JP2015178062A - 電解水生成装置及び電解液供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大量の電解液を手間なく安定した濃度で供給できるようにする。【解決手段】実施形態によれば、電解水生成装置において、固体の塩類を溶かした電解液を電解する電解槽と、前記電解液を前記電解槽に供給する電解液供給装置とを有する。前記電解液供給装置は、前記電解液を生成し貯留するタンクを備える。前記タンクは、前記固体の塩類及び補充水を投入して前記電解液を生成し、底部側面に前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を供給する液浸透部を形成してなる塩室と、前記塩室で生成される電解液を前記浸透部を通じて取り込み、貯留して前記電解槽に供給する電解液室とを有する。前記塩室は、前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を透過し、その透過された電解液を前記塩類の一定の厚さの層を浸透させて前記電解液室に送る貯水部を備える。【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、電解水生成装置及び電解液供給装置に関する。

塩水等の電解液を電解して様々な機能を有した電解水を生成する技術は、アルカリイオン水、オゾン水、次亜塩素酸水などの生成に利用されている。その中で、次亜塩素酸水と水酸化ナトリウム水を生成する電解水生成装置がある。次亜塩素酸水は殺菌消毒水として、水酸化ナトリウム水は洗浄水として活用される。

この電解水生成装置には３室型電解槽がよく用いられる。この３室型電解槽は、塩水を入れる中間室の左右に陽極室と陰極室とを配置している。陽極室は中間室との間が陰イオン交換膜によって区切られ、その室内には陽極の電極が配置される。また、陰極室は中間室との間が陽イオン交換膜によって区切られ、その室内には陰極の電極が配置される。そして、中間室に塩水を入れ、陽極室と陰極室に水を流水し、陽極と陰極との間に直流電圧を印加する。これにより、陽極室に塩素ガスが発生し、その塩素ガスから次亜塩素酸水が生成される。一方、陰極室には水から水素がガスとして抜けて水酸化ナトリウム水が生成される。

ところで、上記構成による電解水生成装置では、電解槽に大量の塩水を循環供給するための塩水供給装置が用いられる。この塩水供給装置では、塩水が電解槽の電解処理によって塩分が希釈になる。このため、塩水タンクに循環塩水を貯水する際に、塩分の濃度が飽和状態で安定するように水と塩を適量に補給し続ける必要があり、手間がかかっている。

すなわち、従来の電解水生成装置では、塩水タンクが１〜１０Ｌ程度の容量の容器であり、これに溶け残った塩が減った時点で随時塩を補給していた。この場合、例えば次亜塩素酸水を１分あたり１０Ｌ程度の大規模に使用する用途では、１日で１〜３ｋｇの塩を消費することになり、頻繁に塩を供給しなければならなかった。

特許第３５００１７３号公報

以上のように、従来の電解水生成装置に用いられる電解液供給装置では、大量の電解液を供給する際に、塩濃度を飽和状態で安定するように、タンクに循環塩水と水と固体の塩類を適量補給しなければならず、その補給作業に手間がかかっていた。

この発明の解決しようとする課題は、大量の電解液を手間なく安定した濃度で供給できる電解水生成装置及び電解液供給装置を提供することである。

本実施形態によれば、電解水生成装置において、固体の塩類を溶かした電解液を電解する電解槽と、前記電解液を前記電解槽に供給する電解液供給装置とを有する。前記電解液供給装置は、前記電解液を生成し貯留するタンクを備える。前記タンクは、前記固体の塩類及び補充水を投入して前記電解液を生成し、底部側面に前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を供給する液浸透部を形成してなる塩室と、前記塩室で生成される電解液を前記浸透部を通じて取り込み、貯留して前記電解槽に供給する電解液室とを有する。前記塩室は、前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を透過し、その透過された電解液を前記塩類の一定の厚さの層を浸透させて前記電解液室に送る貯水部を備える。

