JP2019076867A - 除菌水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極やイオン交換膜の寿命を延ばし、かつ消費電力が抑えられる除菌水生成装置を提供する。
【解決手段】除菌水生成装置１は、水を電気分解して除菌水を生成する電解槽１３と、除菌水が供給される便器に設けられたボウル５と、ボウル５の環境温度を検知し記憶する温度検知部１１と、電解槽１３に直流電流を供給する電源部１６と、ボウル５内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯が予め設定されており、温度検知部１１が記憶している所定期間分のボウル温度が増殖温度帯に分布している時間の長さにもとづいて直流電流の電流値を変化させる制御部１７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を電気分解して除菌水を生成する除菌水生成装置の改良に関する。

従来、衛生器具、調理器具、食材等を除菌するための除菌水を生成する装置として、水を電気分解するものがある。例えば真水を電気分解して得られるオゾン水や食塩水を電気分解して得られる次亜塩素酸水は人体に対してほとんど無害であるが、大腸菌、黄色ブドウ球菌、サルモネラ菌、緑膿菌、連鎖球菌、カンジダ、黒コウジカビ、ノロウイルス、ヘルペスウイルス、メチロバクテリウム等、種々の菌類に対して優れた除菌効果を有している。

しかしながら前記のような除菌水生成装置では、通電によって電極やイオン交換膜が徐々に劣化していくことが知られており、これらの寿命を延ばすことが恒常的な課題になっている。なおこれに関連する従来技術の一例として、次の特許文献には、水を電気分解してオゾン水を生成する装置において、電極を流れる電流を予め設定した時間毎に上昇させることが記載されている。

特開２０１５−５４９９６号公報

本発明は、前記恒常的な課題に対して独自の解決手段を提案するものであって、除菌の効果を保ちながら電極やイオン交換膜の寿命を延ばし、かつ消費電力が抑えられる除菌水生成装置を提供することを目的としている。

本発明による除菌水生成装置は、水を電気分解して除菌水を生成する電解槽と、前記除菌水が供給される便器に設けられたボウルと、前記ボウルの環境温度を検知し記憶する温度検知部と、前記電解槽に直流電流を供給する電源部と、前記ボウル内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯が予め設定されており、前記温度検知部が記憶している所定期間分のボウル温度が前記増殖温度帯に分布している時間の長さにもとづいて前記直流電流の電流値を変化させる制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明による除菌水生成装置は、上述した構成とされているため、電極やイオン交換膜の寿命を延ばし、かつ消費電力を抑えることができる。

本発明の実施形態の一例とされる除菌水生成装置の基本構成を説明するブロック図である。 同除菌水生成装置の基本動作の一例を説明するタイムチャートである。 同除菌水生成装置の基本動作の他の例を説明するタイムチャートである。 陽極に印加する電圧、電極間に流れる直流電流と、通電時間との関係を示すグラフである。 オゾン水用の電解槽の縦断面図である。 次亜塩素酸水用の電解槽の縦断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。まず、本発明の除菌水生成装置１の概略基本構成について説明する。

除菌水生成装置１は、水を電気分解して除菌水を生成する電解槽１３と、除菌水が供給される便器に設けられたボウル５と、ボウル５の環境温度を検知し記憶する温度検知部１１と、電解槽１３に直流電流を供給する電源部１６とを備えている。除菌水生成装置１はさらに、ボウル５内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯が予め設定されており、温度検知部１１が記憶している所定期間分のボウル温度が増殖温度帯に分布している時間の長さにもとづいて直流電流の電流値を変化させる制御部１７を備えている。

ついで、実施形態の一例とされる除菌水生成装置１について詳細に説明する。
図１に示すように、この除菌水生成装置１は、電磁弁１０、温度検知部１１、ポンプ１２、電解槽１３、ノズル１４を管路１５に直列に配設させた基本構成になっている。管路１５は電磁弁１０よりも上流側で止水栓等に繋がっている。

電磁弁１０は、ソレノイドでバルブを開閉する一般的なものを想定しているが、除菌水生成装置１の用途、目的に合わせて、常時閉タイプ、常時開タイプのものを選択すればよい。

