JP4394111B2 - オゾン水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、オゾン水を生成するオゾン水生成装置に関する。

最近、オゾン水の有する殺菌性と、さらに皮膚や粘膜の活性化に関する多くの知見例が発表され、多くの医療分野での利用が進んできた。そのうち、皮膚科領域、例えば火傷の治療や褥瘡の治療などの用途には、少量で高濃度のオゾン水が必要であることが判明し、小型の水槽中で簡単に高濃度のオゾン水を生成する装置が要望されている。
現在、産業用に普及しているオゾン水の製法は、大別して放電により生成したオゾンガスに溶解させるガス溶解法、電解により生成したオゾンガスを水に溶解させる電解ガス溶解法、電解面に原料水を直接接触させてオゾン水を生成させる直接電解法（例えば、特許文献１参照）の３方式が実用されている。直接電解法は、ガス溶解法や電解ガス溶解法に比べて、より簡単な方法で高濃度のオゾン水を生成できると知られている。
特開平８−１３４６７８号公報

しかしながら、上記のような生成方法では、オゾン水の生成濃度が１〜３ppmと中濃度が限界で、治療用として必要とされる濃度である５〜８ppmを発生させることは困難であった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高濃度のオゾン水を高効率で生成することのできるオゾン水生成装置を提供することを目的としている。

本発明者等は、従来の水槽式オゾン水生成方法においては、旋回水流がオゾン発生電極に接触する接触面の各部における水流がオゾンを効率的に吸収できないことに着目し、電極形状を電極の各部が効率的に水流と接触することによりオゾン水生成効率が格段に上昇する現象を発見し、その手段を講じたのである。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば図１、図２に示すように、原料水が貯留される水槽１と、
前記水槽内に配置されて、前記原料水に接触するとともに直流電圧が印加されることによってオゾン水を生成する触媒電極２とを備え、
前記触媒電極は、前記原料水の流れの上流側における前縁２aが丸みをもち、下流側における後縁２bが尖った形の平断面視翼型であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、触媒電極は、前縁が丸みをもち、後縁が尖った形の平断面視翼型であるので、触媒電極に沿って水流が流れて流速が滑らかに上昇し、翼型の一番膨らんだ部分で流速が最大となり、発生したオゾン気泡が水流に高速で接触し、その後、再び流速が滑らかに降下することによって、吸収効率が向上する。その結果、オゾン水生成効率が格段に上昇する。また、従来の円弧型の触媒電極に比して、触媒電極表面の流線がスムーズとなるので、この点においてもオゾン気泡の吸収効率が向上し、オゾン水生成効率が上昇する。

請求項２の発明は、例えば図１、図２に示すように、請求項１に記載のオゾン水生成装置１００において、
前記触媒電極は、陰極電極２３の表面に、陰極電極を覆うように陽イオン交換膜２１が巻き付けられて、前記陽イオン交換膜の表面に、陽イオン交換膜を覆うように陽極電極２２が巻き付けられていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、内側から順に陰極電極、陽イオン交換膜、陽極電極が順に巻き付けられているので、単純な構造で、陰極電極、陽イオン交換膜及び陽極電極が常に密着した状態となり、小型の触媒電極の高効率化と経済性の両面に寄与できる。

請求項３の発明は、例えば図１、図２に示すように、請求項２に記載のオゾン水生成装置において、
前記陰極電極の内部に、陰極電極から発生する水素気泡を放出する水素放出管３が設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、陰極電極の内部に水素放出管が設けられているので、水素放出管を介して陰極電極で発生した水素が水面上に容易に排出されて、水素微泡が生成したオゾン水と接触することを防止できる。その結果、オゾン生成効率が上昇することになる。

