JP3055744B2 - イオンリッチ水生成用の無隔膜型電解槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】

【産業上の利用分野】本発明は、広義には、電気分解に
より上水を改質し、上水の水素イオン濃度（ｐＨ）を調
整する装置に関する。より詳しくは、本発明は、上水の
電気分解により水素イオンリッチの酸性水および／又は
水酸イオンリッチのアルカリ性水を生成するようになっ
た電解槽に関する。本発明は、特に、無隔膜型の電解槽
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】水酸イオン（ＯＨ⁻）リッチのアルカリ
性水は、従来“アルカリイオン水”とも呼ばれており、
飲用に供する場合には健康増進に効果があり、お茶・コ
ーヒー等や料理に使用する場合には味を引き立たせる効
果があると考えられている。また、水素イオン（Ｈ^＋）
リッチの酸性水は、麺類をゆでたりするのに適するもの
として知られており、特に水素イオン濃度の高い強酸性
の水は台所のまな板や布巾の滅菌・殺菌等に有用である
として注目されている。

【０００３】このため、従来、種々の形式のイオンリッ
チ水生成装置（業界では、しばしば、イオン水生成装置
と呼ばれる）が市販され、或いは、提案されている。イ
オンリッチ水生成装置は水の電気分解を利用したもの
で、陽極と陰極とを備えた電解槽を有する。陽極と陰極
との間に直流電圧を印加すると、図１に模式的に示した
ように、陽極と水との界面においては、水の電離により
水中に存在するＯＨ⁻は陽極に電子を与えて酸化され、
酸素ガスとなって系から除去される。その結果、陽極と
水との界面ではＨ^＋濃度が高まり、Ｈ^＋リッチの酸性水
が生成される。他方、陰極と水との界面では、Ｈ^＋は陰
極板から電子を受け取って水素に還元され、水素ガスと
なって除去されるので、ＯＨ⁻濃度が高まり、陰極側に
はＯＨ⁻リッチのアルカリ性水が生成される。

【０００４】初期のイオンリッチ水生成用電解槽はバッ
チ処理式のものであったが、今日では連続通水式の電解
槽が一般的であり、後者は陽極と陰極との間に形成され
た通水路に通水しながら水を電解してイオンリッチ水を
生成するようになっている。連続式の電解槽は、隔膜型
と無隔膜型の２種に大別することができる。

【０００５】隔膜型の電解槽においては、例えば、実開
昭56-80292号、特開昭58-189090号、実公昭58-47985号に
開示されているように、陽極と陰極との間に形成され電
解室として作用する通水路は、イオン浸透性で不透水性
の隔膜によって仕切られており、電解により陽極側に生
成した酸性水と陰極側に生成したアルカリ性水とが混合
しないようになっている。このように、不透水性隔膜の
存在により酸性水とアルカリ性水との混合が防止される
ので、隔膜型の電解槽は、生成した酸性水およびアルカ
リ性水を所望の任意の流量でしかも極めて容易に取り出
すことができるという利点がある。

【０００６】しかしながら、隔膜型電解槽の難点は、
(１)隔膜のところで細菌や微生物が繁殖しやすいので、
衛生的でないこと、(２)隔膜を配置するためには電極間
隔を大きくせざるを得ないので、装置の消費電力が大き
くなること、である。

【０００７】そこで、従来技術においては、陽極と陰極
との間の隔膜を廃止した所謂“無隔膜型”の電解槽が提
案されている（例えば、実公昭57-8957号、特開平4-284
889号、実開平4-110189号）。無隔膜型の電解槽は、層
流の原理を利用したもので、陽極板と陰極板とはその間
に隔膜を介在させることなく互いに近接して並置してあ
り、陽極板と陰極板とに沿って層流を形成させながら通
水し、水を電解するようになっている。斯る無隔膜型の
電解槽は、隔膜がないので衛生的であり、電極間隔を小
さくできるので消費電力を低減できる、という利点があ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、無隔膜
型電解槽の問題点は、酸性水とアルカリ性水とを分隔す
るための隔膜を廃止したので、電解室として作用する通
水路の出口において所望濃度の酸性水およびアルカリ性
水を別々に取り出すのが非常に困難であるということで
ある。

【０００９】例えば、実公昭57-8957号の装置において
は、陽極板に沿って生成された酸性水と陰極板に沿って
生成されたアルカリ性水とは楔形の分離板によって分離
され、夫々の出口から回収されるようになっているが、
この構造においては、分離板の位置が固定であるので、
強アルカリ性水または強酸性水だけを取り出すことがで
きない。

