JP3409447B2 - イオンリッチ水生成用無隔膜型電解槽 - 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、水の電解によりアルカ
リ性水や酸性水のようなイオンリッチ水を電気化学的に
生成するための電解槽に関する。本発明は、特に、電解
槽の電極板に析出する炭酸カルシウムなどのスケールを
効果的に除去することの可能な電解槽構造に関する。 【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、
飲料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、麺類をゆでたり洗顔したりするのに
適するものとして知られており、水素イオン濃度の高い
酸性水は台所のまな板や布巾などの滅菌・殺菌に有用で
ある。 【０００３】このようなアルカリ性水や酸性水を得るた
め、従来、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ている）が使用されてい
る。この装置は水の電気分解を利用したもので、陽極と
陰極を備えた電解槽を有する。電極間に直流電圧を印加
すると、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】従来の一般的な電解槽においては、電解に
より生成したアルカリ性水と酸性水とが互いに混合する
のを防止し、それらを別々に取り出すため、図１に模式
的に示したように陽極板１と陰極板２との間には非透水
性でイオン浸透性の隔膜３が配置してあり、電解室はこ
の隔膜によってアルカリ性水流路４と酸性水流路５に区
画されている（この形式の電解槽を、以下、“隔膜型”
電解槽と言う）。 【０００５】電解槽の使用に伴い、アルカリ性水流路に
は炭酸カルシウムや水酸化カルシウムや水酸化マグネシ
ウムなどの析出物（スケール）６が付着する。図２を参
照しながら炭酸カルシウムの場合を例に取ってスケール
析出の仕組みを説明するに、図２は炭酸カルシウムの見
かけの溶解度とｐＨとの関係を示す。酸性条件下では炭
酸カルシウムはカルシウムイオンの形で水に溶解してい
るが、ｐＨ８を超えると溶解度は急激に低下し、炭酸カ
ルシウムの沈澱を生じさせる。隔膜型の電解槽において
は、図１に示したように、スケールは陰極板２よりも隔
膜３に優先的に堆積する傾向にある。これは、一般に陰
極板が研磨された表面を有するのに対して、隔膜が多孔
質であり、沈澱を生じさせ易いことによるものと考えら
れる。炭酸カルシウムなどの析出物は絶縁性を有するの
で、電気抵抗を増加させて電解槽の電解効率を悪化させ
ると共に、通水抵抗を増加させる。従って、スケールを
除去しない限り、電解槽は極めて短時間で使用不可能に
なる。 【０００６】そこで、従来技術においては、極性反転ス
イッチ７を操作して通常の使用時の極性とは逆極性の電
圧を電極板に印加することにより、析出物を溶解させて
除去することが提案されている（例えば、特開昭51-775
84号、実開昭55-91996号、実開昭59-189871号、特開平1
-203097号）。この技術は、業界では俗に“逆電洗浄”
とも言われている。逆電洗浄の原理は、逆極性の電圧の
印加により元のアルカリ性水流路を酸性にすると、図２
から理解されるように炭酸カルシウムなどのスケールは
イオンとなって再び水に溶解するというものである。 【０００７】しかし、図１からよく分かるように隔膜３
は電極板から大なり小なり離れており、元の陰極板（逆
極性電圧の印加時には陽極となる）２の表面に沿って生
成された強酸性水は水流に乗って流れ、従って、流水中
では隔膜のところまで達することができないので、隔膜
を充分に酸性にすることができず、隔膜に堆積したスケ
ールを迅速に溶解させることができない。また、電解槽
への止水時に逆極性電圧を印加した場合には、元の陰極
板（逆極性電圧印加時の陽極板）２の表面に生成した水
素イオンは隔膜３を透過して拡散し、生成した酸性水と
アルカリ性水は中和されるので、隔膜のところを強酸性
にすることはやはりできない。本発明者が試験したとこ
ろ、逆極性電圧を印加しても、元のアルカリ性水流路４
内のｐＨは３よりも小さくなることはなく、約２日間に
わたり逆極性電圧の印加を継続したがスケールの除去は
認められなかった。 【０００８】このように、“隔膜型”の電解槽において
は、いわゆる逆電洗浄を行ったとしても、スケールを電
気化学的に除去することは困難である。従って、定期的
に電解槽を分解し、人手によりスケールを除去しない限
り、電解槽の寿命は半年から１年しかもたないのが実情
である。また、隔膜にはバクテリアが繁殖しやすいの
で、衛生的でない。 【０００９】隔膜型電解槽の斯る難点を解消するため、
