JP2013123667A - 水素水生成システム及び水素水生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素水の溶存水素濃度を維持したまま、長期間保存することができる、水素水を生成する水素水生成システム及び水素水生成方法を提供すること。
【解決手段】水素水生成システム１は、水素を水に溶解させて水素水を生成する水素水生成システム１であって、水を加熱する水加熱部４と、水素を供給する水素供給部７と、上記水加熱部４により加熱された水に、上記水素供給部７により供給された水素を、溶解して水素水を生成する水素溶解部８と、上記水素溶解部８により生成された水素水を冷却する水素水冷却部９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素水を生成する水素水生成システム及び水素水生成方法に関する。

近年、水に水素を溶解させた水素水は、その高い還元性により、酸化防止剤として使用されることにより、金属等の酸化や食品等の腐敗を抑制する効能を有するものとして、また、飲用水として使用されることにより、病気や老化の原因物質とされる体内の活性酸素を消滅させる効能を有するものとして、注目されている。

このような水素水を生成する方法としては、例えば、ガスボンベからの水素或いは水の電気分解により発生した水素を、マイクロバブル製造機などにより微細気泡化し、微細気泡となった水素と水を攪拌する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−８５９４９号公報

ここで、水素水は、飲用水等の用途で用いられる際は、特に長期間の保存を要されるものである。しかしながら、従来技術で生成した水素水は、酸素などが透過されることにより溶存水素濃度が低下してしまうため、これに伴って所要の還元性を維持したまま長期間の保存をすることが出来ないという問題が生じていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水素水の溶存水素濃度を維持したまま、長期間保存することができる、水素水を生成する水素水生成システム及び水素水生成方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の水素水生成システムは、水素を水に溶解させて水素水を生成する水素水生成システムであって、水を加熱する水加熱手段と、水素を供給する水素供給手段と、上記水加熱手段により加熱された水に、上記水素供給手段により供給された水素を、溶解して水素水を生成する水素溶解手段と、上記水素溶解手段により生成された水素水を冷却する水素水冷却手段とを備える。

請求項２に記載の水素水生成システムは、請求項１に記載の水素水生成システムにおいて、上記水加熱手段は、水の温度を５０℃から６０℃の範囲に加熱し、あるいは、上記水素水冷却手段は、水の温度を５℃から１０℃の範囲に冷却する。

請求項３に記載の水素水生成システムは、請求項１又は２に記載の水素水生成システムにおいて、上記水素溶解手段は、上記水加熱手段により加熱された水と、上記水素供給手段により供給された水素と、を攪拌し溶解することにより水素水を生成する。

請求項４に記載の水素水生成システムは、請求項１から３のいずれか一項に記載の水素水生成システムにおいて、水素溶解手段により水素水が生成される前の水に磁場を印加する磁場印加手段を備える。

請求項５に記載の水素水生成システムは、請求項１から４のいずれか一項に記載の水素水生成システムにおいて、水素溶解手段により水素水が生成される前の水に電場を印加する電場印加手段を備える。

請求項６に記載の水素水生成方法は、水素を水に溶解させて水素水を生成する水素水生成方法であって、水を加熱する水加熱工程と、水素を供給する水素供給工程と、上記水加熱工程において加熱された水に、上記水素供給工程において供給された水素を、溶解して水素水を生成する水素溶解工程と、上記水素溶解工程において生成された水素水を冷却する水素水冷却工程とを含む。

請求項１に記載の水素水生成システム、あるいは、請求項６に記載の水素水生成方法によれば、水を加熱することでその分子間力を低下させた状態で水素を溶解させ、その後に水を冷却することでその分子間力を高めて水素を保持させることができるので、水素水の溶存水素濃度を維持したまま、長期間保存することができる水素水を生成することができる。

請求項２に記載の水素水生成システムによれば、水に含まれる栄養素の健康促進機能を低下させたり、水素水のハンドリング性を損ねたりすることがない範囲において、水の分子間力を最大限に低下又は上昇させることができる。

