真空乾燥装置
【課題】 簡素な構成とするとともに、熱エネルギーの消費を少なくすることができる真空乾燥装置を提供する。
【解決手段】 真空乾燥装置Ｍ１は、被乾燥物Ｄを収容する乾燥室１１を備える乾燥タンク１および乾燥室１１内を真空にするオイル型真空ポンプ２を備えている。また、乾燥タンク１とオイル型真空ポンプ２とは、流通管４，５で接続されており、流通管４，５には、水蒸気を凝縮させるコールドトラップ３が設けられている。乾燥タンク１とコールドトラップ３とには、それぞれヒートポンプ６が接続されている。乾燥室１１で蒸発した被乾燥物Ｄの水分は、水蒸気となってコールドトラップ３まで搬送され、コールドトラップ３では、水蒸気が凝縮して水となる。ヒートポンプ６は、コールドトラップ３における凝縮熱を乾燥タンク１に移動させ蒸発熱として利用する。
【解決手段】 真空乾燥装置Ｍ１は、被乾燥物Ｄを収容する乾燥室１１を備える乾燥タンク１および乾燥室１１内を真空にするオイル型真空ポンプ２を備えている。また、乾燥タンク１とオイル型真空ポンプ２とは、流通管４，５で接続されており、流通管４，５には、水蒸気を凝縮させるコールドトラップ３が設けられている。乾燥タンク１とコールドトラップ３とには、それぞれヒートポンプ６が接続されている。乾燥室１１で蒸発した被乾燥物Ｄの水分は、水蒸気となってコールドトラップ３まで搬送され、コールドトラップ３では、水蒸気が凝縮して水となる。ヒートポンプ６は、コールドトラップ３における凝縮熱を乾燥タンク１に移動させ蒸発熱として利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空乾燥装置に係り、特に、泥水や海水等の塩水などの被乾燥物から水分を蒸発させて被乾燥物を乾燥する真空乾燥装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物を廃棄する際、廃棄物中の水分を蒸発させて廃棄物を乾燥させることにより、廃棄物の処理が容易になることが知られている。このような廃棄物としては、有機性廃棄物や汚泥など、さらには、トンネル等で発生する泥水などがある。さらに、海水を淡水化させる場合、浸出水や膜処理によって発生する濃縮水の乾燥を行う場合などもある。
【０００３】
海水や濃縮水、さらには、泥水などの被乾燥物を乾燥させる真空乾燥装置として、従来、真空タンクを用いた乾燥装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この乾燥装置は、廃棄物を入れる真空タンクと、その真空タンクからの水蒸気を圧縮する水蒸気圧縮機を備えている。また、真空タンクと熱的に結合された水蒸気凝縮器を備えるとともに、水蒸気凝縮器からの不凝縮性ガスを自発的に排出する不凝縮性ガス排出手段および水蒸気凝縮器からの凝縮水を自発的に排出する凝縮水排出手段を備えている。
【０００４】
水蒸凝縮器によって水蒸気を凝縮する際には、凝縮熱が発生する。ここで、上記特許文献１に開示された真空乾燥装置では、真空タンク内に水蒸気凝縮器が設けられている。このため、水蒸気凝縮する際に発生する凝縮熱によって真空タンク内を加熱することができ、真空タンク内の廃棄物の乾燥に寄与するというものである。
【０００５】
また、この種の真空乾燥装置において、汚泥に含まれる水分を凝縮して得られる熱をヒートポンプによって回収し、汚泥を乾燥させる際の熱源として利用する汚泥乾燥装置がある（たとえば、特許文献２参照）。この汚泥乾燥装置は、真空乾燥機とエゼクタとを備えており、エゼクタによって真空乾燥機の内部を減圧する。また、真空乾燥機とエゼクタとの間にコンデンサが配設されており、真空乾燥機の排気を凝縮している。さらに、コンデンサには、ヒートポンプから冷却水が循環供給され、排気と冷却水との間で熱交換を行う。また、ヒートポンプは、真空乾燥機に対してヒートポンプ蒸気を供給して、真空乾燥機内の汚泥を乾燥する。さらに、冷却水は、排気およびコンデンサから熱を奪って冷却排水となり、ヒートポンプ蒸気は、汚泥に熱を与えることによって液化して加熱媒体となる。そして、ヒートポンプは、冷却排水と加熱媒体との間で熱交換を行い、冷却排水を冷却水とし、加熱媒体をヒートポンプ蒸気とする。こうして、汚泥を乾燥するための消費エネルギーを低減するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２６６５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５８６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に開示された乾燥装置では、真空タンク内の水蒸気を圧縮する圧縮機を用いている。このため、装置全体が大掛かりとなってしまうという問題があった。真空タンク内の水蒸気については、たとえば圧縮機よりも装置構成が簡素である真空ポンプなどを用いて吸引することが考えられる。
【０００８】
ところが、真空ポンプを用いて真空タンク内の水蒸気を吸引する場合、真空ポンプの上流側で水蒸気を凝縮させることとなる。このため、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を真空タンク（乾燥タンク）内の廃棄物（被乾燥物）の乾燥に利用することが難しくなってしまうという問題があった。
【０００９】
また、上記特許文献２に開示された汚泥乾燥装置では、汚泥を乾燥して得られる気体を凝縮する際に、コンデンサ（凝縮器）を用いている。このため、コンデンサを冷却するための冷却装置（冷却塔）としてヒートポンプを用いる必要があること等から、複数のヒートポンプを用いている。したがって、装置全体が大型化してしまうという問題があった。また、真空乾燥機に対して、ヒートポンプからヒートポンプ蒸気を供給している。ここで、真空乾燥機内は減圧されているものの、ヒートポンプ内は減圧されていないことから、ヒートポンプ蒸気を１００℃以上とする必要がある。このため、ヒートポンプ蒸気を加熱せざるを得ないことがあり、その分、多くの熱エネルギーを消費してしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、簡素な構成とするとともに、熱エネルギーの消費を少なくすることができる真空乾燥装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決した本発明に係る真空乾燥装置は、被乾燥物を収容し、収容した被乾燥物における水分を蒸発させて乾燥する乾燥タンクと、乾燥タンク内を減圧する真空ポンプと、乾燥タンク内を減圧する際に乾燥タンクから排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を吸熱し、乾燥タンクに供給するヒートポンプと、を備え、ヒートポンプは、凝縮側熱媒を介して凝縮熱を吸熱し、蒸発側熱媒を介して凝縮熱を乾燥タンクに供給することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る真空乾燥装置では、乾燥タンクを減圧するにあたり、真空ポンプを用いている。このため、水蒸気圧縮器などの大掛かりな設備を要することなく、簡素な構成とすることができる。また、乾燥タンク内は真空ポンプによって真空状態とされているため、被乾燥物に含まれる水分は１００℃以下の温度で蒸発する。ここで、蒸発側熱媒としてヒートポンプ蒸気を用いた場合、ヒートポンプ蒸気は１００℃以上であることから、被乾燥物に含まれる水分を蒸発させるためには余剰の熱が加えられていることとなる。この点、本発明に係る真空乾燥装置において、ヒートポンプは、凝縮側熱媒を介して凝縮熱を吸熱し、蒸発側液体熱媒を介して凝縮熱を乾燥タンクに供給する。このため、１００℃未満の温度で凝縮熱を乾燥タンクに供給することができる。したがって、熱エネルギーの消費を少なくすることができる。