特開平4-284889号には、電解槽を隔膜の無い構造にする
ことが提案されている。この形式の電解槽を、本明細書
では“無隔膜型”電解槽と言う。この電解槽において
は、電極板は狭い間隙で配置されており、水が層流を形
成しながら電極板間の通水路を流れるようになってい
る。従って、隔膜を設けなくても、電解により生成した
アルカリ性水と酸性水とを分離することができる。 【００１０】この無隔膜型電解槽においては、隔膜が無
いので、スケールが隔膜に付着することがない。従っ
て、スケールが付着しにくいという利点がある。スケー
ルは主として陰極板に堆積するが、その量は隔膜型の電
解槽に比較して著しく少ない。また、バクテリアの繁殖
を招く隔膜がないので、極めて衛生的であるという利点
がある。 【００１１】特開平4-284889号の“無隔膜型”電解槽に
おいても、“隔膜型”電解槽と同様に、スケール除去
（いわゆる、逆電洗浄）のために逆極性の電圧が印加さ
れるようになっている。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
4-284889号に開示された無隔膜型の電解槽構造は、逆極
性電圧の印加によるスケールの除去という見地からは改
良の余地がある。即ち、定期的に逆極性電圧の印加を行
っても、通水路の入口領域においてはスケールは完全に
は除去されず、電解槽の使用に伴い通水路の入口領域に
スケールが蓄積する傾向にある。 【００１３】これは、次の理由によるものと考えられ
る。即ち、逆極性電圧の印加は電解槽への通水中に行わ
れるが、分配通路（タンク室）の断面形状は流路断面積
が分配通路から通水路の入口にかけて急激に減少するよ
うになっているので、通水路の入口には、安定した層流
が未だ確立されていない乱流領域が比較的長い範囲にわ
たって存在する。この乱流領域では電極板表面に強酸性
水を生成させることができないので、スケールを効果的
に溶解させるのが困難である。 【００１４】本発明の目的は、特開平4-284889号に開示
された無隔膜型電解槽を改良し、実質的に電極板の全長
にわたってスケールの堆積を効果的に防止することの可
能な無隔膜型電解槽を提供することにある。 【００１５】 【発明の構成】 【課題を解決するための手段および作用の概要】本発明
は、無隔膜型電解槽において、通水路の入口を該通水路
の流路断面積よりも大きな流路断面積を有する分配通路
に接続し、この分配通路の断面形状は、通水路の入口領
域に発生する乱流領域が最小限となるように定めたこと
を特徴とするものである。好ましくは、分配通路の側壁
は通水路の入口に向かって傾斜させる。 【００１６】このような断面形状にしたので、分配通路
から通水路に流入した水は安定した層流を速やかに形成
し、通水路のほぼ全長にわたって層流を確立する。従っ
て、逆極性の電圧を印加した時には、陰極板（逆電圧印
加時には陽極となる）と水との界面には通水路の入口領
域から出口に至るまでのほぼ全域にわたって最大強度の
酸性水の層が生成される。この強酸性水の層は、先のイ
オンリッチ水生成工程で陰極板表面に析出した炭酸カル
シウムなどの凝集沈澱物を陰極板と水との界面に沿って
溶解させ、陰極板と凝集沈澱物との間の物理的化学的連
結を弛める。このように陰極板から釈放された凝集沈澱
物は、流水の作用により陰極板から剥離され、洗い流さ
れる。このように炭酸カルシウムなどの凝集沈澱物が効
果的に除去され、電極板のほぼ全長にわたってスケール
の堆積が防止されるので、電解槽の寿命を著しく延長さ
せることができる。 【００１７】 【実施例】図３から図９には、本発明の電解槽の実施例
を示す。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。 【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る。電極板１６、１８、２０に
は端子１６Ａ、１８Ａ、２０Ａが夫々固定してあり、直
流電源（図示せず）に接続できるようになっている。 【００１９】図４からよく分かるように、ケース１４に
は、上水入口２６、アルカリ性水出口２８、酸性水出口
３０が形成してある。上水入口２６は断面略三角形の上
水分配通路３２に連通している。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２
４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。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２
２により上下４つのサブ通水路に分割される。 【００２１】図９から分かるように、これらの通水路３
４および３６の入口３４Ａおよび３６Ａは、その流路断
