JP2022530763A - 短絡軽減デバイス - Google Patents
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Abstract
電解槽（１０１）で使用するための短絡軽減デバイスが開示される。デバイスは、減衰負荷（５０２）と並列に接続されたスイッチ（３０２）を備える。スイッチは、接点と電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するために、槽（１０１）の接点（１０２）と電極（１０６）との間に配置されている。スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）（４０２）を備える。デバイスは、スイッチを通る電流（３０８）を監視するように、および、電流が第１のしきい値を超えるときに、スイッチ（３０２）を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号（３０９）を生成するように、スイッチ（３０２）と動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ（３０６）をさらに備える。【選択図】 図３
Description
[0001]本出願は、２０１９年４月２４日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１９９０１３９５号からの優先権を主張し、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[0002]本開示は、短絡軽減のための方法およびデバイスに関し、特に、電解槽における短絡軽減のための方法およびデバイスに関する。
[0003]最先端の電解採取（ＥＷ）および電解精製（ＥＲ）プロセスは、最大９６％の電流効率で実行され得るが、依然として電流非効率性がいくらか残っている。電荷が代替反応によって消費されること、アノードとカソードとの間の短絡によりすべての反応を無視すること、および電解質の漏れおよび塩橋による迷走電流により、非効率性が生じることが知られている。圧倒的に多い原因が短絡である。短絡は、曲がった電極、電極の不適切な間隔、正しく整列されていない電極、および結節状／樹枝状の銅の成長に起因する。オーストラリアでの銅電解精製作業における最近の調査では、１日当たり２２００個の短絡が特定および修正されることが示された。他のＥＲおよびＥＷタンクハウスにおいても同様の数字がよく見られる。この問題は、特定および修正しないと生産性に著しい影響を及ぼす可能性があり、槽の電流非効率性の残りの４％のうちの最大３％を占める。
[0004]短絡を特定するために熱またはガウスメータを使用することは工場での通常の手段である。特定されると、短絡は除去される。これは、正しく整列されていないかまたは不適切な間隔の電極を再配置すること、ノジュールを物理的に除去すること、またはプレートが屈曲している場合にはプレートを除去して交換することによって達成される。全自動クレーンを採用している一部の最新のタンクハウスでは、作業者は、短絡を検出して修正する機会が非常に少なく、これが問題をさらに悪化させている。このプロセスは反応的かつ改善的であり、かなりの時間および資源を消費する。
[0005]短絡の特定を改善する試みは、Ｈａｔｃｈ社およびＯｕｔｏｔｅｃ社の両方によって行われている。どちらのシステムも、バスバーを通過する電流の変化を検出するためにホール効果の原理で動作する。読取り値は、問題の槽またはプレートをリアルタイムで作業者に警告するために、制御室に戻される。検出と修正との間の時間が短縮されて、全体的な電流効率を高めることができることが重要な利点である。しかしながら、システムは、依然として反応的であり、問題を修正するためには作業者の介入に依存している。また、引き続き、短絡を修正するためには作業者が槽の上部にいる必要があるため、ハーベストプロセスを完全に自動化する機会も減少する。
[0006]本開示に対する背景についての議論は、本開示の理解を容易にすることを意図するものである。しかしながら、この議論は、参照された資料のいずれかが、本出願の優先日の時点で公開されたか、公知であったか、または共通の一般知識の一部であったことを認識するものでも認めるものでもないことは理解されるべきである。
[0007]第１の態様によれば、電気接点および電極を有する電解槽において使用するための短絡軽減デバイスであって、以下を備えるデバイスが提供される：
減衰負荷と並列に接続され、接点と電極との間に配置されたスイッチ、ここで、スイッチは、接点と電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、および
スイッチを通る電流を監視するように、および、電流が第１のしきい値を超えるとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ。
減衰負荷と並列に接続され、接点と電極との間に配置されたスイッチ、ここで、スイッチは、接点と電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、および
スイッチを通る電流を監視するように、および、電流が第１のしきい値を超えるとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ。
[0008]この態様の利点は、電気伝導経路を提供するために、接点と電極との間にスイッチを直列に配置することができることである。これにより、スイッチは、電極への電流を直接制御することができて、個々の電極への自動電流制御が可能になり、問題となる短絡の発生を軽減することができる。並列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴでは、単一ＭＯＳＦＥＴデバイスよりも電流容量を増加させることができるだけでなく、電気抵抗を減少させることができる。
[0009]デバイスは、ＭＯＳＦＥＴと並列に接続されたフェイルセーフ経路をさらに備え得る。
[0010]フェイルセーフ経路は、閉導電状態にある複数のＭＯＳＦＥＴの電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体を含み得る。
[0011]スイッチコントローラは、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下を測定することによって、スイッチを通る電流を監視し得る。
[0012]この構成では電力を消費するシャント抵抗器が必要なくなるため、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下を測定することによってスイッチを通る電流を監視することは有利である。
[0013]スイッチコントローラは、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下をＭＯＳＦＥＴの所定のモデルと比較することによって、スイッチを通る電流を監視し得、モデルは、ＭＯＳＦＥＴの電気抵抗をＭＯＳＦＥＴの温度に関連付ける。
[0014]コントローラは、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作するようにさらに構成され得、第１の動作モードは第１のしきい値を有し、第２の動作モードは第２のしきい値を有する。
[0015]この実施形態の利点は、スイッチが異なるモードで動作することができることであり、これにより、スイッチはその動作を適合させることができる。これは、電解槽を横切る電流分布が電解槽の動作段階に応じて変化するため、有益である。
[0016]コントローラは、スイッチを通る電流が所定の期間にわたって第１または第２のしきい値を超えるとき、トグル信号を生成するように構成され得る。
[0017]コントローラは、電流を示すデータを送信するように構成され得る。
[0018]コントローラは、スイッチの状態を示す状態データを送信するように構成され得る。
[0019]コントローラは、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成され得る。
[0020]構成信号は、第２のデバイスの第２のコントローラから受信された状態データであり得る。
[0021]構成信号は、槽コントローラから受信され得る。
[0022]槽コントローラは、複数のコントローラと双方向通信し得、複数のコントローラの各々からそれぞれ受信された状態データに応答して構成信号を生成する。
[0023]コントローラは、低電力状態においてコントローラがスイッチを通る電流を監視しないように、所定の時間に低電力状態を採用するように構成され得る。
[0024]コントローラは、スイッチを非導電性の開状態から導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成され得る。
[0025]コントローラは、スイッチを通る時間平均電流を制御するように構成され得る。
[0026]コントローラは、時間平均電流が相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定されるように、開放期間のための非導電性の開状態と閉鎖期間のための導電性の閉状態との間でスイッチを切り替えるためのさらなる信号を周期的に生成することによって、スイッチを通る時間平均電流を制御するように構成され得る。
[0027]スイッチは、１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを備え得る。
[0028]１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスは、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、トライアック、サイリスタ、ダーリントンペア、およびソリッドステートリレーから選択され得る。
[0029]デバイスは、以下を備え得る：
電極を支持するための上部接点、および
電気接点上に載置され、電気絶縁層によって上部接点から分離された下部接点、
ここにおいて、スイッチの第１の端部は、上部接点と電気的に接触し、スイッチの第２の端部は、下部接点と電気的に接触し、スイッチは、上部接点および下部接点から変位している。
電極を支持するための上部接点、および
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[0030]電解槽は、電解採取槽または電解精製槽または電着槽であり得る。
[0031]第１のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第１の倍数であり得る。
[0032]第１の倍数は１．５～３であり得る。
[0033]第２のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第２の倍数であり得る。
[0034]第２の倍数は２～３．５であり得る。
[0035]第２の態様によれば、上で説明したような２つ以上のデバイスを備えるシステムが提供される。
[0036]第３の態様によれば、電解槽において電気接点と電極との間に配置されたスイッチを有する短絡軽減デバイスによって実行される方法が提供され、方法は、以下を含む：
スイッチを通る電流を示す電流信号を受信すること、および
電流が第１または第２のしきい値を超えることを電流信号が示すとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成すること。
スイッチを通る電流を示す電流信号を受信すること、および
電流が第１または第２のしきい値を超えることを電流信号が示すとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成すること。
[0037]「発明の概要」に記載されるプロセスの範囲内に含まれ得る任意の他の形態にもかかわらず、ここから、特定の実施形態は、以下の添付の図を参照して説明される。
[0052]本開示は、電解槽における短絡を軽減するためのデバイス、方法、およびシステムに関する。特に、本開示は、電解槽における短絡を検出し、電極を自動的に電気的に絶縁するか、または電極への電流を制御するためのデバイスに関する。
[0053]文脈によって明示的に述べられるかまたは必要とされない限り、電気接点、接点、バスバー、およびバスという用語は、交換して使用され、同等の範囲を有することが意図される。
電解槽で使用するための短絡軽減デバイス
[0054]図１は、電解精製、電解採取、または電着で使用するための典型的な電解槽１００を例示する。槽１００は、カソードバスバー１０２と、アノードバスバー１０４と、導電性カソードプレート１０６と、導電性アノードプレート１０８とを備える。プレート１０６および１０８は、バスバー１０２および１０４がそれぞれプレート１０６および１０８の電気接点として機能するように、それぞれカソードバスバー１０２およびアノードバスバー１０４に電気的に接触している。槽１００は、電解液１１０をさらに備える。
[0054]図１は、電解精製、電解採取、または電着で使用するための典型的な電解槽１００を例示する。槽１００は、カソードバスバー１０２と、アノードバスバー１０４と、導電性カソードプレート１０６と、導電性アノードプレート１０８とを備える。プレート１０６および１０８は、バスバー１０２および１０４がそれぞれプレート１０６および１０８の電気接点として機能するように、それぞれカソードバスバー１０２およびアノードバスバー１０４に電気的に接触している。槽１００は、電解液１１０をさらに備える。
[0055]カソードプレート１０６は、プレート１０６の下部１１６が溶液１１０に浸漬されるように、支持翼１１２および１１４によってカソードバスバー１０２およびアノードバスバー１０４から吊り下げられている。プレート１０６は、カソードバスバー１０２だけに電気的に接続されており、支持翼１１４とアノードバスバー１０４との間の絶縁インサート（図示せず）によってアノードバスバー１０４からは電気的に絶縁されている。したがって、プレート１０６および具体的には部分１１６は、槽１００におけるカソード電極として機能する。
