JP7223065B2 - 電解水生成装置及び電解制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解水生成装置等に関する。

従来、水を電気分解する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９７６７２１号公報

上記特許文献１の装置は、過電流保護回路と、電解波形発生回路と、電解波形出力回路とを含んでいる。同装置では、図１５に示されるように、還元動作の開始後、高導電率の水に起因する過負荷エラーが判定される。

しかしながら、供給された水の導電率が過大である場合、上記過負荷エラーの判定にあたって、電解波形発生回路を構成するスイッチング素子に流れる電流が過大となり、スイッチング素子が発熱により故障する虞がある。電極の近傍において水の導電率が局所的に高い場合も同様である。このような問題は、特に電解補助液が添加された水を電気分解する場合、顕在化する。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、導電率が過大な水が供給された場合であっても、スイッチング素子の発熱を抑制しスイッチング素子を保護できる電解水生成装置を提供することを主たる目的としている。

本発明は、水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に配される一対の電極と、前記電極間に電解電圧を印加するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子にパルス状の信号を出力することにより前記電解電圧を制御する制御部とを含むバッチ式の電解水生成装置であって、前記スイッチング素子から前記電極に供給される電解電流を監視する電流監視回路と、前記電解電流が過大であるとき、前記電解電流を遮断する電流遮断回路とを備える。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記スイッチング素子は、制御電極、第１主電極及び第２主電極を含み、前記電流遮断回路は、前記制御電極に接続されており、前記制御部から前記スイッチング素子に入力される前記信号を遮断する、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記スイッチング素子は、制御電極、第１主電極及び第２主電極を含み、前記電流遮断回路は、前記第１主電極に接続されており、前記スイッチング素子に供給される主電流を遮断する、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記スイッチング素子は、制御電極、第１主電極及び第２主電極を含み、前記電流遮断回路は、前記第２主電極に接続されており、前記スイッチング素子から出力される主電流を遮断する、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記電流遮断回路は、リレー回路を含む、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記水には、電解補助液が添加されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解水生成装置において、前記電解槽で次亜塩素酸水を生成する、ことが望ましい。

また、本発明は、水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に配される一対の電極と、前記電極間に電解電圧を印加するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子にパルス状の信号を出力することにより前記電解電圧を制御する制御部とを含むバッチ式の電解水生成装置の電解制御方法であって、前記スイッチング素子から前記電極に供給される電解電流を監視する第１ステップと、前記電解電流が過大であるとき、前記電解電流を遮断する第２ステップとを含む。

本発明の前記電解水生成装置は、前記スイッチング素子から前記電極に供給される電流を監視する電流監視回路と、前記電流が過大であるとき、前記電流を遮断する電流遮断回路とを備える。従って、導電率が過大な水が供給された場合であっても、前記スイッチング素子を流れる電流が瞬時に遮断され、前記スイッチング素子の発熱が抑制される。

本発明の電解水生成装置の概略構成を示す図である。 図１の電解水生成装置の電気的構成を示すブロック図である。 図２の電解水生成装置の変形例の電気的構成を示すブロック図である。 図２の電解水生成装置の別の変形例の電気的構成を示すブロック図である。 図２ないし４の電解水生成装置に用いられる電解制御方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本実施形態の電解水生成装置１の構成を示している。電解水生成装置１は、水を電気分解するための電解槽２と、電解槽２に配されると、電極対３に電解電圧を印加するためのスイッチング素子４１と、電解電圧を制御するための制御部４２とを含んでいる。電解水生成装置１は、電解水を生成する度に、電解槽２内の水を入れ替えるバッチ式の電解水生成装置である。

電解槽２には、電気分解される水が供給される。水には、純水、水道水や井戸水の他、これらに希塩酸等の電解補助液が添加された水溶液が適用される。電解水生成装置１では、希塩酸が添加された水を電気分解することにより、次亜塩素酸水が生成される。次亜塩素酸水は、その酸化作用により、ウイルスの破壊・無毒化に有効とされている。水の導電率は、電解補助液の添加量（上述した希塩酸の場合、塩酸の濃度）に依存する。

