JP4656647B2 - ガス調湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、恒温恒湿のガスを発生させる装置に関するものであり、特に流量が少ないガスを高精度に制御する装置に関わるものである。

気体の湿度を制御する装置（以後「ガス調湿装置」という）は、環境試験装置や住宅をはじめ、決められた一定の湿度の気体が必要な局面で利用されている。

気体を調湿する方法は、分流法と二温法が従来から知られている。図４には、分流法の概要を示す。乾燥気体発生装置１００で作った乾燥気体１５０を２つにわけ、一方１５２を飽和気体発生器１１０へ導入する。湿度飽和状態となった気体１５４を、乾燥気体１５０と混合し、目標湿度発生器１２０へ導入する。目標湿度発生器１２０では、気体を所定の温度にして、所定湿度の気体１６０を得る。湿度の調整は、飽和気体発生器１１０の温度を調整し、気体中の水蒸気の絶対量を調整することで行う。

図５には二温法の概要図を示す。二温法では、乾燥気体発生装置１００で作った乾燥気体１５０を全部飽和気体発生器１１０へ導入する。そして、湿度飽和状態の気体１５４を目標湿度発生器１２０へ導入する。目標湿度発生器１２０では、飽和気体１５４を所定温度にすることで所定湿度の気体１６０を得る。湿度の調節は飽和気体発生器１１０の温度で行う点は分流法と同じである。

また、分流法と二温法を組み合わせてより精度の高い調湿装置を得るものもある（特許文献１参照）。

特開平５−０７１７７６号公報

これまで開示されてきた調湿装置のほとんどが、数百リットル／分程度の比較的大きな流量を得る調湿装置がほとんどである。しかし、精密機器や電子部品、材料の環境試験や、顕微生物。材料の精密測定器、文化財や光学装置、食品などの保管庫などの用途には、数十リットル／分程度の少ない流量ではあるものの、非常に精度よく調湿された気体を必要とする用途がある。

特に文化財の保存や、細胞を培養するインキュベーターなどでは、大きな流量によって生じる強い風は、文化財の表面に物理的なダメージを与えたり、小さな細胞を吹き飛ばしてしまうなどの弊害がある。従って、このような分野では、むしろ少ない流量の調湿された気体の供給は望まれている。

また、このような用途では、多種類の物のために、それぞれ異なる環境を用意する必要がある。つまり、大きな装置で集中的に一定の調湿気体を配給するのではなく、多くの小型の調湿装置の提供が必要である。

この観点からは、従来の装置は提供できる流量規模が大きすぎ、したがって装置自体も大きすぎるという課題がある。

調湿方法という観点からの課題としては次のような点があげられる。まず分流法では湿度調整の応答は速いものの、調湿の精度が悪いという課題がある。二温法は精度は高いものの、湿度の応答反応が遅いという課題がある。また、従来の分流法や二温法では、飽和気体発生器と目標湿度発生器の２箇所で温度を制御する必要があり、所定温度・所定湿度の気体を得るには複雑な制御を行わなければならなかったという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するために発想されたもので、小型で調湿の精度が高く、また調湿の応答速度も速い調湿装置を提供するものである。

本発明は、１つの水温制御器で水温を制御し、その水温とほぼ同じ温度になるように制御された乾燥気体と湿潤気体を所定の比率で混合することで所定の湿度の気体を得る。

より具体的には以下の通りである。まず乾燥気体を所定温度の恒温槽の液体中に配したパイプを通過させ、所定温度の乾燥気体にする。

次にこの乾燥気体の一部を前記恒温槽に貯めた水の液面に触れさせる。このようにすることで、所定温度の乾燥気体はその温度の飽和気体にすることができる。

最後に、この所定温度の飽和気体と所定温度の乾燥気体を所定の比率で混合することで、所定温度で所定湿度の気体を得る事ができる。

本発明の特徴は、乾燥気体を所定温度にするために用いる恒温槽と、所定温度になった乾燥気体の一部に水分を与える恒温槽を兼用すなわち一体とする点にある。このような構成にすることにより、同一温度の乾燥気体と湿潤気体を小型の装置で得る事がでる。また、１の温度制御で乾燥気体と湿潤気体の両方の温度を制御することができるので、温度制御が非常に簡単になる。

