(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料水を供給する原料水供給手段と、
前記原料水供給手段から供給される原料水を加熱して発生する水蒸気を更に加熱して水素ガスと酸素ガスを発生させる有底筒状の加熱槽と、
発生した水素ガス及び酸素ガスを含む水蒸気を前記加熱槽の上部から流出させる流出管と、
前記流出管から流入する水蒸気を液化し除去する気液分離槽と、
前記気液分離槽から水素ガスを流出させ冷却する冷却部と、
を備え、
前記加熱槽は、内部に収容される原料水を水面上方及び下方から加熱する加熱手段が設けられている加熱領域と、前記加熱領域の上方において前記加熱領域よりも長く設けられている冷却領域とを備えることを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項２】
前記加熱槽は、内部に原料水を収容可能な磁性を有する筒状管と、前記筒状管の周囲に巻回された加熱手段である高周波コイルとを有し、前記高周波コイルは前記筒状管に磁界を発生させ渦電流を誘導することにより前記筒状管を加熱することを特徴とする請求項１に記載の水素ガス発生装置。
【請求項３】
前記筒状管の外側に断熱材層が設けられ、前記断熱材層の外側に前記高周波コイルが巻回されていることを特徴とする請求項２に記載の水素ガス発生装置。
【請求項４】
前記原料水供給手段は、原料水を収容する貯水槽と、前記貯水槽に導管を介して連続して設けられ前記加熱槽に原料水を供給するパスカルタンクと、前記パスカルタンク内に設けられた水位センサと、前記導管の途中に設けられ前記水位センサの検出結果に応じて開閉する電磁弁と、を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の水素ガス発生装置。
【請求項５】
前記気液分離槽は前記貯水槽に連結されていて、前記気液分離槽で水蒸気が液化して生じた水が前記貯水槽に送られることを特徴とする請求項４に記載の水素ガス発生装置。
【請求項６】
前記加熱槽は水蒸気を６８０℃以上６９０℃以下に加熱することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の水素ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の水蒸気から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野や自動車産業において水素の需要が高まっている。例えば医療分野においては、体内に過剰に発生した活性酸素種による細胞傷害に起因する細胞の老化やがんの発生等を防止すべく、水素ガスの吸引が行われている。また、水素を燃焼させることでタービンを回転させて発電する水素発電も開発されている。
【０００３】
医療用の水素ガスの供給は、従来は水素ガスを封入したガスボンベにより行われていたが、近年は水素ガスの吸引が行われる病院等に設けられた水素ガス発生装置により行われるようになっている。
【０００４】
主な水素ガス発生装置として、水を電気分解して水素ガスを発生する装置（電気分解式水素ガス発生装置）と、水蒸気を加熱して水素ガスを発生する装置（加熱式水素ガス発生装置）の２種類の装置がある。
【０００５】
電気分解式水素ガス発生装置は、電解槽内に水と電解質を投入し、電気を流すことで電解槽の陰極側に水素ガスを発生させる装置である。このタイプの水素ガス発生装置は、簡易な構成を用いて水素ガスを発生することができるが、水に添加する電解質が必要となり手間とコストがかかり、また、副次的に有害なオゾンが発生してしまうこともある。
【０００６】
一方、加熱式水素ガス発生装置は、加熱槽内の水を加熱手段を用いて加熱して水蒸気にすると共に、水蒸気を更に過熱することで発生する水素ガスと酸素ガスを得る装置である（特許文献１参照）。このタイプの水素ガス発生装置は、水のみを用いて水素ガスを発生させることが可能であるため簡易かつ低コストで稼働することができ、また、有害なオゾンの発生も抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１５１４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、加熱式水素ガス発生装置では、加熱槽から水素ガスを回収して鼻カニューレ等の吸引器具へと導出する際に、加熱槽内で急激に沸騰する水から生じる飛沫が水素ガスに交じって吸引器具へと到達してしまい、水素ガスを吸引する者（吸引者）に不快感を生じるという問題があった。
