JP5486420B2 - 酸素富化水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶存酸素濃度を高めた酸素富化水を生成する酸素富化水生成装置に関する。

空気または酸素富化空気を含む水である気液混合流体を溶解タンクなどにおいて加圧下に混合し、通常の水よりも溶存酸素濃度の高い酸素富化水を生成する酸素富化水生成装置が知られている。酸素富化水は、たとえば入浴水に用いる場合、美肌効果や洗浄効果などを奏し、また、植物に散布すると、より多くの酸素を植物に供給することができ、成長促進効果を奏し、注目されている。

このような酸素富化水の溶存酸素濃度は、溶解タンクなどの気体溶解部における酸素分圧に比例する。一方、酸素の溶解速度は窒素に比べて速いため、酸素富化水の生成にともない、気体溶解部における酸素分圧が低下することになる。この結果、酸素富化水の飽和溶存酸素濃度が、空気中の酸素濃度である２０．９％という理論飽和溶存濃度を下回ってしまうことが指摘される。

下記特許文献１には、通常の水よりも溶存酸素濃度の高い水を生成する高濃度酸素水製造装置が記載されている。

この高濃度酸素水製造装置は、給水部と採水部を備え、循環ポンプの作動により循環する循環系に、この循環系を循環する水を冷却するための冷却部を設けるとともに、酸素を透過させることで酸素濃度を高める作用を有する酸素富化部を設けている。酸素富化部によって酸素濃度の高い空気を生成し、その空気を冷却した水に混入することによって、溶存酸素濃度が通常の水よりも高い高濃度酸素水を生成する。

特開２００５−６６３８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された高濃度酸素水製造装置は、水道などから水が供給され、真空ポンプを作動させて酸素富化膜を介して空気を吸引し、生成する酸素富化空気を水に混入させるものであり、外気の取り込みのために高い圧力が必要とされている。真空ポンプの配設は、装置の大型化やコストの高騰を招きやすいことが指摘される。また、低水道圧の地域では、加圧環境を形成するために、増圧ポンプなどの併用が必要であり、装置の大型化やコストの高騰という問題が助長される。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、外気を取り込むことなく、溶存酸素濃度を高めた酸素富化水を生成し、装置の小型化およびコスト低減を図ることのできる酸素富化水生成装置を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の酸素富化水生成装置は、水に酸素を溶解させて酸素富化水を生成する酸素富化水生成装置であって、供給される水の一部を電気分解する、陰陽２つの電極を備えるとともに、電気分解により陽極で発生する酸素の気泡を水に加圧溶解する加圧溶解部を備え、この加圧溶解部は、電極が設けられた部分または水の通水方向に関し、電極が設けられた部分の下流側に配置されており、加圧溶解部の通水方向の途中に、管径がその前後の管径より細くなっている絞り部が設けられ、酸素の気泡を含んだ水が前記絞り部を流れることによる加圧によって、酸素の気泡を水中に溶解することを特徴とする。

この酸素富化水生成装置においては、水の供給を検出するセンサと、このセンサの検出信号が入力される制御装置とが設けられ、センサによって水の供給が検出されないとき、制御装置は、電極への通電を停止することが好ましい。

また、この酸素富化水生成装置においては、水の通水方向に関し、電極よりも上流側に塩素除去フィルタが設けられていることが好ましい。

また、この酸素水富化生成装置においては、水の通水方向に関し、電極よりも下流側に、酸素の気泡を含んだ水を攪拌する攪拌部が設けられていることが好ましい。

本発明の酸素富化水生成装置によれば、水の電気分解によって酸素の気泡が生成するため、外気を取り込むことなく、溶存酸素濃度を高めた酸素富化水を生成することができる。外気を吸引するポンプその他の機器を省略することができ、装置の小型化およびコスト低減を図ることができる。

本発明の酸素富化水生成装置の一実施形態を概略的に示した構成図である。 流量センサによる電極への通電制御について示した波形図である。 本発明の酸素富化水生成装置の試験装置を示した構成図である。 図３に示した試験装置による溶存酸素濃度の変化を示したグラフである。 本発明の酸素富化水生成装置を組み込んだ微細気泡発生装置の一形態を示した構成図である。 本発明の酸素富化水生成装置を組み込んだ微細気泡発生装置の他の形態を示した構成図である。

