(57)【要約】  給水システムは、可変流量の水を取り出す配水システムに水を供給する。微生物を抑制するために、この水に給水システムの導水管内の銀電極対から銀が放出される。導水管を通る流水量を示すパラメータが測定される。銀電極に供給される平均電流は、測定された流水量に比例して制御される。銀電極間に印加される電圧差の極性は、繰り返し反転される。反転時間を制御するために、電圧差の前回の反転以降に銀電極に累積的に印加された電荷が算出される。算出された電荷が所定の閾値に達すると、電圧差の極性が反転される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
−入水部と出水部との間に連結された導水管と、
−前記導水管に配置された一対の銀電極と、
−前記銀電極に結合された電極供給回路と、
−前記出水部を通る流水量の示度を測定する水量計と、
−前記水量計に結合された入力部と、前記電極供給回路に結合された出力部とを有する制御回路であって、前記銀電極に供給される平均電流を前記流水量の示度に比例して制御し、前回の極性反転以降に前記銀電極に累積的に印加された電荷が所定の閾値に達したと前記制御回路が判定するたびに前記銀電極間に印加される電圧差の極性反転を引き起こすように構成された制御回路と、
を備える給水システム。
【請求項２】
前記出水部から水を受け取るために連結された少なくとも１つの可変水取出装置を備える、請求項１に記載の給水システム。
【請求項３】
前記電極供給回路は、前記銀電極間に電圧差が印加されているときに前記銀電極に流れる電流量を検出するように構成され、前記制御回路は、前記電圧差が印加されている時間を制御するように構成され、前記流水量の示度と前記検出された電流量との間の比に比例して前記時間が制御される、先行請求項の何れか１項に記載の給水システム。
【請求項４】
前記入水部と前記出水部との間の水流路に配置された一対の銅電極を備え、前記制御回路は、前記銀電極間に印加する平均電流より大きい平均電流を前記銅電極間に印加し、前記銀電極間に印加される前記電圧差の反転頻度より高頻度で前記銅電極間に印加される電圧差の極性を反転させるように構成される、先行請求項の何れか１項に記載の給水システム。
【請求項５】
前記制御回路は、前記銅電極に供給される平均電流を前記流水量の示度に比例して制御し、前記銅電極に対する前回の極性反転以降に前記銅電極に累積的に印加された電荷が所定の閾値に達するたびに前記銅電極間に印加される電圧差の極性反転を引き起こすように構成される、請求項４に記載の給水システム。
【請求項６】
−一対の銀電極を導水管内に設けるステップと、
−前記導水管を通る流水量を示すパラメータを測定するステップと、
−前記銀電極に供給される平均電流を前記測定された流水量に比例して制御するステップと、
−前記銀電極間に印加される電圧差の極性を繰り返し反転するステップと、
−前記電圧差の前回の極性反転以降に前記銀電極に累積的に印加された電荷を算出するステップと、
−前記算出された電荷が所定の閾値に達したときに前記電圧差の極性を反転するステップと、
を含む給水方法。
【請求項７】
少なくとも１つの可変水取出装置を備える配水システムに前記導水管からの前記水を供給するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記銀電極間に電圧差が印加されているときに前記銀電極に流れる電流量が検出され、前記方法は、前記電圧差が印加されている時間を制御するステップを含み、前記時間は、前記流水量の示度と前記検出された電流量との間の比に比例して制御される、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
−前記導水管の入水部と出水部との間の水流路に配置される一対の銅電極を用意するステップと、
−前記銀電極間に印加される平均電流より大きな平均電流を前記銅電極間に印加するステップと、
−前記銀電極間に印加される電圧差の極性反転頻度より高頻度で前記銅電極間に印加される電圧差の極性を反転するステップと、
を含む請求項６、７または８に記載の方法。
【請求項１０】
−前記銅電極に供給される平均電流を前記測定された流水量に比例して制御するステップと、
