JP6920065B2 - 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。

従来から、固体高分子電解質膜で仕切られた陽極室と陰極室とを有する電解槽を備え、電解槽内に流入させた原水を電気分解する電解水生成装置が知られている。

電解水生成装置の陰極室では、水素ガスが溶け込んだ電解水素水が生成される。また、近年、電解水生成装置で生成された溶存水素水は、血液透析治療の際に発生する活性酸素を除去し、患者の酸化ストレスの軽減に適しているとして注目されている（例えば、特許文献１参照）。電解水を用いた血液透析は、電解水透析と称される。

大病院での電解水透析では、同時に多数の患者の治療を可能とするために、電解水素水の供給能力を高めた電解水生成装置が要望されている。このような電解水生成装置は、大容量の電解水生成部を備えることにより実現可能である。

上述した大容量の電解水生成部は、例えば、並列に接続された複数の電解槽を含む電解ユニットによって実現可能である。各電解槽での電気分解が正常になされているか否かを監視するために、陽極室及び陰極室に接続されている出水管を流れる電解水に含まれる気体の濃度を検出するための溶存濃度センサーを設ける方法がある。この方法では、溶存濃度センサーからの出力に基づいて電気分解が正常に行われているかを監視する。しかしながら、電解水に溶存濃度センサーが接触すると電解水が汚染される怖れがあるため、電解水透析には利用できないという問題が生じる。

さらに、大量の電解水素水を使用する上記電解水透析では、陽極室で副次的に生成される電解酸素水は廃棄されるため、陽極室に供給される水を制限することにより、水の有効利用を図りたいという要望がある。

特開２０１６−１３７４２１号公報

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、水の有効利用を図りつつ、電解水の汚染を防ぎながら、電解槽での電気分解を正確に監視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。

本発明の電解水生成装置は、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であって、陽極室と陰極室とが隔膜によって区分された電解槽と、前記電解槽に水を供給するための入水管と、前記電解槽で電気分解された電解水を取り出すための出水管とを備え、前記出水管は、前記陽極室に接続された第１出水管と、前記陰極室に接続された第２出水管とを含み、前記第１出水管の内径と前記第２出水管の内径とが互いに異なっており、前記第１出水管及び前記第２出水管には、前記電解水に接触することなく管内の前記電解水に含まれる気泡を検出する気泡センサーがそれぞれ設けられていることを特徴とする。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記第１出水管の前記内径は、前記第２出水管の前記内径よりも小さいことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記入水管は、前記陽極室に接続された第１入水管と、前記陰極室に接続された第２入水管とを含み、前記第１入水管には、前記陽極室への水の供給量を制限する絞り弁が設けられていることが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記気泡センサーは、前記出水管に光を照射する照射部と、前記照射部から照射され、前記出水管を透過した光を検出して電気信号を出力する受光部とを有し、前記電気信号に基づいて前記気泡を検出することが望ましい。

本発明の電解水生成装置は、電解槽と、電解槽に水を供給するための入水管と、電解槽で電気分解された電解水を取り出すための出水管とを備える。出水管は、陽極室に接続された第１出水管と、陰極室に接続された第２出水管とを含み、第１出水管の内径と第２出水管の内径とが互いに異なる。一方の内径を大きくすることにより、単位時間に大量の電解水を取り出すことができ、他方の内径を小さくすることにより、電解水生成装置の小型化とコストダウンを図ることができる。また、このような内径の異なる第１出水管及び第２出水管は、陽極室及び陰極室で生成される電解水のうち一方を利用し他方を廃棄する場合、他方の取り出し量を容易に抑制し、水の有効利用を図ることができる。

そして、第１出水管及び第２出水管には、管内の電解水に含まれる気泡を検出する気泡センサーがそれぞれ設けられている。気泡センサーは、電解水に接触することなく流量を検出する。このような非接触式の気泡センサーは、第１出水管及び第２出水管の外部から流量を検出できる。従って、第１出水管及び第２出水管内での雑菌の発生・繁殖が抑制され、電解水の汚染が抑制される。

