JP2008309550A - 標準水蒸気ガス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気含有量が任意である標準ガスを水素ガスや触媒燃焼系を用いることなく、簡便に得られるようにする。
【解決手段】除湿ガス供給系Ａでは、高純度空気をコールドトラップ８に通して湿度がほぼ０％である除湿ガスを得る。加湿ガス供給系Ｂでは、高純度空気にバブラー１４で十分な加湿を行った後に電子クーラ１８で一定温度に冷却し、水蒸気を飽和状態とした加湿ガスを得る。マスフローコントローラ６、１２で両ガスの流量を適宜に調整して、混合槽１０で混合させることにより、電子クーラ１８での飽和水蒸気量の範囲で任意の水蒸気含有量の高純度空気を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば環境測定装置や排ガス測定装置などの校正に必要とされる、規定濃度の水蒸気を含有する標準ガス（本明細書中ではこれを標準水蒸気ガスという）を発生させる標準水蒸気ガス発生装置に関する。

排ガス測定装置などにおいてゼロ／スパン校正などの校正や調整を行う際に、規定の水蒸気含有量の標準水蒸気ガスが必要となる場合がある。例えば特許文献１には、バブラー法、つまり水中でのバブリングにより所定のガスを加湿して標準水蒸気ガスを生成することが開示されている。しかしながら、水蒸気含有量の精度を高くすることが難しく、水蒸気含有量の任意のコントロールも難しい。

一方、従来市販されている排ガス測定装置用の標準水蒸気ガス発生装置では、規定濃度の水素ガス（Ｈ₂）を含有するＨ₂＋高純度空気（エアー：Air）バランスガスを用い、これを触媒燃焼させることにより規定濃度の水蒸気を発生させるようにしている。しかしながら、この場合には次のような問題がある。

（１）一般に、水素はボンベで供給されるが、ボンベ中の水素濃度は一定であるため、水蒸気含有量を調整したい場合には、元ガス（Ｈ₂＋高純度空気バランスガス）を適当な手段で稀釈してから触媒燃焼系に導入する必要がある。従って、任意の水蒸気含有量の標準ガスを得ようとすると、作業が面倒で、装置自体も大掛かりになる。
（２）測定対象によっては、元ガスであるＨ₂＋高純度空気バランスガスの不純物である一酸化炭素（ＣＯ）や一酸化炭素が燃焼によって転化する二酸化炭素（ＣＯ₂）が測定妨害物質となり得る。

（３）触媒燃焼のための反応ガスの供給量に制限があるため、多量の標準水蒸気ガスを得ることが難しい。
（４）水蒸気含有量を調整したい場合、空気中での爆発範囲が４〜７５％と広範囲で、最小着火エネルギーも０．０２[ｍＪ]と小さな水素を流通系で取り回さなくてはならず、安全上の懸念がある。

特開２００４−２２１０２０号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、外部からの水素の供給を必要とせず、触媒燃焼も用いずに任意の濃度の水蒸気を含む標準ガスを生成することができる標準水蒸気ガス発生装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、規定濃度の水蒸気を含有する標準ガスを発生させる標準水蒸気ガス発生装置であって、
a)所定ガスをコールドトラップに通し、その所定ガス中の水蒸気を除去した除湿所定ガスを生成する除湿ガス供給手段と、
b)前記所定ガスを加湿する加湿部と、その加湿された所定ガスを一定温度に冷却する冷却部とを含み、その冷却部の温度に応じた飽和水蒸気を含む飽和水蒸気含有所定ガスを生成する加湿ガス供給手段と、
c)前記除湿ガス供給手段による除湿所定ガスと前記加湿ガス供給手段による飽和水蒸気含有所定ガスとを流量比を変えて混合する混合手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで、所定ガスとしては例えば高純度空気を用いることができる。また、コールドトラップは、例えばドライアイスとエタノールとの混合物（−７８℃）や液体窒素（−１９６℃）などの寒剤を利用したものとすることができる。

除湿ガス供給手段では、例えば高純度空気をコールドトラップに通すことにより、実用上殆ど水分を含まない除湿ガスを生成する。このときの残留水分量はコールドトラップの温度に依存する。他方、加湿ガス供給手段では、まず高純度空気にバブリングなどを利用した加湿部により多量の水蒸気を付与し、その後に、この加湿された高純度空気を冷却部により一定温度に冷却する。ここでは冷却部で冷却した際に水蒸気が確実に飽和状態となるように、加湿部及び冷却部の温度を設定しておくことが望ましい。

上記のように冷却部を通して水蒸気が飽和状態であれば、その冷却部の温度により飽和水蒸気量は決まるから、その飽和水蒸気量を上限として、任意の量の水蒸気を含む高純度空気を、除湿所定ガスと飽和水蒸気含有所定ガスとの流量比を調整することで得ることが可能である。なお、流量比の調整は、各流路に設けた流量調節部（例えばニードルバルブ）を手動で調整するようにしてもよいし、各流路にマスフローコントローラのような自動で流量制御可能な手段を設けてもよい。

