JP4985715B2 - 加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を加熱することにより水蒸気を生成して、空気に湿気を与えるいわゆる、加熱気化式加湿装置に関するものである。

加熱気化式加湿装置は、気化用水を加熱気化させて水蒸気を生成し、その水蒸気により加湿を行うものである。基本的に水を加熱する手段を備えればよいため、簡単な構造で済み、また、気化した水蒸気により加湿を行うため衛生的であり、また加湿量が多い等の利点がある。

その一方、気化用水を１００℃近くまで加熱しなければならないため、消費電力が大きく高温の加熱蒸気が発生してしまい、また、気化用水として様々な不純物が混入した水道水を用いるために、加熱気化部分にスケールが出来やすい、などの欠点もある。特に炭酸カルシウム等の水中難溶成分によるスケールの生成が水の気化量と比例して蓄積し、電力消費、加湿効率及び安全性に影響を与えてしまう。

従来技術として、加熱用ヒータと併用して、蒸気発生室内の圧力を真空ポンプで減圧する加湿装置が知られている（特許文献１）。蒸気発生室内の圧力を減圧することで、大気圧のときに比べて、より低い温度にて気化用水が気化するために、低温の水蒸気を発生させることが出来るとともに、消費電力を少なくすることが出来る。

また、従来技術として、吸水板に吸収させた気化用水を、吸水板近傍に設けたヒータにより加熱して水蒸気を生成するとともに、前記吸水板を回転させ、前記吸水板にブラシが接触するように構成された加湿装置が知られている。（特許文献２）。この構成によれば、吸水板に析出したスケールを機械的に除去することが出来る。

特開昭６２−１９６５３５号公報（第１図） 特開平２−２２５９２５号公報（第１図）

しかしながら、特許文献１に開示された技術によれば、気化用水の中にヒータを設けており、気化用水を直接加熱するために、水中にあるヒータにスケールが付着してしまい、加熱効率が低下してしまうという課題がある。また、気化用水全体を加熱することになるため、運転開始から水蒸気を生成するまでに時間がかかるとともに、消費電力が大きくなってしまうという課題もある。

また、特許文献２に開示された技術によれば、機械的に除去されたスケールが、そのまま加湿用給水槽に入ってしまうので、加湿用給水槽にはスケールがたまっていき、更に、加湿用給水槽の水を排出する手段がないために、結局、加湿用給水槽にはスケール等の不純物が濃縮された水が貯まっていってしまうという課題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スケールが発生しにくい低温にて気化可能な減圧状態で加熱気化を行い、さらに、発生してしまったスケールを機械的に除去するとともに、スケールが濃縮した水を排出することができる加湿装置を得るものである。

本発明は、シリンダ６と、シリンダ６内を上下動可能に設置したピストン７とで気化室１５を形成し、前記気化室１５内にノズル２ｂにより噴出されたミスト状の気化用水を加熱することにより水蒸気を発生させ、逆流防止弁３ａを介して接続された排出口から前記水蒸気を外箱１３外部に排出するものである。また、前記ピストン７には、その上面に逆円錐状の残水貯留部１６と、前記残水貯留部１６の底面からピストン７の外部まで貫通する残水排水路１７と、前記残水排水路１７を開閉する開閉手段とを備え、さらに、前記シリンダ６の上面に滞留物除去手段４を備えたものである。

本発明は、気化室１５の気圧を減圧することにより、スケールが析出しにくい低温で水を気化させることができ、また、ノズル２ｂによりミスト状になった気化用水を加熱することで、気化効率を高めることが出来る。さらに、気化室１５側面に析出してしまったスケールはピストン７とシリンダ６の摩擦により除去し、前記残水貯留部１６に貯まったスケールは前記滞留物除去手段４により固着を防ぎ、除去されたスケールは、気化せずに前記残水貯留部１６に貯まった残留水とともに、ピストン７に設けられた残水排水路１７から排出できる。

本発明の実施の形態１に係る加湿装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る滞留物除去手段４の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るシリンダ６を下方から見た図である。 本発明の実施の形態１に係るピストン７の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る水の温度と飽和蒸気圧との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る気化室１５側面のスケール除去の機構を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る残水貯留部１６に貯まったスケールの固着を防ぐ機構を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る難溶成分である炭酸カルシウム（CaCO₃）の溶解度を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る残水排水路１７の開放状態を示す図である。 本発明の実施形態４に係る自動洗浄制御及び経年劣化感知のフローチャートを示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明実施の形態１に係る加湿装置の概略構成図である。
１は貯水タンクであり、上部に設けられた気化用水タンク１ａと下部に設けられた残水タンク１ｂとから構成されている。貯水タンク１の上部には、外箱１３の外部に貫通した空気穴１４が設けられている。気化用水タンク１ａの下部には、気化用水逆流防止弁１１を経由して、給水管２が接続されている。気化用水逆流防止弁１１は、気化用水タンク１ａに流入する水の流れを阻止し、気化用水タンク１ａから流出する水を流すように設置される。給水管２は、給水管２を開閉する給水制御手段２ａを経由して、シリンダ６の上面に接続されている。

