JP6539131B2

JP6539131B2 - 機能水生成器

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Publication number: JP6539131B2
Application number: JP2015132293A
Authority: JP
Inventors: 寺島　健太郎; 健太郎寺島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-07-01
Also published as: JP2017013001A

Description

本発明は、水の電気分解によって発生した水素ガスを利用する機能水生成器に関する。

水素水の効用はこれまで生体内の有害な活性酸素及びフリーラジカルを除去する効果があるとして様々な研究がなされている。例えば、ＷＯ２００７−２１０３４参照。こうした抗酸化成分を生体中で発現させる場合、水中に溶存させる水素ガス濃度は可能な限り高くする必要がある。

従来、水道水を用いて電気分解により水中の水素濃度を増加させる場合、陰極表面から発生する水素ガスを水中に溶かしこむことによって水中の水素濃度を増加させるのが通例であり、例えば通常の整水器などのようなプレート状電極の間で発生した水素を水中に溶かしこむ手法を用いた商品など、多くの商品が上市されている。

しかし、水中の水素濃度は静的条件にて電解を行った場合の水素ガス溶存濃度は１気圧の下では１．６ｐｐｍが最大であり、電解時に同時発生する酸素ガスの濃度によっては、この濃度は更に低下する。

一方、水素ガスを水中に効率よく溶存させるための手法としては電解によって生じた酸素ガスを除去し、更に、水を撹拌させる等の搖動を与えることによって水素ガス溶存度を一時的に過飽和まで上げることができることが知られており、この方法により水素ガス濃度を３ｐｐｍ以上にまで増加させることが可能である。

上記手法の代表例として、任意形状の枠体に陽極と陰極から成る電極を取り付けると共にこの陽極と陰極間にセパレータを配置して成る電極部と、前記電極部の陽極と陰極に通電するための通電部とからなる水素水生成用撹拌具が知られている。（特許文献１、以降先行例１とする）

また、別の例としては、水素の微細気泡を効率的かつ安定的に発生させることができ、長時間にわたって水中に水素を存在させて酸化還元電位を低く維持することができる水素還元水を効率的に製造可能な水素還元水の製造方法が提案されている。（特許文献２、以降先行例２とする）

特開２００５−９５８０８号公報特開２００９−１９５８８２号公報

しかしながら、先行例１に示されている通常の撹拌方法では陽極と陰極で発生したガスを共に水中に溶存させるため、所望のガスのみを高濃度で水中に溶解させることは出来なかった。また、先行例２に示されているような手法によりガスを細径化して溶存させる手法を採る場合、旋回流を作った後、ガスを溶存させる必要があるため、機器としては大型化し、一般家庭に容易に導入しづらい、という問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明に係る撹拌式機能水生成器は、中央部に第１電極を配し、周囲に第２電極として円筒状の網目構造電極を配し、前記第１電極と第２電極の間に水の浸漬時において、気体のみ分離可能な隔膜を配置した。また、略円筒構造からなる水の電解容器において、前記電解容器の下部に旋回流発生部を更に設け、前記電解容器の上部に排気口を設け、且つ、第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋を設けたことを特徴とする。

また、本発明では、生成する機能水を水素水とする。また、前記第１電極は炭素棒で陽極であることを特徴とする。

また、本発明では、前記着脱可能な蓋は加圧可能な機構を有することを特徴とする。

また、本発明では、前記金属電極は電極材の一部を円筒形状の中心、又は、外方向に向かう突起部として設けることを特徴とする。

また、本発明では、前記電解容器は本体に対して着脱可能であることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、隔膜を水の浸漬時において気体を分離する材質とするので、電解時に第１電極から発生するガスを電解槽外に放出し、第２電極から発生するガスのみを水中に溶かしこむことが可能であり、また、第２電極の電極材の一部を円筒形状の中心方向に向かう突起部として設けることで効果的にガスを溶存させるができる。

これにより、生成する機能水を水素水とするとき、比較的コンパクトな機構を有しながら、水素ガスのみを効果的に水中に溶かしこむことが可能な撹拌式水素水生成器を形成することができる。

本発明の実施の形態1に係る機能水生成器の構造を示す図である。本発明の実施の形態２に係る機能水生成器の構造を示す図である。本発明の実施の形態２に係る機能水生成器の撹拌の状態を示す図である。本発明の実施の形態３に係る機能水生成器の構造を示す図である。本発明の実施の形態４に係る機能水生成器の構造を示す図である。本発明の実施の形態４に係る機能水生成器の断面構造を示す図である。本発明の実施の形態５に係る機能水生成器の構造を示す図である。本発明の実施の形態６に係る機能水生成器の構造を示す図である。

