JP6798994B2 - ＵｐＡセルのｐＨ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、一方向性のｐＨ調整セル内のｐＨを決定するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、一方向性のｐＨ調整セル内のｐＨを計算することに関係する。

水の一方向性のｐＨ調整（ＵｐＡ）は、水の電気分解中に酸性又はアルカリ性の水を一方向に生成するために使用することができる。ＵｐＡセルは、調理、醸造、食品洗浄、スケール除去等を含む種々の用途において使用される。

水の電気分解は、電力によって、水分子が式（１）において示される水素及び酸素ガスに分割されるプロセスである。通常、電解槽が利用される。陽極では、水分子は水素イオンを生成しながら酸素ガスに酸化される（式（２））。陰極では、水分子は水酸化イオンを生成しながら水素ガスに還元される（式（３））。

一方向性のｐＨ調整の間、作用電極の水のｐＨは安定したまま維持され、対電極の水のｐＨのみが変化する。いくつかの対策が、作用電極の水のｐＨの安定化を介して、酸性又はアルカリ性の水の一方向性の生成を実現するために取られてもよく、その対策とは、望ましくない水素イオン又は水酸化イオンの（樹脂を使用した）イオン交換又は化学的中和、ハーフセル電解質として緩衝液を利用すること、電極半反応（ｈａｌｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を抑制するコンデンサベースの技術等を含む。

ＵｐＡセルのｐＨ制御は、作動中、非常に重要である。一方で、ｐＨ制御は、異なる用途に応じて所望のｐＨを有する水が生成されるということを保証する。加えて、水質が保証される。一般的に、ｐＨの制御を実現するには、印刷されたｐＨセンサ及び従来のｐＨ電極等、少なくとも１つのｐＨセンサを使用することを要求し、ＵｐＡセルからの生成される水のｐＨ値に対する計測が要求される。次に、測定された値は制御部に送られ、それに応じて、関連する装置のパラメータを調整して所望のｐＨ値を達成する。

特許文献１は、ｐＨが電気分解で調整されるイオン水生成装置を開示している。イオン水生成装置のｐＨは、電解チャンバを通過した後の水の導電率を決定するための導電率センサを利用することによって制御される。
特許文献２は、ｐＨ調整器、ｐＨ調整器を含む装置及びｐＨを調整する方法を開示している。

特に、ＵｐＡセルからの生成される水のｐＨを制御する家庭用には、ｐＨセンサ、又は、導電率センサ等のｐＨを間接的に決定するいかなる他のセンサを利用することも、比較的高価であり、一部の用途においては、ｐＨ値に対する要求はそれほど正確なものではない（例えば、食品洗浄に対しては、１１〜１３の範囲の各値は許容されると考えられる）ため、ある程度までは必要ではない。

ＵｐＡ装置において明らかに利用されているセンサは、さらに、技術的な故障に陥りやすい。加えて、センサは、メンテナンス及び適切な使用に関してかなり複雑である。

ＪＰ２００６１６７７０６ ＷＯ２０１４／１０２６３６ Ａ１

従って、使用し易く且つ信頼性の高いＵｐＡセルのｐＨを制御するための装置及び方法を提供することが本発明の目的である。別の目的は、流出水（ｏｕｔｌｅｔ ｗａｔｅｒ）のｐＨ値を直接又は間接的に決定するためのいかなるセンサの使用も必要としない装置及び方法を提供することにある。さらに別の目的は、ＵｐＡセルのｐＨを制御するための強固で安価な装置を提供することにある。

本発明は、付随の特許請求の範囲において規定されている。
本発明の第１の態様において、一方向性のｐＨ調整セル（ＵｐＡ）のｐＨを制御する装置が提供される。当該装置は、一方向性のｐＨ調整セル；所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータを受信するための受信ユニット；所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータに基づきＵｐＡセルのパラメータを計算するように構成されたコンピュータ計算モジュール；及び、計算されたＵｐＡセルのパラメータに基づきＵｐＡセルを制御するように構成された制御モジュール；を含む。

本発明の別の態様によると、ＵｐＡセルのｐＨを制御する方法が提供される。当該方法は：一方向性のｐＨ調整セルを提供するステップ；所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータを受信するステップ；所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータに基づきＵｐＡセルのパラメータを計算するステップ；計算されたＵｐＡセルのパラメータに基づきＵｐＡセルを制御するステップ；を含む。

本発明の別のさらなる態様において、コンピュータプログラムが提供され、当該コンピュータプログラムはコンピュータにおいて実行される場合、コンピュータに、本明細書において開示される方法のステップを実行させるプログラムコード手段を含む。

