JP6031489B2 - 組込装置及び、組込装置の制御方法 - Google Patents
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Description
通常の定電圧電気分解では、電源から一定電圧を被電解液が充填された電解槽に印加すると、電解初期に大きな電流が流れ、次第に電流が減衰する。そのため、一定の電流に保つためには、被電解液の濃度調整が必要となる。一方、通常の定電流電気分解では、被電解液の濃度調整による電圧調整、或いは電源自体のオン(ON)またはオフ(OFF)制御により電流を調整している。
なお、最大電解電圧(定格電圧)は、電解槽の設計(セル構成)により、1セルあたり2.0V(1.5〜2.5V)に設計することが望ましい。また、最大電解電流(定格電流)は、電極の触媒能に応じた電極面積あたりの電流値(電流密度)に設計するのが望ましい。しかし、これらの定格電流、及び定格電圧に限られることなく、電力制御装置は、電解槽のセル構成に係らず、定電流・定電圧電気分解を行うことが可能である。
電解槽定電圧定電流電源回路10は、スイッチングCVCC電源回路20、電流検出抵抗30(電流検出部)、電流制限抵抗40(電流制限部)、電圧分割抵抗50(電圧分割部)、電流制限切替回路60、及びサーミスタ抵抗器70(温度検出部)を含んでいる。
スイッチングCVCC電源回路20の電圧制御回路22は、1番ピン20_1から電解槽1の陽極1aに電力(電解電圧、電解電流)を供給する回路である。電圧制御回路22は、後述するように、定電流モードでは基準電流値を超えないように(即ち、定電流により)、また定電圧モードでは基準電圧値を超えないように(即ち、定電圧により)、電解槽1に対して電力の供給を行う。
また、3番ピン20_3は、電流検出抵抗30の他端に接続されるとともに、図2に示す電圧電流検出回路23の2番ピン23_2に接続される。
ここで、電圧電流検出回路23は、電流検出抵抗30の両端間に生じる電圧(自身の両端間電圧)を、電解槽1を流れる電解電流の電流値に変換し(両端間電圧と抵抗値Rsとから算出し)、変換後の電流値を3番ピン23_3からコンパレータ回路24の1番ピン24_1に対して出力する。
5番ピン20_5は、電解槽1の陽極1aに接続される。また、5番ピン20_5は、図2に示す電圧電流モニタ回路25の1番ピン25_1に接続される。電圧電流モニタ回路25は、一つの機能として、電解槽1に印加される電圧(電解電圧)の電圧値を示すアナログデータを外部へ出力する。
6番ピン20_6は、電流制限抵抗40aの一端に接続される。また、6番ピン20_6は、コンパレータ回路24の2番ピン24_2に接続される。
7番ピン20_7は、電流制限抵抗40aの他端と電流制限抵抗40bの一端との共通接続点に接続される。7番ピン20_7は、図1、及び図2に示すように、14番ピン20_14を介して電流制限切替回路60の1番ピン60_1に接続される。
8番ピン20_8は、電流制限抵抗40bの他端と接続される。また、8番ピン20_8は、コンパレータ回路24の3番ピン24_3に接続される。
式(1)Rprog=Vref(V)×定数k/(Rs(mΩ)×Ielectrolytic)
これより、電流制限抵抗40の各抵抗値RP1、RP2は、電解電流との比較に用いる基準電圧(以下、電流比較用基準電圧とする)と、電解槽1に流したい電流値(それぞれ高側基準電流値、低側基準電流値とする)と、コンパレータ回路24の内部オフセット電圧とを用いて、下記式(2)及び(3)に基づいて設定される。
式(2)RP1=(電流比較用基準電圧×定数k)/(Rs×高側基準電流+内部オフセット電圧)
式(3)RP1+RP2=(電流比較用基準電圧×定数k)/(Rs×低側基準電流+内部オフセット電圧)
なお、高側基準電流は、電解槽1に供給する電解電流の上限値であり、低側基準電流は、電解槽1に供給する電解電流の下限値(高側基準電流より電流値が小さく、0よりも大きい電流値)である。また、これらの各基準電流は、コンパレータ回路24の2番ピン24_2と3番ピン24_3との間を流れる電流である。
