JP4332181B2 - 露点加湿機および関連するガス温度制御 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は、一般的に、連続流ガスの加湿システム（または増湿システム）の分野に関している。より詳細には、本発明は、燃料電池用のガス反応物質または他のガスを加湿するための方法およびシステムに関している。また、本発明は、加湿されたガスの温度制御および温度トレースの分野にも関している。

発明の背景
シマズ（Ｓｈｉｍａｚｕ）らの米国特許第６３３８４７２号に記載されているように、本発明の分野で用いられる加湿機（または加湿器）は、一般的に、固体ポリマー燃料電池（ＳＰＦＣ）の陽極および陰極に供給されるプロセス・ガスを加湿するのに用いられる。プロセス・ガスは、陽極に供給される燃料ガス、および、陰極に供給される酸化ガスを含んで成る。固体ポリマー燃料電池は、電気化学反応によって電気エネルギーを発生させる。この電気化学反応では、陰極に供給された燃料から生じる陽子が、電解質膜を通って陰極へと移動し、陰極に供給された酸化ガスと反応することで水を生じる。これに対して、本発明の加湿機は、燃料電池の用途に限定されるものでなく、ガス加湿に対して一般的に適用されるものである。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、ＳＰＦＣデバイスとは対照的に、（１）多孔質の拡散触媒陽極、（２）陽子導電膜および（３）多孔質の拡散触媒陰極の３つの主な要素から一般的に構成されている。ＰＥＭＦＣでは、陽極での水素の触媒化学反応および陰極での酸素の触媒化学反応に起因して、化学エネルギーが電気エネルギーへと変換される。このプロセスでは、陽子交換膜の伝導率は、ＰＥＭＦＣの性能の点で重要な役割は果たしているが、陽子交換膜に含まれる水分に依存している。通常、含水率が高くなると、伝導率が高くなる。実際、膜に対して適切な水分が維持されるように、燃料ガスおよび酸化ガスを加湿しなければならないので、反応ガスを加湿する加湿機および方法が必要とされている。

ＳＰＦＣであるかＰＥＭＦＣであるかに関係なく、燃料電池を正常に作動させるために、膜を湿った状態に維持しなければならない。膜を湿った状態に維持するには、一般的には、１つ以上の種々の手法でプロセス・ガスの加湿を行う。例えば、一般的な手法の１つ（以下、「バブリング式」加湿機ともいう）では、加熱された水を含んだコンテナを通して反応ガスを上方へとバブリングさせ、反応ガスに水分子を取り込んでいる。容器を介して水が気泡またはガス・ストリーム容易に蒸発できるように、エネルギー源が設けられている。

ガスの加湿を向上させるには、ガスの流速を十分に低くするか、または、水の滞留時間を十分に長くしなければならない。また、液体状態の水中へのガスの分配（または分散）は、ガスの最終的な湿度に大きな影響を及ぼす。流速が低い場合であっても、バブリング式加湿機は、一般的にはガス−水分離機能を備えていないので、ガス・ストリームによって生じ得る水滴の残留を回避する必要がある。かかるバブリング式の加湿法は、非常にシンプルでコスト的に安いという利点を有している。しかしながら、典型的なバブリング式の加湿機では、相対湿度が１００％のガスを得ることができず、加湿機のある断面に対するガス流速を比較的低くできるに過ぎない。かかるバブリング式の加湿法の別の不利益な点は、加湿機の出口から排出される際のガスの湿度が不確定となっていることである。水の温度、流速、ガス分配、入口ガス温度、入口ガス湿度、加湿機の物理的構造および条件等を含む多くの因子は、出口湿度に影響を与える。

バブリング式の加湿機では、加湿機出口で実際の湿度値を測定することで得られるフィードバック信号を用いなければ、湿度の制御が困難である。湿度制御を行う場合であっても、バブリング式加湿機では、ガスの加湿に、比較的大きい断面積および水重量を必要とし、湿度変化に要する応答時間が非常に長くなっている。

別の常套的な手法（以下、「水蒸気圧入法または水蒸気混合法」）では、乾燥ガス・ストリーム内に、通常、過剰な量の水蒸気を注入してガス−水蒸気−水滴混合物を形成する。得られる混合物は、熱交換機を通るように流れるので、冷却液によって、決められた温度にまで低下して凝縮をもたらす。混合物中の水滴および過剰な水蒸気は凝縮して、水ストリームを生じる。この水ストリームは、水分離機および水ドレーンによって、ガス−水蒸気ストリームから更に分離される。凝縮過程が存在するので、決められた温度とは、露点温度に等しい。凝縮させるために、余分な水蒸気を用いなければならない。かかる技術では、別個のボイラー、コンデンサー、チラー、水ドレーン、および、独自の制御システムが通常必要とされる。露点温度の好ましい制御が維持されるように、かかるタイプの加湿機は、通常、大きくて複雑であり、また、コスト的に高くエネルギー効率が非常に低くなっている。