電極対３は、一対の電極３１、３２を含んでいる。電極３１、３２は、電解槽２の下部において、互いに対向するように配置されている。電解電圧は、電極３１、３２に印加される。電解槽２の下方には、回路基板４が配されている。

スイッチング素子４１および制御部４２は、回路基板４に実装されている。スイッチング素子４１には、例えば、高周波でスイッチングが可能なＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が適用される。制御部４２には、例えば、マイクロコンピューターチップが適用される。

図２は、電解水生成装置１の電気的構成のブロック図である。電解水生成装置１は、電極対３、スイッチング素子４１および制御部４２と、第１電源回路４３と、第２電源回路４４と、電流－電圧変換回路４５と、平滑回路４６等を含んでいる。第１電源回路４３と、第２電源回路４４と、電流－電圧変換回路４５と、平滑回路４６等は、例えば、回路基板４に実装されている。

スイッチング素子４１は、制御電極４１ａ、第１主電極４１ｂ及び第２主電極４１ｃを含んでいる。制御電極４１ａ（ベース電極またはゲート電極）は、制御部４２に接続されている。第１主電極４１ｂ（エミッタ電極またはソース電極）は、第２電源回路４４に接続されている。第２主電極４１ｃ（コレクタ電極またはドレイン電極）は、電極対３に接続されている。スイッチング素子４１は、制御部４２から制御電極４１ａに入力される制御信号に応じて、第１主電極４１ｂと第２主電極４１ｃとの間の電流経路を遮断するか否かを切り替える。

第１電源回路４３は、制御部４２に５Ｖの駆動電圧を印加する。制御部４２は、第１電源回路４３から供給される電力によって動作する。例えば、制御部４２は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）出力回路４７によってパルス状の信号を生成し、スイッチング素子４１に出力する。

第２電源回路４４は、スイッチング素子４１の第１主電極４１ｂ、第２主電極４１ｃ間に１２Ｖの主電圧を印加する。スイッチング素子４１は、制御部４２から入力されるパルス状の信号に応じて、パルス状の電圧を生成し、電極対３に印加する。これにより、スイッチング素子４１の第２主電極４１ｃから出力される主電流の波形もパルス状となる。スイッチング素子４１の第２主電極４１ｃから出力される主電流の大部分は、電解電流として電極対３に供給される。

電流－電圧変換回路４５は、第２主電極４１ｃから電極対３に至る出力ラインから分岐するモニターラインに配されている。主電流は、モニターラインによって分流される。モニターラインは、第２主電極４１ｃから出力される主電流を監視するための経路である。

電流－電圧変換回路４５は、スイッチング素子４１の第２主電極４１ｃから出力される主電流の一部を電圧に変換する。平滑回路４６は、電流－電圧変換回路４５からの出力電圧を平滑化し、制御部４２のＡ／Ｄ変換回路４８に出力する。電流－電圧変換回路４５と平滑回路４６との間には、必要に応じてノイズ除去回路および増幅回路が配されていてもよい。

Ａ／Ｄ変換回路４８は、平滑回路４６から入力されるアナログ信号を、制御部４２が処理可能なデジタル信号に変換する。これにより、制御部４２は、スイッチング素子４１の出力電流に関するデジタル信号を得る。

制御部４２は、スイッチング素子４１の出力電流に関する信号に基づいて得られたパルス状の信号のデューティ比（オンデューティ）を、ＰＷＭ出力回路４７に出力する。これにより、電解電流が一定となるように、フィードバック制御される。

本電解水生成装置１は、さらに電流監視回路５０と、電流遮断回路５１とを含んでいる。電流監視回路５０及び電流遮断回路５１は、例えば、回路基板４に実装されている。

電流監視回路５０は、スイッチング素子４１から電極３１、３２に供給される電解電流を監視する。電流監視回路５０は、例えば、比較器（コンパレータ）によって実現される。電流監視回路５０は、平滑回路４６から入力されたスイッチング素子４１の出力電流、すなわち、電極３１、３２に供給される電解電流に関するアナログ信号を予め定められた閾値と比較し、電解電流が閾値よりも大きいとき、すなわち、スイッチング素子４１の出力電流が過大であるとき、電流遮断回路５１に出力電流を遮断する旨の制御信号を出力する。

