JP2018069178A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス臭の発生を抑制するとともに小型化が可能な電解水生成装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電解水生成装置は、筐体５２と、筐体内に設けられた電解槽２０と、電解液を収容する密閉構造を有し、筐体内に設けられたバッファタンク７０と、筐体内に設けられ、電解液を貯溜する外部タンクからバッファタンクに電解液を供給する第１ポンプ４２と、筐体内に設けられ、第２ポンプ５８によりバッファタンクの電解液を電解槽の電解液室に供給し、電解液室を流れた電解液をバッファタンクに送る電解液供給部と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電解水生成装置に関する。

近年、水を電解して様々な機能を有する電解水、例えば、アルカリイオン水、オゾン水または次亜塩素酸水などを生成する電解水生成装置が提供されている。このような電解水生成装置は、例えば、３室型の電解槽を備えている。３室型の電解槽は、電解液を流す中間室と、この中間室の両側に位置する陽極室および陰極室とに仕切られている。陽極室および陰極室には、陽極および陰極がそれぞれ設けられている。
電解水として、例えば、次亜塩素酸水を生成する場合、中間室に塩水（電解液）を循環し、陽極室および陰極室にそれぞれ水を流通する。中間室の塩水を陰極および陽極で電解することで、陽極で発生した塩素ガスから次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室で水酸化ナトリウム水を生成する。この際、塩水を生成する塩水タンクと中間室との間で、塩水を循環することで、中間室に塩水を供給している。

特許第３５００１７３号公報 特開２０１２−４６７７３号公報

上記のような電解水生成装置において、循環している塩水は、時間経過とともに有効塩素濃度が上昇するとともに、液性が塩素を含む強酸性となる。そのため、塩素ガスが発生する。発生した塩素ガスは、装置内部に放出され、装置内部の構造物、機能部品を腐食させる可能性がある。また、塩水タンクを装置内に内蔵する場合、装置全体が大型化する。

本実施形態の課題は、塩素ガスの漏洩を抑制するとともに小型化が可能な電解水生成装置を提供することにある。

実施形態によれば、電解水生成装置は、筐体と、第１電極が設けられた第１電極室と、第２電極が設けられた第２電極室と、第１電極室と第２電極室との間に設けられ電解液を収容する中間室と、を有し、前記筐体内に設けられた電解槽と、電解液を収容する密閉構造を有し、前記筐体内に設けられたバッファタンクと、前記筐体内に設けられ、電解液を貯溜する外部タンクから前記バッファタンクに電解液を供給する第１ポンプと、前記筐体内に設けられ、第２ポンプにより前記バッファタンクの電解液を前記中間室に供給し、前記中間室を流れた電解液を前記バッファタンクに送る電解液供給部と、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置の外観を示す斜視図。 図２は、前記電解水生成装置の内部構造を概略的に示す斜視図。 図３は、前記電解水生成装置の構成を概略的に示す構成図。 図４は、前記電解水生成装置のバッファタンクを示す斜視図。 図５は、図４の線Ａ−Ａに沿った前記バッファタンクの断面図。 図６は、図４の線Ｂ−Ｂに沿った前記バッファタンクの断面図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

図１は、実施形態に係る電解水生成装置の外観を示す斜視図である。
電解水生成装置１０は、矩形箱状の装置本体５０を備えている。この装置本体５０には、電解液として、例えば、塩水を収容した外部タンク６０が接続されている。外部タンク６０は、例えば、４０Ｌ程度の容量を有し、この外部タンク６０から装置本体５０に電解液が供給される。外部タンク６０の容量は、使用者により、任意に選択可能であり、より大きな容量の外部タンクあるいはより小さい容量の外部タンクを選択可能である。

装置本体５０は、矩形箱状の筐体５２と、筐体５２内に配置された種々の機器および各種配管系等と、を備えている。筐体５２の底壁５２ｃには、種々の接続継手が設けられている。筐体５２の前面壁５２ａに通気口５５が設けられている。筐体５２の側壁５２ｂに電源スイッチ５３、吸気ファン５４が設けられている。