反応ガスを加湿する別の既知の手法では、「膜式」加湿機を用いている。膜式加湿機の１つの例は、マーフィー（Ｍｕｒｐｈｙ）らの米国特許第５９９６９７６号に示され、また、記載されている。この手法では、ポンプで水を加熱要素を通して供給しており、その水を多孔質膜の一方の側部へと導いている。加湿すべきガスは、膜の他方の側部へと供給される。水分子は、加熱される水側から反応ガス側へと膜に浸透するので、水分子がガス内へと蒸発し、ガスが水から熱を吸収する。水は上述と同様の加熱チャンバーを通るように循環させてもよく、または、水を蒸発チャンバー内で直接加熱してもよい。膜の表面で蒸発が起きるので、ガス−水蒸気混合物の温度は、水の温度よりも低くなっている。かかる現象に起因して、ガス−水蒸気混合物の温度および水蒸気の制御が困難となっている。また、水から吸収される熱量は比較的多いので、ガス流速が増加するにつれ制御が困難となる。更に、特別な膜を必要とするので、このシステムのトータルのコストは増加してしまう。凝縮を更に行わなければ、または、湿度センサーを更に設けなければ、正確な湿度制御が保証された機構にはならない。

ワタナベ（Ｗａｔａｎａｂｅ）の米国特許第５２６２２５０号およびウィルソン（Ｗｉｌｓｏｎｏ）の米国特許第５９５２１１９号には、燃料電池の膜電極アッセンブリのための自己加湿方法（ｓｅｌｆ−ｈｕｍｉｄｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）が教示されている。膜の加湿を向上させるために、米国特許第５２６２２５０号では、膜内に狭い路または芯（ｗｉｃｋ）を幾つか用いており、米国特許第５９５２１１９号では、拡散層（ｂａｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を介して親水性の糸を縫っている。このような自己加湿は、実験室の環境で効率的であったとしても、大きいスケールで商業的な製造の観点では困難となる。

ガスを加湿させる別の手法として、超音波エネルギーをガスおよび水浴に印加する手法がある。エンクロージャー内には水が含まれており、エンクロージャー内の水表面よりも上方にガスを供給する。エンクロージャー内の超音波エネルギーは、ガスを通って水浴にまで及ぶ。超音波エネルギーを印加することによって、水蒸気が発生し、かかる水蒸気がガスに取り込まれるので、ガス−水蒸気混合物がエンクロージャーから得られることになる。この手法は、ガス−水蒸気混合物の湿度を制御し易く、ガスを「バッチ」処理することができる利点を有するものの、ガスの連続ストリームを発生させるのに適しておらず、ガスの連続ストリームの湿度を制御するには適していない。

ガスを加湿する更に別の手法として、水蒸気圧入式加湿機を改造した加湿機を用いた手法がある。用いられる加湿機では、高温要素（例えばプレート）上に水を供給し、エンクロージャー内に水を蒸発させている。ガスをポンプでエンクロージャー内に送って水蒸気と混合させ、ガス−水蒸気混合物を形成している。加熱要素（または高温要素）に供給される水の量は、ある湿度条件を満たすべく、計算され制御されている。更に、出口におけるガス−水蒸気混合物の温度は、加熱要素の温度を制御することによって制御している。

しかしながら、水を瞬間蒸発させるのに十分な高い温度が得られるように、加熱要素はある程度最低限の出力を有していなければならないが、かかる温度は、通常好ましい混合物温度よりも相当に高くなっていることが、かかる手法の欠点である。また、ガスまたは水の流速が変化する場合、加熱要素の温度を迅速に変えることは困難であり、ガス−水蒸気混合物の温度を正確に制御することが困難となっている。従って、混合物が過熱され易くなっている。混合物温度を適切に制御できる場合であっても、かかる手法では、流速範囲および温度範囲が容認し難いほど制限される。なぜなら、かかる手法では、１つの手段（即ち、加熱要素の出力）によって１つの制御ループで、２つのパラメーター（即ち、ガス−水蒸気混合物の温度と加熱要素の温度）を同時に制御しなければならないからである。そのような同時制御は不可能ではないにしろ、実際の制御機構では困難である。

このような問題に対して提案される１つの解決法では、ガス−水蒸気混合物のストリームに対してコンデンサーが用いられる。原理的には、２つの工程および２つのデバイスで加湿を行う。第１工程は、上述したような水蒸気圧入法に関連しており、過熱され過剰に加湿されたガス−水蒸気混合物を発生させる。第２工程は、混合物をコンデンサーに通すことに関連しており、ガス−水蒸気混合物をその露点で凝縮させる。凝縮によって放出される熱を除去するためにチラーが必要であり、チラーによって、コンデンサーが露点に維持される。このように、第１工程で過熱され過剰に加湿された混合物を得るには付加的なエネルギーが必要であり、また、混合物の冷却および凝縮から生じる付加的な熱を除去するのに、更により多くのエネルギーが必要とされる。これは、かかる手法が、エネルギー的に非常に効率が悪いことを意味しており、嵩高くなり複雑であり、かかる手法の構築および使用に際してコストが高くなることを意味している。

