(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互配置の複数のアノードおよび複数のカソードを含み、カソード−アノード対のそれぞれがセルを形成し、
複数の電源を含み、各セルにそれぞれ１つ以上の電源が対応し、
該電源は、１つ以上のセルにおける直流を所定の値に調整するように構成されていることを特徴とする金属の電気的生産用装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、各電源には制御装置が対応し、該制御装置は、前記直流電流を制御して前記１つ以上のセルの電流密度が所定の値になるようにすることを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気的生産用装置において、前記電流は、セル内のカソード−アノード間隔、セルのカソード−アノード間電圧、該セルの電極サイズ、電極構成、電極平面度、電極品質、電極インピーダンス、温度、電解質濃度および電流・電圧特性の経時変化のうちの少なくとも１つの関数として制御することを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電気的生産用装置において、各制御装置は、その対応する電源に対応するか、またはその一部であることを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の電気的生産用装置において、各電源は電流測定装置(CT1)を含み、該電流測定装置による電流測定値に応じて前記電源の動作を対応する制御装置が制御することを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項６】
請求項２、４または５のいずれかに記載の電気的生産用装置において、前記電源の少なくともいくつかは、コンピュータとデータを交換する通信装置を含み、
前記制御装置または該コンピュータの１つ以上は、セルの電流および電圧の測定値に応じて該セルにバンプまたはスパイクが形成中であるか否かを判定することを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電気的生産用装置において、各セルは、それに隣接するセルと直列電流フローで連通していないことを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の電気的生産用装置において、前記１つ以上のアノードまたはカソードの２つの側部が電気的に互いに絶縁されており、前記電源の１つ以上は、該電源に対応するセルの前記アノードまたはカソードのそれぞれの側部に電流を与えるように構成されていることを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の電気的生産用装置において、N番目のアノードまたはカソード毎に所定の地電位に対する電圧もしくは地電位に保持することを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の電気的生産用装置において、該装置はさらに、少なくとも１つの降圧変圧器を含み、電源電圧を前記電源の入力する中間電圧に降圧し、前記変圧器は、２つの部分に分けることができ、一緒にする場合は電力の誘導結合を形成することを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１１】
請求項１ないし10のいずれかに記載の電気的生産用装置において、各電源は、対応するセルの電圧および電流の関係が短絡の発生または短絡が所定の時間枠内で発生する恐れのあることを示すときに電流を禁止するデータ処理装置を含むことを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１２】
請求項１ないし11のいずれかに記載の電気的生産用装置において、共通のアノードまたはカソードに複数の電源が接続され、それぞれの制御装置は、互いに協働して制御情報および所定の電流情報を共有することを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１３】
請求項１ないし12のいずれかに記載の電気的生産用装置において、アノードまたはカソードをサブ電極に分割し、各々にそれぞれの電源を与え、またはそれぞれの電流制御を行うことを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１４】
請求項１ないし13のいずれかに記載の電気的生産用装置において、少なくとも前記カソードのうちのいくつか、および/または前記アノードのうちのいくつかは、電解液槽内の電解液の上方に延伸する支持体から懸架され、該支持体から絶縁され、前記電源は、共振回路または擬似共振回路に対応するスイッチング周波数で駆動されるトランジスタを含み、前記スイッチング周波数は20kHzより高いことを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１５】
請求項１ないし14のいずれかに記載の電気的生産用装置において、アノード−カソード隙間が、前記セルの電流密度に応じて調節されることを特徴とする電気的生産用装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の電気的生産用装置において、電源、吊り棒、アノードおよびカソードの間の少なくともいくつかの接続体が、対応するそれぞれの導電表面を押圧する接点を含む電気的生産装置。
【請求項１７】
請求項16に記載の電気的生産装置において、前記接続体はピンであることを特徴とする電気的生産装置。
【請求項１８】
請求項16に記載の電気的生産装置において、前記接続体はバネ付勢されているか、もしくは弾性があることを特徴とする電気的生産装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、金属の電気的生産装置に関するものである。
【発明の背景】
【０００２】
電解精錬(ER)および電解採取(EW)において、電極を電解液に入れて、それらの間に電流を流す。アノードは正にし、カソードは負にして、電流が電解液を通ってアノードからカソードに流れるようにする。
【０００３】
電解製錬(ER)では金属アノードが溶解することがある。つまり、アノードとカソードの間の電位の影響で金属が電解液にはいる。例えば、銅の電解製錬では、アノードは銅製で、銅がアノードから電解液にはいる。このとき電解液中の金属は、電解液を通して、またはこれによってカソードまで到達し、これに堆積する。カソードは、堆積する金属と同じ金属であることがあり、また異なる金属のこともある。例えば、銅の電解製錬では、かつては銅製カソードを用いることが一般的であった。しかし、いまではステンレス鋼を用いることが一般的で、これは、銅被覆が迅速に出来、そうすれば実質的に銅製カソードとして機能する。カソードに堆積した銅は純度が高い。アノード金属中にあった不純物は、アノードの溶解につれて固形物として沈下し、有用な副産物、例えば金を含むことがある。銅の他に、ERで純化される金属には、金、銀、鉛、コバルト、スズその他の金属がある。
【０００４】
電解採取(EW)は、目的の金属をセルに入れてすでにこれが電解液に含まれている点で電解精錬と相違する。銅の例では、典型的には硫酸を用いて銅を酸化銅の形の鉱石から溶出させ、産出した濃縮後の濃縮液を電解採取セルに入れて銅を抽出する。アノードおよびカソードを電解液に入れ、それらの間に電流を流す。ここでも、アノードを正にし、カソードを負にする。電解採取では、アノードは溶解せず、不活性材料からなる。典型的には、銅の場合、鉛合金ノードを使用する。カソードは、電解液から抽出する金属と同じでよいか、または異なる材料でもよい。例えば銅の場合、銅製カソードも使用できるが、銅をすぐに被覆できるステンレス鋼カソードが一般に用いられる。電流の影響により、非採取金属が電解溶液を出てカソードに非常に高い純度で堆積する。この工程で電解液を交換し、その含有金属の大部分を捨てる。銅の他に、電解採取で得られる金属には、鉛、金、銀、亜鉛、クロム、コバルト、マンガン、アルミニウムおよびその他の金属がある。アルミニウムなどのいくつかの金属では、電解液は水溶液でなく溶融材料である。
【０００５】
関係する電圧および電流の例として、銅精錬では、セル電圧が一般に約0.3V、電流密度が平方メートル当たり約300アンペア、この場合の各電極の面積は約1平方メートルである。これらの数値は金属によってかなり異なる。しかし本発明は、すべての金属の精錬および採取に適用される。
【０００６】
ERセルとEWセルでは電気的特性が異なる。ERセルでは、カソードおよびアノードの過電位が相殺されてセルが抵抗特性を有する傾向にあり、この抵抗は、従前のシステムでは電解液抵抗が支配的である。EWセルでは、正味の過電位が０でなく、かなりアノードとカソードの間の電圧の大部分を構成することがある。しかしまた、電解液抵抗に起因する電圧降下がいくらかあることになる。これらの特性を図１３に示す。図１３は、例として銅のERおよびEWで見られる値のほぼ典型的なものを用いている。
【０００７】
図１４は、ERにおけるカソード電流とアノード・カソード間電圧の関係を示す図１３のER線の根拠を示す。ERでは、アノードおよびカソードの過電位が相殺されて、あるカソードとその隣接アノード(この例では、１つのカソードと電極隙間IEG1およびIEG2で分離された２つのアノード)の特性が0.5ミリオームの抵抗の特性で近似されるようにする。この抵抗は実質的に、並列な２つの1ミリオーム抵抗からなり、1ミリオームとは、２つのIEGのそれぞれの近似抵抗値である。
【０００８】
図１５ａはER状況を表わす電気回路を示す。全カソード電流をカソードの２つの側で分けて、電極隙間の抵抗およびさまざまな他の小抵抗に反比例するようにする。カソード電極の各側の面積は等しい。そこで、電極板の各側の電流密度は、IEGの抵抗(および他のわずかな抵抗寄与分)に反比例する。各IEGの抵抗は概ね、電極隙間(IEG)の幅に比例する。各IEGの幅が異なれば、カソードの各側の合計電流(したがって各側の電流密度も)も異なることになる。
【０００９】
図１５ｂは、EW状況を表わす電気回路を示す。図１３において、EWと示した線は、EWについてのカソード電流とアノード・カソード間電圧の関係を示す。この電極構成は図１４に示すのと同じである。図１３では、銅のEWについて正味の過電位が約1.5Vであるセルの正味過電位に等しい量だけEWの線は上方にずれている。他の金属では、これはもっと大きく、3.0Vを超えることさえある。そこでセルの総電圧は、正味過電位と電解液抵抗(および何らかの他の微小な抵抗寄与分)の電流通過に起因する電圧との和に等しくなる。EWについての近似的等価電気回路を図１５ｂに示す。先のERの場合のように、EWでは、制御された電源でそれぞれのIEGを個別に駆動しない限り、カソードの各側におけるIEG内の電解液における何らかの抵抗差によりカソードの各側における電流密度に不均衡が生じることがある。同様に、IEGのそれぞれにおける正味過電位がいくらか変動しても、各IEGに個別に給電しなければ、IEGに不均衡な電流密度が生じることになる。
【用語】
【００１０】
ERおよびEWでは、開始点は、槽に含まれる電解液においてカソードに並列なアノードである。しかし、多数のカソード板と多数のアノード板を使用して交互に配置し、全アノード板を並列に接続し、全カソード板を並列に接続し、単一の電解液槽に配置することがある。電気的には、これでも単一セルと同様であり、したがって工業的には一般にセルと称する。
【００１１】
ERおよびEW産業では、「セル」は、アノードおよびカソードを並列に配置した槽を意味するものとしてほとんど普遍的に使用されている。
【００１２】
ERおよびEW産業では、「槽」は、上述の「セル」と同じ意味でもあり、また文脈に応じてセル自体を意味することもある。
