オゾン水生成装置
【課題】高濃度の温オゾン水を容易かつ効率良く生成することのできるオゾン水生成装置を提供する。
【解決手段】オゾン水生成装置１００は、原料水を満たした水槽１と、水槽１内に配置される触媒電極２とを備え、触媒電極２は、筒状の陰極電極２３の外周面に陽イオン交換膜２１、陽極電極２２が順に重ねて巻き付けられて筒状に形成されてなり、陽極電極２２と陰極電極２３との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成する装置である。また、水槽１内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体３が、陰極電極２３に接触して設けられており、陰極電極２３で発生したジュール熱を熱伝導体３を通じて水中に導くことにより放熱させる。
【解決手段】オゾン水生成装置１００は、原料水を満たした水槽１と、水槽１内に配置される触媒電極２とを備え、触媒電極２は、筒状の陰極電極２３の外周面に陽イオン交換膜２１、陽極電極２２が順に重ねて巻き付けられて筒状に形成されてなり、陽極電極２２と陰極電極２３との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成する装置である。また、水槽１内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体３が、陰極電極２３に接触して設けられており、陰極電極２３で発生したジュール熱を熱伝導体３を通じて水中に導くことにより放熱させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療や介護に好適な温オゾン水を生成することのできるオゾン水生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン水は食品殺菌の普及に加え、医療用として、特に寝たきり老人の褥瘡の治療や火傷、さらにアトピーやケロイドの発生防止などにも効果がある等の研究報告が多く出され、医療用に多くの治療例が提案されている。
このように現在、医療用及び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。
【特許文献１】特開平８−１３４６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述のような治療においては、敏感な皮膚にできるだけ刺激を与えないために、２５℃〜３０℃の温オゾン水を使用することが望ましいと言われている。
一方、オゾンが水に溶解してオゾン水になる過程において、その溶解率は所謂ヘンリーの法則に従い、特に温度が低いほど溶解率が高いとされている。そのため、現在オゾン水を多く使用している半導体加工分野では５〜１０℃の低温下で高濃度のオゾン水を使用している例が多い。そのため、医療用として好適な温オゾン水を生成する場合には高温下で生成しており、高温下で生成する場合は低温下で生成する場合よりも溶解率が低く、オゾン水の生成効率が悪いものであった。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高濃度の温オゾン水を容易かつ効率良く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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、陽イオン交換膜の両側に陽極電極と陰極電極とをそれぞれ圧接し、陽極電極に水を接触させてオゾン水を生成する直接電解法においては、陽極電極で酸素とオゾンが発生し、陰極電極で水素が発生するが、陽極電極は水に接触しているので通電時に生じるジュール熱は冷却されるが、陰極電極は通常は水に接触していないので、陰極電極で発生したジュール熱は放熱されずに、それが触媒電極の昇温に繋がり、オゾン水の生成効率を低下させていることを知った。
本発明はこれらの現象を利用し、陰極電極で発生するジュール熱を原料水の昇温に利用し、同時に陰極電極の冷却にもつなげ、より簡単で省エネルギーに温オゾン水を得ることができるものとした。
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、例えば、図１，図２に示すように、原料水を満たした水槽１と、前記水槽内に配置される触媒電極２とを備え、
前記触媒電極は、筒状の陰極電極２３の外周面に陽イオン交換膜２１が重ねて巻き付けられ、さらに、前記陽イオン交換膜の外周面に陽極電極２２が重ねて巻き付けられてなる筒状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置１００において、
前記水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体３が、前記陰極電極に接触して設けられ、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とする。
【０００５】
請求項１の発明によれば、触媒電極が、内側から順に陰極電極、陽イオン交換膜、陽極電極の順に重ねて設けられており、陰極電極に水中に接触する熱伝導性の高い熱伝導体が接合されているので、陰極電極で発生したジュール熱が陽イオン交換膜を介して陽極電極から水中に放熱されるのではなく、熱伝導体を介してすぐに水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、別の手段でオゾン水を昇温させることなく、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極を放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極は陽極電極よりも内側に配されているので、原料水との接触が少なく、通電により陰極電極で発生した水素が水槽内のオゾン水と混ざり合うことを防止でき、また、水素が水中で強力な還元作用を持つ水素イオン化することもなく、この還元作用により陰極電極の触媒作用が減殺されることを低減することができる。その結果、良好な陰極電極の触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
【０００６】
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において、
前記熱伝導体は、前記陰極電極の筒状下端部から下方へ延在する棒状のベース部３１と、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィン３２，３２，…と備えたヒートシンク３であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明によれば、熱伝導体は、陰極電極の筒状下端部から下方に延在する棒状のベース部と、ベース部に対して交差するように配置された複数のフィンとを備えたヒートシンクであるので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
【０００８】
請求項３の発明は、例えば、図３に示すように、原料水を満たした水槽１Ａと、前記水槽内に配置される触媒電極２Ａとを備え、
前記触媒電極は、陽イオン交換膜２１Ａの一方の面に陽極電極２２Ａを圧接し、他方の面に陰極電極２３Ａを圧接してなる平板状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置１００Ａにおいて、
前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体３Ａを接触させて設け、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明によれば、触媒電極が、陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接し、他方の面に陰極電極を圧接してなる平板状に形成されており、陰極電極の陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、水中に接触する熱伝導性の高い熱伝導体が接触しているので、陰極電極で発生したジュール熱が熱伝導体を介して水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、別の手段でオゾン水を昇温させることなく、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極を放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極の陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、熱伝導体が接触して設けられているため、陰極電極は原料水との接触面積が少なくなる。すなわち、水中に陰極電極が浸されていると、発生した水素が水中で強力な還元作用をもつ水素イオン化し、陰極電極を還元して触媒作用を減殺するが、原料水との接触面積が少ないことから、良好な陰極電極の触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
