JP2007178330A - オゾン水濃度測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】静止したオゾン水中や流速の変化するオゾン水中でも、オゾン濃度の変化に迅速に追従して、極めて正確に測定でき、また、電極表面への微粒子の付着を防止することのできるオゾン水濃度測定器を提供する。
【解決手段】オゾン水濃度測定器１００は、超音波を発生する超音波振動子２の変移端に、検出電極３及び比較電極４が設けられ、超音波振動子２に所定周波数の電力を供給して振動させるとともに、検出電極３及び比較電極４をオゾン水に浸すことによって発生する起電力からオゾン水のオゾン濃度に比例した電気信号を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、オゾン水中のオゾン濃度を検出するオゾン水濃度測定器に関する。

オゾン水は、その殺菌性や脱臭性、さらに細胞に与える活性などの多くの分野における寄与が認められ、さらに気体オゾンは呼吸器への影響がないことから、産業用を初め医療や介護などの分野で広く利用されている。しかしながら、オゾン水のオゾン濃度は短時間で減衰することから、使用する現場においての濃度の指示と確認が強く要求されている。従来、オゾン水の濃度検量法としては、ヨウ化カリウム等の検定薬の色変化を見る滴定法が主流であったが、薬品や精密なピペットを必要とし、実験室では利用することができるが、一般のオゾン水利用現場では煩雑で実用することができなかった。そのため、オゾン水の紫外線吸収率を調べるＵＶ吸収法があるが、ＵＶ吸収法は大型で煩雑であり、簡易に濃度を表示する目的には不向きであった。
そこで、発明者等は簡単にオゾン水濃度を電気信号に変換する電極法を考案し、この電極法が実用化されている。電極法は流動しているオゾン水流中に検出電極と比較電極を浸し、検出電極を金又は白金で構成し、比較電極を銀又は塩化銀によって構成し、両電極間にオゾン濃度に比例した電圧変化を得るものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１３６５０１号公報

ところで、上述のようにオゾン水の用途が広まるに従い、オゾン水のオゾン濃度の常時指示を簡単に行いたいという要求が増えてきている。例えば、オゾン水の皮膚科領域治療において、病棟に大きなオゾン水生成器を設置し、火傷や皮膚病の治療に際して、数リットルの容器に小分けして治療室や病室にオゾン水を運んで使用する場合、容器にオゾン水濃度指示器があれば使用時に必要な濃度があることを確認できる等の便利な用法を実用化することができる。さらに、流行が予想されているインフルエンザ予防の決め手とされるオゾン水によるうがいにしても、常時オゾン水濃度の確認ができる小型のオゾン水生成器があれば、普及することは明白である。
そこで、発明者等は、上記特許文献１に記載の電極法による測定器を試みたが、流速をもつオゾン水中に電極を浸し、電極と流れるオゾン水流との相対速度が適当でないと正確なオゾン水濃度を検出することは困難であり、静止したオゾン水中のオゾン水濃度測定には適さなかった。また、連続長期間運転した場合、電極の表面にオゾン水中のカルシウムやマグネシウム等が付着して感度が低下するなどの難点があることが判明した。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、静止したオゾン水中や流速の変化するオゾン水中でも、オゾン濃度の変化に迅速に追従して、極めて正確に測定でき、また、電極表面への微粒子の付着を防止することのできるオゾン水濃度測定器を提供することを目的としている。

発明者等は、静止しているオゾン水中に挿入した電極式センサとオゾン水の接触界面に絶えずオゾン水の入れ替えを起こさせるための変移生成の目的と、さらに電極表面に付着しようとするカルシウム等の微粒子の付着防止を兼ね、電極式センサに超音波振動を付加する目的の実験を繰り返したが、現在市場に出回っている加湿器などの使用されている小形超音波トランスデューサーは５００ｋＨｚ以上のものが多く、このような高い超音波をオゾン水に付加すると、キャビテーション現象によりオゾン水中よりオゾンが分解分離してしまい、実用に供することが不可能であることを知った。そのため、周波数領域を低い方にとり、実験を重ねた結果、比較的低域の周波数帯域を利用すれば、水の移動及び電極へのカルシウム等の付着防止に利用できることが判明した。さらに、超音波トランスデューサーについても通常多く使われている円板型のものよりも、二枚の振動子を位相を変えて貼り合わせたランジュバン型超音波振動子の先端部に検出電極及び比較電極を設ければ、十分な振幅を取ることができ、本発明の目的を達成することがわかった。