【０００９】
しかし、従来の加熱式水素ガス発生装置においては、水蒸気となった水が吸引器具に到達することについては水素ガスの冷却を行い水蒸気を除去する等の対策が行われているが、この沸騰水の飛沫の混入については対策がなされていなかった。
【００１０】
本発明はこのような問題を解決することを課題とするものであって、加熱槽からの沸騰水の飛沫が水素ガスに混入して吸引器具へと到達することを効果的に防止することができる加熱式の水素ガス発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、水素ガス発生装置であって、原料水を供給する原料水供給手段と、前記原料水供給手段から供給される原料水を加熱して発生する水蒸気を更に加熱して水素ガスと酸素ガスを発生させる有底筒状の加熱槽と、発生した水素ガス及び酸素ガスを含む水蒸気を前記加熱槽の上部から流出させる流出管と、前記流出管から流入する水蒸気を液化し除去する気液分離槽と、前記気液分離槽から水素ガスを流出させ冷却する冷却部と、を備え、前記加熱槽は、内部に収容される原料水を水面上方及び下方から加熱する加熱手段が設けられている加熱領域と、前記加熱領域の上方において前記加熱領域よりも長く設けられている冷却領域を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記発明において、前記加熱槽は、内部に原料水を収容可能な磁性を有する筒状管と、前記筒状管の周囲に巻回された加熱手段である高周波コイルとを有し、前記高周波コイルは前記筒状管に磁界を発生させ渦電流を誘導することにより前記筒状管を加熱することが好ましい。
【００１３】
また、上記発明において、前記筒状管の外側に断熱材層が設けられ、前記断熱材層の外側に前記高周波コイルが巻回されていることが好ましい。
【００１４】
また、上記発明において、前記原料水供給手段は、原料水を収容する貯水槽と、前記貯水槽に導管を介して連続して設けられ前記加熱槽に原料水を供給するパスカルタンクと、前記パスカルタンク内に設けられた水位センサと、前記導管の途中に設けられ前記水位センサの検出結果に応じて開閉する電磁弁と、を備えることが好ましい。
【００１５】
更に、上記発明において、前記気液分離槽は前記貯水槽に連結されていて、前記気液分離槽で水蒸気が液化して生じた水が前記貯水槽に送られることが好ましい。
【００１６】
また、上記発明において、前記加熱槽は水蒸気を６８０℃以上６９０℃以下に加熱することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水素ガス発生装置によれば、加熱槽からの沸騰水の飛沫が水素ガスに混入して吸引管へと到達することを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に従う水素ガス発生装置の一実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に従う水素ガス発生装置の実施形態について説明する。なお、図面は、本実施形態を説明するにあたって必要な部分を優先して示していて、説明が特段不要な部分は省略している。
【００２０】
図１は、本発明に従う水素ガス発生装置１の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る水素ガス発生装置１は、貯水槽２と、パスカルタンク３と、加熱槽４と、気液分離槽５と、冷却部６と、吸引部７と、電磁弁９と、制御部１０とを主な構成として備えて構成されている。
【００２１】
