JP2021517100A - 水を過酸化水素に変換するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

水を過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）に変換するための方法および装置において、コロナ放電ゾーンが第１の電極（１０）と第２の電極（６）との間に生成され、電極の一方が絶縁され他方が絶縁されておらず、各電極のそれぞれの表面が互いに対向する。第１の電極（１０）は、第１の電極と第２の電極との間に相対的な回転を生じさせるように回転される；第１の電極の回転軸（４）に近接して第２の電極に面する第１の電極の表面上に液体の水が送られ、それによって、第１の電極の回転によって生じる遠心力の作用の下で第１の電極の外周に向かってコロナ放電ゾーンを通って外側に液体の水が進む。

Description

本発明は、工業用途および家庭用途に適切な過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を生成するための方法および装置に関する。

特許文献１および特許文献２には、少なくとも１つが絶縁された一対の電極間で生じたコロナ放電ゾーンを通して水蒸気を送ることにより水蒸気をＨ_２Ｏ_２に変換する原理に基づいて、水をＨ_２Ｏ_２に変換するための装置が開示されている。

そのような装置の欠点は、水蒸気分子のあるグループが、温度が８００℃に達するコロナ放電ストリーマーとの相互作用によって蒸発するので、水蒸気の生成に通常の非蒸留水道水を使用できないということである。

その結果、水中に溶解したＣａおよびＭｇ塩が固相に移動してスケール沈積として電極上に沈着し、電極の定期的な洗浄が必要となる。

Ｈ_２Ｏ_２に変換するために通常の水を使用できないことによって、野菜、果物、液果類および花、温室および固定式および移動式食品冷蔵庫の消毒のような、すなわち大量の蒸留水の使用によってプロセスの費用が増大する場合の、可能な用途の数が著しく減少する。

コロナ放電を用いた水のＨ_２Ｏ_２への変換における既存の理論に従えば、Ｈ_２Ｏ_２の生成に直接使用されるのは総エネルギーのわずか５％であり、熱損失は総消費エネルギーの９５％に達する。

米国特許第９６１０５５９号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０３３５４７１号明細書

したがって、高エネルギーを消費するプロセスである高濃度Ｈ_２Ｏ_２の生成における問題の１つは、電極の限られた表面からの熱のきわめて大きい浪費である。

本発明の目的は、コンバータを単純化することに加えて、使用分野を拡張することである。

所望の目的は、第１に、Ｈ_２Ｏ_２への変換のために水蒸気を使用することをやめ、代わりに、電極の一方の上に他方の電極を向く側に沿って水層を配置し、上側の水層と他方の電極との間に空隙を維持してその内部でコロナ放電を発生させることによって達成される。

したがって、水の層および空気の層は、コロナ放電ゾーンを通して同時に移送される。

全体のコロナ放電電流は、電極として実質的に使用される水層を流れる。

この目的の方法において、水が供給される電極は他方の静止電極に関して回転され、水は回転軸に近接して回転電極に供給される。

遠心力の作用下でのコロナ放電の直接セグメントにおける方向角の変化によって、水の量、電極表面および回転速度によって厚さが特定される層として、液体の流れは電極のエッジに向かって進む。

小さい分散液滴が遠心力によって電極エッジから分離される際に、回転電極からの水の移動が生じる。したがって、コロナ放電における小さい分散液滴の蒸発を避けるために、コロナ放電限界の外側で微粒化が行われる。

実際には、回転電極の外径は、静止電極の外径よりも大きいことだけが必要である。

本発明は、コロナ放電の増大する強度における電極からの極めて大きい熱除去の問題を解決し、コンバータの単純化と共に高濃度のＨ_２Ｏ_２を受け取る。

１つの実施形態において、解決手段は、Ｈ_２Ｏ_２への変換のために電極に液体を供給しかつまた冷却するために、単一の液体容器を使用するという考えに基づく。

さらに、電極を冷却するために使用される液体は、容器から取り出される。

液体は容器中で加熱されるため、供給された液体を外部クーラーに通過させる。

同時に、容器中の液体を使用して、低電位端子と回転電極との間の電気分解中に高ＡＣ電圧装置から回転電極へ低電位を伝送する。

液体の単一容器の使用が同時に供給されて、高電位および低電位電極が冷却され、抵抗性のデカップリングが必要とされる。

デカップリングは、電気的絶縁材料で作製され液体が抵抗として使用されるチャネルを介して、高電位電極への液体供給および容器への液体移動によって達成される。１０ｃｍの長さおよび１．５ｍｍの内径を有するチャネルは、１０ＭΩの抵抗を有する。

本発明による方法を実現するコンバータは、上部、中央部および下部を備える本体を含む。

上部は、電源端子およびそれに固定された回転軸を備える電気モータ、冷却外形（cooling contour）および冷却外形に冷却液体を供給し冷却外形から冷却液体を取り出すためのチャネルを備える高電位静止電極、高電位電極の下にある絶縁体、回転軸に個体された偏向壁（deviating wall）を備える回転電極、および高電位電極に面する回転電極の側に液体を供給するためのチャネル、を保持する。

