JP2017000917A

JP2017000917A - 機能水生成装置

Info

Publication number: JP2017000917A
Application number: JP2015114500A
Authority: JP
Inventors: 辰夫西尾; Tatsuo Nishio; 敏彦酒井; Toshihiko Sakai; 浩恩田; Hiroshi Onda
Original assignee: VICTORY JAPAN KK
Current assignee: VICTORY JAPAN KK
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2017-01-05

Abstract

【課題】陽極、陰極その間に極を分ける液不透過性の隔膜を用いた電解セルを持ち、浄水を入れる容器を陰極、陽極毎に物理的に分離できる構造とした上で容器を上下に配置し、上側の容器に電解セル要素を含みかつ電気的にもそれぞれ容器の電極への受電位置と相対する位置に着脱に対応した給電手段を持ち、接点を介して電解セルに電力を印加する機能水生成器においては、接点の汚れ、劣化等で微細な部分ごとで接触抵抗が異なることが少なくなく、グロー現象の一つである亜酸化銅増殖発熱現象を発生し、発生後装置動作不具合、あるいは周辺合成樹脂筐体が熱変形することがあった。【解決手段】そこで、接点を介して電気分解セルに供給する直流電圧に周期的に０Ｖまたは負電圧になる区間を設けた。【選択図】図９

Description

本発明はポータブル型機能水生成装置、とりわけ水素水、アルカリイオン水製造装置に関する。
陽極、陰極その間に極を分ける隔膜にイオン交換膜・多孔性膜・止水膜などの実質的に液不透過性の隔膜を用いた電解セルを持ち、原水を入れる容器を陰極、陽極毎に物理的に分離できる構造とした上で容器を上下に配置し、上側の容器に電解セル要素を含みかつ電気的にもそれぞれ容器の電極への受電位置と相対する位置に着脱に対応した給電手段を持ち、接点を介して電解セルに電力を印加するための電源供給手段とで構成される。

溶存水素水を製造する方法として、水を電気分解して水素ガスを生成させ、これを水に溶存させる方法が高濃度の溶存水素水を製造する方法として知られている。図１３は、公表番号特表２０１３−５２５６１２公開特許による電解式水素水生成装置として、陽極、陰極、高分子イオン交換樹脂膜等を含む電解セル44を、分離が可能な飲水カップ41下部に構成し、前記飲水カップを据え置くことができ、電解セルの陽極反応が発生するよう貯水槽10と予備タンクから一定水位の水が持続的に供給されるフロート弁30を含み、電解セル44に直流電流を印加するための電源装置を備える。飲水カップに原水としての浄水を注ぎ、タンクベース32に取付けた後、電源を印加すると、電解セルは水を電気分解し、タンクベース側の陽極では酸素が発生し、飲水カップ側の陰極では水素が発生し、飲水カップ内の浄水に水素ガスが溶存され、溶存水素水を製造することができる溶存水素製造装置が提案されている。

公表番号特表２０１３−５２５６１２

独立行政法人製品評価技術基盤機構平成２３年度製品センター製品安全業務報告会資料『亜酸化銅増殖発熱現象』大韓電気技術協会文献（ KEA ）： Journal of the Electric World / Monthly Magazine 2014.9 住宅における電気安全

この構成の装置は飲水カップ側に陰極、陽極が含まれ、着脱の容易性も勘案すると弾性摺性を有する電極ピン側から電極接点側への給電は点接点での給電を選択せざるを得なかった。
そのため接点の汚れ、劣化等で微細な部分ごとで接触抵抗が異なることが少なくなく、亜酸化銅増殖発熱現象の発生により、発生後装置動作不具合、あるいは周辺合成樹脂筐体が熱変形することが分かってきた。この現象を事前に防止することが製品の安全面、性能面で解決する必要があった。

亜酸化銅増殖発熱現象は、一旦スパークが発生すると供給電力を遮断または大幅に低下させない限り、６００℃を越えるホットスポットが消滅することなく継続することが分かってきた。この現象は比較的低電圧の直流電源の通電環境でも発生し、また銅系金属だけでなくチタン系金属でも発生することも判明し、一般的な名称でグロー現象の一つという位置づけにあることがわかった。

