(57)【要約】  水分輸送アセンブリは、第一のチャンバを有するハウジングを含むものであり、その第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能である。このハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、第一チャンバと流体連通するものである。平坦なイオン交換膜は、ハウジングの開口部上に平面的に取り付けられ開口部を蒸気密に密封する。水分は、膜の各側の蒸気圧に基づき膜を介して通過し、第一チャンバを介して通過するサンプルの乾燥又は加湿の何れかを行う。平坦な薄型イオン交換膜が、平坦で薄いイオン交換膜である場合、その平坦な薄型イオン交換膜は、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間の肉厚を有することが好適である。
2008508055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のチャンバを含むハウジングであり、前記第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能であり、前記ハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、前記第一チャンバと流体連通するものであるハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部上に平面的に取り付けられ前記開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第一の平坦な薄型イオン交換膜と、を具え、
前記平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間であることを特徴とする水分輸送アセンブリ。
【請求項２】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項１記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項３】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーから流延した薄型フィルムを用いて作られる、請求項２記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項４】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーの分散液から形成される、請求項２記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項５】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜は、水素（Ｈ＋）型である、請求項１記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項６】
前記ハウジングは、第二のチャンバをさらに含み、前記第二チャンバは、前記ハウジング内の第二の開口部を介して接近可能であり、前記水分輸送アセンブリは、前記ハウジングの前記第二開口部上に平面的に取り付けられ前記第二開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第二の平坦な薄型イオン交換膜をさらに含み、前記第二の平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である、請求項１記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項７】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜及び前記第二の平坦な薄型イオン交換膜の少なくとも一方は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項６記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項８】
前記水分輸送アセンブリは、前記第一の平坦な薄型イオン交換膜を介して、少なくとも前記第一チャンバ内と、前記サンプル入口ポートに導かれるサンプルであって、前記サンプル出口ポートを介して少なくとも前記第一チャンバを介して排出される前のサンプルとに水分を添加する加湿アセンブリとして用いられる、請求項６記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項９】
前記水分輸送アセンブリは、前記サンプル入口ポートに導かれるサンプルであって、前記サンプル出口ポートを介して少なくとも前記第一チャンバを介して排出される前のサンプルから、前記第一の平坦な薄型イオン交換膜を介して、少なくとも前記第一チャンバの外部に水分を除去する乾燥アセンブリとして用いられる、請求項６記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１０】
前記サンプル入口ポート及び前記サンプル出口ポートは、前記第二チャンバとも流体連通する、請求項９に記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１１】
前記水分輸送アセンブリは、前記第一の薄型イオン交換膜上に位置するパージチャンバを含む、請求項１記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１２】
前記パージチャンバは、前記パージチャンバと流体連通するパージガス入口と、前記パージガスチャンバと流体連通するパージガス出口とを含む、請求項１記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１３】
前記水分輸送アセンブリは、前記第一の薄型イオン交換膜上に位置する第一のパージチャンバと、前記第二の薄型イオン交換膜上に位置する第二のパージチャンバとを含む、請求項６記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１４】
前記パージチャンバは、少なくとも前記第一パージチャンバと流体連通するパージガス入口と、少なくとも前記第一パージチャンバと流体連通するパージガス出口とを含む、請求項１１に記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１５】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜及び前記第二の平坦な薄型イオン交換膜の少なくとも一方は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項１４に記載の水分輸送アセンブリ。
【請求項１６】
第一のチャンバを含むハウジングであり、前記第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能であり、前記ハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、前記第一チャンバと流体連通するものであるハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部上に平面的に取り付けられ前記開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第一の平坦な薄型イオン交換膜と、を含み
前記平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である加湿アセンブリと、
前記加湿アセンブリを収容する温度制御された水槽と、を具えることを特徴とする加湿システム。
【請求項１７】
前記ハウジングは、第二のチャンバをさらに含み、前記第二チャンバは、前記ハウジング内の第二の開口部を介して接近可能であり、前記加湿アセンブリは、前記ハウジングの前記第二開口部上に平面的に取り付けられ前記第二開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第二の平坦な薄型イオン交換膜をさらに含み、前記第二の平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である、請求項１６に記載の加湿システム。