〔実施の形態１〕
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る撹拌式水素水生成器の構成を示す一例である。

本発明の撹拌式機能水生成器１０１は、中央部に第１電極１を配し、周囲に第２電極２として円筒状の網目構造を有する金属電極を配し、前記第１電極１と第２電極２の間に、水の浸漬時において、水中の溶解イオンは透過可能であり、気体のみ分離可能な隔膜３を配置した。また、略円筒構造からなる水の電解容器４において、前記電解容器４の下部に旋回流発生部５を更に設け、前記電解容器４の上部に排気口６を設け、且つ、第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋７を設けたことを特徴とする。また、第１電極１と第２電極２との間に直流電圧を印可するための電源部９を備える。

上記構成の電気分解部の動作について説明する。先ず、電解容器４内に原水を供給する。使用する原水としては、普通の水道水を用いることができる。具体的には、例えば、大阪府八尾市の水道水（ｐＨ＝７．６、硬度４５ｍｇ／Ｌ）を用いることができる。

前記電解容器４において電気分解が行われる。電解用電極としては、例えば中央に第１電極１として直径５〜１０ｍｍの炭素棒電極を配置し、第２電極２としては網目構造を持つ円筒状の金属電極を配置する。中央の炭素棒電極と周囲の金属電極の表面距離が１０〜２０ｍｍ程度となるように設置し、電気分解を行う。

この時、第１電極１、では以下式（１）、及び、第２電極２では式（２）の反応により、酸素ガス、及び、水素ガスが発生する。
Ｈ_２Ｏ→１/２Ｏ_２↑＋２Ｈ^＋＋２ｅ^― ・・・式（１）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^―→Ｈ_２↑＋２ＯＨ^― ・・・式（２）

この時、前記第１電極１と第２電極２の間に、水の浸漬時において、水中に溶存しているイオンは透過可能であり、気体は分離可能な隔膜３を配置し、第１電極１から上記式（１）により発生する酸素ガスを、開放された第１電極室上部の排気口６から外部に放出させ、第２電極２から上記式（２）により発生する水素ガスのみを内部に滞留させる。

上記中央に配置した第１電極１である炭素棒電極は、チタン棒表面に白金などをコートした金属電極としても電気分解は行うことが可能である。陽極を金属電極とすると酸素ガスが発生しやすいというメリットがある。一方、炭素棒電極で作った場合、コスト安の他に、金属電極に比べて仕事関数が大きいため、同一電圧値において電解による酸素ガス発生を少なくできるというメリットがある。

また、前記第２電極２として用いる円筒状の金属電極は、電極の内と外で通水し易い構造であることが望ましく、例えば網目成形、ラス成形、パンチングメタル成形などによって成形しても良い。また、金属電極としては水の電気分解を効率的に行いやすい金属、例えば白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウムの内、いずれか１つの金属またはその合金の他、それらの酸化物が好適である。

また、前記気体分離可能な隔膜３は、上記中央の電極の周囲を取り囲み、第１電極１で発生する酸素ガスが上記気体分離可能な隔膜３から外に漏れ出ない構造とする。例えば試験官状の構造、縦長のすり鉢構造などが考えられる。また、プラスチックによる骨組みに対して当該隔膜３を貼り付けるなどして素材の形状補強を行っても良い。当該隔膜３の素材としては、綿、麻、毛、絹などの天然繊維や、レーヨン、キュプラなどに代表される親水性繊維の他に、デュポン社のナフィオン(R)（登録商標）といったイオン交換膜などで形成してもよい。

生成する機能水を水素水とするとき、本発明では、前記電解容器４の下部に旋回流発生部５を更に設け、気体分離可能な隔膜３により選択的に水中に放出される水素ガスに対して旋回流を発生し、掛かる旋回流により発生したせん断流を用いて、水素ガスを水中に効果的に溶存させることができる。

〔実施の形態２〕
本実施の形態は、実施の形態１の蓋７に圧力を掛けるためのロック機構８を追加して備えたものである。その他の部分は、実施の形態１と同じであり、同じ機能部には同じ符号を付して説明を省略する。
前記電解容器４の上部に設けた蓋７は着脱可能であり、更に、図２に示すように可動ヒンジ部を設けた２〜４箇所程度のロック式の機構を有していることが望ましい。これは、このような機構とすることで、第２電極２である金属電極で発生した水素ガスを加圧状態において旋回流で水中に溶解させることが可能となるためであり、掛かる機構を設けることで水素ガスの溶解度を更に増加させることが可能である。なお、加圧機構としてはスクリューねじ込み式などであっても良いが加圧可能な機構であればこれらに限定されるものではない。

