JP2016137423A - 気体溶解器及び気体溶解流体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で小型であるとともに、気体を液体に効率よく速やかに溶解させて高い溶存濃度の気体溶解流体を製造することが可能な気体溶解器及び気体溶解流体製造装置の提供。
【解決手段】気液混合流体を導入する入口部と、流路部と、気体溶解流体を導出する出口部とを備え、流路部を、気液混合流体及び気体溶解流体の流れ方向に沿って直列、多段に配設された貫通孔を有する複数のオリフィスと、複数のオリフィスの相互間にそれぞれ密着して配設された、多段に配置されたオリフィス間に流路を確保するためのスペーサとを有し、かつ、複数のオリフィスの、スペーサを介して隣接するもの同士を、貫通孔が流れ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように配設させたことで、流体中における気体の溶存濃度を導入時の溶存濃度よりも高めた気体溶解流体が得られる気体溶解器、これを用いた及び気体溶解流体製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体溶解器及び気体溶解流体製造装置に関する。さらに詳しくは、例えば、水素水等の気体溶解水を製造する際に好適に用いられる溶解性能に優れた気体溶解器及びそれを用いた気体溶解流体製造装置に関する。

一般に、気体溶解流体（例えば、気体溶解水）を製造するためには、水素や酸素やオゾン等の原料気体と、原水とを気体溶解器に供給し、気体溶解器において加圧する等の種々の方法により、原料気体を原水に溶解させて、気体溶解水を得ている。気体溶解水は、オゾン水や水素水のように、原水に、上述の気体を、用途に応じた所望の濃度で溶解させることで酸化性や還元性という特性を付与しており、薬品の水溶液と区別するために、気体溶解水や機能水と呼ばれている。

近年、気体溶解水は、半導体製造工程や液晶パネル製造工程において広く使用されている。例えば、酸化力の強いオゾン気体を溶解させたオゾン水はシリコンウェハや液晶パネル用ガラスに付着した汚染有機物や金属不純物を酸化して溶解除去する目的で用いられている。また、水素水は、同様に、シリコンウェハや液晶パネル用ガラスの表面に付着した微粒子を除去する目的で用いられている。

これらの工程で使用する気体溶解水としては、例えば、多孔質膜を介し、超純水等の原料水に原料気体を接触溶解させる方法が開示されている。この方法では、多孔質膜は、疎水性及び原料気体に対する耐食性を有しており、気液接触面積が常に安定していること、多孔質膜がフィルタの役割をし、気相中の不純物を液側に持ち込みにくく極めて含有汚染物質が少ない気体溶解水を製造できるといった特長を有している。しかし、この方法によって多用されている疎水性及び化学安定性を有する多孔質膜であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）多孔膜は、高価であり、ＰＴＦＥの加工性が悪いことから小型の膜モジュールの作製が困難であり、また長期的に安定に稼働させるには、ドレンポットによる凝縮水の管理処理等付帯機器及びそれらの制御が必要となるという問題があった（例えば、特許文献１参照）。

近年、気体溶解水の中には、ペットボトル詰めされ、酸素水、水素水、還元水等の飲用水として広く普及しているものもある。これらの飲用気体溶解水の製造においては、前述のような多孔膜を使った気体溶解方法を用いることも清浄面からは有効である（例えば、特許文献２参照）。一方、上記した用途では、半導体洗浄用途で要求されるまでの高清浄性は求められないことから、原料水に原料気体を散気し又は原料気体に原料水を単純に分散し、溶解させる方法も有用であるが、安定した気液接触面積が得られにくいという問題があった（例えば、特許文献３参照）。

特許第４９１９３８５号公報 特許第４５７３９０４号公報 特開２００６−２６３６４１号公報

本発明者らは、上記した現状に対して、オフィスや家庭に普及している飲用水供給装置や水道に、簡便に取り付けることで、自在に、例えば、水素や酸素等の気体を所望する濃度で水に溶解させた機能水を得ることができれば、極めて有用であるとの認識を持つに至った。これに対し、水素や酸素やオゾン等の気体を電気分解によって得る装置については小型化が達成されており、実用化もされているものの、これらの気体を溶存濃度以上に水等に溶解させるのは容易なことではない。例えば、上記したような従来知られている気体溶解方法は、いずれも、装置内に膜モジュールを用いたり、接触のためのタンクを用いたり、溶解器周辺に多くの付帯設備を伴うことから、装置の小型化が難しく、例えば、オフィスや家庭に設置されている飲用水供給装置に適用して、水素や酸素やオゾン等の気体を通常の溶存濃度以上になるように溶解させるための気体溶解器としては適当ではなかった。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、簡易な構成で小型であるとともに、気体を原料液体に効率よく速やかに溶解させて所望の溶存濃度の気体溶解流体を製造することが可能な気体溶解器、及びこの気体溶解器を用いた、飽和濃度近傍までの溶存濃度となるように気体が溶解された気体溶解流体を効率よく速やかに製造することが可能な気体溶解流体製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によれば、以下の気体溶解器及び気体溶解流体製造装置が提供される。

