JP2007021336A - イオン水生成器 - Google Patents

Abstract

【課題】 全スイッチング損失を低減させるイオン水生成器を提供する。
【解決手段】 電解用スイッチング電源２を使用し、そのトランスの２次側巻線に中性線Ｎを設けて、巻線両端５ａ，５ｂから互いに逆向きのダイオード１２，１３を介して正負両極性の出力を生じさせる。また、出力電路にそれぞれ正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４を設け、これらのオン／オフ状態を周期的に交互に切り替える。このような構成により、Ｈブリッジの半分のスイッチング素子数で、極性切替を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン水生成器に関し、特にその電源回路に関する。

イオン水生成器の電解槽の電極には、イオン水生成によって不純物が付着する。これを防止するため、一対の電極に印加する直流電圧の極性を、一定周期ごと（例えば１秒周期）に切り替える（反転させる）。そのための回路としては、例えば、電極を中心として４つのスイッチング素子によりＨブリッジを構成したものが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。そして、４つのスイッチング素子におけるオン／オフ状態の組み合わせを変化させることにより回路接続を切り替えて、電極へ印加する直流電圧の極性を反転させる。

特開平１０−３１４７３７号公報（第５〜６頁、図１０）

上記のような従来のイオン水生成器では、周期的な極性切替によって、イオン水生成中に各スイッチング素子が頻繁にスイッチングされ、４つのスイッチング素子全体でのスイッチング損失が大きくなる。
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、全スイッチング損失を低減させるイオン水生成器を提供することを目的とする。

本発明のイオン水生成器は、商用交流電源の整流電圧から正負両極性の直流出力を生じさせる電解用スイッチング電源と、前記正負両極性の出力電路にそれぞれ設けられた正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子と、前記正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子のオン／オフ状態を周期的に交互に切り替える極性制御手段と、前記正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子を介して電極に電解出力の供給を受ける電解槽とを備えたものである。
上記のように構成されたイオン水生成器においては、正負両極性の直流出力を電解用スイッチング電源によって生じさせ、各出力電路にそれぞれ設けた正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子のオン／オフ状態を交互に切り替えることにより、Ｈブリッジは不要となり、２つのスイッチング素子で極性切替を行うことができる。

また、上記イオン水生成器において、電解用スイッチング電源は、入力側及び出力側において、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成であり、また、スイッチング制御手段による前記電解用スイッチング電源の出力制御の応答速度は、商用交流電源の周波数より十分に遅いことが好ましい。
この場合、電解コンデンサを排除した回路構成であること（第１の特徴）により、脈流波形の全期間（ゼロ点を除く。）で整流器に電流が流れる。また、電解用スイッチング電源の出力制御の応答速度が、商用交流電源の周波数より十分に遅いこと（第２の特徴）により、脈流半波の期間では、見かけ上、スイッチングのオン時間は一定となる。そして、これらの第１の特徴及び第２の特徴を具備すること（ＡＮＤ条件）により、電解用スイッチング電源の１次側スイッチング素子に流れる電流は入力電圧（整流出力）に比例し、正弦波半波の繰り返し波形となる。従って、コンデンサインプット型の回路構成に比べて力率が改善される。

また、上記イオン水生成器において、電解用スイッチング電源は、２次側巻線に中性線を設けて巻線両端に互いに逆極性の出力を生じるトランスを備えたものであってもよい。
この場合、トランスの２次側で互いに逆向きの整流を行うことにより、１台のトランスで正負両極性の直流出力を提供することができる。

また、上記イオン水生成器において、正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子にそれぞれ駆動電圧を供給するための一対の専用巻線が、電解用スイッチング電源の制御電圧用巻線とは別に設けられた制御電源トランスを備えることが好ましい。
この場合、正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子に対してそれぞれ互いに絶縁された駆動電圧を供給する構成を、制御電源トランスの専用巻線によって簡素かつ安価に実現することができる。

本発明のイオン水生成器によれば、Ｈブリッジは不要となり、２つのスイッチング素子で極性切替を行うことができるので、全スイッチング損失を低減させたイオン水生成器を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態によるイオン水生成器について、図面を参照して説明する。
図１は、イオン水生成器の、電源回路を主体とした回路図である。図において、一対の電極１ａ，１ｂを有する電解槽１に電解出力を供給する電源回路は、商用交流電源の整流電圧から正負両極性の直流出力を生じさせる電解用スイッチング電源２と、正負両極性の出力電路にそれぞれ設けられた正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４とを備えている。電解槽１の電極１ａ，１ｂには、正側スイッチング素子３又は負側スイッチング素子４を介して電解出力が供給される。このように、電解用スイッチング電源２を用いて電解出力を供給する電源回路を構成したことによって、電解用スイッチング電源２のトランス５は商用電源周波数より格段に高い周波数で使用されることになる。従って、トランス５は、商用電源周波数で使用されるトランスと比較して、コアのコンパクト化が可能となり、小型、軽量、低コストなものとすることができる。