図２は、筐体の前面カバーを取り外して電解水生成装置の内部構造を概略的に示す斜視図、図３は、電解水生成装置の構成を概略的に示す構成図である。
図２に示すように、装置本体５０は、筐体５２内に配置された偏平な矩形状の電解槽（電解セル）２０と、筐体５２の背面壁５２ｄに固定された制御ボックス２２と、バッファタンク７０と、複数のポンプと、各種配管系等と、を備えている。電解槽２０は、筐体５２内のほぼ中央に設けられ、筐体５２の前面壁とほぼ平行に対向している。制御ボックス２２は、電解槽２０と背面壁５２ｄとの間に位置し、電解槽２０と隙間を置いて対向している。電解槽２０に水を供給する給水配管系および電解槽で生成された生成水を排水する排出配管系は、電解槽２０の一側、例えば、図２において、電解槽２０の左側に設けられている。バッファタンク７０は、電解槽２０を挟んで、給水配管系および排水配管系と反対側に設けられている。すなわち、バッファタンク７０は、図２において、電解槽２０の右側に設けられている。

図２および図３に示すように、電解槽２０は、例えば、３室型の電解槽として構成されている。電解槽２０は、例えば、偏平な矩形箱状に形成され、その内部は、陰イオン交換膜（第１隔膜）１６ａおよび陽イオン交換膜（第２隔膜）１６ｂにより、中間室（電解液室）１５ａと、中間室１５ａの両側に位置する陽極室（第１電極室）１５ｂおよび陰極室（第２電極室）１５ｃと、に仕切られている。陽極室１５ｂ内に陽極（第１電極）１８ａが設けられ、陰イオン交換膜１６ａに隣接対向している。陰極室１５ｃ内に陰極（第２電極）１８ｂが設けられ、陽イオン交換膜１６ｂに隣接対向している。陽極１８ａおよび陰極１８ｂは、ほぼ等しい大きさの矩形板状に形成され、中間室１５ａを挟んで、互いに対向している。

電解水生成装置１０は、電解槽２０の陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃに、電解原水（被電解水）、例えば、水を供給し、生成された生成水を排水する給水部３０と、中間室１５ａにハロゲンイオンを含む電解液、例えば、塩水、を供給する電解液供給配管系、バッファタンク７０、および電解液循環配管系を有する電解液供給部４０と、陽極１８ａおよび陰極１８ｂに正電圧および負電圧をそれぞれ印加する電源２６と、電源２６および後述する電磁弁、ポンプ等を制御するコントローラ（制御回路基板）２８と、を備えている。電源２６およびコントローラ２８は、前述の制御ボックス２２内に配置されている。

給水部３０は、所定の水圧で水を供給する図示しない給水源（例えば、水道栓あるいは給水設備）から陽極室１５ｂの下部および陰極室１５ｃの下部に水を導く給水配管３２と、陽極室１５ｂを流れた水を陽極室１５ｂの上部から排出する第１排水配管３４ａと、陰極室１５ｃを流れた水を陰極室１５ｃの上部から排出する第２排水配管３４ｂと、第１排水配管３４ａに設けられたオリフィス３５ａと、第２排水配管３４ｂに設けられたオリフィス３５ｂと、を備えている。給水配管３２には、電磁弁３６、減圧弁３７、流量計３８が流入端側から順に設けられている。給水配管３２は、流量計３８の下流側で、第１分岐管３２ａ、第２分岐管３２ｂ、第３分岐管３２ｃの３つに分岐している。第１分岐管３２ａ、第２分岐管３２ｂ、第３分岐管３２ｃのそれぞれに逆止弁３３が設けられている。