[0056]同様に、アノードプレート１０８は、プレート１０８の下部１２２が溶液１１０に浸漬されるように、支持翼１１８および１２０によってバスバー１０２および１０４から吊り下げられている。プレート１０８は、アノードバスバー１０４だけに電気的に接続されており、支持翼１１８とカソードバスバー１０２との間の絶縁インサート（図示せず）によってカソードバスバー１０２からは電気的に絶縁されている。したがって、プレート１０８および具体的には部分１２２は、槽１００におけるアノード電極として機能する。
[0057]図２は、電解槽１０１の上面図を例示する。槽１０１は、槽１００と設計が類似しているが、アノード１０８と互いに入り込んだ複数のカソード１０６を含む。上面図は、カソード１０６とカソードバスバー１０２との間の電気接点と、間隙２０２によるアノードバスバー１０４との電気接点の欠如とを示す。実際には、間隙２０２は、カソードプレート１０６およびアノードバスバー１０４の両方に接続する固体絶縁材料から構成され得る。同様に、アノード電極１０８は、アノードバスバー１０４と電気的に接触しており、実際には。アノードプレート１０８およびカソードバスバー１０２の両方に接続する固体絶縁材料から構成され得る間隙２０４によってカソードバスバー１０２から絶縁されている。
[0058]動作中、槽１００および１０１は、電解液１１０を介してカソード電極１０６と隣接するアノード電極１０８との間で電荷を伝導する。短絡は、電極１０６および／または１０８の屈曲、電極１０６および／または１０８の整列不良、ならびに／あるいはカソード電極（複数可）１０６上に堆積された金属の樹枝状の成長の結果として頻繁に生じる。
[0059]前述したように、短絡を検出するための既存の方法は、熱撮像デバイスまたはガウスメータを含む。短絡の間、異常に大きな電流が、短絡に関与している電極を通って流れ、これらの電極の温度を上昇させる。熱撮像デバイスは、温度が上昇した電極を特定するのを助けることによって短絡を検出し、ガウスメータ／ホール効果センサは、関連する磁場の増加を介して、電流の増加を検出する。
[0060]短絡が検出されると、作業者は、短絡の原因を調査するために、関与している電極を手動で除去しなければならない場合がある。作業者は、樹枝状金属堆積物を除去するかまたは電極を再配置することによって短絡を軽減することができる。これに失敗すると、関連する電極（複数可）を取り外して交換しなければならなくなる。電解槽の上部に作業者が存在することにより、カソード電極をハーベストするための自動デバイスの使用が制限される。さらに、作業者の活動がプレートを乱し、新たな短絡を形成してしまう可能性がある。
[0061]図３は、槽１００または１０１などの電解槽で使用するための短絡軽減デバイス３００の概略図である。デバイス３００は、槽間バスバー１０２の電気接点３０４と、支持翼１１２を有するカソードプレート１０６のカソード電極１１６との間に配置されたインラインスイッチ３０２を備える。デバイス３００は、スイッチ３０２に動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ３０６をさらに備える。コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視し、電流３０８が第１のしきい値を超えるとき、トグル信号３０９を生成する。トグル信号３０９は、矢印３１０で示すように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から図示の非導電性の開状態に切り替える。
[0062]第１のしきい値は、電解槽１００または１０１における短絡に近い状態を示す電流の大きさであり、用途特有である。いくつかの実施形態では、第１のしきい値は、通常の動作電流の所定の第１の倍数である。例えば、通常の動作電流の２倍の第１のしきい値が使用され得る。この場合、スイッチ３０２を流れる電流が、通常の動作状態の値の２倍に達するかまたはそれを超える場合、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替える。非導電性の開状態では、感知できるほどの電流はスイッチ３０２を通って流れておらず、その結果、電極１１６は、カソードバスバー１０２の電気接点３０４から電気的に分離されるか、絶縁されるか、または切断される。例えば、通常の動作電流が６２０アンペアである場合、第１のしきい値電流は、約１２４０アンペアとなる。したがって、電流３０８が１２４０アンペアに達するかまたはそれを超えると、コントローラ３０６は、矢印３１０によって示されるように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替える。スイッチ３０２のいくつかの実施形態では、非導電性の開状態にあるとき、わずかな残留電流がスイッチ３０２を通って流れ得ることが理解されるであろう。
[0063]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、スイッチ３０２の両端の電圧降下を測定することによって、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視する。電圧降下は、電流３０８の正確な指示を導出するために、スイッチ３０２の既知の電気特性を使用してコントローラ３０６によって電流値に変換され得る。電気的特性は、温度の関数としてスイッチ３０２の電気抵抗を含む。例えば、いくつかの実施形態では、スイッチ３０２は、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む（以下で詳細に説明する）。この場合、コントローラ３０６は、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下を測定し、それを使用して、ＭＯＳＦＥＴの既知の電気的特性を使用することによって、ＭＯＳＦＥＴを通る電流を決定することができる。決定プロセスは、電流を決定する前に、ＭＯＳＦＥＴの電気的特性に温度補正を適用することを含み得る。
[0064]スイッチ３０２の両端の電圧降下を使用して、スイッチ３０２を通る電流を決定することで、シャント抵抗器は必要とされない。したがって、シャント抵抗器で電力が消費されないため、スイッチ３０２の電力効率が高まる。
[0065]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８の変化率が第１のしきい値を超えると、トグル信号３０９を生成する。電流の変化率を利用することによって、コントローラ３０６は、「ソフトショート」とも呼ばれる、短絡が生じる状態が存在するかどうかを決定することができる。これらの状態が存在する場合、トグル信号３０９の生成により、スイッチ３０２が非導電性の開状態に切り替わり、電流３０８が効果的に停止される。この動作は、短絡を未然に防ぎ、短絡が形成されるのを防止する。
[0066]デバイス３００は、短絡の発生および／または存在を検出し、デバイス３００を通る電流を制御することによってこれらの短絡の影響を軽減するものと考えられ得る。
例示的なスイッチ
[0067]スイッチ３０２は、任意の好適なスイッチングデバイスを備え得る。例えば、スイッチ３０２は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、トライアック、サイリスタ、ダーリントンペア、およびソリッドステートリレーから選択される１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを含み得る。スイッチ３０２の実施形態は、図４を参照して以下でより詳細に説明される。
[0067]スイッチ３０２は、任意の好適なスイッチングデバイスを備え得る。例えば、スイッチ３０２は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、トライアック、サイリスタ、ダーリントンペア、およびソリッドステートリレーから選択される１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを含み得る。スイッチ３０２の実施形態は、図４を参照して以下でより詳細に説明される。
[0068]前述したように、スイッチ３０２は、１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを備え得る。図４は、スイッチ３０２が、並列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴデバイス４０２を備える、１つのそのような例示的な実施形態を示す。スイッチ３０２は、ドレイン４０４側とソース４０６側とを有する。実際には、ドレイン側４０４は、電極１１６に接続しており、ソース側４０６は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのカソードバスバー１０２の電気接点３０４に接続している。
[0069]複数のＭＯＳＦＥＴ４０２を並列に接続することによって、スイッチ３０２の電流容量を、単一のＭＯＳＦＥＴの容量よりも大幅に増加させることができる。さらに、サイリスタまたは単一のＭＯＳＦＥＴ（より高い電流容量を有する）などの単一のソリッドステートスイッチングデバイスと比較して、スイッチ３０２の電気抵抗を大幅に低減することができる。例えば、５００アンペアの電流容量を有する単一のＭＯＳＦＥＴは、典型的に、１～２０ミリオームの抵抗を有する。比較すると、各ＭＯＳＦＥＴが４０アンペアの電流容量を有する、並列に接続された１５個のＭＯＳＦＥＴは、１３マイクロオームの抵抗で５００アンペアを伝導することができる。したがって、ＭＯＳＦＥＴを並列に接続することによって、抵抗を約２～３桁低減することができる。
[0070]図５Ａに示されるようないくつかの実施形態では、電気的減衰負荷５０２が、スイッチ３０２と並列に追加される。減衰負荷５０２は、電流が流れることができる代替回路を提供することによって、スイッチ３０２が非導電性の開状態に切り替えられるときに生じ得るあらゆる電圧スパイクを減衰させるために追加される。実際には、減衰負荷５０２は、槽１０１内の他方の電極内に具現化され得る。この場合、減衰負荷５０２は、槽１０１のどの特定のスイッチ３０２にも局所化されない。
[0071]図５Ｂは、スイッチ３０２と並列に導電するフェイルセーフ経路５０３を有するスイッチ３０２を備えるスイッチ３０２’を例示する。フェイルセーフ経路５０３は、電力損失によりスイッチ３０２が非導電性の開状態に移動した場合に、スイッチ３０２の周りに電気経路を提供する。
[0072]例えば、スイッチ３０２’の特定の実施形態が図５Ｃに示されており、ここでは、スイッチ３０２は、複数の並列のＭＯＳＦＥＴ４０２を含む。槽１０１で使用する際、槽１０１の各カソード１０６は、図３における単一のカソードに関して示されるように、スイッチ３０２’によって槽間バスバー１０２に接続される。槽１０１への電力は利用可能であるが、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート電極への電力が失われている状況では、各スイッチ３０２は、非導電になる。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート電極に電力が供給されなくても、スイッチ３０２’は、依然として、フェイルセーフ経路５０３を通して電流を導電させる。フェイルセーフ経路５０３を通る継続的な導通は、槽１０１内で過剰な電圧スパイクが発生することを防止し、それによって、火災、爆発、機器の損傷、または近くの人々の感電死のリスクを低減する。この実施形態のさらなる利点は、スイッチ３０２’への電力が失われたとしても、槽１０１の生産性を維持することができることである。
[0073]フェイルセーフ経路５０３は、スイッチ３０２よりも高い抵抗経路である。そのため、スイッチ３０２が導電性の閉状態にある通常状態下では、スイッチ３０２’を通って流れる電流の大部分はスイッチ３０２を通って流れ、比較的少ない電流がフェイルセーフ経路５０３を通って流れる。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート電極への電力が失われた場合には、スイッチ３０２が非導電状態となり、スイッチ３０２’を通るすべての電流がフェイルセーフ経路５０３を流れる。フェイルセーフ経路５０３が減衰負荷５０２としても機能し得ることは理解されるであろう。
[0074]フェイルセーフ経路５０３は、その閉導電状態におけるスイッチ３０２の電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体であり得るため、それが閉導電状態にあるときに、電流の大部分がスイッチ３０２を通って流れることを確実にする。さらに、フェイルセーフ経路５０３の電気抵抗は、少なくとも、スイッチ３０２がその開非導電状態にある所定の期間の間、熱暴走を防止するのに十分な低さでなければならない。例えば、所定の期間は、槽１０１への電力をシャットダウンするのに十分な長さであり得る。
[0075]別の実施形態では、フェイルセーフ経路５０３は、適切に配向されたダイオードまたは整流器であり得る。この実施形態では、スイッチ３０２’の両端の電圧降下は、スイッチ３０２が閉導電状態にあるとき、ダイオード／整流器の順方向電圧を下回る。したがって、電流はフェイルセーフ経路５０３を通って流れない。しかしながら、スイッチ３０２が、ゲート電極への電力の損失のためにその非導電性の開状態にあるとき、スイッチ３０２’の両端の電圧降下、したがってフェイルセーフ経路５０３の両端の電圧降下は、フェイルセーフ経路５０３のダイオード／整流器の順方向電圧を超えることとなる。したがって、スイッチ３０２’を通って流れるすべての電流は、フェイルセーフ経路５０３を通って流れ、それによって、槽１０１の継続的な動作を可能にする。
