JP2014001898A - 湿潤ガス発生方法と小流量用調湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトでシンプルな構成で小流量のクリーンな湿潤ガスを高精度に供給でき、水循環用のポンプを別に必要とすることなく、ガス供給用のポンプのみを利用して所定の加湿状態まで円滑にガスを調湿でき、装置への組み込み性やモジュール交換性も向上した湿潤ガス発生方法と小流量用調湿装置を提供する。
【解決手段】中空糸膜束１６の両端部をポッティングした加湿モジュール１１の一次側に所定圧の圧縮ガスを供給する一次側経路２５を設け、この一次側流路２５より分岐した分岐経路２６を介して水Ｗを密封したタンク１２に所定圧で連通させ、このタンク１２内の水Ｗを供給経路１８を介して加湿モジュール１１内の中空糸膜１５外側に供給し、圧縮ガスの所定圧が付加された水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２との関係において、中空糸膜１５内の圧縮ガスを加湿することにより加湿モジュール１１の二次側より湿潤ガスを発生するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空糸膜を使用して湿潤ガスを発生させる湿潤ガス発生方法と、小さい流量で湿潤ガスを高精度に調湿しながら発生させることが可能で、しかも、小流量の調湿ガスを必要とする用途に好適で、かつ、安価な小流量用調湿装置に関する。

従来より、中空糸膜を介してガスに所定量の水分を加えて湿潤ガスを得るようにした各種の湿潤ガスの発生方法を利用した調湿装置が知られている。又、大流量の湿潤ガスを得る場合では、水をヒーターで加温し蒸気を発生させる方法や超音波やノズルを使用した噴射力により水を霧化させる方式が知られている。近年では、例えば、電子部品や精密機器の製造、測定、試験などの工業分野や、食物の保管などの食品分野、或は、ｉＰＳ細胞の培養用インキュベーターなどの生物分野や医療分野などの様々な分野において、小流量の調湿ガスが要望されることも多くなってきている。又、このような小流量の調湿を必要としている分野では、多種類のものを取り扱い、それぞれ異なった調湿環境を同時に用意する必要がある。そのため、大きく高価な装置で多量に一定の調湿ガスを発生するものではなく、安価でコンパクトな装置を多数設置する要望がある。
これらの分野で大流量の調湿装置を用いた場合、必要以上の流量の湿潤ガスが供給されることで対象物に悪影響を与えることがあり、例えば、インキュベーターにこれらの調湿装置を使用した場合、大流量のガスの供給により細胞が吹き飛ばされるおそれがある。しかも、これらの加湿装置を上記各種分野で用いる場合、設置環境に応じて加湿装置の仕様が異なるために装置全体が大型化することにもつながる。更に、インキュベーターなどの生物分野や医療分野では雑菌による汚染が懸念されるため、特にクリーンな調湿ガスの供給が要望されている。
これらのことから、小流量のクリーンな湿潤ガスを高精度に供給でき、コンパクトで安価な調湿装置が望まれている。

小流量の調湿装置をコンパクト化するために、例えば、図９、図１０に示すように、加湿ユニット部１において、タンク部２と長手形状の加湿モジュール部３とを別々に設け、これらを配管部４で接続することが考えられる。この場合、タンク部２から配管部４を介して自重で加湿モジュール部３に水が供給される。

また、一般的な湿潤ガス供給方法として、例えば、特許文献１の加湿ガス供給方法が知られている。この加湿ガス供給方法では、飽和湿潤ガスの圧力及び温度を測定、これらに基づいて算出した飽和湿潤ガスの水分量と、加湿ガスの水分量及び流量とから、飽和湿潤ガスの流量及び乾燥ガスの流量を設定するようになっている。この調湿装置は、原料ガス供給経路と、この経路から分岐した加湿経路及び乾燥ガス経路と、ガス混合部と、加湿ガス供給経路とを有し、加湿経路からの飽和湿潤ガスと、乾燥ガス経路からの乾燥ガスとをガス混合部で混合して加湿ガス供給経路から供給するものであり、加湿経路には加湿器が備えられている。加湿器は、加湿膜、水槽、ポンプを有し、加湿膜、水槽にポンプで水を循環させた加湿器をガスが通過することで、水分を含んだ湿潤ガスがガス混合部に供給される。

特許文献２の加湿装置では、水蒸気透過膜である中空糸をＵ字状に折り曲げ、この中空糸の一方の面に水を接触させ、他方の面に気体を流通させることで気体の加湿をおこなっている。この場合、気体流通側には気体入口と加湿気体出口とが設けられ、気体入口から気体を供給することで、加湿気体出口から加湿された気体が得られる。
更に、特許文献３の気体加湿装置は、中空糸透過膜と、保持容器とを有し、内圧／流量調節手段として、中空糸透過膜の流入部、保持容器のそれぞれにポンプ、バルブが設けられている。この気体加湿装置では、これらの中空糸透過膜の流入部、保持容器の接続部のそれぞれでポンプの圧力と流量とを個別に調整することで、加湿の度合いを容易かつ微細に調節しようとするものである。

