JP5296655B2

JP5296655B2 - ガスの温湿度調節方法及びガス供給装置

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Publication number: JP5296655B2
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Description

本発明は培養装置や化学分析装置等に供給されるガスに係る温湿度調節方法及びガス供給装置に関する。

細胞・組織の培養装置では、培養液の蒸発を最小限にするために、培養庫（培養室）内を加湿して培養が行われている。培養庫内を加湿するには、通常、加湿皿に水を入れ、自然に蒸発させるか、バブリングによる加湿を行う。しかし、現状では、培養庫内の相対湿度（以下、単に「湿度」と称することがある）を高めに保つというだけで、その湿度の正確な制御は行われていないことが多い。したがって、加湿し過ぎれば結露が生じ、加湿量が少なければ培養液が蒸発してしまう。また、試料が置かれる反応槽を有する化学分析装置では、正確な分析をするために、反応槽内の試料が一定の湿度に保持されることが望ましい。

この点に鑑み、培養装置等に供給されるガス（例えば、空気）を所望の温度及び湿度に保持することを試みた技術としては、温度センサの検出値が所望の温度に近づくように当該ガスへの加熱量を調節しつつ、湿度センサの検出値が所望の湿度に近づくように当該ガスへの加湿量を調節するものがある（特許文献１等参照）。

特許第３０９４１５４号

しかし、上記の技術では下記の課題があるため、ガスを所望の温度及び湿度に保持することが難しい。

第１の課題としては、温度変化と湿度変化は相関関係にあるため、上記技術のようにガスの温度と湿度の双方を制御する場合には、制御が難しくなる点が挙げられる。すなわち、上記の技術においてガスを加湿する際には、超音波で霧状にした水をガスに加えているが、このように加湿すると霧状の水が気化する際の気化熱でガスの温度が低下することがある。また、このような気化熱による温度低下を避けるために加熱した水蒸気を加えて加湿した場合には、先の例とは逆に、ガスの温度が上昇してしまう。一方、温度を上昇させるためにガスを加熱すると湿度が低下するし、温度を低下させるためにガスを冷却すると湿度が上昇してしまう。このように上記技術では、互いに影響し合う加湿量と加熱量を調節しながら温湿度制御を行わなければならず、制御が複雑になる。

第２の課題としては、結露による過剰な湿度低下が挙げられる。すなわち、水蒸気を含んだガスの温度を所望の温度まで下げるために冷却装置（例えば、冷却用の熱交換器）でガスを冷却すると、その冷却装置の表面で結露が発生して湿度が低下し過ぎることがある。これは、ガスを冷却して所望の温度にする場合には、冷却装置の表面は当該所望の温度より低くなければならず、冷却装置の表面付近のガスは当該所望の温度より低下して結露することがあるからである。このように結露が生じると、水蒸気が過剰に除去されてガスの湿度が所望の値よりも低下し過ぎることがある。

第３の課題としては、湿度センサ（湿度計）の精度が挙げられる。一般的に、湿度センサは、改良が施されているものの温度センサと比較して精度が悪い傾向にあり、特に、１００％に近い湿度を検出する場合にはその精度の悪化は顕著となる。比較的精度が高い湿度計としては、乾湿温度差により湿度を検出するものがあるが、応答速度が遅いという欠点がある。このように、湿度センサの検出値に基づいて湿度を制御する場合には（特に８０％から１００％の高湿度のガスを得ようとするときには）、精度の良い湿度制御を期待することは難しい。

本発明は上記各課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の温度及び湿度に保持されたガスの安定供給が容易なガスの温湿度調節方法及びガス供給装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、所望の温度及び相対湿度のガスを得るためのガスの温湿度調節方法であって、前記所望の温度及び相対湿度のときに含まれるべき水蒸気量を含んだガスを想定し、当該ガスの相対湿度が１００％となる温度を中間目標温度としたとき、前記所望の温度及び相対湿度から当該中間目標温度を演算する手順と、ガスと水蒸気を混合することによって、ガスの相対湿度を１００％まで上昇しつつ当該ガスの温度を前記中間目標温度まで上昇する手順と、前記ガスと水蒸気を混合する手順においてガスの相対湿度を１００％まで上昇できるガスの温度であって、前記中間目標温度以下のものを当初目標温度としたとき、前記中間目標温度から当該当初目標温度を演算する手順と、前記ガスと水蒸気を混合する手順の前に、任意の温度のガスを加熱又は冷却することによって、当該ガスの温度を前記当初目標温度に近づける手順と、前記ガスと水蒸気を混合する手順の後に、前記中間目標温度まで加熱されたガスに含まれる水蒸気量を保持しながら当該ガスを前記所望の温度まで加熱することによって、当該ガスの相対湿度を前記所望の相対湿度に調節する手順とを備えるものとする。

本発明によれば、所望の温度及び湿度に保持されたガスを安定して供給することができる。

本発明の実施の形態に係るガス供給装置を有する培養装置の構成と、当該ガス供給装置における空気の温度及び湿度の推移を示した図。本発明の実施の形態に係るガス供給装置における主制御装置の構成図。本発明の実施の形態に係るガス供給装置におけるガス温湿度制御フロー。本発明の実施の形態に係るガス供給装置におけるガス温湿度制御フロー。本実施の形態に係るガス供給装置を用いて実際に温湿度制御を行った場合における空気の温度及び湿度並びに蒸気ヒータの出力の変化図。本発明の実施の形態に係るガス供給装置を有する化学分析装置の構成図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るガス供給装置を有する培養装置の構成と、当該ガス供給装置における空気の温度及び湿度の推移を示した図である。本実施の形態では、１５〜３５℃程度の温度（Ｔａ）の空気（ガス）を取り込んでこれに水蒸気を加え、所望の温度（最終目標温度：Ｔｄ）及び所望の湿度（最終目標湿度：Ｈｄ（本実施の形態では７０〜９５％程度とする））の空気を作成する場合を例に挙げて説明する。

