オゾンミスト発生装置
【課題】 水を電気分解してオゾン水を生成し、そのオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置において、陰極へのスケールの付着を抑制するオゾンミスト発生装置を提供する。
【解決手段】 水を電気分解する電解セル１の陽極室１３の水（原料水）は、超音波加湿器３０の原料水タンク３１との間で循環され、陰極室１５の水（陰極水）は、陰極水タンク５１との間で循環されている。超音波加湿器３０は、超音波素子３３によって原料水タンク３１内の原料水を加振することにより、その原料水をミスト化する。原料水及び陰極水は純水であるため、カルシウム等のスケール成分が含まれない。また、電解セル１の陽極に導電性ダイヤモンドを用いたため、原料水及び陰極水に純水を用いても効率よくオゾンを生成することができる。
【解決手段】 水を電気分解する電解セル１の陽極室１３の水（原料水）は、超音波加湿器３０の原料水タンク３１との間で循環され、陰極室１５の水（陰極水）は、陰極水タンク５１との間で循環されている。超音波加湿器３０は、超音波素子３３によって原料水タンク３１内の原料水を加振することにより、その原料水をミスト化する。原料水及び陰極水は純水であるため、カルシウム等のスケール成分が含まれない。また、電解セル１の陽極に導電性ダイヤモンドを用いたため、原料水及び陰極水に純水を用いても効率よくオゾンを生成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置に関し、詳しくは、水を電気分解してオゾン水を生成し、そのオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オゾンは塩素よりも７倍程度酸化力が強く、殺菌・脱臭・脱色等に広く利用されている。そして、オゾンはガス状のまま単独で使用するよりも水分子と共存した状態で使用することでオゾンよりも高活性な各種活性酸素種（ヒドロキシラジカル等）を生成し、効果を一段と増すことから、一般的には、湿度を７０％以上に保持して使用することが推奨される。このような条件では、オゾン単体の場合よりも高活性な各種活性酸素種（ヒドロキシラジカル等）を生成するため、臭気成分の酸化分解速度、或いは菌・ウイルスの不活性化速度は、オゾンガスを乾燥状態で使用した場合よりも格段に速くなる。また、このような条件では、オゾンの自己分解速度もかなり速くなるため、未反応のオゾンが長期間に渡り残留することが抑制される。そこで、湿度が７０％以上の状態でオゾンが共存しているような環境を実現できる簡便な装置が求められている。
【０００３】
気体状のオゾンを生成するための手法としては、紫外線ランプ法、無声放電法、及び電気分解（電解）法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。紫外線ランプ法は発生するオゾンの量が少なく、室内・車内の消臭等、少量の悪臭源を除くために用いられることが多い。無声放電法はオゾンガスを生成するための一般的な手法であるが、例えば原料として空気を用いた場合には同時に窒素酸化物も発生してしまう。これを防ぐためには、原料として酸素ガスを用いるか、空気中の酸素のみを濃縮するような付属装置を備える必要がある。また、金属電極の消耗による金属不純物の混入も問題となる。更に、水の電気分解によってもオゾンガスは得られる。この電解法によれば、水分を多少含むものの高純度かつ高濃度のオゾンガスを簡単に得ることができる。
【０００４】
一方、オゾン水を得るための手法としては、上記手段により得られたオゾンガスを水中に溶解させるか、電解法により直接生成する手法が知られている。無声放電法或いは電解法で発生させたオゾンガスを気液溶解塔に通じて水に溶解させることでオゾン水を得ることができるが、これは装置の大型化・複雑化の原因となる。これに対し、固体高分子膜を陽極と陰極で挟むことで電解セルを構成し、これを用いて水道水や純水を電気分解する電解法によればオゾン水を直接生成することができ、装置の小型化も容易となる。
【０００５】
電解法によりオゾン水を生成する際のオゾン生成用電極の材料としては、近年、導電性を付与したダイヤモンド薄膜を利用することが提案されている。この導電性ダイヤモンド薄膜の主な特性としては、機械的強度に優れる、化学的に安定である、分子が吸着し難い、溶媒の酸化分解及び還元分解が起こり難く広い電位窓を示す、反応に選択性があるなど、他の電極材料には見られない特異的なものが挙げられる。そこで、網目状或いは多孔質状の基板上に熱フィラメント化学気相成長（ＣＶＤ）法やマイクロ波プラズマＣＶＤ法により導電性のダイヤモンド薄膜を形成し、これを陽極として固体高分子膜を挟む形状の電解セルを構築することでオゾン生成に用いることが考えられている（例えば、特許文献１参照）。更に、本願出願人は、陽極として多孔質状または網状の構造を有する自立体型の導電性ダイヤモンド板を陽極として使用することにより、その導電性ダイヤモンドの剥離等を抑制することを提案している（例えば、特許文献２）。
【非特許文献１】杉光 英俊 著「オゾンの基礎と応用」 光琳、１９９６年２月
【特許文献１】特開平９−２６８３９５号公報
【特許文献２】特開２００５−３３６６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように、湿度が７０％以上の状態でオゾンが共存しているような環境を実現する方法として、上記のような電解セルを用いて生成されたオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生する方法が考えられる。ところが、この場合、次のように陰極にスケールが付着する問題が生じる。
【０００７】
すなわち、陽極側に供給される水として水道水を用いた場合、水道水中に含まれるカルシウムやマグネシウムなどのスケール成分が電解に伴って固体高分子膜を通って陰極側へ移動し、陰極側のカルシウム濃度等が上昇する。すると、陰極側で炭酸カルシウム等の析出が起こり、これらがスケールとして陰極等に固化・付着する。このため陰極等の定期的な清掃が必要となる。特に、陽極側に生成されたオゾン水をミスト化する場合、水中のスケール成分は陰極側に移動し、陽極側のオゾン水はミスト化され空気中に放散されて減少するため、陽極側に水道水を追加する必要があり、その中のスケール成分はまた陰極側に移動するため、陰極側のカルシウム濃度等が徐々に上昇していきスケールが付着してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、水を電気分解してオゾン水を生成し、そのオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置において、陰極へのスケールの付着を抑制すること目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達するためになされた本発明のオゾンミスト発生装置は、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、を備え、上記陽極として導電性ダイヤモンドが使用され、上記陽極室に純水が挿入されることを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明のオゾンミスト発生装置では、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、その陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルを備えている。このため、陽極室及び陰極室に水を挿入した上で陽極と陰極との間に直流電流を通電すると、電気分解よって陽極室にオゾン水が生成される。すると、ミスト化手段が、そのオゾン水をミスト化する。このため、本発明では、オゾンミストを発生することができる。また、本発明では、陽極室に純水を挿入しているので、陽極室に挿入される水（純水）にはカルシウム等のスケール成分が含まれない。このため、陰極へのスケールの付着を良好に抑制することができる。
【００１１】
また、陽極に白金電極を用いた一般の電解セルでは、陽極室に純水を挿入すると、電解質をある程度含む水道水を挿入した場合に比べて極端にオゾンの生成量が低下する。これに対して、本願出願人は、陽極として導電性ダイヤモンドを使用した場合、陽極室に純水を挿入してもオゾンの生成量は低下せず、寧ろ、水道水を挿入した場合よりオゾンの生成量が向上することを発見した。本発明では、陽極として導電性ダイヤモンドを使用しているので、オゾンの生成量を低下させることなく上記のようにスケールの付着を抑制することができる。
【００１２】
なお、本発明は、陰極室に挿入される水を特に限定するものではないが、上記陰極室に酸性水が挿入されてもよい。陰極室に酸性水（例えばｐＨ５以下）を挿入した場合、大気中の二酸化炭素などから陰極室内に炭酸イオンが生成されるのを抑制し、延いては、カルシウム，マグネシウム等のスケール成分の陰極室における析出を抑制することができる。従って、この場合、陰極へのスケールの付着を一層良好に抑制することができる。
【００１３】
また、上記目的を達するためになされた本発明のオゾンミスト発生装置は、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、を備え、上記陰極室に酸性水が挿入されることを特徴とするものであってもよい。
【００１４】
