JP2015537116A - トランスレス方式のオンサイト生成 - Google Patents

Abstract

変圧器の使用を必要としない電解の方法および装置である。装置は、電圧制御の必要がなく、整流された線間電圧で、または整流された線間電圧の２０％未満といった、ほんのわずかな電圧制御による整流された線間電圧に近い値で槽を稼働させるために十分な数の中間電極を備えた一つ以上の電解槽を備える。このような制御は、変圧器ではなく降圧形コンバータまたは昇圧形コンバータを使用することによって実行可能であり、かつ、線間電圧および／または電解の導電性による変動に適応するように変化させることができ、または同じ装置で異なる化学的物質を生成するように変化させることができる。【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
本願は２０１１年１０月５日に出願された、「トランスレス方式のオンサイト生成（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｌｅｓｓ Ｏｎ−Ｓｉｔｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）」という名称の米国仮出願番号６１／７１０，４６８の優先権と出願の利益を主張するものであり、その明細書および請求項がここに参照により組み込まれる。

発明の分野（技術分野）
本発明は、入力交流電圧（ＡＣ電圧）をより低い直流電圧（ＤＣ電圧）に変換する（ｔａｋｅ ｔｏ）大型の変圧器を必要とすることなく、一以上の電解槽（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｃｅｌｌ、電解セル）に電力を提供する装置および構成に関する。この革新により、他の電解槽の設計において、費用および設置面積の面で大幅な改善がなされる。

背景技術
酸化剤（ｏｘｉｄａｎｔｓ、酸化体）のオンサイト生成（ＯＳＧ、現場生成）における単極方式（ｍｏｎｏ−ｐｏｌａｒ）または複極方式（ｂｉ−ｐｏｌａｒ）の構造のいずれかの電解槽は、典型的には、電気的な並列構造で配置される。単極方式の電解槽に使用される電圧は、典型的には、プレート間で（ｐｌａｔｅ ｔｏ ｐｌａｔｅ、電極間で）３．５Ｖから６．０Ｖに変化する。複極方式の電解槽は、多くの場合、いくらか高い電圧を有するが、典型的には９．０Ｖから４２．０Ｖの直流電圧で稼働する。典型的には、スイッチング直流電源、または他の装置（ダイオード、ＳＣＲ、キャパシタなど）と連結された変圧器が、槽に一定の直流定電圧を供給するために、使用可能な入力交流電圧（例えば１１０Ｖ、２２０Ｖ、４００Ｖ、４８０Ｖ、６００Ｖ）を取り込むように使用される。

この、電圧を降下させる手法／装置には実質的に不利な点がある。降電圧の装置に関する売上原価（ＣＯＧＳ）は、典型的にはオンサイト生成器のコスト全体のうち、大きな部分を占める（多くの場合、１０〜５０％）。また、電圧を降下させることは、実質的な電力損失につながり、オンサイトで酸化剤または他の化学物質を生成して、より多くの熱を創出するための操業費が増加する。この状況は、例えば冷却ファンなど、なんらかの形で対処されなければならない。最後に、電圧を降圧するために使用される装置に関する設置面積と重量は、設置面積および重量全体の相当な部分を占める（典型的には１０〜４５％）。

発明の概要（発明の開示）
本発明の実施形態は、隣接する中間電極の間の望ましいプレート間の電圧を維持しながら、整流された線間電圧（ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の一定の割合（ａ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）内でのみ装置を作動させるために十分な、複数の中間電極を備えた一以上の電解槽を備えた装置であって、この装置は変圧器を備えていない。随意的には、この装置は、ほぼ整流された線間電圧で稼働するように任意の方法で設計され、装置はいかなる電圧制御手段（ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ、電圧変動率）も含んでいない。好ましくは、装置は、降圧形コンバータ回路または昇圧形コンバータ回路によって提供される電圧制御手段を備える。好ましくは、電圧制御手段は、整流された線間電圧の約８０％まで、一以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることができる。より好ましくは、整流された線間電圧の約５０％まで、さらに好ましくは整流された線間電圧の約２５％まで、最も好ましくは整流された線間電圧の約２０％まで変化させることができる。二つ以上の電解槽が使用される場合、好ましくは直列に接続される。好ましくは、装置は一以上の電解槽の自浄を可能にするため、一以上の電解槽を逆の極性にする（極性を反転させる）複数のＨブリッジ構造の接触器をさらに備える。