【００１３】
さて、並列電極板の数が示唆されていなければ、誤解の可能性がある。本発明は、１つのカソードと１つのアノードと１つの電極隙間(IEG)からなるセルに適用可能である。そこで、最も基本的なレベルでは、用語「セル」は単一のIEGと同義語であり得る。以下の記載において、「セル」は、電極隙間で分けられて協働する電極の意味に用いる。カソードの両側を金属堆積に使用する場合、２つのIEGを設けるには２つのカソードが必要である。カソードの表面積をさらに増せば、アノードおよびカソードの枚数を増さなければならず、したがってIEGも追加する。カソードの２倍のIEGがある。
【００１４】
まず図１を参照すると、全体を24で示す基本セルが示され、これは１つのカソード1と１つのアノード2と１つの電極隙間(IEG)3とからなる。カソード1およびアノード2は、槽5に含まれる電解液4に入れてある。
【００１５】
図２は、１つのカソード1および並列接続された２つのアノード2を示し、装置全体で２つのIEG 3を形成している。
【００１６】
槽ハウスでは、「槽」が直列に接続されている。したがって典型的なER槽ハウスは、250ボルトで36,000アンペアのオーダの電源が必要である。
【従来技術プロセスの問題点】
【００１７】
典型的なプロセスでは、多数のアノードとカソードが交互に配置されて正ブスバーおよび負ブスバーから並列に給電され、それぞれのアノード・カソード電極対に共通電圧源から効率的に給電されるようにする。これによって、セルの抵抗差に起因してセルの電流密度がばらつくことになる。この抵抗差は、とりわけ電極板間隔、電極内部抵抗、電極板とブスバーの間の接触抵抗、電極板の配列および平面度、電極板の状態、ならびに電解液状態の各値のばらつきにより生じる。
【００１８】
電気的生産工程の効率および速度は、セルの電流密度がある限界内に保てないと、悪影響を生じることがある。堆積する金属の品質も電流密度によって影響を受けることがある。
【００１９】
また、電流密度の調整が不十分であると、電極板上に金属スパイクが増殖することがあり、電極板間が短絡することがある。
【００２０】
通常、槽内の全アノードを並列に接続し、槽内の全カソードを並列に接続することで、多数のセルを並列に接続する。しかし、直並列接続や直列接続も可能である。そこで、あるセルの電流密度は、他のセルの状態に左右され、したがって理想状態から外れることがある。
【００２１】
電極は高精度で製作、配置して、セル特性を確実に均一にしなければならい。
【００２２】
あるセルで理想的な電流密度が他のセルでも理想的とは限らない。
【００２３】
あるセルで理想的な電圧が他のセルでも理想的とは限らない。
【００２４】
電解液濃度が経時的に変化して、あるセルの特性が電解精錬工程または電解採取行程中に動的に変化することがある。
【００２５】
セルへの電流は、大きな電流値でかなりの距離を配電される。導電体における損失が電流の自乗に比例するので、この過程はエネルギー損失がある。
【００２６】
各セルに印加される電圧は、とくに状態が変化しやすいセルを負荷として大電流ブスバーで長距離給電する場合、調整不良となることがある。
【００２７】
電極とブスバーの間の接触抵抗が実質的に変化して、電極板を通る電流および電極板の電流密度の調整不良となることがある。
【００２８】
あるシステム、例えば銅精錬の場合、鋼製カソードを使用することがあり、その場合、生じる堆積銅を剥がして電極板を再利用する。鋼製電極板は使用とともに経時的に劣化し、したがって内部抵抗も変化することがあり、したがって電極板を通る電流の調整不良、および電極板の電流密度の調整不良となる。
【００２９】
アノードの厚さと特性はクロップの際(すなわち電気的生産過程中)およびクロップの合間で変化し、個々のクロップのすべてについて理想的な電流密度を得るのが困難になる。
【発明の概要】
【００３０】
本発明の第１の特徴によれば、以下のような金属の電気的生産用装置が提供される。すなわち本装置は、交互配置の複数のアノードおよび複数のカソードを含み、カソード・アノード対のそれぞれがセルを形成し、また、複数の電源を含み、各セルにそれぞれ１つ以上の電源が対応し、これらの電源は、１つ以上のセルにおける直流を所定の値に調整するように構成されている。
【００３１】
本発明の第２の特徴によれば、以下のような電気的生産または電解精錬用装置が提供される。すなわち本装置は、第１および第２の電極と、少なくとも１つのブスバーと、少なくとも１つの電源とを含み、電源が電極に接続され、ブスバーから電極への電流供給を調整するように構成されている。
【００３２】
本発明の第３の特徴によれば、以下のような金属の電気的生産または電解精錬用装置が提供される。すなわち本装置は、第１の導電層および第２の導電層を含む電極を含み、第１の導電層および第２の導電層は電気的絶縁層で分離されている。
【００３３】
本発明の第４の特徴によれば、以下のような材料の電気的生産用装置が提供される。すなわち本装置は、第１および第２の電極と、それらの間の分離を次のうちの少なくとも１つの関数として制御する装置とを含み、この関数は、第１および第２の電極の間の電流・電圧特性の変化、電極状態、時間である。
【００３４】
本発明の第５の特徴によれば、電源、吊り棒および電極の間の少なくともいくつかの接続体が、協働する導電表面を押圧する接触体を含む電気的生産装置が提供される。
【００３５】
本発明の第６の特徴によれば、以下のような電気的生産装置が提供される。すなわち本装置は、複数の電極と、これらの電極のうちの少なくともいくつかに対応する電流センサと、電流測定値を出力または処理する出力回路またはデータ処理回路とを含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
さて、本発明の実施例を添付図面を参照して例として説明する。
【図１】基本セルまたはIGEの図である。
【図２】２つのアノードと１つのカソードで２つのIEGを形成する側面図である。
【図３】並列の複数のアノードと並列の複数のカソードの側面図である。
【図４】直列の複数の槽の上面図である。
【図５】IGE電圧が変化する本発明の実施例を構成する変換器配置の図である。
【図６】電極電圧を調整する本発明配置の実施例を構成する変換器の図である。
【図７ａ】ないし
【図７ｃ】電極板とブスバーの間に変換器またはレギュレータを挿入できるようすを示す電極の側面図である。
【図８】出力にブリッジ整流器を備えた変換器の回路図である。
【図９】中央タップ付き変圧器２次巻線の回路図である。
【図１０】バックレギュレータの回路図である。
【図１１】力率補正回路の回路図である。
【図１２】本発明の実施例によるセル制御システムの概略図である。
【図１３】ERセルおよびEWセルの電流対電圧特性のグラフである。
【図１４】図２に示す側面図でさらにERセル特性の電気的根拠を示す側面図である。
【図１５ａ】ERセルを表わす電気回路を示す図である。
【図１５ｂ】EWセルを表わす電気回路を示す図である。
【図１６】電極突起とブスバーの間にレギュレータが挿入された電極の前面図である。
【図１７】突起にレギュレータが組み込まれた電極の前面図である。
【図１８】２つのレギュレータが単一のレギュレータに統合され主電極を突起ビームで分離した電極の前面図である。
【図１９】図１８に示す実施例に複数のレギュレータを設けた変形例の図である。
【図２０】図１９に示す構成のより機械的に強固な構成を示す図である。
【図２１】図２０に示す構成の端面外観図である。
【図２２】図２０に示す構成でレギュレータが別の構成で配置されている端面外観図である。
【図２３】本発明の実施例により電極に対してバネ付勢ピンで接触する槽上方の支持バーで電源を配電できる様子を示す槽の側面図である。
【図２４】図２３に示す装置の上面図である。
【図２５】支持棒装置に２本以上の支持棒を用いる槽の上面図である。
【図２６】支持棒システムをカソード駆動装置に使用可能な様子を示す槽の側面図である。
【図２７】図２６に示す装置の上面図である。
【図２８】フレームを外して積み上げる様子を示す図である。
【図２９】本発明の更なる実施例による支持棒の構成を示す上面図である。
【図３０】支持棒・覆いの組立体の取り外し方を示す図である。
【図３１】アノードに載置された横部材の使用方法を示す３つの電極の上端部の側面図である。
【図３２】本発明の実施例による３層カソード板の端面図である。
【図３３】生産ラインフローにある槽内の電極板の移動手段を示す電極構造の上面図である。
【図３４】図３３に示す生産ラインフローの長手方向構成の図である。
【図３５】アノード、カソードおよび電源を一緒に動かす場合の長手方向フロー構成の上面図である。
【図３６】図３５に示す構成の変形例の図である。
【図３７】フリーホイール電流を流す同期整流器を備えたバックレギュレータの回路図である。
【図３８】カソードを駆動するように構成されたバックレギュレータの回路図である。
【図３９】図３８に示す回路と協働する物理的素子を示す図である。
【図４０】他のスイッチモードレギュレータとともに時分割で使用する単純化されたスイッチモードレギュレータの回路図である。
【図４１】多相バック変換器の回路図である。
【図４２】本発明のひとつの特徴による電力管理システムの概略図である。
【発明の好適実施例の説明】
【００３７】
図３を参照すると、本図は、従来技術の電解採取および電気精錬プラントで一般的な槽構成を示している。複数のカソード１を並列接続し、複数のアノード２も並列接続することで、カソードの総表面積を大きくしている。IEGの数はカソードの２倍である。
【００３８】
図４は、直列接続された複数の槽５を有する従来技術のシステムを示す。インターコネクタ６は槽同士を連結するものであり、実際には単一ケーブルではなく、複数個所で槽を確実に連結する平衡棒を介して並列接続を実現する。
【００３９】
カソードに(その隣接アノードに対する)所定の電圧を与えたりカソードに電流を流したりするなんらかの機構があると、カソードの両側を同じ電流密度に保つのは困難となる。各アノードは、典型的には所定の間隔(通常、10cm)をあけて配設する。長年にわたり、カソード板を平らな状態で維持しつつ槽内に正確に設置する努力が行われてきた。それにもかかわらず、2.5mmの間隔精度で、2.5mmの平面度誤差であれば、十分な成果であると考えられている。50mmの電極隙間で5mmの誤差があると、カソードのそれぞれの側における電流密度が約10％の誤差となるであろうことは、容易に分かる。また、クロッピング時もしくはクロッピングの合間にアノードの厚みが変化すると、IEG幅のむらが生じるという別の可能性が増す。発明者は、カソード板の両側で正確な電流密度を達成するには、IEGにおける電流または個々のカソードに対する電流を制御するのがよいことを認識した。ここに記載の本発明は、カソードまたはIEGのいずれかにおける電流を、使用者が最適と考えるパターンに応じて制御し、最も正確な電流密度の制御はIEG電流の制御で得られることを提案する。
【００４０】
発明者は、個々のセルを調整することで電気精錬処理または電解採取処理の効率を向上できることに思い至った。各セルの電流を個別に調節しない従来の処理において、電極板離間距離を大きくしなければならない理由の１つは、電極板離間距離の誤差または電極板平面度の問題によって電流密度が大きく影響されないようにしておくためである。各セルの電流を個々に調節すれば、電流密度は、電極板離間距離および電極板のたわみに左右されないようにでき、したがって電極板をより狭い間隔で配置できる。こうすれば、セル電圧が、したがってある量の金属を生産するのにセルで消費される電力が少なくなる。
【００４１】
また、各セルの(使用されるキロワット時当りのエネルギーで生産される金属に関する)効率は、セルの電流密度の影響を受ける。したがって、電流密度を所望の値に維持することができれば、セルを最適効率で使用することができる。さらに、最適な効率を得るために必要な電流密度は、精錬処理時または採取処理時に変化してもよい。本発明によれば、セル電圧または他の測定したパラメータ(例えば電解質強度もしくは温度)から検知可能なセル状態に応じて目標電流密度を動的に変化させることができる。