上記のとおり、図１は、本発明の酸素富化水生成装置の一実施形態を概略的に示した構成図である。

酸素富化水生成装置１は、陽極２ａおよび陰極２ｂを有する２つの電極２を備えた電解槽３を有している。電極２には、陽極２ａ、陰極２ｂともに、白金またはチタンなどとの合金や、黒鉛などの導電性材料から形成されたものを適用することができる。電解槽３は、その内部に所定量の水を貯留することができる容積を有している。電極２は、水の電気分解にともない表面に酸化膜などが形成され、分解効率が次第に低下することが考えられるため、電極２は、陽極２ａ、陰極２ｂともに、定期的なメンテナンスが行えるように、電解槽３では、電極２のみの交換が可能とされている。メンテナンスの際の電極２の交換が容易となっている。

このような電極２は、制御装置４を介して直流電源に電気的に接続され、電極２への通電が制御装置４により制御可能とされている。

電解槽３には、水ｗを電解槽３に供給するための給水管５と、電極２への通電により電解槽３において一部の水ｗが電気分解して発生する酸素の気泡を含んだ水を電解槽３から吐水するための吐水管６とが接続されている。

給水管５は、その一端５ａにおいて電解槽３の上部に接続され、電解槽３の内部と連通し、給水管５の他端５ｂは、水道管その他の水源に接続されている。給水管５において水ｗの通水方向は、他端５ｂから一端５ａに向かう方向である。

給水管５の通水方向の途中には、塩素除去フィルタ７が設けられている。塩素除去フィルタ７は、水道水などの水ｗ中に溶存している塩素を除去するものであり、たとえば、活性炭などを適用することができる。このような塩素除去フィルタ７は、給水管５を通じて電解槽３に供給される水ｗの通水方向に関し、電極２よりも上流側に配置されている。このため、塩素除去フィルタ７は、水ｗの電気分解にともなって遊離塩素が発生するのを抑制することができる。

なお、酸素富化水生成装置１では、塩素除去フィルタ７は、供給される水ｗの通水方向に関し、電極２よりも上流側に位置する限りにおいて、電極２と一体に形成することができる。この場合、電極２のメンテナンスに合わせて塩素除去フィルタ７の交換が可能となり、塩素除去フィルタ７のメンテナンスが容易ともなる。

吐水管６は、その一端６ａにおいて、電解槽３の、給水管５の一端５ａが接続された側壁部３ａに対向して位置する側壁部３ｂの下部に接続されている。吐水管６の他端６ｂは、加圧溶解部８に接続され、加圧溶解部８と連通している。吐水管６において酸素の気泡を含んだ水の通水方向は、一端６ａから他端６ｂに向かう方向である。

吐水管６の一端６ａ側には、酸素の気泡を含んだ水を攪拌する攪拌部９が設けられている。攪拌部９は、その内部に所定量の水を貯留することができる容積を有し、吐水管６を通じて流入する酸素の気泡を含んだ水を攪拌する。この攪拌により、気液界面の流速を増加させることができ、攪拌部９は、酸素の気泡を水に溶解させる溶解効率を高めることができる。

また、吐水管６では、通水方向の途中に、水ｗの供給を検出するセンサ１０としての流量センサ１０ａが設けられている。流量センサ１０ａは、制御装置４に電気的に接続されている。流量センサ１０ａが水ｗの供給を検出すると、その検出信号（電気信号）が、制御装置４に入力される。制御装置４は、流量センサ１０ａの検出信号に基づいて電極２への通電とその停止を行うように設定されている。

図２は、流量センサ１０ａによる電極２への通電制御について示した波形図である。

図２に示したように、制御装置４は、流量センサ１０ａによって水ｗの供給が検出されたときに、電極２に通電し、水ｗの供給が検出されない場合には、電極２への通電を停止する。このため、電解槽３における電気分解による酸素の発生量を一定に保つことができ、酸素富化水の生成を安定して行うことができる。