【００１３】
ここで、真空ポンプがオイル型真空ポンプであり、オイル型真空ポンプには、油水分離装置が接続されており、真空ポンプと乾燥タンクとの間に、乾燥タンクから排出された蒸気を凝縮するコールドトラップが設けられており、ヒートポンプは、コールドトラップで凝縮された蒸気の凝縮熱を吸熱するようにすることができる。
【００１４】
このように、真空ポンプがオイル型真空ポンプである場合、真空ポンプと乾燥タンクとの間にコールドトラップを配設し、コールドトラップで蒸気を凝縮することにより、蒸気が真空ポンプにおけるオイルと混入することを防止できる。ここで、コールドトラップで凝縮された蒸気の凝縮熱を吸収することにより、効率的に凝縮熱の吸熱を行うことができる。
【００１５】
また、コールドトラップと、真空ポンプとが、配管で接続され、コールドトラップから排出される蒸気が配管を流通可能とされており、配管に圧力調整弁が設けられているようにすることができる。
【００１６】
このように、配管に圧力調整弁が設けられていることにより、乾燥タンク内およびコールドトラップ内の圧力関係を調整し、乾燥タンクにおける蒸発促進やコールドトラップにおける凝縮促進を行うにあたって、好適な圧力で乾燥タンク内を減圧するとともに、蒸気の凝縮を行うことができる。
【００１７】
さらに、真空ポンプが水封型真空ポンプであり、ヒートポンプは、水封型真空ポンプによって乾燥タンク内から排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を水封型真空ポンプ内から吸熱するようにすることができる。
【００１８】
このように、真空ポンプとして水封型真空ポンプを用いる場合、蒸気は水封型真空ポンプまで搬送され、水封型真空ポンプ内で凝縮する。このため、蒸気の凝縮による凝縮熱を水封型真空ポンプ内から吸熱することにより、蒸気の凝縮熱を好適に吸熱することができる。
【００１９】
そして、ヒートポンプは、外気との間で熱交換を行う熱交換器を備えるようにすることができる。
【００２０】
このように、ヒートポンプは、外気との間で熱交換を行う熱交換器を備えることにより、真空ポンプと乾燥タンクとの間の熱バランスが悪い場合に、外気との熱交換を付加的に行い、熱バランスの調整を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る真空乾燥装置によれば、簡素な構成とするとともに、水蒸気の凝縮熱を乾燥物の乾燥に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。
【図２】第２の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１は、被乾燥物を収容して乾燥する乾燥タンク１、オイル型真空ポンプ２、およびコールドトラップ３を備えている。また、真空乾燥装置Ｍ１は、上流側流通管４および下流側流通管５を備え、さらに、ヒートポンプ６を備えている。乾燥タンク１とコールドトラップ３とは、水蒸気などの気体（蒸気）が流通可能とされた上流側流通管４によって接続されており、コールドトラップ３とオイル型真空ポンプ２とは、やはり水蒸気が流通可能とされた下流側流通管５によって接続されている。
【００２５】
乾燥タンク１は、乾燥室１１を備えており、乾燥室１１の周囲には加温ジャケット１２が配設されている。乾燥室１１には、被乾燥物Ｄとして汚泥や海水等の塩水などが収容される。また、乾燥室１１には、上流側流通管４の先端側が接続され、乾燥室１１は上流側流通管４と連通している。加温ジャケット１２は、ヒートポンプ６から循環供給される蒸発側熱媒が流通可能とされている。蒸発側熱媒としては、液体熱媒（たとえば水）や冷媒蒸気などが用いられている。さらに、乾燥室１１の下部には、乾燥された被乾燥物Ｄを排出する排出口１３が形成されている。
【００２６】
なお、乾燥タンク１としては、加温ジャケット１２を有するジャケット型のもののほか、加熱プレートを備えるプレート型のものを用いることもできる。さらに、乾燥室１１にフィンを形成し、伝熱性を高めることもできる。この場合、フィンは、上部では長く、下部では短く、かつ伝熱面よりもフィン開口の大きさが小さくならないようにすることが好適である。また、乾燥室１１に伝熱処理を施すこともできる。
【００２７】
また、乾燥タンク１は、コールドトラップ３およびオイル型真空ポンプ２と接続されている。このうち、オイル型真空ポンプ２とコールドトラップ３との間には、下流側流通管５が配管され、コールドトラップ３と乾燥タンク１との間には、上流側流通管４が配管されている。
【００２８】
オイル型真空ポンプ２は、ポンプ本体２１と油水分離装置２２とを備えている。ポンプ本体２１は、オイルを循環させることによって気体を吸引する吸引力を発揮する。ポンプ本体２１には、下流側流通管５の後端側が接続されており、ポンプ本体２１は下流側流通管５と連通している。ポンプ本体２１の吸引力は、流通管４，５およびコールドトラップ３を介して乾燥タンク１の乾燥室１１に作用し、乾燥室１１内を減圧して、乾燥室１１内に真空状態を形成する。
【００２９】
油水分離装置２２は、ポンプ本体２１に接続されており、ポンプ本体２１に混入した水分をポンプ本体２１のオイルから分離して除去する。こうして、油水分離装置２２は、ポンプ本体２１における水抜き作業を行う。また、ポンプ本体２１は、吸引した水蒸気などの気体を外部に排出する。
【００３０】
コールドトラップ３は、凝縮用熱交換器を備えており、凝縮用熱交換器は、オイル型真空ポンプ２が吸引した水蒸気が通過する凝縮用熱交換器３１を備えている。凝縮用熱交換器における凝縮用熱交換器３１には、上流側流通管４の後端部および下流側流通管５の先端部が接続されており、凝縮用熱交換器３１は、冷えた伝熱面を備えている。また、コールドトラップ３は、水槽３２を備えている。水槽３２は、冷媒が液体冷媒である場合に備えられている。
【００３１】
凝縮用熱交換器における凝縮用熱交換器３１は、水槽３２に貯水された凝縮側熱媒内に沈められており、凝縮用熱交換器３１における伝熱面が凝縮側触媒と接触している。凝縮側熱媒としては、液体熱媒、たとえば水が用いられている。水槽３２に貯水された凝縮側熱媒と伝熱面とが接触していることにより、凝縮用熱交換器３１の伝熱面が冷却され、伝熱面は冷えた状態を維持する。
【００３２】
ヒートポンプ６は、冷熱と温熱とを同時に取り出すいわゆる冷温同時取出ヒートポンプである。ヒートポンプ６には、蒸発側高温配管６Ａおよび蒸発側低温配管６Ｂの一端側が接続されている。また、ヒートポンプ６には、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄの一端側が接続されている。
【００３３】
蒸発側高温配管６Ａの他端側は、乾燥タンク１における加温ジャケット１２に接続されており、ヒートポンプ６は、蒸発側高温配管６Ａを介して高温の蒸発側熱媒を加温ジャケット１２に供給している。また、蒸発側低温配管６Ｂの他端側は、乾燥タンク１における加温ジャケット１２に接続されており、ヒートポンプ６は、蒸発側低温配管６Ｂを介して、被乾燥物Ｄに蒸発熱を吸熱されて低温となった蒸発側熱媒を加温ジャケット１２から受け取る。
【００３４】
さらに、凝縮側低温配管６Ｃの他端側は、コールドトラップ３における水槽３２に接続されており、ヒートポンプ６は、凝縮側低温配管６Ｃを介して低温の凝縮側熱媒を水槽３２に供給している。そして、凝縮側高温配管６Ｄの他端側は、コールドトラップ３における水槽３２に接続されており、ヒートポンプ６は、凝縮側高温配管６Ｄを介して、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を吸熱して高温となった凝縮側熱媒を水槽３２から受け取る。