第１分岐管３２ａは、陽極室１５ｂの下部に接続されている。第２分岐管３２ｂは、陰極室１５ｃの下部に接続されている。第３分岐管３２ｃは、第２分岐管３２ａの中途部に接続されている。また、第３分岐管３２ｃには電磁弁（開閉弁）４１が設けられている。電磁弁４１を閉じた状態で給水することにより、第１分岐管３２ａを通して陽極室１５ｂに所定量、例えば、１．５Ｌ／ｍｉｎの水が給水され、また、第２分岐管３２ｂを通して陰極室１５ｃに所定量、例えば、０．５Ｌ／ｍｉｎの水が給水される。一方、電磁弁４１を開放した場合、第３分岐管３２ｃを介して所定量、例えば、１．５Ｌ／ｍｉｎの水が第１分岐管３２ａに給水される。すなわち、第１分岐管３２ａおよび第３分岐管３２ｃを介して約２倍（３Ｌ／ｍｉｎ）の水を陽極室１５ｂに給水することができる。このように、電磁弁４１の開閉により、陽極室１５ｂへ給水する給水量を２種類、選択することができる。給水量を変更することにより、陽極室１５ｂで生成される酸性水（次亜塩素酸水）の濃度を変えることができる。これにより、濃度の異なる２種類の酸性水を選択して生成、排水することが可能となる。
第３分岐管３２ｃおよび電磁弁４１は、省略してもよく、一定の給水量にて陽極室１５ｂに給水するようにしてもよい。あるいは、更に、別の分岐管および電磁弁を設け、給水量を２種類以上に調整可能な構成としてもよい。

図２および図３に示すように、電解液供給部４０は、電解液としての塩水を収容するバッファタンク７０と、供給パイプ５１を介して外部タンク６０に接続された供給ポンプ（第１ポンプ）４２と、供給ポンプ４２からバッファタンク７０に新鮮な（未使用の）塩水を供給する塩水供給配管４４と、循環配管系４６と、バッファタンク７０から余剰（オーバーフロー）の塩水を排水するドレイン配管４８と、を備えている。供給ポンプ４２による電解液の供給量は、一例では、４ｍＬ／ｍｉｎ程度としている。

循環配管系４６は、バッファタンク７０から中間室１５ａの下部に塩水を供給し、中間室１５ａを流れた塩水を中間室１５ａの上部からバッファタンク７０に戻す循環配管５６と、バッファタンク７０と中間室１５ａの流入側との間で循環配管５６に接続された循環ポンプ（第２ポンプ）５８と、を備えている。循環ポンプ５８による電解液の循環量（中間室１５ａに供給する電解液の流量）は、一例では、０．２ｍＬ／ｍｉｎとしている。

図２に示すように、制御ボックス２２の側壁に吸気ファン５４が取り付けられている。この吸気ファン５４により外気を制御ボックス２２内に取込み、更に、制御ボックス２２の図示しない排気口から外部に排気する。これにより、制御ボックス２２内の電源、制御回路基板を冷却するとともに、制御ボックス２２内におけるガスを外部に排気することが可能となる。

次に、バッファタンク７０について詳細に説明する。図４は、バッファタンクを示す斜視図、図５は、図４の線Ａ−Ａに沿った、バッファタンクの断面図、図６は、図４の線Ｂ−Ｂに沿った、バッファタンクの断面図である。
図４ないし図６に示すように、バッファタンク７０は、例えば、底壁７２ａを有する円筒形状のタンク本体７２と、タンク本体７２の上端開口７２ｂを気密に閉塞した矩形板状の蓋体７４と、を有している。タンク本体７２の上端部と蓋体７４との間にＯリング７３が挟持されている。これにより、バッファタンク７０は密閉構造を有している。また、バッファタンク７０は、タンク本体の底壁から延出した中空の支持ポスト７６を一体に備えている。バッファタンク７０は、支持ポスト７６により、筐体５２の底壁５２ｃ上に取付け、支持されている。バッファタンク７０は、タンク本体７２の軸がほぼ鉛直に延びた状態で、筐体５２内に設置される。