シリンダ６は上面が閉塞された円筒形状をしており、シリンダ６内部には、上下可動にピストン７が設けられている。シリンダ６とピストン７により、気化室１５が形成される。気化室１５を形成するシリンダ６の外部には、気化室１５を加熱するための加熱手段５が設けられている。

シリンダ６の上面には、給水管２に接続されたノズル２ｂが気化室１５内部に突出するように設けられている。また、シリンダ６の上面には、逆流防止弁３ａを介し、外箱１３の外部に貫通するように蒸気排出口３が設けられている。逆流防止弁３ａは、外箱１３の外部からの気体の流入を阻止し、気化室１５から外箱１３の外部に向かう気体を流すように設置されている。

また、ピストン７の下方には、ピストン駆動手段１０及び残水引導槽８が設置されている。ピストン駆動手段１０には、その一端が回転可能に接続されたピストン支持部材９が接続されており、ピストン支持部材９の他端が、ピストン７の下部に回転可能に接続されている。残水引導槽８は、ビストン７から排出された残水を受けるように設置され、残水導入口１２を介して残水タンク１ｂに接続されている。

図２に滞留物除去手段４の斜視図を示す。図２に示すように、滞留物除去手段４は、弾性を持つ針状又は細長い棒状の金属がリング状に連なって形成されている。図３にシリンダ６を下方から見た図を示す。図３に示すように、滞留物除去手段４は、シリンダ６の内部上面の円周部分に設置されており、ピストン７が上昇したときに、後述する残水貯留部１６の面と擦れながら、残水貯留部１６の底部まで達し、また、ピストン７が下降したときに元の形状に戻るように形成されている。

図４は、本発明実施の形態１にかかるピストン７をその直径で切断した断面図である。１６はピストン７の上面に円錐形状に形成された残水貯留部であり、残水貯留部１６をなす円錐底面の円周は、ピストン７上面の円周と一致している。
１７は残水排水路であり、残水貯留部１６の底部からピストン７の外部まで貫通して形成されている。また、残水貯留部１６の底部には、残水排水路１７の上部入口を閉塞する排水路上部閉塞部材２１が設けられている。残水排水路１７の下部出口には、残水排水路１７を閉塞する排水路下部閉塞部材２２が設けられている。ピストン７の下部には、残水排水路１７の下部出口を覆うように、図示しない保護部材が設けられ、この保護部材にてピストン支持部材９と接続されている。また、排水路下部閉塞部材２２は、図示しない制御手段に接続され、残水排水路１７を開閉可能なように設置されている。

残水排水路１７の中間部には、紙面垂直方向に残水排水路１７を貫くように支持軸２３が設けられ、支持軸２３を回転軸として回転可能なように支持棒２４が設けられている。２５は、第１の開閉棒であり、その一端が排水路上部閉塞部材２１に固定して接続され、その他端が、支持棒２４の一端に回転可能なように接続されている。また、２６は第２の開閉棒であり、その一端が排水路下部閉塞部材２２に固定して接続され、その他端が、支持棒２４の他端に回転可能なように接続されている。

次に、動作について説明する。
加湿装置を動作させると、ピストン駆動手段１０が回転する。ピストン駆動手段１０が回転することにより、ピストン支持部材９を介して、ピストン７が上下方向に運動する。ボイルの法則により、ピストン７が下方に動くと、気化室１５の容積が増えるため、気化室１５の圧力は減圧され、逆に、ピストン７が上方に動くと、気化室１５の容積が減るため、気化室１５の圧力は加圧される。

ここでピストン７が最も下の位置にきたときに、給水制御手段２ａにより、所定の短時間だけ給水管２を開放する。給水制御手段２ａは、例えば、ピストン７の上下動に連動して開閉されるように制御する。気化室１５内は減圧されて負圧になっているため、給水管２を介した貯水タンク１にかかる大気圧との圧力差により、気化用水が、ノズル２ｂを経由して気化室１５に導入される。
このとき、逆流防止弁３ａは、外気の圧力によって閉じられており、外気が気化室１５に流入することはない。