電流遮断回路５１は、電流監視回路５０から入力された制御信号に応じて、スイッチング素子４１の出力電流を制御する。電流遮断回路５１は、例えば、リレー回路等によって実現される。電流遮断回路５１は、電流監視回路５０から制御信号が入力されたとき、スイッチング素子４１の出力電流を遮断する。

本電解水生成装置１のように、制御部４２にＡ／Ｄ変換回路４８及びＰＷＭ出力回路４７を含む構成では、平滑回路４６からＡ／Ｄ変換回路４８に入力される信号を用いて、制御部４２がＰＷＭ出力回路４７の動作を制御することにより、スイッチング素子４１の出力電流を制御する。このため、スイッチング素子４１の出力電流が過大であるとき、制御部４２によって構成されるソフトウェア回路によって、ＰＷＭ出力回路４７から出力されるパルス状の信号を停止することによりスイッチング素子４１を流れる電流を遮断することも可能である。しかしながら、制御部４２が他の処理を優先的に実行している場合等にあっては、Ａ／Ｄ変換回路４８及びＰＷＭ出力回路４７を含む制御部４２の動作に遅延が生じ、スイッチング素子４１の発熱を瞬時に停止することが困難となる。

これに対して、本発明では、制御部４２を介さない別の回路、すなわち、電流監視回路５０及び電流遮断回路５１を含むハードウェア回路によって、スイッチング素子４１を流れる電流が遮断される。従って、導電率が過大な水が供給された場合であっても、制御部４２の処理如何に関わらず、スイッチング素子４１を流れる電流が瞬時に遮断され、スイッチング素子４１の発熱が抑制される。また、何らかの事情により、電流監視回路５０及び電流遮断回路５１を含むハードウェア回路が適切に機能しない場合にあっても、制御部４２によって構成されるソフトウェア回路を上記ハードウェア回路のバックアップ回路として機能させることも可能であるため、スイッチング素子４１がより一層強固に保護される。

本電解水生成装置１では、電流遮断回路５１は、スイッチング素子４１の制御電極４１ａに接続されている。すなわち、電流遮断回路５１は、ＰＷＭ出力回路４７からスイッチング素子４１の制御電極４１ａに至る信号ラインを切断することにより、スイッチング素子４１を流れる主電流を遮断する。これにより、スイッチング素子４１の発熱が抑制される。

図３は、図２の電解水生成装置１の変形例である電解水生成装置１Ａのブロック図である。電解水生成装置１Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解水生成装置１の構成が採用されうる。

電解水生成装置１Ａでは、電流遮断回路５１は、スイッチング素子４１の第１主電極４１ｂに接続されている。より具体的には、電流遮断回路５１は、第２電源回路４４からスイッチング素子４１からに主電流を供給するための、給電ラインに設けられている。電流遮断回路５１は、第２電源回路４４からスイッチング素子４１の第１主電極４１ｂに至る給電ラインを切断することにより、スイッチング素子４１を流れる主電流を遮断する。これにより、スイッチング素子４１の発熱が抑制される。

図４は、図２の電解水生成装置１の別の変形例である電解水生成装置１Ｂのブロック図である。電解水生成装置１Ｂのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解水生成装置１及び１Ａの構成が採用されうる。

電解水生成装置１Ｂでは、電流遮断回路５１は、スイッチング素子４１の第２主電極４１ｃに接続されている。より具体的には、電流遮断回路５１は、スイッチング素子４１から出力される主電流を電極３１、３２に導くための、出力ラインに設けられている。電流遮断回路５１は、スイッチング素子４１の第２主電極４１ｃから電極対３に至る出力ラインを切断することにより、スイッチング素子４１を流れる主電流を遮断する。これにより、スイッチング素子４１の発熱が抑制される。

図５は、電解水生成装置１、１Ａ、１Ｂに用いられる電解制御方法の処理手順を示している。

電解制御方法は、スイッチング素子４１から電極３１、３２に供給される電解電流を監視する第１ステップＳ１と、電解電流が過大であるとき、電解電流を遮断する第２ステップＳ２とを含んでいる。

