JP6327953B2

JP6327953B2 - 冷蔵庫

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Publication number: JP6327953B2
Application number: JP2014111862A
Authority: JP
Inventors: 澄田　康光; 康光澄田; 山中　弘次; 弘次山中
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: JP2015224857A

Description

本発明は、冷水供給機能及び製氷機能の少なくとも一方を有する冷蔵庫（冷凍庫及び冷凍冷蔵庫を含む）に関し、特に、品質が向上した冷水や氷を供給できる冷蔵庫に関する。

冷蔵庫には、水道水などが補給される水タンクと、水タンクから水が供給され冷気によって冷却されてキューブ状の氷を作る製氷トレー（製氷皿）と、製氷トレーで作られた氷を貯える容器とを備え、氷が消費されて容器内の氷が少なくなったときに製氷トレーから容器に氷を補充し、水タンク内の水をポンプによって製氷トレーに供給して再度製氷する自動製氷装置が搭載されているものがある。また、水タンクあるいは水道管に直結された配管から供給される水を冷やし、冷蔵庫の正面部に設けたディスペンサー（供給装置）から冷水あるいは氷をコップ等に注げるようにした冷蔵庫もある。このように、冷蔵庫は冷水や氷を生成して供給する機能を備えることができるが、これら冷蔵庫から供給される水や氷の品質は、冷蔵庫に導入される水、例えば水道水の水質に依存する。

水の品質を示す指標の一つとして硬度があるが、水道水の硬度は地域によって大きく異なっている。硬度の高い水を用いて製氷した場合には、特許文献１に記載されるように、製氷中にスケールのように白濁状に固まって氷の見栄えを悪くしたり、氷の溶解速度を速めたりするなどの問題が発生する。さらに、製氷トレー内にスケールが付着することで氷と製氷トレーとの間の密着性が高まるため、製氷トレーからの脱氷の際に氷が欠けたり、製氷トレーにキューブ状の氷が残存したりする。製氷トレーに氷が残存した場合には、製氷トレーに水を自動的に一定量補給した場合に製氷トレー内の水かさが予定していたものよりも高くなって、複数のキューブ状の氷が融着した状態で容器に残留したりする不具合が発生する。また、冷水を供給するためのディスペンサーにおいて硬度の高い水を使用すると、特許文献２に記載されるように、冷蔵庫内の配管の内面にスケールが発生し成長して配管の詰まりが発生する等の問題がある。

一方、水を飲んだときのおいしさの観点からは、水中のカルシウム塩とマグネシウム塩の濃度を炭酸カルシウムの濃度に換算したものを硬度の値としたときに、１０ｍｇ／Ｌ〜１００ｍｇ／Ｌの硬度の水がおいしい水とされている（非特許文献１）。水の品質に対する消費者の関心の高まりにより、ニーズに即した商品の開発が望まれている。

そこで、イオン交換樹脂によって硬度成分すなわちカルシウム及びマグネシウムを除去または低減した水を製氷や冷水供給に用いることが提案されている。例えば、特許文献１に記載された冷凍冷蔵庫では、イオン交換樹脂による不純物除去手段を水タンクから製氷トレーまでの給水路に設け、イオン交換樹脂を通過することによって硬度成分が除去された水が製氷トレーに供給されるようにしている。特許文献２に記載された冷蔵庫では、水道管とディスペンサーとを接続する配管にイオン交換樹脂を含むフィルターを設け、硬度成分が除去された水がディスペンサーに供給されるようにしている。特許文献３に記載された冷蔵庫では、イオン交換樹脂からなる軟水化手段を水タンク内に収納することにより、硬度成分が除去された水が製氷トレーに供給されるようにしている。

特許文献４には、印加する直流電圧の極性反転が可能な一対の電極と、これらの一対の電極によって電圧が印加される空間内に配置され陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を接合した構成を有するバイポーラ膜と、を備えた脱塩装置を使用し、脱塩処理された水を電化製品に使用することが開示されている。

特開２００２−３６４９５９号公報特表２００６−５１９３５７号公報特開２００５−２０１５３５号公報特開２０１０−０２９７５３号公報

おいしい水研究会、「おいしい水について（資料）」、水道協会雑誌、第５４巻第５号第７６頁〜第８３頁、日本水道協会（１９８５年５月）

冷蔵庫において水から硬度成分を除去または低減するためにイオン交換樹脂を使用する場合、一定量の硬度を除去するごとにイオン交換樹脂を交換する必要があり、使用者の手間になる。特に、水道水における硬度が高い地域ほどイオン交換樹脂の交換頻度が高くなるため、使用者の手間が増大することになる。なお、イオン交換樹脂を交換しないでも再生処理を行うことによってイオン交換樹脂を引き続き使用できるようになるが、イオン交換樹脂の再生処理には塩酸や水酸化ナトリウムといった薬品の使用が必要であって、冷蔵庫において再生処理を行うための機構を組み込むことは現実的でない。