【００３５】
また、ヒートポンプ６は、蒸発側高温配管６Ａおよび蒸発側低温配管６Ｂを介して蒸発側熱媒を加温ジャケット１２における配管に循環供給する。蒸発側熱媒は、乾燥室１１内に収容された被乾燥物Ｄが蒸発熱を吸熱することによって冷却される。一方、ヒートポンプ６は、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄを介して凝縮側熱媒をコールドトラップ３における水槽３２に循環供給する。凝縮側熱媒は、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を吸熱することによって加熱される。
【００３６】
さらに、ヒートポンプ６は、図示しない熱交換器を備えている。この熱交換器は、蒸発側熱媒あるいは凝縮側熱媒と外気との間での熱交換を行うものである。熱交換器を作動させることにより、蒸発側熱媒に外気から熱を吸熱することもできるし、蒸発側熱媒から外気に対して熱を与えることもできる。なお、熱交換器は、凝縮側熱媒と外気との間で熱交換を行うものとすることもできる。
【００３７】
また、上流側流通管４には開閉弁７が設けられており、下流側流通管５には、圧力調整弁８および解放弁９が設けられている。開閉弁７、圧力調整弁８、および解放弁９を開放することにより、上流側流通管４および下流側流通管５が大気圧となる。また、解放弁９を閉じ、圧力調整弁８の開度を調整することにより、上流側流通管４および下流側流通管５内の圧力を調整することができる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１によって被乾燥物を乾燥する手順について説明する。本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１は、いわゆるバッチ式の真空乾燥装置であり、乾燥室１１に収容した乾燥物の乾燥後に、新たな被乾燥物の乾燥を行う。真空乾燥装置Ｍ１による乾燥物の乾燥を行う際には、まず、乾燥タンク１における排出口１３を閉塞し、乾燥室１１内に被乾燥物Ｄを投入する。また、上流側流通管４に設けられた開閉弁７は、閉じた状態としておき、乾燥室１１を密閉して乾燥室１１を気密状態とする。
【００３９】
その一方、ヒートポンプ６を稼動して、蒸発側配管６Ａ，６Ｂに蒸発側熱媒をたとえば温水として循環供給し、凝縮側配管６Ｃ，６Ｄに凝縮側熱媒をたとえば冷水として循環供給する。このとき、蒸発側配管６Ａ，６Ｂに循環供給する蒸発側熱媒の温度を３０℃〜７０℃に調整し、凝縮側配管６Ｃ，６Ｄに循環供給する凝縮側熱媒の温度を１０℃〜３０℃に調整する。
【００４０】
蒸発側熱媒および凝縮側熱媒の温度を調整し、温度が安定したら、開閉弁７を解放し、乾燥室１１と上流側流通管４の間で通気状態を形成する。それとともに、オイル型真空ポンプ２を作動させ、乾燥室１１内の空気を排出して乾燥室１１内を減圧する。乾燥室１１内を減圧することにより、乾燥室１１内が真空状態となる。
【００４１】
乾燥室１１内が減圧された乾燥タンク１では、乾燥室１１に収容された被乾燥物Ｄと加温ジャケット１２に供給された蒸発側熱媒との間で熱交換が行われる。この熱交換により、蒸発側熱媒が被乾燥物Ｄに蒸発熱を吸熱されて、被乾燥物Ｄに含まれる水分が蒸発し、被乾燥物Ｄが乾燥する。
【００４２】
また、蒸発した水分は、上流側流通管４を通過してコールドトラップ３における凝縮用熱交換器３１に移動する。コールドトラップ３における凝縮用熱交換器３１では、ヒートポンプ６から凝縮側低温配管６Ｃを介して供給された、たとえば冷水との間で熱交換が行われる。この熱交換では、たとえば冷水が水蒸気の凝縮熱を得て、凝縮用熱交換器３１では、水蒸気が凝縮して水となる。ただし、凝縮しきらなかった一部の水蒸気は、そのまま下流側流通管５を通過してオイル型真空ポンプ２に移動する。
【００４３】
このとき、圧力調整弁８の開度を調整し、乾燥タンク１における乾燥室１１およびコールドトラップ３が備える凝縮用熱交換器３１の水蒸気圧力を調整し、この水蒸気圧が、乾燥室１１内の温度である乾燥室温度Ｔｅに対応する水蒸気圧と、凝縮用熱交換器３１内の温度であるコールドトラップ温度Ｔｃに対応する水蒸気圧の中間値となるようにする。ここで、乾燥室温度Ｔｅは、コールドトラップ温度Ｔｃよりも高い温度となっている。このように水蒸気圧を調整することにより、水蒸気を効果的に凝縮することができる。こうして、被乾燥物Ｄの乾燥処理が行われる。
【００４４】
さらに、ヒートポンプ６に設けられた熱交換器によって、蒸発側熱媒および凝縮側熱媒と外気との間で熱交換を行わせ、蒸発側熱媒および凝縮側熱媒に対する加熱と除熱とのバランスを取るようにすることもできる。このように加熱と除熱とのバランスを取ることにより、被乾燥物に含まれる水分の蒸発および凝縮の間における熱交換をより効率的に行うことができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１では、乾燥室１１内を減圧するにあたって、オイル型真空ポンプ２を用いている。このため、圧縮機などといった大型の機器を用いる必要がなくなる。したがって、簡素な構成とすることができる。また、真空ポンプとしてオイル型真空ポンプ２を用いることにより、オイル型真空ポンプ２と乾燥タンク１との間にコールドトラップ３を配設することとなる。このコールドトラップ３で水蒸気を凝縮することにより、水蒸気がオイル型真空ポンプ２におけるオイルと混入することを防止できる。
【００４６】
さらに、オイル型真空ポンプ２には、油水分離装置２２が設けられている。このため、オイル型真空ポンプ２に水蒸気や水蒸気が凝縮した水が移動した場合でも、オイルと水とを容易に分離することができる。したがって、オイル型真空ポンプ２を確実に作動させることができる。
【００４７】
また、被乾燥物Ｄに含まれる水分を蒸発させて被乾燥物Ｄを乾燥するには、被乾燥物Ｄに熱を付与することが必要となる。被乾燥物Ｄの乾燥処理を行っている間、乾燥室１１内は真空状態となっているので、低い温度で伝熱効率の高い強制対流あるいは沸騰熱伝達を起こすことができる。
【００４８】
このため、加温ジャケット１２に供給する蒸発側熱媒がたとえば液体であり、その温度が１００℃以下の低い温度であっても、被乾燥物Ｄに熱を付与することができ、被乾燥物Ｄにおける水分を蒸発させることができる。したがって、熱エネルギーの消費を少なくすることができる。
【００４９】
また、乾燥室１１内で被乾燥物Ｄの水分が蒸発して発生する水蒸気は、オイル型真空ポンプ２によって吸引され、コールドトラップ３における凝縮用熱交換器の凝縮用熱交換器３１まで移動する。凝縮用熱交換器３１の周囲には、水槽３２が設けられており、水槽３２には低温の凝縮側熱媒が供給されている。
【００５０】
コールドトラップ３では、凝縮用熱交換器３１を通過する水蒸気と水槽３２に貯水された凝縮側熱媒との間で熱交換が行われ、凝縮側熱媒が水蒸気から凝縮熱を吸熱し、水蒸気が凝縮する。一方、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱が移動することにより、凝縮側熱媒が加熱される。加熱された凝縮側熱媒は、ヒートポンプ６に流入する。
【００５１】
ここで、ヒートポンプ６は、乾燥タンク１に対して蒸発側熱媒を循環供給し、コールドトラップ３に対して凝縮側熱媒を循環供給している。乾燥タンク１からヒートポンプ６に戻る蒸発側熱媒は、被乾燥物Ｄに含まれる水分に蒸発熱を吸熱されている一方、コールドトラップ３から戻る凝縮側熱媒は、水蒸気から凝縮熱を吸熱している。蒸発側熱媒が吸熱される蒸発熱Ｑｅと凝縮側熱媒が吸熱する凝縮熱Ｑｃとは、熱損失が無ければ絶対値がほぼ等しく符号が逆となる関係となっている。このため、ヒートポンプ６によって蒸発側熱媒と凝縮側熱媒との間で熱交換を行うことにより、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱Ｑｃを被乾燥物Ｄに含まれる水分を蒸発させる際の蒸発熱Ｑｅとして利用することができる。
