JP6484296B2 - 電解水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解して電解水素水を生成する電解水生成装置に関する。

従来、電解室内で水を電気分解し、陰極側で得られた電解水素水を出水路を経由して吐水口から吐出する電解水生成装置が知られている。特許文献１では、電解水素水に溶け込んだ水素の溶存濃度（すなわち、溶存水素濃度）を表示する表示手段を備えた電解水生成装置が開示されている。

一般に、溶存水素濃度は、電解室に供給される水量と、給電体に供給される電流と相関がある。そこで、従来の電解水生成装置では、電解室に供給される水量を検出する流量センサーと、給電体に供給される電流を検出する電流検出手段とが設けられ、検出された水量及び電流に基づいて、電解室で生成される電解水素水の溶存水素濃度が計算されている。

特開２０１５−１７６０６３号公報

しかしながら、電解水生成装置では、電解水素水が、電解室の下流側の出水路を通過する際、物理的な衝撃を受けることにより溶存水素濃度が低下する。このため、水量及び電流に基づいて計算された溶存水素濃度と、吐水口から現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度との間に乖離が生ずるおそれがある。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、吐水口から現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度を正確に算出できる電解水生成装置を提供することを主たる目的としている。

本発明は、互いに極性が異なる第１給電体及び第２給電体が配置された電解室内で水を電気分解し、陰極側で得られた電解水素水を出水路を経由して吐水口から吐出する電解水生成装置であって、前記第１給電体及び第２給電体に供給される電流を検出する電流検出手段と、単位時間あたりに前記電解室に供給される水量を検出する流量センサーと、前記電流及び前記水量に基づいて、前記電解水素水に溶け込んだ水素の溶存濃度を計算する溶存濃度計算手段と、前記電解室から前記吐水口に至る出水路の形状に関するパラメーターに応じて、前記溶存濃度を補正する溶存濃度補正手段と、を備える。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記パラメーターは、前記出水路の長さを含むことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記パラメーターは、前記出水路の経路に沿った曲率を含むことが望ましい。

本発明の電解水生成装置では、電流検出手段によって検出された電流及び流量センサーによって検出された水量に基づいて、溶存濃度計算手段が電解水素水に溶け込んだ水素の溶存濃度を計算する。さらに、溶存濃度補正手段が、電解室から吐水口に至る出水路の形状に関するパラメーターに応じて、溶存濃度を補正する。これにより、吐水口から現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度を正確に算出できるようになる。

本発明の電解水生成装置の一実施形態の流路構成を示す図である。 図１の電解水生成装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１の電解水生成装置によって電解水素水を生成する際の制御手段の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の電解水生成装置の別の実施形態の流路構成を示す図である。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本実施形態の電解水生成装置１の概略構成を示している。図２は、電解水生成装置１の電気的構成を示している。本実施形態では、電解水生成装置１として、例えば、家庭の飲用水の生成に用いられる家庭用電解水生成装置が示されている。

電解水生成装置１は、水を浄化する浄水カートリッジ２と、浄化された水が供給される電解室４０が形成された電解槽４と、を備えている。

本実施形態では、浄水カートリッジ２は、電解槽４の上流に設けられている。浄水カートリッジ２には、原水が供給される。原水には、一般的には水道水が利用されるが、その他、例えば、井戸水、地下水等を用いることができる。浄水カートリッジ２は、原水を濾過により浄化し、得られた浄水を電解室４０に供給する。

浄水カートリッジ２は、電解槽４の下流に設けられていてもよい。この場合、浄水カートリッジ２は、電解室４０によって電気分解された水を浄化する。

浄水カートリッジ２と電解槽４との間には、浄水を電解室４０に供給するための入水部３が設けられている。入水部３は、入水管３１及び流量センサー３２を有している。

浄水カートリッジ２によって浄化された水は、入水管３１を通って電解槽４の電解室４０に供給される。入水管３１には、流量センサー３２が設けられている。流量センサー３２は、浄水カートリッジ２を単位時間に通過する通水量（すなわち、電解室４０に供給される単位時間あたりの水量）を検出し、検出した通水量に相当する電気信号を後述する制御手段６に出力する。なお、流量センサー３２は、電解室４０に供給される水の流量を直接的又は間接的に検出できればよいので、浄水カートリッジ２の上流又は電解槽４の下流に設けられていてもよい。