本発明の目的は、イオン交換樹脂を用いることによる上述の課題を解決し、使用者に手間をかけさせることなく硬度成分を除去または低減した水を庫内で使用できるようにした冷蔵庫を提供することにある。

本発明の冷蔵庫は、印加する直流電圧の極性反転が可能な一対の電極と、一対の電極によって電圧が印加される空間内に配置されたバイポーラ膜とを備え、供給された水に対する脱塩処理を行う脱塩モジュールと、脱塩モジュールで脱塩処理された水を使用する水使用部と、を有し、水使用部は、水を用いて製氷する製氷機構、及び水を庫外に供給するディスペンサーの少なくとも一方である。

陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを接合した構成を有するバイポーラ膜を用いた脱塩モジュールでは、一対の電極に印加される直流電圧の極性を反転させることで、脱塩モジュールに供給された水に対する脱塩処理とバイポーラ膜の再生とを切り替えて実行することができる。したがって、脱塩処理を行って硬度成分が除去または低減された水を製氷に用いたり庫外に供給することが可能になるとともに、電圧極性の反転を行うだけでバイポーラ膜を再生することができる。これにより、冷蔵庫において、イオン交換樹脂の交換などの手間をかけることなく、硬度成分が除去または低減された水をメンテナンスフリーで製氷や庫外への供給のために使用できるようになり、これまで高硬度水によって引き起こされていた前述の課題を解決することができる。

本発明の実施の一形態の冷蔵庫を示す正面図である。図１に示す冷蔵庫における製氷のための構成を示す図である。脱塩モジュールの基本構成を示す図である。バイポーラ膜による脱塩の原理を示す図である。バイポーラ膜の再生の原理を示す図である。本発明の別の実施形態の冷蔵庫を示す正面図である。図６に示す冷蔵庫における冷水の供給及び製氷のための構成を示す図である。脱塩モジュールの構成の一例を示す図である。脱塩モジュールの構成の別の例を示す図である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の一形態の冷蔵庫の外観を示している。この冷蔵庫は、冷蔵室１０１と冷凍室１０２と野菜室１０３を備えるとともに自動製氷機能を備えたものである。製氷のために、冷蔵室１０１の内部には着脱可能な水タンク１１１が設けられており、水タンク１１１内の水が冷凍室１０２内の製氷トレー１１２に供給されるようになっている。冷凍室１０２内で製氷トレー１１２の下方には、製氷トレー１１２で生成したキューブ状の氷を貯える氷容器１１３が設けられている。この冷蔵庫では、水タンク１１１に硬度の高い水が供給されても、硬度成分が除去または低減された水から氷を生成できるようにしている。

図２は、図１に示した冷蔵庫における、製氷に用いられる水の供給経路とその供給経路に沿って配置される機器とを示している。図１に示した冷蔵庫は、硬度成分が除去または低減されたすなわち脱塩処理がなされた水が製氷トレー１１２に供給されるようにするために、水タンク１１１と製氷トレー１１２との間に脱塩モジュール１０が設けられている。水タンク１１１と脱塩モジュール１０の間には、水タンク１１１内の水を脱塩モジュール１０に給送するポンプ１２１が設けられており、脱塩モジュール１０によって脱塩処理された水すなわち脱塩水が電磁弁１２２を介して製氷トレー１１２に供給される。脱塩モジュール１０は、例えば、冷蔵庫内に配置される。特に、冷蔵室１０１と同程度の温度（０℃以上１０℃以下）となる場所に配置される。炭酸カルシウム及び炭酸マグネシウムの水に対する溶解度は低温であるほど大きいので、０℃以上ではあるが室温よりも低温の環境中に脱塩モジュール１０を配置することによって、脱塩モジュール１０内やそれに至るまでの配管におけるスケールの発生をより効果的に防止できる。バイポーラ膜やイオン交換樹脂、特に陰イオン交換樹脂やバイポーラ膜の陰イオン交換膜は、高温下での使用においてそのイオン交換性能が経時的に低下することが知られている。脱塩モジュール１０は、脱塩・再生時ともに直流電圧を印加するため、電極面で熱を発生する。そのため、冷蔵室１０１と同程度の温度（０℃以上１０℃以下）の場所に脱塩モジュールを配置することによって、冷却作用により電極１２、１３からの発熱の影響が小さくなり、電極近傍のイオン交換樹脂およびバイポーラ膜へのダメージを低減できる。その結果、長期的な脱塩性能の確保が可能となる。