貯水槽２は、水素ガスの原料となる水（原料水Ｗ）を収容するタンクである。貯水槽２は、下部において導管８１を介してパスカルタンク３に連結されている。導管８１の途中には電磁弁９が設けられていて、電磁弁９の開閉を制御することにより貯水槽２からパスカルタンク３及び加熱槽４への給水量が調整される。電磁弁９の開閉制御は、後述するように、制御部１０により行われる。貯水槽２は、非磁性体であって耐熱性を有する材料により形成されていて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されている。また、導管８１も非磁性体であって耐熱性を有する材料により形成されていて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されている。なお、貯水槽２と、パスカルタンク３と、水位センサ３１と、電磁弁９とをまとめて原料水供給手段と称する。
【００２２】
パスカルタンク３は、貯水槽２から加熱槽４へと供給される原料水Ｗの供給量を調整するための機構であり、タンク本体３０の内部に水位センサ３１が設けられている。パスカルタンク３は非磁性体であって耐熱性を有する材料により形成されていて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されている。
【００２３】
パスカルタンク３は、その内部の水位が加熱槽４内の水位と等しくなるように設計されている。すなわち、パスカルタンク３内に所定の量の原料水Ｗが供給されると、加熱槽４にもパスカルタンク３内の水位と同じ水位になるように原料水Ｗが供給される。そして、パスカルタンク３内の水位を水位センサ３１で検知し、検知結果に応じて電磁弁９を開閉することによりパスカルタンク３内の水位を調節し、これにより間接的に加熱槽４内の水位を調節する。加熱槽４内は６００℃を超える高温になるため、内部に水位センサを設けても破損してしまうおそれがある。そこでパスカルタンク３を用いることで間接的に加熱槽４内の水位の調節が行われている。
【００２４】
水位センサ３１は、本実施形態においてはパスカルタンク３の上部を起点にして底部に向けて伸びる、長さが異なる２つの棒状の電極（第１電極３１ａ、第２電極３１ｂ）を備えて構成されている。第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、各々の先端位置まで水位が到達したことを検知する。
【００２５】
第１電極３１ａは第２電極３１ｂよりも長い電極であり、水面検出部である先端部が第２電極３１ｂの先端部よりもパスカルタンク３の底部に近い位置にある。第２電極３１ｂは、第１電極３１ａよりも短い電極であり、その先端部は第１電極３１ａの先端部分よりも上側の位置にある。
【００２６】
第１電極３１ａは、加熱槽４による加熱が行われる際に最低限必要である水量を示す水位（最低水位Ｌ１）に対応する位置に先端部が位置し、加熱槽４内の水位がこの最低水位Ｌ１に到達したことを間接的に検出する。この最低水位を下回る場合、十分な量の過熱水蒸気を得ることができず、そのため十分な量の水素ガスを得ることができない。
【００２７】
第２電極３１ｂは、加熱槽４による加熱が行われる際の最大水位Ｌ２に対応する位置に先端部が位置し、加熱槽４内の水位がこの最大水位Ｌ２に到達したことを間接的に検出する。この最大水位Ｌ２は、水量が多すぎるため水温及び水蒸気の加熱が十分に行えなくなるおそれが生じる水量を示す水位である。
【００２８】
加熱槽４は、導管８２を介してパスカルタンク３に連結されていて、パスカルタンク３から流入する原料水Ｗを加熱し水蒸気を発生させると共に、発生した水蒸気を更に加熱することで水素ガスと酸素ガスを発生させる有底筒状の構成である。加熱槽４は、原料水Ｗが注入される筒状管４１と、筒状管４１の周囲に設けられた断熱材層４２と、断熱材層４２の周囲に巻回された高周波コイル４３とを主な構成として備えている。
【００２９】
