JP2007046825A - 加湿装置及び加湿方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 露点温度が８０℃以上、特に１００℃を越える領域においても正確に湿度管理することのできる加湿装置及び加湿方法を提供する。
【構成】 乾燥ガスの質量流量を制御して送出する質量流量制御手段２０と、水を定量的に送出する水供給部３０と、水供給部３０から供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器４０と、蒸発器４０から流入した水蒸気と質量流量制御手段２０から流入する乾燥ガスとを混合させた加湿ガスを流入して所望の雰囲気を生成する試験槽６０と、試験槽６０内の圧力を制御する背圧制御手段８０と、試験槽６０内の圧力を測定する圧力検出手段６２とを備えて構成する。そして、乾燥ガスの質量流量、供給した水の質量、加湿ガス流入時に測定した試験槽６０内の圧力から試験槽６０内の露点温度を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水蒸気で加湿されたガスが収容された槽内の温度や圧力を調節して所望の加湿ガスを発生させる加湿装置に係り、露点温度８０℃以上（特に１００℃を越える領域）で露点温度を正確に管理可能な加湿装置及び加湿方法に関するものである。

従来より、湿度計を用いる計測技術の分野において、湿度計の校正に湿度値が定まった雰囲気を発生させる加湿装置が用いられる。この種の加湿装置としては、乾燥空気と飽和空気の流量比により任意の湿度を得る分流式加湿装置、同一圧力条件下において、ある温度で飽和された飽和槽の空気をそれより高い温度の試験槽に導入する二温度式加湿装置、ある圧力で飽和された空気をそれより低い圧力の試験室に導入する二圧力式加湿装置、上記した二温度式、二圧力式の方法を混合した二温度二圧力式加湿装置などが知られている（詳細は非特許文献１、２を参照）。

図３は、一般的な二温度式加湿装置の一例を示した概略構成図である。この加湿装置では、加湿槽（飽和槽）内と試験槽内圧力とを同一にした上で、圧縮空気や圧縮窒素ガスなどの乾燥ガスを圧力弁により減圧し、ガス流量を流量計で制御し、このガスを必要な露点温度と同温度に設定された水を収容した加湿槽に供給しバブリングする。その結果、バブリングされた乾燥ガスは、その水温における飽和水蒸気圧に等しい水蒸気を含むガス（飽和ガス）となり、その後、同温度またはこれより高温の所定温度に制御された試験槽内に供給され、ここで、目標とする温度、湿度が得られる。また、上記説明の加湿装置と異なる装置構成例としては、例えば特許文献１や特許文献２に開示されたものが知られている。
特開平５−７１７７６号公報 特許第２６４２８８０号 上田 政文 「湿度と蒸発−基礎から計測技術まで−」（２０００年）、第６章、コロナ社、６６〜７５頁 日本工業標準調査会 「ＪＩＳ Ｂ ７９２０−２０００、湿度計−試験方法」、財団法人 日本規格協会、１〜１４頁

上述した加湿装置は、飽和槽である加湿槽内のバブリングによりその水温における飽和ガスになると仮定しているが、実際に飽和しているか否かは不明確であり、バブリングにより加湿されたガスが完全に飽和していない場合は、試験槽内の露点温度は所望の露点温度よりも低く得られてしまう。また、加湿槽内に収容された水面よりも上部の温度を水温に対して高くしすぎた場合は、この影響により水の蒸発が生じ、要求された露点温度以上になってしまうという問題があった。

また、上述した加湿装置に限らず、この種の加湿装置を正確な湿度発生装置として用いた場合、露点温度８０℃以上、特に露点温度が１００℃を越える領域においては、槽内を加圧する必要がある。しかしながら、槽内の加圧に応じて装置の構造が複雑化するという問題があった。

