JP5475273B2 - 微小気泡生成装置、水素水製造装置及び水素水製造方法 - Google Patents

微小気泡生成装置、水素水製造装置及び水素水製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、微小気泡生成装置、水素水製造装置及び水素水製造方法に関する。
水素水製造装置として、管体と、管体の一方の端部に形成され原料水を供給する原料水供給系と、管体に水密結合され原料水供給系から供給された原料水に対してほぼ直角に水素を供給する水素供給系と、管体内において前記水素供給系の下流に管体の長手方向に形成され原料水供給系から管体に供給された原料水と水素供給系から管体に供給された水素の混合流体を拡散させるための拡散室と、拡散室に充填され所定の孔径を有し供給された水素を微細気泡として通過させるための多孔質要素と、管体の他方の端部に形成され製造された加水素水を排出する排出口とを備えている水素を微細気泡として大量に含んだ加水素水の製造装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−２３７１６１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の水素水製造装置では、特許文献１に記載されているように、製造される水素水における水素ガスの気泡の直径は、２μｍ程度が限界となる。水素ガスの気泡の直径は小さければ小さいほど水素水の特性が向上するため、さらなる気泡の小型化がのぞまれている。
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも直径の小さな気泡を含む液体を製造することのできる微小気泡生成装置、水素水製造装置及び水素水製造方法を提供することにある。
本発明によれば、水の一部を電気分解して水素ガスを発生させ、前記水素ガスと前記水の混合流体を生成する電気分解装置と、前記電気分解装置から前記水素ガスと前記水の混合流体が供給され、水素水を生成する微小気泡生成装置と、を備えた水素水製造装置であって、前記微小気泡生成装置は、一端側から他端側へ流体が流通する筒体と、前記筒体内における前記流体の流通方向へ延び、前記流体の通路の内壁をなす外周面を有する内側部材と、前記筒体における前記流体の流通方向へ延び、前記流体の通路の外壁をなし前記内側部材の前記外周面と対向する内周面を有する外側部材と、前記内側部材及び前記外側部材を前記流通方向を軸として相対的に回転させる回転部と、前記内側部材の前記外周面と、前記外側部材の前記内周面の少なくとも一方に、周方向に周期的に形成される凹凸部と、を備え、前記筒体の一端側から流入する前記混合流体を、微小気泡の前記水素ガスを含む前記水として前記筒体の他端側から流出させる水素水製造装置が提供される。
この水素水製造装置における上記微小気泡生成装置によれば、筒体の流入口から前記混合流体が供給されると、前記混合流体は内側部材と外側部材により形成される流体通路へ流入する。ここで、流体通路は、内側部材と外側部材の少なくとも一方に周期的な凹凸部が形成されていることから、周方向について幅寸法が変化している。そして、回転部を駆動して内側部材と外側部材を相対的に回転させると凹凸部が周方向へ移動し、流体通路内の流体には周期的に圧縮及び開放の力が作用し、流体が周期的に収縮及び膨張される。このとき、前記水素ガスが微小気泡となって前記中に含有されることとなる。これにより、筒体内の前記混合流体は、微小気泡の前記水素ガスを含む前記水となり、筒体の流入口から流出する。
上記微小気泡生成装置において、前記筒体は、円筒形状であり、前記内側部材は、前記筒体の軸を中心に回転可能なロータであり、前記外側部材は、前記筒体の内面に固体されるステータであり、前記回転部は、前記ロータを回転させるモータであってもよい。
この水素水製造装置によれば、筒体を円筒形状とし、外側部材を筒体に固定するとともに内側部材を回転可能とし、内側部材がモータにより回転するようにしてので、装置の構成を比較的簡単にすることができる。