そして同一温度の乾燥気体と湿潤気体であるので、調湿制御は２つの気体の混合比だけを制御すればよく、簡単で精度・応答速度に優れた調湿装置を提供することができる。

（実施の形態）
図１に本発明の調湿装置の構成を示す。本発明の調湿装置は、冷却部１０、容器１４、ポンプ１６、加熱制御装置１８とこれらの間を配管されている気体通路（黒太線で示した）からなる。

各部および気体通路の配管状態を気体の流れに沿って説明する。未調湿気体１は、気体通路入り口から気体通路内に導かれる。そして、冷却部１０を通り冷却される。冷却部１０はペルチェ素子もしくは低温氷等を用いることができる。低温氷は気体中の水分が徐々に氷となって表面に蓄積し、連続的な除湿は困難であるが、ペルチェ素子であれば着霜を間欠的若しくは連続的に除去できればいつまでも除湿が可能である。冷却された未調湿気体１はここで低温飽和気体２となる。

なお、化学的な水分吸着による除湿器で乾燥気体を得てもよい。すなわち、冷却部１０の部分を化学的に水分を吸着させる手段で置き換える。具体的には、水素化カルシウム、過塩素酸マグネシウム、酸化アルミニウム、五酸化リン、シリカゲルまたはモレキュラーシーブ等の乾燥剤を単独、もしくは組み合わせて詰めたパイプやＵ字管を用いることができる。この場合は得られる乾燥気体は低温とは限らない。冷却部と化学吸着による除湿器を組み合わせて用いてもよい。以後の説明では冷却部１０で得られた低温飽和気体で説明を続ける。

容器１４は、吸気口１３と排気口１５を有しており、中に水を貯めることができる。この水は温度を制御されており、中を通る気体通路と水とで恒温部２０を形成する。また、水面と容器１４の空間で加湿部２２を形成する。

低温飽和気体２は、気体通路を通って、恒温部２０へ入る。恒温部２０は、水の中に気体通路が浸かっている。この水は、所望する所定温度になっている水である。この部分の気体通路は必要に応じて、ループ形状を有する事で、気体通路長を長くする事ができ、恒温部２０の水と同じ温度にすることができる。また、恒温部２０の水の中を通る気体通路は、ループ形状だけでなく、複数本の通路に分岐し、分岐された気体通路中の気体の流速を遅くする事で、所定の温度にしてもよい。分岐された気体通路は恒温部２０を出る際に再び１本の気体通路にする。この温度は低温飽和気体２の温度より高いため、ここを流れる間に、高温乾燥気体３になる。

この高温乾燥気体３は三方バルブ１２によって分流し、一部は加湿部２２へ（図中４参照）、残りはそのまま気体通路を進む（図中５参照）。

加湿部２２は、容器１４と恒温部２０の水による水面によってできている。この閉空間内では、水の温度における飽和水蒸気状態になっている。高温乾燥気体３は三方バルブ１２から分流して加湿部２２にはいる。そして、この加湿部２２内で、水の温度の飽和気体（高温飽和気体と呼ぶ）となる。

通常は高温飽和気体を得るには、水中に気体を吹き込む方法が取られるが、気体流量が少ない場合は静水圧が抵抗となり安定なガス流量が得られない。一方本発明は所定温度の飽和水蒸気雰囲気の中に恒温乾燥気体を吹き込むので、安定な気体流量を得る事ができる。