本発明によれば、従来の円弧型の触媒電極を使用する場合に比して、高濃度のオゾン水を高効率で生成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、オゾン水生成装置１００の概略斜視図、図２は、切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図であり、(a)はダンパー５を閉じた状態、(b)はダンパー５を開いた状態を示している。また、図３は、図２における触媒電極２の拡大図である。
本発明に係るオゾン水生成装置１００は、原料水（例えば、水）が貯留した水槽１内に、触媒電極２を配置して構成したもので、触媒電極２に直流電圧を印加することによってオゾン気泡を発生させて、そのオゾン気泡を水に溶解させることによりオゾン水を生成する装置である。
水槽１は、上端が開口した円筒状をなしており、その上端部近傍まで水で満たされている。この水槽１内には内壁面１aに沿って触媒電極２が配設されている。

触媒電極２は、水流の上流側における前縁２aが丸みをもち、下流側における後縁２bが尖った形の平断面視翼型をなしている。触媒電極２は、前縁２aと後縁２bとを結ぶ直線Ｘに対して左右線対称の形状となっており、所謂、ゲッチンゲン断面となっている。触媒電極２は、内側から順に陰極電極２３、陽イオン交換膜２１、陽極電極２２が平断面視翼型となるようにそれぞれ巻き付けられてなり、陽極電極２２面に水を連続接触させることによって水の電気分解によりオゾンが得られ、陰極電極２３面では水素が発生する。このような触媒電極２が円筒状の水槽１の内壁面１aに、その湾曲した外周面を沿わせるようにして配置されている。
また、陽極電極２２と陰極電極２３との間には、電源装置２４のプラス端子２４１及びマイナス端子２４２が導線を介してそれぞれ電気的に接続されて（図１のみ図示）、電源装置２４の駆動により所定の電圧が印加されるようになっている。印加する直流電圧は、例えば９〜１５ボルト（Ｖ）が好ましい。

陽イオン交換膜２１としては、従来公知のものを使用することができ、発生するオゾンに耐久性の強いフッ素系陽イオン交換膜を使用することができ、例えば厚さ１００〜２５０ミクロンが好ましい。

陽極電極２２は、陽イオン交換膜２１を全面的に覆い隠すように密着されるものではなく、多数の通孔を設けて、陽イオン交換膜２１に接触部と非接触部とを有して重ねられている。すなわち、陽極電極２２は網状、グレーチング状又はパンチングメタル状とすることが好ましい。なお、図２では陽極電極２２が網状の場合を示している。具体的に、グレーチング状とは線材を溶接した格子状で、パンチングメタル状とは金属板に多数の通孔を形成した多孔板状である。また、グレーチング状の陽極電極を複数枚重ねても良い。

陽極電極２２としては、オゾン発生触媒機能を有した金属を使用し、この金属としては二酸化鉛が最も広く知られている。しかし、この二酸化鉛は加工が難しく、微小な通孔が不規則に存在するポーラス体を使用しているが、二酸化鉛のポーラス体は脆弱で耐久性に劣り、さらにはオゾン水中に鉛が溶出する可能性もあることから、純粋なオゾン水を得るため、白金又は白金被覆金属の電極を使用することが好ましく、特に、本発明ではチタンに白金を被覆した金属を使用することが好ましい。
そして、陽極電極２２は平面状の金属をグレーチング状に加工することが望ましい。また、被覆処理としては、例えばメッキや熱着等により行うことができる。

このようにグレーチング状の陽極電極２２とすることによって、陽極電極２２を構成する部材の交点部位が尖って外面に突出し、水流と接触して渦流を生じ、陽極電極２２で発生したオゾンの微泡を巻き込んで溶解を早めることができる。

一方、陰極電極２３は、銀又は薄い銀製金網、グレーチング等の表面に塩化銀被覆を施したものを使用することが好ましく、また、銀製金網の表面にさらにチタン製のグレーチング状の電極を重ねても良い。特に、陰極電極２３は陽極電極２２よりも目の粗さが粗くなるように形成されていることが好ましい。

触媒電極２の陰極電極２３の内側には、陰極電極２３面から発生した水素を水槽１の外部へと導いて放出させる水素放出管３が設けられている。水素放出管３は、長尺な円管状をなし、下端部が水槽１内に浸されて、上端部が水槽１の液面から突出させるようにして設置されている。このような水素放出管３から放出される水素を燃料電池（図示しない）に供給して再利用するように構成しても良い。