ＵｐＡセルのｐＨを制御するための本発明の装置及び方法は、所望のｐＨの要求に基づき所望の装置及び方法のパラメータ設定を決定するために使用されるモデルベースのコンピュータ計算の使用を意味する。従って、本発明の装置及び方法は、計算次第であり、さらに、いかなる推定／相関も要求しない。ｐＨセンサ又は導電率センサ等の、ｐＨを直接又は間接的に決定するセンサが含まれる必要はなく、本発明の装置及び方法を、費用効率が高く信頼できる家庭用に適したものにしている。加えて、本発明の装置及び方法によって計算されるｐＨは、ＵｐＡの作用電極表面で一般的なｐＨを反映し、ＵｐＡの下流のいかなるポイントでの従来のｐＨセンサの使用によって決定されるｐＨも反映しない。対電極表面におけるｐＨの知識は、電極表面の極端なｐＨ値が避けられ得るため、作用電極の寿命を延ばすのに寄与し、電極の失活を回避する。加えて、電極の表面におけるｐＨの知識は、電極の再生に寄与する。

本発明の装置及び方法に対して、流入水（ｉｎｌｅｔ ｗａｔｅｒ）又は供給される水のｐＨと流出水のｐＨとを区別する必要がある。流出水、すなわち所望のｐＨ値を有する水のｐＨは、作動時間及び電源パラメータ等、ＵｐＡセルのパラメータを計算するために使用される。流入水のｐＨは予め設定されているか、又は、例えばｐＨセンサ等のセンサ及びｐＨ指示紙を使用して等、既知の方法で装置及び／又は方法を使用する前に決定されてもよい。ｐＨ指示紙の使用が好ましい。好ましくは、流入水のｐＨ値を決定することは、１回だけ、すなわち、本発明の装置を設定するために行われる。流入水のｐＨは定期的に制御することができ、それに応じて予め設定されたパラメータは適合することができるということが正しく理解されることになる。この最初のｐＨ値は、本発明の装置及び方法の予め設定されたパラメータの１つとして役立ち得る。

当技術分野において既知のいかなるＵｐＡセルも使用することができる。そのようなＵｐＡセルは、本質的に、容器と、その中に配置される２つの電極とを含んでもよい。電極は、本質的に、平面であり、さらに、容器の両側に配置され、水の電気泳動を可能にしている。対電極は、水の酸化又は還元が発生する電極である。この電極は、例えばチタンから作製することができる。或いは、種々のステンレス鋼を利用することができる。作用電極は、本質的に、同じ材料から作製することができる。作用電極では、本質的に、水の酸化も還元も発生しない。これは、作用電極に交流を提供することによって達成され得る。或いは又は加えて、化学的中和が、例えば、水に添加される酸又は塩基を使用して発生してもよい。好ましくは、そのような酸又は塩基は食品適合性であり、さらに、例えばＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＨＣｌ及びＨ_２ＳＯ_４を含む。望ましくない水素イオン又は水酸化イオンのいずれかを除去するための既知の樹脂を使用したイオン交換も同様に使用することができる。他の可能性は、対電極に対するハーフセル電解質としての緩衝液の使用、及び／又は、電極半反応を抑制するコンデンサベースの技術を包含する。拡散層がＵｐＡセルの容器内に位置し、容器の内部空間を２つの部分に分ける。拡散層は、好ましくは、電極の近くに配置される。加えて又は或いは、拡散層は、作用電極と本質的に平行に配置される。従って、拡散層は内部空間を、拡散層と作用電極との間の大きな体積の水塊と、拡散層と対電極との間の比較的小さな体積とに分ける。水塊の体積と小さな体積との比は、１０：１以上であってもよい。５０：１以上、１００：１以上、２００：１以上、３００：１以上及び４００：１以上等、２０：１以上の関係が好ましい。好ましくは、水塊の体積対小さな体積の比は、少なくとも５００：１である。「拡散層」という用語は、本明細書において使用される場合、好ましくは、薄い水の層によって形成される仮想的な層を意味するが、通常、限られた拡散率より生じる大きな濃度勾配を有する。拡散層を形成する水の層の厚さは、例えば電流、セル内の流量条件及び電解質の含有量を含む多くのパラメータの影響を受ける。