ノズル２ｂを経由した水は、ミスト状態で気化室１５に散布される。ミスト状態となった水は、加熱手段５により加熱される。ミスト状態となった水は、蒸発水表面積が増えているので、気化効率がよくなる。ここで、気化室１５は減圧されているので、水の沸点は大気圧のときよりも下がった沸点となる。従って、加熱手段５は、気化室１５の温度が、この沸点に近づくように加熱する。

図５は、水の温度と飽和蒸気圧との関係を示す図である。圧力が下がることによって、液体の水が気体の水蒸気になる温度も下がっていく。例えば、気化室１５の気圧が、０．２気圧にまで減圧される場合には、気化室１５の温度が約６０℃になるように加熱手段５にて加熱する。

なお、加熱手段５は、加熱した熱が外部に逃げないように、保温カバーを取り付けておくことが望ましい。また、ピストン７およびシリンダ６は、加熱手段５からの熱を効率的に気化室１５内に伝導するために、熱伝導率の高い金属で形成されることが望ましい。

加熱手段５により加熱されたミスト状態の水は、そのまま気化して水蒸気となり、一部は気化せずに気化室１５の側面や、ピストン７の残水貯留部１６に付着する。気化した水蒸気は、ピストン７が上昇して気化室１５が正圧になったときに、逆流防止弁３ａを通って、蒸気排出口３から外箱１３の外に排出される。一方、気化室１５の側面や残水貯留部１６に付着した水は、重力により残留水として残水貯留部１６にたまるとともに、一部は気化しスケールを残して水蒸気となって外箱１３の外に排出される。

図６は、気化室１５の側面に付着したスケール３０を除去する機構を示した模式図である。残水貯留部１６をなす円錐底面の円周が、ピストン７上面の円周と一致しているので、ピストン７が上昇する過程において、ピストン７の外縁側と気化室１５の側面とが擦れ合うことにより、気化室１５の側面に付着したスケールが除去される。除去されたスケールは、重力により残水貯留部１６の底部に貯まっていく。

なお、気化室１５の内壁には、耐熱性の撥水処理を行うことが望ましい。気化室１５の内壁に付着した水滴が、内壁に滞留することなく直ちに残水貯留部１６に落ちるようにするためである。

図７は、残水貯留部１６に貯まったスケールの固着を防ぐ機構を示している。滞留物除去手段４は弾性を持っているので、ピストン７が上昇するにつれて、残水貯留部１６の外縁部から中央底部まで、その先端部が円錐面を擦りスケールの固着を防ぐ。また、ピストン７が下降したときには、残水貯留部１６の中央底部から外延部まで、その先端部が円錐面を擦りスケールの固着を防ぐとともに、ピストン７と滞留物除去手段４とが接触しなくなると、滞留物除去手段４は元の形状に戻る。

一方、残水貯留部１６には、気化しなかった水が残留水として貯まっていく。このとき、上述したように、気化室１５の温度は低く設定することができるので、残水貯留部１６に析出するスケールを低減することが出来る。これを図８により説明する。

図８はスケールの原因となる水中難溶成分代表の一つ炭酸カルシウム（CaCO3）の溶解度を示すグラフである。温度が高ければ高いほど水中難溶成分が析出しやすくなる傾向を示している。炭酸カルシウムの場合、特に水温が100℃になると、水中に溶けた炭酸カルシウムはすべて析出してしまう。つまり、大気圧で水を加熱気化させる場合には、確実に炭酸カルシウムが析出してしまうことになる。そこで、上述したように、例えば、気化室１５の気圧を０．２気圧まで減圧すれば、図５より、約６０℃で水が気化することになるので、炭酸カルシウムの析出を低減することが出来る。

次に、残水貯留部１６に貯まった残留水を排出する機構について説明する。
図９は、残水排水路１７の開放状態を示す図であり、図４にて、図示しない制御手段により、排水路下部閉塞部材２２が下方に動かされた状態を示した図である。排水路下部閉塞部材２２が下方に動かされることにより、第２の開閉棒２６を介して接続されている支持棒２４の右端が下方に動かされる。支持棒２４は支持軸２３を軸に回転可能に設置されているので、支持棒２４の左端は上方に動かされる。支持棒２４の左端が上方に動かされると、これに連動して第１の開閉棒２５は上方に動き、第１の開閉棒２５に固定して接続されている排水路上部閉塞部材２１が上方に動かされる。排水路上部閉塞部材２１が上方に動かされることにより、残水貯留部１６と残水排水路１７が連通状態となり、残水貯留部１６に貯まった残留水は、重力により残水排水路１７を通ってピストン７の外に排出される。