［１］原料の気液混合流体中の気体を液体中にさらに溶解させて、流体中における前記気体の溶存濃度を導入時の溶存濃度よりも高めた気体溶解流体とするための気体溶解器であって、前記気液混合流体を外部から導入する入口部と、前記入口部から導入された前記気液混合流体を通過させるとともに、通過中に、前記気液混合流体中の前記気体を、導入時の溶存濃度を超えるように前記液体中にさらに溶解させて前記気体溶解流体とする流路部と、前記気体溶解流体を外部に導出する出口部を備え、前記流路部は、前記気液混合流体及び前記気体溶解流体の流れ方向（中心軸方向）に沿って直列、多段に配設された、貫通孔を有する複数のオリフィスと、前記複数のオリフィスの相互間にそれぞれ密着して配設された、多段に配置されたオリフィス間に流路を確保するためのスペーサを有し、かつ、前記複数のオリフィスの、前記スペーサを介して隣接するもの同士は、前記貫通孔が前記流れ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように配設されていることを特徴とする気体溶解器。

［２］前記複数のオリフィスは、それぞれが、所定の流れ方向厚さと、所定の配設パターンで形成された複数の貫通孔を有する板状であるとともに、前記スペーサは、それぞれが、所定の流れ方向厚さと、所定の内部空間を有する環状である前記［１］に記載の気体溶解器。

［３］前記複数のオリフィスは、それぞれ、孔径が０．５〜４ｍｍの貫通孔を有する、前記流れ方向厚さが０．５〜２ｍｍ、直径が５〜２０ｍｍの金属円板である前記［１］又は［２］に記載の気体溶解器。

［４］前記オリフィスの枚数が、２〜５枚である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の気体溶解器。

［５］前記複数のオリフィスは、それぞれ、孔径が０．５〜４ｍｍの３つの貫通孔を有し、該貫通孔は、オリフィスの中心軸が該貫通孔の形成する三角形の内部に位置するように配置されており、かつ、前記スペーサを介して隣接するオリフィス同士は、前記三角形の一方が、他方の三角形に対して前記中心軸を中心として１８０度回転した位置となるように配設されてなる前記［２］〜［４］のいずれかに記載の気体溶解器。

［６］前記スペーサは、前記流れ方向厚さが０．５〜３ｍｍ、外径が５〜２０ｍｍ、内径が３〜１８ｍｍの、環状体である前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の気体溶解器。

［７］前記気液混合流体は、水の電気分解液と、水の電気分解によって生成する気体との混合物であり、前記気体は、水素及び／又は酸素である前記［１］〜［６］のいずれかに記載の気体溶解器。

［８］気液混合流体の供給装置と、前記［１］〜［７］のいずれか１項に記載の気体溶解器とを備えていることを特徴とする気体溶解流体製造装置。

［９］前記気液混合流体の供給装置は、水溶液電解用フィルタープレス型電解セルと、直流電流電源とを少なくとも搭載し、電気分解によって気体を発生させて気液混合流体を製造するように構成された前記［８］に記載の気体溶解流体製造装置。

［１０］前記直流電源と前記電解セルとの間に、極性反転用のリレーをさらに備えた前記［９］に記載の気体溶解流体製造装置。

［１１］前記電解セルは、２つのＯリングを備え、前記２つのＯリングによって前記電解セルの内部の流体を二重にシールするように構成された前記［９］又は［１０］に記載の気体溶解流体製造装置。

本発明によれば、簡易な構成で小型であるとともに、原料である気液混合流体中の気体を液体に効率よく速やかに溶解させて、気体の溶存濃度を、原料流体の導入時における溶存濃度以上となるように高めた、理想的には飽和溶解度近くまで、更にはそれ以上に、気体が溶解した気体溶解流体を製造することが可能な気体溶解器、及びこの気体溶解器を用いた、原料流体よりも高い溶存濃度に、理想的には飽和溶解度近くまで気体が溶解された、水素水や微酸性水等の気体溶解流体を効率よく速やかに製造することが可能な簡易な構成の気体溶解流体製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る一例の気体溶解器を、模式的に示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る一例の気体溶解流体製造装置の構成、及び気体溶解流体製造装置における流体の流れを模式的に示す説明図及び部分説明図である。 本発明の実施の形態に係る一例の気体溶解流体製造装置に用いられる、電気分解によって所望の気体を発生させる電解セルの構造を模式的に示す模式図である。 複数の貫通孔を有する各オリフィスの配設パターンの一例を模式的に示す図である。 実施例で行った溶解試験用のフロー図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ具体的に説明する。