温度検知部１１はボウル５に取り付けてあり、ボウル５の環境温度を検知する構成とされている。ボウル５の環境温度（以下、ボウル温度と言う）としては、ボウル５内の溜め水の水温、ボウル５自体の温度、ボウル５近傍の温度（気温）などが挙げられる。したがって、温度検知部１１の取付位置はボウル５の内外を問わない。温度検知部１１はサーミスタあるいは熱電対からなるセンサーを有しており、検知された温度は温度検知部１１に接続された記憶部１１ａに記憶されるように構成されている。ボウル温度は例えば、周期的にサンプリングして時系列に記憶されるようにすればよい。

ポンプ１２は、上流側の水圧に依存せずに時間当たり一定量の水を電解槽１３に供給するための要素である。上流側の水圧が十分な場合は、ポンプ１２の替わりに調圧弁を用いて下流側の水圧、水流を一定にしてもよい。ポンプ１２の種別に特に制限はなく、例えばギヤーポンプ、プランジャーポンプ等を用いてもよい。

電解槽１３は、電極１３ａ、１３ｂとイオン交換膜１３ｃとを容器１３ｄの内部に配設したものである。容器１３ｄは酸およびアルカリに侵され難い樹脂あるいは金属で形成するとよい。また電極１３ａ、１３ｂやイオン交換膜１３ｃの素材種別は、除菌水の種別に適合したものにすればよい。これらについては、後述する図５および図６の説明において詳述する。

ノズル１４は、電解槽１３から送られてきた除菌水を噴出させる要素であり、その形状や噴出口の構成等は特に制限されない。

電源部１６は、定電流電源として構成されており、電解槽１３に設けられている電極１３ａ、１３ｂに所定の直流電流を供給する。

制御部１７は、マイコン基板等からなり、制御プログラムに従って、電磁弁１０、温度検知部１１、ポンプ１２、電源部１６を制御する。より詳細には、図示しない操作部等から指令を受けると、制御部１７は、電磁弁１０を開きポンプ１２を作動させて電解槽１３への給水を行う。さらに制御部１７は、電源部１６を作動させて、電極１３ａ、１３ｂに直流電流を供給する。電解槽１３に水が満ちた状態で電極１３ａ、１３ｂに直流電流が流れると、陽電極１３ａでは酸化作用、陰電極１３ｂでは還元作用が生じ、その結果陽電極１３ａ側で例えばオゾンのような除菌物質が生成される。この物質を含んだ水が除菌水になる。この除菌水は、電解槽１３への連続的な給水によってノズルから吐出される。なお除菌水を効率的に生成するためには電極１３ａ、１３ｂに供給する直流電流を一定にすることが望ましい。

前記のような電気分解では陽電極１３ａが徐々に劣化する傾向がある。これは陽電極１３ａを形成している金属がイオン化して溶解していくことが原因である。また電気分解で生じるラジカル等のためにイオン交換膜１３ｃも徐々に劣化していく。

本実施形態は、除菌の効果を保ちながら、このような電極１３ａ、１３ｂやイオン交換膜１３ｃの劣化を抑えるため、上述した構成としている。すなわち制御部１７は、ボウル５内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯が予め設定されており、温度検知部１１が記憶している所定期間分のボウル温度が増殖温度帯に分布している時間の長さにもとづいて直流電流の電流値を変化させる構成とされている。

ボウル５内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯としては種々のものが想定される。増殖温度帯としては例えば、水道水に生息する貧栄養細菌（メチロバクテリウム等）の増殖が活発になるのは摂氏２５度〜３０度の範囲や、またカビが発生し易いのは摂氏２０度〜３０度の範囲などが含まれることが望ましい。したがって、増殖温度帯として摂氏２０度〜３０度の範囲を含む温度帯を選択すればよい。さらに、食中毒等の原因になる大腸菌やレオジネラ菌の増殖が活発になるのは摂氏３０度〜４０度の範囲であるから、増殖温度帯として摂氏２０度以上を増殖温度帯としてもよい。

