JP2004091833A - 電解槽制御方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安全な電解槽の運転を可能にする電解槽制御方法、およびこれを実現するための、小型・省電力で携帯性に富み、低コストの電解槽制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の電解槽制御方法は、電解槽10の他、CPU1、SEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)2、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、ROM6、RAM7、表示手段8、および接地抵抗R6を含み構成された装置によって実現される。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明の電解槽制御方法は、電解槽10の他、CPU1、SEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)2、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、ROM6、RAM7、表示手段8、および接地抵抗R6を含み構成された装置によって実現される。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質水溶液を電解して、陽極電解水、陰極電解水を生成する電解槽の制御方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
イオン交換樹脂を膜状にした荷電膜やマイクロポーラス構造を有する非荷電膜の隔膜や、白金合金等からなる不活性電極を内部に配置した電解槽を用いて、電解質の希薄水溶液を電解し、陽極側で電解生成されるpH値の低い陽極電解水を取り出し、これを消毒等に利用する技術は既によく知られている。特に、陽極電解水はその中に次亜塩素酸が生成されることから、その強力な酸化作用と塩素化作用がよく利用される。
【0003】
図5は、従来技術による電解槽制御装置の回路構成を示す図である(例えば、特許文献1に記載の回路に特許文献2に記載の電解槽を組み込んだ構成)。この電解槽制御装置は、電解槽40の他、DC−DCコンバータ41と、抵抗R11、インダクタL11、コンデンサC11、トランジスタQ11、ダイオードD11からなるSEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)42と、コンデンサC12、抵抗R12,R13からなるローパスフィルタ43と、コンデンサC13と、接地抵抗R14と、抵抗R15と、を備えて構成される。
この電解槽制御装置は、まず、DC−DCコンバータ41からPWM(Pulse Width Modulation)矩形波を発振し、トランジスタQ11をスイッチング駆動する。このスイッチング駆動によってインダクタL11に蓄積されたエネルギーは、トランジスタQ11、ダイオードD11がターンオフすると、コンデンサC11に蓄積される。コンデンサC11に電位が発生すると、電流が電解槽40と接地抵抗R14を介して接地に流れる。接地抵抗R14は電流検出抵抗で、電解槽40を流れる電流に比例した電圧を発生する。この電圧は、ローパスフィルタ43を介してDC−DCコンバータ41のF.B(フィールドバック)端子に印加される。なお、DC−DCコンバータ41は、内部に基準電圧発生器を備えており、F.B端子に印加される電圧が常に一定になるように、トランジスタQ11に対し供給するPWM矩波形のパルス幅を制御する。
ここでは詳細な数値は省略するが、接地抵抗R14のみがPWM制御の負荷となり、接地抵抗R14の抵抗値は電解槽40のインピーダンスとは無関係になる。また、インダクタL11、コンデンサC11,C12の容量は、PWM矩波形の周波数を決めるC/R(クロックレジスタ)端子に接続する抵抗R15の抵抗値、コンデンサC13の容量に依存する。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−66017号公報(図1)
【特許文献2】
特公第2990993号公報(第4〜6頁)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の電解槽制御装置は、電解水を使用する場所に固定されるタイプのものが多く、比較的大型であるうえ、以下の問題点がある。
(1)電源電圧値VCCが、次式を満足する状態になければ、電解槽40の定電流制御ができない。
(接地抵抗R14の抵抗値+電解槽40のインピーダンス)×電解槽40の制御電流値+ダイオードD11の入出力端の電位差≧電源電圧値VCC
(2)(1)に関連して、電解槽40がなんらかの原因で短絡した場合の対策として、接地抵抗R14の許容損失が大きくなるようにしなければならない。
(3)さらに、電解槽40がなんらかの原因でオープンとなった場合に電解槽40の両極間電位差が過大となることに備えて、コンデンサC11の許容耐圧電圧を大きくする必要がある。
以上を原因とする装置全体の消費電力が大きくなる。
【0006】
本発明は、上記のような従来技術の有する問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、安全な電解槽の運転を可能にする電解槽制御方法、およびこれを実現するための小型・省電力で携帯性に富む電解槽制御装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項1にかかる電解槽制御方法は、内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御方法であって、前記電解槽を定電流制御するための最適な電流値データ、および前記電解槽を定電流制御するための最適な前記電解槽の両極間電位差データを取得する第1の工程と、前記第1の工程で取得した電流値データに基づき前記電解槽の定電流制御を行う第2の工程と、前記電解槽の両極間電位差を実測し、この実測値と前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データとを比較し、前記電解槽の障害発生を検出する第3の工程と、を含むことを特徴とする。
【0008】
本発明の請求項2にかかる電解槽制御方法は、請求項1に記載の電解槽制御方法において、前記第3の工程が、前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最小値を下回った場合には、前記電解槽に短絡状態が発生したことを検出し、また、前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最大値を上回った場合には、前記電解槽にオープン状態が発生したことを検出することを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3にかかる電解槽制御方法は、請求項2に記載の電解槽制御方法において、前記電解槽にオープン状態が発生した場合は、前記電解槽の定電流制御を停止した後、前記電解槽の定電圧制御を開始し、前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最大値以下になった場合に、前記第1の工程で取得した電流値データに基づく前記電解槽の定電流制御を再開することを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4にかかる電解槽制御装置は、内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御装置であって、前記電解槽に電流を供給するコンバータと、前記電解槽を流れる電流を検出するための抵抗と、前記コンバータの動作を制御する矩形波を発振し、かつ、前記電解槽の両極間電位差を測定しこの測定値に基づき前記コンバータを介して前記電解槽の運転を制御するCPUと、
を備えたことを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項5にかかる電解槽制御装置は、請求項4に記載の電解槽制御装置において、前記コンバータと前記電解槽との間にリプル電流を除去する電流平滑化手段を設けたことを特徴とする。
【0012】
本発明の請求項6にかかる電解槽制御装置は、内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御装置であって、前記電解槽に電流を供給する第1のコンバータと、前記電解槽を流れる電流を検出するための抵抗と、前記電解槽の両極間電位差を検出する電位比較手段と、前記第1のコンバータの動作を制御する矩形波を発振し、かつ、前記電位比較手段の検出結果に基づき前記第1のコンバータを介して前記電解槽の運転を制御する第2のコンバータと、を備えたことを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項7にかかる電解槽制御装置は、請求項6に記載の電解槽制御装置において、前記電位比較手段は、前記電解槽の両極間電位差が所定領域値から外れた場合に、前記第2のコンバータに対しその動作を停止させる信号を送信することを特徴とする。
【0014】
