(57)【要約】【課題】ヒートポンプ式乾燥機でＣＯＰを最大にする圧縮機吐出圧力を運転しながら求めることができ、これによって、常に高効率な運転を可能とする。【解決手段】乾燥室１０に供給する加熱空気の設定温度に基づいて吐出圧力の初期設定値を設定する第１工程と、該初期設定値となるようにヒートポンプ装置２０を運転し、圧縮機２２の吸入圧力及び吸入温度、吐出圧力及び吐出温度、及び凝縮器２３出口の冷媒温度を計測し、該計測値により該初期設定値でのＣＯＰを算出する第２工程と、同様にして該初期設定値と異なる少なくとも１点の吐出圧力を設定し、そのＣＯＰを算出する第３工程と、これらＣＯＰ算出値からＣＯＰが最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力を新たな設定値とする第４工程とからなり、第２〜第４工程を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置を運転状態の変化に対応して常にＣＯＰが最大となる吐出圧力で運転可能にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置を用い、外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気を製造し、該加熱空気を乾燥室に供給して乾燥室内の被乾燥物を乾燥するようにした乾燥方法において、
圧縮機吐出圧力の許容上限値以下の範囲内で、前記乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定する第１工程と、
該初期設定値となるようにヒートポンプ装置を運転すると共に、圧縮機の吸入圧力及び吸入温度、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度、及びガスクーラ出口の冷媒温度を計測し、該計測値に基づいて該初期設定値でのＣＯＰを算出する第２工程と、
前記第１工程の要領で該初期設定値と異なる少なくとも１点の圧縮機吐出圧力を設定し、前記第２工程の要領で前記計測値から該１点でのＣＯＰを算出する第３工程と、
該初期設定値及び該１点でのＣＯＰ算出値からＣＯＰが最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力を新たな設定値とする第４工程と、からなり、
前記第２工程〜第４工程を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置を運転状態の変化に対応して常にＣＯＰが最大となる吐出圧力で運転可能にしたことを特徴とする乾燥方法。
【請求項２】
圧縮機の回転数又は冷媒循環路の冷媒循環量を制御することにより、圧縮機吐出圧力を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の乾燥方法。
【請求項３】
前記第３工程で前記初期設定値と異なる少なくとも２点の圧縮機吐出圧力を設定し、前記第２工程の要領で前記計測値から該２点でのＣＯＰを算出すると共に、
該初期設定値及び該２点を通る二次曲線を求め、該二次曲線の微分値が零になる点をＣＯＰが極大になる点として新たな吐出圧力設定値とすることを特徴とする請求項１に記載の乾燥方法。
【請求項４】
ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置を用い、外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気を製造し、該加熱空気を乾燥室に供給して乾燥室内の被乾燥物を乾燥するようにした乾燥装置において、
冷媒循環路に設けられ、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒の保有熱で外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気をつくるガスクーラ、冷媒を減圧する膨張弁、及び冷媒を蒸発させる蒸発器と、
加熱空気を導入して被乾燥物を乾燥させる乾燥室、及びガスクーラで加熱した加熱空気を乾燥室に供給する加熱空気供給路と、
圧縮機の吸入圧力及び吸入温度、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度、及び凝縮器出口の冷媒温度を夫々計測する複数のセンサと、
前記乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定し、該初期設定値となるようにヒートポンプ装置の運転を制御し、前記複数のセンサの計測値を入力し、該初期設定値及び該初期設定値と異なる少なくとも１点の吐出圧力でのＣＯＰを算出し、これらのＣＯＰからＣＯＰ算出値が最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力となるようにヒートポンプ装置を運転すると共に、該吐出圧力を新たな設定値に設定するコントローラと、を備え、