【００１０】
請求項４の発明は、例えば、図３に示すように、請求項３に記載のオゾン水生成装置において、
前記熱伝導体は、前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に接触する板状のベース部３１Ａと、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィン３２Ａ，３２Ａ，…とを備えたヒートシンク３Ａであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明によれば、熱伝導体は、陰極電極の陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に接触する板状のベース部と、ベース部に対して交差するように配置された複数のフィンとを備えたヒートシンクであるので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
【００１２】
請求項５の発明は、例えば、図３に示すように、請求項４に記載のオゾン水生成装置において、
前記ベース部は、前記陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出し、前記延出したベース部に前記フィンが配されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明によれば、ベース部が陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出し、延出したベース部にフィンが配されているので、延出したベース部及びそのベース部に配されたフィンによって、放熱面積を大きくすることができ、放熱効果を一層向上させることができる。
また、ベース部を陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出させた場合には、陰極電極から発生した水素をベース部に沿って上方又は下方へと導いて放出させることができる。上方へ水素を放出させた場合には、水槽内のオゾン水と水素が混ざり合うことを防止でき、オゾン水生成効率を向上させることができる。
【００１４】
請求項６の発明は、例えば、図１，図２に示すように、請求項１〜５のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置１００において、
前記陰極電極が銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明によれば、陰極電極がオゾン発生に必要なイオン移動性に富み、かつ、熱伝導性に高い銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であるので、放熱に効果的でオゾン発生効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、陰極電極で発生するジュール熱を熱伝導体を介して水中に放熱することができ、この放熱をオゾン水の昇温に利用することができる。その結果、医療用等に適した刺激の少ない温オゾン水を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第一及び第二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、本発明の第一の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００の斜視図、図２は、図１における切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。
図１及び図２に示すように、オゾン水生成装置１００は、原料水（例えば、水）が満たされた水槽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、そのオゾン気泡を原料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、水槽１内にはその上端部近傍まで原料水で満たされている。そして、水槽１内には触媒電極２が配置されている。
【００１８】
触媒電極２は、内側から順に円筒状に重ねて巻き付けられた陰極電極２３と、陽イオン交換膜２１と、陽極電極２２とを備えている。すなわち、円筒状に陰極電極２３が巻かれて、この陰極電極２３上に円筒状に陽イオン交換膜２１が巻き付けられ、さらに陽イオン交換膜２１上に円筒状に陽極電極２２が巻き付けられている。
このような円筒状に形成された触媒電極２は、筒状の長手方向が上下となるように水槽１内に配されている。水槽１内に配された触媒電極２は、原料水の大部分が触媒電極２の最外周に位置する陽極電極２２面に接触するようになっており、触媒電極２の内周に位置する陰極電極２３は陽極電極２２ほど原料水に接触しないようになっている。
【００１９】
触媒電極２の水槽１内への固定方法としては、図示しないが例えば、水槽１の内壁面から陽極電極２２に向けて所定箇所に棒状の取付部材を設けて、これによって支持するようにしても良く、その他、水槽１の上方から吊り下げる構造としても良い。なお、使用する取付部材は、耐オゾン性の材料からなるものが好ましい。
【００２０】
また、陽極電極２２及び陰極電極２３の上端面には、電源装置２４のプラス端子２４１及びマイナス端子２４２に導線を介してそれぞれ電気的に接続されており、電源装置２４の駆動によって陽極電極２２と陰極電極２３との間に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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、陽極電極２２は陽イオン交換膜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がグレーチング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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
一方、陰極電極２３は、銀又は薄い銀製金網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、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。
【００２６】
上述のような触媒電極２において、陰極電極２３の下端部にはヒートシンク３が取り付けられている。
ヒートシンク３は、陰極電極２３の下端部から下方に延出する棒状のベース部３１と、ベース部３１に対して略垂直となるようにベース部３１の上下に沿って所定間隔に配置された複数の空冷フィン３２，３２，…とを備えている。
ベース部３１は、その上端部が陰極電極２３の下端部における筒状内部２３１に挿入固定されており、複数の空冷フィン３２，３２，…が互いに平行に配置されるよう支持している。そして、これらベース部３１及び空冷フィン３２，３２，…は、陰極電極２３で放熱した熱をベース部３１及び空冷フィン３２，３２，…による熱伝導を使って、発生した熱を水中へ拡散する放熱板として機能する。なお、ベース部３１や空冷フィン３２，３２，…は、熱伝導率の高い例えばアルミニウムやアルミニウム合金、銅から形成されていることが好ましい。
【００２７】
また、水槽１の内側底面には、マグネットスターラ等の回転子８１が設けられ、水槽１の外側底面には回転子８１を磁力で攪拌する攪拌装置８２が設けられている。この回転子８１を磁力で攪拌させることにより、水槽１内に旋回水流を発生させて触媒電極２の陽極電極２２に原料水を連続接触させることができる。
【００２８】
また、水槽１内には、水槽１内で生成されたオゾン水のオゾン濃度を検出する水槽内濃度検出センサ（図示しない）が設けられている。水槽内濃度検出センサは、検出電極と電位測定の基準となる比較電極、これら検出電極及び比較電極の一方の端部に結線して電位を測定する電位差計等から構成されている。したがって、検出電極及び比較電極の先端部（他方の端部）を水槽１内のオゾン水に接触させ、検出電極のオゾン濃度変化による検出電極と比較電極との電位差を検出して濃度を測定する。