【００４２】
そのため、電力変換システム(電源装置とも言う)が電気精錬セルまたは電解採取セル用に設けられ、比較的高電圧の電源(交流または直流)から電力を得て、セルの場所で低電圧の直流に変換して１つのセルに給電する。こうして、セルを多く有するプラントでは各セルがそれぞれの電力変換器を有することになる。電力変換器は、セルに隣接させるか、あるいはセルの一部とし、電流源として機能させることで、セルごとの電流密度の調節を確実にする。電流密度は、セルの状態に応じて個々に変化させるか、または、セル状態を中央制御システムに通知し、制御システムが当該セルに最適な電流を計算して電力変換器に所望の電流を出力するように命令する。あるいは、カソード電極のそれぞれの側にあるアノードを互いに接続し、かつ電流変換器にも接続して電流変換器がカソード電極に電流を流してもよい。また一方、この構成では、カソードの電流を２つの個別セル(カソードの各側に１つずつある)に分ける方法は制御しないものの、既存のER槽およびEW槽に後付けするのに適している。
【００４３】
従来の技術では、槽から採取する際に、槽群の直列回路から槽を取り外さなければならない。そのため、槽を回路から外しても電流を流し続けるようなバイパス接続を確保する切換器を備えておかねばならず、費用がかさむ。本発明の利点は、各カソードまたは各IEGごとに個別の電源から給電する場合、唯一しなければならないことは、セルの採取または点検を行うためにこれらの電源を切ることである。
【００４４】
図５は、電極隙間(IEG)を電力変換器９によって駆動する際の電極への給電の様子を示す。交互に並んだカソード板１およびアノード板２はＡＣＡＣＡの記号で表し、端面から(つまり垂直電極板装置の上部から)見た図である。電力変換器９は円で示している。各電極板(したがって電極隙間３)には、図示した変換器(9A〜9H)をすべて使用して両端部(隅)から給電してもよい。あるいは、変換器9A〜9Dのみを使用して、一方の端部(隅)から各電極板に給電してもよい。または、各電極板には両端部(隅)から給電してよいが、１つおきの電極隙間に作用する電力変換器のみを使用する(変換器9A、9C、9F、9Hが作動)。変換器数を減らし、変換器出力を最適にし、均一な電流分布を得るなどを考慮して、どのような変換器分布をとるかを決める。
【００４５】
別の実施例では、電極1、2は、(電極隙間でなく)図６に示すように駆動してもよい。この構成は、とくに(ただし限定ではないが)、変換器が従来型の分布ブスバー系と電極板との間に挿入されるバックレギュレータである場合に適用できる。その構成については、後で詳細に述べる。交互に並ぶアノード板２とカソード板１は、ＡＣＡＣＡで示す。電流変換器９は円で表してある。変換器9A〜9Jは、一方の端子が電極板に接続され、また0Vの電圧が印加される共通ブスバー10に他方の端子が接続されている。電極板には、変換器9A〜9Eを使用して一方の側から、または変換器9A〜9Jを使用する場合には両側から、給電できる。一般に、変換器はどれもみな同様のIEG電圧を発生させるであろう、例えばセル電圧が0.4Vの場合、アノードに取り付けられた変換器はセル電圧の半分(＋0.2V)を給電し、カソードに給電する変換器もセル電圧の半分(-0.2V)を給電するであろう。0Vの共通ブスバーにいくばくかの電流が流れるであろうが、ほとんどの場合、この電流は局部的に流れる電流であり、その大きさはセル電流を超えないか、もしくはその２倍を超えることはないはずである。または、変換器を交互に配置して変換器数を減らしてもよい。例えば、変換器9A、9C、9E、9Gおよび9Iのみを使用できるであろう。また、いくつかの電極板には直接、変換器から給電しないようにすることも可能である。例えば、カソード板を0Vのブスバーに直接接続することもできよう。変換器9A、9C、9E、9F、9Hおよび9Jから各アノード板に全セル電圧(上記の例では0.4V)で電流を供給してもよかろう。さらにまた、変換器9A、9C、9Eのみ、または9A、9H、9Eのみを作動させることで、変換器数を削減することもできよう。
【００４６】
別の方法として、アノードをすべて共通ブスバーに接続することもできよう。その場合、変換器9B、9D、9Gおよび9Iは、カソードに給電(例えば-0.4Vで)することとなろう。変換器9Bおよび9Dのみ、または変換器9Gおよび9Iのみを使用することで、変換器数を半分にすることもできよう。あるいは、変換器を槽の異なる側間に互い違いに配することもできよう。本例に示すように、アノードがすべて共通でありカソードのみが駆動される場合、１対の電極とこれに対応する電極隙間で画成されるセルの電流が個々に調節されることはないことが認められよう。
【００４７】
ここで述べる変換器回路は、使用するタイプの回路の候補となりうるものである。当然ながら、上述のシステムに適用し得る直直変換、または交直変換の方法は数多くある。ここに挙げる例はダブルエンド変換器であるが、シングルエンド変換器を使用してもよい。変換器で非常に高いスイッチング周波数を使用して変換器の出力密度を高める場合、共振回路または擬似共振回路を使用するのが都合よいこともある。ここで示す回路における整流処理では、同期整流法を採っている。ただし、必然的に起こる電力損失をあまり考慮しなくてよければ、単純なダイオード整流器(ショットキーまたはPNダイオード)を取り入れてもよいであろう。
【００４８】
電力変換処理では、高周波スイッチモード技術を利用すると有利であり、これによって変換器を小型で軽量にでき、効率的で非常に制御しやすくなる。
【００４９】
図７は、図６の変換器を従来から用いられている電極構造体に組み込む様子を示す。図７ａは従来型システムにおいて、ここでは突出部11として記載する電極突起部がブスバー12上に設けられて電極板とブスバーとの接続を可能にする様子を示している。図７ｂに示すように、変換器またはレギュレータ回路９を突出部11とブスバー12の間に挿入して、突出部11とブスバー12の間の電流フローを調整できる。
【００５０】
別の方法として、図７ｃに示すように、電力装置13(すなわち更なる電源を任意で受けるもの)を突出部11とブスバー12間に挿入してもよい。この装置は、ブスバー12の電圧を増大させて(負極ブスバーの場合はブスバー12の電圧を減じて)、突出部11に接続された電極で利用可能な電圧を高くできる。絶縁層16で互いに分離された電極板15aおよび15bを介して接続を行う。通常、突出部11は、電極がカソードの場合は、電極板を支持する吊り棒の一部である。
【００５１】
図８は、実現可能な変換器電源回路9の様態を示す。変圧器20を使用するのは、一般に変換器入力電圧と変換器出力電圧の間に存在する電圧比が大きいためである。変圧器を用いることで、出力半導体スイッチは、スイッチの電流に良好な波形率をもたらすデューティサイクルで動作することができ、これによって電力損失が最小化される。変圧器20の一次側はフルブリッジ型インバータであるが、当然ながらハーフブリッジ型インバータを用いてもよい。変圧器は、高い周波数で作動させれば、変圧器と他の使用受動部品(例えばコンデンサ)の大きさと価格が低減する。高い周波数とは、20kHz以上でよい。当然ながら、一次側に示されているスイッチング素子21(Q5〜Q8)は、電力用MOSFETであり、ここではIGBTやBJTなどの他の半導体スイッチも適用可能である。コンデンサ22を設けて、高周波スイッチング電流を流す。二次巻線からの出力はフルブリッジ型全波整流器で整流して、セルで使用する直流を得る。電力用MOSFET 23(Q1〜Q4)のボディドレイン・ダイオードを使用して変圧器の二次巻線の交流出力を整流し、セル24の一端Aを他端Bに対して正とすることができた。ただし、これらのダイオードの順方向電圧降下によって、MOSFETにはかなりの電力損失が生じるであろう。よって、MOSFETは、有利には同期整流器として動作させる。ボディドレイン・ダイオードの導通が予想される場合、MOSFETのチャネルをオンにする(すなわち、MOSFETは変換器の一次側のスイッチング素子に同期して動作する)。適切な定格のMOSFETを選択するか、もしくはMOSFETを効果的に並列接続させて実質上１つのMOSFETスイッチを構成することで、効率的に各MOSFETのRds(on)を必要に応じた小さい値にできる。これによって、MOSFET 23の電力損失は妥当なレベルに抑えられる。例えば、変換器が直流0.4Vで300Aを出力すると、Rds(on)が0.1ミリオームのMOSFETスイッチでは、30mVの電圧降下が起きるであろう。電流路にMOSFETスイッチが２つあれば、合計電圧降下は60mVとなり、すなわち出力電圧の15％となるであろう。一般にはNチャネルMOSFETが好ましい。その理由は、あるRds(on)が決まれば通常は価格が低いからであるが、当然ながらNチャネルMOSFETおよびPチャネルMOSFETは、必要に応じてどんな組合せでも用いることができる。
【００５２】
複数のMOSFETを並列接続させて、単一素子の備えるRds(on)より低いRds(on)を有し単一のシリコンダイで得られる非常に低い値のRds(on)でデバイスを構成する場合、これらのダイは、個別にパッケージされたデバイスとしてではなく単一のパッケージ内部に平行に配置した裸のダイとして構成すると有利であろう。例えば、個別にパッケージすれば、Rds(on)が0.8ミリオームのMOSFETは、シリコン抵抗が0.3ミリオームでパッケージ抵抗が0.5ミリオームまで構成することができる。そのような場合、シリコンダイを単一パッケージに平行配置させることは明らかに有利であり、それというのも、ダイ同士の相互接続における抵抗は、ドレイン接続およびソースの接続を１つのダイのデバイスパッケージから取り出して別の１つのダイのデバイスパッケージに入れなければならない場合よりも小さくできるからである。
【００５３】
変圧器の二次巻線からの出力電圧が尖頭値で0.7Vを下回ると、各MOSFETスイッチ23は双方向スイッチ(つまり、どちらの方向でも遮断でき、どちらの方向でも導通できる)とみなすことができる。したがって、二次ブリッジを切り換えて、変圧器二次電圧波形の両半周期においてB側がAに対して正を出力するようにする(つまり、セル電圧および電流フローが逆になる)。セル極性の一時的反転が見られると、状況によっては有益な効果(例えば、セルの効率を回復や、電極板における金属スパイクの減少)をもたらす。これらの状況では、当然ながら、制御の都合に合わせてMOSFETをブリッジのどの部分でもどちらの方向にでも接続できる。高い電圧(約0.7Vより高い)で反転が必要な場合、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4は１対の反直列MOSFETに替えることができる。
【００５４】
キャパシタンス(図示せず)をセル24の両端に与えて、セルの電圧波形を平滑にしてもよい。セルに相当のインダクタンスおよび関連の配線がある場合、１対のトランジスタ(例えばQ1およびQ2)をオンにして循環電流路を設け、流れる電流を制御することも可能である。
【００５５】
変流器CT1およびCT2はそれぞれ一次側および二次側に配置され、整流器ブリッジからの直流出力電流に関する信号を得るものでよい。変流器CT1は、一次磁化電流および反射された二次負荷電流を含む電流を測定する。この測定は、変換器の直流出力電流を制御する目的で十分に正確であればよい。当然ながら、直流出力電流は、何らかの形の直流電流トランスデューサを使って出力側で直接測定してもよい(例えばホール効果)。
【００５６】