また、給水管５の途中に水力発電装置を設け、水力発電装置で発電した電力を電極２へ供給することもできる。この場合、発生した電気を水ｗの電気分解に使用することができるとともに、水ｗの供給が停止または少ないときには発電されないため、外部電源との接続のための電源ボックスや通電制御などを省略することができ、装置の小型化およびコストの低減に寄与することができる。

加圧溶解部８は、ほぼ断面が円形である管状のものであり、たとえばベンチュリ管などの適用が可能とされている。酸素の気泡を含んだ水は、吐水管６の他端６ｂを通じて加圧溶解部８の一端８ａから出口８ｂに向かって流れる。加圧溶解部８の通水方向の途中には、管径がその前後の部分の管径より細くなっている絞り部８ｃが設けられている。酸素の気泡を含んだ水が絞り部８ｃを流れるとき、その流速が増加し、ベルヌーイの定理にしたがって一旦水圧が低くなる。絞り部８ｃを通過した後には、流速は遅くなり、水圧は、再び戻り、絞り部８ｃを流れるときよりも高くなる。このような流速の変化に基づく、加圧によって、酸素の気泡は水中に溶解し、しかも、空気を溶解するときの溶解度以上に溶解し、水中の溶存酸素濃度が高くなる。加圧溶解部８は、酸素の気泡を溶解するために十分な圧力を確保することができ、また、動力を使用せずに加圧環境を形成することができる。

なお、加圧溶解部８は、水ｗの通水方向に関し、必ずしも電極２の下流側に配置する必要はなく、電解槽３などの電極２が設けられた部分に加圧溶解部８を配置することも可能である。

このような酸素富化水生成装置１では、給水管５の他端５ｂから水道水などの水ｗが供給されると、流量センサ１０ａが水ｗの供給を検出し、その検出信号が制御装置４に入力され、制御装置４が、電極２の通電を開始する。電極２への電圧の印加にともない、電解槽３の内部において水ｗは、その一部が電気分解される。水ｗの電気分解は次式で示される。

陽極２ａでは、酸素が発生し、発生する酸素は気泡となって水ｗに混入する。陽極２ａで発生する気泡中の酸素濃度は約１００％である。このような酸素の気泡を含んだ水は、次いで攪拌部９で攪拌された後、吐水管６を通じて加圧溶解部８に送られる。加圧溶解部８では、上記のとおり、酸素の気泡を含んだ水が加圧され、酸素の気泡が水ｗに溶解し、酸素の溶解度は、空気の溶解度より大きいため、溶存酸素濃度が高くなり、酸素富化水Ｗが生成する。酸素富化水Ｗは、加圧溶解部８の出口８ｂから吐水される。

このように、酸素富化水生成装置１は、電気分解によって発生する酸素の気泡を水ｗに加圧溶解することにより溶存酸素を富化することができる。したがって、外気を取り込むことなく、溶存酸素濃度を高めた酸素富化水Ｗを生成することができ、空気導入装置や吸気するための圧力が不要となり、圧力損失が少ない小型軽量の装置であっても酸素富化が可能である。外気を吸引するポンプその他の機器を省略することができ、装置の小型化およびコスト低減を図ることができる。たとえ低水道圧の地域であっても、加圧環境を形成するための増圧ポンプなどが省略可能である。

また、酸素の気泡の発生量は、電極２への印加電力によって調整することができる。印加電圧の調整は、制御装置４により行うことができ、酸素富化水生成装置１では、酸素富化水Ｗの溶存酸素濃度の調整も可能である。

なお、酸素富化水生成装置１は、制御装置４を備えた自動式の装置であるが、手動式の装置とすることもできる。手動式の装置の場合、スイッチやタイマースイッチなどを設け、電極２への通電を操作することができる。すなわち、水ｗの通水時にスイッチがＯＮとされたとき、電極２に通電され、水ｗの電気分解が起こり、酸素富化水Ｗを生成することができる。また、手動式の装置の場合、電極２または電解槽３の内部の水ｗを流れる電流を検知するセンサを設け、正常運転か否かを使用者にＬＥＤの点灯などによって通知すると、装置の安全性を高めることができ、性能の安定化に有効となる。