特開２００８−２７５１８５号公報 特開平８−２６６６３１号公報 特開２００８−５７９４７号公報

図９、図１０に示すように、加湿ユニット部１において、別体のタンク部２と加湿モジュール部３とを配管部４を介して自重で加湿モジュール部３に設けられた中空糸膜部５の外側に水Ｗを供給する場合、加湿モジュール部３に設けられた中空糸膜部５内側に流れるガスは、内側の凸凹等により流体摩擦エネルギーが発生するため、圧力損失が発生し、下流側にいくほどガス圧力が低くなる。すなわち、図９におけるガスの圧力は、加湿ユニット部１よりも一次側経路の圧力ＰＧ１、加湿モジュール部３に設けられた中空糸膜部５内側の上流側ガス圧力ＰＧ２、加湿モジュール部３の中空糸膜部５内側の下流側ガス圧力ＰＧ３とした場合、圧力ＰＧ１＞圧力ＰＧ２＞圧力ＰＧ３の関係になる。この場合、タンク部２内の水Ｗを自重で中空糸膜部５の外側に供給するためには、水の自重による圧力ＰＷを中空糸膜部５内側に流れるガスの圧力ＰＧ２より高くする必要があり、この水の自重による圧力ＰＷ＞圧力ＰＧ２の関係にない場合には、中空糸膜部５内側を通過したガスが膜内壁の細孔部を透過して水側に流出し、中空糸膜部５の外側に溜まることになる。その結果、水と膜表面の接触面積が低下して安定した加湿ができなくなる。更に、ガスの流量によってガス圧である圧力ＰＧ２が変動するため、水の自重による圧力ＰＷがこの圧力ＰＧ２よりも高くなるようにその都度タンク部２を適正な位置に設ける必要がある。

中空糸膜５内側を通過したガスが膜内壁の細孔部を透過して水側に流出するのを防ぐためには、タンク部２を密閉にすることも考えられる。しかしながらこの場合、加湿モジュール部３の二次側に湿潤ガスとして水が水蒸気として流出すると、タンク部２内の水が減少し、その結果タンク部２内の空気層が減圧になるため、水を加湿モジュール部３に設けられた中空糸膜部５の外側に供給できなくなる。もしくは、タンク部２内の空気層の減圧を解消するため、ガスが膜内壁の細孔部を透過してやはり水側に流出してしまう。又、図１０の様に加湿モジュール部３内に流出したガスの空気層が、配管部４を介してスムーズにタンク部２に移動し、タンク部２の水Ｗと入れ替わることにより、タンク部２内の空気層の減圧は解消され、再び水Ｗが加湿モジュール部３に設けられた中空糸膜部５の外側に供給されることになるが、その場合、スムーズに入れ替わりができるように、加湿モジュール部３の向きや、モジュール形状、配管部４の管径などを十分に考慮する必要がある。このような理由で、水を自重で供給する構成のタンク部２、及び加湿モジュール部３を用いた加湿ユニット部１を調湿装置に用いることは難しい。

一方、特許文献１や３の加湿装置を小流量の調湿装置に利用しようとする場合、これらの加湿装置は、中空糸膜表面に温度制御された恒温水をポンプで直接循環させる構成であるため設備が複雑になったり大型化し、ポンプ性能が強いためにコストもかかる。小流量の調湿を必要としている分野では、このように大きく高価な装置で多量に一定の調湿ガスを発生するものではなく、それぞれ異なった調湿環境を同時に多数用意することができるように安価でコンパクトな装置が望まれている。また、ポンプを使用した循環水を中空糸膜部５の外側に供給する方法でも、中空糸膜内側を通過したガスが膜内壁の細孔部を透過して水側に流出するため、ガス圧より水圧を高く設定する必要もある。

特許文献２や３の加湿装置のように中空糸をＵ字状に折り曲げた場合には、中空糸膜からなる加湿モジュールと水タンクである容器とが一体構造になることから、容器が大型化して装置内での設置スペースが大きくなるという問題があり、調湿装置全体のコンパクト化が難しくなる。加湿モジュールを交換する際には、容器の蓋を空けて濡れたモジュールを取出す必要があるため、作業性も悪くなっていた。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発に至ったものであり、その目的とするところは、コンパクトでシンプルな構成で小流量のクリーンな湿潤ガスを高精度に供給でき、水循環用のポンプを別に必要とすることなく、ガス供給用のポンプのみを利用して所定の加湿状態まで円滑にガスを調湿でき、装置への組み込み性やモジュール交換性も向上した湿潤ガス発生方法と小流量用調湿装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、中空糸膜束の両端部をポッティングした加湿モジュールの一次側に所定圧の圧縮ガスを供給する一次側経路を設け、この一次側経路より分岐した分岐経路を介して水を密封したタンクに所定圧で連通させ、このタンク内の水を供給経路を介して加湿モジュール内の中空糸膜外側に供給し、圧縮ガスの所定圧が付加された水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２との関係において、中空糸膜内の圧縮ガスを加湿することにより加湿モジュールの二次側より湿潤ガスを発生するようにした湿潤ガス発生方法である。