三方バルブ１２で分流しなかった高温乾燥気体５は、気体通路を通る。気体通路は、再び加湿部２２に入る。ここでは、高温乾燥気体は、気体通路中を通るので、温度は一定に保たれるが、湿度は変化しない。

加湿部２２を出た高温飽和気体６と、三方バルブ１２で分流しなかった高温乾燥気体７は合流し、一緒になることで目標の所望気体８となり、気体通路の出口から排出される。得られる所望気体８の湿度の調整は、三方バルブ１２を調整し、加湿部２２へ流れる高温乾燥気体４の量を調整することで行う。

恒温部２０の水の温度調整は、まずポンプ１６で、恒温槽内の水を外部に導き、それを冷却装置１７で冷やす。本実施の形態では冷却部１０を経由させる。このように冷却部１０と水の冷却装置１７を兼ねることで、調湿装置全体の小型化が可能となる。

冷却装置１７で冷やされた水を加熱制御装置１８で加熱し、所望の温度にする。このように一度冷やした水を温めることで、水の温度を上げることも下げることも可能になる。加熱制御装置１８は、恒温部２０の水の温度をモニターしており、その水温に基づいて加熱量を調整する。もちろんペルチェ素子の投入電力を調整してもよい。また、ポンプ１６の流量も制御してもよい。つまり、加熱制御装置１８は、恒温部２０の水の温度調整を司っており、加熱、冷却、流速の１つあるいは、複数を制御することで、水の温度を一定に保つ１の温度制御装置である。

加熱制御装置１８で所定温度にした水を加湿用シャワー２４で恒温部２０の水面に散布（２６）する。ここで、水面への散布はまさに加湿部２２において行われるので、加湿部内の湿度は所定温度における飽和水蒸気状態となる。また、恒温槽の温度を変化させた場合にもすばやく湿度を追従させることができる。

図では省略したが、本調湿装置は、適当な断熱材によって外側を被い、熱の流出・流入を遮断することで、より精度の高い温度制御をすることが可能になる。また、内部の水は湿潤気体として排出されるので、外から供給してやる必要がある。そのための水位センサと水分供給用パイプを容器内部に設ければ、水の補給の際に容器１４を開封する必要もない。同様に、内部の水を交換するたの、排水口と排水パイプを容器１４に設けておけば、保守も容易にできる。

この調湿装置の使い方は、以下のようになる。容器１４に水２０を適量入れる。水は純水が好ましいが、必要に応じて水に添加物を加えてもよい。加熱制御装置１８に所定温度をセットし、恒温部２０の水を所定温度にする。

その後、未処理の気体を気体通路へ導入する。三方バルブ１２を操作し、すべての気体を加湿部２２に流す。そして、気体通路の出口で所定温度の飽和気体が得られる事を確認する。

次に、三方バルブ１２を操作して、すべての気体を加湿部２２を通さずにそのまま流す（図の５のルート）。気体通路出口近辺の管内には水分がついているので、暫らくそのまま流して出口付近の水分を乾燥させる。そして、気体で口で所定温度の乾燥気体が得られることを確認する。なお、ここで、加湿部２２からの気体（図中６の気体）を、乾燥気体７との合流の前に取り出せる口３０を気体通路に設けることで、気体通路出口近辺を乾燥させる手間が省ける。また、この取り出し口３０は、加湿部２２の内部温度を上げた際の圧力調節弁としても使う事ができる。

それから再度三方バルブ１２を操作して所望の湿度の気体が得られるまで、乾燥気体の一部を加湿部２２へ流す。この際、気体通路の出口に湿度計をつけて得られる気体の湿度をモニタしながら行えば容易に所定温度所定湿度の気体を得る事ができる。

従って、気体通路から得た気体の温度と湿度をモニタしながら、三方バルブ１２と加熱制御装置１８を制御することで、常時所定温度と所定湿度の気体を得る事ができるような制御系を本発明に付加するのは容易なことである。