本発明の電解水生成装置の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。 上記電解水生成装置の構成を示す側面図である。 図１の気泡センサーの概略構成を示す図である。 上記電解水生成装置の別の実施形態を含む透析液調製用水の製造装置の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図４の電解装置の実施形態の概略構成を示す正面図である。 上記電解装置の概略構成を示す左側面図である。 上記電解装置の概略構成を示す斜視図である。 図４の電解水生成装置の構成を示す斜視図である。

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及び２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。電解水生成装置１は、上述した透析液調製用水の製造の他、飲用の電解水の生成にも広く適用される。

図１に示されるように、電解水生成装置１は、電解槽４と、入水管６と、出水管７とを備える。

図２に示されるように、電解槽４は、陽極室４１、陰極室４２及び隔膜４３を有する。電解槽４は、例えば、特開２０１６−１５９２３７号公報に開示されている構成と同等である。すなわち、電解槽４の陽極室４１及び陰極室４２には、給電体がそれぞれ配され、隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系の樹脂材料からなる固体高分子電解質膜が用いられ、上下方向に長い矩形状に形成されている。陽極室４１と陰極室４２とは、隔膜４３によって区分されている。入水管６は、電解槽４に水を供給する。出水管７は、電解槽４で電気分解された水を取り出す。

出水管７は、陽極室４１に接続された第１出水管７１と、陰極室４２に接続された第２出水管７２とを含んでいる。第１出水管７１は、隔膜４３に沿って上下方向にのびる管７１ａと、隔膜４３に垂直な水平方向にのびる管７１ｂとを含んでいる。第２出水管７２は、隔膜４３に沿って上下方向にのびる管７２ａと、隔膜４３に垂直な水平方向にのびる管７２ｂとを含んでいる。

第１出水管７１の内径と第２出水管７２の内径とは、互いに異なっている。一方の内径を大きくすることにより、単位時間に大量の電解水を取り出すことができ、他方の内径を小さくすることにより、電解水生成装置１の小型化及び軽量化とコストダウンを図ることができる。また、このような内径の異なる第１出水管７１及び第２出水管７２は、陽極室４１及び陰極室４２で生成される電解水のうち一方を利用し他方を廃棄する場合、他方（廃棄される電解水）の取り出し量を容易に抑制し、水の有効利用を図ることができる。なお、本実施形態では、管７１ａの内径と管７１ｂの内径とは等しく形成され、管７２ａの内径と管７２ｂの内径とは等しく形成されている。

電解水生成装置１が、透析液調製用及び飲用の電解水の生成に適用される場合、陰極室４２で生成された電解水素水が利用され、陽極室４１で生成された電解酸素水は廃棄される。そこで、本実施形態では、陽極室４１に供給される水が制限されると共に、第１出水管７１の内径は、第２出水管７２の内径よりも小さく設定されている。陽極室４１で生成された電解酸素水が利用され、陰極室４２で生成された電解水素水は廃棄される用途に電解水生成装置１が適用される場合、第２出水管７２の内径が、第１出水管７１の内径よりも小さく設定されていてもよい。

電解水素水の溶存水素濃度を高めるために陽極室４１及び陰極室４２の各給電体に供給する電解電流を大きくすると、陽極室４１で生成された電解水には、電解水に溶けきれなかった酸素ガスの気泡が含まれ、陰極室４２で生成された電解水には、電解水に溶けきれなかった水素ガスの気泡が含まれる。本電解水生成装置１の第１出水管７１及び第２出水管７２には、管内の電解水に含まれる気泡を検出する気泡センサー８がそれぞれ設けられている。気泡センサー８は、管７１ａ及び管７２ａに配されている。気泡センサー８によって管７１ａ及び管７２ａを流れる電解水に含まれる気泡を検出することにより、陽極室４１及び陰極室４２での電気分解が正常になされているか否かを監視できる。