使用した変圧器は、好ましくは漏れインダクタンスが低いほうがよく、その理由は、大きな値の電流が二次巻線から供されるからである。一次巻線および二次巻線が交互に配置されたプレーナ型変圧器は、漏れインダクタンスの規定値が低く、加えて適度に薄型で、伝導冷却に適している。複数の並列MOSFETで構成された同期整流器MOSFETスイッチの場合、複数の二次巻線をMOSFET毎に１本ずつ使用して、整流された電流を各同期整流器MOSFETの後段でのみ合成するようにする選択肢もある。また、環状体コア変圧器も漏れインダクタンスが低いということで知られている。
【００５７】
任意であるが、電力変換回路は可逆的となるよう適切に構成される。すなわち、電圧および電流フローを反転してもよい。ある工程では、１周期の逆電流フローが、順方向電流フローに戻る際の効率をより高めるのに有効であることが分かった。この技術は、セル毎にそのセル用の変換器を用いることで最も効果的に活用できる。
【００５８】
出力電流および出力電圧は、パルス幅変調(PWM)を公知の方法で採用して制御する。PWM制御は、一次側もしくは二次側または両側に適用できる。PWM以外の別の制御形式も利用できるものの、これらの形式はどれも、所望の結果が得られるようにMOSFETをオン・オフスイッチングさせることに左右されてしまう。ここでは、簡明な言い方をすれば、「スイッチモード式変換器で一般に採られる方法の１つで制御する」こととしてPWMを用いた。
【００５９】
図９はある変換回路を示し、これは、センタータップ付き巻線31を備えた変圧器30を使用するものである。CT1およびCT2は、直流電流出力のフィードバック信号を受けるために適切な変流器の位置を示している。二次側トランジスタQ1およびQ2は、これまでに述べたように同期整流器として動作する。逆電流フローをセル内で起こせるのは、約0.3Vの出力電圧に限られている。これより高い電圧での反転機能が必要ならば、Q1およびQ2は１対の反直列MOSFETに替えることができ、その場合、MOSFETは双方向スイッチとして機能するように構成される。
【００６０】
電力変換器の定格は、駆動する電極板の大きさに応じる必要がある。セルは、通常のセルより大きく、または小さく形成することで、本明細書に述べた技術を上手に活かすことができる。電極間の離間距離は、従来通りの値でなくてもよい。事実、本発明の利点の１つとして、セルの電流だけでなく電位も正確かつ迅速に制御してセルの電流密度を優勢な状態に適合させるので、電極板離間距離を短くできる。電極板離間距離を短くすれば、セル抵抗が低くなり、セルの電力損失が低減する。電極板間距離の変化を含む電極板の構成に関するオプションについては、後で詳細に述べる。
【００６１】
都合に合わせて、電力変換器は何らかの他の制御原則に従って、継続的または一時的に作動させることも可能である(例えば、電源として作動させる)。
【００６２】
必要に応じて、電力変換器およびその制御システムは液中(電解液中)で作動するようにしてもよい。電極板と接続導体(たいてい耐食性の非消耗材料である)の間の電気接続を電極板の比重および重量によって槽の底部で行うことができる場合、電極板は電極板の底部で接続してもよい。
【００６３】
最も単純な構成の制御(最適化)システムでは、変換器は固定値の電流を出力するように設定するとよい。セルに送られる電流の大きさは、必要に応じて直流電流検出方法を用いて直接検出できる。しかし、電力変換処理は単体のセルに近接しかつそのセル用に行われるので、電流信号は、電力変換処理の内部で、図８および図９を参照して先に放したようにスイッチモード式電力変換回路内のある便利な位置で(例えば、交流変流器を使用して都合よく検出できる。
【００６４】
より高度な制御システムでは、制御システムは電流密度をセルの状態に適合させてもよい。セルの状態は、複数の変数、例えばセル電圧を用いて測定できる。他のパラメータ、例えば電解液温度、電解質濃度、およびスパイク成長の目視状況などをモニタしてもよい。また、他の特性を利用してセル状態をモニタしてもよい。例えば、セル電流を一時的に止め、ある電圧または電流を印加する際の回復を観察してもよい。
【００６５】
従来のERプラントまたはEWプラントでは、カソード側の電流密度が広範に分布することが推測できる。本発明は、電流測定に使用した電流センサの精度のみに依存する精度でIEGの電流(または任意的にはカソードの総電流)を維持する機能を有することもできる。直流または交流電流センサを使用して、0.1％の精度を実現できる。安価な電流センサで、1％の精度が実現可能である。よって、ERシステムまたはEWシステムの多数のセル間の電流密度の標準偏差は、現在現場で得られる偏差よりはるかに小さく、銅の欠損が減って、より高い品質が得られることになる。
【００６６】
一般に、２種類の電流測定法、すなわち直流および交流測定がある。本発明では、両方の測定法を用いることができる。
【００６７】
先に述べたように、交流電流測定は変流器を用いてきわめて経済的に実行できる。本発明におけるアノード、カソードおよびIEGは直流給電される。しかし、これらの直流電流をスイッチモード技術によって生成または調整する場合、交流電流信号が利用でき、この信号は、周知の交流変流法に基づく安価な交流トランスデューサを用いて測定される。変換器またはレギュレータに複数の電流路が存在する場合、唯一必要となるのは、これらの電流路のうちの１つの寄与分の絶対値を正確に測定することである。そうすることで、他の電流路における電流測定装置は、電流路のすべてにわたって電流が確かに均等であるだけでよく、絶対測定を行う必要はない。総電流測定値は、１つの絶対測定値に電流路数を乗じて求める。
【００６８】
他の電流測定技術も利用可能である。
【００６９】
最も基本的な直流電流測定値の求め方は、既知の値の抵抗を電流路に挿入して求めることである。ただし、電源の電圧が低く(本例のように)、また電流が大きい(本例のように)と、かなり低い抵抗値の抵抗が必要となる。このような抵抗の傾向として、製作が難しく、購入するには高価である。抵抗値は温度依存性もあり、測定抵抗を流れる電流で抵抗がかなり発熱すると、測定値が不正確になってしまう。
【００７０】
直流電流の測定はまた、導体を取り巻く磁気回路を使って行うこともできる。磁路にあるスロットにホール効果センサを挿入する。その場合、電流測定は、磁気回路内の磁束を開ループ方式またはヌル・フラックス方式のいずれかによって測定することで行う。このような機構は実用的であるが、嵩張るうえにコスト高である。
【００７１】
図１２は、制御システムを概略的に示す。セル電力変換器50は、48Vの直流電源48から給電を受けて、電流制御された出力を電気精錬用または電解採取用セル49に供する。必要とする電流レベルは、PWMデューティサイクル信号51によって制御される変換器50の適切なスイッチング・デューティサイクルを使って得る。この信号は、電流制御ループ52にて電流要求信号53を電流測定値を表す電流測定信号54と比較して得られる。電流測定信号54は、変換器52の電流検出器またはその出力から得られる。電流要求信号53は、あらかじめ設定しておいてよく、あるいは、セル制御装置55から取得してもよい。セル制御装置は、セル電圧56を測定し、場合によっては他の関連のある電源57(例えばセルとその周辺にあるセンサ)から情報を取得して電流要求を状況の変化に適応させるものである。セル制御装置はまた、中央制御機能を備えた双方向通信手段58も有し、クロップセッション履歴をダウンロードし、またはセル状態を通知して随時にパラメータを操作したり、またセルの運転方法に関する修正指示を受信したりしてもよい。セルごとに電力変換器を使用すれば、同時にそのセルの電流測定機能も得られる。前述のとおり、セル電圧などの変数を制御処理の一部として測定することもでき、そうすることでセル状態を分析して通知できる。変換器は、タスク(電流の階段状変化、または交流成分を直流変換器出力電流に加えるなどの)の実行命令を装置内でまたは遠隔から受けることによってセル状態を測定し、セル状態を観測することができる。セルに、一時的な電流反転などの機能向上操作を行う指示を(装置内または遠隔から)与えることで、セルの機能を向上させることができる。
【００７２】
変換器が電流方向を変更する機能を備えている場合、電流反転中に、セル状態の良好表示を与える信号を発生してもよい。このような措置は、１つのカソードに対応する２つのセルに同時に行わなければならないこともある。
【００７３】
可視または可聴警報システムを複数の変換器に１つ、または個々の変換器ごとにその制御システムへも組み込んで、問題発生の警告を行ってもよい。変換器のディスプレイによってセル状態またはセル機能を付近の操作者に通知できる。
【００７４】
制御システムは、各電極板の情報を電流および電圧測定値(および測定していれば他の変数)から得て、電極板の品質、寸法、平面度および配列に関するデータを中央制御システムに返して分析できる。この情報を品質管理ならびに品質改善計画に活用することで、処理プラント全体の効率を向上できる。このように本発明は、個々のセルおよび電極に関する情報を個々の変換器で電気量をモニタすることによって取得できるという利点を有する。
【００７５】
本発明の利点は、セルにかかる電圧を安全性と効率のトレードオフで決めないことである。従来の槽を直列接続で運転する手法は、用いる直流電圧、したがって整流処理の効率が上がることがある一方、感電や危険な故障状態の危険性が増大することがある。制御された局部的変換の場合、変換器への給電電力が絶縁ケーブルを通って供給されるため、変換器には何らかの適切な電圧を給電できる。ただし、図４および図５を見れば、どの電極にも地電位を超える２以上のセル電圧はないと思われる。そのため、漏れた電解液を通る大地への漏洩電流も最小になる。例えば、槽内に多数のセルがある場合、１つの電極(例えばアノード)を接地して、他のカソードおよびアノードをすべて地電位の数ボルト以内に保持するとよい。
【００７６】
本発明の別の利点は、電極板間の短絡による漏電を制御して、短絡発生を迅速に検出できることである。セルのV-I特性の変化を利用し、金属スパイクで完全な短絡が発生しないうちにその成長を検出して、起こり得る異常を通知し、完全な短絡の発生前に修復措置をとることができる。
【００７７】
図１６は図７ｂの構成と同じ構成を示しているが、完全に電極の両側が示されている。電極突起または吊り棒端部11はレギュレータまたは変換器９とブスバー12の上に置かれている。変換器９は、突起11とブスバー12の間の電流フローを調整する。
【００７８】
複数の電源を任意で使用して、カソードまたはIEGを図１６に示すように駆動できる。このような状況では、各電源にはそれぞれが通常動作で必要であったであろう以上の電流または電力能力を与えることが望ましいであろう。それにより、変換器の１つが故障しても、他の変換器で負荷を引き受けることができ電源障害にも拘わらず、カソードまたはカソード側において全割当て分の金属を割当て時間内で採取できる。
【００７９】
１電極当り２以上の電力変換器を使用する場合、セルごとの対応する複数の変換器は共通の制御システムで制御して、それぞれは電流のうちでそのセルで必要な該当分を供給する。電極板がそのそれぞれの側の電極と連動していれば(つまり、図５に示すようにその各側のセルを駆動する)、例えば図１６に示すような突起にはそれぞれ２つの変換器を取り付けて、１電極当り全部で４つとなる(１セル当り２つ。ただし、ここでセルとは、１アノード板と１カソード板の間の隙間を表すために用いている)ようにできる。したがって、離間配設された多数のアノード板とカソード板を含む単一の槽では、槽の各側のカソード・アノード突起対のそれぞれの間に変換器を配設して、使用する変換器の数を電極板の２倍(アノード数とカソードの数の組合せで)にすることもできよう。アノード板側とこれに対向するカソード板側との間の電流密度は、１対の変換器に対応する制御システムの主目標値を維持するであろう。同じ電極板に接続され槽の両側にある変換器は、アノード・カソード間の電流負荷を等しく分担する否かを通信する必要があり得る。
【００８０】