9番ピン20_9は、電圧分割抵抗50aの一端に接続される。また、9番ピン20_9は、例えば1番ピン20_1に接続され、電解槽1に印加される電解電圧(モニタ電圧Vmoni;検出電圧)が入力される。また、9番ピン20_9は、図2に示すコンパレータ回路24の4番ピン24_4に接続される。
10番ピン20_10は、電圧分割抵抗50aの他端と電圧分割抵抗50bの一端との共通接続点に接続される。この共通接続点は、10番ピン20_10を介して、コンパレータ回路24の5番ピン24_5に接続される。この共通接続点に発生する分圧電圧を、以下ではフィードバック電圧VFBと称する。
11番ピン20_11は、電圧分割抵抗50bの他端と接続される。また、11番ピン20_11は、GND端子であり、0Vに接続される。11番ピン20_11は、コンパレータ回路24の6番ピン24_6に接続される。
電圧分割抵抗50の各抵抗値R1、R2は、コンパレータ回路24が有する、例えば帰還誤差アンプにおいて、電解電圧との比較に用いる基準電圧(電圧比較用基準電圧とする)と、電解槽1にそれ以上は印加したくない電圧値(電解槽の最大電圧値とする)とを用いて、下記式(4)に基づいて設定される。
式(4) 電解槽の最大電圧値=電圧比較用基準電圧×(1+R1/R2)
つまり、電圧分割抵抗50は、9番ピン20_9において、1番ピン20_1(制御端子)の電圧をモニタ電圧Vmoniとして検出する。電圧分割抵抗50は、この検出したモニタ電圧Vmoniを分圧することによりフィードバック電圧VFBを、10番ピン20_10に発生させる。電圧分割抵抗50は、フィードバック電圧VFBをコンパレータ回路24の5番ピン24_5に対して出力する。コンパレータ回路24は、このフィードバック電圧VFBが入力され、フィードバック電圧VFBと上記の電圧比較用基準電圧とを比較する。
これら15番ピン20_15〜17番ピン20_17は、図2に示すように電圧電流モニタ回路25の出力端子である3番ピン25_3〜5番ピン25_5にそれぞれ接続される。
電圧電流モニタ回路25において、1番ピン25_1は、上述のようにスイッチングCVCC電源回路20の5番ピン20_5に接続される。また、2番ピン25_2は、コンパレータ回路24の8番ピン24_8に接続される。
また、電圧電流モニタ回路25は、コンパレータ回路24から入力される電解槽に流れる電流(電圧電流検出回路23による変換後の電流)を示すアナログデータを、4番ピン25_4からスイッチングCVCC電源回路20の16番ピン20_16を介して、外部へ出力する。
また、電圧電流モニタ回路25は、コンパレータ回路24から入力される比較結果(電圧電流検出回路23による変換後の電流が上記高側基準電流を下回っているとの結果)に基づいて、スイッチングCVCC電源回路20が定電流を電解槽1に供給していないことを示す電流検出信号を、5番ピン25_5からスイッチングCVCC電源回路20の17番ピン20_17を介して、外部へ出力する。なお、この電流検出信号の形式は、異常を示す場合に接点(ピン)をONする(例えばHレベルとする)形式であってもよく、また、フェ―ルセーフの観点から通常時にHレベルにし、異常時にLレベルとする形式であってもよい。
コンパレータ回路24は、サーミスタ抵抗器70で検出する温度(検出温度)が、電解槽1の予め設定される定格温度の範囲外になると、電気分解を一時停止することを指示する制御信号を電圧制御回路22に対して出力する。電圧制御回路22は、この制御信号が入力されると電解槽1への電圧供給を停止し、電解槽1は電気分解を停止する。また、コンパレータ回路24は、サーミスタ抵抗器70の検出温度が、定格温度の範囲内に戻ると、電気分解を再開することを指示する制御信号を電圧制御回路22に対して出力する。電圧制御回路22は、この制御信号が入力されると電解槽1への電圧供給を再開し、電解槽1は自動的に電気分解を開始する。
コンパレータ回路24は、1番ピン24_1に入力される電圧電流検出回路23による変換後の電流(電解電流)と、1番ピン24_1と3番ピン24_3との間に流れる電流(電流制限抵抗40に流れる高側基準電流、及び低側基準電流)とを比較し、比較結果を表す電流比較結果信号を9番ピン24_9から出力する。