本発明の請求項8にかかる電解槽制御装置は、請求項6または7に記載の電解槽制御装置において、前記第1のコンバータと前記電解槽との間にリプル電流を除去する電流平滑化手段を設けたことを特徴とする。
【0015】
本発明の請求項9にかかる電解槽制御装置は、請求項6ないし8の何れかに記載の電解槽制御装置において、前記電解槽がオープンの場合に、前記第1のコンバータに供給する電流を停止する供給電流停止手段を備えたことを特徴とする。
【0016】
本発明の請求項10にかかる記憶媒体は、請求項1ないし3の何れかに記載の電解槽制御方法を実行可能なプログラムが記憶されたものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図示した一実施の形態に基づき、本発明を詳細に説明する。
【0018】
(実施の形態1)
本実施の形態は、請求項4および5にかかる電解槽制御装置に関する。図1は、本実施の形態にかかる電解槽制御装置の構成を示す図である。本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の他、CPU1、SEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)2、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、ROM6、RAM7、表示手段8、および接地抵抗R6を含み構成される。
【0019】
CPU1はSEPIC2の動作を制御するPWM矩形波を発振し、かつ、電解槽10の両極間電位差を測定しこの測定値に基づきSEPIC2を介して電解槽10の運転を制御する。また、CPU1は内部に少なくとも2つのA/D変換手段を備えている。
【0020】
SEPIC2は、コンデンサC1,C2、ダイオードD1、インダクタL1,L2、FETQ1、および抵抗R1を含み構成され、電解槽10に印加する電圧の昇圧・降圧を行う。
このSEPIC2は、CPU1から発振されるPWM矩波形によりFETQ1をスイッチング駆動する。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、ダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。このため、電源電圧値VCCが、次式を満足しなくても、電解槽10の定電流制御が可能になる。
(接地抵抗R6の抵抗値+電解槽10のインピーダンス)×電解槽10の制御電流値+ダイオードD1の入出力端の電位差≧電源電圧値VCC
また、このSEPIC2で電解槽10に印加する電圧の昇圧・降圧を行うことができるため、接地抵抗R6の許容損失を考慮する必要はなく、接地抵抗R6に比較的抵抗値の小さいものを採用できる。
また、このSEPIC2で電解槽10に印加する電圧の昇圧・降圧を行うことができるため、例えばなんらかの原因で電解槽10にオープン状態が発生し電解槽10の両極間電位差が過大となることに備えて、コンデンサC2の許容耐圧電圧を大きくする必要はない。
本実施の形態の装置では、このようなSEPIC2を設けたため、消費電力の小さい部材を使用でき、装置全体の消費電力の低減化が可能になる。
【0021】
電流平滑化手段3はSEPIC2からの電流に含まれるリプル電流を低減するためのものであり、インダクタL3からなる。電流平滑化手段3を挿入すると、交流動作には抵抗として作用し、電解槽10へ流れるリプル電流を低減できる。
なお、一般的には接地抵抗に対し並列にコンデンサを挿入してもリプル電流の低減が可能である。しかし、本実施の形態の装置ではSEPIC2を採用しているため、接地抵抗R6に比較的抵抗値の小さいものを用いることができる。このため、本実施の形態の場合、接地抵抗R6に対し並列にコンデンサを挿入しても、このコンデンサではリプル電流の低減はあまり期待できないので、SEPIC2と電解槽10との間に電流平滑化手段3を挿入することが好ましい。
【0022】
電解槽10は、内部に陽極と陰極を備えている。前記陽極、陰極は電気化学的に不活性な金属材料で形成されている。電極材料としては、白金、白金合金等が好ましい。そして、電解槽10は、前記陽極と陰極との間に隔膜を介在させることなく両極を近接させて平行に配置し、陽陰両極間に電解質水溶液を連続的に供給すると共に、両極間に電流を流して電解質水溶液を電解し、陽極の下流側で陽極電解水を連続的に取り出す構造となっている。この電解槽10には、例えば、特開平6−246272号公報に示されているもの等を用いることができる。
【0023】
ローパスフィルタ4は、抵抗R2,R3とコンデンサC3からなる。また、ローパスフィルタ5は、抵抗R4,R5とコンデンサC4からなる。ローパスフィルタ4,5は、それぞれCPU1のA/D(アナログ/ディジタル変換手段への入力端子)1,A/D2へ入力される遮断周波数以上の周波数の信号を減衰させるものである。
【0024】
ROM6は、本実施の形態の電解槽制御装置を動作させる所定のプログラムが格納されている記憶媒体である。RAM7は、本実施の形態の電解槽制御装置の動作により取得される各種データを格納しておくための記憶媒体である。また、表示手段8は、電解槽10の運転状況を表示し、装置の使用者に知らせるためのものであり、LED、液晶等が用いられる。
【0025】
次に、図2を参照して、本実施の形態の電解槽制御装置を用いた電解槽の制御方法を説明する。この方法は、請求項1〜3に関するものである。図2は、この方法を実行するための手順を示すフローチャートである。
【0026】
1)まず、本実施の形態の装置では、CPU1が、ROM6に格納されているプログラムに基づき、PMW(Pulse Width Modulation)矩波形を発振し,SEPIC2を構成するFETQ1をスイッチング駆動する。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、ダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。コンデンサC2に電位が発生すると、電流が電解槽10と接地抵抗R6を介して接地に流れる。接地抵抗R6は、電解槽10を流れる電流を検出するための抵抗で、電解槽10を流れる電流に比例した電圧を発生する。このようにして電解槽10が運転を開始した後、CPU1は前記プログラムに基づき所定の時間ごとに、電解槽10の両極の電圧値と、電解槽10を流れる電流値を取得する。電解槽10の陽極側の電圧値はCPU1のA/D1から取得し、電解槽10の陰極側の電圧値はCPU1のA/D2から取得する。また、電解槽10を流れる電流値はCPU1のA/D2から取得する。そして、CPU1はそのようにして取得した各値のうち、電解槽10に障害(短絡・オープン)が発生しなかった場合のもののみをRAM7に記憶する。これにより、電解槽10を正常な状態で定電流制御することが可能な電解槽10の両極の電圧値、および電解槽10を流れる電流値の範囲が得られる。
一般に、電解槽10が短絡状態になると電解槽10の両極間電位差は低下し、電解槽10がオープン状態になると電解槽10の両極間電位差は上昇する。そこで、この工程では、先に収集した電解槽10の両極の電圧値から電解槽10を正常状態で定電流制御が可能な電解槽10の両極間電位差データを取得する。そして、この両極間電位差データから電解槽10を正常状態で定電流制御が可能な電解槽10の両極間電位差の限界値(最大値、最小値)を抽出し、これをRAM7に記憶させ、後述する電解槽10に生じる短絡・オープンの検出に備える。
次に、CPU1が前記プログラムに基づき、RAM7に記憶した電流値の平均値を求め、この値とあらかじめROM6に記憶されている電解槽制御のための目標とする電流値(例えば、100mA)との差分をとり、所定の演算によって電解槽10を定電流制御するための最適な電流値データを取得する。この電流値データは、例えば次のような演算を行うことにより求められる。
E(z−1)=R(z−1)−Y(z−1) ・・・(1)
U(z−1)=k(1+bz−1)・E(z−1)/(1・z−1) ・・・(2)
ただし、z−1は離散時間系の演算子(連続時間系のs(ラプラス演算子)に相当)、R(z−1)は目標とする電流値、Y(z−1)は実測した電流値の平均値、U(z−1)は最適な電解槽10の定電流制御を行うための電流値、E(z−1)は制御エラー、k,bは比例定数を示す。
そして、このようにして取得した電流値データをCPU1のPWMポートに書き込む。(以上、ステップS1)
【0027】
2)CPU1は、ステップS1においてPWMポートに書き込まれた電流値データに基づき、この電流値を発生させることが可能なパルス幅のPWM矩波形を発振し、SEPIC2を構成するFETQ1をスイッチング駆動する。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、インダクタL2に蓄積されたエネルギーはダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。コンデンサC2に電位が発生すると、電流が電解槽10と接地抵抗R6を介して接地に流れる。加えて、万一、電解槽10のインピーダンスが変化しても電解槽10の定電流制御を続行可能にするため、CPU1は、ROM6に格納されているプログラムにより、A/D2の電圧が一定になるように制御する。このようにすることで、電解槽10の定電流制御が開始される(以上、ステップS2)。