陽極室４１に供給される水が制限される用途に電解水生成装置１が用いられる場合、第１出水管７１内を流れる電解水の流速が低下し、気泡センサー８の検出結果に誤差が生じ易い傾向にある。しかしながら、本電解水生成装置１では、第１出水管７１の内径が第２出水管７２の内径よりも小さく構成されることにより、第１出水管７１内を流れる電解水の流速の低下が抑制され、気泡センサー８の検出誤差が抑制される。一方、陰極室４２に供給される水が制限される用途に電解水生成装置１が用いられる場合、第２出水管７２の内径が第１出水管７１の内径よりも小さく構成されることにより、第２出水管７２内を流れる電解水の流速の低下が抑制され、気泡センサー８の検出誤差が抑制される。

入水管６は、陽極室４１に接続された第１入水管６１と、陰極室４２に接続された第２入水管６２とを含んでいる第１入水管６１は、隔膜４３に沿って上下方向にのびる管６１ａと、隔膜４３に垂直な水平方向にのびる管６１ｂとを含んでいる。第２入水管６２は、隔膜４３に沿って上下方向にのびる管６２ａと、隔膜４３に垂直な水平方向にのびる管６２ｂとを含んでいる。

第１入水管６１の内径と第２入水管６２の内径とは、互いに異なっている。一方の内径を大きくすることにより、単位時間に大量の水を供給でき、他方の内径を小さくすることにより、電解水生成装置１の小型化及び軽量化とコストダウンを図ることができる。また、このような内径の異なる第１入水管６１及び第２入水管６２は、陽極室４１及び陰極室４２で生成される電解水のうち一方を利用し他方を廃棄する場合、他方の極室（廃棄される電解水を生成する極室）への水の供給量を容易に抑制し、水の有効利用を図ることができる。なお、本実施形態では、管６１ａの内径と管６１ｂの内径とは等しく形成され、管６２ａの内径と管６２ｂの内径とは等しく形成されている。

図１に示されるように、第１入水管６１には、陽極室４１への水の供給量を制限するための絞り弁６３が設けられているのが望ましい。絞り弁６３によって陽極室４１に供給される水が正確に制限され、水の有効利用を図ることができる。

気泡センサー８は、電解水に接触することなく流量を検出する。このような非接触式の気泡センサー８は、第１出水管７１及び第２出水管７２の外部から流量を検出できる。従って、第１出水管７１及び第２出水管７２内での雑菌の発生・繁殖が抑制され、電解水の汚染が抑制される。

本実施形態では、非接触式の気泡センサー８として、光学式のセンサーが適用されている。このため、第１出水管７１及び第２出水管７２のうち、少なくとも気泡センサー８が配される箇所には、透光性を有する管材が適用されている。なお、非接触式の気泡センサー８の他の形態として、超音波式の気泡センサー等が適用されうる。

電解水生成装置１の陽極室４１では、電気分解によって酸素ガスが発生する。このとき、陽極室４１内の電解水に溶け込めなかった酸素ガスは、微小な気泡となって第１出水管７１内を移動する。第１出水管７１に設けられている気泡センサー８は、酸素ガスの気泡を検出することにより、陽極室４１で電気分解が正常になされているか否かを監視する。また、気泡センサー８によって第１出水管７１の詰まりを監視できる。同様に、第２出水管７２に設けられている気泡センサー８は、水素ガスの気泡を検出することにより、陽極室４１で電気分解が正常になされているか否か及び第２出水管７２の詰まりを監視する。

図３は、第１出水管７１に配される気泡センサー８を示している。以下は、第１出水管７１に配される気泡センサー８についての説明であるが、第２出水管７２に配される気泡センサー８も同様である。

