JP2015132467A

JP2015132467A - 水噴霧加湿装置

Info

Publication number: JP2015132467A
Application number: JP2015059644A
Authority: JP
Inventors: 淳一郎古山; Junichiro Furuyama; 聖士内山; Seiji Uchiyama; 聡植村; Satoshi Uemura
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: JP6058723B2

Abstract

【課題】エリミネータにおける再蒸発を積極的に利用して有効加湿効率を上げ、水の有効利用を図ることによって、高い加湿制御精度（例えば、４５?５％）が要求されるクリーンルームなどの工場空調に対する省エネ加湿の要望に応える。【解決手段】風洞と、風洞内に配されるノズルと、ポンプを備え、風洞外から供給される清浄水をノズルに給水する給水路と、風洞内に配される多孔質金属製エリミネータとを備え、多孔質金属製エリミネータは、内部に無数の気泡が重なりあうように存在し、気泡が重なる部分には気孔が空いて空間が連通しエリミネータ全体の表面と裏面とを貫通している連続気泡体であって、無数にある連通する気泡の開口部の一部が滑らかな楕円形状を為す平面であり、ミストを含んだ空気が通過する際に捕捉されたミストが、表面張力によって容易に水膜を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、冬期の乾いて低温である外気を、室内還気と混合して温調する空調設備、又は、冬期の乾いて低温である外気を室内に導入する前に専用の外気調和機にて温調する空調設備における、高い有効加湿効率を有する水噴霧加湿装置に関する。特に、高い加湿制御精度（例えば、４５±５％）が要求されるクリーンルームなどの工場空調に対する省エネ加湿の要望に応えることができる水噴霧加湿装置に関する。

周知のように、高精度の湿度制御が求められる産業分野においては、水蒸気の量を二方弁で比例制御できることによる流量制御性や応答性の良さから、蒸気式加湿器が多く用いられてきた。
しかし最近は、低炭素化の流れのなかで、油やガスなど排出ＣＯ₂換算係数が大きくかつ発生熱の温度場の高い一次エネルギ燃焼熱の、空調におけるたかだか百℃未満対象への直接加熱利用は敬遠され、水力や原子力発電由来を含むため排出ＣＯ₂換算係数の小さい電気への空調における加熱の移行が進んでおり、これに伴い、空調における加湿も、加熱温度が低くても加湿可能な水加湿方式に移行しつつある。

水加湿方式では、気化によって空気が冷えてしまうため、室内の暖房負荷は増えるが、ヒートポンプ熱源を利用して電化を図っている。
しかし、水加湿方式では、一般に必要加湿量に対して非常に多くの給水量が必要であり、加湿に供し得なかった給水は排水として捨てられている。水資源の豊富な我が国においても、水の有効利用は非常に重要である。

従来、水加湿装置として、遠心式・超音波式・二流体スプレー式・高圧スプレー式・エアワッシャ式などの水噴霧加湿装置や、滴下式・回転式・毛細管式などの気化加湿装置が知られている。この内、水噴霧加湿装置として、高圧スプレー装置やワッシャ装置が産業空調用途の空調機で多く使われている。いずれも噴霧圧０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａの噴霧ノズルとエリミネータ（気水分離器）とで構成される。

高圧スプレー式では、空調器内などの囲われたケーシングの内部に、通風方向の上流側にノズルを設け、加湿に必要な距離（加湿吸収距離）を一定量設けた後、未蒸発のミストを空気から除外するために、ノズル下流側に遮り効果を有するステンレス製折板からなるいわゆる三つ折エリミネータを設ける。ここで三つ折エリミネータによって除外されたミストは、直ちに大粒径化して水滴となり、ドレンとして排水され、加湿には寄与しない。加湿吸収距離を大きくするほどミストと空気との接触時間が長くなるため、加湿量を大きく排水量を少なくでき効率的であるが、設置スペースの制約があるため加湿吸収距離は一般的に１ｍ程度が限界である。このため、高圧スプレー装置における加湿効率は３０％（排水が７０％）程度と、非常に悪い。