該コントローラによる前記処理を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置を運転状態の変化に対応して常にＣＯＰが最大となる吐出圧力で運転可能に構成したことを特徴とする乾燥装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ装置を樹脂、木材、食品、衣類等の乾燥に適用し、ヒートポンプ装置のＣＯＰを最大にしてエネルギ効率の良い運転を可能にした乾燥方法及び乾燥装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ２を冷媒としたヒートポンプ装置は、圧縮機の吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転することにより、高温の加熱を効率良く行なえる特性を有していることから、給湯機として普及している。ＣＯ２給湯機は、水を高温高圧のＣＯ２冷媒の超臨界ガスと熱交換させるガスクーラ（加熱器）を用い、９０〜９５℃の高温水を製造できる。ガスクーラをフィンチューブ式の熱交換器とし、空気と熱交換させることにより、外気を１００℃以上に加熱することができる。この高温の加熱空気は、樹脂、木材、食品、衣類等の乾燥に利用が有望である。
【０００３】
特許文献１（特開２００７−１９２４６４号公報）には、ＣＯ２を冷媒としたヒートポンプ装置を木材の乾燥に適用し、エネルギ消費の低減と熱効率の向上を目的とした木材の乾燥システムが開示されている。この乾燥システムは、ヒートポンプ装置の蒸発工程でＣＯ２冷媒により乾燥室内の空気を冷却除湿し、ＣＯ２冷媒を超臨界圧まで加圧して高温としたＣＯ２冷媒の保有熱を乾燥室内の空気を加熱するエアヒータの熱源とし、該エアヒータで冷却除湿した空気を加熱することによって、乾燥用空気を効率良く製造可能にしたものである。
【０００４】
特許文献２（特開２００７−３０３７５６号公報）には、ＣＯ２を冷媒としたヒートポンプ装置を衣類等の乾燥に適用した乾燥システムが開示されている。この乾燥システムは、乾燥用空気を加熱する加熱器（ガスクーラ）に流入するＣＯ２冷媒の一部を該加熱器の上流側で必要放熱量に相当する流量だけ分岐させ、分岐したＣＯ２冷媒を外気に放熱させることにより、乾燥室に供給する乾燥用空気の温度を精度良く制御できるようにしたものである。
【０００５】
ヒートポンプ式給湯機では、ヒートポンプ装置への給水温度は、季節により７℃（冬季）〜２５℃（夏季）に変動する。ただし、１日の時間帯での変動は少ない。ヒートポンプ装置からの出湯温度は、６５〜９０℃であり、出湯を一旦貯湯槽に溜めてから利用している。出湯温度は、主として給水ポンプをインバータで調整することにより制御している。ヒートポンプ装置の熱源は外気であり、１日の時間帯での変動は少ない。
【０００６】
一方、ヒートポンプ装置を乾燥装置に適用した場合は、ヒートポンプ装置への給気は外気若しくは乾燥室からの排気、又は外気と排気の混合気であり、給気温度は、０℃程度（外気）〜７０℃程度（乾燥室の排気と外気との混合気）の範囲に亘る。乾燥装置への給気温度は、乾燥装置の仕様に合わせた幅広い温度域となり、乾燥工程における予熱期間や乾燥速度が含水率に伴い減少していく減率乾燥期間においては、乾燥装置への給気温度を変化させる必要がある。即ち、減率乾燥で対象物から水分が蒸発していくに従い、水蒸気分圧が減少するため、蒸発を促進するためには、乾燥温度を上げていく必要がある。そのため、ヒートポンプ装置から乾燥室に供給する温風の温度は、乾燥対象物及び乾燥工程により４０〜１２０℃と温度範囲が広く、リアルタイムで温風温度を制御することが要求される。
【０００７】
乾燥室に供給する温風の温度制御は、一定の温風量の条件下で、ヒートポンプ装置の圧縮機の回転数を制御して、冷媒循環量を制御することにより行なっている。また、ヒートポンプ装置の熱源は、外気や乾燥室の排気であり、これらの温度は０〜１００℃以上と広範囲に亘り、変動が大きい。
以上のように、乾燥装置に要求される運転条件は、給湯機と比べて幅が広く、かつ大きな変動条件の元での運転が多い。そのため、ヒートポンプ装置を幅広い運転条件で効率良く運転させる必要がある。
【０００８】
一方、１００℃以上の加熱空気を得るためのヒートポンプ装置として、ＣＯ２を冷媒とし、圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置が好適であり、かかるヒートポンプ装置が従来から用いられている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１９２４６４号公報