また、上記微小気泡生成装置において、前記凹凸部は、前記ロータの前記外周面と、前記ステータの内周面と、に形成されてもよい。
この水素水製造装置によれば、ロータ及びステータに凹凸部を形成したので、流体通路の周方向の幅寸法変化を大きくすることができ、圧縮時及び開放時に流体に加わる力を大きくすることができ、気泡の直径をさらに微小とすることができる。
また、上記微小気泡生成装置において、前記ロータと一体的に設けられ、前記モータにより前記ロータとともに回転し、前記筒体内の前記流体の流通を促進するファンを備えてもよい。
この水素水製造装置によれば、ロータを駆動するモータによりファンが駆動するので、筒体内にファンを設けても駆動部品点数が増大することはない。
また、本発明の水素水製造装置によれば、電気分解装置により水の一部を分解して水素ガスを発生させて水素水製造装置に供給させているので、水と水素ガスの供給ラインを別個にする必要がなく、水を原料として簡単容易に水素水を生成することができる。
また、本発明によれば、上記の水素水製造装置により、水素水を製造する水素水製造方法が提供される。
この水素水製造方法によれば、水と水素ガスの供給ラインを別個にする必要がない。
この水素水製造方法によれば、水を原料として簡単容易に水素水を生成することができる。
本発明によれば、従来よりも直径の小さな気泡を含む液体を製造することができる。
図１から図８は本発明の一実施形態を示し、図１は水素水製造装置の概略説明図、図２は微小気泡生成装置の縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図、図５はロータの外観斜視図、図６はステータの外観斜視図、図７はファンの外観斜視図、図８は微小気泡生成装置の一部分解斜視図である。
図１に示すように、この水素水製造装置１は、原料としての水が流通する供給管と、供給管から水が供給される電気分解装置と、電気分解装置にて生成された水と水素ガスの混合流体が流通する連結管３０と、連結管３０からこの混合流体が供給される微小気泡生成装置４０と、微小気泡生成装置４０にて生成された水素水が流通する流出管５０と、を備えている。本実施形態においては、供給管には、純水よりも電気分解し易い水道水が流通するようになっている。
電気分解装置は、陰極と陽極が配置される電解槽を有し、供給管を通じて供給された水の一部を電気分解する。電解槽にて水の一部が電気分解されると、陰極にて水素ガスが発生し、陽極にて酸素ガスが発生する。本実施形態においては、電解槽の内部には、板状の陰極と板状の陽極が間隔をおいて互い違いに配置されている。
電解槽中にて発生した水素ガス及び酸素ガスは、一部が気泡として水に含まれる。気泡とならなかった酸素ガス及び酸素ガスを気泡として含む水は、電解槽から放出管を通じて外部へ排出される。そして、電解槽にて生成された水素ガス及び水素ガスを気泡として含む水は、気液混合流体となって連結管３０へ流出する。
ここで、連結管３０へ流出する水には、気泡として水素ガスが含まれているので、水素水ということもできる。本明細書においては、水素ガスの気泡を含む水を「水素水」という。
微小気泡生成装置４０は、連結管３０から供給される水と水素ガスの混合流体から、当該水素ガスの微小な気泡が含まれる水素水を生成する。ここでいう微小とは、電気分解装置にて生成される水素水の水素ガスの気泡よりも小さいことをいう。具体的には、数ｎｍから数十ｎｍのレベルの気泡が生成可能である。本実施形態においては、微小気泡生成装置４０は、排出水槽６０の内側に配置され、微小気泡生成装置４０にて生成された水素水は、一旦、排出水槽６０内に貯留されてから、流出管５０を通じて排出される。
図２に示すように、微小気泡生成装置４０は、上下に延び一端側から他端側へ流体が流通する筒体４１と、筒体４１内にて上下方向へ延び流体の通路の内壁をなす外周面４２ａを有するロータ４２と、筒体４１内にて上下方向へ延び流体の通路の外壁をなす内周面４３ａを有するステータ４３と、ロータ４２を上下方向を軸として回転させるモータ４４と、を備えている。筒体４１の上端は蓋部材４５により、筒体４１の下端は底部材４６により、それぞれ閉塞され、筒体４１は外部と気密となっている。また、微小気泡生成装置４０は、ロータ４２と一体的に設けられ、モータ４４によりロータ４２とともに回転し、筒体４１内の前記流体の流通を促進するファン４７を備えている。