また、コンパレータ回路24は、5番ピン24_5に入力されるフィードバック電圧VFBと電圧比較用基準電圧(予め設定される基準電圧)とを比較し、比較結果を表す電圧比較結果信号を9番ピン24_9から出力する。
電圧制御回路22は、2番ピン22_2から入力される電流比較結果信号に基づいて、電圧電流検出回路23による変換後の電流(電解電流)が高側基準電流を超えないように、1番ピン22_1からスイッチングCVCC電源回路20の1番ピン20_1を介して、電解電流を電解槽1へ供給する。即ち、電圧制御回路22は、定電流を電解槽1に供給する。また、電圧制御回路22は、電流比較結果信号に基づいて、電解電流が低側基準電流を下回らないように、1番ピン22_1からスイッチングCVCC電源回路20の1番ピン20_1を介して、電解電流を電解槽1へ供給する。
(定電流制御モード)
電解槽1における電解電流の制御は、電流検出抵抗30によって検出された電解電流が、設定された最大電解電流(高側基準電流)を超えないように制御して、行われる。例えば、被電解液が充填された電解槽1に、スイッチングCVCC回路20の1番ピン20_1から出力電圧Voutを印加すると、電流検出抵抗30が、電解槽1への出力電流を感知する。電流検出抵抗(センス抵抗)は、両端の電圧を測定し、例えば電圧電流検出回路23における電流アンプで電圧を電流信号に変換し、その電流信号をコンパレータ回路24に対して出力する。
電解槽1において被電解液の濃度が薄くなると、定電流を維持するために電圧が上昇する。最大電解電圧に到達すると、上述のように電圧レギュレート機能が働き、定電圧の制御に切替える。最大電解電圧レベルは、コンパレータ回路24に予め設定された電圧比較用基準電圧と、コンパレータ回路24にある、例えば帰還誤差アンプの入力との間に設けられる電圧分割抵抗50(帰還抵抗分割)を使い、設定されている。この電圧分割抵抗50のフィードバック電圧VFBは、上述のようにコンパレータ回路24内の電圧帰還誤差アンプによって、基準電圧と比較され、電圧制御回路22の1番ピン20_1からの出力電圧を制御する。
続いて、電解槽1における被電解液の濃度の変化に応じて、定電流制御モードと定電圧制御モードとを切り替えて電解槽1に印加電圧を供給する電解槽定電圧定電流電源回路10の動作について、図3、及び図4を参照して説明する。図3は、電解槽定電圧定電流電源回路10による制御を説明するための図である。また、図4は、図3に示す定電流制御から定電圧制御への切り替わり部分を拡大した図である。なお、図3と図4においては、横軸の時間が異なるが、これらの図は、異なる日時において行った、同一条件での制御を示している。
図3は、本発明の一実施形態による電解槽定電圧定電流電源回路10を用いた電解槽1における電気分解を示している。図3に示すグラフは、横軸を時間とし、左の縦軸に電解電流(電解電流)、右の縦軸に電解槽の電圧をプロットしたものである。
図3では、時間に応じた電解槽の電圧変化を上段に示し、電解槽への電流変化を下段に示している。この図3に示す例は、被電解液として塩酸が充填された電解槽1を電気分解する電解サイクルを示している。なお、電解槽1に充填される被電解液は、塩酸に限らない。
電解槽1においては、定電流制御(Δt1)の領域と定電圧制御(Δt2)の領域の2種類の制御で塩酸が電気分解される。
なお、図3に示す例では、電解槽1のセル数は12セルで、回路の最大電流値が2.94Aに、最大電圧が24Vになるように設計されている。電解槽1に塩酸が過剰に充填されていると、通常、突入電流(過電流)が発生するが、上述した定電流制御により一定の電流に維持できるため、突入電流を防止することができる。
このとき、電解槽1がバッチ式の電解槽であれば、最小閾値の電流に達した後に、17番ピン20_17から出力される電流検出信号を利用して、電気分解の終了を示すことができ、電気分解のサイクルを終えることが可能である。
また、電解槽1の電圧が増加するとき(図4に示すΔVの範囲)、電流が一定に保たれる。そのことを利用して、適量の塩酸を電解槽1に供給することにより、定電流の連続式電気分解を行うことも可能である。
第2の実施形態では、電解槽の内部、及び表層温度を直接測定することなく、環境温度に応じて電気分解をスロットリング制御することにより、電解槽の温度上昇を防ぐ定電流制御基板について説明する。