【００５２】
また、乾燥処理を開始した直後においては、凝縮熱Ｑｃが得られないので、被乾燥物Ｄに含まれる水分を蒸発させるための蒸発熱Ｑｅとして凝縮熱Ｑｃを利用することができない。そこで、ヒートポンプ６に設けられた熱交換器を用いて、外気の熱である外気熱Ｑａを吸熱し、蒸発熱Ｑｅとして利用することができる。その後、乾燥処理の運転が安定すると、凝縮熱Ｑｃを蒸発熱Ｑｅとして利用することができ、熱効率のよい運転を行うことができる。なお、乾燥処理を開始した直後以外のときであっても、必要となる蒸発熱Ｑｅに対して凝縮熱Ｑｃが不足する場合には、外気熱Ｑａを取り込んで蒸発熱Ｑｃとして利用することもできる。
【００５３】
さらに、水蒸気を凝縮させるためにコンデンサを用いた場合、コンデンサを冷却するための冷却装置としてヒートポンプを設ける必要などが生じる。この点、真空乾燥装置Ｍ１では、水蒸気を凝縮させるにあたってコールドトラップ３を用いている。コールドトラップ３については冷却に対する要求は少ないため、別途冷却装置としてのヒートポンプを設けるなどの必要はなくなり、その分装置の簡素化を図ることができる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。図２に示すように、第２の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２は、第１の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１と比較して、真空ポンプが異なる。第１の実施形態における真空乾燥装置Ｍ１では、真空ポンプとしてオイル型真空ポンプ２を用いていた。一方、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２では、真空ポンプとして水封型真空ポンプ５０を用いている。
【００５５】
水封型真空ポンプ５０と乾燥タンク１とは、水蒸気などの気体が流通可能とされた流通管５１によって接続されている。流通管５１の先端側は、乾燥タンク１における乾燥室１１と連通しており、流通管５１の後端部は、水封型真空ポンプ５０と連通している。水封型真空ポンプ５０の吸引力は、流通管５１を介して乾燥タンク１の乾燥室１１に作用し、乾燥室１１内を減圧して、乾燥室１１内に真空状態を形成する。
【００５６】
さらに、真空乾燥装置Ｍ２は、ヒートポンプ６を備えている。ヒートポンプ６には、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄの一端側が接続されており、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄの他端側は、水封型真空ポンプ５０に接続されている。ヒートポンプ６は、凝縮側低温配管６Ｃを介して低温の凝縮側熱媒を水封型真空ポンプ５０に供給している。また、ヒートポンプ６は、水封型真空ポンプ５０において水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を吸熱して高温となった凝縮側熱媒を、凝縮側高温配管６Ｄを介して受け取っている。なお、場合によっては、水封型真空ポンプ５０に対して断熱を施すこともできる。その他の構成については上記の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１と同様である。
【００５７】
本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２においては、上記第１の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１が真空ポンプとしてオイル型真空ポンプ２を用いているのに対して、真空ポンプとして、水封型真空ポンプ５０を用いている点において異なっている。水封型真空ポンプ５０では、吸引力を発生するために封水を利用しているため、乾燥タンク１における乾燥室１１から直接空気などを吸引して、真空状態を形成している。このため、乾燥室１１から排出される水蒸気は、水封型真空ポンプ５０に直接流入し、水封型真空ポンプ５０内で凝縮側熱媒に混入して凝縮する。
【００５８】
ここで、一般的な水封型真空ポンプでは、膨大な封水に水蒸気が混入することで水蒸気を凝縮させるが、このときの蒸発圧力は、封水の水温に依存する。このような水封型真空ポンプを用いて乾燥タンク１から水蒸気を移動させる場合、乾燥タンク１から移動してきた水蒸気が封水に混入し、水蒸気が封水と同化する。その結果、蒸発熱相当の熱で封水が温められ、蒸発圧力が上昇し、凝縮に要する封水の温度が上昇してしまうため、封水を冷却する冷却水が必要となることとなる。
【００５９】
この点、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２Ｍ２では、封水を冷却するために凝縮に要する封水の温度が上昇してしまうため、封水としてヒートポンプ６から循環供給される凝縮側熱媒を利用する。一般的な水封型真空ポンプにおける昇温対策として、ヒートポンプ６から循環供給される凝縮側熱媒を用いることにより、ヒートポンプ６において凝縮側熱媒と蒸発側熱媒との間で熱交換を行うことができる。したがって、凝縮側熱媒の温度を低温に維持することができるので、水蒸気の凝縮を好適に行うことができる。
【００６０】
さらに、乾燥タンクや配管などに対して、適宜断熱部材を配設したり、加温システムを設けたりすることもできる。このような断熱部材や加温システムなどを設けることにより、乾燥タンクや配管における不適切な位置における水蒸気の凝縮の発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…乾燥タンク
２…オイル型真空ポンプ
３…コールドトラップ
４…上流側流通管
５…下流側流通管
６…ヒートポンプ
６Ａ…蒸発側高温配管
６Ｂ…蒸発側低温配管
６Ｃ…凝縮側低温配管
６Ｄ…凝縮側高温配管
７…開閉弁
８…圧力調整弁
９…解放弁
１１…乾燥室
１２…加温ジャケット
１３…排出口
２１…ポンプ本体
２２…油水分離装置
３１…凝縮用熱交換器
３２…水槽
５０…水封型真空ポンプ
５１…流通管
Ｄ…被乾燥物
Ｍ１，Ｍ２…真空乾燥装置
Ｑａ…外気熱
Ｑｃ…凝縮熱
Ｑｅ…蒸発熱
Ｔｃ…コールドトラップ温度
Ｔｅ…乾燥室温度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空乾燥装置に係り、特に、泥水や海水等の塩水などの被乾燥物から水分を蒸発させて被乾燥物を乾燥する真空乾燥装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物を廃棄する際、廃棄物中の水分を蒸発させて廃棄物を乾燥させることにより、廃棄物の処理が容易になることが知られている。このような廃棄物としては、有機性廃棄物や汚泥など、さらには、トンネル等で発生する泥水などがある。さらに、海水を淡水化させる場合、浸出水や膜処理によって発生する濃縮水の乾燥を行う場合などもある。
【０００３】
海水や濃縮水、さらには、泥水などの被乾燥物を乾燥させる真空乾燥装置として、従来、真空タンクを用いた乾燥装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この乾燥装置は、廃棄物を入れる真空タンクと、その真空タンクからの水蒸気を圧縮する水蒸気圧縮機を備えている。また、真空タンクと熱的に結合された水蒸気凝縮器を備えるとともに、水蒸気凝縮器からの不凝縮性ガスを自発的に排出する不凝縮性ガス排出手段および水蒸気凝縮器からの凝縮水を自発的に排出する凝縮水排出手段を備えている。