本発明に係る標準水蒸気ガス発生装置では、除湿ガス供給手段と加湿ガス供給手段で共に、不純物である一酸化炭素などの含有量が少ない高純度空気などを元ガスとして使用することで、一酸化炭素や二酸化炭素によるコンタミネーションを少なくすることができる。また、可燃性の水素ガスを使用しないので安全性の点でも優れており、水素ガスボンベの保管上の問題もない。また、触媒燃焼も利用しないので、その点でも高い安全性を確保できる。さらにまた、２系統のガスの混合比を変えることにより所定の範囲内で任意に水分含有量をコントロールすることができ、そうした調整作業は容易であり、希釈系を設ける必要がないので装置の小形化、低コスト化にも有利である。

本発明の一実施例である標準水蒸気ガス発生装置について図１を参照して説明する。図１は本実施例による標準水蒸気ガス発生装置の概略ブロック構成図である。

ボンベや計装エアなどの高純度空気供給源２より供給された高純度空気は、不純成分除去用の吸収剤を充填したカラム４に導入され、このカラム４中を通過する際に不純物が除去される。なお、不純物が問題にならない場合にはカラム４は不要である。カラム４の出口側でガス流路は２系統に分岐されている。その１系統は、第１マスフローコントローラ６とコールドトラップ８とがガス流の順に配設された除湿ガス供給系Ａであり、他の１系統は、第２マスフローコントローラ１２とバブラー１４と電子クーラ１８とがガス流の順に配設された加湿ガス供給系Ｂである。そして、両供給系Ａ、Ｂを経た高純度空気は混合槽１０で合流・混合され、水分センサ２０を通して外部へと供給される。

第１及び第２マスフローコントローラ６、１２は両供給系Ａ、Ｂを通して混合槽１０に流れ込む除湿ガス（乾燥した高純度空気）と加湿ガス（水蒸気含有高純度空気）との流量比を調整するためのものである。除湿ガス供給系Ａにおいて第１マスフローコントローラ６により流量が調整された高純度空気はコールドトラップ８に導入され、除湿が行われる。ここで、コールドトラップ８を用いた除湿について説明する。

一般に、空気中の飽和水蒸気圧：Ｅ（Ｔ）は、次に示したテテンス（Tetens）の式に従い温度に依存することが知られている。
Ｅ（Ｔ）＝６．１１×１０^{7.5T / (T+237.3)} …(1)
ここでＴは温度[℃]である。上記(1)式の計算結果を元に、大気圧が１０１３[hPa]で一定であると仮定して、各温度における飽和水蒸気圧及び水蒸気含有量を算出すると表１に示すようになる。

表１から分かるように、１０〜３０℃の常温下での飽和水蒸気含有量は数万[ppm]、０℃付近で数千[ppm]であり、−９０℃付近で実質的に０となる。従って、−９０℃以下の環境下にガスを導入することによりガス中の水分はほぼ完全に凝固するから、これを除去することができる。

こうした現象を利用して気体中の水分除去を行うものとして、従来より、図３に示すコールドトラップが特に理化学実験用途で用いられている。この基本的な構成は、ガラスなどから成るＵ字管３０を、寒剤３２を満たした保温用のデュワー瓶３４中に浸漬したものである。寒剤３２には、沸点が−１９６℃と低く、価格も廉価で入手し易い液体窒素が使われるのが一般的である。寒剤３２により冷却されたＵ字管３０にガスを通すと、Ｕ字管３０内でガスに含まれる水分が急速に凝固し、Ｕ字管３０の出口からは除湿された、つまり湿度がほぼ０％である除湿ガスを得ることができる。

図１に戻り説明を続けると、コールドトラップ８の寒剤８１として液体窒素を使用する場合、凝固温度が−１８３℃である酸素が高純度空気中から一部除去されてしまう可能性がある。これが問題となる場合、つまり適切な濃度の酸素を必要とする場合には、−９０〜−１８０℃程度の温度の寒剤を使用するとよい。また、ほぼ完全な除湿を行うのではなく、数[ppm]程度の水分の存在を許容し得るのであれば、例えば−７８℃のドライアイス＋エタノール混合物などを寒剤として使用してもよい。多くの場合、実用的にはこれで十分であり、ドライアイス＋エタノール混合物であれば取扱いも容易であって入手もし易い。

このように、使用される寒剤８１の温度にもよるが、コールドトラップ８により、水分含有量がほぼ０〜数[ppm]程度とされた高純度空気が生成されて稀釈用の除湿ガスとして混合槽１０に導入される。