（気体溶解器１０）
図１に示すように、本実施の形態の気体溶解器１０は、原料である気液混合流体ＭＦ中の気体を液体中に溶解させて、流体中における前記気体の溶存濃度を、原料の導入時よりも高い溶存濃度に高めた、理想的には飽和溶解度近くまで効率よく高めることができる気体溶解流体ＳＦとするための気体溶解器である。

この場合、気体溶解器１０に導入される気液混合流体ＭＦは、例えば、液体及び気体が気体溶解器１０に導入される直前に混合されて気液混合流体ＭＦとされたもの（溶存濃度が殆ど０の状態）であっても、また、例えば、電解セルを経由した電解水（水の電気分解液と、水の電気分解によって生成する気体との気液混合物）のように、予め所定の溶存濃度で気体が溶解した状態で混合している気液混合流体ＭＦであってもよい。

本実施の形態の気体溶解器１０は、気液混合流体ＭＦを外部から導入する入口部１と、入口部１から導入された気液混合流体ＭＦを通過させるとともに、通過中に、気液混合流体ＭＦ中の気体を、原料である気液混合流体の導入時における前記気体の溶存濃度を超えるように液体中にさらに溶解させて、溶存濃度を理想的には飽和溶解度近くまで高めた気体溶解流体ＳＦとすることができる特有の構造を有する流路部２と、気体溶解流体ＳＦを外部に導出する出口部３と、を備えている。

さらに具体的には、本実施の形態の気体溶解器１０において、流路部２は、気液混合流体ＭＦ及び気体溶解流体ＳＦの流れＦ方向（中心軸Ｏ方向）に沿って直列、多段に配設された複数の（図１では５枚の）オリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅と、複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅の相互間にそれぞれ密着して配設された、複数の（図１では５枚の）スペーサ２Ｓ₁〜２Ｓ₅と、から構成されている。そして、それぞれのオリフィスは貫通孔を有し、かつ、多段に配設された複数のオリフィスが、スペーサを介して隣接した構成となっていることから、オリフィス間に流路が確保されており、この結果、入口部１から導入された気液混合流体ＭＦは、各オリフィスの貫通孔を通過しながら、出口部３に至ることになる。

複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅は、貫通孔を有するものであればよく、貫通孔の形状や個数等は特に限定されないが、本発明の気体溶解器１０では、複数のオリフィスがそれぞれに有する貫通孔を下記のように配置したことで、本発明の顕著な効果を得ている。具体的には、本発明の気体溶解器１０は、スペーサを介して隣接するオリフィス同士の配置を、オリフィスがそれぞれに有する貫通孔が、気液混合流体ＭＦの流れ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように配設したことを特徴としている。例えば、図１に例示した本発明の気体溶解器１０は、下記のように構成されている。図１に示すように、複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅は、それぞれが、所定の流れ方向厚さと、所定の配設パターンで形成された複数の（図１では３つ）貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃とを有する円盤状である。図１の例では、３つ貫通孔が、オリフィスの中心軸Ｏが内部に位置するように配置されて三角形の配設パターンを形成している。そして、オリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅は、隣接するもの同士（例えば、オリフィス２Ｏ₁とオリフィス２Ｏ₂等）、スペーサ２Ｓ₁〜２Ｓ₅を介して配置されているが、更に、その際に、オリフィスの貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃の配設パターンが流れＦ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように配設されている。すなわち、複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅を、例えば、図４に示したように、それぞれのオリフィスにおける貫通孔の配設パターンが、オリフィスの中心軸Ｏを囲む位置に３つの貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃を配置して形成した三角形をなしており、かつ、スペーサ２Ｓ₁〜２Ｓ₅を介して隣接するオリフィス同士が、貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃の配設パターンとしての三角形の一方が、他方の三角形に対して中心軸Ｏを中心として１８０度回転した位置となるように配設することが好ましい。勿論、これは例示であり限定されるものでなく、貫通孔の数と、貫通孔によって形成する配設パターンと、オリフィス同士の配設パターンの配置を適宜に設計することで、気液混合流体が通過する際に生じる、後述する、気体の流体への溶解性に寄与する、衝突、加圧、減圧等の状態を目的に応じた最適なものにすることができる。

