JP6100386B2

JP6100386B2 - 水素ガス発生装置

Info

Publication number: JP6100386B2
Application number: JP2015538755A
Authority: JP
Inventors: 伊三美重松
Original assignee: FRIEND CO., LTD.
Current assignee: FRIEND CO., LTD.
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: WO2015045118A1; JPWO2015045118A1

Description

開示の実施形態は、水素ガス発生装置に関する。

従来、水素を人体内に取り込むことは、病変や機能障害を引き起こす原因となるとされる活性酸素種を除去するのに有効であることが知られていた。そこで、飽和蒸気から水素ガスを発生させて、この水素ガスを人体内に取り込むことを可能にする水素ガス発生装置が提案された（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に開示された水素ガス発生装置は、原料水を加熱装置により加熱して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気から水素ガスを含むブラウンガスを生成する過熱蒸気加熱部を備えている。なお、ブラウンガスは、水素（Ｈ_２）ガスと酸素（Ｏ_２）ガスとが、略２：１の割合で含まれる混合気体であり、酸水素ガスとも呼ばれる。

特開２０１３−１５１４００号公報

しかしながら、ブラウンガスを生成するためには、過熱蒸気を６００〜７００℃の高温で加熱しなければならないため、加熱装置を備える過熱蒸気加熱部自体も高温になってしまう。

かかる過熱蒸気加熱部を備える水素ガス発生装置を実用に適した構成とするためには、過熱蒸気加熱部をケーシングなどに収容しなければならないが、ケーシングの表面まで高温になることは防がなければならない。しかも、装置を小型化する上でケーシングは可及的にコンパクトであることが望ましい。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、高温となる過熱蒸気加熱部を収納するケーシングの表面温度の上昇を抑制した水素ガス発生装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る水素ガス発生装置は、底壁と天井壁と側壁とを有する矩形箱状のケーシングと、当該ケーシングに収容された水素ガス発生ユニットとを備える。前記水素ガス発生ユニットは、過熱蒸気加熱部と、気液分離部と、ガス取出部と、冷却部とを含む。過熱蒸気加熱部は、加熱装置を有し、原水を加熱して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気をさらに加熱して水素ガスを含むブラウンガスを生成する。気液分離部は、前記過熱蒸気加熱部に連通し、前記ブラウンガスと前記過熱蒸気とを含む混合流体から気液分離し、分離した過熱蒸気を復水させる。ガス取出部は、前記気液分離部に連通し、前記混合流体から分離された前記ブラウンガスを取り出す。冷却部は、前記気液分離部から取り出されたブラウンガスを冷却する。そして、前記過熱蒸気加熱部は、前記ケーシングの第１の側壁と第２の側壁とで形成される角部に近接配置されるとともに、前記ケーシング内に上昇気流を強制的に発生させるファンを、その一部が平面視で前記過熱蒸気加熱部と重なるように、前記底壁に形成した外気導入口に臨設した。

実施形態の一態様によれば、高温となる過熱蒸気加熱部を収納するケーシングの表面温度の上昇を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る水素ガス発生装置の使用状態を示す説明図である。図２は、実施形態に係る水素ガス発生装置の構成例の一例を示す模式的説明図である。図３は、実施形態に係る水素ガス発生ユニットの構成の一例を正面視により示す説明図である。図４は、実施形態に係る水素ガス発生ユニットの構成の一例を平面視により示す説明図である。図５は、実施形態に係る水素ガス発生ユニットの構成の一例を側面視により示す説明図である。図６は、実施形態に係る水素ガス発生装置におけるケーシングの底壁を示す平面図である。図７は、実施形態に係る水素ガス発生装置のケーシングの一部および水素ガス発生ユニットの一部を示す模式的説明図である。図８は、実施形態に係る水素ガス発生ユニットの一部を示す模式的説明図である。図９は、他の実施形態に係る水素ガス発生装置のケーシングの一部および水素ガス発生ユニットの一部を示す模式的説明図である。図１０は、他の実施形態に係る水素ガス発生ユニットの一部を示す模式的説明図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する水素ガス発生装置１０の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