このように構成された本発明のオゾンミスト発生装置では、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、その陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルを備えている。このため、陽極室及び陰極室に水を挿入した上で陽極と陰極との間に直流電流を通電すると、電気分解よって陽極室にオゾン水が生成される。すると、ミスト化手段が、そのオゾン水をミスト化する。このため、本発明では、オゾンミストを発生することができる。また、本発明では、陰極室に酸性水を挿入しているので、大気中の二酸化炭素などから陰極室内に炭酸イオンが生成されるのを抑制し、延いては、カルシウム，マグネシウム等のスケール成分の陰極室における析出を抑制することができる。従って、本発明では、陰極へのスケールの付着を良好に抑制することができる。
【００１５】
なお、上記各発明は、ミスト化手段の構成を特に限定するものではないが、上記ミスト化手段が、上記陽極室に生成されたオゾン水を貯留する貯留槽と、該貯留槽内に設けられ、超音波を発生して上記貯留槽内のオゾン水を加振する超音波発生手段と、を備えたものであってもよい。
【００１６】
この場合、貯留槽内に貯留されたオゾン水を超音波発生手段によって加振することによって、ミストを発生することができる。コンプレッサ等によって噴霧によるミスト化を行う場合は、装置が大型化し導入コストも高くなるが、超音波素子等の超音波発生手段を使用する場合、装置を小型化すると共に導入コストも低減することができる。また、ミスト発生量は超音波素子等の数を増やすことで増強でき、超音波の周波数を適宜選択することにより、ミストの粒子径を任意に制御することも可能である。
【００１７】
更に、このように超音波発生手段を使用する場合、上記貯留槽が、上記陽極室と一体に構成されてもよい。電解セルで発生したオゾンは、陽極室の壁面や陽極の表面に気泡となって付着する場合がある。この場合、気泡がある大きさ以上になると気泡の浮力が表面付着力よりも勝り、気泡が電極表面等から脱離する訳であるが、この気泡はそのまま外気中に抜けてしまう場合がある。これに対して、上記のように貯留槽と陽極室とを一体に構成した場合、貯留槽と一体化された陽極室内で超音波発生手段により発生された超音波によって、陽極室内の水が攪拌される。このため、上記気泡が微細化され、更に、微細化された気泡が効率よく水に溶解される。従って、この場合、一層効率よく高濃度のオゾン水を生成し、同時にオゾンミストを一層効率よく発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態を、図面と共に説明する。先ず、本実施の形態のオゾンミスト発生装置に使用される電解セル１の構成を説明する。図１に示すように、電解セル１は、固体高分子膜７を挟んで陽極３と陰極５とを配設して構成され、その陽極３，陰極５は固体高分子膜７の互いに対向する面に密着して固定されている。陽極３の表面には陽極室１３が、陰極５の表面には陰極室１５が、それぞれ形成され、陽極室１３，陰極室１５は、それぞれ供給口１３ａ，１５ａと取出口１３ｂ，１５ｂとを有している。
【００１９】
ここで、陽極３としては導電性ダイヤモンドからなる電極が使用されている。導電性ダイヤモンドとしては、高品質なダイヤモンド結晶構造を有し、更に導電性を示すものであればどのようなものでも用いることができる。導電性を示すためにはダイヤモンド結晶構造内に不純物を導入する必要がある。この不純物としてはホウ素や窒素、リン、硫黄などが一般的であるが、これに限定されるものではない。不純物の導入は、ダイヤモンドを合成する過程で同時に行ってもよく、またダイヤモンドを合成した後でイオン注入等の手法で行うこともできる。また、ダイヤモンドの合成手法は、高温高圧法、熱フィラメント法、マイクロ波プラズマ法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法、等各種手法が知られているが、どのような手法によってもよく、また天然ダイヤモンドも使用できる。
【００２０】
例えば、マイクロ波プラズマ法によりダイヤモンド電極を合成する場合、具体的には、炭素源となるアセトンとメタノールの混合溶媒中に、ホウ素源として酸化ホウ素を溶解させた溶液を水素ガスでバブリングすることでガス化し、これをマイクロ波プラズマ中に導入することでシリコンの基板上にホウ素ドープダイヤモンド電極が作成できる。上記ホウ素溶液中のＢ／Ｃの比が０．０１、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚ、基板温度８５０℃、圧力９０Ｔｏｒｒ、ガス流量５００ｓｃｃｍという条件において、５時間の成膜処理により約１０μｍのホウ素ドープダイヤモンド電極が得られる。また、陰極５としては、同様のダイヤモンド電極を使用してもよいが、網状の白金電極を使用してもよい。
【００２１】
このように構成された電解セル１では、陽極３と陰極５との間に直流電流を通電しながら各供給口１３ａ，１５ａから純水（後述のように水道水または酸性水でもよい）を供給すると、陽極３の表面で水の電気分解によりオゾンが発生し、陽極室１３の取出口１３ｂからオゾン水が排出される。また、陰極５の表面では、プロトンの還元反応による水素発生が起こる。
【００２２】
次に、図２は、第１の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の全体構成を表す模式図である。陽極室１３の水（以下、原料水ともいう）は、超音波加湿器３０の原料水タンク３１との間でポンプ３２により一定流量で循環されている。また、陰極室１５の水（以下、陰極水ともいう）は、陰極水タンク５１との間でポンプ５２により一定流量で循環されている。超音波加湿器３０は、原料水タンク３１の底面に超音波素子３３を備え、この超音波素子３３によって原料水タンク３１内の原料水を加振することにより、その原料水をミスト化する。こうして発生されたミストは、送風ファン３４により吹き出し口３５から大気中に放散される。原料水タンク３１には電解セル１からオゾン水が還流されているので、本実施の形態では、オゾンミストを大気中に放散することができる。
【００２３】
また、本実施の形態では、原料水及び陰極水としていずれも純水を使用した。純水にはカルシウム等のスケール成分が含まれない。このため、本実施の形態では、陰極５へのスケールの付着を良好に抑制することができる。また、陽極３に白金電極を用いた一般の電解セルでは、原料水に純水を用いると、原料水に水道水を用いた場合に比べて極端にオゾンの生成量が低下する。これに対して、本願出願人は、陽極３として導電性ダイヤモンドを用いた場合、原料水に純水を用いてもオゾンの生成量は低下せず、寧ろ、水道水を用いた場合よりオゾンの生成量が向上することを発見した。
【００２４】
図３は、その実験結果を表すグラフであり、図３（Ａ）は原料水に水道水を用いた場合のオゾン生成量を、図３（Ｂ）は原料水に純水を用いた場合のオゾン生成量を、それぞれ表している。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、陽極３に白金電極を用いた実験結果（○）では、原料水に純水を用いた場合（Ｂ）、原料水に水道水を用いた場合（Ａ）に比べて極端にオゾンの生成量が低下する。これに対して、陽極３に導電性ダイヤモンドを用いた実験結果（●）では、原料水に純水を用いた場合（Ｂ）でもオゾンの生成量は低下せず、寧ろ、水道水を用いた場合（Ａ）よりオゾンの生成量が向上することが分かる。従って、本実施の形態では、オゾンの生成量を低下させることなく、陰極５へのスケールの付着を抑制し、殺菌・消毒能力の高いオゾンミストを発生することができる。
【００２５】
また、水道水を電解してオゾン水を生成した場合には、水道水中に含まれる塩素含有成分が電解により次亜塩素酸などに変化し、オゾンミストを生成する際にも、次亜塩素酸などが同時に大気中に放出される可能性がある。これに対して、本実施の形態では、原料水に純水を使用しているので、次亜塩素酸が大気中に放散されるのも抑制できる。
【００２６】
次に、図４は、第２の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の全体構成を表す模式図である。本実施の形態では、原料水タンク３１の側面の一部に電解セル１を設け、図５に詳細に示すように、陽極３が原料水タンク３１の内面に直接露出する構成とした。すなわち、陽極室１３（図１参照）と原料水タンク３１とを一体に構成した。また、陰極室１５には、図４に示すように、上記第１の実施の形態と同様、陰極水タンク５１との間でポンプ５２により陰極水を一定流量で循環させた。このように構成された本実施の形態では、ポンプ３２が省略できるばかりでなく、上記第１の実施の形態の効果に加えて次のような効果が生じる。
【００２７】
電解セル１で発生したオゾンは、陽極室１３の壁面や陽極３の表面に気泡となって付着する場合がある。この場合、気泡がある大きさ以上になると気泡の浮力が表面付着力よりも勝り、気泡が陽極３の表面等から脱離する訳であるが、この気泡はそのまま原料水表面から外気中に抜けてしまう場合が多い。これに対して、本実施の形態では、原料水タンク３１に設けられた超音波素子３３が発生する超音波により、陽極室１３内の原料水が攪拌される。このため、上記気泡が微細化され、更に、微細化された気泡が効率よく原料水に溶解される。従って、本実施の形態では、一層効率よく高濃度のオゾン水を生成し、同時にオゾンミストを一層効率よく発生することができる。更に、このように気泡を微細化する効果は、図４，図５に例示したように、超音波素子３３を電解セル１の近傍に配設した場合に一層顕著に生じる。