請求項２に係る発明は、圧縮供給源から加湿モジュールの一次側に供給する一次側経路の途中に切換弁機構を設け、この切換弁機構を介して加湿モジュール側の加湿ラインと除湿ラインに分岐し、この除湿ラインの途中に膜式ドライヤを設けると共に、加湿ラインと除湿ラインを合流させ、調湿目的空間内に適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを導入して調湿を行うようにした小流量用調湿装置である。

請求項３に係る発明は、圧縮供給源から加湿モジュールの一次側に供給する一次側経路の途中に切換弁機構を設け、この切換弁機構の一次側に膜式ドライヤを設け、切換弁機構を介して加湿モジュールを設けた加湿ラインと除湿ラインを切換分岐すると共に、加湿ラインと除湿ラインを合流させ、調湿目的空間内に適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを導入して調湿を行うようにした小流量用調湿装置である。

請求項４に係る発明は、加湿ラインと除湿ラインの合流経路の手前の加湿ラインと除湿ラインに逆止弁をそれぞれ設け、合流経路を調湿目的空間に連通させた小流量用調湿装置である。

請求項５に係る発明は、加湿モジュールは、供給経路の入口とエアー抜き弁を設けたケースに両端部をポッティングした疎水性多孔質膜又は水蒸気透過性無孔膜からなる中空糸膜束を密封し、中空糸膜内側に圧縮ガスを供給し、この中空糸膜の外側に水を供給して圧縮ガスを加湿する構造であり、膜式ドライヤは、ケース内に両端部をポッティングした水蒸気透過性無孔膜からなる中空糸膜束を密封し、中空糸膜の内側に圧縮ガスを供給して水蒸気のみを中空糸膜の外側に排出して除湿ガスを供給し、除湿ガスの一部を中空糸膜の外側にパージして連続除湿を行う構造である小流量用調湿装置である。

請求項６に係る発明は、装置本体の外側にタンクと加湿モジュールと膜式ドライヤを配置し、この加湿モジュールと膜式ドライヤとの各種の経路を配管で接続し、装置本体の内部に調湿制御機構を配設し、装置本体にセンサー用端子台と調湿ガスの接続口を設けた小流量用調湿装置である。

請求項７に係る発明は、中空糸膜束の両端部をポッティングした加湿モジュールの二次側に真空ポンプを設置して中空糸膜の内圧Ｐ２を低減させ、タンク内の水を供給経路を介して加湿モジュール内に供給し、水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２との関係において、中空糸膜内を通過したガスを加湿することにより加湿モジュールの二次側より湿潤ガスを発生するようにした湿潤ガス発生方法である。

請求項１に係る発明によると、全体が大型化することなくコンパクトでシンプルな構成によりクリーンかつ小流量の湿潤ガスを高精度に供給でき、水循環用のポンプを別に必要とすることなく簡略化した設備のガス供給用のポンプを利用して所定の加湿状態まで円滑に調湿できる。しかも、タンクと加湿モジュールとを別体に設けて運転可能にしたため、装置への組み込み性を向上して小流量の湿潤ガスを必要とするあらゆる分野の装置に簡単に設けることができ、加湿モジュールの交換性も向上することで容易に分解して加湿モジュールを交換したりメンテナンスを実施して常に高精度の制御を実施可能な状態まで回復できる。加湿モジュールの一次側の配管を分岐してタンクに連通したことで中空糸膜内部を通過したガスが膜内壁の細孔部を透過して水側に流出するのを防止でき、絶えずタンク内の水を加湿モジュール内に供給可能となる。

請求項２又は３に係る発明によると、加湿ライン側に分岐経路を介してタンクと接続した加湿モジュールを容易に組込みでき、全体をコンパクト化しつつ簡単な構成で小流量の湿潤ガスを発生できる調湿装置を提供できる。切換弁機構を介して加湿ラインと除湿ライン側に分岐していることで、加湿ラインと除湿ラインとをそれぞれ独立して制御可能となり、これらを制御することで調湿目的空間内を高精度に調湿できる。

請求項４に係る発明によると、加湿ラインと除湿ラインとへの調湿目的空間からの逆流を防ぎながらそれぞれのラインによる加湿制御又は除湿制御を実施でき、一方のラインによる制御中に他方へのラインへの逆流を防止できることで、調湿目的空間内の調湿を高精度に実施可能になる。

請求項５に係る発明によると、加湿モジュールにより圧縮ガスを加湿でき、膜式ドライヤにより除湿ガスを供給でき、これらを分岐した加湿ラインと除湿ラインとにそれぞれ配設することで各ラインから高精度に加湿又は除湿したガスを調湿目的空間に送って高精度に調湿できる。