先ず、本実施形態に係る水素ガス発生装置１０の概要について、図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係る水素ガス発生装置の使用状態を示す説明図である。

本実施形態に係る水素ガス発生装置１０は、人体内に取り込み可能な水素ガス（Ｈ_２）を生成するものである。図１に示すように、水素ガス発生装置１０は、矩形箱状に形成され、底壁１６の４隅にキャスタ２０が取付けられたケーシング１を備える。使用者は、ケーシング１に設けた接続部１３３に接続したガス吸入管３０の先端を鼻や口に装着して、生成した水素ガスを吸引することができる。ガス吸入管３０としては、例えば、カニューレなどを好適に用いることができる。ここでは、使用者を一人とし、基端が２つに分岐したカニューレを、ケーシング１の左右に設けた接続部１３３，１３３に接続して用いた状態を示した。しかし、左右２つの接続部１３３，１３３毎にガス吸入管３０を接続して二人で同時使用することもできる。さらに、先端を複数に分岐させたガス吸入管２を用いたり、接続部１３３の数をさらに増やしたりすることで、３人以上の使用者による同時使用も可能である。当然ではあるが、不使用状態の接続部１３３は栓などで閉塞しておくとよい。

ケーシング１は、適宜の厚みからなるステンレスあるいは鋼板により形成される。図１に示すように、ケーシング１の天井壁１１には、その面積の大部分を占める上部点検口１１０が形成されており、かかる上部点検口１１０を蓋体１１１で着脱自在に覆っている。そして、蓋体１１１の前側に、電源スイッチ１１２と、操作部として機能するタッチパネル１１３とが設けられる。

また、ケーシング１の側壁の１つである前壁１２には、その面積の大部分をしめる前部点検口１２０が形成されており、かかる前部点検口１２０には、図示しないヒンジを介して、取っ手１２２を有する前面扉１２１を開閉自在に取付けている。

さらに、ケーシング１の側壁の１つである左側壁１３にも、その面積の大部分をしめる側部点検口１３０が形成され、この側部点検口１３０を蓋体１３１で着脱自在に覆っている。なお、本実施形態に係る水素ガス発生装置１０では、側部点検口１３０から制御ユニット１０１（図４参照）のメンテナンスが可能となっている。

図示するように、左側壁１３および右側壁１４（図４参照）の上縁部近傍には、複数の排気口１３２，１３２が形成されている。そして、かかる排気口１３２，１３２の前方位置に、ガス吸入管３０の接続部１３３が設けられる。なお、排気口は、ケーシング１の側壁の１つである後壁１５（図４参照）にも設けられている。

ケーシング１の内部には、水素ガス発生ユニット１００が収納される。以下、図２〜図８を参照して水素ガス発生ユニット１００のレイアウトを含む具体的な構成について説明する。

図２は、実施形態に係る水素ガス発生装置１０の構成例の一例を示す模式的説明図である。また、図３は、実施形態に係る水素ガス発生ユニット１００の構成の一例を正面視により示す説明図、図４は、同水素ガス発生ユニット１００の構成の一例を平面視により示す説明図、図５は、同水素ガス発生ユニット１００の構成の一例を側面視により示す説明図である。また、図６は、水素ガス発生装置１０におけるケーシング１の底壁１６を示す平面図である。また、図７は、同水素ガス発生装置１０のケーシング１の一部および水素ガス発生ユニット１００の一部を示す模式的説明図、図８は、同水素ガス発生ユニット１００の一部を示す模式的説明図である。なお、図３および図５において、符号１９は水素ガス発生装置１０の設置面を示す。また、図２のみならず、いずれの図についても適宜簡略化して示してある。