請求項３に記載の水素水生成システムによれば、水と水素を攪拌し溶解することで、加圧減圧法等の他の方法で水素水を生成する場合に比べて、簡易な装置を用いて低コストで水素水を生成することができる。

請求項４に記載の水素水生成システムによれば、水に磁場を印加することにより、水の分子間力を低下させ、水素分子が結合しやすい状態に変えることができ、水素水の溶存水素濃度を維持したまま、一層長期間保存することができる水素水を生成することができる。

請求項５に記載の水素水生成システムによれば、水に電場を印加することにより、水の分子間力を低下させ、水素分子が結合しやすい状態に変えることができ、水素水の溶存水素濃度を維持したまま、一層長期間保存することができる水素水を生成することができる。

本実施の形態に係る水素水生成システムの構成を概念的に示すブロック図である。 水加熱部の側断面図である。 磁場印加部の内管と直交する面を切断面とした断面図である。 電場印加部の概要図である。 水素水冷却部の側断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る水素水生成システムの実施の形態を詳細に説明する。まず、〔Ｉ〕実施の形態の基本的概念を説明した後、〔II〕実施の形態の具体的内容について説明し、〔III〕最後に、実施の形態に対する変形例について説明する。ただし、実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

〔Ｉ〕実施の形態の基本的概念
まず、実施の形態の基本的概念について説明する。本実施の形態に係る水素水生成システムは、水素を水に溶解させて水素水を生成するシステムである。「水素水」とは、水素分子を溶存した水をいう。

本実施形態に係る水素水生成システムにより生成される水素水の用途は、任意であるが、本実施形態では飲用用途とした場合について説明する。

この水素水生成システムの特徴の一つは、概略的に、水を加熱する水加熱手段と、水素水を冷却する水素水冷却手段を備えていることにある。このことにより、水を加熱することでその分子間力を低下させた状態で水素を溶解させ、その後に水を冷却することでその分子間力を高めて水素を保持させることができ、水素水の溶存水素濃度を維持したまま、長期間保存することができる水素水を生成することができる。

〔II〕実施の形態の具体的内容
次に、本発明に係る実施の形態の具体的内容について説明する。

（構成）
図１は、本実施の形態に係る水素水生成システムの構成を概念的に示すブロック図を示している。水素水生成システム１は、水供給部２、ろ過部３、水加熱部４、磁場印加部５、電場印加部６、水素供給部７、水素溶解部８、水素水冷却部９、検査部１０、充填部１１、及びこれらを繋ぐ配管Ｌ１〜Ｌ１０を備えている。以下各部について詳細に説明する。

（構成−水供給部２）
水供給部２は、本実施の形態で生成する水素水の原料となる水を供給する、水供給手段である。本実施の形態で使用される水としては、任意の種類や成分の水を使用することができ、例えば、水道水や地下水等を使用することができる。なお、水供給部２は配管Ｌ１と接続されている。

（構成−ろ過部３）
ろ過部３は、水をろ過処理することにより飲用に適した水を生成するろ過手段である。このろ過部３の具体的構成は任意であり、例えば、ナノフィルター（ＮＦ膜）や逆浸透膜（ＲＯ膜）などのろ過膜を用いたろ過構造を採用することができ、このろ過膜に水を通水させることで水のカビ臭除去処理や脱塩素処理を行うことが可能である。ろ過部３はその上流において配管Ｌ１と接続されており、その下流において配管Ｌ２と接続されている。また、この配管Ｌ２は途中で配管Ｌ３に分岐しており、配管Ｌ３は水素供給部７に接続されている。

（構成−水加熱部４）
水加熱部４は、水を加熱する水加熱手段である。このように水を加熱するのは、通水する水の分子間力を低下させ、水素分子が結合しやすい状態に変えるためであり、また、通水する水を殺菌するためである。この水加熱部４の構成は任意であり、例えば、図２の水加熱部４の側断面図に示すように、断熱筐体４１、内管４２、面状ヒーター４３、及び支持部４４を備えて構成される。

断熱筐体４１は、水加熱部４を構成する部品を包含する、水加熱部４の外郭であり、中空の円筒体として形成されている。この断熱筐体４１の構成素材としては、面状ヒーター４３の加熱温度に耐えられ、断熱性を有するものであれば特に制限されることはなく、例えば、シリコーン樹脂、テフロン（登録商標）樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。