【請求項１８】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜及び前記第二の平坦な薄型イオン交換膜の少なくとも一方は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項１７に記載の加湿システム。
【請求項１９】
第一のチャンバを含むハウジングであり、前記第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能であり、前記ハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、前記第一チャンバと流体連通するものであるハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部上に平面的に取り付けられ前記開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第一の平坦な薄型イオン交換膜と、を含み
前記平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である乾燥アセンブリを具えることを特徴とする乾燥システム。
【請求項２０】
前記乾燥システムは、前記第一の平坦な薄型イオン交換膜上に位置するパージチャンバを含む、請求項１９に記載の乾燥システム。
【請求項２１】
前記ハウジングは、第二のチャンバをさらに含み、前記第二チャンバは、前記ハウジング内の第二の開口部を介して接近可能であり、前記乾燥アセンブリは、前記ハウジングの前記第二開口部上に平面的に取り付けられ前記第二開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第二の平坦な薄型イオン交換膜をさらに含み、前記第二の平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である、請求項２０に記載の乾燥システム。
【請求項２２】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜及び前記第二の平坦な薄型イオン交換膜の少なくとも一方は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項２１に記載の乾燥システム。
【請求項２３】
前記乾燥システムは、並列に配置された複数の前記乾燥アセンブリを含む、請求項２１に記載の乾燥システム。
【請求項２４】
前記乾燥システムは、前記複数の乾燥アセンブリの各二枚の膜の間に位置する少なくとも一つのパージガスチャンバである、複数のパージガスチャンバを含む、請求項２３に記載の乾燥アセンブリ。
【請求項２５】
第一のチャンバを含むハウジングであり、前記第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能であり、前記ハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、前記第一チャンバと流体連通するものであるハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部上に平面的に取り付けられ前記開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第一の平坦な薄型イオン交換膜と、を含み
前記平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である乾燥アセンブリを供給するステップと、
ウェットサンプルを前記サンプル入口ポートに供給するステップと、
前記サンプル出口ポートから乾燥されたサンプルを回収するステップと、を具えることを特徴とするウェットサンプルを乾燥する方法。
【請求項２６】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜の、前記開口部から遠い側面は、周囲の環境条件に暴露されている、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記方法は、前記第一の平坦な薄型イオン交換膜を介してウェットサンプルから水分を引き出すために、前記第一の平坦な薄型イオン交換膜の、前記開口部から遠い側面と連通するパージガスを供給するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
乾燥アセンブリを供給するステップは、平行に接続された複数の乾燥アセンブリを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記ハウジングは、第二のチャンバをさらに含み、前記第二チャンバは、前記ハウジング内の第二の開口部を介して接近可能であり、前記乾燥アセンブリは、前記ハウジングの前記第二開口部上に平面的に取り付けられ前記第二開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第二の平坦な薄型イオン交換膜をさらに含み、前記第二の平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜及び前記第二の平坦な薄型イオン交換膜の少なくとも一方は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
第一のチャンバを含むハウジングであり、前記第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能であり、前記ハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、前記第一チャンバと流体連通するものであるハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部上に平面的に取り付けられ前記開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第一の平坦な薄型イオン交換膜と、を含み
前記平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である加湿アセンブリを供給するステップと、
前記加湿アセンブリを温度制御された水槽内に浸すステップと、
前記サンプル入口ポートにドライサンプルを供給するステップと、
前記サンプル出口ポートから加湿されたサンプルを回収するステップと、を具えることを特徴とするガスの加湿方法。
【請求項３２】
前記ハウジングは、第二のチャンバをさらに含み、前記第二チャンバは、前記ハウジング内の第二の開口部を介して接近可能であり、前記乾燥アセンブリは、前記ハウジングの前記第二開口部上に平面的に取り付けられ前記第二開口部を蒸気密に密封する、スルホン酸系の第二の平坦な薄型イオン交換膜をさらに含み、前記第二の平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第一の平坦な薄型イオン交換膜及び前記第二の平坦な薄型イオン交換膜の少なくとも一方は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで形成される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
水分輸送アセンブリを含む医療装置において、
内部通路を有するカニューレであり、
前記カニューレに沿う第一の位置に配置された第一の鼻孔管と、
前記カニューレに沿う第二の位置に配置された第二の鼻孔管と、
前記内部通路を通って前記第一位置から前記第二位置に流れるガスを遮断するように、前記第一位置と前記第二位置との間に、前記内部通路に交差して配置されたスルホン酸系の薄型のイオン交換膜と、を含むカニューレを具えることを特徴とする医療装置。
【請求項３５】
前記医療装置は、前記鼻孔管から前記薄型イオン交換膜に向けてガスを導くための、前記第一鼻孔管及び前記第二鼻孔管の一方と連通する径が制限された管をさらに含む、請求項３４に記載の医療装置。
【請求項３６】
前記医療装置は、