ワッシャ装置は、本来、加湿を主目的とするものではなく、空気中の塵埃や有害ガス成分の除去を目的としており、それらに対して非常に高い除去率（８０％〜９０％以上）を求められるため、加湿量と比較して数十倍から数百倍の水を循環して噴霧させ気水の接触効率を高めている。
ワッシャ装置でも、エリミネータは気水分離機能が重要であり、低圧損で効率的に気水分離する発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ワッシャ装置では、塵埃、あるいは有害ガス成分の除去効率を高めるために、エリミネータを樹脂や金属製からなる繊維状のメディアとし、ここで水分を一定時間とどめることによって気水の接触面積を大きくする発明も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、近年省エネ型加湿器として「滴下式」が多く用いられるようになってきた。これは、空調器内等の温調対象搬送空気中に設置する、通風可能な材質からなる加湿材（吸水性エレメント）に上部から給水滴下する形式のもので、吸水性エレメントとしては、不織布、セラミックペーパなどを用いている。また、給水量は、必要加湿量及び残留スケール洗浄分とを合計した量を供給する。

特許第４３１８４６９号公報特許第３５４４８３６号公報

しかし、特許文献１，２の発明は、加湿量に比べて非常に多くの水を噴霧するワッシャ装置に対して、飽和効率を高める効果を有するものの、その噴霧量は、小さくしても空気／ガス重量比：Ｌ／Ｇで言うとせいぜい０．３で、必要加湿噴霧量の５０倍以上であり、有効加湿効率を高める効果は少ないという問題点があった。

また、滴下式加湿は、その吸水性エレメントに依存する構造から、滴下水量をある程度増減させても吸水性エレメントが保持する水分と接触する空気の面積はあまり変わらず飽和効率はほぼ一定となってしまうため、加湿量の制御が水量の制御だけではうまくできない。そして、滴下水供給元を電磁弁などでオンオフ制御することはできても、空気と接触する吸水性エレメントの保有水量が大きいため、吸水性エレメントが接触空気によって乾くまではなかなか加湿量が減衰せず、よってオンオフの応答性も悪く、制御精度が良くないという問題点があった。

本発明は、斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、エリミネータにおける再蒸発を積極的に利用して有効加湿効率を上げ、水の有効利用を図ることによって、高い加湿制御精度（例えば、４５±５％）が要求されるクリーンルームなどの工場空調に対する省エネ加湿の要望に応えることを可能とした水噴霧加湿装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、風洞と、前記風洞内に中を流れる気流に直交するよう配される多孔質金属製エリミネータと、前記多孔質金属製エリミネータ全体に噴霧可能に前記風洞内に配される噴霧圧力が０．６ＭＰａである低圧のノズルと、ポンプを備え、前記風洞外から供給される清浄水を前記ノズルに給水する給水路とを備え、前記多孔質金属製エリミネータは、内部に無数の気泡が重なりあうように存在し、前記気泡が重なる部分には気孔が空いて空間が連通し前記多孔質金属製エリミネータ全体の表面と裏面とを貫通している連続気泡体であって、無数にある連通する前記気泡の開口部の一部が滑らかな楕円形状を為す平面であり、前記気泡の直径が０．８ｍｍ〜１．３ｍｍ、空隙率が８０％〜９５％であり、ミストを含んだ空気が通過する際に捕捉されたミストが、表面張力によって容易に水膜を形成する構造であることで、前記ノズルと前記多孔質金属製エリミネータとの距離である加湿吸収距離を１，０００ｍｍ以上１，２００ｍｍ以下に確保することで、加湿による飽和線への近づき度合いを示す飽和効率を８０％以上に、且つ、前記ノズルへの給水量に対する空気に付加された水分量を示す有効加湿効率を４０％以上に確保することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の水噴霧加湿装置において、前記多孔質金属製エリミネータは、厚みが１０ｍｍ〜３０ｍｍであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、前記多孔質金属製エリミメータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁と、前記弁の開閉を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記弁の開放時間を制御することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁と、前記弁の開閉を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記弁の開放時間を制御することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の水噴霧装置において、複数の前記ノズルを数段に群配置するとともに、各段毎に前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁を配置した水噴霧装置と、前記多孔質金属製エリミメータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、前記水噴霧装置の各段の前記弁毎の開閉を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記各段毎の前記弁を開閉することでノズル段数を制御することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の水噴霧装置において、複数の前記ノズルを数段に群配置するとともに、各段毎に前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁を配置した水噴霧装置と、前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、前記水噴霧装置の各段の前記弁毎の開閉を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定相対湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記各段毎の前記弁を開閉することでノズル段数を制御することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、複数の背圧調整弁付ノズルを前記給水路のポンプ吐出側に前記加圧系統に接続する複数段の加圧系統に配置するとともに、前記複数段の加圧系統とそれぞれ並行して前記ポンプの上流側に接続する前記複数の背圧調整弁付ノズルの背圧系統を配置した水噴霧装置と、前記背圧系統に設けた二方弁と、前記多孔質金属製エリミネータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、前記二方弁の開度を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記二方弁の開度を調整することを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、複数の背圧調整弁付ノズルを前記給水路のポンプ吐出側に前記加圧系統に接続する複数段の加圧系統に配置するとともに、前記複数段の加圧系統とそれぞれ並行して前記ポンプの上流側に接続する前記複数の背圧調整弁付ノズルの背圧系統を配置した水噴霧装置と、前記背圧系統に設けた二方弁と、前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、前記二方弁の開度を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定相対湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記二方弁の開度を調整することを特徴とする。