請求項６に係る発明によると、装置本体を簡略化して全体のコンパクト化を図りつつユニット化でき、このユニット化した装置本体により小流量の調湿ガスを簡単に供給できる。しかも、装置本体の外側にタンク、加湿モジュール、膜式ドライヤを設けていることでこれらの交換やメンテナンスも容易となり、常に高精度の湿潤ガスを発生可能となる。装置本体にセンサー用端子台と調湿ガスの接続口を設けていることにより、調湿装置を適宜設置したい場所に簡単に可搬し、これらを容易に調湿目的空間に接続し、この調湿目的空間に所定の湿潤ガスを供給可能となる。

請求項７に係る発明によると、全体が大型化することなくコンパクトでシンプルな構成によりクリーンかつ小流量の湿潤ガスを高精度に供給でき、経路を簡略化しつつ所定の加湿状態まで円滑に調湿できる。しかも、タンクと加湿モジュールとを別体に設けて運転可能としていることで、装置への組み込み性を向上して小流量の湿潤ガスを必要とするあらゆる分野の装置に簡単に組込みでき、加湿モジュールの交換性も向上することで容易に分解して加湿モジュールを交換したりメンテナンスを実施して、常に高精度の制御を実施可能な状態まで回復できる。加湿モジュールの二次側に真空ポンプを設置することにより、水を特に加圧することなく自重による水圧で、中空糸膜内側を通過したガスが膜内壁の細孔部を透過して水側に流出するのを防止でき、絶えずタンク内の水を加湿モジュール内に供給可能となる。

本発明の湿潤ガス発生方法における加湿ユニットを示す模式図である。 小流量用調湿装置の第１実施形態を示す模式図である。 装置本体を示す斜視図である。 装置本体の使用例を示す概略正面図である。 ＰＩＤ制御時による加湿と除湿の動作を表したグラフである。 小流量用調湿装置の第２実施形態を示す模式図である。 湿潤ガス発生方法における加湿ユニットの他例を示す模式図である。 小流量用調湿装置の第３実施形態を示す模式図である。 中空糸膜の水側へのガス流出状態を示す模式図である。 加湿モジュール内に空気層が発生した状態を示す模式図である。

本発明における湿潤ガス発生方法と小流量用調湿装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１においては、本発明の湿潤ガス発生方法における加湿ユニットを示している。加湿ユニット１０は、加湿モジュール１１とタンク１２とを有し、これらの一次側に設けられた圧縮供給源であるガス供給用のポンプ１３を介して小流量用調湿装置内を流れる圧縮ガスを、加湿モジュール１１で加湿可能になっている。加湿ユニット１０の一次側には流量調節弁１４が設けられ、この流量調節弁１４を介して流量調節された圧縮ガスが加湿モジュール１１に供給される。この流量調節弁１４により、加湿モジュール１１内への過度な圧力の印加が防止され、加圧による露点上昇の結露を発生せずに、十分な加湿能力を得ることができる。

加湿モジュールは、例えば、疎水性多孔質膜又は水蒸気透過性無孔膜等からなる中空糸膜１５からなる中空糸膜束１６、この中空糸膜束１６収納用のケース１７を有している。中空糸膜１５は、水蒸気に対して透過性を有し、水Ｗに対して阻止性を有する疎水性多孔質膜で形成され、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ４−メチルペンテン−１等のオレフィン系中空糸やポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系中空糸が挙げられる。又、中空糸膜１５の図示しない細孔は、仮に水Ｗ中に繁殖した細菌類の透過を確実に防ぐ孔径０．０１μｍ以上、好ましくは０．０５〜１．０μｍの細菌類除去のためには０．２μｍ以下が好ましい。中空糸膜１５の内径は、一例として約φ０．４ｍｍ、外径は約φ０．５ｍｍである。又、水蒸気透過性を有する無孔膜でもよく、その材料としては、ポリマー鎖内に親水基を持つ透湿性ウレタン、ポリマー鎖内に塩基又は酸基を有するイオン交換ポリマー、芳香族ポリイミド等が挙げられる。

ケース１７には、タンク１２内に蓄積される純水からなる水Ｗが供給される供給経路１８の入口１９と、エアー抜き経路２３を介してエアー抜き弁２０が設けられ、ケース１７に両端部をポッティング部２１によりポッティングした前記中空糸膜束１６が密封されている。加湿モジュール１１の一次側には所定圧の圧縮ガスを供給するための一次側経路２５が設けられ、この一次側経路２５より分岐された分岐経路２６を介して水Ｗを密封したタンク１２に所定圧で連通されている。加湿モジュール１１は、一次側経路２５を介して中空糸膜１５内側に圧縮ガスが供給され、この中空糸膜１５の外側（外周）に水Ｗの供給経路１８を介してタンク１２より水Ｗが供給されて圧縮ガスを加湿する構造になっている。ここで、所定圧とは、例えば、圧縮ガス流量１０Ｌ／ｍｉｎの場合、２ｋＰａ程度の圧力である。また、圧縮ガスとは、インキュベーター等の装置内の空気や、装置を配置した室内の空気を圧縮したもの、あるいは、窒素等の不活性ガスを圧縮したものをいう。ここで、ポンプ１３に変え、ガスボンベを用いてもよい。

