JP4291879B2

JP4291879B2 - 飽和気体発生装置

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Publication number: JP4291879B2
Application number: JP2003359678A
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Inventors: 浩史奥田; 朗水柿
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Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-07-08
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Description

本発明は、容器に入れられた水を加熱手段で加熱すると共に前記容器に気体を入れて該気体を前記水の中に分散させ前記水と接触させて前記気体を目的とする温度の飽和水蒸気含有気体にして前記容器から取り出すようにした飽和気体発生装置に関する。

従来の飽和気体発生装置としては、例えば、６０℃の一定温度の水が入れられている恒温槽の水槽内に１段の飽和槽を入れると共に水槽内に熱交換器を入れ、供給する気体をまず熱交換器に通して水槽の水によって６０℃まで予熱し、飽和槽の上部に設けた温度検出用の熱接点によって上部の温度を検出してその温度が６０℃になるように制御されるヒータを飽和槽の下部に設置し、６０℃に加熱した気体を飽和槽の下部から入れて槽内の水と接触させつつ上昇させ、その過程で水から蒸発した水蒸気を取り込んで飽和空気にし、飽和槽の上部から目的とする６０℃の飽和空気を取り出すようにした飽和気体発生装置が示されている（特許文献１参照）。この従来例の装置では、気体を予熱して飽和槽に入れると共に飽和槽の上部温度を目的とする６０℃に制御することにより、ほぼ６０℃の露点を持つ飽和空気が得られたとされている。
実公平６−３４８１９号公報（第１図及び関連説明）

一方、このような飽和空気発生装置では、空気が水蒸気を取り込んで送り出されるため、飽和槽内の水位が低下するので、この特許文献では図示されていないが、通常飽和槽内に水面制御によって自動的に水が補給されるようになっている。この水は加熱されるように飽和槽の下方位置から入れられるが、水が入れられると、その部分の水温が下がると共に、対流と気泡が水を浮上させるエアーリフト力とによって飽和槽内では水が循環しているためにその影響が飽和槽の全体に及ぶので、温度を検出している飽和槽内の上部でも水温が設定温度より下がる傾向になる。その結果、飽和空気の露点温度が下がり、その精度が悪くなるという問題がある。

又、前記の如く空気が水から水蒸気を吸収して飽和空気になるので、蒸発して水蒸気になる水の周辺の水は水蒸気に潜熱を供給するために温度低下する。そのため、上部の温度を検出して制御するようにしていても、ヒーターの位置と検出部の位置との距離が大きいこととこの間での水の蒸発状態にばらつきがあること等により、飽和槽の上部でも潜熱による水温低下の影響が避けられない。その結果、この点でも露点温度が不正確になるという問題がある。

なお、前記の如く取り入れる気体を６０℃に予熱していて、飽和槽に入ったときの気体の温度は水と同じ６０℃になっていても、その温度で水から蒸発した水蒸気を取り入れることになるので、上記の如く、周辺の水が水蒸気の蒸発潜熱を放出することになってその温度が低下し、結局露点温度に影響してその精度が悪くなる。

そこで本発明は、従来技術における上記問題を解決し、精度の良い露点温度の飽和気体が得られる飽和気体発生装置を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、請求項１の発明は、容器に入れられた水を加熱手段で加熱すると共に前記容器に気体を入れて該気体を前記水の中に分散させ前記水と接触させて前記気体を目的とする温度の飽和水蒸気含有気体にして前記容器から取り出すようにした飽和気体発生装置において、
前記容器の上下方向の中間位置に前記気体の通過を制限するように設けられた多孔性部材と、前記容器のうちの前記多孔性部材の上側部分に前記気体を前記目的とする温度にするように設けられた熱交換手段と、を有し、前記加熱手段は前記容器のうちの前記多孔性部材の下側部分に設けられていることを特徴とする。

請求項２の発明は、上記に加えて、前記加熱手段は前記気体を前記目的とする温度より高い温度であって前記熱交換手段で前記目的とする温度に復元する範囲の温度まで加熱することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明の特徴に加えて、前記気体を前記容器に入れる前に前記気体に前記飽和水蒸気の潜熱分までの熱量を供給して前記気体を前記目的とする温度より高い温度に加熱する予熱手段を設けたことを特徴とする。

以上の如く本発明によれば、請求項１の発明においては、容器の上下方向の中間位置に気体の通過を制限するように多孔性部材を設け、容器のうちの多孔性部材の上側部分に気体を目的とする温度にするように熱交換手段を設け、加熱手段を多孔性部材の下側部分に設けているので、容器の中では、多孔性部材を介して上下に熱交換手段の加熱又は冷却部分と加熱手段の加熱部分とがあって、これらにより、下側で水を加熱した後、上側でその水を更に加熱又は冷却することができる。