図１に示された培養装置は、所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄの空気を作成するガス供給装置１００と、ガス供給装置１００から供給される空気の下で細胞等の培養が行われる培養庫２００を備えている。

ガス供給装置１００は、フィルタ１と、ファン２と、加熱冷却器３と、気化器４と、蒸気ヒータ５と、加湿混合器６と、水分除去器７と、加熱ヒータ８と、保温ヒータ９と、主制御装置１０と、入力装置１１と、表示装置１２を主に備えている。

ファン（ガス供給手段）２は、フィルタ１を介して取り込んだ空気（ガス）をガス供給装置１００内に供給するもので、その回転数を制御することで培養庫２００へ供給する空気量を調節することができる。培養庫２００に供給される空気の流量及び圧力を充分に確保する観点からは、ファン２としてターボファンを用いることが好ましい。また、本実施の形態におけるファン２は、ガス供給装置１００の運転を停止する直前において、ガス供給装置１００内（気化器４、加湿混合器６、水分除去器７等）を乾燥する際の空気供給手段としても利用されている。フィルタ１とファン２の間には、フィルタ１を介して取り込んだ空気の温度Ｔａを検出する温度センサ２１が設置されている。

加熱冷却器（加熱冷却手段）３は、ファン２と加湿混合器６を接続するガス導入管１３に設置されており、ファン２から供給される空気を加熱又は冷却することで、その温度を当初目標温度Ｔｂに調節するものである。ここで、当初目標温度Ｔｂとは、加湿混合器６で気化器４から発生する水蒸気で中間目標温度Ｔｃ（後述）に加熱したときガスの湿度を１００％まで容易に上昇させるために、加湿混合器６に導入する前に保持しておく空気の温度のことを示す。また、当初目標温度Ｔｂは、中間目標温度Ｔｃに基づいて主制御装置１０（温度演算部１０ａ）で演算されるものであり、必然的に中間目標温度Ｔｃ以下に設定される。また、加熱冷却器３としては例えばペルチェ素子を利用することができる。なお、取り込み時の温度Ｔａのままでも、加湿混合器６において空気の湿度を１００％まで上昇できることが判明している場合には、空気の温度を当初目標温度Ｔｂに制御する必要はないので、加熱冷却器３を省略しても良い。

ところで、加熱冷却器３と加湿混合器６の間には、加熱冷却器３によって加熱又は冷却された空気の温度を検出する温度センサ２２（第２温度検出手段）が設置されている。温度センサ２２の検出温度は、加湿混合器６の入口（加熱冷却器３の出口）における空気の温度が当初目標温度Ｔｂに調節されるように加熱冷却器３の出力を演算する際に利用される。

気化器（蒸気発生手段）４は、加湿混合器６に供給される水蒸気を発生するもので、加湿混合器６の下方に設置されている。また、気化器４は、蒸気ヒータ５、第１液面センサ４１及び第２液面センサ４２を備えており、給水管４３、排水管４４、蒸気管４５及び結露水管４６と接続されている。

蒸気ヒータ５は、気化器４の内部に貯えられた水を加熱して水蒸気を発生するためのもので、その出力（加熱量）は主制御装置１０によって制御されている。蒸気ヒータ５の出力を調節すると気化器４で発生する水蒸気量を調節できるので、加湿混合器６の出口における空気の温度を調節することができる。本実施の形態における蒸気ヒータ５の出力は、加湿混合器６の出口における空気の温度が中間目標温度Ｔｃに到達するように調節されている。詳細は後述するが、中間目標温度Ｔｃとは、最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄのときの空気に含まれるべき水蒸気量に相当する量の水蒸気を含んだ空気を想定したとき、当該空気の相対湿度が１００％となる温度のことを示すものとする。

第１液面センサ４１及び第２液面センサ４２は、気化器４内の水面の高さを検出するもので、気化器４内の水量（水面の高さ）を調節するために用いられる。第１液面センサ４１は、気化器４への給水タイミングを判定するためのもので、水面の第２液面センサ４２の下方に取り付けられている。第２液面センサ４２は、気化器４への給水の停止タイミングを判定するためのものである。本実施の形態では液面センサ４１，４２として例えば光センサを利用しており、各液面センサ４１，４２は、その設置高さ以上に水面があるときにＯＮとなり、また、その設置高さ未満に水面があるときにＯＦＦとなる。

給水管４３は、気化器４へ供給される水（補給水）が流通するもので、給水ポンプ４３ａ及び給水弁４３ｂを備えている。給水弁４３ｂは、給水ポンプ４３ａの下流側に設置されており、気化器４へ給水する場合に開かれる。