本発明の別の実施形態は、電解を実施する方法であり、この方法は、入力した線間電圧（ｉｎｃｏｍｉｎｇ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）を整流するステップと、隣接する中間電極との間の望ましいプレート間電圧（ｐｌａｔｅ ｔｏ ｐｌａｔｅ ｖｏｌｔａｇｅ）を維持しながら、整流された線間電圧の一定の割合内で、一以上の電解槽を動作可能にするために十分な、複数の中間電極を備えた一以上の電解槽を提供するステップと、変圧器を使用せずに、整流された線間電圧を変化させないステップか、または整流された線間電圧を変化させるステップのいずれかを含む。整流された線間電圧が変化しない場合、それは中間電極の数が、一以上の電解槽をほぼ整流された線間電圧で動作可能とするために十分であることが理由である。整流された線間電圧が変化する場合、好ましくは、整流された線間電圧の変化は降圧形コンバータ回路か昇圧形コンバータ回路を使用して実施される。好ましくは、整流された線間電圧の変化は、整流された線間電圧の最大約８０％まで、一以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることを含む。より好ましくは、整流された線間電圧の約５０％まで、さらに好ましくは整流された線間電圧の約２５％まで、最も好ましくは整流された線間電圧の約２０％まで変化させることを含む。整流された線間電圧を変化させることは、入力した線間電圧の変動に任意の方法で適応し、または、例えば過酸化水素の割合に対する水素および次亜塩素酸塩などの一以上の電解槽によって製造される化学製品の量を変化させることに適応する。整流された線間電圧を変化させることは、随意的に、例えば海水の塩分濃度および／または温度の変動によって製造される電解物の導電性の変化に適応することを含む。複数の槽が使用される場合、好ましくは、この方法は槽を直列で接続するステップを含む。好ましくは、この方法は、複数のＨブリッジ構造の接触器を使用して、一以上の電解槽を逆の極性にし、それにより一以上の電解槽の自浄を可能にするステップをさらに含む。昇圧形コンバータ回路を使用して、整流された線間電圧を変化させることは、好ましくは、低電圧電源からのエネルギーを取得するステップ、または、一以上の電解槽に亘って、太陽電池（ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ）出力を望ましい電圧に適合させるステップを含む。

本発明の目的、優位性および新規な特徴、さらに、その適用性の範囲は、関連する図面とともに以下の詳細な説明の一部として明記され、一部分においては、以下を検証することにより当業者に自明であるか、本発明の実施によって習得されることができる。本発明の目的および優位性は、添付の請求項で具体的に指摘される手段および組み合わせを用いて認識、達成されることができる。

本明細書に組み込まれ、且つ本明細書の一部を形成する付随する図面は、本発明の実施形態を図示し、説明とともに本発明の本質を解説するために提供される。図面は本発明の様々な実施形態を図示することのみを目的としており、本発明を限定すると解釈されるべきではない。

図１は本発明の実施形態の回路図である。 図２はフィルタコンデンサも備える図１の実施形態の回路図である。 図３は槽の逆極性の洗浄を実施するＨブリッジ回路をさらに備える図２の実施形態の回路図である。 図４は降圧形コンバータをさらに備える図３の実施形態の回路図である。 図５は昇圧形コンバータをさらに備える図３の実施形態の回路図である。

発明の詳細な説明
本発明の実施形態は一以上の電解槽に電力を提供するための方法および装置である。装置は、一つの種類の入力電力を取り込み、それを、電気的に直列に配置された一群（ｂａｎｋ）または一連（ｌｉｎｅ、列）の電解槽、および／または高電圧を処理するように設計された単独の大型な複極方式の電解槽を、駆動するために適した電力に変換する。

