(57)【要約】【目的】  所望する露点（湿度）の加湿ガスを容易に得ることができるガス加湿装置を提供する。【構成】  ガス加湿装置１は、内部を、上下方向に延びる水蒸気透過膜２２ｂにより、ガスが流動する加湿室２７と加湿水９を貯留する加湿源室２８とに区画した加湿器２と、加湿室２７から流出するガスの湿度を検出する湿度検出器４と、加湿源室２８の水位を調整する水位調整機構３と、湿度検出器４による検出湿度に基づいて該検出湿度が設定露点となるように水位調整機構３を制御する露点制御器５とを具備して、加湿源室２８の水位によって決定される水蒸気透過膜２２ｂと加湿水９との接触面積を当該検出湿度に基づいて調整することにより、設定露点の湿潤ガスが得られるように構成されている。【選択図】        図１
2005337640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を、上下方向に延びる水蒸気透過膜により、ガスが流動する加湿室と加湿水を貯留する加湿源室とに区画した加湿器と、加湿室から流出するガスの湿度を検出する湿度検出器と、加湿源室の水位を調整する水位調整機構と、湿度検出器による検出湿度に基づいて該検出湿度が設定露点となるように水位調整機構を制御する露点制御器とを具備して、加湿源室の水位によって決定される水蒸気透過膜と加湿水との接触面積を当該検出湿度に基づいて調整することにより、設定露点の湿潤ガスが得られるように構成したことを特徴とするガス加湿装置。
【請求項２】
水位調整機構が、加湿水を貯留する圧力タンクと、圧力タンクから加湿源室に導かれた給水路と、圧力タンク内の圧力を調整する圧力調整器とを具備して、給水路から加湿源室へと供給される加湿水量をタンク内圧力によって制御することにより、加湿源室の水位を調整しうるように構成されたものであり、露点制御器が検出湿度に基づいて圧力調整器によるタンク内圧力を制御するものであることを特徴とする、請求項１に記載されたガス加湿装置。
【請求項３】
加湿器が、上下部に被加湿ガス導入口及び加湿ガス導出口を設けたケースと、水蒸気透過膜により囲繞形成されており、ケース内に被加湿ガス導入口及び加湿ガス導出口に連通する状態で配置された加湿室と、ケースと水蒸気透過膜との間に形成されており、被加湿ガス導入口及び加湿ガス導出口に連通しない加湿源室と、を具備するものであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載するガス加湿装置。
【請求項４】
水蒸気透過膜が、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化３，６ジオキサ−４メチル−７オクタンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜であることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載するガス加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、工業的に生産される窒素等の各種ガスを加湿すると共にその加湿度を任意の設定露点に制御，保持することができるガス加湿装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、工業的に生産されるガスは、水分を全く含有しないものか、水分を含有していても、その含有量が極く僅かなものである（以下、これらのガスを「乾燥ガス」と総称する）から、ガス使用目的によっては、ユースポイントでの使用条件に適した湿度に加湿しておく必要がある場合がある。
【０００３】
そこで、かかる場合、従来においては、ユースポイントへのガス供給ラインにバッフル型加湿装置やパスオーバ型加湿装置を設けて、乾燥ガスを加湿した上でユースポイントに供給するようにしているのが普通である。ここに、バッフル型加湿装置は、乾燥ガスたる被加湿ガスを貯留水中にバブリングさせて、当該ガスを貯留水との接触により加湿させるものであり（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）、パスオーバ型加湿装置は、被加湿ガスを貯留水の水面上を通過させることにより、当該ガスに水分を同伴させて蒸気圧分の加湿を行なうものである（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００３−２８５７８公報