また、水槽１内の底部には水槽１内に旋回水流を発生させるための円盤状の回転子４１が設けられている。回転子４１としては、マグネットスターラ等を使用することができる。この回転子４１を攪拌させる攪拌装置４２は、水槽１の下面に設置されており、例えば回転子４１を磁力で攪拌させることのできるものが好ましい。

さらに、水槽１内には、回転子４１によって発生した旋回水流の強弱を調整して、生成されるオゾン水の濃度を制御するためのダンパー５が設けられている。ダンパー５は、長細い板状部５１の中央に回転軸５２が設けられてなるもので、板状部５１は水流が衝突する邪魔板としての機能を有する。そして、回転軸５２を中心として板状部５１が回転自在となっており、図２(a)に示すように、回転軸５２を中心として板状部５１が水流の向きに対向して配置されることで水流が弱められ、触媒電極２に接触する速度が小さくなってオゾン水濃度が低下し、図２(b)に示すように、板状部５１が水流の向きに沿って配置されることで水流が強められ、触媒電極２に接触する速度が速くなってオゾン水濃度が高くなる。このようなダンパー５は、オゾン水生成装置１００内の制御部（図示しない）によって所定濃度となるように、その回転が制御されている。

さらに、水槽１内には、生成したオゾン水のオゾン濃度を検出する濃度検出センサ６が設けられている。濃度検出センサ６は、検出電極６１と電位測定の基準となる比較電極６２、これら検出電極６１及び比較電極６２の一方の端部に結線して電位を測定する電位差計６３等から構成されている。したがって、検出電極６１及び比較電極６２の先端部（他方の端部）を水槽１内のオゾン水に接触させ、検出電極６１のオゾン濃度変化による検出電極６１と比較電極６２との電位差を検出して濃度を測定する。
検出電極６１としては、例えば白金や金等からなる電極を使用し、比較電極６２としては銀／塩化銀を使用することが好ましい。
このようにして検出されたオゾン濃度に基づいて、オゾン水生成装置１００内の制御部（図示しない）が予め設定されたオゾン濃度と一致するように、電源装置２４に陽極電極２２及び陰極電極２３間に印加する電圧を制御している。

次に、上述の構成からなるオゾン水生成装置１００を使用したオゾン水生成方法について説明する。
まず、電源装置２４の駆動により陽極電極２２及び陰極電極２３間に所定の電圧を印加し、このとき同時に、攪拌装置４２を駆動させて回転子４１を回転させるとともにダンパー５を開いた状態とし、水槽１内に一定速度の旋回水流を発生させておく。これによって水流がダンパー５の板状部４１に沿って流れて、触媒電極２の表面に接触する。すなわち、水流の大部分が陽極電極２２面に連続接触し、一部は触媒電極２の上端部から水が進入して陰極電極２３面に接触する。そして、陽極電極２２及び陰極電極２３間への通電により水が電気分解されて、陽極電極２２側にはオゾン気泡が発生し、陰極電極２３側には水素気泡が発生する。ここで、触媒電極２は平断面視翼型をなしているため、陽極電極２２表面の翼型の一番膨らんだ部分で流速が最大となり、発生したオゾン微泡を順次水中に溶解させる結果、短時間に高濃度のオゾン水を生成することができる。

また、陽極電極２２ではわずかな陽極電極２２の凹凸によって流れの方向が複雑に変わり渦流となる。そのため、陽極電極２２側では、発生したオゾン気泡をいち早く水中に取り込んで溶解させることによってオゾン水を生成し、陽極電極２２と陽イオン交換膜２１との間（正確には陽極電極２２と陰極電極２３との間）に電流が多く流れる状態を確保することになる。