【0028】
3)CPU1は電解槽10が定電流制御されているときには、A/D1への入力電圧を常時監視する。そして、CPU1はA/D1のA/D2に対する電位差とステップS1で取得した電位差データの最小値とを比較する。A/D1のA/D2に対する電位差がステップS1で取得した電位差データの最小値を下回った場合、CPU1は電解槽10に短絡状態が発生したことを検出する(以上、ステップS3)。電解槽10に短絡状態が発生した場合は、ステップS4へ進む。電解槽10に短絡状態が発生していない場合には、ステップS5へ進む。
【0029】
4)電解槽10に短絡状態が発生した場合、CPU1はPWM制御を停止し、電解槽10の運転を停止させる。あわせて、CPU1は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解中止を使用者に知らせる。(以上、ステップS4)。
【0030】
5)電解槽10に短絡状態が発生していない場合、CPU1はA/D1のA/D2に対する電位差とステップS1で取得した電位差データの最大値とを比較する。A/D1のA/D2に対する電位差がステップS1で取得した電位差データの最大値を上回った場合、CPU1は電解槽10にオープン状態が発生したことを検出する。あわせて、CPU1は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解槽10にオープン状態が発生したことを使用者に知らせる(以上、ステップS5)。電解槽10にオープン短絡状態が発生した場合は、ステップS6へ進む。電解槽10にオープン状態が発生していない場合には、ステップS3へ戻り、処理を続行する。
【0031】
6)電解槽10にオープン状態が発生した場合、CPU1は、ROM6に格納されているプログラムに基づき、A/D1の電圧が一定になるようにフィードバック制御を開始する。例えば、不感帯をもたせたバング・バング制御により、A/D1の電圧が12±0.5Vになるように、CPU1は発振するPWM矩波形のパルス幅を制御する(±0.5Vが不感帯で、12.5Vを上回った場合CPU1は発振するPWM矩波形のパルス幅を縮小し、12.5Vを下回った場合CPU1は発振するPWM矩波形のパルス幅を拡大する)。このようにすることで、コンデンサC2−GND間の電圧を一定にし、電解槽10の定電圧制御を開始する。あわせて、CPU1は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解槽10の定電圧制御に移行したことを使用者に知らせる(以上、ステップS6)。
【0032】
7)電解槽10の定電圧制御に移行すると、CPU1はA/D2端子を介して接地抵抗R6における電圧降下の監視を開始する。そして、CPU1は、この値とステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値(RAM7に記憶されている)とを比較する。接地抵抗R6における電圧降下がステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値以下になると、CPU1は電解槽10のオープン状態が解消したと判断し、ステップS2へ戻り、電解槽10の定電流制御を再開する。あわせて、CPU1は、表示手段8に表示された電解槽10が定電圧制御中であることを示すパタンを消す。ROM6に格納されているプログラムに規定された時間が経過しても、接地抵抗R6における電圧降下がステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値以下にならない場合、ステップS8へ進む(以上、ステップS7)。
【0033】
8)ROM6に格納されているプログラムに規定された時間が経過しても、接地抵抗R6における電圧降下がステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値以下にならない場合、CPU1は電解槽10の定電圧制御を停止し、電解槽10の運転を停止する(以上、ステップS8)。
【0034】
本実施の形態の電解槽制御装置は、以上のような工程を経ることにより、電解槽10の障害発生(短絡・オープン)を容易に検出できる。電解槽10に障害が発生した場合には、自動的に電解槽10の運転を停止する。ただ、電解槽10のオープン状態発生時には、プログラムに規定された時間内にかかる障害が解消された場合に限り、電解槽10の定電流制御を自動的に再開する。このようにすることで、本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の安全な運転を担保している。
本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の運転開始時に、まず、最適な電解槽10の定電流制御を実行するための電解槽10に特有の諸条件(電流値データ、電解槽10の両極間電位差データの最大最小値等)を取得できる、いわゆる学習機能を備えている。したがって、特定の性質を備えた電解槽に限らず、各種電解槽に適用可能である。
本実施の形態の電解槽制御装置は、SEPIC2と電解槽10との間に電流平滑化手段3を設けたことにより、電解槽10へ流れるリプル電流を低減し、電解槽10の良好な運転を可能にする。
本実施の形態の電解槽制御装置は、SEPIC2を備えることにより、従来消費電力増大の原因となっていたコンデンサC2や接地抵抗R6に消費電力の小さいものを用いることができ、装置全体の消費電力の低減化が可能になる。
本実施の形態の電解槽制御装置は、小規模で単純な回路構成ながらも電解槽の短絡・オープン状態を容易に検出できることから、装置の小型化、製造工程の簡略化に資するものであり、製造コストの低減化を促進するものである。
【0035】
(実施の形態2)
本実施の形態は、請求項6ないし9にかかる電解槽制御装置に関する。図3は、本実施の形態にかかる電解槽制御装置の構成を示す図である。以下、実施の形態1に示した装置に用いた部材と同一の部材については同一の符号を付して説明する。本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の他、SEPIC2(第1のコンバータ)、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、表示手段8、DC−DCコンバータ11(第2のコンバータ)、電位比較手段12、供給電流停止手段13、電解槽運転遅延手段14、電源スイッチ15、トランジスタQ4、および接地抵抗R6を含み構成される。
【0036】
DC−DCコンバータ11は、SEPIC2の動作を制御するPWM矩形波を発振し、かつ、電位比較手段12の検出結果に基づきSEPIC2を介して電解槽10の運転を制御する。
SEPIC2、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、表示手段8、電解槽10、および接地抵抗R6は、実施の形態1の装置のものと同様である。
電位比較手段12は、電解槽10の両極間電位差が所定領域値から外れた場合に、DC−DCコンバータ11に対しその動作を停止させる信号を送信する。
供給電流停止手段13は、トランジスタQ2、コンデンサC5、ダイオードD2、抵抗R7,R8により構成されており、電解槽10がオープン状態となった場合に、SEPIC2に供給する電流を停止する。
電解槽運転遅延手段14は、トランジスタQ3、抵抗R9,R10により構成されており、電源スイッチ15がONの時、あらかじめ設定した時間を経過させた後にSEPIC2へ電流を供給しSEPIC2への突入電流を低減する。
【0037】
次に、本実施の形態の電解槽制御装置の動作を説明する。本実施の形態の電解槽制御装置は、実施の形態1のものとは異なり、CPUを用いず、あらかじめ電解槽10の定電流制御に最適な電流値、およびこのときの電解槽10の両極間電位差の範囲(最大値、最小値)が明確である場合に、適用が可能なものである。
【0038】
本実施の形態の電解槽制御装置では、供給電流停止手段13のトランジスタQ3と電解槽運転遅延手段14のトランジスタQ4とがワイヤードORになっている。トランジスタQ3は、電源スイッチ15がONされると、電解槽10の状態にかかわらず一定時間ONの状態となる。すると必然的にトランジスタQ4もONとなり、SEPIC2に電流が供給される。
【0039】
DC−DCコンバータ11から発振されたPWM矩形波によって、SEPIC2のFETQ1がスイッチング駆動される。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、インダクタL2に蓄積されたエネルギーはダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。コンデンサC2に電位が発生すると、電流が電解槽10と接地抵抗R6を介して接地に流れる。DC−DCコンバータ11から発振されるPWM矩形波は、電解槽10を最適な状態で定電流制御できる電流値をSEPIC2から発生させることが可能なパルス幅を有するものである。