排水管４４は、気化器４からの排水が流通するもので、排水弁４４ａを備えている。排水弁４４ａを開くと、気化器４内の水を外部へ排出することができる。また、排水管４４には、排水弁４４ａの上流側と下流側をバイパスするオーバーフロー管４７が接続されており、気化器４内の水量が設定値を超える場合には当該オーバーフロー管４７におけるＵ字部４７ｂを介して余剰分の水が外部へ排出されるように構成されている。オーバーフロー管４７におけるＵ字部４７ｂの下流側にはオーバーフロー弁４７ａが設置されており、当該オーバーフロー弁４７ａを閉めるとオーバーフロー管４７による排水を禁止することができる。また、オーバーフロー管４７におけるＵ字部４７ｂの上流側には、バキューム管４８が接続されている。バキューム管４８には、気化器４内の圧力を低減するバキュームポンプ４８ｂ（減圧手段）と、バキューム弁４８ａが設置されている。ガス供給装置１００内を乾燥するにあたって、バキュームポンプ４８ｂを利用して気化器４内の乾燥する方式（バキューム方式）を利用するときには、排水弁４４ａ及びオーバーフロー弁４７ａは閉められ、バキューム弁４８ａは開かれる。

蒸気管４５は、気化器４で発生した水蒸気が流通するもので、気化器４の上方に設置された加湿混合器６に接続されている。蒸気管４５には第１乾燥弁４５ａが設置されており、当該第１乾燥弁４５ａは気化器４内をバキューム方式で乾燥させる場合に閉められる。また、結露水管４６は、水分除去器７において空気から除去された余剰結露水を気化器４内へ導入するためのもので、本実施の形態では加湿混合器６に接続されている。結露水管４６には第２乾燥弁４６ａが設置されており、当該第２乾燥弁４６ａは気化器４内をバキューム方式で乾燥させる場合に閉められる。

加湿混合器（混合手段）６は、ファン２からの空気に気化器４（蒸気管４５）からの水蒸気を混合し、空気の相対湿度を１００％まで上昇しつつ当該空気の温度を中間目標温度Ｔｃまで上昇するもので、気化器４と水分除去器７の間に設置されている。ファン２から供給された空気は、加湿混合器６で水蒸気と混合されて相対湿度１００％、温度Ｔｃの空気となり、水分除去器７に導入される。なお、本実施の形態における加湿混合器６は略鉛直方向に中心軸を有した略円筒状に形成されており、ファン２からの空気は当該中心軸と異なる位置（例えば当該円筒の外周付近）に向かって導入されている。このように空気を導入すると、略円筒状に形成された加湿混合器６の壁面に衝突した空気が水蒸気とぶつかり混合しつつ図１中の矢印のように渦状に旋回しながら水分除去器７に向かって上昇するので、加湿混合器６における水蒸気と空気の混合を促進させることができる。なお、空気と水蒸気の混合を促進させる観点からは、ファン２からの空気を加湿混合器６内における水蒸気の出口に向かって導入することで、空気流と水蒸気流を交差させることが好ましい。また、空気と水蒸気の混合を促進させる他の手段としては、例えば、空気の流れを邪魔する攪拌板を加湿混合器６内に設置するものがある。

ところで、既述のように、中間目標温度Ｔｃとは、最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄのときに含まれるべき水蒸気量を含んだ空気を想定したとき、当該空気の相対湿度が１００％となる温度のことを示す。これを換言すれば、中間目標温度Ｔｃは、所望の状態（最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄ）における空気の絶対湿度を保持しながら、その相対湿度を１００％に変化させたときの温度に相当する。すなわち、中間目標温度Ｔｃは、最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄから演算することが可能であり、必然的に最終目標温度Ｔｄ以下の温度となる。

ここで中間目標温度Ｔｃの演算方法の一例について説明する。まず、ガス供給装置１００内の任意の位置（Ｘ点（図１におけるａ点，ｂ点，ｃ点，ｄ点の位置に相当））における空気の温度（Ｔｘ）［℃］における飽和蒸気圧（Ｐｘ）［ＰｍｍＨｇ］は下記式（１）によって近似できる。なお、任意の温度における飽和蒸気圧の近似式は式（１）の他にも種々のものが知られており、本発明に利用可能な近似式は式（１）のみに限定されない。

また、ガス供給装置１００内の任意の位置（Ｘ点）における相対湿度（Ｈｘ）［％］は、水蒸気分圧（ｐｘ）を飽和蒸気圧（Ｐｘ）で除したものに相当するので、Ｘ点における水蒸気分圧（ｐｘ）は下記式（２）で表すことができる。

これにより、式（１）及び式（２）から、Ｘ点における水蒸気圧ｐｘは、ＴｘとＨｘによって下記式（３）で表すことができる。したがって、図１におけるｄ点及びｃ点における水蒸気圧ｐｄ，ｐｃは、その空気の温度Ｔｄ，Ｔｃ及び相対湿度Ｈｄ，Ｈｃによって、下記式（４）及び式（５）で表すことができる。

上記式（４）及び式（５）について、本実施の形態ではｃ点からｄ点の間では空気への加湿がされないのでｐｃ＝ｐｄが成立する。また、Ｔｄ，Ｈｄは目標とする温度及び湿度であるため既知の値であり、ｃ点における相対湿度が１００％（Ｈｃ＝１００）であることから、上記式（４）及び式（５）から中間目標温度Ｔｃを求めることができる。