アンドルーズ（Ａｎｄｒｅｗｓ）の米国特許第６３８３６７１号には、ＰＥＭＦＣのための別の加湿法が教示されている。かかる方法では、ヒーターを用いて、液体の水を蒸発させており、その水蒸気を乾燥ガスと直接混合させている。或る条件下では、反応ガスを効率的に加湿することができる。しかしながら、かかる装置の問題点の１つは、反応ガスを予め加熱しておらず、ガスの温度および湿度が、露点の飽和状態とは程遠くなっている。水蒸気が、冷たいガスと混合されると、凝縮が生じる。この現象では、ガスと水蒸気とが均一に混合されないので、湿度の正確な制御が困難となっている。ガスと水蒸気とが十分に混合されるように、かかる加湿機の実際のサイズは、極めて大きなものにしなければならない。

このように、エネルギー的に効率がよく、シンプルで制御しやすいガス加湿システムおよびガス加湿法であって、連続的なガス・ストリームを所望の量だけ正確に加湿できるガス加湿システムおよびガス加湿法が求められている。本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。

発明の要旨
本発明では、従来技術の上述の欠点および他の欠点に対処すべく、２段階でガスの連続流を供している。第１工程では、バブリング作用によって、反応ガスを予め加湿する。第２工程では、ボイラ（または水蒸気発生器）で水蒸気を発生させ、混合チャンバーで予め加湿されたガスと水蒸気とを混合させる。透過性膜（または隔膜）は用いておらず、パラメーターを１つ（即ち温度）だけ用いて、露点にてガスの加湿を正確に制御する。即ち、出口温度が、ボイラーの加熱要素の操作を制御する唯一のパラメーターとして用いられる。

ガスは、加圧下でエンクロージャーまたはベッセル（または容器）内に導入される。その後、ガスは、バブリング蒸発部（ｂｕｂｂｌｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）を気泡として上昇する。水バブリング蒸発部の上方では、ガス−水蒸気−水滴混合物が、供給された水蒸気と混合されることによって、飽和ガス−水蒸気−水滴混合物が形成される。そして、飽和ガス−水蒸気−水滴混合物が、「Ｙ」形状の断面を有する水分分離領域（ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）を流れることになる。水滴は重力および慣性力に起因してバルク水（ｂｕｌｋ ｗａｔｅｒ）へと降下する一方、飽和ガスは上方に流れて出口を介して加湿機から排出される。

本発明の目的は、露点にて飽和ガスを正確に得ることができる制御がシンプルで簡単なガス加湿機を提供することである。本発明の更なる目的は、かかる加湿機を用いたガス加湿法を提供することである。更に、本発明の別の目的は、露点「キャリブレーション」（ｄｅｗ ｐｏｉｎｔ “ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ”）を用いずに、エンクロージャー内で測定された１つのパラメーター（温度）のみを用いて、露点で飽和ガスを広範囲の温度で得ることができるガス加湿機を提供することである。また、本発明の更に別の目的は、加湿後のガス温度を更に加熱およびトレースすることができるシンプルで経済的であって効率の良い手段を提供することである。

本発明のそのような特徴および他の特徴を実現するために、水蒸気を発生するボイラーと、ベッセルおよび／または予備加湿部内のバルク水との間には、熱絶縁性の高い熱絶縁部が設けられている。熱絶縁部は、ボイラーからの熱でバルク水または予め加湿されたガスが直接的に加熱されるのを防止する機能を有している。従って、水蒸気発生ボイラーを備えた加熱要素からの熱エネルギーは、ボイラーに含まれ、水蒸気発生させるためだけに用いられる。それゆえ、熱は、ガス−水蒸気混合および／または水蒸気凝縮を経てガスへと送られることになる。

ボイラーは、ガス加湿機の他の機能から熱的に絶縁されているものの、ボイラーの底部には開口部が設けられており、ベッセルからのバルク水がボイラーへと戻るように流れることになる。このような構成では、水を供給しリサイクルする別個のシステムを用いずに、予備加湿部、コンデンサー／水分離部およびボイラーの水位の調整を行うことができる。なお、ベッセル内のバルク水からボイラーの底部へと水が流れるので、水路は、ボイラーから予備加湿部またはバルク水へと伝わる対流伝熱を引き起こさない。

混合部／コンデンサーの壁に熱絶縁性の高い熱絶縁部を用いて、加湿機の出口につながる経路に沿った相対湿度１００％のガスへの伝熱が防止されているので、加湿機の熱効率が高くなっている。そのため、ガス・ストリームの相対湿度を１００％に維持することができる。ボイラーおよび混合部／コンデンサーを熱絶縁しているので、加湿されたガスを付加的な加湿段階に付す必要はない。