第１ステップＳ１は、電流監視回路５０によって実行される。第２ステップＳ２は、電流遮断回路５１によって実行される。すなわち、本電解制御方法は、電流監視回路５０及び電流遮断回路５１を含むハードウェア回路によって実行され、制御部４２によって構成されるソフトウェア回路を必要としない。従って、導電率が過大な水が供給された場合であっても、制御部４２の処理如何に関わらず、スイッチング素子４１を流れる電流が瞬時に遮断され、スイッチング素子４１の発熱が抑制される。また、何らかの事情により、電流監視回路５０及び電流遮断回路５１を含むハードウェア回路が上記第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２を適切に実行できない場合にあっても、制御部４２によって構成されるソフトウェア回路を上記ハードウェア回路のバックアップ回路として動作させることも可能であるため、スイッチング素子４１がより一層強固に保護される。

以上、本発明の電解水生成装置１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、電解水生成装置１は、少なくとも、水を電気分解するための電解槽２と、電解槽２に配される一対の電極３１、３２と、電極３１、３２間に電解電圧を印加するためのスイッチング素子４１と、スイッチング素子４１にパルス状の信号を出力することにより電解電圧を制御する制御部４２とを含むバッチ式の電解水生成装置１であって、スイッチング素子４１から電極３１、３２に供給される電解電流を監視する電流監視回路５０と、電解電流が過大であるとき、電解電流を遮断する電流遮断回路とを備えていればよい。

１ 電解水生成装置
１Ａ 電解水生成装置
１Ｂ 電解水生成装置
２ 電解槽
３１ 電極
３２ 電極
４１ スイッチング素子
４１ａ 制御電極
４１ｂ 第１主電極
４１ｃ 第２主電極
４２ 制御部
５０ 電流監視回路
５１ 電流遮断回路
Ｓ１ 第１ステップ
Ｓ２ 第２ステップ

Claims (6)

1. 水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に配される一対の電極と、前記電極間に電解電圧を印加するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子にパルス状の信号を出力することにより前記電解電圧を制御する制御部とを含むバッチ式の電解水生成装置であって、
   前記スイッチング素子から前記電極に出力される電解電流を監視する電流監視回路と、
   前記電解電流が過大であるとき、前記電解電流を遮断する電流遮断回路とを備え、
   前記スイッチング素子は、制御電極、第１主電極及び第２主電極を含み、
   前記電流遮断回路は、前記制御電極に接続されており、前記制御部から前記スイッチング素子に入力される前記信号を遮断する、
   電解水生成装置。
2. 水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に配される一対の電極と、前記電極間に電解電圧を印加するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子にパルス状の信号を出力することにより前記電解電圧を制御する制御部とを含むバッチ式の電解水生成装置であって、
   前記スイッチング素子から前記電極に出力される電解電流を監視する電流監視回路と、
   前記電解電流が過大であるとき、前記電解電流を遮断する電流遮断回路とを備え、
   前記スイッチング素子は、制御電極、第１主電極及び第２主電極を含み、
   前記電流遮断回路は、前記第１主電極に接続されており、前記スイッチング素子に供給される主電流を遮断する、
   電解水生成装置。
3. 水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に配される一対の電極と、前記電極間に電解電圧を印加するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子にパルス状の信号を出力することにより前記電解電圧を制御する制御部とを含むバッチ式の電解水生成装置であって、
   前記スイッチング素子から前記電極に出力される電解電流を監視する電流監視回路と、
   前記電解電流が過大であるとき、前記電解電流を遮断する電流遮断回路とを備え、
   前記スイッチング素子は、制御電極、第１主電極及び第２主電極を含み、
   前記電流遮断回路は、前記第２主電極に接続されており、前記スイッチング素子から出力される主電流を遮断する、
   電解水生成装置。
4. 前記電流遮断回路は、リレー回路を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の電解水生成装置。
5. 前記水には、電解補助液が添加されている、請求項１ないし４のいずれかに記載の電解水生成装置。
6. 前記電解槽で次亜塩素酸水を生成する、請求項５に記載の電解水生成装置。

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