本発明は、多孔質金属製エリミネータを利用するため、下記のような利点を有する。
多孔質金属製エリミネータの上流側の噴霧量に応じた、内部水膜形成と、噴霧水を減じた際の内部水膜消失性や、水切れの良さから、優れた加湿制御精度を有する。
加湿吸収距離を取りさえすれば優れた飽和効率を有し（〜８０％）、最大加湿性能は滴下式を超えている。噴霧量を小さくしたり、加湿吸収距離を小さくしても最大加湿性能は滴下式並である。

噴霧量を少なくするほど有効加湿効率が大きくなるが、その場合でもある一定の飽和効率を保つ（例えば、噴霧量の多い有効加湿効率５０％時、飽和効率は８０％程度のところ、噴霧水量を減らして有効加湿効率９０％としても、飽和効率は５０％以上ある）ため、部分負荷運転時は少ない吸水量で充分に加湿しながら運転でき、年間の使用水量が滴下式と比べ小さくできる。必要加湿量に対する水噴霧量が小さく、無駄なポンプ動力を消費しない。

本発明に係る水噴霧加湿装置の実施形態として空気調和機組み込みの加湿器を示す概略図である。図１の概略断面図である。図１に使用する多孔質金属製エリミネータを構成する連続気泡体を示す拡大図である。図３の連続気泡体がミストを含んだ空気を取り込むことによって水膜を形成する様子を示す拡大図である。図３の連続気泡体がミストを含んだ空気を取り込むことによる水膜の形成と空気通路の変化とを示す拡大図である。図３の連続気泡体がミストを含んだ空気を取り込むことによる形成された水膜の破壊と空気の流入とを示す拡大図である。図３の連続気泡体の気泡直径が大きい場合にミストの一部が捕捉されずに後方へ通過する状態を示す拡大図である。図３の連続気泡体の気泡直径が小さい場合に捕捉されたミストが水滴状となる状態を示す拡大図である。加湿器の加湿吸収距離と、飽和効率及び有効加湿効率との関係を示す図である。噴霧空間での飽和効率の結果を示す図である。加湿器の飽和効率および有効加湿効率と噴霧空間での飽和効率の結果の比からエリミネータの飽和効率の結果を算出した結果を示す図である。本発明に係る水噴霧加湿装置の実施形態として空気調和機組み込みの別の加湿器を示す概略図である。図１２の概略断面図である。図１２の加湿器を用いて一定時間噴霧を行い、その後停止したときの飽和効率の時間変化を示す図である。図１２の加湿器を時間比例制御する例を示す概略図である。図１５の概略断面図である。図１５の加湿器を時間比例制御する方法を示す図である。図１５の加湿器を時間比例制御するさいの加湿器出口湿度の変動を示す図である。図１２の加湿器を段数比例制御する例を示す概略図である。図１９の概略断面図である。図１２の加湿器を段数比例制御したときの、水／空気重量比つまり噴霧量と、飽和効率及び有効加湿効率との関係を示す図である。図１２の加湿器を容量比例制御する例を示す概略図である。図２２の概略断面図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１、図２は、本発明に係る水噴霧加湿装置の第一実施形態として空気調和機（以降、空調機と称する）組み込みの加湿器１を示す。
本実施形態に係る加湿器１は、空調機組み込みを想定し、例えば、７，２００ｍ³／Ｈ
の処理風量を、面速２．０ｍ／ｓで処理する場合、１ｍ×１ｍ断面の風洞１０内に噴霧量３Ｌ／Ｈのノズル１１を断面に対して均一に１６個、つまり定格で水／空気重量比Ｌ／Ｇ＝０．００５６として気水接触させて設け、ノズル１１の下流Ｌ（ｍｍ）に多孔質金属製エリミネータ１２を設置することによって構成されている。