タンク本体７２の周壁には、電解液を供給する塩水給水口８０、循環配管５６が接続される塩水流出口８２および流入口８４、更に、余剰（オーバーフロー）の電解液を排水するための排水口８５が設けられている。塩水給水口８０は、タンク本体７２の軸方向のほぼ中間部に設けられ、また、流入口８４は、塩水給水口８０とほぼ対向する位置に設けられている。塩水流出口８２は、タンク本体７２の軸方向、下部に設けられ、例えば、塩水給水口８０の下方に設けられている。更に、排水口８５は、塩水給水口８０および流入口８４よりも高い位置に設けられている。

塩水給水口８０に塩水供給配管４４が接続される。供給ポンプ４２から塩水供給配管４４および塩水給水口８０を介してバッファタンク７０に塩水が供給される。塩水流出口８２に継手８３を介して循環配管５６が接続される。循環ポンプ５８により、バッファタンク７０から塩水流出口８２および循環配管５６を介して電解槽２０の中間室（電解液室）１５ａに塩水が供給される。流入口８４に継手８６を介して循環配管５６が接続される。中間室１５ａから排水された塩水は、循環配管５６および流入口８４を介してバッファタンク７０に戻される。排水口８５にドレイン配管４８が接続される。バッファタンク７０内で余剰の塩水、つまり、オーバーフローした使用済みの塩水は、排水口８５およびドレイン配管４８を介して筐体５２の外部に排水される。

バッファタンク７０の容量は、電解槽２０における塩分の消費量に応じて設定することができる。本実施形態では、バッファタンク７０の容量は、電解槽２０の中間室１５ａの容量とほぼ同一、あるいは、中間室の容量よりも大きな容量に形成されている。一例では、バッファタンク７０の容量は、１０〜３０ｃｃ程度、望ましくは、２０ｃｃ程度としている。

図５に示すように、バッファタンク７０内に、塩水の液面高さ（塩水量）を検出するセンサ、例えば、フロートセンサ９０が設けられている。フロートセンサ９０は、枢軸９２と、枢軸９２に昇降自在に支持された円柱形状のフロート９４と、を有している。枢軸９２は、蓋体７４に固定され、蓋体７４からタンク本体７２内に延びている。枢軸９２は、タンク本体７２と同軸的に位置している。フロート９４は、枢軸９２の周囲に係合され、枢軸９２に沿って昇降自在に支持されている。フロート９４の外径は、タンク本体７２の内径よりも僅かに小さい径に形成されている。フロート９４は、タンク本体７２内の塩水の液面に浮上している。フロート９４は、塩水の液面高さ（塩水量）に応じて昇降する。フロートセンサ９０は、フロート９４の高さ位置を電気的に検知し、タンク内の塩水量を検知する。コントローラ２４は、フロートセンサ９０からの検知信号に応じて、バッファタンク７０内の塩水量を監視し、塩水量が所定量よりも低下した場合には、例えば、供給ポンプ４２による塩水供給量を増加する等の調整を行う。また、コントローラ２４は、フロートセンサ９０からの検知信号に応じて、所定時間、塩水量の低下を検出した場合、外部タンク６０内の塩水が無くなったものと判断し、装置の運転を停止するとともに、外部タンク６０の交換あるいは塩水の補充を警告する。

以上のように構成された電解水生成装置１０により、塩水を電解して酸性水（次亜塩素酸水および塩酸）とアルカリ性水（水酸化ナトリウム）を生成する動作について説明する。
図３に示すように、供給ポンプ４２および循環ポンプ５８を作動させ、外部タンク６０から供給パイプ５１、塩水供給配管４４を介してバッファタンク７０に塩水を供給する。循環ポンプ５８により、バッファタンク７０から循環配管５６を介して電解槽２０の中間室１５ａに塩水を供給して中間室１５ａを塩水で満たす。また、中間室１５ａから排出された塩水を循環配管５６を通してバッファタンク７０に戻す。一方、塩水の供給と同時に、給水部３０により陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃに水を給水し、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃを水で満たす。同時に、電源２６から正電圧および負電圧を陽極１８ａおよび陰極１８ｂにそれぞれ印加する。