【特許文献２】特開２００７−３０３７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ヒートポンプ装置を効率良く運転するためには、運転状況に応じて圧縮機の吐出圧力を制御する必要がある。図７に、ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプ装置のモリエル線図を示す。図７において、α及びβは、ガスクーラ（加熱器）出口温度が同じ５０℃で、圧縮機の吐出圧力が異なるヒートポンプサイクルの例を示す。圧縮機の吐出圧力の横線の長さα１及びβ１が、ガスクーラによる加熱の比エンタルピ差（ｋＪ／ｋｇ）を示し、これに冷媒循環量（ｋｇ／ｓ）を掛けると、加熱量（ｋＷ）となる。
【００１１】
また、右側斜め上がりの線が圧縮機による圧縮仕事を表しており、その比エンタルピ差α２、β２に冷媒循環量を掛けると、圧縮機の動力（ｋＷ）となる。図７からわかるように、圧縮機の吐出圧力を高圧側へ（サイクルαからサイクルβ側へ）変動させることにより、ヒートポンプ装置の加熱量は増加し、圧縮機の動力も増加する。この加熱量と圧縮機の動力の比は、加熱におけるＣＯＰである。ＣＯＰは、臨界点ｋよりも高圧の領域では、等温線ｌが不規則に傾斜しているため、ガスクーラの出口温度に応じてＣＯＰが最大となる圧縮機吐出圧力の最適値が存在する。
【００１２】
この吐出圧力の最適値は、圧縮機の吸入圧力や吸入ガスの過熱度に応じても変化する。ヒートポンプ式給湯機の場合は、この最適値に影響を与える要因は、ガスクーラへの給水温度、ガスクーラからの出湯温度、給水流量及び外気温度であり、最適な吐出圧力は、おおよそ出湯温度及び外気温度の関数として導き出せる。
【００１３】
一方、ヒートポンプ式乾燥機の場合は、ガスクーラへの給気温度、ガスクーラ出口の空気温度、風量、乾燥室の排気温度（乾燥負荷）、外気温度、及び冷媒循環量であり、これらすべての変数の関数として最適な吐出圧力値を決める必要がある。
また、処理風量やガスクーラによる加熱温度に合わせて、ガスクーラとして用いられる熱交換器の管の列・段数や寸法を変える必要があり、熱交換器の形状が変わると、関数を変える必要がある。
【００１４】
このように、ヒートポンプ式乾燥機の場合は、前記パラメータの関数として、ＣＯＰを最大にする最適な圧縮機吐出圧力を導くには、変数が多く、かつガスクーラとして用いられる熱交換器の構造や形状に依存する関数を導出する必要がある。従って、最適な吐出圧力値を前記パラメータの関数として導き出すことは困難である。
【００１５】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ヒートポンプ式乾燥装置でＣＯＰを最大にする圧縮機吐出圧力を運転しながら求めることができ、かつ乾燥装置の運転状態にリアルタイムに対応して常に高効率な運転を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明の乾燥方法は、
ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置を用い外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気を製造し、該加熱空気を乾燥室に供給して乾燥室内の被乾燥物を乾燥するようにした乾燥方法において、
圧縮機吐出圧力の許容上限値以下の範囲内で、前記乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定する第１工程と、
該初期設定値となるようにヒートポンプ装置を運転すると共に、圧縮機の吸入圧力及び吸入温度、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度、及びガスクーラ出口の冷媒温度を計測し、該計測値に基づいて該初期設定値でのＣＯＰを算出する第２工程と、
前記第１工程の要領で該初期設定値と異なる少なくとも１点の圧縮機吐出圧力を設定し、前記第２工程の要領で前記計測値から該１点でのＣＯＰを算出する第３工程と、
該初期設定値及び該１点でのＣＯＰ算出値からＣＯＰが最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力を新たな設定値とする第４工程と、からなり、
前記第２工程〜第４工程を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置を運転状態の変化に対応して常にＣＯＰが最大となる吐出圧力で運転可能にしたものである。
【００１７】
本発明方法では、まず第１工程で、乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定する。この場合、該初期設定値は許容上限値を超えないようにする。許容上限値とは、圧縮機の吐出圧力や吐出温度が設計上の許容値を超えないように算定されたものである。
次に、第２工程で、吐出圧力を初期設定値に合わせてヒートポンプ装置を運転すると共に、前記各計測値から該初期設定値でのＣＯＰを算出する。