タンク１２は加湿モジュール１１の上流側に設けられ、このタンク１２内の水Ｗはその高さにより位置エネルギーを有している。これにより、加湿モジュール１１の一次側には圧縮ガスの所定圧が付加された、水の自重による水圧Ｐ１が加わっている。タンク１２は、必ずしも図１に示すように加湿モジュール１１よりも上方に配置されている必要はなく、中空糸膜１５内に供給される圧縮ガスを加湿できる状態に接続されていればよい。そのため、水圧Ｐ１は、前記の圧縮ガスの所定圧が付加された水Ｗの自重による場合を含む、圧縮ガスの所定圧が付加された水圧となる。なお、説明の便宜上、各図面において水圧Ｐ１がタンク１２内に図示されているが、実際のＰ１は、加湿モジュール１１内の中空糸膜外側における水圧を示す。
本発明の湿潤ガス発生方法では、圧縮ガスの所定圧が付加された水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２との関係において、中空糸膜１５内の圧縮ガスを加湿することにより加湿モジュール１１の二次側より湿潤ガスを発生するようになっている。

この場合、上記においては、一次側経路２５からポッティング部２１を介して中空糸膜１５内側に圧縮ガス、供給経路１８から中空糸膜１５の外側に水Ｗを供給することで、二次側に湿潤ガスを発生させているが、中空糸膜１５の外側から圧縮ガス、中空糸膜１５の内側に水を供給して湿潤ガスを発生させるようにしてもよい。

加湿ユニット１０は、調湿する対象である調湿目的空間Ｓに対して、後述の湿度センサー２７及び調湿ガス配管４１を介して接続されており、これの接続構造によって湿度制御可能になっている。

図２、図３においては、装置本体３０を示しており、この装置本体３０は、上述した加湿ユニット１０を有する加湿ライン３１、除湿用の除湿ライン３２、圧縮供給源１３、切換弁機構３３、内部に調湿目的空間Ｓを有する容器３５を有している。切換弁機構３３は、例えば、電磁弁からなり、圧縮供給源１３から加湿モジュール１１（加湿ライン３１）の一次側に供給する一次側経路２５の途中に設けられている。一次側経路２５は、切換弁機構３３を介して加湿ライン３１と除湿ライン３２とに分岐される。

除湿ライン３２の途中には、膜式ドライヤ３６と、この膜式ドライヤ３６の二次側に流量調節弁３７が設けられている。膜式ドライヤ３６は、水蒸気透過性無孔膜からなる中空糸膜３４からなる中空糸膜束３８、この中空糸膜束３８収納用のケース３９を有し、ケース３９内に両端部をポッティングした中空糸膜束３８が密封されている。この中空糸膜３４は、水蒸気透過性を有する無孔膜で、その材料は、ポリマー鎖内に親水基を持つ透湿性ウレタン、ポリマー鎖内に塩基又は酸基を有するイオン交換ポリマー、芳香族ポリイミド等が挙げられる。二次側の流量調節弁３７により、膜式ドライヤ３６の中空糸膜３４の内側に加圧下で圧縮ガスが供給されると水蒸気のみが中空糸膜３４の外側に排出されて除湿ガスが発生し、この除湿ガスの一部を中空糸膜３４の外側にパージして連続除湿を行いながら除湿ガスを供給可能になっている。

加湿ライン３１と除湿ライン３２とは合流経路４０で合流している。図４に示すように、合流経路４０の二次側には調湿ガス配管４１が設けられ、装置本体３０は、この調湿ガス配管４１を介して、調湿目的空間Ｓ内に適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを導入して調湿する。

その際、加湿ライン３１と除湿ライン３２の合流経路４０の手前の加湿ライン３１と除湿ライン３２には、逆止弁４２、４２がそれぞれ設けられ、これらの逆止弁４２、４２を介して合流経路４０が調湿目的空間Ｓに連通されている。これらの逆止弁４２により、調湿目的空間Ｓからの加湿ライン３１、除湿ライン３２への調湿ガスの逆流が防止され、適宜必要なときに一方のラインにおける逆止弁４２の一次側から直ちに十分な性能を有する湿潤ガス又は除湿ガスを供給可能となる。

分岐流路２６は、前述の流量調節弁１４の二次側に設けられているため、適切な圧力の圧縮ガスが水タンク１２内の水Ｗに付加される。これにより、中空糸膜１５の外側に過度な水圧が加わらず、中空糸膜１５が破裂したり、水Ｗが中空糸膜１５の疎水性の細孔を通過して中空糸膜１５内に水のまま浸入することなく、適切な加湿を行うことができる。分岐流路２６を流量調節弁１４の一次側に設ける場合には、分岐流路２６に圧力調節弁１４を配置するのがよい。

図３に示すように、装置本体３０はユニット化された状態に設けられ、この装置本体３０の外側には、タンク１２、加湿モジュール１１、膜式ドライヤ３６が配置され、これらの加湿モジュール１１と膜式ドライヤ３６との各経路が内部で前記構成により接続されている。さらに、装置本体３０には、図２に示した調湿制御機構４５が配設され、この調湿制御機構４５により調湿ガスが所定の状態に調湿制御される。装置本体３０の外側にはセンサー用端子台４６が設けられ、このセンサー用端子台４６と調湿制御機構４５とが電気的に接続されている。湿潤ガスの湿度を制御する場合には、調湿制御機構４５に設けられたパネル４７より設定湿度等の入力が可能になっている。また、装置本体３０には調湿ガスの接続口４８が設けられている。