上述したように、混合チャンバーおよびコンデンサーの出口の断面は、「Ｙ」形状を有している。ベッセル内のバルク水位は、かかる出口よりも下方に維持されている。そのため、ガス−水蒸気混合物がバルク水を通って発泡すること（かかる発泡は、加湿機を通るガスの最大流速を制限する）が防止されている。かかる構成によって、同じ断面積に対する最大流速が、そのような構成を有さない場合と比較して１０倍以上大きくなる結果となる。

混合チャンバーから生じるガス水蒸気混合物は、流れ方向を種々変化して水蒸気出口へと到達する。ガス水蒸気混合物のこのような遠回りの経路によって、液滴がバルク水へと降下していく一方、加湿機の出口からは飽和ガスが排出される。このことは、バルク水分離機または別の水分離機、および、水分離ための配水管（ドレーン）を用いる必要がないことを意味している。

温度（露点温度）を測定および制御する温度センサーは、バルク水に対して取り付けられておらず、加湿機の出口チャンバーに取り付けられている。このような測定ポイントでは、水に設けられる場合よりもガス−水蒸気混合物の温度が正確に得られる。

混合チャンバーは、コンデンサーとしても機能する。従って、凝縮させるためにバルク水を用いなくてもよい。比較的低い温度の予め加湿されたガスは、水蒸気と混合され、その予め加湿されたガスによって水蒸気が冷却される。かかる冷却プロセスによって、混合物中の水蒸気の一部が凝縮する。凝縮した水およびそれに含まれる熱は、予備加湿および水蒸気発生に使用されることになる。かかる凝縮によって、水および熱がリサイクルされ、自然かつ自動的に熱および水の収支が保たれることになる。

本発明の好ましい態様では、加湿機、ガス・ヒーター、ガス・ラインおよび湿度センサー・アッセンブリで温度制御を行うのに、同じ冷却液（例えば、水道水またはチラー水など）が用いられる。これによって、制御システムがシンプルとなり、スムーズで安定な温度制御を行うことができる。水道水を用いる場合では、複雑であって別個に設けられる冷却システム、加熱システムおよび循環システムを必要としない。

本発明の上述の特徴および他の特徴ならびに上述の利点および他の利点は、添付図面および以下の発明の詳細な説明を参照することによって当業者に明らかになるであろう。

好ましい態様の詳細な説明
図１は、本発明の加湿機１０の主要な構造およびガス加湿法を示している。加湿機１０は、頂部１４および底部１６を備えたベッセル１２（好ましくは円筒形状のベッセル）を主として有して成る。入口ライン１８を介して乾燥ガスがベッセル１２内に導入される。加湿されたガスは出口２０を介してベッセルから排出される。ベッセルに入れられる乾燥ガスを矢印２２で示しており、ベッセルから排出される加湿されたガスを矢印２４で示している。

決められた露点温度（ｓｅｔ ｄｅｗ ｐｏｉｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）よりも低い温度の乾燥ガス２２は、まず、予備加湿部（ｐｒｅ−ｈｕｍｉｄｉｆｉｅｒ）２６を流れることによって加湿される。乾燥ガス２２は予備加湿部２６を通る際には発泡を生じ、気泡（ガスの泡）２８が形成される。気泡２８は、予備加湿部内を上昇するので、乾燥ガスは水分を吸収し、また、予備加湿部内の水に起因してより高い温度に加温される。予備加湿部２６は、チューブ等の長尺コンテナを規定しており、開口部３０（好ましくはベッセル内のチューブ底部に沿って設けられる開口部）を有している。開口部３０によって、ボイラー３２へとつながる水の通路が供されている。なお、ボイラー３２は、予備加湿部２６に隣接して設けられており、チューブ等の長尺容器であることが好ましい。また、開口部３０によって、ベッセルで保持される鉱物の除去されたバルク水のリザーバー３４につながる水路も供される。加湿されたガスに起因してベッセルから出ていく水を補うために、水入口３８から補給水が、コントロール・バルブ３９で制御されることによって供給される。

