JP6436325B2 - カートリッジ、水素ガス吸引具および水素ガス発生用混合物 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガス吸引具に使用されるカートリッジ、水素ガス吸引具および水素ガス発生用混合物に関する。

近年、水素ガスを体内に取り込むことにより、健康の維持、向上を図ることが注目されている。
水素ガスを体内に取り込む手段として、容器にマグネシウム粉末と低温で焼結可能な粘土やセラミック素材を混合して成形した水素発生用錠剤を入れ、次いでクエン酸水溶液を加え、発生した水素ガスを吸引するものが知られているが、容器を振ったり傾斜転倒させたりすると刺激の強いクエン酸水溶液を吸い込む危険性がある。また、容器が大きくなるため、喫煙タバコのように携行して、気軽に利用できるものではない。

小型で携行できる水素ガス吸引具が特許文献１に記載されている。これはマグネシウムの箔を予めクエン酸などの水溶液に浸してから乾燥させた吸収性素材の濾紙で巻き込んで紙やプラスチックの筒に挿入してパイプ状の吸引具とし、使用時に先端部を水に漬けて発生する水素ガスを吸引具の吸い口から吸引するものである。

このマグネシウムの箔を用いた水素ガスの吸引具は、水素発生の反応中に濾紙との隙間が生じるとマグネシウムとクエン酸水溶液との接触が無くなり、途中で反応が止まる問題があった。そして、中心部が中空になっているので、吸引方向以外にも発生した水素ガスが外部にも拡散し、発生した水素ガスの一部が無駄になっていた。
また、マグネシウム箔は、効率よく水素を発生させるために厚さ３０〜５０μｍのものを使用する必要があるが、高価な素材であるために、マグネシウムの箔を用いた水素ガスの吸引具は高価なものとならざるを得ない。

特許第４８４２２９６号公報

このような事情に鑑みて、高価な素材であるマグネシウム箔を使用することなく、小型で安定して効率よく水素ガス発生することができるカートリッジ式水素ガス吸引具のための水素ガス生成用混合物カートリッジ、このカートリッジを使用する水素ガス吸引具および水素ガス生成用混合物を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
［１］先端と後端が閉じられ、内部にマグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロース（セルロースの誘導体を除く）からなる水素ガス発生用混合物を入れた筒状不織布を水素ガス発生体とし、該水素ガス発生体を筒状ケースに収納し、筒状ケースの先端部に保水材を、後端部に吸水材をそれぞれ詰めてなることを特徴とする水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
［２］前記水素ガス発生体の水素ガス発生用混合物が団粒化されていることを特徴とする［１］に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
［３］前記水素ガス発生体の水素ガス発生用混合物が円柱状のブロックに成形されていることを特徴とする［１］に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
［４］前記水素ガス発生体の水素ガス発生用混合物に水素ガス発生体の反応熱により蒸散する香料又は薬剤を添加したことを特徴とする［２］又は［３］に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
［５］示温材を前記筒状ケースの外表面に付着させるか、または示温材を前記筒状ケースに含ませることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
［６］一端がカートリッジの挿入口であり、他端が吸引口であるホルダーを有する水素ガス吸引具であって、［１］〜［５］のいずれかに記載のカートリッジをホルダーに挿入したことを特徴とする水素ガス吸引具。
［７］前記ホルダーに前記示温材の色の変化が観察できる孔が形成されていることを特徴とする［６］に記載の水素ガス吸引具。
［８］マグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロース（セルロースの誘導体を除く）からなる混合物を攪拌しながらエチルアルコールを加えた後に、乾燥させることにより団粒化させたことを特徴とする、水素ガス生成用混合物カートリッジ用の水素ガス発生用混合物。

本発明では、マグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロースからなる水素ガス発生用混合物を使用しているから、安定して効率よく水素ガスを発生させることができる。また、本発明では、マグネシウム箔ではなくマグネシウム粉粒体を使用して水素ガスを発生させているので、安価である。