【０００４】
水蒸凝縮器によって水蒸気を凝縮する際には、凝縮熱が発生する。ここで、上記特許文献１に開示された真空乾燥装置では、真空タンク内に水蒸気凝縮器が設けられている。このため、水蒸気凝縮する際に発生する凝縮熱によって真空タンク内を加熱することができ、真空タンク内の廃棄物の乾燥に寄与するというものである。
【０００５】
また、この種の真空乾燥装置において、汚泥に含まれる水分を凝縮して得られる熱をヒートポンプによって回収し、汚泥を乾燥させる際の熱源として利用する汚泥乾燥装置がある（たとえば、特許文献２参照）。この汚泥乾燥装置は、真空乾燥機とエゼクタとを備えており、エゼクタによって真空乾燥機の内部を減圧する。また、真空乾燥機とエゼクタとの間にコンデンサが配設されており、真空乾燥機の排気を凝縮している。さらに、コンデンサには、ヒートポンプから冷却水が循環供給され、排気と冷却水との間で熱交換を行う。また、ヒートポンプは、真空乾燥機に対してヒートポンプ蒸気を供給して、真空乾燥機内の汚泥を乾燥する。さらに、冷却水は、排気およびコンデンサから熱を奪って冷却排水となり、ヒートポンプ蒸気は、汚泥に熱を与えることによって液化して加熱媒体となる。そして、ヒートポンプは、冷却排水と加熱媒体との間で熱交換を行い、冷却排水を冷却水とし、加熱媒体をヒートポンプ蒸気とする。こうして、汚泥を乾燥するための消費エネルギーを低減するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２６６５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５８６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に開示された乾燥装置では、真空タンク内の水蒸気を圧縮する圧縮機を用いている。このため、装置全体が大掛かりとなってしまうという問題があった。真空タンク内の水蒸気については、たとえば圧縮機よりも装置構成が簡素である真空ポンプなどを用いて吸引することが考えられる。
【０００８】
ところが、真空ポンプを用いて真空タンク内の水蒸気を吸引する場合、真空ポンプの上流側で水蒸気を凝縮させることとなる。このため、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を真空タンク（乾燥タンク）内の廃棄物（被乾燥物）の乾燥に利用することが難しくなってしまうという問題があった。
【０００９】
また、上記特許文献２に開示された汚泥乾燥装置では、汚泥を乾燥して得られる気体を凝縮する際に、コンデンサ（凝縮器）を用いている。このため、コンデンサを冷却するための冷却装置（冷却塔）としてヒートポンプを用いる必要があること等から、複数のヒートポンプを用いている。したがって、装置全体が大型化してしまうという問題があった。また、真空乾燥機に対して、ヒートポンプからヒートポンプ蒸気を供給している。ここで、真空乾燥機内は減圧されているものの、ヒートポンプ内は減圧されていないことから、ヒートポンプ蒸気を１００℃以上とする必要がある。このため、ヒートポンプ蒸気を加熱せざるを得ないことがあり、その分、多くの熱エネルギーを消費してしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、簡素な構成とするとともに、熱エネルギーの消費を少なくすることができる真空乾燥装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決した本発明に係る真空乾燥装置は、被乾燥物を収容し、収容した被乾燥物における水分を蒸発させて乾燥する乾燥タンクと、乾燥タンク内を減圧する真空ポンプと、乾燥タンク内を減圧する際に乾燥タンクから排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を吸熱し、乾燥タンクに供給するヒートポンプと、を備え、ヒートポンプは、凝縮側熱媒を介して凝縮熱を吸熱し、蒸発側熱媒を介して凝縮熱を乾燥タンクに供給することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る真空乾燥装置では、乾燥タンクを減圧するにあたり、真空ポンプを用いている。このため、水蒸気圧縮器などの大掛かりな設備を要することなく、簡素な構成とすることができる。また、乾燥タンク内は真空ポンプによって真空状態とされているため、被乾燥物に含まれる水分は１００℃以下の温度で蒸発する。ここで、蒸発側熱媒としてヒートポンプ蒸気を用いた場合、ヒートポンプ蒸気は１００℃以上であることから、被乾燥物に含まれる水分を蒸発させるためには余剰の熱が加えられていることとなる。この点、本発明に係る真空乾燥装置において、ヒートポンプは、凝縮側熱媒を介して凝縮熱を吸熱し、蒸発側液体熱媒を介して凝縮熱を乾燥タンクに供給する。このため、１００℃未満の温度で凝縮熱を乾燥タンクに供給することができる。したがって、熱エネルギーの消費を少なくすることができる。
【００１３】
ここで、真空ポンプがオイル型真空ポンプであり、オイル型真空ポンプには、油水分離装置が接続されており、真空ポンプと乾燥タンクとの間に、乾燥タンクから排出された蒸気を凝縮するコールドトラップが設けられており、ヒートポンプは、コールドトラップで凝縮された蒸気の凝縮熱を吸熱するようにすることができる。
【００１４】
このように、真空ポンプがオイル型真空ポンプである場合、真空ポンプと乾燥タンクとの間にコールドトラップを配設し、コールドトラップで蒸気を凝縮することにより、蒸気が真空ポンプにおけるオイルと混入することを防止できる。ここで、コールドトラップで凝縮された蒸気の凝縮熱を吸収することにより、効率的に凝縮熱の吸熱を行うことができる。
【００１５】
また、コールドトラップと、真空ポンプとが、配管で接続され、コールドトラップから排出される蒸気が配管を流通可能とされており、配管に圧力調整弁が設けられているようにすることができる。
【００１６】
このように、配管に圧力調整弁が設けられていることにより、乾燥タンク内およびコールドトラップ内の圧力関係を調整し、乾燥タンクにおける蒸発促進やコールドトラップにおける凝縮促進を行うにあたって、好適な圧力で乾燥タンク内を減圧するとともに、蒸気の凝縮を行うことができる。
【００１７】
さらに、真空ポンプが水封型真空ポンプであり、ヒートポンプは、水封型真空ポンプによって乾燥タンク内から排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を水封型真空ポンプ内から吸熱するようにすることができる。
【００１８】
このように、真空ポンプとして水封型真空ポンプを用いる場合、蒸気は水封型真空ポンプまで搬送され、水封型真空ポンプ内で凝縮する。このため、蒸気の凝縮による凝縮熱を水封型真空ポンプ内から吸熱することにより、蒸気の凝縮熱を好適に吸熱することができる。
【００１９】
そして、ヒートポンプは、外気との間で熱交換を行う熱交換器を備えるようにすることができる。
【００２０】
このように、ヒートポンプは、外気との間で熱交換を行う熱交換器を備えることにより、真空ポンプと乾燥タンクとの間の熱バランスが悪い場合に、外気との熱交換を付加的に行い、熱バランスの調整を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る真空乾燥装置によれば、簡素な構成とするとともに、水蒸気の凝縮熱を乾燥物の乾燥に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。
