(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に溜められる水の温度を所定温度に保ちつつ、その水中にガスを放出することにより、当該容器内で所望の温度の飽和ガスを生成するとともに、その飽和ガスを前記容器の上部から供給可能な飽和ガス供給装置であって、
前記容器における前記飽和ガスを収容する部分を覆い、内部に液体を収容するジャケットと、このジャケットに接続されて、前記液体の循環路を形成する管路とを備え、
前記管路は、前記液体を加熱可能な加熱部と、前記液体を冷却可能な冷却部と、前記容器内に溜められる水中に配置されて、当該水と前記液体とを熱交換させる熱交換部とを有し、前記加熱部と前記冷却部とによって前記ジャケット内の液体の温度を調整することによって当該液体と熱交換が行われる前記水の温度を調整し、これにより前記ガスの露点を制御することを特徴とする飽和ガス供給装置。
【請求項２】
前記管路は、当該管路から前記ジャケット内に流入した液体に前記容器の周囲を旋回しながら下方に流れる水流を生じさせるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の飽和ガス供給装置。
【請求項３】
前記容器内には、当該容器内に溜められる水を加熱するヒーターが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の飽和ガス供給装置。
【請求項４】
前記ヒーターおよび前記熱交換部は、平面視で前記容器内の中央付近に配設されていることを特徴とする請求項３に記載の飽和ガス供給装置。
【請求項５】
前記容器の水が溜められる部分の下部には、当該容器内にガスを放出するためのガス放出口が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の飽和ガス供給装置。
【請求項６】
前記容器は、縦長の形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の飽和ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の露点のガスを供給するための飽和ガス供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、所望の露点のガスを供給するための飽和ガス供給装置としては、容器内に水を溜め、その水の温度を所定温度に保ったままでその水中にガスを放出することにより、当該容器内で飽和ガスを生成し、その飽和ガスを容器の上部から排出するいわゆるバブリング装置と呼ばれるものが知られている。このような飽和ガス供給装置では、容器内の飽和ガスの温度を水の温度と同温度に保つことで、水の温度に等しい露点のガスを安定して供給できるようになっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、タンク内に溜められる液体中に容器を浸すことにより、容器内の水および飽和ガスの温度を前記液体の温度と同温度に保つようにした飽和ガス供給装置が記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２４８６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のような構成の飽和ガス供給装置では、ガスの露点を変更する場合には、タンク内に溜められる液体を加熱または冷却してその温度を変化させる必要がある。タンクの容量は大きくタンク内には大量の液体が溜められるため、その液体の温度を変化させるには長い時間がかかり、短時間でガスの露点を変更することはできない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、ガスの露点を短時間で変更することができる飽和ガス供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、容器内に溜められる水の温度を所定温度に保ちつつ、その水中にガスを放出することにより、当該容器内で所望の温度の飽和ガスを生成するとともに、その飽和ガスを前記容器の上部から供給可能な飽和ガス供給装置であって、前記容器における前記飽和ガスを収容する部分を覆い、内部に液体を収容するジャケットと、このジャケットに接続されて、前記液体の循環路を形成する管路とを備え、前記管路は、前記液体を加熱可能な加熱部と、前記液体を冷却可能な冷却部と、前記容器内に溜められる水中に配置されて、当該水と前記液体とを熱交換させる熱交換部とを有し、前記加熱部と前記冷却部とによって前記ジャケット