面積よりも大きな流路断面積を有する上水分配通路３２
に連通させてある。従って、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３
６の４つのサブ通水路に分配され、図９に矢印で示した
ように水平方向に流入する。 【００２２】図９および図１０に示したように、分配通
路３２の側壁３２Ａおよび３２Ｂは通水路の入口３４Ａ
および３６Ａに向かって傾斜させてあり、分配通路３２
から通水路の入口３４Ａおよび３６Ａに水が滑らかに流
入するようになっている。このような形状であるから、
通水路入口３４Ａおよび３６Ａに流入した水は、図１０
に示したように比較的短い乱流発生領域Ｄ_Tを流れる間
に層流となる。 【００２３】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
も通水路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。 【００２４】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〜図７）、更に酸性水出口３０（図４）
に連通している。 【００２５】図３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、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２０Ｃ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。図５および図８からよく分かるように、こ
れらの酸性水回収通路４４および４６の容量もスリット
１６Ｃ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２
０Ｃ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。 【００２６】この電解槽１０を用いてアルカリ性又は酸
性のイオンリッチ水を生成するに際しては、電解槽の上
水入口２６はホース等により水道の蛇口に接続すること
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、１
８、２０の上下方向全長にわたって通水路３４および３
６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。 【００２７】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、陰極板１８の表面に沿ってアルカリ性水が生成
され、陽極板１６および２０の表面に沿って酸性水が生
成される。アルカリ性水は電解槽の出口２８に回収さ
れ、酸性水は出口３０に回収される。 【００２８】イオンリッチ水の生成に伴い、陰極板１８
の両面には炭酸カルシウムなどの凝集沈澱物が析出す
る。この凝集沈澱物は、速やかに除去しなければ、頑固
な被膜となるであろう。そこで適当な時期に反転スイッ
チを切換えることにより、陰極板１８にプラス電圧を印
加し、陽極板１６および２０にマイナス電圧を印加す
る。図１０を参照しながら前述したように、本発明の電
解槽構造においては、乱流発生領域Ｄ_Tは無視できる程
短いので、通水路３４および３６のほぼ全長にわたって
層流が形成され、陰極板１８の表面にはそのほぼ全長に
わたって強酸性水の層が生成される。この強酸性水の層
は、先のイオンリッチ水生成工程で陰極板表面に析出し
た炭酸カルシウムなどの凝集沈澱物を溶解させる。 【００２９】図１１には、従来技術の無隔膜型電解槽の
分配通路の断面形状を示す。この電解槽においては、流
路断面積は分配通路から通水路へと急激に減少している
ので、図１０の構造に較べて乱流発生領域Ｄ_Tが長くな
る。 【００３０】実験例 図１０に示した構造の電解槽と図１１に示した構造の電
解槽を夫々試作した。電極板の幅は約５ｃｍであった。
約４分通水毎に約１５秒間の間逆極性の電圧を印加しな
がら、茅ヶ崎市の上水を電解した。積算稼働時間が約２
００時間（家庭における電解槽の通常の使用条件で、約
７年に相当する）に達した時に電解槽を分解し、陰極板
１８の表面における析出物の析出状態を検査した。夫々
の電解槽の陰極板１８の表面における析出状態を図１２
および図１３に示す。図１２は図１０に示した電解槽に
対応し、図１３は図１１に示した電解槽に対応する。 【００３１】図１２と図１３を対比すれば分かるよう
に、図１１に示した電解槽構造の場合には、通水路の入
口から約１ｃｍの幅にわたって析出物が堆積しており、
この領域では逆極性の電圧を印加しても析出物が溶解し
なかったことを示している。これは乱流の発生によるも
のと考えられる。これに対して、図１２から分かるよう