【図２】第２の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１は、被乾燥物を収容して乾燥する乾燥タンク１、オイル型真空ポンプ２、およびコールドトラップ３を備えている。また、真空乾燥装置Ｍ１は、上流側流通管４および下流側流通管５を備え、さらに、ヒートポンプ６を備えている。乾燥タンク１とコールドトラップ３とは、水蒸気などの気体（蒸気）が流通可能とされた上流側流通管４によって接続されており、コールドトラップ３とオイル型真空ポンプ２とは、やはり水蒸気が流通可能とされた下流側流通管５によって接続されている。
【００２５】
乾燥タンク１は、乾燥室１１を備えており、乾燥室１１の周囲には加温ジャケット１２が配設されている。乾燥室１１には、被乾燥物Ｄとして汚泥や海水等の塩水などが収容される。また、乾燥室１１には、上流側流通管４の先端側が接続され、乾燥室１１は上流側流通管４と連通している。加温ジャケット１２は、ヒートポンプ６から循環供給される蒸発側熱媒が流通可能とされている。蒸発側熱媒としては、液体熱媒（たとえば水）や冷媒蒸気などが用いられている。さらに、乾燥室１１の下部には、乾燥された被乾燥物Ｄを排出する排出口１３が形成されている。
【００２６】
なお、乾燥タンク１としては、加温ジャケット１２を有するジャケット型のもののほか、加熱プレートを備えるプレート型のものを用いることもできる。さらに、乾燥室１１にフィンを形成し、伝熱性を高めることもできる。この場合、フィンは、上部では長く、下部では短く、かつ伝熱面よりもフィン開口の大きさが小さくならないようにすることが好適である。また、乾燥室１１に伝熱処理を施すこともできる。
【００２７】
また、乾燥タンク１は、コールドトラップ３およびオイル型真空ポンプ２と接続されている。このうち、オイル型真空ポンプ２とコールドトラップ３との間には、下流側流通管５が配管され、コールドトラップ３と乾燥タンク１との間には、上流側流通管４が配管されている。
【００２８】
オイル型真空ポンプ２は、ポンプ本体２１と油水分離装置２２とを備えている。ポンプ本体２１は、オイルを循環させることによって気体を吸引する吸引力を発揮する。ポンプ本体２１には、下流側流通管５の後端側が接続されており、ポンプ本体２１は下流側流通管５と連通している。ポンプ本体２１の吸引力は、流通管４，５およびコールドトラップ３を介して乾燥タンク１の乾燥室１１に作用し、乾燥室１１内を減圧して、乾燥室１１内に真空状態を形成する。
【００２９】
油水分離装置２２は、ポンプ本体２１に接続されており、ポンプ本体２１に混入した水分をポンプ本体２１のオイルから分離して除去する。こうして、油水分離装置２２は、ポンプ本体２１における水抜き作業を行う。また、ポンプ本体２１は、吸引した水蒸気などの気体を外部に排出する。
【００３０】
コールドトラップ３は、凝縮用熱交換器を備えており、凝縮用熱交換器は、オイル型真空ポンプ２が吸引した水蒸気が通過する凝縮用熱交換器３１を備えている。凝縮用熱交換器における凝縮用熱交換器３１には、上流側流通管４の後端部および下流側流通管５の先端部が接続されており、凝縮用熱交換器３１は、冷えた伝熱面を備えている。また、コールドトラップ３は、水槽３２を備えている。水槽３２は、冷媒が液体冷媒である場合に備えられている。
【００３１】
凝縮用熱交換器における凝縮用熱交換器３１は、水槽３２に貯水された凝縮側熱媒内に沈められており、凝縮用熱交換器３１における伝熱面が凝縮側触媒と接触している。凝縮側熱媒としては、液体熱媒、たとえば水が用いられている。水槽３２に貯水された凝縮側熱媒と伝熱面とが接触していることにより、凝縮用熱交換器３１の伝熱面が冷却され、伝熱面は冷えた状態を維持する。
【００３２】
ヒートポンプ６は、冷熱と温熱とを同時に取り出すいわゆる冷温同時取出ヒートポンプである。ヒートポンプ６には、蒸発側高温配管６Ａおよび蒸発側低温配管６Ｂの一端側が接続されている。また、ヒートポンプ６には、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄの一端側が接続されている。
【００３３】
蒸発側高温配管６Ａの他端側は、乾燥タンク１における加温ジャケット１２に接続されており、ヒートポンプ６は、蒸発側高温配管６Ａを介して高温の蒸発側熱媒を加温ジャケット１２に供給している。また、蒸発側低温配管６Ｂの他端側は、乾燥タンク１における加温ジャケット１２に接続されており、ヒートポンプ６は、蒸発側低温配管６Ｂを介して、被乾燥物Ｄに蒸発熱を吸熱されて低温となった蒸発側熱媒を加温ジャケット１２から受け取る。
【００３４】
さらに、凝縮側低温配管６Ｃの他端側は、コールドトラップ３における水槽３２に接続されており、ヒートポンプ６は、凝縮側低温配管６Ｃを介して低温の凝縮側熱媒を水槽３２に供給している。そして、凝縮側高温配管６Ｄの他端側は、コールドトラップ３における水槽３２に接続されており、ヒートポンプ６は、凝縮側高温配管６Ｄを介して、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を吸熱して高温となった凝縮側熱媒を水槽３２から受け取る。
【００３５】
また、ヒートポンプ６は、蒸発側高温配管６Ａおよび蒸発側低温配管６Ｂを介して蒸発側熱媒を加温ジャケット１２における配管に循環供給する。蒸発側熱媒は、乾燥室１１内に収容された被乾燥物Ｄが蒸発熱を吸熱することによって冷却される。一方、ヒートポンプ６は、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄを介して凝縮側熱媒をコールドトラップ３における水槽３２に循環供給する。凝縮側熱媒は、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を吸熱することによって加熱される。
【００３６】
さらに、ヒートポンプ６は、図示しない熱交換器を備えている。この熱交換器は、蒸発側熱媒あるいは凝縮側熱媒と外気との間での熱交換を行うものである。熱交換器を作動させることにより、蒸発側熱媒に外気から熱を吸熱することもできるし、蒸発側熱媒から外気に対して熱を与えることもできる。なお、熱交換器は、凝縮側熱媒と外気との間で熱交換を行うものとすることもできる。
【００３７】
また、上流側流通管４には開閉弁７が設けられており、下流側流通管５には、圧力調整弁８および解放弁９が設けられている。開閉弁７、圧力調整弁８、および解放弁９を開放することにより、上流側流通管４および下流側流通管５が大気圧となる。また、解放弁９を閉じ、圧力調整弁８の開度を調整することにより、上流側流通管４および下流側流通管５内の圧力を調整することができる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１によって被乾燥物を乾燥する手順について説明する。本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１は、いわゆるバッチ式の真空乾燥装置であり、乾燥室１１に収容した乾燥物の乾燥後に、新たな被乾燥物の乾燥を行う。真空乾燥装置Ｍ１による乾燥物の乾燥を行う際には、まず、乾燥タンク１における排出口１３を閉塞し、乾燥室１１内に被乾燥物Ｄを投入する。また、上流側流通管４に設けられた開閉弁７は、閉じた状態としておき、乾燥室１１を密閉して乾燥室１１を気密状態とする。
【００３９】
その一方、ヒートポンプ６を稼動して、蒸発側配管６Ａ，６Ｂに蒸発側熱媒をたとえば温水として循環供給し、凝縮側配管６Ｃ，６Ｄに凝縮側熱媒をたとえば冷水として循環供給する。このとき、蒸発側配管６Ａ，６Ｂに循環供給する蒸発側熱媒の温度を３０℃〜７０℃に調整し、凝縮側配管６Ｃ，６Ｄに循環供給する凝縮側熱媒の温度を１０℃〜３０℃に調整する。
【００４０】