内の液体の温度を調整することによって当該液体と熱交換が行われる前記水の温度を調整し、これにより前記ガスの露点を制御することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の飽和ガス供給装置において、前記管路は、当該管路から前記ジャケット内に流入した液体に前記容器の周囲を旋回しながら下方に流れる水流を生じさせるように設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の飽和ガス供給装置において、前記容器内には、当該容器内に溜められる水を加熱するヒーターが設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の飽和ガス供給装置において、前記ヒーターおよび前記熱交換部は、平面視で前記容器内の中央付近に配設されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の飽和ガス供給装置において、前記容器の水が溜められる部分の下部には、当該容器内にガスを放出するためのガス放出口が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の飽和ガス供給装置において、前記容器は、縦長の形状に形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、ジャケットに収容される液体の循環路を形成する管路が加熱部および冷却部を有しているので、この加熱部または冷却部で前記液体の温度を一定の温度に保つことができ、これにより、容器のジャケットに覆われる部分に収容される飽和ガスの温度を所望の温度に保つことができる。即ち、前記液体の温度を所定の温度に保てば、容器内の水および飽和ガスの温度を所望の温度に保つことができ、所望の温度の飽和ガスを安定して生成できるようになるとともに、前記液体の温度を変更すれば、容器内の水および飽和ガスの温度を変更することができる。
【００１３】
このように、本発明では、容器の飽和ガスを収容する部分に設けられたジャケットとそのジャケットに収容される液体を循環させるための管路とによって、容器をタンク内に溜められる液体中に浸して温度調整を行う構成と比べ、格段に少ない量の液体で容器内の水および飽和ガスの温度を所望の温度に保ったり変更したりすることができる。すなわち、飽和ガスの温度、すなわち供給ガスの露点を変更するときには、管路の加熱部または冷却部によって液体の温度を比較的に短時間で変化させることができるため、容器内の水および飽和ガスの温度も短時間で変化させることができる。従って、供給ガスの露点を短時間で変更することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、ジャケット内の液体が容器の周囲を旋回しながら下方に流れる水流を生じるようになっているので、ジャケットの温度分布を小さく抑えることができる。この結果、飽和ガスに対する温度制御を良好に行うことができ、露点制御の精度を向上させることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、ヒーターによって容器内に溜められる水を直接的に加熱することができるため、露点の高いガスを供給する場合に適した構成となる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、ヒーターおよび熱交換部で容器内に溜められる水を常温以上で保温する場合には、容器内の水はヒーターおよび熱交換部によって容器内の中央付近では加熱されるが壁面に沿う部分では自然冷却される。このため、容器内の水は、容器内の中央付近で上昇し壁面に沿って下降する自然対流を起こすようになり、この自然対流を利用して容器内の水を攪拌することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明によれば、ガス放出口から容器内の下部に放出されたガスは上述した水の自然対流によってヒーターおよび熱交換部が配設された容器内の中央付近に導かれるため、ガスの加熱効率を高めることができる。
【００１８】
請求項６に係る発明によれば、容器が縦長になっているので、容器内に溜められる水の量を抑えつつガスと水との接触時間を長くすることができる。これにより、ガスの大幅な流量変化に対応できるようになる。しかも、容器内の水の量を抑えることができるので、短時間で水の温度を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１および図２に示すように、本発明の一実施形態に係る飽和ガス供給装置１は、内部に水が溜められ、その上部に飽和ガスを収容する容器２と、この容器２の上部に被設されるジャケット３と、このジャケット３に接続される管路４とを備えている。なお、図示は省略するが、飽和ガス供給装置１には、全体的に保温材が巻かれている。
