JP2006337106A - 水質分析計の除湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定室内に試料液を導入して測定を行う水質分析計の測定室内に存在する空気の除湿を低コストで効率的に行う。
【解決手段】 内部に空気が導入される空気容器２６と内部に試料液が導入される試料液容器２４とを有し、空気容器内の空気と試料液容器内の試料液との熱交換を行って空気容器内の空気を冷却する熱交換手段２２と、空気容器内に測定室１２内の空気を導入する空気導入手段２８と、空気容器内の空気を加圧する加圧手段３４と、試料液容器内の試料液との熱交換を行った後の空気容器内の空気を測定室内に返送する空気返送手段と、試料液容器内に試料液を導入する試料導入手段４０と、空気容器内の空気との熱交換を行った後の試料液容器内の試料液を測定室内に導入する試料液移送手段とを備えた除湿装置２０を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定室内に試料液を導入し、測定室内で試料液の測定を行う水質分析計の測定室内に存在する空気の除湿装置に関する。本発明の除湿装置は、例えば濁度計などの種々の水質分析計の除湿装置として用いることができる。

測定室内に試料液を導入し、測定室内で試料液の測定を行う水質分析計では、測定室内に導入した試料液の温度が測定室内の空気の温度より低い場合に、測定室内の空気中に含まれる湿分により、測定室内で結露が生じ、測定に不都合が生じることがある。

従来、上述した測定室内における結露の発生を防止する手段として、例えば、除湿材を用いた除湿装置あるいは電子クーラーなどの冷却装置を用いた除湿装置を水質分析計に設置することにより、測定室内の空気の湿度を低い値に維持する手段が採られている（例えば、特許文献１参照）。後者の冷却装置を用いた除湿装置は、除湿対象の空気を除湿装置に導く機能と、冷却装置を用いて上記空気から湿分を分離する機能とを有するものである。

特開平１１−１４２２３６号公報

しかし、除湿材を用いた除湿装置は、次のような欠点を有するものであった。すなわち、除湿材は置かれている空間の湿分を自身に閉じ込める機能を持つが、湿分の捕捉量には物理的に限界があり、したがって測定室内を低湿度に維持するためには、適当な時期に除湿材を交換する必要がある。そのため、除湿材を用いた除湿装置では、消耗品である除湿材の定常的な消費が必須となる上、日常点検および定期的な交換作業の実施が必要となり、運転コストが高くなる。また、除湿材の機能劣化の確認には、一般に、除湿材に付加された発色材の色の変化によって除湿材の状態を調べる方法が採られている。そのため、除湿材を用いた除湿装置では、除湿材中の発色材を目視することができる構造の採用が必要となり、装置構造が複雑になる。

一方、冷却装置を用いた除湿装置は、次のような欠点を有するものであった。すなわち、一般にペルチェ素子を用いた電子クーラーなどの冷却装置は高価である。また、結露の発生は測定室内に導入した試料液の温度が測定室内の空気の温度より低いことが原因となるが、冷却装置を用いた除湿装置にはその結露発生の最大条件を想定した能力が要求され、この点でも装置コストが高くなる。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、水質分析計の測定室内に存在する空気の除湿を低コストで効率的に行うことができる除湿装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、以下の構成を採用した。
［１］測定室内に試料液を導入し、測定室内で試料液の測定を行う水質分析計の測定室内の空気の除湿装置であって、
内部に空気が導入される空気容器と内部に試料液が導入される試料液容器とを有し、空気容器内の空気と試料液容器内の試料液との熱交換を行って空気容器内の空気を冷却する熱交換手段と、
前記空気容器内に前記測定室内の空気を導入する空気導入手段と、
試料液容器内の試料液との熱交換を行った後の空気容器内の空気を前記測定室内に返送する空気返送手段と、
前記試料液容器内に試料液を導入する試料液導入手段と
を具備することを特徴とする水質分析計の除湿装置。
［２］前記空気容器内の空気を加圧する加圧手段を具備することを特徴とする［１］に記載の水質分析計の除湿装置。

本発明に係る水質分析計の除湿装置は、熱交換手段により空気容器内の空気と試料液容器内の試料液との熱交換を行って空気容器内の空気を冷却することにより、水質分析計の測定室内に存在する空気の除湿を低コストで効率的に行うことができる。

すなわち、除湿の手段として、湿分を含む空気の温度を下げることが有効であるが、本発明では、熱交換手段の空気容器内に測定室内の空気を導入し、試料液容器内に試料液を導入するとともに、上記空気容器内の空気と試料液容器内の試料液との熱交換を行って空気容器内の空気を冷却することにより、空気容器内の空気の除湿を行うことができ、この除湿を行った空気容器内の空気を測定室内に返送することにより、測定室内の空気を低湿度に維持することができる。この場合、本発明では、測定室内の空気の冷却を試料液を用いて行うので、測定室内の空気の除湿を低コストで行うことができる。

