富氢水制备装置及方法

技术领域

本发明涉及功能性饮用水领域，尤其涉及一种氢水制备装置及方法。

背景技术

富氢水，又称水素水(Hydrogen Water)。现代医学认为物质的腐化是酸化(氧化)的过程，呼吸氧气、吸烟饮酒及环境内污染源等都会使人体内产生大量过氧自由基，它会肆意破坏细胞组织，造成基因疾病和机体衰老。富氢水已被证实是一种还原剂，具有很强的抗氧化能力，可以调节人体的机能和新陈代谢的能力，提高人体的免疫力。而且，富氢水对于改善人体的炎症也有很好的效果，可以帮助人体进行自我修复，改善人体的各种过敏症状，从而起到调养身体作用。

目前较常使用的富氢水生产设备为富氢饮水机和富氢水杯，富氢饮水机价格昂贵，还没开始向普通家庭普及推广，而富氢水杯具有体积小，方便携带，使用方便等优点，深受使用者的喜爱。

申请号为201920961658.7的中国专利公开了一种富氢水杯，其包括杯体，杯体内设有水腔；杯体下方设有安装座，安装座螺纹连接在杯体上并通过一锁死结构固定；安装座内设有阳极和阴极，阳极和阴极均凸出安装座且伸入水腔内。该富氢水杯通过阳极和阴极电解水产生氢气，使产生的氢气能够部分溶解在水中，以此来制备富氢水。

然而，氢水浓度只有达到常温常压下的饱和氢水浓度，即达到富氢水标准(1680ppb)，才具有明显的保健效果。但现有的富氢水杯，如上述现有专利，所产生的氢水浓度较低，且产生的氢水浓度不稳定，很难保持较长时间，存在一定的改进空间。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种富氢水制备装置及富氢水制备方法。

为实现上述目的，本发明在第一个方面提供了一种富氢水制备装置，包括杯体，杯体中设置将杯体分隔为第一腔体和第二腔体的隔板，第一腔体中设置用于产生氢气的氢气发生器模组，隔板上开设至少一个供氢气逸出的出氢口，出氢口中安装用于分散氢气气泡的微小孔阵列筛板，第二腔体中设置至少一个用于产生超声波将氢气气泡打散的超声振动器，出氢口靠近超声振动器一侧设置半封闭振动场，超声振动器伸入至半封闭振动场中。

可选的，超声振动器包括用于产生超声波的超声发生单元和用于传递超声波的超声振动头，超声振动头沿竖直方向设置。

可选的，超声发生单元的超声波振动元件通常由陶瓷材料制成，其在电场驱动下能够产生高频率、高强度的机械振动，并将这种振动传递到超声振动头。超声波振动元件在工作时，会产生上万次每秒的振动，这种高频振动会通过声波传导到氢水中。比如，超声发生单元可采用电动牙刷类似的原理和构造。

可选的，超声振动头设置成柱状。

可选的，超声振动头表面及内部存在连通的微小孔洞通道，微小孔洞通道的孔径大小为0.01-0.2mm。

可选的，隔板上围绕所述半封闭振动场设置筒状的微孔增强场，微孔增强场的表面及内部存在连通的微小孔洞通道。

可选的，微小孔阵列筛板包括开设在其表面的微小通孔，微小通孔的孔径大小为0.2-0.5mm。

可选的，杯体包括杯身，超声振动器安装于杯身，杯身上设置与超声振动器电性连接用于控制超声振动器工作的振动开关按钮。

可选的，杯体包括杯盖，超声振动器安装于杯盖，杯盖上设置与超声振动器电性连接用于控制超声振动器工作的振动开关按钮。

可选的，杯体设置与氢气发生器模组电性连接用于控制氢气发生器模组工作的制氢按键。

可选的，氢气发生器模组包括电解槽、控制电路和充电电池，电解槽包括阳极、阴极、位于阳极和阴极之间的PEM质子膜，控制电路将充电电池的电力分别提供至电解槽的阳极和阴极，以使电解槽电解水在阴极析出氢气，在阳极析出氧气，氢气通过出氢口溶解于饮用水中制成富氢水，氧气通过出氧孔排出杯体外部。