残留水排出路１７を閉塞するときは、上記と逆の動作により閉塞させる。

加湿装置の運転停止時には、上記の動作により気化室１５内の残水を全て排出するとともに、さらに新鮮な気化用水を気化室１５内に導入して、洗浄動作をさせることが望ましい。

また、上記では、加熱手段５により気化室１５を加熱する構成としたが、加熱手段５を動作しない運転とすることもできる。このように運転することにより、ノズル２ｂからは新鮮な水が気化室１５に供給されることになり、気化室１５内を新鮮な水で洗浄することが出来る。

なお、排水路上部閉塞部材２１は、気化室１５が加圧された場合に、気化室１５内の空気が残留水路排出路１７に流出するのを防ぐため、上部が広く下部が狭い台状円錐形状とすることが望ましい。また、排水路下部閉塞部材２２は、気化室１５が負圧の場合に、外部空気が気化室１５に流入するのを防ぐため、下部が広く上部が狭い台状円錐形状とすることが望ましい。

ピストン７の外に排出された残留水は、残水引導槽８を伝い、残水導入口１２を経由して、残水タンク１ｂに貯まる。残水タンク１ｂに貯まった残留水は、気化用水タンク１ａに水を補給する時などの任意のタイミングで排出する。また、残水引導槽８を伝った残留水をそのまま外箱１３の外に排出する構成としてもよい。

実施の形態１によれば、気化室１５を減圧することにより、より低い温度で水を気化させることができるとともに、残水貯留部１６に貯まった残水のスケール析出を低減することが出来る。また、ミスト上にした水を気化室１５内に導入することにより、気化効率を高めることが出来る。また、ピストン７の上昇時に気化室１５の側面に付着したスケールを除去することにより、加熱効率が低下するのを防ぐことができる。また、除去されたスケールは、残留水とともに残水貯留部１６に貯まるが、シリンダ６の上面に設けた滞留物除去手段４により、残水貯留部１６を洗浄することで、スケールの固着を防ぐことが出来る。また、残水貯留部１６に貯まった残留水を排出する機構を設けたことにより、不純物が濃縮された水が貯まるのを防ぐことができる。

蒸気排気口３から排気された加湿空気は、低温にもかかわらず蒸留された水なので、安全清潔な加湿空気が得られる。また、気化室１５が密閉され、気化室１５中の水量も少なく、さらに、より低い温度で水を気化させることができるので、加湿装置が転倒した場合でも、熱湯がこぼれてやけどするおそれを小さくすることが出来る。また、ピストン７の運動で発生した熱は、水の気化熱としても利用することができ、加熱手段５の加熱量を少なくすることが出来る。また、ピストン７の上下運動で、気化室１５の加減圧を行うので、真空ポンプを用いる必要がない。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、一例として、給水制御手段２ａをピストン７の上下動に連動して開閉制御する構成としたが、外箱１３の外部に図示しない湿度センサーを設置し、その湿度センサーの情報に基づき、給水制御手段２ａの開閉制御を行う構成とすることもできる。このような構成とすることで、加湿装置の使用環境に適した量の加湿空気を生成することが出来る。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、外箱１３の外部に設けたセンサーの情報に基づいて、給水制御手段２ａの開閉制御を行う構成としたが、いずれも図示しない温度センサー、湿度センサー、気圧センサーのいずれか１以上のセンサーを気化室１５内に設け、このセンサーの情報に基づいて給水制御手段２ａにて開閉制御する構成とすることも出来る。このような構成とすることで、気化室１５の状態に適した量の加湿用水を気化室１５に導入することが出来る。

実施の形態４．
上記加湿装置に、いずれも図示しない積算運転時間カウンター、加湿用水積算流量カウンター等加湿装置の運転履歴を記憶するカウンターと、周囲環境の湿度感知センサー、気化室１５内に温度、圧力センサーを設ける構成とすることも出来る。これらのカウンター及びセンサーの組合せで、常に加湿装置の状態を把握し、音声或いは表示でユーザに告知することで、ユーザに加湿装置のメンテナンスを促すことが出来る。また、外部からの操作、制御がない場合、自動モードに入り、洗浄モードに入るか、加湿装置を強制に停止させることもできる。

図１０は加湿装置のメンテナンス制御フローの一例を示す。累積時間（例えば９０００時間）以下であれば、経年劣化がないと判断する場合の例を示している。図１０の場合、ピストン駆動手段１０であるモーターは加湿装置のメイン動力源であり、モーター運転時、機体温度上昇によって、モーターは正常であるかどうかを判断できる。
モーター運転時、停止時の温度より５０℃〜１００℃高ければ、モーターの物理的な劣化が見られ、処置が必要であるとユーザに告知する。
気化水の積算流量は運転開始からカウントして、一定の使用量（例えば３００ｈ相当）になると、気化室１５内の気化用水が濃縮過ぎないように、自動洗浄モードに入り、減圧加熱気化室１５内部を水で洗浄する。
また、減圧加熱気化室１５の温度、圧力を感知できるセンサーも搭載している。加湿装置心臓部分の状態を常に把握し、ユーザに告知する。