気泡センサー８は、光を照射する照射部８ａと、照射部８ａから照射された光を受ける受光部８ｂとを有する。

照射部８ａは、例えば、発光ダイオード等によって構成されている。照射部８ａは、制御部によって制御され、受光部８ｂに向って赤外線光Ｌを照射する。受光部８ｂは、例えば、フォトディテクターなどの受光素子等によって構成されている。受光部８ｂは、第１出水管７１を透過した赤外線光Ｌを光電変換し、その値に相当する電気信号を制御部に出力する。気泡センサー８は、照射部８ａと受光部８ｂとの間の光路に第１出水管７１が位置されるように配置される。

図３（ａ）は、第１出水管７１内が電解水で満たされている場合を示し、図３（ｂ）は、第１出水管７１内の電解水に気泡が含まれている場合を示している。

図３（ａ）に示されるように、第１出水管７１内が電解水で満たされている場合、照射部８ａから照射された光は、第１出水管７１の内面を直進し、その結果、受光部８ｂには入射せず検出されない。この場合、受光部８ｂから制御部に、気泡を検出しなかった旨の信号（ロー信号）が出力される。

一方、図３（ｂ）に示されるように、第１出水管７１内の電解水に気泡が含まれている場合、照射部８ａから照射された光は、第１出水管７１内で屈折し、受光部８ｂに入射して検出される。この場合、受光部８ｂから制御部に、気泡を検出した旨の信号（ハイ信号）が出力される。

気泡センサー８は、電気信号を伝達するケーブル等によって電解水生成装置１の制御部（図示せず）と電気的に接続されている。制御部は、受光部８ｂから出力された電気信号に基づいて、電解水生成装置１の動作を制御する。例えば、受光部８ｂから制御部に、気泡を検出しなかった旨のロー信号が継続して出力される場合、陽極室４１で電気分解が正常になされていないおそれがある。このとき、制御部は、発光ダイオードから警告の光を照射し又はスピーカーから警告音を出力する等により、ユーザーに注意を喚起する。このとき、制御部は、電解槽４への電解電流の供給を停止してもよい。

図４は、上記電解水生成装置１の変形例である電解水生成装置１Ａを含む透析液調製用水の製造装置１００（以下、単に製造装置１００と記す）の概略構成を示している。製造装置１００は、前処理装置２００、電解装置１０及び後処理装置３００を含む。電解装置１０は、電解水生成装置１Ａを含んでいる。前処理装置２００と電解装置１０とは、入水管６０によって接続されている。電解装置１０と後処理装置３００とは、出水管７０によって接続されている。

前処理装置２００は、電解装置１０の上流側に設置され、原水からカルシウムイオン及びマグネシウムイオン等の硬度成分を除去して軟水化し、さらに微細な多孔質物質である活性炭を用いて軟水から塩素等を吸着・除去する。前処理装置２００に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。

電解装置１０は、前処理装置２００を通過した水を電気分解し、電解水素水を生成する。本実施形態の電解装置１０は、電解水透析において、大量の電解水素水を後処理装置３００に供給可能となるように構成されている。

後処理装置３００は、逆浸透膜を用いて電解水素水を浄化する。逆浸透膜によって浄化処理された溶存水素水は、例えば、透析液調製用水の浄化基準であるＩＳＯ１３９５９の基準を満たし、透析液調製用水として透析原剤の希釈等に用いられる。

図４に示されるように、製造装置１００の設置スペース（フットプリント）を小さくするために、電解装置１０は、上流側の前処理装置２００及び下流側の後処理装置３００と共に並べて設置される。例えば、本実施形態のように、製造装置１００の正面から視て、前処理装置２００、電解装置１０及び後処理装置３００が水平方向に隙間なく並べて設置されるのが望ましい。

図５、６及び７は、電解装置１０の概略構成を示している。電解装置１０は、複数の電解水生成装置１Ａ、本体フレーム２及び電源部３を備える。

電解水生成装置１Ａは、電解槽４と、入水管６及び出水管７（後述する図８参照）とを備える。

本実施形態の電解水生成装置１Ａは、複数の電解槽４が設けられている点で上記電解水生成装置１と相違する。電解水生成装置１と同様に、単一の電解槽４が設けられる形態であってもよい。各電解槽４の構成は、図１及び２に示される電解槽４と同様である。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。