本发明在第二个方面提供了一种富氢水制备方法，应用上述的富氢水制备装置,其特征在于，包括以下步骤：

将饮用水注入杯体中，启动氢气发生器模组，产生上浮氢气泡；

微小孔阵列筛板将通过的上浮氢气泡初步分散为小氢气泡；

超声振动器手动或自动启动，分散的小氢气泡在半封闭振动场中进行场内共振，破碎形成继续上浮的微小氢气泡；

微小氢气泡上浮过程中，部分溶解于水，超声振动器持续打散破碎剩余的微小氢气泡；

得到富氢水。

可选的，氢气发生器模组的工作时间为10-15min，超声振动器的工作时间为10-15min。

本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明所提供的富氢水制备装置能够通过超声振动头和半封闭振动场的协同作用，使氢气与水发生共振，从而使氢气破碎为体积更小的气泡，有助于提升氢气的溶解度；

(2)、本发明所提供的富氢水制备装置通过微小孔阵列筛板对氢气进行初步分散，使得之后共振破碎效果更好，从而使氢气破碎为体积更小的气泡，有助于进一步提升氢气的溶解度；

(3)、本发明所提供的富氢水制备装置以较低成本实现了富氢水性能的质变，且其构造简单便于对现有的富氢水杯进行升级改造，其产生的富氢水的浓度高于饱和氢水浓度，且能够保持较长时间高于饱和氢水浓度。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明实施例1中富氢水制备装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2中富氢水制备装置的结构示意图；

图3是本发明中微小孔阵列筛板的结构示意图；

图4是本发明中氢气发生器模组的结构示意图；

图5是本发明中制氢方法的流程示意图。

图中：1、杯体；11、第一腔体；12、第二腔体；13、杯身；14、杯盖；2、隔板；21、出氢口；22、微小孔阵列筛板；23、半封闭振动场；24、微小通孔；25、微孔增强场；31、制氢按键；32、充电电池；34、电解槽；35、阳极；36、阴极；37、PEM质子膜；38、出氧孔；4、超声振动器；41、超声发生单元；42、超声振动头；43、振动开关按钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种富氢水制备装置，参见图1，包括杯体1，杯体1中设置将杯体1分隔为第一腔体11和第二腔体12的隔板2，第一腔体11中设置用于产生氢气的氢气发生器模组(图未示)，隔板2上开设至少一个供氢气逸出的出氢口21，出氢口21中安装用于分散氢气气泡的微小孔阵列筛板22，第二腔体12中设置至少一个用于产生超声波将氢气气泡打散的超声振动器4，超声振动器4的末端延伸至出氢口21中。

具体的，参见图1，杯体1呈圆柱形，包括杯身13和杯盖14，杯身13和杯盖14采用可拆卸连接，可采用螺纹、卡扣等连接方式进行密封连接，具体连接方式根据具体需求选择。杯体1内第一腔体11和第二腔体12的设置顺序为从下往上依次为第一腔体11、第二腔体12，隔板2横设在第一腔体11和第二腔体12之间。在本实施例中，隔板2上开设的出氢口21共有两个，相对设置在隔板2的中心点的两侧，出氢口21为圆形的下沉孔，出氢口21的圆心处于隔板2的直径线上。微小孔阵列筛板22与出氢口21数量对应也共有两个，分别设置于两个出氢口21中，微小孔阵列筛板22的直径与出氢口21的内径相匹配，能够恰好卡固于出氢口21中，防止微小孔阵列筛板22从出氢口21中脱落。

参见图3，微小孔阵列筛板22也为圆形，表面开设多个圆形的微小通孔24，所有微小通孔24均匀排列成圆形，微小通孔24的孔径大小为约0.25mm。微小孔阵列筛板22的厚度小于出氢口21的深度，微小孔阵列筛板22与微小孔阵列筛板22上方的出氢口21的剩余部分形成半封闭振动场23。