【００１０】また、特開平4-284889号および実開平4-11
0189号の装置においては、通水路の端部に面して邪魔板
が設けてあり、アルカリ性水は通水路の延長に配置され
たアルカリ性水出口へ流れ、酸性水は邪魔板に衝突して
折り返し出口から排出されるようになっている。この構
造においては、邪魔板への衝突により乱流が発生し、ア
ルカリ性水と酸性水とが不可避的に混合するので、同様
に、強アルカリ性水又は強酸性水だけを選択的に回収す
ることができないという難点がある。

【００１１】即ち、図２（図中の数値はｐＨ値を表し、
電極間隔は異なる濃度の層を分かり易く示すため誇張し
てある）に模式的に示したように、無隔膜型電解槽にお
いては、陽極板と陰極板との間に電圧を印加しながら通
水すると、強酸性から強アルカリ性まで水素イオン濃度
が漸変する層流を形成しながら電極板に沿って水が流れ
るが、消費電力の低減を目的として電極間隔を例えば１
ｍｍ以下と狭くした場合には、強アルカリ性水の層およ
び強酸性水の層は夫々非常に薄くなるので、極めて微小
な乱流が発生しただけでも、酸性水とアルカリ性水とは
容易に混合する結果となる。

【００１２】本発明の目的は、無隔膜型電解槽の通水路
（電解室）の出口を改良することにより、強アルカリ性
および／又は強酸性のイオンリッチ水を回収することを
可能にすることにある。

【００１３】

【発明の構成】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するため、本発明は次のような知見に立脚するもので
ある。先ず、無隔膜型の電解槽において強アルカリ性水
又は強酸性水だけを選択的に回収するためには、図２に
示したように強酸性から強アルカリ性まで水素イオン濃
度が漸変する層流を通水路（電解室）内に形成させると
共に、斯る層流を乱すことなく維持しながら強アルカリ
性水および／又は強酸性水を取り出さなければならな
い。このため、本発明は、通水路（電解室）はその通水
方向全長にわたって延長する２つのほぼ平らな壁面によ
り画定し、この通水路の下流側端部をその流路断面積よ
り大きな流路断面積を有する第１のイオンリッチ水回収
通路に直接に開口させ、アルカリ性水（又は酸性水）を
この第１イオンリッチ水回収通路にスムースに流出させ
て回収する。そして、通水路の２つの壁面のいづれか一
方には、通水路の下流側端部よりも上流において、第２
イオンリッチ水回収通路に連通する第２イオンリッチ水
回収口を開口させ、通水路内に層流を維持させながら層
流から強酸性水（又は強アルカリ性水）の薄い層を分離
し、この回収口から強酸性水（又は強アルカリ性水）を
回収する。

【００１４】本発明は、更に、第２イオンリッチ水回収
口より下流の流れは、通水路から第２イオンリッチ水回
収口に分岐流入する酸性水（又はアルカリ性水）の流れ
の状態に密接な関連を有するという知見に立脚するもの
である。そこで、本発明は、第２イオンリッチ水回収口
より下流の通水路壁面部分を上流側の通水路壁面部分に
関して側方にオフセットさせたことを特徴とするもので
ある。このように通水路壁面部分のオフセットすれば、
コアンダ効果により第１イオンリッチ水回収通路へ向か
う流れの主流が湾曲するので、第２イオンリッチ水回収
口に流入する酸性水（又はアルカリ性水）の流れに乱流
が発生するのを防止することができる。従って、酸性水
とアルカリ性水とを隔離する隔膜を廃止しても、第１お
よび第２イオンリッチ水回収通路において所望ｐＨ値を
もった酸性水およびアルカリ性水を夫々得ることができ
る。

【００１５】本発明の上記特徴や効果、ならびに、他の
特徴や利点は、以下の実施例の記載に従いより詳しく説
明する。

【００１６】

【実施例】先ず初めに、図３から図９を参照しながら、
本発明の無隔膜型電解槽の全体構成と作動の概要を説明
する。

【００１７】主として図３および図４を参照するに、無
隔膜型電解槽１０は縦長のハウジング１２を有する。こ
のハウジング１２は、樹脂製の耐圧ケース１４の凹み
に、第１陽極板１６と陰極板１８と第２陽極板２０との
３枚の電極板を複数の樹脂製スペーサ２２を挟みながら
順次配置し、カバー２４をケース１４に液密にねじ止め
することにより構成される。陰極板１８の両側に陽極板
１６と２０を夫々配置したことによりこの電解槽１０は
いわば二重セル構造になっており、陰極板１８の両面を
有効利用することで処理能力を倍増しながらも小さなス
ペースに格納できるようになっている。図示した実施例
では、電極板１６と２０が陽極板として作用し、電極板
１８が陰極板として作用するように電圧が印加される
が、印加電圧の極性を逆にすることも勿論可能である。

