JP3097813B2 - 外部電極を用いた液体処理方法並びに装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電性を有する流体を
処理する方法並びに装置に関するもので、より具体的に
は、電気化学的電位の異なる２種の物質からなる電極を
流体通路の外側に配し、その流体通路を流通する流体を
イオン化する流体の処理方法並びに装置に関するもので
ある。尚、本明細書において流体とは液体のことを意味
している。

【０００２】

【従来の技術】電気化学的電位の異なる２種の導電性物
質からなる電極を使用して流体をイオン化する自己起電
式の流体処理方法並びに装置は知られている。ここで、
自己起電式とは外部電源を使用しないと言う意味で用い
ている表現である。

【０００３】これら従来の装置では、処理される流体は
電極上を流れ、この流体を介して両電極間の電気化学的
結合が行われている。そして、これらのうちあるもので
は、電極が流体の流動を妨げるものとなっていた。ま
た、電極は流体の流動通路中に位置していたから、電極
は特に流体中に非溶解性粒子が含まれているときにかな
りこれによって擦られ摩耗すると言うことが起きてい
た。更には、流体の性質にもよるが、電極の導電材が電
気分解により腐食すると言うこともあった。

【０００４】電気化学的電位の異なった２種の物質を用
いてなる自己起電式装置としては米国特許第５，２３
４，５５５号（対応日本特開平４ー３１０２８２号明細
書）に係るものが公知となっている。この装置では、電
極を構成する導電材は電気絶縁被覆が施され、電極の導
電材が流体に直接接触しないようになっている。本発明
者はこの種の装置について長年研究を重ねた結果、流体
処理の理想的な状態としては両電極間に電圧のみが付加
されるようにすることである。この状況を生じさせるた
めには、流体を通して電流が流れることを最小限に抑え
ることが必要である。上記の米国特許で開示されている
ように、電気絶縁性物質で一方または両方の電極を被覆
することは、上記の電圧のみの状況を生み出すのに効果
的にして確実な方法である。

【０００５】しかしながら、電極の被覆として用いられ
るプラスチックスは電気絶縁材として完全ではなく、僅
かではあるが、電子は常にプラスチックスを通過してし
まう。ほんの僅かな量のエレクトロンが通過するだけで
も電気化学的電位の異なった２種の電極間に電位差電圧
が生じる。そして更に、本発明者の研究によれば、非処
理流体を通しての電流の量を減少し、電位差電圧のみの
状態を維持すると、流体の処理がより効果的になるとい
うことが判明した。

【０００６】しかしながら、絶縁被覆された電極は依然
として流体の流路に置かれることになっているので、こ
のような装置は前述したような問題を持っている。プラ
スチック被覆の場合には、特に固体微粒子が懸濁状態に
ある工業用水にさらされると、摩耗してすりはげ、電極
が流体中に露出し、その結果として効率の低下を招いて
しまう。このような問題を解決するために被覆の厚みを
増すことも考えられるが、このようにすると流体の流動
断面積を減少させまた製造コストを増大させることにな
るので好ましくない。

【０００７】また、従来電極を流体流に接触しないよう
にする一方で、両電極を外部電源に接続するようにした
ものが公知となっている。この場合には、外部電源を用
いているため、両電極を構成する導電性物質は異なった
電気化学的電位を持つ必要はないものとなっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するもので、その目的は両電極が流体の流れを阻
害したりまた流体と物理的に接触したりすることがない
ようにし、電極が流体によって摩耗されたり腐食される
ことのない自己起電式流体処理方法並びに装置を提供す
るにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の流体処理方法並びに装置によれば、正極並
びに負極が電気絶縁材からなる管状部材の外周面に配設
され、非処理流体が前記管状部材の内部に流通せられ、
上記電極と物理的に接触されないようになっている。こ
の管状部材には厚い壁体を持たせたり、また流体の流れ
が乱れることがないように滑らかにして直線的な流路を
画成することができる。このようにして装置に対する摩
滅を最小に減少させて装置の作動寿命を延長することが
できる。

【００１０】上記の正極並びに負極を構成する導電物質
は異なる電化化学的電位を有している。例えば、正極の
導電物質としてはカーボンを用い、負極のそれとしては
アルミニウムを用いることが好ましい。