前記第二位置に近接する、前記カニューレに接続されたキャプノメータと、
前記第一位置に近接する、前記カニューレに接続されたガス源と、をさらに含む、請求項３４に記載の医療装置。
【請求項３７】
患者の呼気を乾燥する方法において、
内部通路を有するカニューレであり、前記カニューレに沿う第一の位置に配置された第一の鼻孔管と、前記カニューレに沿う第二の位置に配置された第二の鼻孔管とを含むカニューレと、前記内部通路を通って前記第一位置から前記第二位置に流れるガスを遮断するように、前記第一位置と前記第二位置との間に、前記内部通路に交差して配置されたスルホン酸系の薄型のイオン交換膜と、を含むカニューレを供給し、
前記第一鼻孔管を患者の第一の鼻孔内に、前記第二鼻孔管を患者の第二の鼻孔内になるように、患者と連通するように配置し、
前記第一位置に近接する、前記カニューレに第一のガスを供給し、
前記第二鼻孔管からの第二のガスを前記カニューレの前記内部通路内に収容し、
前記第二位置に近接する、前記カニューレから乾燥された第二のガスを除去し、
前記薄型イオン交換膜を介して前記第二ガスから湿気を引き出し、前記乾燥された第二ガスを製造するために、前記第一ガスが前記第二ガスに比べて少ない湿気を含むようにすることを特徴とする、患者の呼気を乾燥する方法。
【請求項３８】
前記第一ガスは、酸素を含む乾燥したガスであり、前記乾燥された第二ガスは、分析のためキャプノメータに供給される、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、薄型膜を含むアセンブリ及び方法に関し、より詳しくは薄型膜を用いて気体又は液体の加湿又は除湿を行うアセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
既知の乾燥器には、混合気体流から水蒸気を選択的に除去する乾燥処理を連続的に行う吸湿性のイオン交換膜チューブが用いられている。このような乾燥器における既知の膜は、チューブ形状の押出し可能な乾燥剤として形成されている。単一のチューブ、又は図１１に示す従来技術のように共通ヘッダ１８に取り付けられたチューブの束１６は、シェルアンドチューブ構造に構成されるとともにウェット製品を導入するためのウェットフィード入口１２及びドライフィード出口１４を有する不浸透性のシェル１０内に密封されている。チューブ束１６は、各々０．０７６２ｍｍ（３mils）から０．１７７８ｍｍ（７mils）の肉厚を有し、熱硬化性樹脂によって所定位置に固定され得る。ウェットガス流は、チューブを介して流れ、一方対向流となるドライガス流は、ドライパージガス入口２０から導かれ、ウェットパージガスとしてウェットパージガス出口２２を介して排出され、シェルをパージする。水蒸気分子は、チューブの壁面を介して輸送される。その結果、ウェットガスは乾燥され、ドライパージガスは水蒸気を持ち去ることでウェットになる。Ｌｏｖｅｌｏｃｋの米国特許第５，１６０，５１１号は、湿りガスを乾燥するための、いわゆる、多チューブ式乾燥器というものを開示している。この米国特許第５，１６０，５１１号では、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール社の商品名称ナフィオン（登録商標）に基づくペルフルオロエチレンスルホン酸を材料とするチューブ及び膜を用い、混合ガスや混合ガス流から水蒸気の添加又は除去を行う技術が開示されている。
【０００３】
しかしながら、上記開示されたシステムは、このようなシステムに用いる押出しチューブのコストが高いことから望ましくない。加えて、マルチチューブ式装置において使用される熱硬化性樹脂は、多くの腐食性材料に対して限られた化学的抵抗性しか有していないことから、チューブの化学的不活性を低下させる。さらに、マルチチューブ式乾燥器の両端シール部は、チューブが高温及び多湿に暴露されて膨張することにより亀裂を生じることがある。
【０００４】
押出しチューブを用いず、したがって、「束」に代えて積層状又は複合状に組み立てることが可能な効果的乾燥器が要求されている。また、装置は、化学的に不活性状態下で使用し得ることが必要とされる。さらにまた乾燥装置は、製造、材料及び運転コストの低減により安価に利用し得るようにすることが必要とされる。さらにまた、大量処理用途に対応した低コストの乾燥アセンブリが必要とされる。しかも、最大の耐腐食性が要求される大流量の処理用途においても有用である材料乾燥器が必要とされる。
【０００５】
また、水透過膜を用いたガス加湿システムが知られている。Ｍｕｒｐｈｙの米国特許第５，９９６，９７６号は、透水性ポリマー材料の活用について開示しており、この透水性ポリマー材料は、水分を吸い込んで、透水性部材上を通過するガス流内にその水分を蒸発させ得る、チューブ形状、シート形状、チューブ状シートのペルフルオエチレンスルホン酸ポリマー膜を含むものである。このようなチューブを用いてガス及び疎水性液体を加湿するこのような方法は、さらにＩＳＡ  ＡＩＤ  ７５４１５（１９７５）においてＫｅｒｔｚｍａｎにより開示されている。
【０００６】
１９７６年に発表された本願発明者の論文には、湿度を発生させるための器具が記載されており、この器具は、図１１に示す装置と同様に、シェル内に収容されたチューブ束を介して一定温度の液体の水が循環するものである。この論文は、タイトルが「湿度発生器II」であり、一定量の湿度を産出するのに必要とされるエネルギの入力に関して言及されている。例えば、上記論文においては、湿度発生器を調節する手段が記述されており、そこではチューブ束の水の入口と出口とに温度センサが設置されている。入口温度は水が蒸発する前の水温を示すものであり、出口温度は、水量が気化する際の潜熱による温度低下を示すものである。蒸発した水は所定の数式から計算される。
【０００７】
さらには、正確に気体及び疎水性液体の加湿が行い得るシステムが必要とされる。
【特許文献１】米国特許第５，１６０，５１１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９９６，９７６号明細書
【非特許文献１】Ｋｅｒｔｚｍａｎ、ＩＳＡ  ＡＩＤ  ７５４１５（１９７５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
それゆえ、この発明は、一般的な型式である公知の装置及び方法における上記不具合を解消する、ガスもしくは液体から水分を添加又は除去するための薄型膜を含む水分の輸送方法及びアセンブリを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
より詳細には、この発明の一実施形態において、水分輸送アセンブリは、第一のチャンバを有するハウジングを含むものであり、その第一チャンバは、ハウジング内の開口部を介して接近可能である。このハウジングは、サンプル入口ポート及びサンプル出口ポートをさらに含み、それらポートの双方は、第一チャンバと流体連通するものである。平坦な（すなわち、平面の）イオン交換膜は、ハウジングの開口部上に平面的に取り付けられ開口部を蒸気密に密封する。水分は、膜の各側の蒸気圧に基づき膜を介して通過し、第一チャンバを介して通過するサンプルの乾燥又は加湿の何れかを行う。また、この発明の一実施形態において、平坦な薄型イオン交換膜は、その肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）との間にある。
【００１０】
この発明の或る特定の実施形態において、水分輸送アセンブリは、乾燥器として用いられ、再生可能な乾燥剤及び／又はパージガスは、第一チャンバを通り、サンプル入口からサンプル出口までを通過するサンプルの中から膜を介して水分を引き出すのに用いられる。
【００１１】
この発明の別の特定の実施形態において、水分輸送アセンブリは、加湿器として用いられ、再生可能な乾燥剤及び／又はパージガスは、第一チャンバを通り、サンプル入口からサンプル出口までを通過するサンプル内に膜を介して水分を引き込むのに用いられる。
【００１２】
他の構成、すなわちこの発明の特徴として考えられる方法及び目的は、特許請求の範囲に記載されている。
【００１３】