図１７は、複数のレギュレータ９を突起11に組み込んだ実施例を示すが、電気的には依然として図７(ａ〜ｃ)および図１６に示す構成と同じ機能を果たすものである。
【００８１】
別の方法として、２つのレギュレータを組み合わせて１つのユニットとし、図１８に示すように突起11を有する棒66と電極板67の間に移動させる。
【００８２】
電極板67における電流分布をより良くするために、図１９に示すように複数のレギュレータ65を吊り棒66と板の間に配設してもよい。図２０は、図１９に示す機構の機械的により堅固なタイプを示し、これに関し図２１と比較して以下に述べる。
【００８３】
図２１は、図２０の吊り棒66が吊り棒66と電極板67に正面向きにあるのに対し、これで終端している様子を示す。図にあるように、吊り棒66は部分66aおよび66bに２分割して機械的平衡を持たせてもよい。好ましくは、吊り棒は絶縁体68を用いて電極板77と電気的に絶縁する。好ましくは、接続用ボルト69が絶縁材からなり、もしくは吊り棒66a、66bまたは電極板69のいずれかから絶縁させる。電極板からレギュレータ65を通して吊り棒へ電流が流れる(カソードの場合)。
【００８４】
レギュレータ65は、別の位置に配設してもよい。例えば、図２２に示すように、レギュレータ65は吊り棒66の上方に位置し、電気絶縁体68が断熱も行い、吊り棒66がレギュレータ65からの熱を外気に放散させる。導電体70は、多くの熱が変換器65に流れないようにして電気的接続を行う。
【００８５】
吊り棒または突起の電気抵抗は、小さくない場合もある。従来型のERまたはEWシステムでは、吊り棒または電極突起は、槽の縁に沿って伸びるブスバー上にあってブスバーに接している。面同士の接触は、電極路に電圧降下(通常、銅ERで20mVのオーダ)を生じさせることがある抵抗分を含んでいる。両電極で合わせて40mVの電圧降下があり得る。発明者は、この電圧降下が大量のエネルギー損失の原因となるだけでなく、アノードの接触点における電位降下がアノードによって異なる場合、カソード板の両側のアノードが等しい電位にならない恐れがあるので、カソード電極の両側間で電流密度の不均衡が生じる別な原因ともなり得ることに気付いた。
【００８６】
図１０はバックレギュレータを示し、バックレギュレータは、個々のセルに給電を行う個別変換器に代って使用できるが、電流測定および電流調整を活用する原則はこれまでどおりに適用して、セルの性能向上をはかっている。この変換器は、電力用MOSFET 32、コイル33、コンデンサ34およびダイオード35を含んでいる。VinとVoutは、前述の変換器の場合に比べると、互いに似たような大きさとなる。事実、入力電圧は出力電圧に比べて少しの割合だけ大きければよく、変換器スイッチのデューティサイクルは100％近くでよい。ただし、この回路は電流調整を行いつつ、必要に応じて交流変流器を(リセットして)使って電流測定の機会を設ける。変換器は、従来型の電気精錬システムまたは電解採取システムのブスバーと電極板の間に挿入できる。ダイオード35を同期整流器(別の電力用MOSFET)に置き換えて、レギュレータの効率を上げることもできる。セルでリップル電流を許容できるのであれば、コイル33を(コンデンサ34とともに)省いてもよい。レギュレータは、他の変換器に関して先に述べた方法で制御する。この種の変換器を既存のプラントに後付けする場合、直流バス電圧(変換器に入力される)を少し高くして多少のヘッドルームを持たせ、その範囲内でPWM制御回路を動作させる必要があろう。制御回路に十分な電圧の電源を設けるために、補助の変換器または補助電源が必要になる場合もある。電流は、デューティサイクルが100％未満である限り、交流変流器CT1 25を使用して測定する。
【００８７】
EWおよびERで使用する電流の値は、１トランジスタの動作可能な電流に比べると大きい。１つの方式として、変換器を並列に動作させるものがある。この方式は、電極のさまざまな場所に電流を行き渡らせる場合に実用的である。ただし、この方式には不利な点があり、それは、電流を１箇所に伝えたい場合(または電流を調整したい場合)、並列変換器では、各変換器ごとに筐体、端子、EMCフィルタなど余分な物を対応させて設けることになるので、経済的でないことがある。
【００８８】
したがって、好適な方式は、各変換器内に多相設計を取り入れることである。この多相方式の利点は、コイルを適度なサイズにできることである。電流値が高すぎるうえにインダクタンス値も高すぎるコイルは、最適ではない。これは、出力電圧の損失を生じ得る一次側巻線と二次側巻線の間の漏れインダクタンスを多相方式で改善できる変圧器用の場合は、利点もある。
【００８９】
図１１は、本発明の実施例に係る変換器を示し、これは、力率補正(PFC)回路をフロントエンドに備えた交流電源36から駆動される。一次側での交直変換は、単純な整流器およびブリッジ整流回路を使って行えたが、負荷が大きいと、通常、力率補正がどこかの箇所で必要となる。電力を例えば48Vの直流で変換器に配電する場合、48Vの直流給電は、槽ハウスにおける適切な箇所で力率補正をして行うことができる。図１１は、電力工学の当業者であれば容易に理解できるPFC回路を示している。交流入力は全波整流器で全波整流され、これはダイオード(D1〜D4)を含んで全波整流された電圧波形を出力する。コンデンサ38は、高周波スイッチング電流成分用の小型バイパスコンデンサである。整流器の出力は、コイル40、ダイオード41およびリザーバコンデンサ42に与えられる。半導体スイッチ39は、コイルを流れる電流が全波整流電圧波形と同じ波形(高周波リップルは別として)を持つように動作させる。全波整流器ブリッジ37におけるダイオードで電流方向を制限した後、この電流波形は、交流電圧波形と同相の交流電流波形として現れる。通常は、リザーバコンデンサ42の両端の平均電圧を所望の値に維持する制御ループがある。そこで、他の箇所で述べた個別のセル用変換器への入力として、この直流出力を用いる。これにより、セル用直直変換器をデューティサイクルいっぱいに動作させることができ(最大電圧伝送比の変圧器ベースの変換器の場合)、また、電流制御ループはセル変換器のデューティサイクルではなくPFC回路で動作させて、PFC変換器が適正量の電力を交流電源から引き出して所望の電流をセルに供することができる。これには、制御回路全体が簡素化するという利点がある。制御ループを必要以上に重複させず、また、セル用変換器の電力用MOSFETにおける電流波形は波形率が最適になり、これによって、これらの素子における損失が最小化される。
【００９０】
多相変換器を採用する利点は、出力の電流リップルを経済的な方法で０に低減できることにある。一般に、直流電源がその出力電圧または出力電流に大量のリップルを出力するのは、許容できない。そのため、スイッチモード変換器は通常、フィルタ機構を備え、これによってリップル成分を許容程度の大きさまで減少させる。しかし、フィルタ部品は高価である。多相変換器を使用し、用いる相数をNとすれば、この変換器が1/Nのデューティサイクルを有する場合、更なるフィルタを使用することなくリップル電流を０に低減できる。そこで、出力電圧(ひいては出力電流も)は、多相電源への入力電圧を変化させることで調整できる。変換器がその入力を交流−直流PFC段から受ける場合、PFC段を制御してその出力電圧を変化させる。一般に使用されるPFC段はA2:1の出力電圧変化があり得る。これは、通常動作のEWおよびER用セルに与えるのに必要な程度の電圧および電流変化を生じるのに十分となる。
【００９１】
レギュレータが従来型の槽システムのブスバーと電極、一般にはカソードの板との間に挿入された実施例では、従来の槽ハウスシステム内の電極板に流入する電流の調整が可能であり、その場合、電力は集中電源から供給される。
【００９２】
任意であるが、従来型の直流集中電源によって供給される電圧を若干高くして、レギュレータに動作範囲内のいくばくかのヘッドルームを与えて、レギュレータにより電圧降下が生じても正常電流が流れるようにしてもよい。
【００９３】
あるいは、電極と従来のシステムブスバーとの間に電源を挿入してもよい。したがよってこの電源は、アノードとカソードの間に電圧差を加えてもよい。例えば、アノード電圧が0Vになった場合、セルが絶縁されアノード電圧が基準電圧となったと考えると、カソードブスバーは通常、−0.32Vになるであろう。電極電流(通常はカソード電流)をその通常値より高くしたい場合、電源からアノード・カソード路にさらに電圧を印加して、例えば総平均電圧に0.07Vを加えて0.39Vにする。よって、本例を適用すると、600A、0.07Vの補助電源が必要となろう。この電源は、周知のバックレギュレータ回路または他の周知のスイッチモード電源回路でよい。この補助電源は、電源に使用する回路に応じて、電極に向かう電流フローを遮断する(例えば短絡の場合)機能を有していても、いなくてもよい。セルで使われる電力の大部分は、従来のブスバーおよび集中電源から供給され、補助電源から受ける電力は全体の一部分であり、この部分は補助電源から供給される全電圧の割合で決まることになる。この利点は、槽で消費される全電力の一部分だけを、槽位置にある新たな電源装置から給電すればよいことである。この少量の電力は、従来の手段(例えば、ケーブル、端子またはコネクタ)によって給電してもよく、あるいは、誘導性送電などの別の手段を用いて給電してもよい。
【００９４】
レギュレータまたは電源が吊り棒および／または電極板アッセンブリの一体部分となっている実施例では、レギュレータまたは電源で発生する熱を電極板に、さらには電解液に伝達させることができる。ただし、電解液は一般に、ERの場合は55〜60℃、EWの場合(例えば銅処理の場合)で40〜45℃であり、レギュレータで発生した熱は、多数の電力用MOSFETを並列に使用してほぼ０にまで低減でき、実際面では、MOSFETの並列組合せの電気抵抗を減らすうえでの制限要因は費用のみであり、その場合、電解液はトランジスタを冷却するのではなく、加熱してしまう恐れがある。
【００９５】
この場合、トランジスタは、電解液に浸漬される電極板から熱的に絶縁し、トランジスタには別の冷却機構を設ける必要がある。これは、フィンの付いた空冷放熱器でよいであろう。あるいは、吊り棒を放熱器として使用できよう。
【００９６】
本発明を後付け設備として既存のプラントに組み込む場合、既存の平衡棒機構を利用すると実用的であろう。さまざまな機構が利用可能である。一般的に平衡棒の目的は、カソード同士またはアノード同士を槽の片側で互いに接続させ、各槽ごとにアノードとカソードが同じ電圧になるようにするものである。他の目的は、平衡棒の突起の１つ(吊り棒端部)が汚染されて、電流を入出力するはずのアノードブスバーまたはカソードブスバーにうまく接続されなくても、電流が電極に流出入する流路を維持することである。これは、正負ブスバーレールが両方とも槽の各側の縁部に沿って設けられ、その間の電位が単一のセルのアノードとカソードの間の電圧降下に等しいことを意味する。これは、カソードに配設された変換器の電源として利用でき、カソード電位をその通常電圧より高く上げたり低く下げたりして、そのカソードへ流れる電流を微調整する。または、平衡棒を既存装置に追加使用して、IEGに給電の際、各カソードまたは槽側の電源に交流を供給する。
【００９７】
三相交流電源システムは通常、槽ハウス用電源となる。60枚のカソードを備えた銅ER槽では、約14kWの電力が必要となる。60枚のカソードを備えた銅EW槽では、約75kWが必要となる。どちらの電力レベルも単相変圧器によって得られよう。しかし、三相電源には平衡負荷をかけることが望ましく、それによって、ほぼ確実に金属精錬装置または金属EW設備に給電を行えるであろう。安全性の面では、三相系の個々の相は互いに接近すべきでなく、その理由は、三相系ではライン間電圧が実質的にライン・中性線間電圧より高いからである。したがって、各槽が単相給電で動作するとともに、槽が３ブロックに分割されて各ブロックが三相４線電源の各相のうちの１相から給電されるというのが好適な構成であろう。