このように中間目標温度Ｔｃが演算できれば、当該中間目標温度Ｔｃから当初目標温度Ｔｂを演算することができる。加湿混合器６において、当初目標温度Ｔｂの空気が、高温（１００℃）の水蒸気と混合されて湿度１００％（Ｈｃ），温度Ｔｃの空気になることから、中間目標温度ＴｃはＴｂを利用して下記式（６）で表すことができる。なお、この式（６）において、「Ｐ」は大気圧、「ｐａｃ」はｃ点における空気の分圧、「ｐｃ」はｃ点における水蒸気圧、「Ｃｗ」は水蒸気の比熱、「Ｃａ」は空気の比熱とする。

式（６）においてＴｂ以外は既知の値なので、式（６）によりｂ点における当初目標温度Ｔｂが演算できる。なお、加湿混合器６に導入するにあたって空気の温度をＴｂに設定するのは、中間目標温度Ｔｃに達したとき加湿混合器６で空気の湿度を１００％に到達させるためであるので、加湿混合器６に導入する際の空気の温度は、加湿混合器６で湿度１００％に加湿可能なことを担保できる温度であれば、演算で求めたＴｂよりも低い温度でも良い。

ここでガス供給装置１００の構成の説明に戻る。水分除去器（水分除去手段）７は、加湿混合器６で空気に加えられた水蒸気のうち過剰なものを除去する部分であり、加湿混合器６の上方に取り付けられている。水分除去器７内には、過剰水分を除去するための網（過剰水分除去用脱水網）７１が設置されており、空気中の過剰水分は網７１を通過する際に除去される。本実施の形態の水分除去器７には、複数回網７１を通過させることで空気中の過剰水分を充分除去する観点から、仕切り７２が設置されている。網７１で除去された水分は重力によって流下し、加湿混合器６及び結露水管４６を介して気化器４に戻される。網７１で過剰水分が除去された空気は、相対湿度１００％，温度Ｔｃの状態で、水分除去器７の上方に接続されたガス供給管１４に導入される。

ガス供給管１４は、最終的に所望の温度（Ｔｄ）及び湿度（Ｈｄ）に保持された空気を培養庫２００に導入するための流路で、培養庫２００に接続されている。ガス供給管１４には、空気の流通方向における上流側から下流側に向かって順番に、温度センサ２３と、加熱ヒータ８と、温度センサ２４及び圧力センサ２５と、保温ヒータ９が設置されている。

温度センサ２３（第１温度検出手段）は、加湿混合器６の出口（加熱ヒータ８の入口）における空気の温度を検出するものであり、加湿混合器６の出口に設置されている。温度センサ２３の検出温度は、加湿混合器６の出口における空気の温度が中間目標温度Ｔｃに調節されるように蒸気ヒータ５の出力を演算する際に利用される。

加熱ヒータ８は、加湿混合器６から排出された空気（温度Ｔｃ，湿度１００％）を当該空気に含まれる水蒸気量を保持したままで最終目標温度Ｔｄに到達するまで加熱するものである。中間目標温度Ｔｃは既述のように最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄに基づいて演算されているので、加熱ヒータ８で最終目標温度Ｔｄまで加熱された空気の湿度は、最終目標湿度Ｈｄに調節される。

保温ヒータ９は、加熱ヒータ８を通過した空気を適宜加熱することで、加熱ヒータ８において最終目標温度Ｔｄまで加熱された空気の温度を保持するためのものである。また、温度センサ２４は、加熱ヒータ８の出口における空気の温度を検出するものであり、加熱ヒータ８の下流側に設置されている。温度センサ２４の検出温度は、保温ヒータ９で空気の温度が最終目標温度Ｔｄに保持されるように保温ヒータ９の出力の調節のために用いられる。さらに、圧力センサ２５は、加熱ヒータ８で加熱された空気の圧力を検出するものであり、空気流量の測定に用いられる。なお、空気流量の測定するために、圧力センサ２５に代えて風量センサを利用しても良い。

入力装置１１は、操作者がガス供給装置１００に対する指示を入力するためのものであり、主制御装置１０と接続されている。入力装置１１を介して行われる操作としては、例えば、ガス供給装置１００の主電源スイッチのＯＮ／ＯＦＦや、所望するガスの温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄの入力や、ガス供給運転の開始又は停止を指示するための運転スイッチのＯＮ／ＯＦＦや、気化器４内の乾燥方式の選択指示がある。

表示装置１２は、所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄに調節したガスを生成する際に用いられる文字や図形等を操作者に表示するためのものであり、主制御装置１０と接続されている。表示装置１２に表示されるものとしては、例えば、所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄの入力要求や、ガス供給運転の開始要求や、気化器4内の乾燥方式の選択要求等がある。

図２は本発明の実施の形態に係るガス供給装置における主制御装置１０の構成図である。この図に示すように、主制御装置１０は、当初目標温度Ｔｂ及び中間目標温度Ｔｃを演算する温度演算部１０ａと、その演算したＴｂ及びＴｃの値を記憶する記憶部１０ｂを有しており、入力装置１１、表示装置１２、タイマー１３、風量検出回路５１、液面検出回路５２、温度検出回路５３、温度検出回路５４、温度検出回路５５、温度検出回路５６、ポンプ駆動回路５７、給水弁駆動回路５８、排水弁駆動回路５９、ファン駆動回路６０、加熱冷却器駆動回路６１、蒸発ヒータ駆動回路６２、加熱ヒータ駆動回路６３、保温ヒータ駆動回路６４及びポンプ駆動回路６５と接続されている。