−前記銅電極間の電圧差の前回の極性反転以降に前記銅電極に累積的に印加された電荷を算出するステップと、
−前記銅電極に対して算出された前記算出電荷が所定の閾値に達したときに前記銅電極間の前記電圧差の極性を反転するステップと、
を含む請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属イオンが添加される給水システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
「
【特許文献１】米国特許第６，８００，２０６号（ロビンソン（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ））明細書」には、複数の銅電極と、水量計と、水量計によって測定された流水量の値に比例して電極への電流を制御するように構成された制御回路とを備える給水システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，８００，２０６号明細書
【０００４】
レジオネラ症を引き起こす細菌などの微生物の増殖を阻止するために、銅および銀イオンなどの少量の金属イオンを水に添加することは公知である。銅および銀電極を導水管内に含めることによって、このようなイオンを電気分解によって添加することも公知である。この水が飲用水として用いられる場合は、健康上の理由により、イオン濃度を閾値レベル未満に維持する必要がある。したがって、このような電極に供給される平均電流量を流水量に応じて適合化する（あるいは、電流に対応するレベルに流水量を維持する）ことが好ましい。
残念なことに、電気分解に使用される電極にはスケールが付着しやすい。金属イオンが一方の極性の電極から水中に放出されるとき、もう一方の極性の電極から水酸イオンが発生してスケールを付着させる。この問題を解決するために、電極の極性を周期的に反転することは公知である。
【０００５】
ただし、極性反転はイオンの放出効率を低下させることが明らかになっている。特に、銀イオンは、極めて低濃度で放出する必要があるため、この方法では効果的に放出されないことが多い。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、特に、水中へのイオンの放出効率をあまり下げずにスケール付着を抑制する給水システムを提供することである。
【０００７】
請求項１に記載の給水システムおよび給水方法が提供される。このシステムにおいては、一対の銀電極から水流に銀イオンが添加される。銀電極対への平均電流は、流水量の測定示度に比例して制御される。この示度は、例えば、給水システムの出水部への流水量、あるいは出水部での流水量に比例して流水量を引き込む分岐管を通る流水量、を測定する水量計から得られる。したがって、本システムは、下流の可変量の水需要に対応することができる。
【０００８】
銀電極間に印加される電圧差の極性は繰り返し反転される。反転時点は、電圧差の前回の極性反転以降に銀電極に累積的に印加された電荷の算出値に基づき選択される。一般に、銀イオンの場合は、銀電極への平均電流を相応に低くすることによって、極めて低い濃度を実現する必要がある。この低電流は、極性反転後の無効期間を長引かせる作用がある。有効性消失期間の数は、算出された累積電荷に基づき極性反転時間を制御することによって最小化することができる。
【０００９】
一実施態様において、平均電流の制御は、電圧差が銀電極間に印加されている時間を制御することによって行う。したがって、例えば、電圧パルスの印加頻度を制御することもできる。これらのパルス中に銀電極に流れる電流が測定される。この電流は、特に水の特性に依存しうる。測定された流水量に比例した平均電流を実現するために、測定された電流に応じて電圧印加時間を制御する。この場合、極性反転時点は、電圧差が印加された時間に依存するだけでなく、測定された電流によっても影響される。
【００１０】
また、本給水システムは、一対の銅電極をさらに備えることもできる。この場合、銅電極に印加される平均電流は、銀電極間に印加される平均電流より大きい。銅電極間に印加される電圧差の極性反転は、銀電極間に印加される電圧差の反転頻度より高頻度で行われる。このように極性反転を分離することによって、銀電極の有効性の低下が回避される。銅電極における電圧の極性反転は、銀電極と同様の方法で制御することも、周期的反転を用いることもできる。この理由は、銅電極は平均電流が銀電極より大きいために、無効期間が銀電極より短いからである。
