JP2015054996A - オゾン水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成でありながら、電極の寿命を長くすることができるオゾン水生成装置を提供すること。【解決手段】水が流入し、オゾンが溶解または分散したオゾン水が流出する電解槽２と、電極３を有し、水の電気分解によりオゾンを発生させるオゾン発生器４と、このオゾン発生器４の電極３に電力を供給する電源５とを備え、電源から電極に供給される電力によって、オゾン発生器において、電解槽に供給された水を電気分解し、オゾンを発生させ、発生したオゾンを電解槽内に供給された水に溶解または分散させてオゾン水を生成するオゾン水生成装置１において、電極を流れる電流の電流値を、あらかじめ設定した時間毎に、または、オゾン水のオゾン濃度の低下に応じて上昇させる電流値制御手段６が設けられ、電流値制御手段が電源に電気的に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、オゾン水生成装置に関するものである。

従来、オゾン水を生成する方法として、ガス溶解法と水電解法が知られている。ガス溶解法は、高濃度のオゾン水を得るのに適しているが、装置が大型であって、原料に純酸素が必要であるという問題がある。一方、水電解法は、電源装置も小型で、原料に水を用いることができるため、広く用いられている。

しかしながら、従来の水電解法によるオゾン水生成装置では、電気分解の過程において、陽極を構成する金属がイオンとして電解水中に溶出してしまい、溶出した金属イオンが固体電解質膜を介して陰極との境界面に移動し、堆積物として付着することが知られている。陰極に堆積物が付着すると、電極間の接触抵抗が増加し、電流密度の低下が引き起こされ、オゾン水中のオゾン濃度が低下する。また、オゾン水生成装置の長時間の連続運転時には、陽極からの金属溶出によって、陽極の経時消耗が顕著になるため、電極の交換が頻繁に必要となる。

このような問題に対し、下記特許文献１には、電極の経時消耗を減少させ、電極寿命を長くしようとするオゾン水製造装置が提案されている（特許文献１）。このオゾン水製造装置は、電解質膜と、電解質膜を介して互いに対向するように設けられた一対の電極と、各電極に接触して水が流れるように設けられた一対の流路とを備えている。また、一対の電極の各々が陽極および陰極の両方の機能を有するように構成され、各電極に印加する電圧の極性を所定時間毎に切り替える制御装置を備えている。

このようなオゾン水製造装置では、所定時間毎に各電極が陽極と陰極に交互に利用されるため、陽極として利用されたときに金属イオンが溶出しても、陰極として利用されたときに陽極側から金属が供給される。その結果、電極の経時的な消耗が減少し、電極寿命を長くすることが可能となるとされている。また、各電極が陰極として利用されたときに、堆積物が堆積しにくく、電極間の接触抵抗の増加が抑制され、電流密度の低下とそれにともなうオゾン水濃度の低下を抑制することができるとされている。

特開２０００−３５５７８３号公報

その一方で、特許文献１に記載されたオゾン水製造装置では、一対の電極が陽極と陰極に切り替えられるため、各電極に対応して設けられた流路内を流れる水が、所定時間毎にオゾン水から水素含有水へと相互に切り替わる。そして、各流路に接続されたオゾン水流通路をいずれか一方の流路と流通させる切替弁が設けられてもいる。