【００１８】電極板相互の間隔は例えば５本のスペーサ
２２によって定められるもので、この実施例ではスペー
サ２２は約０.５ｍｍの厚さを有し、従って、電極間隔
が約０.５ｍｍになるようになっている。好ましくは、
電極板１６、１８、２０は、チタン金属板に白金を被覆
することにより製作され、夫々約６×１２ｃｍの寸法を
有し、約０.５ｍｍの厚さを有する。電極板１６、１
８、２０には端子１６Ａ、１８Ａ、２０Ａが夫々固定し
てある。これらの端子１６Ａ、１８Ａ、２０Ａの端部は
いづれもケース１４の正面に向かって延長するようにな
っており、ケースの正面側のみにて電解槽１０の直流電
源（図示せず）に接続できるようになっている。

【００１９】図３からよく分かるように、ケース１４に
は、上水入口２６とイオンリッチ水出口２８および３０
が形成してある。図示した実施例では、電極板１６と２
０を陽極板として作用させ、電極板１８を陰極板として
作用させるので、出口２８がアルカリ性水出口となり、
出口３０が酸性水出口となる。しかし、前述したように
電極板の極性を逆にすることも可能であり、その場合に
は、出口２８が酸性水出口となり、出口３０がアルカリ
性水出口となる。上水入口２６は断面略三角形の上水分
配通路３２に連通しており、この上水分配通路３２は、
図５からよく分かるように、ケース１４とカバー２４に
よって形成されており、電極板の上下方向全長にわたっ
て延長している。電解槽１０の使用に際しては、上水入
口２６はホース等により水道管に接続することができ
る。或いは、電解槽１０を浄水器の下流に接続し、浄水
器によって浄化された水を電解槽１０の上水入口２６に
導入してもよい。

【００２０】図８および図９の拡大断面図からよく分か
るように、第１陽極板１６と陰極板１８との間には第１
通水路３４が形成され、陰極板１８と第２陽極板２０と
の間には第２通水路３６が形成される。これらの通水路
３４および３６は、電極板１６、１８、２０と協動して
電解室として作用するものである。図示した実施例で
は、通水路３４および３６は、その全長にわたって、電
極板１６、１８、２０の表面によって画定されている。
夫々の通水路３４および３６は水平方向に延長する例え
ば５本のスペーサ２２により上下４つのサブ通水路に分
割される。図９から分かるように、これらの通水路３４
および３６の上流側端部は上水分配通路３２に連通して
いるので、上水入口２６から分配通路３２に沿って流下
した上水は夫々の通水路３４および３６の４つのサブ通
水路に分配され、図８および図９に示したように通水路
３４および３６に水平方向に流入する。分配通路３２の
容量が大きいのに対して電極間隔が０.５ｍｍと十分に
狭いので、通水路３４および３６を水平方向に流れる水
流は層流となる。

【００２１】図５および図８に示したように、電解室と
して作用する通水路３４および３６の下流側端部３４Ａ
および３６Ａは、ケース１４とカバー２４によって形成
された断面略５角形のアルカリ性水回収通路３８に直接
に開放されている。このアルカリ性水回収通路３８はア
ルカリ性水出口２８に連通しており、上水分配通路３２
と同様に電極板の上下方向全長にわたって延長してい
る。図５および図８からよく分かるように、アルカリ性
水回収通路３８の流路断面積は通水路３４および３６の
流路断面積に対して十分に大きくしてあり、乱流を発生
させることなく通水路３４および３６の末端からアルカ
リ性水回収通路３８に向かってアルカリ性水をスムース
に流出させるようになっている。

【００２２】図５からよく分かるように、ケース１４お
よびカバー２４には、更に、陽極板１６および２０の上
下方向全長にわたって延長する溝４０および４２が夫々
形成してあり、陽極板と夫々協動して酸性水回収通路４
４および４６を形成するようになっている。これらの酸
性水回収通路４４および４６の下端は連絡ポート４８に
て合流し（図６〜７）、更に酸性水出口３０に連通して
いる（図３）。

【００２３】図４および図８からよく分かるように、図
示した実施例では、陽極板１６および２０には、それら
の下流側エッジ１６Ｂおよび２０Ｂよりも上流側におい
て、酸性水回収口として作用するスリット１６Ｃおよび
２０Ｃが夫々形成してあり、スリット１６Ｃおよび２０
Ｃを通過した水が酸性水回収通路４４および４６に流入
するようになっている。