【００２１】
前記容器２は、縦長の形状に形成されたものであり、上下方向に延びる円形筒状の周壁２２と、この周壁２２の下側の開口を塞ぐ底壁２１と、周壁２２の上側の開口を塞ぐ天井壁２３とを有している。
【００２２】
前記周壁２２の下端部から僅かに上側の位置には、前記容器２内にガスを放出するためのガス放出口２ａが設けられている。このガス放出口２ａには、ガスを送り出すことが可能な図略のポンプや配管等からなるガス供給手段が接続されている。また、前記天井壁２３の略中央には、ジャケット３を貫通して上方に延びる供給口２ｂが設けられている。そして、ガス放出口２ａを通じて前記ガス供給手段から容器２内にガスが放出されると、ガスが気泡状態で水中を通過することにより飽和ガスが生成され、その飽和ガスが供給口２ｂから排出されるようになる。
【００２３】
また、容器２には、当該容器２内の水の量を所定量（本実施形態では１．８Ｌ）に保つための自動給水機構５が設けられている。この自動給水機構５は、上下方向に延びる水位確認槽５１と、この水位確認槽５１内の下部と前記容器２内の下部とを連通する液相連通部５２ａと、水位確認槽５１内の上部と容器２内の上部とを連通する気相連通部５２ｂとを有しており、水位確認槽５１内の水位が容器２内の水位と一致するようになっている。そして、水位確認槽５１内には静電容量式のセンサ５３が設けられているとともに、液相連通部５２ａにはダイヤフラム式のポンプ６が接続されており、センサ５３で水位が降下したことを検知したときには、ポンプ６によって自動的に適量の水が液相連通部５２ａ内に送り込まれて、容器２内の水の量が所定量に保たれるようになる。
【００２４】
さらに、容器２内には、当該容器２内に溜められる水を加熱するためのヒーター２５が設けられている。このヒーター２５は、露点を一定に保つ露点安定時には容器２に設けられた水温検知センサ７１で検知される水の温度を所定温度に保ち、露点を上昇させる露点上昇時には水の温度を上昇させるためのものであり、下方に開口する略Ｕ字状に形成されていて、前記底壁２１の略中央に固定されている。
【００２５】
前記ジャケット３は、前記容器２の水が溜められる部分よりも上側の飽和ガスを収容する部分を覆うものである。具体的には、ジャケット３は、容器２の周壁２２における容器２内の水の液面に略等しい位置から径方向外側に広がる環状の底壁３２と、この底壁３２の外周縁部から上方に延びる円形筒状の周壁３１と、この周壁３１の上側の開口を塞いで、容器２の天井壁２３と対向する天井壁３３とを有している。そして、これらの壁３１〜３３によって容器２の上部を覆う密閉空間３４が形成されており、この密閉空間３４内に液体が収容されている。本実施形態では、ジャケット３に収容される液体の量は３．４Ｌである。
【００２６】
前記液体としては、水を採用するのが好ましいが、水以外の液体を採用することも可能である。
【００２７】
前記管路４は、前記ジャケット３とで当該ジャケット３に収容される液体の循環路を形成するものであり、一端部４ａがジャケット３の周壁３１の上部に接続されるとともに、他端部４ｂがジャケット３の周壁３１の下部に接続されている。管路４には、ポンプ４１が設けられており、このポンプ４１の稼動によってジャケット３内の液体は、他端部４ｂから流出し、管路４を通った後に一端部４ａから再びジャケット３内に流入するようになる。本実施形態では、ポンプ４１の吐出量は１０Ｌ／ｍｉｎに設定されている。ここで、上述したように液体の量は３．４Ｌなので、ジャケット３の循環回数は２．９回／ｍｉｎとなる。
【００２８】
管路４の一端部４ａおよび他端部４ｂは、より詳しくは、図３に示すように、平面視でジャケット３内の特定円の接線方向を向いた状態でジャケット３に接続されている。このため、一端部４ａからジャケット３内に流入した液体は、前記容器２の周囲を旋回しながら下方に流れる螺旋状の水流を生じるようになる。
【００２９】
また、管路４には、ポンプ４１の下流側に前記液体を加熱するための加熱部４２が設けられているとともに、ポンプ４１の上流側に前記液体を冷却するための冷却部４３が設けられている。これらの加熱部４２および冷却部４３は、露点安定時にはジャケット３に設けられた液温検知センサ７２で検知される液体の温度を容器２内の水の温度と同温度に保ち、露点を上昇または下降させる露点変更時には液体の温度を上昇または下降させるためのものである。