本発明の装置及び方法に使用される流入水は、特に限定されず、例えば、水道水及び／又は工業用水を含んでもよい。水道水が好ましい。しかし、本発明の装置及び方法は水の使用に限定されないということが正しく理解されることになる。正しくは、いかなる水溶液も使用することができ、そのｐＨは一方向に調節されるはずである。「水溶液」は、本明細書において使用される場合、有機化合物等のあらゆる有機成分、及び／又は、無機塩等の無機成分との水のあらゆる混合物、すなわち電解質を含む。

ＵｐＡセルは、電気泳動を可能にするのに要求される電流を提供するために、作用電極及び対電極にそれぞれ接続される動力源をさらに有してもよい。動力源は特に限定されない。いかなる種類の動力源も利用することができる。

加えて、ＵｐＡセルには、流入口及び流出口が提供されてもよい。流入口側には、ＵｐＡセルに提供される水の流れを制御するための流量計が提供されている。従って、連続的及び／又は非連続的なＵｐＡセルが包含される。連続的なＵｐＡセルが、より小さい容器の容積が利用され得るという事実により、より少ない空間を要求するため好ましい。

「予め設定されたパラメータ」という用語は、本明細書において使用される場合、例えばＵｐＡに供されるであろう水を特徴付ける多くのパラメータを意味する。これらのパラメータには、所望のｐＨ値、すなわち、消費されるであろう流出水のｐＨが含まれる。他の予め設定されたパラメータは、例えば、水道水のｐＨ等、ＵｐＡセルに入る前の水のｐＨを表す最初のｐＨ値、供給される水の流動力学、生成される水の流動力学を含む。

「流動力学」又は「流体力学」という表現は、流入水及び流出水だけでなく、動いているバルク水の動きも意味する。これらの供給される水及び生成される水の流体力学は、ＵｐＡセルの制御をもたらすために使用することができる。特に、上記のパラメータは、ＵｐＡセルのパラメータを計算するために使用される。

他の予め設定されたパラメータは、寸法及び使用される材料等、ＵｐＡセルを特徴付けるために使用されてもよい。かなり単純なＵｐＡセルが、拡散層と対電極との間に位置する反応層の厚さ、拡散指数、拡散の厚さ、水の量及び拡散断面積を包含する多くの変数によって特徴付けられる。さらなるパラメータには、ファラデー定数等の定数が含まれる。

当該装置は、好ましくは、予め設定されたパラメータを自動的に、すなわち、特定のＵｐＡセルとの接続後に受信するように適応する。それに応じて、本発明の装置に予め設定されたパラメータを提供するための手段を含むＵｐＡセルが提供されてもよい。

受信ユニットは特に限定されない。例えば、受信ユニットは、装置の仕様書及び／又は供給される水として使用される水に従った装置のセットアップを可能にする予め設定されたパラメータ及び／又はＵｐＡセルのパラメータを入力するための入力ユニットである。「コンピュータ計算モジュール」及び／又は「制御モジュール」は、当業者には既知であり、例えばプロセッサ及びハードウェアコントローラを含む。

「計算する」又は「コンピュータ計算する」という用語は、本明細書において使用される場合、コンピュータ計算によって断定することに関係する。好ましくは、推定すること又は評価することは包含されない。従って、計算することは、好ましくは、ＵｐＡセルの制御を可能にする装置の入力間の関係、すなわち、予め設定された及び／又は入力された値から計算される１つ又は複数のＵｐＡセルのパラメータを確立する１つ又は複数の式の使用を利用する純粋な数学上の方法を意味する。

本発明の好ましい実施形態によると、受信ユニットは、最初のｐＨ値、供給される水の流動力学及び生成される水の流動力学、反応層の厚さ、電気化学反応速度、拡散指数、拡散層の厚さ、水の量及び拡散断面積を含む群から選択される少なくとも１つの予め設定されたパラメータをさらに受信する。

上述したように、予め設定されたパラメータは、供給される水及び／又は生成される水の特性で記載されるパラメータを意味する。これらの特性は、ｐＨ、流速、管状流及び／又は層流、粘度及び温度を含んでもよい。予め設定されたパラメータのいかなる組み合わせも利用することができる。例えば、最初のｐＨ値又は供給される水の流動力学又は生成される水の流動力学のみを使用することができる。好ましくは、３つのパラメータ全てが使用される。予め設定されたパラメータは、利用される（及び制御される）であろうＵｐＡセルを特徴付けるパラメータをさらに意味する。そのようなＵｐＡセルのパラメータは、好ましくは、反応層の厚さ、電気化学反応速度、拡散指数、拡散層の厚さ、セルの水の量及び拡散断面積を含む群から選択される。