検出電極としては、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、電源装置２４が予め設定されたオゾン濃度と一致するように陽極電極２２及び陰極電極２３間に印加する電圧を制御している。
【００２９】
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、攪拌装置８２で回転子８１を攪拌させることにより水槽１内に旋回水流を発生させておく。ここで、水流の大部分は陽極電極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、同時に電源装置２４を駆動させて陽極電極２２と陰極電極２３との間に所定の直流電圧を印加する。この通電によって、水槽１内の原料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。
【００３０】
ここで、陽極電極２２側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。
【００３１】
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２３１が水素気泡で充満され、水面へと上昇して系外に放出される。これによって水素が、生成されたオゾン水と反応して分解されるのを防止することができる。また、発生した水素はすぐに捕集して、例えば、燃料電池の燃料として有効利用することが望ましい。
【００３２】
また、通電によって陽極電極２２及び陰極電極２３でジュール熱が発生するが、陽極電極２２で発生したジュール熱は、陽極電極２２が触媒電極２の最外周に位置していることから水槽１内の原料水に接触することですぐに放熱される。一方、陰極電極２３で発生したジュール熱は、ヒートシンク３のベース部３１を介して空冷フィン３２，３２，…に伝導し、水槽１内の原料水に接触することで放熱される。
【００３３】
また、通電中に、同時に水槽内濃度検出センサによって水槽１内の溶液の濃度が測定され、電源装置２４が、水槽１内のオゾン濃度が予め設定されたオゾン濃度となるように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。
以上のようにして設定濃度のオゾン水が生成される。
【００３４】
以上、本発明の第一の実施の形態によれば、触媒電極２が、内側から順に陰極電極２３、陽イオン交換膜２１、陽極電極２の順に重ねて円筒状に設けられており、陰極電極２３に水中に接触する熱伝導性の高いヒートシンク３が接合されているので、陰極電極２３で発生したジュール熱が陽イオン交換膜２１を介して陽極電極２２から水中に放熱されるのではなく、ヒートシンク３を介してすぐに水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極２３を放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極２３は陽極電極２２よりも内側に配されているので、原料水との接触が少なく、通電により陰極電極２３で発生した水素が水槽１内のオゾン水と混ざり合うことを防止でき、また、水素が水中で強力な還元作用を持つ水素イオン化することもなく、この還元作用により陰極電極２３の触媒作用が減殺されることを低減することができる。その結果、良好な陰極電極２３の触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
また、ヒートシンク３は、陰極電極２３の下端部から下方に延在する棒状のベース部３１と、ベース部３１に対して交差するように配置された複数のフィン３２，３２，…とを備えているので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
さらに、陰極電極２３がオゾン発生に必要なイオン移動性に富み、かつ、熱伝導性に高い銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であるので、放熱に効果的でオゾン発生効率を向上させることができる。
【００３５】
［第二の実施の形態］
図３は、本発明の第二の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００Ａの縦断面図である。
なお、第二の実施の形態では、第一の実施の形態の触媒電極２と形状の異なる触媒電極２Ａを使用し、かつ、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面にヒートシンク３Ａが設けられている。
オゾン水生成装置１００Ａは、第一の実施の形態と同様の水槽１Ａと、水槽１Ａ内に配置された触媒電極２Ａとを備えている。触媒電極２Ａは、陽イオン交換膜２１Ａの一方の面に陽極電極２２Ａを密着させ、他方の面に陰極電極２３Ａを密着させてなるもので、それぞれ平板状に形成され、これらを密着させた後、絶縁性の接合部材（図示しない）により接合されることによって触媒電極２Ａとされている。
触媒電極２Ａは、陽極電極２２Ａが水槽１Ａの円筒中心部側を向き、陰極電極２３Ａが水槽１Ａの内壁面側を向くように配されている。
触媒電極２Ａの水槽１Ａ内への固定方法としては、水槽１の上方から吊り下げる構造としても良いし、水槽１の底面に固定しても良い。
【００３６】
また、陽極電極２２Ａと陰極電極２３Ａとの間には、第一の実施の形態と同様に、電源装置２４Ａのプラス端子２４１Ａ及びマイナス端子２４２Ａが導線を介してそれぞれ接続されて、電源装置２４Ａの駆動により直流電圧が印加されるようになっている。なお、陽イオン交換膜２１Ａ、陽極電極２２Ａ及び陰極電極２３Ａの材料等については第一の実施の形態と同様のものを使用することができる。
【００３７】
上述のような触媒電極２Ａにおいて、陰極電極２３Ａの水槽１Ａの内壁面側を向く面（陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面）には、ヒートシンク３Ａが取り付けられている。ヒートシンク３Ａは、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に、上下に沿って延在する板状のベース部３１Ａと、ベース部３１Ａに対して略垂直となるように上下に所定間隔に配置された複数の空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…とを備えている。ベース部３１Ａの上下端部は、陰極電極２３Ａの上下端部からそれぞれ上方及び下方に延出し、延出したベース部３１Ａにも空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…が取り付けられている。このベース部３１Ａは熱伝導性の高い両面テープ等で陰極電極３２Ａに固定されており、ベース部３１Ａ及び空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…は第一の実施の形態と同様にアルミニウムやアルミニウム合金、又は銅からなる。
【００３８】
また、水槽１Ａの内側底面には回転子８１Ａが設けられ、外側底面には攪拌装置８２Ａが設けられている。さらに、第一の実施の形態と同様に水槽１Ａ内の濃度を検出する水槽内濃度検出センサ（図示しない）も設けられている。
【００３９】
次に、上述の構成からなるオゾン水生成装置１００Ａを使用したオゾン水生成方法について説明する。
まず、攪拌装置８２Ａで回転子８１Ａを攪拌させることにより水槽１Ａ内に旋回水流を発生させておく。ここで、水流の大部分は水槽１Ａの中心部に位置する陽極電極２１Ａ面に連続接触し、その一部は水槽１Ａの内壁面側に位置する陰極電極２３Ａ面に接触する。そして、同時に電源装置２４Ａを駆動させて陽極電極２２Ａと陰極電極２３Ａとの間に所定の直流電圧を印加する。この通電によって、水槽１Ａ内の原料水が電気分解されて、陽極電極２２Ａ側にはオゾン気泡が発生し、陰極電極２３Ａ側には水素気泡が発生する。
【００４０】
ここで、陽極電極２２Ａ側ではわずかな陽極電極２２Ａ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２２Ａ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２２Ａと陽イオン交換膜２１Ａとの間（正確には陽極電極２２Ａと陰極電極２３Ａとの間）に電流が多く流れる状態を確保することになる。
【００４１】
一方、陰極電極２３Ａ側においては、水素気泡が激しく発生し、ヒートシンク３Ａのベース部３１Ａに導かれて水面へと上昇して系外に放出される。これによって水素が、生成されたオゾン水と反応して分解されるのを防止することができる。また、発生した水素はすぐに捕集して、例えば、燃料電池の燃料として有効利用することが望ましい。