[0076]個々のＭＯＳＦＥＴデバイス間のスイッチング時間のばらつきに起因して、ＭＯＳＦＥＴは並列に接続されるべきではないことが典型的に教示される。閉導電状態から開非導電状態に切り替えるのにより長い時間がかかるデバイスは、過剰な電流および電圧がそれらを通って迂回されるため、オーバーヒートする（burn out）。しかしながら、本願では、減衰負荷５０２および／またはフェイルセーフ経路５０３は、これが生じるのを防止する。
[0077]前と同様に、短絡の発生および／または存在時、トグル信号３０９がスイッチ３０２’に送られる。トグル信号３０９により、スイッチ３０２’のスイッチ３０２が非導電性の開状態に切り替わる。次いで、以下に説明するように短絡の影響を軽減することができる。
[0078]いくつかの実施形態では、スイッチ３０２は、カソードバスバー１０２および／またはアノードバスバー１０４内に一体的に形成される。
マルチモード動作
[0079]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、第２の動作モードは、第２のしきい値を有する。第２の動作モードで動作するとき、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視し、電流３０８が第２のしきい値を超えるとき、トグル信号３０９を生成する。トグル信号３０９は、矢印３１０で示すように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から図示の非導電性の開状態に切り替える。
[0079]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、第２の動作モードは、第２のしきい値を有する。第２の動作モードで動作するとき、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視し、電流３０８が第２のしきい値を超えるとき、トグル信号３０９を生成する。トグル信号３０９は、矢印３１０で示すように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から図示の非導電性の開状態に切り替える。
[0080]特定の実施形態では、コントローラ３０６は、電流３０８が所定の時間にわたって第１または第２のしきい値を超えるとき、トグル信号を生成するように構成される。所定の時間は、短絡の誤ったインジケータとなり得る過渡電流の期間よりも長く設定される。正確な値は用途特有であるが、典型的には１００ミリ秒であることが理解されるであろう。
[0081]コントローラ３０６が第１のモードで動作するか第２のモードで動作するかは、以下でより詳細に説明するように、いくつかの要因に依存する。
[0082]電極上に堆積した金属をハーベストするためには、電極を電解槽から除去する必要がある。典型的には、この目的のためにカソード電極の３分の１が一度に除去される。これらの電極がハーベスト目的で除去されると、短絡が存在しない場合であっても、残りの電極への電流が増加する。第２のしきい値は、このハーベスト時間の間の電解槽１００または１０１における短絡を示す電流の大きさである。第２のしきい値電流の正確な値は、用途特有であり、ハーベストするために一度に除去される電極の数にも依存する。いくつかの実施形態では、第２のしきい値は、通常の動作電流の所定の第２の倍数である。電極の３分の１がハーベストのために除去される典型的な場合では、所定の第２の倍数は、通常の動作電流の２．５倍である。例えば、通常の動作電流が６２０アンペアである場合、第２のしきい値電流は、約１５５０アンペアとなる。
[0083]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、自己較正し、適切な通常の動作電流を決定し、それによって第１および／または第２のしきい値を決定するように構成される。自己較正プロセスについては後述する。
[0084]同様に、電極が上述のように短絡により絶縁または切断されると、他の短絡が存在しない場合であっても、残りの電極への電流が増加する。
[0085]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成される。例えば、受信された構成信号は、作業者によって手動でおよび／または動作タイマに基づいて自動的に開始され得る。この実施形態では、コントローラ３０６は、予定された通常の動作中は第１のモードで動作し、予定されたハーベスト中は第２のモードで動作する。
[0086]図６に例示される実施形態では、デバイス３００’のコントローラ３０７は、コントローラ３０６と同様であるが、送信ポート６０２を含み、データ６０４を送信するように構成される。データ６０４は、電流３０８の大きさを示すデータ、温度、および／またはスイッチ３０２の状態を示す状態データを含む。状態データは、スイッチ３０２が現在導電性の閉状態であるか非導電性の開状態であるかを示す。
[0087]データポート６０２はハードワイヤード接続として例示されているが、本開示は、これによって限定されることを意図していない。実際には、データポート６０２は、ワイヤレス送信機、ＬＥＤなどの１つまたは複数の光学インジケータ、またはデータ６０４を伝達する任意の他の好適な手段であり得る。
[0088]例えば、スイッチ３０２は、単独であるかスイッチ３０２’の一部であるかにかかわらず、非導電性の開状態に切り替えられる状況では、状態変化を示す信号が中央制御ステーションに送信され得る。この信号に応答して、短絡の影響を軽減するために作業者が派遣され得る。
[0089]いくつかの実施形態では、データ６０４は、電気接点３０４ならびに／または支持翼１１２および／もしくは１１４上の汚染および／またはスケール沈積の結果として生じる低電流状態または無電流状態を特定するために使用される。例えば、低電流状態を検出すると、ＬＥＤが通電されて、スケールが、関連する電気接点および／または支持翼上に沈積したことを示すことができる。ＬＥＤ信号に応答して、スケールを軽減するために作業者が派遣され得る。典型的には、低電流状態は、通常の動作電流の７０％以下であると考えられる。
[0090]図７に示されるようないくつかの実施形態では、構成信号は、第２のコントローラから受信される状態データである。状態データは、槽監視システム７０２を介して送られる。この例では、スイッチ３０２または３０２’を通る電流がしきい値を超えていたため、コントローラ３０７は、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成している。スイッチ３０２の開状態を示す、コントローラ３０７から送信された状態データ６０４は、単独であるかスイッチ３０２’の一部であるかにかかわらず、スイッチ３０２’に関連付けられたコントローラ３０７’によって受信される。状態データ６０４の受信に応答して、コントローラ３０７’は、第２の動作モードを採用する。いくつかの実施形態では、コントローラ３０７は、槽監視システム７０２を使用せずに、コントローラ３０７’と直接通信する。
[0091]図８の実施形態では、システム８００は、コントローラ３０７および３０７’によって表される複数のデバイス３００を備える。システム８００は、コントローラ３０７および３０７’の各々と双方向通信する槽コントローラ８０２をさらに備える。槽コントローラ８０２は、複数のコントローラを監視し、それらに適切な構成信号を提供する。例えば、コントローラ３０７は、関連するスイッチ（図示せず）を非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成している。次いで、コントローラ３０７は、状態データ６０４を槽コントローラ８０２に送信することによって、関連するスイッチの状態の変化を示す。次いで、槽コントローラ８０２は、コントローラ３０７’が第２の動作モードを採用するように、構成信号８１０を他のコントローラ３０７’に送信する。
[0092]実際には、槽コントローラ８０２は、非導電性の開状態を示す状態データがしきい値数のコントローラ３０７から受信されたときまたはハーベストイベント中にのみ、構成信号８１０を送信する。しきい値数は、電解槽１０１内の電極の数に依存する。
[0093]いくつかの実施形態では、槽コントローラ８０２は、コントローラ３０７および３０７’の各々から電流３０８を示すデータを受信および監視するように構成される。コントローラ８０２は、電流を示すデータを使用して通常の動作電流を確立し、それによって第１および第２のしきい値を決定する。
[0094]いくつかの実施形態では、槽コントローラ８０２は、ハーベストイベントを自動的に検出する。所定数のコントローラ３０７から受信されたデータ６０４が、関連するスイッチ内に感知できるほどの電流３０８がないことを示すときに、ハーベストイベントが検出され得る。例えば、ハーベストイベント中に、コントローラ３０７の１／３は、関連するスイッチを通る感知できるほどの電流３０８がないことを示すデータ６０４を提供する。他の実施形態では、ハーベストイベントを検出するために他の比が使用される。
[0095]図９の実施形態では、システム９００は、プラントコントローラ９０２と、複数の槽コントローラ８０２とを備える。各槽コントローラ８０２は、図８に示すように、複数のスイッチコントローラと通信する。プラントコントローラ９０２は、槽コントローラ８０２の各々から、電流情報、温度、電圧電位／分布および／または状態データを含む動作データ９０６を受信する。動作データ９０６は、プラントコントローラ９０２が各槽の動作を監視することを可能にすることが理解されるであろう。
[0096]いくつかの実施形態では、プラントコントローラ９０２は、しきい値および動作モードを制御または調整するために槽コントローラ８０２に槽構成データ９０４を提供するようにさらに構成される。
[0097]前述したように、しきい値は、通常の動作電流の固定倍数として確立される。プラントコントローラ９０２は、槽コントローラ８０２の各々から受信された動作データ９０６を利用して、通常の動作電流の値を確立する。通常の動作電流が確立されると、コントローラ９０２は、槽構成データ９０４において各槽コントローラ８０２にしきい値を送信する。システム９００は、１つの槽コントローラだけが動作データ９０６を提供するように例示されているが、実際には、すべての槽コントローラ８０２が動作データを提供するであろうことに留意されたい。同様に、構成データがすべての槽コントローラ８０２に提供されるであろう。
[0098]いくつかの実施形態では、プラントコントローラ９０２はまた、ハーベストイベントを示すハーベスト情報を槽コントローラ８０２に提供するように構成される。ハーベスト情報は、槽コントローラ８０２が適切な動作モードで動作することを可能にする。ハーベスト情報は、所定のスケジュールに基づいて、作業者によって手動でトリガされるか、またはコントローラ９０２から受信されたデータに基づいてコントローラ８０２によって自動的に検出され得る。所与の槽内の所定数のコントローラ３０７が、感知できるほどの電流３０８を測定していないことを動作データ９０６が示すときに、ハーベストイベントが自動的に検出される。例えば、ハーベストイベント中、コントローラ３０７の１／３は、感知できるほどの電流３０８が関連するスイッチを通って流れていないことを示す状態データを槽コントローラ８０２に提供する。他の実施形態では、ハーベストイベントを検出するために他の比が使用される。
[0099]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６または３０７は、スイッチ３０２を通る時間平均電流を制御することによって電流を「チョーク」するように構成される。第１の方法は、電流のパルス幅変調を伴い、ここでは、コントローラ３０６または３０７は、開放期間のための開状態と閉鎖期間のための閉状態との間でスイッチを切り替える信号を生成する。次いで、時間平均電流が、相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定される。
[0100]電流をチョークするためのさらなる方法は、スイッチの導電率を制御することを伴う。例えば、スイッチ３０２が、単独であるかスイッチ３０２’の一部であるかにかかわらず、１つまたは複数のＭＯＳＦＥＴデバイスを含む場合、コントローラ３０６または３０７は、導電率がＭＯＳＦＥＴのゲート電圧にほぼ線形に依存する線形領域でＭＯＳＦＥＴ（複数可）を動作させることができる。この領域では、スイッチ３０２の導電率は、ゲート電圧を増加させることによって増加させることができ、スイッチ３０２の導電率は、ゲート電圧を減少させることによって減少させることができる。スイッチ３０２の導電率を制御することによって、電流３０８も制御され得ることは理解されるであろう。
[0101]さらなる実施形態では、コントローラ３０６または３０７は、所定の時間に低電力状態を採用するように構成される。低電力状態では、コントローラ３０６または３０７は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視しない。したがって、コントローラ３０６または３０７は、本質的に、上述の通常動作が行われる電力供給状態と、電流監視が行われない低電力状態との間を循環する。この循環により、デバイス３００または３００’によって消費される電力が低減される。
[0102]一実施形態では、コントローラ３０６または３０７は、スイッチを非導電性の開状態から導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成される。リセット信号は、槽コントローラ８０２からの再構成信号８１０において受信された命令に応答して生成される。槽コントローラ８０２は、プラントコントローラ９０２から槽構成データ９０４において命令を受信することに応答して、作業者によって手動でトリガされた信号から、または前のトグル信号がスイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えてからの経過時間に基づいて、これらの命令を生成し得る。