入水管３１は、分岐部３３において二方の入水管３４，３５に分岐している。各入水管３４，３５は、電解槽４に接続され、各入水管３４，３５内を流れる浄水は、電解室４０に流入する。

電解室４０に流入した浄水は、電解室４０で電気分解される。電解室４０の内部には、互いに極性が異なる第１給電体４１及び第２給電体４２が対向して配置されている。

第１給電体４１と第２給電体４２との間には隔膜４３が配設されている。隔膜４３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）親水膜によって構成されている。隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなる固体高分子膜が用いられていてもよい。

隔膜４３は、電解室４０を第１給電体４１側の第１極室４０ａと第２給電体４２側の第２極室４０ｂとに区分する。第１極室４０ａは、入水管３４と連通し、第２極室４０ｂは、入水管３５と連通する。隔膜４３を介して第１給電体４１と、第２給電体４２とが電気的に接続される。

第１給電体４１及び第２給電体４２の一方は陽極給電体として適用され、他方は陰極給電体として適用される。電解室４０の第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂの両方に水が供給され、第１給電体４１及び第２給電体４２に直流電圧が印加されることにより、電解室４０内で水の電気分解が生ずる。

例えば、図１に示される状態では、第１給電体４１には正の電荷が帯電し、第１極室４０ａは、陽極室として機能している。一方、第２給電体４２には負の電荷が帯電し、第２極室４０ｂは、陰極室として機能している。すなわち、第２極室４０ｂでは電気分解により発生した水素ガスが溶け込んだ還元性の電解水素水が、第１極室４０ａでは電気分解により発生した酸素ガスが溶け込んだ電解酸性水がそれぞれ生成される。

第１給電体４１及び第２給電体４２に印加される電圧の極性は、制御手段６によって制御される。第１給電体４１及び第２給電体４２の極性が適宜切り替えられることにより、第１給電体４１及び第２給電体４２が陽極給電体又は陰極給電体として機能する機会が均等化される。これにより、第１給電体４１及び第２給電体４２等へのスケールの付着が抑制される。

以下、本明細書では、特に断りのない限り、第１給電体４１が陽極給電体として、第２給電体４２が陰極給電体として、それぞれ機能している場合が説明される。

電解槽４の下流側には、電解室４０で生成された電解水を取り出すための出水部５が設けられている。

出水部５は、第１水管５１、第２水管５２、第３水管５３及び第４水管５４と、流路切替弁５５と、を含んでいる。第１水管５１の一端は、第１極室４０ａに接続され、他端は、流路切替弁５５に接続されている。第２水管５２の一端は、第２極室４０ｂに接続され、他端は、流路切替弁５５に接続されている。第３水管５３の一端は、流路切替弁５５に接続され、他端には、電解水を吐出する吐水口５３ｚが設けられている。第４水管５４の一端は、流路切替弁５５に接続され、他端には、電解水を吐出する吐水口５４ｚが設けられている。

流路切替弁５５は、電解槽４の下流側の流路、すなわち、第１水管５１及び第２水管５２と第３水管５３及び第４水管５４との接続を切り替える。

本実施形態の電解水生成装置１は、さらにユーザーによって操作される操作手段７と、各種の情報を表示する表示手段８と、を備えている。操作手段７及び表示手段８は、例えば、電解水生成装置１の外装ケースに配されている。

操作手段７には、各種のスイッチ等が配列されている。操作手段７は、例えば、ユーザーが吐水口５３ｚから吐出させる電解水の種別（例えば、電解水素水等）を選択・変更するために操作される。ユーザーによってスイッチが操作されると、操作手段７は、その旨の電気信号を制御手段６に出力する。制御手段６は、操作手段７から入力された電気信号に応じて、電解水生成装置１の各部を制御する。

表示手段８は、例えば、文字情報等の画像を表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）９２等によって構成される。表示手段８は、制御手段６から入力された電気信号に相当する画像を表示する。

第１給電体４１及び第２給電体４２に印加される電圧は、制御手段６によって制御される。

制御手段６は、例えば、各種の演算処理、情報処理等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵの動作を司るプログラム及び各種の情報を記憶するメモリ等を有している。制御手段６の各種の機能は、ＣＰＵ、メモリ及びプログラムによって実現される。制御手段６は、メモリに第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を示すフラグを記憶している。