【００４２】
また、通電によって陽極電極２２Ａ及び陰極電極２３Ａでジュール熱が発生するが、陽極電極２２Ａで発生したジュール熱は、陽極電極２２Ａは水槽１Ａ内の原料水に接触することですぐに放熱される。一方、陰極電極２３Ａで発生したジュール熱は、ヒートシンク３Ａのベース部３１Ａを介して空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…に伝導し、水槽１Ａ内の原料水に接触することで放熱される。
【００４３】
また、通電中に、同時に水槽内濃度検出センサによって水槽１Ａ内の溶液の濃度が測定され、電源装置２４Ａが、水槽１Ａ内のオゾン濃度が予め設定されたオゾン濃度となるように出力を行うことによって、陽極電極２２Ａ及び陰極電極２３Ａ間の電圧が制御される。
以上のようにして設定濃度のオゾン水が生成される。
【００４４】
以上、本発明の第二の実施の形態によれば、触媒電極２Ａが、陽イオン交換膜２１Ａの一方の面に陽極電極２２Ａを圧接し、他方の面に陰極電極２３Ａを圧接してなる平板状に形成されており、陰極電極２２Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に、水中に接触する熱伝導性の高いヒートシンク３Ａが接触しているので、陰極電極２３Ａで発生したジュール熱が、ヒートシンク３Ａを介してすぐに水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極２３Ａを放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に、ヒートシンク３Ａが接触して設けられているため、陰極電極２３Ａは原料水との接触面積が少なくなる。すなわち、水中に陰極電極２３Ａが浸されていると、発生した水素が水中で強力な還元作用をもつ水素イオン化し、陰極電極２３Ａを還元して触媒作用を減殺するが、原料水との接触面積が少ないことから、良好な陰極電極２３Ａの触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
ヒートシンク３Ａは、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に接触する板状のベース部３１Ａと、ベース部３１Ａに対して交差するように配置された複数のフィン３２Ａ，３２Ａ，…とを備えているので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
また、ベース部３Ａが陰極電極２３Ａの上端部及び下端部からそれぞれ上方及び下方に延出し、延出したベース部３１Ａにフィン３２Ａが配されているので、延出したベース部３１Ａ及びそのベース部３１Ａに配されたフィン３２Ａによって、放熱面積を大きくすることができ、放熱効果を一層向上させることができる。さらに、陰極電極２３Ａから発生した水素をベース部３１Ａに沿って上方又は下方へと導いて放出させることができる。上方へ水素を放出させることにより、水槽１Ａ内のオゾン水と水素が混ざり合うことを防止でき、オゾン水生成効率を向上させることができる。
また、陰極電極２３Ａがオゾン発生に必要なイオン移動性に富み、かつ、熱伝導性に高い銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であるので、放熱に効果的でオゾン発生効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記第二の実施の形態において、ヒートシンク３Ａのベース部３１Ａは、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に接触するように板状であるとしたが、陰極電極２３Ａの外面を覆うように側面にも熱伝導体を設けて、ベース部を箱状に形成しても構わない。これによって、陰極電極２３Ａが原料水と接触する面積がより少なくなり、水素が水素イオン化することによる陰極電極２３Ａの触媒機能の低下を防止でき、さらには発生した水素がオゾン水と反応することを防止できる。
【００４６】
また、第一及び第二の実施の形態において、水槽１，１Ａは円筒形状であるとしたが、四角筒形状であっても良い。また、第一の実施の形態の触媒電極２は円筒形状に限らず、四角筒形状でも構わない。
【００４７】
次に、本発明に係るオゾン水生成装置による効果について、第一の実施の形態のオゾン水生成装置１００を例に挙げて説明する。
［実施例］
触媒電極２の電極面積が約１５ｃｍ２の円筒形セルにおいて、陽極電極２２として厚さ２ミクロンメートルの白金を被覆したチタン製のマイクログレーチングを使用し、デュポン社製のナフイオン膜を陽イオン交換膜２１として使用し、陰極電極２３として厚さ０．５ｍｍの銀製のグレーチングの表面に塩化銀を被覆したものを使用した。そして、陰極電極２３の下端部にアルミニウム製の表面積約５０ｃｍ２のヒートシンク３を接続した。このようなオゾン水生成装置１００において、１２ボルト（Ｖ）の直流で約１０アンペア（Ａ）の電流が流れ、約２Ｌの水槽１中で攪拌したところ、約２分で４ｐｐｍのオゾン水が得られ、水温は２０℃から２６℃まで上昇した。
比較例として、ヒートシンクを取り付けていない上記円筒状の触媒電極で運転を行ったところ、電流は約８Ａに減少し、約２分でオゾン水の濃度は２．５ｐｐｍで、水温も２３℃前後となり、特にオゾン水発生効率の差は、陰極電極が高温であることが判明した。陰極電極の温度を測定したところ、前者（ヒートシンクを設けた本発明例）は水温プラス１〜２℃であったのに対し、後者（比較例）は水温プラス１２〜１５℃の高温を示した。
なお、皮膚科治療には２５〜３０℃が皮膚に刺激を与えない温度とされているので、本実施例により簡便に治療に適するとされている濃度と温度の温オゾン水を生成できることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第一の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００を模式的に示した斜視図である。
【図２】切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００Ａを模式的に示した縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ 水槽
２，２Ａ 触媒電極
３，３Ａ ヒートシンク（熱伝導体）
２１，２１Ａ 陽イオン交換膜
２２，２２Ａ 陽極電極
２３，２３Ａ 陰極電極
３１，３１Ａ ベース部
３２，３２Ａ フィン
１００，１００Ａ オゾン水生成装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療や介護に好適な温オゾン水を生成することのできるオゾン水生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン水は食品殺菌の普及に加え、医療用として、特に寝たきり老人の褥瘡の治療や火傷、さらにアトピーやケロイドの発生防止などにも効果がある等の研究報告が多く出され、医療用に多くの治療例が提案されている。
このように現在、医療用及び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。
【特許文献１】特開平８−１３４６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述のような治療においては、敏感な皮膚にできるだけ刺激を与えないために、２５℃〜３０℃の温オゾン水を使用することが望ましいと言われている。
一方、オゾンが水に溶解してオゾン水になる過程において、その溶解率は所謂ヘンリーの法則に従い、特に温度が低いほど溶解率が高いとされている。そのため、現在オゾン水を多く使用している半導体加工分野では５〜１０℃の低温下で高濃度のオゾン水を使用している例が多い。そのため、医療用として好適な温オゾン水を生成する場合には高温下で生成しており、高温下で生成する場合は低温下で生成する場合よりも溶解率が低く、オゾン水の生成効率が悪いものであった。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高濃度の温オゾン水を容易かつ効率良く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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、陽イオン交換膜の両側に陽極電極と陰極電極とをそれぞれ圧接し、陽極電極に水を接触させてオゾン水を生成する直接電解法においては、陽極電極で酸素とオゾンが発生し、陰極電極で水素が発生するが、陽極電極は水に接触しているので通電時に生じるジュール熱は冷却されるが、陰極電極は通常は水に接触していないので、陰極電極で発生したジュール熱は放熱されずに、それが触媒電極の昇温に繋がり、オゾン水の生成効率を低下させていることを知った。