【００２４】図５および図８からよく分かるように、酸
性水回収通路４４および４６の流路断面積もスリット１
６Ｃおよび２０Ｃの流路断面積に対して十分に大きくし
てあり、スリットから回収された酸性水が乱流を生じる
ことなく酸性水回収通路４４および４６内にスムースに
流入するようになっている。スリット１６Ｃおよび２０
Ｃから流出した酸性水は陽極板の上下方向ほぼ全長にわ
たって酸性水回収通路４４および４６内に回収され、そ
こから更に酸性水出口３０へ送られる。

【００２５】この電解槽１０の使用に際しては、上水入
口２６への上水の供給は従来型の手動又は電動の制御弁
（図示せず）によって制御することができ、アルカリ性
水出口２８および酸性水出口３０には従来型の流量制御
バルブ５０および５２を夫々接続することができる。上
水入口２６から導入された上水は、前述したように、分
配通路３２により電極板１６、１８、２０の上下方向全
長にわたって通水路３４および３６の入口（上流側端
部）に均一に分配され、通水路３４および３６内に水平
方向に流入する。

【００２６】陰極板１８と陽極板１６および２０との間
に例えば約１２Ｖの直流電圧を印加することにより、通
水路３４および３６内に通水しながら電気分解を進行さ
せると、図２を参照して前述したように、陽極板と陰極
板との間の電界に垂直な方向にｐＨの漸変する流れが生
成する。

【００２７】酸性水出口３０において殺菌の用途に適し
たｐＨ３程度の強酸性水を得たい場合には、アルカリ性
水出口２８で得られるアルカリ性水の流量と酸性水出口
３０で得られる酸性水の流量との比が約４：１になるよ
うに流量制御バルブ５０および／又は５２を制御するの
が好ましい。このような流量条件では、陽極板表面近傍
を流れる速度の遅い強酸性水の薄層は酸性水回収スリッ
ト１６Ｃおよび２０Ｃに到達すると、図８に矢印で示し
たようにスリット１６Ｃおよび２０Ｃを介して酸性水回
収通路４４および４６内に流入するので、酸性水出口３
０において強酸性水が得られる。

【００２８】また、アルカリ性水出口２８においてｐＨ
１０程度の強アルカリ性水を得たい場合には、アルカリ
性水出口２８と酸性水出口３０の流量比が例えば約３：
２になるように流量制御バルブ５０および／又は５２を
制御することができる。

【００２９】次に、図１０に基づいて、通水路端部の構
造をより詳しく説明する。通水路３４と３６は対称の構
造を有するので、一方の通水路３６のみを取り上げる。
図１０を参照するに、通水路３６は、その通水方向全長
にわたって延長する２つのほぼ平らな壁面５６および５
８（図示した実施例では、電極板１８および２０の表
面）により画定されており、外側の壁面５８に酸性水回
収口として作用するスリット２０Ｃが開口させてある。
通水路３６に流入した水は、流速分布曲線で示したよう
に層流を形成しながら通水路３６内を流れる。酸性水の
層は回収口２０Ｃに到達すると回収口２０Ｃ内に分岐
し、流れの残部はそのまゝ進んでアルカリ性水回収通路
３８内に回収される。

【００３０】図１０に示したように、通水路３６の壁面
５８のうち、酸性水回収口２０Ｃより下流の壁面部分５
８Ａは、この回収口より上流の壁面部分５８Ｂに関して
外側にオフセットさせてある。オフセット壁面部分５８
Ａは、図８に示したように電極板２０の表面部分を研削
することにより形成することができる。或いは、図１１
に示したように、電極板２０をスリット２０Ｃのところ
で終端させ、カバー２４の表面２４Ａによってオフセッ
ト壁面５８Ａを形成してもよい。

【００３１】このように、通水路の壁面部分５８Ａが壁
面部分５８Ｂから外側にオフセットさせてあるので、図
１０に示したように、アルカリ性水回収通路３８に向か
うアルカリ性水の主流６０は、壁面部分５８Ａに沿って
流れようとするコアンダ効果により、壁面部分５８Ａの
方に湾曲する。その結果、酸性水回収口２０Ｃから強酸
性水の流れ６２が流出しても、酸性水の流れとアルカリ
性水の流れとの分岐部に発生する乱流６４は非常に微小
なものとなるので、酸性水とアルカリ性水との混合が防
止される。