【００１８】
次に、第３工程で、該初期設定値近辺の少なくとも１点の吐出圧力を第１工程の要領で選び、該１点のＣＯＰを第２工程の要領で算出する。第４工程で、初期設定値を含むこれら２点のＣＯＰから、ＣＯＰが最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力を新たな設定値とする。
この算出方法は、例えば、この２点を通る直線の傾きの正負でＣＯＰの大小を判定し、ＣＯＰが大きいほうの吐出圧力を新たな設定値とする。別な算出方法として、初期設定値のほかに２点のＣＯＰを算出し、これら３点を通る二次曲線の微分値を算出し、該微分値が零となる吐出圧力をＣＯＰが最大となると判定し、この吐出圧力を新たな設定値とする。
【００１９】
ヒートポンプ装置を運転しながら、第２工程〜第４工程を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置の運転状態の変化に対応して、リアルタイムでＣＯＰが最大となる吐出圧力を求めることができる。これによって、加熱器として用いられる熱交換器の構造や形状、又はヒートポンプ装置の運転条件が変わっても、常に最高のＣＯＰでヒートポンプ装置を運転することができる。
【００２０】
本発明方法では、ヒートポンプ装置の冷媒としてＣＯ２を用い、ヒートポンプ装置を圧縮機吐出圧力が臨界圧力以上の超臨界状態で運転することにより、加熱空気を１００℃以上に加熱可能にすることができる。
【００２１】
本発明方法において、圧縮機の回転数又は冷媒循環路の冷媒循環量を制御することにより、圧縮機吐出圧力を制御するようにするとよい。これによって、吐出圧力を容易にかつ精度良く制御できる。冷媒循環量を制御する手段としては、従来公知の手段を用いればよい。例えば、冷媒循環路にレシーバを介設し、該レシーバ内の冷媒循環量を調節することにより、冷媒循環路の冷媒循環量を制御する。あるいは、冷媒循環路に、加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上の保持した超臨界冷媒タンクを併設し、該超臨界冷媒タンクから冷媒を冷媒循環路に出し入れする等の手段がある。
【００２２】
また、本発明方法において、前記第３工程で初期設定値と異なる少なくとも２点の圧縮機吐出圧力を設定し、前記第２工程の要領で前記計測値から該２点でのＣＯＰを算出すると共に、該初期設定値及び該２点を通る二次曲線を求め、該二次曲線の微分値が零になる点をＣＯＰが最大になる点として新たな吐出圧力設定値とするとよい。
これによって、ＣＯＰが最大になる吐出圧力を迅速にかつ効率良く求めることができる。
【００２３】
次に、前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の乾燥装置は、
ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置を用い外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気を製造し、該加熱空気を乾燥室に供給して乾燥室内の被乾燥物を乾燥するようにした乾燥装置において、
冷媒循環路に設けられ、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒の保有熱で外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気をつくるガスクーラ、冷媒を減圧する膨張弁、及び冷媒を蒸発させる蒸発器と、
加熱空気を導入して被乾燥物を乾燥させる乾燥室、及びガスクーラで加熱した加熱空気を乾燥室に供給する加熱空気供給路と、
圧縮機の吸入圧力及び吸入温度、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度、及びガスクーラ出口の冷媒温度を夫々計測する複数のセンサと、
前記乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定し、該初期設定値となるようにヒートポンプ装置の運転を制御し、前記複数のセンサの計測値を入力し、該初期設定値及び該初期設定値と異なる少なくとも１点の吐出圧力でのＣＯＰを算出し、これらのＣＯＰからＣＯＰ算出値が最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力となるようにヒートポンプ装置を運転すると共に、該吐出圧力を新たな設定値に設定するコントローラと、を備え、
該コントローラによる前記処理を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置を運転状態の変化に対応して常にＣＯＰが最大となる吐出圧力で運転可能に構成したものである。
【００２４】