一方、気体は水の中に分散されて入れられるので、小気泡となって浮力によって上昇して多孔性部材の位置に到達する。このとき、この気体の通過を制限するように、即ち、例えば気泡の大きさとの関係で多孔性部材の孔を適当な寸法にすることにより、小気泡の多くが多孔性部材の多孔を形成する線材等の部材に当たって上昇を一時的に制限される。その結果、容器の下方部分において、加熱されて対流するために上昇したり浮上する多数の小気泡のリフト力によって上昇する水が、多孔性部材の位置でその上昇を制限されるので、水は多孔性部材の下側部分だけで流動することになる。そして、下側部分の水が均一化され、温度分布が良くなるように加熱手段で加熱される。

その結果、多孔性部材の上側部分では、熱交換手段による水の加熱又は冷却により、下側部分とは独立して上側部分だけで対流が生じ、水の温度が均一化される。

このような状態において、気体を飽和水蒸気含有気体にするために容器内の水を蒸発させると、それによって水が不足するため、不足した水が補給される。この補給水は、通常、常温水で下方部分に補給されるため、下側部分の水温を急変させる。しかし、上記の如く多孔性部材の上下で独立的に水が対流するので、下側部分への水補給による温度乱れの上方への影響が防止される。そして上方では、熱交換手段により、気体を目的とする温度にする機能が維持される。その結果、水の補給があったような場合でも、精度良く目的とする温度の飽和気体を得ることができる。

請求項２の発明においては、加熱手段が水を目的とする温度より高い温度まで加熱可能なように構成するので、多孔性部材の下側部分では、入れられた気体を目的とする温度より高い温度の飽和気体にすることができる。この気体が上側部分に入ると、上側部分は熱交換手段によって気体を目的とする温度にするように水がその温度になっているので、その温度に対して過飽和な水蒸気分を含んでいる気体は、過飽和分の水蒸気を水に放出することになる。この水中への水蒸気の放出では、直接水蒸気に接触している水が水蒸気を凝縮させることになるので、容易に且つ確実に気体から水蒸気の過飽和分を除去することができる。その結果、極めて精度良く気体を目的とする温度の飽和気体にすることができる。

請求項３の発明においては、請求項１又は２の発明に加えて、予熱手段を設けて、目的とする温度の飽和水蒸気含有気体にされるもとになる気体として例えば通常空気を容器に入れる前に、通常空気に飽和水蒸気の潜熱分までの熱量を供給して前記気体を前記目的とする温度より高い温度に加熱可能にするので、人の操作又は自動運転によって予熱手段を作動させることにより、目的とする温度が例えば５０℃程度までの温度のときには、潜熱分程度の熱量で通常空気を目的とする温度より十分高い温度まで予熱してから容器に入れ、これを水の中に分散させ、水と接触させた後容器から取り出すことができる。

この場合、飽和水蒸気の潜熱分はその全熱量の大部分を占めるので、この熱量を供給されて予熱された通常空気は、目的とする温度である飽和水蒸気の温度まで加熱されている飽和水よりも相当程度高い温度まで上昇した昇温空気になる。そして、加熱手段によって水が目的とする温度又はこれより高い温度に加熱されているときに、このような昇温空気がその水と接触すると、その水の一部分が蒸発するときに、温度の高い昇温空気から水側に蒸発のために必要な潜熱が供給される。

その結果、加熱された水の一部分が蒸発するときにその周辺の水が潜熱分という大きな熱量を失うことがなくなり、水の急激な温度低下が防止され、加熱手段で温度調整されている水の温度が乱されることなく維持される。その結果、多孔性部材の下側部分の水の温度精度が良くなり，それによって、上側部分において、一層精度良く目的とする温度の飽和空気を得ることができる。

一方、目的とする温度が６０℃程度を超えると、空気の含有する飽和水蒸気量が急激に多くなるので、多量になった飽和水蒸気量の潜熱分を予熱手段のみによって供給しようとすると、その熱量が多大になって気体の予熱温度が高くなり過ぎ、予熱手段が大型化したり気体の高温化により装置の取扱性が悪くなる等の問題が生ずるため、予熱手段では潜熱量より少ない熱量で気体を加熱することになる。

しかしこの場合にも、気体を目的とする温度より相当程度高温にすることになるので、容器に入れられた水の蒸発を促進し、気体を速く飽和気体に到達させ、容器内での気液接触時間を短縮し、容器を小型化することができる。

図１は本発明を適用した飽和気体発生装置としての飽和空気発生装置の構成例を示す。
飽和空気発生装置は、容器である飽和槽１に水面Ｌまで入れられた水を加熱手段である加熱装置２で加熱すると共に、飽和槽１に気体としての空気を供給する空気供給管３から空気を入れてこれを水の中に分散させ、水と接触させ、水中を上昇する空気を目的とする温度である飽和温度ｔ₂の飽和水蒸気含有気体である温度ｔ₂の飽和空気Ａ₂にして、飽和槽１から取り出すようにした装置であり、多孔性部材としての中間メッシュ４及び熱交換手段としての第２加熱装置５を有する。