実施の形態５．
上記実施の形態１から５では、気化室１５が１つの構成としていたが、シリンダ６及びピストン７の組を複数設けるような構成とすることも出来る。このような構成とすることで大量の加湿空気を供給することが出来る。

１ 貯水タンク
１a 気化用水タンク
１b 残水タンク
２ 給水管
２a 給水制御手段
２b ノズル
３ 蒸気排出口
３a 逆流防止弁
４ 滞留物除去手段
５ 加熱手段
６ シリンダ
６ａ シリンダ側面
７ ピストン
８ 残水引導槽
９ ピストン支持部材
１０ ピストン駆動手段
１１ 気化用水逆流防止弁
１２ 残水導入口
１３ 外箱
１４ 空気穴
１５ 気化室
１６ 残水貯留部
１７ 残水排水路
２１ 排水路上部閉塞部材
２２ 排水路下部閉塞部材
２３ 支持軸
２４ 支持棒
２５ 第１の開閉棒
２６ 第２の開閉棒
３０ 気化室１５の側面に付着したスケール

Claims (12)

1. シリンダと、前記シリンダ内に上下動可能に設けられ、前記シリンダとともに気化室を区画形成するピストンと、からなる蒸気生成手段と、
   前記気化室を加熱する加熱手段と、
   前記ピストンを上下方向に往復運動させるピストン駆動手段と、
   気化用水を前記気化室内に導く給水管と、
   前記給水管に接続され前記気化室内に前記気化用水を噴出するノズルと、
   前記給水管内に設けられ、前記気化用水の前記気化室内への給水量を制御する給水制御手段と、
   逆流防止手段が設けられ、前記蒸気生成手段により生成された蒸気を前記気化室の外部に排出する排出口と、
   を備え、
   前記ピストンは、前記ピストン上面に前記シリンダと接する周縁部が鋭角をなすよう凹状に形成された残水貯留部と、前記残水貯留部の底部に形成された残水排水路と、前記残水排水路を開閉する開閉手段と、を有したことを特徴とする加湿装置。
2. 前記シリンダ内には滞留物除去手段が設置され、前記ピストンの上下移動に伴い、前記滞留物除去手段が前記残水貯留部の周面を摺接するようにした請求項１記載の加湿装置。
3. 前記開閉手段は、前記残水排水路を開閉する２つの閉塞部材を備え、２つの前記閉塞部材が、互いに同一の開閉動作をする請求項１乃至２いずれか記載の加湿装置。
4. 前記開閉手段は、２つの前記閉塞部材を連結させた開閉機構を備えた請求項３記載の加湿装置。
5. 前記開閉機構は、前記残水排水路内に固定して形成された支持軸と、前記支持軸に回転可能に接続された支持棒と、前記支持棒の一端に回転可能に接続されるとともに前記閉塞部材の一方に固定して接続される開閉棒と、前記支持棒の他端に回転可能に接続されるとともに前記閉塞部材の他方に固定して接続される開閉棒と、を備えた請求項４記載の加湿装置。
6. 前記滞留物除去手段は、前記シリンダの上面周縁に沿って設けられた請求項２記載の加湿装置。
7. 前記滞留物除去手段は、弾性を有する針状ないし細長い棒状の金属により構成された請求項６記載の加湿装置。
8. 前記残水貯留部は逆円錐形状をしている請求項１乃至７いずれか記載の加湿装置。
9. 前記給水制御手段を内部に備えた外箱の外に湿度センサーを設け、前記湿度センサーの情報に基づき、前記給水制御手段を制御する請求項１乃至８いずれか記載の加湿装置。
10. 前記気化室内に、温度センサー、湿度センサー、気圧センサーのいずれか１以上のセンサーを設け、これらセンサーの情報に基づき、前記給水制御手段を制御する請求項１乃至９いずれか記載の加湿装置。
11. 前記加湿装置の運転履歴を記憶するカウンターと、前記加湿装置の運転状況をユーザに知らせる表示部または音声出力部とを備えた請求項１０記載の加湿装置。
12. 前記シリンダおよび前記ピストンを複数組備え、複数の前記気化室を備えた請求項１乃至１１いずれか記載の加湿装置。

Images