詳細には、まず、商用交流電源にバリスタ６及びノイズフィルタ７が接続されており、これによって、商用交流電源に含まれるサージやノイズ成分が除去される。ノイズフィルタ７には整流器（ブリッジダイオード）８が接続されており、これに入力された商用交流電圧が全波整流されて脈流の電圧となる。また、整流器８の出力側には抵抗９及び電解出力用のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）１０を直列に介して、トランス５の１次側巻線が接続されている。すなわち、この電解用スイッチング電源２は、その入力側において、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成となっている。

上記トランス５は、１次側電圧を、電解出力に必要な所望の電圧に変圧する。トランス５の２次側巻線には中間タップ５ｃが設けられており、これに接続された中性線Ｎは、回路グランドに接続され、かつ、抵抗１１を介して電極１ｂに接続されている。この中性線Ｎに対してトランス５の２次側の巻線両端５ａ，５ｂには、互いに逆極性の出力を生じる。巻線両端５ａ，５ｂには互いに逆向きに一対のダイオード１２，１３が接続されている。ダイオード１２及び１３にはそれぞれ、極性切替用の、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４（共にＭＯＳＦＥＴ）が接続されている。

上記各スイッチング素子３，４には、ＣＬＣからなるπ型フィルタ１４を介して電解槽１の電極１ａが接続されている。π型フィルタ１４は平滑機能を有するが、これはチョークインプット型の平滑回路であり、コンデンサインプット型の平滑回路ではない。なお、コンデンサインプット型の平滑回路を構成する場合には、ダイオード１２，１３とスイッチング素子３，４との間の各電路と、中性線Ｎとの間に一対の電解コンデンサを接続するが、本実施形態ではこのような電解コンデンサを設けない。すなわち、電解用スイッチング電源２は、その出力側においても入力側と同様に電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成となっている。

次に、制御側の構成について説明する。整流器８の出力電路の一方には、ゼロクロス検知部１５が接続されており、脈流電圧のゼロクロスを検知して、ゼロクロス検知信号を制御装置１６に与える。一方、制御装置１６に接続された極性切替制御部１７は、ゼロクロス検知信号に基づく制御装置１６からの極性切替信号により、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４の各ゲートに対して交互に駆動電圧を与える。なお、制御装置１６は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等によって構成されている。
上記ゼロクロス検知部１５、制御装置１６及び極性切替制御部１７は、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４のオン／オフ状態を周期的に交互に切り替える極性制御手段を構成している。

一方、スイッチング素子１０のゲートには、ＰＷＭ制御又は周波数制御等によりスイッチング素子１０のオン時間を制御する電解用制御部１８が接続されている。また、この電解用制御部１８は抵抗９の両端に接続されており、トランス５の１次側電流を電圧信号で監視し、スイッチング素子１０に流れるドレイン電流が増加すると、これを制限することができる。

オペアンプ１９の非反転入力端子には、制御装置１６から電流制御信号（ｐＨ制御信号）が入力される。また、電極１ａ，１ｂに流れる電流が抵抗１１を流れることによって生じる電位すなわち電流検知信号は、オペアンプ１９の反転入力端子に入力されるとともに、制御装置１６にも入力される。オペアンプ１９はこれらの入力を差動増幅し、その出力によりフォトカプラ２０を駆動する。フォトカプラ２０の出力は電解用制御部１８に与えられ、これに基づいて、ＰＷＭ制御が行われる。フォトカプラ２０の介在により、オペアンプ１９と電解用制御部１８とは互いに絶縁される。π型フィルタ１４の出力電圧すなわち電極１ａに印加される電圧を示す電圧検知信号は、制御装置１６に入力されている。

整流器８の出力電路には、電圧の回り込み防止用ダイオード２１と、突入電流防止用サーミスタ２２と、平滑用の電解コンデンサ２３とが接続され、電解コンデンサ２３の電圧が制御用スイッチング電源２４に入力される。従って、制御用スイッチング電源２４に関しては、コンデンサインプット型の入力回路構成となっている。制御用スイッチング電源２４のＤＣ１２Ｖ出力電路及びＧＮＤは、制御装置１６に接続される。また、ドロッパ電源２５を介したＤＣ５Ｖの出力電路が制御装置１６に接続される。リレー２６のコイル２６ｃは、制御装置１６から電磁弁オン／オフ信号を受けて、励磁／非励磁の状態となる。また、制御用スイッチング電源２４のＤＣ１２Ｖの出力電路とＧＮＤとにはそれぞれ、リレー２６の接点２６ａを介して電磁弁２７が接続されている。この電磁弁２７の動作／動作停止により、イオン水生成のための水流がオン／オフとなる。