【００２８】
また、上記各実施の形態において、陰極水としては、クエン酸等を溶解させた酸性水を用いてもよい。この場合、陰極水を例えばｐＨ５以下の酸性に維持することで、大気中の二酸化炭素などから陰極室１５内に炭酸イオンが生成されるのを抑制し、延いては、カルシウム，マグネシウム等のスケール成分の陰極室１５における析出を抑制することができる。従って、この場合、陰極５へのスケールの付着を一層良好に抑制することができる。また、このように陰極水として酸性水を用いる場合、原料水としては必ずしも純水を用いる必要はない。例えば、原料水としては一般の水道水を使用してもよく、この場合、陽極３には白金等の一般的な電極材料を用いてもよい。
【実施例】
【００２９】
次に、上記各実施の形態のオゾンミスト発生装置を、具体的に作成してその効果を検証した。先ず、上記第１の実施の形態において、原料水タンク３１の底面に超音波素子３３を３個配置した。超音波素子３３の発振周波数は２．４ＭＨｚであり、ミストの中心粒径３μｍ程度で、毎時２５０ｍＬ程度のミスト化が可能なものを使用した。送風ファン３４は原料水タンク３１の壁面に設置し、吹き出し口３５より風速３ｍ／ｓ、風量０．４ｍ3 ／ｍｉｎのオゾンミストを排出する。原料水タンク３１内の原料水は純水であり、その容量を５００ｍｌとした。ポンプ３２による送液速度は０．２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００３０】
陰極水タンク５１内の陰極水も純水であり、その容量を２００ｍｌとした。ポンプ５２による送液速度は０．２Ｌ／ｍｉｎとした。なお、本実施例においては、ダイヤモンド電極の耐久性、及び高いオゾン生成効率という観点から、特願２００５−２３２１８４号に示される電解セル１を使用した。すなわち電解セル１の陽極３としてダイヤモンド電極を使用し、陰極５として白金メッシュ電極を使用した。ダイヤモンド電極は自立体型のものであり、厚みが０．８ｍｍ大きさが１５×５０ｍｍの矩形板状であり、直径１ｍｍの孔が中心間距離２ｍｍで開けてあるものである。また、陽極室１３と陰極室１５を区切る固体高分子膜７として、プロトン伝導性の高分子膜（商品名「ナフィオン」：デュポン社製）を使用した。
【００３１】
このように構成されたオゾンミスト発生装置において、超音波素子３３の個数に対するオゾンミストの発生量を比較した。なお、本実施例において、陽極３と陰極５との間に通電する電流は、直流安定化電源より１Ａに固定した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は１０Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は６．０〜７．０ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．１２ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によるオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。
【００３４】
また、表１に示すように、超音波素子３３を１個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は３．１〜３．４ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．２４ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を用いて原料水をミスト化することで原料水中のオゾン濃度が減少し、その分オゾンミスト中のオゾン濃度が上昇する効果が示された。
【００３５】
表１に示すように、超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は１．６〜１．７ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．３１ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を増やすことで原料水のミスト化量が上昇し、その分原料水中のオゾン濃度減少し、更にオゾンミスト中のオゾン濃度が上昇する効果を示した。
【００３６】
ところが、超音波素子３３を３個使用してオゾンミストを発生させた場合、表１に示すように、原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．７ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．３０ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を２個から３個に増やしてもこれ以上のオゾンミスト中のオゾン濃度の上昇効果は認められず、本実施の形態においては超音波素子３３の数を２個とすることが最適であることが分かった。
【００３７】
次に、上記第２の実施の形態において、原料水タンク３１の底面に超音波素子３３を２個、電解セル１の陽極３表面から１０ｍｍ離れた位置に配置した。超音波素子３３の発振周波数は２．４ＭＨｚであり、ミストの中心粒径３μｍ程度で、毎時２５０ｍＬ程度のミスト化が可能なものを使用した。送風ファン３４は原料水タンク３１の壁面に設置され、吹き出し口３５より風速３ｍ／ｓ、風量０．４ｍ3 ／ｍｉｎのオゾンミストを排出する。原料水タンク３１内の原料水は純水であり、その容量を５００ｍｌとした。
【００３８】
陰極水タンク５１内の陰極水も純水であり、その容量を２００ｍｌとした。ポンプ５２による送液速度を０．２Ｌ／ｍｉｎとした。電解セル１の陽極３としてダイヤモンド電極を使用し、陰極５として白金メッシュ電極を使用した。ダイヤモンド電極は自立体型のものであり、厚みが０．８ｍｍ大きさが１５×５０ｍｍの矩形板状であり、直径１ｍｍの孔が中心間距離２ｍｍで開けてあるものである。また、固体高分子膜７として、プロトン伝導性の高分子膜（商品名「ナフィオン」：デュポン社製）を使用した。このように構成されたオゾンミスト発生装置におけるオゾンミスト発生量を表２に示す。
【００３９】
【表２】
【００４０】
表２に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は１８．１Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は４．４〜４．８ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．２５ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によりオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。表１の超音波素子３３がなしの場合と比較して、原料水中のオゾン濃度が低いのは、原料水の循環がないため陽極３の表面で気泡が形成され易く、それが溶液界面から放出されるためである。この気泡の大きさはおおよそ２〜５ｍｍ程度である。それに伴い、気体中のオゾン濃度は増加しており、本実施の形態では超音波素子３３を使用しない場合には陽極３で発生したオゾンが水中に溶解し難いことが分かる。
【００４１】
表２に示すように、超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．６ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．３４ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を用いることで、オゾンミストの発生状態は表１の超音波素子３３が２個の場合と同程度となる。超音波素子３３を用いた場合には、陽極３の表面から発生する気泡は１ｍｍ以下と非常に小さく、オゾンが原料水に溶解し易い状態となっている。
【００４２】
更に、オゾンが原料水に溶解し易くなっていることは、超音波素子３３なしの溶液濃度４．４〜４．８ｍｇ／Ｌが、超音波素子３３を２個動作させた直後に５．５ｍｇ／Ｌ程度まで上昇することからも確認される。すなわち、超音波素子３３を動作させることで、オゾンが原料水に溶解し易くなる。原料水中のオゾン濃度は、その後連続してミスト化を行うことで減少していくため、最終的な原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．６ｍｇ／Ｌの値となる。すなわち、第２の実施の形態では、超音波素子３３による攪拌・溶解効果により、電解セル１で発生したオゾンを効率よく溶解させ、高濃度のオゾンミストを効率よく発生させることができる。
【００４３】
更に、本実施例では、超音波素子３３を動作させることによりセル電圧が０．４Ｖ程度低下する効果が認められた。これは陽極３の表面に付着してオゾンの生成反応を阻害する気泡を効率よく取り除けるためであると考えられる。
【００４４】
次に、この実施例において、原料水を水道水とし、陰極水をクエン酸水溶液として実験を行った。クエン酸水溶液としては、純水２００ｍＬにクエン酸２０ｇと食塩２０ｇを溶解させたものを使用した。このように構成されたオゾンミスト発生装置におけるオゾンミスト発生量を表３に示す。