後述するように脱塩モジュール１０を継続して使用するためには再生処理を行う必要があり、その際、イオン濃度が高い濃縮水が脱塩モジュール１０から排出される。濃縮水は、電磁弁１２３を介して濃縮水排水タンク１２４に貯えられるようになっている。

図３は、脱塩モジュール１０の構成を模式的に示している。

脱塩モジュール１０は、印加する直流電圧の極性反転が可能な一対の電極１２，１３と、一対の電極１２，１３によって電圧が印加される空間内に配置されたバイポーラ膜１１と、を備え、供給された水に対して脱塩処理を行うものである。容器内に電極１２，１３が相互に離隔して設けられており、断面構成として見たときに電極１２，１３間の空間を複数の部分に仕切るように電極１２，１３から離れてバイポーラ膜１１が配置している。さらに、極性反転が可能なように電極１２，１３に直流電圧を印加するために、直流電源２１と、直流電源２１と電極１２，１３の間に配置されて制御信号によって制御される切替スイッチ２２とが設けられている。

電極１２，１３としては、陰極及び陽極として機能を発揮するものであればよく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム等の貴金属、あるいはこれらの貴金属をチタン等に被覆した網状あるいは板状の電極を挙げることができる。電極１２，１３の形状としては、平板、エクスパンド、パンチング、丸棒、ワイヤーなどが考えられるが、バイポーラ膜１１の形状にあわせ、バイポーラ膜１１やバイポーラ膜１１間の空間に対して均一に電圧をかけられるようなものである必要がある。

バイポーラ膜１１は、陽イオン交換膜１４と陰イオン交換膜１５とを接合させた構造を有する。図３では、断面構成として、電極１２，１３間に複数枚のバイポーラ膜１１が配置されているように描かれているが、平行平板状の電極１２，１３の間に相互に平行かつ電極１２，１３にも平行となるように実際に複数枚のバイポーラ膜１１を配置してもよいし、あるいは、一方の電極を中心電極とし他方の電極を円筒電極として電極１２，１３を同心円状に配置し、これらの電極間で１枚のバイポーラ膜を渦巻き状に巻回するように配置してもよい。バイポーラ膜１１の配置としてどのような構成を採用したとしても、水タンク１１１からポンプ１２１を経て脱塩モジュール１０に供給された水が、電極１２，１３とバイポーラ膜１１の間の空間やバイポーラ膜１１の相互間の空間を均等に通水できるようにすることが必要である。このとき、いずれのバイポーラ膜１１も、陽イオン交換膜１４側の面が電極１２に向き、陰イオン交換膜１５側の面がもう１つの電極１３に向くように、電極１１，１２の間に配置されている。言い換えれば、電極１２，１３の間で各バイポーラ膜１１の荷電方向が同一にされている。

以上述べた脱塩モジュール１０を備える冷蔵庫での製氷動作について説明する。ポンプ１２１の起動、電磁弁１２２，１２３の開閉、及び制御信号による切替スイッチ２２の制御は、図示しない制御装置によって行われるものとする。

氷容器１１３から氷が取り出されると、氷容器１１３に設けられたセンサーにより、氷容器１１３内の氷の量が減ったことが検知される。それによりポンプ１２１が起動し、水タンク１１１内に補給されている水を吸い上げて脱塩モジュール１０に供給する。このとき、電磁弁１２２を開け、電磁弁１２３を閉じるようにする。脱塩モジュール１０では、ポンプ１２１の起動と同時に直流電源２１及び切替スイッチ２２によって、図４に示すように、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側の電極１２が陽極、陰イオン交換膜１５側の電極１３が陰極となるように、電極１１，１２間に直流電圧が印加される。すると脱塩モジュール１０内に通水された水の中のカルシウムイオン（Ｃａ²⁺）やマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）などの陽イオンは、電極１１，１２間の電界によってバイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側に移動し、そこで水素イオン（Ｈ⁺）とイオン交換して陽イオン交換膜１４に吸着される。同様に、原水中に含まれる炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）や硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）などの陰イオンは、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５側に移動し、そこで水酸化物イオン（ＯＨ^-）とイオン交換して陰イオン交換膜１５に吸着される。イオン交換によって遊離した水素イオン及び水酸化物イオンは、それぞれ、電界により陰イオン交換膜１５及び陽イオン交換膜１４中を移動して水中に放出され、再結合して水となる。これにより、水タンク１１１から脱塩モジュール１０に供給された水の脱塩処理が行われて硬度成分がバイポーラ膜１１に吸着し、脱塩モジュール１０から電磁弁１２１を経て、硬度成分が除去または低減された水が製氷トレー１１２に供給されることになる。