筒体４１は、円筒状に形成され、上部に混合流体が流入する流入口４１ａと、下部に水素水が流出する流出口４１ｂと、を有している。すなわち、本実施形態においては、筒体４０の上端側から下端側へ流体が流通する。流入口４１ａから流入した流体は、内側部材としてのロータ４２及び外側部材としてのステータ４３の間隙を通じ、流出口４１ｂまで流通する。本実施形態においては、流入口４１ａは、筒体４１上部に１箇所形成され、流出口４１ｂは、筒体４１下部に周方向に並んで複数箇所形成されている。
ロータ４２は、上下に延びるシャフト４４ａに連結され、シャフト４４ａはモータ４４の駆動により回転するようになっている。シャフト４４ａは、蓋部材４５を挿通し、底部材４６に回転自在に固定されている。また、シャフト４４ａには、ロータ４２の下方にてファン４７が固定されている。
シャフト４４ａの上端は、カップリング４４ｂにより歯車機構４４ｃと接続されている。すなわち、モータ４４からの出力は、歯車機構４４ｃ及びカップリング４４ｂを介してシャフト４４ａに伝達される。カップリング４４ｂ、歯車機構４４ｃ及びモータ４４は、蓋部材４５に設けられるカバー４４ｄにより全体的に覆われている。
図３に示すように、ロータ４２の外周面４２ａは、周方向に周期的に形成される凹凸部４２ｂが形成される。本実施形態においては、凹凸部４２ｂは、径方向外側へ突出する凸部４２ｃが周方向へ等間隔に６箇所形成され、径方向内側へ凹む凹部４２ｄが各凸部４２ｃの間に各凸部４２ｃと連続的に形成されている。
図５に示すように、ステータ４３の内周面４３ａと対向する上下区間にわたって、凹凸部４２ｂが同一断面を呈している。すなわち、各凸部４２ｃは、上下へ延びる突条部ということもでき、各凹部４２ｄは、上下へ延びる溝部ということもできる。
また、ロータ４２は、凹凸部４２ｂの上端から上方へ向かって径方向内側へ傾斜する上端傾斜部４２ｅと、凹凸部４２ｂの下端から下方へ向かって径方向内側へ傾斜する下端傾斜部４２ｆと、を有している。上端傾斜部４２ｅと下端傾斜部４２ｆの近傍では、筒体４１内の流体の通路が大きくなり、凹凸部４２ｎの上側及び下側にて流体の流通が阻害されることはない。
図３に示すように、ステータ４３は、筒体４１の内面に固定され、内周面４３ａには周方向に周期的に形成される凹凸部４３ｂが形成される。本実施形態においては、凹凸部４３ｂは、径方向内側へ突出する凸部４３ｃが周方向へ等間隔に６箇所形成され、径方向外側へ凹む凹部４３ｄが各凸部４３ｃの間に各凸部４３ｃと連続的に形成されている。
図６に示すように、凹凸部４３ｂは、上下にわたって同一断面を呈している。すなわち、各凸部４３ｃは、上下へ延びる突条部ということもでき、各凹部４３ｄは、上下へ延びる溝部ということもできる。
本実施形態においては、ロータ４２とステータ４３により形成される流体通路は、上下に６０ｍｍとなっており、最小の隙間は２ｍｍとなっている。そして、モータ４４を駆動してロータ４２を回転させると、最小の隙間の部分で流体に一時的に５０００気圧程度の圧力を加えることができる。この隙間は小さい方がよく、２．５ｍｍ以下とすることにより、１５００気圧以上の圧力が流体に加わることが確認されている。
図２に示すように、ファン４７は、シャフト４４ａと連結される円板状の平板部４７ａと、平板部４７ａ上に形成され径方向へ延びる複数の羽根４７ｂと、を有している。本実施形態においては、各羽根４７ａは、筒体４１の流出口４１ｂと同じ高さに形成されている。また、図４に示すように、各羽根４７ａは、平板部４７ａの径方向外側に形成されている。また、図７に示すように、ファン４７は、平板部４７ａの中心が厚く形成され、シャフト４４ａとの係合時にがたつかないようになっている。ファン４７がモータ４４の駆動により回転すると、筒体４１内の流体が流出口４１ｂへ向けて移動される。