そこで、上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば、図１に示すように、
超音波を発生する超音波振動子２と、
前記超音波振動子の変移端に設けられた検出電極３及び比較電極４とを備え、
前記超音波振動子を振動させるとともに、前記検出電極及び比較電極をオゾン水に浸すことによって発生する起電力からオゾン水のオゾン濃度に比例した電気信号を得ることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、超音波振動子の変移端に、検出電極及び比較電極が設けられ、超音波振動子を振動させることにより、オゾン水中に浸した検出電極及び比較電極が定常的に変位振動し、オゾン水と電極間に連続した変位接触を起こすことができる。そのため、従来に比して安定した電気信号を取り出すことができ、静止したオゾン水中や流速の変化するオゾン水中でもオゾン濃度の変化に迅速に追従して、オゾン濃度を極めて正確に測定することができる。
また、検出電極及び比較電極の超音波振動により、各電極表面へのカルシウムやマグネシウム等の微粒子の付着を防止することができ、長時間の連続運転においても微粒子の付着による測定性能の低下を抑制することができる。

請求項２の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１に記載のオゾン水濃度測定器１００において、
前記超音波振動子がランジュバン型超音波振動子であることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、超音波振動子がランジュバン型超音波振動子であるので、耐オゾン性に優れ、オゾンによる酸化を防ぐことができる。また、弾性にも富み、十分な振幅を取ることができ、検出性能を向上させることができる。
また、ランジュバン型超音波振動子を使用することにより、構造が単純で、扱い易く、製作も簡易となる。

請求項３の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１又は２に記載のオゾン水濃度測定器において、
前記検出電極が金製又は白金製であることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、検出電極が金製又は白金製であるので、オゾン水のオゾン濃度の変化に迅速に追従することができ、信頼性の高いオゾン水濃度測定器とすることができる。

請求項４の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜３のいずれか一項に記載のオゾン水濃度測定器において、
前記比較電極が塩化銀を被覆した銀製であることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、比較電極が塩化銀を被覆した銀製であるので、オゾン水のオゾン濃度の変化に迅速に追従することができ、信頼性の高いオゾン水濃度測定器とすることができる。

請求項５の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜４のいずれか一項に記載のオゾン水濃度測定器において、
前記検出電極及び比較電極の表面洗浄時には、オゾン水のオゾン濃度測定時に比して、高出力で超音波振動子を振動させることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、表面洗浄時には、オゾン濃度測定時に比して高出力で超音波振動子を振動させるので、各電極の表面へのカルシウムやマグネシウム等の微粒子の付着を確実に防止することができる。

請求項６の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１〜４のいずれか一項に記載のオゾン水濃度測定器において、
前記検出電極及び比較電極の表面洗浄時には、オゾン水のオゾン濃度測定時の周波数より高い周波数で超音波振動子を振動させることを特徴とする。

請求項６の発明によれば、表面洗浄時には、オゾン濃度測定時の周波数より高い周波数で超音波振動子を振動させるので、各電極の表面へのカルシウムやマグネシウム等の微粒子の付着を確実に防止することができる。