本発明の特徴は、加湿部２２の水面と恒温部２０の水が同一で、しかも一つの容器１４内にある点である。このようにすることで、恒温部２０と加湿部２２の温度を調整する制御が1系統でできるので、簡単で信頼精度の高い調湿装置を得る事ができる。

また、同一温度の飽和気体と乾燥気体を混合するので、三方バルブを動かしたときの応答速度が速い。従って、所望気体８の湿度をフィードバックする必要が無い。

本発明での設定可能範囲は１気圧において温度０℃から１００℃で、相対湿度は除湿限界能力から１００％までで可能ある。
（実施の形態２）

図２に本発明の他の実施の形態を示す。図１と比較すると、本実施の形態では、三方バルブ１２がなくなっており、高温乾燥気体７と高温飽和気体６を一定の比率で混合する混合部１３を含む。すなわち、実施の形態１と比較すると、加湿部２２に高温乾燥気体を入れる際に流量を制限するのか、加湿部２２を出てから高温乾燥気体と混合するかの違いがある。

本実施の形態では、乾燥気体を加湿部２２へ流量制御なしで導入するので、逆流が無いように加湿部２２への入り口に背圧弁などを設けた方がよい。例えば、温度が高くなった際には、加湿部２２内での水の蒸発によって圧力が高くなり、気体通路に逆流する虞があるからである。
（実施の形態３）

図３に本発明の他の実施の形態を示す。本実施の形態では、加湿用シャワー２４は水の温度調整とは無関係に恒温部２０の水を循環するだけである。すなわち、恒温部２０の水をポンプ１９によって循環させる。

なお、図では、実施の形態２で説明した混合部１３を含む構成で説明をしたが、実施の形態１や２のシャワー２４を図３のようにして構わないことは言うまでもない。

また、実施の形態１から３を通じて、加湿部２２中に加湿用シャワー２４を設置し、説明を行ったが、加湿部２２で注入された乾燥気体と水分を与える事ができれば、特に限定されるものではない。すなわち、加湿用シャワー２４は無くてもよいし、加湿用シャワー２４以外の手段によって乾燥気体と水分の接触面積大きくする手段を使ってもよい。

例えば、金網を加湿部２２内に配置しその金網に水を伝わせる、加湿部２２内に水分をスプレー状にして放出する、加湿部２２内に超音波振動子を用いて微小水滴を発生させる、等の方法を利用できる。

本発明の調湿装置は、比較的流量の少ない範囲で高精度の湿度調整が可能である。また装置を小型にすることができる。したがって各種の試験・実験装置や保管庫、その他環境産業として注目されている厚生ゴミや堆肥処理などに利用する事ができる。

本発明の実施の形態の構成を示す図 本発明の他の実施の形態の構成を示す図 本発明の他の実施の形態の構成を示す図 従来の二分法の概略を説明する図 従来の二温法の概略を説明する図

符号の説明

１０ 冷却部
１２ 三方バルブ
１４ 容器
１６ ポンプ
１８ 加熱装置
２０ 恒温部
２２ 加湿部
２４ 加湿用シャワー
２６ シャワー

Claims (4)

1. 排気口を有し、内部に水を貯める容器と、
   気体の入口と出口を有し、前記容器の外側から内部の水の中を通り再び前記容器の外部にでる気体通路と、
   前記水の温度を制御する水温制御器と、
   前記気体通路を通る前記気体の一部を前記容器の中に放出する分流器と、
   前記温度制御された水を前記容器内の水面に散布する加湿用シャワーと、
   前記排気口からの気体と前記出口からの気体を１つにまとめて排出する合流器とからなるガス調湿装置。
2. 前記入口の前に前記気体の前処理部を有する請求項１に記載のガス調湿装置。
3. 前記前処理部は気体の冷却器である請求項２に記載のガス調湿装置。
4. 前記前処理部は気体の除湿器である請求項２に記載のガス調湿装置。

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