【００１１】正極と負極を構成する導電材は電気絶縁
（プラスチック）からなる管状部材の外周面に相互に近
接して配置される。両電極は相互に隔離（開回路状態）
されていても良いし、電気抵抗体を介して導電結合され
ていても良いし、あるいは相互に物理的に直接接触する
ことによって電気的に結合されていても良い。これらの
回路状態は特定の適用または作動条件に応じて選択され
る。更に、両電極の管状部材の軸方向、即ち流動方向、
に対する配列順序もまた、本発明が適用される具体的な
処理対象物に応じて選択決定される。

【００１２】

【作用】内部に水などの流体が流通するプラスチックの
ような電気絶縁性物質からなる管状部材の外周部に電気
化学的電位の異なる導電性物質からなる正極、例えばカ
ーボン、と負極、例えばアルミニウム、とを配設するこ
とによって、内部を流通する水がイオン化され、優れた
効果を奏する理由について検討すると、本発明者の考え
るところによれば、水がプラスチックパイプを流れると
きにその摩擦によって形成される静電気による影響が最
も大きなものと思われる。即ち、プラスチックパイプと
接触する水の摩擦によってプラスチックパイプの水と接
触しない外表面に静電荷が生ずる。そして、この電荷は
パイプの端部を除きパイプの外表面全体にほぼ均一に分
布すると思われる。しかしながら、ほぼ均一に電荷が分
布されたパイプの外表面に導電性部材を配設することは
静電荷の均一な分布を妨げることになると考えられる。
例えば、カーボン部材を静電電界中に置くと、カーボン
は負の電子を吸着してカーボン部材の周りに正の電荷を
多く分布させ、またアルミニウム部材を静電界中に置く
と、アルミニウム部材はその周りに負の電荷を多く分布
させることになる。アルミニウムはよく知られているよ
うに、電子を放出しやすく、この電子は静電界中に既に
形成されている電子密度を高めることになる。これによ
り、例えば、プラスチックパイプの外周囲にアルミニウ
ムとカーボンの電極を配設すると、負の電荷の密度の濃
い電界部分と正の電荷の密度の濃い電界部分とが形成さ
れ、これらの電界は水が流れているパイプの中央部まで
拡がり、水並びに水の溶解成分をイオン化することにな
るものと思われる。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の好適な実施例について添付図
面を参照にして説明する。

【００１４】図１は本発明の基本的な部分を示すもの
で、符号１は電気絶縁材（プラスチック）からなる管状
部材を示し、符号２は正極導電材、符号３は負極導電材
を示し、正極２と負極３の導電材は異なる電気化学的電
位を有している。

【００１５】処理される流体は管状部材１の内周面によ
って画成された流体通路のみを矢印で示された何れかの
方向に流れる。即ち、実線の矢印は管状部材１内を通っ
て正極２側から負極３側に流れる流体の流れ方向を示し
ている。これとは反対に、点線の矢印は流体の逆の流れ
方向、即ち、負極３から正極２への流れを示している。
上記のように、正極並びに負極３に対する流体の流れ方
向は実際に処理される流体の性質に応じて選択される。

【００１６】図２の実施例では、複数の正極と複数の負
極とが管状部材１の外周面に配設されている。より具体
的には、正極２、２´と負極３、３´とが管状部材１の
軸方向、即ち流体の流動方向に交互に配設されている。
そしてまた、矢印はこの実施例においても流体が何れの
方向へも流れる得ることを示している。

【００１７】図３は非処理流体が流動する既設の管路と
容易に連結して配置することのできる実施例を示してい
る。この図において、参照番号５は両端に鍔部を有する
パイプを示している。これらの鍔部にはボルト取付孔が
貫通形成され、この孔を貫通するボルトによって本装置
が既設の流体パイプのフランジに固着される。参照番号
６はシール部材を示し、これは管状部材１の外周面とパ
イプ５の内周面との間の部分を密封している。言い換え
るならば、シール部材６は正極２と負極３とをパイプ５
の両端開口部に対して密封して、図示の装置が取り付け
られる既設のパイプ内を流動する流体が本装置の管状部
材１の内周面によって画成される流体通路のみを流れる
ようにするのである。参照番号７は正極２がパイプ５を
介して接地されるように正極２をパイプ５に接続する接
地線を示している。本装置の流体通路は少なくとも既設
の流体パイプの流体通路と同等の直径を有し、本装置の
管状部材そのものが流体の流通を阻害しないようになっ
ている。