また、本発明では、空気容器内の空気を加圧した状態で上記熱交換を行うことにより、空気容器内の空気の除湿が促進され、測定室内の空気の除湿を効率的に行うことができる。すなわち、一般にある混合比の水蒸気を含む湿潤空気を圧縮すると、上記混合比は変化せず、空気分圧も水蒸気分圧も同比率で上昇するが、水蒸気分圧に関しては、温度をパラメータとした飽和水蒸気圧があるため水蒸気分圧がこの飽和値よりも大きくなることはない。したがって、空気容器内の空気に、水蒸気分圧の値が飽和水蒸気圧よりも大きくなるような圧力を加えると、水蒸気分圧は飽和水蒸気圧の値で止まり、空気分圧が加圧前の混合比を超えて上昇することになり、また、過剰分の水蒸気は凝縮する。このときに液化した水分を除去することにより、空気中の水蒸気量は減少し、また、圧力を元に戻す（１気圧に戻す）と、加圧前の混合比よりも空気分圧が多くなった混合比が維持されるので、加圧前と比べて相対湿度が減少した空気を得ることができる。

本発明に係る水質分析計の除湿装置によれば、測定室内に試料液を導入して測定を行う水質分析計の測定室内に存在する空気の除湿を低コストで効率的に行うことができ、その結果、測定室内での結露の発生を効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１は本発明に係る水質分析計の除湿装置の第１実施形態を示す概略フロー図である。図１において、１０は水質分析計、１２は水質分析計１０の密閉された測定室、１４は測定室１２内に設置された測定セル、１６は測定セル１４に試料液を導入する試料液入口、１８は測定終了後の試料液を測定セル１４から排出する試料液出口を示す。また、図中２０は水質分析計１０に設置された除湿装置、２２は除湿装置２０の熱交換手段を示す。熱交換手段２２は、内部に試料液が導入される管状の試料液容器２４と、試料液容器２４の内部に配置され、内部に空気が導入される管状の空気容器２６とを有し、空気容器２６内の空気に対して試料液容器２４内の試料液の温度が低い場合に、試料液容器２４内の試料液と空気容器２６内の空気との熱交換を行って空気容器２６内の空気を冷却するものである。

本例において、水質分析計１０の測定室１２と空気容器２６の下部との間には空気導入管２８が配設されているとともに、空気導入管２８にはエアポンプ３０が介装されており、エアポンプ３０の動作によって測定室１２内の空気が空気容器２６内に導入されるようになっている。また、空気容器２６の上部と水質分析計１０の測定室１２との間には空気返送管３２が配設されているとともに、この空気返送管３２には流量絞り弁３４が介装されており、エアポンプ３０の動作によって空気容器２６内の空気が測定室１２内に返送されるとともに、流量絞り弁３４を絞ることにより空気容器２６内の空気が加圧されるようになっている。さらに、空気容器２６の下部には水抜き管３６が連結され、この水抜き管３６にはドレンバルブ３８が介装されている。なお、上記ドレンバルブ３８は通常は閉じられている。

上述のように、本例では、空気導入管２８とエアポンプ３０とによって空気容器２６内に測定室１２内の空気を導入する空気導入手段が構成され、エアポンプ３０と流量絞り弁３４とによって空気容器２６内の空気を加圧する加圧手段が構成され、エアポンプ３０と空気返送管３２とによって試料液容器２４内の試料液との熱交換を行った後の空気容器２６内の空気を測定室１２内に返送する空気返送手段が構成されている。

また、試料液容器２４の下部には、試料液容器２４内に試料液を導入する試料液導入管４０（試料液導入手段）が連結されているとともに、試料液容器２４の上部と試料液入口１６との間には、空気容器２６内の空気との熱交換を行った後の試料液容器２４内の試料液を測定室１２内に導入する試料液移送管４２が配設されている。