第１給電体４１と制御手段６との間の電流供給ライン４４には、電流検出手段４５が設けられている。電流検出手段４５は、第２給電体４２と制御手段６との間の電流供給ラインに設けられていてもよい。電流検出手段４５は、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流を検出し、その値に相当する信号を制御手段６に出力する。

制御手段６は、流量センサー３２から入力される通水量に相当する電気信号に基づいて、所望の溶存濃度の電解水を生成するために必要な電解電流を決定する。そして、制御手段６は、電流検出手段４５から入力される信号に応じて、第１給電体４１と第２給電体４２との間に印加する電圧をフィードバック制御する。例えば、電解電流が過大である場合、制御手段６は、上記電圧を減少させ、電解電流が過小である場合、制御手段６は、上記電圧を増加させる。これにより、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流が適切に制御されうる。

制御手段６は、例えば、流路切替弁５５に設けられているモーターを駆動することにより、流路切替弁５５の動作を制御する。制御手段６は、メモリに流路切替弁５５の動作状態を示すフラグを記憶している。そして、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性と流路切替弁５５の動作とを同期して制御することにより、ユーザーによって選択された所望の電解水を、常に一方の吐水口５３ｚから吐出可能となる。このとき、副次的に生成される電解水は、他方の吐水口５４ｚからキッチンのシンク等に排出される。以下、本明細書では、特に断りのない限り、ユーザーによって電解水素水が選択され、吐水口５３ｚから吐出される場合が説明される。

例えば、第１極室４０ａで生成された電解水を吐水口５３ｚから吐出させる場合、流路切替弁５５は、第１水管５１と、第３水管５３とを連通させる。これにより、第１極室４０ａから吐水口５３ｚに至る第１出水路５６は、第１水管５１、流路切替弁５５及び第３水管５３によって構成される。第２極室４０ｂで生成された電解水を吐水口５３ｚから吐出させる場合、流路切替弁５５は、第２水管５２と、第３水管５３とを連通させる。これにより、第２極室４０ｂから吐水口５３ｚに至る第２出水路５７は、第２水管５２、流路切替弁５５及び第３水管５３によって構成される。

制御手段６は、さらに、電解水素水の溶存水素濃度を計算する溶存濃度計算手段６１と、その溶存水素濃度を補正する溶存濃度補正手段６２としての機能を有している。

電解室４０における水素ガスの発生量は、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給される電解電流に依存する。そして、電解水素水中の水素ガスの溶存濃度は、電解室４０を通過する水量及び水素ガスの発生量と相関がある。

そこで、制御手段６は、電流検出手段４５によって検出された電解電流及び流量センサー３２によって検出された水量に基づいて、電解室４０にて生成された電解水素水の溶存水素濃度を計算する。制御手段６は、第１極室４０ａにて生成された電解酸性水の溶存酸素濃度を計算するように構成されていてもよい。

ところで、電解室４０にて生成された電解水素水は、第１出水路５６又は第２出水路５７を移動する際、物理的な衝撃によってその溶存水素濃度が低下する。従って、吐水口５３ｚから現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度は、上記電解電流及び水量に基づいて算出された溶存水素濃度とは異なる場合がある。

上記電解水素水が受ける物理的な衝撃は、電解水素水を構成する分子と、各水管５１，５２，５３，５４及び流路切替弁５５の内壁との衝突及び電解水素水を構成する分子同士の衝突等によって引き起こされる。従って、上記衝撃の頻度や大きさは、第１出水路５６及び第２出水路５７の形状に依存すると考えられる。

例えば、第１出水路５６及び第２出水路５７が長く形成されている場合、衝撃を受ける回数が多くなると考えられる。また、第１出水路５６及び第２出水路５７の少なくとも一部が大きい曲率で形成されている場合、受ける衝撃は大きくなると考えられる。

そこで、本実施形態では、制御手段６が、第１出水路５６及び第２出水路５７の形状に関するパラメーターに応じて、溶存濃度を補正する。これにより、制御手段６は、吐水口５３ｚから現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度を正確に算出できるようになる。