中間室１５ａ内の塩水中において電離している塩素イオンは、陽極１８ａに引き寄せられ、陰イオン交換膜１６ａを通過して、陽極室１５ｂへ流入する。そして、陽極１８ａにて塩素イオンが還元され塩素ガスが発生する。発生した塩素ガスは陽極室１５ｂ内で水と反応して次亜塩素酸水および塩酸、すなわち、ハロゲン化合物、を生成する。このようにして生成された酸性水（次亜塩素酸水および塩酸）は、陽極室１５ｂから第１排水配管３４ａを通って装置外部に流出する。流出した酸性水は、図示しない貯溜タンク等に貯溜してもよいし、あるいは、そのまま、消毒等に使用してもよい。

また、中間室１５ａ内の塩水中において電離しているナトリウムイオンは、陰極１８ｂに引き寄せられ、陽イオン交換膜１６ｂを通過して、陰極室１５ｃへ流入する。陰極室１５ｃにおいて、陰極１８ｂで水が電気分解されて水素イオンが生じ、この水素イオンが電子を受け取って水素ガスとなる。発生した水素ガスは、陰極室１５ｃ内で水と反応して水酸化ナトリウム水溶液を生成する。このようにして生成された水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性水）および水素ガスは、陰極室１５ｃから第２排水配管３４ｂに流出し、この第２排水配管３４ｂを通って図示しない貯留タンク等に流出される（活用しない場合は排出される）。

塩水は、循環配管系４６により中間室１５ａを通して循環し、電解により消費した塩分やｐＨバランス変動による塩分水質の劣化に応じて適時、バッファタンク７０の排水口８５およびドレイン配管４８を介してバッファタンク７０から排水される。消費排水された塩水を補うため、供給ポンプ４２および塩水供給配管４４により、適時、新鮮（未使用の）な塩水がバッファタンク７０に供給される。

上記のように、中央に塩水を満たした中間室１５ａ、その両側に水を満たした陽極室１５ｂと陰極室１５ｃを配置した３室型の電解槽２０では、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃには電解によって消費されるだけの塩分しか移動しないため、生成される陽極水（酸性水）および陰極水（アルカリ性水）に塩分がほとんど含まれず、かつ、塩分消費の燃費効率が高い利点がある。一方で、塩水を中間室１５ａに循環させることで、陽極室１５ｂと陰極室１５ｃに透過するイオン流出バランスにより塩水ｐＨが変動したり、陽極室１５ｂで生じた次亜塩素酸が中間室１５ａに拡散混入する可能性がある。特に、塩水が酸性化した際、混入する次亜塩素酸から塩素ガスが発生するため、筐体５２内へ塩素ガスの漏洩を防止する必要がある。

本実施形態の電解水生成装置１０によれば、筐体５２内に内蔵されたバッファタンク７０は、外部タンク６０と分離しているとともに、密閉構造を有している。そのため、バッファタンク７０から筐体５２内および筐体５２外への塩素ガスの漏洩、拡散を確実に防止することができる。従って、筐体５２内に設けられた構造物、機能部品の腐食を抑制し、長期間に亘って安定した運転が可能な電解水生成装置を得ることができる。また、バッファタンク７０内に溜まる塩素ガスは、排水口８５およびドレイン配管４８を介して筐体５２の外部に排出することができる。これにより、バッファタンク７０内の圧力変動を抑えるとともに、塩素ガスを安全に排出することができる。バッファタンク７０は、適時、使用済の塩水を排水する機能を備えている。そのため、水圧条件に厳格な３室型の電解槽２０において、最適な水圧条件を調整制御し、更に、消費変質した塩水を適時排水することができる。

バッファタンク７０は、外部タンク６０に比較して非常に小さく、例えば、１／１０以下の大きさに形成されている。そのため、このバッファタンク７０を筐体５２に内蔵する構成とした場合、外部タンク６０を内蔵する場合に比較して、装置本体５０を大幅に小型化することが可能となる。