実施形態に係る電解水生成装置の構成を示す概念図。 図１に示す電解水生成装置に用いられる塩水タンクの内部構成を示す断面図。 図２に示す塩水タンクにおいて塩の厚さと浸透する水量の関係を示す特性図。 図２に示す塩水タンクにおいて水位と浸透する水量の関係を示す特性図。 図２に示す塩水タンクの第１の動作を示す断面図。 図２に示す塩水タンクの第２の動作を示す断面図。 図２に示す塩水タンクの変形例を示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態に係る電解水生成装置の構成を示す概念図である。図１において、本実施形態の電解水生成装置は、電解槽１を有している。この電解槽１は、中間室１１の両側に陽極室１２と陰極室１３を配置した３室構造である。各室は陰イオン交換膜１４および陽イオン交換膜１５で区切られ、陽極室１２には陽極電極１６、陰極室１３には陰極電極１７が設置される。

陽極室１２と陰極室１３には給水パイプを通じて水が給水され、その給水は電磁弁２１の開閉制御により断続可能となっており、さらに調整バルブ３１，３２の締め具合により水量を適宜調整可能となっている。

中間室１１には塩水供給装置４で生成された飽和食塩水が塩水循環ポンプ５により循環供給され、その循環供給は電磁弁２２の開閉制御により断続可能となっている。塩水供給装置４は、塩水を貯蔵する塩水タンク４１を備え、その底部には塩水を適宜排水するための排水弁４２を備えている。

電解槽１の陽極電極１６と陰極電極１７はそれぞれの接続端が１つの電源（図示せず）に接続される。上記陽極電極１６及び陰極電極１７を通じて、飽和食塩水に電圧が掛かると、陽極室１２では塩素イオンが陰イオン交換膜１４を通過して陽極電極１６で塩素ガスが形成され、水に溶けることで酸性水（ここでは次亜塩素酸水）が生成される。また、陰極室１３ではナトリウムイオンが陽イオン交換膜１５を通過して陰極電極１７で水から水素ガスが形成され、アルカリ水（ここでは水酸化ナトリウム水）が生成される。電解槽１で得られた水酸化ナトリウム水は気液分離ユニット６に送られ、ここでアルカリ水と水素ガスに分離されて出力される。次亜塩素酸水は殺菌消毒機能があり、水酸化ナトリウム水は洗浄機能がある。

図２は、本実施形態の電解水生成装置における塩水タンク４２の具体的な構造を示す断面図である。本実施形態では、塩水タンク４２の内部構造を工夫することで、非常に少ない頻度の塩供給で大規模な電解水供給を実現している。

塩水タンク４１の内部は、仕切り壁４３により塩室４４と飽和塩水室４５に区画され、塩水タンク４１の全容量８０Ｌのうち７０Ｌを塩室４４が占める。

仕切り壁４３の底部にはＷｍ＝５０mmの鰓状開口４３ａが形成され、この鰓状開口４３ａを覆うようにテフロン（登録商標）製の塩止めメッシュ４３ｂが装着されている。この鰓状開口４３ａは、例えば図の奥行向に幅１０mm、かつ高さ方向に幅Ｗｍ＝５０mmの細長いスリットを奥行方向に２８本並べて形成したものである。この場合、塩止めメッシュ４３ｂの面積は５０mm×１０mm×２８本＝１４０００mm² となる。

尚、上記鰓状開口４３ａの高さＷｍは、１００mm以下が望ましい。

また、塩室４４には、パンチング開口を持つ板４６ａとこれと同じ面積で積層されたテフロン製塩止めメッシュ４６ｂからなる塩止め壁４６が仕切り壁４３の近傍に設けられる。この塩止め壁４６の下端は、鰓状開口４３ａの上端よりＧ＝５０mm上方に設定されていると共に、仕切り壁４３よりＤ＝５０mm離れて設置される。このようにして形成される仕切り壁４３と塩止め壁４６との間は、上面に設けられた塩水取込口４７から注水される循環塩水の貯水部４８として機能する。

また、貯水部４８の上部以外の上面には、開閉蓋４９と補給水取込口４Ａが設けられ、開閉蓋４９を開けることで塩の補給が可能となり、電磁弁２２を開くことで取込口４Ａから給水が可能となる。このように構成することで、塩室４４に塩を投入しても、常に貯水部４８の塩の高さは塩止め壁４６の下端付近に安定する。また、飽和塩水室４５に供給される水は塩の層を浸透してくる水なので、安定した飽和濃度となる。