内管４２は、水を通水するための管であり、断熱筐体４１の内部において当該断熱筐体４１の軸芯と同芯状に配置された、中空の円筒体として形成されている。この内管４２は、後述の面状ヒーター４３等によりその外周面を加熱され、その熱を内管４２の内部の水に伝導する部分であるため、伝熱性の高い素材で形成される事が望ましい。なお、内管４２は、その上流において配管Ｌ２と接続されており、その下流において配管Ｌ５と接続されている。

面状ヒーター４３は、内管４２を通水する水を加熱する加熱機器であり、断熱筐体４１の内周面に密着する面状の通電板として形成されている。この面状ヒーター４３は、通電されることにより発熱し、内管４２と断熱筐体４１の間の環状空間の温度を上昇させることが可能であり、この環状空間に蓄積した熱が内管４２を介して内管４２を通水する水に伝わり、水が加熱される。

支持部４４は、内管４２が断熱筐体４１と同芯位置に位置するように、内管４２を支持する部材であり、内管４２の外径にほぼ一致する内径を有するものであって上面に開口部を有する中空の円筒体と、この円筒体を水加熱部４の底部に固定する脚部とを備えて構成されている。

ここで、水加熱部４による水の加熱温度は、基本的には任意であり、少なくとも水の分子間力を低下させるために有効な任意の温度を採用することができる。さらには、この加熱温度は、内管４２を通水する水の水温を５０℃から６０℃の範囲内において加熱することが望ましい。すなわち、水の分子間力を低下させるためには、加熱温度が高い方が好ましい。また、このように加熱温度を高くすることは、水を殺菌処理する観点からも好ましい。しかしながら、加熱温度を高くした場合、水に含まれる栄養素であるカリウムやカルシウム等が破壊されてしまい、飲用水としての健康促進機能を低下させてしまう。これらのことを勘案して、上記のように、５０℃から６０℃の範囲内において加熱することが好ましい。

（構成−磁場印加部５）
図１の磁場印加部５は、水素溶解部８により水素水が生成される前の水に磁場を印加する磁場印加手段である。このように水に磁場を印加するのは、水の分子間力を低下させ、水素分子が結合しやすい状態に変えるためである。この磁場印加部５の構成は任意であり、例えば、図３の磁場印加部５の内管５１と直交する面を切断面とした断面図に示すように、内管５１と、上部部材５２と、下部部材５３とを備えて構成される。また、この磁場印加部５は、内管５１を挟んでこれらの上部部材５２と下部部材５３を対向する位置に配置することにより構成される。

内管５１は、水を通水するための管であり、中空の円筒形状として形成される。なお、内管５１はその上流において配管Ｌ５と接続されており、その下流において配管Ｌ６と接続されている。

上部部材５２は、内管５１の上部に設置される部材であり、上部磁石５２ａと、上部接続部５２ｂとを備えて構成され、下部部材５３は、内管５１の下部に設置される部材であり、下部磁石５３ａと、下部接続部５３ｂを備えて構成される。ただし、上部部材５２と下部部材５３は、内管５１を介して対称に配置されえる点を除いて相互に同一に構成することができるため、下部部材５３の詳細な説明を省略する。

上部磁石５２ａは、内管５１の外径とほぼ同一の内径を有する半円筒形状の磁石として形成される。上部磁石５２ａと下部磁石５３ａは、それぞれの内径に互いに異極となる磁極を有しており、これらの上部磁石５２ａと下部磁石５３ａが内管５１を挟んで対向する位置に配置されることにより、挟み込まれた内管５１の内部に磁場を発生させ、これに伴い、内管５１の内部を通水する水に磁場を印加することが可能である。なお、この上部磁石５２ａで使用される磁石は任意であるが、水の分子間力を低下させるためにはより強い磁力を有する磁石を使用することが好ましく、例えば、ネオジウム磁石を使用することが好ましい。