参见图1，氢气发生器模组(图未示)固定安装在第一腔体11的底部，本实施例中氢气发生器模组采用电解制氢的方式，安全高效，无有害废弃物产生。第一腔体11的侧壁上设置用于控制氢气发生器模组启动工作的制氢按键31，制氢按键31和氢气发生器模组电性连接。在一些实施方式中，再次按下制氢按键31可关闭氢气发生器模组。在一些实施方式中，制氢按键31与超声振动器4同样电性连接，在按下制氢按键31后能够同时启动氢气发生器模组和超声振动器4，再次按下制氢按键31后可关闭氢气发生器模组和超声振动器4。

参见图4，作为一种示例性非限制性实施方式，氢气发生器模组包括电解槽34、控制电路(图未示)和充电电池32，电解槽34包括阳极35、阴极36和位于阳极35和阴极36之间的PEM质子膜37，控制电路将充电电池32的电力分别提供至电解槽34的阳极35和阴极36，以使电解槽34中电解水在阴极36析出氢气，在阳极35析出氧气。氢气通过出氢口21溶解于饮用水中制成富氢水，氧气通过设置于电解槽34的槽壁的出氧孔38排出至杯体1外部。在该非限制性实施方式中，饮用水通过吸水海绵体28从阴极36所在的阴极腔室进入阳极35所在的阳极腔室，出氧孔38内设置可拆卸防水透气膜组件(图未示)，以便在允许氧气溢出的同时避免电解水漏出；并且可定期拆掉防水透气膜组件以排空阳极腔室内的电解水。

参见图1，超声振动器4共有两个，分别设置在两个出氢口21的上方。每个超声振动器4均包括用于产生超声波的超声发生单元41和用于传递超声波的超声振动头42，超声发生单元41固定安装在杯身13的内壁上，杯身13的外壁上设置用于控制超声发生单元41启动工作的振动开关按钮43，振动开关按钮43和超声发生单元41电性连接。在一些实时方式中再次按动振动开关按钮43可使超声发生单元41停止工作。超声振动头42设置在超声发生单元41的下端，超声振动头42呈柱状，本实施例中具体为圆柱体。超声振动头42沿竖直方向设置，向下延伸至半封闭振动场23中。超声振动头42深入半封闭振动场23后，工作时与半封闭振动场23协同作用，场内的氢气与水产生共振作用，更好地破碎较大的氢气泡，从而产生丰富的微小氢气泡，增强氢气在水中的溶解度及溶解速率。

实施例2

一种富氢水制备装置，参见图1、图2，本实施例与实施例1相比区别在于出氢口21、微小孔阵列筛板22、超声振动器4均只有一个。具体的，出氢口21设置在隔板2的中心位置处，微小孔阵列筛板22同样安装在出氢口21中，微小孔阵列筛板22同样与出氢口21形成半封闭振动场23。超声振动器4的超声发生单元41固定安装于杯盖14内侧的中心位置处，超声发生单元41电性连接的振动开关按钮43设置在杯盖14的上表面，超声振动头42同样向下延伸至半封闭振动场23中。

实施例3

一种富氢水制备装置，与实施例1和2相比，区别在于超声振动头42的表面及内部存在连通的微小孔洞通道，微小孔洞通道的孔径大小为0.01-0.2mm。具体的，超声振动头42采用不锈钢粉末烧结棒、钛合金粉末烧结棒、纳米陶瓷粉末烧结棒等不易氧化的粉末烧结棒制成，其内部可以为中空或实心结构。超声振动头42的表面及内部的微小孔洞通道使形成错综复杂的管道网，从而方便氢气气泡上升过程中进入到超声振动头42，便于更好地对氢气气泡进行多次、多级破碎。

实施例4

一种富氢水制备装置，参见图4，与实施例3相比，区别在于隔板2上围绕所述半封闭振动场23设置筒状的微孔增强场25，微孔增强场25的表面及内部存在连通的微小孔洞通道。具体的，微孔增强场25为圆筒状，其材质为不锈钢或陶瓷材质，采用不锈钢粉末烧、纳米陶瓷粉末烧等不易氧化的粉末烧结制成，具体到本实施例中微孔增强场25的顶端延伸到超声振动头42的三分之一高度处。