飽和塩水室４５の底部には、念のために設けられた塩止め突起４Ｂに囲まれた取水口４Ｃがあり、この取水口４Ｃより飽和食塩水が取水され、電解槽１の中間室１１に供給される。供給された飽和食塩水は電解により塩分濃度が低下した水となり、再び循環塩水として塩水の貯水部４８に戻される。飽和食塩水を中間室１１に供給する流量は０．５Ｌ／分に設定しているが、この塩水の循環動作時は飽和塩水室４５の水位と塩室４４の水位にＷｈ＝５０ｍｍ程度の水位差を生じるようになっている。尚、この水位差Ｗｈは１０mm以上であることが望ましい。

飽和食塩水室４５は１０Ｌの容量があり、中間室１１へ飽和食塩水を循環させる取水口の他に、塩水タンク４の底部から弁４１により水を排水する排水口４Ｄ、飽和食塩水が過剰になった場合に水位を一定高さまで低減させるオーバーフロー型の排水口４Ｅ、飽和食塩水が不足した場合を検知するフロート型の水位センサ４Ｆを有している。水位センサ４Ｆは、飽和食塩水の水位が予め設定される水位ライン４６Ｇを超えているか否かを判定する。これらの水位設定機構は、使用状況にあわせて適時うまく動作するように調整されている。

図３及び図４は、塩水タンク４１において、塩止め壁４６の下端高さＧによる残塩の厚さ、および、供給水量による水位差Ｗｈを変えたときの浸透水量を実測したものである。塩止め用のメッシュ４３ｂ，４６ｂは表１に示す通りである。

メッシュ４３ｂ，４６ｂの穴径が３mmだと塩が漏れてしまうため、穴径は２mm以下とすることが望ましい。メッシュ４３ｂ，４６ｂの空隙率は高い方が望ましいが、２０％以上あれば十分に使用可能である。

また、浸透水量はメッシュ４３ｂ，４６ｂの面積に比例するが、高さ方向の幅Ｗｍを大きくすると相対的に塩供給頻度が上がってしまうため、極力Ｗｍを小さくしてタンク４１の底部に留めるべきである。実施形態では、奥行き方向には強度面で許される限り開口率を大きく設定しており、塩水タンク４１の奥行方向幅３６０mmに対して奥行方向開口幅を２８０mm（開口率８０％）としている。

図３は、水位差を４００mmと大きく設定したときの、塩止め壁４６の下端高さＧを調整して浸透させる塩の厚さを変えたときの浸透水量を示している。本実施形態において、残塩の厚さが厚くなると、敏感に浸透水量が減少することがわかった。この結果を踏まえて、実施形態では、上述したようにＧ＝５０mm（残塩の厚さ５０mm）に設定した。残塩の厚さを薄くした方が浸透水量を稼げるが、薄く設定しすぎると循環塩水に塩が溶かされてえぐられたときに、容易にメッシュ４３ｂが個体の塩からむき出しになってしまい、塩分濃度が薄まるおそれが出てしまう。このため、塩止め壁４６の下端の高さＧは０〜２００mmの範囲に設定することが望ましい。

図４は、塩の厚さ１００mm（Ｇ＝１００mm）における水位差Ｗｈと浸透水量の関係を示している。浸透水量は水位差Ｗｈが大きくなると圧力がかかって大きくなるが、Ｗｈが大きすぎると塩水の循環稼働時と非稼働時の検知水位差が大きくなり制御が難しくなる。このため、Ｗｈは２００mm以下にすることが望ましい。上述した実施形態では、０．５Ｌ／分の塩水循環でＷｈは５０mm程度、１Ｌ／ｍでも１２０mm程度となっている。

図５、図６は、上記構成による塩水タンク４１の動作を説明する図である。
図５（ａ）は、残留している塩の高さが塩止め壁４６の底部より下回り、ほぼ底を突いた状態を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態で塩室４４いっぱいに塩を投入した直後の状態を示している。塩を一気に投入したことで、図５（ｂ）に示すように一時的に塩の体積で水位が上昇するが、一定水位からタンク上限までの容量に最大塩容量を考慮した余裕があるため溢れ出すことはない。上昇した水は排出口４Ｅから自然排出され、しばらくすれば図５（ｃ）に示すように一定の水位に安定する。