水素ガス発生装置１０の水素ガス発生ユニット１００は、図２に示すように、給水部２と、過熱蒸気加熱部３と、気液分離部４と、ガス取出部５と、冷却部６とを備える。

そして、給水部２から供給された原水を過熱蒸気加熱部３により加熱して蒸気を生成するとともに、その蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、さらなる加熱によって水素ガスを含むブラウンガスを生成する。次いで、気液分離部４でブラウンガスと蒸気とを分離し、冷却部６によって人体に吸引可能な温度まで低下させつつガス取出部５から水素ガスを取り出す。

より具体的に説明すると、給水部２は、図２〜図５に示すように、原水５００を貯留する給水タンク２１と、後述する過熱蒸気加熱部３に供給される原水５００の液面を調整する調整タンク２２とを備える。給水タンク２１内には、原水５００の水量を検出するレベルスイッチ２１０が配設され、調整タンク２２内には、図３および図５に示すように、給水レベル計２２１が設けられる。

また、調整タンク２２には、開閉バルブ２２２を介して排水ホース２２０が取付けられており、調整タンク２２内の水を抜くことができる。そして、かかる給水タンク２１と調整タンク２２とを、電磁弁２３を介して給水管４０により連通している。電磁弁２３の開閉は、給水レベル計２２１の値に応じて制御ユニット１０１（図４）により制御される。

過熱蒸気加熱部３は、加熱装置としてのコイルヒータ７を有し、給水部２より連通管５０を介して供給された原水５００を加熱して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気をさらに６００℃〜７００℃まで加熱して水素ガス（Ｈ_２）を含むブラウンガスを生成するものである。

過熱蒸気加熱部３は、図示するように、調整タンク２２からの原水５００が流入する加熱パイプ３１と、その略前長に亘って周りを巻回するコイルヒータ７とを備え、コイルヒータ７の周りは所定の厚みを有する断熱材３２で被覆されている。

加熱パイプ３１に供給される原水５００の量は調整タンク２２によって一定に保たれており、図５に示すように、調整タンク２２における液面５０１と加熱パイプ３１内の液面５０１は同レベルとなっている。なお、加熱パイプ３１内の液面５０１よりも上部は蒸気が発生する空間であり、かかる空間内の蒸気がさらに加熱されることで過熱蒸気となり、これをさらに高温加熱することでブラウンガスが発生することになる。したがって、加熱パイプ３１の内部では、ブラウンガスと過熱蒸気とが高温状態で混在する。

気液分離部４は、図２〜図５、および図８に示すように、円筒状のタンク４１を備える。かかるタンク４１内に、過熱蒸気加熱部３で発生した過熱蒸気とブラウンガスとの混合流体２００（図８）が蒸気管６０から流入する。また、タンク４１には、混合流体２００が蒸気管６０を通る際に冷却された蒸気成分が復水されて貯水される。したがって、図８に示すように、ブラウンガスはタンク４１内の上部空間に充満し、復水した水３００と気液分離される。なお、タンク４１には、先端が給水タンク２１内に開口する戻り管４２０が取り付けられており、貯水量が一定量を超えると、戻り管４２０から給水タンク２１に戻るように構成される。

また、図８に示すように、気液分離部４のタンク４１の上面４１０には、空気取入孔としてのピン孔４２を設け、空気をタンク４１内に取り入れ可能としている。これは、たとえば、図２において、ガス吸入管３０から水素ガスが過剰に吸引されると、気液分離部４のタンク４１に連通する過熱蒸気加熱部３の加熱パイプ３１内が負圧となって、原水５００を必要以上に取り込んでしまい、所定の加熱が行えなくなる。かかる状況になると、水素ガスの発生を阻害することになるため、気液分離部４のタンク４１の上面４１０にピン孔４２を設けて空気を取り込めるようにすることで、加熱パイプ３１内の原水量を一定に維持可能としたものである。なお、図８において、符号４００は取込空気を示す。