蒸発側熱媒および凝縮側熱媒の温度を調整し、温度が安定したら、開閉弁７を解放し、乾燥室１１と上流側流通管４の間で通気状態を形成する。それとともに、オイル型真空ポンプ２を作動させ、乾燥室１１内の空気を排出して乾燥室１１内を減圧する。乾燥室１１内を減圧することにより、乾燥室１１内が真空状態となる。
【００４１】
乾燥室１１内が減圧された乾燥タンク１では、乾燥室１１に収容された被乾燥物Ｄと加温ジャケット１２に供給された蒸発側熱媒との間で熱交換が行われる。この熱交換により、蒸発側熱媒が被乾燥物Ｄに蒸発熱を吸熱されて、被乾燥物Ｄに含まれる水分が蒸発し、被乾燥物Ｄが乾燥する。
【００４２】
また、蒸発した水分は、上流側流通管４を通過してコールドトラップ３における凝縮用熱交換器３１に移動する。コールドトラップ３における凝縮用熱交換器３１では、ヒートポンプ６から凝縮側低温配管６Ｃを介して供給された、たとえば冷水との間で熱交換が行われる。この熱交換では、たとえば冷水が水蒸気の凝縮熱を得て、凝縮用熱交換器３１では、水蒸気が凝縮して水となる。ただし、凝縮しきらなかった一部の水蒸気は、そのまま下流側流通管５を通過してオイル型真空ポンプ２に移動する。
【００４３】
このとき、圧力調整弁８の開度を調整し、乾燥タンク１における乾燥室１１およびコールドトラップ３が備える凝縮用熱交換器３１の水蒸気圧力を調整し、この水蒸気圧が、乾燥室１１内の温度である乾燥室温度Ｔｅに対応する水蒸気圧と、凝縮用熱交換器３１内の温度であるコールドトラップ温度Ｔｃに対応する水蒸気圧の中間値となるようにする。ここで、乾燥室温度Ｔｅは、コールドトラップ温度Ｔｃよりも高い温度となっている。このように水蒸気圧を調整することにより、水蒸気を効果的に凝縮することができる。こうして、被乾燥物Ｄの乾燥処理が行われる。
【００４４】
さらに、ヒートポンプ６に設けられた熱交換器によって、蒸発側熱媒および凝縮側熱媒と外気との間で熱交換を行わせ、蒸発側熱媒および凝縮側熱媒に対する加熱と除熱とのバランスを取るようにすることもできる。このように加熱と除熱とのバランスを取ることにより、被乾燥物に含まれる水分の蒸発および凝縮の間における熱交換をより効率的に行うことができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１では、乾燥室１１内を減圧するにあたって、オイル型真空ポンプ２を用いている。このため、圧縮機などといった大型の機器を用いる必要がなくなる。したがって、簡素な構成とすることができる。また、真空ポンプとしてオイル型真空ポンプ２を用いることにより、オイル型真空ポンプ２と乾燥タンク１との間にコールドトラップ３を配設することとなる。このコールドトラップ３で水蒸気を凝縮することにより、水蒸気がオイル型真空ポンプ２におけるオイルと混入することを防止できる。
【００４６】
さらに、オイル型真空ポンプ２には、油水分離装置２２が設けられている。このため、オイル型真空ポンプ２に水蒸気や水蒸気が凝縮した水が移動した場合でも、オイルと水とを容易に分離することができる。したがって、オイル型真空ポンプ２を確実に作動させることができる。
【００４７】
また、被乾燥物Ｄに含まれる水分を蒸発させて被乾燥物Ｄを乾燥するには、被乾燥物Ｄに熱を付与することが必要となる。被乾燥物Ｄの乾燥処理を行っている間、乾燥室１１内は真空状態となっているので、低い温度で伝熱効率の高い強制対流あるいは沸騰熱伝達を起こすことができる。
【００４８】
このため、加温ジャケット１２に供給する蒸発側熱媒がたとえば液体であり、その温度が１００℃以下の低い温度であっても、被乾燥物Ｄに熱を付与することができ、被乾燥物Ｄにおける水分を蒸発させることができる。したがって、熱エネルギーの消費を少なくすることができる。
【００４９】
また、乾燥室１１内で被乾燥物Ｄの水分が蒸発して発生する水蒸気は、オイル型真空ポンプ２によって吸引され、コールドトラップ３における凝縮用熱交換器の凝縮用熱交換器３１まで移動する。凝縮用熱交換器３１の周囲には、水槽３２が設けられており、水槽３２には低温の凝縮側熱媒が供給されている。
【００５０】
コールドトラップ３では、凝縮用熱交換器３１を通過する水蒸気と水槽３２に貯水された凝縮側熱媒との間で熱交換が行われ、凝縮側熱媒が水蒸気から凝縮熱を吸熱し、水蒸気が凝縮する。一方、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱が移動することにより、凝縮側熱媒が加熱される。加熱された凝縮側熱媒は、ヒートポンプ６に流入する。
【００５１】
ここで、ヒートポンプ６は、乾燥タンク１に対して蒸発側熱媒を循環供給し、コールドトラップ３に対して凝縮側熱媒を循環供給している。乾燥タンク１からヒートポンプ６に戻る蒸発側熱媒は、被乾燥物Ｄに含まれる水分に蒸発熱を吸熱されている一方、コールドトラップ３から戻る凝縮側熱媒は、水蒸気から凝縮熱を吸熱している。蒸発側熱媒が吸熱される蒸発熱Ｑｅと凝縮側熱媒が吸熱する凝縮熱Ｑｃとは、熱損失が無ければ絶対値がほぼ等しく符号が逆となる関係となっている。このため、ヒートポンプ６によって蒸発側熱媒と凝縮側熱媒との間で熱交換を行うことにより、水蒸気が凝縮する際の凝縮熱Ｑｃを被乾燥物Ｄに含まれる水分を蒸発させる際の蒸発熱Ｑｅとして利用することができる。
【００５２】
また、乾燥処理を開始した直後においては、凝縮熱Ｑｃが得られないので、被乾燥物Ｄに含まれる水分を蒸発させるための蒸発熱Ｑｅとして凝縮熱Ｑｃを利用することができない。そこで、ヒートポンプ６に設けられた熱交換器を用いて、外気の熱である外気熱Ｑａを吸熱し、蒸発熱Ｑｅとして利用することができる。その後、乾燥処理の運転が安定すると、凝縮熱Ｑｃを蒸発熱Ｑｅとして利用することができ、熱効率のよい運転を行うことができる。なお、乾燥処理を開始した直後以外のときであっても、必要となる蒸発熱Ｑｅに対して凝縮熱Ｑｃが不足する場合には、外気熱Ｑａを取り込んで蒸発熱Ｑｃとして利用することもできる。
【００５３】
さらに、水蒸気を凝縮させるためにコンデンサを用いた場合、コンデンサを冷却するための冷却装置としてヒートポンプを設ける必要などが生じる。この点、真空乾燥装置Ｍ１では、水蒸気を凝縮させるにあたってコールドトラップ３を用いている。コールドトラップ３については冷却に対する要求は少ないため、別途冷却装置としてのヒートポンプを設けるなどの必要はなくなり、その分装置の簡素化を図ることができる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態に係る真空乾燥装置の構成図である。図２に示すように、第２の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２は、第１の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１と比較して、真空ポンプが異なる。第１の実施形態における真空乾燥装置Ｍ１では、真空ポンプとしてオイル型真空ポンプ２を用いていた。一方、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２では、真空ポンプとして水封型真空ポンプ５０を用いている。
【００５５】
水封型真空ポンプ５０と乾燥タンク１とは、水蒸気などの気体が流通可能とされた流通管５１によって接続されている。流通管５１の先端側は、乾燥タンク１における乾燥室１１と連通しており、流通管５１の後端部は、水封型真空ポンプ５０と連通している。水封型真空ポンプ５０の吸引力は、流通管５１を介して乾燥タンク１の乾燥室１１に作用し、乾燥室１１内を減圧して、乾燥室１１内に真空状態を形成する。
【００５６】