本体の中央は、Ｈ_２Ｏ_２コレクタ、コンバータの外側にＨ_２Ｏ_２を取り出すための孔、高電位電極に面する回転電極の側に冷却液体を供給するためのチャネル、本体の下部に位置する容器への液体入り口（Ｈ_２Ｏ）、および冷却外形からこの容器まで冷却液体を移動させるためのチャネルからの液体移動のための孔を保持する。

さらに、本体の下部は、入口開口および出口開口を備えるコンプレッサおよび回転軸の下部に固定されたローターを保持する。

本体の外側には、電圧供給端子を備える高ＡＣ電圧装置、高電圧電極に接続された高電位出力および液体容器中で本体の下部に取り付けられた低電圧端子に接続された低電位出力がある。

さらに、外部クーラーが本体の外側に配置され、その入力はチャネルを介してコンプレッサ出力に接続され、クーラー出力は分配チャネルを介して電極に液体を供給するためのチャネルに接続される。

本発明を理解し実際にどのように実行されるかを判断するために、添付の図面を参照して、単に非限定的な例として、実施形態がここに説明される。

水をＨ_２Ｏ_２に変換するための本発明の実施形態に従った装置の概略図

図面を参照すると、水をＨ_２Ｏ_２に変換するための本発明の実施形態に従った装置が示される。本発明の装置は、以下のパーツを備える：本体１；給電端子３および軸４を有する電気モータ２；軸４に固定された電気的に導電性の材料で形成される回転軸５；高電位静止電極６；電極６の冷却外形７；絶縁体８；第１の電極を構成し、回転軸５に固定されそれと電気的に導電性の接触をする、偏向壁１１を有する円盤状の回転電極１０；外形７から冷却液体を取り出すためのチャネル１２；外形７から液体容器１７へ冷却液体を移動させるための出口１３；電源端子１５を有する高ＡＣ電圧発生器１４；液体容器１７中に取り付けられた低電位端子１６；回転軸５の下部に固定されたインペラ１９を有するコンプレッサ１８；コンプレッサ１８の入口２０およびその出口２１；コンプレッサ１８の出口２０に接続された外部クーラー２３の入口チャネル２２；容器１７へ液体を供給するための水口を構成する開口２４；外部クーラー２３の出口および電極６および１０に液体を供給するためのチャネル２６、２９および３０に接続された分配チャネル２５；Ｈ_２Ｏ_２を取り出すためのコレクタ２８；およびコンバータの外側のコレクタ２８からＨ_２Ｏ_２を取り出すための出口２７。

コンバータの動作は以下のようである：
開口２４を介して容器１７にＨ_２Ｏが供給され、Ｈ_２Ｏ_２コレクタ２８の底のレベルの下のレベルまで容器１７を満たす。

次いで、端子３を介してモータ２に電力が供給され、端子１５を介して高ＡＣ電圧発生器１４に電力が供給される。

高ＡＣ電圧発生器１４の高電圧出力が、第２の電極を構成する高電位電極６に接続され、発生器１４の低電圧出力が、低電位端子１６に接続され容器１７中の液体を介して電極１０に電気的に接続されるので、絶縁体８と回転電極１０との間にバリアコロナ放電ゾーン９が生成される。

モータ２が始動すると、コンプレッサ１８が作動し、出口２０を通して容器１７から液体の供給が開始される。コンプレッサ１８のインペラ１９の回転によって遠心力が生じ、容器１７からの液体が、チャネル２２を介してコンプレッサ１８の出口２１から外部クーラー２３の入力まで圧力下で流される。

冷却された液体は、クーラー２３の出口から、分配チャネル２５およびチャネル３０を介して、回転電極１０の軸に近接する領域へ絶縁体８に面する回転電極１０の側に供給される。この液体は、その厚さが、液体の量、電極１０の表面およびその回転速度に依存する層中で、電極１０の表面の上において、電極１０の回転中に生じる遠心力によって分配される。

回転する液体層は、電極１０のエッジからの液体の分離によってディスクエッジに進められ、遠心力の作用下で、この水の層は、小さい分散液滴に変えられて容器２８中に入り、Ｈ_２Ｏ_２を形成して、出口２４を介してコンバータの外側に取り出される。

同時に、容器１７からの液体が、外部クーラー２３およびチャネル２５および２９を介して、高電位電極６の冷却外形７に運ばれ、そこから、チャネル１２および本体１の中央の開口１３を介して容器１７に戻る。

同時に、クーラー２３およびチャネル２５および２６を介する容器１７からの液体はまた、絶縁体８に面しない回転電極１０の側に達する。

液体は、その回転によって電極１０の上に分配され、冷却され、容器１７に戻る、なぜならば、壁１１によって、この液体が容器２８に達するＨ_２Ｏ_２に変換される液体と混合されることを実質的に防止されるからである。

容器１７中の液体の量は、容器２８に達するＨ_２Ｏ_２の量によって連続的に減少されるので、容器１７中の液体レベルは、一定または脈動モードで動作する外部線量計によって作動中に一定に維持されなければならない。コンバータの全作業サイクル中に液体レベルを一定に維持することは、例えば、さらに参照がなされうる米国特許出願公開第２０１７／０３３５４７１号明細書に記載されるように、基本的な必要条件である。