図６（ａ）は、検知水位４６Ｇより飽和塩水室４５の水位が低くなった状態である。このような状態は、塩水の消費以外にも、塩室４４の塩と水の比率で塩が大部分を占めている場合に乾燥した塩を足した場合や、飽和塩水室４５の水を故意に排出した場合などにより発生する。

この場合、検知水位を下回ったことで補給水が補給され、塩室を介して飽和塩水室の水位が一定の水位に安定する（図６（ｂ））。

このように、本実施形態の電解水生成装置では、少ない頻度で一時期に大量の塩を投入しても安定した飽和食塩水を循環供給することができ、装置を稼働させる手間を極めて小さくすることができる。

また、本実施形態の電解水生成装置では、電解槽１で塩を消費して薄まった循環塩水や補充水は塩室４４内で残留している塩層を浸透して飽和食塩水室４５に達するため、塩分濃度が飽和食塩水濃度近くで一定となり、安定した電解を実現することができる。

なお、本実施形態では電解物として塩水を取り上げたが、電解水生成装置によっては塩化カリウムなど他の電解質を電解することもあり、これら他の電解質についても適用することができる。

また、実施形態では３室型電解槽を例に説明したが、同じように飽和した電解水を用いる電解水生成装置に適用することもできる。

図７（ａ），（ｂ）は、塩水タンク４２の別の変形例である。図７（ａ）において、図２と同一部分には同一符号を付して示す。ここでは、図７（ｂ）（側方から見た図）に示すように、循環塩水の貯水部４８の底部を塞ぎ、その底部に連結パイプ４８ａを装着し、その端部に多孔質パイプからなる水浸透部４８ｂを鰓状開口４３ａから間隔Ａ＝３０mmの距離に配置し、連結パイプ４８ａで循環塩水を水浸透部４８ｂに供給する構成としている。このような構成にすることで、部品点数は増えるが、さらに塩の厚さを薄くして浸透水量を増やすことができる。

また、上記実施形態では食塩水を循環させたが、電解後の食塩水を排出する形態としてもよい。
また、上記実施形態では１つの塩水タンク４２を区切る形態としたが、塩室４４と飽和塩水室４５を２つのタンクで構成し、鰓状開口４３ａの形成部分をパイプにより連結した構造としてもよい。
また、上記実施形態では１つの水位センサ４６Ｆで不足水位を検知して一定量の補充水を供給することとしたが、更に上位水位センサを追加して、上位水位センサが検知するまで補充水を供給し続ける形態としてもよい。水位の維持は、飽和塩水室４５の水位を少なくとも塩室４４の容量の３０〜７０％に維持することが望ましい。

その他、本実施形態は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…電解槽、１１…中間室、１２…陽極室、１３…陰極室、１４…陰イオン交換膜、１５…陽イオン交換膜、１６…陽極電極、１７…陰極電極、２１…電磁弁、２２…電磁弁、３１，３２…調整バルブ、４…塩水供給装置、４１…塩水タンク、４２…排水弁、４３…仕切り壁、４３ａ…鰓状開口、４３ｂ…塩止めメッシュ、４４…塩室、４５…飽和塩水室、４６…塩止め壁、４６ａ…パンチング開口板、４６ｂ…塩止めメッシュ、４７…塩水取込口、４８…貯水部、４９…開閉蓋、４Ａ…補給水取込口、４Ｂ…塩止め突起、４Ｃ…取水口、４Ｄ…排水口、４Ｅ…排水口、４Ｆ…水位センサ、４Ｇ…水位ライン、５…塩水循環ポンプ、６…気液分離ユニット。

Claims (22)