予備加湿部２６は、鉱物の除去されたバルク水の水位４２よりも好ましくは上方にて開口した上方出口４０を規定している。気泡２８は予備加湿部を上昇するが、ガス流速が非常に遅い場合には、予備加湿部は常套的なバブリング加湿機（ｂｕｂｂｌｉｎｇ ｈｕｍｉｄｉｆｉｅｒ）のように機能する。その一方で、ガス流速が速い場合では、多量のガスと少量の水とが混合されることによって、泡状混合物が生じる（泡状混合物には、加湿されたガスが含まれる）。泡状混合物は水を運び、予備加湿部の出口４０から出て、混合チャンバー４４内に供給される。混合チャンバー４４は、円筒形状の垂直方向に向いた側方部材４８および水平な頂部５０を有する円筒形状の熱絶縁体４６によって規定されている。但し、水位よりも上方であって、予備加湿部およびボイラーの頂部よりも下方に底縁部（ｂｏｔｔｏｍ ｅｄｇｅ）４９を備える底部の開いたコンテナが規定される限り、側方部材は円筒形状でなくてよく、他の種々の形状であってもよい。混合チャンバーの壁は、熱的に絶縁されており、その結果、混合チャンバーとベッセル１２の内面との間の環状部６２を上方へと流れる相対湿度１００％のガス−水蒸気混合物が加熱されることはない。

ここで、予備加湿部が、常套のバブリング加湿機とは実質的に異なる方法で機能することに留意されたい。バブリング加湿機では、水滴を含まない水蒸気のみを、バブリング加湿機内に保持される水から得なければならない。そのため、バブリング加湿機を通る流速は相当に制限される。ところが、本発明の予備加湿部では、ガス・ストリームを非常に速い速度で通過させることができ、同じ断面積で比べると、常套のバブリング加湿機よりも１０倍以上速い速度で通過させることができる。

図１を参照すると、ヒーター要素（または加熱要素）５２がボイラー３２内に配置されている。本発明の範囲内で他の加熱手段を用いてもよいものの、ヒーター要素は抵抗要素であることが好ましい。ヒーター要素は、水位４２よりも下方に位置する上端５４で終端している。ヒーター要素によって、熱絶縁性壁５６に囲まれているボイラー内に水蒸気が生じることになる。水蒸気は、ボイラーの出口開口部５８から混合チャンバー４４へと上昇して移動する。予備加湿部と同様に、ボイラー３２は、底部１６の内面に沿って設けられた開口部３１を含んでいる。開口部３１を介することによって、ベッセルのバルク水がボイラーの底部に向かって流れることができる。また、バルク水は、開口部３１を介して、予備加湿部の底部に向かって流れることもできる。

水蒸気は、ボイラー３２から混合チャンバー４４内へと移動する。混合チャンバー４４は、水蒸気を液滴（この液滴はバルク水へと戻される）へと凝縮させるコンデンサー（または凝縮器）としても機能する。ボイラーの開いた頂部または出口から排出された水蒸気は、邪魔されることなく自然に自由に流れることになる。ボイラー内の沸点は、一般的には、本発明の決められた露点温度よりも相当に高い。その一方、予備加湿部２６から排出される予め加湿されたガスは、一般的に、露点温度よりも低い。従って、予備加湿部で予め加湿された露点温度よりも低いガスが、ボイラーからの露点よりも一般的に高い水蒸気と混合されることになる。

通常の操作条件下では、水蒸気は、予め加湿されたガスと混合され、水蒸気によって、予め加湿されたガスが加熱される。そのため、水蒸気から熱エネルギーが放出されるので、水蒸気は、混合チャンバーおよびコンデンサー内で凝縮するポイントまで温度が下がることになる。凝縮プロセスの間では、当然に混合チャンバーの混合物が飽和している。混合過程では、所定の露点温度またはそれより高い温度にて、相対湿度１００％のガス−水蒸気混合物が混合チャンバー内に生じる。また、混合過程では、露点温度近くの温度にて、水滴６０が凝縮して生じる。水滴によって、凝縮過程での熱が予備加湿部へと運ばれることになる。

水滴、水蒸気および予め加湿されたガスから成る混合物は、予備加湿部を成すチューブの外側と混合チャンバー４４の側方部材４８との間を流下する。側方部材４８の底縁部には、水分離部または水分分離領域６１が規定されている。水分離部６１の断面は、「Ｙ」形状を有している。このように、水分分離領域は、下向きのガス−水混合物通路、上向きのガス通路、および、底縁部よりも下方の水回収部を有している。水蒸気／ガス混合物が、混合チャンバーの底部から排出されるように下方に流れるので、重力および慣性力に起因して、凝縮した液滴がバルク水への流下することになる。しかしながら、飽和水蒸気（または飽和した水蒸気）は、側方部材４８の底縁部の下方へと流下し、側方部材４８の外面とベッセルの内面との間の環状部６２を流れる。このような流れ作用によって、飽和水蒸気から、より重い液滴が効率的に分離されることになる。また、かかる流れ作用によって、液滴に含まれるエネルギーが保持され、このエネルギーがバルク水へと戻されることになる。水で飽和したガスは、環状部６２を通って、出口チャンバー（水平な頂部５０の上面よりも上方に設けられている出口チャンバー）６４へと上方へと流れる。そして、飽和ガスは、ガス出口２０を介してベッセルから排出される。