この発明は、この明細書で実施形態として、ガス又は液体から水分を添加又は除去するための薄型膜を含む水分輸送方法及びアセンブリが図示及び説明されているが、示された詳細な説明に限定されることを意図するものではなく、この発明の精神から逸脱せず、また特許請求の範囲と同等の範囲内で多種の修正及び構造上の変更が可能である。
【００１４】
一方で、この発明の付加的な目的及び利点とともに示されたこの発明の構成は、以下の具体的な実施形態の説明を添付の図面と一緒に読むことで良く理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ここで図面の図を詳細に参照し、先ず、特にその中でも図１２を参照すると、この発明の一実施形態に従う膜乾燥アセンブリ１００を介して行われる水分の輸送を代表する図が示されている。図１２に示すように、ウェットサンプルガス又は液体は、アセンブリ１００の第一側上のウェットサンプル入口１０２を介して第一のチャネル又はキャビティ１０９に導かれる。ドライパージガスは、アセンブリ１００の他方の側又は反対側のドライパージガス入口１０４を介して第二のチャネル又はキャビティ１０７に導かれる。ドライパージガスは、入口１０２から導かれるウェットサンプルガス又は液体に対して対向して流れるようにガス入口１０４を介して導かれる。ドライパージガスの実流量は、ウェットガス又は液体の流れの流量に比べて大きい必要がある。アセンブリ１００は、第一チャネル又はキャビティ１０９と、第二チャネル又はキャビティ１０７との間に、アセンブリのハウジングに平面的に固定された平坦な／平面の膜１０６を含み、それら第一チャネルもしくはキャビティ１０９及び第二チャネルもしくはキャビティ１０７は、膜１０６に隣接するとともに膜１０６に対して相互に反対となる側にそれぞれ配置されている。
【００１６】
スルホン酸群を含むイオン交換膜１０６を使用する場合、このような水分輸送アセンブリにおける推進力は、水蒸気の圧力勾配であり、全圧ではないことは知られている。このような膜１０６を用いた場合、硫酸との結びつきが強いガスがあれば、水及び硫酸間の化学的親和性に基づきイオン交換膜１０６に浸潤する。膜１０６を介して水分を輸送するために、圧力がかけられたサンプルを供給したり、又は膜１０６の外側を負圧にしたりすることは必要ではない。このようなものであるから、スルホン酸系の膜１０６は、ガスの圧力がその周囲に比べて低い場合でもガスを乾燥することができる。水分輸送は、膜１０６のどちらの側面上にあるガス蒸気がより湿っているかに依存する。特に、このようなシステムでは、ドライパージガスの水蒸気圧は、パージ側の膜表面上の水蒸気圧よりも低くしなければならず、このようにすることで、水分を膜から連続的に蒸発させることができる。ウェットフィード側の膜の水蒸気圧は、膜にガス又は液体から連続的に水分を吸収させるためにウェットガス又は液体の水蒸気圧よりも低くしなければならない。このようなものであるから、膜１０６の第一側（例えば、図１２のチャンバ１９）のガスが、他方、つまり第二側（この例では、図１２のチャンバ１７）より多くの水分を含んでいる場合（すなわち、より高い水蒸気圧を有している場合）、水蒸気は、第二側（すなわち、チャンバ１０７）に移動することになる。膜１０６の第二側（例えば、図１３の水槽１２８内）のガスがより多くの水分を含んでいる場合は、水蒸気は第一側（すなわち、図１３のチャンバ１２２）に移動するので、水分輸送アセンブリを乾燥器というよりむしろ加湿器として作動させることができる。
【００１７】
ドライパージガス、ウェットサンプルガスもしくは液体及び膜の温度制御は、これら三つ全ての水蒸気圧の制御という面で重要であり、これを用いてそれぞれの水蒸気圧を増大もしくは減少させることができる。
【００１８】
この発明の他の実施形態において、アセンブリ１００のハウジングは、不活性の熱可塑性物質、フルオロカーボン、被膜されたフルオロカーボン、又は化学的抵抗性を持つ金属等の不活性の物質を材料とすることができる。他の不活性プラスチック、フルオロカーボン、被膜されたフルオロカーボン、又は化学的抵抗性金属に対して密封性の高い接続を提供する不活性熱可塑性物質が好適である。加えて、アセンブリ１００の、又はこの発明の他の実施形態のハウジングは、特別の定めのない限り、何れの形状でも良く、正方形や長方形や円形の形状等でも良い。フィルタ、膜、サンプル、及びパージ内部容積間の内部容積もしくは空間は最小に保つことが好適である。このような小容積は、膜を横切る水分の高速な輸送を生み出すのに用いられる。
【００１９】
ウェットサンプル及びパージガスを、入口１０２及び１０４にそれぞれ導くために、多様のフィッティング又はコネクタを用いることができる。例えば、種々のかぎ状突起、ルアー及び／又は圧縮嵌めを用いても良い。あるいは、乾燥アセンブリのハウジングの内部にフィッティングの一部もしくは全部をモールド成型したり、又は乾燥アセンブリのハウジングの一部としたりしても良い。また、乾燥アセンブリのハウジングは、雄／雌のねじ込み式接続方式又は、特有の低容積の相手方接続部材が相互に作用する特有の雄／雌式の接続方式を随意的に含んでいても良い。
【００２０】
また、随意的に内部容積内にバッフルを形成しても良く、及び／又は他の部材を内部容積内に配置しても良く、このようにすることで流体と膜との密接な接触を助長し、またサンプル及びパージガスに乱れを与え、チャネリングを防止することができる。このように付加した場合、上記他の部材は、不活性の非吸湿性の材質であることが好適である。
【００２１】
この発明の目的上、膜１０６は、特定の特性を有しているものが選択されている。より具体的には、膜１０６は、低い当量を有していることが好ましく、例えば当量（「EW」）は、およそ８５０と１０００の間にあることが好適である。加えて、膜１０６は、肉厚が好適には約２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）の間にある薄型のイオン交換フィルム又は分散液を含むことが望ましい。なお、この肉厚に関して「約」とは、特別の定めがない限り、±１０％の大きさであることを意味するものである。
さらには、膜は、約２．５４μｍ（０．１mils）と５０．８μｍ（２．０mils）の間にあることがより好適である。さらには、薄型イオン膜は、２５．４μｍ（１．０mils）以下であることが最も好適である。
【００２２】
好適な実施形態において、膜１０６は、スルホン酸膜ポリマー又はアイオノマーで作られており、例えば、デュポン社の商品名称ナフィオン（登録商標）に基づき作られたペルフルオロスルホン酸ポリマーである。スルホン酸系の他の膜は、高速かつ選択的な水分輸送をもたらし、この発明に用いることができる。このようなスルホン酸系の膜は、さらにデュポン社、ダウ・ケミカル社（低当量）、旭硝子社、又は旭化成工業社製のペルスルホン酸膜、オイリオレフィン又はフルオロカーボンフィルム上にグラフトされたジビニルベンゼンスルホン酸、ダウ社製の樹脂であるトリフルオロスチレン及びエチレンスチレンの混合スルホン酸、ドイツ、フランクフルトのセラニーズ社及びバラード・フュエル・セル社製のポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）スルホン酸、及びヴィクトレックス社製のポリアリールエーテル又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）スルホン酸を含むものではあるが、これらに限定されるものではない。この発明には、上記した系又は同様系のスルホン酸ポリマーの何れも用いることができ、例えば、ここではナフィオン膜が開示されている。
【００２３】