本発明装置では、前記コントローラにより、吐出圧力の初期設定値の設定と、該初期設定値近辺の少なくとも１点の吐出圧力を設定し、これら２点のＣＯＰを算出し、ＣＯＰが最大となる設定値を新たな設定値として、この新設定値に吐出圧力を制御していく。ヒートポンプ装置を運転しながら、この操作を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置の運転条件が変化してもリアルタイムに対応して、常に最高のＣＯＰでヒートポンプ装置を運転することができる。
これによって、加熱器として用いられる熱交換器の構造や形状又はヒートポンプ装置の運転条件が変わっても、これに左右されず、常に最高のＣＯＰでヒートポンプ装置を運転することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明方法によれば、ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置を用い外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気を製造し、該加熱空気を乾燥室に供給して乾燥室内の被乾燥物を乾燥するようにした乾燥方法において、圧縮機吐出圧力の許容上限値以下の範囲内で、前記乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定する第１工程と、該初期設定値となるようにヒートポンプ装置を運転すると共に、圧縮機の吸入圧力及び吸入温度、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度、及びガスクーラ出口の冷媒温度を計測し、該計測値に基づいて該初期設定値でのＣＯＰを算出する第２工程と、前記第１工程の要領で該初期設定値と異なる少なくとも１点の圧縮機吐出圧力を設定し、前記第２工程の要領で前記計測値から該１点でのＣＯＰを算出する第３工程と、該初期設定値及び該１点でのＣＯＰ算出値からＣＯＰが最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力を新たな設定値とする第４工程とからなり、第２工程〜第４工程を繰り返すことにより、ヒートポンプ式乾燥装置でＣＯＰを最大にする圧縮機吐出圧力を運転しながら求めることができる。
【００２６】
そして、この吐出圧力でヒートポンプ装置を運転することにより、ヒートポンプ装置を常に最高のＣＯＰで効率良く運転できる。従って、ＣＯＰに影響を与える要因を考慮する必要なく、常に最高のＣＯＰでヒートポンプ装置を運転することができる。
【００２７】
また、本発明装置によれば、ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転するヒートポンプ装置を用い外気を加熱するか又は乾燥室の排気を再加熱して加熱空気を製造し、該加熱空気を乾燥室に供給して乾燥室内の被乾燥物を乾燥するようにした乾燥装置において、冷媒循環路に設けられ、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒の保有熱で外気を加熱し加熱空気をつくるガスクーラ、冷媒を減圧する膨張弁、及び冷媒を蒸発させる蒸発器と、加熱空気を導入して被乾燥物を乾燥させる乾燥室、及び凝縮器で加熱した加熱空気を乾燥室に供給する加熱空気供給路と、圧縮機の吸入圧力及び吸入温度、圧縮機の吐出圧力及び吐出温度、及びガスクーラ出口の冷媒温度を夫々計測する複数のセンサと、前記乾燥室に供給する加熱空気の設定温度に基づいて圧縮機吐出圧力の初期設定値を設定し、該初期設定値となるようにヒートポンプ装置の運転を制御し、前記複数のセンサの計測値を入力し、該初期設定値及び該初期設定値と異なる少なくとも１点の吐出圧力でのＣＯＰを算出し、これらのＣＯＰからＣＯＰ算出値が最大となる吐出圧力を求め、該吐出圧力となるようにヒートポンプ装置を運転すると共に、該吐出圧力を新たな設定値に設定するコントローラと、を備え、該コントローラによる前記処理を繰り返し、ヒートポンプ装置を運転状態の変化に対応して常にＣＯＰが最大となる吐出圧力で運転可能に構成したことにより、ヒートポンプ式乾燥装置でＣＯＰを最大にする圧縮機吐出圧力を運転しながら求めることができ、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態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、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２９】
本発明をＣＯ２を冷媒とするヒートポンプ装置を乾燥装置に適用した一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る乾燥装置１の全体構成図である。
図１において、乾燥装置１は、被乾燥物ｄ（例えば、樹脂、木材、食品、衣類等）を乾燥するための密閉空間を有する乾燥室１０と、乾燥室１０に加熱空気を供給するヒートポンプ装置２０とから構成されている。
