）２６と、膨張弁２７が介設されている。
冷却除湿器２２には、空気ライン９を介して除湿ファン１０によって乾燥室１内の空気が供給され、冷却除湿器２２でＣＯ_２冷媒と熱交換されて冷却除湿され、その後ライン１１を経て空気加熱器２６に送られ、そこでＣＯ_２冷媒と熱交換してＣＯ_２冷媒の凝縮熱を得て、乾燥室内空位温度と同じ温度に加熱され、戻りライン１２を経て乾燥室１内に戻るように構成されている。

またエアヒータ３には、乾燥室１内の空気循環流ｂに面した領域に位置するとともに、温水加熱器２５との間をポンプ１５によって矢印方向に温水を循環する温水循環ライン１３が設けられている。温水循環ライン１３に介装されたバッファタンク１４は、給水部１４ｂを有するとともに、内部に気相空間１４ａを有して温水循環ライン１３内部で急激な高圧が発生したときに緩衝作用を有する。また温水循環ライン１３から分岐した分岐ライン１６は、加湿用加熱器２４に接続されている。通常運転時分岐ライン１６に介装された開閉弁３５は閉となっているが、初期運転時開となり、初期運転時分岐ライン１６から加湿用加熱器２４に導入された温水は、ＣＯ_２冷媒の凝縮熱を得て高温となり、温水ライン１７を経て乾燥室１内の加湿器４で空気循環流ｂに噴霧される。

空気ライン１１には、給気ファン１８ａが介設された給気ライン１８と、エアーダンパ１９ａが介設された排気ライン１９が接続されている。またヒートポンプ２には、冷却除湿器２２と並列に空気採熱器（蒸発器）２８が設けられ、開閉弁２９及び３０の開閉により、本乾燥システムの初期運転時に、冷却除湿器２２の代わりに空気採熱器２８にＣＯ_２冷媒が導入されて、外気ｃから蒸発潜熱を得るように構成されている。

図３は第１実施例の制御系であり、図３において、コントローラ３１は、温度センサ７で検知された乾燥室１内の温度に基づいて除湿ファン１０とヒートポンプの圧縮機の駆動モータ２３ａとを制御するとともに、湿度センサ８で検知された湿度に基づいて給気ライン１８に設けられた給気ファン１８ａ及び除湿ファン１０を制御する。
木材の乾燥工程は、図１０のように乾燥時間（含水率）に適した温度及び湿度があり、上記制御を行うことによって、乾燥室１内を図１０にように設定された温度及び湿度に正確に制御することができる。

また図４は、排気ライン１９に介装されたエアーダンパ１９ａを示し、排気ライン１９は、軸３２によって回動可能に設けられた開閉板３３によって開閉される。開閉板３３は、軸３２に設けられた錘３４によって排気ライン１９の開口１９ｂを予め設定された付勢力により閉鎖する方向に付勢されている。かかる構成のため、給気ライン１８からライン１１に給気されることによって、排気ライン１９内の空気圧ｄが設定された圧力以上になると、開閉板３３が開口１９ｂを開放する。
なお図２において、各部に記された温度表示は、そのラインを流れる空気、ＣＯ_２冷媒又は温水の温度を示す。

かかる構成の第１実施例において、図５にその初期運転時の作動状況を示す。図５において、運転初期では、乾燥室１内の空気を外気の温度及び湿度に近い状態から７０℃態度の乾燥温度及び相対湿度１００％まで数時間で急速上昇させる必要がある。このため開閉弁２９を閉、開閉弁３０を開として、空気採熱器２８にＣＯ_２冷媒を導入して外気ｃから蒸発潜熱を採熱する。
また同時に開閉弁３５を開として、エアヒータ３と温水加熱器２５の間を循環する温水の一部を温水循環ライン１３から分岐ライン１６に取り出し、加湿用加熱器２４において圧縮機２３により超臨界圧に達した高温のＣＯ_２冷媒と熱交換させて加熱し、その後加熱した温水を乾燥室１内の加湿器４に噴霧して加湿を行なう。

加湿用加熱器２４で温水と熱交換した後、ＣＯ_２冷媒は温水加熱器２５で温水循環ライン１３を流れる温水と熱交換して温水をその凝縮熱で加熱し、加熱された温水は、エアヒータ３に供給されて、エアヒータ３の熱源に供される。
かかる操作によって初期運転を行ない、乾燥室１内を急速昇温及び急速加湿し、７０℃及び相対湿度１００％の雰囲気とした後、図２に示す通常運転に移行する。