そのため、第一の発明では、浄水収納容器に収容した浄水を液不透過性隔膜を介して２室に隔離し、前記液不透過性隔膜に陽極、陰極を密着させ所望の電力を加えることによって陰極には水素溶存水、陽極には酸素溶存水を生成する電解セル要素を含み、前記２室に隔離された浄水容器のうち電解セルを含む側を着脱可能にしたシステムにおいて、陽極、陰極に印可する電圧波形を周期的なＯＮ−ＯＦＦを一波形ごとにゼロボルト区間（「以後０Ｖ区間」という）を形成できるように電力の流れるような直流電源供給制御方式とした。

第二の発明では、周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段が一波形ごとにＯＦＦ時を連続的な０Ｖ区間を含むこととした直流電源供給制御方式とした。

第三の発明では周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段が一波形ごとにＯＦＦ時マイナス電位区間を含むようにした直流電源供給制御方式とした。

第一の発明では、陽極、陰極に印加する電圧波形が周期的なＯＮ−ＯＦＦを一波形ごとに０Ｖ区間を形成するような直流電源供給制御方式にしたことにより、電力の流れを絶ち切ってグロー放電現象の連続性を遮断することができる。

第二の発明では、陽極、陰極に印加する電圧波形が周期的なＯＮ−ＯＦＦの一波形ごとにＯＦＦ時連続的な０Ｖ電位区間を含むような直流電源供給制御方式としたことにより、第一の発明以上に電力の遮断連続性を確保し、耐グロー放電現象の確実性をより上げた。

第三の発明では、陽極、陰極に印加する電圧波形が周期的なＯＮ−ＯＦＦ時一波形ごとにマイナス電位区間を含むような直流電源供給制御方式としたことにより、更に耐グロー放電現象の連続性を遮断の確実性を更に上げた。

本発明の機能水生成装置の外観の一実施例を示す正面図である。図２の機能水生成装置の外観の一実施例を示す平面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。図２の一部拡大断面図である。フロート弁から注出された水の動きを説明する図である。図3のカップユニットの一部拡大断面図である。図７の電解セル440の組立説明図である。図２のB−B断面図である。電源制御方法を示すブロック図の一例を示す図である。第一の発明の電解セル440の駆動波形の一実施例を示す図である。第二の発明の周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段がＯｆｆ時０Ｖ電位区間を含む波形の一実施例を示す図である。第三の発明の周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段がＯＦＦ時マイナス電位区間を含む波形の実施例を示す図である。従来の例を示す図である。

以下の説明実施形態は一例であり本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。
図１は本発明の機能水生成装置の外観の一実施例を示す正面図である。
図２はその平面図である。
図３は図2のＡ−Ａ断面図である。
図４は図3の一部拡大断面図である。

図において、320はベースユニットであり、400はカップユニットである。

ベースユニット320はカップユニット据置き部320ａを有しカップユニット400を着脱自在に置くことができる。
カップユニット400は、カップユニット400内に浄水を供給することで一方の浄水供給手段としての機能有している。

ベースユニット320は、これに浄水を供給することで電解セル440に浄水を供給する他方の固定側浄水供給手段としての機能を有する。
また、ベースユニット320は、カップユニット400への電解用電源の供給手段や、利用者の要求に応じて図示しない電気的な設定および制御、表示などのユーザーインターフェース手段を配置する手段としての役割も兼ねている。

さらに、ベースユニット320は、ＤＣ電源として図示しないＡＣアダプタが接続出来るようになっている。

次に、電解用の浄水供給手段としての前期固定側浄水供給手段の動作を説明する。
浄水126は上カバー110の開口部110ａよりタンク100に供給される。タンク100内には着脱可能なイオン交換樹脂収納容器130の軸部130aをガイドとしてフロート250が水位の高さに応じて上下スライド可能なように軸支されており、浄水126の最大容量を目視で認識できるようになっている。浄水126が供給されるとイオン交換樹脂収納容器130の取水口130bを通り内部でマグネシウム、カルシウム等のミネラル分が浄化されて、電解に向いた水となるよう処理される。

次に、タンク100最下部には下方外界にドーム状に張り出した出水口255、出水口255に対応する位置に頂部に弾性体を有しその弾性体を出水口255のドーム部分に密着させることによって止水し、上下に摺動可能で、摺動により非密着状態となったとき浄水を通過させるための流路を付与されたバルブ251で弁機構を形成し、回転中心254を支点としてタンク100から供給される浄水126の多寡に連動し、フロートの浮力を利用して上方に回動する力点254b、この回転中心254と力点254bの間に作用点となる突起部分259を設けてテコの作用で摺動可能なバルブ251をこの突起259で摺動することによって前記弁機構を作動させるフロート弁ユニット300を構成する。
これによって、ベースユニット320のタンク100直下に位置するフロート室260の水位を予め定めた水位から変動しないよう維持している。