作用電極及び対電極を有する容器を含む上記の好ましいＵｐＡセルの場合、拡散層と対電極との間の小さい体積、及び、拡散層と作用電極との間の水塊の体積に容器の体積を分ける拡散層をさらに示す。このシステムは、拡散層と対電極との間に位置する反応層の厚さを包含する多くの変数によって特徴付けられる。電気化学反応速度は、例えば可動コイル電流計、可動磁石電流計、可動鉄電流計、熱線電流計、デジタル電流計及び積算電流計を含む電流計を使用して測定され得る単位時間あたりの電子の流れに関する。さらなる例はピコアンメータを包含する。拡散指数又は拡散係数又は拡散率は、分子拡散によるモルフラックス（ｍｏｌａｒ ｆｌｕｘ）とその種の濃度における勾配との間の比例定数である。液体における拡散係数は、ストークス−アインシュタインの式を利用して計算することもできる。或いは、拡散指数は経験的に決定されてもよい。拡散層の厚さは、ナフィオン膜等の利用される膜の厚さ、又は、２つの膜の厚さの合計を意味し、２つの膜の場合の電解質溶液と、その間の電解質溶液は、水塊から反応層を分けるために利用される。水の量は、容器内の水の全体量、すなわち、水塊の体積及び反応層の体積を意味する。反応層の体積は本質的に無視できるため、容器内の水の全体量は水塊に対応すると考えられ得る。拡散断面積は、拡散層の表面積を表す。さらなるパラメータは、ファラデー定数を表す。

上記のパラメータは、好ましくは、全て予め設定されている。従って、当該装置のユーザは、ファラデー定数及び拡散指数の値を入力する必要はない。

ＵｐＡセルのパラメータに関するさらなる値は、ＵｐＡセルにおいて所望のｐＨ値を得るのに要求される期間を示す作動時間又は反応時間である。さらに別のパラメータは、所与の時間内に所望のｐＨ値を有する水を生成するのに要求される、例えば電流を含む電源パラメータである。通常、これらのパラメータの１つ、すなわち作動時間又は電源パラメータは予め設定されている。この場合、もう一方のパラメータ、すなわち電源パラメータ又は作動時間は計算され、さらに、装置を制御するために使用される。電源パラメータには、例えば電流及び電圧が含まれる。多くのこれらの電源パラメータの数は、電源の特徴次第であり、このように予め設定することができる。他のパラメータは、最新技術において既知の式を知ることによって計算することができる。好ましくは、電流を除く全ての電源パラメータは既知であり、さらに、予め設定されている。

本発明の装置及び方法は、例えば、電源パラメータのプリセット及び／又は（手動の）入力を可能にする。この場合、コンピュータ計算モジュールは作動時間のみを計算する。この場合、作動時間は、利用される電流に反比例する。或いは且つ好ましくは、作動時間及び好ましくは電流の電源パラメータのいずれのパラメータも、コンピュータ計算モジュールによって計算される。この場合、コンピュータ計算モジュールは、好ましくは、電流に対する中央値、及び、作動時間に対する中央値を利用するように調整される。

本発明の好ましい実施形態によると、コンピュータ計算モジュールは、式（４）乃至（７）に基づきＵｐＡセルのパラメータを計算するようにさらに構成され、式（４）乃至（６）は、

であり、ここで、ｄは反応層の厚さであり、Ｃ_ｓは反応層内のＯＨ⁻の濃度であり、ｔは時間であり、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｄは拡散指数であり、Ｃ_ｂはバルク水のＯＨ⁻の濃度であり、Ｌは拡散層の厚さ（Ｌ）であり、Ｖは水の量であり、Ａは拡散断面積であり、さらに、式（７）は、

であり、ここで、Ｃ_ｓ０は反応層内のＯＨ⁻の最初の濃度であり、Ｃ_ｂ０は水のＯＨ⁻の最初の濃度であり、さらに、ｐＨ０は水の最初のｐＨ値である。

この好ましい実施形態は、水を塩基性にするための水酸化イオン又は水を酸性にするためのプロトンの生成に取り組んでいる。例えば、水をより塩基性にするための水酸化イオンの生成を例にとると、対電極近くの、従って反応層内の水酸化イオンの量は、電気化学反応及びバルク水に対する質量拡散の減少のために増加し、従って、以下の式が成り立つ。

バルク層に対しては、拡散層からの質量拡散のためにＯＨ⁻の量が増加し、従って、以下の式が成り立ち、

式（４）乃至（６）を解くことによって、電極表面での並びに水塊における水酸化物濃度の変化が得られる。反応層内の水酸化物濃度及びバルク水内の水酸化物に対する最初の値は等しく、従って、以下の式