本発明の気体溶解器１０によれば、その流路部２を、このような特有の構成のオリフィスを配設し、これに加えて、貫通孔を有するオリフィス間に円滑な流路を確保するために設けた、複数のオリフィスの相互間にそれぞれ密着して配設させたスペーサによって、入口部１から導入した気液混合流体ＭＦが出口部３から導出することを可能にし、その間に、原料である気液混合流体ＭＦ中の気体の溶存濃度を高めることができる。その結果、入口部１から導入された気液混合流体ＭＦは、上記簡易な構造の流路部２を通過していく過程で、気体の溶解度が効率よく高まり、出口部３から導出される流体は、気体が所望する高い溶存濃度で、理想的には飽和溶解度近くまで、更には、それ以上の濃度まで溶解した機能性に優れる気体溶解流体となる。その詳細については後述する。なお、各オリフィスに設けられた貫通孔の孔数は、特に制限はなく、１つでもよいが、溶存濃度を高め、かつ、流量を確保するためには、２つ以上、例えば、２〜５とすることが好ましい。また、図１に示した例では、各オリフィスの貫通孔の数をいずれも３つと同一にしたが、本発明は、これに限定されず、各オリフィスの貫通孔の数は、同じであっても異なるものであってもよい。また、貫通孔の形状も円筒に限定されるものではなく、流体が通過できればよく、その外周形状が、円、方形、星型等いずれであってもよく、流体の流れ方向にテーパが設けられていてもよい。貫通孔の孔径としては、０．５〜４ｍｍ程度であることが好ましく、０．５〜２ｍｍ程度のものであることがより好ましい。

本発明を構成する複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅は、それぞれ、形状が、流れＦ方向厚さが０．５〜２ｍｍ、好ましくは１〜１．５ｍｍ程度、直径が５〜２０ｍｍ、好ましくは１０〜１５ｍｍ程度の、ステンレス製やチタン製の金属円板であることが好ましい。

また、本発明の気体溶解器１０を特徴づける前記流路部２を構成する複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅の数は、図１に示した５枚であることに制限されることはなく、貫通孔の数や孔径、所望する気体の溶存濃度に応じて適宜に設計すればよい。溶存濃度を高めることと、流量を確保すること、小型化を図ること等を満足させるためには、例えば、２〜５枚程度、更には３枚程度であることが好ましい。

本発明の気体溶解器１０を特徴づける前記流路部２は、上記したような構成の複数のオリフィスが多段に配設され、多段に配設されたオリフィス間に流路を確保する目的で、オリフィス同士を、スペーサを介して密着して配設された構成を有する。このため、本発明で使用するスペーサの形状は、それぞれが所定の流れ方向厚さと、所定の内部空間と、を有する環状体であることが好ましい。すなわち、スペーサは、流れ方向厚さが０．５〜３ｍｍ、好ましくは１〜１．５ｍｍ程度、外径が５〜２０ｍｍ、好ましくは１０〜１５ｍｍ程度、内径が３〜１８ｍｍである、環の幅が２〜５ｍｍ程度の環状体（リング）であることが好ましい。また、スペーサの材質も特に限定されず、例えば、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等の各種プラスチックや、ＮＢＲ等の合成ゴムや、バイトン（登録商標、デュポンエラストマー社製）等のフッ素系やその他のエラストマーを用いることができる。また、金属製であってもよい。スペーサの形状を環状体（リング）とした場合は、スペーサが内部空間を有するものとなるので、オリフィス間の流路の確保がより確実にできるようになるので、好ましい。

また、本発明を構成するスペーサは、スペーサを介して複数のオリフィスを隣接させることで、多段に配置されたオリフィス間に流路を確保するためのものであり、オリフィスの貫通孔を通過した流体が流れ込む空間を形成するものであり、その枚数は効果との兼ね合いで決定すればよく、図１に示した５枚であることに制限されることはない。スペーサは、複数のオリフィスの枚数と同数とするか、或いは、オリフィスの枚数のプラスマイナス１枚であることが好ましい。しかし、これに限定されず、本発明者らの検討によれば、多段に配置されたオリフィス間に流路を確保でき、これにより、流体の通過中に、気体の溶解効果が得られればよく、例えば、隣接するオリフィス同士を、複数枚のスペーサを介して配設するように構成してもよい。

流路部２は、図１に示したように、例えば、気液混合流体ＭＦ及び気体溶解流体ＳＦの流れＦ方向（中心軸Ｏ方向）に沿って直列、多段に配設された複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅と、複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅の相互間にそれぞれ密着して配設された、多段に配置されたオリフィス間にそれぞれ流体の流路を確保するための複数のスペーサ２Ｓ₁〜２Ｓ₅と、から構成できる。また、本発明で規定するようにスペーサとオリフィスとを配置する必要があることから、例えば、それぞれの部材に位置決め用のマーク等を設けておけば、容易に組み立てることができるようになる。