通常運転においては、図２に示すように、開閉弁２９を開、開閉弁３０を閉として、ＣＯ_２冷媒を冷却除湿器２２に流すようにする。同時に開閉弁３５を閉として、加湿用加熱器２４へ温水を流すことを止める。これによって圧縮機２３によって超臨界圧まで圧縮され高温となったＣＯ_２冷媒は、加湿用加熱器２４での熱交換をせず、温水加熱器２５でエアヒータ３の熱源となる温水をその凝縮熱で加熱し、その後空気加熱器２６で冷却除湿器２２で冷却除湿された空気を加熱する。

通常運転時になって除湿ファン１０によって乾燥室１内から冷却除湿器２２に送られた空気は、ここでＣＯ_２冷媒によって蒸発潜熱を奪われ、冷却除湿してライン１１を経て空気加熱器２６に至り、ここでＣＯ_２冷媒の凝縮熱で加熱され、７０℃の温度に再加熱されて乾燥室１内に戻される。
なお冷却除湿器２２で乾燥室１から送られた全ての空気を冷却除湿すると、ヒートポンプ２の冷凍能力に負担がかかり、圧縮機の容量を大きくするか、あるいは圧縮比を上げる必要があるが、圧縮比を上げると、ＣＯＰが低下するので、冷却除湿後の空気の一部を排気ライン１９から排気し、低湿度及び常温の外気を給気ライン１８から給気ファン１８ａによって導入する。

なお排気ライン１９に設けられたエアーダンパ１９ａは、図５に示す構成を有することにより、ライン１１内の空気圧を設定値に保持するように排気することができる。これによって給気ライン１８から導入された外気量の分だけ排気ライン１９から排気することができる。
かかる第１実施例によれば、ヒートポンプ２がＣＯ_２を冷媒とする超臨界圧冷凍サイクルを構成することにより、高温の熱源を乾燥室１に供給することができる。従って乾燥室１に十分な熱源を供給できて嵌挿時間を短縮でき、特に急速な昇温及び高湿度化を必要とする初期運転時に超臨界圧の高温の保有熱を放出して加湿器８に高温水を供給できるとともに、温水加熱器２５でその凝縮熱を放出してエアヒータ３の熱源用温水を供給でき、さらにその後残った凝縮熱で乾燥室１に戻る空気を再加熱することができる。

またこのように２段階（初期運転時は３段階）に亘って凝縮熱を放出することにより、図１に示すように、冷凍能力を高め、ＣＯＰを向上させることができる。
また冷却除湿器２２で冷却除湿した空気の一部をライン１１で外気と入れ替えることにより、ヒートポンプの負荷軽減を図ることができ、これによってＣＯＰを向上させることができるとともに、イニシャルコストを低減することができる。
また初期運転時に外気の保有熱を利用することができるため、急速昇温が可能になる。
また図３に示す制御系を具備することにより、乾燥室１内の温度及び湿度を所望の状態に正確に制御することができる。

次に本発明の第２実施例を図６により説明する。図６において、本実施例は、第１実施例の空気採熱器２８を廃し、代わりに冷却除湿器２２に接続する空気ライン９に排気ライン４１を設け、排気ライン４１に排気弁４２を設けた構成としている。なおその他の構成は図２の第１実施例と同一であり、第１実施例と同一の部位については同一の符号を付し、それら部位の説明を省略する。

かかる構成の第２実施例においては、初期運転時には排気弁４２を開とし、給気ライン１８から外気を導入し、冷却除湿器２２で外気の保有熱を蒸発潜熱として採熱し、その後外気を排気ライン４１から外部に排出する。
その他の初期運転時の操作は、第１実施例と同一である。また通常運転時の操作は、排気弁４２を閉とした後、第１実施例と同一の操作を行う。
かかる第２実施例によれば、第１実施例において初期運転時に作動する空気採熱器２８と通常運転時に作動する冷却除湿器２２とを兼用できるので、設備費を軽減することができる。

次に本発明の第３実施例を図７により説明する。図７において、本実施例は、第１実施例と比べて、温水加熱器２５と乾燥室１内のエアヒータ３との間で温水を循環する温水循環ライン１３及び分岐ライン１６を廃し、代わりに加湿用加熱器２４から出る高温・高圧のＣＯ_２冷媒をエアヒータ３に供給する供給ライン５１を設け、またＣＯ_２冷媒をエアヒータ３から空気加熱器２６に戻す、ポンプ５３が介設された戻りライン５２を設けたものである。