タイマー１３は、ガスの温湿度制御に際して必要な種々の時間を計測するものであり、タイマー１３による計測時間は種々の制御タイミングのきっかけとなる。風量検出回路５１は、培養庫２００に供給される空気流量を検出する回路で、圧力センサ２５と接続されている。液面検出回路５２は、気化器４内の水位を検出する回路で、液面センサ４１，４２と接続されている。温度検出回路５３は、取り込んだ空気の温度Ｔａを検出する回路で、温度センサ２１と接続されている。温度検出回路５４は、加熱冷却器３によって加熱又は冷却された空気の温度を検出する回路で、温度センサ２２（第２温度検出手段）と接続されている。温度検出回路５５は、加湿混合器６の出口における空気の温度を検出する回路で、温度センサ２３（第１温度検出手段）と接続されている。温度検出回路５６は、加熱ヒータ８の出口における空気の温度を検出する回路で、温度センサ２４と接続されている。

ポンプ駆動回路５７は、主制御装置１０の指示に基づいて給水ポンプ４３ａを駆動する回路であり、給水ポンプ４３ａと接続されている。給水弁駆動回路５８は、主制御装置１０の指示に基づいて給水弁４３ｂを駆動する回路であり、給水弁４３ｂと接続されている。排水弁駆動回路５９は、主制御装置１０の指示に基づいて排水弁４４ａを駆動する回路であり、排水弁４４ａと接続されている。ファン駆動回路６０は、主制御装置１０の指示に基づいてファン２を駆動する回路であり、ファン２と接続されている。加熱冷却器駆動回路６１は、主制御装置１０の指示に基づいて加熱冷却器３を駆動する回路であり、加熱冷却器３と接続されている。蒸気ヒータ駆動回路６２は、主制御装置１０の指示に基づいて蒸気ヒータ５を駆動する回路であり、蒸気ヒータ５と接続されている。加熱ヒータ駆動回路６３は、主制御装置１０の指示に基づいて加熱ヒータ８を駆動する回路であり、加熱ヒータ８と接続されている。保温ヒータ駆動回路６４は、主制御装置１０の指示に基づいて保温ヒータ９を駆動する回路であり、保温ヒータ９と接続されている。ポンプ駆動回路６５は、主制御装置１０の指示に基づいてバキュームポンプ４８ｂを駆動する回路であり、バキュームポンプ４８ｂと接続されている。

図３及び図４は、上記のように構成される本発明の実施の形態に係るガス供給装置１００におけるガス温湿度制御フローである。

主電源がＯＮにされると図示したガス温湿度制御フローが開始され、主制御装置１０は、培養庫２００に供給する空気の最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄ（所望の温度及び湿度）の入力を操作者に要求する旨表示装置１２に表示する（Ｓ１０１）。入力装置１１を介して操作者から最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄの入力があったら（Ｓ１０２）、主制御装置１０は、温度演算部１０ａにおいて、Ｓ１０２で入力された温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄに基づいて中間目標温度Ｔｃを演算し、これを記憶部１０ｂに記憶する（Ｓ１０３）。これにより、ガス供給装置１００による培養庫２００へのガス供給運転の準備が整うので、主制御装置１０は、運転スイッチをＯＮにすることを操作者に要求する旨表示装置１２に表示する（Ｓ１０４）。

操作者により運転スイッチがＯＮにされたら（Ｓ１０５）、主制御装置１０は、ファン２を駆動して空気の取り込みを開始し（Ｓ１０６）、Ｓ１０３で演算した中間目標温度Ｔｃに基づいて当初目標温度Ｔｂを演算し、これを記憶部１０ｂに記憶する（Ｓ１０７）。

当初目標温度Ｔｂを演算したら、主制御装置１０は、温度センサ２１を介して検出される温度Ｔａが、Ｓ１０７で演算した当初目標温度Ｔｂ未満であるか否かの判定を行う（Ｓ１０８）。Ｓ１０８においてＴａがＴｂ未満であることが判定されたら、主制御装置１０は、加熱冷却器３を加熱モードで作動させ、温度センサ２２を介して検出される温度が当初目標温度Ｔｂに近づくようにその出力を調整して、加湿混合器６に導入される空気の温度を制御する（Ｓ１０９Ａ）。一方、Ｓ１０８においてＴａがＴｂ以上であることが判定されたら、主制御装置１０は、加熱冷却器３を冷却モードで作動させ、先と同様に加湿混合器６に導入される空気の温度がＴｂに近づくように制御する（Ｓ１０９Ｂ）。

また、主制御装置１０は、温度センサ２３を介して検出される温度が中間目標温度Ｔｃになるように蒸気ヒータ５の出力を調節して、加湿混合器６及び水分除去器７を通過した空気の温度を制御する。このように蒸気ヒータ５の出力を調節すると、その出力に対応する量の水蒸気が加湿混合器６に供給され、Ｓ１０９Ａ，Ｂで当初目標温度Ｔｂに制御された空気と混合する。これにより、水分除去器７の出口における空気の相対湿度が１００％まで上昇しつつその温度がＴｃまで上昇する（Ｓ１１０）。

そして、主制御装置１０は、水分除去器７から排出された空気の温度が最終目標温度Ｔｄになるように加熱ヒータ８の出力を調節する。これにより、空気に含まれる水蒸気量が保持されながら当該空気の温度が最終目標温度Ｔｄに調節されるので、当該空気の相対湿度が最終目標湿度Ｈｄに調節される。すなわち、加湿混合器６で水蒸気と混合した後は、温度をみながら加熱するだけで所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄを有する空気を生成することができる（Ｓ１１１）。なお、このときの加熱ヒータ８の出力は、中間目標温度Ｔｃと最終目標温度Ｔｄの差分等に基づいて演算可能であるが、温度センサ２４の検出温度を利用して調節してもよい。