ガス取出部５は、図２〜図５に示すように、ガス流出管７０と、放熱管８０と、ガス送出ケース８と、ガス吸入管３０とを備える。すなわち、ガス流出管７０は、一端が気液分離部４のタンク４１に接続され、他端に放熱管８０の一端が接続される。また、放熱管８０の他端にガス送出ケース８が接続され、このガス送出ケース８に導出管３３を介してガス吸入管３０が連通している。

ガス送出ケース８には、図８に示すように、送気ファン８１が収納されている。この送気ファン８１により、水素ガスおよび酸素ガスを含むブラウンガスが、ガス吸入管３０（カニューレ）から円滑に系外へと送り出される。

すなわち、図８に示すように、ガス送出ケース８内には、送気ファン８１の二次側にガス送出口８４を形成している。このガス送出口８４に連結された導出管３３を介してブラウンガスがガス吸入管３０へ送出される。

一方、送気ファン８１の一次側にはガス対流空間８３を形成しており、ガス送出ケース８の底部には水滴排出口８５が形成されている。そして、この水滴排出口８５にリターンホース８６の基端を接続し、先端を給水タンク２１内に臨ませている。このように、ガス送出ケース８においては、ブラウンガスを円滑に送気しながら、気液分離部４で完全に気液分離されずに送られてきた蒸気をガス対流空間８３で滞留させながら復水して、復水された水を給水タンク２１に戻している。

ところで、ガス取出部５の一部を構成する放熱管８０は、図２〜図５に示すように、コイル状に構成して放熱しやすくし、冷却部６の一部も構成するようにしている。すなわち、冷却部６は、この放熱管８０と、放熱管８０に向けて送風できるように配設された冷却ファン６２とを備える。

冷却ファン６２は、図５に示すように、所定角度だけ傾けて配設しており、放熱管８０を下方から斜めに横切るように斜め上方に向けて送風可能としている。したがって、放熱管８０の全体に効率的に風を当てることができ、なおかつ放熱管８０から熱を奪った暖かい空気は、ケーシング１の側壁に形成された排気口１３２からケーシング１の外へ排出される。

上述した構成により、給水タンク２１から過熱蒸気加熱部３の加熱パイプ３１に供給された原水５００は、コイルヒータ７により加熱され、１００℃に達すると蒸気が発生する。そして、かかる蒸気がコイルヒータ７によりさらに加熱されて過熱蒸気となり、さらに温度が６００℃〜７００℃に達すると水素と酸素とが分離してブラウンガスが生成される。

こうして、水素ガスおよび酸素ガスを含むブラウンガスは、ガス吸入管３０（カニューレ）を介して人体に供給される（図１参照）。このとき、ブラウンガスは、冷却部６によって、十分に冷却されているため（例えば２０〜２５℃程度）、容易かつ安全に吸引することができる。なお、本水素ガス発生装置１０では、水素ガスのみならず酸素ガスも人体に取り込まれる。

上述してきた構成において、本実施形態に係る水素ガス発生装置１０は、過熱蒸気加熱部３が、図４に示すように、ケーシング１の第１の側壁である右側壁１４と第２の側壁である後壁１５とで形成される角部１７に近接配置される。

すなわち、断熱材３２でコイルヒータ７を被覆しているものの、高温となる過熱蒸気加熱部３を、右側壁１４と後壁１５とで形成される角部１７の近傍に配置している。これにより、たとえば、制御ユニット１０１（図４）を、左側壁１３の近傍に配設して過熱蒸気加熱部３から遠ざけ、熱による影響を回避することができる。さらに、ケーシング１内における左側壁１３から前壁１２側にかけて形成される空間１８に、過熱蒸気加熱部３を除く他の水素ガス発生ユニット１００の要素を効率的に配置して、水素ガス発生装置１０をコンパクト化することが可能となる。