また分岐ライン１６を廃した代わりに、加湿用加熱器２４に給水部２４ａを設け、初期運転時に給水部２４ａから供給する水をＣＯ_２冷媒によって加湿用加熱器２４で加熱し、加熱された温水をライン１７から加湿器４に供給するようにしている。その他の構成は第１実施例と同一であるので、同一符号を付してそれら同一部位の説明を省略する。
かかる構成の第３実施例によれば、ＣＯ_２冷媒と温水とを熱交換する温水加熱器２５及び温水循環ライン１３に介設されるバッファタンク１５等が不要になり、設備が低減するとともに、ＣＯ_２冷媒を直接乾燥室内の空位と熱交換するので、熱効率が向上するという利点がある。

次に本発明の第４実施例を図８により説明する。図８において、本実施例は、第１実施例と比べて、ヒートポンプ２を構成する蒸発器６１とは別に直接接触式除湿器６２を設け、外気の給気ライン１８及び排気ライン１９を廃した点が異なっている。
該除湿器６２は、容器形状をなし、内部に冷却水が貯留され、該冷却水は循環ライン６３に設けられたポンプ６４で蒸発器６１との間を循環され、蒸発器６１で吸熱され冷却される。乾燥室１内の空気は、除湿器６２内に貯留する冷却水中のヘッダ６７から放出され、冷却水と直接接触して冷却除湿される。

図９は本実施例の制御系を示す。図９において、コントローラ３１は、温度センサ７で検知された乾燥室１内の温度に基づいて除湿ファン１０とヒートポンプの圧縮機の駆動モータ２３ａとを制御するとともに、湿度センサ８で検知された湿度に基づいて冷却水ポンプ６４及び除湿ファン１０の回転数を制御する。冷却水ポンプ６４を制御することによって冷却水の循環量を制御し、これによって冷却水の温度を調整できるため、除湿器６２の除湿量を制御することができる。

冷却除湿された空気は、空気加熱器２６に送られて空気加熱器２６でＣＯ_２冷媒と熱交換し、ＣＯ_２冷媒の凝縮熱で加熱されるのは第１実施例と同一である。空気から除湿された水分は、除湿器６２内に溜まるが、冷却水の水位が高くなれば、水位センサ６７で検知し、排水弁６６を自動的に開にして、排水ライン６５から排水されることにより、冷却水の水位が一定に保持される。

かかる第４実施例によれば、空気を冷却水と直接接触により冷却除湿するため、湿度コントロールが容易となり、また空気と冷却水との熱伝達率が良いため、乾燥室１から送られる全部の空気を冷却除湿してもヒートポンプ２の圧縮機２３の容量を増大させたり、あるいは圧縮比を大きくする必要がない。従って第１実施例にように空気の一部を外気と入れ替える給気ライン８１や排気ライン１９を廃することができるとともに、イニシャルコストを低減し、ヒートポンプ２のＣＯＰを向上させることができる。

本発明によれば、木材の乾燥時間を短縮できて、乾燥システムに使用されるヒートポンプのＣＯＰを格段に向上させ、エネルギ消費を低減して熱効率を向上できる木材の除湿式乾燥システムを実現することができる。

超臨界ＣＯ_２ヒートポンプサイクルのＰ−ｈ線図である。 本発明の第１実施例を示すブロック線図である。 前記第１実施例の制御系を示すブロック線図である。 前記第１実施例の排気ライン１９に設けられたエアーダンパ１９ａの構成図である。 前記第１実施例の初期運転時の作動を示すブロック線図である。 本発明の第２実施例を示すブロック線図である。 本発明の第３実施例を示すブロック線図である。 本発明の第４実施例を示すブロック線図である。 前記第４実施例の制御系を示すブロック線図である。 木材人工乾燥における乾燥条件の一例を示す線図である。 従来の除湿式木材人工乾燥システムを示す構成図である。

符号の説明

１ 乾燥室
２ ヒートポンプ
３ エアヒータ
４ 加湿器
７ 温度センサ
８ 加湿センサ
９ 空気ライン
１０ 除湿ファン
１２ 戻りライン
１３ 温水循環ライン
１８ 給気ライン
１８ａ 給気ファン
１９ 排気ライン
１９ａ エアーダンパ
２１ ＣＯ_２冷媒循環ライン
２２ 冷却除湿器
２３ 圧縮機
２３ａ 圧縮機駆動モータ
２４ 加湿用加熱器
２５ 温水加熱器
２６ 空気加熱器
２８ 空気採熱器
３１ コントローラ
４１ 排気ライン
５１ ＣＯ_２冷媒供給ライン
５２ ＣＯ_２冷媒戻りライン
６２ 直接接触式除湿器
６３ 冷却水循環ライン
Ｗ 木材

Claims (11)