図5は、電解槽と定電流制御基板とを組込んだ組込装置100の構成を示す図である。
電解槽は、上記説明の電解槽1と等しく、定電流制御基板とは、上記説明の電解槽定電圧定電流電源回路10(電力制御装置)と等しいものである。組込装置100は、電解槽1で製造された電解水を使用する装置であって、電解槽1と電解槽定電圧定電流電源回路10とを組込んでいる。
なお、図5においては、スイッチングCVCC電源回路20(電圧電流制御回路)に関しては、図1及び図2に示す一部について示している。図5において、省略された部分は図1及び図2を用いて説明したものであるので説明は省略する。
図5に示すように、電解槽定電圧定電流電源回路10は、上記説明のサーミスタ抵抗器70(温度検出部)を含んでいる。ただし、第2の実施形態において、サーミスタ抵抗器70は環境温度を検出する位置に配置される。ここで、環境温度とは、電解槽1、及び電解槽定電圧定電流電源回路10を組込み、電解水を使用する組込装置100の内側の温度であって、電解槽1の外側の温度を言う。すなわち、サーミスタ抵抗器70は、電解槽1の内部、及び表層温度を直接測定するものでなく、環境温度を検出する。なお、サーミスタではなく、サーモスタットなど他の温度センサを代用してもよい。
すなわち、コンパレータ回路24は、サーミスタ抵抗器70で検出する環境温度が、電解槽1の予め設定される定格温度の範囲外になると、電気分解を一時停止することを指示する制御信号を電圧制御回路22に対して出力する。電圧制御回路22は、この制御信号が入力されると電解槽1への定電流供給を停止し、電解槽1は電気分解を停止する。また、コンパレータ回路24は、サーミスタ抵抗器70で検出する環境温度が、定格温度の範囲内に戻ると、電気分解を再開することを指示する制御信号を電圧制御回路22に対して出力する。電圧制御回路22は、この制御信号が入力されると電解槽1への定電流供給を再開し、電解槽1は自動的に電気分解を開始する。
なお、ここで、定電流制御における定電流の値は、パルス信号のオン状態が100%、オフ状態が0%となっており、電流制限切替回路60が決めた高側基準電流の値である。また、定電流制御を停止した状態では、電解槽1へは、電流制限切替回路60が決めた低側基準電流の値でなく、電解槽定電圧定電流電源回路10及び電流制限切替回路60が遮断されるため0Aの電流が流れることになる。すなわち、電解槽定電圧定電流電源回路10は、環境温度が定格温度を超えると、定電流制御を止めて、定電流制御を止めてから環境温度が定格温度を下回ると定電流制御を再開するというスロットリング制御を行うことができる。
電解槽1、電解槽定電圧定電流電源回路10及びこれらを組込んだ恒温槽(組込装置100)を用いて、スロットリング制御を行った実験例について、図6〜図14を参照して以下に説明する。図6〜図12は、それぞれ定格温度を30℃〜50℃にした場合の各定格温度における電流値の時間変化を示している。
電解槽1として、セルの数が6個の電解槽を用いた。電解槽1中に9%塩酸を供給することにより、スイッチングCVCC電源回路20に3Aの電解電流を印加した際の電解電圧が10Vになるよう調整した。電気分解によって発生した塩素ガスを、毎時20Lの流量の水に注入した。
図6は、環境温度が30℃における電流値の時間変化を示す図である。また、図7は、環境温度が35℃における電流値の時間変化を示す図である。また、図8は、環境温度が40℃における電流値の時間変化を示す図である。
図6〜図8に示すように、40℃以下では、連続的に定電流制御モードにより電気分解がされている。
図9〜図12に示すように、環境温度が上昇するほどスロットリングは頻繁に発生する。
環境温度が上昇するにつれて、スロットリングは頻繁に発生するため、図13に示すように、平均電流値が減少する。図14に示すように、平均電流値に比例して有効塩素濃度が低下する。また、図13に示すように、スロットリングの発生が、発熱と冷却とのバランスをとり、最終的には、環境温度が50℃でも、電解槽の温度は50℃以上には上がらなかった。