制御手段６によって算出され、さらには補正された溶存濃度に関する情報は、例えば、電解水素水の吐出中又は吐出後に、表示手段８によって表示される。これにより、ユーザーは、吐水口５３ｚから現に吐出され、摂取しようとしている電解水素水の溶存水素濃度を逐次確認することが可能となり、電解水生成装置１の商品価値が高められる。

図３は、電解水素水を生成して吐水口５３ｚから吐出する際の制御手段６の処理を示している。ユーザーによって水栓のハンドル等が操作され、浄水カートリッジ２に原水が流入する。これに伴い、流量センサー３２によって検出された水量が予め定められた第１閾値を超えると（Ｓ１においてＹ）、制御手段６は、第１給電体４１及び第２給電体４２への電解電圧の印加を開始し（Ｓ２）、電解水素水が生成される。

そして、制御手段６は、流量センサー３２によって検出された水量に基づいて、必要な溶存濃度を得るための電解電流の目標値を決定し、電解電圧をフィードバック制御する（Ｓ３）。さらに制御手段６は、電流検出手段４５によって検出された電解電流及び流量センサー３２によって検出された水量に基づいて、電解室４０にて生成された電解水素水に溶け込んでいる水素の溶存濃度を計算する（Ｓ４）。

その後、制御手段６は、流路切替弁５５の動作に関するフラグを参照し、ユーザーによって選択された所望の電解水素水を取り出すために有効に機能している出水路を確認する（Ｓ５）。そして制御手段６は、メモリに格納されている第１出水路５６又は第２出水路５７の形状に関するパラメーターを読み出し、これを用いて、溶存水素濃度を補正する（Ｓ６）。さらに、制御手段６は、補正した溶存水素濃度に関する情報を、表示手段８から表示させる（Ｓ７）。

上記Ｓ３乃至Ｓ７の処理は、流量センサー３２によって検出された水量が予め定められた第２閾値を下回るまで継続される（Ｓ８においてＮ）。そして、ユーザーによって水栓のハンドル等が操作され、上記水量が第２閾値を下回ると（Ｓ８においてＹ）、電解電圧の印加を停止して（Ｓ９）、表示手段８による表示を停止させる（Ｓ１０）。

各出水路５６、５７の形状に関するパラメーターとしては、各出水路５６、５７の長さに相当するパラメーターが挙げられる。なお、出水路５６の長さに相当するパラメーターには、第１水管５１及び第３水管５３の長さのみならず、流路切替弁５５内の経路に沿った長さも考慮されるのが望ましい。

例えば、電解水素水が各出水路５６、５７を移動する際の溶存水素濃度の低下量は、各出水路５６、５７の長さと正の相関があるとして、制御手段６のメモリには、各出水路５６、５７の長さに相当するパラメーターと溶存水素濃度の低下量との関係式が格納されている。制御手段６は、上記関係式を用いて溶存水素濃度を補正することにより、吐水口５３ｚから現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度を正確に算出できるようになる。

電解水生成装置１は、通常、流し台上でシンクの周辺に設置される。そして、吐水口５３ｚは、水栓から管状にのびるスパウトの先端に取り付けられた切替ユニットに設けられる。このため、第３水管５３の長さは、切替ユニットに対する電解水生成装置１の相対的な位置に依存する場合がある。そこで、電解水生成装置１を設置する作業者が、第３水管５３の長さに関する情報を制御手段６のメモリに記憶させるように構成されていてもよい。この場合、個々の電解水生成装置１の設置形態に応じて、溶存濃度を正確に補正することが可能となり、溶存濃度の算出精度がより一層高められる。

各出水路５６、５７の形状に関する別のパラメーターとしては、各出水路５６、５７の経路に沿った曲率（以下、単に曲率とする）に相当するパラメーターが挙げられる。この場合、適用されるパラメーターは、曲率の最大値であってもよいし、微小区間の曲率を経路に沿って積分した値であってもよい。なお、出水路５６の曲率には、第１水管５１及び第３水管５３の曲率のみならず、流路切替弁５５内の経路に沿った曲率も考慮されるのが望ましい。

例えば、電解水素水が各出水路５６、５７を移動する際の溶存水素濃度の低下量は、各出水路５６、５７の曲率と正の相関があるとして、制御手段６のメモリには、各出水路５６、５７の曲率に相当するパラメーターと溶存水素濃度の低下量との関係式が格納されている。制御手段６は、上記関係式を用いて溶存水素濃度を補正することにより、吐水口５３ｚから現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度をより一層正確に算出できるようになる。