以上のように構成された水素水製造装置１の微小気泡生成装置４０によれば、筒体４１の流入口４１ａから気液混合流体が供給されると、気液混合流体はロータ４２とステータ４３により形成される流体通路へ流入する。ここで、流体通路は、ロータ４２とステータ４３に周期的な凹凸部４２ｂ，４３ｂがそれぞれ形成されていることから、周方向について幅寸法が変化している。そして、モータ４４を駆動してロータ４２をステータ４３に対して回転させると各凹凸部４２ｂ，４３ｂが相対的に周方向へ移動し、流体通路内の流体には周期的に圧縮及び開放の力が作用し、流体が周期的に収縮及び膨張される。このとき、水素ガスが微小気泡となって水の中に含有されることとなる。これにより、筒体４１内の水素ガスと水の混合流体は、水素ガスの微小気泡を含む水（水素水）となり、筒体４１の流出口４１ｂから流出する。流出する水素水には、１００ｎｍ以下の直径の気泡が含有されており、従来よりも直径の小さな気泡を含む水素水を製造することができる。
実際に、本実施形態の微小気泡生成装置４０を作成し、水素水を製造したところ、得られた水素水中の水素ガスの気泡の直径は２０ｎｍ以下であり、１ｃｃ当たり１５００万個以上の気泡が観測され、酸化還元電位は−８４０ｍＶであった。この水素水では、ナノレベルの気泡となった水素ガスが、水の隙間に入り込むため、長時間経過した後も水中に浮遊し続ける。従って、長時間経過し、水素ガスの浮力により、水と水素ガスが分離する水素水とは異なるものである。
また、本実施形態においては、ロータ４２及びステータ４３の両方に凹凸部４２ｂ，４３ｂを形成したので、流体通路の周方向の幅寸法変化を大きくすることができる。これにより、圧縮時及び開放時に流体に加わる力を大きくすることができ、気泡の微小化に効果的である。
また、本実施形態の微小気泡生成装置４０によれば、筒体４１を円筒形状とし、ステータ４３を筒体４１に固定するとともにロータ４２を回転可能とし、ロータ４２がモータ４４により回転するようにしてので、装置４０の構成を比較的簡単にすることができる。また、ロータ４２を駆動するモータ４４によりファン４７が駆動するので、筒体４１内にファン４７を設けても駆動部品点数が増大することはない。
また、本実施形態の水素水製造装置１によれば、電気分解装置により水の一部を分解して水素ガスを発生させて微小気泡生成装置４０に供給させているので、水と水素ガスの供給ラインを別個にする必要がなく、水を原料として簡単容易に水素水を生成することができる。
尚、前記実施形態においては、筒体４１が円筒形状を呈するものを示したが、筒体４１は例えば角筒形状であってもよい。また、筒体４１の一端側に流入口４１ａを、他端側に流出口４１ｂを形成したものを示したが、例えば、蓋部材４５に孔を設けてこれを流入口としたり、底部材４６に孔を設けてこれを流出口とすることもでき、一端側から他端側へ流体が流通する構成であれば筒体４１の形状等は任意である。
また、流体が筒体４１内を上から下へ流通するものを示したが、流体が下から上へ流通するものであってもよい。この場合、筒体４１の上部に過剰な水素ガスを排出する水素ガス放出管を形成しておけば、仮に全ての水素ガスが気泡とならなかった場合に、過剰な水素ガスを大気中に放出することができる。
また、前記実施形態においては、内側部材（ロータ４２）が回転するものを示したが、内側部材と外側部材が相対的に回転すれば、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、内側部材を固定して外側部材を回転させるようにしてもよいし、回転部からの駆動力を内側と外側に分配して、内側部材と外側部材の両方を回転させるようにしてもよい。また、前記実施形態においては、回転部としてモータ４４を示したが、ロータ４２を回転駆動するものであれば、他の駆動源を用いてもよいことは勿論である。
また、前記実施形態においては、ロータ４２とステータ４３の両方に凹凸部４２ｂ，４３ｂを形成したものを示したが、少なくとも一方に凹凸部が形成されていれば流体を膨張及び収縮させることができる。また、凹凸部に形成される周期的な凹部及び凸部は、全て同じ形状である必要はなく、例えば、大型の凹部及び凸部、小型の凹部及び凸部、表面傾斜のなだらかな凹部及び凸部、表面傾斜の急な凹部及び凸部等が混在していてもよい。