さらに、この発明に用いられるスルホン酸系のイオン交換膜は、水素型に変換することができ、これにより最大の水分輸送率が実現される。このようなものであるから、酸（Ｈ＋）型であるナフィオン（登録商標）膜を用いることが最も好適である。Ｎ−１１２、ＮＥ−１１３５、Ｎ−１１５、Ｎ−１１７及びＮＥ−１１１０として知られているデュポン社製のナフィオン（登録商標）膜は、酸（Ｈ＋）型のペルフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥコポリマーであるナフィオン（登録商標）ＰＦＳＡポリマーに基づく非強化フィルムとして製造されている。ＮＲＥ−２１１及びＮＲＥ−２１２として知られているデュポン社製のナフィオン（登録商標）膜は、ナフィオン（登録商標）ＰＦＳＡポリマーに基づく非強化の分散液流延フィルムとして製造されている。他の陽イオン又は陰イオン型の薄型イオン交換膜を用いることも可能ではあるが、水分輸送率の低下が起こり得る。スルホン酸系ポリマーのさらに別の型をも用いることができ、同様にＨ＋型に変換することができる。例えば、ダウ・ケミカル社で製造されるような、変換されたビニルベンジルクロリド（ＶＢＣ）ポリマーは、フィルムとして又は、多孔性の不活性シートもしくはスクリーンとして用いることができる。この発明にナフィオン（登録商標）を用いる場合、高価値なガス又は液体から水分をエネルギ効率良く分離可能な膜にするために、不活性のテフロン（登録商標）（ＴＦＥ）を、立体的に分離したスルホン酸群と結合させる。さらに、スルホン酸系のイオン交換フィルムの合成体は、最も薄いイオン交換フィルムを用いることで製造することができるが、肉厚の制御性及びコーティングの均一性が流延フィルムに比べ変動し易くなる。
【００２４】
低圧のガスもしくは液体サンプルを用いたシステムでは、大きさにもよるが薄型イオン交換膜は支持されていなくとも、又は剥き出しの状態でも良い。一方で、この発明に従う薄型イオン交換膜は、不活性金属、プラスチックスクリーン又は薄型の多孔性フィルム等の積層材によって支持されていても良い。さらに、支持された膜は、イオン交換分散液の溶液に多孔性の不活性シートをコーディングすることによって形成されていても良い。積層材は薄型膜に機械的な強度を加え、かつウェットガス又は液体、及びパージガス間の相互の乱流の増加を助長することができる。例えば、この発明の図１４を参照すると、内部に不活性スクリーン１３１を有するチャンバ１３４を含むハウジング１３２の一部分を切り取ったときの等角図が示されており、このスクリーン１３１は、ウェットガス及びパージガスの相互乱流を増加させる。不活性スクリーン１３１は、チャンバ１３４内の平坦な／平面の膜１０６の下部に配置されている。さらに、耐食性の金属スクリーン又は多孔性の金属を用いることができ、金属は、プラスチックよりも伝導性が高いことからプラスチックを用いたときに比べ膜に対する熱伝導性が向上する。
【００２５】
さらに、種々の薄型の熱可塑性スクリーン（例えば、図１４の不活性スクリーン１１３）、多孔性プラスチック、又は金属膜（図示せず）が乾燥器１００の筐体内に取り付けられていても良く、これにより固体及び凝縮液体からの混入物に対して膜は保護される。これらフィルタは、固体及び凝縮液体を継続的に除去するバイパス方式で用いても良く、又はサンプルの混入物が最小となる終端部分に用いても良い。
【００２６】
多孔シート上のイオン交換フィルム又は分散液は、好適には肉厚が、２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）の間であると述べたことを留意されたい。何れの肉厚においても、随意的である積層材又はフィルタスクリーンは、この好適な寸法内には含まれていない。さらに、膜、積層材、合成体及び／又はフィルタ間の密封は、薄型の非吸湿性ポリマー又はエラストマーで構成することができる。
【００２７】
再び図１２を参照すると、チャネル１０７内のパージガスは、膜１０６を介してチャネル１０９から水分を引き込み、アセンブリ１００の「ウェット側」に存するガスパージ出口１０８を介しウェットパージガスはアセンブリ１００から排出される。同様に、ドライサンプルガス又は液体（すなわち、水分が除去された状態）は、アセンブリ１００の「ドライ側」に存するサンプルガス出口を介してチャネル１０９から排出される。膜１０６の、アセンブリ１００の「ドライ側」は、さらに乾燥しており、膜１０６の、アセンブリ１００の「ウェット側」は濡れていることに留意されたい。アセンブリ１００の内部では、膜の一方の側は水分を吸収し、他方は蒸発することから、膜の肉厚内の水分濃度の勾配と同様に、膜の水平面に沿って水分濃度の勾配が存在する。膜１０６の吸着熱は、膜１０６の他の側における水分の蒸発からの気化熱による冷却作用によって相殺される。この発明の上記メカニズムは、固体乾燥剤を用いた乾燥によって起こる反応とは異なり、この吸着熱はドライ製品の熱として実行されることに留意されたい。このような固体乾燥剤は、一度濡れると、その後に、吸着された水分を除去するために再生の間に加熱及びドライパージを必要とする。しかしながら、低湿度のパージガスが利用できない場合、乾燥した乾燥剤を乾燥膜１０６の表面１０６ａと接触させて配置しても良いことに留意されたい。付加的な実施形態に関連して、以下にさらに詳細に述べるように、この表面１０６ａを周囲湿度に暴露する代わりに、少量の固体の乾燥した乾燥剤を閉鎖チャンバ内に配置するとともに、膜１０６のウェット面と反対の膜表面に暴露しても良い。乾燥した乾燥剤は、多孔性の網部材又はプラスチックを有する膜表面１０６ａから分離することも可能である。乾燥剤は、乾燥剤の乾燥能力を表示する湿度表示部材を随意的に含んでいても良い。
【００２８】
さらに、この発明の乾燥器は、上で述べたように、ウェットサンプルガス又は液体とともに稼動する。しかしながら、湿潤の疎水性液体の乾燥には、温度、ガス及び液体の流量、減圧及び水分濃度の制御が必要とされる。液体の溶解水が存在する場合は、容積辺りの重量として表される水の容積量に基づく水分濃度の計算が必要とされる。そして、疎水性液体中の溶解水の実容量の除去には、これを達成するために必要とされるドライガスの実容量の計算が必要とされる。膜１０６内を通過する吸着水を蒸発させるためには十分なドライパージガスを用いなければならない。これら液体の乾燥は、温度と圧力の二つの変数により調節可能である。例えば、膜１０６及びアセンブリ１００を低温度に、かつパージガスを低減圧に保持することで、疎水性液体を、ほんの数百万分の一（ｐｐｍ）又は十億分の一（ｐｐｂ）のレベルまで乾燥させることができる。パージガスを低圧にすることで、パージガス中の水の分圧を低下させ、さらに膨張によって容積流量を増加させることができる。ウェットサンプル液体の乾燥を助長するアセンブリの温度及び圧力を調節するのに用い得る低コストの一物質として液体窒素がある。液体窒素は、気化し得るので、それにより所望の低温が実現され、一方で、蒸気は膨張し得るので、所望の低水分濃度に対して液体を乾燥するのに必要とされるドライパージガスの実容量が提供される。
【００２９】
ここで、図１３を参照すると、ガス又は液体を加湿するための加湿アセンブリ１２０が示されている。加湿制御には、温度とともにドライガス及び水の流量制御が必要とされ、これによりドライガスを、水温で飽和させることができる。水温を制御するための熱及びエネルギ入力は、水の蒸発（気化熱）による熱損失、かつ水を保有する容器の伝導性による冷却作用によって産出される熱損失を含むものである。さらに、水の吸着が熱を産出する一方で、同様に水の蒸発は冷却作用（気化熱）を産出する。このシステムにおける１０度（摂氏）の温度変化は、水分輸送率を二倍にすることができ、又はドライガス又は液体サンプル内の水分濃度を減少することができる。このようなシステムへのエネルギの入力は、水温の上昇ための熱の供給と、水の気化による冷却作用への克服とを均等にしなければならない。
【００３０】
加湿アセンブリ１２０は、ボディ１２２を貫くキャビティ上に取り付けられた膜１２６を有する加湿シェル１２２を含む。好適な実施形態においては、膜１２６は、図１２の膜１０６に関連して説明した形式の薄型のイオン交換膜が選択されている。膜１２６は、シェル１２２に密封されており、図１２の装置に関連して説明したように、気密に密封されている。
【００３１】
加湿装置１２４は、シェル１２２及び膜１２６を含み、温度制御された水槽１２８内に浸されている。ドライガス又は疎水性液体サンプルは、入口１２５を介して導かれるとともにシェル１２２のキャビティを貫通して流れ、その結果、水槽から膜１２６を介して通過した水分子によって、サンプルは加湿される。加湿されたガス又は液体サンプルは、ウェットガス／液体出口１２９を介して加湿装置から排出される。ドライサンプルに付加する湿度レベルの制御は、水槽の水温と、膜の表面積及び肉厚と、サンプルの流量とに依存することになる。図１２の乾燥器の実施形態と同様に、シェル内部のキャビティの容積を最小にすることが望ましいことに留意されたい。
【００３２】