【特許文献２】特開２００４−４１３５２公報
【特許文献３】特開平６−１０８１４６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、かかる従来の加湿装置では、加湿ガスに乾燥ガスを混合させることにより、ユースポイントに供給されるガスの湿度を調整するようにしているが、ユースポイントへのガス供給量を一定に保持しつつ適正な加湿度を確保するためには、加湿ガス量とこれに混合させる乾燥ガス量との比率を高度に制御する必要がある。したがって、加湿度及びガス流量をユースポイントでの使用条件に応じて正確に制御することが困難であった。また、かかる制御が可能であったとしても、その制御システムが極めて複雑なものとなり、イニシャルコスト，ランニングコスト面からみても実用性に乏しい。また、バッフル型加湿装置にあっては、ガス流量が多い場合、加湿時に飛沫（液滴）が同伴して、適正な加湿ガスを得ることが困難となったり、各種センサの誤動作を招来する虞れもある。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、所望する露点（湿度）の加湿ガスを容易に得ることができるガス加湿装置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】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成すべく、内部を、上下方向に延びる水蒸気透過膜により、ガスが流動する加湿室と加湿水を貯留する加湿源室とに区画した加湿器と、加湿室から流出するガスの湿度を検出する湿度検出器と、加湿源室の水位を調整する水位調整機構と、湿度検出器による検出湿度に基づいて該検出湿度が設定露点となるように水位調整機構を制御する露点制御器とを具備して、加湿源室の水位によって決定される水蒸気透過膜と加湿水との接触面積を当該検出湿度に基づいて調整することにより、設定露点の湿潤ガスが得られるように構成したことを特徴とするガス加湿装置を提案するものである。
【０００７】
かかるガス加湿装置にあっては、検出湿度に基づく水位制御の応答性を向上させるために、水位調整機構を、加湿水を貯留する圧力タンクと、圧力タンクから加湿源室に導かれた給水路と、圧力タンク内の圧力を調整する圧力調整器とを具備して、給水路から加湿源室へと供給される加湿水量をタンク内圧力によって制御することにより、加湿源室の水位を調整しうるように構成すると共に、露点制御器を検出湿度に基づいて圧力調整器によるタンク内圧力を制御するものとしておくことが好ましい。なお、圧力調整器としては、例えば、電空レギュレータが使用される。
【０００８】
また、かかるガス加湿装置にあっては、加湿器が、上下部に被加湿ガス導入口及び加湿ガス導出口を設けたケースと、水蒸気透過膜により囲繞形成されており、ケース内に被加湿ガス導入口及び加湿ガス導出口に連通する状態で配置された加湿室と、ケースと水蒸気透過膜との間に形成されており、被加湿ガス導入口及び加湿ガス導出口に連通しない加湿源室と、を具備するものであることが好ましい。
【０００９】
また、水蒸気透過膜としては、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化３，６ジオキサ−４メチル−７オクタンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜を使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のガス加湿装置は、被加湿ガスを通過させる加湿室と加湿水を貯留する加湿源室とを区画する水蒸気透過膜の有効膜表面積を加湿源室の水位により変化させることにより、被加湿ガスの加湿度を制御するように構成されたものであり、且つ当該水位を加湿ガスの湿度（露点）に基づいて制御するように構成されたものであるから、冒頭で述べた如き問題を生じることなく、ユースポイントでの使用条件に適した湿度の加湿ガスを精度よく容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係るガス加湿装置の一例を示す系統図であり、この図１に示されたガス加湿装置１は、加湿器２と水位調整機構３と湿度検知器４と露点制御器５とを具備してなる。