このような飽和空気発生装置は、通常の構成部分として、その底部として底１１から入れられた空気を飽和槽１の横断面の全体に均一的に分散させ小気泡にして送出する微細メッシュ１２、水補給管１３及び給水弁１４、水面センサ１５、このセンサ信号によって水面をレベルＬの近傍の範囲に維持するように給水弁１４を制御する水位制御器１６、水面から発生する気泡を消滅させるための破泡メッシュ１７、上部である上端板１８から飽和空気Ａ₂を取り出すための出口管１９、等を備えている。

中間メッシュ４は、飽和槽１の上下方向の中間位置Ｌ₁として上下の中心位置より少し上方の高さ位置に、入れられた空気が小気泡になって浮力によって上昇するときにその通過を制限するように設けられていている。即ち、中間メッシュ４は、上昇する小気泡のうちの相当部分のものがその網目線に当たり、これに引っかかった後通過するように形成されている。このような網目寸法は、微細メッシュ１２によって形成される小気泡の大きさ、供給空気の量や圧力、飽和槽の寸法、網目の線径、等の諸条件によって定められ、例えば１mm角程度の大きさにされる。

なお、多孔性部材としては、このようなメッシュに代えて、ハニカム、ラッシリング、ガラスビーズ等の薄い層からなり泡の一時的停止機能又は熱容量と通気性とを備えた構造のものであってもよい。

第２加熱装置５は、第２加熱器５１、温度センサ５２及び温度調節器５３を備えている。第２加熱器５１は飽和槽１の中間メッシュ４の上側部分である上部区画１ａに設けられていて、水を目的とする温度である温度ｔ₂にするように、温度センサ５２及び温度調節器５３によって制御されている。

加熱装置２は、加熱器２１、温度センサ２２及び温度調節器２３を備えている。加熱装置のうちの加熱部分である加熱器２１は飽和槽１の中間メッシュ４の下側部分である下部区画１ｂに設けられていて、温度センサ２２及び温度調節器２３によって制御されている。そして本例では、水をｔ₂より高い温度ｔ₃まで加熱可能にされている。このｔ₃は、第２加熱器５１でｔ₂まで復元可能な範囲の温度であり、通常ｔ₂より温度差が５℃程度以内の高い温度にされる。

以上のような飽和空気発生装置は次のように運転され、その作用効果を発揮する。
飽和槽１には水が入れられていて、水位制御器１６で水位がＬになるように調整されている。通常湿り空気の外気からなる空気が空気供給管３から送られて飽和槽１に底１１から入れられると、微細メッシュ１２の通過抵抗によって空気はその下の全面に広がり、メッシュ１２を均一的に通過し、小気泡となって上昇する。一方、飽和槽１の下部区画１ｂの水は、温度センサ２２によってその部分の温度が検出され、本例ではｔ₂を５０℃としてｔ₃＝ｔ₂＋３〜４℃＝５３〜５４℃程度になるように加熱器２１で加熱されている。

そして、小気泡が上昇する過程で常時水と接触し、気泡内の水蒸気圧と気泡を囲っている周辺の水の温度に対応した飽和水蒸気圧との差によって気泡面で水が蒸発し、蒸発潜熱を放出した周辺の水が温度降下すると共に、蒸発した水蒸気を取り込んだ気泡内の空気の湿り度が大きくなり、最終的には、気泡内の空気はその周辺の水温の飽和水蒸気で満たされた飽和空気になる。その結果、ｔ₂より高いｔ₃まで加熱された水は、ｔ₂より１〜２℃程度高い温度になり、小気泡からなる空気は、ほぼその温度の飽和空気になる。

このｔ₂より高い温度の飽和空気の小気泡は、飽和槽１の下部区画１ｂを上昇して中間メッシュ４に到達し、その相当部分が中間メッシュの網目線に当たって引っ掛かり、通過が制限された状態になる。即ち、図２（ａ）に示す如く、小気泡ｐは、中間メッシュ４の網目線４１に当たったときに、網目線の支持力と上下の浮力差による力とを受けて丸に近い形状から偏平な形状に変形するが、その表面張力や粘性等によって一時的に網目線４１に引っ掛かってこれを覆い、浮上してくる後続の他の小気泡と合体して浮力を増した後メッシュ４を通過することになる。この場合、小気泡のサイズが網目のサイズより大きいときには、同図（ｂ）に示す如く、網目線４１の四辺で安定的に支持される率が高く、小さいときには、同図（ｃ）のように網目４１の交点近傍で支持される可能性がある。