図１に示される本発明の単純な実施形態において、入力した交流電力１０は、ヒューズ３０を通過し、器制御２０とを経由してダイオード整流器４０を通り、次いで複極電解槽または複数の電解槽５０に適用される。好ましくは、後者は直列で配置されており、典型的には従来の交流電力を直接使用することはできない。ダイオード整流器は、交流電流（ＡＣ）を波状の直流電流（ＤＣ）に変換する。槽および一連の槽（ｃｅｌｌ ｌｉｎｅ）上の実効的な直流電圧は、およそ１．４×ＶＡＣ（交流電圧）である。したがって、多数の槽のために１／Ｎ×（１．４×ＶＡＣ）で作動するように設計され、３．５〜７Ｖの中間電極の間のプレート間電圧をそれぞれが備えたＮ個の電解槽は、好ましくは電気的に直列で配置され、それにより変圧器を不要とする。

図２は同様の実施形態であり、入力した交流電力６０は、ヒューズ８０と、接触器制御７０を経由してダイオード整流器９０と、フィルタコンデンサ９５とを通過し、波状の直流電圧を滑らかにし、次いで複極方式の電解槽または複数の電解槽１００に適用される。

図３は本発明の別の実施形態の概略図であり、Ｈブリッジ構造で配置された接触器（すなわちスイッチおよび／またはリレー（継電器））を備え、（好ましくは、短時間で、および／または低電流で）電解層を洗浄するために極性を反転する。入力した交流電力１１０は、ヒューズ１３０、接触器制御１２０を経由してダイオード整流器１４０、およびフィルタコンデンサ１４５を通り、次いで複極方式の電解槽または複数の電解槽１５０に適用される。好ましくは、リレー１５１、１５２、１５３、１５４は、Ｈブリッジ構造で配置され、順方向極性（ｆｏｒｗａｒｄ ｐｏｌａｒｉｔｙ）信号１５６と逆方向極性（ｒｅｖｅｒｓｅ ｐｏｌａｒｉｔｙ、反転方向）信号１５８によって制御される。

図４の回路は、図３の構成に加えて降圧形コンバータを使用する。入力した交流電力１６０はヒューズ１８０と、接触器制御１７０を経由してダイオード整流器１９０、およびフィルタコンデンサ１９５を通り、次いで複極方式の電解槽または複数の電解槽２００に適用される。好ましくは、リレー２０１、２０２、２０３、２０４はＨブリッジ構造で配置され、正極性信号２０６と逆極性信号２０８によって制御される。降圧形コンバータは、ＭＯＳＦＥＴスイッチ２２０のパルス幅変調２１０（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を変更することにより、整流された電源（ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ ｍａｉｎｓ）から電圧の段階的な降下を実行する効率的な方法を提供する。好ましくは、降圧形コンバータもまた、ダイオード２３０、フィルタコンデンサ２４０、インダクタ２５０を備える。

降圧形コンバータまたは類似の回路を使用することは、既存のシステムにおいて典型的であるような、電圧を段階的に下げるために変圧器を使用することに比べて、相当な優位性を有する。第一に、ユーザが必要とする電気化学に適した電圧が選択できる。つまり、異なる電極間電圧を使用することにより、異なる化学的性質が実現できる。例えば、水素発生を増加または減少することができ、または、次亜塩素酸塩の生成が過酸化水素よりも優先されることができる（逆もまた同様である）。