【００１１】
上記および他の目的および好都合な側面は、以下の図を用いた例示的実施形態の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】給水システムを示す。
【図２】累積電荷対時間のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、電極１５ａ，ｂ、１６ａ，ｂと水量計１７ａ，ｂとをそれぞれ備えた２つの分岐水路１４ａ，ｂによって連結された入水部１０および出水部１２を備えた給水システムを示す。第１の分岐水路１４ａ内の電極１５ａ、１６ａは銅製であり、第２の分岐水路１４ｂ内の電極１５ｂ、１６ｂは銀製である。この給水システムは、第１および第２の電圧源１８ａ，ｂと制御回路１９とをさらに備える。電圧源１８ａ，ｂは、分岐水路１４ａ，ｂ内の電極対間に電圧差パルスを印加するように構成される。これらのパルスは、所定のパルス幅と制御可能な頻度、あるいはより一般的には制御可能なデューティサイクルと、場合によっては可変なパルス幅とを有する。第１および第２の電圧源１８ａ，ｂは、極性制御入力部と電流レベル制御またはパルスオン／オフまたはパルス頻度またはデューティサイクル制御入力部とをそれぞれ有する。第１の電圧源１８ａの出力部は、第１の分岐水路１４ａ内の各電極に結合され、第２の電圧源１８ａの出力部は、第２の分岐水路１４ｂ内の各電極に結合される。さらに、第１および第２の電圧源１８ａ，ｂは、電流監視出力部（例えば、電極に直列な抵抗（図示せず）にかかる電圧を出力）をそれぞれ有する。制御回路１９は、水量計１７ａ，ｂに結合された入力部と、電圧源１８ａ，ｂの電流監視出力部に結合された入力部と、各電圧源１８ａ，ｂの入力部に結合された出力部とを有する。
【００１４】
動作時、水は入水部１０から分岐水路１４ａ，ｂを経由して出水部１２に流れる。一般に、出水部１２の下流には、蛇口、シャワーなどの各種の水取出装置（図示せず）が接続される。分岐水路１４ａ，ｂを通る流水量は、出水部１２の下流にある水取出装置によって取出される水の量によって決まるので可変である。
【００１５】
流量計１７ａ，ｂは、分岐水路１４ａ，ｂを通る流水量を測定し、測定された流量を制御回路１９に知らせる。第１および第２の電圧源１８ａ，ｂは、所定長の電圧パルスを電極１５ａｂ、１６ａ，ｂ間に印加し、生じた電流を制御回路１９に知らせる。制御回路１９は、各分岐水路１４ａ，ｂについて測定された流量と測定された電極電流との間の比に比例してパルス頻度を適合化するために電圧源１８ａ，ｂを制御する。これは、出水部１２に流れ込む水の中の銅および銀を所定濃度にするために行われる。
【００１６】
銀の濃度は、銅の濃度よりかなり低くする。一例において、銅濃度は１立方メートル当たり４００ｍｇまたは６，３ミリモルにし、銀濃度は１立方メートル当たり４０ｍｇまたは０，３７ミリモルにする。周知のように、静止工程条件下においては、単位時間当たりの銅および銀イオン放出量は、電極１５ａ，ｂ、１６ａ，ｂ間の平均電流またはファラデー電流に比例する。１モルの一価銀（１０７，９ｇ）を放出するには、９６４８５アンペア秒または１ファラデーを必要とする。１モルの二価銅（６３，５ｇ）を放出するには、２ファラデーを必要とする。平均電流は、パルス頻度（またはデューティサイクル）と、各パルス中の検出電流とによって決まる。より高い銅濃度を実現するために、制御回路１９は、一般に、第１の分岐水路１４ａ内のパルス頻度（またはデューティサイクル）を第２の分岐水路１４ｂ内のパルス頻度より高くする。
【００１７】