【００３０】
ヒートポンプ装置２０は、ＣＯ２冷媒が循環する循環路２１（高圧部２１ａ及び低圧部２１ｂからなる）に、駆動モータ２２ａにより回転駆動されて、ＣＯ２冷媒を臨界点ｋを超えて超臨界圧まで圧縮する圧縮機２２と、圧縮されて高圧高温状態となったＣＯ２冷媒を外気と熱交換させて外気を加熱するガスクーラ２３と、高圧のＣＯ２冷媒を減圧する膨張弁２４と、膨張弁２４で減圧されたＣＯ２冷媒を蒸発させ、乾燥室１０から排出された排気から蒸発潜熱を奪って冷却させる蒸発器２５と、蒸発器２５を出て圧縮機２２に向うＣＯ２冷媒とガスクーラ２３から出た高温のＣＯ２冷媒とを熱交換させて、圧縮機２２に吸入されるＣＯ２冷媒を予熱する熱交換器２６とが介設されている。
【００３１】
乾燥室１０には、被乾燥物ｄの乾燥に供される加熱空気の循環路１１が接続され、循環路１１ではファン１２が介設されて、乾燥室１０及び循環路１１を通る加熱空気の循環流が形成され、この循環流によって被乾燥物ｄを乾燥させる。外気導入路１３がガスクーラ２３に接続され、外気導入路１３に介設されたファン１４により、外気ａが外気導入路１３に導入され、ガスクーラ２３に供給される。外気ａはガスクーラ２３でＣＯ２冷媒と熱交換して加熱され、加熱空気となった後、加熱空気供給路１５を経て循環路１１に供給される。
【００３２】
乾燥室１０で被乾燥物ｄの乾燥に供した後の排気ｅは、排気路１６を経て蒸発器２５に導入され、蒸発器２５でＣＯ２冷媒と熱交換されて冷却される。その後、排気ｅは、排気路１７を経て排気される。なお、排気路１７には、外気導入路１３に接続された分岐路１８が接続され、分岐路１８にダンパ１９が設けられている。場合により、ダンパ１９を開くことにより、排気ｅの一部は、分岐路１８を経て外気導入路１３に供給される。
こうして、外気ａに排気ｅを混合することにより、ガスクーラ２３に供給される外気ａの温度を広範囲に調整できる。
【００３３】
ヒートポンプ装置２０には、ヒートポンプ装置２０の運転を制御するコントローラ３０が設けられている。また、ＣＯ２冷媒の圧縮機吸入圧力Ｐ１を計測するセンサ３１と、ＣＯ２冷媒の圧縮機吸入温度Ｔ１を計測するセンサ３２と、ＣＯ２冷媒の圧縮機吐出圧力Ｐ２を計測するセンサ３３と、ＣＯ２冷媒の圧縮機吐出温度Ｔ２を計測するセンサ３４と、ガスクーラ出口のＣＯ２冷媒温度Ｔ３を計測するセンサ３５と、ガスクーラ出口の加熱空気温度Ｔ４を計測するセンサ３６とが設けられている。
コントローラ３０は、これら各センサの計測信号に基づいて、ヒートポンプ装置２０の運転を制御する。
【００３４】
次に、コントローラ３０の構成を図２により説明する。図２において、コントローラ３０は、ガスクーラ出口の空気温度設定値ＴＳ，センサ３１によるＣＯ２冷媒の圧縮機吸入圧力計測値Ｐ１、及びセンサ３２によるＣＯ２冷媒の圧縮機吸入温度計測値Ｔ１に基づいて、圧縮機吐出圧力の上限値ＰＬを算出する吐出圧力上限値算出手段３７と、圧縮機吐出圧力の初期設定値ＰＳ１及び該初期設定値と異なる２点の吐出圧力設定値ＰＳ２及びＰＳ３を設定する吐出圧力設定手段３８と、これら３点の吐出圧力におけるＣＯＰ値を算出する手段３９と、これら３点のＣＯＰからＣＯＰが最大となる吐出圧力を判定する手段４０と、各計測値及びＣＯＰ算出値を記憶させるメモリ４１とから構成されている。
【００３５】
かかる構成を有する本実施形態において、乾燥装置１の運転手順を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３において、まず吐出圧力上限値算出手段３７に、ガスクーラ２３で加熱して乾燥室１０に供給する加熱空気の温度設定値ＴＳを入力する（ステップ１）。次に、センサ３１〜３６の各計測値をコントローラ３０に取り込む（ステップ２）。
次に、吐出圧力上限値算出手段３７で、センサ３１の圧縮機吐出圧力計測値Ｐ１及びセンサ３２の圧縮機吐出温度計測値Ｔ１から、圧縮機吐出圧力の上限値ＰＬ１を算出する（ステップ３）。上限値ＰＬ１は、ＣＯ２冷媒の圧縮機吐出圧力・温度が、設計上の許容圧力・温度を超えないように設定するものである。
【００３６】
次に、ヒートポンプ装置２０の自動運転を確認する（ステップ４）。次に、吐出圧力設定手段３８で、加熱空気の温度設定値ＴＳに対して、吐出圧力上限値ＰＬ１の範囲内で、吐出圧力の初期設定値ＰＳ１を設定する（ステップ５）。そして、乾燥装置１の稼動を開始する（ステップ６）。その後、各センサ３１〜３６からコントローラ３０への各計測値の取り込みを随時行ないながら運転を続ける。この計測値取り込みは、一定時間間隔Δｔで行なっていく。
【００３７】
圧縮機２２の起動後、一定時間（Δｔ１）経過した後、ガスクーラ出口の空気温度Ｔ４が設定値ＴＳに達せず、かつ圧縮機回転数が上限設定値以上である場合には、吐出圧力初期設定値ＰＳ１を変更する（ステップ７）。即ち、初期設定値ＰＳ１を例えば（ＰＳ１＋ΔＰ３）に増加する。圧縮機吐出圧力の変更は、コントローラ３０によって圧縮機２２の駆動モータ２２ａの回転数を制御することで行なう。