調湿目的空間Ｓが内部に設けられた容器３５は、例えば、デシケータやグローブボックス等の容器からなり、この容器３５には配管ポート４９、センサー用ポート５０、排気ポート５２が設けられている。配管ポート４９には、装置本体３０の接続口４８と接続された調湿ガス供給用の調湿ガス配管４１が接続され、配管ポート４９を介して装置本体３０からの調湿ガスが調湿目的空間Ｓ内に供給される。センサー用ポート５０には、図４に示した装置本体３０のセンサー用端子台４６に接続されたケーブル５１が通され、このケーブル５１に接続された湿度センサー２７が容器３５内の調湿目的空間に設けられる。又、排気ポート５２は、調湿ガスの供給により容器３５内に圧力がかからないように設けられている。

次いで、上記した加湿ユニットと小流量用調湿装置の動作を説明する。
図１の加湿ユニット１０で中空糸膜１５内側に圧縮ガスを供給することにより、加湿モジュール１１の二次側より湿潤ガスを発生させる。このとき、中空糸膜１５内側を通過したガスの水側（タンク１２側）への流出対策として、前述したように加湿モジュール１１の一次側経路２５より分岐経路２６を設け、この分岐経路２６を介してタンク１２に圧縮ガスを所定圧で供給可能に連通させる。

このように一次側経路２５より分岐経路２６を設けることで、一次側経路２５の圧力ＰＦ１と分岐経路２６に接続されるタンク１２内の空気層の圧力ＰＦ２との関係が、圧力ＰＦ１＝圧力ＰＦ２となる。タンク１２内の水Ｗを加湿モジュール１１内に供給するときに、この加湿モジュール１１に供給されるタンク１２側からの圧力は、圧縮ガスの所定の圧力ＰＦ２が付加された水圧Ｐ１となり、この圧縮ガスの所定圧が付加された水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２の関係が成り立つ。この関係において、中空糸膜１５内の圧縮ガスを加湿することにより、水側に圧縮ガスを流出することを防ぎつつ、加湿モジュール１１側に水Ｗを確実に供給して湿潤ガスを発生できる。その際に水圧Ｐ１側の圧力が高いことで、中空糸膜１５の外側にタンク１２から水Ｗを十分に供給して安定した長時間加湿が可能になる。

上記の構成により、加湿ユニット１０を装置本体３０に一本化することで簡略化しながらコンパクト化でき、軽量化を図ることができるため手軽に設置可能となる。また、加湿ライン３１は、加湿モジュール１１内の中空糸膜１５を利用しているため、仮にタンク１２内の水Ｗに雑菌が繁殖しても、膜の微細な細孔を通過できないため、湿潤ガス中への菌の流出を防止し、クリーンな加湿が可能となる。又、加湿モジュール１１は、除湿ライン３２の膜式ドライヤ３６と同形状にしているため、装置本体３０の全面配置（外付け配置）が可能になり、修理やメンテナンス、モジュール交換性が容易になる。又、装置本体３０に加湿モジュールを縦置きで設置することにより、この装置本体３０に図示しないが、装置稼働終了後に加湿モジュール内の水Ｗをエアー抜き経路２３を介して排水することも可能になる。更に、装置本体３０は可搬型であるため容易に持ち運ぶことも可能である。

上記の加湿モジュール１１と、膜式ドライヤ３６とを装置本体３０に設け、この装置本体３０に圧縮供給源１３により圧縮ガス（圧縮空気）を入口側から導入する際に、切換弁機構３３によって圧縮ガスを加湿ライン３１又は除湿ライン３２に分岐しながら適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを選択供給し、調湿目的空間Ｓ内を調湿できる。そのため、調湿空間内を直接湿度制御するため、湿潤ガスと除湿ガスを混合後、配管内の湿度を制御してから調湿空間に導入する場合の環境温度の湿度変化がなく、調湿空間内の湿度制御及び応答性がよい。調湿時には、湿度センサー２７により測定した湿度をパネル４７でモニターしながら、調湿制御機構４５を介して切換弁機構３３にフィードバック可能になっており、例えば、加湿過多の場合には除湿ライン３２、除湿過多の場合には加湿ライン３１に切換弁機構３３で切換えて圧縮ガスが導入される。このときユースポイント、インライン（特定ガス）での調湿が可能となる。調湿時の制御方法としては、例えば、ＰＩＤ制御が用いられる。

ＰＩＤ制御により制御する場合の一例を以下に述べる。調湿目的空間Ｓの湿度は、環境の温度や湿度に左右されるため、設定湿度に対して調湿目的空間Ｓの湿度が低い場合には湿潤ガスを導入し、湿度が高い場合には除湿ガスを導入する必要がある。装置本体３０で使用する調湿制御機構４５は、１台で加湿出力と除湿出力との２系統の出力を操作して制御可能となっている。