Ｈ_２Ｏ_２は、容器２８の容量に依存して、連続的にまたは定期的に容器２８から取り出すことができる。コンバータの本体１は空気の入口および出口開口を有しないので、コロナ放電ゾーン９で生じたオゾン（Ｏ_３）は、周囲環境に達することなく本体１内を循環する。

本発明者は、以下の仕様でコンバータの開発プロトタイプを構築した：

Ｈ_２Ｏ_２の濃度は、供給された電極の関数であり、その９５％が熱として消費され、わずか５％がＨ_２Ｏ_２の生成に寄与する。したがって、提案されるような高濃度のＨ_２Ｏ_２（１００ｐｐｍ）を産生するためには、大量の廃熱が形成され浪費されてしまう。現実にこれを達成するための最良の方法は、説明されるようなある形態の冷却によるものである。しかしながら、例えばわずかに２ｐｐｍのようなずっと低い濃度で十分である製造業者またはエンドユーザーは、比例的に、すなわち１００ｐｐｍの濃度に必要とされるのに比例して５０の換算係数だけ、電流を減少することにより電力を低減してもよい。その後、加熱効果は著しく減少し、それによって、外部冷却の必要なしに周囲の気流によって十分な冷却を達成することができるかもしれない。

Claims (12)

1. 水を過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）に変換する方法であって、
   第１の電極と第２の電極との間にコロナ放電ゾーンを生成する工程であって、前記電極の一方が絶縁され他方が絶縁されておらず、前記各電極のそれぞれの表面が互いに対向する、工程；
   前記第１の電極を回転し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に相対的な回転を生じさせる工程；および
   前記第１の電極の回転軸に近接して前記第２の電極に面する前記第１の電極の表面上に液体の水を送る工程であって、前記液体の水が、前記第１の電極の回転によって生じる遠心力の作用の下で前記第１の電極の外周に向かって前記コロナ放電ゾーンを通って外側に進む工程、
   を含む、方法。
2. 前記第１の電極の表面からのＨ_２Ｏ_２の取り出しが、エッジからのＨ_２Ｏ_２の微粒化によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. Ｈ_２Ｏ_２が前記コロナ放電ゾーンの外側で微粒化されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 互いに対向しない前記電極のそれぞれの表面に供給される冷却液体を用いて、前記電極を冷却する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の電極上に放出された液体の水および前記冷却液体が、外部クーラーを通して共通の容器から供給されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記冷却液体が前記容器に戻ることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記電極を冷却するために前記冷却液体を供給し取り出す工程を含み、前記電極に、電気的に絶縁性の材料から作製されるチャネルを通して高電圧が与えられることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 水を過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）に変換する装置であって、
   上端に向かって一対の電極（６、１０）を含む中空本体（１）であって、前記電極の一方が絶縁され他方が絶縁されておらず、前記各電極のそれぞれの表面が該表面の間の隙間をはさんで互いに対向し、前記電極に亘って高ＡＣ電圧が与えられると、コロナ放電ゾーンが前記隙間の間に生じる、中空本体（１）、
   ディスク形状であり回転軸に同心円状に固定される第１の電極（１０）であって、前記回転軸が、電気的に導電性の材料で形成され、前記本体の上端に取り付けられる電気モーター（２）のシャフトに回転可能に接続される、電極（１０）、
   絶縁体（８）上に取り付けられ、ＡＣ電圧発生器（１４）の高電圧出力への接続用に構成される、第２の電極（６）、
   前記第２の電極（６）の外径よりも大きい前記第１の電極（１０）の外径、
   前記本体の下端にある水容器（１７）、
   前記装置の外側にＨ_２Ｏ_２を取り出すための、前記水容器および前記電極の間にあるＨ_２Ｏ_２出口（２７）、
   前記容器に水を供給するための、前記中空本体中の水口（２４）、
   前記本体内でその下端に向かって配置され、前記ＡＣ電圧発生器の低電圧出力を接続するよう構成される、電気端子（１６）、
   を備え、
   前記第１の電極の回転軸に近接して前記第２の電極に面する前記第１の電極の表面上に液体の水が送られ、それによって、該液体の水が、前記第１の電極の回転によって生じる遠心力の作用の下で前記第１の電極の外周に向かって前記コロナ放電ゾーンを通って外側に進む
   ことを特徴とする、装置。
9. 前記電極冷却液体が、互いに対向しない前記電極のそれぞれの表面に供給されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記電極を冷却するために前記冷却液体を供給し取り出すためのコンプレッサ（１８）をさらに含み、前記電極に、電気的に絶縁性の材料から作製されるチャネルを通して高電圧が与えられることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
11. 前記容器から水を受け取り、Ｈ_２Ｏ_２への変換のために冷却された液体を並びに前記電極表面を冷却するために液体を供給するための外部クーラー（２３）をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
12. 高電圧が供給される前記電極を冷却するために液体を供給し取り出すための、電気的に絶縁性の材料で形成されるチャネル（１２）を含む、請求項１０または１１に記載の装置。

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