本体フレーム２は、鉛直方向にのびる複数の縦材２１と水平方向にのびる複数の横材２２等によって構成され、電源部３、電解水生成装置１Ａ、入水管６及び出水管７等を支持する。縦材２１及び横材２２には、例えば、断面がＬ字状のアングル鋼材が適用される。本体フレーム２は、縦材２１及び横材２２によって矩形状に形成されている。

電源部３は、本体フレーム２の上部２３に固定されている。本実施形態では、上部２３には、電源部３のみが設けられ、電解水生成装置１Ａ、入水管６及び出水管７は設けられていない。これにより、主要な電気系統を構成する電源部３と、水管を構成する電解水生成装置１Ａ、入水管６及び出水管７とを容易に隔離することができ、電解水生成装置１Ａ等での水漏れに起因する電源部３のトラブルを抑制できる。電源部３には、電解水生成装置１Ａを含む電解装置１０全体の制御を司る制御部（図示せず）が設けられていてもよい。例えば、電解電流を制御する上記制御部は、電源部３に配されていてもよい。

電解水生成装置１Ａは、電源部３の下方の空間で本体フレーム２に固定される。このような電源部３及び電解水生成装置１Ａの配置によって、電解装置１０の設置面積が小さくなり、限られたスペースへの電解装置１０の設置が容易となる。

電源部３は、電気ケーブル（図示せず）を介して電解水生成装置１Ａに電気分解のための電解電流を供給する。本実施形態では、電源部３が電解水生成装置１Ａの上方に位置するため、電解水生成装置１Ａで水漏れ等が生じた場合であっても、電源部３に水がかかりにくく、電気回路への影響が抑制される。

図８は、電解水生成装置１Ａを示している。各電解水生成装置１Ａは、複数の電解槽４と、各電解槽４に接続される入水管６及び出水管７と、各電解槽４を支持する板状のベース５１と、ベース５１に固定されたハンドル５２とを有している。ベース５１は、上下方向に起立した姿勢で、横材２２によって支持されている。

各電解槽４は、ベース５１に起立姿勢で固定されている。各電解槽４の陽極室４１（図２参照）は、管６１ｂ及び７１ｂによって並列に接続されている。一方、各電解槽４の陰極室４２（図２参照）は、管６２ｂ及び７２ｂによって並列に接続されている。

図７に示されるように、ベース５１は、横材２２に脱着可能に固定される。ハンドル５２を掴みながら横材２２からベース５１を取り外すことにより、各電解水生成装置１Ａのメンテナンスが容易となる。例えば、気泡センサー８によって異常が検出された電解槽４を含む電解水生成装置１Ａが本体フレーム２から取り外され、別の電解水生成装置１Ａを本体フレーム２の内側に押し入れることにより、電解水生成装置１Ａが容易に交換される。また、気泡センサー８によって異常が検出された電解槽４を含む電解水生成装置１Ａの一部が本体フレーム２から引き出されることにより、異常が検出された電解槽４が容易に交換される。

電解装置１０では、第１入水管６１は、第１主入水管６１ｄを含んでいる。第１主入水管６１ｄは、管６１ｂ（図８参照）と接続されている。同様に、第２入水管６２は、第２主入水管６２ｄを含んでいる。第２主入水管６２ｄは、管６２ｂ（図８参照）と接続されている。

第１主入水管６１ｄには、管内の流量を制限する絞り弁６３が設けられているのが望ましい。絞り弁６３によって、陽極室４１に流入する水が正確に制限され、水の有効利用を図ることができる。

前処理装置２００と接続されている入水管６０は、第１主入水管６１ｄと第２主入水管６２ｄとに分岐する。第１主入水管６１ｄは、複数の管６１ｂに分岐して、各電解水生成装置１Ａの電解槽４の陽極室４１と接続されている。第２主入水管６２ｄは、複数の管６２ｂに分岐して、各電解水生成装置１Ａの電解槽４の陰極室４２と接続されている。