【００９８】
電源が単相交流から供給される場合、両線とも活線導体として使用して活線を地電圧に落すと安全性の面から具合がよい。そのため、例えば、一方の導体を大地に対して230Vとし(活線)、他方を大地に対して0Vとする２本の導体から電源を得るよりも、両方の導体を大地に対して115Vとして(つまり２本の逆相活線)給電するほうが安全となる。これはとくに、交流導体が槽の両側に沿って露出したまま配線される場合に重要となることがある。例えば、２つの並んだ槽の隣接縁部が活電圧A、例えば57Vであり、槽の反対側が57Vの活電圧B(活電圧Aとは逆相)であることになる。そのため、いずれの槽の両縁部の導体に触れても、114〜115Vの電撃を受けるにすぎない。残留電流回路遮断器を用いて、使用者が57Vレールのいずれかへの接触により感電するのを防止できる。
【００９９】
交流電源を使用して変換器に給電する場合、槽が多数収容された構内の適所に変圧器を配設して電圧を段階的に下げ、電力を特定の場所には高電圧で供給し、そこで低電圧に変圧して個々の変換器に分配するようにすることができる。そのため、電力の伝送は伝送する電力のレベルに適合した電圧で行われ、その結果、電力損失が減少する。もしくは、電力を特定の場所で低電圧の直流に変換してもよい。交流給電を受ける場合、これらの場所または個々のセル用変換器で力率補正を行ってもよい。さまざまな実施例の詳細については、以下により詳しく述べる。
【０１００】
高電圧電源(すなわち、個々のセル電圧よりもはるかに高電圧)に代わって、セル電圧に近い電圧の電源を使用してもよい。通常、このような電源は、現用の槽ハウスにかなり類似した設計の槽ハウスに設けられた変換器とその制御システムを採用する必要がある場合に使用されることがある。図３７に示すようなバック変換器を現用の直流ブスバー出力分配系と電極との間に取り入れることもできる。図３７は、図１０に記載したスイッチモード式バックレギュレータを示すが、ダイオード35に代わって、同期整流モードで動作して回路の効率を向上させる電力用MOSFET 130が設けられている点が異なる。この場合、電極板に流出入する電流は、突起と低電圧直流ブスバーの間に配設された変換器によって調整することになろう。電流が１つ以上の接続点(例えば突起)を通って電極板に流入したり、そこから流出したりする場合、各変換器に対する電流値はこのことを考慮して設定しなければならないであろう。動作中に電流レベルを変更した場合には、個別の変換器にその変更を知らせるか、あるいは相互に交信を行う必要があるかもしれない。同期整流の使用は、回路のフリーホイール部に用いて、レギュレータの効率を向上できる。EWの場合、アノードは恒久的だが、ERの場合、アノードは溶解することがある。そのため、ERでは、レギュレータはカソードに付属させることが多い。図３８は、図３７の回路をカソードに適した使用に適合させた状態を示す。コンデンサ131を加えて、高周波交流電流用の流路を設けている。コイル33は、コンデンサフィルタ34とともに、MOSFET 32のドレイン側のスイッチング波形を平滑化する。このフィルタ回路にはコイルがあるため、MOSFET  32が遮断された場合、第２のMOSFET 130を組み込んで、コイル33に電流用に循環電流路を設けなければならなくなる。しかし、これらは比較的高価な部品である。
【０１０１】
図３９は、図３８に示した回路の物理的素子のいくつかを明示している。セル24は、カソード板132とアノード板133の間に物理的に存在する電解液からなるものである。コイル33に流れる電流は、MOSFET 32が遮断されると、MOSFET 130を通って流れる。回路の分岐線134は、循環電流の直流ソースまたはシンクをアノード電位にするものである。コンデンサ34によってこれは、交流接地にもなる。回路の分岐線135は、分岐線134をアノードと電源の正極とに接続させるものであり、明確な物理的実在物であってもよい。
【０１０２】
複数のスイッチモード式レギュレータを並列にして単一のカソードで使用する場合、もしスイッチが切れたときに電流が電極板の寄生インダクタンスを通る通路があれば、それぞれのレギュレータにフィルタ素子およびフリーホイールダイオード(または同期整流器MOSFET)を省くことができる。これは一般に正しい。その理由は、従来のERおよびEW状況において電流を微調整するレギュレータとして電源が作動する場合、その電源は１に近いパルス幅変調(PWM)デューティサイクルで作動するため、MOSFET 32がほとんど常にオン状態となるからである。適切なスイッチングパターンをMOSFET 32に採り入れれば、吊り棒の電流はほぼ一定に維持でき、その場合、寄生インダクタンスと相互作用が起きてMOSFETに過電圧を生じさせるような何らかの高い吊り棒電流の変化率は、生じないであろう。その場合でも、寄生インダクタンスと相互作用するような高いdi/dtの値でスイッチに用いたMOSFETの過電圧が起こり得る。ただし、ほとんどのMOSFETが電子なだれ動作を定格としているため、このことは問題にしなくてよい。寄生インダクタンスに起因する何らかの過電圧の可能性をさらに低減させるには、MOSFET 32のスイッチング速度(したがってdi/dtも)を下げる―つまり、MOSFETのオン・オフの時間を長くしてよい。これにより、MOSFETのスイッチング損失が大きくなるものの、許容の範囲である。スイッチングをさらに柔軟にするために、各MOSFETのゲートに与えられるスイッチング制御波形の振幅を比較的小さい幅に維持して、MOSFETの過度に急激なスイッチングを防止する。このようなスイッチモードレギュレータの大きな利点は、安価な交流電流センサを使ってモニタおよび制御の目的で電流を正確に測定できることである。
【０１０３】
MOSFET
32は、MOSFET 32間の寄生インダクタンスの低減に役立つ太い導体によって接続する。したがって、費用節減のために、また前述の観測の結果から、図３９に示すレギュレータは図４０に示すようにそれぞれ単一のMOSFET 32に減らしてもよい。
【０１０４】
図４１は、大電流状態において電圧を下げるのに好適な多相バックレギュレータ回路を示す。入力電力140を低電圧の出力141に変換する。MOSFETスイッチ142、同期整流器として用いられるMOSFET 143、およびコイル144は相毎の構成部品を構成している。コンデンサ145で平滑化された出力141にすべての相が寄与している。
【０１０５】
図４２は、ひとつの実施可能な電源管理システム構成の全体を示す概略図である。抵抗146が表わすセル抵抗は、バック(単相または多相)変換器150で給電される。変換器151は、交流電源153(例えば、230V、50Hz)から直流電源152を生成する。変換器151は、力率補正段を含んでいてもよい。中間電源152は何らかの使用しやすい直流電圧でよいが、力率補正段で得られた直流電圧でもよく、相当量の電圧リップルを含み交流電源153のピーク電圧より高い電圧であってもよい。バックレギュレータ150を効率的に機能させるために、中間電圧レール155でそれに供給される中間電圧を出力電圧(つまりセル電圧)から除去しすぎてはいけない。通常、本変換器の入力電圧は、変換器が単純なバック変換器の場合、出力電圧の10倍以上にすべきでない。したがって、中間変換器154で変換器151の出力電圧を変換器150への入力に適した電圧に変換しなくてはならないことがある。変換器150に入力される電圧は、変圧器ベースの変換器の場合、非常に高くできる。これに関する例は、図８および図９に関連して先に説明済みである。
【０１０６】
ERまたはEW状況のカソードおよびアノードに直流電流を送るには、別の選択肢がある。それに応じて、給電は、槽側もしくは電極自体に設置された棒またはフレーム(支持棒)にて行い、これらは、電極またはその吊り棒を押圧するバネ付勢接続ピンまたは心棒を介して電気を電極に通す。各ピンは、可撓性導体を介してそれぞれの電源端子に接続されている。これらの導体には、必要に応じて直流電流トランスデューサを組み込むことができ、可撓性の導体は、一般に利用可能な直流電流トランスデューサの開口に容易かつ都合よく通すことができる。支持棒は単独で支持してもよく、あるいは電極上に設置されたバネ付勢ピンによって支持してもよい。棒からの圧力によってピンがそれぞれの電極に接触するが、これは、棒もしくは棒の担持する部材の重量を利用し、または何らかの手段で電極の方へ押下されてその位置で固定される支持棒を利用している。支持棒は、それに対応する全部材とともに、アノードを交換したりクロッピングの際にカソードを取り外したりする必要がある場合、その使用されている場所から取り外すことができる。絶縁性の横材によって全長にわたって延伸し各端部が接続されている２本以上の支持棒を使用してもよい。さまざまな実施例および選択肢について、以下に述べる。
【０１０７】
図２３は、槽76上に設けられた棒75で供給される電源によって槽内のセル、とくにIEGが駆動される様子を示す。槽76は地面77に置かれ、側面、すなわち電極の横向き側が図示されている。槽は任意の長さでよく、任意の数のアノードおよびカソードを含んでいる。槽は、カソード１およびアノード２を含んでいる。要素79は各電極に対応する吊り棒または突起であり、これらの電極を槽76の側部に沿って絶縁性支持体で支持するものである。電源80は直流電流をIEGに供給するものであり、支持棒75の上に設置されている。金属製ピンまたは心棒81は、支持棒75を貫通するか、または支持棒の横を通り、支持棒75が導体の場合は絶縁スリーブによって支持棒75から絶縁される。支持棒75が絶縁材からなる場合は、絶縁スリーブは不要である。ピン81はバネ付勢され、ピンの押圧する電極に接触すると、ある程度の弾性を持つようにする。ピン81は、吊り棒と接触する(典型的にはカソードの場合)か、あるいは電極表面に接触する(典型的にはアノードの場合)。
【０１０８】
吊り棒(例えば、カソードの)は、特定の金属製当て板を有していてもよく、この当て板にピン81が接触して良好な電気接触が確保される。電極(例えばアノードの)は、ピン81と接触するように金属表面にことさら設けられた部分を有してもよく、それによってピンとの間に良好な電気接触が得られる。支持棒75上の電源80は、アノードおよびカソードへの電流供給を行う。電線82は、電源80の正出力をアノードに接続し、電源80の負出力をカソードに接続する。支持棒75は単独で支持してもよく、あるいは電極上に設けられたバネ付勢ピン81によって支持してもよい。本機構の作動原理は次の通りである。すなわち、支持棒75からの圧力によってピン81がそれぞれの電極に接触するが、これは、棒および棒の担持する部材を利用して、または何らかの手段で電極の方へ押下されてその位置で固定される支持棒を利用している。支持棒は、それに対応する全部材とともに、アノードを交換しありクロッピングの際にカソードを取り外したりする必要がある場合、その使用されている場所から取り外すことができる。図２４は、図２３に示した機構と同じ機構を上部から示している。
【０１０９】
別の方法として、図２５に示すように２本以上の支持棒が槽の全長にわたって伸びている。同図では、２本の棒75を例として用いているが、いずれの本数の棒75を用いてもよい。各支持棒75は、必要に応じて横材83を用いて槽の各端部で接続され、したがって横材83と支持棒75の組立体全体でフレームを形成している。フレームは、槽の上部に設置される場合、とくにピン81のみで支持される場合、電極77および78の上に設置できる利点がある。安定なフレームを作成する方法はいろいろとあり、そのすべての方法が本発明に包含されることを理解されたい。
【０１１０】
電源は、支持棒75の上に置いてもよいし、非活性棒に、または支持棒75もしくは非活性棒で支持される台に載せてもよい。
【０１１１】
電源は以下のところから電力を得てもよい。例えば、
１）電源に含まれるPFC(力率補正)を利用してそれぞれの電源に給電する単相交流電源。