本発明はこれらの現象を利用し、陰極電極で発生するジュール熱を原料水の昇温に利用し、同時に陰極電極の冷却にもつなげ、より簡単で省エネルギーに温オゾン水を得ることができるものとした。
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、例えば、図１，図２に示すように、原料水を満たした水槽１と、前記水槽内に配置される触媒電極２とを備え、
前記触媒電極は、筒状の陰極電極２３の外周面に陽イオン交換膜２１が重ねて巻き付けられ、さらに、前記陽イオン交換膜の外周面に陽極電極２２が重ねて巻き付けられてなる筒状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置１００において、
前記水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体３が、前記陰極電極に接触して設けられ、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とする。
【０００５】
請求項１の発明によれば、触媒電極が、内側から順に陰極電極、陽イオン交換膜、陽極電極の順に重ねて設けられており、陰極電極に水中に接触する熱伝導性の高い熱伝導体が接合されているので、陰極電極で発生したジュール熱が陽イオン交換膜を介して陽極電極から水中に放熱されるのではなく、熱伝導体を介してすぐに水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、別の手段でオゾン水を昇温させることなく、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極を放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極は陽極電極よりも内側に配されているので、原料水との接触が少なく、通電により陰極電極で発生した水素が水槽内のオゾン水と混ざり合うことを防止でき、また、水素が水中で強力な還元作用を持つ水素イオン化することもなく、この還元作用により陰極電極の触媒作用が減殺されることを低減することができる。その結果、良好な陰極電極の触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
【０００６】
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において、
前記熱伝導体は、前記陰極電極の筒状下端部から下方へ延在する棒状のベース部３１と、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィン３２，３２，…と備えたヒートシンク３であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明によれば、熱伝導体は、陰極電極の筒状下端部から下方に延在する棒状のベース部と、ベース部に対して交差するように配置された複数のフィンとを備えたヒートシンクであるので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
【０００８】
請求項３の発明は、例えば、図３に示すように、原料水を満たした水槽１Ａと、前記水槽内に配置される触媒電極２Ａとを備え、
前記触媒電極は、陽イオン交換膜２１Ａの一方の面に陽極電極２２Ａを圧接し、他方の面に陰極電極２３Ａを圧接してなる平板状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置１００Ａにおいて、
前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体３Ａを接触させて設け、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明によれば、触媒電極が、陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接し、他方の面に陰極電極を圧接してなる平板状に形成されており、陰極電極の陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、水中に接触する熱伝導性の高い熱伝導体が接触しているので、陰極電極で発生したジュール熱が熱伝導体を介して水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、別の手段でオゾン水を昇温させることなく、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極を放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極の陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、熱伝導体が接触して設けられているため、陰極電極は原料水との接触面積が少なくなる。すなわち、水中に陰極電極が浸されていると、発生した水素が水中で強力な還元作用をもつ水素イオン化し、陰極電極を還元して触媒作用を減殺するが、原料水との接触面積が少ないことから、良好な陰極電極の触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
【００１０】
請求項４の発明は、例えば、図３に示すように、請求項３に記載のオゾン水生成装置において、
前記熱伝導体は、前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に接触する板状のベース部３１Ａと、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィン３２Ａ，３２Ａ，…とを備えたヒートシンク３Ａであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明によれば、熱伝導体は、陰極電極の陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に接触する板状のベース部と、ベース部に対して交差するように配置された複数のフィンとを備えたヒートシンクであるので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
【００１２】
請求項５の発明は、例えば、図３に示すように、請求項４に記載のオゾン水生成装置において、
前記ベース部は、前記陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出し、前記延出したベース部に前記フィンが配されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明によれば、ベース部が陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出し、延出したベース部にフィンが配されているので、延出したベース部及びそのベース部に配されたフィンによって、放熱面積を大きくすることができ、放熱効果を一層向上させることができる。
また、ベース部を陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出させた場合には、陰極電極から発生した水素をベース部に沿って上方又は下方へと導いて放出させることができる。上方へ水素を放出させた場合には、水槽内のオゾン水と水素が混ざり合うことを防止でき、オゾン水生成効率を向上させることができる。
【００１４】
請求項６の発明は、例えば、図１，図２に示すように、請求項１〜５のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置１００において、
前記陰極電極が銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明によれば、陰極電極がオゾン発生に必要なイオン移動性に富み、かつ、熱伝導性に高い銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であるので、放熱に効果的でオゾン発生効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、陰極電極で発生するジュール熱を熱伝導体を介して水中に放熱することができ、この放熱をオゾン水の昇温に利用することができる。その結果、医療用等に適した刺激の少ない温オゾン水を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第一及び第二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、本発明の第一の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００の斜視図、図２は、図１における切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。