電解装置１０では、第１出水管７１は、第１主出水管７１ｄを含んでいる。第１主出水管７１ｄは、管７１ｂ（図８参照）と接続されている。各電解水生成装置１Ａの管７１ｂは、第１主出水管７１ｄに合流する。同様に、第２出水管７２は、第２主出水管７２ｄを含んでいる。第２主出水管７２ｄは、管７２ｂと接続されている（図８参照）。各電解水生成装置１Ａの管７２ｂは、第２主出水管７２ｄに合流する。

第２主出水管７２ｄは、本体フレーム２の内部で出水管７０と接続されている。第２主出水管７２ｄと出水管７０とが一体に形成されていてもよい。第１主出水管７１ｄは、本体フレーム２の内部で排水管７３と接続されている。第１主出水管７１ｄと排水管７３とが一体に形成されていてもよい。電解水素水が取り出される第２主出水管７２ｄは、出水管７０を介して後処理装置３００と接続されている。電解酸素水が取り出される第１主出水管７１ｄは、排水管７３を介して排水手段（図示せず）と接続されている。

以上、本実施形態の電解水生成装置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、陽極室４１と陰極室４２とが隔膜４３によって区分された電解槽４と、電解槽４に水を供給するための入水管６と、電解槽４で電気分解された電解水を取り出すための出水管７とを備え、出水管７は、陽極室４１に接続された第１出水管７１と、陰極室４２に接続された第２出水管７２とを含み、第１出水管７１の内径と第２出水管７２の内径とが互いに異なっており、第１出水管７１及び第２出水管７２には、管内の電解水に含まれる気泡を検出する気泡センサー８がそれぞれ設けられていればよい。

１ 電解水生成装置
２ 本体フレーム
３ 電源部
４ 電解槽
６ 入水管
７ 出水管
８ 気泡センサー
４１ 陽極室
４２ 陰極室
４３ 隔膜
６１ 第１入水管
６２ 第２入水管
７１ 第１出水管
７２ 第２出水管

Claims (2)

1. 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であって、
   陽極室と陰極室とが隔膜によって区分された電解槽と、前記電解槽に水を供給するための入水管と、前記電解槽で電気分解された電解水を取り出すための出水管とを備え、
   前記出水管は、前記陽極室に接続された第１出水管と、前記陰極室に接続された第２出水管とを含み、
   前記第１出水管の内径と前記第２出水管の内径とが互いに異なっており、
   前記第１出水管及び前記第２出水管には、前記電解水に接触することなく管内の前記電解水に含まれる気泡を検出する気泡センサーがそれぞれ設けられ、
   前記第１出水管の前記内径は、前記第２出水管の前記内径よりも小さく、
   前記入水管は、前記陽極室に接続された第１入水管と、前記陰極室に接続された第２入水管とを含み、
   前記第１入水管には、前記陽極室への水の供給量を制限する絞り弁が設けられていることを特徴とする電解水生成装置。
2. 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であって、
   陽極室と陰極室とが隔膜によって区分された電解槽と、前記電解槽に水を供給するための入水管と、前記電解槽で電気分解された電解水を取り出すための出水管とを備え、
   前記出水管は、前記陽極室に接続された第１出水管と、前記陰極室に接続された第２出水管とを含み、
   前記第１出水管の内径と前記第２出水管の内径とが互いに異なっており、
   前記第１出水管及び前記第２出水管には、前記電解水に接触することなく管内の前記電解水に含まれる気泡を検出する気泡センサーがそれぞれ設けられ、
   前記第１出水管及び前記第２出水管のうち、少なくとも前記気泡センサーが配される箇所には、透光性を有する管材が適用され、
   前記気泡センサーは、前記出水管に光を照射する照射部と、前記照射部から照射され、前記出水管を透過した光を検出して電気信号を出力する受光部とを有し、前記電気信号に基づいて前記気泡を検出することを特徴とする電解水生成装置。

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