次に、本例の動作について説明する。
（１）測定対象の試料液は、試料液導入管４０から試料液容器２４内に導入された後、さらに試料液移送管４２により測定室１２内の測定セル１４に導入されて所定の測定が行われた後、試料液出口１８から排出される。
（２）一方、測定室１２内の空気は、エアポンプ３０の動作によって空気導入管２８を経由して空気容器２６内に導入される。このとき、流量絞り弁３４を絞ることにより、エアポンプ３０と流量絞り弁３４との間の経路では、空気はエアポンプ３０の吐出圧力による加圧状態にある。結露発生の要因となる試料液の温度が測定室１２内の空気の温度より低い場合に、空気容器２６内の空気は、試料液容器２４内の試料液との熱交換によって加圧下で冷却され、湿度が低下する。すなわち、空気容器２６内の空気は加圧状態にあるため、単位体積当たりに存在し得る水分量に対して存在する水分が過剰となり、試料水による冷却と相俟って、過剰水分は空気容器２６内で凝結する。
（３）湿度が低下した空気容器２６内の空気は、エアポンプ３０の動作によって空気返送管３２を経由して測定室１２内に返送される。この場合、流量絞り弁３４を経た空気は、大気圧に減圧されるため、相対湿度の低い乾燥空気となって測定室１２内に供給される。
（４）空気容器２６内に溜まった水分は、適宜ドレンバルブ３８を開いて水抜き管３６から排出する。

以上のサイクルにより、測定室１２内の空気に含まれる湿分が減少し、測定室１２内における結露の発生が防止される。この場合、空気容器２６内の空気を加圧した状態で上記熱交換を行うので、空気容器２６内の空気の除湿が促進され、各部の温度差、応答遅れ等により生じる結露に対しても安全率を高めることができる。
（第２実施形態）
図２は本発明に係る水質分析計の除湿装置の第２実施形態を示す概略フロー図である。本例は、光学式フローセルを用いた濁度計に本発明に係る除湿装置を設置した例である。図２において、５０は濁度計、５２は濁度計５０の密閉された検出部（測定室）、５４は濁度計５０の制御・変換部を示す。

検出部５２内には、光源ランプ５６、フローセル５８、積分球６０、透過光受光部６２および散乱光受光素部６４が配設されている。上記フローセル５８は、内部に試料液が導入されるセル本体６６の両側にそれぞれ透明なセル窓６８を配置し、一方のセル窓６８に光源ランプ５６からの光を入射させ、セル本体６６内の試料液を透過した光を他方のセル窓６８から射出させるものである。本例の濁度計５０は、上記射出光（積分球６０を経由した透過光および散乱光）を透過光受光部６２および散乱光受光部６４で受光し、入射光、透過光および散乱光の強度から試料液の濁度を算出するものである。

また、図中７０は濁度計５０に設置された除湿装置、７２は除湿装置７０の熱交換手段を示す。熱交換手段７２は、内部に試料液が導入されるウォータージャケット（試料液容器）７４と、ウォータージャケット７４の内部に配置され、内部に空気が導入されるエア冷却タンク（空気容器）７６とを有し、ウォータージャケット７４内の試料液とエア冷却タンク７６内の空気との熱交換を行ってエア冷却タンク７６内の空気を冷却するものである。

本例において、濁度計５０の検出部５２とエア冷却タンク７６の下部との間には空気導入管７８が配設されているとともに、空気導入管７８にはエアポンプ８０が介装されており、エアポンプ８０の動作によって検出部５２内の空気がエア冷却タンク７６内に導入されるようになっている。また、エア冷却タンク７６の上部と濁度計５０の検出部５２との間には空気返送管８２が配設されているとともに、この空気返送管８２には流量絞り弁８４が介装されており、エアポンプ８０の動作によってエア冷却タンク７６内の空気が検出部５２内に返送されるとともに、流量絞り弁８４を絞ることによりエア冷却タンク７６内の空気が加圧されるようになっている。さらに、エア冷却タンク７６の下部には水抜き管８６が連結され、この水抜き管８６にはドレンバルブ８８が介装されている。なお、上記ドレンバルブ８８は通常は閉じられている。

上述のように、本例では、空気導入管７８とエアポンプ８０とによって空気導入手段が構成され、エアポンプ８０と流量絞り弁８４とによって加圧手段が構成され、エアポンプ８０と空気返送管８２とによって空気返送手段が構成されている。

また、ウォータージャケット７４の下部には、ウォータージャケット７４内に試料液を導入する試料液導入管９０（試料液導入手段）が連結され、この試料液導入管９０には制御・変換部５４の制御により動作する電磁弁９２が介装されているとともに、ウォータージャケット７４の上部とフローセル５８の入口との間には、エア冷却タンク７６内の空気との熱交換を行った後のウォータージャケット７４内の試料液をフローセル５８内に導入する試料液移送管９２が配設されている。なお、試料液導入管９０には純水導入管９４が連結され、この純水導入管９４には制御・変換部５４の制御により動作する電磁弁９６が介装されている。上記純水導入管９４は、濁度計５０のゼロ点校正時に検出部５２に純水を供給するためのものである。