電解槽の発熱は季節だけでなく、設置場所等などの使用環境温度にも影響されてきたが、電気分解をスロットリング制御することによって、環境温度に対する電解槽の発熱による電解槽の温度上昇を確実に抑えることができるようになった。これまでは、冷却しても電解槽の温度の上昇が抑えられないときは、電解槽の保護のために、電気分解を停止しなければならなかった。しかし、本実施形態では、電気分解をスロットリング制御することにより、電解槽の温度上昇を抑え、環境温度が定格温度=上限(50℃)を超えるまで、電気分解を継続することができるようになった。これにより、電解槽と電解槽の温度上昇を抑えて電極の寿命が短くなることを抑制できる電力制御装置とを組込んだ組込装置において、電解槽の温度上昇を抑えて電極の劣化を抑制することが可能となる。
また、スロットリング発生時に、ユーザに対して温度の異常の度合い(有効塩素濃度が温度に応じて低下する度合い)を知らせることも可能になった。電解槽に流れる電流を示すアナログデータは、スイッチングCVCC電源回路20の16番ピン20_16を介して、外部へ出力される。このアナログデータにより、定格温度各々に応じた定電流の値、定電流が流れている時間、及び0Aの時間が判るので、平均電流値を算出することにより、定格温度各々に応じた環境温度と有効塩素濃度とを知ることができる。
Claims (4)
- 陽極と陰極との間に通電される電流によって原料水を電気分解して電解水を製造するための電解槽と、
前記電解槽に対して、入力される直流電力に基づいて、電解電流を供給する電力制御装置と、を組込んだ組込装置であって、
前記電力制御装置は、
定電流制御モードにおいて、前記電解電流が、前記電解槽を構成する単位セルの定格電流に応じて予め設定される基準電流の電流値を超えないように制御しながら前記電解電流を前記電解槽へ供給する電圧電流制御回路と、
前記組込装置の内側の温度であって前記電解槽の外側の環境温度であり、前記電解槽の温度の変化に応じて変化する環境温度を検出する温度検出部と、を備え、
前記電圧電流制御回路は、前記温度検出部の検出温度が、予め設定される定格温度範囲外になると、前記電解電流の供給を停止し、前記温度検出部の検出温度が、前記定格温度範囲内に戻ると、前記電解電流の供給を再開する、組込装置。 - 前記電力制御装置は、
前記電圧電流制御回路の出力端子に接続され、自身の両端間に生じる電圧を検出する電流検出部と、
前記基準電流を生成する電流制限部と、をさらに備え、
前記電圧電流制御回路は、
前記電流検出部の両端間電圧と前記電流検出部の抵抗値とから前記電解槽に流れる前記電解電流を算出する電圧電流検出回路と、
前記電解電流と前記電流制限部よって生成される前記基準電流とを比較し、比較結果を表す電流比較結果信号を出力するコンパレータ回路と、
前記電流比較結果信号に基づいて、前記電解電流が前記基準電流を超えないように制御しながら前記出力端子から前記電解電流を前記電解槽へ供給する電圧制御回路と、を有する請求項1に記載の組込装置。 - 前記電力制御装置は、
前記電解電流の電流値を示すアナログデータを、外部へ出力する電圧電流モニタ回路を、
さらに備える請求項2に記載の組込装置。 - 陽極と陰極との間に通電される電流によって原料水を電気分解して電解水を製造するための電解槽と、
前記電解槽に対して、入力される直流電力に基づいて、電解電流を供給する電力制御装置と、を組込んだ組込装置であって、
前記電力制御装置は、
定電流制御モードにおいて、前記電解電流が、前記電解槽を構成する単位セルの定格電流に応じて予め設定される基準電流の電流値を超えないように制御しながら前記電解電流を前記電解槽へ供給する電圧電流制御回路と、
前記組込装置の内側の温度であって前記電解槽の外側の環境温度であり、前記電解槽の温度の変化に応じて変化する環境温度を検出する温度検出部と、を備えた組込装置の制御方法において、
前記電圧電流制御回路は、前記温度検出部の検出温度が、予め設定される定格温度範囲外になると、前記電解電流の供給を停止し、前記温度検出部の検出温度が、前記定格温度範囲内に戻ると、前記電解電流の供給を再開する、組込装置の制御方法。
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