さらに、真空乾燥装置Ｍ２は、ヒートポンプ６を備えている。ヒートポンプ６には、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄの一端側が接続されており、凝縮側低温配管６Ｃおよび凝縮側高温配管６Ｄの他端側は、水封型真空ポンプ５０に接続されている。ヒートポンプ６は、凝縮側低温配管６Ｃを介して低温の凝縮側熱媒を水封型真空ポンプ５０に供給している。また、ヒートポンプ６は、水封型真空ポンプ５０において水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を吸熱して高温となった凝縮側熱媒を、凝縮側高温配管６Ｄを介して受け取っている。なお、場合によっては、水封型真空ポンプ５０に対して断熱を施すこともできる。その他の構成については上記の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１と同様である。
【００５７】
本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２においては、上記第１の実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ１が真空ポンプとしてオイル型真空ポンプ２を用いているのに対して、真空ポンプとして、水封型真空ポンプ５０を用いている点において異なっている。水封型真空ポンプ５０では、吸引力を発生するために封水を利用しているため、乾燥タンク１における乾燥室１１から直接空気などを吸引して、真空状態を形成している。このため、乾燥室１１から排出される水蒸気は、水封型真空ポンプ５０に直接流入し、水封型真空ポンプ５０内で凝縮側熱媒に混入して凝縮する。
【００５８】
ここで、一般的な水封型真空ポンプでは、膨大な封水に水蒸気が混入することで水蒸気を凝縮させるが、このときの蒸発圧力は、封水の水温に依存する。このような水封型真空ポンプを用いて乾燥タンク１から水蒸気を移動させる場合、乾燥タンク１から移動してきた水蒸気が封水に混入し、水蒸気が封水と同化する。その結果、蒸発熱相当の熱で封水が温められ、蒸発圧力が上昇し、凝縮に要する封水の温度が上昇してしまうため、封水を冷却する冷却水が必要となることとなる。
【００５９】
この点、本実施形態に係る真空乾燥装置Ｍ２Ｍ２では、封水を冷却するために凝縮に要する封水の温度が上昇してしまうため、封水としてヒートポンプ６から循環供給される凝縮側熱媒を利用する。一般的な水封型真空ポンプにおける昇温対策として、ヒートポンプ６から循環供給される凝縮側熱媒を用いることにより、ヒートポンプ６において凝縮側熱媒と蒸発側熱媒との間で熱交換を行うことができる。したがって、凝縮側熱媒の温度を低温に維持することができるので、水蒸気の凝縮を好適に行うことができる。
【００６０】
さらに、乾燥タンクや配管などに対して、適宜断熱部材を配設したり、加温システムを設けたりすることもできる。このような断熱部材や加温システムなどを設けることにより、乾燥タンクや配管における不適切な位置における水蒸気の凝縮の発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…乾燥タンク
２…オイル型真空ポンプ
３…コールドトラップ
４…上流側流通管
５…下流側流通管
６…ヒートポンプ
６Ａ…蒸発側高温配管
６Ｂ…蒸発側低温配管
６Ｃ…凝縮側低温配管
６Ｄ…凝縮側高温配管
７…開閉弁
８…圧力調整弁
９…解放弁
１１…乾燥室
１２…加温ジャケット
１３…排出口
２１…ポンプ本体
２２…油水分離装置
３１…凝縮用熱交換器
３２…水槽
５０…水封型真空ポンプ
５１…流通管
Ｄ…被乾燥物
Ｍ１，Ｍ２…真空乾燥装置
Ｑａ…外気熱
Ｑｃ…凝縮熱
Ｑｅ…蒸発熱
Ｔｃ…コールドトラップ温度
Ｔｅ…乾燥室温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被乾燥物を収容し、収容した前記被乾燥物における水分を蒸発させて乾燥する乾燥タンクと、
前記乾燥タンク内を減圧する真空ポンプと、
前記乾燥タンク内を減圧する際に前記乾燥タンクから排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を吸熱し、前記乾燥タンクに供給するヒートポンプと、を備え、
前記ヒートポンプは、凝縮側熱媒を介して前記凝縮熱を吸熱し、
蒸発側熱媒を介して前記凝縮熱を前記乾燥タンクに供給することを特徴とする真空乾燥装置。
【請求項２】
前記真空ポンプがオイル型真空ポンプであり、
前記オイル型真空ポンプには、油水分離装置が接続されており、
前記真空ポンプと前記乾燥タンクとの間に、前記乾燥タンクから排出された蒸気を凝縮するコールドトラップが設けられており、
前記ヒートポンプは、前記コールドトラップで凝縮された蒸気の凝縮熱を吸熱する請求項１に記載の真空乾燥装置。
【請求項３】
前記コールドトラップと、前記真空ポンプとが、配管で接続され、前記コールドトラップから排出される蒸気が前記配管を流通可能とされており、
前記配管に圧力調整弁が設けられている請求項１または請求項２に記載の真空乾燥装置。
【請求項４】
前記真空ポンプが水封型真空ポンプであり、
前記ヒートポンプは、前記水封型真空ポンプによって前記乾燥タンク内から排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を前記水封型真空ポンプ内から吸熱する請求項１に記載の真空乾燥装置。
【請求項５】
前記ヒートポンプは、外気との間で熱交換を行う熱交換器を備える請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の真空乾燥装置。
【請求項１】
被乾燥物を収容し、収容した前記被乾燥物における水分を蒸発させて乾燥する乾燥タンクと、
前記乾燥タンク内を減圧する真空ポンプと、
前記乾燥タンク内を減圧する際に前記乾燥タンクから排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を吸熱し、前記乾燥タンクに供給するヒートポンプと、を備え、
前記ヒートポンプは、凝縮側熱媒を介して前記凝縮熱を吸熱し、
蒸発側熱媒を介して前記凝縮熱を前記乾燥タンクに供給することを特徴とする真空乾燥装置。
【請求項２】
前記真空ポンプがオイル型真空ポンプであり、
前記オイル型真空ポンプには、油水分離装置が接続されており、
前記真空ポンプと前記乾燥タンクとの間に、前記乾燥タンクから排出された蒸気を凝縮するコールドトラップが設けられており、
前記ヒートポンプは、前記コールドトラップで凝縮された蒸気の凝縮熱を吸熱する請求項１に記載の真空乾燥装置。
【請求項３】
前記コールドトラップと、前記真空ポンプとが、配管で接続され、前記コールドトラップから排出される蒸気が前記配管を流通可能とされており、
前記配管に圧力調整弁が設けられている請求項１または請求項２に記載の真空乾燥装置。
【請求項４】
前記真空ポンプが水封型真空ポンプであり、
前記ヒートポンプは、前記水封型真空ポンプによって前記乾燥タンク内から排出された蒸気の凝縮による凝縮熱を前記水封型真空ポンプ内から吸熱する請求項１に記載の真空乾燥装置。
【請求項５】
前記ヒートポンプは、外気との間で熱交換を行う熱交換器を備える請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の真空乾燥装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１０８６７８（Ｐ２０１３−１０８６７８Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５４１９３（Ｐ２０１１−２５４１９３）
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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