【００１３】
加湿器２は、図１に示す如く、鉛直円筒状のケース２１と、ケース２１の中心部に鉛直状に配置されたメンブレンチューブ群（以下「チューブモジュール」という）２２とを具備してなる。
【００１４】
チューブモジュール２２は、水蒸気透過膜２２ｂからなる複数本のメンブレンチューブ２２ａを束ねたものである。水蒸気透過膜２２ｂは、水蒸気に対して透過性を有し且つ液状の水を透過させない水蒸気選択性を有するものであり、膜組成に親水基を有する含水ポリマーを主成分とする無孔質膜が使用することができ、例えば、セロファン、ポリマーの主鎖若しくは側鎖内に親水基を有する透過性ウレタン又はポリマーの主鎖若しくは側鎖内に塩基若しくは酸基を有するイオン交換ポリマー等を構成材とするものであって、水蒸気透過係数が１０−６〜１０−４ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ程度であるものが好適する。この例では、メンブレンチューブ２２ａの構成材たる水蒸気透過膜２２ｂとして、水分子の吸着性，高速移動性や水分子以外の気体分子を透過させない選択性において優れる有機高分子薄膜、特に、イオン交換ポリマーとして主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化３，６ジオキサ−４メチル−７オクタンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜が使用されている。また、各メンブレンチューブ２２ａとして、内径：５ｍｍ，肉厚（水蒸気透過膜２２ｂの膜厚）：０．１６ｍｍ，長さ（後述する水平仕切壁２３，２４に貫通固着された部分を除く）：５００ｍｍの直線状チューブを使用しており、１０本のメンブレンチューブ２２ａを束ねてチューブモジュール２２を構成している。
【００１５】
ケース２１の上下部には、図１に示す如く、水平仕切壁２３，２４によりモジュール配置領域（チューブモジュール２２が配置されるケース内領域）と区画された被加湿ガス導入口（下部マニホルド）２５及び加湿ガス導出口（上部マニホルド）２６が形成されている。ケース２１の下部に設けた被加湿ガス導入口２５には、加湿すべきガスである被加湿ガス（例えば、窒素）７を加湿器２に供給する被加湿ガス供給路６が接続されており、ケース２１の上部に設けた加湿ガス導出口２５には、加湿された被加湿ガスである加湿ガス７１を所定のユースポイント（図示せず）に供給する加湿ガス供給路８が接続されている。すなわち、加湿器２は、ユースポイントへのガス供給ライン６，８の適所に配設されている。
【００１６】
チューブモジュール２２の上下端部は、水平仕切壁２３，２４に貫通状に固着されていて、メンブレンチューブ２２ａ内を被加湿ガス導入口２５から加湿ガス導出口２６へとガスが流動する加湿室２７に構成すると共に、チューブモジュール２２を囲繞するケース内領域（メンブレンチューブ２２ａとケース２１との間の領域）を加湿水９が貯留される加湿源室２８に構成してある。すなわち、加湿器２の内部（ケース２１の内部）は、水蒸気透過膜２２ｂにより、上下端部が被加湿ガス導入口２５及び加湿ガス導出口２６に連通する加湿室２７と当該導出入口２５，２６に連通しない加湿源室２８とに区画されている。
【００１７】
水位調整機構３は、図１に示す如く、加湿水９を貯留する圧力タンク３１と、圧力タンク３１の貯留水領域から加湿源室２８の底部（下端部）に導かれた給水路３２と、加湿源室２８の上端部を大気に開放する開口（大気開放口）３３と、圧力タンク３１内の圧力（タンク内圧力）を調整する圧力調整器３４とを具備する。
【００１８】
圧力タンク３１は密閉状のもので、所定量の加湿水９が貯留されている。加湿水９としては、一般に、脱イオン水（例えば、水道水をイオン交換膜により脱イオン処理（陽イオンの除去処理）したもの）が使用される。
【００１９】
圧力調整器３４は、図１に示す如く、例えば電空レギュレータであり、窒素ガス等の加圧ガス１０を圧力タンク３１に給排させることにより、圧力タンク３１内の圧力を調整するものである。圧力タンク３１内の圧力を調整することにより、つまりタンク内圧力と加湿源室２８の圧力（大気圧）との差（ゲージ圧力）を調整することにより、圧力タンク３１から加湿源室２８への加湿水９の給排が行われ、加湿源室２８の水位ｈを任意に変更，調整することができるようになっている。圧力調整器３４によるタンク内圧力の調整幅は、加湿源室２８の高さＨにほぼ一致するように設定される。すなわち、圧力調整器３４により、加湿源室２８の水位ｈを０〜Ｈの範囲で任意に調整しうるようになっている。