上部接続部５２ｂは、上部部材５２と下部部材５３を接続するための接続部材であり、上部磁石５２ａの両端部に設けられ、内管５１の軸方向と垂直の方向に突出した平板状として形成される。この上部接続部５２ｂには、その平板面に複数の上部接続孔５２ｃが並設されており、同様に下部接続部５３ｂにもこれらの上部接続孔５２ｃと対応する位置に下部接続孔５３ｃが並設されている。そして上部部材５２と下部部材５３を、内管５１を介して接続するために、内管５１を挟んでこれらの上部部材５２と下部部材５３を対向する位置に配置し、上部接続孔５２ｃ及び下部接続孔５３ｃにボルトを差し込んでボルト締結している。

（構成−電場印加部６）
図１の電場印加部６は、水素溶解部８により水素水が生成される前の水に電場を印加する電場印加手段である。このように水に電場を印加するのは、水の分子間力を低下させ、水素分子が結合しやすい状態に変えるためである。この電場印加部６の構成は任意であり、例えば、図４の電場印加部６の概要図に示すように、内管６１と、電流発生装置６２と、コイル６３とを備えて構成される。

内管６１は、水を通水するための管であり、中空の円筒形状をしている。なお、内管６１はその上流において配管Ｌ６と接続されており、その下流において配管Ｌ７と接続されている。

電流発生装置６２は、後述のコイル６３に通電する通電装置である。

コイル６３は、内管６１を通水する水に電場を印加する装置であり、内管６１の外周面に沿って螺旋状に巻装される電気伝導体の巻線として形成され、この巻線の両端部は電流発生装置６２に接続されている。このコイル６３に電流発生装置６２により通電することで、コイル６３が巻装される内管６１の内部に電場が発生し、内管６１の内部を通水する水に電場が印加される。

（構成−水素供給部７）
図１の水素供給部７は、水素を供給する水素供給手段である。水素を供給するための構成は任意であり、例えば、水を電気分解することにより発生した水素を供給する構成や、ガスボンベを用いて既製の水素を供給する構成が挙げられる。このような構成としては、公知の構成を採用することができるので、その詳細な説明は省略する。

（構成−水素溶解部８）
水素溶解部８は、水加熱部４により加熱された水に、水素供給部７により供給された水素を、溶解して水素水を生成する水素溶解手段である。水に水素を溶解するための構成は任意であり、例えば、水と水素を微細粒子化して混合することにより、水に水素を溶解させる構成を採用することができる。水と水素を微細粒子化するための構成としては、公知の気液せん断法を適用するための構成を採用できる。気液せん断法とは、液体と気体からなる混合流体にせん断力を作用させ、液体及び気体を微細粒子化する方法であり、当該方法により生成した水溶液は、溶存気体を水溶液内に長期間保持できるという利点がある。

例えば、気液せん断法を適用するための構成としては、水素溶解部８の前段側において生成された気液混合体を通水させる中空筒体の内部に、スクリューや突起を設けた構成を採用することができる。このような構成において、配管Ｌ４を介して供給された水素が配管Ｌ７を流れる水に送気されることで、水と水素気泡の両方を含む混合液（以下気液混合体）が生成され、この気液混合体が配管Ｌ７を通じて中空筒体に送られる。この気液混合体は、当該気液混合体の水圧により回転するスクリューによって旋回力と遠心力とが付与された後、これら旋回力と遠心力によって突起に当たることで微細粒子化される。これにより、気液混合体は、大量の微細水素粒子を含んだ水素水（以下、単に水素水）となり、配管Ｌ８に送出される。

（構成−水素水冷却部９）
水素水冷却部９は、水素溶解部８により生成された水素水を冷却する水素水冷却手段である。このように水を冷却するのは、水の分子間力を上昇させ、水素溶解部８を介して水に溶解した水素分子が水素水から抜けにくい状態にするためである。この水素水冷却部９の構成は任意であり、例えば、図５の水素水冷却部９の側断面図に示すように、断熱筐体９１と、内管９２と、冷却水注水口９３と、冷却水排水口９４を備えて構成される。