以上のことから、本実施形態によれば、塩素ガスの漏洩を抑制するとともに小型化が可能な電解水生成装置が得られる。

本発明は上述した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。
上述した実施形態において、使用する電解液は塩水以外のものでもよく、生成する電解水も次亜塩素酸水以外の電解水としてもよい。バッファタンク７０は、円筒形状に限定されることなく、種々の形状を選択可能である。バッファタンク内の塩素ガスを装置外に排気するためのベント配管をバッファタンクに接続してもよい。塩水の供給量、バッファタンクの容量等は、上述した実施形態に限定されることなく、機器の容量に応じて種々変更可能である。

１０…電解水生成装置、２０…電解槽、１５ａ…中間室、１５ｂ…陽極室、
１５ｃ…陰極室、１６ａ…第１隔膜、１６ｂ…第２隔膜、１８ａ…陽極、
１８ｂ…陰極、３０…給水部、４０…電解液供給部、４２…供給ポンプ、
４６…循環配管系、４８…ドレイン配管、５０…装置本体、５２…筐体、
５６…循環配管、５８…循環ポンプ、６０…外部タンク、７０…バッファタンク、
７２…タンク本体、７４…蓋体、９０…フロートセンサ

Claims (10)

1. 筐体と、
   第１電極が設けられた第１電極室と、第２電極が設けられた第２電極室と、第１電極室と第２電極室との間に設けられ電解液を収容する中間室と、を有し、前記筐体内に設けられた電解槽と、
   電解液を収容する密閉構造を有し、前記筐体内に設けられたバッファタンクと、
   前記筐体内に設けられ、電解液を貯溜する外部タンクから前記バッファタンクに電解液を供給する第１ポンプと、
   前記筐体内に設けられ、第２ポンプにより前記バッファタンクの電解液を前記中間室に供給し、前記中間室を流れた電解液を前記バッファタンクに送る電解液供給部と、
   を備える電解水生成装置。
2. 前記バッファタンクは、タンク本体と、前記タンク本体に形成され供給配管を介して前記第１ポンプに接続される給水口と、循環配管を介して前記第２ポンプおよび前記中間室に接続される流出口と、前記循環配管を介して前記中間室に接続され、前記中間室から排出された電解液が流入する流入口と、前記タンク本体内の余剰の電解液を排水する排水口と、を備えている請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記バッファタンクは、前記タンク本体内に設けられ前記タンク本体内の電解液の量を検知するセンサを備えている請求項２に記載の電解水生成装置。
4. 前記センサは、前記タンク本体内に設けられ前記電解液の液面に浮遊するフロートを有するフロートセンサを備えている請求項３に記載の電解水生成装置。
5. 前記筐体内に設けられ、前記電解槽の第１電極室および第２電極室に被電解水を供給し、前記第１電極室で生成された生成水および前記第２電極室で生成された生成水を排水する給水部を更に備え、
   前記バッファタンクは、前記電解槽を挟んで前記給水部と反対側に配置されている請求項１に記載の電解水生成装置。
6. 前記給水部は、前記第１電極室および第２電極室に被電解水を送る給水配管と、前記第１電極室から生成水を排水する第１排水配管と、前記第２電極室から生成水を排水する第２排水配管と、を備えている請求項５に記載の電解水生成装置。
7. 前記給水配管は、前記第１電極室に接続された第１分岐管と、前記第２電極室に接続された第２分岐管と、前記給水配管から分岐し前記第１分岐管の中途部に接続された第３分岐管と、を備え、
   前記給水部は、前記第３分岐管に設けられ、前記第３分岐管を開閉する弁を備えている請求項６に記載の電解水生成装置。
8. 前記第１電極および第２電極に電圧を印加する電源と、前記電源および前記第１ポンプ、前記第２ポンプを制御するコントローラと、前記筐体内に設けられ、前記電源およびコントローラを収容した制御ボックスと、前記筐体の外部から空気を取り入れて前記制御ボックス内に送風するファンと、を更に備えている請求項１から７のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
9. 前記バッファタンクの容量は、前記中間室の容量と同等または同等以上である請求項１から８のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
10. 前記バッファタンクの容量は、前記外部タンクの容量の１／１０以下である請求項１から９のいずれか１項に記載の電解水生成装置。

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