今回採用したい低圧ノズル噴霧装置の性能を、比較試験として噴霧粒径の小さな気水接触の良好で飽和効率の既知の高圧ノズル噴霧装置と比べた。
ノズル１１は、高圧（噴霧圧力６ＭＰａ、平均粒径２６μｍ）ノズル、低圧（噴霧圧力０．６ＭＰａ、平均粒径５６μｍ）ノズルの２種類を用いた。ノズル１１は、ポンプ１３を備えた給水路１４に接続される配管１４ａにそれぞれ設けられている。ノズル１１は、多孔質金属製エリミネータ１２が効率よく均等に濡れるよう、断面に均等に配置することが望ましい。図１では、空気の流れとノズル噴霧ミストのマクロ的噴霧方向とが同じ向きの並行流噴霧を示しているが、後述の図１２に示すように、空気の流れとノズル噴霧ミストのマクロ的噴霧方向とが反対向きの対向流噴霧であっても可能である。

多孔質金属製エリミネータ１２は、例えば、図３〜図６に示すように、内部に無数の気泡１２ａが重なりあうように存在し、気泡１２ａが重なる部分には気孔が空いて空間が連通している連続気泡体ＩＣで構成されている。この連続気泡体ＩＣは、気泡直径が０．８ｍｍ〜１．３ｍｍ、空隙率が８０％〜９５％である。また、多孔質金属製エリミネータ１２の厚みは、１０ｍｍ〜３０ｍｍとする。

また、この連続気泡体ＩＣは、図３〜図６に示すように、連通する気泡１２ａ同士接する開口部のうちかなりな割合で、開口部は滑らかな楕円形状を為す平面である確率が高く、ミストを含んだ空気ＭＡが通過する際に開口部の縁に捕捉されたミストが、その流下やミスト同士の結合、及び表面張力によって容易に開口部に水膜ＷＦを形成することができる。そして、水膜ＷＦが空気による押圧や振動により破裂すると矢印で示すように開口部には空気の流入が可能となる。さらに、水膜が破裂した後微細なミストとなって流入した空気と良好な気水接触することとなる。即ち、連続気泡体ＩＣは、噴霧を行うことで、内部に無数の水膜ＷＦを形成することができ、連続気泡体ＩＣ内では多数の気泡が連続してできる孔を空気が通過し、それに伴い多数の水膜ＷＦを通過したり、水膜の表面に触れて通過することで加湿され、空気が通過した孔の水膜ＷＦは当然空気の押圧力で破裂することが多く一旦消滅するが、噴霧を続けている間は即座に再形成される。

ここで、気泡直径の制限の理由について説明する。
気泡直径が１．３ｍｍを超えると、図７に示すように、開口部を形成する縁のミスト捕捉性能が低下し多孔質金属製エリミネータ１２の後方へミストＭの飛散が発生する。一方、０．８ｍｍ未満になると、図８に示すように、開口部同士の間隔が密になり、一度水膜ＷＦを形成しても、隣接する水膜ＷＦと即座に結合し水滴状ＤＷになるため気水接触面積を効率よく得ることができない。また、気泡の内部に水滴が充満して滞留し、内部での気水接触が不能になる気泡も出てくる。

次に、多孔質金属製エリミネータ１２の厚みの制限の理由について説明する。
多孔質金属製エリミネータ１２の厚みが１０ｍｍ未満であると、多孔質金属製エリミネータ１２に捕集された水分の一部は多孔質金属製エリミネータ１２の背面まで染み出し、空気の動圧によって押し出され後方へ飛散する。また、厚みが３０ｍｍを超えると、多孔質金属製エリミネータ１２の内部後方側までミストが浸透しないため、浸透しない厚み部分は気水接触効果の向上に寄与せず、圧力損失増加の原因となるだけである。

なお、多孔質金属製エリミネータ１２の製法は、例えば以下の４例のような製法がある。
例１として、先ず連通気孔を有するポリウレタンフォーム、不織布などの多孔質プラスチック樹脂基材を造り、これに無電解メッキ、真空蒸着、スパッタリング、あるいはカーボンコーティングなどの方法でその骨格表面に導電性を付与し、骨格表面に必要な厚さまで金属を電気メッキする。得られた基材を高温の焙焼工程に導き、樹脂分を焼却し、次いで焙焼の時に生じる金属酸化物を還元雰囲気の中で加熱して金属酸化物を還元して多孔質金属製エリミネータとするものである。

例２として、先ず連通気孔を有するポリウレタンフォーム、不織布などの多孔質プラスチック樹脂基材を造り、これに金属粉末を含むスラリ液を導入して樹脂基材の表面に塗着した後、還元性雰囲気で金属粉末を焼結する。この際に、多孔質プラスチック樹脂基材の隙間の骨格太さがある程度あれば焼結収縮せず多孔質金属の網目状の骨格が保たれるので、ある程度の量の金属粉末を導入できるようスラリ液のへ浸漬やスラリ液の樹脂基材への圧入をコントロールする方法である。