一方、陰極電極２３側においては、水素気泡が激しく発生し、陰極電極２３の筒状内部が水素気泡で充満され、水面側へと上昇して水素放出管３を介して系外に放出される。その結果、生成されたオゾン水と水素とが接触することなく、オゾン水が分解されるおそれもない。また、水素放出管３から放出された水素を燃料電池等に有効利用できるため、好ましい。

また、通電中に、同時に濃度検出センサ６によって水槽１内の溶液の濃度が測定され、制御部は、水槽１内が予め設定されたオゾン濃度となるように電源装置２４の出力を行うことによって、陽極電極２２及び陰極電極２３間の電圧が制御される。また、濃度の制御方法として、ダンパー５の回転軸５２を中心として板状部５１の向きを変化させることで、水流を強弱させることで設定されたオゾン濃度となるように制御している。
以上のようにして設定濃度のオゾン水が生成される。

以上のように、触媒電極２は、前縁２aが丸みをもち、後縁２bが尖った形の平断面視翼型であるので、触媒電極２に沿って水流が流れて流速が滑らかに上昇し、翼型の一番膨らんだ部分で流速が最大となり、発生したオゾン気泡が水流に高速で接触し、その後、再び流速が滑らかに降下するので、吸収効率が向上する。そのため、オゾン水生成効率が格段に上昇する。また、従来の円弧型の触媒電極に比して、触媒電極２表面の流線がスムーズとなるので、この点においてもオゾン気泡の吸収効率が向上し、オゾン水生成効率が上昇する。
さらに、内側から順に陰極電極２３、陽イオン交換膜２１、陽極電極２２が順に巻き付けられているので、単純な構造で、陰極電極２３、陽イオン交換膜２１及び陽極電極２２が常に密着した状態となり、小型の触媒電極２の高効率化と経済性の両面に寄与できる。
また、陰極電極２３の内部に水素放出管３が設けられているので、水素放出管３を介して陰極電極２３で発生した水素が水面上に容易に排出されて、水素微泡が生成したオゾン水と接触することを防止できる。その結果、オゾン生成効率が上昇することになる。

次に、本発明のオゾン水生成装置による効果について、上記オゾン水生成装置１００を例に挙げて説明する。
［実施例］
２Ｌの円筒型水槽内に表面積１５cm²の平断面視翼型の触媒電極を配置し、水素放出管を設置して、直流電圧１２Ｖを印加したところ約６Ａの電流が流れ、最高８ppmまでの濃度に達した。これを従来の円弧型の触媒電極に交換したところ、最高１．５ppmまでの濃度しか上昇しなかった。この原因は上述のように、陰極電極で発生した水素微泡によるオゾンの分解によるものと、さらに陽極電極の表面における水流の挙動の差によるものと考えられる。以上より、平断面視翼型の触媒電極を使用することによるオゾン水生成効率の効果が明らかである。

オゾン水生成装置１００の概略斜視図である。 切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図であり、(a)はダンパー５を閉じた状態、(b)はダンパー５を開いた状態を示している。 図２における触媒電極２の拡大図である。

符号の説明

１ 水槽
２ 触媒電極
２a 前縁
２b 後縁
３ 水素放出管
２１ 陽イオン交換膜
２２ 陽極電極
２３ 陰極電極
１００ オゾン水生成装置

Claims (3)

1. 原料水が貯留される水槽と、
   前記水槽内に配置されて、前記原料水に接触するとともに直流電圧が印加されることによってオゾン水を生成する触媒電極とを備え、
   前記触媒電極は、前記原料水の流れの上流側における前縁が丸みをもち、下流側における後縁が尖った形の平断面視翼型であることを特徴とするオゾン水生成装置。
2. 前記触媒電極は、陰極電極の表面に、陰極電極を覆うように陽イオン交換膜が巻き付けられて、前記陽イオン交換膜の表面に、陽イオン交換膜を覆うように陽極電極が巻き付けられていることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水生成装置。
3. 前記陰極電極の内部に、陰極電極から発生する水素気泡を放出する水素放出管が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のオゾン水生成装置。

Images