ベースユニット320のタンク100直下のフロート室260はカップユニット据置き部320aと連通しており、通路258を通ってを通ってカップユニット据置き部320aに導かれ内周の隔壁320ｃの内側の水位を予め定めたフロート室260の水位と同一水位まで満たす。

タンク100の浄水は電気分解、蒸発等などにより徐々に消費される。そこで、イオン交換樹脂収納容器130の取水口130bの近傍のタンク底部には、浄水126の不足を検知して報知したり、電解の開始可否などの制御に利用されるマグネット123を内蔵したフロート250とホール素子125の組み合わせによるタンク内浄水の残量警告センサを備える。
これらセンサは特に限定するものではなく要求機能を果たせばよい。

図５はフロート弁300から注出された水の動きを説明する図である。

図において、セル440で電気分解等で浄水が消費されるとフロート室260の浄水はゆっくりと、フロート室260から黒矢印のように移動し、さらに白矢印のようにい移動してカップユニット据置き部320aの隔壁内の水位を予め定めたフロート室260水位と同一水位にする。

次に電解用の浄水を供給するもう一方の浄水供給手段としての機能有しているカップユニット部について説明する。

図6は図3のカップユニット部の一部拡大断面図である、図7は図6の電解セル440の組立説明図であり（ａ）は組立て直前の状態、（ｂ）は組立後を示す。

図において、陽極電極455をインサート成型したカップベース450の凹部450aに前記陽極電極455を囲むようにシール手段420を配置し、液不透過性隔膜430を介して、更にシール手段420を配置し、その上に陰極電極485をインサート成型した陰極カバー480、シール手段425の順にセットする。そして、カップ本体410のカップ本体底部410aの凸部410bで勘合する。
そして、図示しない締結手段で固定する。
これによりカップ本体410とカップベース450の間の水密構造を形成する。それぞれ部材間に挟み込んだシール手段420、425は弾性パッキン、弾性的性向硬化剤、粘着材、ゲル上の粘弾性体でもよい。

図8は図2のＢ-Ｂ断面図である

図に示すように、カップベース450にインサート成型された455の端子部455aはカップベース外周部側面に露出している、もう一方の陰極電極485の端子部485aも陽極電極455と重ならない位置のカップベース内を通してカップベース外周部側面に露出させる。現実的には電蝕、トラッキング等の不具合を避けるため概ね１８０度オフセットした対極に設置することが望ましい。また水素水などの生成には１０〜３０分の稼動が必要なため、衛生上微細な異物の落下の観点で上部に蓋があることも望ましい。
溶存水素の散逸防止の面からはカップ内浄水の表面を覆う落し蓋のように前面を覆う部材があることも望ましい。

次にカップユニットの据え置きについて説明する。

図8において、カップユニット400に浄水124を入れベースユニット320のカップユニット据置き部320aにセットしようとすると、ベースユニット側から弾性的押圧摺性のある接触子256a・256bをカップユニットのカップベースから露出している電極455a・485aが摺動しつつ接触子256a・256bを押し広げ最適な接点接地状態を維持しカップユニット据置き部320aにカップユニット底面が接地する。

このとき、カップ本体底部410aの電解セル440としてカップベースにインサート成型された陽極電極455、液不透過性隔膜430は、ベースユニット320のカップユニット据置き部320a内の隔壁320cの内側で浄水126に浸漬する。カップユニット440内部の浄水124はインサート成型された陰極電極485側を浸漬する。

従って電気的通電によって浄水126に浸漬する陽極電極455、浄水124に浸漬する陰極電極485は液不透過性隔膜430を介して電気分解作用が発生しカップユニット400内の浄水は水素豊富水に、本体ベース側のカップユニット据置き部320a内の浄水は酸素、又はオゾン豊富水に生成される。

ここまで一例として水素水生成を目的とする観点で説明したが、接触子の陽極256a、陰極256bを反転すればオゾン水という殺菌能力を有する浄水を生成することもできる。アルカリイオン水、還元水等所望の用途に応じて電極材質、電気的制御方法を最適化すればよい。