【００４５】
【表３】
【００４６】
表３に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は７．５Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．５ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．１０ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によりオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、セル電圧が１０Ｖ程度低下する効果が認められた。表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、原料水中のオゾン濃度が低いのは、陰極水として酸性溶液を使用していることによる。すなわち、セル電圧が低下するため消費電力は低下するものの、オゾンの生成量も減少してしまう。
【００４７】
超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は０．３〜０．４ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．１２ ｖｏｌ ｐｐｍであった。超音波素子３３を用いた場合には、陽極３の表面から発生する気泡は１ｍｍ以下と非常に小さく、オゾンが原料水に溶解し易い状態となっている。
【００４８】
更に、上記実施例において、原料水を純水とし、陰極水を上記クエン酸水溶液として実験を行った。このように構成されたオゾンミスト発生装置におけるオゾンミスト発生量を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
表４に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は６．８Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は１．６〜１．７ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．０８ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によりオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。原料水として純水を用いた場合も、表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、セル電圧が１１Ｖ程度低下する効果が認められた。表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、原料水中のオゾン濃度が低いのは、陰極水として酸性溶液を使用していることによる。すなわち、セル電圧が低下するため消費電力は低下するものの、オゾンの生成量も減少してしまう。但し、本実施例のように原料水として純水を用いた場合、原料水として水道水を用いた表３の例に比べて、オゾン濃度を低下させることなくセル電圧を一層低下させることができる。
【００５１】
超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は０．３〜０．４ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．１２ ｖｏｌ ｐｐｍであった。超音波素子３３を用いた場合には、陽極３の表面から発生する気泡は１ｍｍ以下と非常に小さく、オゾンが原料水に溶解し易い状態となっている。また、超音波素子３３を使用した場合も、原料水として水道水を用いた表３の例に比べて、オゾン濃度を低下させることなくセル電圧を一層低下させることができた。
【００５２】
次に、陰極水として酸性溶液を用いることによるスケール付着防止効果について検証した。上記各実施例のようなオゾンミスト発生装置によりスケール付着による性能低下試験を行う場合、非常に長い時間を要するため、本実施例では、上記各実施例と同様に構成した電解セル１を用いて次のような加速試験を行った。すなわち、図６に示すように、電解セル１の陽極室１３へ水道水を毎分３Ｌの流量で供給し、電解セル１での電解により生成したオゾン水はそのまま排出した。陰極水タンク５１内の陰極水は水道水或いは上記クエン酸溶液であり、その容量を２００ｍｌとした。陰極水タンク５１から電解セル１の陰極室１５へポンプ５２により陰極水を供給し、送液速度を０．２Ｌ／ｍｉｎとし、電解セル１での電解により生成した水素水が陰極水タンク５１に戻される構造とした。
【００５３】
陰極水として水道水を用いた場合、３０分程度電解するとオゾン生成能の著しい低下が見られた。すなわち、オゾン水濃度は急激に減少し、セル電圧は急激に上昇した。電解セル１を分解して観察すると、陰極５及び固体高分子膜７の陰極側にスケールが析出していることが分かった。この間に通水した水道水はおおよそ９０Ｌであり、仮にオゾンミスト発生装置のミスト化性能が毎時０．５Ｌである場合、１８０時間程度で陰極５及び固体高分子膜７が使用不可能となることを意味する。すなわち、この場合には電解セル１の頻繁なメンテナンスが必要となる。
【００５４】
一方、陰極水としてクエン酸溶液を用いた場合、６００分程度電解するとオゾン生成能の著しい低下が見られた。すなわち、オゾン水濃度は急激に減少し、セル電圧は急激に上昇した。電解セル１を分解して観察すると、陰極５及び固体高分子膜７の陰極側にスケールが析出していることが分かった。この間に通水した水道水はおおよそ１８００Ｌであり、仮にオゾンミスト発生装置のミスト化性能が毎時０．５Ｌの場合、３６００時間程度で使用不可能となることを意味する。すなわち、この場合には電解セル１のメンテナンスが大幅に軽減される。また、原料水として純水を用いた場合、純水にはカルシウム等のスケール成分が含まれないので、同様にスケールの析出が抑制され電解セル１のメンテナンスが大幅に軽減される。このように、上記各実施の形態では、スケールの析出を良好に抑制できることが分かった。
【００５５】
なお、上記各実施の形態において、超音波加湿器３０がミスト化手段に、原料水タンク３１が貯留槽に、超音波素子３３が超音波発生手段に、それぞれ相当する。また、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、ミスト化手段としては、コンプレッサ等によって噴霧によるミスト化を行う構成を適用してもよい。但し、上記各実施の形態のように、超音波素子３３によってミスト化を行う場合、装置を小型化すると共に導入コストも低減することができる。また、超音波素子３３を用いる場合は、その超音波素子３３の数を増やすことでミスト発生量が増強でき、超音波の周波数を適宜選択することにより、ミストの粒子径を任意に制御することも可能である。
【００５６】
また、酸性水としては、ｐＨ５以下の酸性溶液が好ましいが、上記クエン酸の他にも、硫酸や過塩素酸溶液など、各種酸性溶液を用いることができる。但し、環境中への排出を考えた場合、クエン酸を用いることが望ましい。更に、陽極３としては網目状あるいは多孔質状の基体の上に構成した導電性ダイヤモンド薄膜も使用できる。更に、上記各実施の形態のように陽極３として多孔質状または網状の構造を有する自立体型の導電性ダイヤモンド板を使用した場合、その導電性ダイヤモンドの剥離等も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態に使用される電解セルの構成を表す模式図である。
【図２】第１の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の構成を表す模式図である。
【図３】原料水が水道水または純水である場合の、陽極の材料によるオゾン生成量の相違を例示する説明図である。
【図４】第２の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の構成を表す模式図である。
【図５】そのオゾンミスト発生装置の構成の一部を詳細に表す模式図である。
【図６】スケール付着防止効果に関する実験用の装置の構成を表す模式図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…電解セル ３…陽極 ５…陰極 ７…固体高分子膜
１３…陽極室 １５…陰極室 ３０…超音波加湿器 ３１…原料水タンク
３２，５２…ポンプ ３３…超音波素子 ３４…送風ファン
３５…吹き出し口 ５１…陰極水タンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置に関し、詳しくは、水を電気分解してオゾン水を生成し、そのオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オゾンは塩素よりも７倍程度酸化力が強く、殺菌・脱臭・脱色等に広く利用されている。そして、オゾンはガス状のまま単独で使用するよりも水分子と共存した状態で使用することでオゾンよりも高活性な各種活性酸素種（ヒドロキシラジカル等）を生成し、効果を一段と増すことから、一般的には、湿度を７０％以上に保持して使用することが推奨される。このような条件では、オゾン単体の場合よりも高活性な各種活性酸素種（ヒドロキシラジカル等）を生成するため、臭気成分の酸化分解速度、或いは菌・ウイルスの不活性化速度は、オゾンガスを乾燥状態で使用した場合よりも格段に速くなる。また、このような条件では、オゾンの自己分解速度もかなり速くなるため、未反応のオゾンが長期間に渡り残留することが抑制される。そこで、湿度が７０％以上の状態でオゾンが共存しているような環境を実現できる簡便な装置が求められている。