この制御時の動作としては、加湿側は「逆操作」、すなわち湿度測定値が設定値に対して増加した場合には調湿制御機構４５の出力が減少する動作になり、除湿側は「正動作」、すなわち湿度測定値が設定値に対して増加した場合には調湿制御機構４５の出力が増加する動作となる。また、このように加湿制御系（加湿モジュール１１から湿度センサー２７までの制御系統）と除湿制御系（膜式ドライヤ３６から湿度センサー２７までの制御系統）との２つの制御系から成る場合、加湿モジュール１１と膜式ドライヤ３６との性能差により加湿系と除湿系との応答性が異なることになる。そのため、一般的なＯＮ／ＯＦＦ制御では安定した湿度に維持することが難しくなる。

本実施形態では、湿度を安定させるために加湿側、除湿側をそれぞれ独立してＰＩＤ制御するようにした。このときの制御を図５のグラフに示している。図において、設定湿度を中心として、一方側に加湿出力、他方側に除湿出力を表している。設定湿度に対して湿度設定値が低い場合には、切換弁機構３３を加湿ライン３１側に切換えて圧縮ガスを供給し、湿度設定値が高い場合には、切換弁機構３３を除湿ライン３２側に切換えて圧縮ガスを供給するようになっている。このように、加湿又は除湿する際は、何れか一方側のラインに圧縮ガスを供給するようにした制御を採用している。これらの加湿、除湿制御は、オーバーラップすることはなく、加湿出力と除湿出力の切り替えポイントで不感帯（デッドバンド）を設けている。これによって、調湿目的空間Ｓに圧縮ガスを常時供給することを防ぎ、設定値まで湿度を制御した後に安定した設定湿度に維持でき、設定値から離れるときに再び制御開始することで湿度の変化に対応できる。

装置本体３０で供給できる湿潤ガスとしては、例えば、流量が３０Ｌ／ｍｉｎまで、湿度制御範囲が、最低５％から最大５０％程度までであり、装置本体３０を使用する際に適した温度は１５〜３５℃程度、圧縮ガスの供給圧力は０．５ＭＰａ程度となる。更に、加湿モジュール１１及びタンク１２を図示しないヒーターで覆うようにした場合、加湿能力を向上することも可能である。

図６においては、小流量用調湿装置の第２実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この実施形態では、前記実施形態と同様の加湿ユニット１０を設け、この加湿ユニット１０を前記実施形態とは異なる経路の装置本体６０に設けたものである。この装置本体６０は、膜式ドライヤ３６の位置が前記実施形態とは異なっており、圧縮供給源１３から加湿モジュール１１の一次側に供給する一次側経路２５の途中に切換弁機構３３が設けられ、この切換弁機構３３の一次側に膜式ドライヤ３６が設けられている。更に、切換弁機構３３を介して加湿モジュール１１を設けた加湿ライン３１と、除湿ライン３２とが切換可能に分岐され、合流経路４０により加湿ライン３１と除湿ライン３２とが合流している。この構成の装置本体６０において、容器３５内の調湿目的空間Ｓ内に適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを導入して調湿を行うようになっている。
このように、加湿モジュール１１を有するユニット化された加湿ユニット１０と、膜式ドライヤ３６とを調湿装置に配設する場合に、膜式ドライヤ３６の位置を変えることもできる。この場合には、加湿ライン３１にも除湿された圧縮ガスが供給されるため、より安定した調湿機能を発揮することが可能になる。

図７においては、調湿ガス発生方法における加湿ユニットの他例を示している。この湿潤ガス発生方法の加湿ユニット６１は、中空糸膜１５の両端部をポッティング部２１によりポッティングした加湿モジュール１１の一次側に流量調節弁１４を設置し、二次側に真空ポンプ６２を設置して中空糸膜内圧Ｐ２を低減させ、タンク１２内の水Ｗを供給経路１８を介して加湿モジュール内に供給するものである。タンク１２は大気開放されており、これによって中空糸膜１５の外側には水Ｗの自重による圧力である水圧Ｐ１が加わり、中空糸膜１５の内側のガス圧は真空ポンプにより大気圧以下になるため、このときに水Ｗの自重による圧力である水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２の関係により、中空糸膜１５内側を通過したガスを加湿することができる。この場合の中空糸膜内圧Ｐ２の圧力は、例えば、真空１０ｋＰａ程度になっている。

図８においては、図７の加湿ユニットを有する小流量用調湿装置の実施形態を示している。この実施形態における装置本体６３は、上記の加湿ユニット６１を有する加湿ライン３１、除湿ライン３２、圧縮供給源１３、切換弁機構３３、調湿目的空間Ｓを有する容器３５を有し、加湿ライン３１と除湿ライン３２との間の合流経路４０に切換弁機構３３、除湿ライン３２の一次側に圧縮供給源であるガス供給用ポンプ１３が設けられている。これにより、加湿ライン３１による湿潤ガス、又は除湿ライン３２による除湿ガスは、調湿制御機構４５のＰＩＤ制御等の制御により切換えられながら調湿目的空間Ｓ内に供給される。