接地抵抗R6は、電解槽10を流れる電流を検出するための抵抗で、電解槽10を流れる電流に比例した電圧を発生する。この電圧は、ローパスフィルタ5を介してDC−DCコンバータ11のF.B(フィールドバック)端子に印加される。なお、DC−DCコンバータ11は内部に基準電圧発生器を備えており、DC−DCコンバータ11はF.B端子に印加される電圧が常に一定になるように、FETQ1に供給されるPWM矩波形のパルス幅を制御する。
電解槽10の定電流制御が行われている状態では、常時電解槽10の陽極側の電圧値と陰極側の電圧値はそれぞれローパスフィルタ4,5を介して電位比較手段12へ供給される。
【0040】
電位比較手段12は、入力された電解槽10の両極間電位差が所定値(電解槽10を定電流制御することが可能な電解槽10の両極間電位差の最小値)を下回った(電解槽10に短絡状態が発生した)場合、DC−DCコンバータ11のCNTRL端子へその動作を停止させる信号を送信し、DC−DCコンバータ11を停止させる。同時に、電位比較手段12は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解中止を使用者に知らせる。
一方、電位比較手段12は、入力された電解槽10の両極間電位差が所定値(電解槽10を定電流制御することが可能な電解槽10の両極間電位差の最大値)を上回った(電解槽10にオープン状態が発生した)場合も、DC−DCコンバータ11のCNTRL端子へその動作を停止させる信号を送信し、DC−DCコンバータ11を停止させる。同時に、電位比較手段12は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解中止を使用者に知らせる。また、このとき、トランジスタQ4がOFFになり、さらに一定時間後に供給電流停止手段13のトランジスタQ3もOFFになる。この結果、SEPIC2に供給される電流が停止し、電解槽10への電流供給も停止する。
【0041】
本実施の形態の電解槽制御装置は、実施の形態1に示した装置のような電解槽10の定電流制御に最適な諸条件を自動的に取得する学習機能は備えていない。しかし、使用する電解槽の定電流制御に最適な諸条件をあらかじめ把握しているような場合には、本実施の形態の電解槽制御装置でも十分である。
本実施の形態の電解槽制御装置は、実施の形態1に示した装置のように、CPUを備えていないことから、電位比較手段12、供給電流停止手段13、電解槽運転遅延手段14等を備える必要がある分だけ装置の回路規模が大きくなる。それでも、1つの回路構成で2種類の電解槽の障害検出が可能なことを考慮すれば、装置の小型化は十分達成できている。
【0042】
次に、本発明の電解槽制御装置の適用例を示す。図4は、本発明の電解槽制御装置の一適用例を示す図である。これは、本発明の電解槽制御装置を電解水噴霧器に適用したものである。この電解水噴霧器は、電解質水溶液タンク21、電解質水溶液供給管22、ポンプ23、電解槽10、陽極電解水取出管24、噴霧器25、陰極電解水取出管26、廃液タンク27、電解水量設定部28、電解槽制御装置29、および電源30を含み構成されている。電解槽制御装置29は、図1または3に示した電解槽制御装置である。本発明の電解槽制御装置をこのような電解水噴霧器に適用すれば、小型・省電力で携帯性に富み、低コストで安全な電解水噴霧器を実現できる。
【0043】
電解質水溶液タンク21の内部には、電解質水溶液31が貯留される。電解質水溶液31は、水溶性電解質を0.1〜0.5質量%程度含有している。このような電解質水溶液31は、市水や、蒸留水、脱イオン水等の精製水(純水)に、水溶性電解質を前記濃度範囲溶解させることにより調整される。電解質水溶液31は、電解質水溶液供給管22に介装されたポンプ23の駆動により電解質水溶液供給管22通って電解槽10に送られる。
【0044】
電解槽10において電解されて生成した陽極電解水は陽極電解水取出管24を通って噴霧器25に送られ、ここから装置外に噴霧される。噴霧器25には特に制限は無く、種々のものが使用可能である。また、電解槽10で生成した陰極電解水は陰極電解水取出管26を通って廃液タンク27に溜められる。
【0045】
電解水量設定部28はポテンショメータ等を含み構成されており、ポンプ23の送液量を任意に設定する。電解槽制御装置29は、電解槽10に電力等を供給し制御を行う。特に、電解槽制御装置29に実施の形態1の装置を用いれば、電解水量設定部28で設定されたポンプ送液量の設定値に最適な電解槽10の定電流制御のための諸条件(電流値データ、電解槽10の両極間電位差データの最大最小値)を自動的に求めることが可能である。電源30は、電解水噴霧器に電力を供給するものである。電源30としては、特に制限はない。ただし、携帯に資するためには、繰返し使用可能な充電式の電池が好ましい。
【0046】
なお、この電解水噴霧器では、陽極電解水取出管24に噴霧器25を取付け、陰極電解水取出管26に廃液タンク27を取付けているが、これらを逆に取付け、陰極電解水が噴霧されるようにしてもよい。さらに、噴霧器25を取付けることなく直接各管24,26からそれぞれの電解水を採取できるようにすれば、電解水生成器として用いることができる。
また、陽極電解水と陰極電解水とを分離することなく、これらを一緒に取り出し、滅菌、殺菌等の各種用途に利用することもできる。
【0047】
以上、本発明の一実施形態を図面に沿って説明した。しかしながら本発明はこの実施の形態に示した事項に限定されず、特許請求の範囲の記載に基づいてその変更、改良等が可能であることは云うまでもない。
例えば、前述の電解槽10は内部に隔膜のない構造のものを用いたが、隔膜が設けられた構造のものを使用してもよい。隔膜は陽極電解水と陰極電解水とが混合するのを防止する役割を果たすものであり、かつ電解電流が伝わる材料で構成されている。電解槽10の隔膜としては、イオン交換膜や、無電荷膜等、電解隔膜として従来使用されているものが適宜使用できる。
また、実施の形態1に示した電解槽制御装置では、ROM6,RAM7をCPU1とは別体のものとしているが、これらを一体的に構成することも可能である。
【0048】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、電解槽の障害発生を容易に検出し、安全な電解槽の運転が可能な電解槽制御方法を提供できる。また、その方法を実現するための、小型・省電力で携帯性に富み、低コストの電解槽制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1にかかる電解槽制御装置の回路構成を示す図である。
【図2】実施の形態1の電解槽制御装置における電解槽の制御方法の手順を示すフローチャートである。
【図3】実施の形態2にかかる電解槽制御装置の回路構成を示す図である。
【図4】本発明の電解槽制御装置の一適用例を示す図である。
【図5】従来の電解槽制御装置の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
1 CPU
2、42 SEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)
3 電流平滑化手段
4、5、43 ローパスフィルタ
6 ROM
7 RAM
8 表示手段
10、40 電解槽
11、41 DC−DCコンバータ
12 電位比較手段
13 供給電流停止手段
14 電解槽運転遅延手段
15 電源スイッチ
21 電解質水溶液タンク
22 電解質水溶液供給管
23 ポンプ
24 陽極電解水取出管
25 噴霧器
26 陰極電解水取出管
27 廃液タンク
28 電解水量設定部
29 電解槽制御装置
30 電源
31 電解質水溶液
C1〜C5、C11〜C13 コンデンサ
D1、D2、D11 ダイオード
L1〜L3、L11 インダクタ
Q1 FET
Q2〜Q4、Q11 トランジスタ
R1〜R15 抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質水溶液を電解して、陽極電解水、陰極電解水を生成する電解槽の制御方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
イオン交換樹脂を膜状にした荷電膜やマイクロポーラス構造を有する非荷電膜の隔膜や、白金合金等からなる不活性電極を内部に配置した電解槽を用いて、電解質の希薄水溶液を電解し、陽極側で電解生成されるpH値の低い陽極電解水を取り出し、これを消毒等に利用する技術は既によく知られている。特に、陽極電解水はその中に次亜塩素酸が生成されることから、その強力な酸化作用と塩素化作用がよく利用される。
【0003】
図5は、従来技術による電解槽制御装置の回路構成を示す図である(例えば、特許文献1に記載の回路に特許文献2に記載の電解槽を組み込んだ構成)。この電解槽制御装置は、電解槽40の他、DC−DCコンバータ41と、抵抗R11、インダクタL11、コンデンサC11、トランジスタQ11、ダイオードD11からなるSEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)42と、コンデンサC12、抵抗R12,R13からなるローパスフィルタ43と、コンデンサC13と、接地抵抗R14と、抵抗R15と、を備えて構成される。