水素ガス発生体の外観を示す。 カートリッジの断面を示す。 カートリッジの外観を示す。 カートリッジが挿入された水素ガス吸引具の一実施形態の部分断面を示す。 ホルダーに示温材の色の変化が観察できる孔を有している水素ガス吸引具の一実施形態〔（ａ）は部分断面、（ｂ）は平面図〕を示す。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
金属マグネシウム（以下、単にマグネシウムと称する）は、軽量で酸化しやすく、酸と反応して水素ガスを発生することは知られている。
吸引用の水素ガスの発生に利用する酸として人体に有害な劇毒物は使用できないため、本発明では、無害な有機酸であるクエン酸を使用する。
マグネシウムとクエン酸のみでは水素は発生せず、水の存在があってクエン酸とマグネシウムが化学反応し、水素ガスを発生する。

クエン酸粉粒体とマグネシウム粉粒体を均一に混合したものをポリエチレンの袋に入れて屋内で６ヶ月間放置したところ、マグネシウム表面の一部は変色していたが、ほとんど変化がなく、水を加えて発生する水素ガスの量を計測すると反応したマグネシウムから発生した水素量は理論値より数パーセント少ない程度であった。
そこで、クエン酸粉粒体とマグネシウム粉粒体を混合して、この混合物を水素ガス生成用混合物として使用することとした。
なお、ここで「粉粒体」とは、粉粒体を構成する粒子が粉（こな）状の粒子や粒径が１ｍｍ程度以下の粒状の粒子を含むものを意味している。

マグネシウムとクエン酸を反応させて水素ガスを発生させるためには水が必要であるが、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体に均一に安定して水を供給して、使用時に反応が途切れることなく安定して水素ガスを発生させることが望ましい。
しかし、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体からなる混合物は吸水力や保水能力が小さいために、反応に必要な水を継続して供給し続け、安定して水素ガスを発生させることが困難である。

その解決方法として、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体の混合物に、吸水性素材として、粉末セルロース（例えば粉末濾紙や粉末パルプ）を加え、均一に混合したものを筒状の不織布に入れ、その先端と後端をヒートシールしたものに水に加えたところ、水素ガスが安定して発生することが確認できた。

マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体と粉末セルロースは比重が異なるため、これらを混合したものを筒状不織布に入れてヒートシールしたものは、取扱い中や搬送中の振動などでそれぞれの素材が内部で徐々にそれぞれ分離してしまう。まず初めに比重が最も小さい粉末セルロースが混合物から分離し、次いでマグネシウム粉粒体が分離しやすい。これらの素材が著しく分離した状態のものに水を加えても、安定した反応が均一に進行せず、多くの未反応マグネシウムが残留することになる。このため、これらの混合物の素材が分離しないようにすることが化学反応を継続させ、より安定して効率よく水素ガスを発生させる点でより望ましい。

水素ガス生成用混合物を構成する３種の素材が著しく分離しないようにするには、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体および粉末セルロースからなる３種の素材の混合物を団粒化するか、ブロックに成形すればよい。
団粒化するには、例えば、クエン酸の一部をエチルアルコールで溶解させると部分的に粘性のあるクエン酸液が生成され、クエン酸粉粒体がマグネシウム粉粒体や粉末セルロースに付着することを利用する。
なお、「団粒化」は、土壌改良などの分野で使用される用語であり、単一粒子が集合して団粒を形成することを意味しているが、ここでは、クエン酸粉粒体の粒子がマグネシウム粉粒体の粒子や粉末セルロース粒子と合体して、不定形で荒目の粒子を形成することを意味している。