[0103]さらなる実施形態が、図１０にデバイス１０００として概略的に示されている。デバイス１０００は、本明細書は上述のスイッチ３０２によって表される短絡軽減デバイス３００または３００’と、支持翼１１２を通してプレート１０６の電極１１６を支持するための上部接点１００２とを含む。下部接点１００４は、カソードバスバー１０２の電気接点３０４上に載置され、電気絶縁層１００６によって上部接点１００２から分離される。スイッチ３０２は、電流３０８が、電極１１６から、上部接点１００２を通り、デバイス３００または３００’のスイッチ３０２を通り、下部接点１００４を通って、カソードバスバー１０２に流れるように、導電性の閉状態にあるときに上部層１００２を下部層１００４に電気的に接続している。
[0104]デバイス１０００は、デバイス３００または３００’が支持翼１１２およびカソードバスバー１０２から水平方向に変位することを可能にする。水平方向の変位は、デバイス３００または３００’を既存の電解槽に後付けすることを容易にし、スイッチ３０２からの熱放散を促進し、電極１１６が槽１０１内に配置されるときのスイッチ３０２への潜在的な衝撃損傷を防止するというさらなる利点を有する。
[0105]いくつかの実施形態では、電気絶縁層１００６は間隙であり、他の実施形態では、層１００６は、ポリマー／耐火材料などの固体絶縁材料である。
[0106]図１１は、デバイス３００または３００’のコントローラ３０６または３０７によって実行される方法１１００を例示する。ステップ１１０２において、コントローラ３０６または３０７は、電流３０８を示す電流信号を受信する。次いで、ステップ１１０４において、電流３０８が所定のしきい値と比較される。電流３０８がしきい値を超える場合、コントローラ３０６または３０７は、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号３０９を生成するステップ１１０６を実行する。電流３０８がしきい値を超えない場合、コントローラ３０６または３０７は、ステップ１１０２から方法１１００を繰り返し、電流信号の受信を継続する。
[0107]図１２は、槽コントローラ８０２によって実行される方法１２００を例示する。槽コントローラ８０２は、ステップ１２０２でデータを受信する。このデータは、コントローラ３０７がその関連するスイッチを非導電性の開状態に切り替えたことを示すトグルデータ６０４であり得るか、または槽構成データ９０４であり得る。
[0108]次いで、ステップ１２０４において、受信されたデータを分析して、ハーベストイベントが発生していることをそれが示すかどうかを決定する。ハーベストイベントが発生している場合、構成信号８１０がコントローラ３０７に送信されるステップ１２０６が開始される。
[0109]データがハーベストイベントを示さない場合、ステップ１２０８でデータが分析されて、スイッチが切り替えられているかどうかを決定し、切り替えられている場合、しきい値数のスイッチが非導電性の開状態に切り替えられているかどうかを決定する。しきい値数のスイッチが非導電性の開状態に切り替えられている場合、構成信号８１０がコントローラ３０７に送信されるステップ１２０６が開始される。しきい値数が非導電性の開状態に切り替えられていない場合、槽コントローラ８０２は、ステップ１２０２に戻り、データの受信を継続する。
コントローラの自己較正
[0110]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６および３０７、槽コントローラ８０２、ならびにプラントコントローラ９０２は、通常の動作電流を決定することによって自己較正するように構成され得る。
[0110]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６および３０７、槽コントローラ８０２、ならびにプラントコントローラ９０２は、通常の動作電流を決定することによって自己較正するように構成され得る。
[0111]自己較正プロセスは、非ハーベスト期間から過去の電流データを記録および／またはそれにアクセスすることを含む。過去の電流データの統計的分散が所定のしきい値を下回る場合、通常の動作電流は、過去の電流データの統計的平均であると決定される。過去の電流データの統計的分散が所定のしきい値を上回る場合、コントローラは、この分散がしきい値を下回るまで電流データを記録し続ける。分散が較正期間内にしきい値より下に減少しなかった場合、それは不安定な動作を示す。この場合、不安定な電流源を調査するために、人間のオペレータにエラーを知らせる。
[0112]当業者であれば、本開示の広範な一般的範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して多数の変形および／または修正を行うことができることを理解されるであろう。したがって、本実施形態は、すべての点で例示的なものであり、限定的なものではないと見なされるべきである。
[0001]本出願は、２０１９年４月２４日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１９９０１３９５号からの優先権を主張し、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[0002]本開示は、短絡軽減のための方法およびデバイスに関し、特に、電解槽における短絡軽減のための方法およびデバイスに関する。
[0003]最先端の電解採取（ＥＷ）および電解精製（ＥＲ）プロセスは、最大９６％の電流効率で実行され得るが、依然として電流非効率性がいくらか残っている。電荷が代替反応によって消費されること、アノードとカソードとの間の短絡によりすべての反応を無視すること、および電解質の漏れおよび塩橋による迷走電流により、非効率性が生じることが知られている。圧倒的に多い原因が短絡である。短絡は、曲がった電極、電極の不適切な間隔、正しく整列されていない電極、および結節状／樹枝状の銅の成長に起因する。オーストラリアでの銅電解精製作業における最近の調査では、１日当たり２２００個の短絡が特定および修正されることが示された。他のＥＲおよびＥＷタンクハウスにおいても同様の数字がよく見られる。この問題は、特定および修正しないと生産性に著しい影響を及ぼす可能性があり、槽の電流非効率性の残りの４％のうちの最大３％を占める。
[0004]短絡を特定するために熱またはガウスメータを使用することは工場での通常の手段である。特定されると、短絡は除去される。これは、正しく整列されていないかまたは不適切な間隔の電極を再配置すること、ノジュールを物理的に除去すること、またはプレートが屈曲している場合にはプレートを除去して交換することによって達成される。全自動クレーンを採用している一部の最新のタンクハウスでは、作業者は、短絡を検出して修正する機会が非常に少なく、これが問題をさらに悪化させている。このプロセスは反応的かつ改善的であり、かなりの時間および資源を消費する。
[0005]短絡の特定を改善する試みは、Ｈａｔｃｈ社およびＯｕｔｏｔｅｃ社の両方によって行われている。どちらのシステムも、バスバーを通過する電流の変化を検出するためにホール効果の原理で動作する。読取り値は、問題の槽またはプレートをリアルタイムで作業者に警告するために、制御室に戻される。検出と修正との間の時間が短縮されて、全体的な電流効率を高めることができることが重要な利点である。しかしながら、システムは、依然として反応的であり、問題を修正するためには作業者の介入に依存している。また、引き続き、短絡を修正するためには作業者が槽の上部にいる必要があるため、ハーベストプロセスを完全に自動化する機会も減少する。
[0006]本開示に対する背景についての議論は、本開示の理解を容易にすることを意図するものである。しかしながら、この議論は、参照された資料のいずれかが、本出願の優先日の時点で公開されたか、公知であったか、または共通の一般知識の一部であったことを認識するものでも認めるものでもないことは理解されるべきである。
[0007]第１の態様によれば、電気接点および電極を有する電解槽において使用するための短絡軽減デバイスであって、以下を備えるデバイスが提供される：
減衰負荷と並列に接続され、接点と電極との間に配置されたスイッチ、ここで、スイッチは、接点と電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、
スイッチの周りに電気経路を提供するためにＭＯＳＦＥＴと並列に接続された導電性のフェイルセーフ経路、および
スイッチを通る電流を監視するように、および、電流が第１のしきい値を超えるとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ。
減衰負荷と並列に接続され、接点と電極との間に配置されたスイッチ、ここで、スイッチは、接点と電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、
スイッチの周りに電気経路を提供するためにＭＯＳＦＥＴと並列に接続された導電性のフェイルセーフ経路、および
スイッチを通る電流を監視するように、および、電流が第１のしきい値を超えるとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ。
[0008]この態様の利点は、電気伝導経路を提供するために、接点と電極との間にスイッチを直列に配置することができることである。これにより、スイッチは、電極への電流を直接制御することができて、個々の電極への自動電流制御が可能になり、問題となる短絡の発生を軽減することができる。並列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴでは、単一ＭＯＳＦＥＴデバイスよりも電流容量を増加させることができるだけでなく、電気抵抗を減少させることができる。
[0009]フェイルセーフ経路は、閉導電状態にある複数のＭＯＳＦＥＴの電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体を含み得る。
[0010]スイッチコントローラは、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下を測定することによって、スイッチを通る電流を監視し得る。
[0011]この構成では電力を消費するシャント抵抗器が必要なくなるため、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下を測定することによってスイッチを通る電流を監視することは有利である。
[0012]スイッチコントローラは、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下をＭＯＳＦＥＴの所定のモデルと比較することによって、スイッチを通る電流を監視し得、モデルは、ＭＯＳＦＥＴの電気抵抗をＭＯＳＦＥＴの温度に関連付ける。
[0013]コントローラは、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作するようにさらに構成され得、第１の動作モードは第１のしきい値を有し、第２の動作モードは第２のしきい値を有する。
[0014]この実施形態の利点は、スイッチが異なるモードで動作することができることであり、これにより、スイッチはその動作を適合させることができる。これは、電解槽を横切る電流分布が電解槽の動作段階に応じて変化するため、有益である。
[0015]コントローラは、スイッチを通る電流が所定の期間にわたって第１または第２のしきい値を超えるとき、トグル信号を生成するように構成され得る。
[0016]コントローラは、電流を示すデータを送信するように構成され得る。
[0017]コントローラは、スイッチの状態を示す状態データを送信するように構成され得る。
[0018]コントローラは、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成され得る。
[0019]構成信号は、第２のデバイスの第２のコントローラから受信された状態データであり得る。
[0020]構成信号は、槽コントローラから受信され得る。
[0021]槽コントローラは、複数のコントローラと双方向通信し得、複数のコントローラの各々からそれぞれ受信された状態データに応答して構成信号を生成する。
[0022]コントローラは、低電力状態においてコントローラがスイッチを通る電流を監視しないように、所定の時間に低電力状態を採用するように構成され得る。
[0023]コントローラは、スイッチを非導電性の開状態から導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成され得る。
[0024]コントローラは、スイッチを通る時間平均電流を制御するように構成され得る。
[0025]コントローラは、時間平均電流が相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定されるように、開放期間のための非導電性の開状態と閉鎖期間のための導電性の閉状態との間でスイッチを切り替えるためのさらなる信号を周期的に生成することによって、スイッチを通る時間平均電流を制御するように構成され得る。
[0026]スイッチは、１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを備え得る。
[0027]１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスは、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、トライアック、サイリスタ、ダーリントンペア、およびソリッドステートリレーから選択され得る。
[0028]デバイスは、以下を備え得る：
電極を支持するための上部接点、および
電気接点上に載置され、電気絶縁層によって上部接点から分離された下部接点、
ここにおいて、スイッチの第１の端部は、上部接点と電気的に接触し、スイッチの第２の端部は、下部接点と電気的に接触し、スイッチは、上部接点および下部接点から変位している。
電極を支持するための上部接点、および
電気接点上に載置され、電気絶縁層によって上部接点から分離された下部接点、