さらに、加湿槽内の湿度を湿度センサや光学式露点温度計などを挿入して温度や湿度を測定する必要がある。しかしながら、露点温度が８０℃以上、特に１００℃を越えるような高温域になると湿度センサや光学式露点温度センサ自体の精度にも問題が生じるため、これらを基準器として使用できず、正確な露点温度を得ることが困難であった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、露点温度８０℃以上、特に１００℃を越える領域においても正確に露点温度管理することのできる加湿装置及び加湿方法を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために、請求項１記載の加湿装置は、装置内に所望の加湿ガスを生成する加湿装置において、
乾燥ガスの質量流量を制御して送出する質量流量制御手段と、水を定量的に送出する水供給部と、前記水供給部から供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器と、該蒸発器から送出された水蒸気と質量流量制御手段から送出された乾燥ガスとを混合して生成した前記加湿ガスを流入して所望の雰囲気を生成する試験槽と、前記試験槽内の圧力を制御する背圧制御手段と、前記試験槽内の圧力を測定する圧力検出手段とを備え、
前記質量流量制御手段から送出する乾燥ガスの質量流量、前記水供給部から供給する水の質量、前記測定した試験槽内の圧力から前記試験槽内の露点温度を算出可能なことを特徴とする。

請求項２記載の加湿装置は、請求項１記載の加湿装置において、前記蒸発器に、前記水供給部から供給された水が水相の先端で安定して蒸発するための蒸発補助材を収容することを特徴とする。

請求項３記載の加湿装置は、請求項１または２記載の加湿装置において、前記蒸発器に電気ヒータを備え、さらに前記電気ヒータの熱量を一定にして所定の温度を保持するための定電圧装置を備えたことを特徴とする。

請求項４記載の加湿装置は、請求項１記載の加湿装置において、前記試験槽から排出された加湿ガスを冷却して前記加湿ガス中の水蒸気を水にして回収し、この回収した水の質量を測定する水回収部を備えたことを特徴とする。

請求項５記載の加湿装置は、請求項１記載の加湿装置において、前記試験槽の前段に設けられ、前記蒸発器から生成された水蒸気と前記質量流量制御された乾燥ガスを完全に混合して安定化させるための中間槽を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の加湿方法は、装置内に所望の加湿ガスを生成する加湿方法において、
乾燥ガスの質量流量を制御して送出するステップと、水を定量的に送出するステップと、前記送出された水を蒸発させて水蒸気を発生させるステップと、前記試験槽内の圧力を制御するステップと、前記発生した水蒸気と質量流量制御された乾燥ガスとを混合して生成した前記加湿ガスを試験槽内に流入して所望の雰囲気を生成するステップと、前記加湿ガス流入後の前記試験槽内の圧力を測定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の加湿装置によれば、予め要求する露点温度に応じた乾燥ガスの質量流量、水の質量を供給し、この供給された乾燥ガスの質量流量、水の質量、加湿ガス流入時における槽内の圧力から槽内の露点温度を算出することができる。従って、設定する露点温度を８０℃以上、特に１００℃を越える領域に設定した場合においても、正確な露点温度を得られ、信頼性の高い高精度な加湿装置及び加湿方法を提供することができる。

以下、本発明の最良の形態について、添付した図面を参照しながらそれぞれ説明する。図１は本発明に係る加湿装置の概略構成を示す説明図、図２（ａ）は本発明の加湿装置を用いて燃料電池と接続した場合の一例を示す概念図、図２（ｂ）は図２（ａ）と異なる形式の燃料電池と接続した場合の一例を示す概念図である。

まず、図１を参照しながら、本例の加湿装置について詳細に説明する。加湿装置１は、乾燥ガス供給部１０と、質量流量制御手段２０と、水供給部３０と、蒸発器４０と、中間槽５０と、試験槽６０と、水回収部７０とを備えて構成される。

乾燥ガス供給部１０は、乾燥した圧縮窒素や圧縮空気などのガスを一定の圧力に調整して質量流量制御手段２０に供給する。

質量流量制御手段２０は、乾燥ガス供給部１０から供給された乾燥ガスの質量流量を予め設定された質量流量で乾燥ガスの流量を制御して蒸発器４０に送出する。また、質量流量制御手段２０と蒸発器４０との間には、例えば圧力検出器、圧力計、圧力指示計、圧力記録計などで構成された圧力検出手段２１が備えられており、質量流量制御手段２０から供給される乾燥ガスの圧力状態を所定間隔で検出し、検出したデータを例えばデータロガーなどのデータ収録器に逐次転送している。