具体的には、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体と粉末セルロースを、質量割合が、例えば、マグネシウム１ｇに対して、クエン酸粉粒体が約５．３ｇ、粉末セルロースが約０．７ｇの割合になるように、攪拌機に投入し、攪拌混合させながらエチルアルコール、好ましくは無水エチルアルコールを上記３種の混合物の総質量に対して約３〜５％の量を噴霧してから、熱風（８０℃以下）で乾燥させると、エチルアルコールが除去され、上記３種の素材の混合物を不定形で荒目の粒子とすることができる。
なお、団粒化には、メチルアルコールも使用可能であるが、毒性があるためエチルアルコールが望ましい。

また、ブロックに成形するには、例えば、上記の団粒をつくる場合よりもエチルアルコールを多めに、約５〜６％、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体と粉末セルロースに加えて均一に混合して、柔らかい粘土状にして、これをノズルから所定の量を押し出して円柱状の型に入れて乾燥させると、円柱状に成型された混合物のブロックが得られる。

本発明では、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体と粉末セルロースの混合物、これら３種の混合物の団粒、およびこれら３種の混合物を円柱状に成形したブロックのいずれかを筒状不織布に入れたものを水素ガス発生体として使用する。筒状不織布の先端と後端は、ヒートシールして内容物がでないようにしている。
不織布としては、例えば、お茶パックなどに使用される食品用不織布を使用することができる。なお、筒状不織布は矩形の不織布を筒型にして、対向する縁を重ねてヒートシールして作ってもよい。

図１に、マグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロースの混合物が筒状不織布２に詰められた水素ガス発生体１を示す。その先端３および後端３の両端はヒートシールされている。水素ガス発生体１として上述の団粒化したものや円柱状ブロック（不図示）に成形されたものを筒状不織布２に入れたものでもよい。

水素ガス発生体１を、紙筒あるいは薄いプラスチックなどでつくられた筒状ケース５に挿入し、次いで、筒状ケース５の先端部に保水材６を、後端部に水を吸収するための吸水材７をそれぞれ詰めて、後述する水素ガス吸引具のホルダーに挿入される水素ガス生成用混合物カートリッジ４ができあがる。図２にカートリッジ４の断面を示した。ここでは、水素ガス発生体１のヒートシールされた先端と後端の部分は折り曲げて筒状ケース５に収納されている。

先端部の保水材６には、カートリッジ４の先端部を水に浸したときに、マグネシウムとクエン酸の反応に必要な水が保水される。他方、後端部の吸水材７は、ホルダー１０の吸引口１２から発生した水素ガスを吸引した際にクエン酸水溶液が水素ガス発生体１の内部から漏れ出た場合に、このクエン酸水溶液を吸収、保持して、カートリッジ４の後端から漏れることを防止するためのものである。こうすることで、水素ガス吸引具の吸引口からクエン酸水溶液が口腔内に入らないようにしている。通常、後端部の吸水材７は先端部の保水材６より短くてよい。

保水材６と水素ガス発生体１の間に隙間ができると、保水材６に保水された水が水素ガス発生体１に供給できなくなるから、保水材６と水素ガス発生体１本体の先端面とが接触し、かつ水素ガス発生体１の後端面と吸水材７とが接触した状態を維持できるようにする必要がある。保水材６および吸水材７には弾性がある場合は、やや圧縮された状態で詰めるのが望ましい。なお、ここで水素ガス発生体１本体とは、水素ガス発生体１から、ヒートシールした先端３と後端３を除いた部位を指している。

保水材６および吸水材７は、筒状ケース５から水素ガス発生体１が抜け落ちないようにストッパーとしての機能をも有している。また、水を含んだ保水材６は、発生した水素ガスがカートリッジの前方から漏れ出ることを抑制する効果もある。

保水材６や吸水材７には、スポンジのような材料が使用できる。例えば、メラミンフォームやウレタンフォームのスポンジが使用できるが、これらのものに限るものではない。メラミンフォームはウレタンフォームよりも保水能力が高いのでより望ましい。
カートリッジ４は、後述するように、先端を水に浸して使用されるから、先端部外周を青などの色で彩色すると使い勝手がよい。図３に先端部外周を彩色したカートリッジの外観を示した。８は彩色部位である。
後端部の吸水材７にも先端部の保水材６と同じものを使用し、カートリッジの両端部のいずれの部位を水に浸してもよいようにすることもできる。この場合は、端部を彩色する必要はない。