このような現象は、中間メッシュの網目の大きさや小気泡の寸法や中間メッシュの深さ位置等によって変わってくるが、大体において気泡の相当部分が中間メッシュ４で一度停止した後ここを通過する。そして、中間メッシュ４は全体的に気泡で覆われ、気泡が順次入れ代わって中間メッシュを通過して行くことになる。その結果、対流をするように上昇して来た水や多数の小気泡のエアーリフト力で浮上搬送されてきた水が中間メッシュ４の部分を自由に通過できなくなり、結局、加熱器２１による加熱に伴う水の対流は、ほぼ下部区画１ｂ内での現象で止まり、その区画内の水温を均一化させる効果を発生させるだけになる。その結果、上部の第２加熱器５１の加熱による水の対流も、上部区画１ａ内だけで行われることになる。このような現象の生ずる基本になる中間メッシュでの小気泡の停滞現象は、発明者等の実験によって確認されている。

中間メッシュ４を通過した空気は、温度ｔ₂より１〜２℃高い温度の飽和空気になっているので、水温がｔ₂になっている上部区画１ａに入ると、その中の水と接触して温度がｔ₂まで下がる。その結果、１〜２℃だけ過飽和な空気になり、過飽和分の小量の水蒸気の熱が水に移動して水蒸気が凝縮し、丁度目的とする温度ｔ₂の飽和蒸気になる。その結果、精度良く目的とする露点温度の飽和空気を得ることができる。この飽和空気は、破泡メッシュ１７で破泡されてミスト分を除去された後、完全な飽和空気Ａ₂となって出口管１９から取り出される。

この場合、気泡と水とを接触させて飽和蒸気圧の差によって気泡中に水蒸気を完全に飽和させるのは難しいが、過飽和状態から過飽和分の水蒸気を直接接着している水で凝縮させて飽和状態にするのは極めて容易である。又、中間メッシュ４が微小孔で形成されていて、これを通過した空気は微細化されるので、水との接触面積が大きくなって熱交換作用が極めて良好になる。発明者等は、本発明を適用して中間メッシュ４を設けた飽和気体発生装置と中間メッシュのない従来の装置との比較試験をして次の結果を得た：
第２加熱器５１の設定温度ｔ₂s ５０℃ ８０℃ 発生した飽和空気温度ｔ₂a 中間メッシュ４有（本発明適用） 49.8℃ 79.9℃ 中間メッシュ４無（従来のもの） 49.0℃ 78.8℃
従って、以上の如く精度良く目的とする温度の飽和空気を得ることができる。なお、上部区画１ａで過飽和分の小量の水蒸気を凝縮させるためには、この区画の水の熱を取る必要があるが、ｔ₂が常温より十分高く例えば５０℃以上のようなときには、飽和槽１の周囲からの放熱があるため、上記の熱量は自然に放出される。従って、本例では、熱交換手段として第２加熱器５１を設けて、ごく小量の加熱量で上部区画１ａをｔ₂＝５０℃に維持するように制御している。

以上のように、本例の装置では、加熱器２で下部区画１ｂをｔ₂より３〜４℃程度高いｔ₃まで加熱してその中の空気をｔ₂より１〜２℃程度高い温度の飽和空気にしてほぼ空気だけを上部区画１ａに上げ、上部区画１ aでｔ₂まで戻して精度良くｔ₂の飽和空気を得るようにしているが、ｔ₃をｔ₂よりどの程度高い温度に設定するかは、上部区画１ aでｔ₂まで戻すことが可能であり、且つ戻す温度ができるだけ小さくエネルギー消費の無駄がないと共にｔ₂の精度が良くなるように、実際の装置において運転結果等によって定められる。

なお、飽和空気発生装置が常温に近い程度以下のｔ₂条件で使用されるようなときには、熱交換手段としては、加熱器に代えて冷却器が設けられることになる。この場合、本装置が冷凍機の蒸発器を持つような環境試験装置に使用されるときには、その冷凍機の冷熱を利用することができる。

このようにして飽和空気を連続製造すると、飽和槽１内の水が蒸発して飽和空気によって持ち出されるので、飽和槽１の水面Ｌが下降し、給水弁１４が開き、水面Ｌが回復するまで飽和槽１内に水が自動的に補給される。この水は通常２０℃程度の常温水であるため、水が補給されると槽内が急冷されて槽内の温度状態が乱れるが、本発明により、中間メッシュ４を設けると共にその上下部分１ａ、１ｂにそれぞれ第２加熱器５及び加熱器２を設けているので、前記の如く水の対流がそれぞれの区画で独立的に行われることになり、水の温度乱れは下部区画１ｂで止まり、上部区画１ａには殆どその影響が及ばない。

その結果、一時的に下部区画１ｂから上部区画１ａに上がってくる空気の過飽和状態が変化したりｔ₂以下の温度の飽和空気になっていても、上部区画１ａ内の温度がｔ₂になっているので、最終的に取り出される空気はほぼ完全に温度ｔ₂の飽和空気の状態に維持されている。