1. 固体の塩類を溶かした電解液を電解する電解槽と、前記電解液を前記電解槽に供給する電解液供給装置とを有する電解水生成装置において、
   前記電解液供給装置が、前記電解液を生成し貯留するタンクを備え、
   前記タンクが、前記固体の塩類及び補充水を投入して前記電解液を生成し、底部側面に前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を供給する液浸透部を形成してなる塩室と、前記塩室で生成される電解液を前記浸透部を通じて取り込み、貯留して前記電解槽に供給する電解液室とを有し、
   前記塩室が、前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を透過し、その透過された電解液を前記塩類の一定の厚さの層を浸透させて前記電解液室に送る貯水部を備える電解水生成装置。
2. 前記貯水部は、少なくとも前記液浸透部の上端まで底部が開放されるように前記塩室の一部を仕切り、前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を透過する仕切り板を備える請求項１記載の電解水生成装置。
3. 前記貯水部は、その底部に、前記液浸透部から一定の距離位置に配置され、前記前記貯水部の電解水を前記貯水部の底部にある固体の塩類の層を介して前記液浸透部に送る水透過部を備える請求項１記載の電解水生成装置。
4. 前記電解液室は、前記少なくとも電解液室の水位を一定に維持する水位維持機構を備える請求項１記載の電解水生成装置。
5. 前記水位維持機構は、前記電解液室の水位を少なくとも前記塩室の容量の３０〜７０％に維持する請求項４記載の電解水生成装置。
6. 前記電解液室は、その下部に排水口を有し、前記排水口の周囲に前記液浸透部から浸透する固体の塩類の前記排水口への流出を阻止する塩止め壁を備える請求項１記載の電解水生成装置。
7. 前記塩室の容量が前記電解液室の容量より大きいことを特徴とする請求項１記載の電解水生成装置。
8. 前記液浸透部は、高さ１００mm以下の開口である請求項１記載の電解水生成装置。
9. 前記液浸透部は、前記開口に穴径２mm以下の塩止めメッシュを装着してなる請求項８記載の電解水生成装置。
10. 前記塩類の一定の厚さは２００mm以下である請求項１記載の電解水生成装置。
11. 前記電解槽に電解液を供給したときに、前記塩室の水位に対する前記電解液室の水位低下は１０mm以上である請求項１記載の電解水生成装置。
12. 固体の塩類を溶かした電解液を電解する電解槽に前記電解液を供給する電解液供給装置において、
    前記電解液を生成し貯留するタンクを備え、
    前記タンクが、前記固体の塩類及び補充水を投入して前記電解液を生成し、底部側面に前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を供給する液浸透部を形成してなる塩室と、前記塩室で生成される電解液を前記浸透部を通じて取り込み、貯留して前記電解槽に供給する電解液室とを有し、
    前記塩室が、前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を透過し、その透過された電解液を前記塩類の一定の厚さの層を浸透させて前記電解液室に送る貯水部を備える電解液供給装置。
13. 前記貯水部は、少なくとも前記液浸透部の上端まで底部が開放されるように前記塩室の一部を仕切り、前記固体の塩類の透過を阻止して前記電解液を透過する仕切り板を備える請求項１２記載の電解液供給装置。
14. 前記貯水部は、その底部に、前記液浸透部から一定の距離位置に配置され、前記前記貯水部の電解水を前記貯水部の底部にある固体の塩類の層を介して前記液浸透部に送る水透過部を備える請求項１２記載の電解液供給装置。
15. 前記電解液室は、前記少なくとも電解液室の水位を一定に維持する水位維持機構を備える請求項１２記載の電解液供給装置。
16. 前記水位維持機構は、前記電解液室の水位を少なくとも前記塩室の容量の３０〜７０％に維持する請求項１５記載の電解液供給装置。
17. 前記電解液室は、その下部に排水口を有し、前記排水口の周囲に前記液浸透部から浸透する固体の塩類の前記排水口への流出を阻止する塩止め壁を備える請求項１２記載の電解液供給装置。
18. 前記塩室の容量が前記電解液室の容量より大きいことを特徴とする請求項１２記載の電解液供給装置。
19. 前記液浸透部は、高さ１００mm以下の開口である請求項１２記載の電解液供給装置。
20. 前記液浸透部は、前記開口に穴径２mm以下の塩止めメッシュを装着してなる請求項１９記載の電解液供給装置。
21. 前記塩類の一定の厚さは２００mm以下である請求項１２記載の電解液供給装置。
22. 前記電解槽に電解液を供給したときに、前記塩室の水位に対する前記電解液室の水位低下は１０mm以上である請求項１２記載の電解液供給装置。

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