次に、本例の動作について説明する。
（ａ）測定対象の試料液は、試料液導入管９０からウォータージャケット７４内に導入された後、さらに試料液移送管９２により検出部５２内のフローセル５８に導入されて濁度の測定が行われた後、試料液排出ライン９８を通って排出される。
（ｂ）一方、検出部５２内の空気は、エアポンプ８０の動作によって空気導入管７８を経由してエア冷却タンク７６内に導入される。このとき、流量絞り弁８４を絞ることにより、エアポンプ８０と流量絞り弁８４との間の経路では、空気はエアポンプ８０の吐出圧力による加圧状態にある。試料液が結露を発生させる温度域の場合に、エア冷却タンク７６内の空気は、ウォータージャケット７４内の試料液との熱交換によって加圧下で冷却され、湿度が低下する。
（ｃ）湿度が低下したエア冷却タンク７６内の空気は、エアポンプ８０の動作によって空気返送管８２を経由して検出部５２内に返送される。この場合、流量絞り弁８４を経た空気は、大気圧に減圧されるため、相対湿度の低い乾燥空気となって検出部５２内に供給される。
（ｄ）エア冷却タンク７６内に溜まった水分は、適宜ドレンバルブ８８を開いて水抜き管８６から排出する。

なお、上記いずれの実施形態においても、試料液は、熱交換手段内の試料液容器に導入された後に、検出部（測定室）内に導入されて測定されるような構成、すなわち、空気との熱交換を行った後の試料液を測定するような構成としたが、検出部（測定室）内で測定した後の試料液を熱交換手段内の試料液容器に導入して空気との熱交換を行う構成としてもよいし、測定ラインとは別途に試料液を熱交換手段内の試料液容器に導入するラインを設けてもよい。

前述した第２実施形態の濁度計を用い、前記（ａ）〜（ｃ）の手順で検出部５２に返送される空気の除湿を行った結果を図３に示す。なお、一定の雰囲気環境を維持させるために、検出部５２はカバーを取り外した状態で恒温恒湿装置内に配置した。図３において、Ｋは濁度計の出力、Ｌは恒温恒湿装置（検出部５２）内の空気の湿度、Ｍは恒温恒湿装置（検出部５２）内の空気の温度、Ｎはウォータージャケット７４内に導入された試料液の温度、Ｐは図２において符号Ａで示す箇所における空気の湿度、Ｑは箇所Ａにおける空気の温度を示し、時間Ｔまでの間の各部の温度、湿度等は下記の通りであった。
・恒温恒湿装置内の空気の湿度（Ｌ）：約７８％ＲＨ
・恒温恒湿装置内の空気の温度（Ｍ）：約２１℃
・ウォータージャケット７４内に導入された試料液の温度（Ｎ）：約２１℃
・箇所Ａにおける空気の湿度（Ｐ）：約５２％ＲＨ
・箇所Ａにおける空気の温度（Ｑ）：約２１℃
・エア冷却タンク７６内における空気の圧力：０．１ＭＰａ
ここで、ＪＩＳ Ｚ ８８０６に記載の水の飽和蒸気圧（飽和水蒸気圧）表によれば、２１℃における飽和水蒸気圧は２４８８．２Ｐａである。したがって、相対湿度７８％の空気においては、２４８８．２×０．７８≒１９４０．８（Ｐａ）の水蒸気分圧であることがわかる。この空気を０．１ＭＰａとなるように圧縮した場合、空気圧と水蒸気圧の混合比は変わらないため、水蒸気分圧は計算上、１９４０．８×２＝３８８１．６（Ｐａ）となる。しかし、２１℃における飽和水蒸気圧は前述の通り２４８８．２Ｐａであるため、３８８１．６−２４８８．２＝１３９３．４（Ｐａ）に相当する水分子は凝縮して水抜き管８６に溜まることになり、水蒸気分圧は２４８８．２Ｐａとなる。そして、この圧縮空気が流量絞り弁を通過して大気圧に戻るときには、２４８８．２÷２≒１２４４．１（Ｐａ）の水蒸気分圧となり、相対湿度は１２４４．１÷２４８８．２＝０．５、すなわち約５０％となる。本実施例においては、理論値に近い約５２％ＲＨであった。また、このときの濁度計の出力Ｋは、試料液の濁度に応じた出力となっていた。

次に、試料液の温度が下がった場合の状態を見るために、時間Ｔにおいて、試料液の冷却を開始して、約５℃まで低下するように冷却を続けた。また、同時に恒温恒湿装置内の相対湿度が９０％になるように加湿を開始した。加湿の開始とともに検出部５２の光学系に結露が発生したため、濁度計の出力Ｋは急変しはじめた。一方、箇所Ａにおける空気の湿度Ｐは、試料液の温度低下に伴って徐々に低下し、約１時間後には相対湿度が２３％にまで低下した。これを計算で確認すると以下のようになる。