なお、下部区画１ｂの温度は、実際の装置では、この水補給時の状態も含めて適当な値に設定される。又、以上ではｔ₃をｔ₂より高くする例について説明したが、下部区画１ｂの温度を仮にｔ₂と同じ温度に設定したとしても、中間メッシュ４の装備と上下部分の独立の加熱器による加熱との組合せにより、水補給時の温度乱れを防止し、最終的に得られる空気の飽和空気の精度低下を防止することができる。

又、以上では、多孔性部材が網目状のメッシュである場合について説明したが、このようなメッシュに代えて、ハニカム、ラッシリング、ガラスビーズ等の薄い層の充填部材を設けても同様の効果がある。即ち、このような部材も多孔性部材であるため、空気の通過部分の寸法を適当に定めることにより、小気泡の一時停止機能や通過時の抵抗付与機能を有し、その通過を制限することができる。更に、このような部材は一定の熱容量を持つので、小量の水が往復通過するときに、その水の熱的影響を緩和することができる。

図３は本発明を適用した飽和空気発生装置の他の例を示す。
本例の装置は、気体として装置の外から取り入れる温度ｔ₁の通常空気Ａ₁を飽和槽１に入れる前にこの空気に温度ｔ₂の飽和水蒸気の潜熱分までの熱量を供給してこの空気を目的とする温度であるｔ₂より高い所定の温度ｔ₄まで加熱可能にする予熱手段としての予熱装置６を有する。この場合、ｔ₂が５０℃程度であれば、ｔ₄は、温度ｔ₂の飽和空気の飽和水蒸気の潜熱ｒで構成される潜熱分Ｒに近い範囲内の熱量として潜熱分Ｒを通常空気Ａ₁に供給し、通常空気Ａ₁がそれによって加熱されて上昇した温度ｔ₄にされる。

このような予熱装置６は、本例では、通常空気Ａ₁を予熱する予熱器６１、これに前記潜熱分Ｒに相当する電力
Ｗ＝ＲＪ−−−−−（１）
を供給可能な電力調節器６２、等で構成されている。Ｊは熱量と電力との換算係数である。

予熱装置６の電力調節器６２は操作盤８に設けられていて、人が操作することはより、予熱器６１に供給する電力を調節できるようになっている。又本例の装置には、必要なだけ飽和空気を製造するために、通常空気Ａ₁の流量として質量流量Ｇを調節可能な調節弁７及び操作器７１が設けられている。操作器７１も操作盤８に設けられている。

図４は通常空気Ａ₁及び飽和空気Ａ₂の流量及び保有熱量の構成を示す。
図においてｇ₁、ｇ₂、ｈ₁、ｈ₂、ｈｗ、ｒ、ｈａ₁、ｈａ₂、δｈ₁、及びδｈａ₁はそれぞれ、Ａ₁及びＡ₂の水蒸気流量、それぞれの水蒸気の全熱量、飽和槽１内の飽和水の熱量、ｈ₂のうちの潜熱、Ａ₁及びＡ₂の乾燥空気の熱量、Ａ₁の水蒸気の吸熱量、及び乾燥空気の吸熱量である。

図示の如く、水蒸気流量ｇ₁と乾燥空気流量（Ｇ−ｇ₁）とを含む流量Ｇの通常空気Ａ₁は、飽和槽１内で流量ｇ₂の水蒸気が加えられて流量（Ｇ＋ｇ₂）の飽和空気Ａ₂になる。熱量としては、Ａ₁は、これに温度ｔ₂、流量ｇ₂の水蒸気が加えられると共に、ｔ₁からｔ₂まで昇温し、Ｑ₁だけ熱量の増加したＡ₂になる。

この熱量Ｑ₁は、図示の如く、
Ｑ₁＝ｇ₂ｒ＋ｇ₂ｈｗ＋ｇ₁δｈ₁＋（Ｇ−ｇ₁）δｈａ₁−−(2)
である。この中で
ｇ₂ｒ＝Ｒ−−−−（３）
は前記潜熱分Ｒに相当し、後述する如くＱ₁のうちの大部分を占める。本例では前記の如くこのＲ＝ｇ₂ｒからなる熱量を予熱装置６によって通常空気Ａ₁に供給可能にする。

Ｒ＝ｇ₂ｒを求めるためには、Ｇと湿り空気線図等からｇ₁、ｇ₂を求めると共に、飽和蒸気表又は線図からｒを得る。ｇ₁、ｇ₂については、Ａ₁及びＡ₂の空気の絶対湿度をそれぞれｘ₁及びｘ₂とすると、それらが、
ｇ₁＝ｘ₁（Ｇ−ｇ₁）
ｇ₁＋ｇ₂＝ｘ₂（Ｇ−ｇ₁）
の関係になっていて、これらの式から、
ｇ₂＝Ｇ（ｘ₂−ｘ₁）／（１＋ｘ₁）−−−−（４）
が得られる。