本発明者らは、上述のように、本実施の形態の気体溶解器１０において、入口部から導入された原料の気液混合流体を、上述のような簡易な構造の流路部２を通過させるだけで、加圧するといった特別の操作をすることなく、流路部２を通過後の流体（液体）中における気体の溶存濃度が、原料流体の導入時よりも効率よく高めることができるという驚くべき効果が得られたこと、すなわち、流路部２を通過中に、原料である気液混合流体中の気体がさらに液体中に溶解し、溶存濃度が所望する濃度まで、理想的には飽和溶解度近くまで高まり、気体溶解流体として利用できるものになった理由を以下のように考えている。すなわち、入口部１から導入された気液混合流体ＭＦは、流路部２の流路としての複数のオリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅のそれぞれに設けられた狭い貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃、及び、スペーサ２Ｓ₁〜２Ｓ₅によって確保したオリフィス間の流路、さらには、それぞれのオリフィスに設けた貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃を、流体の流れ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように構成したことで、導入した気液混合流体が、流路部２をそれぞれ流れて通過する間に、衝突、減圧、加圧等を繰り返し、その結果、出口部３から外部に導出された流体は、原料の気液混合流体における気体の溶存濃度が高まり、理想的には飽和溶解度近くまで高まり、機能性を発揮し得る十分な気体の溶存濃度を有する気体溶解流体ＳＦとできたものと考えている。

より具体的には、本実施の形態の気体溶解器１０に供給された気液混合流体ＭＦは、各オリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅の貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃の配設パターンが流れＦ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように配設されていることから、オリフィスの貫通孔を通過した原料の気液混合流体は、スペーサを介して隣接するオリフィスの表面壁に衝突することによって発生する乱流により気泡の微細化が促進される。この場合、各オリフィス２Ｏ₁〜２Ｏ₅の貫通孔２Ｔ₁〜２Ｔ₃の出口では、キャビテーションも発生する。

また、各オリフィスの貫通孔を通過する際、流速増加により減圧されるため多くの溶存気体や水蒸気による微細気泡が発生し、さらに、各オリフィスの貫通孔から環状のスペーサの内部空間に排出された途端、流速低下により加圧されるため、微細気泡は速やかに溶解し、水蒸気は凝縮する。

さらに、上述の操作を多段で行うことによって、気液混合流体ＭＦに含まれていた気泡及び溶存気体、水は、気体化、微細化、溶解、凝縮を繰り返して、溶解効率が向上する。これらのことが総合されて、本実施の形態の気体溶解器１０は、原料の気液混合流体中の気体を液体中にさらに溶解させ、気体の溶存濃度を高める気体溶解性能を示すものとなったと考えられる。

本実施の形態において、原料の気液混合流体ＭＦ（気体溶解流体ＳＦ）としては、特に制限はないが、例えば、水の電気分解液と、水の電気分解によって生成する気体との気液混合流体を好適例として挙げることができる。この場合、気体は、水素及び／又は酸素であり、液体（流体）は水であり、気液混合流体ＭＦ（気体溶解流体ＳＦ）は、水の電気分解液であり、得られる気体溶解流体としては、水素水、水素酸素水、又は酸素水が挙げられる。勿論、本発明の技術は、これに限らず、オゾン水、炭酸水、酸性水、アルカリ水、窒素水、微酸性水などの塩素溶解水等の、種々の機能性を示す気体が高濃度で、理想的には飽和溶解度近くまで溶解してなる様々な種類の機能水を得る場合にも適用できる。

本実施の形態において、最終的に得られる気体溶解流体ＳＦにおける気体の溶存濃度としては、使用目的にもよるが、例えば、飲用の水素水や水素酸素水や酸素水とする場合であれば、水素が水に、２５℃での飽和濃度である１．５ｍｇ／Ｌに近い溶存濃度で溶解した状態の機能性に優れる水素水が提供できる。本発明はこれに限定されず、使用目的に応じて、例えば、飽和濃度より低い１．０ｍｇ／Ｌ程度の希薄な水素水や、水素の液体への溶存量を飽和濃度よりも高めた高濃度の水素水の提供も可能になる。

（気体溶解流体製造装置１００）
本実施の形態の気体溶解流体製造装置は、基本的に、上述の気体溶解器１０を備えて構成されるが、原料を供給するための気液混合流体の供給装置と組み合わせた構成としたものであることが好ましい。また、先に述べたように、原料である気液混合流体として、電気分解液と、水の電気分解によって生成する気体との気液混合流体を用いることが好ましいことから、気液混合流体の供給装置としては、電解セルと、直流電流電源と、を少なくとも搭載し、電気分解によって所望の気体を発生させて気液混合流体を製造するものであることが好ましい。以下、上述の電解セル等を備えた気液混合流体の供給装置について、水の電気分解を行って気液混合流体を得る場合について、図２及び図３を参照して説明する。例示した電解セルは、水溶液電解用フィルタープレス型電解セルである。