水供給部３０は、水供給槽３１内に収容された水を電子天秤３２などで正確に秤量し、秤量した水に含まれる気体を脱ガス装置３３で脱気を行いながら定量ポンプ３４に送り、定量ポンプ３４において一定の流量を保ちつつ脈動を抑制しながら蒸発器４０の上流側（図の下方側）へ水を供給する。

蒸発器４０は、水供給部３０から供給された水を蒸発させるため、蒸発器４０の周囲に蒸発器４０内の温度を水が蒸発する温度に維持し、且つ、蒸発界面の水位を一定に保持するために電圧を一定に保つための例えばスライダック（登録商標）などの定電圧装置４１ａを具備した電気ヒータ４１を備えて構成される。なお、この蒸発器４０は、電気ヒータ４１によって蒸発した水蒸気で質量流量制御手段２０から供給された乾燥ガスを加湿し、ここで生成した加湿ガスを中間槽５０へ送出する。

蒸発器４０内の圧力における沸点以上の温度に加熱して水供給部３０から供給された水を蒸発させる場合、同じ場所で安定して水を蒸発させるため、蒸発器４０内に焼結金属や布などの蒸発補助材を所定量収容させ、毛細管現象などを利用して水を吸い上げ、水が水相の先端で安定して蒸発するようにしている。
なお、蒸発器４０内に収容する蒸発補助材は、上記のものに限定されるものではなく、水供給部３０より供給された水を安定して蒸発させることのできるものであれば、特に限定はされない。

中間槽５０は、乾燥ガス供給部１０から供給されたガスと蒸発器４０で発生した水蒸気とを完全に混合させて加湿ガスを生成する。また、中間槽５０は、生成した加湿ガスを安定化させる助走区間としての緩衝機能も有している。なお、水蒸気と飽和ガスの混合効率を上げるため、必要に応じて中間槽５０の内部にスタティックミキサーなどを具備して混合している。

試験槽６０は、完全混合状態の加湿ガスを中間槽５０から受入れて、被試験体１００の試験を行う。また、モニター用として、温湿度計（露点温度計）、温度指示計、露点指示計などを備えた温湿度検出手段６１が具備され、この温湿度計で試験槽６０内の温度を所定時間間隔で検出し、検出したモニター用データと被試験体１００のデータを例えばデータロガーなどのデータ収録器に逐次転送している。

また、試験槽６０には、例えば圧力検出器、圧力指示計、圧力記録計などで構成された圧力検出手段６２が備えられており、試験槽６０内の圧力を所定間隔で検出している。さらに、試験槽６０と水回収部７０との間の配管に設置された背圧制御弁には背圧制御手段８０が具備され、この背圧制御手段８０が蒸発器４０、中間槽５０、試験槽６０の各部の圧力を制御し、１００℃以上の露点温度を実現している。

なお、中間槽５０、試験槽６０と蒸発器４０と中間槽５０との間、中間槽５０と試験槽６０との間、試験槽６０と水回収部７０との間を接続する配管には、水蒸気が液化しないように各部の周囲に電気ヒータ５１、６３、９０、９１、９２を配設し、各配管を要求された露点温度よりも高い温度に維持している。また、電気ヒータの温度を管理するため、電気ヒータ５１、６３、９０、９２は、それぞれ温度指示計や温度指示調節計などの温度検出手段５１ａ、６３ａ、９０ａ、９２ａを具備し、さらに電気ヒータ５１、６３、９２には電気ヒータの電力を調節するための電力調整器５１ｂ、６３ｂ、９２ｂを具備している。

水回収部７０は、加湿ガス中に含まれる水蒸気を冷却して水に戻す液化装置７１と、液化装置７１で液化した水を回収する受水槽７２とで構成され、試験槽６０から排出した加湿ガスに混在している水蒸気を冷却して再び水に戻して回収する還流冷却機能を有する。液化装置７１は、二重構造になった管の間に低温水が流れるように形成された冷却管７１ａと、冷却管７１ａを冷却するための低温水を循環させるチラーなどの水循環装置７１ｂとで構成される。受水槽７２は、液化装置７１で液化した水を回収するための容器である。