この電解槽制御装置は、まず、DC−DCコンバータ41からPWM(Pulse Width Modulation)矩形波を発振し、トランジスタQ11をスイッチング駆動する。このスイッチング駆動によってインダクタL11に蓄積されたエネルギーは、トランジスタQ11、ダイオードD11がターンオフすると、コンデンサC11に蓄積される。コンデンサC11に電位が発生すると、電流が電解槽40と接地抵抗R14を介して接地に流れる。接地抵抗R14は電流検出抵抗で、電解槽40を流れる電流に比例した電圧を発生する。この電圧は、ローパスフィルタ43を介してDC−DCコンバータ41のF.B(フィールドバック)端子に印加される。なお、DC−DCコンバータ41は、内部に基準電圧発生器を備えており、F.B端子に印加される電圧が常に一定になるように、トランジスタQ11に対し供給するPWM矩波形のパルス幅を制御する。
ここでは詳細な数値は省略するが、接地抵抗R14のみがPWM制御の負荷となり、接地抵抗R14の抵抗値は電解槽40のインピーダンスとは無関係になる。また、インダクタL11、コンデンサC11,C12の容量は、PWM矩波形の周波数を決めるC/R(クロックレジスタ)端子に接続する抵抗R15の抵抗値、コンデンサC13の容量に依存する。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−66017号公報(図1)
【特許文献2】
特公第2990993号公報(第4〜6頁)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の電解槽制御装置は、電解水を使用する場所に固定されるタイプのものが多く、比較的大型であるうえ、以下の問題点がある。
(1)電源電圧値VCCが、次式を満足する状態になければ、電解槽40の定電流制御ができない。
(接地抵抗R14の抵抗値+電解槽40のインピーダンス)×電解槽40の制御電流値+ダイオードD11の入出力端の電位差≧電源電圧値VCC
(2)(1)に関連して、電解槽40がなんらかの原因で短絡した場合の対策として、接地抵抗R14の許容損失が大きくなるようにしなければならない。
(3)さらに、電解槽40がなんらかの原因でオープンとなった場合に電解槽40の両極間電位差が過大となることに備えて、コンデンサC11の許容耐圧電圧を大きくする必要がある。
以上を原因とする装置全体の消費電力が大きくなる。
【0006】
本発明は、上記のような従来技術の有する問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、安全な電解槽の運転を可能にする電解槽制御方法、およびこれを実現するための小型・省電力で携帯性に富む電解槽制御装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項1にかかる電解槽制御方法は、内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御方法であって、前記電解槽を定電流制御するための最適な電流値データ、および前記電解槽を定電流制御するための最適な前記電解槽の両極間電位差データを取得する第1の工程と、前記第1の工程で取得した電流値データに基づき前記電解槽の定電流制御を行う第2の工程と、前記電解槽の両極間電位差を実測し、この実測値と前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データとを比較し、前記電解槽の障害発生を検出する第3の工程と、を含むことを特徴とする。
【0008】
本発明の請求項2にかかる電解槽制御方法は、請求項1に記載の電解槽制御方法において、前記第3の工程が、前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最小値を下回った場合には、前記電解槽に短絡状態が発生したことを検出し、また、前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最大値を上回った場合には、前記電解槽にオープン状態が発生したことを検出することを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3にかかる電解槽制御方法は、請求項2に記載の電解槽制御方法において、前記電解槽にオープン状態が発生した場合は、前記電解槽の定電流制御を停止した後、前記電解槽の定電圧制御を開始し、前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最大値以下になった場合に、前記第1の工程で取得した電流値データに基づく前記電解槽の定電流制御を再開することを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4にかかる電解槽制御装置は、内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御装置であって、前記電解槽に電流を供給するコンバータと、前記電解槽を流れる電流を検出するための抵抗と、前記コンバータの動作を制御する矩形波を発振し、かつ、前記電解槽の両極間電位差を測定しこの測定値に基づき前記コンバータを介して前記電解槽の運転を制御するCPUと、
を備えたことを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項5にかかる電解槽制御装置は、請求項4に記載の電解槽制御装置において、前記コンバータと前記電解槽との間にリプル電流を除去する電流平滑化手段を設けたことを特徴とする。
【0012】
本発明の請求項6にかかる電解槽制御装置は、内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御装置であって、前記電解槽に電流を供給する第1のコンバータと、前記電解槽を流れる電流を検出するための抵抗と、前記電解槽の両極間電位差を検出する電位比較手段と、前記第1のコンバータの動作を制御する矩形波を発振し、かつ、前記電位比較手段の検出結果に基づき前記第1のコンバータを介して前記電解槽の運転を制御する第2のコンバータと、を備えたことを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項7にかかる電解槽制御装置は、請求項6に記載の電解槽制御装置において、前記電位比較手段は、前記電解槽の両極間電位差が所定領域値から外れた場合に、前記第2のコンバータに対しその動作を停止させる信号を送信することを特徴とする。
【0014】
本発明の請求項8にかかる電解槽制御装置は、請求項6または7に記載の電解槽制御装置において、前記第1のコンバータと前記電解槽との間にリプル電流を除去する電流平滑化手段を設けたことを特徴とする。
【0015】
本発明の請求項9にかかる電解槽制御装置は、請求項6ないし8の何れかに記載の電解槽制御装置において、前記電解槽がオープンの場合に、前記第1のコンバータに供給する電流を停止する供給電流停止手段を備えたことを特徴とする。
【0016】
本発明の請求項10にかかる記憶媒体は、請求項1ないし3の何れかに記載の電解槽制御方法を実行可能なプログラムが記憶されたものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図示した一実施の形態に基づき、本発明を詳細に説明する。
【0018】
(実施の形態1)
本実施の形態は、請求項4および5にかかる電解槽制御装置に関する。図1は、本実施の形態にかかる電解槽制御装置の構成を示す図である。本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の他、CPU1、SEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)2、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、ROM6、RAM7、表示手段8、および接地抵抗R6を含み構成される。
【0019】
CPU1はSEPIC2の動作を制御するPWM矩形波を発振し、かつ、電解槽10の両極間電位差を測定しこの測定値に基づきSEPIC2を介して電解槽10の運転を制御する。また、CPU1は内部に少なくとも2つのA/D変換手段を備えている。
【0020】
SEPIC2は、コンデンサC1,C2、ダイオードD1、インダクタL1,L2、FETQ1、および抵抗R1を含み構成され、電解槽10に印加する電圧の昇圧・降圧を行う。
このSEPIC2は、CPU1から発振されるPWM矩波形によりFETQ1をスイッチング駆動する。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、ダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。このため、電源電圧値VCCが、次式を満足しなくても、電解槽10の定電流制御が可能になる。
(接地抵抗R6の抵抗値+電解槽10のインピーダンス)×電解槽10の制御電流値+ダイオードD1の入出力端の電位差≧電源電圧値VCC
また、このSEPIC2で電解槽10に印加する電圧の昇圧・降圧を行うことができるため、接地抵抗R6の許容損失を考慮する必要はなく、接地抵抗R6に比較的抵抗値の小さいものを採用できる。
また、このSEPIC2で電解槽10に印加する電圧の昇圧・降圧を行うことができるため、例えばなんらかの原因で電解槽10にオープン状態が発生し電解槽10の両極間電位差が過大となることに備えて、コンデンサC2の許容耐圧電圧を大きくする必要はない。