【００１８】正極２の接地は必ずしも必要ではない。本
発明者の知得したところによれば、正極が小さいと、そ
れは早い時期に電子の飽和状態になってしまい、装置の
効率が低下する傾向となってしまう。正極を接地すると
電子が排出され、小型の装置でも効率よく機能すること
ができる。しかしながら、装置が大型でそれに対応して
正極も大きいときには、正極の接地構造は省略すること
ができる。この場合には、正極の大きな表面積によって
充分な量の電子が消散され、所望の性能が維持される。

【００１９】上述したように、図２の実施例では、正極
と負極とが交互に配置されている。流体が電極を流通す
る順序については、本発明者の先の出願（特開平６ー７
９２８３）において主題とされている。しかしながら、
本発明はこのような配置順序に限定されない。管状部材
の外周面上の電極の配置順序は、図４の実施例に示すよ
うに、その管状部材の軸方向に沿って、負極、正極、正
極、負極の順でもよい。実験を通じて本発明者が知得し
たところによれば、電極の配置順序は色々な組合せによ
って種々の有用な効果が得られることが判明した。例え
ば、流体が本発明の装置を通過後、電気的加熱方法、特
にヒーターを液体中に浸漬させて加熱するような加熱方
法、で６０℃以上に加熱されるような場合のように特殊
な状況下においても電極の特定の配置順序を選択するこ
とによって優れた効果が得られることが判明した。

【００２０】本発明者は、以下の実験を行うことによっ
て本発明の有効性並びに効率を確認した。

【００２１】先ず、本発明の有効性を確認するために以
下のような実験を行った。初期の導電率が２４９μＳ／
ｃｍの流体から２つの同じ量のサンプルを取り、一方の
サンプルについては図２の実施例に示す装置の管状部材
を流通させ、他方のサンプルについてはそのままにして
何の処理も行わなかった。両サンプルを共通の熱湯槽に
設置してサンプル内の液体が初期の濃度の５倍の濃度に
なるまで蒸発させた。何の処理も行わなかった濃縮され
たサンプルの流体の導電率を測定したところ９２８μＳ
／ｃｍであった。他方、本発明の図２に示す装置を通過
した流体の濃縮されたサンプルの導電率は９６８μＳ／
ｃｍであった。このように、本発明によって処理された
水の残存導電率は未処理水のそれよりも顕著に高いもの
となっていることが判る。このことは、本発明では合計
４０μＳ／ｃｍに相当する分だけ水中の金属成分の沈殿
量が減少したということである。

【００２２】次に、本発明に係る装置を米国特許第４，
９０２，３９１号（対応日本特許第１６４０４４０号）
に開示された装置と比較することによって本発明の効率
について実験した。上記米国特許に係る装置では、アル
ミニウムからなる負極とカーボンからなる正極とを相互
に電気的に隔離して使用した。前述したのと同じ流体か
ら同じ量のサンプルを取り上記米国特許に係る装置に通
過させ、流体を正極並びに負極と接触させた。このよう
に処理した水は上記のものと同じ熱湯槽に置き、初期の
サンプル水の５倍の濃度になるまで蒸発させた。

【００２３】上記米国特許に係る装置によって処理され
た濃縮された水の導電率を測定したところ、その導電率
は９５５μＳ／ｃｍであった。この値は本発明によって
処理された水の前記導電率の９６８μＳ／ｃｍよりも低
い。このように、本発明は米国特許第４，９０２，３９
１号で開示された装置よりも効率がよい。

【００２４】より具体的に言うなら、本発明では減少電
導率損が４０μＳ／ｃｍであるのに対し上記米国特許で
はその値はたった１３μＳ／ｃｍであるから、本発明の
方が上記米国特許のものよりも４８％も効率がよい。