に、図１０の電解槽構造の場合には、約７年相当の電解
槽運転後においても、通水路の入口に析出物は認められ
ず、通水路の全長にわたって析出物が除去されている。 【００３２】図１４には、電解槽のハウジング１２の変
化形を示す。図３から図５に示した構成要素と共通する
構成要素は同じ参照番号で示し、説明は省略する。この
構造においては、例えばハウジング１２の上下方向中央
において、ケース１４には２本の支柱６０が形成してあ
り、カバー２４の左右方向中央部はネジ６２によってこ
れらの支柱６０に固定してある。この構造によれば、ケ
ース１４とカバー２４が水圧によって外側に膨出するの
を防止し、電極板間隙を一定に維持することができる。 【００３３】以上には本発明の特定の実施例を記載した
が、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、
電解槽は中央電極板１８と２枚の側方電極板１６および
２０を備えた二重セル構造を有するものと説明したが、
側方電極板の一方は廃止してもよいし、電極板の数をさ
らに増してもよい。また、中央電極板１８が陰極板とな
り、側方電極板１６および２０が陽極板となるものと記
載したが、電解槽の出口２８において酸性水を得、出口
３０にアルカリ性水を得るためには、中央電極板１８が
陽極板となり、側方電極板１６および２０が陰極板とな
るように電圧を印加してもよい。その場合にも、スケー
ル除去に際しては、使用時とは逆の電圧が印加される。 【００３４】 【発明の効果】本発明によれば、通水路の入口領域３４
Ａおよび３６Ａにおける乱流発生領域Ｄ_Tが最小限とな
り、通水路の入口から出口に至るまでのほぼ全域にわた
って層流が形成されるので、陰極板表面に析出した炭酸
カルシウムなどの凝集沈澱物を逆極性電圧の印加により
効果的に除去することができる。従って、電解槽の寿命
を著しく延長させることができる。 【００３５】通常の使用条件では、数年以上の期間にわ
たってスケールの堆積を防止することができるので、電
解槽のメンテナンスは実質的に不要になる。

【図面の簡単な説明】 【図１】図１は、従来技術の“隔膜型”電解槽の模式図
である。 【図２】炭酸カルシウムの見かけの溶解度とｐＨとの関
係を示すグラフである。 【図３】図３は、本発明の電解槽の分解斜視図である。 【図４】図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図で、電
解槽の組立状態を示す。 【図５】図５は、図４のV−V線に沿った断面図で、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４のVI−VI線に沿った断面図であ
る。 【図７】図７は、図４のVII−VII線に沿った断面図であ
る。 【図８】図８は、図５の円Ａ内部分の拡大図である。 【図９】図９は、図５の円Ｂ内部分の拡大図である。 【図１０】図１０は、図９の円Ａ内部分の拡大模式図で
ある。 【図１１】図１１は、図１０同様の模式図で、従来構造
の電解槽を示す。 【図１２】図１２は、図１０に示した電解槽の陰極板へ
の沈澱物の析出状態を示す写真である。 【図１３】図１３は、図１１に示した電解槽の陰極板へ
の沈澱物の析出状態を示す写真である。 【図１４】図１４は、図４のXIV−XIV線に沿った断面図
で、電解槽のハウジングの変化形を示し、電極板とスペ
ーサは省略してある。 【符号の説明】 １０： 無隔膜型電解槽 １６、１８、２０： 電極板 ３２： 分配通路 ３４、３６： 通水路 ３４Ａ、３６Ａ： 通水路の入口領域

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４−284889（ＪＰ，Ａ) 国際公開94／12316（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 1/46

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 対をなす陽極板と陰極板とを隔膜を介在
   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
   により前記陽極板と陰極板との間に電解室として作用す
   る通水路を形成し、前記通水路の入口を該通水路の流路
   断面積よりも大きな流路断面積を有する分配通路に接続
   し、前記通水路に通水しながら水を電気分解することに
   よりイオンリッチ水を生成するようになった無隔膜型電
   解槽において： 通水路の入口領域に安定した層流が速
   やかに形成されるようにするため、前記分配通路の断面
   形状を画定する側壁を通水路の前記入口に向かって傾斜
   させたことを特徴とする無隔膜型電解槽。