このため、特許文献１に記載されたオゾン水製造装置では、製造したオゾン水を取り出すために、電極に印加する電極の極性の切り替えと同期させて切替弁を所定時間毎に開閉する必要があった。つまり、上記制御装置のみならず切替弁とその動作制御を行う技術手段を必要としており、装置構造がやや複雑となっている。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、簡便な構成でありながら、電極の寿命を長くすることができるオゾン水生成装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明のオゾン水生成装置は、以下のことを特徴としている。すなわち、本発明のオゾン水生成装置は、水が流入し、オゾンが溶解または分散したオゾン水が流出する電解槽と、電極を有し、水の電気分解によりオゾンを発生させるオゾン発生器と、オゾン発生器の電極に電力を供給する電源とを備えている。本発明のオゾン水生成装置は、電源から電極に供給される電力によって、オゾン発生器において、電解槽に供給された水を電気分解し、オゾンを発生させ、発生したオゾンを電解槽内に供給された水に溶解または分散させてオゾン水を生成する。また、本発明のオゾン水生成装置では、電極を流れる電流の電流値を、あらかじめ設定した時間毎に、または、オゾン水のオゾン濃度の低下に応じて上昇させる電流値制御手段が設けられており、電流値制御手段が電源に電気的に接続されている。

以上のような本発明のオゾン水生成装置においては、電流値制御手段は水温センサーを備え、水温センサーは電解槽内に配置され、水温センサーにより検知されるオゾン水の温度に基づいて、電流値制御手段は電極を流れる電流の電流値を調整することが好ましい。

また、以上のような本発明のオゾン水生成装置においては、電流値制御手段は濃度センサーを備え、濃度センサーは電解槽内に配置され、濃度センサーにより検知されるオゾン水のオゾン濃度に基づいて、電流値制御手段は電極を流れる電流の電流値を調整することが好ましい。

本発明のオゾン水生成装置によれば、従来装置のような複雑な装置構造とは異なって、簡便な構成でありながら、電極の寿命を長くすることができる。

本発明のオゾン水生成装置の第一の実施形態を示した構成図である。 本発明のオゾン水生成装置の第一の実施形態におけるオゾン濃度と経過時間の関係を示したグラフである。 本発明のオゾン水生成装置の第二の実施形態を示した構成図である。 本発明のオゾン水生成装置の第三の実施形態を示した構成図である。 本発明のオゾン水生成装置の第三の実施形態におけるオゾン濃度と経過時間の関係を示したグラフである。

上記のとおり、図１は、本発明のオゾン水生成装置１の第一の実施形態を示した構成図である。

本実施形態のオゾン水生成装置１は、水が流入し、オゾンが溶解または分散したオゾン水が流出する電解槽２と、電極３を有し、水の電気分解によりオゾンを発生させるオゾン発生器４とを備えている。また、オゾン水生成装置１は、オゾン発生器４の電極３に電力を供給する電源５を備えている。そして、オゾン水生成装置１は、電源５から電極３に供給される電力によって、オゾン発生器４において、電解槽２に供給された水を電気分解し、オゾンを発生させ、発生したオゾンを電解槽２内に供給された水に溶解または分散させてオゾン水を生成する。また、オゾン水生成装置１では、電極３を流れる電流の電流値を、あらかじめ設定した時間毎に、または、オゾン水のオゾン濃度の低下に応じて上昇させる電流値制御手段６が設けられており、電流値制御手段６が電源５に電気的に接続されている。

具体的には、電解槽２は、オゾン発生器４と溶解部８を備えている。オゾン発生器４の構成は特に限定されず、陽極３ａと陰極３ｂを備えた電極３により水を電気分解し、オゾンガスを生成する電解方式のものを適宜採用することができる。例えば、オゾン発生器４は、電源５と接続した陽極３ａと陰極３ｂの間を固体電解質膜９で仕切った構造を有するものを例示することができる。固体電解質膜９としては、耐オゾン性を有する公知のイオン交換膜を適宜採用することができる。イオン交換膜としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどを基体としたものを例示することができる。また、陽極３ａおよび陰極３ｂは、オゾン水の生成に適した適宜な材料を組み合わせて使用することができる。陽極３ａの材料としては、例えば、ダイヤモンド、金、白金などを例示することができ、陰極３ｂの材料としては、例えば、ダイヤモンド、ステンレス、金、銀、白金、チタンなどを例示することができる。中でも、ダイヤモンド電極は、電気分解によって発生する水素と酸素の発生を抑制することができ、オゾン水を効率よく生成できるため特に好ましい。