また、酸素富化水生成装置１においては、陰極２ｂでは、上記イオン反応式に示したとおり、水素が発生するため、水素濃度の高い水素富化水の生成が同時に可能となる。

図３は、本発明の酸素富化水生成装置の試験装置を示した構成図である。

試験装置１１では、陰陽２つの電極１２を備えた横長の電解槽１３を設けている。２つの電極１２は、直流電源１４に電気的に接続されており、一方が陽極、他方が陰極となっている。電解槽１３の左下端部に給水管１５を接続し、右側の下端部には吐水管１６を接続している。吐水管１６には、図３図中に矢印で示した通水方向ｆの途中に圧力調整弁１７を設けるとともに、通水方向ｆに関し、圧力調整弁１７の上流側において吐水管１６を分岐し、溶存酸素濃度計１８が取り付けられている。

このような試験装置１１において、給水管１５から水ｗとして２０．５℃の水道水を電解槽１３の内部に供給し、直流電源１４より電極２に通電し、電気分解を行った。そして、吐水管１６を通じて吐水される水中の溶存酸素濃度を溶存酸素濃度計１８によって測定した。

図４は、図３に示した試験装置１１による溶存酸素濃度の変化を示したグラフである。

図４に示したように、通電を開始すると、水中の溶存酸素濃度が増加することが確認される。また、通電を停止すると、溶存酸素濃度が減少することが確認される。本発明の酸素富化水生成装置の有効性が実証された。

図５は、本発明の酸素富化水生成装置を組み込んだ微細気泡発生装置の一形態を示した構成図である。

微細気泡発生装置２０は、吸水口と吐水口を併せ備えた通水プラグ２１が、図示してはいない浴槽の側壁部に設けられ、浴槽内の湯水を循環させながら、微細気泡を含有する微細気泡含有水を浴槽内に供給するものである。なお、通水プラグ２１では、吸水口と吐水口は連通せず、互いに独立している。

微細気泡発生装置２０は、通水プラグ２１の吸水口から吸い込んだ湯水に空気を溶解させる溶解タンク２２を備えている。溶解タンク２２は、その底部に流入管２３の一端が接続され、流入管２３の他端はポンプ２４の吐水側に接続されている。ポンプ２４の吸込側は、吸水管２５を介して通水プラグ２１の吸込口に接続されている。また、溶解タンク２２では、流入管２３の接続位置と異なる位置の底部に流出管２６の一端が接続され、流出管２６の他端は、通水プラグ２１の吐水口に接続されている。

また、微細気泡発生装置２０では、吸水管２５のポンプ２４側の一端部に、吸引管２７の一端が接続され、吸引管２７の他端には吸気口２８が設けられている。吸水管２５と吸引管２７の接続部には、たとえば、エジェクタなどを設けることができる。さらに、溶解タンク２２では、流入管２３の一端が接続された底部とほぼ対向する上端部に空気抜き弁２９が設けられている。そして、微細気泡発生装置２０では、ポンプ２４は、その動作を制御する制御装置３０を介して電源３１に電気的に接続されている。

このような微細気泡発生装置２０では、制御装置３０から送信されるコマンドにしたがって電源３１の電力が投入され、ポンプ２４が作動すると、浴槽内の湯水が通水プラグ２１の吸水口を通じて吸水管２５に取り出される。また、ポンプ２４の作動にともなう負圧によって、浴室などの空気が吸気口２８から吸引管２７を通じて吸水管２５に送り込まれる。送り込まれた空気は、吸水管２５を流れる湯水に気泡として混入され、気液混合流体が形成される。この気液混合流体は、ポンプ２４によって、流入管２３を経て溶解タンク２２の内部に噴出する。溶解タンク２２では、気液混合流体が上方に向かって噴出し、気液混合流体中に混入されている気泡としての空気と、溶解タンク２２にあらかじめ貯留していた空気が攪拌され、加圧状態で混合される。その結果、空気は湯水中に溶解し、空気溶解水が生成される。このようにして生成した空気溶解水は、流出管２６を通じて通水プラグ２１の吐水口に流出する。一方、湯水に溶けきれずに残る空気は、溶解タンク２２の上端部に設けられた空気抜き弁２９を通じて溶解タンク２２の外部に排気される。このため、溶解タンク２２内の空気圧をほぼ一定に保つことができ、湯水への空気の溶解効率を安定化させることなどができる。