水回収部７０は、試験槽６０から排出した加湿ガスを液化装置７１の冷却管７１ａに通過させて混在している水蒸気を液化して水に戻し、戻した水を受水槽７２で回収した後、電子天秤７３などで水の質量を秤量する。また、水回収部７０の設置箇所周辺の気温が高い場合、加湿ガスが完全に液化しきれず、その気温の飽和蒸気圧分の水が大気中に放出されてしまう恐れがある。そのため、必要に応じて受水槽７２に温度検出手段７２ａを備えた構成にし、受水槽７２の上部気相温度を測定してその温度に応じた飽和蒸気圧分の水の質量を算出して補正することで、より精密に回収した水の質量を得ることができる。

なお、上述した加湿装置１において、質量流量制御手段２０から供給される乾燥ガスは蒸発器４０の上流側から水と同時に供給するとしたが、これに限定されることはなく、直接中間槽５０に供給することもできる。この場合、乾燥ガスは、必要に応じて予熱器などを用いて生成された水蒸気よりも十分に高い温度にした後、中間槽５０に供給することで水の液化を防ぎ、上記構成と同様な露点温度を得ることができる。

そして、このような構成の加湿装置１では、まず予め所望の露点温度を決定し、この露点温度に応じた乾燥ガスの流量、水の質量、装置内圧力を設定する。設定後、乾燥ガス供給部１０から予め設定した乾燥ガスを質量流量制御手段２０を介して蒸発器４０に供給するとともに、予め設定した質量の水を水供給部３０から蒸発器４０に供給する。

供給された水は、試験槽６０内で全て水蒸気として存在することから、予め設定した単位時間に供給した乾燥ガスの質量流量、供給した水の質量、圧力検出手段６２で検出した試験槽６０内の圧力から正確な露点温度を算出することができる。
なお、回収した水の質量が供給した水の質量より少ない場合は、水回収部７０から排出するガス中の水分を補正することで系の信頼性を確認することができる。

このように、上述した加湿装置１では、乾燥ガス供給部１０から供給する乾燥ガスの質量流量と水供給部３０から供給する水の質量を予め決定しておき、この供給された水と乾燥ガスから所望の加湿ガスを生成して試験槽６０に流入する。そして、供給した乾燥ガスの質量流量、供給した水の質量、加湿ガス流入時における試験槽６０内の圧力から試験槽６０内の露点温度を算出する。従って、露点温度８０℃以上、特に１００℃を越えるような高温域に温度設定した場合でも、正確な露点温度を得ることができる。また、供給した水の質量と水回収部７０で回収した水の質量との差分から排出ガス中の水分補正を行うことで、試験の精度を確認することができる。

以下、上述した本発明を実施例によって更に具体的に説明する。なお、下記実施例は、本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

実施例１では、以下の条件で上述した加湿装置１を操作した。
〔実施条件〕
・仮露点温度：１３０℃
・試験槽圧力：４０００ｈＰａ（Ａｂｓ．）
・窒素ガス流量：０．５０ノルマリットル／ｍｉｎ（ＮＬＭ）
・水流量：１．００ｇ／ｍｉｎ

そして、以下に示す数１〜数３の計算式を用いて、上記実施条件における飽和蒸気圧（ｋＰａ）、加湿ガス１ｋｇ中における水の質量の混合比（ｇ〔水〕／ｋｇ〔乾燥窒素ガス〕）をそれぞれ算出した。

まず、上記数１を用いて、上記条件より混合比の理論値を算出した。算出した結果、混合比は、１５８８．６５４２（ｇ／ｋｇ）となった。

次に、上記数２（ＪＩＳ Ｚ ８８０６−１９９５に記載のＷａｇｎｅｒ−Ｐｒｕｓｓの式）を用いて、実施条件の仮露点温度（飽和温度）における飽和蒸気圧を算出して、この飽和蒸気圧と試験槽圧力から上記実施条件における混合比を算出した後、実施条件に基づく混合比と理論値の混合比との数値が４桁程度一致するように仮露点温度の値を変化させながら計算する。そして、理論値とほぼ一致した混合比が得られたときの露点温度が、上記実施条件時の真の露点温度を示す。計算した結果、１３１．７５℃で混合比が４桁一致したため、真の露点温度は１３１．７５℃（実質的には１３１．８℃）が真値と見なされる露点であった。