各出水路５６、５７の内部の流路に突出する凸部が存在する場合、凸部の数及び大きさ等は、各出水路５６、５７の形状に関するさらに別のパラメーターとして、吐水口５３ｚから現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度の算出に適用されてもよい。例えば、流路切替弁５５を構成する部品は、各出水路５６、５７の内部の流路に突出する凸部となる場合がある。

制御手段６は、複数種類の上記パラメーターを組み合わせて、溶存濃度を補正するように構成されていてもよい。これにより、制御手段６は、吐水口５３ｚから現に吐出される電解水素水の溶存水素濃度をより一層正確に算出できるようになる。

図４は、図１の電解水生成装置１の変形例である電解水生成装置１Ａを示している。電解水生成装置１Ａは、電解槽４及び出水部５のレイアウトの関係上、第１水管５１及び第２水管５２の長さ、曲率が互いに異なっている点で、電解水生成装置１とは異なる。すなわち、第１水管５１の長さは第２水管５２の長さよりも著しく大きく、第１水管５１の曲率は第２水管５２の曲率よりも著しく大きい。電解水生成装置１Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解水生成装置１の構成が採用されうる。

制御手段６は、流路切替弁５５の動作に伴い、第１水管５１及び第２水管５２のうちいずれが第３水管５３と連通しているかを把握している。従って、制御手段６は、有効に機能している出水路５６又は５７の長さに相当するパラメーターをメモリから読み出して、溶存水素濃度を補正する。また、制御手段６は、有効に機能している出水路５６又は５７の曲率に相当するパラメーターをメモリから読み出して、溶存水素濃度を補正する。これにより、第１水管５１及び第２水管５２の構成の違いに関わらず、適切なパラメーターを用いて溶存水素濃度を精度よく補正することが可能となる。

以上、本発明の電解水生成装置１が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、電解水生成装置１は、少なくとも、互いに極性が異なる第１給電体４１及び第２給電体４２が配置された電解室４０内で水を電気分解し、陰極側で得られた電解水素水を出水路５６，５７を経由して吐水口５３ｚから吐出する電解水生成装置１であって、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給される電流を検出する電流検出手段４５と、単位時間あたりに電解室４０に供給される水量を検出する流量センサー３２と、上記電流及び水量に基づいて、電解水素水に溶け込んだ水素の溶存濃度を計算する溶存濃度計算手段６１と、電解室４０から吐水口５３ｚに至る出水路５６，５７の形状に関するパラメーターに応じて、溶存濃度を補正する溶存濃度補正手段６２と、を備えていればよい。

１ ：電解水生成装置
１Ａ ：電解水生成装置
６ ：制御手段（溶存濃度計算手段、溶存濃度補正手段）
８ ：表示手段
３２ ：流量センサー
４０ ：電解室
４０ａ ：第１極室
４０ｂ ：第２極室
４１ ：第１給電体
４２ ：第２給電体
４３ ：隔膜
４５ ：電流検出手段
５３ｚ ：吐水口
５５ ：流路切替弁
５６ ：第１出水路
５７ ：第２出水路
６１ ：溶存濃度計算手段
６２ ：溶存濃度補正手段

Claims (3)

1. 互いに極性が異なる第１給電体及び第２給電体が配置された電解室内で水を電気分解し、陰極側で得られた電解水素水を出水路を経由して吐水口から吐出する電解水生成装置であって、
   前記第１給電体及び第２給電体に供給される電流を検出する電流検出手段と、
   単位時間あたりに前記電解室に供給される水量を検出する流量センサーと、
   前記電流及び前記水量に基づいて、前記電解水素水に溶け込んだ水素の溶存濃度を計算する溶存濃度計算手段と、
   前記電解室から前記吐水口に至る出水路の形状に関するパラメーターに応じて、前記溶存濃度を補正する溶存濃度補正手段と、を備える電解水生成装置。
2. 前記パラメーターは、前記出水路の長さを含む請求項１記載の電解水生成装置。
3. 前記パラメーターは、前記出水路の経路に沿った曲率を含む請求項１又は２に記載の電解水生成装置。

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