図６に示すように、ケーシング１の底壁１６には複数の孔が設けられており、外気導入孔１６１として機能させている。また、これら外気導入孔１６１は、ケーシング１の軽量化にも寄与している。

そして、本実施形態に係る水素ガス発生装置１０は、図７に示すように、ケーシング１内に上昇気流６００を強制的に発生させるファン９を、底壁１６に形成した外気導入口１６１に臨設している。ここでは、ファン９を、その一部が平面視で過熱蒸気加熱部３と重なるように配置している。すなわち、複数の外気導入口１６１のうち、過熱蒸気加熱部３の近傍に設けられた外気導入口１６１に臨設し、一部が平面視で過熱蒸気加熱部３と重なるように位置させて、外気を過熱蒸気加熱部３の周面に沿って上昇させ、空冷効果を高めるようにしている。

かかる構成により、図７に示すように、ファン９によって外気導入口１６１から引き込まれた空気は上昇気流６００となって、過熱蒸気加熱部３の外表面、すなわち断熱材３２の表面に沿って上昇しながら熱を奪っていくことになる。

なお、ケーシング１の内部には、図３に示すように、温度監視センサ１０２を設けており、ファン９の駆動については、制御ユニット１０１により、温度監視センサ１０２の検出結果に応じて制御することもできる。

また、図７に示すように、第２の側壁である後壁１５に、過熱蒸気加熱部３からの輻射熱を受ける受熱板１５１を設け、受熱板１５１と後壁１５の内面との間に、上昇気流６００を通過させて受熱板１５１を空冷する昇風路１５２が形成されている。なお、本実施形態に係る水素ガス発生装置１０では、受熱板１５１および昇風路１５２は、第１の側壁である右側壁１４にも設けられている（図３、図４を参照）。

このように、高温となる過熱蒸気加熱部３を、四角形の底壁１６の隅部に配置し、２つの側壁（右側壁１４および後壁１５）に近接させることにより、積極的に熱をケーシング１側に伝達している。したがって、過熱蒸気加熱部３については、上昇気流６００による空冷と相俟って、冷却効果をより高めることができる。

過熱蒸気加熱部３の外表面に沿って流れる上昇気流６００も、昇風路１５２を通過する上昇気流６００も、側壁の上部位置に設けられた排気口１３２から外部へ円滑に流出するため、ケーシング１内は、常温の外部空気が常時流入することになる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る水素ガス発生装置１０は、矩形箱型のケーシング１内に水素ガス発生ユニット１００を効率的に収納し、コンパクトな構造となっている。しかも、高温になる過熱蒸気加熱部３を収納していながら、その配置や効果的な空冷を行える構造を実現したため、ケーシング１まで高温になることを防止することができる。

図９は、他の実施形態に係る水素ガス発生装置１０のケーシング１の一部および水素ガス発生ユニット１００の一部を示す模式的説明図である。本実施形態が先の実施形態と異なるのは、水素ガス発生ユニット１００を構成する要素である過熱蒸気加熱部３を、円筒状に形成した遮熱筒３５の内部に収容した点にある。

こうして、ファン９による上昇気流６００が、過熱蒸気加熱部３の外周面と遮熱筒３５との間をかかる間隙を通過するようにしている。なお、過熱蒸気加熱部３の外周面と遮熱筒３５との間隙は、例えば、５〜２０ｍｍ程度であればよい。かかる構成により、過熱蒸気加熱部３を効率的に空冷することが可能になるとともに、遮熱筒３５によってケーシング１へ輻射熱による伝達が抑制される。なお、図９においては、先の実施形態同様、輻射熱を受ける受熱板１５１を設けた構成としたが、遮熱筒３５を設けた場合、受熱板１５１は廃止することもできる。

ところで、上述してきた実施形態では、図３〜図５に示すように、過熱蒸気加熱部３と気液分離部４のタンク４１とを連通する連結管としての蒸気管６０と、タンク４１に設けたガス流出管７０に接続された放熱管８０とを離隔して配設している。