本発明の撹拌式機能水生成器１０２は、前記電解容器４において電気分解および旋回流の発生が行われる。例えば、中心に直径５ｍｍ、高さ７０ｍｍの炭素棒を第1電極１として陽極とし、表面距離１０ｍｍにて高さ７０ｍｍラス形状の白金コートチタン電極を第2電極２として陰極として周囲に設ける。電圧値：３５〜４５Ｖの直流電気で電気分解を行った時、電解直後から各電極表面で酸素及び水素が発生する。実施の形態１と同様に酸素が選択的に除去され、加圧された水素ガスに対し回転数９００〜１２００ｒｐｍ程度の旋回流を旋回流発生部５で発生させることにより、２〜３分程度で水素濃度３ｐｐｍ以上の高濃度の水素水を生成することができる。

なお、図３に示すように、電解容器４に旋回流を生じると遠心力によって、水面が中心部で低く周縁部で高くなるが、前記第１電極１、第２電極２の少なくとも一方は撹拌中も電極全体が水に浸漬されていることが望ましい。これは常に電極が水に浸かっていることにより電解効率を向上させ、ガスを発生させ易くする理由の他に、必ずどちらかの電極が水に浸かっていることで、両極間で電流がショートし火花放電が発生することを防止するため、安全面から必要と考えられるからである。なお、図中の白抜き矢印は旋回流を示す。

〔実施の形態３〕
本実施の形態は、実施の形態２の第２電極２に突起部を追加して備えたものである。その他の部分は、実施の形態２と同じであり、同じ機能部には同じ符号を付して説明を省略する。本発明の別の実施例に係る形態を以下、図面に基づいて説明する。図４は、本発明に係る撹拌式機能水生成器の構成を示す。

本発明の撹拌式機能水生成器１０３は、中央部に第１電極１を配し、周囲に第２電極２として円筒状の網目構造を有する金属電極を配し、前記第１電極１と第２電極２の間に、水の浸漬時において、イオンが透過可能であり、気体のみ分離可能な隔膜３を配置した。略円筒構造からなる水の電解容器４において、前記電解容器４の下部に旋回流発生部５を更に設け、前記電解容器４の上部に排気口６を設け、且つ、第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋７を設け、更に、前記第２電極２である金属電極は電極材の一部を円筒形状の中心方向に向かう突起部１０が設けられていることを特徴とする。

上記電気分解部と隔膜部の作用は実施例１に述べた通りであるが、本実施の形態では第１電極１を陽極、第２電極２を陰極とし、第２電極２を形成する電極材の一部に突起部１０を設ける。旋回流が及ぶところであれば、突起部１０は、第２電極の径方向の外向きであっても、内向きであってもよい。

これは、通常の場合、旋回流を発生させても電解容器４内の水は同心円状の流れを形成するため、表面が平滑な状態の場合、せん断流は主に旋回流発生部５の周囲でのみ発生する。しかし、第２電極２を形成する電極材の一部に突起部１０を設けた場合、せん断流はこれら突起部１０の表面でも生じる。旋回流の流路に対して高さ２〜５ｍｍ程度の突起部を設けることにより、せん断流を発生させ易くし、せん断流によって未溶存の水素ガスを数μｍ〜数１０μｍ程度の微細粒径泡、いわゆるマイクロバブルとして溶解させ、水中の水素ガス濃度を更に増加させることができる。

なお、前記第２電極２である金属電極上の突起部１０は中心方向を向いていることが望ましい。これは、中心方向に向けることで突起部１０の先端を中心に水素ガスが生じやすくなるためである。また、電極を取り外して洗浄する際に引っかかりが無いため、洗浄が容易になる。

〔実施の形態４〕
本実施の形態は、実施の形態３の電解容器４の内壁に突起部を追加して備えたものである。その他の部分は、実施の形態３と同じであり、同じ機能部には同じ符号を付して説明を省略する。以下、図面に基づいて説明する。図５は、本発明に係る撹拌式機能水生成器の構成を示す。また、図６は図５の電解容器４を水平に切断した断面図である。