ここで、図１を参照すると、この発明の一実施形態に従う片面膜の加湿／乾燥アセンブリ１３０が示されている。アセンブリ１３０は、キャビティ１３４を有するシェル１３２を含む。スルホン酸系の膜１３６は、キャビティ１３４を平面的に覆い、シェル１３２に密封されている。サンプル入口１３５及び出口１３９には、乾燥されるサンプルのために、入口及び出口がそれぞれ供給されている。シェル１３２は、正方形又は長方形に構成されていても良く、あるいは円形の形状でも良い。さらに、シェル１３２は、例えば、ポリオレフィン、フルオロカーボン、被膜されたフルオロカーボン、又は化学的抵抗性の金属等の不活性の非疎水性の熱可塑性物質を材料することができる。
【００３３】
薄膜１３６の底部とシェルキャビティ１３４の底部との間は、小容積を維持することが望ましい。不活性維持のため、膜１３６の両端部は、気密の密封を形成するために外側のシェル１３２の表面に熱融着しても良い。また、それと代えて、膜１３６の端部とシェル１３２との間のシールは、超音波融着しても良い。シェル１３２が不活性金属製である場合、又は他の膜固定手段が望まれる場合、膜１３６の外側の両端部は、クランプ、ネジ、不活性ガスケット及び／又はエラストマー材料等の機械的手段を用いてシェル１３２に密封することができる。このような不活性の金属シェルは、アルミニウムもしくはステンレス鋼上に、フルオロカーボン又は無電極ニッケル／フルオロカーボンを被膜したものから製造することができる。膜１３６のシェル１３２への固定に機械的手段を用いた場合、膜１３６が汚染され、又は損傷を受けた場合には交換が可能となる。
【００３４】
上述した乾燥アセンブリ１００の説明と同様に、膜１３６は、当量（「ＥＷ」）が、例えば、約８５０と１０００の間にある低当量のものであり、肉厚が２．５４μｍ（０．１mils）と７６．２μｍ（３．０mils）の間にある薄型のイオン交換フィルム又は分散液が選択されたものが好適である。最も好適には、膜１３６は、図１２の実施形態に関連して説明したナフィオン（登録商標）等のペルフルオロスルホン酸ポリマーが選択されることである。加えて、その実施形態の場合のように、膜１３６を、熱可塑性のスクリーン又は多孔性カバー内に収納することができる。
【００３５】
アセンブリ１３０を乾燥器として用いる場合、膜１３６の上面１３６ａは周囲の空気に暴露されており、入口１３５を介して導かれたウェットサンプルは、乾燥器１３０によって、乾燥器１３０を取り囲む周囲空気と同一の湿度にまで乾燥されることとなる（すなわち、サンプル中の湿度は、周囲の湿度と平衡状態に達する）。膜１３６の上面１３６ａの上部上に多孔性のスクリーンを配置し、かつシリカゲル、分子篩、アルミナ又はカルシウム硫酸半水化物等の固体の再生可能な乾燥剤を含み、小孔を有する容器によって上面１３６ａを被覆することによって、低湿度のサンプルを取得することができる。固体の再生可能な乾燥剤は、サンプルに付加的な乾燥を与える。
【００３６】
さらに、アセンブリ１３０は、図１３に関連して説明した水槽と一緒に用いることで、ドライサンプルを加湿する加湿器としても用いることができる。
【００３７】
ここで、図２を参照すると、この発明のさらに別の実施形態が示されている。加湿／乾燥アセンブリ１４０は、シェル１４２が、乾燥器ハウジング１４２のそれぞれ反対側の面に隣接する二枚の平坦な／平面の膜１４６を含むように構成されていることを除くほか、図１の加湿／乾燥アセンブリ１３０のそれと同様である。対向する膜１４６は、図１２の膜１０６及び図１の膜１３６に関連して説明したそれらスルホン酸系の中から選択することが好適である。加えて、膜は、先の実施形態に関連して説明した、付加的な構造を有するスクリーン、支持部材、積層体及び／又は複合体で形成しても良い。
【００３８】
前述の装置と同様に、図２のアセンブリ１４０は、ウェットサンプルを迂回させ、シェルのチャンバ１４４内に流入するようにする入口１４５を含み、ウェットサンプルは、両膜１４６を通過して出口１４４から排出される。しかしながら、一枚の膜に代えて、二枚の膜と接触する二つのチャンバ１４４を有することを除けば、アセンブリ１４０は、図１のアセンブリ１３０と同一である。このようなものであるから、アセンブリ１３０の構造及び／又は補完に利用可能な随意的なもの及び選択的なものは、アセンブリ１４０に同様に適用し得るということになる。
【００３９】
図１の加湿器／乾燥器１３０と同様に、アセンブリ１４０は、図１２及び１に関連して説明したように乾燥器として用いることができ、又は図１３に関連して説明したように、水槽と一緒に用いる場合にはドライサンプルを加湿する加湿器としても用いることができる。
【００４０】
ここで、図３を参照すると、この発明の一実施形態に従う乾燥アセンブリ１５０が示されている。乾燥アセンブリ１５０は、図２のアセンブリ１４０と同一の基部構造を含むものではあるが、さらにハウジング１５２と連通して形成されたパージガスチャンバ又はチャネル１５８を含むものである。より詳細には、ウェットサンプルを乾燥する際、膜１５６の外面１５６ａ上のパージチャンバ１５８の中を通過するドライパージガスは、膜１５６を介してウェットサンプルから水分を引き出すこととなる。ドライパージガスは、キャビティ１５４の中を通るウェットサンプルの流れに対向して、パージガスチャンバ１５８に導かれる。上記の実施形態と同様に、キャビティ１５４の容積を最小にすることが好適である。例えば、或る特定の実施形態においては、キャビティの深さは、わずか約０．１２７ｍｍ（５mils）しかなくても良い。加えて、膜１５６は、図１２及び１の実施形態に関連して説明したようなスルホン酸系の薄型イオン交換フィルムである。望ましくは、パージガスの実容量は、アセンブリ１５０に導かれるサンプルガス又は液体の実容量を上回るべきである。それに代えて、シリカゲル、分子篩、アルミナ又はカルシウム硫酸半水化物等の固体の再生可能な乾燥剤をパージチャンバ１５８内に設置けたアセンブリ１５０を用いることで、ウェットサンプルの湿度を減少させることができる。パージチャンバ１５８内に固体の乾燥剤を設置した場合、吸着した水によって飽和状態となった乾燥剤を定期的に再設置／再生することが必要となる。
【００４１】
図３の実施形態は、二つのハウジングチャンバ１５４上に配置された二枚の膜１５６を含む乾燥器に関連して説明されていることに留意されたい。しかしながら、これは限定されることを意味するものではない。図１３に示された実施形態から、図１の実施形態は同様に、第二チャンバ、パージチャンバ又は膜を除き、スルホン酸系の片膜１５６上にパージチャンバ／チャネル１５８を含むように構成され得ることは理解される。このようなものであるから、図３に示された実施形態から、如何にして図１の片面膜の乾燥器１３０に、膜１３６上にパージチャンバを含むように構成すればよいかは理解することができる。
【００４２】
ここで、図４を参照すると、アセンブリ１６０に追加のバイパスフィルタ１６７を含む、この発明の一実施形態が示されている。このアセンブリ１６０は、膜１６６及び、パージガスチャネル又はチャンバ１６８と接触する二重のキャビティ１６４を含むハウジング１６２を含むという点において、図３に示されたアセンブリ１５０と同様である。また一方で、アセンブリ１６０は、二つのバイパスフィルタ１６７を含むものである。バイパスフィルタは、先に説明したものから構成され得る。例えば、耐腐食性であり非吸湿性の細目スクリーン又は多孔性のプラスチックフィルタであり、ハウジング１６２内の、ウェットサンプル及び膜１６６の下面間に設置されるものである。前述の実施形態と同様に、内部のデッド容量は、最小にすべきである。微粒子又は凝縮液体を含む全てのウェットサンプルは、バイパス方式のフィルタ乾燥器を介して通過し、それらはウェットサンプルから除去される。フィルタ１６７の横断及び膜１６６の下面への衝突による圧力低下は、低く保たなければならない。ろ過されたウェットサンプルは、膜１６６を収容するチャンバ又はキャビティ１６３の中を通過し、膜１６６の下面の下方の二つの出口１６９から排出される。ドライパージガス又は固体の乾燥剤のチャンバ１６８は、図３に関連して説明したように、膜１６８の上面上に設置することができるので、ウェットサンプルの水分の低減はさらに確保される。加えて、ハウジング１６２及び薄型イオン交換膜１６６は、前述の実施形態に関連して説明したように選択することができる。
【００４３】