カートリッジ４は、水素ガス吸引具９のホルダー１０に装着される。
図４にその実施形態の一例を示す。ホルダー１０は、筒状であり、カートリッジ４の挿入口１１と吸引口１２を有し、カートリッジ４の約２倍強の長さである。
ホルダー中央辺りの内周には段付き部１３が形成されており、カートリッジ４は先端部が露出した状態でホルダーに装着されるようになっている。１４は、アセテート繊維などでつくられたフィルターであり、水素ガスは通過するが、カートリッジ４の吸水材７からクエン酸水溶液が漏れ出た場合には、このクエン酸水溶液の通過を防止する。前述したように、吸水材７が同様の機能を有しているから、吸水材７の機能が十分であれば、フィルター１４はなくてもよい。

水素ガス吸引具９は、図４に示されるものに限らず、ホルダー１０がカートリッジの挿入口１１と吸引口１２を備え、カートリッジ４の先端部が露出するように挿入できる筒状のものであればよい。図４では、ホルダー１０は、フィルター１４が収納されている部位と吸引口の部位は他の部位に比べて細身に形成されているが、これに限るものではない。また、図４ではホルダー１０は一体物であるが、複数の部材で構成してもよい。

水素ガス吸引具９のホルダーに挿入されたカートリッジ４の先端部を容器やコップなどに蓄えられた水に数秒間浸して引き上げると、保水材６に水が保水される。そして、この保水された水が粉末セルロースの給水効果により、水素ガス発生体１の内部に浸透して、マグネシウムとクエン酸が反応し水素ガスが発生する。
発生した水素ガスをホルダーの吸引口１２から吸引しはじめると、カートリッジ先端部の保水材６から水が水素ガス発生体１に補給され、反応が継続して水素ガスが発生し続ける。

水素ガス発生体１から水素ガスが発生し出すと同時に反応熱と水蒸気が発生し、ホルダー１０の表面温度は５０〜６０℃、水素ガス発生体１の内部は８０℃近くに達することがあるので、ホルダー１０は、ポリプロピレンやポリカーボネイトなどの耐熱性の樹脂製とすることが望ましい。
また、この反応熱を利用して、メンソールなどの芳香剤や薬剤を蒸散させることが可能である。例えば、団粒化した水素ガス発生用混合物や円柱状ブロックの水素ガス生成用混合物に水以外の液体に溶けた芳香剤や薬剤を数滴たらして加えることにより、芳香剤の香気や薬剤の揮発成分が口腔や鼻腔に拡がり、気分や体調を良好にする効果が期待できる。
同様の効果は、保水材６に保水される水に芳香剤や薬剤を添加することによっても得ることができる。

カートリッジ４の構成部材である筒状ケース５の外表面に温度の変化により色が変化する示温材１５を付着させておくと、上記の反応熱により示温材の色が変化し、反応熱の発生を可視化することができる。こうすることにより、水素が発生していることを間接的に知ることができる。その一実施形態を図５に示す。この実施形態では示温材１５がカートリッジ４の長手方向の中程に１０ｍｍ程度の範囲の外表面に示温材１５が付着されている。水素ガスが発生して、カートリッジ４の外表面の温度が上昇すると、示温材１５の色が変化する。そして、ホルダー１０には示温材１５の色の変化を観察できる孔（覗き窓）１６を形成しておく。あるいは、孔１６を形成しないで、ホルダー１０の少なくとも示温材１５の位置に対応する部位を透明なものにしておいても示温材１５の色の変化を観察することができる。