本発明の撹拌式機能水生成器１０４は、中央部に第１電極１を配し、周囲に第２電極２として円筒状の網目構造を有する金属電極を配し、前記第１電極１と第２電極２の間に、水の浸漬時において、イオンが透過可能であり気体のみ分離可能な隔膜３を配置した。略円筒構造からなる水の電解容器４において、前記電解容器４の下部に旋回流発生部５を更に設け、前記電解容器４の上部に排気口６を設け、且つ、第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋７を設け、更に、前記第２電極２である金属電極には電極材の一部を円筒形状の中心方向に向かう突起部１０とし、さらに電解容器４の内壁に突起１１が設けられていることを特徴とする。

本実施の形態では実施の形態３で説明した突起と同様の突起を突起１１として電解容器４の内壁に設けた。第１電極１を陽極、第２電極２を陰極として電解を行うと、第１電極から酸素ガス、第２電極から水素ガスが発生する。本実施の形態では、第２電極２の突起によって発生させられる微細粒径の水素ガスが、電解容器４の突起１１からも発生するせん断流で微細化される。旋回流の流路に対して高さ２〜５ｍｍ程度の突起部を設けることにより、せん断流を発生させ易くし、せん断流によって未溶存の水素ガスを数μｍ〜数１０μｍ程度の微細粒径泡、いわゆるマイクロバブルとして溶解させ、水中の水素ガス濃度を更に増加させることができる。

〔実施の形態５〕
本発明の別の実施例に係る形態を以下、図面に基づいて説明する。図７は、本発明に係る撹拌式機能水生成器１０５の構成を示す。

本発明の撹拌式機能水生成器１０５は、実施の形態３の機能水生成器１０３の発展形である。中央部に第１電極１を配し、周囲に第２電極２として円筒状の網目構造を有する金属電極を配し、前記第１電極１と第２電極２の間に、水の浸漬時においてイオン透過可能であり気体のみ分離可能な隔膜３を配置した。略円筒構造からなる水の電解容器４において、前記電解容器４の下部に旋回流発生部５を更に設け、前記電解容器４の上部に排気口６を設け、且つ、第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋７を設けた。第１電極１を陽極、第２電極２を陰極として電解を行う。前記第２電極２の金属電極には、電極材の一部を円筒形状の中心方向に向かう突起部１０が設けられている。本実施の形態では、更に、水素水の生成が完了した後、前記電解容器４は本体１２に対して着脱可能であることを特徴とする。

上記本体１２と電解容器４部分の接続は、ジュースミキサーなどで汎用されている接続形態などでよく、取り外しの際は、先ず上部の蓋７部分を取り外し、次いで第１電極１、第２電極２、隔壁３を備える電極容器を本体から取り外す。以上により、電解容器４に蓄えられた電解撹拌後の高濃度水素水をコップ１３などに移し替えることが可能であり、また、一度コップ１３に移し替え、放置されて水素が揮散してしまった水素水に再度電解撹拌をして水素を再溶存させるなど、需要者の利便性を向上させることができる。

〔実施の形態６〕

本実施の形態の撹拌式機能水生成器１０６は、実施の形態５の変形例である。構造は、図８に示す。実施の形態５と同じ機能を持つ機能部品には同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の撹拌式機能水生成器１０６は、中央部に第１電極１を配し、周囲に第２電極２として円筒状の網目構造を有する金属電極を配し、前記第１電極１と第２電極２の間に、水の浸漬時においてイオン透過可能であり気体のみ分離可能な隔膜３を配置した。略円筒構造からなる水の電解容器４において、前記電解容器４の下部に旋回流発生部５を更に設け、前記電解容器４の上部に排気口６を設け、且つ、第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋７を設けた。実施の形態５とは、出力の極性が異なる電源部９０が備えられる。

本実施の形態では、実施の形態１〜５と異なって、第１電極１を陰極、第２電極２を陽極として電解を行う。第１電極に炭素棒、第２電極に白金コート電極を使用するのが好ましい。また、第２電極２の電極には、電極材の一部を円筒形状の中心方向に向かう突起部１０が設けられている。本実施の形態では、更に、機能水の生成が完了した後、前記電解容器４は本体１２に対して着脱可能であることを特徴とする。

このような構成とすることで、本実施の形態の撹拌式機能水生成器１０６は、オゾン水生成器として機能する。陰極である第１電極からは水素ガスが発生し排気口６から室内に拡散する。陽極である第２電極からは酸素ガス及びオゾンガスが発生する。オゾンは酸素よりも水に溶けやすいので、結果的にオゾン水が生成される。

略円筒構造からなる水の電解容器４の下部に旋回流発生部５を設けて、電解容器４の水を旋回させる。このようにすることで、第２電極に設けた突起部１０による剪断力で酸素ガス、およびオゾンガスがさらに微細粒径泡にされる。第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋７は、これらのガスの溶解を促進する。