脱塩所定がなされた一定量の水が製氷トレー１１２に供給されると、ポンプ１２１が停止して脱塩モジュール１０への水の供給が遮断され、同時に脱塩モジュール１０への直流電圧の印加も停止し、電磁弁１２２が閉じられる。この時点までに製氷トレー１１２には一定量の水が貯えられており、この水が冷却されて氷となる。このように脱塩処理された水から生成された氷は、カルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が除去されているので、白濁がなくて見栄えが良い。また、製氷トレー１１２にスケールが発生することが防がれるので、製氷トレー１１２に供給される水と製氷トレー１１２の有効な体積との間に差が生じることがなくなり、予定しない形状の氷が生成することが起こらなくなる。

脱塩処理がなされた水を製氷トレー１１２に対して供給し続けると、バイポーラ膜１１には次第に硬度成分が蓄積し、ついには脱塩処理を行うことができなくなる。そのため、脱塩処理が行えなくなる前に、バイポーラ膜１１に蓄積されているイオンを除去する再生処理を行う必要がある。

バイポーラ膜１１の再生処理を行う場合には、脱塩モジュール１０内に水が存在する状態で、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側の電極１２が陰極、陰イオン交換膜１５側の電極１３が陽極となるように電極１２，１３間に直流電圧を印加する。すると、バイポーラ膜１１での陽イオン交換膜１４と陰イオン交換膜１５との界面で水の解離が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが生成する。水素イオンは陽イオン交換膜１４内を移動し、陽イオン交換膜１４に捕捉されていたカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの陽イオンとイオン交換し、このイオン交換で遊離した陽イオンは水中に放出される。同様に、水酸化物イオンは陰イオン交換膜１５内を移動し、陰イオン交換膜１４に捕捉されていた炭酸イオンや硫酸イオンなどの陰イオンと陰イオン交換し、このイオン交換で遊離した陰イオンも水中に放出される。この処理により陽イオン交換膜１４のイオン形が水素イオン形となり、陰イオン交換膜１５のイオン形が水酸化物イオン形となって、バイポーラ膜１１の再生が行われたことになる。このとき、バイポーラ膜１１に捕捉されていたイオンが高濃度に脱塩モジュール１０内の水の中に排出され、濃縮水となる。この濃縮水は、電磁弁１２３を開けることによって脱塩モジュール１０から濃縮水排水タンク１２４に排出される。濃縮水排水タンク１２４に貯えられることとなった濃縮水は、高い硬度を有するので、例えば、硬度成分を利用した機能水として使用することが可能である。

このようなバイポーラ膜１１の再生処理は、例えば、脱塩モジュール１０の積算脱塩時間が予め設定された時間に達した場合や、製氷トレー１１２に対する給水回数が規定の回数に達した場合に行われる。

次に、本発明の別の実施形態の冷蔵庫について説明する。本発明が適用される冷蔵庫は自動製氷機能のみを有するものに限定されるものではなく、例えば、冷水を供給するディスペンサーを備える冷蔵庫にも本発明を適用することができる。図６は、本発明の別の実施形態の冷蔵庫を示している。

図６に示す冷蔵庫は、図１に示すものと同様に、冷蔵室１０１、冷凍室１０２及び野菜室１０３を備えている。図６には示されていないが、図１に示すものと同じく、冷蔵室１０１内に設けられた水タンク１１１と冷凍室１０２内に設けられた製氷トレー１１２及び氷容器１１３とからなる自動製氷機構が設けられている。冷蔵室１０１の扉１０４には、冷蔵庫外に冷水を供給する飲用ディスペンサー１１４が設けられている。飲用ディスペンサー１１４では、給水ボタン１１５を押すことにより、ノズル１１６からコップ１１７などの容器に一定量の冷水が供給されるようになっている。

図７は、図６に示した冷蔵庫における、冷水の供給や製氷に用いられる水の供給経路とその供給経路に沿って配置される機器とを示している。この冷蔵庫は、飲用ディスペンサー１１４で使用する水を供給するために給水栓などを経て水道管に接続しており、上述したものと同様の脱塩モジュール１０は、給水栓からの配管から給水を受けている。水道管における給水圧を利用できるので、脱塩モジュール１０からの脱塩水は、ポンプを介することなく、電磁弁１２２を経て製氷トレー１１２に供給され、電磁弁１２５を経て飲用ディスペンサー１１４に供給される。脱塩モジュール１０やそれに接続する配管を冷蔵庫内において冷蔵室１０１と同程度の温度となる場所に配置することにより、脱塩モジュール１０に供給された水が冷やされて、飲用ディスペンサー１１４から冷水を供給できるようになる。