本実施の形態の気体溶解水製造装置１００は、図２に示すように、水道水や天然水等の原料水Ｗの受入口１０１と、受入口１０１から導入された原料水Ｗを貯留するタンク１０２と、タンク１０２から水電解セル１１０（以下、単に「電解セル１１０」ということがある）へ原料水Ｗを移送するポンプ１０３と、電解セル１１０と、気体溶解器１０とが循環経路を構成している。気体溶解器１０とタンク１０２との間に設けられた枝管には分枝部分から近い順にバルブ１０５Ｄと気体溶解水出口１０４が配置され、分枝部とタンク１０２の間にはバルブ１０５Ｃが配置されている。また、電解セル１１０を構成する電解室の陽極室１１１と陰極室１１２には、それぞれ１つずつ原料水入口１１３、１１４と気液混合流出口１１５、１１６とが配置されている。ポンプ１０３から電解セル１１０への配管は途中で２本に分岐し、一方はバルブ１０５Ａを介して陽極室１１１の原料水入口１１３に接続され、もう一方はバルブ１０５Ｂを介して陰極室１１２の原料水入口１１４に接続されている。両極室１１１、１１２の気液混合流出口１１５、１１６に接続された配管は一本に合流した後、気体溶解器１０に接続される。上記に用いられる陰極、陽極及び陰極質と陽極室とを間仕切るための隔壁（隔膜）等は、目的とする気体溶解流体に応じて従来公知のものを用いればよい。

また、気体溶解水製造装置１００は、図２（ｂ）に示したように、電解セル１１０と、電解セル１１０に直流電流を供給するための直流電流電源１２０と、の間に極性反転用のリレー１５０をさらに備えて構成されていてもよい。この場合は、直流電流電源１２０に接続された直流電流線１２１をリレー１５０に接続し、さらにリレー１５０から電解セル１１０へ直流電流線１２２を接続し、リレー１５０により電解セル１１０に供給する直流電流の正負を切り替えられるように構成される。

本実施の形態の気体溶解水製造装置１００を上述の構成を有するものとした場合は、以下の点において有用である。すなわち、原料水Ｗに水道水や井戸水を用いた場合、水中に存在するカルシウム、マグネシウム、シリカの成分は陰極表面において、非導電性かつ被覆性の水酸化物を生成しやすく、陰極表面に蓄積された場合は電解セル１１０の内部抵抗の増加により電解不能となることがある。これらの水酸化物は陽分極した際には速やかに溶解し電極表面から離脱するため、水道水等を原料水Ｗとして、水電解セルを長期間安定して稼働させるためには、上記した形態のように、直流電流電源１２０と電解セル１１０の間にリレー１５０を配置し、定期的に極性を切り替えることができる、正負を定期的に切り替える電解方法が有用である。

図３に、本発明の気体溶解水製造装置１００に好適に用いられる構成を有する水溶液電解用フィルタープレス型電解セル１１０の模式図を示した。すなわち、例示した気体溶解水製造装置１００では、電解セル１１０で製造した気液混合流体を、本発明の気体溶解器へ供給する構成としているが、前述したように、気体溶解器の流路部に複数のオリフィスが設けられて加圧状態になるので、原料の気液混合流体を送る側の電解セルの液漏れが懸念される。このため、図３に示したように電解セルの液漏れが生じないようにダブルシールした構成のものを使用することが好ましい。具体的には、本実施の形態において使用する水溶液電解用フィルタープレス型電解セルは、隔膜によって仕切られた陽極室及び陰極室と、充填された内部流体（原料水Ｗ及び気液混合流体ＭＦ）と、内側と外側に２つのＯリングを備えている。そして、電解セルは、２つのＯリングによって内部流体を二重にシールするように構成されている。すなわち、陽極室と陰極室とを、隔膜を介して接合させているが、その際に、陽極室及び陰極室の接合面にそれぞれ配設した２つのＯリングを介して密着接触させている。電解セルをこのような構造としたことで、本発明の気体溶解器と組み合わせて使用した場合に、電解によって発生する気体（水素及び／又は酸素）、原料水Ｗ、気液混合流体ＭＦの漏れを有効に防ぐことができる。２つのＯリングによって内部流体を二重にシールする具体的な方法としては、例えば、図３に示したように、内部のＯリング１１８により電解室にて生成する気液混合流体をシールし、外側のＯリング１１７にて、隔膜と電解室との間から漏れ等を含む全体をシールするように構成することが挙げられる。なお、水溶液電解用フィルタープレス型電解セルの基本構成については、例えば、特許第３２２９２６６号公報や特許第３７７０５５１号公報に記載されている。

以下に、本発明の気体溶解器及び気体溶解水製造装置を、実施例を用いてさらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって、いかなる制限を受けるものではない。