２）電源に含まれるPFCを利用せずにそれぞれの電源に給電する単相交流電源。
３）複数のPFCユニット(電源数と同じでなくてもよい)に給電する単相交流電源。これらのPFCユニットはそれぞれ複数の電源に直流給電し、その場合、電源は直直変換器である。
４）上述の選択肢のいずれかで給電する三相電源であって、三相電源の３相間で負荷が分散されるもの。
５）PFC段なしで交直変換器(整流器)に給電を行う三相交流電源。これは、三相電源の有する良好な力率補正機能および高調波除去機能の利点が得られ、こうして生じる中間直流電源をこの場合直直変換器としての電源に供給できる。
６）直流電源。この場合、電源は直直変換器である。
【０１１２】
可撓性ケーブルでフレームまたは棒をこれらの電源に接続してもよい。ケーブルは棒またはフレームの端部に送電できる。あるいは、ケーブルは、棒またはフレームのどこか中心点または共通点に送電してもよい。ケーブルは、架空配電系、または槽の横もしくは端部に付設された配電系のいずれかから電力を送電できる。可撓性ケーブルは、接続／切断用にプラグおよび接続ソケットを任意で備えていてもよい。
【０１１３】
あるいは、交流または直流送電を行う圧接端子を通して電力をフレームに送ってもよい。この場合、フレームは、何らプラグ・ソケット系統を切り離すことなく移動できる。
【０１１４】
電源を活線挿抜する場合、有利には、例えば挿抜操作中、電源を一時的に遮断してアーク放電を抑制する機構を設ける。
【０１１５】
ERまたはEW環境における問題点の１つに、電気的接触部に悪影響を及ぼすことがある電解質の存在が挙げられる。交流電力を送電する場合、誘導送電技術が効果的に用いられる。このような送電方式では、送電ユニットと受電ユニットを近接して、好ましくは接触させて配設する。送電ユニットは実質上、変圧器コアおよびその一次巻線の片方であり、受電ユニットは、磁気回路および二次巻線の残り半分である。導電体はどちら側でも露出させなくてよい。磁気コアは、できるだけ密に配設して磁気コア間の隙間が小さくなるようにする。理想的には、密着させるべきである。磁気コア材が電解液によって損傷する可能性がある場合、コア表面を化学的に不活性な薄い保護膜で被覆しなければならないこともある。コア形状に関してさまざまな形態をとり得る(例えば、分岐型コアではブレード、円錐形受電器内の円錐形、あるいはE型コアでは単純なE形、円形コアでは円形(ポット型)コア)。また、誘導送電によれば、活線挿抜を用いてもアーク放電防止対策をとる必要がなくなろう。
【０１１６】
別の方法として、図２６および図２７に示すように、IEGに対向するカソードに電力を供給してもよい。図２６は、槽(図２３と同様の槽)の側面を示す。
【０１１７】
図２７は、上方から見た図である(図２５と類似する)。電源80は、２つの共通正端子84と１つの負端子85を有している。既述のようにフレームを形成する活性棒が３本設けられている。このことから分かるように、フレーム内に活性棒および非活性棒を組み合わせて設ける多くのやり方がある。電源80の負端子85は、電線82を通してカソードに送電するピンに接続されている。電源80の正端子84は、電線82を通して隣接するアノードに送電するピンに接続されている。こうして、すべてのアノードは同じ電位である。
【０１１８】
図２９は、電極に接するピンの列の別の配向を示す。図２９は、槽を上から見たものである。アノード96およびカソード97は、槽の両側にあって絶縁する突起または吊り棒で支持される。支持棒98は、電極の上方で、槽の端から端まで延伸し、電極と同じ方向にある。支持棒98は、前述したようにバネ付勢接続ピン99を担持している。支持棒98が絶縁材で形成されている場合、または支持棒98を導電性材料で形成できる場合、１本の支持棒におけるピンは、可撓性電線を介して互いに接続させてもよい。なお、後者の場合は、支持棒でピン同士を接続することができる。支持棒を接続する絶縁性端枠部材は、機械的剛性を有してフレームを形成するものでよい。図２９に示す機構では、IEGは電源100で駆動する。本例では、個々のIEGが複数の電源で駆動される(本例では電源は４つだが、１つ以上の任意の数にできる)。よって、各電源は、その正端子がアノード上方の支持棒およびピンに接続され、また負端子がカソード上方の支持棒およびピンに接続されている。したがって、電源は並列に作動する。これらの電源が電流モード制御電源ならば、当然ながら、それぞれの設定に従って負荷電流を分担するか、または本機構が不安定になりやすい場合には、各電源を信号線で互いに接続して全電流に対するそれぞれの負担分を状況に合わせて調整してもよい。ピン101は接続点に相当し、ここで電源と、支持棒(導電性の場合)との間、または支持棒が非導電性の場合には配線系との間の接続をとる。
【０１１９】
図２９に示す機構の長所の１つは、電源が電極隙間の末端(すなわち槽の側部近く)にのみ配設されている場合、電極隙間を視認でき、また上部からアクセス可能なため、隙間の状態を目視で検分できるうえに、必要であれば電極間の短絡を物理的に除去(例えば、絶縁ロッドを電極間に挿入して突くことで)できることである。
【０１２０】
このような複数ピン構成の利点はその接触抵抗を低減できることにあり、これは、１つの電極のピンのすべてが並列であって、ピンの形成する複数の電流路によって全体の実効抵抗が低減することによる。
【０１２１】
フレームの重さは、バネ付勢ピンと電極との良好な接触を確実にするに足る重さでよい。ただし、フレームの重さを増やす必要がある場合には、フレームには、電源への幹線電源を降圧する１つ以上の幹線変圧器も設けてよいであろう。フレームへの荷重は、例えば１台の単相変圧器、同じ幹線相で作動する３台の単相変圧器、または３つの異なる幹線相で作動する３台の単相変圧器からなるであろう。一般に、これらの変圧器は1〜3kV近辺の電圧から110V〜250V近辺の電圧へ降圧して、電源への供給を行うとよい。降圧用幹線変圧器には、可撓性ケーブルによって架空もしくは槽の側部から給電するとよいであろう。
【０１２２】
図２９では電極との接触はバネ付勢ピン99を介して行っているが、これは電極と接触させる構成をとる必要はない。導電支持棒を電極の上部面またはその吊り棒上に設置して電極の全長に沿って連続的に接触させることで、別の構成をとることもできる。この方法により、電源相互間の(支持棒を介した)接触抵抗は、かなり低いレベルにまで低減できる。このことは、ERシステムまたはEWシステムにおける損失の削減に有利である。一般に、従来型のシステムでは10％もの電力が電極とブスバーの間の接触で失われることがある。
【０１２３】
通常、電極を槽から出し入れするのに天井クレーンを利用できるが、これは、変圧器および電源を担持したフレームの昇降にも使用できる。
【０１２４】
新しいアノードを装填したり、カソードのクロッピングを行ったりするために、アノードおよび／またはカソードに天井クレーンがアクセスすることが必要となろう。そのため、棒またはフレーム電源系統を一時的に移動させる必要が生じる。
【０１２５】
図２８は、フレームを天井クレーンによって槽から取り外して上下に積み重ねて格納し、電極にアクセスできるようにする様子を示している。１本の棒を使用する場合は、その目的用に槽の側部に沿って走る支持系にその棒を載せると便利であろう。フレームを使用する場合は、そのフレームを回転させて槽の横の都合のいい位置で垂直に吊り下げられるとよい。各フレームを回転させずに吊り上げて、図２８に示すように隣接の槽に積むことができる。同図において、90は先端側から見た槽である。槽は地面91に設置されている。電源・ピンの組立体は脚部93を有して、これは、稼働中の槽側に置くか、または、図示したように上下に積んである場合には、フレームを支持するために使用することもできる。
【０１２６】
図３０は、槽の先端に余地がとれる場合に、フレーム・覆いの組立体を取り外すための別の構成を示す。電源、電極接触機構および覆いは、本例では、それぞれ槽を半分ずつ覆う２つのユニット105として取り外される。これらのユニットは電極から切り離して吊り上げ、槽の中央から長手方向に離間移動させて、天井クレーンが電極に接触できるようにする。
【０１２７】
ERでは、槽を布や他の覆い、幌などで覆って、とりわけ熱損失を少なくするのが一般的である。フレーム機構を用いる場合、支持棒とフレーム棒の間の領域は、固いシート材または布シートで埋めて、槽を覆うための追加機能の役割を果たすようにする。電極用の電源は、これらのフレームから送ることができる。ERの場合、ガスが発生して酸性ミストが発生する可能性があるときは、ミスト排出の抑制によく使用される幌もフレームに実装してよい。
【０１２８】
電源は、導電支持棒で互いに並列に接続してもよい。ただし、ピンを支持棒から絶縁している場合、もしくは支持棒が非導電材料で形成されていて、支持棒ではなく電源からピンに給電している場合は、電源の並列接続は電極上で行う。これは、電極の電流分布を均一にするのに有利であろう。
【０１２９】
従来のように、槽の両側に設置された突起によってアノードを懸下する場合、カソード・電源の組立体は、アノードの上部面に設置された直交する導電性横材上に支持できる。カソードまたはIEGのいずれかをこの方法で駆動してもよい。IEGを駆動する場合は、支持横材を２つの半体に分けてこれらの電気的絶縁が必要となる。図３１は、槽の縁部の図であり、電極は縁部が図示されてそのような実施例を示している。アノード106は、従来のように槽の両側に設置された突起によって懸下される。カソード109および電源の組立体(導電性横材107および電源108を含む)は、アノードの上部面に設置されている。カソードまたはIEGのいずれかをこの方法で駆動してもよい。IEGを駆動する場合は、支持横材を２つの半体に分けてこれらの電気的絶縁が必要となる。
【０１３０】
電極板のいずれかの側に設けられた突起を、電極板を担持して電流を電極板に流出入させる典型的な手段として言及する場合には、電力変換器は電極板の中心に接続させるか、または電極板の間に挟んでもよかろう。本システムの利点は、電極板への電流供給を電極板の懸下とは別の問題として考えられることである。よって、直流電源と電極板の接触領域における電圧降下の問題は、実質的に減少または皆無になる。
【０１３１】
前述のフレームシステムは、直流電流を電極または電極対に供給するために使用される。それに代わって、電源は電極に搭載してもよい。例えば、変換器をカソードの吊り棒に載せて、本明細書で既述のようにアノードを基準としてカソードに給電することもできる。その場合、フレーム／棒・ピン機構は交流電流を変換器に供給するために使用でき、変換器自体は、棒またはフレームの上でなくカソードの上にある。棒／フレーム機構は、別の方法として、カソード上に配設された変換器または整流器に直流電流を供給するために使用してもよい。
【０１３２】
いずれかのフレーム機構に中央表示パネルを取り付けて、個々のカソードまたはIEGのすべての状態を１箇所に表示させてもよい。これは、例えば、モニタ表示画面またはLEDパネルであるとよい。このような表示装置は、通路横に位置する槽の端部の利便的な場所に配設するとよい。
【０１３３】
発明者は、カソードに電源またはレギュレータから給電する場合、カソードの両側の間、つまり各IEGの間における電流の分かれ方を制御していないことに気付いた。しかし、カソードは、任意的には絶縁層が間に挟まれた２枚の金属シートで構成することもできる。
【０１３４】
図３２は、３層カソードを使用してカソードのいずれかの側の電流密度を単独で調整できる方法を示す。３つの層は互いに接合または接着させて１枚のシートを機械的に形成し、その両側は電気的に絶縁させる。次に、「サンドイッチ状」カソードの各側部に、それぞれ別々の電源またはレギュレータ112aおよび112bから給電する。電線113および113bは、変換器またはレギュレータ112aおよび112bをそれぞれ金属板110aおよび110bに接続するものである。変換器またはレギュレータは吊り棒114で支持する。これにより、隣接アノードに対する電圧は、カソード板のそれぞれの側について調整できる。カソードの両側の間では多少の電圧差がでる可能性があるため、サンドイッチ状の金属シートは、幅および長さを少し小さくして、サンドイッチ状カソードのどちらかの側の周辺に絶縁材用スペースを残す。こうして、サンドイッチ状カソードの一方側から他方側に流れようとするどんな電流にも実質的なトラッキング距離を持たせ、それによってこういった電流フローの流路に実質的な抵抗を導入する。