この冷蔵庫では、氷容器１１３に設けられたセンサーにより氷容器１１３内の氷の量が減ったことが検知されると、電磁弁１２２が開き、同時に直流電源２１及び切替スイッチ２２によって、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側の電極１２が陽極、陰イオン交換膜１５側の電極１３が陰極となるように、電極１１，１２間に直流電圧が印加される。その結果、給水栓から脱塩モジュール１０に供給された水が脱塩処理され、製氷トレー１１２に供給されることになる。同様に、冷蔵庫前面の扉１０４に配置された飲用ディスペンサー１１４の給水ボタン１１５が操作されると、電磁弁１２５が開き、同時にバイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側の電極１２が陽極、陰イオン交換膜１５側の電極１３が陰極となるように、電極１１，１２間に直流電圧が印加される。その結果、脱塩モジュール１０で脱塩された冷水が飲用ディスペンサー１１４に供給されてノズル１１６が吐出する。

飲用ディスペンサー１１４には、ノズル１１６から滴り落ちる水やコップ１１７からあふれた水を受けて排水するために水受け皿１２６が設けられている。図１及び図２に示す冷蔵庫と同様に、脱塩モジュール１０に対して再生処理を行う必要があるが、脱塩モジュール１０で再生処理を行った結果発生する濃縮水は、電磁弁１２３を介して、水受け皿１２６からの排水の配管に合流するようになっている。この排水は、適切な排水処理が必要であればそれを行った後に下水道等に放流してもよいし、硬度成分の高い機能水として利用してもよい。再生処理は、例えば、脱塩モジュール１０の積算脱塩時間が予め設定された時間に達した場合に行われる。

図６及び図７に示した冷蔵庫では、脱塩モジュール１０によって脱塩処理がなされ、硬度成分が除去または低減された水が飲用ディスペンサー１１４及び製氷トレー１１２に供給される。その結果、水道水の硬度が高い地域であっても使用者の嗜好にあった硬度の冷水を飲用ディスペンサーから供給できる。またスケールが発生しないので、予定した形状であって、白濁がなくて見栄えが良い氷を作成することができる。

次に、本発明で用いることができる別の脱塩モジュールについて説明する。

本発明者らの知見によると、図３に示した脱塩モジュール１０では、バイポーラ膜１０を構成する陽イオン交換膜あるいは陰イオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮できず、バイポーラ膜１０のイオン交換容量から理論的に算出される周期よりも頻繁にバイポーラ膜１０の再生処理を行う必要が生じる。バイポーラ膜による脱塩処理での脱塩性能が低い理由の一つとして、バイポーラ膜の膜面が通水方向に対して平行になるようにバイポーラ膜を配置した上で、バイポーラ膜に接触した水から電界によって通水方向とは垂直な方向にイオンを移動させるため、膜に到達しないイオンは吸着されずに水に残存することになることが挙げられる。言い換えれば、脱塩性能が低いのは、イオン交換体として機能するバイポーラ膜と水との接触効率が悪いためである。そこで脱塩モジュールにおいて、バイポーラ膜間の空間、あるいはバイポーラ膜と電極との間の空間に、陽イオン交換体と陰イオン交換体とを通水性を損なわないように配置することが考えられる。陽イオン交換体及び陰イオン交換体が配置された領域をイオン交換領域と呼ぶ。陽イオン交換体及び陰イオン交換体は、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかの組み合わせとすることが好ましい。このような陽イオン交換体と陰イオン交換体は、例えば、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂である。この構成によれば、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極、陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるようにしてこれらの電極間に直流電圧を印加することによって、バイポーラ膜とイオン交換領域とによって効率よく脱塩を行なうことができ、また、電極に印加される直流電圧の極性を反転することにより、バイポーラ膜とイオン交換領域の両方を再生でき、脱塩処理と再生処理とを多数回にわたって繰り返し行うことができる。

図８に示す脱塩モジュール１０は、図３に示したものと同様のものであるが、バイポーラ膜１１間の空間、及びバイポーラ膜１１と電極１２，１３との間の空間に、イオン交換樹脂層１６を設けたものである。このイオン交換樹脂層１６は、通水性を有しており、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置したイオン交換領域となるものである。陽イオン交換体は例えば陽イオン交換樹脂であり、陰イオン交換体は例えば陰イオン交換樹脂である。イオン交換樹脂層１６を構成する陽イオン交換体と陰イオン交換体との組み合わせは、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかである。なお、図３に示したものと同様に、電極１２，１３に対しては、極性反転のための切替スイッチ２２を介して、直流電源２１が接続している。バイポーラ膜１１及び電極１２，１３としては、図３に示した脱塩モジュールにおいて用いられているものと同様のものを用いることができる。