【０００３】
気体状のオゾンを生成するための手法としては、紫外線ランプ法、無声放電法、及び電気分解（電解）法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。紫外線ランプ法は発生するオゾンの量が少なく、室内・車内の消臭等、少量の悪臭源を除くために用いられることが多い。無声放電法はオゾンガスを生成するための一般的な手法であるが、例えば原料として空気を用いた場合には同時に窒素酸化物も発生してしまう。これを防ぐためには、原料として酸素ガスを用いるか、空気中の酸素のみを濃縮するような付属装置を備える必要がある。また、金属電極の消耗による金属不純物の混入も問題となる。更に、水の電気分解によってもオゾンガスは得られる。この電解法によれば、水分を多少含むものの高純度かつ高濃度のオゾンガスを簡単に得ることができる。
【０００４】
一方、オゾン水を得るための手法としては、上記手段により得られたオゾンガスを水中に溶解させるか、電解法により直接生成する手法が知られている。無声放電法或いは電解法で発生させたオゾンガスを気液溶解塔に通じて水に溶解させることでオゾン水を得ることができるが、これは装置の大型化・複雑化の原因となる。これに対し、固体高分子膜を陽極と陰極で挟むことで電解セルを構成し、これを用いて水道水や純水を電気分解する電解法によればオゾン水を直接生成することができ、装置の小型化も容易となる。
【０００５】
電解法によりオゾン水を生成する際のオゾン生成用電極の材料としては、近年、導電性を付与したダイヤモンド薄膜を利用することが提案されている。この導電性ダイヤモンド薄膜の主な特性としては、機械的強度に優れる、化学的に安定である、分子が吸着し難い、溶媒の酸化分解及び還元分解が起こり難く広い電位窓を示す、反応に選択性があるなど、他の電極材料には見られない特異的なものが挙げられる。そこで、網目状或いは多孔質状の基板上に熱フィラメント化学気相成長（ＣＶＤ）法やマイクロ波プラズマＣＶＤ法により導電性のダイヤモンド薄膜を形成し、これを陽極として固体高分子膜を挟む形状の電解セルを構築することでオゾン生成に用いることが考えられている（例えば、特許文献１参照）。更に、本願出願人は、陽極として多孔質状または網状の構造を有する自立体型の導電性ダイヤモンド板を陽極として使用することにより、その導電性ダイヤモンドの剥離等を抑制することを提案している（例えば、特許文献２）。
【非特許文献１】杉光 英俊 著「オゾンの基礎と応用」 光琳、１９９６年２月
【特許文献１】特開平９−２６８３９５号公報
【特許文献２】特開２００５−３３６６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように、湿度が７０％以上の状態でオゾンが共存しているような環境を実現する方法として、上記のような電解セルを用いて生成されたオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生する方法が考えられる。ところが、この場合、次のように陰極にスケールが付着する問題が生じる。
【０００７】
すなわち、陽極側に供給される水として水道水を用いた場合、水道水中に含まれるカルシウムやマグネシウムなどのスケール成分が電解に伴って固体高分子膜を通って陰極側へ移動し、陰極側のカルシウム濃度等が上昇する。すると、陰極側で炭酸カルシウム等の析出が起こり、これらがスケールとして陰極等に固化・付着する。このため陰極等の定期的な清掃が必要となる。特に、陽極側に生成されたオゾン水をミスト化する場合、水中のスケール成分は陰極側に移動し、陽極側のオゾン水はミスト化され空気中に放散されて減少するため、陽極側に水道水を追加する必要があり、その中のスケール成分はまた陰極側に移動するため、陰極側のカルシウム濃度等が徐々に上昇していきスケールが付着してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、水を電気分解してオゾン水を生成し、そのオゾン水をミスト化してオゾンミストを発生するオゾンミスト発生装置において、陰極へのスケールの付着を抑制すること目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達するためになされた本発明のオゾンミスト発生装置は、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、を備え、上記陽極として導電性ダイヤモンドが使用され、上記陽極室に純水が挿入されることを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明のオゾンミスト発生装置では、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、その陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルを備えている。このため、陽極室及び陰極室に水を挿入した上で陽極と陰極との間に直流電流を通電すると、電気分解よって陽極室にオゾン水が生成される。すると、ミスト化手段が、そのオゾン水をミスト化する。このため、本発明では、オゾンミストを発生することができる。また、本発明では、陽極室に純水を挿入しているので、陽極室に挿入される水（純水）にはカルシウム等のスケール成分が含まれない。このため、陰極へのスケールの付着を良好に抑制することができる。
【００１１】
また、陽極に白金電極を用いた一般の電解セルでは、陽極室に純水を挿入すると、電解質をある程度含む水道水を挿入した場合に比べて極端にオゾンの生成量が低下する。これに対して、本願出願人は、陽極として導電性ダイヤモンドを使用した場合、陽極室に純水を挿入してもオゾンの生成量は低下せず、寧ろ、水道水を挿入した場合よりオゾンの生成量が向上することを発見した。本発明では、陽極として導電性ダイヤモンドを使用しているので、オゾンの生成量を低下させることなく上記のようにスケールの付着を抑制することができる。
【００１２】
なお、本発明は、陰極室に挿入される水を特に限定するものではないが、上記陰極室に酸性水が挿入されてもよい。陰極室に酸性水（例えばｐＨ５以下）を挿入した場合、大気中の二酸化炭素などから陰極室内に炭酸イオンが生成されるのを抑制し、延いては、カルシウム，マグネシウム等のスケール成分の陰極室における析出を抑制することができる。従って、この場合、陰極へのスケールの付着を一層良好に抑制することができる。
【００１３】
また、上記目的を達するためになされた本発明のオゾンミスト発生装置は、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、を備え、上記陰極室に酸性水が挿入されることを特徴とするものであってもよい。
【００１４】
このように構成された本発明のオゾンミスト発生装置では、固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、その陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルを備えている。このため、陽極室及び陰極室に水を挿入した上で陽極と陰極との間に直流電流を通電すると、電気分解よって陽極室にオゾン水が生成される。すると、ミスト化手段が、そのオゾン水をミスト化する。このため、本発明では、オゾンミストを発生することができる。また、本発明では、陰極室に酸性水を挿入しているので、大気中の二酸化炭素などから陰極室内に炭酸イオンが生成されるのを抑制し、延いては、カルシウム，マグネシウム等のスケール成分の陰極室における析出を抑制することができる。従って、本発明では、陰極へのスケールの付着を良好に抑制することができる。
【００１５】
なお、上記各発明は、ミスト化手段の構成を特に限定するものではないが、上記ミスト化手段が、上記陽極室に生成されたオゾン水を貯留する貯留槽と、該貯留槽内に設けられ、超音波を発生して上記貯留槽内のオゾン水を加振する超音波発生手段と、を備えたものであってもよい。
【００１６】
この場合、貯留槽内に貯留されたオゾン水を超音波発生手段によって加振することによって、ミストを発生することができる。コンプレッサ等によって噴霧によるミスト化を行う場合は、装置が大型化し導入コストも高くなるが、超音波素子等の超音波発生手段を使用する場合、装置を小型化すると共に導入コストも低減することができる。また、ミスト発生量は超音波素子等の数を増やすことで増強でき、超音波の周波数を適宜選択することにより、ミストの粒子径を任意に制御することも可能である。
【００１７】