【００３０】
前記加熱部４２は、管路４の内部にヒーター４２ａが配置された構成となっている。
【００３１】
前記冷却部４３は、管路４の途中に介設されて、第１ポートおよび第２ポートが管路４に接続される三方弁４３ａと、一端部が三方弁４３ａの第３ポートに接続され、他端部が管路４の三方弁４３ａよりも下流側の位置に接続される分岐路４３ｂとチラー水または工業用水が流される冷却管４３ｃとの間で熱交換を行う熱交換器４３ｄとを有している。そして、冷却部４３は、三方弁４３ａの第３ポートの開度によって前記液体の冷却能力を調整できるようになっている。
【００３２】
さらに、管路４には、ポンプ４１と冷却部４３の間に、前記容器２内に溜められる水中に配置されて、当該水の温度を前記液体の温度と同温度に調整するための熱交換部４５が設けられている。
【００３３】
前記熱交換部４５は、管路４が下方に開口する略Ｕ字状に形成された部分が容器２内に底壁２１を貫通して入り込むことにより構成されている。なお、この熱交換部４５と前記ヒーター２５とは、図４に示すように、平面視で容器２内の中央で十字となるように配置されていて、熱交換部４５とヒーター２５とは共に平面視で容器２内の中央付近に位置している。
【００３４】
そして、熱交換部４５は、管路４を流れる液体と容器２内の水との間で熱交換を行うことにより、露点安定時には水の温度の安定に寄与し、露点変更時には水の温度を変更する役割を果たす。
【００３５】
具体的には、本実施形態の飽和ガス供給装置１では、露点安定時には、ヒーター２５によって容器２内の水の温度が所定温度に保たれる。また、管路４の加熱部４２または冷却部４３によってジャケット３に収容される液体の温度が容器２内の水の温度と同温度に保たれ、これにより、容器２のジャケット３に覆われる部分に収容される飽和ガスの温度が所望の温度に保たれる。すなわち、容器２内の水および飽和ガスの温度が所望の温度に保たれるようになり、所望の温度の飽和ガスを安定して生成することができる。このとき、熱交換部４５は、容器２内の水の温度の安定に寄与する。
【００３６】
一方、露点変更時には、管路４の加熱部４２または冷却部４３によってジャケット３に収容される液体の温度が変更されることにより、ジャケット３および管路４の熱交換部４５によって容器２内の飽和ガスおよび水の温度が変更される。
【００３７】
このように、本実施形態の飽和ガス供給装置１では、容器２の飽和ガスを収容する部分に設けられたジャケット３とそのジャケット３に収容される液体を循環させるための管路４とによって、容器２をタンク内に溜められる液体中に浸して温度調整を行う構成に比べ、格段に少ない量の液体で容器２内の水および飽和ガスの温度を変更することができる。すなわち、飽和ガスの温度、すなわち供給ガスの露点を変更するときには、管路４の加熱部４２または冷却部４３によって液体の温度を比較的に短時間で変化させることができるため、容器２内の水および飽和ガスの温度も短時間で変化させることができる。従って、供給ガスの露点を短時間で変更することができる。
【００３８】
さらに、ジャケット３の循環回数が２．９回／ｍｉｎであることと、ポンプ４１の吐出量１０Ｌ／ｍｉｎが容器２内の水の量１．８Ｌとジャケット３内の液体の量３．４Ｌの合計量５．２Ｌの約２倍であることから、温度制御性が優れており、温度安定性が良い。例えば、ヒーター２５，４２ａの仕事率を１．８ｋＷに設定しておけば、容器２内の水の温度およびジャケット３に収容される液体の温度を２５℃から７５℃に上昇させるのに要する時間は、５．２ｋｃａｌ／℃×５０℃÷１．８ｋＷ÷８６０×６０＝１０ｍｉｎとなる。
【００３９】
そして、本実施形態の飽和ガス供給装置１は、このように短時間で供給ガスの露点を変更することができるので、短時間での露点の変更が求められる例えば燃料電池の評価装置等に用いられることが好適である。しかも、従来の飽和ガス供給装置を用いた装置では、飽和ガス供給装置単独では短時間で露点を変更させることができないため、露点を短時間で変更させるためにドライガスを用いてウェットガス（飽和ガス供給装置から供給される飽和ガス）との混合比を変更して露点を変更するいわゆる分流法と呼ばれる方法を行う必要があったが、本実施形態の飽和ガス供給装置１を用いた装置では、飽和ガス供給装置単独で供給ガスの露点を短時間で変更することができるため、ドライガスが不要となり、装置のコストを下げることができる。
【００４０】
また、本実施形態の飽和ガス供給装置１では、ジャケット３内の液体が容器２の周囲を旋回しながら下方に流れる螺旋状の水流を生じるようになっているので、ジャケット３の温度分布を小さく抑えることができる。この結果、飽和ガスに対する温度制御を良好に行うことができ、露点制御の精度を向上させることができる。