ガスと水蒸気との混合物は、混合チャンバーから出口２０へと移動する際に６つの異なる方向変化を経ることに留意されたい。つまり、ガスと水蒸気との混合物は、（１）水平方向外側に移動する、（２）下方に移動する、そして、（３）再び水平方向外側に移動する、（４）垂直方向上方に移動する、（５）水平方向内側に移動する、そして最後に、（６）垂直方向上方に移動して出口から排される。このような遠回りの経路によって、ガスと水蒸気とから成る混合物から水滴が除去され、出口で飽和ガスが得られることになる。

水位４２は、混合チャンバー４４の出口よりも下方に位置する。このような構成によって、ガス−水蒸気混合物が水を通って流れることが防止されている。水位は、水位センサーおよび水ポンプ（図示せず）によって維持されている。なお、ガス−水蒸気混合物が水を通って流れると、乱れ作用によって、発泡する場合があるので、加湿部の出口へと水滴が上方に運ばれて、最大ガス流速が著しく制限されてしまう。従って、バルク水の水位よりも上方に混合チャンバーの出口が設けられていることによって、加湿機を通るガスの最大流速が増加し、同じ断面積のバブリング式加湿機よりも１０倍最大流速が増加する。

温度センサー７０が、ベッセルの頂部に設けられている。温度センサー７０は出口チャンバー６４まで差し込まれている。従って、飽和ガスの正確な温度が、センサー７０によって測定される。センサー７０は、温度コントローラー７２に対して温度測定値を供する。温度コントローラー７２は、ボイラー内のヒーター要素５２のサイクルを制御している。この機能は、ボイラー３２によって供される熱エネルギーを調整することによって、ガス出口２０でのガスと水蒸気との混合物の温度を所望の露点温度になるように制御している。ガス−水蒸気混合物の相対湿度は１００％であるので、出口２０における温度は、真の露点温度となっている。従って、露点温度は、このガス出口温度を制御することによって正確に（または精度よく）制御される。温度の調整が更に助力されるように、ベッセルの外面にジャケット８０を設けてもよい。ジャケット８０では、冷却水入口７９から入って冷却水出口８１から出ていくように、冷却水又は外界の温度を有する水を循環させる。本発明のこのような特徴は、図３でより詳細に説明する。

上述したように、混合チャンバーでの凝縮に起因して得られる水および熱は、バルク水３４に戻され、予備加湿および水蒸気発生に用いられる。予備加湿過程では、乾燥ガスが部分的に加湿されるだけでなく、凝縮に起因した水および熱が利用されたり、リサイクルされたりする。予備加湿では、バルク水の温度が、選択された露点温度よりも低い温度に維持される。より低い水温度では、予め加湿されたガスの温度が、露点温度よりも低くなる。より低い温度のガスとより高い温度の水蒸気とを混合すると、水蒸気温度が下がり、凝縮がもたらされ、加湿されたガスの相対湿度が１００％になる。このような予備加湿過程は、水および熱を消費するが、水および熱の収支が維持されているので、鉱物が除かれた水および熱が節約される。このような特徴によって、本発明の効率が実質的に向上し、簡単な温度加湿制御が供される。

本発明の別の態様を図２に示す。かかる態様では、ボイラー９０が、加湿ベッセル９２の外側に別個の要素として設けられている。加湿ベッセル９２には、図１に関して上述したような構成を有する予備加湿部９４が含まれている。乾燥ガスは、ガス入口９６から入り、加湿されたガスが、ガス出口９８を介してベッセルから排出される。予備加湿部９４から水路１００が設けられ、ベッセル内にバルク水が存在する。そのため、水がベッセルから自然にボイラーへと流れることができるので、ベッセル９２、予備加湿部９４およびボイラー９０内の水位１０２が維持されることになる。水路１００が設けられているために、別個の水位センサーおよび水を供給しリサイクルするデバイスを設ける必要はない。このような水路を設けることによって、ボイラーを加湿機と一体的にして、水位、ガス加湿および温度を制御することができる。このように、ベッセルおよびボイラー内の水は水位１０５に維持され、ベッセルおよびボイラー内の水が排水管１０７を介して排出される。ヒーター要素１０４は、水蒸気を発生させる。水蒸気は、水蒸気供給ライン１０６を介してベッセル内に導入される。水蒸気供給ラインは、上述の態様と同様に構成され同様に機能する混合チャンバー１０８まで延在している。混合チャンバーは、コンデンサーとしても機能し、上述のように、混合チャンバーで凝縮したものは、バルク水へと戻される。また、加湿機には、上述のように冷却水が冷却水入口１０９から入って冷却水出口１１１から出ていく冷却水ジャケット１１０を含めてもよい。

図３は、本発明の加湿機の目下の好ましい別の態様を示している。この態様では、同じ冷却液を用いて、加湿、ガス加熱、温度トレースおよび湿度検出を行う種々の要素がシンプルかつ効率的に一体化されている。