図２は、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４に対する駆動電圧の供給回路を示す図である（図１では省略している。）。図において、制御用スイッチング電源２４の内部には、制御電源トランス２４１が設けられており、入力側巻線２４２及び、電解用スイッチング電源２の制御電圧用巻線２４３，２４４の他、同一仕様の一対の補助巻線２４５，２４６が設けられている。図示のように、補助巻線２４５からトランジスタ３０を介して正側スイッチング素子３にゲート電圧を供与する回路が構成されている。同様に、補助巻線２４６からトランジスタ３１を介して負側スイッチング素子４にゲート電圧を供与する回路が構成されている。そして、極性切替制御部１７は、これらのトランジスタ３０，３１のベースに接続されている。極性切替制御部１７からトランジスタ３０，３１にオン／オフ信号が与えられると、当該トランジスタ３０，３１はターンオン／ターンオフし、対応する正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４をオン／オフさせる。

図２のような駆動電圧回路構成によれば、補助巻線２４５，２４６は、各スイッチング素子３，４に対して専用巻線となり、互いに絶縁されている。また、比較的高圧な入力側とも絶縁されている。従って、各スイッチング素子３，４に対してそれぞれ互いに絶縁された駆動電圧を供給する構成を、制御用スイッチング電源２４内の制御電源トランス２４１の補助巻線２４５，２４６によって簡素かつ安価に実現することができる。

以上のように構成されたイオン水生成器においては、商用交流電圧Ｖ_ｉｎ（図３の（ａ））が整流器８により全波整流され、脈流電圧Ｖ_Ｐ（図３の（ｃ））となる。前述のように電解用スイッチング電源２の入力側には電解コンデンサがないので、脈流電圧Ｖ_Ｐは平滑されない。この脈流電圧Ｖ_Ｐは、電解用制御部１８によって制御されるスイッチング素子１０により高速（３０〜４５ｋＨｚ）にスイッチングされ、トランス５により、所定の電圧に変圧される。今、仮に正側スイッチング素子３がオン、負側スイッチング素子４がオフであるとすると、トランス５の２次側ではダイオード１２からスイッチング素子３へ電流が流れ、一方の電極１ａが＋、他方の電極１ｂが−の極性となる。電極１ａ，１ｂに電流が流れると電流検知信号がオペアンプ１９に負帰還され、電極１ａ，１ｂに流れる電流が電流制御信号に対応した電流に収束するように、電流制御が行われる。こうして、電流制御信号に対応したｐＨのイオン水が生成される。

また、電極１ａ，１ｂに不純物が付着するのを防止すべく、制御装置１６及び極性切替制御部１７により各スイッチング素子３，４のオン／オフ状態を周期的に交互に切り替える。正側スイッチング素子３がオフ、負側スイッチング素子４がオンとなると、トランス５の２次側では中性線Ｎから電解槽１を通って、負側スイッチング素子４からダイオード１３へ電流が流れ、電極１ｂが＋、電極１ａが−の極性となる。このような極性切替は例えば１秒周期で行われる。また、極性切替制御部１７に対する制御装置１６からのデューティ制御により、１周期のうちの例えば９５％は、選択されたイオン水（通常はアルカリイオン水）が生成される方向に電流が流れる極性、残りの５％は逆の極性となる。極性切替制御部１７における極性切替は、ゼロクロス検知部１５からのゼロクロス検知信号に基づいて、電圧Ｖ_Ｐのゼロ点で行われる。

スイッチング素子１０による上記のスイッチング動作において、スイッチング素子１０に流れる電流Ｉ_ｄは、幅の狭いパルスの断続波形となり、実質的な波形はその包絡線となる。ここで、スイッチング素子１０のオン時間をＴ_ｏｎ、トランス５の１次巻線のインダクタンスをＬとし、抵抗９の抵抗値を無視すると、スイッチング素子１０に流れる電流Ｉ_ｄは、
Ｉ_ｄ＝Ｖ_Ｐ×（Ｔ_ｏｎ／Ｌ） ．．．（１）
となる。