を使用して、供給される水道水等、供給される水のｐＨ値に基づき計算することができる。

水の最初のｐＨ値に対して、供給される水のｐＨ値を決定するための１つの好ましい方法は、ｐＨ指示紙の使用である。水道水のｐＨ値に対する一般的な基準は、通常、ｐＨ６．５から８．５の範囲内にある。従って、ユーザは、ｐＨ指示紙を使用してｐＨ値を測定し、さらに、その値を次の使用のために本発明の装置に入力することができる。或いは、上記の値は予め設定されていてもよい。

上記の式（４）から（７）の使用は、残りのパラメータが既知であれば、いかなるパラメータの計算も可能にするということが正しく理解されることになる。従って、本発明の装置及び方法は、予め設定されたパラメータから計算されたものを除いて、予め設定されたパラメータのいかなる組み合わせも可能にする。

本発明の別の実施形態によると、当該装置は、動力源を有するＵｐＡセルをさらに含む。

上述したように、いかなる種類のＵｐＡセルも利用することができる。特に、各寸法のＵｐＡセルを使用することができる。ＵｐＡセルの容器は、好ましくは立方体状であるか、又は、長方形の基底領域を有する容器である。この方向づけは、作用電極、拡散層及び対電極の平行配列を容易にする。従って、関連するＵｐＡセルのパラメータをより容易に決定することができる。加えて、そのような立方体状の物体又は長方形の基底領域を有する容器は、運搬及び取り扱いにより適している。２つの電極、すなわち作用電極及び対電極は、当技術分野において既知の適した動力源に接続される。動力源の制御は、本発明の装置及び方法による影響を受ける。ＵｐＡセルは、非連続的で、すなわち、手動で流入水を供給し且つ生成される水を除去するものであってもよく、又は、連続的で、すなわち、例えば流量計によって提供される制御された流入及び流出であってもよい。連続的な作動が、より効率的な制御の可能性及びＵｐＡセルの寸法を減らす可能性があるため、好ましい。

本発明の別の好ましい実施形態によると、ｐＨ調整セルはｐＨセンサを含まない。

「ｐＨセンサ」という用語は、ｐＨを直接又は間接的に決定するのに適したあらゆるセンサに関係する。ｐＨセンサは、例えば、ｐＨ電極及び印刷されたｐＨセンサを包含する。ｐＨを間接的に決定するためのセンサは、例えば導電率センサを包含する。

従って、本発明の装置及び方法は、所望のｐＨ値に基づくＵｐＡセルのパラメータの直接的な計算／コンピュータ計算に関する。生成される水のｐＨを決定することは、好ましくは包含されない。より好ましくは、本発明の装置及び方法は、流入水の最初のｐＨ値を決定するという条件付きで、あらゆるパラメータの測定に関するあらゆるステップを意味するものではない。

本発明の別の実施形態によると、当該装置は、ＵｐＡセルに提供される水の流れを制御するための流量計をさらに含む。

流量計は流量測定を可能にし、従って、バルク流体の動きの定量化に関する。流量は、機械式流量計、圧力式流量計、光学式流量計、オープンチャンネル流量測定及び電磁式流量計、超音波流量計、コリオリ流量計、レーザドップラー流量測定を含む様々な方法で測定することができる。流量計はＵｐＡセルに対する流速を調整し、さらに、本発明の制御装置モジュールによって制御される。流量計を使用することにより、より小さいＵｐＡセル及び当該装置の連続的な使用が可能になる。従って、装置の全体的な寸法はより小さくなり得る。水の流出口での流れは、電子的にトリガされ得る弁によって制御することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、当該装置は、予め設定されたパラメータ及びＵｐＡセルのパラメータを入力するためのユーザインタフェースをさらに含む。

適したユーザインタフェースは、例えばタッチスクリーン及び従来のキーボードを含む。ユーザインタフェースと本発明の装置との接続は、特に限定されず、無線又は有線の接続を含んでもよい。

加えて、本発明の装置は、予め設定されたパラメータ及び／又はＵｐＡセルのパラメータの記憶に適応することができる。例えば、本発明の装置は、予め設定された値等のいかなる値も持続的又は一時的に記憶するように適応する記憶ユニットを包含してもよい。

一般に、装置のいくつかの部分は互いに離れて位置してもよい。例えば、任意選択のユーザインタフェースは、例えば携帯電話に対するアプリの形であってもよい。「アプリ」は、本明細書において使用される場合、インターネット、コンピュータ、携帯電話又は別の電子デバイス上で実行可能なソフトウェアの一部である。