更に、このように超音波発生手段を使用する場合、上記貯留槽が、上記陽極室と一体に構成されてもよい。電解セルで発生したオゾンは、陽極室の壁面や陽極の表面に気泡となって付着する場合がある。この場合、気泡がある大きさ以上になると気泡の浮力が表面付着力よりも勝り、気泡が電極表面等から脱離する訳であるが、この気泡はそのまま外気中に抜けてしまう場合がある。これに対して、上記のように貯留槽と陽極室とを一体に構成した場合、貯留槽と一体化された陽極室内で超音波発生手段により発生された超音波によって、陽極室内の水が攪拌される。このため、上記気泡が微細化され、更に、微細化された気泡が効率よく水に溶解される。従って、この場合、一層効率よく高濃度のオゾン水を生成し、同時にオゾンミストを一層効率よく発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態を、図面と共に説明する。先ず、本実施の形態のオゾンミスト発生装置に使用される電解セル１の構成を説明する。図１に示すように、電解セル１は、固体高分子膜７を挟んで陽極３と陰極５とを配設して構成され、その陽極３，陰極５は固体高分子膜７の互いに対向する面に密着して固定されている。陽極３の表面には陽極室１３が、陰極５の表面には陰極室１５が、それぞれ形成され、陽極室１３，陰極室１５は、それぞれ供給口１３ａ，１５ａと取出口１３ｂ，１５ｂとを有している。
【００１９】
ここで、陽極３としては導電性ダイヤモンドからなる電極が使用されている。導電性ダイヤモンドとしては、高品質なダイヤモンド結晶構造を有し、更に導電性を示すものであればどのようなものでも用いることができる。導電性を示すためにはダイヤモンド結晶構造内に不純物を導入する必要がある。この不純物としてはホウ素や窒素、リン、硫黄などが一般的であるが、これに限定されるものではない。不純物の導入は、ダイヤモンドを合成する過程で同時に行ってもよく、またダイヤモンドを合成した後でイオン注入等の手法で行うこともできる。また、ダイヤモンドの合成手法は、高温高圧法、熱フィラメント法、マイクロ波プラズマ法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法、等各種手法が知られているが、どのような手法によってもよく、また天然ダイヤモンドも使用できる。
【００２０】
例えば、マイクロ波プラズマ法によりダイヤモンド電極を合成する場合、具体的には、炭素源となるアセトンとメタノールの混合溶媒中に、ホウ素源として酸化ホウ素を溶解させた溶液を水素ガスでバブリングすることでガス化し、これをマイクロ波プラズマ中に導入することでシリコンの基板上にホウ素ドープダイヤモンド電極が作成できる。上記ホウ素溶液中のＢ／Ｃの比が０．０１、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚ、基板温度８５０℃、圧力９０Ｔｏｒｒ、ガス流量５００ｓｃｃｍという条件において、５時間の成膜処理により約１０μｍのホウ素ドープダイヤモンド電極が得られる。また、陰極５としては、同様のダイヤモンド電極を使用してもよいが、網状の白金電極を使用してもよい。
【００２１】
このように構成された電解セル１では、陽極３と陰極５との間に直流電流を通電しながら各供給口１３ａ，１５ａから純水（後述のように水道水または酸性水でもよい）を供給すると、陽極３の表面で水の電気分解によりオゾンが発生し、陽極室１３の取出口１３ｂからオゾン水が排出される。また、陰極５の表面では、プロトンの還元反応による水素発生が起こる。
【００２２】
次に、図２は、第１の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の全体構成を表す模式図である。陽極室１３の水（以下、原料水ともいう）は、超音波加湿器３０の原料水タンク３１との間でポンプ３２により一定流量で循環されている。また、陰極室１５の水（以下、陰極水ともいう）は、陰極水タンク５１との間でポンプ５２により一定流量で循環されている。超音波加湿器３０は、原料水タンク３１の底面に超音波素子３３を備え、この超音波素子３３によって原料水タンク３１内の原料水を加振することにより、その原料水をミスト化する。こうして発生されたミストは、送風ファン３４により吹き出し口３５から大気中に放散される。原料水タンク３１には電解セル１からオゾン水が還流されているので、本実施の形態では、オゾンミストを大気中に放散することができる。
【００２３】
また、本実施の形態では、原料水及び陰極水としていずれも純水を使用した。純水にはカルシウム等のスケール成分が含まれない。このため、本実施の形態では、陰極５へのスケールの付着を良好に抑制することができる。また、陽極３に白金電極を用いた一般の電解セルでは、原料水に純水を用いると、原料水に水道水を用いた場合に比べて極端にオゾンの生成量が低下する。これに対して、本願出願人は、陽極３として導電性ダイヤモンドを用いた場合、原料水に純水を用いてもオゾンの生成量は低下せず、寧ろ、水道水を用いた場合よりオゾンの生成量が向上することを発見した。
【００２４】
図３は、その実験結果を表すグラフであり、図３（Ａ）は原料水に水道水を用いた場合のオゾン生成量を、図３（Ｂ）は原料水に純水を用いた場合のオゾン生成量を、それぞれ表している。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、陽極３に白金電極を用いた実験結果（○）では、原料水に純水を用いた場合（Ｂ）、原料水に水道水を用いた場合（Ａ）に比べて極端にオゾンの生成量が低下する。これに対して、陽極３に導電性ダイヤモンドを用いた実験結果（●）では、原料水に純水を用いた場合（Ｂ）でもオゾンの生成量は低下せず、寧ろ、水道水を用いた場合（Ａ）よりオゾンの生成量が向上することが分かる。従って、本実施の形態では、オゾンの生成量を低下させることなく、陰極５へのスケールの付着を抑制し、殺菌・消毒能力の高いオゾンミストを発生することができる。
【００２５】
また、水道水を電解してオゾン水を生成した場合には、水道水中に含まれる塩素含有成分が電解により次亜塩素酸などに変化し、オゾンミストを生成する際にも、次亜塩素酸などが同時に大気中に放出される可能性がある。これに対して、本実施の形態では、原料水に純水を使用しているので、次亜塩素酸が大気中に放散されるのも抑制できる。
【００２６】
次に、図４は、第２の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の全体構成を表す模式図である。本実施の形態では、原料水タンク３１の側面の一部に電解セル１を設け、図５に詳細に示すように、陽極３が原料水タンク３１の内面に直接露出する構成とした。すなわち、陽極室１３（図１参照）と原料水タンク３１とを一体に構成した。また、陰極室１５には、図４に示すように、上記第１の実施の形態と同様、陰極水タンク５１との間でポンプ５２により陰極水を一定流量で循環させた。このように構成された本実施の形態では、ポンプ３２が省略できるばかりでなく、上記第１の実施の形態の効果に加えて次のような効果が生じる。
【００２７】
電解セル１で発生したオゾンは、陽極室１３の壁面や陽極３の表面に気泡となって付着する場合がある。この場合、気泡がある大きさ以上になると気泡の浮力が表面付着力よりも勝り、気泡が陽極３の表面等から脱離する訳であるが、この気泡はそのまま原料水表面から外気中に抜けてしまう場合が多い。これに対して、本実施の形態では、原料水タンク３１に設けられた超音波素子３３が発生する超音波により、陽極室１３内の原料水が攪拌される。このため、上記気泡が微細化され、更に、微細化された気泡が効率よく原料水に溶解される。従って、本実施の形態では、一層効率よく高濃度のオゾン水を生成し、同時にオゾンミストを一層効率よく発生することができる。更に、このように気泡を微細化する効果は、図４，図５に例示したように、超音波素子３３を電解セル１の近傍に配設した場合に一層顕著に生じる。
【００２８】
また、上記各実施の形態において、陰極水としては、クエン酸等を溶解させた酸性水を用いてもよい。この場合、陰極水を例えばｐＨ５以下の酸性に維持することで、大気中の二酸化炭素などから陰極室１５内に炭酸イオンが生成されるのを抑制し、延いては、カルシウム，マグネシウム等のスケール成分の陰極室１５における析出を抑制することができる。従って、この場合、陰極５へのスケールの付着を一層良好に抑制することができる。また、このように陰極水として酸性水を用いる場合、原料水としては必ずしも純水を用いる必要はない。例えば、原料水としては一般の水道水を使用してもよく、この場合、陽極３には白金等の一般的な電極材料を用いてもよい。
【実施例】
【００２９】
次に、上記各実施の形態のオゾンミスト発生装置を、具体的に作成してその効果を検証した。先ず、上記第１の実施の形態において、原料水タンク３１の底面に超音波素子３３を３個配置した。超音波素子３３の発振周波数は２．４ＭＨｚであり、ミストの中心粒径３μｍ程度で、毎時２５０ｍＬ程度のミスト化が可能なものを使用した。送風ファン３４は原料水タンク３１の壁面に設置し、吹き出し口３５より風速３ｍ／ｓ、風量０．４ｍ3 ／ｍｉｎのオゾンミストを排出する。原料水タンク３１内の原料水は純水であり、その容量を５００ｍｌとした。ポンプ３２による送液速度は０．２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００３０】
陰極水タンク５１内の陰極水も純水であり、その容量を２００ｍｌとした。ポンプ５２による送液速度は０．２Ｌ／ｍｉｎとした。なお、本実施例においては、ダイヤモンド電極の耐久性、及び高いオゾン生成効率という観点から、特願２００５−２３２１８４号に示される電解セル１を使用した。すなわち電解セル１の陽極３としてダイヤモンド電極を使用し、陰極５として白金メッシュ電極を使用した。ダイヤモンド電極は自立体型のものであり、厚みが０．８ｍｍ大きさが１５×５０ｍｍの矩形板状であり、直径１ｍｍの孔が中心間距離２ｍｍで開けてあるものである。また、陽極室１３と陰極室１５を区切る固体高分子膜７として、プロトン伝導性の高分子膜（商品名「ナフィオン」：デュポン社製）を使用した。