【００２０】
湿度検知器４は、加湿ガス導出口２６に設置されており、チューブモジュール２２から流出した直後の加湿ガス７１の湿度（露点）を検出する。
【００２１】
露点制御器５は、湿度検出器４による検出湿度（検出露点）に基づいて圧力調整器３４を制御する。すなわち、検出湿度に基づいて圧力調整器である電空レギュレータ３４の電圧を制御して、検出湿度が予め設定された露点（設定露点）となるように加湿源室２８の水位ｈを制御する。なお、設定露点は任意に設定することができる。
【００２２】
また、被加湿ガス供給路６には、加湿器２に導入される被加湿ガス７を所定温度に加温する加温器６１が配設されている。また、図示していないが、加湿器２のケース２１にベルトヒータを巻装すると共に温度センサを取付けて、加湿源室２８内の加湿水９を所定温度に加熱保持するようになっており、また被加湿ガス供給路６における加温器６１の下流側部分及び加湿ガス供給路８に保温手段を付設して、被加湿ガス７ないし加湿ガス７１を所定温度に保温するようになっている。かかる加湿水９及びガス６，６１の温度は、設定露点に応じて設定される。例えば、露点が６０℃，７０℃である場合には、チューブモジュール２２へ導入される加湿ガス７１の温度（被加湿ガス導入口２５におけるガス温度）が約６８℃，７８℃となるように設定しておく。
【００２３】
以上のように構成されたガス加湿装置１によれば、被加湿ガス（例えば、工業的に製造された乾燥ガス）７を効果的に加湿することができると共に、その加湿度（露点）を水位ｈの調整により制御することができる。
【００２４】
すなわち、被加湿ガス供給路６から加湿器２の被加湿ガス導入口２５に導入された被加湿ガス７は、それが加湿室２７つまりメンブレンチューブ２２ａ内を通過する間において、メンブレンチューブ２２ａの外周面に接触する加湿水９から水分を吸収して加湿される。加湿室２７の周壁つまりメンブレンチューブ２２ａの管壁は、上記した如く、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化３，６ジオキサ−４メチル−７オクタンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜（水蒸気透過膜２２ｂ）で構成されているが、この薄膜における官能基たるスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）は親水性基であることから、メンブレンチューブ２２ａの外表面は、これに接触する加湿水９を迅速に化学吸着し、スルホン酸水和物（−ＳＯ３Ｈ・［Ｈ２Ｏ］ｎ）として吸収する。そして、メンブレンチューブ２２ａの外表面に吸収された水分子は、メンブレンチューブ２２ａの内外間における水分子の蒸気分圧の差によってメンブレンチューブ２２ａの管壁たる水蒸気透過膜２２ｂを透過（移動）して、メンブレンチューブ２２ａ（加湿室２７）内を流れるガス７中に拡散し、充分に加湿されたガス（加湿ガス）７１が得られ、この加湿ガス７１は加湿ガス導出口２６から加湿ガス供給路８を経て所定の加湿ガス使用部に供給される。
【００２５】
ところで、メンブレンチューブ２２ａの外表面に加湿ガス（大気等）を接触させる場合においても、加湿ガスから水分子が透過してメンブレンチューブ２２ａ内の被加湿ガス７が加湿されることになる。しかし、このようなガス（被加湿ガス７）とガス（加湿ガス）との間における水蒸気透過膜２２ｂを介しての水分子透過は、両ガスの水分圧差をドライビングフォースとするものであり、膜２２ｂ中へのガス溶解度がヘンリーの法則に従って膜界面で平衡状態をとるため、どうしても透過速度（膜２２ｂ中へのガス溶解度係数と膜２２ｂ中のガス拡散係数との積で得られる）が低くなり、透過効率が頗る悪い。したがって、被加湿ガス７を充分に加湿させるためには、両ガスと膜２２ｂとの接触時間，接触面積を極めて大きく設定しておく必要があり、加湿装置１の大型化やイニシャルコスト（特に膜コスト）の高騰といった実用上の問題が生じる。しかし、上記した如く液体である加湿水９を水蒸気透過膜２２ｂに接触させておいた場合には、水分が膜２２ｂ内に瞬時に浸透，膨潤するため、膜２２ｂにおける水移行速度（透過速度）が膜界面でのガス溶解度係数に影響されず飛躍的に向上することになる。したがって、膜２２ｂとの接触時間や接触面積を必要以上に大きくせずとも、充分且つ効率の良い加湿を行うことができ、上記した問題は生じない。