【００２５】本発明の有効性に関する第２の実験を行
い、その結果を図５と図６に示した。

【００２６】これらの実験で用いられた水は２１．６℃
において３７２μＳ／ｃｍ（２５℃において４００μＳ
／ｃｍ）の導電率を有していた。この水のうち３リッタ
ーが未処理サンプルとして使用され、またこの水のうち
の別の３リッターの水が図４に係る本発明の装置に流通
後容器に入れられた。

【００２７】未処理の水と図４の装置で処理された水の
各３リッターのサンプルの水は、浸漬式の電熱エレメン
トを内部に備えた小型の箱形のステンレススチール製の
ボイラーによって加熱された。このボイラーの上面を密
閉する蓋体には長さ１メートル以上に亘って垂直に延長
している１５本のステンレススチール製のパイプが取り
付けられている。このパイプのそれぞれは上端が閉じら
れて内部に１０ｍｍの孔を有し、サンプルを加熱するこ
とによって生成されたスチームは上記パイプ内を上昇し
ていく間に途中で凝縮され、凝縮された液体がボイラー
に帰還するコンデンサーパイプとして機能するものであ
る。このようにして、サンプルのｐＨ、導電率並びに温
度を記録するときに一定の条件を維持するために同じ量
の水が維持され、水の蒸発によって不均一に水が損失す
ることによって実験条件がばらつくのを非除している。

【００２８】先ず、未処理の水のサンプルがボイラーで
加熱サイクルに付され、９３℃まで加熱されてから８７
℃まで冷却されると言うサイクルに連続３回付せられ
た。上述したように、ｐＨと、導電率と、温度は加熱サ
イクルの間に測定された。その後、未処理水はボイラー
から除去され、ボイラーは全ての沈殿物を除去するため
に入念に洗浄された。

【００２９】それから、本発明の図４の実施例で処理さ
れた水のサンプルが上記同一のボイラーに入れられ、同
じ加熱サイクルに付せられた。なお、ｐＨ値を安定させ
るため、本発明の装置にサンプル水を通してから電気ヒ
ーターをオンにするまで約２０分間待機した。

【００３０】図５と図６のグラフを比較すると、図５の
ｐＨラインは図６のｐＨラインよりも高いレベル（アル
カリ側）にあり、図６の低下はそれが図５のものよりも
酸性状態にあることを示している。。

【００３１】図５の導電率を示す線は図６のものよりも
高い位置を占め、このことは図４の装置で処理された水
の方が、水中に溶解した成分の沈殿量が少ないことを示
している。図５における導電率の線は導電率の最初のピ
ークから２８μＳ／ｃｍの損失を示しているのに対し、
図６における導電率の線は導電率の最初のピークから３
４μＳ／ｃｍの損失を示している。この導電率の相違が
意味するところは、全く同じ条件の下で、本発明の装置
では水中の溶解性分の沈殿量が６μＳ／ｃｍに相当する
分だけ低下していることを示している。この数値は比較
的小さいように見えるかもしれないが、本発明者は本発
明によって処理された流体がイオン化されていることに
よるものと思われるその他の好ましい結果を得ている。
例えば、本発明によって処理された水が浸漬式加熱エレ
メントで加熱されたときに浸漬式加熱エレメント上に形
成されるスケールの量は未処理の水が同様に加熱された
時に形成されるスケールの量よりもはるかに少ないこと
が判明した。更に、本発明の装置によって処理された水
を加熱することによって形成されたスケールは非常に柔
らかで容易に洗い流されるが、未処理水によって形成さ
れたスケールは重くしかも硬い性質を有し、加熱エレメ
ントの表面から洗い落とすのが困難であった。

【００３２】３リッターといった実験サンプルの僅かな
量の水を室温から９３℃まで加熱するために課される条
件は本発明が実際に適用される多くの場合に課される条
件よりもはるかに厳しいものであるということは明らか
である。従って、上記の実験では６μＳ／ｃｍに相当す
る比較的僅かな改善が示されているにすぎないが、実際
の作動条件の下ではより大きな沈殿量の減少が期待でき
るのである。上記の実験は実験室において短時間のうち
に行われたのに対し、実際の本発明は流体パイプ路にお
いて連続的に数年間設置されることを考えると、上記の
効果は大きなものである。短期間の実験によって示され
た変化が僅かであっても、それが長期間に亘って続くの
であれば、極めて大きな流体の処理効果を奏することに
なる（特に、カルシウムとマグネシウムスケールの付着
を阻止する場合）。