さらに、主制御装置１０は、ガス供給管１４を流通する空気の温度が最終目標温度Ｔｄに保持されるように、温度センサ２４を介して検出した温度に基づいて保温ヒータ９の出力を調節する。これにより最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄに保持された空気を培養庫２００に供給することができる（Ｓ１１２）。

ところで、主制御装置１０は、上記Ｓ１０８からＳ１１２の処理と並行して、気化器４内の水量調節制御を行っている。具体的には、排水弁４４ａを閉めて給水弁４３ａを開くことで気化器４へ給水可能な状態とし（Ｓ１１３）、第１液面センサ４１がＯＦＦになっているか否かを判定する（Ｓ１１４）。Ｓ１１４において、第１液面センサ４１がＯＦＦであると判定されると、気化器４内の水面が第１液面センサ４１より下にあると判定することができるので、給水ポンプ４３ａを駆動して気化器４内に水の供給を開始する（Ｓ１１５）。そして、第２液面センサ４２がＯＮになるか否かを判定し（Ｓ１１６）、第２液面センサ４２がＯＮになったら給水ポンプ４３ａを停止する（Ｓ１１７）。なお、Ｓ１１４において、第１液面センサ４１がＯＮになっていると判定された場合には、Ｓ１１３の状態を保持したまま待機する。

主制御装置１０は、上記Ｓ１０８〜Ｓ１１７の処理中において、運転スイッチがＯＦＦとなったか否かの判定を行っている（Ｓ１１８）。運転スイッチがＯＮである間は、主制御装置１０は、上記Ｓ１０８〜Ｓ１１２の温度制御処理及びＳ１１３〜Ｓ１１７の水量調節処理を繰り返す。一方、運転スイッチがＯＦＦになった場合には、ガス供給装置１００内の乾燥処理に移行する。乾燥処理に移行したら、主制御装置１０は、温風方式またはバキューム方式のうちいずれの乾燥方式を選択するかを操作者に要求する旨表示装置１２に表示し（Ｓ１１９）、入力装置１１を介していずれの乾燥方式が操作者によって選択されたかを判定する（Ｓ１２０）。なお、乾燥方式の選択は、上記のように運転スイッチをＯＦＦにした後だけでなく、その前に予め選択しておく方法を採用しても良い。

Ｓ１２０において温風方式が選択されたと判定された場合には、主制御装置１０は、排水弁４４ａを開き、給水弁４３ｂを閉じ、ファン２の作動を維持し、加熱冷却器３を加熱モードで作動し、タイマー１３を起動して時間の計測を開始する（Ｓ１２１）。これにより、気化器４内の水が外部へ排出されて空になるとともに、ガス供給装置１００内に加熱冷却器３で加熱された空気が導入される。これにより、気化器４、加湿混合器６及び水分除去器７等における残留水分が蒸発して乾燥するので、カビや細菌の増殖を防止することができる。その際、主制御装置１０は、タイマー１３の計測時間が、温風方式の乾燥に必要な時間として予め設定しておいた時間（設定値）に達したか否かの判定を行っており（Ｓ１２２）、その時間が到来したタイミングで、ファン２及び加熱冷却器３を停止し（Ｓ１２３）、ガス供給装置１００の運転を停止する。

一方、Ｓ１２０においてバキューム方式が選択されたと判定された場合には、主制御装置１０は、Ｓ１２１及びＳ１２２と同様に、排水弁４４ａを開き、給水弁４３ｂを閉じ、ファン２の作動を維持し、加熱冷却器３を加熱モードで作動することで、気化器４、加湿混合器６及び水分除去器７等の乾燥を開始する（Ｓ１２４）。そして、タイマー１３による計測時間が設定時間に到達したら（Ｓ１２５）、主制御装置１０は、排水弁４４ａ、第１乾燥弁４５ａ、第２乾燥弁４６ａ、オーバーフロー弁４７ａ及び給水弁４３ｂを閉じ、バキューム弁４８ａを開く（Ｓ１２６）。そして、さらに、バキュームポンプ４８ｂを起動するとともに改めてタイマー１３を作動させ、バキューム方式による気化器４内の乾燥を開始する（Ｓ１２７）。これにより、気化器４及びオーバーフロー管４７等の内部圧力が低圧になり、残留水分を蒸発させながら乾燥させることができ、カビや細菌の増殖を防ぐことができる。なお、このとき、蒸気ヒータ５に通電し、気化器４周辺を温めると一層効果的である。その後、タイマー１３による計測時間が設定時間に到達したら（Ｓ１２８）、ファン２及び加熱冷却器３を停止してガス供給装置１００内への温風の供給を停止し（Ｓ１２９）、さらに、バキュームポンプ４８ｂを停止して（Ｓ１３０）バキューム弁４８ａを閉じ（Ｓ１３１）、ガス供給装置１００の運転を停止する。