ここにおいて、スイッチの第１の端部は、上部接点と電気的に接触し、スイッチの第２の端部は、下部接点と電気的に接触し、スイッチは、上部接点および下部接点から変位している。
[0029]電解槽は、電解採取槽または電解精製槽または電着槽であり得る。
[0030]第１のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第１の倍数であり得る。
[0031]第１の倍数は１．５～３であり得る。
[0032]第２のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第２の倍数であり得る。
[0033]第２の倍数は２～３．５であり得る。
[0034]第２の態様によれば、上で説明したような２つ以上のデバイスを備えるシステムが提供される。
[0035]第３の態様によれば、スイッチの周りに電気経路を提供するための導電性のフェイルセーフ経路と並列に接続されたスイッチを有する短絡軽減デバイスによって実行される方法であって、スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備え、電解槽において電気接点と電極との間に配置されている、方法が提供され、方法は、以下を含む：
スイッチを通る電流を示す電流信号を受信すること、および
電流が第１または第２のしきい値を超えることを電流信号が示すとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成すること。
スイッチを通る電流を示す電流信号を受信すること、および
電流が第１または第２のしきい値を超えることを電流信号が示すとき、スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成すること。
[0036]「発明の概要」に記載されるプロセスの範囲内に含まれ得る任意の他の形態にもかかわらず、ここから、特定の実施形態は、以下の添付の図を参照して説明される。
[0051]本開示は、電解槽における短絡を軽減するためのデバイス、方法、およびシステムに関する。特に、本開示は、電解槽における短絡を検出し、電極を自動的に電気的に絶縁するか、または電極への電流を制御するためのデバイスに関する。
[0052]文脈によって明示的に述べられるかまたは必要とされない限り、電気接点、接点、バスバー、およびバスという用語は、交換して使用され、同等の範囲を有することが意図される。
電解槽で使用するための短絡軽減デバイス
[0053]図１は、電解精製、電解採取、または電着で使用するための典型的な電解槽１００を例示する。槽１００は、カソードバスバー１０２と、アノードバスバー１０４と、導電性カソードプレート１０６と、導電性アノードプレート１０８とを備える。プレート１０６および１０８は、バスバー１０２および１０４がそれぞれプレート１０６および１０８の電気接点として機能するように、それぞれカソードバスバー１０２およびアノードバスバー１０４に電気的に接触している。槽１００は、電解液１１０をさらに備える。
[0053]図１は、電解精製、電解採取、または電着で使用するための典型的な電解槽１００を例示する。槽１００は、カソードバスバー１０２と、アノードバスバー１０４と、導電性カソードプレート１０６と、導電性アノードプレート１０８とを備える。プレート１０６および１０８は、バスバー１０２および１０４がそれぞれプレート１０６および１０８の電気接点として機能するように、それぞれカソードバスバー１０２およびアノードバスバー１０４に電気的に接触している。槽１００は、電解液１１０をさらに備える。
[0054]カソードプレート１０６は、プレート１０６の下部１１６が溶液１１０に浸漬されるように、支持翼１１２および１１４によってカソードバスバー１０２およびアノードバスバー１０４から吊り下げられている。プレート１０６は、カソードバスバー１０２だけに電気的に接続されており、支持翼１１４とアノードバスバー１０４との間の絶縁インサート（図示せず）によってアノードバスバー１０４からは電気的に絶縁されている。したがって、プレート１０６および具体的には部分１１６は、槽１００におけるカソード電極として機能する。
[0055]同様に、アノードプレート１０８は、プレート１０８の下部１２２が溶液１１０に浸漬されるように、支持翼１１８および１２０によってバスバー１０２および１０４から吊り下げられている。プレート１０８は、アノードバスバー１０４だけに電気的に接続されており、支持翼１１８とカソードバスバー１０２との間の絶縁インサート（図示せず）によってカソードバスバー１０２からは電気的に絶縁されている。したがって、プレート１０８および具体的には部分１２２は、槽１００におけるアノード電極として機能する。
[0056]図２は、電解槽１０１の上面図を例示する。槽１０１は、槽１００と設計が類似しているが、アノード１０８と互いに入り込んだ複数のカソード１０６を含む。上面図は、カソード１０６とカソードバスバー１０２との間の電気接点と、間隙２０２によるアノードバスバー１０４との電気接点の欠如とを示す。実際には、間隙２０２は、カソードプレート１０６およびアノードバスバー１０４の両方に接続する固体絶縁材料から構成され得る。同様に、アノード電極１０８は、アノードバスバー１０４と電気的に接触しており、実際には。アノードプレート１０８およびカソードバスバー１０２の両方に接続する固体絶縁材料から構成され得る間隙２０４によってカソードバスバー１０２から絶縁されている。
[0057]動作中、槽１００および１０１は、電解液１１０を介してカソード電極１０６と隣接するアノード電極１０８との間で電荷を伝導する。短絡は、電極１０６および／または１０８の屈曲、電極１０６および／または１０８の整列不良、ならびに／あるいはカソード電極（複数可）１０６上に堆積された金属の樹枝状の成長の結果として頻繁に生じる。
[0058]前述したように、短絡を検出するための既存の方法は、熱撮像デバイスまたはガウスメータを含む。短絡の間、異常に大きな電流が、短絡に関与している電極を通って流れ、これらの電極の温度を上昇させる。熱撮像デバイスは、温度が上昇した電極を特定するのを助けることによって短絡を検出し、ガウスメータ／ホール効果センサは、関連する磁場の増加を介して、電流の増加を検出する。
[0059]短絡が検出されると、作業者は、短絡の原因を調査するために、関与している電極を手動で除去しなければならない場合がある。作業者は、樹枝状金属堆積物を除去するかまたは電極を再配置することによって短絡を軽減することができる。これに失敗すると、関連する電極（複数可）を取り外して交換しなければならなくなる。電解槽の上部に作業者が存在することにより、カソード電極をハーベストするための自動デバイスの使用が制限される。さらに、作業者の活動がプレートを乱し、新たな短絡を形成してしまう可能性がある。
[0060]図３は、槽１００または１０１などの電解槽で使用するための短絡軽減デバイス３００の概略図である。デバイス３００は、槽間バスバー１０２の電気接点３０４と、支持翼１１２を有するカソードプレート１０６のカソード電極１１６との間に配置されたインラインスイッチ３０２を備える。デバイス３００は、スイッチ３０２に動作可能に関連付けられたスイッチコントローラ３０６をさらに備える。コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視し、電流３０８が第１のしきい値を超えるとき、トグル信号３０９を生成する。トグル信号３０９は、矢印３１０で示すように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から図示の非導電性の開状態に切り替える。
[0061]第１のしきい値は、電解槽１００または１０１における短絡に近い状態を示す電流の大きさであり、用途特有である。いくつかの実施形態では、第１のしきい値は、通常の動作電流の所定の第１の倍数である。例えば、通常の動作電流の２倍の第１のしきい値が使用され得る。この場合、スイッチ３０２を流れる電流が、通常の動作状態の値の２倍に達するかまたはそれを超える場合、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替える。非導電性の開状態では、感知できるほどの電流はスイッチ３０２を通って流れておらず、その結果、電極１１６は、カソードバスバー１０２の電気接点３０４から電気的に分離されるか、絶縁されるか、または切断される。例えば、通常の動作電流が６２０アンペアである場合、第１のしきい値電流は、約１２４０アンペアとなる。したがって、電流３０８が１２４０アンペアに達するかまたはそれを超えると、コントローラ３０６は、矢印３１０によって示されるように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替える。スイッチ３０２のいくつかの実施形態では、非導電性の開状態にあるとき、わずかな残留電流がスイッチ３０２を通って流れ得ることが理解されるであろう。
[0062]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、スイッチ３０２の両端の電圧降下を測定することによって、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視する。電圧降下は、電流３０８の正確な指示を導出するために、スイッチ３０２の既知の電気特性を使用してコントローラ３０６によって電流値に変換され得る。電気的特性は、温度の関数としてスイッチ３０２の電気抵抗を含む。例えば、いくつかの実施形態では、スイッチ３０２は、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む（以下で詳細に説明する）。この場合、コントローラ３０６は、ＭＯＳＦＥＴの両端の電圧降下を測定し、それを使用して、ＭＯＳＦＥＴの既知の電気的特性を使用することによって、ＭＯＳＦＥＴを通る電流を決定することができる。決定プロセスは、電流を決定する前に、ＭＯＳＦＥＴの電気的特性に温度補正を適用することを含み得る。
[0063]スイッチ３０２の両端の電圧降下を使用して、スイッチ３０２を通る電流を決定することで、シャント抵抗器は必要とされない。したがって、シャント抵抗器で電力が消費されないため、スイッチ３０２の電力効率が高まる。
[0064]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８の変化率が第１のしきい値を超えると、トグル信号３０９を生成する。電流の変化率を利用することによって、コントローラ３０６は、「ソフトショート」とも呼ばれる、短絡が生じる状態が存在するかどうかを決定することができる。これらの状態が存在する場合、トグル信号３０９の生成により、スイッチ３０２が非導電性の開状態に切り替わり、電流３０８が効果的に停止される。この動作は、短絡を未然に防ぎ、短絡が形成されるのを防止する。
[0065]デバイス３００は、短絡の発生および／または存在を検出し、デバイス３００を通る電流を制御することによってこれらの短絡の影響を軽減するものと考えられ得る。
例示的なスイッチ
[0066]スイッチ３０２は、任意の好適なスイッチングデバイスを備え得る。例えば、スイッチ３０２は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、トライアック、サイリスタ、ダーリントンペア、およびソリッドステートリレーから選択される１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを含み得る。スイッチ３０２の実施形態は、図４を参照して以下でより詳細に説明される。
[0066]スイッチ３０２は、任意の好適なスイッチングデバイスを備え得る。例えば、スイッチ３０２は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、トライアック、サイリスタ、ダーリントンペア、およびソリッドステートリレーから選択される１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを含み得る。スイッチ３０２の実施形態は、図４を参照して以下でより詳細に説明される。
[0067]前述したように、スイッチ３０２は、１つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを備え得る。図４は、スイッチ３０２が、並列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴデバイス４０２を備える、１つのそのような例示的な実施形態を示す。スイッチ３０２は、ドレイン４０４側とソース４０６側とを有する。実際には、ドレイン側４０４は、電極１１６に接続しており、ソース側４０６は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのカソードバスバー１０２の電気接点３０４に接続している。
[0068]複数のＭＯＳＦＥＴ４０２を並列に接続することによって、スイッチ３０２の電流容量を、単一のＭＯＳＦＥＴの容量よりも大幅に増加させることができる。さらに、サイリスタまたは単一のＭＯＳＦＥＴ（より高い電流容量を有する）などの単一のソリッドステートスイッチングデバイスと比較して、スイッチ３０２の電気抵抗を大幅に低減することができる。例えば、５００アンペアの電流容量を有する単一のＭＯＳＦＥＴは、典型的に、１～２０ミリオームの抵抗を有する。比較すると、各ＭＯＳＦＥＴが４０アンペアの電流容量を有する、並列に接続された１５個のＭＯＳＦＥＴは、１３マイクロオームの抵抗で５００アンペアを伝導することができる。したがって、ＭＯＳＦＥＴを並列に接続することによって、抵抗を約２～３桁低減することができる。
[0069]図５Ａに示されるようないくつかの実施形態では、電気的減衰負荷５０２が、スイッチ３０２と並列に追加される。減衰負荷５０２は、電流が流れることができる代替回路を提供することによって、スイッチ３０２が非導電性の開状態に切り替えられるときに生じ得るあらゆる電圧スパイクを減衰させるために追加される。実際には、減衰負荷５０２は、槽１０１内の他方の電極内に具現化され得る。この場合、減衰負荷５０２は、槽１０１のどの特定のスイッチ３０２にも局所化されない。