選択された複数の時点において、制御回路１９は、印加電圧の極性を変えるために電圧源１８ａ，ｂを制御する。これは、電極へのスケール付着を防止するために行われる。残念なことに、極性反転は、電極１５ａ，ｂ、１６ａ，ｂ間の電流の一時的消失による銅または銀イオンの放出という作用を伴う。イオン放出に寄与しない電流部分は、非ファラデー電流と呼ばれる。この電流は、電極表面の帯電に寄与し、電極表面の面積に応じて決まる。極性反転後に、定電圧での非ファラデー電流の一時的ピークが発生する。電気モデルの観点から、この作用は、あたかもコンデンサを充電する必要があるかのようである。電極表面を帯電させる非ファラデー電流は、１平方メートル当たりのファラドで表され、効率の損失を電流と流水量との間の比例関係で表す。実験環境下においては、極性反転後の銅および銀電極対のインピーダンスの変化を、電極間の電圧が一定である期間中、または電極を通る電流が一定である期間中に、各電極を通る電流と電極間の電圧とによって推定することが可能である。これらの測定の結果により、電極表面を帯電させるために必要な非ファラデー電流の計算が可能になる。水道水においては、５０秒当たりの極性反転回数および定電圧での電極対間の測定では、容量値が２０〜４０μＦ／ｃｍ２になる。（同様の値が本文献に見られる。）例えば電極対のインピーダンスの容量部分の推定によって、非ファラデー電流の量を計算し、これらのアンペア秒量を比較的短時間で電極に供給することも可能になる。
【００１８】
ただし、使用環境下においては、流水量、温度、化学組成が異なり、電極表面が変化するため、短時間でのファラデー補償は銀および銅イオンの過剰放出を短期間にもたらすこともあり、例えば黒色の銀錯体の沈殿または有毒な銅および銀濃度という望ましくない結果をもたらすこともある。補償の複雑な測定なしに、非ファラデー電流は、放出イオン数の一時的減少も表す。この減少の継続期間は、銀放出の場合は銅放出の場合より長い（より大きい）。その理由は、銀放出のための平均電流が特に低流量において相対的に低いからである。したがって、特に銀電極の場合は極性反転回数を極力減らすことが望ましい。電極上のスケール付着速度は、水酸イオンの生成および水の化学組成に依存する。低電流フローにおいては、例えば、銀イオンを放出するために、時間単位当たりの極性反転回数を高電流フロー時より減らすことができる。
【００１９】
制御回路１９は、極性反転回数を極力減らすように設計される。制御電圧源１８ａ，ｂは、各電極対または両電極対に対する前回の極性反転以降にその電極対から流れて累積的に印加された電荷（ファラデーおよび非ファラデー電流）の示度を算出する。累積的に印加された電荷の算出は、平均電流の積分によって行うことができる。一実施形態において、制御回路１９は、各分岐水路１４ａ，ｂで測定された電極電流を合計することによって、その分岐水路に対して累積的に印加された電荷の示度を算出する。他の算出方法を使用することもでき、例えばゼロ値に達するまで開始値からカウントダウンすることもできる。また、平均電流は流水量に比例するように制御されるので、前回の極性反転以降に累積的に供給された水量の示度を累積的に印加された電荷の示度として用いることもできる。
【００２０】
制御回路は、分岐水路１４ａ，ｂについて累積的に印加された電荷の算出示度がその分岐水路の所定の閾値レベルに達したことを検出すると、その時点から極性を反転するようにその分岐水路の電圧源１８ａ，ｂに指示すると共に、その分岐水路１４ａ，ｂの累積的に印加された電荷の示度をゼロにリセットする。
【００２１】
図２は、電極に累積的に印加された電荷の示度を時間の関数として示す。第１のトレース２０は、銅電極から累積的に印加された電荷を示す。第２のトレース２２は、銀電極から累積的に印加された電荷を示す。電極に印加される電圧の極性は、トレースがその閾値２４、２６に達すると反転される。図から分かるように、示度は極性反転後にゼロにリセットされる。さらに、銅電極では銀電極より頻繁に極性が反転されることも分かる。これは、銀の場合は銅より低濃度にする必要があるため、銅電極からの平均送出電流は銀電極からの平均送出電流より大きいことによる。
【００２２】
所定の閾値は、電極へのスケール付着が発生しないことが保証される範囲内で最も高い値に設定されることが好ましい。一実施形態においては、安全域が設けられるように、この閾値を多少低く設定することもできる。厳密な値は、実験により選択することができ、例えば、実験においてスケール付着が発生するかどうかを観察し、その時点で累積的に印加された電荷の示度を読み取る。
【００２３】