断熱筐体９１は、水素水冷却部９を構成する部品を包含する、水素水冷却部９の外郭であり、中空の円筒形状として形成される。この断熱筐体９１の構成素材としては、冷却水の冷却温度に耐えられ、断熱性を有するものであれば特に制限されることはなく、例えば、シリコーン樹脂、テフロン（登録商標）樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。

内管９２は、水を通水するための管であり、断熱筐体９１の内部において当該断熱筐体９１の軸芯と同芯状に配置された、中空の円筒体として形成されている。また、内管９２は後述の断熱筐体９１と内管９２の間の環状空間を通水する冷却水によりその外周面を冷却され、その低熱を内管９２の内部の水に伝播する部分であるため、伝熱性の高い素材で形成される事が望ましい。なお、内管９２はその上流において配管Ｌ８と接続されており、その下流において配管Ｌ９と接続されている。

冷却水注水口９３は、断熱筐体９１と内管９２の間の空間に冷却水を注水する注水管であり、断熱筐体９１の軸方向に対して垂直方向に沿って配置された状態で、断熱筐体９１の端部に接続された中空の円筒体として形成される。この冷却水注水口９３から注水された冷却水は、断熱筐体９１と内管９２の間の空間を満たし、当該空間を満たした冷却水は密接する内管９２を冷却し、それに伴い内管９２の内部の水が冷却される。

冷却水排水口９４は、断熱筐体９１と内管９２の間の空間に通水する冷却水を排水する排水管であり、断熱筐体９１の軸方向に対して垂直方向に沿って配置された状態で、断熱筐体９１の端部に接続された中空の円筒体として形成される。この冷却水排水口９４から排水された冷却水は、図示しない冷却装置により再冷却され、再び冷却水注水口９３から注水される。

ここで、水素水冷却部９による水の冷却温度は、基本的には任意であり、少なくとも水の分子間力を上昇させるために有効な任意の温度を採用することができる。さらには、この冷却温度は、内管９２を通水する水の水温を５℃から１０℃の範囲内に冷却することが望ましい。すなわち、水の分子間力を上昇させるためや、雑菌の繁殖等を抑制するためには、冷却温度が低い方が好ましい。しかしながら、冷却温度を低く、水素水が凍る等した場合、水素水冷却部９よりも後段側における水素水のハンドリングに問題が生じ得る。これらのことを勘案して、上記のように、５℃から１０℃の範囲内に冷却することが好ましい。

（構成−検査部１０）
図１の検査部１０は、生成された水素水が飲料水として適正であるかの検査をする検査手段であって、公知の検査機器などによって構成される。なお、検査部１０はその上流において配管Ｌ９と接続されており、その下流において配管Ｌ１０と接続されている。

（構成−充填部１１）
充填部１１は、生成された水素水を容器に充填する充填手段であって、公知の充填機器などによって構成される。容器は任意のものを用いることができ、例えば、ペットボトルや缶を採用することができる。ただし、ペットボトルや缶は粒子が比較的粗く、微細粒子化した水素分子すり抜けてしまうため、溶存水素濃度を長期間維持することが出来ない可能性がある。よって、容器は、粒子の細かいアルミパウチを使用することが一層望ましい。なお、充填部１１はその上流において配管Ｌ１０と接続されている。

（方法）
最後に、このように構成された水素水生成システム１を使用して行われる水素水生成方法について説明する。まず、水供給工程において水供給部２により水が供給され、供給された水は、ろ過工程においてろ過部３によりろ過処理され、ろ過工程を経た水は、配管により二分される。二分された一方の水は、水加熱工程において水加熱部４により加熱され、磁場印加工程において磁場印加部５により磁場が印加され、電場印加工程において電場印加部６により電場が印加される。もう一方の水は、水素供給工程において水素供給部７により電気分解される。電気分解により生成された水素と上述の電場印加工程を経た水は、共に水素溶解工程へ送られる。この水と水素が、水素溶解工程において水素溶解部８により互いに溶解することによって水素水が生成され、生成された水素水は、水素水冷却工程において水素水冷却部９により冷却され、検査工程において検査部１０により水質が検査され、充填工程において充填部１１により容器に充填される。