別な手段として、前述のように、冷媒循環路にレシーバを介設したり、あるいは冷媒循環路に、超臨界冷媒タンクを併設して、冷媒循環量を変更するようにしてもよい。
【００３８】
ガスクーラ出口の空気温度Ｔ４が設定値ＴＳに達しているか、又は圧縮機回転数が上限設定値に達している場合には、ＣＯＰ算出手段３９で、吐出圧力初期設定値ＰＳ１におけるＣＯＰを算出する（ステップ８）。
即ち、図８において、吸入圧力Ｐ１及び吸入温度Ｔ１から、吸入エンタルピｈｓを算出し、吐出圧力Ｐ２及び吐出温度Ｔ２から吐出エンタルピｈｄを算出し、吐出圧力Ｐ２及びガスクーラ出口冷媒温度Ｔ３から、ガスクーラ出口エンタルピｈｇを算出する。これらの値から、計算式（ＣＯＰ＝（ｈd−ｈg）／（ｈd−ｈs））を用いて、吐出圧力初期設定値ＰＳ１におけるＣＯＰ（ＣＯＰ１）を算出する。そして、吐出圧力設定値ＰＳ１及びＣＯＰ１をメモリ４１に記憶する。
【００３９】
吐出圧力の変動（公差±ΔＰ２）を考慮して、この手順を繰り返して（１０回程度）、ＣＯＰ１の１０回程度のデータを得る（ステップ９）。次に、ＣＯＰ１のデータの平均値を算出する（ステップ１０）。データ数は１０回でなくても良く、精度が確保できる回数を適宜選択する。
次に、センサ３１〜３６から各計測値をコントローラ３０に取り込み、リアルタイムのヒートポンプ装置２０の運転データを得る（ステップ１１）。吐出圧力上限値算出手段３７で、これらの運転データから、ステップ３と同じ方法で、圧縮機吐出圧力上限値ＰＬ２を算出する（ステップ１２）。
【００４０】
次に、吐出圧力算出手段３７で、吐出圧力初期設定値ＰＳ１の近辺から初期設定値ＰＳ１とは異なる吐出圧力設定値ＰＳ２（例えば、ＰＳ２＝ＰＳ１＋ΔＰ１）を選定する（ステップ１３）。設定値ＰＳ２は上限値ＰＬ２を超えない範囲とする。
次に、センサ３１〜３５の各計測値から、ステップ８と同じ要領で、設定値ＰＳ２でのＣＯＰ（ＣＯＰ２）を算出し、吐出圧力設定値ＰＳ２及びＣＯＰ２の平均値をメモリ４１に記憶する（ステップ１４）。同様の手順で設定値ＰＳ２でのＣＯＰの算出を１０回程度行い（ステップ１５）、その平均値を算出する。（ステップ１６）。
【００４１】
次に、またセンサ３１〜３６からの各計測値をコントローラ３０に取り込む（ステップ１７）。次に、これら各計測値に基づいて、圧縮機吐出圧力の上限値ＰＬ３を算出する（ステップ１８）。そして、上限値ＰＬ３を超えない範囲で、初期設定値ＰＳ１の近辺で初期設定値ＰＳ１と異なる吐出圧力設定値ＰＳ３（例えば、ＰＳ３＝ＰＳ１−ΔＰ１）を選定する（ステップ１９）。次に、設定値ＰＳ３でのＣＯＰ値（ＣＯＰ３）を算出し、吐出圧力設定値ＰＳ３及びＣＯＰ３をメモリ４１に記憶する（ステップ２０）。次に、同様の手順で設定値ＰＳ３でのＣＯＰの算出を１０回程度行い（ステップ２１）、その平均値を計算する（ステップ２２）。
【００４２】
そして、ＣＯＰ１、ＣＯＰ２及びＣＯＰ３の夫々の平均値の中から、最大ＣＯＰ判定手段４０でＣＯＰが最大となる吐出圧力を選択する。そして、コントローラ３０で該吐出圧力になるように圧縮機２２の駆動モータ２２ａを制御する。同時に、該吐出圧力を新たな吐出圧力設定値とし、該新設定値を初期設定値として、ステップ５に戻り、同様の手順でＣＯＰ値を算出する（ステップ２３）。
以下、ＣＯＰが最大となる吐出圧力の算出方法を図４に基づいて説明する。図４は、ＣＯＰ値を縦軸に、圧縮機吐出圧力設定値を横軸に取ったグラフである。図４において、まず、前記処理工程で算出した３点ｂ１（ＰＳ１、ＣＯＰ１の平均値）、ｂ２（ＰＳ２、ＣＯＰ２の平均値）及びｂ３（ＰＳ３、ＣＯＰ３の平均値）を図４のグラフにプロットする。
【００４３】
次に、該３点を通る二次曲線ｂを求め、二次曲線ｂの微分値が零になる極大点ｃを求める。この極大点ｃでＣＯＰ値が最大となるので、圧縮機吐出圧力が極大点ｃとなるようにコントローラ３０でヒートポンプ装置２０の運転を制御する。
さらに、この極大点ｃを新たな吐出圧力初期設定値として、前記処理工程を繰り返すことにより、ヒートポンプ装置２０の運転状態を常にリアルタイムで把握し、該運転状態に対応して、ＣＯＰ値が最大となる吐出圧力で常にヒートポンプ装置２０を運転することができる。
【００４４】
なお、前記３点を通る二次曲線を求める代わりに、前記３点のうち、任意の２点を通る２本の直線を引き、これらの直線の傾きから、該３点のうちでＣＯＰが最大となる点を求めるようにしてもよい。そして、圧縮機吐出圧力をその最大点になるように運転すると共に、その最大点を新たな初期設定値として、同様の処理工程を繰り返すようにする。図５にその一例を示す。