電極１３ａ、１３ｂに通じさせる電流量は、例えばＰＷＭ制御によって所定の直流電流に対する時間的な遮断率を変化させることで調節すればよい。ようするに制御部１７は、電解槽１３への直流電流の供給を、温度検知部１１の検知し記憶させた所定期間内のボウル温度の増殖温度帯での分布実績にもとづいて、直流電流を適宜な周期で遮断すればよい。なお直流電流に対する遮断率を変化させるための方式はＰＷＭ制御に限定されることはない。

ボウル５内で繁殖する菌類の量は、ボウル温度が増殖温度帯に分布している時間が長いと大量となり、短いと少ない。そのためこのようにすれば、除菌水生成装置１は、ボウル５内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯での実用的な除菌能力を維持しつつ、ボウル温度が増殖温度帯の範囲外となったときの電極１３ａ、１３ｂやイオン交換膜１３ｃの劣化を抑えることができる。また平均電流を小さくすることで消費電力も抑えられる。

図２は、前記基本動作を説明する簡単なタイムチャートである。本タイムチャートには、ボウル温度と、装置状態と、電極１３ａ、１３ｂを流れる実電流と、その平均電流とを示している。

本タイムチャートは、１日２４時間におけるボウル温度のサンプリング実績に対して、除菌水生成装置１がどのように作動するかを示した関係図である。本図例では、除菌水生成装置１は一定周期で作動し除菌水をボウル５に散布する。図中のＴ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が除菌水生成装置１が作動を開始するタイミングであり、周期は６時間とされる。作動している時間は、図におけるＴ０〜Ｔ０１、Ｔ１〜Ｔ１１、Ｔ２〜Ｔ２１、Ｔ３〜Ｔ３１である。

散布期間（除菌水の生成期間）は６時間のうちの例えば１０秒〜数分程度であるが、本図では遮断率の変化を説明するために、横軸の時間幅は一定間隔ではなく、Ｔ１〜Ｔ１１、Ｔ２〜Ｔ２１、Ｔ３〜Ｔ３１については他に比べて長く表してある。

本図例における増殖温度帯は、菌類が発生しやすい摂氏２０度〜３０度の温度帯を考慮して、摂氏２０度以上としている。

また本図例では、平均電流を変化させるためのボウル温度のサンプリング期間（所定期間）を、散布タイミングの直近の６時間としている。つまり、例えばＴ１において電流制御をする際には、Ｔ０〜Ｔ１までのボウル温度の分布から判断して制御するようにしている。

図例では、Ｔ０〜Ｔ１のボウル温度は摂氏２０度未満において推移している。また、Ｔ１〜Ｔ２の時間帯は、そのうち５時間超であるＴ１２〜Ｔ２の間継続してボウル温度が摂氏２０度以上で推移している。また、Ｔ２〜Ｔ３の時間帯は、そのうち約２時間であるＴ２〜Ｔ２２の間のみボウル温度が摂氏２０度以上で推移している。

本除菌水生成装置１は、ボウル５に除菌水を前回供給した以降のボウル温度の、増殖温度帯に分布している時間の長さが所定の値を越えたときには、その時間の長さが所定の値以下のときよりも、直流電流の電流値を大きくする、という基準にもとづいて動作する。本図例では、ボウル温度が摂氏２０度以上となった時間が５時間を超えている場合、ボウル温度が摂氏２０度以上となった時間が５時間以下の場合よりも電流値を大きくしている。

したがって、Ｔ１〜Ｔ２の間の増殖温度帯に分布している時間の長さが所定の値を越えているから、Ｔ２〜Ｔ２１においては、一定の直流電流（Ｉ０）に対する遮断率を、Ｔ１〜Ｔ１１、Ｔ３〜Ｔ３１の場合よりも小さくして平均電流を大きくしている。このようにして、除菌水の供給ごとに、菌類の増殖量に略対応するよう、それまでのボウル温度を参照することで平均電流を変化させるようにしている。

図２では除菌水生成装置１が一定周期（６時間）で作動される例を示したが、不定期な作動や、周期的ではない定期作動にも、上記のような前回サンプリングによる制御が適用される。