[0070]図５Ｂは、スイッチ３０２と並列に導電するフェイルセーフ経路５０３を有するスイッチ３０２を備えるスイッチ３０２’を例示する。フェイルセーフ経路５０３は、電力損失によりスイッチ３０２が非導電性の開状態に移動した場合に、スイッチ３０２の周りに電気経路を提供する。
[0071]例えば、スイッチ３０２’の特定の実施形態が図５Ｃに示されており、ここでは、スイッチ３０２は、複数の並列のＭＯＳＦＥＴ４０２を含む。槽１０１で使用する際、槽１０１の各カソード１０６は、図３における単一のカソードに関して示されるように、スイッチ３０２’によって槽間バスバー１０２に接続される。槽１０１への電力は利用可能であるが、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート電極への電力が失われている状況では、各スイッチ３０２は、非導電になる。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート電極に電力が供給されなくても、スイッチ３０２’は、依然として、フェイルセーフ経路５０３を通して電流を導電させる。フェイルセーフ経路５０３を通る継続的な導通は、槽１０１内で過剰な電圧スパイクが発生することを防止し、それによって、火災、爆発、機器の損傷、または近くの人々の感電死のリスクを低減する。この実施形態のさらなる利点は、スイッチ３０２’への電力が失われたとしても、槽１０１の生産性を維持することができることである。
[0072]フェイルセーフ経路５０３は、スイッチ３０２よりも高い抵抗経路である。そのため、スイッチ３０２が導電性の閉状態にある通常状態下では、スイッチ３０２’を通って流れる電流の大部分はスイッチ３０２を通って流れ、比較的少ない電流がフェイルセーフ経路５０３を通って流れる。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート電極への電力が失われた場合には、スイッチ３０２が非導電状態となり、スイッチ３０２’を通るすべての電流がフェイルセーフ経路５０３を流れる。フェイルセーフ経路５０３が減衰負荷５０２としても機能し得ることは理解されるであろう。
[0073]フェイルセーフ経路５０３は、その閉導電状態におけるスイッチ３０２の電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体であり得るため、それが閉導電状態にあるときに、電流の大部分がスイッチ３０２を通って流れることを確実にする。さらに、フェイルセーフ経路５０３の電気抵抗は、少なくとも、スイッチ３０２がその開非導電状態にある所定の期間の間、熱暴走を防止するのに十分な低さでなければならない。例えば、所定の期間は、槽１０１への電力をシャットダウンするのに十分な長さであり得る。
[0074]別の実施形態では、フェイルセーフ経路５０３は、適切に配向されたダイオードまたは整流器であり得る。この実施形態では、スイッチ３０２’の両端の電圧降下は、スイッチ３０２が閉導電状態にあるとき、ダイオード／整流器の順方向電圧を下回る。したがって、電流はフェイルセーフ経路５０３を通って流れない。しかしながら、スイッチ３０２が、ゲート電極への電力の損失のためにその非導電性の開状態にあるとき、スイッチ３０２’の両端の電圧降下、したがってフェイルセーフ経路５０３の両端の電圧降下は、フェイルセーフ経路５０３のダイオード／整流器の順方向電圧を超えることとなる。したがって、スイッチ３０２’を通って流れるすべての電流は、フェイルセーフ経路５０３を通って流れ、それによって、槽１０１の継続的な動作を可能にする。
[0075]個々のＭＯＳＦＥＴデバイス間のスイッチング時間のばらつきに起因して、ＭＯＳＦＥＴは並列に接続されるべきではないことが典型的に教示される。閉導電状態から開非導電状態に切り替えるのにより長い時間がかかるデバイスは、過剰な電流および電圧がそれらを通って迂回されるため、オーバーヒートする（burn out）。しかしながら、本願では、減衰負荷５０２および／またはフェイルセーフ経路５０３は、これが生じるのを防止する。
[0076]前と同様に、短絡の発生および／または存在時、トグル信号３０９がスイッチ３０２’に送られる。トグル信号３０９により、スイッチ３０２’のスイッチ３０２が非導電性の開状態に切り替わる。次いで、以下に説明するように短絡の影響を軽減することができる。
[0077]いくつかの実施形態では、スイッチ３０２は、カソードバスバー１０２および／またはアノードバスバー１０４内に一体的に形成される。
マルチモード動作
[0078]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、第２の動作モードは、第２のしきい値を有する。第２の動作モードで動作するとき、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視し、電流３０８が第２のしきい値を超えるとき、トグル信号３０９を生成する。トグル信号３０９は、矢印３１０で示すように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から図示の非導電性の開状態に切り替える。
[0078]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、第２の動作モードは、第２のしきい値を有する。第２の動作モードで動作するとき、コントローラ３０６は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視し、電流３０８が第２のしきい値を超えるとき、トグル信号３０９を生成する。トグル信号３０９は、矢印３１０で示すように、スイッチ３０２を導電性の閉状態から図示の非導電性の開状態に切り替える。
[0079]特定の実施形態では、コントローラ３０６は、電流３０８が所定の時間にわたって第１または第２のしきい値を超えるとき、トグル信号を生成するように構成される。所定の時間は、短絡の誤ったインジケータとなり得る過渡電流の期間よりも長く設定される。正確な値は用途特有であるが、典型的には１００ミリ秒であることが理解されるであろう。
[0080]コントローラ３０６が第１のモードで動作するか第２のモードで動作するかは、以下でより詳細に説明するように、いくつかの要因に依存する。
[0081]電極上に堆積した金属をハーベストするためには、電極を電解槽から除去する必要がある。典型的には、この目的のためにカソード電極の３分の１が一度に除去される。これらの電極がハーベスト目的で除去されると、短絡が存在しない場合であっても、残りの電極への電流が増加する。第２のしきい値は、このハーベスト時間の間の電解槽１００または１０１における短絡を示す電流の大きさである。第２のしきい値電流の正確な値は、用途特有であり、ハーベストするために一度に除去される電極の数にも依存する。いくつかの実施形態では、第２のしきい値は、通常の動作電流の所定の第２の倍数である。電極の３分の１がハーベストのために除去される典型的な場合では、所定の第２の倍数は、通常の動作電流の２．５倍である。例えば、通常の動作電流が６２０アンペアである場合、第２のしきい値電流は、約１５５０アンペアとなる。
[0082]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、自己較正し、適切な通常の動作電流を決定し、それによって第１および／または第２のしきい値を決定するように構成される。自己較正プロセスについては後述する。
[0083]同様に、電極が上述のように短絡により絶縁または切断されると、他の短絡が存在しない場合であっても、残りの電極への電流が増加する。
[0084]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成される。例えば、受信された構成信号は、作業者によって手動でおよび／または動作タイマに基づいて自動的に開始され得る。この実施形態では、コントローラ３０６は、予定された通常の動作中は第１のモードで動作し、予定されたハーベスト中は第２のモードで動作する。
[0085]図６に例示される実施形態では、デバイス３００’のコントローラ３０７は、コントローラ３０６と同様であるが、送信ポート６０２を含み、データ６０４を送信するように構成される。データ６０４は、電流３０８の大きさを示すデータ、温度、および／またはスイッチ３０２の状態を示す状態データを含む。状態データは、スイッチ３０２が現在導電性の閉状態であるか非導電性の開状態であるかを示す。
[0086]データポート６０２はハードワイヤード接続として例示されているが、本開示は、これによって限定されることを意図していない。実際には、データポート６０２は、ワイヤレス送信機、ＬＥＤなどの１つまたは複数の光学インジケータ、またはデータ６０４を伝達する任意の他の好適な手段であり得る。
[0087]例えば、スイッチ３０２は、単独であるかスイッチ３０２’の一部であるかにかかわらず、非導電性の開状態に切り替えられる状況では、状態変化を示す信号が中央制御ステーションに送信され得る。この信号に応答して、短絡の影響を軽減するために作業者が派遣され得る。
[0088]いくつかの実施形態では、データ６０４は、電気接点３０４ならびに／または支持翼１１２および／もしくは１１４上の汚染および／またはスケール沈積の結果として生じる低電流状態または無電流状態を特定するために使用される。例えば、低電流状態を検出すると、ＬＥＤが通電されて、スケールが、関連する電気接点および／または支持翼上に沈積したことを示すことができる。ＬＥＤ信号に応答して、スケールを軽減するために作業者が派遣され得る。典型的には、低電流状態は、通常の動作電流の７０％以下であると考えられる。
[0089]図７に示されるようないくつかの実施形態では、構成信号は、第２のコントローラから受信される状態データである。状態データは、槽監視システム７０２を介して送られる。この例では、スイッチ３０２または３０２’を通る電流がしきい値を超えていたため、コントローラ３０７は、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成している。スイッチ３０２の開状態を示す、コントローラ３０７から送信された状態データ６０４は、単独であるかスイッチ３０２’の一部であるかにかかわらず、スイッチ３０２’に関連付けられたコントローラ３０７’によって受信される。状態データ６０４の受信に応答して、コントローラ３０７’は、第２の動作モードを採用する。いくつかの実施形態では、コントローラ３０７は、槽監視システム７０２を使用せずに、コントローラ３０７’と直接通信する。
[0090]図８の実施形態では、システム８００は、コントローラ３０７および３０７’によって表される複数のデバイス３００を備える。システム８００は、コントローラ３０７および３０７’の各々と双方向通信する槽コントローラ８０２をさらに備える。槽コントローラ８０２は、複数のコントローラを監視し、それらに適切な構成信号を提供する。例えば、コントローラ３０７は、関連するスイッチ（図示せず）を非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成している。次いで、コントローラ３０７は、状態データ６０４を槽コントローラ８０２に送信することによって、関連するスイッチの状態の変化を示す。次いで、槽コントローラ８０２は、コントローラ３０７’が第２の動作モードを採用するように、構成信号８１０を他のコントローラ３０７’に送信する。
[0091]実際には、槽コントローラ８０２は、非導電性の開状態を示す状態データがしきい値数のコントローラ３０７から受信されたときまたはハーベストイベント中にのみ、構成信号８１０を送信する。しきい値数は、電解槽１０１内の電極の数に依存する。
[0092]いくつかの実施形態では、槽コントローラ８０２は、コントローラ３０７および３０７’の各々から電流３０８を示すデータを受信および監視するように構成される。コントローラ８０２は、電流を示すデータを使用して通常の動作電流を確立し、それによって第１および第２のしきい値を決定する。
[0093]いくつかの実施形態では、槽コントローラ８０２は、ハーベストイベントを自動的に検出する。所定数のコントローラ３０７から受信されたデータ６０４が、関連するスイッチ内に感知できるほどの電流３０８がないことを示すときに、ハーベストイベントが検出され得る。例えば、ハーベストイベント中に、コントローラ３０７の１／３は、関連するスイッチを通る感知できるほどの電流３０８がないことを示すデータ６０４を提供する。他の実施形態では、ハーベストイベントを検出するために他の比が使用される。
[0094]図９の実施形態では、システム９００は、プラントコントローラ９０２と、複数の槽コントローラ８０２とを備える。各槽コントローラ８０２は、図８に示すように、複数のスイッチコントローラと通信する。プラントコントローラ９０２は、槽コントローラ８０２の各々から、電流情報、温度、電圧電位／分布および／または状態データを含む動作データ９０６を受信する。動作データ９０６は、プラントコントローラ９０２が各槽の動作を監視することを可能にすることが理解されるであろう。
[0095]いくつかの実施形態では、プラントコントローラ９０２は、しきい値および動作モードを制御または調整するために槽コントローラ８０２に槽構成データ９０４を提供するようにさらに構成される。
[0096]前述したように、しきい値は、通常の動作電流の固定倍数として確立される。プラントコントローラ９０２は、槽コントローラ８０２の各々から受信された動作データ９０６を利用して、通常の動作電流の値を確立する。通常の動作電流が確立されると、コントローラ９０２は、槽構成データ９０４において各槽コントローラ８０２にしきい値を送信する。システム９００は、１つの槽コントローラだけが動作データ９０６を提供するように例示されているが、実際には、すべての槽コントローラ８０２が動作データを提供するであろうことに留意されたい。同様に、構成データがすべての槽コントローラ８０２に提供されるであろう。