図１及び図２に示すように、オゾン水生成装置１００は、原料水（例えば、水）が満たされた水槽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、そのオゾン気泡を原料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、水槽１内にはその上端部近傍まで原料水で満たされている。そして、水槽１内には触媒電極２が配置されている。
【００１８】
触媒電極２は、内側から順に円筒状に重ねて巻き付けられた陰極電極２３と、陽イオン交換膜２１と、陽極電極２２とを備えている。すなわち、円筒状に陰極電極２３が巻かれて、この陰極電極２３上に円筒状に陽イオン交換膜２１が巻き付けられ、さらに陽イオン交換膜２１上に円筒状に陽極電極２２が巻き付けられている。
このような円筒状に形成された触媒電極２は、筒状の長手方向が上下となるように水槽１内に配されている。水槽１内に配された触媒電極２は、原料水の大部分が触媒電極２の最外周に位置する陽極電極２２面に接触するようになっており、触媒電極２の内周に位置する陰極電極２３は陽極電極２２ほど原料水に接触しないようになっている。
【００１９】
触媒電極２の水槽１内への固定方法としては、図示しないが例えば、水槽１の内壁面から陽極電極２２に向けて所定箇所に棒状の取付部材を設けて、これによって支持するようにしても良く、その他、水槽１の上方から吊り下げる構造としても良い。なお、使用する取付部材は、耐オゾン性の材料からなるものが好ましい。
【００２０】
また、陽極電極２２及び陰極電極２３の上端面には、電源装置２４のプラス端子２４１及びマイナス端子２４２に導線を介してそれぞれ電気的に接続されており、電源装置２４の駆動によって陽極電極２２と陰極電極２３との間に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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、陽極電極２２は陽イオン交換膜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がグレーチング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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
一方、陰極電極２３は、銀又は薄い銀製金網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、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。
【００２６】
上述のような触媒電極２において、陰極電極２３の下端部にはヒートシンク３が取り付けられている。
ヒートシンク３は、陰極電極２３の下端部から下方に延出する棒状のベース部３１と、ベース部３１に対して略垂直となるようにベース部３１の上下に沿って所定間隔に配置された複数の空冷フィン３２，３２，…とを備えている。
ベース部３１は、その上端部が陰極電極２３の下端部における筒状内部２３１に挿入固定されており、複数の空冷フィン３２，３２，…が互いに平行に配置されるよう支持している。そして、これらベース部３１及び空冷フィン３２，３２，…は、陰極電極２３で放熱した熱をベース部３１及び空冷フィン３２，３２，…による熱伝導を使って、発生した熱を水中へ拡散する放熱板として機能する。なお、ベース部３１や空冷フィン３２，３２，…は、熱伝導率の高い例えばアルミニウムやアルミニウム合金、銅から形成されていることが好ましい。
【００２７】
また、水槽１の内側底面には、マグネットスターラ等の回転子８１が設けられ、水槽１の外側底面には回転子８１を磁力で攪拌する攪拌装置８２が設けられている。この回転子８１を磁力で攪拌させることにより、水槽１内に旋回水流を発生させて触媒電極２の陽極電極２２に原料水を連続接触させることができる。
【００２８】
また、水槽１内には、水槽１内で生成されたオゾン水のオゾン濃度を検出する水槽内濃度検出センサ（図示しない）が設けられている。水槽内濃度検出センサは、検出電極と電位測定の基準となる比較電極、これら検出電極及び比較電極の一方の端部に結線して電位を測定する電位差計等から構成されている。したがって、検出電極及び比較電極の先端部（他方の端部）を水槽１内のオゾン水に接触させ、検出電極のオゾン濃度変化による検出電極と比較電極との電位差を検出して濃度を測定する。
検出電極としては、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、電源装置２４が予め設定されたオゾン濃度と一致するように陽極電極２２及び陰極電極２３間に印加する電圧を制御している。
【００２９】
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、攪拌装置８２で回転子８１を攪拌させることにより水槽１内に旋回水流を発生させておく。ここで、水流の大部分は陽極電極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、同時に電源装置２４を駆動させて陽極電極２２と陰極電極２３との間に所定の直流電圧を印加する。この通電によって、水槽１内の原料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。
【００３０】
ここで、陽極電極２２側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。
【００３１】
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２３１が水素気泡で充満され、水面へと上昇して系外に放出される。これによって水素が、生成されたオゾン水と反応して分解されるのを防止することができる。また、発生した水素はすぐに捕集して、例えば、燃料電池の燃料として有効利用することが望ましい。
【００３２】
また、通電によって陽極電極２２及び陰極電極２３でジュール熱が発生するが、陽極電極２２で発生したジュール熱は、陽極電極２２が触媒電極２の最外周に位置していることから水槽１内の原料水に接触することですぐに放熱される。一方、陰極電極２３で発生したジュール熱は、ヒートシンク３のベース部３１を介して空冷フィン３２，３２，…に伝導し、水槽１内の原料水に接触することで放熱される。
【００３３】
また、通電中に、同時に水槽内濃度検出センサによって水槽１内の溶液の濃度が測定され、電源装置２４が、水槽１内のオゾン濃度が予め設定されたオゾン濃度となるように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。
以上のようにして設定濃度のオゾン水が生成される。
【００３４】
以上、本発明の第一の実施の形態によれば、触媒電極２が、内側から順に陰極電極２３、陽イオン交換膜２１、陽極電極２の順に重ねて円筒状に設けられており、陰極電極２３に水中に接触する熱伝導性の高いヒートシンク３が接合されているので、陰極電極２３で発生したジュール熱が陽イオン交換膜２１を介して陽極電極２２から水中に放熱されるのではなく、ヒートシンク３を介してすぐに水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極２３を放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極２３は陽極電極２２よりも内側に配されているので、原料水との接触が少なく、通電により陰極電極２３で発生した水素が水槽１内のオゾン水と混ざり合うことを防止でき、また、水素が水中で強力な還元作用を持つ水素イオン化することもなく、この還元作用により陰極電極２３の触媒作用が減殺されることを低減することができる。その結果、良好な陰極電極２３の触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