なお、実施例において、試験槽の温度は結露を起こさないようにするため、例えば仮露点温度が１３０℃の場合は１５０℃程度の十分高い温度に維持されるようにする必要がある。そして、実施中に被試験体１００の示す露点温度が真値と差がある場合は、その差分に基づいて被試験体１００の露点温度を校正する。また、このように校正された被試験体１００の示す露点は、加湿装置１の安定性を評価するための尺度となるため、試験全体を通して誤差が±０．３℃以内に収まることが望ましい。

このように、上記実施条件において本例の加湿装置１を駆動させた場合、供給する乾燥ガスの質量流量、供給した水の質量、試験槽６０内の圧力から露点温度を算出することができる。従って、要求する露点温度に応じてこれらの条件を随時変更させることで、所望の露点温度を正確に管理することが可能となる。

本発明によって製造される加湿装置１は、例えば図２（ａ）に示すように燃料電池の駆動に必要な燃料ガスを所定の露点まで加湿するための加湿装置や、図２（ｂ）に示すように水素に富む改質ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給するとともに、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池システムにおける各ガスを所定の露点まで加湿するための加湿装置として使用することができる。また、本発明の加湿装置で生成された加湿ガスは、要求する温度値や湿度値に極めて近い高精度な数値が得られるため、湿度センサや露点温度計などの湿度校正用の湿度発生装置として使用することができる。

以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明に係る加湿装置の概略構成を示す説明図である。 （ａ） 本発明の加湿装置を用いて燃料電池と接続した場合の一例を示す概念図である。 （ｂ） 図２（ａ）と異なる形式の燃料電池と接続した場合の一例を示す概念図である。 従来の加湿装置の構成の一例を示す概略説明図である。

符号の説明

１ 加湿装置
１０ 乾燥ガス供給部
２０ 質量流量制御手段
３０ 水供給部
４０ 蒸発器
５０ 中間槽
６０ 試験槽
７０ 水回収部
８０ 背圧制御手段
９０ 電気ヒータ
１００ 被試験体

Claims (6)

1. 装置内に所望の加湿ガスを生成する加湿装置において、
   乾燥ガスの質量流量を制御して送出する質量流量制御手段と、水を定量的に送出する水供給部と、前記水供給部から供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器と、該蒸発器から送出された水蒸気と質量流量制御手段から送出された乾燥ガスとを混合して生成した前記加湿ガスを流入して所望の雰囲気を生成する試験槽と、前記試験槽内の圧力を制御する背圧制御手段と、前記試験槽内の圧力を測定する圧力検出手段とを備え、
   前記質量流量制御手段から送出する乾燥ガスの質量流量、前記水供給部から供給する水の質量、前記測定した試験槽内の圧力から前記試験槽内の露点温度を算出可能なことを特徴とする加湿装置。
2. 前記蒸発器に、前記水供給部から供給された水が水相の先端で安定して蒸発するための蒸発補助材を収容することを特徴とする請求項１記載の加湿装置。
3. 前記蒸発器に電気ヒータを備え、さらに前記電気ヒータの熱量を一定にして所定の温度を保持するための定電圧装置を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の加湿装置。
4. 前記試験槽から排出された加湿ガスを冷却して前記加湿ガス中の水蒸気を水にして回収し、この回収した水の質量を測定する水回収部を備えたことを特徴とする請求項１記載の加湿装置。
5. 前記試験槽の前段に設けられ、前記蒸発器から生成された水蒸気と前記質量流量制御された乾燥ガスを完全に混合して安定化させるための中間槽を備えたことを特徴とする請求項１記載の加湿装置。
6. 装置内に所望の加湿ガスを生成する加湿方法において、
   乾燥ガスの質量流量を制御して送出するステップと、水を定量的に送出するステップと、前記送出された水を蒸発させて水蒸気を発生させるステップと、前記試験槽内の圧力を制御するステップと、前記発生した水蒸気と質量流量制御された乾燥ガスとを混合して生成した前記加湿ガスを試験槽内に流入して所望の雰囲気を生成するステップと、前記加湿ガス流入後の前記試験槽内の圧力を測定するステップと、を含むことを特徴とする加湿方法。

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