【可調整ＩＥＧ幅および長手方向方式】
【０１３５】
前述のように、別々の電源からIEGに給電すると、アノードおよびカソードに新たな可動性を与え、これを利用してアノードとカソードの間の隙間を調整可能にできる。クロッピングの合間に隙間を調整することで、従来のシステムにおける問題、すなわち１回のクロップから次回のクロップまでの間にアノードが薄くなってIEGの幅が広がるという問題を解消できる。これにより、可能な最低電圧を使って必要量の電流または電流密度で個々のカソードまたはIEGを駆動できるようになり、電力の節約になるであろう。また、ER処理またはEW処理における電極間隔も調整可能な変数にすることができる。従来の手法では、固定幅を使用し、電極間短絡の危険性が最小になる間隔でアノードとカソードを配置するものである。局部電源を使用してカソードまたはIEGに電力を供給すると、可調整IEG幅を利用し易い。例えば、カソードの吊り棒で電源を担持して、可撓性ケーブルまたはカテナリワイヤ上を摺動する端子から交流入力電力で給電すると、カソードは自由に動くことができる。
【０１３６】
アノードも戻り電流路用の摺動端子を有していてもよく、またはアノードをカソードの電源に接続するケーブルを有していてもよい。あるいは、すべての電極を回転盤で保持し、回転盤を通して交流電流を取り込み、その際、カソードおよびアノードに載せた電源間を流れる直流電流に必要な流路を可撓性ケーブルまたは平形電線で供するようにしてもよい。電極を動かす手段は、電極上、または電極の外側に設けることもできる。例えば、前述の回転盤を電動式にしてもよい。在来技術の槽ハウスでは、クロッピングを行う間隔は、通常７日間である。そのため、高速で移動させたり、急速にIEG幅を変更したりしなくてよい。これは、非常に低電力で安価なモータまたはアクチュエータによって行うことができた。現今の槽ハウスのように、１つの槽で複数のアノードおよびカソードを使用する場合、各電極をかろうじて視認できる速度でゆっくりと移動させて、相互の位置を調整するとよい。
【０１３７】
付加的なまたは別の可能性を図３３に示す。１台の長い槽121内を電極120が進む生産ライン法を採り入れ、電極は槽の一方端からスタートして、採取可能になるともう一方の端から出ることができる。この手段を用いることで、槽ハウスにおける人件費をかなり削減できるであろう。電極間に短絡が生じたり、短絡が発生する兆候がある場合は、電極の離間距離を動的に調整して短絡を改善したり防いだりできる。また別の方法として、各電極をできるだけ密接させるように動かして、電解液抵抗に起因するエネルギー損失を最小限に抑えることもできよう。回転装置122は、電極を各々の電源123とともに動かすことができる。
【０１３８】
付加的に、もしくは別の方法として、図３４に示すように新たな配向の可動電極を使用することができる。図３４に示すように、従来の配向の電極を90度回転させることができる。カソードは、生産ライン方式で静止アノード間を動くことができ、移動行程の一端からはいって他端で槽から出て、その堆積金属が採取可能になる。アノードは静止している。この機構は、ある形の摺動端子が必要となり、カソード電極とアノード電極の間の直流電気回路を形成する必要がある。
【０１３９】
付加的に、もしくは別の方法として、図３５に示すように長手方向に配向された生産システムを使用してもよい。カソード125、アノード126および電源は、すべて一緒に生産ラインに沿って移動し、その際、電源からIEGに給電するか、または電源からカソードに給電するかする。電源に送る交流または直流電力は架空カテナリから取り込み、その場合、この電源の両部分をカテナリから取り込むか、または一方の部分のみを取り込んで他方の部分は電極を担持するレール系から取り込むかする。図３６は、複数のカソードラインおよびアノードラインを図３５に示すように生産ラインに沿って進ませて、アノードの両側を使用できるようにする様子を示す。
【０１４０】
別の方法として、またIEGもしくはカソード電流を通す摺動端子の必要性をなくすために、アノードおよび電源をすべて生産ラインに沿って一緒に移動させ、その際、IEGに電源から給電するか、またはカソードに電源から給電するかする。電源に供される交流または直流電力は架空カテナリから取り込み、その場合、この電源の両部分をカテナリから取り込むか、または一方の部分のみをカテナリから取り込み他方の部分は電極を担持するレール系から取り込むかする。カソードのいずれかの側のIEGの幅は、アノードを担持するレールをカソード支持レールに接近さるか、遠ざけるかして変更できる。これは、製品がラインを下行する際に動的に行うことができる。固定式絶縁ロッドをカソードとアノードの隙間に挿入して、カソードの通過の際、ロッドで問題の部分を除去するようにすることで、潜在的な短絡を取り除くことができる。生産密度を高めたいのであれば、１つのカソードと２つのアノードの列ではなく、アノード・カソード列が生産ラインに沿って進む際にカソードおよびアノードを複数列使用することができる。
【０１４１】
ここまで電極に供給する電流の調整と、望むらくはセルの電極隙間を通る電流の調整について述べてきたが、ある電解採取および電気製錬の従事者によっては当初は単に電極電流を測定したかっただけかもしれないことに発明者は気付いた。
【０１４２】
ある変型例では、少なくともいくつか、好ましくはすべてのカソードおよび／またはアノードに電流測定手段を対応させるとよい。好適な構成では、各電極ごとに電流測定装置が対応している。
【０１４３】
図７ｂおよび図７ｃの場合と同様に、ブスバー12に接触する突出部、例えば突起11を電極が有する場合、突起11とブスバー13の間に電気的に介在する電源９および13は電流測定用トランスデューサに置き換えることができる。電極が突起を２つ有する場合は、測定装置を各突起に対応させる必要がある。
【０１４４】
電流測定装置は、中央処理装置に通信を返してもよい。このような通信は、無線または有線でよい。有線通信は、個別のデータ線や共通データバスを介するものでよく、データをブスバー自体へ変調伝送することさえ可能である。
【０１４５】
直流電流の電流測定は、既知の抵抗の両端の電圧降下を測定することで行える。あるいは、この電流は、電流路に導いて流路周囲の磁界を計測できようにしてもよい。ホール効果素子および磁気抵抗センサの形で適切な技術を利用できる。市販のセンサはしばしば、バイアスおよび／またはフリップコイルを備えているものがあり、このようなセンサは、単独または組み合わせて動作させて、ブスバーなどからの外部磁界を補償することができる。
【０１４６】
同様に、突起11は短くとも明確に画成された導電路であるため、磁界に基づく電流トランスデューサを使用して突起11の電流を測定することができる。
【０１４７】
同様にして、図２１および図２２に示した構成の電極を使用する場合、レギュレータ65は、関連の信号処理伝送回路とともに電流センサに置き換えることもできる。
【０１４８】
有利には、電流測定トランスデューサも電圧測定回路を含んで、隣接電極または基準電位(地電位など)のいずれかを基準として、電極隙間にかかる電圧を直接測定または算出できる。
【０１４９】
そのため、隣り合う電極間の電流・電圧特性を測定することができ、その結果、金属スパイクの形成を検出し、電極性能を把握し、クロップの履歴を電流フローと関連付けるなどが可能となる。
【０１５０】
また、短い(または長い)電線を介して電極に給電する場合、電流測定回路を各電線の周りに配設して、各セルへの電流フローを測定することができる。もっとも、これは、電極が複数の電力供給を受ける場合は、複数の測定値を合計する必要がある。
【０１５１】
こういった測定値を音声映像通知装置で表示してもよい。そうすることで、電極への電流が所定の値領域を逸脱したら警報を発することができる。
【０１５２】
電流値を測定するだけでも何らかの製造のメリットがあることがあり、隣り合う電極間で電流フローを比較して電極の位置ずれを指摘し、電極を若干動かしてこれを修正してもよい。
【０１５３】
各電源または電流測定装置にローカル処理およびデータ蓄積機能を含めてもよいことに留意されたい。これは、中央コンピュータに通信機能を付加するのが困難だったり高い費用がかかったりする場合に適していよう。このような構成では、データを接触型手段または非接触型手段を用いてローカルに蓄積し、定期的に収集して分析することができる。
【０１５４】
要約すると、本発明は数々の効果を奏する。カソード電極およびアノード電極は同じ大きさでなくてもよい。都合に合わせて、あるタイプの電極(アノードまたはカソード)を２つ(以上)の別のタイプの電極(カソードまたはアノード)に対向させて(例えば、セルに組み込んで)、半分の大きさの(または縮小した)電極板それぞれに、両方(すべて)の電極板で全体の大きさになる場合に要するはずの容量の半分(またはそれ以下)の容量の変換器で給電することもできよう。この構成は、とくに電極板が(槽に垂直に吊られている場合に)各側の突起または端子から給電を受けるときに有用である。各側(半サイズの電極板の)には、それ自体の変換器から給電することができる。槽に巡らせた絶縁棒で２枚の半サイズのシートに機械的支持を与えてよいであろう。
【０１５５】
ERおよびEWを両方とも考慮すると、電源に要する出力電圧の幅は大きい。高いところでは、亜鉛のEWは、3.5ボルトのオーダの電圧が必要となる。低いところでは、標準的な銅のERの正味過電圧で、一般に0.2Vを少し超える。従来の予想では、電解液抵抗、接続抵抗および導体抵抗における電圧降下の影響で、必要な電圧は0.3Vのオーダにできる。本発明は、この電圧を下げてエネルギー消費を減らす努力を行っている(セルの消費電力は、セルに流れる電流とセルの電圧降下の積に等しい)。本発明によれば、従来の生産技術で想定している距離より狭くアノードとカソードを配設することができ、それにより電解液で満たされた電極隙間の抵抗が低減する。また、本発明ではIEG(または必要に応じて個々のカソード)に給電する電源は、IEG(または電極)に非常に近接して配設し、これによって数センチメートルを超える長さのケーブルを使って電源を電極に接続した場合に発生する抵抗性電圧降下を防ぐことができる。本発明では、電源を電極(一般にカソード)自体に随意に配設することができ、すべてにケーブルを使用しなければならないことは避けている。IEGを駆動する場合、電源はIEGと同様の厚さに構成することで、槽の縁に電極に近接して配設できる。これにより、電源および電極の間の接続にケーブルが不要になるか、またはわずか数センチメートルのケーブルで足りる。こういった電圧降下低減技術を適用した結果、電源は、通常許容可能な動作電圧よりも十分に低い通常動作電圧を出力しなければならないこともある。銅のERでは、過電圧が相殺されてアノードとカソードの間の電圧が下がる程度について理論上の限界がない。さらに、また通常動作の範囲外では、金属のスパイクがカソード上に増殖し、アノードとカソードの間に短絡を生じさせるか、あるいはそうなる恐れがある。このような状況はいくつかの方法で対処でき、例えば、電源の出力電圧を下げて、金属スパイクまたは短絡部に流れる電流を抑制する。この場合、そのときの電源出力電圧をかなり低くしなければならなくなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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