【００３１】
このように構成されたオゾンミスト発生装置において、超音波素子３３の個数に対するオゾンミストの発生量を比較した。なお、本実施例において、陽極３と陰極５との間に通電する電流は、直流安定化電源より１Ａに固定した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は１０Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は６．０〜７．０ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．１２ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によるオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。
【００３４】
また、表１に示すように、超音波素子３３を１個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は３．１〜３．４ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．２４ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を用いて原料水をミスト化することで原料水中のオゾン濃度が減少し、その分オゾンミスト中のオゾン濃度が上昇する効果が示された。
【００３５】
表１に示すように、超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は１．６〜１．７ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．３１ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を増やすことで原料水のミスト化量が上昇し、その分原料水中のオゾン濃度減少し、更にオゾンミスト中のオゾン濃度が上昇する効果を示した。
【００３６】
ところが、超音波素子３３を３個使用してオゾンミストを発生させた場合、表１に示すように、原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．７ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．３０ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を２個から３個に増やしてもこれ以上のオゾンミスト中のオゾン濃度の上昇効果は認められず、本実施の形態においては超音波素子３３の数を２個とすることが最適であることが分かった。
【００３７】
次に、上記第２の実施の形態において、原料水タンク３１の底面に超音波素子３３を２個、電解セル１の陽極３表面から１０ｍｍ離れた位置に配置した。超音波素子３３の発振周波数は２．４ＭＨｚであり、ミストの中心粒径３μｍ程度で、毎時２５０ｍＬ程度のミスト化が可能なものを使用した。送風ファン３４は原料水タンク３１の壁面に設置され、吹き出し口３５より風速３ｍ／ｓ、風量０．４ｍ3 ／ｍｉｎのオゾンミストを排出する。原料水タンク３１内の原料水は純水であり、その容量を５００ｍｌとした。
【００３８】
陰極水タンク５１内の陰極水も純水であり、その容量を２００ｍｌとした。ポンプ５２による送液速度を０．２Ｌ／ｍｉｎとした。電解セル１の陽極３としてダイヤモンド電極を使用し、陰極５として白金メッシュ電極を使用した。ダイヤモンド電極は自立体型のものであり、厚みが０．８ｍｍ大きさが１５×５０ｍｍの矩形板状であり、直径１ｍｍの孔が中心間距離２ｍｍで開けてあるものである。また、固体高分子膜７として、プロトン伝導性の高分子膜（商品名「ナフィオン」：デュポン社製）を使用した。このように構成されたオゾンミスト発生装置におけるオゾンミスト発生量を表２に示す。
【００３９】
【表２】
【００４０】
表２に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は１８．１Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は４．４〜４．８ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．２５ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によりオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。表１の超音波素子３３がなしの場合と比較して、原料水中のオゾン濃度が低いのは、原料水の循環がないため陽極３の表面で気泡が形成され易く、それが溶液界面から放出されるためである。この気泡の大きさはおおよそ２〜５ｍｍ程度である。それに伴い、気体中のオゾン濃度は増加しており、本実施の形態では超音波素子３３を使用しない場合には陽極３で発生したオゾンが水中に溶解し難いことが分かる。
【００４１】
表２に示すように、超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．６ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．３４ ｖｏｌ ｐｐｍであった。すなわち、超音波素子３３を用いることで、オゾンミストの発生状態は表１の超音波素子３３が２個の場合と同程度となる。超音波素子３３を用いた場合には、陽極３の表面から発生する気泡は１ｍｍ以下と非常に小さく、オゾンが原料水に溶解し易い状態となっている。
【００４２】
更に、オゾンが原料水に溶解し易くなっていることは、超音波素子３３なしの溶液濃度４．４〜４．８ｍｇ／Ｌが、超音波素子３３を２個動作させた直後に５．５ｍｇ／Ｌ程度まで上昇することからも確認される。すなわち、超音波素子３３を動作させることで、オゾンが原料水に溶解し易くなる。原料水中のオゾン濃度は、その後連続してミスト化を行うことで減少していくため、最終的な原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．６ｍｇ／Ｌの値となる。すなわち、第２の実施の形態では、超音波素子３３による攪拌・溶解効果により、電解セル１で発生したオゾンを効率よく溶解させ、高濃度のオゾンミストを効率よく発生させることができる。
【００４３】
更に、本実施例では、超音波素子３３を動作させることによりセル電圧が０．４Ｖ程度低下する効果が認められた。これは陽極３の表面に付着してオゾンの生成反応を阻害する気泡を効率よく取り除けるためであると考えられる。
【００４４】
次に、この実施例において、原料水を水道水とし、陰極水をクエン酸水溶液として実験を行った。クエン酸水溶液としては、純水２００ｍＬにクエン酸２０ｇと食塩２０ｇを溶解させたものを使用した。このように構成されたオゾンミスト発生装置におけるオゾンミスト発生量を表３に示す。
【００４５】
【表３】
【００４６】
表３に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は７．５Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は１．４〜１．５ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．１０ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によりオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、セル電圧が１０Ｖ程度低下する効果が認められた。表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、原料水中のオゾン濃度が低いのは、陰極水として酸性溶液を使用していることによる。すなわち、セル電圧が低下するため消費電力は低下するものの、オゾンの生成量も減少してしまう。
【００４７】
超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は０．３〜０．４ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．１２ ｖｏｌ ｐｐｍであった。超音波素子３３を用いた場合には、陽極３の表面から発生する気泡は１ｍｍ以下と非常に小さく、オゾンが原料水に溶解し易い状態となっている。
【００４８】
更に、上記実施例において、原料水を純水とし、陰極水を上記クエン酸水溶液として実験を行った。このように構成されたオゾンミスト発生装置におけるオゾンミスト発生量を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