電解用制御部１８は、その応答速度が商用周波数（５０又は６０Ｈｚ）より十分に遅く設定されている。「十分に遅く」とは、１〜１０Ｈｚの周波数であり、好ましくは数Ｈｚである。これにより、例えば５０Ｈｚの場合の脈流半波の１０ｍｓの期間では、見かけ上Ｔ_ｏｎは一定となる。すなわち、応答速度が遅いことによって、１０ｍｓの期間では電解用制御部１８が応答せず、Ｔ_ｏｎは一定となる。従って、上記式（１）におけるＴ_ｏｎ及びＬが一定となり、Ｉ_ｄは、Ｖ_Ｐに比例する。これにより、Ｉ_ｄはＶ_Ｐと同様に、正弦波半波が繰り返す脈流波形となる（図３の（ｄ））。

また、前述のように、電解用スイッチング電源２の入力側及び出力側のいずれにおいても、非コンデンサインプット型の回路構成であることにより、力率が改善される。
仮に、コンデンサインプット型の平滑回路が構成されていると、コンデンサの充放電を利用して平滑が行われるために、整流器８に電流が流れている期間（導通角）が小さく、力率が悪くなる。例えば、２００Ｗ（１００Ｖ）の出力が必要とされているイオン水生成器では、コンデンサインプット型である場合、力率が０．５、効率が８０％であるとすると、入力電流は、２００／（０．８×０．５×１００）により、５Ａとなる。
これに対して、上記のように、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成によれば、脈流波形の全期間（ゼロ点を除く。）で整流器８に電流が流れ、力率が改善される。実験では、力率は、ほぼ１（０．９９）にまで改善された。従って、入力電流は半減（２．５Ａ）する。

なお制御用スイッチング電源２４に流れ込む電流Ｉ_Ｐは、電解コンデンサ２３の存在により整流器８の導通角が小さくなり、脈流電圧Ｖ_Ｐに対してπ［rad］期間内の一時期にしか電流Ｉ_Ｐが流れない（図３の（ｅ））。この結果、イオン水生成器全体としての入力電流Ｉ_ｉｎは、Ｉ_ｄにＩ_Ｐを重畳した波形となる（図３の（ｂ））。

以上のように、正負両極性の直流出力を電解用スイッチング電源２によって生じさせ、各出力電路にそれぞれ設けた正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４のオン／オフ状態を交互に切り替えることにより、従来のようなＨブリッジは不要となり、２素子で極性切替を行うことができる。極性切替によりスイッチング損失が生じるが、スイッチング素子数（＝２）がＨブリッジの半数であるため、全スイッチング損失はＨブリッジの約半分となる。従って、全スイッチング損失を低減させたイオン水生成器を提供することができる。

なお、上記実施形態においては、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４としてＭＯＳＦＥＴを使用したが、他のパワートランジスタ（例えばＢＪＴやＩＧＢＴ）を使用してもよい。

本発明の一実施形態によるイオン水生成器の、電源回路を主体とした回路図である。 図１では省略した、正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子に対する駆動電圧の供給回路を示す図である。 図１に示す回路上の各部の電圧又は電流の波形を示す図である。

符号の説明

１ 電解槽
１ａ，１ｂ 電極
２ 電解用スイッチング電源
３ 正側スイッチング素子
４ 負側スイッチング素子
５ トランス
８ 整流器
１５ ゼロクロス検知部
１６ 制御装置
１７ 極性切替制御部
１８ 電解用制御部
１９ オペアンプ
２０ フォトカプラ
２４１ 制御電源トランス
２４３，２４４ 制御電圧用巻線
２４５，２４６ 補助巻線
Ｎ 中性線

Claims (4)

1. 商用交流電源の整流電圧から正負両極性の直流出力を生じさせる電解用スイッチング電源と、
   前記正負両極性の出力電路にそれぞれ設けられた正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子と、
   前記正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子のオン／オフ状態を周期的に交互に切り替える極性制御手段と、
   前記正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子を介して電極に電解出力の供給を受ける電解槽と
   を備えたことを特徴とするイオン水生成器。
2. 前記電解用スイッチング電源は、入力側及び出力側において、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成であり、また、前記電解用スイッチング電源の出力制御の応答速度は、前記商用交流電源の周波数より十分に遅い請求項１記載のイオン水生成器。
3. 前記電解用スイッチング電源は、２次側巻線に中性線を設けて巻線両端に互いに逆極性の出力を生じるトランスを備えたものである請求項１記載のイオン水生成器。
4. 前記正側スイッチング素子及び負側スイッチング素子にそれぞれ駆動電圧を供給するための一対の専用巻線が、前記電解用スイッチング電源の制御電圧用巻線とは別に設けられた制御電源トランスを備えた請求項１記載のイオン水生成器。

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