上記のように、本実施の形態に係るガス供給装置は、最終目標温度Ｔｄ及び最終目標湿度Ｈｄから中間目標温度Ｔｃを演算し、ガスと水蒸気を混合することによって当該ガスの相対湿度を１００％まで上昇しつつ当該ガスの温度を中間目標温度Ｔｃまで上昇し、中間目標温度Ｔｃまで加熱したガスに含まれる水蒸気量を保持しながら当該ガスを最終目標温度Ｔｄまで加熱することによって、その相対湿度を最終目標湿度Ｈｄに調節するものである。すなわち、その特徴は、（Ａ）温度センサからの出力のみに基づいて温度及び湿度の制御を行っている点、（Ｂ）湿度センサ（湿度計等）の出力は当該制御に利用していない点、（Ｃ）加湿を行った後は空気の冷却は一切行っていない点にある。

このように、ガスに水蒸気を混合させてその湿度を１００％としつつその温度を中間目標温度Ｔｃとした後に、そのガスの温度を最終目標温度Ｔｄまで上昇させると、湿度センサに頼ることなく当該ガスの湿度を最終目標湿度Ｈｄに調節することができるので、湿度センサを利用した場合よりも正確な湿度のガスを作ることができる。したがって、本実施の形態によれば、ガスの供給先（培養庫２００）に所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄに保持されたガスを安定して供給することができる。これにより、例えば、培養部分で結露させることなく、かつ培養液の蒸発を抑えて、培養液の濃度を一定に保つことができるので、最適な湿度に保持された空間で精度の良い培養が可能となる。

また、本発明は、ガス（空気）と水蒸気を積極的に混合してその湿度が１００％に達するまで一旦上昇させている。そのため、取り込んだ空気の湿度を所望の湿度に直接制御している特許文献１等の例と比較して、ガスと水蒸気の混合部分を充分確保して慎重な加湿を行う必要性が低い。これにより、加湿に利用する機器（加湿混合器６）の大きさを小さくすることができるので、ガス供給装置の全体の大きさをコンパクトにすることができる。この効果は、本実施の形態のように加湿混合器６の形状を略円筒状にする等して、空気と水蒸気の混合促進手段を設置した場合にさらに顕著となる。

さらに、本実施の形態では、空気の温湿度制御に際して、湿度を１００％にまで上昇させた後には当該空気に対して加熱のみを行っているため、加湿後に空気を冷却する場合と比較してエネルギーロスが少ない点もメリットとなる。また、本実施の形態のようにガス供給管１４を介して空気を供給すれば、微小容積の反応容器中の容器に対して効率的に加湿空気を供給することができる。

図５は本実施の形態に係るガス供給装置を用いて実際に温湿度制御を行った場合における空気の温度及び湿度並びに蒸気ヒータ５の出力の変化を示す。ここでは、制御開始後から目標とする空気の状態を、（１）Ｔｄ：３７℃，Ｈｄ：９５％，設定圧力：１４００Ｐａ、（２）Ｔｄ：３７℃，Ｈｄ：９５％，設定圧力：８００Ｐａ、（３）Ｔｄ：３５℃，Ｈｄ：７５％，設定圧力：８００Ｐａ、（４）Ｔｄ：３５℃，Ｈｄ：７５％，設定圧力：１４００Ｐａと時間経過ごとに順番に変化させた。図５に示すように、目標とする空気の状態（Ｔｄ，Ｈｄ，圧力）を変化させた直後には湿度Ｈｄが不安定な期間があるものの、その期間の経過後は温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄともに安定して制御されていることが分かる。また、先に例示した特許文献１等のように、「標準湿度センサの検出値に基づいて空気の湿度を制御した場合の湿度変化」についても図中に示した。このように湿度センサに基づいて湿度制御した場合には、湿度センサの精度低下が顕著となる時であって最終目標湿度Ｈｄが９５％と高いとき（（１）及び（２）のとき）において、温度センサの検出値に基づいて空気の湿度を制御した本実施の形態とのズレが顕著になっており、本実施の形態によるものの方が精度良く湿度を制御していることが判る。

図６は本発明の実施の形態に係るガス供給装置１００を有する化学分析装置の構成図である。この図に示す化学分析装置は、反応槽３００内を一定温度で所定時間保持することにより、反応容器８３中の試料の化学反応を進めて分析を行うもので、先に説明した培養装置同様に、分析中における試料の蒸発による濃度変化を防ぐ必要がある。

図６の化学分析装置は、ガス供給管１４と接続された反応槽３００を備えている。ガス供給装置１００において所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄに保持されたガスは、ガス供給管１４を介して反応槽３００内のエアバッファ８１に導入され、エアバッファ８１内で圧力調整された後、単一又は複数のノズル８２から、単一又は複数の反応容器８３に対して噴出される。なお、ノズル８２をエアバッファ８１に対して移動可能に取り付け、反応容器８３に対するガスの噴出位置を変更可能に構成しても良い。反応容器８３はベース８４に対して固定されており、ベース８４は反応槽３００に対して固定又は移動可動に設置されている。ベース８４を移動可動に設置した場合には、反応槽３００内で反応容器８３を搬送することができる。反応容器８３には試料（試薬もしくは／および検体の溶液）が保持されており、温湿度制御されたガスの供給を受けることにより、溶液表面からの蒸発を防止しつつ一定温度のもとで分析反応を進めることができる。このように、本発明に係るガス供給装置１００は、反応槽３００を有する化学分析装置にも適用することができる。すなわち、本実施の形態によれば、ガスの供給先（反応槽３００）に所望の温度Ｔｄ及び湿度Ｈｄに保持されたガスを安定して供給することができ、試料の濃度を一定に保つことができるので、最適な湿度に保持された空間で精度の良い検査が可能となる。