本発明によれば、超音波振動子の変移端に、検出電極及び比較電極が設けられているので、超音波振動子を振動させることにより、オゾン水と電極間に連続した変位接触を起こすことができ、静止したオゾン水中や流速の変化するオゾン水中でも安定して電気信号を得ることができる。したがって、オゾン濃度の変化に迅速に追従し、極めて正確で信頼性の高いオゾン水濃度測定器とすることができる。
また、検出電極及び比較電極の超音波振動により、各電極の表面への微粒子の付着を防止でき、長時間の連続運転でも性能が低下することなく測定することができる。
さらに、極めて小型であり、超音波発生に要する電力も少ないので、電池駆動又は太陽電池の微弱な電力でも運転でき、例えば非常災害用の雨水貯蔵槽のオゾン水による殺菌の監視や、医療や介護用のオゾン水容器のオゾン濃度の常時監視など多くの用途に利用することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１(a)は、本発明の実施の形態におけるオゾン水濃度測定器１００を模式的に示した側面図、(b)は、(a)の要部拡大図である。
本発明に係るオゾン水濃度測定器１００は、水槽１内に満たされたオゾン水のオゾン濃度を測定する測定器であって、超音波を発生する超音波振動子２と、超音波振動子２の変移端（下端部）に設けられた検出電極３及び比較電極４と、超音波振動子２に所定周波数の電力を供給して振動させる発信電源５とを備えている。

超音波振動子２としては、ランジュバン型超音波振動子を使用する。具体的には、二枚の振動子２１a，２１bが互いに平行となるように張り合わされて構成されているもので、二枚の振動子２１a，２１bの上端部が後述の測定器本体６に固定され、下端部が振動自在な変移端とされている。このような振動子２１a，２１bには、従来はロッセル塩などが使用されたが、現在ではチタン酸バリウムやジルコン酸塩など焼成によるものが実用されており、オゾン水に対する耐性もある点で好ましい。特に、シリコンやテフロン（登録商標）の薄膜で被覆すれば長年オゾン水中で使用することが可能となる。
そして、超音波振動子２に電流を印加することによって一方の振動子２１aが伸びるとともに他方の振動子２１bが縮み、下端部ほど振幅が大きくなる構造となっている。本発明ではこのような振動子２１a，２１bの曲がる現象を利用している。
また、一方の振動子２１aの下端部には検出電極３が固定され、他方の振動子２１bの下端部には比較電極４が固定されている。

検出電極３としては、例えば、オゾン濃度の変化に迅速に追従することのできる白金や金、表面にオゾン酸化膜を形成したニッケル・クロム合金、また、パラジウム（例えば０．５％以上５％以下）を含有して表面にオゾン酸化膜を形成したニッケル・クロム・パラジウム合金等からなる電極を使用することが好ましい。特に比較的低濃度の、例えば０〜５ｐｐｍの範囲においては上記ニッケル・クロム合金を好適に使用することができ、それ以上の高濃度の範囲においては上記ニッケル・クロム・パラジウム合金を使用することが好ましい。
比較電極４としては、銀の表面に塩化銀被覆した電極を使用することが好ましい。検出電極３及び比較電極４は、各種金属を直線状に形成したものを使用することができる。
このような検出電極３及び比較電極４は、各振動子の下端部に互いに平行となるように取り付けられている。
また、検出電極３の一方の端部には、電流計（図示しない）の正極に結線され、比較電極４の一方の端部には、電流計の負極に結線され、電流計にはその測定値がオゾン水の濃度に合うように指示された濃度指示計７が設けられている。

測定器本体６は、その下端部に、超音波振動子２の上端部を挟持する軸受け７が設けられている。軸受け７は、超音波振動子２の上端部が挿入される凹部７１を有し、この凹部７１を形成する互いに対向する壁面７２，７２から超音波振動子２側に向けてそれぞれ突出する一対の挟持部材７３，７３により構成されている。両挟持部材７３，７３は、外側に開くことができるように弾性を有する樹脂製のものが好ましく、壁面７２，７２に一体に形成されている。そして、このような両挟持部材７３，７３を外側に開いた状態で、両挟持部材７３，７３間に超音波振動子２の上端部を挿入させるとともに、挟持部材７３，７３で挟持させることによって、下端部を可動自在に支持させている。