【００３３】また、上記の実験について再び言及する
と、図５のグラフにおける温度変化を示す線では、ピー
ク１からピーク３に至るサイクル時間は図６のグラフに
おける温度変化を示す線の同じサイクル時間よりも約１
分間短い。

【００３４】上記の実験では、本発明が実際に作動する
複雑な内容を完全に説明しないでもその有効性と優れた
効率を示している。本発明の作動原理を確認するために
種々の要因が考察された。例えば、本発明者の理解した
ところによると、流体が管状部材１の内周面に沿って流
れるとその摩擦によって電荷が生じる。また、考慮すべ
き電極の「フェルミ（Ｆｅｒｍｉ） エネルギー」なる
ものが存在する。発明者が推測するところによれば、こ
れらのエネルギーは流体を介して電極間に形成された電
動結合と組合わさって流体中に共振効果を発生させるよ
うに働くものと考えられる。

【００３５】本発明は添付図面に示された好適な実施例
について説明されたが、本発明はこれらに限られること
なく種々の変更が可能である。例えば、本発明は水の流
通システム中においてカルシウム及びあるいはマグネシ
ウムの成長を阻止するための水処理方法並びに装置とし
て説明したが、本発明はこれに限られるものでなく、水
以外の他の流体の処理にも用いることが可能である。例
えば、本発明では電極は流体と物理的に接触しないの
で、酸やアルカリなどの腐食性流体でも本発明によって
処理可能である。また、同じ理由から本発明は飲料、パ
ルプ、流動性食品、薬液流体、溶剤、オイル、燃料のよ
うに流動性を有する液体に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る導電性流体を処理す
る装置の基本的部分を示す斜視図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る導電性流体を処理す
る装置の基本的部分を示す斜視図である。

【図３】図１に示された装置の基本的部分を採用してな
る本発明の導電性流体を処理する装置を一部断面して示
す斜視図である。

【図４】図２に示された実施例の変形例を示す斜視図で
ある。

【図５】本発明の図４に係る実施例によって処理された
サンプル水の実験結果を示すグラフである。

【図６】未処理のサンプル水の実験結果を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ 管状部材 ２ 正極 ３ 負極 ５ パイプ ６ シール部材 ７ 接地線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 1/46 - 1/48 ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周面と液体通路となる内周面とを有す
   る電気絶縁材からなる管状部材を液体管路に接続して該
   液体管路を流通する液体が該管状部材の該内周面側液体
   通路のみを流通するようにし、 該管状部材の該外周面に電気化学的電位の異なる２種の
   導電材からなる正極と負極とを配設することによって外
   部電源を用いることなく電位差を生じさせ、 導電性液体を該液体管路と電気絶縁性の該液体通路内に
   流通させることによって該液体を介して該両電極の導電
   結合を生じさせてなることを特徴とする外部電極を用い
   た液体の処理方法。
2. 【請求項２】 外周面と液体通路となる内周面とを有す
   る電気絶縁材からなる管状部材と、正極と負極とを含み
   外部電源を用いることなく電位差を生じさせる自己電位
   差発生手段とからなり、該正極は導電材からなり該管状
   部材の外周に配設され、該負極は導電材からなり該管状
   部材の外周に配設され、該両電極の該導電材は異なった
   電気化学的電位を有し、処理される導電性液体が該液体
   通路を流通したときに、該導電性液体を介して該両電極
   の導電結合が生じるようにしてなることを特徴とする外
   部電極を用いた液体の処理装置。
3. 【請求項３】 前記装置が両端開口部に鍔部を有するパ
   イプを有し、前記管状部材が該パイプ内に配設され、前
   記両電極が該パイプの両端開口部に対して密閉されてい
   ることを特徴とする請求項２記載の外部電極を用いた液
   体の処理装置。
4. 【請求項４】 前記装置が更に前記正極を前記パイプに
   接続する接地線を有することを特徴とする請求項３記載
   の外部電極を用いた液体の処理装置。
5. 【請求項５】 前記正極の導電材がカーボンで、前記負
   極の導電材がアルミニウムからなることを特徴とする請
   求項３記載の外部電極を用いた液体の処理装置。