〔III〕実施の形態に対する変形例
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。

（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、前記した内容に限定されるものではなく、本発明によって、前記に記載されていない課題を解決したり、前記に記載されていない効果を奏することもでき、また、記載されている課題の一部のみを解決したり、記載されている効果の一部のみを奏することがある。例えば、仮に、水素水の保存期間が従来の保存期間と変わらない場合であっても、従来と同じ水素水を従来と異なるシステムや方法で生成できている場合には、本発明の課題は解決されている。

（加熱及び冷却、電場印加、磁場印加について）
上記実施の形態では、水や水素水に対して、加熱及び冷却、電場印加、及び磁場印加を行っているが、いずれか一部を省略してもよい。また、これらの順序を、適宜変更してもよい。例えば、水加熱部４を、磁場印加部５や電場印加部６の後段に配置してもよく、あるいは、このように配置した方がより好ましい場合も考えられる。ただし、水加熱部４は水素溶解部８の前段に配置し、水素水冷却部９は水素溶解部８の後段に配置することが必要である。また、磁場印加部５については、水素の溶解度を向上させる目的の他、配管の内部に錆等が発生することを防止する目的で設置してもよい。

（水素水の使用目的について）
上記実施の形態では、水素水を飲用用途に使用する場合について説明したが、酸化防止剤の如き他の用途に使用してもよい。また、このような使用用途に応じて、ろ過部３や検査部１０を省略したり、その構成を変更することができる。

（エネルギー源について）
上記水素水生成システム１の各部を駆動等するために必要になる動力源としては、任意の動力源を使用することができ、例えば、太陽電池や風力発電の如き自然エネルギーを利用することができる。

１ 水素水生成システム
２ 水供給部
３ ろ過部
４ 水加熱部
５ 磁場印加部
６ 電場印加部
７ 水素供給部
８ 水素溶解部
９ 水素水冷却部
１０ 検査部
１１ 充填部
Ｌ１〜Ｌ１０ 配管
４１、９１ 断熱筐体
４２、５１、６１、９２ 内管
４３ 面状ヒーター
４４ 支持部
５２ 上部部材
５２ａ 上部磁石
５２ｂ 上部接続部
５２ｃ 上部接続孔
５３ 下部部材
５３ａ 下部磁石
５３ｂ 下部接続部
５３ｃ 下部接続孔
６２ 電流発生装置
６３ コイル
９３ 冷却水注水口
９４ 冷却水排水口

Claims (6)

1. 水素を水に溶解させて水素水を生成する水素水生成システムであって、
   水を加熱する水加熱手段と、
   水素を供給する水素供給手段と、
   上記水加熱手段により加熱された水に、上記水素供給手段により供給された水素を、溶解して水素水を生成する水素溶解手段と、
   上記水素溶解手段により生成された水素水を冷却する水素水冷却手段と、
   を備えた水素水生成システム。
2. 上記水加熱手段は、水の温度を５０℃から６０℃の範囲に加熱し、あるいは、上記水素水冷却手段は、水の温度を５℃から１０℃の範囲に冷却する、
   請求項１に記載の水素水生成システム。
3. 上記水素溶解手段は、上記水加熱手段により加熱された水と、上記水素供給手段により供給された水素と、を攪拌し溶解することにより水素水を生成する、
   請求項１又は２に記載の水素水生成システム。
4. 水素溶解手段により水素水が生成される前の水に磁場を印加する磁場印加手段、
   を備えた請求項１から３のいずれか一項に記載の水素水生成システム。
5. 水素溶解手段により水素水が生成される前の水に電場を印加する電場印加手段、
   を備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の水素水生成システム。
6. 水素を水に溶解させて水素水を生成する水素水生成方法であって、
   水を加熱する水加熱工程と、
   水素を供給する水素供給工程と、
   上記水加熱工程において加熱された水に、上記水素供給工程において供給された水素を、溶解して水素水を生成する水素溶解工程と、
   上記水素溶解工程において生成された水素水を冷却する水素水冷却工程と、
   を含む水素水生成方法。

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