図８に示したものでは、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを混合して両者が均一に混じり合った状態のものをイオン交換樹脂層１６とし、このようなイオン交換樹脂層１６が、電極１２，１３とバイポーラ膜１１の間の空間、及び、バイポーラ膜１１の相互間の空間に充填されている。もっとも、本実施形態で利用可能なイオン交換樹脂層１６は、これに限られるものではなく、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に陽イオン交換樹脂が接し陰イオン交換膜１５に陰イオン交換樹脂が接するように両方のイオン交換樹脂を配したものや、これとは逆に陽イオン交換膜１４に陰イオン交換樹脂が接し陰イオン交換膜１５に陽イオン交換樹脂が接するように両方のイオン交換樹脂を配したものであってもよい。また、バイポーラ膜１１で仕切られた空間ごとに陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂のいずれかを充填して、全体として陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが交互に配置されるようにしてイオン交換樹脂層を設けてもよい。

次に、図８に示した脱塩モジュール１０による脱塩処理について説明する。

図３に示した脱塩モジュールの場合と同様に、バイポーラ膜１１において陽イオン交換膜１４が陽極側となり、陰イオン交換膜１５が陰極側となるように電極１２，１３の間に直流電圧を印加すると、脱塩モジュール１０内の水に含まれる陽イオンは、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側に移動し、そこで水素イオンとイオン交換して陽イオン交換膜１４内に吸着される。同様に陰イオンは、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５側に移動し、そこで水酸化物イオンとイオン交換して陰イオン交換膜１５内に吸着される。イオン交換によって水中に移動した水素イオン及び水酸化物イオンは、再結合して水となる。陽イオンや陰イオンのうち、バイポーラ膜１１においてイオン交換されなかったものも、イオン交換樹脂層１６でイオン交換されて吸着される。その結果、脱塩水が効率よく得られる。

この脱塩モジュールでは、イオン交換樹脂層１６には、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の一方が含まれる。通常であれば、弱酸性陽イオン交換樹脂は液性がアルカリ性でなければ、弱塩基性陰イオン交換樹脂は液性が酸性でなければ、十分な脱塩性能を発揮しない。しかしながら図８に示す脱塩モジュールでは、電極１２，１３によって直流電圧を印加することにより被処理水内に微視的なｐＨの偏りが発生するので、脱塩モジュール１０内の水の液性に関わらず弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いて脱塩処理を行うことが可能となり、それらのイオン交換樹脂の大きなイオン交換容量を活用することができるようになる。

次に、再生処理について説明する。

脱塩モジュール１０内に水が存在する状態で、脱塩処理時とは電圧極性を反転させ、電極１２が陰極、電極１３が陽極となるように電極１２，１３間に直流電圧を印加する。すると、バイポーラ膜１１での陽イオン交換膜１４と陰イオン交換膜１５との界面で水の解離が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが生成される。水素イオンは陽イオン交換膜１４内を移動し、それによって陽イオン交換膜１４が再生され、水酸化物イオンは陰イオン交換膜１５内を移動し、それによって陰イオン交換膜１５が再生されて、バイポーラ膜１１が再生されたことになる。さらに電圧印加を続けると、バイポーラ膜１１で生成した水素イオン及び水酸化物イオンが、イオン交換樹脂層１６内の陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂にそれぞれ移動し、これらのイオン交換樹脂の再生が行われることになる。イオン交換樹脂層１６は、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の一方を含んでいるが、弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂に比べて再生効率が高いので、この脱塩モジュール１０では、省電力での再生処理が可能になる。

図８に示した脱塩モジュールでは、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを混合することによってイオン交換領域を構成しているが、イオン交換領域の構成はこれに限られるものではない。例えば、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して設けられて陽イオン交換体を有する通水性の陽イオン交換領域と、バイポーラ膜における陰イオン交換膜に接して設けられて陰イオン交換体を有する通水性の陰イオン交換領域と、から構成され、陽イオン交換領域と陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように配置されているイオン交換領域を用いることもできる。

図９は、このようにバイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して陽イオン交換領域が設けられ、陰イオン交換膜に接して陰イオン交換領域が設けられた脱塩モジュールの構成を示している。この脱塩モジュール１０では、容器内に一対の電極１２，１３が離隔して配置しており、その間の空間に対して電極１２，１３によって電圧を印加できるようになっている。断面構成として見たときに電極１２，１３間の空間を複数の部分に仕切るように電極１２，１３から離れてバイポーラ膜１１が配置している。図示したものでは、電極１２，１３間の空間が、バイポーラ膜１１によって５つの部分に仕切られている。ここでは、いずれのバイポーラ膜１１も、陽イオン交換膜１４側の面が電極１２に向き、陰イオン交換膜１５側の面がもう１つの電極１３に向くように、電極１２，１３の間に配置されている。