筒状管４１は、磁性を有すると共に、耐食性、耐熱性を有する金属により形成されている有底円筒状の構成であり、本実施形態においてはステンレス材の一種であるＳＵＳ４３０により形成されている。筒状管４１の下部にはパスカルタンク３から供給される原料水Ｗを導く導管８２が接続されている。また、筒状管４１の上部中央部分には、加熱槽４と気液分離槽５とを連結して筒状管４１から水素ガスと酸素ガスを含む水蒸気を流出させる流出管であるフレキシブル管８３が接続されている。フレキシブル管８３は非磁性体であって耐熱性を有する材料により形成されていて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されている。
【００３０】
断熱材層４２は、ゾノトライト結晶を基材とした断熱材により形成される層であり、筒状管４１の周囲を覆うように設けられている。筒状管４１に高周波コイル４３を直接巻回した場合には、高周波コイル４３による加熱時に筒状管４１と高周波コイル４３の熱が高くなりすぎて両方が焼け付いてしまうおそれがある。この焼き付きを防止するため、断熱材層４２が形成されている。
【００３１】
高周波コイル４３は、外部から１０，０００Ｈｚ以上の高周波交流電流の供給を受けて筒状管４１に磁界を発生させ、この磁界により筒状管４１に渦電流を誘導することにより筒状管４１を加熱する加熱手段である。高周波コイル４３は、筒状管４１の長手方向における中央部分よりも下側に巻回されている。
【００３２】
加熱槽４のうち、高周波コイル４３が断熱材層４２を介して筒状管４１に巻回されている部分を加熱領域Ｈという。この加熱領域Ｈにおいて、高周波コイル４３は、筒状管４１の内部に収容される原料水を水面上方及び下方から加熱する。加熱領域Ｈは、加熱槽４の上下方向における中央部よりも下側に設けられている。
【００３３】
そして、加熱槽４のうち、加熱領域Ｈよりも上方であって高周波コイル４３が設けられていない部分を冷却領域Ｃという。冷却領域Ｃは、加熱領域Ｈで加熱された水素ガスと酸素ガスを含む水蒸気を冷却するために設けられている。
【００３４】
気液分離槽５は、フレキシブル管８３を介して加熱槽４に接続されていて、加熱槽４から送られてくる水素ガスと酸素ガスを含む水蒸気を冷却するタンク状の機構である。水蒸気が冷却され凝縮することで発生する原料水Ｗはタンクの下部に貯留される。気液分離槽５は、非磁性体であって耐熱性を有する材料により形成されていて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されている。気液分離槽５の上壁部には、フレキシブル管８３と、ループ部６２に気体を導く導管６１が接続されている。また、気液分離槽５の周壁であって底部の近傍には、気液分離槽５内で生じた原料水Ｗを貯水槽２に戻す導管８４が接続されている。
【００３５】
冷却部６は、気液分離槽５に接続された導管６１と、導管６１を複数回ループさせて形成されたループ部６２と、ループ部６２を冷却する冷却ファン６３を備えて構成されている。冷却部６の導管６１及びループ部６２は、非磁性体であって耐熱性を有する材料により形成されていて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されている。
【００３６】
導管６１は、耐熱性の管状部材により形成されている。本実施形態において導管６１は熱伝導性に優れた金属製のものを想定していて、本実施形態においてはＳＵＳ３０４により形成されているが、本発明においてはこれに限らず、樹脂製等のものであってもよい。
【００３７】
ループ部６２は、導管６１をループ状に変形することで導管６１の中途部分に形成されていて、本実施形態においては６周のループにより形成されている。ループ部６２は導管６１と同一の素材で形成されていることが加工の面から好ましく、本実施形態においては導管６１と同じくＳＵＳ３０４により形成されている。
【００３８】
冷却ファン６３は、図示しない電源からの電力供給を受けて作動しループ部６２に対して冷却風Ｂを送ることでループ部６２内の気体を冷却する空冷機構である。
【００３９】
吸引部７は、冷却部６に連続して設けられた構成であり、ループ部６２に連続して形成された導管７１と、導管７１の端部に接続されたポンプ７２と、ポンプ７２から水素ガスが送られる吸引管７３と、吸引管７３の先端に着脱可能に取り付けられる鼻カニューレ７４を有している。
【００４０】
導管７１は、ループ部６２と同一の素材（本実施形態においてはＳＵＳ３０４）により形成されている。