本発明の好ましい実施形態によると、当該装置は、一方向性のｐＨ調整セルの電極の寿命を延ばすために使用される。

驚くべきことに、本発明の方法及び装置は、電極の表面での極端なｐＨ値を回避することができるため、一方向性のｐＨ調整セルの電極の寿命を延ばすことを可能にするということが分かってきている。これは、適時に電極の再生をさらに可能にし、電極の失活を回避し、すなわち、電極のメンテナンスに寄与する。従って、本発明の装置及び方法は、電極の再生パラメータを決定することも可能にする。好ましくは、再生パラメータは、電極の再生が要求される時間の正確な評価を可能にする。好ましくは、作用電極の寿命が長くなる。

本発明の別の実施形態によると、少なくとも１つの予め設定されたパラメータは、最初のｐＨ値、供給される水の流動力学及び生成される水の流動力学、反応層の厚さ、電気化学反応速度、拡散指数、拡散層の厚さ、水の量及び拡散断面積を含む群から選択される。

本発明のさらに別の実施形態によると、予め設定されたパラメータは、反応層の厚さ、電気化学反応速度、拡散指数、拡散層の厚さ、水の量及び拡散断面積を少なくとも含む。

本発明の一実施形態によると、一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを計算するステップは、式（４）乃至（７）に基づき、式（４）乃至（６）は、

であり、ここで、ｄは反応層の厚さであり、Ｃ_ｓは反応層内のＯＨ⁻の濃度であり、ｔは時間であり、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｄは拡散指数であり、Ｃ_ｂはバルク水のＯＨ⁻の濃度であり、Ｌは拡散層の厚さ（Ｌ）であり、Ｖは水の量であり、Ａは拡散断面積であり、さらに、式（７）は、

であり、ここで、Ｃ_ｓ０は反応層内のＯＨ⁻の最初の濃度であり、Ｃ_ｂ０は水のＯＨ⁻の最初の濃度であり、さらに、ｐＨ０は水の最初のｐＨ値である。

本発明の別の実施形態によると、当該方法は、一方向性のｐＨ調整セルに提供される水の流れを制御するステップをさらに含む。

本発明のさらに別の実施形態によると、当該方法は、予め設定されたパラメータ及び一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを入力するステップをさらに含む。

本発明の上記及び他の態様が、以下に記載の１つ又は複数の実施形態から明らかになり、さらに、以下に記載の１つ又は複数の実施形態を参考にして解明されることになる。

本発明の装置と共に使用されるＵｐＡセルの側面図である。 本発明によるＵｐＡセルのｐＨを制御する装置の主な特徴を示した概略図である。 本発明の方法を利用することを示した概略図である。 異なる最初のｐＨ値に依存したバルク水のｐＨ値の展開を示した図である。

図１は、ＵｐＡセル４０の側面図を示している。ＵｐＡセル４０は、長方形又は正方形の基底領域を有する。作用電極５０及び対電極５２は、互いに向かい合うＵｐＡセルの反対側の壁に配置されている。或いは、作用電極５０及び対電極５２は、ＵｐＡセルの側壁であってもよく、又は、その一体部分を形成してもよい。拡散層５６は、作用電極５０及び対電極５２に対して平行に配置されており、容器の体積を、大きな体積の水塊の体積５４及び反応層５８内の小さい体積に分けている。反応層５８の厚さは、ｄによって示されており、さらに、拡散層の厚さはＬによって示されている。

図２は、本発明によるＵｐＡセル４０のｐＨを制御する装置１０を概略的に示している。受信ユニット１２が、所望のｐＨ値２２、及び、最初のｐＨ値２０ａ、供給される水の流動力学２０ｂ及び生成される水の流動力学等の他の水関連パラメータを含む予め設定されたパラメータ２０、３０を受信する。加えて、受信ユニットは、反応層の厚さ３０ａ、電気化学反応速度３０ｂ、拡散指数３０ｃ、拡散層の厚さ３０ｄ、水塊の体積である水の量３０ｅ及び拡散断面積を含むＵｐＡセル４０を特徴付けるいくつかの予め設定されたパラメータ３０を受信する。予め設定されたパラメータ２０、３０、すなわち、水関連パラメータ及びＵｐＡセルを特徴付けるパラメータは、この例では、ユーザインタフェース１８によって手動で入力され、さらに、記憶ユニット（図示せず）に持続的に記憶される。