このように仕切られた各部分に関し、電極１２とバイポーラ膜１１の間の空間では、電極１２の表面に接して陰イオン交換樹脂層１８が設けられ、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に接して陽イオン交換樹脂層１７が設けられている。隣接するバイポーラ膜１１間の空間では、図面において電極１２側に位置するバイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５に接して陰イオン交換樹脂層１８が設けられ、電極１３側に位置するバイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に接して陽イオン交換樹脂層１７が設けられている。電極１３とバイポーラ膜１１の間の空間では、電極１３の表面に接して陽イオン交換樹脂層１７が設けられ、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５に接して陰イオン交換樹脂層１８が設けられている。バイポーラ膜１１によって仕切られている各部分では、その部分内の陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とがその部分のほぼ中央付近で相互に接している。後述するように、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８との間に通水性のスペーサなどを配置して、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とが対面して配置するようにしてもよい。

バイポーラ膜１１及び電極１２，１３としては、図３に示した脱塩モジュールで用いられるものと同様のものが用いられる。一方の電極を中心電極とし他方の電極を円筒電極として電極１２，１３を同心円状に配置し、これらの電極間で１枚のバイポーラ膜を渦巻き状に巻回するように配置する場合には、例えば、バイポーラ膜１１の両面にそれぞれ陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８を予め設けたシート状の積層体を用意して、この積層体を中心電極に巻き付ければよい。バイポーラ膜１１の配置としてどのような構成を採用したとしても、脱塩モジュール１０に供給された水が、電極１２，１３とバイポーラ膜１１の間の空間やバイポーラ膜１１の相互間の空間に設けられている陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８を均等に通水できるようにすることが必要である。

次に、図９に示した脱塩モジュール１０における陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８について説明する。

陽イオン交換樹脂層１７は、通水性を有し、陽イオン交換体が配置された陽イオン交換領域となるものであり、陰イオン交換樹脂層１８は、通水性を有し、陰イオン交換体が配置された陰イオン交換領域となるものである。陽イオン交換体及び陰イオン交換体は、それぞれ、例えば、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂である。陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換体と陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換体との組み合わせは、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかである。

図示したものでは、陽イオン交換樹脂層１７は粒状の陽イオン交換樹脂の層からなり、陰イオン交換樹脂層１８は粒状の陰イオン交換樹脂の層からなり、脱塩モジュール１０においてバイポーラ膜１１によって仕切られた各部分ごとに、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とが接して配置している。後述するように、再生処理での再生効率を高めるためには、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とが混ざり合わないようにすることが好ましいから、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８との間に、例えば通水性のスペーサを設け、両方のイオン交換樹脂の混合を防ぐようにしてもよい。また、スペーサを設けることによって、陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換樹脂の充填作業の効率化を図ることもできる。さらには、陽イオン交換樹脂層１７として、多孔性の陽イオン交換体や繊維状の陽イオン交換体、陽イオン交換繊維などを用いることができる。同様に、陰イオン交換樹脂層１８として、多孔性の陰イオン交換体や繊維状の陰イオン交換体、陰イオン交換繊維などを用いることができる。

図９に示した脱塩モジュールにおいても、図３及び図８に示した脱塩モジュールと同様の過程により脱塩処理が行われる。このとき、被処理水中の陽イオンや陰イオンのうち、バイポーラ膜１１においてイオン交換されなかったものは、陽イオン交換樹脂層１７あるいは陰イオン交換樹脂層１８を通過する際にイオン交換されてこれらのイオン交換樹脂層に吸着される。

図９に示した脱塩モジュール１０では、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８とを合わせた領域内に、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の一方が含まれる。通常であれば、弱酸性陽イオン交換樹脂は被処理水の液性がアルカリ性でなければ、弱塩基性陰イオン交換樹脂は液性が酸性でなければ、十分な脱塩性能を発揮しない。しかしながら図９に示した脱塩モジュールでは、電極１２，１３によって直流電圧を印加することにより被処理水内に局所的にｐＨの偏りが発生するので、被処理水の液性に関わらず弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いて脱塩処理を行うことが可能となり、それらのイオン交換樹脂の大きなイオン交換容量を活用することができるようになって、高い脱塩性能を示すようになる。

再生処理に関しても、図９に示した脱塩モジュールでは、図３及び図８に示したものと同様の過程により再生処理が行われる。再生処理において電圧印加を続けると、バイポーラ膜１１で生成した水素イオンが、陽イオン交換膜１４に接して設けられている陽イオン交換樹脂層１７内に移動し、陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換樹脂が再生される。同様に、バイポーラ膜１１で生成した水酸化物イオンが、陰イオン交換膜１５に接して設けられている陰イオン交換樹脂層１８内に移動し、陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換樹脂が再生される。さらに再生処理時には、電極１２とその電極１２に接する陰イオン交換樹脂層１８との界面でも水酸化物イオンが発生し、この水酸化物イオンによって、電極１２に接する陰イオン交換樹脂層１８が再生される。電極１３とその電極１３に接する陽イオン交換樹脂層１７との界面では、水素イオンが発生し、この水素イオンによって、電極１３に接する陽イオン交換樹脂層１７が再生される。結局、再生処理時には、バイポーラ膜１１だけでなく、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８の再生も行われることになる。