【００４１】
ポンプ７２は、ループ部６２から水素ガスを吸い込み、吸引管７３へと水素ガスを送る。
【００４２】
吸引管７３は弾性を有する樹脂材料により形成されている。
【００４３】
鼻カニューレ７４は樹脂製の部材であり、使用者の鼻腔にフィットする形状を有している。鼻カニューレ７４は吸引管７３に対して着脱可能であり、使用者毎に交換可能とすることが衛生面から好ましい。
【００４４】
制御部１０は、水位センサ３１、電磁弁９及び高周波コイル４３に接続されていて、水位センサ３１からの検出信号に基づき電磁弁９の開閉制御を行うと共に、高周波コイル４３への電源供給を行う制御手段である。
【００４５】
次に、上述した構成を備える水素ガス発生装置１の具体的な動作について説明する。まず、水素ガス発生装置１の図示しない電源スイッチが操作され電源がオンになると、制御部１０は、高周波コイル４３への電源供給を開始すると共に、パスカルタンク３内の原料水の水量を水位センサ３１により検出し、パスカルタンク３内の水面が第１電極３１ａから第２電極３１ｂの間に位置するように電磁弁９を開閉することで、間接的に加熱槽４内の原料水量の調整を行う。
【００４６】
具体的には、第１電極３１ａによる水位の検出が行われない場合には、制御部１０は電磁弁９を開き、貯水槽２からパスカルタンク３への注水を行う。
【００４７】
そして、第１電極３１ａによる水位の検出が行われると、制御部１０は電磁弁９を閉じ、貯水槽２からパスカルタンク３への注水を停止する。このとき、制御部１０から電磁弁９に対して弁を閉じる指令が発せられるが、電磁弁９がその指令を受けてから弁を閉じる動作を開始し、完全に弁が閉じるまでの間にタイムラグが生じる。そのタイムラグの間、貯水槽２からパスカルタンク３への注水が継続されるため、注水が完全に停止した際のパスカルタンク３内の水位は、最低水位Ｌ１よりも高く最大水位Ｌ２よりも低い位置、すなわち最低水位Ｌ１と最大水位Ｌ２の間に位置する（最適水位）。
【００４８】
そして、加熱槽４内の原料水が加熱され沸騰するが、このとき導管８２を通じて高温の原料水がパスカルタンク３内にも到達し、パスカルタンク３内の原料水も沸騰した状態となる。この沸騰状態にある原料水の水面から跳ね上がる飛沫が第２電極３１ｂにかかることで、第２電極３１ｂは断続的に水を検知し、この断続的な検知に基づき制御部１０はパスカルタンク３内の原料水が適切な水量で沸騰状態にあることを検知する。第２電極３１ｂによる沸騰検知が継続している間、制御部１０は電磁弁９の閉鎖を継続する。
【００４９】
そして、沸騰に伴い次第に加熱槽４及びパスカルタンク３内の原料水量が減少し、水位が低下していく。パスカルタンク３内の水位が低下すると、沸騰した原料水からの飛沫が第２電極３１ｂにかからなくなる。このとき制御部１０は、第１電極３１ａが原料水に浸った状態で原料水の検知をしている場合でも、電磁弁９を開き、再び第２電極３１ｂによる断続的な水の検知が行われるまで注水を行う。そして、第２電極３１ｂが断続的に水を検知すると、制御部１０は電磁弁９を閉じる。
【００５０】
また、何らかの原因でパスカルタンク内の水位が最適水位を超え第２電極３１ｂの先端部分が原料水に浸り、第２電極３１ｂが連続的に原料水を検知する場合には、制御部１０は電磁弁９を閉じる。この電磁弁９の閉鎖は、沸騰により水位が低下し、第２電極３１ｂによる断続的な水の検知が行われなくなるまで行われる。
【００５１】
そして、制御部１０は、高周波コイル４３による筒状管４１の加熱を、筒状管４１内の水蒸気の温度が６５０℃以上７００℃以下、好ましくは６８０℃以上６９０℃以下になるように行う。この温度範囲に水蒸気を加熱することにより、水蒸気に含まれる水分子の一部が偶発的に分解し、水素ガスと酸素ガスを発生することができる。水蒸気の温度が６５０℃未満になると、十分な量の水素ガスを発生することができない。また、水蒸気の温度が７００℃を超えると、その後の気液分離槽５において十分に水蒸気を冷却し液化して分離することができず、冷却部６や吸引部７に水蒸気や水滴が到達してしまい、使用者に不快感を与えるおそれがある。
【００５２】