本実施の形態の装置では、このようなSEPIC2を設けたため、消費電力の小さい部材を使用でき、装置全体の消費電力の低減化が可能になる。
【0021】
電流平滑化手段3はSEPIC2からの電流に含まれるリプル電流を低減するためのものであり、インダクタL3からなる。電流平滑化手段3を挿入すると、交流動作には抵抗として作用し、電解槽10へ流れるリプル電流を低減できる。
なお、一般的には接地抵抗に対し並列にコンデンサを挿入してもリプル電流の低減が可能である。しかし、本実施の形態の装置ではSEPIC2を採用しているため、接地抵抗R6に比較的抵抗値の小さいものを用いることができる。このため、本実施の形態の場合、接地抵抗R6に対し並列にコンデンサを挿入しても、このコンデンサではリプル電流の低減はあまり期待できないので、SEPIC2と電解槽10との間に電流平滑化手段3を挿入することが好ましい。
【0022】
電解槽10は、内部に陽極と陰極を備えている。前記陽極、陰極は電気化学的に不活性な金属材料で形成されている。電極材料としては、白金、白金合金等が好ましい。そして、電解槽10は、前記陽極と陰極との間に隔膜を介在させることなく両極を近接させて平行に配置し、陽陰両極間に電解質水溶液を連続的に供給すると共に、両極間に電流を流して電解質水溶液を電解し、陽極の下流側で陽極電解水を連続的に取り出す構造となっている。この電解槽10には、例えば、特開平6−246272号公報に示されているもの等を用いることができる。
【0023】
ローパスフィルタ4は、抵抗R2,R3とコンデンサC3からなる。また、ローパスフィルタ5は、抵抗R4,R5とコンデンサC4からなる。ローパスフィルタ4,5は、それぞれCPU1のA/D(アナログ/ディジタル変換手段への入力端子)1,A/D2へ入力される遮断周波数以上の周波数の信号を減衰させるものである。
【0024】
ROM6は、本実施の形態の電解槽制御装置を動作させる所定のプログラムが格納されている記憶媒体である。RAM7は、本実施の形態の電解槽制御装置の動作により取得される各種データを格納しておくための記憶媒体である。また、表示手段8は、電解槽10の運転状況を表示し、装置の使用者に知らせるためのものであり、LED、液晶等が用いられる。
【0025】
次に、図2を参照して、本実施の形態の電解槽制御装置を用いた電解槽の制御方法を説明する。この方法は、請求項1〜3に関するものである。図2は、この方法を実行するための手順を示すフローチャートである。
【0026】
1)まず、本実施の形態の装置では、CPU1が、ROM6に格納されているプログラムに基づき、PMW(Pulse Width Modulation)矩波形を発振し,SEPIC2を構成するFETQ1をスイッチング駆動する。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、ダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。コンデンサC2に電位が発生すると、電流が電解槽10と接地抵抗R6を介して接地に流れる。接地抵抗R6は、電解槽10を流れる電流を検出するための抵抗で、電解槽10を流れる電流に比例した電圧を発生する。このようにして電解槽10が運転を開始した後、CPU1は前記プログラムに基づき所定の時間ごとに、電解槽10の両極の電圧値と、電解槽10を流れる電流値を取得する。電解槽10の陽極側の電圧値はCPU1のA/D1から取得し、電解槽10の陰極側の電圧値はCPU1のA/D2から取得する。また、電解槽10を流れる電流値はCPU1のA/D2から取得する。そして、CPU1はそのようにして取得した各値のうち、電解槽10に障害(短絡・オープン)が発生しなかった場合のもののみをRAM7に記憶する。これにより、電解槽10を正常な状態で定電流制御することが可能な電解槽10の両極の電圧値、および電解槽10を流れる電流値の範囲が得られる。
一般に、電解槽10が短絡状態になると電解槽10の両極間電位差は低下し、電解槽10がオープン状態になると電解槽10の両極間電位差は上昇する。そこで、この工程では、先に収集した電解槽10の両極の電圧値から電解槽10を正常状態で定電流制御が可能な電解槽10の両極間電位差データを取得する。そして、この両極間電位差データから電解槽10を正常状態で定電流制御が可能な電解槽10の両極間電位差の限界値(最大値、最小値)を抽出し、これをRAM7に記憶させ、後述する電解槽10に生じる短絡・オープンの検出に備える。
次に、CPU1が前記プログラムに基づき、RAM7に記憶した電流値の平均値を求め、この値とあらかじめROM6に記憶されている電解槽制御のための目標とする電流値(例えば、100mA)との差分をとり、所定の演算によって電解槽10を定電流制御するための最適な電流値データを取得する。この電流値データは、例えば次のような演算を行うことにより求められる。
E(z−1)=R(z−1)−Y(z−1) ・・・(1)
U(z−1)=k(1+bz−1)・E(z−1)/(1・z−1) ・・・(2)
ただし、z−1は離散時間系の演算子(連続時間系のs(ラプラス演算子)に相当)、R(z−1)は目標とする電流値、Y(z−1)は実測した電流値の平均値、U(z−1)は最適な電解槽10の定電流制御を行うための電流値、E(z−1)は制御エラー、k,bは比例定数を示す。
そして、このようにして取得した電流値データをCPU1のPWMポートに書き込む。(以上、ステップS1)
【0027】
2)CPU1は、ステップS1においてPWMポートに書き込まれた電流値データに基づき、この電流値を発生させることが可能なパルス幅のPWM矩波形を発振し、SEPIC2を構成するFETQ1をスイッチング駆動する。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、インダクタL2に蓄積されたエネルギーはダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。コンデンサC2に電位が発生すると、電流が電解槽10と接地抵抗R6を介して接地に流れる。加えて、万一、電解槽10のインピーダンスが変化しても電解槽10の定電流制御を続行可能にするため、CPU1は、ROM6に格納されているプログラムにより、A/D2の電圧が一定になるように制御する。このようにすることで、電解槽10の定電流制御が開始される(以上、ステップS2)。
【0028】
3)CPU1は電解槽10が定電流制御されているときには、A/D1への入力電圧を常時監視する。そして、CPU1はA/D1のA/D2に対する電位差とステップS1で取得した電位差データの最小値とを比較する。A/D1のA/D2に対する電位差がステップS1で取得した電位差データの最小値を下回った場合、CPU1は電解槽10に短絡状態が発生したことを検出する(以上、ステップS3)。電解槽10に短絡状態が発生した場合は、ステップS4へ進む。電解槽10に短絡状態が発生していない場合には、ステップS5へ進む。
【0029】
4)電解槽10に短絡状態が発生した場合、CPU1はPWM制御を停止し、電解槽10の運転を停止させる。あわせて、CPU1は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解中止を使用者に知らせる。(以上、ステップS4)。
【0030】
5)電解槽10に短絡状態が発生していない場合、CPU1はA/D1のA/D2に対する電位差とステップS1で取得した電位差データの最大値とを比較する。A/D1のA/D2に対する電位差がステップS1で取得した電位差データの最大値を上回った場合、CPU1は電解槽10にオープン状態が発生したことを検出する。あわせて、CPU1は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解槽10にオープン状態が発生したことを使用者に知らせる(以上、ステップS5)。電解槽10にオープン短絡状態が発生した場合は、ステップS6へ進む。電解槽10にオープン状態が発生していない場合には、ステップS3へ戻り、処理を続行する。
【0031】
6)電解槽10にオープン状態が発生した場合、CPU1は、ROM6に格納されているプログラムに基づき、A/D1の電圧が一定になるようにフィードバック制御を開始する。例えば、不感帯をもたせたバング・バング制御により、A/D1の電圧が12±0.5Vになるように、CPU1は発振するPWM矩波形のパルス幅を制御する(±0.5Vが不感帯で、12.5Vを上回った場合CPU1は発振するPWM矩波形のパルス幅を縮小し、12.5Vを下回った場合CPU1は発振するPWM矩波形のパルス幅を拡大する)。このようにすることで、コンデンサC2−GND間の電圧を一定にし、電解槽10の定電圧制御を開始する。あわせて、CPU1は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解槽10の定電圧制御に移行したことを使用者に知らせる(以上、ステップS6)。
【0032】