例３として、先ず構造体となる隙間を形成するため、発泡樹脂（例えば発泡ウレタン）を粒状にして上から押圧して槽内にスタックし、その槽内に金属粉末を含むスラリ液を導入して発泡樹脂の表面に塗着した後、還元性雰囲気で金属粉末を焼結する。この際に、発泡樹脂の隙間の骨格太さがある程度あれば焼結収縮せず多孔質金属の網目状の骨格が保たれるので、ある程度の発泡樹脂間の距離を保つよう樹脂密度をコントロールする方法である。

例４として、多孔質金属製エリミネータといっても、連通気孔を有するポリウレタンフォームなどで樹脂基材を造り、別なエポキシ樹脂などの２液混合させた後短時間で硬化性を発揮する樹脂液の中に樹脂基材を浸積させて、連通気孔の内面に硬化性樹脂をコーティングさせ、硬化性樹脂槽から樹脂基材を引き上げて内面コーティング層を硬化させた後、コーティング層は溶かさず、ポリウレタンフォームを溶かす薬液槽に浸漬して、コーティング層のみ残して、非金属（樹脂）骨格からなる多孔質金属製エリミネータとする方法もある。

次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態の用途に応じた最適化を行うため、ノズル１１の噴霧面と、多孔質金属製エリミネータ１２のノズル側表面との距離をＬとし、Ｌを２００ｍｍ、４００ｍｍ、６００ｍｍ、８００ｍｍ、１，２００ｍｍの５種類で実証試験を行った。それぞれの条件において、ノズル１１と多孔質金属製エリミネータ１２とで構成された加湿器１の出入口温度、出入口相対湿度、排出水量を計測し、ここから飽和効率および有効加湿効率を求めた。

本実施形態において、加湿器１の性能に関係する用語である飽和効率（ηｓ）および有効加湿効率（ηｈ）を下記の通り定義する。
・飽和効率：ηｓ
加湿器の性能を表す指標で、この値が大きいほど出口は飽和状態に近くなり、加湿器として高性能である。
ηｓ＝（ｔｌ−ｔ２）／（ｔ１−ｔ’）・・・（１）
ｔｌ：入口空気温度［℃］
ｔ２：出口空気温度［℃］
ｔ’：入口空気湿球温度［℃］

・有効加湿効率：ηｈ
加湿器への給水量に対し、空気に付加された（加湿に寄与した）水分量を表す。
ηｈ＝ｑｈ／ｑｓ＝（ｑｓ−ｑｄ）／ｑｓ・・・（２）
ｑｓ：給水量［Ｌ／Ｈ］
ｑｈ：加湿に寄与した水分量＝加湿量［Ｌ／Ｈ］
ｑｄ：加湿に寄与しない水分量＝排水量［Ｌ／Ｈ］

本実証試験に供された本実施形態に係る加湿器１の加湿吸収距離を変化させた、飽和効率および有効加湿効率を図９に示す。
ノズル１１の高圧ノズル又は低圧ノズルの種類違いにかかわらず、ノズル１１と多孔質金属製エリミネータ１２との距離Ｌが大きくなるほど飽和効率及び有効加湿効率が上昇する。
例えば、飽和効率はＬ＝１，２００ｍｍのとき、高圧ノズルで９０％以上、低圧ノズルでも８０％以上となり、滴下式の高性能品の飽和効率８０％と同等以上の性能を有する。

よって、低圧ノズルでも加湿吸収距離１，０００ｍｍ程度以上を確保できる空調装置の場合、多孔質金属製エリミネータの下流側に配置する露点温度センサにより時間比例制御や段数制御などを行えば、産業用途の例えば常温付近のある乾球温度における相対湿度４５％±５％の制御も可能となる。
また、このときの有効加湿効率は、高圧ノズルで５０％、低圧ノズルでも４２％となり、よって、加湿吸収距離Ｌ＝１，２００ｍｍあれば、ポンプ動力の小さい低圧ノズルで充分であり、滴下式の有効加湿効率より良好な、水資源を節約し省エネルギになるシステムが構築できる。

一方、噴霧空間では空気中にミストが混在していることから空気の温湿度測定による蒸発量の算定が困難である。よって、空気中における水滴の質量流束を示す下式を用いて、理論的に算定する。
空気中の質量流束は、下記（３）式で表され、
Ｎ_a＝κ_aρ（χ_s−χ）[ｋｇ／ｍ²ｓ]・・・・（３）
シャーウッド数Ｓｈ及びランツ・マーシャルの式（下記（４）式で表す）を用いると、