（実施例１）
隔膜で陽極室と陰極室とが仕切られた水溶液電解用フィルタープレス型電解セルの陽極室に、陽極として、触媒として白金と二酸化イリジウムとを熱分解法によりチタンメッシュ基材に担持させたものを配設するとともに、陰極室にも、陰極として、陽極と同様に、触媒として白金と二酸化イリジウムとを熱分解法によりチタンメッシュ基材に担持させたものを配設して、電解セルを構成した。また、隔膜であるイオン交換膜にはＮａｆｉｏｎ１１７（登録商標、デュポン社製）を用いた。各電極と隔膜は直接接触するように配置した。陽極水タンクには水道水を入れ、電解セル上部に配した陽極室出口と陽極水タンクと、電解室下部に配した陽極室出口と陽極水タンクと、それぞれ配管で接続した。電解時には陽極で発生する酸素気体によるドリフト現象により陽極水タンクと陽極室の間は自然循環する。水道水である原料水は水圧計及び付帯する圧力調整バルブにより規定の水圧に調整した。その時の水流量は流量計で測定され、電解セル下部に配した陰極室入口に供給され、電解時には水素を含んだ気液混合流体として電解セル上部に配した陰極室出口から排出された。この気液混合流体を原料水として、気体溶解器（ガス溶解器）に供給して、気体の溶解性を試験した。図５に、その際に使用した溶解試験のフローを示した。

気体溶解器は、オリフィスとして、孔径１ｍｍの３つの貫通孔を有し、これらの貫通孔によって形成される配設パターンが図４に示した三角形であるものを用いた。オリフィスとして、流れ方向厚さが１ｍｍで、直径が１０ｍｍの円盤状のステンレス製のものを３枚用いた。また、スペーサには、流れ方向厚さが１ｍｍで、外径が１０ｍｍで、内径が８ｍｍのリング状の、フッ素系エラストマーであるバイトン（登録商標、デュポンエラストマー社製）からなるものを３枚用いた。そして、スペーサを介して隣接するオリフィス同士が、貫通孔の配設パターンとしての三角形の一方が他方の三角形に対して中心軸を中心として１８０度回転した位置となるように配設した（図１、図４参照）。

上述のように構成された気体溶解器を備えた気体溶解水製造装置を用い、気体溶解器の性能を下記のようにして評価した。測定条件として、上記した電解セルを用い、３Ａの電流値で発生する水素は、電流効率１００％として０．９３３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ（＝１．８６５ｍｇ／ｍｉｎ）と計算される。ここで、水素の飽和溶解度は、１．５ｍｇ／Ｌ（１ａｔｍ，２５℃）である。前記した電解セルを用いて水素を発生させて得た気液混合流体を上記の構成の気体溶解器に、室温条件で（２５℃）、０．５２Ｌ／ｍｉｎの水流量、０．３ＭＰａの原料水の元圧で導入した。このようにして行った溶解試験のフローで得られた水素水の溶存濃度（ＤＨ）を溶存水素計で測定した。溶存水素計には、株式会社アプリクス製、商品名：ＨＹＡ−１１０Ｓを用いた。測定結果を表１に示した。

そして、１つの溶解性能を評価するパラメータとして、水素の溶解効率を求めたところ、０．４２であった。また、他の溶解性能を評価するパラメータとして飽和溶解度に対する到達率を算出したところ、１．００（１００％）であった。測定条件と、得られた評価結果を表１に示した。上記の溶解効率は、次式によって算出した値であり、電解により発生した水素のうち、どれくらいが溶存水素として観測されたかを示すものである。したがって、同様の条件で水素を溶解させた場合、その数値が大きいほど、水素の流体への溶解が効率よく行われたことになる。
溶解効率＝（ＤＨ×水流量）／（電流×６０／２／９６５００×２×１０００）

（実施例２〜４）
実施例１において、気体溶解器の構成を、表１に示すオリフィスの枚数、貫通孔の孔数及び測定条件に変えたこと以外は、実施例１と同様にして、溶解性能（水素の溶解効率及び飽和に対する到達率）を測定した。そして、測定結果を表１に示した。

（比較例１、２）
実施例１において、気体溶解器の構成を、表１に示すオリフィスの枚数、貫通孔の孔数及び測定条件に変えたこと以外は、実施例１と同様にして、溶解性能（水素の溶解効率及び飽和に対する到達率）を測定した。測定結果を表１に示した。

表１から、以下のことが分かる。
１）オリフィスの枚数が０枚（オリフィス無）の比較例１、２の場合、水流量の差によるＤＨ（水素の溶存濃度）の違いは認められないことから、高濃度化が難しいことが分かる。また、低流量での効率が低いことが確認された。
２）実施例１、実施例３〜４、及び比較例１を比較すると、流体の通過がほぼ同水流量であるにも関わらず、オリフィスの枚数が３枚の実施例１及び実施例３〜４方が、比較例１よりも、飽和溶解度近くまで高濃度化できていることが分かる。なお、オリフィスの枚数は、一般的には枚数が多い方が、水圧損は大きくなるが、乱流発生箇所は多くなり、溶解・微細化・再溶解も枚数だけ繰り返すため溶解効率は高くなると推測される。
３）実施例１、３、４とを比較すると、オリフィスの貫通孔の孔数が多い方が、溶解効率が増加し、到達率も良好になることが分かる。また、孔数による圧損の違いであるが、実施例１、３、４で見られるように、同じ元圧下で孔数が増えるとやや水流量は増加するから圧損は低下しているといえる。
４）実施例２と比較例２とを比較すると、オリフィスの枚数が３枚の実施例２の方が高水流量であるにも関わらず、高溶解効率かつ高濃度であり、多段オリフィスの優位性が分かる。