図９は電源制御方法を示すブロック図の一例を示す。

図示しないACアダプタにより商用電源をDC電源に変換し接続用コネクタを介して本体にある電源ユニット507へ供給する。
電源ユニット507では、回路全体を動かすＶｃｃ（図示せず）、陽極455a、陰極485aを介して電解セル440を駆動するための正電源＋Ｖａａと負電源−Ｖａａを生成する。
波形生成ユニット503は陽極455a、陰極485aを介して電解セル440を駆動するための駆動信号を生成する。波形の形としては三角波を生成したり、鋸歯状波を生成したり、矩形波を生成したりする。

電源ユニット507では、回路全体を動かすＶｃｃ（図示せず）、電解セル440を駆動するための正電源＋Ｖａａと負電源−Ｖａａを生成する。

ＰＷＭ制御の具体的手段としては、ＣＰＵ505でカウンタ機能を用いて、出力ポートのＨレベルとＬレベルを制御し、これを駆動信号として、直接、駆動ユニット504の信号源としてもよい。
駆動ユニット504は波形生成ユニット503で生成された駆動信号に基づいて増幅し、電解セル440に印加する電圧および電流を発生させ、電解セル440を駆動する。電解セル440に印加する電圧は＋Ｖａａおよび−Ｖａａより生成する。

ＣＰＵ505は電解セル440に印加する電圧を検出するセンサ処理506や、図示しない操作パネル等に基づき波形生成ユニット503を制御する。また、図示しない操作パネルによる操作で、波形生成ユニット503の停止、駆動ユニット504の起動や停止を司る。さらに、駆動信号の極性を反転する制御も司る。なお、センサ処理ユニット506は、他にシステムの状態を把握するためのセンサを搭載してもよい。
報知ユニット508は電解セル440の異常電圧を報知する。報知する手段としては、ＬＥＤなどの発光装置、スピーカーによる音、音声、振動等を単独、または、組み合わせて構成する。
508は他の役割として生成時間の表示、システムの状態を表示する等も併せもつことは、当然である。

図１０は第一の発明の電解セル440の駆動波形の一事例を示す図である。
図１０（ａ）は０Ｖから規定電圧を印加する三角波形である。
図１０（ｂ）はやや緩やかに立ち下がる矩形波で、図（ｃ）はやや緩やかに立ち上がる矩形波である。
いずれも一波長毎に0Ｖまで低下するので、グロー放電を抑制することができる。

図１１は第二の発明の周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段がＯｆｆ時０Ｖ電位区間を含む波形の一事例を示す。矩形波のデューティを可変するように設計すれば、ＰＷＭ制御とすることもできる。
図１１（ａ）は０Ｖの期間が存在する三角波、図１1（ｂ）は矩形波である。一波形毎の０Ｖ区間を長くしているので、さらにグロー放電現象を抑制できる

図１２は第３の発明の周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段がＯＦＦ時マイナス電位区間を含む波形の一事例を示す。
図１２（ａ）はマイナス電位が一定期間存在する三角波、図１２（ｂ）は矩形波の波形である。
この波形によると、一層のグロー放電抑制効果を有するとともに、電源極性が逆転するので、電極のクリ-ニング効果も有する。

400 カップユニット
320 ベースユニット
410 カップ本体
440 電解セル
100 タンク
130 イオン交換樹脂収納容器
260 フロート室
300 フロート弁ユニット
455 陽極電極
485 陰極電極
430 液不透過性隔膜
480 陰極カバー
420 シール手段
450 カップベース
503 波形生成ユニット
504 駆動ユニット
505 ＣＰＵ
506 センサ処理ユニット
507 電源ユニット
508 報知ユニット

Claims

浄水収納容器に収容した浄水を液不透過性隔膜を介して２室に隔離し、前記イオン交換膜に陽極、陰極を密着させ所望の電力を加えることによって陰極には水素溶存水、陽極には酸素溶存水を生成する電解セル要素を含み、前記２室に隔離された浄水容器のうち電解セルを含む側を着脱可能にしたシステムにおいて，陽極、陰極に印可する電圧波形が周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給制御方式であることを特徴とする機能水生成装置。
周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段がＯｆｆ時０Ｖ電位区間を含むことを特徴とする１項記載の機能水生成装置。
周期的なＯＮ−ＯＦＦを行う直流電源供給手段がＯＦＦ時マイナス電位区間を含むことを特徴とする１項記載の機能水生成装置。