図３は、周期的ではない定期作動の例を示した図である。本図例では、除菌水生成装置１は、１日のうちＴ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ０）で作動し、Ｔ０〜Ｔ１は８時間（朝時間帯）、Ｔ１〜Ｔ２は６時間（昼時間帯）、Ｔ２〜Ｔ３は１０時間（夜時間帯）である。なお本図では、除菌水生成装置１の作動における遮断率の図示は省略してある。

また本図例では、ボウル温度をサンプリングする所定時間を作動開始の直近３時間としている。本図例においても増殖温度帯は、菌類が発生しやすい摂氏２０度〜３０度の温度帯を考慮して、摂氏２０度以上としている。

図３に示すように、時点Ｔ２の作動の際において、ボウル温度が増殖温度帯に分布している時間の長さは約６時間である（図中のＢ参照）。一方、時点Ｔ１、Ｔ３の作動の場合において、ボウル温度が摂氏２０度以上にある時間の長さは十分に小さい（所定の値以下である）（図中のＡ、Ｃ参照）。したがって、時点Ｔ２における平均電流を、時点Ｔ１、Ｔ３における平均電流よりも大きくしている。本図例においても、このようにして、除菌水の供給ごとに、菌類の増殖量に略対応するよう、それまでのボウル温度を参照することで平均電流を変化させるようにしている。

本図例で示したように、ボウル温度のサンプリング期間は、前回の除菌水の供給から今回の除菌水の供給までの全期間とするのが好ましい。その場合、それぞれの全期間は本図例では相互に異なるが、ボウル温度が増殖温度帯に分布している時間の長さをもとにしているため、平均電流の大小を適正に判断することができる。

以上のように、本除菌水生成装置１は、除菌水を供給するタイミングに対して前回にあたる時間帯におけるボウル温度分布により、平均電流を変化させるようにしている。つまり、ボウル５に供給されてくる水の温度ではなく、その時点とその時点までのボウル温度の分布にもとづいてタイムリーな制御がなされる。そのため、ボウル５内において菌類の増殖の程度を比較的適正に予測することができ、除菌水の適正な供給を実施することができる。

図４は、陽極に印加する電圧、電極に流れる直流電流と、通電時間との関係を示すグラフである。なおこの直流電流は、前記基本動作において遮断率の調節対象となっている電流である。

図４のグラフに示すように、電気分解をする際の電極１３ａ、１３ｂ間の電気抵抗は、電極１３ａ、１３ｂやイオン交換膜１３ｃが徐々に劣化するため通電時間（積算）が長くなるに従って大きくなっていく。よって電極１３ａ、１３ｂに一定の直流電流を流すためには陽電極１３ａに印加する電圧を高くしていく必要がある。もちろん電源部１６には回路的な電圧上限があるので、ある時点で一定の直流電流を供給することが不可能になって、電極１３ａ、１３ｂの寿命になる。このような電極１３ａ、１３ｂの通電時間経過に従って電圧を高くしていく技術は本実施形態に適用できる。特に本実施形態では、ボウル温度が増殖温度帯から外れる時間が長いときは、平均電流が小さくなるようにしているので、電極１３ａ、１３ｂやイオン交換膜１３ｃが劣化していくペースが遅くなる。そのため除菌水生成装置１の寿命が長くなる。

ついで電解槽１３の具体的な例を説明する。
図５は、除菌水としてオゾン水を生成する電解槽１３の簡単な縦断面図である。電解槽１３は樹脂又は金属からなる円筒状の容器１３ｄを備えている。容器１３ｄの下部、上部にはそれぞれ給水口１３ｅ、排水口１３ｆが形成されている。容器１３ｄの内部には陽電極１３ａと陰電極１３ｂとがイオン交換膜１３ｃの両側に圧着等によって固定されてなる電極ユニット１３ｇが１乃至複数組配置されている。電極１３ａ、１３ｂに繋がる導電線１３ｈは容器１３ｄの上面から外部に導出されている。陽電極１３ａは例えば二酸化鉛でコーティングされたチタン等からなる。また陰電極１３ｂは、チタン白金合金等からなる。イオン交換膜１３ｃは、例えばスチレンやジビニルベンゼン等を含む樹脂膜に例えばスルホン酸基のような交換基を導入したものである。交換基の種別によって陽イオンのみを透過させる交換膜、陰イオンのみを透過させる交換膜が得られるが、ここでは陽イオンのみを透過させる交換膜を用いている。なお電極１３ａ、１３ｂ、イオン交換膜１３ｃの素材や構成はこれに限定されることはない。