１：入口部
２：流路部
２Ｏ₁〜２Ｏ₅：オリフィス
２Ｓ₁〜２Ｓ₅：スペーサ
２Ｔ₁〜２Ｔ₃：貫通孔
３：出口部
１０：気体溶解器
１００：気体溶解水製造装置
１０１：受入口
１０２：タンク
１０３：ポンプ
１０４：気体溶解水出口
１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ、１０５Ｄ：バルブ
１１０：（水）電解セル
１１１：陽極室
１１２：陰極室
１１３：原料水入口
１１４：原料水入口
１１５：気液混合流出口
１１６：気液混合流出口
１１７：外側のＯリング
１１８：内側のＯリング
１１９：隔壁（隔膜）
１２１、１２２：直流電流線
１５０：リレー
Ｆ：流れ
ＭＦ：気液混合流体
Ｏ：中心軸
ＳＦ：気体溶解流体
Ｗ：原料水

Claims (11)

1. 原料の気液混合流体中の気体を液体中にさらに溶解させて、流体中における前記気体の溶存濃度を導入時の溶存濃度よりも高めた気体溶解流体とするための気体溶解器であって、
   前記気液混合流体を外部から導入する入口部と、
   前記入口部から導入された前記気液混合流体を通過させるとともに、通過中に、前記気液混合流体中の前記気体を、導入時の溶存濃度を超えるように前記液体中にさらに溶解させて前記気体溶解流体とする流路部と、
   前記気体溶解流体を外部に導出する出口部を備え、
   前記流路部は、前記気液混合流体及び前記気体溶解流体の流れ方向（中心軸方向）に沿って直列、多段に配設された、貫通孔を有する複数のオリフィスと、前記複数のオリフィスの相互間にそれぞれ密着して配設された、多段に配置されたオリフィス間に流路を確保するためのスペーサを有し、かつ、
   前記複数のオリフィスの、前記スペーサを介して隣接するもの同士は、前記貫通孔が前記流れ方向において互いに重なり合わない位置関係となるように配設されていることを特徴とする気体溶解器。
2. 前記複数のオリフィスは、それぞれが、所定の流れ方向厚さと、所定の配設パターンで形成された複数の貫通孔を有する板状であるとともに、前記スペーサは、それぞれが、所定の流れ方向厚さと、所定の内部空間を有する環状である請求項１に記載の気体溶解器。
3. 前記複数のオリフィスは、それぞれ、孔径が０．５〜４ｍｍの貫通孔を有する、前記流れ方向厚さが０．５〜２ｍｍ、直径が５〜２０ｍｍの金属円板である請求項１又は２に記載の気体溶解器。
4. 前記オリフィスの枚数が、２〜５枚である請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体溶解器。
5. 前記複数のオリフィスは、それぞれ、孔径が０．５〜４ｍｍの３つの貫通孔を有し、該貫通孔は、オリフィスの中心軸が該貫通孔の形成する三角形の内部に位置するように配置されており、かつ、前記スペーサを介して隣接するオリフィス同士は、前記三角形の一方が、他方の三角形に対して前記中心軸を中心として１８０度回転した位置となるように配設されてなる請求項２〜４のいずれか１項に記載の気体溶解器。
6. 前記スペーサは、前記流れ方向厚さが０．５〜３ｍｍ、外径が５〜２０ｍｍ、内径が３〜１８ｍｍの、環状体である請求項１〜５のいずれか１項に記載の気体溶解器。
7. 前記気液混合流体は、水の電気分解液と、水の電気分解によって生成する気体との混合物であり、前記気体は、水素及び／又は酸素である請求項１〜６のいずれか１項に記載の気体溶解器。
8. 気液混合流体の供給装置と、請求項１〜７のいずれか１項に記載の気体溶解器とを備えていることを特徴とする気体溶解流体製造装置。
9. 前記気液混合流体の供給装置は、水溶液電解用フィルタープレス型電解セルと、直流電流電源とを少なくとも搭載し、電気分解によって気体を発生させて気液混合流体を製造するように構成された請求項８に記載の気体溶解流体製造装置。
10. 前記直流電源と前記電解セルとの間に、極性反転用のリレーをさらに備えた請求項９に記載の気体溶解流体製造装置。
11. 前記電解セルは、２つのＯリングを備え、前記２つのＯリングによって前記電解セルの内部の流体を二重にシールするように構成された請求項９又は１０に記載の気体溶解流体製造装置。

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