コンピュータ計算モジュール１４は、予め設定されたパラメータ２０、３０に基づきＵｐＡセルのパラメータ３２、３４を計算するように構成される。要求されるさらなる値が、予め設定されてもよい。そのような値は、例えば、図示されていないファラデー定数を含む。ＵｐＡセルのパラメータ３２は、この例によると、ＵｐＡセルの作動時間であり、さらに、ＵｐＡセルのパラメータ３４は、利用される電流である。例えば、国の電源の要求に従って予め設定され得る電流等、通常、両方のパラメータのうち１つが予め設定されてもいるということが正しく理解されることになる。或いは、作動時間が、１分以上、好ましくは２分、３分、４分、５分又は１０分等、予め設定されてもよい。どちらのＵｐＡセルのパラメータ３２、３４も予め設定されていない場合、装置１０は、作動時間又は電流のいずれかに対してランダム値を選び、さらに、もう一方のパラメータを計算することができる。そのようなランダム値は、例えば、予め設定された作動時間に対して与えられた例等、許容可能な範囲内にある。或いは、装置は、最初に高電流を利用し、時間の経過と共に減少させてもよい。

制御ユニット１６は、計算されたＵｐＡセルのパラメータ３０に基づきＵｐＡセル及びその動力源４２を制御するように構成される。上記の計算されたＵｐＡセルのパラメータ３０は、この場合、作動時間３２、及び、この場合電流である電源パラメータ３４を含む。作動時間と、ＵｐＡセルを作動させるために要求される電流との反比例の関係により、図２においては、どちらの可能性も、すなわち、既知の電源パラメータ３４に基づき作動時間３２を計算することも、予め設定された作動時間等の既知の作動時間に基づき電源パラメータ３４を計算することも示されている。従って、制御モジュール１６は、動力源４２を有するＵｐＡセル４０での要求された調整に影響を与える。加えて、制御モジュール１６は、流量計４４を制御して、ＵｐＡセル４０に対する所定の流量パラメータを用いて所定量の水を提供する。

図３は、本発明による方法の実行を概略的に示している。供給される水６２は、流量計４４に提供され、流量計４４は、次に、ＵｐＡセル４０に所定量の水を提供する。ＵｐＡセル内の所望のｐＨを有する水の量に応じて、生成される水が放出される。供給される水は、最初に、試験紙（６０）によるｐＨ値の測定を受ける。この値は、装置１０の受信ユニット１２によって受信され、さらに、コンピュータ計算モジュール１２における計算／コンピュータ計算を受ける。パラメータ３２及び／又は３４を含む全ての他の要求される予め設定されたパラメータ２０、３０は、装置１０において予め記憶される。従って、制御モジュール１６は、予め記憶された値に基づきＵｐＡセル４０及び流量計４４を容易に制御することができる。

図４は、異なる最初のｐＨ値に対するバルク水のｐＨ値の展開を示している。上記のＵｐＡセル４０が、アルカリ水を生成するために使用されている。上述のように、生成された水酸化イオンの濃度は、式（４）〜（７）を用いて予め確立されたモデルで予測することができる。図４は、水酸化物の変化のシミュレーションと、この例においては水道水である供給される水に対する最初のｐＨ値の影響とを示している。水道水は、参照番号７６、７８及び８０によって示されている最初のｐＨ６．５、７．５、８．５を有している。軸７０は、作動時間を秒で示し、さらに、軸７２は、水塊におけるｐＨ値の展開を示している。所望のｐＨ値は（７４によって示されている）１０．５であり、さらに、ＵｐＡセル４０の体積は１ｌに達する。電流は１Ａに設定され、反応層５８の厚さ（ｄ）は１０^−７ｍであり；拡散指数は５×１０^−８ｍ^２／ｓであり、拡散層５６の厚さ（Ｌ）は１０^−５ｍであり、ファラデー定数は９６４８５Ｃ／モルであり、拡散断面積は０．１ｍ^２であり、さらに、水塊の総量は、上記のように、１０^−３／ｍ^３に達する。

水道水に対しては普通である６．５〜８．５の範囲の水の最初のｐＨの変動は、ｐＨ１０．５の１ｌの適したアルカリ水の生成に必要とされる作動時間（約３００秒）に対して取るに足らない影響を及ぼすということを図４から導き出すことができ、これは、ｐＨ指示紙によるｐＨの測定が使用するのに十分正確であるということを示している。従って、最初のｐＨ値は重大な意味を持っているわけではなく、１週間以上、好ましくは２週間、３週間、１ヶ月、２ヶ月、３ヶ月又は６ヶ月等、より長い時間間隔で予め設定又は測定されてもよい。