このような構成の電解槽１３では、給水口１３ｅから純水を供給して電極１３ａ、１３ｂに直流電流を供給すると、陽電極１３ｂ側で酸素、オゾンが発生し、陰電極１３ｂ側で水素が発生する。これらの分子の一部は水に溶解し、一部はガス気泡となって水に混じる。このようにして生成されたオゾン水が除菌水として排水口１３ｆから排出される。

さらに電解槽１３の他例を説明する。
図６は、除菌水として次亜塩素酸水を生成する電解槽の簡単な縦断面図である。電解槽１３は樹脂又は金属からなる円筒状の容器１３ｄを備えている。容器１３ｄの下部、上部にはそれぞれ給水口１３ｅ、排水口１３ｆが形成されている。容器１３ｄの内部はイオン交換膜（隔壁膜）１３ｃによって２室に分離されており、そのそれぞれに陽電極１３ａ、陰電極１３ｂが配設されている。給水口１３ｅは２室のそれぞれに対して分離給水するようになっている。排水口１３ｆは２室のそれぞれに独立して設けられている。陽電極１３ａ、陰電極１３ｂはいずれもチタン白金合金等からなる。イオン交換膜１３ｃは図３の例に類似したものであるが、隔壁としてより強固に形成されている。なお電極１３ａ、１３ｂ、イオン交換膜１３ｃの素材や構成はこれに限定されることはない。

このような構成の電解槽１３では、給水口１３ｅから食塩水を供給して電極１３ａ、１３ｂに直流電流を供給すると、陽電極１３ａ側で酸素、オゾン、塩素が発生し、その塩素が水と反応して塩酸、自亜塩素酸が発生する。一方陰電極１３ｂ側では水素分子が発生する。このようにして生成された次亜塩素酸水（強酸性電解水）が除菌水として、陽電極１３ａ側の排水口１３ｆから排出される。一方陰電極１３ｃ側の排水口１３ｆからは、アルカリ性電解水が排出される。このアルカリ性電解水は、基本的に水酸化ナトリウム水溶液なので、タンパク質を効果的に除去する洗浄液として利用できる。なお水道水は消毒用の塩素を含んでいるので食塩水の替わりに利用してもよい。

１ 除菌水生成装置
５ ボウル
１１ 温度検知部
１３ 電解槽
１３ａ、１３ｂ 電極
１３ｃ イオン交換膜
１６ 電源部
１７ 制御部

Claims (4)

1. 水を電気分解して除菌水を生成する電解槽と、
   前記除菌水が供給される便器に設けられたボウルと、
   前記ボウルの環境温度を検知し記憶する温度検知部と、
   前記電解槽に直流電流を供給する電源部と、
   前記ボウル内で繁殖するとされる菌類の増殖温度帯が予め設定されており、前記温度検知部が記憶している所定期間分のボウル温度が前記増殖温度帯に分布している時間の長さにもとづいて前記直流電流の電流値を変化させる制御部とを備えたことを特徴とする除菌水生成装置。
2. 請求項１において、
   前記制御部は、記憶されている前記ボウルに除菌水を前回供給した以降のボウル温度の、前記増殖温度帯に分布している時間の長さが所定の値を越えたときには、該時間の長さが所定の値以下のときよりも、前記直流電流の電流値を大きくしていることを特徴とする除菌水生成装置。
3. 請求項１または２において、
   前記制御部は前記直流電流の供給を周期的に遮断することで平均電流を変化させることを特徴とする除菌水生成装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   前記増殖温度帯として、摂氏２０度〜３０度の範囲を含む温度帯が設定されていることを特徴とする除菌水生成装置。
   
   
   

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