【００４１】
さらに、ヒーター２５および熱交換部４５で容器２内に溜められる水を常温以上で保温する場合には、容器２内の水はヒーター２５および熱交換部４５によって容器２内の中央付近では加熱されるが周壁２２に沿う部分では自然冷却される。このため、容器２内の水は、容器２内の中央付近で上昇し周壁２２に沿って下降する自然対流を起こすようになり、この自然対流を利用して容器２内の水を攪拌することができる。
【００４２】
さらには、容器２内にガスを放出するためのガス放出口２ａが周壁２２の下端部から僅かに上側位置に設けられているので、ガス放出口２ａから容器２内に放出されたガスは上述した水の自然対流によってヒーター２５および熱交換部４５が配設された容器２内の中央付近に効率良く導かれるため、ガスの加熱効率を高めることができる。なお、この効果は、ガスの流量が微小であるときに顕著に得ることができる。
【００４３】
また、容器２が縦長になっているので、容器２内に溜められる水の量を抑えつつガスと水との接触時間を長くすることができる。これにより、ガスの大幅な流量変化（例えば０．５〜５００Ｌ／ｍｉｎの範囲での変化）に対応できるようになる。しかも、容器２内の水の量を抑えることができるので、短時間で水の温度を変化させることができる。
【００４４】
なお、容器２内に溜められる水の量、ジャケット３に収容される液体の量、およびポンプ４１の吐出量は、前記実施形態で示した数値に限定されることなく、他の数値を選定することも可能である。ただし、ジャケット３の循環回数が、１回／ｍｉｎ以上５回／ｍｉｎ以下となるように選定することが好ましい。ジャケット３の循環回数が１回／ｍｉｎ未満であれば応答性が悪くなり、５回／ｍｉｎより大きければ経済的でなくなるからである。
【００４５】
また、前記実施形態では、管路４には上流から順に冷却部４３、熱交換部４５、ポンプ４１、加熱部４２が設けられているが、これらの並び順は適宜変更可能である。
【００４６】
また、前記実施形態では、容器２内にヒーター２５が設けられている形態を示したが、このヒーター２５を省略することも可能である。このようにすると、ジャケット３に収容される液体の温度を一定に保つだけで、容器２のジャケットに覆われる部分に収容される飽和ガスの温度を所望の温度に保つことができるとともに、容器２内に溜められる水の温度を前記液体の温度と同温度に保つことができる。すなわち、前記液体の温度を所定の温度に保てば、容器２内の水および飽和ガスの温度を所望の温度に保つことができ、所望の温度の飽和ガスを安定して生成できるようになるとともに、前記液体の温度を変更すれば、容器２内の水および飽和ガスの温度を変更することができる。ただし、前記実施形態のように容器２内にヒーター２５が設けられていれば、ヒーター２５によって容器２内に溜められる水を直接的に加熱することができるため、露点の高いガスを供給する場合に適した構成となる。
【００４７】
また、加熱部４２および冷却部４３としては、例えば管路４の一部を分岐して、その分岐した部分を熱水または冷水に浸すようにしてもよく、その構成は適宜変更可能である。
【００４８】
さらに、ガス放出口２ａは、例えば容器２の天井壁２３を貫通して当該容器２内の下部まで延びる配管で構成されていてもよい。また、飽和ガスを他の装置等に供給するための供給口２ｂは、容器２の上部に設けられていればよく、例えば周壁２２の上部に設けられていてもよい。
【００４９】
また、容器２の周壁２２は、円形筒状であることが好ましいが、楕円形筒状や角が丸みを帯びた矩形筒状となっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る飽和ガス供給装置の概略構成図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】飽和ガス供給装置のジャケットが設けられた部分の斜視図である。
【図４】ヒーターおよび水温調整部の斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    飽和ガス供給装置
２    容器
２ａ  ガス放出口
２ｂ  供給口
２５  ヒーター
３    ジャケット
４    循環路
４２  加熱部
４３  冷却部
４５  熱交換部
【図１】
0004813944.tif 000002
【図２】
0004813944.tif 000003
【図３】
0004813944.tif 000004
【図４】
0004813944.tif 000005