結論として、本明細書に提示される装置及び方法は、ＵｐＡセルのｐＨ値を確実に制御する。利点として、生成される水のｐＨ値を決定／測定するセンサの使用を省略して、装置を費用効率の高いものにし、さらに、技術的な故障を起こしにくくすることができる。別の利点は、作用電極の寿命が引き延ばされること、及び、作用電極のメンテナンスが容易になることである。

本発明は、図面及び上記の説明において詳細に例示及び記述されてきたけれども、そのような例示及び記述は、例示的又は例証的であり、拘束性はないと考慮されることになる。本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変化は、請求された発明を実行する際に、図面、明細書、及び付随の特許請求の範囲の調査から当業者により理解する及びもたらすことができる。

特許請求の範囲において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞はその複数形を除外しない。単一の要素又は他のユニットは、特許請求の範囲において列挙されたいくつかの項目の機能を満たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属項において記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを役立つよう使用することができないと示しているわけではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に若しくはその一部として供給される、光記憶媒体又は固体記憶媒体等、適したメディア上に記憶／分散させてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介して等、他の形状で分散させてもよい。

特許請求の範囲におけるいかなる参照番号も、その範囲を限定するとして解釈されるべきではない。

Claims (9)

1. 一方向性のｐＨ調整セルのｐＨを制御する装置であって、
   − 前記一方向性のｐＨ調整セルと、
   − 所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータを受信するための受信ユニットと、
   − 前記所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータに基づき、一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを計算するように構成されたコンピュータ計算モジュールと、
   − 計算された前記一方向性のｐＨ調整セルのパラメータに基づき、前記一方向性のｐＨ調整セルを制御するように構成された制御モジュールと、
   を含み、
   前記コンピュータ計算モジュールは、式（４）乃至（７）に基づき前記一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを計算するようにさらに構成され、式（４）乃至（６）は、
   

   

   であり、ここで、ｄは反応層の厚さであり、Ｃ _ｓ は前記反応層内のＯＨ ⁻ の濃度であり、ｔは時間であり、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｄは拡散指数であり、Ｃ _ｂ はバルク水のＯＨ ⁻ の濃度であり、Ｌは拡散層の厚さであり、Ｖは水の量であり、Ａは拡散断面積であり、さらに、式（７）は、
   

   

   であり、ここで、Ｃ _ｓ０ は前記反応層内のＯＨ ⁻ の最初の濃度であり、Ｃ _ｂ０ は水のＯＨ ⁻ の最初の濃度であり、さらに、ｐＨ０は水の最初のｐＨ値である、装置。
2. 前記一方向性のｐＨ調整セルが動力源を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記ｐＨ調整セルはｐＨセンサを含まない、請求項２に記載の装置。
4. 前記一方向性のｐＨ調整セルに提供される水の流れを制御するための流量計をさらに含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記予め設定されたパラメータ及び前記一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを入力するためのユーザインターフェースをさらに含む、請求項１に記載の装置。
6. 一方向性のｐＨ調整セルのｐＨを制御する方法であって、
   − 前記一方向性のｐＨ調整セルを提供するステップと、
   − 所望のｐＨ値を含む予め設定されたパラメータを受信するステップと、
   − 前記予め設定されたパラメータに基づき、一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを計算するステップと、
   − 計算された前記一方向性のｐＨ調整セルのパラメータに基づき、前記一方向性のｐＨ調整セルを制御するステップと、
   を含み、
   前記一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを計算するステップは、式（４）乃至（７）に基づき、式（４）乃至（６）は、
   

   

   であり、ここで、ｄは反応層の厚さであり、Ｃ _ｓ は前記反応層内のＯＨ ⁻ の濃度であり、ｔは時間であり、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｄは拡散指数であり、Ｃ _ｂ はバルク水のＯＨ ⁻ の濃度であり、Ｌは拡散層の厚さであり、Ｖは水の量であり、Ａは拡散断面積であり、さらに、式（７）は、
   

   

   であり、ここで、Ｃ _ｓ０ は前記反応層内のＯＨ ⁻ の最初の濃度であり、Ｃ _ｂ０ は水のＯＨ ⁻ の最初の濃度であり、さらに、ｐＨ０は水の最初のｐＨ値である、方法。
7. 前記一方向性のｐＨ調整セルに提供される水の流れを制御するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記予め設定されたパラメータ及び前記一方向性のｐＨ調整セルのパラメータを入力するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. コンピュータプログラムであって、当該コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された場合に、前記コンピュータに、請求項６に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。

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