[0097]いくつかの実施形態では、プラントコントローラ９０２はまた、ハーベストイベントを示すハーベスト情報を槽コントローラ８０２に提供するように構成される。ハーベスト情報は、槽コントローラ８０２が適切な動作モードで動作することを可能にする。ハーベスト情報は、所定のスケジュールに基づいて、作業者によって手動でトリガされるか、またはコントローラ９０２から受信されたデータに基づいてコントローラ８０２によって自動的に検出され得る。所与の槽内の所定数のコントローラ３０７が、感知できるほどの電流３０８を測定していないことを動作データ９０６が示すときに、ハーベストイベントが自動的に検出される。例えば、ハーベストイベント中、コントローラ３０７の１／３は、感知できるほどの電流３０８が関連するスイッチを通って流れていないことを示す状態データを槽コントローラ８０２に提供する。他の実施形態では、ハーベストイベントを検出するために他の比が使用される。
[0098]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６または３０７は、スイッチ３０２を通る時間平均電流を制御することによって電流を「チョーク」するように構成される。第１の方法は、電流のパルス幅変調を伴い、ここでは、コントローラ３０６または３０７は、開放期間のための開状態と閉鎖期間のための閉状態との間でスイッチを切り替える信号を生成する。次いで、時間平均電流が、相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定される。
[0099]電流をチョークするためのさらなる方法は、スイッチの導電率を制御することを伴う。例えば、スイッチ３０２が、単独であるかスイッチ３０２’の一部であるかにかかわらず、１つまたは複数のＭＯＳＦＥＴデバイスを含む場合、コントローラ３０６または３０７は、導電率がＭＯＳＦＥＴのゲート電圧にほぼ線形に依存する線形領域でＭＯＳＦＥＴ（複数可）を動作させることができる。この領域では、スイッチ３０２の導電率は、ゲート電圧を増加させることによって増加させることができ、スイッチ３０２の導電率は、ゲート電圧を減少させることによって減少させることができる。スイッチ３０２の導電率を制御することによって、電流３０８も制御され得ることは理解されるであろう。
[0100]さらなる実施形態では、コントローラ３０６または３０７は、所定の時間に低電力状態を採用するように構成される。低電力状態では、コントローラ３０６または３０７は、スイッチ３０２を通る電流３０８を監視しない。したがって、コントローラ３０６または３０７は、本質的に、上述の通常動作が行われる電力供給状態と、電流監視が行われない低電力状態との間を循環する。この循環により、デバイス３００または３００’によって消費される電力が低減される。
[0101]一実施形態では、コントローラ３０６または３０７は、スイッチを非導電性の開状態から導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成される。リセット信号は、槽コントローラ８０２からの再構成信号８１０において受信された命令に応答して生成される。槽コントローラ８０２は、プラントコントローラ９０２から槽構成データ９０４において命令を受信することに応答して、作業者によって手動でトリガされた信号から、または前のトグル信号がスイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えてからの経過時間に基づいて、これらの命令を生成し得る。
[0102]さらなる実施形態が、図１０にデバイス１０００として概略的に示されている。デバイス１０００は、本明細書は上述のスイッチ３０２によって表される短絡軽減デバイス３００または３００’と、支持翼１１２を通してプレート１０６の電極１１６を支持するための上部接点１００２とを含む。下部接点１００４は、カソードバスバー１０２の電気接点３０４上に載置され、電気絶縁層１００６によって上部接点１００２から分離される。スイッチ３０２は、電流３０８が、電極１１６から、上部接点１００２を通り、デバイス３００または３００’のスイッチ３０２を通り、下部接点１００４を通って、カソードバスバー１０２に流れるように、導電性の閉状態にあるときに上部層１００２を下部層１００４に電気的に接続している。
[0103]デバイス１０００は、デバイス３００または３００’が支持翼１１２およびカソードバスバー１０２から水平方向に変位することを可能にする。水平方向の変位は、デバイス３００または３００’を既存の電解槽に後付けすることを容易にし、スイッチ３０２からの熱放散を促進し、電極１１６が槽１０１内に配置されるときのスイッチ３０２への潜在的な衝撃損傷を防止するというさらなる利点を有する。
[0104]いくつかの実施形態では、電気絶縁層１００６は間隙であり、他の実施形態では、層１００６は、ポリマー／耐火材料などの固体絶縁材料である。
[0105]図１１は、デバイス３００または３００’のコントローラ３０６または３０７によって実行される方法１１００を例示する。ステップ１１０２において、コントローラ３０６または３０７は、電流３０８を示す電流信号を受信する。次いで、ステップ１１０４において、電流３０８が所定のしきい値と比較される。電流３０８がしきい値を超える場合、コントローラ３０６または３０７は、スイッチ３０２を導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号３０９を生成するステップ１１０６を実行する。電流３０８がしきい値を超えない場合、コントローラ３０６または３０７は、ステップ１１０２から方法１１００を繰り返し、電流信号の受信を継続する。
[0106]図１２は、槽コントローラ８０２によって実行される方法１２００を例示する。槽コントローラ８０２は、ステップ１２０２でデータを受信する。このデータは、コントローラ３０７がその関連するスイッチを非導電性の開状態に切り替えたことを示すトグルデータ６０４であり得るか、または槽構成データ９０４であり得る。
[0107]次いで、ステップ１２０４において、受信されたデータを分析して、ハーベストイベントが発生していることをそれが示すかどうかを決定する。ハーベストイベントが発生している場合、構成信号８１０がコントローラ３０７に送信されるステップ１２０６が開始される。
[0108]データがハーベストイベントを示さない場合、ステップ１２０８でデータが分析されて、スイッチが切り替えられているかどうかを決定し、切り替えられている場合、しきい値数のスイッチが非導電性の開状態に切り替えられているかどうかを決定する。しきい値数のスイッチが非導電性の開状態に切り替えられている場合、構成信号８１０がコントローラ３０７に送信されるステップ１２０６が開始される。しきい値数が非導電性の開状態に切り替えられていない場合、槽コントローラ８０２は、ステップ１２０２に戻り、データの受信を継続する。
コントローラの自己較正
[0109]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６および３０７、槽コントローラ８０２、ならびにプラントコントローラ９０２は、通常の動作電流を決定することによって自己較正するように構成され得る。
[0109]いくつかの実施形態では、コントローラ３０６および３０７、槽コントローラ８０２、ならびにプラントコントローラ９０２は、通常の動作電流を決定することによって自己較正するように構成され得る。
[0110]自己較正プロセスは、非ハーベスト期間から過去の電流データを記録および／またはそれにアクセスすることを含む。過去の電流データの統計的分散が所定のしきい値を下回る場合、通常の動作電流は、過去の電流データの統計的平均であると決定される。過去の電流データの統計的分散が所定のしきい値を上回る場合、コントローラは、この分散がしきい値を下回るまで電流データを記録し続ける。分散が較正期間内にしきい値より下に減少しなかった場合、それは不安定な動作を示す。この場合、不安定な電流源を調査するために、人間のオペレータにエラーを知らせる。
[0111]当業者であれば、本開示の広範な一般的範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して多数の変形および／または修正を行うことができることを理解されるであろう。したがって、本実施形態は、すべての点で例示的なものであり、限定的なものではないと見なされるべきである。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［書類名］特許請求の範囲
［Ｃ１］
電気接点および電極を有する電解槽において使用するための短絡軽減デバイスであって、
減衰負荷と並列に接続され、前記接点と前記電極との間に配置されたスイッチと、ここで、前記スイッチは、前記接点と前記電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、前記スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、
前記スイッチを通る電流を監視するように、および、前記電流が第１のしきい値を超えるとき、前記スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、前記スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラと
を備えるデバイス。
［Ｃ２］
前記ＭＯＳＦＥＴと並列に接続されたフェイルセーフ経路をさらに備える、Ｃ１に記載のデバイス。
［Ｃ３］
前記フェイルセーフ経路は、閉導電状態にある前記複数のＭＯＳＦＥＴの電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体を含む、Ｃ２に記載のデバイス。
［Ｃ４］
前記コントローラは、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、前記第１の動作モードは第１のしきい値を有し、前記第２の動作モードは第２のしきい値を有する、Ｃ１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ５］
前記コントローラは、前記スイッチを通る前記電流が所定の期間にわたって前記第１または第２のしきい値を超えるとき、前記トグル信号を生成するように構成される、Ｃ１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ６］
前記コントローラは、前記電流を示すデータを送信するように構成される、Ｃ１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ７］
前記コントローラは、前記スイッチの状態を示す状態データを送信するように構成される、Ｃ１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ８］
前記コントローラは、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成される、Ｃ１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ９］
前記構成信号は、Ｃ６に記載の第２のデバイスの第２のコントローラから受信された状態データである、Ｃ８に記載のデバイス。
［Ｃ１０］
前記構成信号は、槽コントローラから受信される、Ｃ８に記載のデバイス。
［Ｃ１１］
前記槽コントローラは、複数のコントローラと双方向通信し、前記複数のコントローラの各々からそれぞれ受信された状態データに応答して前記構成信号を生成する、Ｃ１０に記載のデバイス。
［Ｃ１２］
前記コントローラは、低電力状態において前記コントローラが前記スイッチを通る前記電流を監視しないように、所定の時間に前記低電力状態を採用するように構成される、Ｃ１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１３］
前記コントローラは、前記スイッチを前記非導電性の開状態から前記導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成される、Ｃ１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１４］
前記コントローラは、前記スイッチを通る前記時間平均電流を制御するように構成される、Ｃ１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１５］
前記コントローラは、前記時間平均電流が相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定されるように、開放期間のための前記非導電性の開状態と閉鎖期間のための前記導電性の閉状態との間で前記スイッチを切り替えるためのさらなる信号を周期的に生成することによって、前記スイッチを通る前記時間平均電流を制御するように構成される、Ｃ１４に記載のデバイス。
［Ｃ１６］
前記電極を支持するための上部接点と、
前記電気接点上に載置され、電気絶縁層によって前記上部接点から分離された下部接点と
を備え、
ここにおいて、前記スイッチの第１の端部は、前記上部接点と電気的に接触し、前記スイッチの第２の端部は、前記下部接点と電気的に接触し、前記スイッチは、前記上部接点および前記下部接点から変位している、
Ｃ１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１７］
前記電解槽は、電解採取槽または電解精製槽または電着槽である、Ｃ１から１６のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１８］
前記第１のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第１の倍数である、Ｃ１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１９］