なお、オゾン発生器４から発生するオゾンガスは、少量の水素や酸素を含む混合ガスであってもよい。

電解槽２には、流入管１０と流出管１１が接続され、流入管１０と流出管１１は電解槽２と連通している。流入管１０を通じて電解槽２内に連続的に水が供給される。電解槽２中に供給された水は、オゾン発生器４によって電気分解され、オゾンガスが発生する。発生したオゾンガスは、電解槽２に備えた溶解部８において水に溶解され、オゾン水が生成する。溶解部８で生成したオゾン水は、流出管１１を通じて電解槽２の外部に連続的に吐水される。その際、陽極３ａの下流に配置された流出管１１からは、オゾン水が吐出され、陰極３ｂの下流に配置された流出管１１からは、水素含有水が吐出される。このため、本実施形態のオゾン水生成装置１は、従来技術のように流路を切り換えることなく、オゾン水を取り出すことが可能である。

電源５は、電極３に備えた陽極３ａと陰極３ｂと電気的に接続されており、陽極３ａと陰極３ｂに電力を供給する。

また、本実施形態のオゾン水生成装置１は、電極３を流れる電流の電流値を上昇可能とする電流値制御手段６を備えてもいる。電流値制御手段６は、電源５と電気的に接続されており、電極３を流れる電流の電流値を、あらかじめ設定した時間毎に所定の値上昇させる。電流値制御手段６は、装置運転開始からの経過時間を測定可能なタイマーなどを内部に備えることができ、電源５の動作を自動制御する。

図２は、本発明のオゾン水生成装置の第一の実施形態におけるオゾン濃度と装置運転開始からの経過時間の関係を例示したグラフである。

Ａ１は、電源５からの電力の供給により電極３を流れる電流の初期入力値に応じたオゾン水のオゾン濃度、Ａ１´は、電極３を流れる電流の電流値を制御しない場合のオゾン水のオゾン濃度を示している。Ａ２は、電力供給後、時間Ｔ１が経過したとき、電極３を流れる電流の電流値を上昇させた場合のオゾン水のオゾン濃度、Ａ３は、電力供給後、時間Ｔ１の２倍の時間が経過したとき、電極３を流れる電流の電流値を上昇させた場合のオゾン水のオゾン濃度を示している。Ｃは、オゾン水のオゾン濃度の目標値であり、Ｃ´は、オゾン水のオゾン濃度の閾値である。

電極３は、使用開始直後は、電流値が低くとも高濃度のオゾンを発生させることができる（Ａ１の開始時）。しかし、電気分解を継続するにつれて、陰極３ｂの表面には被膜が生じる。その結果、陽極３ａと陰極３ｂ間の接触抵抗が増加し、電流密度が低下し、電極３間に電流が流れにくくなる。また、電極３間を固体電解質膜９で仕切った構造の場合は、固体電解質膜９の劣化が進み、電極３間に電流が流れにくくなる（Ａ１）。したがって、電極３を流れる電流の電流値を制御しないと、オゾン水の生成効率が経時的に低下し、オゾン水のオゾン濃度が殺菌効果などを発揮し得る範囲の閾値Ｃ´を下回ることになる（Ａ１´）。一方、オゾン水のオゾン濃度が閾値Ｃ´を下回ることがないように、電極３を流れる電流の電流値をオゾン水生成装置１の運転開始時から高く設定しておくと、電極３への負荷が増大することになり、電極３の寿命が短くなるという弊害がある。

そこで、オゾン水生成装置１では、電極３を流れる電流の電流値を電流値制御手段６により制御し、段階的に上昇させ、オゾン水のオゾン濃度の低下抑制と電極３の長寿命化を図っている。