筒状ケース５の外表面に示温材を付着させる代わりに、筒状ケース５そのものに示温材を含ませることによっても、反応熱の発生を可視化することができる。すでに記載したように筒状ケース５は、紙製やプラスチック製であり、比較的薄いものであるから、これらの原料に示温材を混合するか、あるいは練り込むなどして筒状に成形することにより、筒状ケース５に示温材を含ませることができる。

孔（覗き窓）１６を形成する場合は、水素ガスが漏れないように、孔（覗き窓）１６をふさぐ蓋をすることが望ましい。蓋としては、孔（覗き窓）１６に嵌合する形状のものや、孔（覗き窓）１６の上から覆うことができる、貼着可能なラベル等を使用することができる。なお、孔（覗き窓）１６の形状は、示温材１５を観察できる程度の大きさを有しているものでよく、図５（ｂ）に示す細長い形状のものに限るものではないが、その長手方向の長さは示温材１５のそれ以上にする。

示温材は、ある温度に達すると色が変わる顔料を含む材料であり、テープ状やラベル状のものや、液状の塗料やインクにしたものがある。テープ状やラベル状のものはカートリッジ４の外表面に貼着し、塗料やインクの示温材はカートリッジの外表面に塗りつけて乾燥させておけばよい。例えば、元の色を青とし、ある温度に達して変化した後の色をピンクにしたりすることができる。

示温材１５としては、可逆性のもの、すなわち、ある温度Ｔ℃以上で色が変化するが、この温度Ｔ℃よりも低い温度になると元の色に戻るものが反応熱が発生している期間を可視化する上で望ましい。こうすることにより、水素が発生している期間を間接的に知ることができ、水素が発生している期間を知る目安として使用することができる。
また、色が変化し始める温度としては、４５℃程度が望ましい。この温度よりも低いと、体温や外部環境の熱で色が変化するおそれがある。可逆性の示温材では、４５℃より低い温度になると、元の色に戻ることになる。また、４５℃よりも高い温度で色が変化し始めるものでは、水素が発生しているのに色の変化がでない期間がより多く発生する。

示温材１５は、筒状ケース５の外表面に示温材１５を付着させる場合、筒状ケース５の、保水材６および吸水材７に対応する部位を除く外表面全域のいずれの部位に付着させることができる。孔（覗き窓）１６をホルダー１０に形成する場合は、示温材１５の位置に対応して孔（覗き窓）１６を形成することになる。長さが５０ｍｍ程度のカートリッジ４であれば、カートリッジ４の長手方向の中程に、例えば１０ｍｍ程度の長さの示温材１５を付着させて、この示温材に対応する位置に孔（覗き窓）を形成しておけば、水素ガスが発生する期間の大半を間接的に知ることができる。筒状ケース５に示温材を含ませる場合、筒状ケース５の外表面全域に示温材が含まれることになるが、カートリッジ４の長手方向の中程に対応する位置に孔（覗き窓）１６を形成しておけば、水素ガスが発生する期間の大半を間接的に知ることができる。

マグネシウムとクエン酸は、一般的には、以下の化学反応
３Ｍｇ＋２Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７→Ｍｇ_３（Ｃ_６Ｈ_５Ｏ_７）＋３Ｈ_２
により水素を発生するといわれている。なお、クエン酸は、１分子量の結晶水を含む一水和物と無水物がある。いずれのクエン酸の粉粒体でも使用することができるが、無水物のクエン酸粉粒体が望ましい。

マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体の混合割合は、クエン酸が少ないとマグネシウムが未反応のまま、残ってしまうから、マグネシウムを無駄にしないためには、クエン酸粉粒体／マグネシウム粉粒体の質量比（これを「Ａ」と表現する）は５．３程度以上が望ましい。
しかし、Ａが５．３未満であっても、マグネシウムに対して、極端にクエン酸が少なくなければ水素を発生させることができ、マグネシウム粉粒体とクエン酸粉粒体の割合（質量比）は、マグネシウム１ｇに対してクエン酸粉粒体３〜９ｇ程度でもよい。