7)電解槽10の定電圧制御に移行すると、CPU1はA/D2端子を介して接地抵抗R6における電圧降下の監視を開始する。そして、CPU1は、この値とステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値(RAM7に記憶されている)とを比較する。接地抵抗R6における電圧降下がステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値以下になると、CPU1は電解槽10のオープン状態が解消したと判断し、ステップS2へ戻り、電解槽10の定電流制御を再開する。あわせて、CPU1は、表示手段8に表示された電解槽10が定電圧制御中であることを示すパタンを消す。ROM6に格納されているプログラムに規定された時間が経過しても、接地抵抗R6における電圧降下がステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値以下にならない場合、ステップS8へ進む(以上、ステップS7)。
【0033】
8)ROM6に格納されているプログラムに規定された時間が経過しても、接地抵抗R6における電圧降下がステップS1において取得した電解槽10の両極間電位差データの最大値以下にならない場合、CPU1は電解槽10の定電圧制御を停止し、電解槽10の運転を停止する(以上、ステップS8)。
【0034】
本実施の形態の電解槽制御装置は、以上のような工程を経ることにより、電解槽10の障害発生(短絡・オープン)を容易に検出できる。電解槽10に障害が発生した場合には、自動的に電解槽10の運転を停止する。ただ、電解槽10のオープン状態発生時には、プログラムに規定された時間内にかかる障害が解消された場合に限り、電解槽10の定電流制御を自動的に再開する。このようにすることで、本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の安全な運転を担保している。
本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の運転開始時に、まず、最適な電解槽10の定電流制御を実行するための電解槽10に特有の諸条件(電流値データ、電解槽10の両極間電位差データの最大最小値等)を取得できる、いわゆる学習機能を備えている。したがって、特定の性質を備えた電解槽に限らず、各種電解槽に適用可能である。
本実施の形態の電解槽制御装置は、SEPIC2と電解槽10との間に電流平滑化手段3を設けたことにより、電解槽10へ流れるリプル電流を低減し、電解槽10の良好な運転を可能にする。
本実施の形態の電解槽制御装置は、SEPIC2を備えることにより、従来消費電力増大の原因となっていたコンデンサC2や接地抵抗R6に消費電力の小さいものを用いることができ、装置全体の消費電力の低減化が可能になる。
本実施の形態の電解槽制御装置は、小規模で単純な回路構成ながらも電解槽の短絡・オープン状態を容易に検出できることから、装置の小型化、製造工程の簡略化に資するものであり、製造コストの低減化を促進するものである。
【0035】
(実施の形態2)
本実施の形態は、請求項6ないし9にかかる電解槽制御装置に関する。図3は、本実施の形態にかかる電解槽制御装置の構成を示す図である。以下、実施の形態1に示した装置に用いた部材と同一の部材については同一の符号を付して説明する。本実施の形態の電解槽制御装置は、電解槽10の他、SEPIC2(第1のコンバータ)、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、表示手段8、DC−DCコンバータ11(第2のコンバータ)、電位比較手段12、供給電流停止手段13、電解槽運転遅延手段14、電源スイッチ15、トランジスタQ4、および接地抵抗R6を含み構成される。
【0036】
DC−DCコンバータ11は、SEPIC2の動作を制御するPWM矩形波を発振し、かつ、電位比較手段12の検出結果に基づきSEPIC2を介して電解槽10の運転を制御する。
SEPIC2、電流平滑化手段3、ローパスフィルタ4,5、表示手段8、電解槽10、および接地抵抗R6は、実施の形態1の装置のものと同様である。
電位比較手段12は、電解槽10の両極間電位差が所定領域値から外れた場合に、DC−DCコンバータ11に対しその動作を停止させる信号を送信する。
供給電流停止手段13は、トランジスタQ2、コンデンサC5、ダイオードD2、抵抗R7,R8により構成されており、電解槽10がオープン状態となった場合に、SEPIC2に供給する電流を停止する。
電解槽運転遅延手段14は、トランジスタQ3、抵抗R9,R10により構成されており、電源スイッチ15がONの時、あらかじめ設定した時間を経過させた後にSEPIC2へ電流を供給しSEPIC2への突入電流を低減する。
【0037】
次に、本実施の形態の電解槽制御装置の動作を説明する。本実施の形態の電解槽制御装置は、実施の形態1のものとは異なり、CPUを用いず、あらかじめ電解槽10の定電流制御に最適な電流値、およびこのときの電解槽10の両極間電位差の範囲(最大値、最小値)が明確である場合に、適用が可能なものである。
【0038】
本実施の形態の電解槽制御装置では、供給電流停止手段13のトランジスタQ3と電解槽運転遅延手段14のトランジスタQ4とがワイヤードORになっている。トランジスタQ3は、電源スイッチ15がONされると、電解槽10の状態にかかわらず一定時間ONの状態となる。すると必然的にトランジスタQ4もONとなり、SEPIC2に電流が供給される。
【0039】
DC−DCコンバータ11から発振されたPWM矩形波によって、SEPIC2のFETQ1がスイッチング駆動される。FETQ1がスイッチング駆動されると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーがインダクタL2に蓄積される。そして、インダクタL2に蓄積されたエネルギーはダイオードD1を介してコンデンサC2に電位を発生させる。コンデンサC2に電位が発生すると、電流が電解槽10と接地抵抗R6を介して接地に流れる。DC−DCコンバータ11から発振されるPWM矩形波は、電解槽10を最適な状態で定電流制御できる電流値をSEPIC2から発生させることが可能なパルス幅を有するものである。
接地抵抗R6は、電解槽10を流れる電流を検出するための抵抗で、電解槽10を流れる電流に比例した電圧を発生する。この電圧は、ローパスフィルタ5を介してDC−DCコンバータ11のF.B(フィールドバック)端子に印加される。なお、DC−DCコンバータ11は内部に基準電圧発生器を備えており、DC−DCコンバータ11はF.B端子に印加される電圧が常に一定になるように、FETQ1に供給されるPWM矩波形のパルス幅を制御する。
電解槽10の定電流制御が行われている状態では、常時電解槽10の陽極側の電圧値と陰極側の電圧値はそれぞれローパスフィルタ4,5を介して電位比較手段12へ供給される。
【0040】
電位比較手段12は、入力された電解槽10の両極間電位差が所定値(電解槽10を定電流制御することが可能な電解槽10の両極間電位差の最小値)を下回った(電解槽10に短絡状態が発生した)場合、DC−DCコンバータ11のCNTRL端子へその動作を停止させる信号を送信し、DC−DCコンバータ11を停止させる。同時に、電位比較手段12は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解中止を使用者に知らせる。
一方、電位比較手段12は、入力された電解槽10の両極間電位差が所定値(電解槽10を定電流制御することが可能な電解槽10の両極間電位差の最大値)を上回った(電解槽10にオープン状態が発生した)場合も、DC−DCコンバータ11のCNTRL端子へその動作を停止させる信号を送信し、DC−DCコンバータ11を停止させる。同時に、電位比較手段12は、表示手段8に所定のパタンを発生させ、電解中止を使用者に知らせる。また、このとき、トランジスタQ4がOFFになり、さらに一定時間後に供給電流停止手段13のトランジスタQ3もOFFになる。この結果、SEPIC2に供給される電流が停止し、電解槽10への電流供給も停止する。
【0041】
本実施の形態の電解槽制御装置は、実施の形態1に示した装置のような電解槽10の定電流制御に最適な諸条件を自動的に取得する学習機能は備えていない。しかし、使用する電解槽の定電流制御に最適な諸条件をあらかじめ把握しているような場合には、本実施の形態の電解槽制御装置でも十分である。
本実施の形態の電解槽制御装置は、実施の形態1に示した装置のように、CPUを備えていないことから、電位比較手段12、供給電流停止手段13、電解槽運転遅延手段14等を備える必要がある分だけ装置の回路規模が大きくなる。それでも、1つの回路構成で2種類の電解槽の障害検出が可能なことを考慮すれば、装置の小型化は十分達成できている。
【0042】
次に、本発明の電解槽制御装置の適用例を示す。図4は、本発明の電解槽制御装置の一適用例を示す図である。これは、本発明の電解槽制御装置を電解水噴霧器に適用したものである。この電解水噴霧器は、電解質水溶液タンク21、電解質水溶液供給管22、ポンプ23、電解槽10、陽極電解水取出管24、噴霧器25、陰極電解水取出管26、廃液タンク27、電解水量設定部28、電解槽制御装置29、および電源30を含み構成されている。電解槽制御装置29は、図1または3に示した電解槽制御装置である。本発明の電解槽制御装置をこのような電解水噴霧器に適用すれば、小型・省電力で携帯性に富み、低コストで安全な電解水噴霧器を実現できる。