（４）式は下記（５）式と書き換えられる。

さらに、風速と粒子速度（ミスト粒子速度）が等しいもの（空気−粒子相対速度０）と仮定するとレイノルズ数Ｒｅｐは０となり、（５）式は下記（６）式と表される。
並行流で低圧ノズルにすると、相対速度０に近くなるし、対向流にして空気上流側に向けて噴霧すると、多孔質金属製エリミネータ位置では、ミストは空気流に押し戻されて相対速度は限りなく０に近づいている。

これに水滴表面積Ａおよび粒子数を乗じることで蒸発量が求まる。ただし、蒸発に伴い粒径ｄは刻々と変化し、またこれに伴い蒸発流束Ｎａも刻々と変化する。よって、実際の算出方法には、先ず微少時間帯Δｔを考え、そのΔｔ間は粒径ｄが一定であると見なし、（６）式を適用し蒸発量を算出、蒸発による粒径ｄの変化を次の微少時間帯に反映させていく差分法を用いる。

なお、（３）式〜（６）式中の記号は下記の通りである。
Ｎ_a：蒸発流束[ｋｇ／ｍ²ｓ]
κ_a：物質移動係数[ｍ／ｓ]
ρ ：空気密度[ｋｇ／ｍ³]
χ_s：水滴界面の絶対温度[ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）]
χ ：空気の絶対温度[ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）]
Ｄ；拡散係数[ｍ²／ｓ]
ν ：空気動粘度[ｍ²／ｓ]
Ｒｅｐ：粒子レイノルズ数[−]

以上のように、噴霧空間におけるミストの蒸発量は、計測することができないため、先の（６）式を利用して理論的に計算を行った。条件は下記に示すとおりである。なお蒸発によりミストの平均粒径は減少し、これに伴い蒸発速度も変化することから、短い時間間隔で差分法により精度を上げ算定を行った。
条件
Ｄ＝２．３４×１０^-5 ｍ²／ｓ
ｄ＝５６×１０^-6 ｍ（低圧ノズル初期）
２６×１０^-6 ｍ（高圧ノズル初期）
ρ＝１．２３ｋｇ／ｍ³
ωｓ＝０．０１２２／（１−０．０１２２）＝０．０１２３
ω＝０．００９３／（１−０．００９３）＝０．００９４
Ｌ＝０〜１，２００ｍｍ

その演算結果を図１０に示す。Ｌ＝１，２００ｍｍのとき高圧ノズルの飽和効率は約８０％であるが、低圧ノズルは３０％に満たないことからノズルの種類により明確な差が生じてしかるべきである。
しかし実際は、図９の状態となるので空間での気液接触の他に多孔質金属製エリミネータ１２における気液接触が補われて、低圧ノズルで加湿吸収距離が小さいとき（例えばＬ＝４００ｍｍのとき）でも飽和効率７０％、有効加湿効率４０％弱と、充分実用となる。

例えば、一般空調としてのビル空調では、保健空調として居室の湿度を４０〜６０％の何れかの設定値に向かって制御するのだが±１５％程度の許容範囲には充分収まることとなり、事務所ビルのターミナル型空調機のようなあまり加湿吸収距離の取れない空調機にも組み込み可能な加湿装置として実用となる。
加湿器１全体の飽和効率の結果（図９）と噴霧空間での飽和効率の結果（図１０）との比から、多孔質金属製エリミネータ１２の飽和効率を算出した結果を図１１に示す。
多孔質金属製エリミネータ１２単体の飽和効率は例えば、Ｌ＝１，２００ｍｍのとき６０〜７０％あり、低圧ノズルの噴霧空間の飽和効率を上回るほど、加湿性能に寄与していることが分かる。

図１２、図１３は、図１、図２に示す第一実施形態に係る加湿器１のノズルの向きを入口側に向けた、つまり対向流噴霧加湿器１Ａを示す。
この加湿器１Ａは、前述の通り空気流相対速度０で多孔質金属製エリミネータ１２にミストをぶつけ、エリミネータ内部状態は加湿器１と同様で、噴霧空間での滞留時間は気流による押し戻され効果により長くなるので、加湿器１と同様以上の作用効果を奏する。
次に、第一実施形態に係る加湿器１の制御性能について説明する。
噴霧式では、一般的に制御方法としてオンオフ制御しか行えないと言われている。しかし、時間比例制御の考え方を導入する、段数制御を行う、リターンノズルを使用して容量比例制御を行う、などの方法で制御精度を上げることが可能である。