前記所定の第１の倍数は１．５～３である、Ｃ１８に記載のデバイス。
［Ｃ２０］
第２のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第２の倍数である、Ｃ４から１９のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ２１］
前記第２の倍数は２～３．５である、Ｃ２０に記載のデバイス。
［Ｃ２２］
電解槽における短絡を軽減するための、Ｃ１から２１のいずれか一項に記載のデバイスを２つ以上備えるシステム。
［Ｃ２３］
減衰負荷と並列に接続されたスイッチを有する短絡軽減デバイスによって実行される方法であって、前記スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備え、電解槽において電気接点と電極との間に配置されており、前記方法は、
前記スイッチを通る電流を示す電流信号を受信することと、
前記電流が第１または第２のしきい値を超えることを前記電流信号が示すとき、前記スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成することと
を含む方法。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［書類名］特許請求の範囲
［Ｃ１］
電気接点および電極を有する電解槽において使用するための短絡軽減デバイスであって、
減衰負荷と並列に接続され、前記接点と前記電極との間に配置されたスイッチと、ここで、前記スイッチは、前記接点と前記電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、前記スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、
前記スイッチを通る電流を監視するように、および、前記電流が第１のしきい値を超えるとき、前記スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、前記スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラと
を備えるデバイス。
［Ｃ２］
前記ＭＯＳＦＥＴと並列に接続されたフェイルセーフ経路をさらに備える、Ｃ１に記載のデバイス。
［Ｃ３］
前記フェイルセーフ経路は、閉導電状態にある前記複数のＭＯＳＦＥＴの電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体を含む、Ｃ２に記載のデバイス。
［Ｃ４］
前記コントローラは、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、前記第１の動作モードは第１のしきい値を有し、前記第２の動作モードは第２のしきい値を有する、Ｃ１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ５］
前記コントローラは、前記スイッチを通る前記電流が所定の期間にわたって前記第１または第２のしきい値を超えるとき、前記トグル信号を生成するように構成される、Ｃ１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ６］
前記コントローラは、前記電流を示すデータを送信するように構成される、Ｃ１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ７］
前記コントローラは、前記スイッチの状態を示す状態データを送信するように構成される、Ｃ１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ８］
前記コントローラは、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成される、Ｃ１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ９］
前記構成信号は、Ｃ６に記載の第２のデバイスの第２のコントローラから受信された状態データである、Ｃ８に記載のデバイス。
［Ｃ１０］
前記構成信号は、槽コントローラから受信される、Ｃ８に記載のデバイス。
［Ｃ１１］
前記槽コントローラは、複数のコントローラと双方向通信し、前記複数のコントローラの各々からそれぞれ受信された状態データに応答して前記構成信号を生成する、Ｃ１０に記載のデバイス。
［Ｃ１２］
前記コントローラは、低電力状態において前記コントローラが前記スイッチを通る前記電流を監視しないように、所定の時間に前記低電力状態を採用するように構成される、Ｃ１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１３］
前記コントローラは、前記スイッチを前記非導電性の開状態から前記導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成される、Ｃ１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１４］
前記コントローラは、前記スイッチを通る前記時間平均電流を制御するように構成される、Ｃ１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１５］
前記コントローラは、前記時間平均電流が相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定されるように、開放期間のための前記非導電性の開状態と閉鎖期間のための前記導電性の閉状態との間で前記スイッチを切り替えるためのさらなる信号を周期的に生成することによって、前記スイッチを通る前記時間平均電流を制御するように構成される、Ｃ１４に記載のデバイス。
［Ｃ１６］
前記電極を支持するための上部接点と、
前記電気接点上に載置され、電気絶縁層によって前記上部接点から分離された下部接点と
を備え、
ここにおいて、前記スイッチの第１の端部は、前記上部接点と電気的に接触し、前記スイッチの第２の端部は、前記下部接点と電気的に接触し、前記スイッチは、前記上部接点および前記下部接点から変位している、
Ｃ１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１７］
前記電解槽は、電解採取槽または電解精製槽または電着槽である、Ｃ１から１６のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１８］
前記第１のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第１の倍数である、Ｃ１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ１９］
前記所定の第１の倍数は１．５～３である、Ｃ１８に記載のデバイス。
［Ｃ２０］
第２のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第２の倍数である、Ｃ４から１９のいずれか一項に記載のデバイス。
［Ｃ２１］
前記第２の倍数は２～３．５である、Ｃ２０に記載のデバイス。
［Ｃ２２］
電解槽における短絡を軽減するための、Ｃ１から２１のいずれか一項に記載のデバイスを２つ以上備えるシステム。
［Ｃ２３］
減衰負荷と並列に接続されたスイッチを有する短絡軽減デバイスによって実行される方法であって、前記スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備え、電解槽において電気接点と電極との間に配置されており、前記方法は、
前記スイッチを通る電流を示す電流信号を受信することと、
前記電流が第１または第２のしきい値を超えることを前記電流信号が示すとき、前記スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成することと
を含む方法。
Claims (23)
- 電気接点および電極を有する電解槽において使用するための短絡軽減デバイスであって、
減衰負荷と並列に接続され、前記接点と前記電極との間に配置されたスイッチと、ここで、前記スイッチは、前記接点と前記電極との間に電気伝導経路を選択的に提供するように構成され、前記スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、
前記スイッチを通る電流を監視するように、および、前記電流が第１のしきい値を超えるとき、前記スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成するように、前記スイッチに動作可能に関連付けられたスイッチコントローラと
を備えるデバイス。 - 前記ＭＯＳＦＥＴと並列に接続されたフェイルセーフ経路をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
- 前記フェイルセーフ経路は、閉導電状態にある前記複数のＭＯＳＦＥＴの電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する導体を含む、請求項２に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作するようにさらに構成され、前記第１の動作モードは第１のしきい値を有し、前記第２の動作モードは第２のしきい値を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、前記スイッチを通る前記電流が所定の期間にわたって前記第１または第２のしきい値を超えるとき、前記トグル信号を生成するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、前記電流を示すデータを送信するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、前記スイッチの状態を示す状態データを送信するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、受信された構成信号に応答して動作モードを採用するように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記構成信号は、請求項６に記載の第２のデバイスの第２のコントローラから受信された状態データである、請求項８に記載のデバイス。
- 前記構成信号は、槽コントローラから受信される、請求項８に記載のデバイス。
- 前記槽コントローラは、複数のコントローラと双方向通信し、前記複数のコントローラの各々からそれぞれ受信された状態データに応答して前記構成信号を生成する、請求項１０に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、低電力状態において前記コントローラが前記スイッチを通る前記電流を監視しないように、所定の時間に前記低電力状態を採用するように構成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、前記スイッチを前記非導電性の開状態から前記導電性の閉状態に切り替えるリセット信号を生成するように構成される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、前記スイッチを通る前記時間平均電流を制御するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記コントローラは、前記時間平均電流が相対的な開放期間および閉鎖期間によって決定されるように、開放期間のための前記非導電性の開状態と閉鎖期間のための前記導電性の閉状態との間で前記スイッチを切り替えるためのさらなる信号を周期的に生成することによって、前記スイッチを通る前記時間平均電流を制御するように構成される、請求項１４に記載のデバイス。
- 前記電極を支持するための上部接点と、
前記電気接点上に載置され、電気絶縁層によって前記上部接点から分離された下部接点と
を備え、
ここにおいて、前記スイッチの第１の端部は、前記上部接点と電気的に接触し、前記スイッチの第２の端部は、前記下部接点と電気的に接触し、前記スイッチは、前記上部接点および前記下部接点から変位している、
請求項１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記電解槽は、電解採取槽または電解精製槽または電着槽である、請求項１から１６のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第１のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第１の倍数である、請求項１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記所定の第１の倍数は１．５～３である、請求項１８に記載のデバイス。
- 第２のしきい値電流は、通常の動作電流の所定の第２の倍数である、請求項４から１９のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第２の倍数は２～３．５である、請求項２０に記載のデバイス。
- 電解槽における短絡を軽減するための、請求項１から２１のいずれか一項に記載のデバイスを２つ以上備えるシステム。
- 減衰負荷と並列に接続されたスイッチを有する短絡軽減デバイスによって実行される方法であって、前記スイッチは、並列に接続された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備え、電解槽において電気接点と電極との間に配置されており、前記方法は、
前記スイッチを通る電流を示す電流信号を受信することと、
前記電流が第１または第２のしきい値を超えることを前記電流信号が示すとき、前記スイッチを導電性の閉状態から非導電性の開状態に切り替えるためのトグル信号を生成することと
を含む方法。
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