第二に、本発明は世界中の異なる供給電源の電圧を、より容易に補償することができる。国際市場向けの産業機器の製造には、異なる交流電源電圧を使用するための装置が必要である。世界中の三相電力は５０から６０Ｈｚの間で、２０８、２２０、２３０、２４０、３４６、３８０、４００、４１５、４８０、６００または６９０Ｖの交流電圧のいずれかである。通常、特定の範囲の電圧用に設計された特殊な変圧器、または特定の設定電圧での一連の槽（ｃｅｌｌ ｌｉｎｅ、槽の列）の稼働用に設計された標準的変圧器と共に使用される昇圧／降圧変圧器が必要とされる。典型的な例は、４８０ＶＡＣの電気供給系を利用するように設計された一次側の変圧器と、４２Ｖの直流を生成する整流された二次側の変圧器である。この変圧器が３８０ＶＡＣの電気供給系に接続された場合、整流された出力は３３．３Ｖの直流となり、一連の槽を駆動するには低圧すぎる。少なくとも同一の電力規格と、ほぼ同一の寸法の昇圧変圧器が、標準的なシステムに加えて現地（ｔｈｅ ｓｉｔｅ）に設置されることが必要とされることがある。このことは、実質的に、全体的なコストと設置されたシステムの設置面積を増加させかねない。また、二つの変圧器の結合損失により、全体的な電力効率を低下させる。

第三に、システムへの単独の塩水原料（ｂｒｉｎｅ ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ）として海水を使用する場合、電源は、海水の導電性に動的に適応しなければならない。なぜなら、海水の導電性は、塩分濃度と温度によって変化し、一定ではないからである。降圧形構造は電圧の代わりに電流帰還を使用できるため、むしろ一定の電流源となることが可能である。これを、変圧器を使用して実行することは困難または不可能である。

例えば降圧形コンバータを備える、変圧器を含まない回路は、典型的には整流された線間電圧を１００％を超えて降圧できないことから（典型的にはそれより少なく、例えば８０％未満、５０％未満、２５％未満、さらには２０％未満でさえもある）、一又は複数の電解槽は、電圧制御をすることなく、整流された線間電圧に近づけて調整するように設計されることが好ましい。言い換えると、好ましくは、一又は複数の槽は、それぞれの槽で所望のプレート間電圧で稼働するための整流された線間電圧の、正確な電圧制御、または代替的には一定の割合での電圧制御で、システムが作動することを可能にする中間電極の数で構成される。このことは、典型的には、一又は複数の槽は本分野の典型的な槽よりもかなり高い全電圧で稼働し、そして典型的には所望のプレート間電圧を達成するための、多数の中間電極を備えることを意味する。複数の槽において、槽が並列ではなく直列で配置されている場合、実施がより容易である。

本発明の別の実施形態が図５に示されている。昇圧形コンバータは、バッテリ３１０からの低い電圧を、電解槽（好ましくは複極方式）または電解槽の回線３２０を駆動するために適した電圧へと昇圧するのに使用される。好ましくは、昇圧形コンバータは、ＰＷＭ信号３００を介して運転され、そしてインダクタ３３０、ダイオード３４０およびＭＯＳＦＥＴ３５０を備える。任意のフィルタコンデンサ３６０は、電圧を平滑化する。好ましくは、リレー３７０、３７５、３８０，３８５はＨブリッジ構造で配置され、順方向極性信号３９０と逆方向極性信号３９５によって制御される。この構成は、小型の携帯用水処理装置に電力を供給するために使用可能な、例えば、少量の太陽電池または小型の人力発電機からエネルギーを取得する方法を、提供する。また、この構成は、太陽電池の出力を、所要の槽の電気回線にさらに良好に整合させることによって、太陽光発電エネルギー生成器を使用する、さらに大型のオフザグリッド（ｏｆｆ ｔｈｅ ｇｒｉｄ、公共電源供給網を使用しない）適用を、最適化するためにも使用できる。

実施例
単独の単極方式（二つの電極）の槽は、１００Ａの槽への電流を要する５Ｖの槽の電圧で、１日に５ポンド（５ｌｂ、２．３Ｋｇ）の塩素を作り出すことが可能である。表１では、５ポンドのシステムが、４８０Ｖの三相入力（ＶＡＣ、交流電圧）で１日に６７５ポンド（３７５Ｋｇ）の塩素を作り出す三つの異なる構成で大規模化されている。したがって、整流された線間電圧はおよそ６７２Ｖであった。それぞれの構造のプレート間電圧は５Ｖであった。最初の二つの構造は従来の方法を使用している。最後の一つは、使用可能な入力電力に整合される直列の槽の手法を使用している（槽は直列で接続されている）。この場合、Ｎが３の場合、槽の回線中に三つの電極の槽を有することになり、各電極の槽は４５のチャンバを含む。