表４に示すように、超音波素子３３を使用しない場合、電解セル１のセル電圧は６．８Ｖであり、原料水中のオゾン濃度は１．６〜１．７ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風される気体中のオゾン濃度は０．０８ ｖｏｌ ｐｐｍであった。この場合には、原料水のミスト化によりオゾンミストは発生していないが、原料水中に溶け切れないオゾンが徐々に原料水界面から放出されており、これが送風ファン３４により運ばれたものが気体中のオゾン濃度として検出されている。原料水として純水を用いた場合も、表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、セル電圧が１１Ｖ程度低下する効果が認められた。表２の超音波素子３３がなしの場合と比較して、原料水中のオゾン濃度が低いのは、陰極水として酸性溶液を使用していることによる。すなわち、セル電圧が低下するため消費電力は低下するものの、オゾンの生成量も減少してしまう。但し、本実施例のように原料水として純水を用いた場合、原料水として水道水を用いた表３の例に比べて、オゾン濃度を低下させることなくセル電圧を一層低下させることができる。
【００５１】
超音波素子３３を２個使用してオゾンミストを発生させた場合、原料水中のオゾン濃度は０．３〜０．４ｍｇ／Ｌであり、送風ファン３４により送風されるオゾンミスト中のオゾン濃度は０．１２ ｖｏｌ ｐｐｍであった。超音波素子３３を用いた場合には、陽極３の表面から発生する気泡は１ｍｍ以下と非常に小さく、オゾンが原料水に溶解し易い状態となっている。また、超音波素子３３を使用した場合も、原料水として水道水を用いた表３の例に比べて、オゾン濃度を低下させることなくセル電圧を一層低下させることができた。
【００５２】
次に、陰極水として酸性溶液を用いることによるスケール付着防止効果について検証した。上記各実施例のようなオゾンミスト発生装置によりスケール付着による性能低下試験を行う場合、非常に長い時間を要するため、本実施例では、上記各実施例と同様に構成した電解セル１を用いて次のような加速試験を行った。すなわち、図６に示すように、電解セル１の陽極室１３へ水道水を毎分３Ｌの流量で供給し、電解セル１での電解により生成したオゾン水はそのまま排出した。陰極水タンク５１内の陰極水は水道水或いは上記クエン酸溶液であり、その容量を２００ｍｌとした。陰極水タンク５１から電解セル１の陰極室１５へポンプ５２により陰極水を供給し、送液速度を０．２Ｌ／ｍｉｎとし、電解セル１での電解により生成した水素水が陰極水タンク５１に戻される構造とした。
【００５３】
陰極水として水道水を用いた場合、３０分程度電解するとオゾン生成能の著しい低下が見られた。すなわち、オゾン水濃度は急激に減少し、セル電圧は急激に上昇した。電解セル１を分解して観察すると、陰極５及び固体高分子膜７の陰極側にスケールが析出していることが分かった。この間に通水した水道水はおおよそ９０Ｌであり、仮にオゾンミスト発生装置のミスト化性能が毎時０．５Ｌである場合、１８０時間程度で陰極５及び固体高分子膜７が使用不可能となることを意味する。すなわち、この場合には電解セル１の頻繁なメンテナンスが必要となる。
【００５４】
一方、陰極水としてクエン酸溶液を用いた場合、６００分程度電解するとオゾン生成能の著しい低下が見られた。すなわち、オゾン水濃度は急激に減少し、セル電圧は急激に上昇した。電解セル１を分解して観察すると、陰極５及び固体高分子膜７の陰極側にスケールが析出していることが分かった。この間に通水した水道水はおおよそ１８００Ｌであり、仮にオゾンミスト発生装置のミスト化性能が毎時０．５Ｌの場合、３６００時間程度で使用不可能となることを意味する。すなわち、この場合には電解セル１のメンテナンスが大幅に軽減される。また、原料水として純水を用いた場合、純水にはカルシウム等のスケール成分が含まれないので、同様にスケールの析出が抑制され電解セル１のメンテナンスが大幅に軽減される。このように、上記各実施の形態では、スケールの析出を良好に抑制できることが分かった。
【００５５】
なお、上記各実施の形態において、超音波加湿器３０がミスト化手段に、原料水タンク３１が貯留槽に、超音波素子３３が超音波発生手段に、それぞれ相当する。また、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、ミスト化手段としては、コンプレッサ等によって噴霧によるミスト化を行う構成を適用してもよい。但し、上記各実施の形態のように、超音波素子３３によってミスト化を行う場合、装置を小型化すると共に導入コストも低減することができる。また、超音波素子３３を用いる場合は、その超音波素子３３の数を増やすことでミスト発生量が増強でき、超音波の周波数を適宜選択することにより、ミストの粒子径を任意に制御することも可能である。
【００５６】
また、酸性水としては、ｐＨ５以下の酸性溶液が好ましいが、上記クエン酸の他にも、硫酸や過塩素酸溶液など、各種酸性溶液を用いることができる。但し、環境中への排出を考えた場合、クエン酸を用いることが望ましい。更に、陽極３としては網目状あるいは多孔質状の基体の上に構成した導電性ダイヤモンド薄膜も使用できる。更に、上記各実施の形態のように陽極３として多孔質状または網状の構造を有する自立体型の導電性ダイヤモンド板を使用した場合、その導電性ダイヤモンドの剥離等も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態に使用される電解セルの構成を表す模式図である。
【図２】第１の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の構成を表す模式図である。
【図３】原料水が水道水または純水である場合の、陽極の材料によるオゾン生成量の相違を例示する説明図である。
【図４】第２の実施の形態としてのオゾンミスト発生装置の構成を表す模式図である。
【図５】そのオゾンミスト発生装置の構成の一部を詳細に表す模式図である。
【図６】スケール付着防止効果に関する実験用の装置の構成を表す模式図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…電解セル ３…陽極 ５…陰極 ７…固体高分子膜
１３…陽極室 １５…陰極室 ３０…超音波加湿器 ３１…原料水タンク
３２，５２…ポンプ ３３…超音波素子 ３４…送風ファン
３５…吹き出し口 ５１…陰極水タンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、
該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、
を備え、
上記陽極として導電性ダイヤモンドが使用され、
上記陽極室に純水が挿入されることを特徴とするオゾンミスト発生装置。
【請求項２】
上記陰極室に酸性水が挿入されることを特徴とする請求項１記載のオゾンミスト発生装置。
【請求項３】
固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、
該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、
を備え、
上記陰極室に酸性水が挿入されることを特徴とするオゾンミスト発生装置。
【請求項４】
上記ミスト化手段が、
上記陽極室に生成されたオゾン水を貯留する貯留槽と、
該貯留槽内に設けられ、超音波を発生して上記貯留槽内のオゾン水を加振する超音波発生手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のオゾンミスト発生装置。
【請求項５】
上記貯留槽が、上記陽極室と一体に構成されたことを特徴とする請求項４記載のオゾンミスト発生装置。
【請求項１】
固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、
該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、
を備え、
上記陽極として導電性ダイヤモンドが使用され、
上記陽極室に純水が挿入されることを特徴とするオゾンミスト発生装置。
【請求項２】
上記陰極室に酸性水が挿入されることを特徴とする請求項１記載のオゾンミスト発生装置。
【請求項３】
固体高分子膜を挟んで陰極と陽極とを配設し、該陽極及び陰極の表面に陽極室または陰極室をそれぞれ配設してなる電解セルと、
該電解セルにて水を電気分解することによって上記電解セルの陽極室に生成されるオゾン水を、ミスト化するミスト化手段と、
を備え、
上記陰極室に酸性水が挿入されることを特徴とするオゾンミスト発生装置。
【請求項４】
上記ミスト化手段が、
上記陽極室に生成されたオゾン水を貯留する貯留槽と、
該貯留槽内に設けられ、超音波を発生して上記貯留槽内のオゾン水を加振する超音波発生手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のオゾンミスト発生装置。
【請求項５】
上記貯留槽が、上記陽極室と一体に構成されたことを特徴とする請求項４記載のオゾンミスト発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２３９０４１（Ｐ２００７−２３９０４１Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６４３３１（Ｐ２００６−６４３３１）
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（３９００２１５７７）東海旅客鉄道株式会社 (413)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（３９００２１５７７）東海旅客鉄道株式会社 (413)
【Ｆターム（参考）】
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