この場合、通常空気Ａ₁が例えば温度２０℃、相対湿度５０％程度の通常の外気であり、そのｘ₁がｘ₂に対して十分小さければ、これを省略するかもしくは簡略化して、
ｇ₂≒Ｇｘ₂−−−−（５）
ｇ₂≒ＫＧｘ₂−−−−（５）´
として簡単に求めることができる。Ｋは０．９程度にされる。この場合のＲ≒Ｇｒｘ₂もしくはＲ≒ＫＧｒｘ₂は、潜熱分Ｒに近い範囲内の熱量ということになる。

以上により、電力調節器６２で通常空気Ａ₁に供給する潜熱分Ｒに相当する電力Ｗを、
Ｗ＝ＲＪ＝ＧｒＪ（ｘ₂−ｘ₁）／（１＋ｘ₁）−−−（６）
又は、
Ｗ≒Ｇｘ₂ｒＪもしくはＷ≒ＫＧｘ₂ｒＪ−−−（７）
として定めることができる。ここで、Ｇは操作器７１を操作するときにその目盛りから分かり、ｒ及びｘ₂は、飽和空気Ａ₂の温度ｔ₂であり第２加熱器５１を制御する温度調節器５３の設定温度ｔ₂から得られる。又、ｘ₁は、通常空気Ａ₁の温度ｔ₁及び相対湿度ψ₁を測定することにより、もしくは直接絶対湿度ｘ₁を測定することによって得られる。

この場合、飽和空気発生装置の実際の使用においては、上記Ｇ、ｔ₂、又は必要に応じてｔ₁及びψ₁もしくはｘ₁をパラメータとしてＷを求めた表やカープを予め作成しておき、それらを見てＷを定め、電力調節器６２を計算したＷに合わせて運転することになる。なお、制御装置及びＧ、ｔ₁、ｔ₂等の検出器を設けて、検出データからＷを計算させ、電力調節器６２の出力が計算したＷになるように自動運転させることも可能である。

以上のような予熱装置６を備えた飽和空気発生装置の予熱装置関連部分は次のように運転され、その作用効果を発揮する。
空気供給管３の空気流量を調整するための調節弁７は、操作盤８に設けられている操作器７１により、目的とする流量として例えばＧ＝５０ｇ／min の湿り空気を流すように調整される。この空気としては、例えば温度ｔ₁＝２０℃、相対湿度ψ₁＝５０％程度の原料となる通常空気Ａ₁が供給され、予熱装置６の電力調節器６２は予熱器６１に電力Ｗが供給され、Ａ₁が潜熱分Ｒの供給を受けて加熱される。このときのＷは、上記ｔ₂＝５０℃及びＧ＝５０ｇ／min からｘ₁を含む式（６）によって計算された値又は式（７）によって概算された値にされる。

このＷは、前記の如く表等で与えられているが、これを上記のＧ、ｔ₁、ｔ₂等の条件の一例から計算すると、Ｇ＝５０ｇ／min ＝３kg／hr、ｘ₂＝０．０８６kg／kgＤＡ、ｒ＝２３８３KJ/kg 、ｘ₁＝０．００８kg／kgＤＡから、式（６）により、Ｒ＝５５３．３KJ／ｈ、Ｗ＝１５３ｗ、式（７）により、Ｒ＝６１４．８KJ／ｈ、Ｗ＝１７０ｗ又はＲ＝０．９×６１４．８＝５５３．３KJ／ｈ、Ｗ＝０．９×１７０＝１５３ｗ、として得ることができる。

このような電力が供給されるように電力調節された予熱器６１を通常空気Ａ₁が通過すると、Ａ₁に上記の電力Ｗによって潜熱分Ｒが与えられてＡ₁が昇温し、前記の所定温度である温度ｔ₄の昇温空気Ａ₄になる。このときのｔ₄は、
ｔ₄＝（Ｒ／ＧＣｐ）＋ｔ₁−−−−（８）
により計算される。Ｃｐは昇温過程における空気の平均的定圧比熱であり、約１Ｊ／ｇ・℃である。従って、前記Ｒ、Ｇ、及びｔ₁から、ｔ₄は、式（６）又は（７）により、ｔ₄＝２０４℃又は２２５℃もしくは２０４℃となる。

このように十分高い温度ｔ₄に加熱された昇温空気Ａ₄が飽和槽１の底１１からこの例ではｔ₃＝５１〜５２℃に温度調整されている水中に放出されると、温度ｔ₄の空気が水と接触してその一部分を蒸発させて水蒸気として取り込むと共に水との比重差によって上昇し、微細メッシュ１２によって小気泡に分断され、更に水と熱交換して水を蒸発させつつ浮上する。しかし、昇温空気Ａ₄は潜熱分Ｒの熱量を与えられているだけであるため、式（２）におけるＲ＝ｇ₂ｒ以外の部分の熱量を水を介して加熱器２１から取り入れて、最終的に、５１〜５２℃の飽和空気の小気泡になり、中間メッシュ４を通過して上部区画１ａに入り、以下図１の装置と同様に処理される。