図１４は、図１、図２に示す第一実施形態に係る加湿器１のノズルにおいて、一定時間噴霧を行い、その後停止したときの、飽和効率の時間変化を示す。噴霧を始めてすぐに飽和効率は７５％に達し、噴霧を停止するとすぐに加湿効率が低下することから応答性が非常に速い。これは、多孔質金属製エリミネータ１２内に生じている水膜は、上流の噴霧停止によりすぐ気流で破裂させられて消滅し、気液接触度合いが急激に下がることを意味している。
この応答性の速さを利用して時間比例制御を行った際にも優れた性能を実現することができる。

図１５、図１６は、時間比例制御を行う加湿器１Ｂを示す。
図１２、図１３に示す加湿器１Ａに時間比例制御を行うことができるように、ポンプ１３とノズル１１との間の給水路１４に電磁弁１５と、この電磁弁１５を時間比例制御によって開閉を行わせる制御部１６と、この制御部１６に連絡する室内湿度センサＨとを備えている。４つのノズル１１は配管１４ａにそれぞれ設けられ、４つの配管１４ａは給水路１４に接続されている。

ここで、時間比例制御とは、操作端(この場合は、電磁弁１５に相当）自体の操作はオ
ンオフであって、ある時間周期ｔｃにおけるオン時間ｔｏｐを制御することで、図１７に示すように、比例制御する方法である。オン時間ｔｏｐは、制御部１６において湿度設定値（ＳＰ）と湿度測定値（ＰＶ）の偏差からＰＩＤ演算して決定する。
時間比例制御ではｔｃを小さくするほど精密な制御を行うことが可能であり、図１５、図１６に示す加湿器１Ｂを用いて時間比例制御を行った試験における加湿器出口湿度の変動は、図１８に示すように、ｔｃ＝６０秒の時±５％以内制御を実証した。
連続する噴霧量を変えるのは、段数制御、容量比例制御に相当する。

図１９、図２０は、段数制御を行う加湿器１Ｃを示す。
段数制御は、グループ分けされた４つの配管１４ａに電磁弁１５を設け、設定湿度と室内湿度との偏差から求まる要求量に応じ電磁弁１５を開閉する。
本例では、図１２、図１３に示す加湿器１Ａにおけるノズル１１と電磁弁１５とを４段にし、噴霧量を１２Ｌ／Ｈ（１段）、２４Ｌ／Ｈ（２段）、３６Ｌ／Ｈ（３段）、４８Ｌ／Ｈ（４段）と変化させたた場合について説明する。ここで、制御部１６は、段数制御コントローラを用いている。
この時の飽和効率、有効加湿効率の結果を図２１に示す。段数を減らすほど飽和効率が低下することから、段数制御により加湿量を制御できることが分かる。また、段数を減らすほど有効加湿効率は上昇することから、水の使用量を著しく削減できることが分かる。

この実証試験では、低圧ノズルを用いても、飽和効率５０％のとき有効加湿効率は７０％以上あり、比較として、例えば滴下式（濡れ面式）の有効加湿効率３３％と比較しても、同じ加湿量を得るのに必要な給水量は半分以下となる。
よって、飽和効率５０％で使用できる、例えば事務所ビルのターミナル型空調機のようなあまり加湿吸収距離の取れない空調機にも組み込み可能な加湿装置として充分以上の性能を極小な給水量で達成可能である。

そして、加湿器１Ｃでは、給水量を段階的に減らせる、つまり部分負荷のときに有効加湿効率が上昇するのが図２１から明らかである。室内の湿度による加湿量制御を行う内調機（室内還気を戻して温調する空調機）の場合、最大加湿量で運転する時間はごく僅かであり、部分負荷運転時の効率が省エネルギ上とても重要であるが、加湿器１Ｃは給水量もそれを搬送するポンプ動力も大きく減らすことができるので有効である。

図２２、図２３は、容量比例制御を行う加湿器１Ｄを示す。
容量比例制御は、背圧調節弁付ノズル１１Ａを用いて行うことができる。一般的にノズルの特性は供給圧力を絞ってもあまり変化しないため加湿量の制御には不向きである。
一方、背圧調節弁付ノズル１１Ａは、排水口１１ａを設け、その排水口１１ａの背圧を制御することにより噴霧量を調整するもので、ミストの粒径を一定に保ったまま、噴霧流量を広い範囲で調整することができる。このノズル１１を用いることで容量比例制御が可能である。