また、測定器本体６には、超音波振動子２に所定の振動を起こすための発信電源５が設けられている。なお、オゾン濃度測定時には３０〜５０ｋＨｚの比較的低域の超音波を使用し、電極３，４表面の洗浄時にはオゾン濃度測定時の３倍又は５倍の高域に属する周波数を使用するものである。

以上の構成からなるオゾン水濃度測定器１００を、水槽１内のオゾン水に超音波振動子２の下端部を浸して検出電極３及び比較電極４をオゾン水に接触させる。次いで、超音波振動子２にパルス電流を印加して駆動させることにより、超音波振動子２が定常的に変位し、検出電極３及び比較電極４とオゾン水との間に連続した変位接触が与えられる。これによって起電力が発生し、オゾン水のオゾン濃度に比例した強さの安定した電気信号を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態によれば、超音波振動子２の下端部に、検出電極３及び比較電極４が設けられ、超音波振動子２にパルス電流を印加して振動させることにより、オゾン水中に浸した検出電極３及び比較電極４が定常的に変位振動し、オゾン水と電極３，４間に連続した変位接触を起こすことができるので、静止したオゾン水中や流速の変化するオゾン水中でも安定して電気信号を得ることができ、オゾン水のオゾン濃度を極めて正確に測定することができる。
また、検出電極３及び比較電極４が超音波振動することから、各電極３，４表面へのカルシウムやマグネシウム等の微粒子の付着を防止することができ、長時間の連続運転においても微粒子の付着による測定性能の低下を抑制することができる。
また、超音波振動子２としてランジュバン型超音波振動子を使用しているので、耐オゾン性に優れ、オゾンによる酸化を防ぐことができる。また、弾性にも富み、十分な振幅を取ることができ、検出性能を向上させることができる。また、構造も単純となり、扱い易く、製作も簡易となる。
さらに、表面洗浄時には、オゾン濃度測定時に比して投入電流を上げて高出力とするか、あるいは、高周波数で超音波振動子２を加振させることにより、各電極３，４の表面へのカルシウムやマグネシウム等の微粒子の付着を確実に防止することができる。

次に、本発明のオゾン水濃度測定器１００による効果について実施例を挙げて説明する。
［実施例］
図１に示す超音波振動子２には、幅３ｍｍ、厚み約１ｍｍ、長さ３５ｍｍのジルコン酸塩の焼成片が二枚貼られているランジュバン型超音波振動子を使用し、その下端部に太さ１ｍｍの金線を検出電極３として設け、さらに、太さ１ｍｍの銀線に塩化銀加工をしたものを比較電極４として、これら検出電極３及び比較電極４を互いに平行となるように固定した。このような超音波振動子２は約５０ｋＨｚに共振点があるので、発信電源５よりパルス電流を供与したところ、非常に少ない電流で振動を開始でき、１ｐｐｍ当たり約１５μＡの出力を得ることができた。
一方、比較として、発信電源５の電源を切断し、超音波振動子２を静止状態としたところ、電流値が急激に減少し、数μＡの出力が不安定に推移した。これは明らかに電極３，４の界面にイオン・クラウドと称するイオン停滞部が発生して起電を妨げていることが原因であり、本発明のように超音波振動子２の先端の微細振動がイオン・クラウドの発生を防止し、安定したオゾン濃度と比例した起電が可能となることが認められる。
さらに、水槽１中に約二週間、オゾン水濃度測定器１００を静止状態で放置したところ、オゾン水濃度測定器１００を起動しても出力が約７０％に落ちる現象が観察されたので、顕微鏡で電極３，４を調べたところ、電極３，４の表面にカルシウムの白い汚染が見られた。そこで、これを超音波振動で除去する実験を行ったところ、投入電流を上げて振幅を大きくする方法でも除去することができたが、さらに、基本共振点（５０ｋＨｚ）の３倍の１５０ｋＨＺの加振で、急速に付着物が脱落し、電極、特に検出電極３の金線がもとの光輝状となり、同時に出力も回復することが観察された。
以上の結果から、上述した本発明の効果が明らかに認められる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
上記実施の形態において、軸受け７として一対の挟持部材７３を使用したが、図２に示すピボットを使用しても良い。ピボットとしては、例えば、先端の尖った側面視略山形状のピボット７３Ａや棒状のピボット（図示しない）等が挙げられる。このようなピボット７Ａは、例えば、測定器本体６Ａの下端部に形成されて、超音波振動子２Ａの上端部が挿入される凹部７１Ａを形成する互いに対向する壁面７２Ａ，７２Ａにそれぞれ取り付け、超音波振動子２Ａの上端部に形成された挿入穴２２Ａにピボット７３Ａの先端を挿入し、これによって超音波振動子２Ａの上端部を挟持するとともに超音波振動子２Ａの下端部を可動自在に支持させるようにする。
その他、上記ピボット７Ａ以外に図３に示すように、シリコンゴムや樹脂等のパッキン材７３Ｂを使用しても良い。パッキン材７３Ｂを使用することにより、超音波振動子２Ｂを柔らかく保持することができ、また、上述のように超音波振動子２Ａの上端部にピボット用の挿入穴２２Ａを形成する必要もない点で好ましい。パッキン材７３Ｂは、測定器本体６Ｂの凹部７１Ｂを形成する互いに対向する壁面７２Ｂ，７２Ｂ間にそれぞれ取り付け、超音波振動子２の表面をパッキン材７３Ｂ，７３Ｂ間に挿入して、その上端部を挟持するようにすれば良い。
なお、図２及び図３において、図１と同様の構成部分には英字のみを変更して同様の数字を付している。