一方、加湿ガス供給系Ｂにおいて第２マスフローコントローラ１２により流量が調整された高純度空気は、バブラー１４に導入され、ここで十分な加湿が行われる。バブラー１４は恒温槽１６により所定の温度Ｔ１に維持されており、後段の除湿部で処理した際に、確実に飽和状態になるようにしておく。このためには、温度Ｔ１を、除湿部の処理温度Ｔ２での飽和水蒸気圧よりも数桁高い飽和水蒸気圧を示すような温度としておけばよい。バブラー１４から出た加湿高純度空気は、除湿部としての電子クーラ１８に導入され、ここで温度Ｔ２（例えば２℃）で冷却される。ここで例示した温度の下では、電子クーラ１８において飽和水蒸気含有量が７０００[ppm]に相当する２℃飽和の加湿高純度空気とされ、これが加湿ガスとして混合槽１０に導入される。

前述のように混合槽１０に導入される除湿ガス（乾燥高純度空気）及び加湿ガス（飽和加湿高純度空気）の流量は、第１マスフローコントローラ６及び第２マスフローコントローラ１２でそれぞれ調整できるので、これらの流量比を調整することで、最大７０００[ppm]の範囲で任意の含有水蒸気量を持つ標準水蒸気ガス（水蒸気含有高純度空気）を得ることができる。この水蒸気含有高純度空気が水分センサ２０を通過する際にその水蒸気含有量が検出され、検出値がモニタ２１上に表示される。これにより、ユーザーはその時点で得られている水蒸気ガス中の水蒸気量が所望の通りであるか否かを確認することができる。

ここでは図示していないが、マスフローコントローラ６、１２での目標流量を指令する、マイクロプロセッサ等を含む制御部を設け、例えば操作部より設定された目標水蒸気量（又は湿度）に応じて制御部が各マスフローコントローラ６、１２における流量値を計算し、各マスフローコントローラ６、１２に対し目標流量値を指示する構成としてもよい。

なお、コールドトラップ８の下流部分及び電子クーラ１８の下流部分は、ガス流路内壁への水分吸着を防止する目的で、２℃以上に保温するようにすることが望ましい。

また、上記実施例の構成において、除湿ガス供給系Ａでは図３に示したようなコールドトラップの代わりに、機械的な冷却装置をコールドトラップとして用いてもよい。

次に本発明の別の実施例による標準水蒸気ガス発生装置について図２により説明する。図２は別の実施例による標準水蒸気ガス発生装置の概略ブロック構成図である。図２において図１と同一の構成要素には同じ符号を付して説明を略す。

この実施例では、上記実施例におけるマスフローコントローラ６、１２の代わりにニードルバルブ付フローメータ２２、２４を設け、また電子クーラ１８の代わりに除湿ガス供給系Ａのコールドトラップ８よりも高温の寒剤、例えば寒剤として氷水などを充填したコールドトラップ２６を配置してある。この構成では、ユーザーが流量モニタ値を確認しながら２つのニードルバルブ付フローメータ２２、２４でニードルバルブの開度を調整することにより、除湿ガス、加湿ガスの流量をそれぞれ適宜の値に設定する。これにより、混合槽１０へ導入されるガスの流量比が決まり、標準水蒸気ガスの水蒸気含有量が決まる。そのほかの基本的な動作は上記実施例と同じであるが、水分センサ２０、モニタ２１を除けば、電気系を一切用いない簡易的、つまり廉価でコンパクトな標準水蒸気ガス発生装置を構成することができる。

また、上記実施例はいずれも本発明の一実施例であるので、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、追加、変更を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による標準水蒸気ガス発生装置の概略ブロック構成図。 本発明の別の実施例による標準水蒸気ガス発生装置の概略ブロック構成図。 一般的に使われているコールドトラップの概略構成図。

符号の説明

Ａ…除湿ガス供給系
Ｂ…加湿ガス供給系
２…高純度空気供給源
４…カラム
６、１２…マスフローコントローラ
８、２６…コールドトラップ
８１…寒剤
１０…混合槽
１４…バブラー
１６…恒温槽
１８…電子クーラ
２０…水分センサ
２２…モニタ
２２、２４…ニードルバルブ付フローメータ

Claims (2)

1. 規定濃度の水蒸気を含有する標準ガスを発生させる標準水蒸気ガス発生装置であって、
   a)所定ガスをコールドトラップに通し、その所定ガス中の水蒸気を除去した除湿所定ガスを生成する除湿ガス供給手段と、
   b)前記所定ガスを加湿する加湿部と、その加湿された所定ガスを一定温度に冷却する冷却部とを含み、その冷却部の温度に応じた飽和水蒸気を含む飽和水蒸気含有所定ガスを生成する加湿ガス供給手段と、
   c)前記除湿ガス供給手段による除湿所定ガスと前記加湿ガス供給手段による飽和水蒸気含有所定ガスとを流量比を変えて混合する混合手段と、
   を備えることを特徴とする標準水蒸気ガス発生装置。
2. 前記所定ガスは高純度空気であることを特徴とする請求項１に記載の標準水蒸気ガス発生装置。

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