この装置本体６３の場合も、加湿モジュール１１を有するユニット化した加湿ユニット６１と膜式ドライヤ３６とを調湿装置に配設することで、前記第１形態と同様に調湿機能を発揮することが可能になる。

本発明は、インキュベーター、デシケータ、グローブボックス、ＳＰＦ動物実験装置などのスポット空間や、空気に小流量の湿潤ガスを供給して中湿度領域に調湿する場合に適しているが、環境試験、培養などの試験、研究用、精密測定、各種検査用、電子部品等の保管用、特定ガスの調湿などにも応用することができる。

１０ 加湿ユニット
１１ 加湿モジュール
１２ タンク
１３ ポンプ（圧縮供給源）
１５ 中空糸膜
１６ 中空糸膜束
１７ ケース
１８ 供給経路
１９ 入口
２０ エアー抜き弁
２１ ポッティング部
２５ 一次側経路
２６ 分岐経路
３０ 装置本体
３１ 加湿ライン
３２ 除湿ライン
３３ 切換弁機構
３６ 膜式ドライヤ
４０ 合流経路
４２ 逆止弁
４５ 調湿制御機構
４６ センサー用端子台
４８ 接続口
Ｐ１ 圧縮ガスの所定圧が付加された水圧
Ｐ２ 中空糸膜内圧
Ｓ 調湿目的空間
Ｗ 水

Claims (7)

1. 中空糸膜束の両端部をポッティングした加湿モジュールの一次側に所定圧の圧縮ガスを供給する一次側経路を設け、この一次側経路より分岐した分岐経路を介して水を密封したタンクに所定圧で連通させ、このタンク内の水を供給経路を介して前記加湿モジュール内の中空糸膜外側に供給し、圧縮ガスの所定圧が付加された水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２との関係において、前記中空糸膜内の圧縮ガスを加湿することにより前記加湿モジュールの二次側より湿潤ガスを発生するようにしたことを特徴とする湿潤ガス発生方法。
2. 圧縮供給源から前記加湿モジュールの一次側に供給する前記一次側経路の途中に切換弁機構を設け、この切換弁機構を介して前記加湿モジュール側の加湿ラインと除湿ラインに分岐し、この除湿ラインの途中に膜式ドライヤを設けると共に、前記加湿ラインと前記除湿ラインを合流させ、調湿目的空間内に適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを導入して調湿を行うようにした請求項１に記載の小流量用調湿装置。
3. 圧縮供給源から前記加湿モジュールの一次側に供給する前記一次側経路の途中に切換弁機構を設け、この切換弁機構の一次側に膜式ドライヤを設け、前記切換弁機構を介して前記加湿モジュールを設けた加湿ラインと除湿ラインを切換分岐すると共に、前記加湿ラインと前記除湿ラインを合流させ、調湿目的空間内に適宜に湿潤ガスまたは除湿ガスを導入して調湿を行うようにした請求項１に記載の小流量用調湿装置。
4. 前記加湿ラインと前記除湿ラインの合流経路の手前の前記加湿ラインと前記除湿ラインに逆止弁をそれぞれ設け、前記合流経路を前記調湿目的空間に連通させた請求項２又は３に記載の小流量用調湿装置。
5. 前記加湿モジュールは、前記供給経路の入口とエアー抜き弁を設けたケースに両端部をポッティングした疎水性多孔質膜又は水蒸気透過性無孔膜からなる中空糸膜束を密封し、中空糸膜内側に圧縮ガスを供給し、この中空糸膜の外側に水を供給して圧縮ガスを加湿する構造であり、前記膜式ドライヤは、ケース内に両端部をポッティングした水蒸気透過性無孔膜からなる中空糸膜束を密封し、中空糸膜の内側に圧縮ガスを供給して水蒸気のみを中空糸膜の外側に排出して除湿ガスを供給し、除湿ガスの一部を中空糸膜の外側にパージして連続除湿を行う構造である請求項２乃至４の何れか１に記載の小流量用調湿装置。
6. 装置本体の外側に前記タンクと前記加湿モジュールと前記膜式ドライヤを配置し、この加湿モジュールと膜式ドライヤとの各種の経路を配管で接続し、前記装置本体の内部に調湿制御機構を配設し、前記装置本体にセンサー用端子台と調湿ガスの接続口を設けた請求項１記載の小流量用調湿装置。
7. 中空糸膜束の両端部をポッティングした加湿モジュールの二次側に真空ポンプを設置して中空糸膜の内圧Ｐ２を低減させ、タンク内の水を供給経路を介して前記加湿モジュール内に供給し、水圧Ｐ１＞中空糸膜内圧Ｐ２との関係において、前記中空糸膜内を通過したガスを加湿することにより前記加湿モジュールの二次側より湿潤ガスを発生するようにしたことを特徴とする湿潤ガス発生方法。

Images