如何にすれば図４の実施形態を、図１に関連して説明したように片面膜の乾燥器として使用するために構成することができるかは、図３の実施形態と同様、上記教示から理解することができる。
【００４４】
前述のように、疎水性液体等の特定のサンプルの乾燥は、膜及びアセンブリの温度及びパージガスの圧力に非常に影響され得る。ここで、図５を参照すると、アセンブリ１５０’の温度に影響を与え得るメカニズムを含む、この発明の或る特定の実施形態が示されている。温度制御メカニズムを含むこの実施形態は、論議の目的のためのみに、図３の実施形態に関連して記述するものである。これは限定されることを意味するものではない。この実施形態に関連して説明されているような温度制御装置の使用は、図１２及び図１から４までの何れかに関連して用い得ることは留意されたい。
【００４５】
図５に戻って参照すると、膜１５６を含むハウジング１５２を含む乾燥アセンブリ１５０’が示されている。アセンブリ１５０’及び／又は膜１５６の温度の上昇又は低下は、サンプルからの水分の除去に影響し得る。例えば、水分輸送は、温度の上昇により増加し得て、ドライ製品中の水分濃度は低下する。ヒータ１７０及び／又は冷却メカニズム１７５等の温度制御メカニズムを、アセンブリ１５０’に付加することができ、乾燥アセンブリ１５０’内のウェットサンプルの温度を上昇又は低下させることができる。図５に示すように、このようなヒータ１７０及び／又は冷却メカニズム１７５は、ガスパージチャンバ１５８及びシェル１５２内及び／又はその上に設置することができる。加えて、必要に応じて、ヒータ１７０及び／又は冷却メカニズム１７５を設けて、アセンブリの入口１５５に導かれるウェットサンプルの温度を、その導入の前に上昇又は低下させることができる。ここでは、両方が示されているが、必要に応じて、ヒータ１７０及び／又は冷却メカニズム１７５の何れか一方のみ、又は種々のヒータ１７０及び／又は種々の冷却メカニズム１７５を用いても良い。しかしながら、ウェットサンプルを乾燥する際、ウェットサンプル入口の温度は、ウェットサンプル入口の露点を越えるように少なくとも１０℃に保持することが望ましく、これにより、水分の凝縮が防止され、及び膜１５６を介する蒸発は増大する。誘導又は抵抗ヒータ等の既知の加熱装置を、ヒータ１７０として用いることもできる。
【００４６】
乾燥アセンブリ１５０、膜１５６及びパージチャンバ１５８の冷却は、多数の冷却メカニズム１７５の何れかを用いることによって達成し得る。例えば、冷却メカニズム１７５は、ガス又は液体中の水分の著しい低減を達成することからこの発明に有益であり、この冷却メカニズムは、熱伝式又は機械的な冷却、あるいは液冷却を含み得るものである。温度の低下は、膜１５６の水蒸気分圧を低くし、これにより膜は、低水分濃度においてもウェットサンプルから吸着し得る。ドライパージガスは、膜に比べて水蒸気濃度が低いことが望ましく、パージガスは、乾燥した膜表面上に吸着された水分を除去することができる。
【００４７】
ここで、図６を参照すると、ウェットサンプルを乾燥する場合の還流システム１８０の概略図が示されている。還流システムでは、ドライサンプルの全て又はその一部は、膨張し、パージガスとして用いられる。このようなシステムにおいて、ウェットサンプルが高圧のガスである場合、このサンプルを乾燥することができるとともに、その乾燥したガスの一部をパージガスとして用いることができる。この還流システム１８０において、低圧又は大気圧のサンプルは、流量計１８２及び膨張弁１８４を介して通過する。膨張したドライサンプルは、ドライアセンブリ１８６のパージチャンバ１８８の中を通過する。乾燥アセンブリ１８６は、図３に示されたアセンブリのようなものであるが、この発明に従う他の乾燥アセンブリにもこのシステム１８０は用いることができる。さらに、ウェットサンプルは、乾燥アセンブリ１８６のサンプルキャビティ内に導かれる。膨張したドライサンプルは、パージチャンバ１８８の中を通り、真空ポンプ１９０に向けて通過する。アセンブリ１８０で乾燥されたサンプルは、流量計１８２からのサンプルとの比較を行うガス分析器に供給される。
【００４８】
ここで、図７を参照すると、この発明の一実施形態に従う複合式の乾燥アセンブリ２００が示されている。大容量のウェットガス又は液体の乾燥を行う場合、複数の両面膜の乾燥器２１０を並列に配置し、かつそれらの間に両面のガスチャンバ２１２を配置することが必要となり得る。片面のパージガスチャンバ２１４は、平行アレイ２００の両端部にそれぞれ設置することができる。ウェットサンプルは、各乾燥器２１０にそれぞれ付加された入口２１６を介して、平行アレイ２００のウェット側に供給される。ウェットパージガスは、平行アレイ２００のウェット側である、それぞれのパージガスチャンバ２１２，２１４のパージガス出口２１８から排出される。加えて、平行アレイ２００のドライ側では、ドライパージガスは、パージガス入口２２０を介してパージガスチャンバ２１２，２１４に導かれ、一方でドライサンプルは、ドライサンプル２２２を介して各乾燥器２１０から排出される。図７では、単一源のウェットサンプル及び／又はパージガスが示されているが、複数源のウェットサンプル及び／又はパージガスを、入口２１６及び／又は２２０に、それぞれに接続することもできることに留意されたい。
【００４９】
平行アレイ２００に関連して、温度勾配を用いても良く、このようにすればウェットサンプル中の水分は低減される。乾燥器システムの温度が１０℃降下することにより、ウェット製品中の水分の低減効果は二倍になる。高効率は、前述のように、温度、流量、圧力、真空度及び平行アレイ２００に亘る水分濃度量を制御することによって達成され得る。
【００５０】
ここで、図８を参照すると、この発明に従う加湿アセンブリを用いた、ガス及び疎水性液体の加湿用のシステム２４０が示されている。より詳細には、図１３に関連して説明したような、この発明に従う装置が用いられており、温度制御された水槽中の薄壁のイオン交換膜を介してドライガス又は液体が通過することによって、ガス及び疎水性液体の正確な加湿は達成され得る。加湿されるドライガス又は疎水性液体のサンプルは、入口２４２を介してシステム２４０に導かれる。先に述べたように、システム２４０のようなシステムにとって、流量及び圧力の制御は非常に重要である。このようなものであるから、ドライサンプルは、圧力調整器に導かれるとともに出流サンプルの圧力は圧力計２４６を用いて監視される。ドライサンプルの流量は、流量制御器２４８を用いて調節され、そのサンプルの出力は、ライン２５１を介してこの発明の一実施形態に従う加湿システム２５０に提供される。加湿システム２５０は、図１３に関連して説明したシステムのようなものであり、温度制御された水槽２５４の中に浸されている加湿装置２５２を含むものである。この発明の教示に従えば、加湿装置２５２には、図２のアセンブリ１４０を選択することが好適ではあるが、図１のアセンブリ１３０も同様に用いることができる。
【００５１】
加湿装置２５２は、ドライサンプルを受ける入口２５１及び加湿したサンプルを出力する出口２５３を含む。圧力計２６６は、出流した、加湿されたサンプルの圧力を計測するのに用いることができる。加湿装置２５２は、温度制御された水槽２５４内に浸されており、この実施形態において、この水槽は一定温度に維持されている。精密なビュレット２５６は、水槽２５４内の水位を監視するために用いられている。水は、充填バルブ２６０を介して水槽２５４に接続されている水容器２５８から水槽２５４内に入れ替えても良い。充填バルブ２６０が閉鎖さえている場合、ビュレット２５６の水位は、水槽２５４の水位の降下に相関して降下することになる。このようにビュレット２５６を用いているものであるから、水槽２５４からドライガス又は液体サンプルに添加された水分の直接の較正を高精度で計測し得る。また、随意的に、任意の所望のメカニズムを用いて水槽を攪拌することもできる。或る実施形態において、水槽２５４内の水は、攪拌装置２６４と磁気的に接続された攪拌棒２６２によって攪拌されている。
【００５２】
現在では、多重効用の蒸留プロセスは、船上及び陸上用で海水から真水を製造するために用いられている。イオン交換樹脂は、脱イオン水を製造するためにバッチプロセスで用いられている。ここで、図９を参照すると、この発明に従う装置を利用した大容量プロセス用途に用いられる、新規の装置２８０の一実施形態が示されている。システム２８０は、商業的な設置に用いることができ、工場の廃熱及び多重効用の蒸留プロセスを利用することによって、商業的に脱イオン水が製造される。