蒸気管６０には、過熱蒸気加熱部３からの高温蒸気やブラウンガスを含む混合流体２００が流れるため、管表面は極めて高温となる。そこで、さらなる他の実施形態として、図１０に示すように、蒸気管６０を、コイル状の放熱管８０で囲繞するように配置することもできる。図１０は、他の実施形態に係る水素ガス発生ユニットの一部を示す模式的説明図である。

かかる構成とすることにより、たとえば、メンテナンスなどで、ケーシング１内に使用者や作業者が手などを差し込んだ際に、たとえ蒸気管６０が高温であっても、これに直接触れることを防止することが可能となる。

以上、説明してきたように、上述してきた実施形態に係る水素ガス発生装置１０は、小型化を図りつつ、ケーシング１の表面温度の上昇を効果的に抑制することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ケーシング
２給水部
３過熱蒸気加熱部
４気液分離部
５ガス取出部
６冷却部
７コイルヒータ（加熱装置）
８ガス送出ケース
９ファン
１０水素ガス発生装置
１１天井壁
１４右側壁（第１の側壁）
１５後壁（第２の側壁）
１６底壁
１７角部
４２ピン孔（空気取入孔）
６０蒸気管（連結管）
６２冷却ファン
７０ガス流出管
８０放熱管
８１送気ファン
８３ガス対流空間
１００水素ガス発生ユニット
１３２排気口
１５１受熱板
１５２昇風路
１６１外気導入口
２００混合流体
６００上昇気流

Claims

底壁と天井壁と側壁とを有する矩形箱状のケーシングと、
当該ケーシングに収容された水素ガス発生ユニットとを備え、
前記水素ガス発生ユニットは、
加熱装置を有し、原水を加熱して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気をさらに加熱して水素ガスを含むブラウンガスを生成する過熱蒸気加熱部と、
前記過熱蒸気加熱部に連通し、前記ブラウンガスと前記過熱蒸気とを含む混合流体から気液分離し、分離した過熱蒸気を復水させる気液分離部と、
前記気液分離部に連通し、前記混合流体から分離された前記ブラウンガスを取り出すガス取出部と、
前記気液分離部から取り出されたブラウンガスを冷却する冷却部と
を含み、
前記過熱蒸気加熱部は、前記ケーシングの第１の側壁と第２の側壁とで形成される角部に近接配置されるとともに、前記ケーシング内に上昇気流を強制的に発生させるファンを、その一部が平面視で前記過熱蒸気加熱部と重なるように、前記底壁に形成した外気導入口に臨設した
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
前記第１の側壁と第２の側壁の上部位置に、前記上昇気流を排出する排気口を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の水素ガス発生装置。
前記第１の側壁と第２の側壁に、前記過熱蒸気加熱部からの輻射熱を受ける受熱板を設け、前記受熱板と前記各側壁の内面との間に、前記上昇気流を通過させて前記受熱板を空冷する昇風路が形成される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の水素ガス発生装置。
前記ガス取出部は、
前記気液分離部に一端が接続されたガス流出管を備え、
前記冷却部は、
前記ガス流出管の他端に一端が接続された放熱管と、当該放熱管に向けて送風する冷却ファンとを備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の水素ガス発生装置。
前記放熱管はコイル状に形成され、前記過熱蒸気加熱部と前記気液分離部とを連通する連結管を囲繞するように配設される
ことを特徴とする請求項４に記載の水素ガス発生装置。
前記放熱管の他端に、吸引ファンを収納したガス送出ケースを接続し、当該ガス送出ケースの前記吸引ファンの一次側にガス対流空間を形成する一方、二次側にガス送出口を形成した
ことを特徴とする請求項４または５に記載の水素ガス発生装置。
前記気液分離部を構成する筒体に、空気取入孔を形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の水素ガス発生装置。