本例では、給水管１４に接続する４つの配管１４ａにそれぞれ背圧調節弁付ノズル１１Ａを設けるとともに、各背圧調節弁付ノズル１１Ａの配水口１１ａを４つの配管１４ａと並行する４つの配管１４ｂを設ける。４つの集合配管１４ｂは、二方弁１５Ａを設ける配管１４ｃに接続し、配管１４ｃはポンプ１３の上流側の給水管１４に接続する。
制御部１６は、設定湿度と湿度センサＨによる測定湿度の偏差から求まる要求量により二方弁１５Ａの開度を調整して噴霧量を調整する。

上記各実施形態では、４つのノズル１１又は背圧調整弁付ノズル１１Ａを４つの配管１４ａに設けてノズル群を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、多孔質金属製エリミネータ１２に対して確実に水噴霧が可能であればよく、その配置数及びノズル１１の数は任意である。
この背圧調整弁付ノズル１１を用いた容量比例制御でも、図２１と同じ状況になるのは明らかで、その作用効果は加湿器１Ｃと同様である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ加湿器
１０風洞
１１ノズル
１２多孔質金属製エリミネータ
１２ａ気泡
１３ポンプ
１４給水管
１５電磁弁
１６制御部
ＩＣ連続気泡体

Claims

風洞と、
前記風洞内に中を流れる気流に直交するよう配される多孔質金属製エリミネータと、
前記多孔質金属製エリミネータ全体に噴霧可能に前記風洞内に配される噴霧圧力が０．６ＭＰａである低圧のノズルと、
ポンプを備え、前記風洞外から供給される清浄水を前記ノズルに給水する給水路と
を備え、
前記多孔質金属製エリミネータは、内部に無数の気泡が重なりあうように存在し、前記気泡が重なる部分には気孔が空いて空間が連通し前記多孔質金属製エリミネータ全体の表面と裏面とを貫通している連続気泡体であって、無数にある連通する前記気泡の開口部の一部が滑らかな楕円形状を為す平面であり、前記気泡の直径が０．８ｍｍ〜１．３ｍｍ、空隙率が８０％〜９５％であり、
ミストを含んだ空気が通過する際に捕捉されたミストが、表面張力によって容易に水膜を形成する構造であることで、
前記ノズルと前記多孔質金属製エリミネータとの距離である加湿吸収距離を１，０００ｍｍ以上１，２００ｍｍ以下に確保することで、加湿による飽和線への近づき度合いを示す飽和効率を８０％以上に、且つ、前記ノズルへの給水量に対する空気に付加された水分量を示す有効加湿効率を４０％以上に確保する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１に記載の水噴霧加湿装置において、
前記多孔質金属製エリミネータは、厚みが１０ｍｍ〜３０ｍｍである
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、
前記多孔質金属製エリミメータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、
前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁と、
前記弁の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記弁の開放時間を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、
前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、
前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁と、
前記弁の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記弁の開放時間を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１または請求項２に記載の水噴霧装置において、
複数の前記ノズルを数段に群配置するとともに、各段毎に前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁を配置した水噴霧装置と、
前記多孔質金属製エリミメータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、
前記水噴霧装置の各段の前記弁毎の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記各段毎の前記弁を開閉することでノズル段数を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１または請求項２に記載の水噴霧装置において、
複数の前記ノズルを数段に群配置するとともに、各段毎に前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁を配置した水噴霧装置と、
前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、
前記水噴霧装置の各段の前記弁毎の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定相対湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記各段毎の前記弁を開閉することでノズル段数を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、
複数の背圧調整弁付ノズルを前記給水路のポンプ吐出側に前記加圧系統に接続する複数段の加圧系統に配置するとともに、前記複数段の加圧系統とそれぞれ並行して前記ポンプの上流側に接続する前記複数の背圧調整弁付ノズルの背圧系統を配置した水噴霧装置と、
前記背圧系統に設けた二方弁と、前記多孔質金属製エリミネータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、
前記二方弁の開度を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記二方弁の開度を調整する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
請求項１または請求項２に記載の水噴霧加湿装置において、
複数の背圧調整弁付ノズルを前記給水路のポンプ吐出側に前記加圧系統に接続する複数段の加圧系統に配置するとともに、前記複数段の加圧系統とそれぞれ並行して前記ポンプの上流側に接続する前記複数の背圧調整弁付ノズルの背圧系統を配置した水噴霧装置と、
前記背圧系統に設けた二方弁と、
前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、
前記二方弁の開度を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定相対湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記二方弁の開度を調整する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。