【００３２】図１２は本発明の他の実施例を示すもの
で、この構造においては、陰極板１８の表面には内側に
オフセットした壁面５６Ａが形成してあり、アルカリ性
水回収通路３８に向かうアルカリ性水の主流６０がコア
ンダ効果により酸性水回収口２０Ｃから離れる方向に湾
曲し、酸性水回収口２０Ｃでの乱流の発生を防止するよ
うになっている。

【００３３】以上には本発明の特定の実施例について記
載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本
発明の範囲内で種々の設計変更を加えることができる。
例えば、電極板の極性を逆にし、出口３０からアルカリ
性水を取り出し、出口２８から酸性水を取り出すことが
できる。また、図示した実施例では電解槽の流量を大き
くするため２枚の陽極板を配置してあるが、陽極板は１
枚にし、通水路を１つにしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の電解槽構
造によれば、通水路３４および３６内に層流が形成さ
れ、この層流を維持させながら、通水方向に対して直角
な方向に酸性水（印加電圧の極性に応じては、アルカリ
性水）の薄い層が分離され、酸性水回収口１６Ｃおよび
２０Ｃから回収される。酸性水回収口より下流の通水路
壁面部分５６Ａおよび／又は５８Ａは、酸性水回収口よ
り上流の壁面部分５６Ｂ又は５８Ｂに関して側方にオフ
セットさせたので、酸性水の流れとアルカリ性水の流れ
との分岐部における乱流の発生を抑制することができ
る。

【００３５】従って、衛生的で消費電力が小さいという
無隔膜型の電解槽の利点を享受しながらも、従来の無隔
膜型電解槽では得られなかったような強酸性および強ア
ルカリ性のイオンリッチ水を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、水の電解によるイオンリッチ水生成原
理を示す模式図である。

【図２】図２は、無隔膜型電解槽の電解室における水素
イオン濃度分布を示す模式図である。

【図３】図３は、本発明の電解槽の一部切欠き正面図で
ある。

【図４】図４は、図３に示した電解槽の分解斜視図であ
る。

【図５】図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図であっ
て、図面簡素化のため電極板とスペーサは省略してあ
る。

【図６】図６は、図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図で
ある。

【図７】図７は、図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面
図である。

【図８】図８は、図５の円Ａ内部分の拡大断面図であ
る。

【図９】図９は、図５の円Ｂ内部分の拡大断面図であ
る。

【図１０】図１０は、図３から図９に示した電解槽の通
水路の出口部分の模式的拡大図である。

【図１１】図１１は、図８に示した通水路出口構造の変
化形を示す。

【図１２】図１２は、図１０に示した通水路出口構造の
変化形を示す。

【符号の説明】

１０： 電解槽 １６、２０： 陽極板 １６Ｃ、２０Ｃ： 酸性水回収口 １８： 陰極板 ３４、３６： 通水路（電解室） ３８： アルカリ性水回収通路 ４４、４６： 酸性水回収通路 ５４： 通水路の軸線 ５６、５８： 通水路を画定する壁面 ５６Ａ、５８Ａ： 通水路の下流側壁面部分 ５６Ｂ、５８Ｂ： 通水路の上流側壁面部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 茂 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番 １号 東陶機器株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−246272（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−284889（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−110189（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C01F 1/46 - 1/48

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電極板（18、16／20）を隔膜を介
   在させることなく互いに近接して平行に対向配置するこ
   とにより、電解室として作用する通水路を前記一対の電
   極板間に形成し、前記一対の電極板間に直流電圧を印加
   しながら前記通水路に通水することにより水の電気分解
   によりイオンリッチ水を生成するようになった無隔膜型
   の電解槽（10）において：前記通水路（34／36）はその
   通水方向全長にわたって延長する２つのほぼ平らな壁面
   （56、58）により画定し、前記通水路（34／36）の下流
   側端部（34Ａ／36Ａ）は該通水路の流路断面積より大き
   な流路断面積を有する第１のイオンリッチ水回収通路
   （38）に直接に開口させ、前記２つの壁面のいづれか一
   方（58）には、前記通水路の下流側端部（34Ａ／36Ａ）
   よりも上流において、第２のイオンリッチ水回収通路
   （44／46）に連通し前記通水路（34／36）に開口するイ
   オンリッチ水回収口（16Ｃ／20Ｃ）を開口させ、前記イ
   オンリッチ水回収口より下流の少なくとも１つの通水路
   壁面部分（56Ａ／58Ａ）は、前記回収口より上流の通水
   路壁面部分（56Ｂ／58Ｂ）に関して側方にオフセットさ
   せたことを特徴とする無隔膜型電解槽。