オゾン水のオゾン濃度がオゾン濃度目標値Ｃからオゾン濃度閾値Ｃ´まで低下するのにかかる時間を予備実験により求めておき、この時間に関するデータが電流値制御手段６にインプットされている。電流値制御手段６は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリーを備えることができ、このメモリーに上記時間に関するデータが記憶される。こうして電流値制御手段６は、あらかじめ設定した時間毎に、電源５からの電力の供給により電極３を流れる電流の電流値を上昇させる。このため、オゾン水生成装置１は、運転開始後の時間経過によるオゾン水のオゾン濃度の低下を抑制することができ、オゾン濃度目標値Ｃに近いオゾン濃度を維持させることができる。また、オゾン水生成装置１は、運転開始直後は、電源５からの電力の供給により電極３を流れる電流の入力値を比較的低く設定することもできるため、陰極３ｂの表面に被膜が生じにくい。したがって、オゾン水生成装置１は、簡便な装置構成でありながら、電極３の寿命を長くすることができる。

なお、オゾン水生成装置１によって得られるオゾン水のオゾン濃度として、好ましくは、２ｐｐｍ〜１０ｐｐｍの範囲内が例示される。オゾン水のオゾン濃度は、２ｐｐｍ〜３ｐｐｍである場合、大腸菌の殺菌作用を充分発揮することができる。また、２ｐｐｍ〜３ｐｐｍのオゾン濃度では死滅しない細菌類の殺菌や、医療用器具などの洗浄用途にオゾン水を用いる場合は、オゾン水のオゾン濃度が５ｐｐｍ以上であることが好ましい。したがって、オゾン濃度の目標値Ｃは１０ｐｐｍ、オゾン水のオゾン濃度の閾値Ｃ´は、２ｐｐｍを目安とすることができる。

また、電流値制御手段６にあらかじめ設定しておく時間は、オゾン濃度目標値Ｃおよびオゾン濃度閾値Ｃ´を目安にし、オゾン水生成装置１の規模、電源５から供給する電力の大きさ、電極３を構成する材料などに応じて適宜調節することができる。一般的には、数時間〜１００時間が例示される。

図３は、オゾン水生成装置１の第二の実施形態を示した構成図である。第一の実施形態と共通する部分については図中に同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態のオゾン水生成装置１では、電流値制御手段６ａは、図１に示した電流値制御手段６とは異なり、水温センサー７を備えている。水温センサー７は、電解槽２内に配置されており、電流値制御手段６ａと電気的に接続されている。水温センサー７が検知するオゾン水の水温に関するデータが電流値制御手段６ａに入力される。

水温が低い場合は水にオゾンが溶解しやすく、水温が高い場合は水にオゾンが溶解しにくくなる。そのため、同じ溶解濃度のオゾン水を生成しようとした場合、水温が低いときは少ないオゾン量で、同等のオゾン濃度となる。そのため電流値制御手段６ａは、入力されたオゾン水の水温に関するデータから、電極３を流れる電流値を算出する。オゾン水の水温と電流値の関係は、予備実験により求めておくことができ、その関係は、電流値制御手段６ａに備えることのできるＣＰＵに設定しておくことができる。算出した電流値に基づいて、電流値制御手段６ａは、オゾン水に見合ったオゾンを発生させるために、電源５に電極３への電力の供給または停止を指示する。

このように水温に応じて供給する電流値を調整するため、オゾン濃度目標値Ｃに近いオゾン濃度に維持させることができる。また、簡便な装置構成でありながら電極３の寿命を長くすることができる。

図４は、オゾン水生成装置１の第三の実施形態を示した構成図である。図５は、本発明のオゾン水生成装置におけるオゾン濃度と装置運転開始からの経過時間の関係を例示したグラフである。第一の実施形態と共通する部分については図中に同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態のオゾン水生成装置１では、電流値制御手段６ｂは、図１に示した電流値制御手段６とは異なり、濃度センサー１２を備えている。濃度センサー１２は、電解槽２内に配置されており、電流値制御手段６ｂと電気的に接続されている。濃度センサー１２が検知するオゾン水のオゾン濃度に関するデータが電流値制御手段６ｂに入力される。