【００２６】
また、水蒸気透過膜２２ｂの官能基たるスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）のＨ＋が他の陽イオンとイオン交換されると、水蒸気透過性能が低下する虞れがあるが、加湿水９として脱イオン水（陽イオンを除去した水道水）を使用しているため、このような虞れはない。
【００２７】
而して、被加湿ガス７の加湿度は、水蒸気透過膜２２ｂにおける加湿水９との接触面積（水蒸気透過膜２２ｂとして機能しうる有効膜表面積）によって変化することになる。例えば、当該有効膜表面積が増大するに伴い、水蒸気透過膜２２ｂを介しての被加湿ガス７と加湿水９との接触時間も増大して、加湿度が高くなる。一方、当該有効膜表面積は加湿源室２８の水位ｈによって決定される。
【００２８】
したがって、水位ｈを上記した水位調整機構３により制御することにより、被加湿ガス７の加湿度を任意に制御することができる。そして、水位ｈの制御を、検出湿度に基づいてそれが設定露点となるように行うことから、設定露点に保持された加湿ガス７１を確実に得ることができる。したがって、設定露点を任意に設定することが可能であることから、水位ｈを制御することにより、ユースポイントでの使用条件に適した露点の加湿ガス７１を効率良く容易に得ることができる。特に、水位調整機構３を、上記した如く圧力タンク３１及び電空レギュレータ（圧力調整器）３４を使用する構成としておくことにより、検出湿度に基づく水位制御の応答性を向上させ得て、露点制御を適正且つ効率よく行うことができる。
【００２９】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。
【００３０】
例えば、被加湿ガス７の流量ないし圧力によっては、加湿室２７を１本のメンブレンチューブ２２ａで構成することも可能である。また、加湿室２７は、水蒸気透過膜２２ｂと加湿水９との接触面積を大きくするために、その周壁全体を水蒸気透過膜２２ｂで構成しておくこと、つまり加湿室２７を水蒸気透過膜製のメンブレンチューブ２２ａで構成しておくことが好ましいが、加湿条件等によっては、加湿室２７の周壁の一部のみを非チューブ状（例えば、平膜状）の水蒸気透過膜２２ｂで構成するようにすることも可能である。さらに、加湿室２７は、上記した如く鉛直上のガス流路を形成する構成とする他、傾斜状又は蛇行状の形態をなすものとしてもよい。要するに、加湿源室２８の水位変化により、有効膜表面積が増減変化するような形態をなすものであればよい。
【００３１】
また、水位調整機構３の構成も任意であり、上記した如く、電空レギュレータ等の圧力調整器３４による圧力タンク３１の圧力調整によって水位ｈを制御するものに限定されない。しかし、このような圧力制御方式によれば、水位ｈの制御応答性が高く、より正確な露点制御を行うことができる。
【００３２】
また、本発明のガス加湿装置１は、麻酔器，人工呼吸器，酸素吸入器等において使用される麻酔ガス，人工空気，酸素ガス等の医療用ガスを人体に供給される前に加湿しておくための医療用ガス加湿器としても好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るガス加湿装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００３４】
１        ガス加湿装置
２        加湿器
３        水位調整機構
４        湿度検出器
５        露点制御器
７        被加湿ガス
９        加湿水（脱イオン水）
２１      ケース
２２      チューブモジュール
２２ａ    メンブレンチューブ
２２ｂ    水蒸気透過膜
２５      被加湿ガス導入口
２６      加湿ガス導出口
２７      加湿室
２８      加湿源室
３１      圧力タンク
３２      給水路
３３      大気開放口
３４      電空レギュレータ（圧力調整器）
７１      加湿ガス
【図１】
2005337640.tif 000003