ここで、図８に示した脱塩モジュールのように、隣接するバイポーラ膜１１間の空間に粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とが混ざり合って存在する場合を考える。この場合、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４の近くに存在する陰イオン交換樹脂は、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５から放出された水酸化物イオンによって再生されるべきものであるが、この陰イオン交換樹脂の周辺には陽イオン交換膜１４から放出された水素イオンが存在するので、陰イオン交換樹脂を再生すべき水酸化物イオンは、陰イオン交換樹脂に到達する前に水素イオンと反応して水となってしまう可能性があり、その結果、この陰イオン交換樹脂の十分な再生が行われなくなる可能性がある。同様の理由により、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５の近くに存在する陽イオン交換樹脂についても十分な再生が行われなくなる可能性がある。その結果、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混ざり合って存在する場合には、脱塩処理と再生処理とのサイクルを繰り返した場合に、脱塩性能が低下することが懸念される。

これに対し、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが相互に混ざり合わないように、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に接して陽イオン交換樹脂層１７を設け、陰イオン交換膜１５に接して陰イオン交換樹脂層１８を設けた場合には、陽イオン交換膜１４側から移動する水素イオンによる陽イオン交換樹脂層１７の再生と、陰イオン交換膜１５側から移動する水酸化物イオンによる陰イオン交換樹脂層１８の再生とを効率よく行うことが可能になる。なお、図９に示した脱塩モジュールでは、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８とを合わせた領域内に、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の一方が含まれるが、弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂に比べて再生効率が高いので、この脱塩装置は、その点でも省電力での再生処理を可能とする。

１０脱塩モジュール
１１バイポーラ膜
１２，１３電極
１４陽イオン交換膜
１５陰イオン交換膜
１６イオン交換樹脂層（混床）
１７陽イオン交換樹脂層
１８陰イオン交換樹脂層
２１直流電源
２２切替スイッチ
１０１冷蔵室
１０２冷凍室
１０３野菜室
１０４扉
１１１水タンク
１１２製氷トレー
１１３氷容器
１１４飲用ディスペンサー
１１５給水ボタン
１１６ノズル
１２１ポンプ
１２２，１２３，１２５電磁弁
１２４濃縮水排水タンク
１２６水受け皿

Claims

印加する直流電圧の極性反転が可能な一対の電極と、前記一対の電極によって電圧が印加される空間内に配置されたバイポーラ膜とを備え、供給された水に対する脱塩処理を行う脱塩モジュールと、
前記脱塩モジュールで脱塩処理された水を使用する水使用部と、
を有し、
前記水使用部は、前記水を用いて製氷する製氷機構、及び前記水を庫外に供給するディスペンサーの少なくとも一方であり、
陽イオン交換体及び陰イオン交換体が配置されたイオン交換領域を前記空間内に有し、
前記陽イオン交換体及び前記陰イオン交換体は、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかの組み合わせであり、
前記脱塩処理を実行する際に、前記バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極となり前記バイポーラ膜における陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら前記空間に通水し、
前記陽イオン交換膜に面する電極が陰極となり前記陰イオン交換膜に面する電極が陽極となるように前記一対の電極間に電圧を印加することによって前記脱塩モジュールに対する再生処理が行われる、冷蔵庫。
前記脱塩モジュールに対し、前記脱塩処理された水を前記水使用部に供給する第１の経路と、前記再生処理によって発生した濃縮水を排出する第２の経路とが接続し、前記第１及び第２の経路のいずれかを弁によって選択可能である、請求項１に記載の冷蔵庫。
前記イオン交換領域は、前記陽イオン交換体と前記陰イオン交換体とが混合して配置された領域である、請求項１または２に記載の冷蔵庫。
前記イオン交換領域は、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを混床のものとした領域である、請求項３に記載の冷蔵庫。
前記イオン交換領域は、前記バイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して設けられて陽イオン交換体を有する通水性の陽イオン交換領域と、前記バイポーラ膜における陰イオン交換膜に接して設けられて陰イオン交換体を有する通水性の陰イオン交換領域と、からなり、
前記空間内で前記陽イオン交換領域と前記陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように配置されている、請求項１または２に記載の冷蔵庫。
前記バイポーラ膜が前記１対の電極に対して平行に配置され、前記空間内に複数枚の前記バイポーラ膜が配置する場合には各バイポーラ膜の荷電方向が同一となっている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷蔵庫。
前記脱塩モジュールが前記冷蔵庫内に配置されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の冷蔵庫。