このような飽和空気の生成過程において、昇温空気Ａ₄が潜熱分Ｒを保有する温度になっているため、飽和槽１の下部区画１ｂの水は、その一部分を蒸発させるために必要になる潜熱分である大きな熱量を失うことがなく、温度２０℃の通常空気Ａ₁を温度５１〜５２℃まで昇温させるための顕熱分だけを通常空気Ａ₁に与えればよくなるので、水の急激な温度低下が防止され、下部区画１ｂの温度制御性が良くなり、結局上部区画１ａでの温度制御性を一層良くすることができる。

又、飽和槽１内に昇温空気Ａ₄が入れられるため、この温度の高い空気が水と接触することによって水を容易に蒸発させ、入れられた空気を飽和空気に近い状態に早く到達させることができる。

図５は、以上のような導入空気の飽和槽内における温度及び湿度の変化状態を模擬的に示す。図において、実線は、本発明を適用して導入空気に潜熱分までの熱量を供給して飽和温度ｔ₂より十分高い温度に予熱した場合を示し、二点鎖線は、仮に図１に示す構造の同じ寸法の飽和槽１を使用して従来技術のように導入空気を飽和温度ｔ₂まで予熱した場合を示す。

図示の如く、本発明を適用すると、導入空気温度と飽和温度ｔ₂との間に相当の温度差があるため、上記のように分圧差に加えて水を直接加熱蒸発させる効果が生じて、導入空気の飽和度が速く上昇するため、最終的に飽和槽１の出口では飽和度１００％の飽和空気に到達するが、従来技術を適用したときには、導入空気の加熱までは必要でないとしても、分圧差のみによって水蒸気が供給されるため、湿度上昇が遅く図１のような小形の同じ大きさの飽和槽では最終的に飽和度が１００％に到達しないことになる。

又、導入空気は水を蒸発させて飽和度を上げて行くので、導入空気の気泡の周辺にあって蒸発潜熱を供給する水の部分が温度を下げて水蒸気を供給するため、導入空気も飽和温度ｔ₂より僅かに温度降下するが、本発明を適用した場合には、温度降下量が微小であると共に温度降下する時期も遅れるため、この点でも飽和空気への到達が促進される。

図６は本発明を適用した飽和空気発生装置の他の例を示す。
本例の装置では、予熱手段である予熱装置６が、気体を予熱する前記予熱器６１、気体の流量Ｇを出力する流量出力手段として本例では質量流量の調節弁７を操作する前記操作器７１及びその流量出力部７２、この出力部７２が出力した流量Ｇと目的とする温度ｔ₂とを取り入れてＧとｔ₂とを含む条件から熱量である潜熱分Ｒを計算してＲから気体である通常空気Ａ₁の予熱後の温度ｔ₄を計算する計算手段としての計算部６３、温度ｔ₄を検出する温度センサ６４、温度センサ６４で検出した検出温度ｔ₄ｐが計算部６３が計算した予熱後の温度である予熱後設定温度ｔ₄ｓになるように予熱器６１の加熱量としての電力Ｗを制御する制御手段としての電力調節器６２の電力設定部６２ａ、等で構成されている。

操作器７１は、調節弁７に開度信号を与えて、その信号に対応して調節弁７を通過する空気流量を定めるようになっている。その中に組み込まれている流量出力部７２は，この開度信号によって対応する空気流量を計算部６３に出力する。生成させようとする飽和空気の目的とする温度ｔ₂は、通常、変更可能な設定温度として操作盤８に設定部８１を設けてここで設定されるので、計算部６３に取り入れる温度ｔ₂は設定部８１から送信される。

計算部６３では、Ｇとｔ₂とを含む条件からＲ及びｔ₄を計算するが、この計算はこれまで説明したような方法で行われる。この場合、Ｇとｔ₂から得られるｘ₂だけで式（６）又は（７）によりＲを計算してもよい。又、通常空気Ａ₁の温度及び湿度条件は通常Ｒ及びｔ₄の計算に大きな影響を及ぼさないので、これを例えば前記の如く温度２０℃、相対湿度５０％のように一定の値として計算部６３に予め入力しておき、Ｇ、ｔ₂にこのＡ₁の条件を加えて式（６）でＲを計算し、式（８）でｔ₄を計算するようにしてもよい。又、通常ｔ₁及びψは測定されるので、その測定値を入力するようにしてもよい。なお、計算部６３は、このような計算をするための飽和蒸気表や湿り空気線図の必要データ部分を保有するように構成されている。

このような図６の飽和空気発生装置によれば、自動的に潜熱量を供給できるので、図３の装置に較べて、運転操作が容易になって省力化を図ることができる。又、昇温空気Ａ₄の温度を制御するので、温度の異常な上昇を防止することが可能になる。なお、計算部６３でＲから電力Ｗまでを計算し、前記の如くその電力を供給又は制御するようにしてもよく、その場合でも運転操作を容易にすることができる。