図５において、点ｂ１及びｂ２を通る直線ｆ１と、点ｂ１及びｂ３を通る直線ｆ２を引く。直線ｆ１及びｆ２の傾きを求めることにより、３点のうちｂ３でＣＯＰ値が最大となることがわかる。そして、吐出圧力をｂ３になるようにヒートポンプ装置２０を運転すると共に、ｂ３を新たな初期設定値として、同様の処理工程を繰り返す。この処理工程を繰り返すことによって、ＣＯＰが真に最大となる吐出圧力に限りなく近づくことができる。
【００４５】
あるいは、さらに別な算出方法として、吐出圧力の初期設定値以外に、初期設定値とは異なる１つの吐出圧力設定値を設定し、これら２点を結ぶ直線を引き、この直線の傾きから、ＣＯＰが大きいほうの点を判定する。この大きいほうの点を新たな初期設定値とし、同様の処理を繰り返すようにしてもよい。これによって、図５の算出方法と同様に、ＣＯＰが真に最大となる吐出圧力に限りなく近づくことができる。
【００４６】
図４又は図５に示す算出方法のうち、図５に示す算出方法は、１回の操作でＣＯＰが最大値となる二次曲線ｂの極大点ｃを見出すことができるので、処理スピードを速めることができる利点がある。
【００４７】
図６に、ＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプ装置において、ＣＯ２冷媒の圧縮機吸入圧力（絶対値）、吸入過熱度、及びガスクーラ出口でのＣＯ２冷媒と加熱空気との温度差を一定にして、圧縮機吐出圧力を変えた場合の吐出圧力とＣＯＰの関係を示す。図６から、ＣＯＰが最大となる吐出圧力の最適値が存在することがわかる。従って、吐出圧力の初期設定値が最適値の付近にあれば、図５に示す算出方法により、ＣＯＰが最大となる吐出圧力値を迅速かつ効率的に求めることが可能になる。
【００４８】
なお、ガスクーラ出口における冷媒と加熱空気との温度差は、ガスクーラとして用いられる熱交換器の形状、風量、加熱空気のガスクーラ入口温度及び出口温度、圧縮機吐出圧力又は冷媒循環量によって、変わるため、ＣＯＰをこれら変数の関数として求めることは困難である。
【００４９】
本実施形態によれば、ヒートポンプ装置２０の運転中に、センサ３１〜３６の各計測値をコントローラ３０に入力しながら、ＣＯＰが最大となる吐出圧力を求めることができるので、ヒートポンプ装置２０の運転状態が変動しても、運転状態の変動に追従してリアルタイムに最適なＣＯＰ値を求めることができる。そのため、常に最適のＣＯＰでヒートポンプ装置２０を運転できる。
従って、ヒートポンプ装置２０のＣＯＰを左右する複雑な変動要因を考慮することなく、最適なＣＯＰでの運転が可能となる。
【００５０】
また、ヒートポンプ装置２０の冷媒としてＣＯ２を用い、ヒートポンプ装置２０を圧縮機吐出圧力が臨界圧力以上の超臨界状態で運転することにより、加熱空気を１００℃以上に加熱することができる。従って、被乾燥物ｄの乾燥に供される加熱空気の温度幅を広く設定することができる。
【００５１】
また、吐出圧力の初期設定値ＰＳ１及び初期設定値ＰＳ１と異なる２点の設定値ＰＳ２、ＰＳ３で、複数回の計測を行って夫々複数のＣＯＰ値を算出し、これら複数のＣＯＰ算出値の平均値を求めるようにしているので、ＣＯＰ値の算出精度を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、樹脂、木材、食品、衣類等の乾燥に適用され、ヒートポンプ装置を組み込んだ乾燥装置において、ヒートポンプ装置のＣＯＰを最大にして熱効率の良い運転を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る乾燥装置の全体構成図である。
【図２】前記実施形態に係る乾燥装置の制御系のブロック線図である。
【図３】前記実施形態に係る乾燥装置の操作手順を示すフローチャートである。
【図４】前記実施形態に係る乾燥装置でＣＯＰの最大値を求める方法を説明する線図である。
【図５】前記実施形態に係る乾燥装置でＣＯＰの最大値を求める別な方法を説明する線図である。
【図６】ヒートポンプ装置で圧縮機吐出圧力とＣＯＰとの関係を示す線図である。
【図７】ＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプ装置のモリエル線図である。
【符号の説明】
【００５４】
１              乾燥装置
１０            乾燥室
１５            加熱空気供給路
２０            ヒートポンプ装置
２１            ＣＯ２冷媒循環路
２２            圧縮機
２３            ガスクーラ（凝縮器）
２４            膨張弁
２５            蒸発器
３０            コントローラ
３１〜３６      センサ
ａ              外気
ｄ              被乾燥物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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