【0043】
電解質水溶液タンク21の内部には、電解質水溶液31が貯留される。電解質水溶液31は、水溶性電解質を0.1〜0.5質量%程度含有している。このような電解質水溶液31は、市水や、蒸留水、脱イオン水等の精製水(純水)に、水溶性電解質を前記濃度範囲溶解させることにより調整される。電解質水溶液31は、電解質水溶液供給管22に介装されたポンプ23の駆動により電解質水溶液供給管22通って電解槽10に送られる。
【0044】
電解槽10において電解されて生成した陽極電解水は陽極電解水取出管24を通って噴霧器25に送られ、ここから装置外に噴霧される。噴霧器25には特に制限は無く、種々のものが使用可能である。また、電解槽10で生成した陰極電解水は陰極電解水取出管26を通って廃液タンク27に溜められる。
【0045】
電解水量設定部28はポテンショメータ等を含み構成されており、ポンプ23の送液量を任意に設定する。電解槽制御装置29は、電解槽10に電力等を供給し制御を行う。特に、電解槽制御装置29に実施の形態1の装置を用いれば、電解水量設定部28で設定されたポンプ送液量の設定値に最適な電解槽10の定電流制御のための諸条件(電流値データ、電解槽10の両極間電位差データの最大最小値)を自動的に求めることが可能である。電源30は、電解水噴霧器に電力を供給するものである。電源30としては、特に制限はない。ただし、携帯に資するためには、繰返し使用可能な充電式の電池が好ましい。
【0046】
なお、この電解水噴霧器では、陽極電解水取出管24に噴霧器25を取付け、陰極電解水取出管26に廃液タンク27を取付けているが、これらを逆に取付け、陰極電解水が噴霧されるようにしてもよい。さらに、噴霧器25を取付けることなく直接各管24,26からそれぞれの電解水を採取できるようにすれば、電解水生成器として用いることができる。
また、陽極電解水と陰極電解水とを分離することなく、これらを一緒に取り出し、滅菌、殺菌等の各種用途に利用することもできる。
【0047】
以上、本発明の一実施形態を図面に沿って説明した。しかしながら本発明はこの実施の形態に示した事項に限定されず、特許請求の範囲の記載に基づいてその変更、改良等が可能であることは云うまでもない。
例えば、前述の電解槽10は内部に隔膜のない構造のものを用いたが、隔膜が設けられた構造のものを使用してもよい。隔膜は陽極電解水と陰極電解水とが混合するのを防止する役割を果たすものであり、かつ電解電流が伝わる材料で構成されている。電解槽10の隔膜としては、イオン交換膜や、無電荷膜等、電解隔膜として従来使用されているものが適宜使用できる。
また、実施の形態1に示した電解槽制御装置では、ROM6,RAM7をCPU1とは別体のものとしているが、これらを一体的に構成することも可能である。
【0048】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、電解槽の障害発生を容易に検出し、安全な電解槽の運転が可能な電解槽制御方法を提供できる。また、その方法を実現するための、小型・省電力で携帯性に富み、低コストの電解槽制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1にかかる電解槽制御装置の回路構成を示す図である。
【図2】実施の形態1の電解槽制御装置における電解槽の制御方法の手順を示すフローチャートである。
【図3】実施の形態2にかかる電解槽制御装置の回路構成を示す図である。
【図4】本発明の電解槽制御装置の一適用例を示す図である。
【図5】従来の電解槽制御装置の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
1 CPU
2、42 SEPIC(DC−DCのシングルエンド型一次インダクタンス・コンバータ)
3 電流平滑化手段
4、5、43 ローパスフィルタ
6 ROM
7 RAM
8 表示手段
10、40 電解槽
11、41 DC−DCコンバータ
12 電位比較手段
13 供給電流停止手段
14 電解槽運転遅延手段
15 電源スイッチ
21 電解質水溶液タンク
22 電解質水溶液供給管
23 ポンプ
24 陽極電解水取出管
25 噴霧器
26 陰極電解水取出管
27 廃液タンク
28 電解水量設定部
29 電解槽制御装置
30 電源
31 電解質水溶液
C1〜C5、C11〜C13 コンデンサ
D1、D2、D11 ダイオード
L1〜L3、L11 インダクタ
Q1 FET
Q2〜Q4、Q11 トランジスタ
R1〜R15 抵抗
Claims (10)
- 内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御方法であって、
前記電解槽を定電流制御するための最適な電流値データ、および前記電解槽を定電流制御するための最適な前記電解槽の両極間電位差データを取得する第1の工程と、
前記第1の工程で取得した電流値データに基づき前記電解槽の定電流制御を行う第2の工程と、
前記電解槽の両極間電位差を実測し、この実測値と前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データとを比較し、前記電解槽の障害発生を検出する第3の工程と、
を含むことを特徴とする電解槽制御方法。 - 前記第3の工程は、
前記電解槽の両極間電位差の実測値が、前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最小値を下回った場合には、前記電解槽に短絡状態が発生したことを検出し、
また、前記電解槽の両極間電位差の実測値が、前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最大値を上回った場合には、前記電解槽にオープン状態が発生したことを検出することを特徴とする請求項1に記載の電解槽制御方法。 - 前記電解槽にオープン状態が発生した場合は、前記電解槽の定電流制御を停止した後、前記電解槽の定電圧制御を開始し、
前記電解槽の両極間電位差の実測値が前記第1の工程で取得した前記電解槽の両極間電位差データの最大値以下になった場合に、前記第1の工程で取得した電流値データに基づく前記電解槽の定電流制御を再開することを特徴とする請求項2に記載の電解槽制御方法。 - 内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御装置であって、
前記電解槽に電流を供給するコンバータと、
前記電解槽を流れる電流を検出するための抵抗と、
前記コンバータの動作を制御する矩形波を発振し、かつ、前記電解槽の両極間電位差を測定しこの測定値に基づき前記コンバータを介して前記電解槽の運転を制御するCPUと、
を備えたことを特徴とする電解槽制御装置。 - 前記コンバータと前記電解槽との間にリプル電流を除去する電流平滑化手段を設けたことを特徴とする請求項4に記載の電解槽制御装置。
- 内部に陽極と陰極を備え、前記両極間に電解質水溶液を供給すると共に、前記両極間に電流を流して前記電解質水溶液を電解する電解槽の制御装置であって、
前記電解槽に電流を供給する第1のコンバータと、
前記電解槽を流れる電流を検出するための抵抗と、
前記電解槽の両極間電位差を検出する電位比較手段と、
前記第1のコンバータの動作を制御する矩形波を発振し、かつ、前記電位比較手段の検出結果に基づき前記第1のコンバータを介して前記電解槽の運転を制御する第2のコンバータと、
を備えたことを特徴とする電解槽制御装置。 - 前記電位比較手段は、前記電解槽の両極間電位差が所定領域値から外れた場合に、前記第2のコンバータに対しその動作を停止させる信号を送信することを特徴とする請求項6に記載の電解槽制御装置。
- 前記第1のコンバータと前記電解槽との間にリプル電流を除去する電流平滑化手段を設けたことを特徴とする請求項6または7に記載の電解槽制御装置。
- 前記電解槽がオープンの場合に、前記第1のコンバータに供給する電流を停止する供給電流停止手段を備えたことを特徴とする請求項6ないし8の何れかに記載の電解槽制御装置。
- 請求項1ないし3の何れかに記載の電解槽制御方法を実行可能なプログラムが記憶された記憶媒体。
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JP2002252611A JP2004091833A (ja) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | 電解槽制御方法および装置 |
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JP2007249341A (ja) * | 2006-03-14 | 2007-09-27 | Hitachi Ltd | 水素製造システム |
CN113403645A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-17 | 阳光电源股份有限公司 | 一种电解槽工作状态的确定方法、装置及控制器 |
-
2002
- 2002-08-30 JP JP2002252611A patent/JP2004091833A/ja active Pending
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