本発明は開示された実施形態を特に参照して、詳細に記載されているが、他の実施形態は同じ結果を達成することができる。本発明の変更および修正は当業者にとって自明であり、このような修正および同様のものをすべて網羅するように意図されている。上記の引用されるすべての特許および出版物は、参照により組み込まれる。

Claims (24)

1. 装置であって、一つ以上の電解槽を備えており、
   当該電解槽が、隣接する中間電極の間のプレート間の望ましい電圧を維持しながら、整流された線間電圧の一定の割合内でのみ前記装置を作動させるために十分な、複数の前記中間電極を備えており、
   前記装置は、変圧器を備えていないことを特徴とする装置。
2. 前記装置は、ほぼ前記整流された線間電圧で作動するように設計され、前記装置はいかなる電圧制御手段も備えていないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、降圧形コンバータ回路または昇圧形コンバータ回路によって提供される電圧制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記電圧制御手段は、前記整流された線間電圧の約８０％まで、前記一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることができることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記電圧制御手段は、前記整流された線間電圧の約５０％まで、前記一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることができることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記電圧制御手段は、前記整流された線間電圧の約２５％まで、前記一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることができることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記電圧制御手段は、前記整流された線間電圧の約２０％まで、前記一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることができることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 複数の電解槽は、直列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記装置は、前記一つ以上の電解槽の自浄を可能にするため、前記一つ以上の電解槽を逆の極性にする複数のＨブリッジ構造の接触器をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 電解を実施する方法であって、前記方法は、
    入力した線間電圧を整流するステップと、
    一つ以上の電解槽を提供するステップであって、前記一つ以上の電解槽は、隣接する中間電極の間の望ましいプレート間の電圧を維持しながら、整流された線間電圧の一定の割合内でのみ前記装置を作動させるに十分な複数の前記中間電極を備えることを特徴とする、一つ以上の電解槽を提供するステップと、
    前記整流された線間電圧を変化させないか、あるいは変圧器を使用せずに前記整流された線間電圧を変化させるか、のいずれかステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記中間電極の数が、一つ以上の電解槽をほぼ整流された線間電圧で作動させることが可能であるほど十分であることによって、整流された線間電圧を変化させないことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記整流された線間電圧の変化は、降圧形コンバータ回路か昇圧形コンバータ回路を使用して実施されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記整流された線間電圧の変化は、前記整流された線間電圧の約８０％まで、一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることを含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記整流された線間電圧の変化は、前記整流された線間電圧の約５０％まで、一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記整流された線間電圧の変化は、前記整流された線間電圧の約２５％まで、一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることを含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記整流された線間電圧の変化は、前記整流された線間電圧の約２０％まで、一つ以上の電解槽に及ぶ電圧を変化させることを含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記整流された線間電圧の変化は、前記入力線間電圧における変動に適応していることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
18. 前記整流された線間電圧の変化は、前記一つ以上の電解槽によって製造される化学製品を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
19. 前記化学製品は、過酸化水素の割合に対する水素および次亜塩素酸塩の量で構成される群から選択されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記整流された線間電圧の変化は、電解物の導電性の変化に適応することを含む、請求項１０に記載の方法。
21. 前記電解物は海水を含み、前記海水の前記導電性は海水の塩分濃度および／または温度の変動により変化することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 複数の槽を直列で接続するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
23. 複数のＨブリッジ構造の接触器を使用して、前記一つ以上の電解槽を逆の極性にし、それにより前記一つ以上の電解槽の自浄を可能にするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
24. 昇圧形コンバータ回路を使用した前記整流された線間電圧の変化は、低電圧電源からのエネルギーを取得するステップ、または、前記一つ以上の電解槽にわたり太陽電池出力を望ましい電圧に適合させるステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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