ベッセル１２、予備加湿部２６、ボイラー３２、混合チャンバー４４および他の種々の要素が、図１に関して上述したように構成されている。しかしながら、この態様では、温度調整および迅速な露点低下のためのジャケット（図１も参照のこと）内に冷却水が入口１２０から流入する。冷却水の代わりに、通常の水道水（水道水の蛇口から得られる水）を用いて循環させてもよい。なぜなら、用いられる水道水は、加湿機のガスおよび水蒸気と接触することはないからである。冷却水はジャケット８０内を流れ、ベッセルの頂部に設けられた冷却水出口１２２へと流れる。その際、冷却水は、ベッセルの外面から熱エネルギーをもらって、露点温度付近まで加熱される。冷却水の冷却効果によって、ボイラーの温度制御をより容易にスムーズに行うことができる。

加熱された循環冷却水は、加湿機からガス・ヒーター・ジャケット１２４へと移動する。ガス・ヒーター・ジャケット１２４は、実質的に水平なガス・ヒーター１２６の周囲を包囲している。ガス・ヒーター１２６内には、ヒーター要素１２８が設けられている。循環冷却水は、ガス・ヒーター・ジャケット１２４で更に加熱される。そして、冷却水は、接続ライン１３０に移動し、湿度センサー１３４用の水ジャケット１３２へと移動し、次いで、ガス出口ジャケット１３６内へと流入する。そして、冷却水は、ガス出口ジャケット１３６から冷却水排水ライン１３８へと排出され、背圧コントローラー１４０を経て冷却水出口１４２へと流れることになる。

ガス・ヒーター１２６によって、加湿機の出口２０から得られるガス−水蒸気混合物が、決められたガス温度付近まで加熱される。循環冷却水は、ジャケット８０で露点付近の温度にまで予め加熱されるので、凝結を防止すべくガス・ヒーター内の湿度１００％のガスを調整する作用に供される前に循環冷却水を予め加熱する必要はない。ガス・ヒーター・ジャケット１２４内の水によって、スムーズで安定な温度制御を行うことができる。従って、温度が行き過ぎる大きなオーバーシュートが起こることなく、昇温および降温と迅速に温度を変えることができる。

循環冷却水は、ガス・ヒーター・ジャケット１２４で更に加熱され、ガスラインまたは導管１４４に沿った温度トレースを行うために用いることができる。このように、ガス・ラインまたは導管は、ガス・ラインに沿ったガス輸送およびガス温度トレースのためのジャケット付き配管（ｊａｃｋｅｔｅｄ ｔｕｂｉｎｇ）を規定している。ガス・ライン１４４内のガス温度を、ガス温度センサー１４６を用いて、ガス・ライン１４４のガス出口１４８で測定してもよい。ガス温度センサー１４６によって、ヒーター温度コントローラー１５０へと送られる温度信号が得られ、ヒーター要素１２８のサイクルが制御される。加熱された循環冷却水を用いることによって、ガス・ライン１４４の出口１４８での温度を所望の温度に維持することができ、ガス・ラインに沿った温度を出口温度付近の温度に維持することができる。このように加熱された水によって、一様な温度制御が可能となり、温度が行き過ぎる大きなオーバーシュートが起こることなく、スムーズに温度トレースを行うことができる。

湿度センサー・ジャケット１３２の温度を制御するために、ラインの端部の循環冷却水を用いることもできる。湿度センサーの温度をガス温度付近に維持することが重要である。このような加熱された水を用いずに、湿度センサー・アッセンブリ用のヒーター・ユニット（例えばヒートテープ）を用いて同様に機能させることは複雑となりコスト的に高くなってしまう。別個の温度制御システムが必要とされるガス加熱、温度トレースおよび湿度センサー・ジャケット加熱を行うための別個の温度制御ループを用いるのではなく、この方法では、余分なヒーターおよびコントローラーを必要とせず、同様の機能を有する加熱ループを単に１つ必要とするだけである。このため、加熱ユニット、冷却ユニット、循環ユニットおよび制御ユニットを含んだ余分なシステムが排除されている。

典型的には、通常０．２ｓｌｐｍ（標準流れ、１分当たりの標準リットル：ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒｓ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）未満の制限された流速の条件が湿度センサーに必要とされる。流速が速い条件に対しては、湿度検出ユニットにサンプリング機構が通常設けられるが、それは複雑でありコスト的に高くなる。それに対して、本発明では、湿度センサー１３４は、流速の速いガス・ストリームに対して適切に機能する。チェック・バルブ（または逆止弁）１５２が、湿度センサー・アッセンブリ１５４と並列に主となるガス・ラインに設けられている。チェック・バルブは、湿度センサー・アッセンブリでの圧力降下を設定値よりも低く維持するので、湿度センサー・アッセンブリを通る流速を設定値よりも低く維持する。加湿されたガスがライン１４４を通る流速が設定値よりも低いと、全てのガスが湿度センサー・アッセンブリを流れることになる。