通水プラグ２１は、また、ベンチュリ管などの、図示していない減圧ノズルを備えており、空気溶解水が減圧ノズルを通過する際に減圧され、溶解していた空気が微細な気泡となって析出する。こうして、通水プラグ２１の吐水口から、空気の微細気泡を含有する微細気泡含有水が浴槽内に供給される。

そして、微細気泡発生装置２０では、図１に示した酸素富化水生成装置１と同様な構成を有する酸素富化水生成装置３２が、吸水管２５の途中において、湯水の通水方向に関し、吸引管２７との接続部よりも上流側に設けられている。酸素富化水生成装置３２が備える、図示していない陰陽２つの電極は、制御装置３０に電気的に接続され、制御装置３０を介して電源３１の電力が供給され、電圧が印加される。

酸素富化水生成装置３２は、制御装置３０から送信されるコマンドにしたがって、その電解槽３２ａに供給された湯水に対し、陰陽２つの電極に印加された電圧により電気分解を行う。酸素富化水生成装置３２は、微細気泡発生装置２０において、湯水の通水方向に関し、吸水管２５の途中の吸引管２７との接続部よりも上流側に設けられているため、電気分解は安定して行われる。その結果、陽極では酸素が発生し、陰極では水素が発生する。発生した酸素の気泡は、湯水と混合され、さらには上記気液混合流体にも混合され、溶解タンク２２に送られて、湯水に加圧溶解される。酸素富化水生成装置３２で発生する酸素の気泡中の酸素濃度はほぼ１００％であるため、その少量を湯水に加圧溶解するだけで、空気のみを吸い込んで空気溶解水を生成する場合に比べ、溶存酸素濃度の高い酸素水、すなわち、酸素富化水が生成する。したがって、酸素富化水生成装置３２を備えた微細気泡発生装置２０は、溶存酸素濃度を高めるために、大量の空気を吸気口２８から吸引する必要がなく、ポンプ２４の出力を低減させることができ、低出力型ポンプの適用が可能である。このため、微細気泡発生装置２０の小型化およびコスト低減に有効となる。また、吸気口２８から吸引する空気量を減らすことができるため、ポンプ２４におけるエアがみ音なども低減され、静音化を図ることもできる。

さらに、酸素富化水生成装置３２に備えることのできる制御装置３２ｂは、ポンプ２４の動作を制御する制御装置３０に組み込むことができ、このため、ポンプ２４の運転と電極への通電を同時に行わせることもできる。この場合、ポンプ２４の作動と連動して電極に通電されるので、酸素の発生量を安定化させることができる。

図６は、本発明の酸素富化水生成装置を組み込んだ微細気泡発生装置の他の形態を示した構成図である。

微細気泡発生装置３３において、図５に示した微細気泡発生装置と共通する部分には、図６に同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。

微細気泡発生装置３３では、溶解タンク２２の内部に、底部からやや上部まで延びる隔壁３４が設けられ、溶解タンク２２の内部が２つに区画されている。隔壁３４から流入管２３側が気液混合槽３５とされ、隔壁３４から流出管２６側が気液分離槽３６とされている。上記気液混合流体は、流入管２３から気液混合槽３５内に噴出し、空気と湯水の混合、攪拌が行われる。空気が溶解した空気溶解水は、隔壁３４の上端から気液分離槽３６に越流し、湯水に溶け切れずに残るなどの空気溶解水中に含まれる比較的大きな気泡が、気液分離槽３６において空気溶解水から分離される。比較的大きな気泡は空気溶解水中から消失し、その空気は、気液混合槽３５に戻され、再度湯水に溶解されるか、または空気抜き弁２９から溶解タンク２２の外部に排気される。