また、上述した濃度指示計７は測定器本体６と別体としているが、小型化のため、これら濃度指示計７を測定器本体６内に組み込むように構成しても構わない。
さらに、検出電極３，３Ａ，３Ｂ及び比較電極４，４Ａ，４Ｂは、直線状の電極としたが、例えば各種金属線をコイル状に巻いたものを使用しても良い。この場合、各電極の表面積が大きくなるので、出力が大きく安定した起電力を得ることができ、アナログ又はデジタルの表示機器を駆動することができる。また、各電極３，３Ａ，３Ｂ，４，４Ａ，４Ｂの金属材料の使用量を少なくすることができる。その他、板状の電極としても構わない。

本発明の実施の形態を示すためのもので、(a)は、オゾン水濃度測定器１００を模式的に示した側面図、(b)は、(a)におけるオゾン水濃度測定器１００の要部を示した拡大図である。 変形例を示すためのもので、オゾン水濃度測定器１００Ａの要部を示した拡大図である。 変形例を示すためのもので、オゾン水濃度測定器１００Ｂの要部を示した拡大図である。

符号の説明

２ 超音波振動子
３ 検出電極
４ 比較電極
１００ オゾン水濃度測定器

Claims (6)

1. 超音波を発生する超音波振動子と、
   前記超音波振動子の変移端に設けられた検出電極及び比較電極とを備え、
   前記超音波振動子を振動させるとともに、前記検出電極及び比較電極をオゾン水に浸すことによって発生する起電力からオゾン水のオゾン濃度に比例した電気信号を得ることを特徴とするオゾン水濃度測定器。
2. 前記超音波振動子がランジュバン型超音波振動子であることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水濃度測定器。
3. 前記検出電極が金製又は白金製であることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン水濃度測定器。
4. 前記比較電極が塩化銀を被覆した銀製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のオゾン水濃度測定器。
5. 前記検出電極及び比較電極の表面洗浄時には、オゾン水のオゾン濃度測定時に比して、高出力で超音波振動子を振動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のオゾン水濃度測定器。
6. 前記検出電極及び比較電極の表面洗浄時には、オゾン水のオゾン濃度測定時の周波数より高い周波数で超音波振動子を振動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のオゾン水濃度測定器。

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