ガス加湿機の操作
外界温度の乾燥ガスまたは外界温度よりも低い乾燥ガスを用いて、加湿機の熱力学操作を開始する。これにより、加湿機の出口において露点温度で飽和ガスが得られることになる。第１工程では、ガスは予備加湿部および熱絶縁パイプを通るが、その際、ガスはバルク水から熱を吸収し、そのエネルギー量に応じてバルク水を冷却させる。第２工程では、予備加湿部からのガスが、ボイラーからの水蒸気と混合されることによって、飽和ガス−水蒸気−水滴の混合物を形成し、凝縮する。第３工程では、混合物は、「Ｙ」形状の水分離部を流れる。水分離部では、飽和ガス−水蒸気混合物が出口へと上方に流れることになる。水滴は、凝縮物からの熱を下方のバルク水へと運ぶので、熱−水の循環が得られ、熱−水の収支が保たれる。

加湿部の出口のガス−水蒸気混合物の温度（温度センサーによって測定される温度）によって、ボイラーの加熱要素の操作を制御しており、従って、露点が維持され、装置内の熱収支が保たれる。このため、本発明の構成を用いると、別個のコンデンサーおよびチラーを用いなくてもよく、凝縮するガス−水蒸気混合物からの熱が、バルク水へと直接放出される。従って、別個のコンデンサーおよびチラーを用いる従来のシステムで失っていたエネルギーの分だけ節約を図れる。

従って、装置の熱収支は、次の式で与えられる。
入口ガスおよび水から露点で湿度１００％のガスを発生させるのに必要な全ての熱＝
水蒸気発生器から得られる全ての熱−環境への熱損失−冷却水へ供される熱

これは、１つのシンプルなパラメーター（加熱要素の出力）のみを制御することによって、加湿機の出口のガス−水蒸気混合物の温度を所望の露点にできることを意味する。ガスの流速に関係なく、連続して流れるガス・ストリームに対して、ガス・ストリームを正確に加湿できる。既知の加湿システムでは、ガス・ストリームの加湿のレベル（または程度）は、別個の凝縮機に入る前の流速またはシステムの他のパラメーターに応じて変化するが、本発明では、そのような不利益な点は存在しない。

別の好ましい態様では、ガス出口のガスの温度に基づく制御信号に応じてガス・ストリーム・ヒーターをサイクル操作することによって、加湿されたガスの温度が更に制御される。冷却水を装置内に循環させると、加湿システムの操作が安定化する。

以上、本発明の原理、好ましい態様および操作モードを説明してきた。それらは、限定的でなく例示的なものであるので、本発明は、上述の特定の形態には限定されない。また、本発明では、冷却水は水に限定されない。本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって変更および修正を行ってもよい。

図１は、本発明の露点加湿機の正面図である。 図２は、本発明の露点加湿機の目下の好ましい態様である。 図３は、本発明の温度制御要素を含んだ露点加湿機の模式図である。

Claims (7)

1. ａ．加湿されたガスを発生させるように構成されたガス・ストリーム加湿部；
   ｂ．加湿部から加湿されたガスを受容し、内部にガス加熱要素を有するガス・ヒーター・ライン；
   ｃ．第１冷却水入口および第１冷却水出口を有する、加湿部の周囲に設けられた第１冷却水ジャケット；ならびに
   ｄ．第１冷却水出口と流体連通する第２冷却水入口、および、第２冷却水出口を有する、ガス加熱要素に近接するガス・ヒーター・ラインの周囲の第２冷却水ジャケット
   を有して成り、
   第１冷却水ジャケットから排出された冷却水が、第２冷却水ジャケットへと流入する、ガス・コンディショニング・システム。
2. ガス・ヒーター・ライン内にチェック・バルブを更に有して成る、請求項１に記載のシステム。
3. チェック・バルブと並列にガス・ヒーター・ラインに設けられた湿度センサーを更に有して成る、請求項２に記載のシステム。
4. 第２冷却水出口と流体連通する第３冷却水入口、および、第３冷却水出口を有する、湿度センサーの周囲に設けられた第３冷却水ジャケットを更に有して成る、請求項２に記載のシステム。
5. ガス・ヒーター要素から離隔するように、ガス・ヒーター・ラインの周囲に設けられた第４冷却水ジャケットを更に有して成り、
   第４冷却水ジャケットが、第３冷却水出口と流体連通する第４冷却水入口、および、第４冷却水出口を有する、請求項４に記載のシステム。
6. ガス・ヒーター・ラインは、それに沿ってガス輸送およびガス温度トレースを行うようにジャケット付き配管でできている、請求項１に記載のシステム。
7. 湿度センサーは制御信号を生じ、従って、ガス・ヒーター・ライン内の温度を維持して、ガス・ヒーター・ライン内の加湿されたガスを露点温度付近に維持する、請求項３に記載のシステム。

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