このような微細気泡発生装置３３に、図１に示した酸素富化水生成装置１と同様な構成を有する酸素富化水生成装置３７が組み込まれている。酸素富化水生成装置３７の電解槽３７ａは、溶解タンク２２の気液分離槽３６と兼用されている。すなわち、電極２が気液分離槽３６に設けられ、制御装置３０に電気的に接続されている。酸素富化水生成装置３７の制御装置３７ｂは、制御装置３０に組み込まれている。

酸素富化水生成装置３７は、制御装置３０から送信されるコマンドにしたがって陰陽２つの電極２に電源３１の電力が投入され、気液混合槽３５内の空気溶解水に対し、印加電圧により電気分解を行う。気液混合槽３５内で行われる電気分解は、図５に示した微細気泡発生装置２０と同様に、安定化される。その結果、陽極では酸素が発生し、陰極では水素が発生する。発生した酸素の気泡は、気泡径の極めて小さい微小なものであり、空気溶解水は加圧状態にあるので、通水プラグ２１に至るまでの間に微小な酸素の気泡は空気溶解水に溶解する。酸素富化水生成装置３７で発生する酸素の気泡中の酸素濃度はほぼ１００％であるため、その少量を空気溶解水に加圧溶解するだけで、空気のみを吸い込んで空気溶解水を生成する場合に比べ、溶存酸素濃度の高い酸素水、すなわち、酸素富化水が生成する。したがって、酸素富化水生成装置３７を備えた微細気泡発生装置３３は、図５に示した微細気泡発生装置２０と同様に、溶存酸素濃度を高めるために、大量の空気を吸気口２８から吸引する必要がなく、ポンプ２４の出力を低減させることができ、低出力型ポンプの適用が可能である。このため、微細気泡発生装置２０の小型化およびコスト低減に有効となる。また、吸気口２８から吸引する空気量を減らすことができるため、ポンプ２４におけるエアがみ音なども低減され、静音化を図ることもできる。

また、酸素富化水生成装置３７に備えた制御装置３７ｂは、ポンプ２４の動作を制御する制御装置３０に組み込まれているので、ポンプ２４の運転と電極２への通電を同時に行わせることもできる。ポンプ２４の作動と連動して電極２に通電されるので、酸素の発生量を安定化させることができる。

なお、本発明は、以上の実施形態などによって限定されるものではない。電極、加圧溶解部や流量センサ、また、塩素除去フィルタや攪拌部の構成および構造などについては、様々な態様が可能である。

１ 酸素富化水生成装置
２ 電極
２ａ 陽極
２ｂ 陰極
４ 制御装置
７ 塩素除去フィルタ
８ 加圧溶解部
８ｃ 絞り部
９ 攪拌部
１０ センサ
ｗ 水
Ｗ 酸素富化水

Claims (4)

1. 水に酸素を溶解させて酸素富化水を生成する酸素富化水生成装置であって、供給される水の一部を電気分解する、陰陽２つの電極を備えるとともに、電気分解により陽極で発生する酸素の気泡を水に加圧溶解する加圧溶解部を備え、この加圧溶解部は、前記電極が設けられた部分または水の通水方向に関し、前記電極が設けられた部分の下流側に配置されており、加圧溶解部の通水方向の途中に、管径がその前後の管径より細くなっている絞り部が設けられ、酸素の気泡を含んだ水が前記絞り部を流れることによる加圧によって、酸素の気泡を水中に溶解することを特徴とする酸素富化水生成装置。
2. 水の供給を検出するセンサと、このセンサの検出信号が入力される制御装置とが設けられ、前記センサによって水の供給が検出されないとき、前記制御装置は、前記電極への通電を停止することを特徴とする請求項１に記載の酸素富化水生成装置。
3. 水の通水方向に関し、前記電極よりも上流側に塩素除去フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素富化水生成装置。
4. 水の通水方向に関し、前記電極よりも下流側に、酸素の気泡を含んだ水を攪拌する攪拌部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の酸素富化水生成装置。

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