図７は飽和空気の温度に対する絶対湿度ｘ₂の変化状態を示す。
図示の如く、飽和空気の温度が５０℃〜６０℃程度を超えるとｘ₂が急激に大きくなる。そして、前式（５）、（５）´、（７）に示すように、ｘ₂はほぼ潜熱分Ｒに対応した値になるので、上記飽和温度を超えるとＲの値が大きくなり過ぎて、そのＲで空気を予熱すると、昇温空気の温度ｔ₃が異常に高くなる。例えばｔ₂が８０℃になると、ｔ₃が１０００℃を超えるようになり、予熱器３１が大型化したり、飽和槽１に入る空気の高温化によって装置の取扱性が悪くなる等の問題が生ずる。

従って、飽和温度ｔ₂が６０℃程度を超えるような条件で使用することがある飽和空気発生装置では、潜熱分Ｒ以下の熱量で空気を予熱することになる。即ち、例えば、予熱器３１の最大能力をｔ₂が６０℃のときのＲまで熱交換可能なものにして、ｔ₂が８０℃のような飽和空気Ａ₂を作るようなときには、通常空気Ａ₁を予熱器３１の最大予熱能力で予熱する。

しかし、通常空気Ａ₁をこのようにＲ以下の熱量で予熱する場合でも、飽和槽１内において、水の潜熱負担率を低減すると共に、顕熱負荷をマイナスにして加熱器２での熱交換性を良くし、従来の装置よりも水の蒸発を大幅に促進させ、加熱器２を小容量のものにすると共に、飽和槽１の熱交換距離を短くしてその小型化を図ることができる。なお、例えば飽和温度ｔ₂が５０℃程度の場合でも、ｔ₂より高い所定の温度として、潜熱負荷を低減させ顕熱負荷を負にすることによる効果が得られる程度の温度で、潜熱分Ｒで加熱したときのｔ₃よりは低いが、通常空気Ａ₁を１００℃〜１５０℃程度の中間温度ｔ₃´に予熱することも可能である。その場合でも、従来の装置よりも小形で露点精度の良い飽和空気を得ることができる。

なお以上では、飽和気体発生装置が飽和空気を発生させる場合について説明したが、本発明は、必要に応じて、例えば窒素のような不活性ガスや他の気体を飽和水蒸気を含有した飽和気体にすることができる。

本発明は、正確な露点温度の飽和空気を生成させる技術に関し、特に、湿度センサ校正用等に用いられ分流法、２温度法、２圧力法もしくは２温度２圧力法によって精密湿度条件を実現する精密湿度発生装置として、又、燃料電池駆動装置や試験装置に使用される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿装置として好都合に利用される。

本発明を適用した飽和空気発生装置の全体構成の一例を示す説明図である。（ａ）乃至（ｃ）は、上記装置の中間メッシュ部分における気泡の状態を例示した説明図である。本発明を適用した飽和空気発生装置の他の例を示す説明図である。通常空気及び飽和空気の流量及び保有熱量の状態を示す説明図である。（ａ）及び（ｂ）は導入空気の温度及び湿度の変化状態を示す曲線図である。本発明を適用した飽和空気発生装置の更に他の例を示す説明図である。飽和空気の温度と絶対湿度との関係を示す曲線図である。

符号の説明

１飽和槽（容器）
１ａ上部区画（上側部分）
１ｂ下部区画（下側部分）
２加熱装置（加熱手段）
４中間メッシュ（多孔性部材）
５第２加熱装置（熱交換手段）
６予熱装置（予熱手段）
２１加熱器（加熱手段）
５１第２加熱器（熱交換手段）
６１予熱器（予熱手段）
Ｚ上下方向
Ｌ₁ 中間位置

Claims

容器に入れられた水を加熱手段で加熱すると共に前記容器に気体を入れて該気体を前記水の中に分散させ前記水と接触させて前記気体を目的とする温度の飽和水蒸気含有気体にして前記容器から取り出すようにした飽和気体発生装置において、
前記容器の上下方向の中間位置に前記気体の通過を制限するように設けられた多孔性部材と、前記容器のうちの前記多孔性部材の上側部分に前記気体を前記目的とする温度にするように設けられた熱交換手段と、を有し、前記加熱手段は前記容器のうちの前記多孔性部材の下側部分に設けられていることを特徴とする飽和気体発生装置。
前記加熱手段は前記気体を前記目的とする温度より高い温度であって前記熱交換手段で前記目的とする温度に復元する範囲の温度まで加熱することを特徴とする請求項１に記載の飽和気体発生装置。
前記気体を前記容器に入れる前に前記気体に前記飽和水蒸気の潜熱分までの熱量を供給して前記気体を前記目的とする温度より高い温度に加熱する予熱手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の飽和気体発生装置。