恒温恒湿装置内の空気の温度Ｍは約２０℃であり、ＪＩＳ Ｚ ８８０６の飽和水蒸気圧表によれば、２０℃の飽和水蒸気圧は２３３９．２Ｐａである。恒温恒湿装置内の空気の相対湿度Ｌは約９０％であるので、水蒸気分圧は、２３３９．２×０．９≒２１０５．３（Ｐａ）である。エア冷却タンク７６内では、この空気が０．１ＭＰａとなるように圧縮されているので、水蒸気分圧は計算上、２１０５．３×２＝４２１０．６（Ｐａ）となるが、エア冷却タンク７６内の空気はウォータージャケット７４内の試料液で約７℃に冷却されており、７℃における飽和水蒸気圧は１００２．０Ｐａであるため、４２１０．６−１００２．０＝３２０８．６（Ｐａ）に相当する水分子が凝縮して水抜き管８６に溜まり、水蒸気分圧は１００２．０Ｐａとなる。そして、この圧縮空気が流量絞り弁を通過して大気圧に戻るときには、１００２．０÷２＝５０１．０（Ｐａ）の水蒸気分圧となり、またこのときの箇所Ａにおける空気の温度Ｑは約１９℃であるため、相対湿度は５０１．０÷２１９８．２（１９℃における飽和水蒸気圧）≒０．２３すなわち約２３％となる。なお、箇所Ａにおける空気の温度Ｑは、エア冷却タンク７６から箇所Ａに至る経路において周囲環境の温度に近い値まで上昇したものである。

なお、本実施例においては、相対湿度は温度によって変化するので、周囲温度を一定に保つことにより、除湿の状態をわかりやすく観察するために検出部５２のカバーを取り外した状態で恒温恒湿装置内に配置し、また、除湿後の空気を直接光学系に向けて吹き付けていないため、濁度計の出力Ｋは約１時間１５分後には完全に振り切れたが、通常の実施形態においては、検出部５２は密閉されているため、検出部５２全体に除湿後の乾燥した空気が拡散して全体の除湿が行われるので結露は発生せず、濁度の測定は正しく行われる。また、本実施例では、水蒸気分圧が５０１．０Ｐａの空気を得ることができたが、これは、０℃における飽和水蒸気圧である６１１．２１Ｐａよりも充分に小さい値である。

上述のように、試料水で冷却され、さらに加圧されることによって、効果的に除湿がなされた空気が返送された検出器内は、試料液の温度が急激に変化したとしても結露は発生せず、また、検出器内の光学系に向けて除湿した空気を吹き付けるような構造をとれば、保守等で湿度の高い空気が混入しても、光学系に結露は発生せず、安定した測定を継続することが可能である。

本発明に係る水質分析計の除湿装置の第１実施形態を示す概略フロー図である。 本発明に係る水質分析計の除湿装置の第２実施形態を示す概略フロー図である。 実施例における除湿の様子を示すグラフである。

符号の説明

１０ 水質分析計
１２ 測定室
２０ 除湿装置
２２ 熱交換手段
２４ 試料液容器
２６ 空気容器
２８ 空気導入管
３０ エアポンプ
３２ 空気返送管
３４ 流量絞り弁
４０ 試料液導入管
４２ 試料液移送管
５０ 濁度計
５２ 検出部
７０ 除湿装置
７２ 熱交換手段
７４ ウォータージャケット
７６ エア冷却タンク
７８ 空気導入管
８０ エアポンプ
８２ 空気返送管
８４ 流量絞り弁
９０ 試料液導入管
９２ 試料液移送管

Claims (2)

1. 測定室内に試料液を導入し、測定室内で試料液の測定を行う水質分析計の測定室内の空気の除湿装置であって、
   内部に空気が導入される空気容器と内部に試料液が導入される試料液容器とを有し、空気容器内の空気と試料液容器内の試料液との熱交換を行って空気容器内の空気を冷却する熱交換手段と、
   前記空気容器内に前記測定室内の空気を導入する空気導入手段と、
   試料液容器内の試料液との熱交換を行った後の空気容器内の空気を前記測定室内に返送する空気返送手段と、
   前記試料液容器内に試料液を導入する試料液導入手段と
   を具備することを特徴とする水質分析計の除湿装置。
2. 前記空気容器内の空気を加圧する加圧手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の水質分析計の除湿装置。
   

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