上記の実施形態は可能な一実施形態の一例にすぎないことを理解されたい。例えば、所定長（例えば１ミリ秒の長さ）の電圧パルスを電極間に印加し、パルス頻度を適合化させると説明してきたが、代わりにパルスの長さ、あるいはパルスの長さと頻度との組み合わせを適合化させうることも理解されたい。また、パルス中に時間依存電圧を送出することもできる。あるいは電圧源の代わりに電流源回路または何れか他の電極供給回路を使用することもできる。理論的には電圧値を制御することによって所望の電流値を実現できるが、銅および銀の所望濃度が極めて低いことを考えると、電圧供給時間の長さをパルス頻度の制御などによって制御する制御方法の使用が好ましい。
【００２４】
電極供給回路を銀および銅電極に対して時分割方式で使用することもできる。すなわち、同じ供給出力部を銀電極と銅電極とにそれぞれ異なる時点で接続する。パルス頻度の適合化は、パルス間の時間を制御することによって行うこともできるが、あるいは選択された平均レートで、おそらく厳密には周期的でなく、パルスが発生するようにパルスを選択的に抑圧することによって行うこともできる。重要なのは、流水量に比例する平均電流と経時的に積分された平均電流である。どちらの場合においても、これらの数量は、平均電流と極性反転時点とをそれぞれ制御するために用いられる。
【００２５】
さらに、並列分岐水路１４ａ，ｂを有する一実施形態を示してきたが、代わりに１つの流路内に電極対を直列に用いることもできることに注目されたい。このような実施形態においては、１つの水量計で間に合うが、電極対間の横流を回避するためにより複雑な配置が必要になりうる。また、２つの並列分岐水路を用いる場合でも、両分岐水路を流れる流水量が固定的比率であると想定しうる場合は、１つの水量計で間に合わせることもできる。並列分岐水路は同じサイズ（ひいては同じ流量）にする必要はない。一実施形態において、銀電極付きの分岐水路は、銅電極付きの分岐水路より流量が小さくなるように構成すると都合がよい。
【００２６】
追加の並列分岐水路を用いることもできる。別の実施形態においては、並列の分岐水路、または銅および銀電極が直列に配置された導水管、を電極のない主給水分岐路の一部に平行な迂回路として用いることもできる。この場合、平均電流は、主分岐路内の流量（この流量が迂回路内の流量に比べ、かなり大きい場合は、迂回路内の流量も加えた流量）に比例して制御される。
【００２７】
さらに、電極電流を監視すると説明してきたが、状況によっては、代わりに所定の電極電流が流れると想定しうることを理解されたい。この場合は、電流を監視する必要はない。ただし、これには、組成が異なる給水にシステムを適合化する必要があり、時間的変動に対応できないという欠点がある。
【００２８】
さらに、累積的に印加された電荷に応じて極性反転が制御される一実施形態を示してきたが、一代替実施形態においては、これは銀電極付きの分岐水路に対してのみ行われる。この分岐水路は、平均電極電流が相対的に小さいため、最も重大な反転問題を呈することが分かっている。この実施形態においては、銅電極付きの分岐水路内の極性は、例えば所定の頻度で、反転させうる。平均電極電流が相対的に大きいため、状況によっては、これが問題にならないこともある。ただし、銅および銀電極を通る累積的ファラデー量をある期間測定すると、何れの時点においても、銅および銀イオンの放出量と、銅および銀電極の残りの量および表面とが示される。
【００２９】
さらに、電極が水量計の下流に配置され、水が下流で取り出されるときに流れる第１の水にイオンを添加できるという利点を有する一実施形態を示したが、代わりに電極を水量計の上流に配置しうることも理解されたい。電極は何れの構成でも使用しうる。
【００３０】
平均電流の調整を行い、かつ極性反転時点を選択するようにプログラムされたマイクロプロセッサを用いて制御回路１９を実装することもできる。あるいは、この調整を特に行うように構成された回路、あるいは複数のプログラム可能な専用回路の混合、を用いることもできる。
【図１】
2010516444.tif 000002
【図２】
2010516444.tif 000003
【国際調査報告】
2010516444.tif 000004
2010516444.tif 000005
2010516444.tif 000006