本実施の形態では、電解容器４に蓄えられた電解撹拌後の高濃度オゾン水をコップ１３などに移し替えることが可能であり、また、一度コップ１３に移し替え、放置されてしまったオゾン水に再度電解撹拌をしてオゾンを再溶存させるなど、需要者の利便性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１において、電解槽の中心に炭素電極からなる第１電極と、金属電極からなる第２電極を設置する。第２電極は通水可能に金網構造や穴あき構造であることが好ましい。第１電極と第２電極の間に、水中のイオンは透過可能であるが空気は透過させない材質で隔壁を形成する。第１電極を陽極、第２電極を陰極として電解を行うとき、第１電極からは酸素、第２電極からは水素が発生する。

本発明では、気体を透過させない隔壁に妨げられて、第１電極から発生した酸素は、第２電極から発生した水素と混合されない構造となっている。第１電極から発生した酸素は、電極の上部に設置した排気口から室内へ拡散される。また、第２電極から発生した水素は、電解容器内の水に溶解される。これによって、いわゆる水素水が得られる。

本発明では、水素の溶解を助けるために、電解容器の底部に撹拌装置（旋回流発生機）を設置した。また、隔壁と電解容器外郭との間は蓋によって覆われ、水中から室内への水素の拡散が防止される。

本発明の態様２では、態様１で設けた蓋に圧力をかけるロック機構が追加される。これによって、電解容器中の水素濃度が高められる。

本発明の態様３では、第２電極に複数の突起が設けられる。突起は電解容器の径方向の内側、または外側に向いており、電解容器中の旋回流がこれらの突起に当たることでせん断力が発生する。水中の水素の泡がせん断力によって微細化され、いわゆるマイクロバブルとなって混合され、長時間安定して水中に留まることが出来る。これによって、水中の水素濃度が高くできる。

本発明の態様４では、態様３の構造に加えて電解容器の内壁にも突起が設けられる。突起は、第２電極に設けたものと同様の形状であって、電解容器の壁沿いの旋回流にせん断力が発生する。第２電極と電解容器壁との双方で、水中の水素の泡がせん断力によって微細化され、マイクロバブルとなって混合され、態様３よりも多くの泡が長時間安定して水中に留まることが出来る。これによって、水中の水素濃度がより高くできる。

本発明の態様５では、態様３で開示した電解容器部分を取り外し可能に構成した。このようにすることで、水素が溶け込んだ水素水を簡単に飲用などに使用することが出来る。

本発明の態様６では、態様５で開示した水素水発生器を第１電極と第２電極の極性を入れ替えて酸素水発生器、もしくはオゾン水発生器としたものである。第１電極を陰極、第２電極を陽極として、第１電極から水素、第２電極から酸素とオゾンを発生させる。第１電極から発生した水素は、排気口から室内へ拡散される。

第２電極から発生した酸素またはオゾンは、電解容器内の水に溶解する。オゾンは酸素よりも水に溶けやすいため、いわゆるオゾン水が得られる。これによって、傷の消毒などに家庭でも簡単にオゾン水が有する殺菌力を利用することが可能になる。

１第１電極
２第２電極
３隔壁
４電解容器
５旋回流発生部
６排気口
７蓋
８ロック機構
９、９０電源部
１０、１１突起部
１２本体
１３コップ

Claims

略円筒構造からなる水の電解容器と、
前記電解容器内の中央部に配された第１電極と、
前記第１電極の周囲に配され、円筒状の網目構造を有する金属電極である第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に配され、気体のみを分離し、前記電解容器内の水に浸漬させた時に水中に存在するイオンを透過させることができる隔膜と、
前記電解容器の下部に設けられ、前記電解容器に旋回流を発生させる旋回流発生部と、
前記第１電極の上部に設けられた排気口と、
第２電極部上部を密閉する着脱可能な蓋と、
を設けたことを特徴とする、撹拌式機能水生成器。
請求項１において、前記第１電極は炭素棒であることを特徴とする、撹拌式機能水生成器。
請求項１又は２において、前記着脱可能な蓋は加圧可能な機構を有することを特徴とする、撹拌式機能水生成器。
請求項１乃至３において、前記金属電極が円筒状の中心方向、又は、外方向に向かう突起部を有することを特徴とする、撹拌式機能水生成器。
請求項１乃至４において、前記電解容器が接続される本体を有し、前記電解容器は前記本体に対して着脱可能であることを特徴とする、撹拌式機能水生成器。