上記したように電気分解を継続すると、陰極３ｂの表面には被膜が生じ、オゾン水のオゾン濃度が次第に低下する（Ａ１）。そのため、電流値制御手段６ｂは、オゾン水のオゾン濃度を常時モニターする。そして、オゾン濃度が閾値Ｃ´または閾値Ｃ´より少し高い濃度まで低下したとき（Ｔ２、Ｔ３）、電流値制御手段６ｂは、電極３を流れる電流の電流値を上昇させ、オゾン水のオゾン濃度の低下抑制と電極３の長寿命化を図っている。

具体的には、電流値制御手段６ｂは、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリーを備えることができ、このメモリーに、図５に示したオゾン濃度目標値Ｃおよびオゾン濃度閾値Ｃ´を記憶させることができる。また、電流値制御手段６ｂは、例えば、ＣＰＵを備えることができ、このＣＰＵでは、濃度センサー１２が検出した実際のオゾン濃度とオゾン濃度目標値Ｃおよびオゾン濃度閾値Ｃ´とを比較し、実際のオゾン濃度のオゾン濃度目標値Ｃおよびオゾン濃度閾値Ｃ´に対する高低を判定することができる。この判定において、実際のオゾン濃度がオゾン濃度閾値Ｃ´以下であると判定した場合、電流値制御手段６ｂは、電極３を流れる電流値を上昇させるように電源５に電極３への電力供給のコマンドを送信する。このように、本実施形態のオゾン水生成装置１は、第一の実施形態と同様に、オゾン水のオゾン濃度に応じて供給する電流値を調整するため、オゾン濃度目標値Ｃに近いオゾン濃度に維持させることができる。また、簡便な装置構成でありながら電極３の寿命を長くすることができる。

なお、オゾン水生成装置１において、電流値制御手段６ａ、６ｂの構成は様々に可能であり、例えば、マイクロコンピュータを備えたものが例示される。

また、本発明のオゾン水生成装置は、以上の実施形態によって限定されるものではない。電解槽、オゾン発生器、電源などの構成の細部は様々に可能である。

１ オゾン水生成装置
２ 電解槽
３ 電極
４ オゾン発生器
５ 電源
６、６ａ、６ｂ 電流値制御手段
７ 水温センサー
１２ 濃度センサー

Claims (3)

1. 水が流入し、オゾンが溶解または分散したオゾン水が流出する電解槽と、
   電極を有し、水の電気分解によりオゾンを発生させるオゾン発生器と、
   このオゾン発生器の前記電極に電力を供給する電源と
   を備え、
   前記電源から前記電極に供給される電力によって、前記オゾン発生器において、前記電解槽に供給された水を電気分解し、オゾンを発生させ、発生したオゾンを前記電解槽内に供給された水に溶解または分散させて前記オゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
   前記電極を流れる電流の電流値を、あらかじめ設定した時間毎に、または、前記オゾン水のオゾン濃度の低下に応じて上昇させる電流値制御手段が設けられ、この電流値制御手段が前記電源に電気的に接続されていることを特徴とするオゾン水生成装置。
2. 前記電流値制御手段は水温センサーを備え、この水温センサーは前記電解槽内に配置され、この水温センサーにより検知される前記オゾン水の温度に基づいて、前記電流値制御手段は前記電極を流れる電流の電流値を調整することを特徴とする請求項１に記載のオゾン水生成装置。
3. 前記電流値制御手段は濃度センサーを備え、この濃度センサーは前記電解槽内に配置され、この濃度センサーにより検知される前記オゾン水のオゾン濃度に基づいて、前記電流値制御手段は前記電極を流れる電流の電流値を調整することを特徴とする請求項１に記載のオゾン水生成装置。

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