【００５３】
図９のシステム２８０では、ろ過及び処理することにより重金属イオンが除去された低温の前処理水を使用し、飽和（加湿された）ガス中の水分を凝縮する冷却コイル上に処理水を通過させる。プロセスから発生した脱イオン水は、容器２８２内に回収され、同伴したガスは再利用又は排気され得る。低温の前処理水は、入口２８５を介してヒータ２８４に供給される。この水は、加熱されるとともに、この発明に従う膜蒸発器２８６の中を通過する。膜蒸発器は、図３の乾燥器１５０のように構成することができる。一方で、サンプルの乾燥に代えて、膜蒸発器２８６は、一連の膜蒸発器２８６，２８８，２９０，２９２を介して通過する、乾燥空気入口１９２から入流するガスの加湿に用いられる。加熱された水は、膜蒸発器２８６のチャネル２８６ａ及び２８６ｂを介して流れ、この発明の前述の実施形態に従い説明したように、膜によってチャネル２８６ａ及び２８６ｂと隔離されている中央チャンバを通る空気を加湿する。
【００５４】
システム２８０の処理の間、膜蒸発器２８６は外部熱を与えられていないが、一方で、水膜蒸発器２８６は、膜蒸発器２８８から存在する飽和ガスから熱を受ける。膜蒸発器２８８において、最大の熱が加えられる。膜蒸発器２８８に存在する加熱された水は、中位の熱が加えられる他の膜蒸発器２９０内を通過する。膜蒸発器２９０からの水は、下位の熱に基づく膜蒸発器２９２を介して通過し、廃水出口２９４を介してシステム２８０から放出される。乾燥又は再利用された空気は、入口２９６から膜蒸発器２９２に向けて最初にシステム２８０に入る。廃水は、蒸発器２８６、２８８、２９０及び２９２を介し、入口２９６からの乾燥空気に対向して流れる。膜蒸発器２８８、２９０及び２９２は、膜蒸発器２８６に関連して説明したように構成することができる。さらに、四つの蒸発器の段階が示されているが、これは限定されることを意味するものではなく、必要に応じて、さらに多い又は少ない段階を用いても良い。上述したように、脱イオン水は、飽和ガスから分離され、容器２８２内に回収される。
【００５５】
図９のシステム２８０は、水の気化又はドライガスの飽和のための原動力である熱の入力においてバランスを保つ必要がある。エネルギ必要量は、水を加熱するため、及び水の蒸発によって発生する冷却効果（気化する際の潜熱）に打ち勝つために必要とされるカロリを含む。このシステムは、イオン交換樹脂を用いた既存のバッチ方法と異なり、また対照的であり、脱イオン水を製造するための効率的で連続的なプロセスに潜在エネルギを提供するものである。
【００５６】
ここで、図１０を参照すると、この発明に従う乾燥器／加湿器アセンブリの或る特定の応用例が示されている。米国特許第５，３３５，６５６でＢｏｗｅ等は、定量分析用に、処理ガス及びサンプリングした吸気ガスを吸入するための方法及び装置について開示している。参考のため、Ｂｏｗｅ等の米国特許第５，３３５，６５６（以下、「６５６号特許」とする）を、全体としてこの明細書中に添付する。図１０は、この発明の教示に従い、６５６号特許のシステムに対応させて製作し得る変更形態を示しており、外来患者のモニタリングに用い得る特定の医療用の乾燥装置を説明するためのものである。６５６号特許において、呼吸サンプリングユニットは、酸素流入を分離し、酸素を患者の一方の鼻孔内へ迂回させる不活性のプラスチック障壁を含み得る。他方の鼻孔からの呼吸排気は、障壁によって遮断され、呼吸サンプルラインを通りキャプノメータに運ばれる。６５６号特許に開示されたようなシステムに関連したこの発明を用いることで、図１０に示すように、６５６号特許のカニューレ３００内の不活性プラスチック障壁は、スルホン酸系の薄型のイオン交換膜３１０に置き換えることができ、好適には水素型の膜であり、ナフィオン（登録商標）膜、すなわちペルフルオロスルホン酸膜、又は上に開示されたような他の型の膜である。このようなものであるから、平坦な薄型のイオン交換膜は、カニューレの内部通路内に配置されており、これによりカニューレの一方の部分から他方へのガスの流れは遮断される。一実施形態において、平坦な薄型のイオン交換膜は、カニューレ内であって、カニューレの長手方向に対して垂直に配置されている。カニューレ３００内に運搬される乾燥酸素は、呼吸排気から吸着された水分をさらに除去する。より詳細には、乾燥酸素は、乾燥酸素流入管３１２を介してカニューレ内に入るとともに、鼻孔管３１４を介して患者の鼻孔の一方に入る。ウェット呼気は、患者が息を吐き出したときに第二の鼻孔管３１６からカニューレ内に入る。
【００５７】
この発明の教示に従う場合、膜３１０を通り超えた乾燥酸素ガスは、患者の湿った呼吸排気の流れを超過し、薄型膜は、患者の呼吸をキャプノメータに輸送する前に乾燥するのに用いられる。患者が息を吐き出したとき、第二鼻孔管３１６からの湿った呼気は、径が制限された管３１８によって、膜３１０に向けて導かれる。上述のように、膜３１０の一面に向かう乾燥酸素の流れは、膜３１０を介して、管３１８からの湿った呼気の水分を引き込む。このようなものであるから、患者の乾燥された呼吸は、出力管３２０からキャプノメータ（図示せず）に向けて流出される。
【００５８】
上記のものから分かるように、この発明に従ってなされたこの装置は、先行技術のシステムの多くの制限を克服するものである。この発明に従う薄型のフィルム乾燥器システムにおいて、有利な点は、全ての膜は、ウェットサンプル及びドライパージガスに暴露されていることであり、管が相互に覆い易く、またパージガスの管との接触が減少し易い多チューブ式乾燥器とは対照的である。この発明に従う、薄型イオン交換膜を含む乾燥器は、このようにして、膜を介する水分の高速な輸送を発揮する。加えて、この発明に従いなされた装置は、非常に経済的であり、かつその使用に際しても化学的な不活性は確保される。さらに、この発明に従う或る装置は、高効率化及びドライサンプルの加湿に対する高コスト効率化にさらに用いることができる。このような加湿システムは、燃料電池用の水素の飽和及び／又は、医療その他関連する用途において回収された患者の呼吸の飽和に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】この発明の一実施形態に従う片面のイオン交換膜水分輸送アセンブリの部分断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態に従う両面のイオン交換膜水分輸送アセンブリの部分断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態に従うイオン交換膜水分輸送アセンブリの部分断面図である。
【図４】この発明の他の実施形態に従うイオン交換膜水分輸送アセンブリの部分断面図である。
【図５】この発明の他の実施形態に従う、乾燥器として構成されるイオン交換膜水分輸送アセンブリの部分断面図である。
【図６】この発明の他の実施形態に従う、乾燥器として構成されるガス還流システムを示す図である。
【図７】この発明の他の実施形態に従う、乾燥器として構成される複合イオン交換膜水分輸送アセンブリの部分断面図である。
【図８】この発明の他の実施形態に従う、イオン交換膜水分輸送アセンブリを用いてガス及び液体を加湿するためのシステムの図である。
【図９】この発明の実施形態に従う、商業的に脱イオン水を製造するための、大流量の処理用途に対応した装置を用いたシステムの図である。
【図１０】水分輸送アセンブリの一実施形態の即座に適用可能な具体的な用途を示す図である。
【図１１】従来技術に従うイオン交換チューブの束を含む乾燥器の部分断面図である。
【図１２】この発明の一実施形態に従う水分輸送アセンブリの概略した部分断面図である。
【図１３】この発明の一実施形態に従う加湿システムの概略図である。
【図１４】この発明の実施形態に従うスクリーン部を含む、ハウジング内に収容されたキャビティ上に取り付けられた平坦な／平面の薄型イオン交換膜水分輸送アセンブリの矩形断面部の部分等角図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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