また、ヒートシンク３は、陰極電極２３の下端部から下方に延在する棒状のベース部３１と、ベース部３１に対して交差するように配置された複数のフィン３２，３２，…とを備えているので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
さらに、陰極電極２３がオゾン発生に必要なイオン移動性に富み、かつ、熱伝導性に高い銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であるので、放熱に効果的でオゾン発生効率を向上させることができる。
【００３５】
［第二の実施の形態］
図３は、本発明の第二の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００Ａの縦断面図である。
なお、第二の実施の形態では、第一の実施の形態の触媒電極２と形状の異なる触媒電極２Ａを使用し、かつ、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面にヒートシンク３Ａが設けられている。
オゾン水生成装置１００Ａは、第一の実施の形態と同様の水槽１Ａと、水槽１Ａ内に配置された触媒電極２Ａとを備えている。触媒電極２Ａは、陽イオン交換膜２１Ａの一方の面に陽極電極２２Ａを密着させ、他方の面に陰極電極２３Ａを密着させてなるもので、それぞれ平板状に形成され、これらを密着させた後、絶縁性の接合部材（図示しない）により接合されることによって触媒電極２Ａとされている。
触媒電極２Ａは、陽極電極２２Ａが水槽１Ａの円筒中心部側を向き、陰極電極２３Ａが水槽１Ａの内壁面側を向くように配されている。
触媒電極２Ａの水槽１Ａ内への固定方法としては、水槽１の上方から吊り下げる構造としても良いし、水槽１の底面に固定しても良い。
【００３６】
また、陽極電極２２Ａと陰極電極２３Ａとの間には、第一の実施の形態と同様に、電源装置２４Ａのプラス端子２４１Ａ及びマイナス端子２４２Ａが導線を介してそれぞれ接続されて、電源装置２４Ａの駆動により直流電圧が印加されるようになっている。なお、陽イオン交換膜２１Ａ、陽極電極２２Ａ及び陰極電極２３Ａの材料等については第一の実施の形態と同様のものを使用することができる。
【００３７】
上述のような触媒電極２Ａにおいて、陰極電極２３Ａの水槽１Ａの内壁面側を向く面（陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面）には、ヒートシンク３Ａが取り付けられている。ヒートシンク３Ａは、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に、上下に沿って延在する板状のベース部３１Ａと、ベース部３１Ａに対して略垂直となるように上下に所定間隔に配置された複数の空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…とを備えている。ベース部３１Ａの上下端部は、陰極電極２３Ａの上下端部からそれぞれ上方及び下方に延出し、延出したベース部３１Ａにも空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…が取り付けられている。このベース部３１Ａは熱伝導性の高い両面テープ等で陰極電極３２Ａに固定されており、ベース部３１Ａ及び空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…は第一の実施の形態と同様にアルミニウムやアルミニウム合金、又は銅からなる。
【００３８】
また、水槽１Ａの内側底面には回転子８１Ａが設けられ、外側底面には攪拌装置８２Ａが設けられている。さらに、第一の実施の形態と同様に水槽１Ａ内の濃度を検出する水槽内濃度検出センサ（図示しない）も設けられている。
【００３９】
次に、上述の構成からなるオゾン水生成装置１００Ａを使用したオゾン水生成方法について説明する。
まず、攪拌装置８２Ａで回転子８１Ａを攪拌させることにより水槽１Ａ内に旋回水流を発生させておく。ここで、水流の大部分は水槽１Ａの中心部に位置する陽極電極２１Ａ面に連続接触し、その一部は水槽１Ａの内壁面側に位置する陰極電極２３Ａ面に接触する。そして、同時に電源装置２４Ａを駆動させて陽極電極２２Ａと陰極電極２３Ａとの間に所定の直流電圧を印加する。この通電によって、水槽１Ａ内の原料水が電気分解されて、陽極電極２２Ａ側にはオゾン気泡が発生し、陰極電極２３Ａ側には水素気泡が発生する。
【００４０】
ここで、陽極電極２２Ａ側ではわずかな陽極電極２２Ａ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２２Ａ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２２Ａと陽イオン交換膜２１Ａとの間（正確には陽極電極２２Ａと陰極電極２３Ａとの間）に電流が多く流れる状態を確保することになる。
【００４１】
一方、陰極電極２３Ａ側においては、水素気泡が激しく発生し、ヒートシンク３Ａのベース部３１Ａに導かれて水面へと上昇して系外に放出される。これによって水素が、生成されたオゾン水と反応して分解されるのを防止することができる。また、発生した水素はすぐに捕集して、例えば、燃料電池の燃料として有効利用することが望ましい。
【００４２】
また、通電によって陽極電極２２Ａ及び陰極電極２３Ａでジュール熱が発生するが、陽極電極２２Ａで発生したジュール熱は、陽極電極２２Ａは水槽１Ａ内の原料水に接触することですぐに放熱される。一方、陰極電極２３Ａで発生したジュール熱は、ヒートシンク３Ａのベース部３１Ａを介して空冷フィン３２Ａ，３２Ａ，…に伝導し、水槽１Ａ内の原料水に接触することで放熱される。
【００４３】
また、通電中に、同時に水槽内濃度検出センサによって水槽１Ａ内の溶液の濃度が測定され、電源装置２４Ａが、水槽１Ａ内のオゾン濃度が予め設定されたオゾン濃度となるように出力を行うことによって、陽極電極２２Ａ及び陰極電極２３Ａ間の電圧が制御される。
以上のようにして設定濃度のオゾン水が生成される。
【００４４】
以上、本発明の第二の実施の形態によれば、触媒電極２Ａが、陽イオン交換膜２１Ａの一方の面に陽極電極２２Ａを圧接し、他方の面に陰極電極２３Ａを圧接してなる平板状に形成されており、陰極電極２２Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に、水中に接触する熱伝導性の高いヒートシンク３Ａが接触しているので、陰極電極２３Ａで発生したジュール熱が、ヒートシンク３Ａを介してすぐに水中に導かれて放熱される。このように水中に放熱されることによりオゾン水の温度を上昇させることができ、放熱を利用して温オゾン水を容易に生成することができる。また、陰極電極２３Ａを放熱させることができるため、オゾン発生効率を上げることができ、高濃度のオゾン水とすることができる。
さらに、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に、ヒートシンク３Ａが接触して設けられているため、陰極電極２３Ａは原料水との接触面積が少なくなる。すなわち、水中に陰極電極２３Ａが浸されていると、発生した水素が水中で強力な還元作用をもつ水素イオン化し、陰極電極２３Ａを還元して触媒作用を減殺するが、原料水との接触面積が少ないことから、良好な陰極電極２３Ａの触媒機能を維持でき、安定したオゾン水の発生を継続させることができる。
ヒートシンク３Ａは、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に接触する板状のベース部３１Ａと、ベース部３１Ａに対して交差するように配置された複数のフィン３２Ａ，３２Ａ，…とを備えているので、構造も単純で、容易に放熱構造とすることができる。
また、ベース部３Ａが陰極電極２３Ａの上端部及び下端部からそれぞれ上方及び下方に延出し、延出したベース部３１Ａにフィン３２Ａが配されているので、延出したベース部３１Ａ及びそのベース部３１Ａに配されたフィン３２Ａによって、放熱面積を大きくすることができ、放熱効果を一層向上させることができる。さらに、陰極電極２３Ａから発生した水素をベース部３１Ａに沿って上方又は下方へと導いて放出させることができる。上方へ水素を放出させることにより、水槽１Ａ内のオゾン水と水素が混ざり合うことを防止でき、オゾン水生成効率を向上させることができる。
また、陰極電極２３Ａがオゾン発生に必要なイオン移動性に富み、かつ、熱伝導性に高い銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であるので、放熱に効果的でオゾン発生効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記第二の実施の形態において、ヒートシンク３Ａのベース部３１Ａは、陰極電極２３Ａの陽イオン交換膜２１Ａとの接触面と反対側の面に接触するように板状であるとしたが、陰極電極２３Ａの外面を覆うように側面にも熱伝導体を設けて、ベース部を箱状に形成しても構わない。これによって、陰極電極２３Ａが原料水と接触する面積がより少なくなり、水素が水素イオン化することによる陰極電極２３Ａの触媒機能の低下を防止でき、さらには発生した水素がオゾン水と反応することを防止できる。