また、吸水性素材として混合される粉末セルロースは、少な過ぎても多過ぎてもマグネシウムとクエン酸の反応が持続しない。マグネシウム粉粒体の容積とクエン酸粉粒体の容積との和と同程度の容積になるように加えればよく、マグネシウム１ｇ、クエン酸粉粒体３〜９ｇに対して粉末セルロースは１〜３ｇ程度加えればよい。

カートリッジを挿入した水素ガス吸引具での水素ガスの吸引が終われば、新しいカートリッジに交換すればよい。使用済みのカートリッジは有害物を含まないので燃えるゴミとして廃棄処分できる。
なお、ホルダーの吸引口１２から吸引される水素濃度は、吸引時に多量の空気が混合されて１％以下となり、爆発の危険性はなく安全であることも確かめられた（水素ガスは空気中に４％の濃度を超えると爆発の危険性があるといわれている）。

マグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロースを、質量比１：５．３：０．７の割合で混合して団粒化した水素ガス発生用混合物０．６０ｇを筒状不織布に詰め、先端と後端をヒートシールして先端と後端を除いた水素ガス発生体本体の長さが約３５ｍｍ、直径が約８ｍｍの水素ガス発生体１とした。
この水素ガス発生体を内径９ｍｍ、長さ５０ｍｍの紙製の筒状ケースに装入して、先端部に長さ９ｍｍの保水材、後端部に長さ８ｍｍの吸水材をそれぞれ詰めてカートリッジとした。これを水素ガス吸引具のホルダーに挿入し、カートリッジを水に浸して水素を発生させた。
上記の条件で発生した水素ガスは、毎分３〜５ｍｌ、約１５分にわたって発生し、総計で６５〜８０ｍｌであった。

１：水素ガス発生体
２：筒状不織布
３：筒状不織布の先端、後端
４：カートリッジ
５：筒状ケース
６：（カートリッジ先端部の）保水材
７：（カートリッジ後端部の）吸水材
８：カートリッジの彩色部位
９：水素ガス吸引具
１０：ホルダー
１１：ホルダーのカートリッジ挿入口
１２：ホルダーの吸引口
１３：ホルダー内周に形成された段付き部
１４：フィルター
１５：示温材
１６：孔（覗き窓）

Claims (8)

1. 先端と後端が閉じられ、内部にマグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロース（セルロースの誘導体を除く）からなる水素ガス発生用混合物を入れた筒状不織布を水素ガス発生体とし、該水素ガス発生体を筒状ケースに収納し、筒状ケースの先端部に保水材を、後端部に吸水材をそれぞれ詰めてなることを特徴とする水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
2. 前記水素ガス発生体の水素ガス発生用混合物が団粒化されていることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
3. 前記水素ガス発生体の水素ガス発生用混合物が円柱状のブロックに成形されていることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
4. 前記水素ガス発生体の水素ガス発生用混合物に水素ガス発生体の反応熱により蒸散する香料又は薬剤を添加したことを特徴とする請求項２又は３に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
5. 示温材を前記筒状ケースの外表面に付着させるか、または示温材を前記筒状ケースに含ませることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素ガス吸引具用の水素ガス生成用混合物カートリッジ。
6. 一端がカートリッジの挿入口であり、他端が吸引口であるホルダーを有する水素ガス吸引具であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載のカートリッジをホルダーに挿入したことを特徴とする水素ガス吸引具。
7. 前記ホルダーに前記示温材の色の変化が観察できる孔が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の水素ガス吸引具。
8. マグネシウム粉粒体、クエン酸粉粒体および粉末セルロース（セルロースの誘導体を除く）からなる混合物を攪拌しながらエチルアルコールを加えた後に、乾燥させることにより団粒化させたことを特徴とする、水素ガス生成用混合物カートリッジ用の水素ガス発生用混合物。