实施例5

一种富氢水制备方法，应用于实施例1-3的富氢水制备装置，参见图5，具体步骤如下：

S10：将饮用水注入杯体1中，启动氢气发生器模组，产生上浮氢气泡。具体的，打开杯盖14，将饮用水注入到杯身13中，饮用水包括但不限于白开水、矿泉水。饮用水注入后，重新盖上杯盖14，而后按动制氢按键31，氢气发生器模组开始持续电解制氢，制得的氢气以氢气泡的形式成为上浮氢气泡。

S20：微小孔阵列筛板22将通过的上浮氢气泡初步分散为小氢气泡。具体的，步骤S10中得到的上浮氢气泡从氢气发生器模组不断向上浮动，进入到出氢口21中，上浮氢气泡碰到微小孔阵列筛板22后，从微小孔阵列筛板22上的微小通孔24中逸出至半封闭振动场23中，从而分散成气泡更小的小氢气泡。

S30：超声振动器4手动或自动启动，分散的小氢气泡在半封闭振动场23中进行场内共振，破碎形成继续上浮的微小氢气泡。具体的，超声振动器4采用手动或自动的启动模式，手动启动模式是按动振动开关按钮43后超声振动器4启动，自动启动模式是按下制氢按键31后，超声振动器4与氢气发生器模组同步启动。在图示的非限制性实施方式中，超声振动器4采用手动的启动模式。超声振动器4启动后，超声振动头42不断产生超声波振动，使半封闭振动场23中的水和步骤S20产生的小氢气泡产生共振，进行场内共振，在水和小氢气泡互相的强烈冲击下，小氢气泡逐渐被打散破碎，产生继续上浮的体积更小的微小氢气泡。

S40：微小氢气泡上浮过程中，部分溶解于水，超声振动器4持续打散破碎剩余的微小氢气泡。具体的，步骤S30产生的微小氢气泡沿着超声振动头42的外周壁上浮，在上浮过程中柱状的振动头不断向周围产生超声振动，使尚未溶解在水中的微小氢气泡产生振动，从而破碎为体积更小的气泡，在微小氢气泡上浮过程中此步骤持续作用。

S50：得到富氢水。具体的，在氢气发生器模组和超声振动器4的工作时间为5-15min时，一般认为此时富氢水制备已经完成，能够得到满足需求的富氢水，在该非限制性实施方式中工作时间为10min。

对比例

一种富氢水制备装置，本对比例和实施例1-3相比，区别在于不具备超声振动器4，其余结构与实施例1-3相似。

实施例

将实施例1-3和对比例所提供的富氢水制备装置分别对4份350ml的同一来源的饮用水样品进行富氢水制备，处理时间为10min。其中，实施例3中富氢水制备装置安装有两个超声振动器4，且其超声振动头42采用钛合金烧结棒；对比例中不进行场内共振操作。富氢水制备完成后，分别检测每份样品中的氢水浓度，并在静置5min、1h后再进行检测，检测结果如下表所示：

表1实施例1-3和对比例的氢水浓度检测表

从表1中可以发现，对比例未采用超声振动器4，其刚制得的氢水浓度仅达到1200ppb，未达到富氢水标准(1680ppb)；而采用超声振动器4的实施例1-3刚制得的氢水浓度均在1700ppb以上，达到了富氢水标准。而采用2个超声振动器4的实施例1、3，其氢水浓度明显高于实施例2，说明增加超声振动器4的数量能够提升氢水浓度。实施例3的氢水浓度高于实施例1，说明多孔结构的超声振动头42也能够在一定程度上提高氢水浓度。

5min后，对比例的氢水浓度降低极快已经降至900ppb以下，而实施例1-3的氢水浓度仍然维持在1700ppb以上。

1h后，对比例的氢水浓度降低极快已经降至700ppb以下，而实施例1-3的氢水浓度仍然维持在1680ppb以上，还能够满足富氢水标准。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。