1. 木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を該乾燥室外に設置した冷却除湿器に導き、該冷却除湿器で冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、前記乾燥室内の上部に設置され、ファンで乾燥室内を循環させた空気を、温水によって加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備え、該乾燥室内の温度及び相対湿度を調整しながら該乾燥室内に収容した木材の乾燥を行なう木材の人工乾燥方法において、
   前記ヒートポンプがＣＯ_２を冷媒とするヒートポンプであって、前記エアヒータの温水の加熱と、前記加湿器の温水の加熱および、除湿後の空気の再加熱の加熱源に、前記ヒートポンプの高温側のＣＯ_２冷媒を用い、該ヒートポンプの低温側ＣＯ_２冷媒を前記冷却除湿器の冷熱源とすることを特徴とする木材の人工乾燥方法。
2. 前記蒸発工程で冷却除湿した空気の一部を排気し、該排気量の分だけ外気を導入することを特徴とする請求項１記載の木材の人工乾燥方法。
3. 乾燥運転初期の前記ヒートポンプの蒸発工程において前記乾燥室内の空気の代わりに外気と熱交換して外気の保有熱を吸収するとともに、
   前記加湿器で噴霧する水に超臨界圧まで圧縮したＣＯ_２冷媒の保有熱を供するようにしたことを特徴とする請求項１記載の木材の人工乾燥方法。
4. 木材を乾燥させるための気密性の乾燥室と、該乾燥室内の空気を導入し冷却除湿して前記乾燥室に戻すヒートポンプと、該乾燥室内の空気を加熱するエアヒータと、該乾燥室内を加湿する加湿器とを備えた木材の人工乾燥システムにおいて、
   前記ヒートポンプが、ＣＯ_２を冷媒とし、前記乾燥室内の空気と熱交換して冷却除湿する蒸発器と、ＣＯ_２冷媒を圧縮して超臨界圧以上に加圧する圧縮機と、ＣＯ_２冷媒を膨張減圧して蒸発器に導入する膨張器と、超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒の保有熱を前記エアヒータの熱源として供給する手段と、前記冷却除湿された空気を超臨界圧まで圧縮して高温とした前記ＣＯ _２ 冷媒の保有熱で再加熱して前記乾燥室に戻す手段とを備えたことを特徴とする木材の人工乾燥システム。
5. 前記蒸発器で冷却除湿された後の空気の一部を排気する排気部と、該排気量の分だけ給気する給気部とを備えたことを特徴とする請求項４記載の木材の人工乾燥システム。
6. 超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒と前記エアヒータに熱源を供給する２次側熱媒体とを熱交換する加熱器と、該加熱器で熱交換した後のＣＯ_２冷媒と冷却除湿された空気とを熱交換して該空気を再加熱する空気加熱器を備えたことを特徴とする請求項４記載の木材の人工乾燥システム。
7. 超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒を前記エアヒータの前記乾燥室内の空気と接触する領域に導入した後、空気を再加熱する空気加熱器に戻す管路を設けたことを特徴とする請求項４記載の木材の人工乾燥システム。
8. 前記乾燥室内に設けられた温度センサ及び湿度センサと、
   前記給気部に設けられた給気ファンと、
   前記乾燥室内の空気を前記ヒートポンプの蒸発器に導入する除湿ファンと、
   前記温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒートポンプの圧縮機の駆動装置を制御するとともに、前記湿度センサで検知された湿度に基づいて前記給気ファン及び前記除湿ファンを制御するコントローラとを備えたことを特徴とする請求項５記載の木材の人工乾燥システム。
9. 冷却水を貯留した冷却水槽と、該冷却水槽と前記蒸発器との間で冷却水を循環させる管路とを備え、前記蒸発器で冷却され前記冷却水槽内に貯留した冷却水中に前記乾燥室内の空気を導入して冷却除湿するように構成したことを特徴とする請求項４記載の木材の人工乾燥システム。
10. 前記蒸発器と並列に外気から蒸発潜熱を吸収する空気採熱器を設け、乾燥初期運転時にＣＯ_２冷媒が該空気採熱器に導入されるように構成するとともに、
    超臨界圧まで圧縮して高温としたＣＯ_２冷媒と前記加湿器で噴霧される温水とを熱交換する加湿用加熱器を設け、乾燥初期運転時に前記加湿器から該温水を噴霧するように構成したことを特徴とする請求項４記載の木材の人工乾燥システム。
11. 前記蒸発器上流側の空気流路に排気部を設け、初期運転時に前記給気部から前記蒸発器を通って前記排気部に抜ける外気流路を形成させることを特徴とする請求項５記載の木材の人工乾燥システム。

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