【００４６】
また、第一及び第二の実施の形態において、水槽１，１Ａは円筒形状であるとしたが、四角筒形状であっても良い。また、第一の実施の形態の触媒電極２は円筒形状に限らず、四角筒形状でも構わない。
【００４７】
次に、本発明に係るオゾン水生成装置による効果について、第一の実施の形態のオゾン水生成装置１００を例に挙げて説明する。
［実施例］
触媒電極２の電極面積が約１５ｃｍ２の円筒形セルにおいて、陽極電極２２として厚さ２ミクロンメートルの白金を被覆したチタン製のマイクログレーチングを使用し、デュポン社製のナフイオン膜を陽イオン交換膜２１として使用し、陰極電極２３として厚さ０．５ｍｍの銀製のグレーチングの表面に塩化銀を被覆したものを使用した。そして、陰極電極２３の下端部にアルミニウム製の表面積約５０ｃｍ２のヒートシンク３を接続した。このようなオゾン水生成装置１００において、１２ボルト（Ｖ）の直流で約１０アンペア（Ａ）の電流が流れ、約２Ｌの水槽１中で攪拌したところ、約２分で４ｐｐｍのオゾン水が得られ、水温は２０℃から２６℃まで上昇した。
比較例として、ヒートシンクを取り付けていない上記円筒状の触媒電極で運転を行ったところ、電流は約８Ａに減少し、約２分でオゾン水の濃度は２．５ｐｐｍで、水温も２３℃前後となり、特にオゾン水発生効率の差は、陰極電極が高温であることが判明した。陰極電極の温度を測定したところ、前者（ヒートシンクを設けた本発明例）は水温プラス１〜２℃であったのに対し、後者（比較例）は水温プラス１２〜１５℃の高温を示した。
なお、皮膚科治療には２５〜３０℃が皮膚に刺激を与えない温度とされているので、本実施例により簡便に治療に適するとされている濃度と温度の温オゾン水を生成できることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第一の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００を模式的に示した斜視図である。
【図２】切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態におけるオゾン水生成装置１００Ａを模式的に示した縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ 水槽
２，２Ａ 触媒電極
３，３Ａ ヒートシンク（熱伝導体）
２１，２１Ａ 陽イオン交換膜
２２，２２Ａ 陽極電極
２３，２３Ａ 陰極電極
３１，３１Ａ ベース部
３２，３２Ａ フィン
１００，１００Ａ オゾン水生成装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料水を満たした水槽と、前記水槽内に配置される触媒電極とを備え、
前記触媒電極は、筒状の陰極電極の外周面に陽イオン交換膜が重ねて巻き付けられ、さらに、前記陽イオン交換膜の外周面に陽極電極が重ねて巻き付けられてなる筒状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
前記水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体が、前記陰極電極に接触して設けられ、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とするオゾン水生成装置。
【請求項２】
前記熱伝導体は、前記陰極電極の筒状下端部から下方へ延在する棒状のベース部と、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィンと備えたヒートシンクであ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。
【請求項３】
原料水を満たした水槽と、前記水槽内に配置される触媒電極とを備え、
前記触媒電極は、陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接し、他方の面に陰極電極を圧接してなる平板状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体を接触させて設け、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とするオゾン水生成装置。
【請求項４】
前記熱伝導体は、前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に接触する板状のベース部と、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィンとを備えたヒートシンクであることを特徴とする請求項３に記載のオゾン水生成装置。
【請求項５】
前記ベース部は、前記陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出し、前記延出したベース部に前記フィンが配されていることを特徴とする請求項４に記載のオゾン水生成装置。
【請求項６】
前記陰極電極が銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置。
【請求項１】
原料水を満たした水槽と、前記水槽内に配置される触媒電極とを備え、
前記触媒電極は、筒状の陰極電極の外周面に陽イオン交換膜が重ねて巻き付けられ、さらに、前記陽イオン交換膜の外周面に陽極電極が重ねて巻き付けられてなる筒状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
前記水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体が、前記陰極電極に接触して設けられ、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とするオゾン水生成装置。
【請求項２】
前記熱伝導体は、前記陰極電極の筒状下端部から下方へ延在する棒状のベース部と、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィンと備えたヒートシンクであ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。
【請求項３】
原料水を満たした水槽と、前記水槽内に配置される触媒電極とを備え、
前記触媒電極は、陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接し、他方の面に陰極電極を圧接してなる平板状に形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に、水槽内で原料水に接触する熱伝導性の高い熱伝導体を接触させて設け、前記陰極電極で発生したジュール熱を前記熱伝導体を通じて水中に導くことを特徴とするオゾン水生成装置。
【請求項４】
前記熱伝導体は、前記陰極電極の前記陽イオン交換膜との接触面と反対側の面に接触する板状のベース部と、前記ベース部に対して交差するように上下に所定間隔で配置された複数のフィンとを備えたヒートシンクであることを特徴とする請求項３に記載のオゾン水生成装置。
【請求項５】
前記ベース部は、前記陰極電極の上端部又は下端部の少なくとも一方より延出し、前記延出したベース部に前記フィンが配されていることを特徴とする請求項４に記載のオゾン水生成装置。
【請求項６】
前記陰極電極が銀又は塩化銀が被覆されてなる金属であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２０３１５７（Ｐ２００７−２０３１５７Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２９３９（Ｐ２００６−２２９３９）
【出願日】平成１８年１月３１日（２００６．１．３１）
【出願人】（０００２２６１５０）日科ミクロン株式会社 (29)
【出願人】（５０４４３８０２６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月３１日（２００６．１．３１）
【出願人】（０００２２６１５０）日科ミクロン株式会社 (29)
【出願人】（５０４４３８０２６）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]