なお、以上では、温湿度の調節対象となるガスが空気の場合について説明したが、当該ガスとして炭酸ガスを含むガス体等を利用しても良いことは言うまでもない。

２ファン
３加熱冷却器
４気化器
５蒸気ヒータ
６加湿混合器
７水分除去器
８加熱ヒータ
９保温ヒータ
１０主制御装置
１０ａ温度演算部
１０ｂ記憶部
１１入力装置
１２表示装置
２２温度センサ（第２温度検出手段）
２３温度センサ（第１温度検出手段）
４１第１液面センサ
４２第２液面センサ
４３給水管
４３ａ給水ポンプ
４３ｂ給水弁
４４排水管
４４ａ排水弁
４５蒸気管
４５ａ第１乾燥弁
４６結露水管
４６ａ第２乾燥弁
４７オーバーフロー管
４７ａオーバーフロー弁
４７ｂＵ字部
４８バキューム管
４８ａバキューム弁
４８ｂバキュームポンプ
１００ガス供給装置
２００培養庫
３００反応槽
Ｈｄ最終目標湿度
Ｔｂ当初目標温度
Ｔｃ中間目標温度
Ｔｄ最終目標温度

Claims

所望の温度及び相対湿度のガスを得るためのガスの温湿度調節方法であって、
前記所望の温度及び相対湿度のときに含まれるべき水蒸気量を含んだガスを想定し、当該ガスの相対湿度が１００％となる温度を中間目標温度としたとき、前記所望の温度及び相対湿度から当該中間目標温度を演算する手順と、
ガスと水蒸気を混合することによって、ガスの相対湿度を１００％まで上昇しつつ当該ガスの温度を前記中間目標温度まで上昇する手順と、
前記ガスと水蒸気を混合する手順においてガスの相対湿度を１００％まで上昇できるガスの温度であって、前記中間目標温度以下のものを当初目標温度としたとき、前記中間目標温度から当該当初目標温度を演算する手順と、
前記ガスと水蒸気を混合する手順の前に、任意の温度のガスを加熱又は冷却することによって、当該ガスの温度を前記当初目標温度に近づける手順と、
前記ガスと水蒸気を混合する手順の後に、前記中間目標温度まで加熱されたガスに含まれる水蒸気量を保持しながら当該ガスを前記所望の温度まで加熱することによって、当該ガスの相対湿度を前記所望の相対湿度に調節する手順とを備えることを特徴とするガスの温湿度調節方法。
所望の温度及び相対湿度のガスを供給するガス供給装置であって、
前記ガス供給装置内にガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス供給手段からのガスに水蒸気を混合し、当該ガスの相対湿度を１００％まで上昇しつつ当該ガスを加熱する混合手段と、
前記所望の温度及び相対湿度のときに含まれるべき水蒸気量を含んだガスを想定し、当該ガスの相対湿度が１００％となる温度を中間目標温度としたとき、前記混合手段においてガスを前記中間目標温度まで加熱するために必要な量の水蒸気を発生する蒸気発生手段と、
前記混合手段から排出されたガスを当該ガスに含まれる水蒸気量を保持しながら前記所望の温度に到達するまで加熱する加熱手段と、
前記混合手段でガスの相対湿度を１００％まで上昇できるガスの温度であって、前記中間目標温度以下のものを当初目標温度としたとき、前記ガス供給手段から供給され前記混合手段に導入される前の任意の温度のガスを前記当初目標温度まで加熱又は冷却する加熱冷却手段とを備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２に記載のガス供給装置において、
前記混合手段の出口におけるガスの温度を検出する第１温度検出手段と、
前記所望の温度及び相対湿度から前記中間目標温度を演算し、前記第１温度検出手段で検出される温度が当該中間目標温度に近づくように前記蒸気発生手段で発生される水蒸気量を調節する制御手段とをさらに備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２又は３に記載のガス供給装置において、
前記混合手段に入口におけるガスの温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記中間目標温度から前記当初目標温度を演算し、前記第２温度検出手段で検出される温度が前記当初目標温度に近づくように前記加熱冷却手段を制御することを特徴とするガス供給装置。
請求項２から４のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記ガス供給手段は、前記ガス供給装置内に供給するガス量を所望のガス量に応じて調節していることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から５のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記ガス供給手段は、ターボファンであることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から６のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記ガス供給手段は、前記蒸気発生手段からの水蒸気と交差するように前記混合手段内にガスを供給することを特徴とするガス供給装置。
請求項２から７のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記混合手段は、水蒸気と混合されたガスから過剰な水分を除去する水分除去手段を備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から８のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記加熱手段によって加熱されたガスの温度を前記所望の温度に保温する保温手段をさらに備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から９のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記蒸気発生手段に貯留された水を排水する排水手段と、
前記蒸気発生手段に空気を供給し、前記蒸気発生手段内を乾燥させる乾燥手段とをさらに備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から１０のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記蒸気発生手段内の圧力を低減する減圧手段をさらに備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から１１のいずれかに記載のガス供給装置において、
前記蒸気発生手段はオーバーフロー管を備えることを特徴とするガス供給装置。
請求項２から１２のいずれかに記載のガス供給装置と、
前記ガス供給装置から所望の温度及び湿度に保持されたガスが供給される培養庫とを備えることを特徴とする培養装置。
請求項２から１３のいずれかに記載のガス供給装置と、
前記ガス供給装置から所望の温度及び湿度に保持されたガスが供給される反応槽とを備えることを特徴とする化学分析装置。