そして、高周波コイル４３により加熱された原料水が沸騰して水蒸気となり、更にその水蒸気が加熱され水素ガスと酸素ガスが発生すると、これらの混合気体が加熱槽４の加熱領域Ｈから冷却領域Ｃへと移動する。混合気体はこの冷却領域Ｃにおいて冷却された後、フレキシブル管８３を介して気液分離槽５へと移動する。このフレキシブル管８３においても混合気体の冷却が行われる。
【００５３】
次に、混合気体は、気液分離槽５に到達するが、その間に冷却が進行し、混合気体中の水蒸気が液化する。水蒸気の液化により生じた水は気液分離槽５の底に溜まるが、このとき混合気体中の多くの酸素ガスも水に溶けて除かれる。そして残った水素ガスと一部の酸素は気液分離槽５から導管６１を経てループ部６２へと導かれる。
【００５４】
ループ部６２へと導かれた水素ガス及びこれに混入している酸素ガスは、冷却ファン６３からの送風により空冷されて吸引者による安全な吸引が可能な温度になる。そして、冷却された水素ガス及びこれに混入する酸素ガスは、下流の吸引部７へと導かれ、吸引管７３の先端に取り付けられる鼻カニューレ７４を経て吸引者により吸引される。
【００５５】
水素ガスを吸引することにより体内に過剰に発生した活性酸素種による細胞傷害に起因する細胞の老化やがんの発生等を防止することができる。また、水素ガスに混入している酸素ガスは、呼吸に用いられるものであることは勿論のこと、疲労軽減効果や疲労回復効果等の効能があるため、同時に接種することは好ましい。
【００５６】
このように、本実施形態に係る水素ガス発生装置１によると、原料水の沸騰と水蒸気の加熱が行われる加熱領域Ｈと気液分離槽５へと繋がるフレキシブル管８３との間に加熱領域Ｈよりも長い冷却領域Ｃが設けられていることにより、沸騰する原料水から舞い上がった飛沫がフレキシブル管８３に到達することなく冷却領域Ｃ内で落下するため、加熱槽からの沸騰水の飛沫が水素ガスに混入して吸引器具に到達することを効果的に防止することができる。
【００５７】
なお、本発明は上述した実施形態に限られず、種々の変形を加えることができる。例えば、上述した実施形態においてはパスカルタンク３内に２つの電極３１ａ、３１ｂを有する静電容量式の水位センサ３１を設けることで水位の調整が行われているが、本発明においてはこれに限らず、フロート式や差圧式等、他の種類の水位センサを用いてもよい。何れの種類の水位センサを用いる場合でも、少なくとも上述した実施形態において設けられていた最低水位Ｌ１及び最大水位Ｌ２の２つの水位を計測できるようにすることが好ましい。
【００５８】
また、上述した実施形態においては加熱槽４の加熱手段として磁性体の筒状管４１と高周波コイル４３を用いたが、本発明においてはこれに限らず、電熱ヒータ等の他の加熱手段を用いることができる。ただし、他の加熱手段を用いる場合でも、加熱は水蒸気の温度が６５０℃以上７００℃以下、好ましくは６８０℃以上６９０℃以下になるように行う必要がある。
【符号の説明】
【００５９】
１：水素ガス発生装置
２：貯水槽
３：パスカルタンク
４：加熱槽
５：気液分離槽
６：冷却部
７：吸引部
１０：制御部
３１：水位センサ
３１ａ：第１電極
３１ｂ：第２電極
４１：筒状管
４２：高周波コイル
６１：導管
６２：ループ部
６３：冷却ファン
７１：導管
７２：ポンプ
７３：吸引管
７４：鼻カニューレ
８１、８２：導管
８３：フレキシブル管
【要約】
【課題】加熱槽からの沸騰水の飛沫が水素ガスに混入して吸引器具へと到達することを効果的に防止することができる加熱式の水素ガス発生装置を提供する。
【解決手段】原料水供給手段と、原料水を加熱して発生する水蒸気を更に加熱して水素ガスと酸素ガスを発生させる加熱槽４と、水蒸気を液化し除去する気液分離槽５と、気液分離槽５から水素ガスを流出させ冷却する冷却部６と、を備える水素ガス発生装置１であって、加熱槽４は、内部に収容される原料水を水面上方及び下方から加熱する加熱手段が設けられている加熱領域Ｈと、加熱領域Ｈの上方において加熱領域Ｈよりも長く設けられている冷却領域Ｃとを備える。
【選択図】図１【図１】
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