また、前記実施形態においては、各凹凸部４２ｂ，４３ｂが上下に延びるものを示したが、各凹凸部４２ｂ，４３ｂの断面形状が上下にわたって同一である必要はなく、例えば、各凹凸部４２ｂ，４３ｂ間の隙間を上方から下方へ向かって狭くなるようにしたり、各凹凸部４２ｂ，４３ｂが上下でなく螺旋状に延びるようにしたりしてもよい。また、ロータ４２及びステータ４３に、上下に延びる各凹凸部４２ｂ，４３ｂが途切れる平坦部を形成してもよい。
また、前記実施形態においては、電気分解装置から水と水素ガスを供給するものを示したが、水と水素ガスの供給ラインを別個にしても、微小気泡生成装置４０にて水素水を製造することができる。さらに、気液混合流体として、水と水素ガス以外の組合せの液体と気体を用いてもよい。例えば、水と酸素ガスの組合せで酸素水を製造することもできるし、水とオゾンの組合せでオゾン水を製造してもよく、液体と気体の組合せは任意である。どのような組合せであっても、数ヶ月以上にわたって気泡が浮遊し続けるナノバブル水とすることができる。
また、前記実施形態においては、排出水槽６０を設けたものを示したが、これは省略することができるし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
本発明の一実施形態を示す水素水製造装置の概略説明図である。 微小気泡生成装置の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 ロータの外観斜視図である。 ステータの外観斜視図である。 ファンの外観斜視図である。 微小気泡生成装置の一部分解斜視図である。
符号の説明
１ 水素水製造装置
４０ 微小気泡生成装置
４１ 筒体
４２ ロータ
４２ａ 外周面
４２ｂ 凹凸部
４３ ステータ
４３ａ 内周面
４３ｂ 凹凸部
４４ モータ
４７ ファン

Claims (5)

  1. 水の一部を電気分解して水素ガスを発生させ、前記水素ガスと前記水の混合流体を生成する電気分解装置と、
    前記電気分解装置から前記水素ガスと前記水の混合流体が供給され、水素水を生成する微小気泡生成装置と、を備えた水素水製造装置であって、
    前記微小気泡生成装置は、
    一端側から他端側へ流体が流通する筒体と、
    前記筒体内における前記流体の流通方向へ延び、前記流体の通路の内壁をなす外周面を有する内側部材と、
    前記筒体における前記流体の流通方向へ延び、前記流体の通路の外壁をなし前記内側部材の前記外周面と対向する内周面を有する外側部材と、
    前記内側部材及び前記外側部材を前記流通方向を軸として相対的に回転させる回転部と、
    前記内側部材の前記外周面と、前記外側部材の前記内周面の少なくとも一方に、周方向に周期的に形成される凹凸部と、を備え、
    前記筒体の一端側から流入する前記混合流体を、微小気泡の前記水素ガスを含む前記水として前記筒体の他端側から流出させる水素水製造装置。
  2. 前記筒体は、円筒形状であり、
    前記内側部材は、前記筒体の軸を中心に回転可能なロータであり、
    前記外側部材は、前記筒体の内面に固体されるステータであり、
    前記回転部は、前記ロータを回転させるモータである請求項１に記載の水素水製造装置。
  3. 前記凹凸部は、前記ロータの前記外周面と、前記ステータの内周面と、に形成される請求項２に記載の水素水製造装置。
  4. 前記ロータと一体的に設けられ、前記モータにより前記ロータとともに回転し、前記筒体内の前記流体の流通を促進するファンを備えた請求項３に記載の水素水製造装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素水製造装置により、水素水を製造する水素水製造方法。
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