(57)【要約】  本発明は、イオン除去装置に関する。この装置は、装置に水を取り入れるための水入口（７）と、装置から水を流すための水出口（９）と、コンデンサと、コンデンサから第１の電極（１３）および第２の電極（１５）を隔て、電極同士の合間に水が流れることを可能にするためのスペーサ（１１）とを備える。この装置は、電源の供給電圧（ＰＳ）を、コンデンサを充電するための充電電圧へ変換する電力コンバータ（ＰＣ）を有する。電力コンバータは、コンデンサに対する電圧を電源（ＰＳ）の供給電圧に変換することによってコンデンサからエネルギー回収するように構築および配置される。【選択図】図１
2013509149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン除去装置であって、
前記装置に水を取り入れるための水入口と、
前記装置から水を流すための水出口と、
コンデンサと、
前記コンデンサから第１の電極および第２の電極を隔て、前記電極同士の合間に水が流れることを可能にするためのスペーサと、
イオン除去モード中に前記コンデンサを充電するための充電電圧へ電源の供給電圧を変換する電力コンバータとを備え、前記電力コンバータが、第１の電極再生モードにおいて前記コンデンサに対する電圧を前記電源の前記供給電圧に変換することによって前記コンデンサからエネルギーを回収するように構築および配置されており、前記電力コンバータが、第２の電極再生モードにおいて前記イオン除去モードに対して前記電極の極性を変えるために、コントローラの制御下で前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記供給電圧を切り替えるように構築および配置されており、前記第２の電極再生モードにおいて、前記イオン除去モードに比べて反対の極性である電荷で前記電極を充電することによって、前記電極に留まっているイオンが、前記電極同士の合間の前記水に解放される、イオン除去装置。
【請求項２】
前記電力コンバータが、前記コンデンサに直列接続されると共に、少なくとも第１のスイッチを介して前記電源に接続される第１のインダクタと、前記インダクタおよび前記コンデンサを短絡させるように構築および配置されている少なくとも第２のスイッチとを備え、それによって前記供給電圧を前記充電電圧に前記変換すること、および前記コンデンサに対する前記電圧を前記供給電圧に前記変換することは、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを切り替えることによって制御することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置が、コントローラを備え、第１のスイッチおよび第２のスイッチが、イオン除去モード中に、前記コンデンサを充電するように前記コントローラによって制御され、前記コンデンサの前記第１の電極および前記第２の電極の合間に流れる前記水のイオンが、前記第１の電極および前記第２の電極に引き付けられる、前記請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のスイッチおよび第２のスイッチが、第１のエネルギー回収モード中に、前記コンデンサに対する前記電圧を前記供給電圧に変換するように、前記コントローラによって制御されることができ、前記イオン除去モード中に前記第１の電極および前記第２の電極に前もって引き付けられたイオンが、前記電極同士の合間の前記水に解放される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記装置が、水出力に接続される弁であって、イオン除去モード中に前記水をきれいな水出力に向け、電極再生中に前記水を廃水出力に向けるようにコントローラによって制御される弁を備える、前記請求項１から４までのいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記電力コンバータが、前記コンデンサに直列接続されると共に、少なくとも第３のスイッチを介して前記電源に接続される第２のインダクタと、前記第２のインダクタおよび前記コンデンサを短絡させるように構築および配置されている少なくとも第４のスイッチとを備え、前記第２の電極再生モードにおいて、前記イオン除去モードにおけるのとは異なる極性で前記供給電圧を充電電圧に前記変換することが、前記第３のスイッチおよび第４のスイッチを切り替えることによって前記コントローラによって制御される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電力コンバータが、第２のエネルギー回収モード中に、前記コンデンサからエネルギーを回収するように構築および配置され、前記イオン除去モードにおけるのとは反対の極性での前記充電が解放され、前記コンデンサに対する前記電圧が、前記電力コンバータによって前記供給電圧に変換される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記電力コンバータは、前記第１のインダクタが前記イオン除去モードおよび第１のエネルギー回収モード中に使用されるときに、前記第２のインダクタをバイパスするために第５のスイッチを備える、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記電力コンバータは、前記第２のインダクタが前記第２の電極再生および第２のエネルギー回収モード中に使用されるときに、前記第１のインダクタをバイパスするために第６のスイッチを備える、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
水出力に接続される弁が、前記第１の電極再生モードおよび前記第２の電極再生モード中に前記水を廃水出力に向けるように前記コントローラによって制御される、前記請求項１から９までのいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記電力コンバータが、前記電極同士の間で１２ボルト未満、好ましくは６ボルト未満、より好ましくは２ボルト未満、または最も好ましくは１．５ボルト未満の充電電圧を供給する、前記請求項１から１０までのいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
イオン除去装置におけるコンデンサを充電するために電源の供給電圧を充電電圧に変換する電力コンバータであって、前記電力コンバータが、前記コンデンサに対する電圧を前記電源の前記供給電圧に変換することによって、前記コンデンサからエネルギー回収するように構築および配置される、電力コンバータ。
【請求項１３】
コンデンサおよびハウジングを備えるイオン除去装置を操作する方法であって、
水が、水入口を介して前記ハウジングに入ることを可能にするステップと、
前記水が、前記ハウジングに設けられた水出口へ前記コンデンサの第１の電極および第２の電極の合間に流れることを可能にするステップと、
イオン除去モード中に、
電源の供給電圧を充電電圧に変換するための電力コンバータを介して前記コンデンサを電源に接続することによって前記コンデンサを充電するステップと、
イオンを前記第１の電極および前記第２の電極に引き寄せることによって前記水からイオンを除去するステップと、
第１の電極再生モード中に、
前記電極からのイオンを前記電極同士の合間の前記水に解放しつつ、前記コンデンサに対する電圧を前記電源の前記供給電圧に変換することによって前記コンデンサからエネルギーを回収するステップと、
第２の電極再生モード中に、
前記イオン除去モードに対して前記電極の極性を変えるステップと、
変わった前記極性で前記電極を充電して前記電極に残っているイオンを前記電極同士の合間の前記水に解放するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記第２の電極再生モードの後、
前記コンデンサを放電しつつ、前記コンデンサに対する前記電圧を前記電源の前記供給電圧に変換することによって、前記コンデンサからエネルギーを回収するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法が、前記イオン除去モードから第１のエネルギー回収モードに変更するときに、きれいな水出力から廃水出力へ前記水出口に接続された弁を切り替えるステップを含み、イオンが前記電極から除去され、前記電極同士の合間の前記水が流された後、前記弁が、前記水出力を前記きれいな水出力に接続するように切り替えられ、イオン除去モードが、前記電極を充電することによって再び開始される、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
イオン除去装置であって、
装置に水を取り入れるための水入口と、
装置から水を流すための水出口と、
コンデンサと、
コンデンサから第１の電極および第２の電極を隔て、電極同士の合間に水が流れることを可能にするためのスペーサと、
イオン除去モード中にコンデンサを充電するための充電電圧へ電源の供給電圧を変換する電力コンバータと
を備えるイオン除去装置。
【背景技術】
【０００２】
近年では、人間の活動が環境に与える影響、およびこのことがもち得るマイナスの影響が次第に分かってきている。資源を低減、再利用およびリサイクルする方法が、いっそう重要になっている。特に、きれいな水は、不足した必需品となっている。したがって、水を浄化するための様々な方法および装置が発表されている。
【０００３】
水のイオンを除去する方法は、水中のイオンを除去するためにフロースルーコンデンサ（ＦＴＣ）を備える装置を用いた容量性イオン消失による。ＦＴＣは、容量性イオン消失のための電気的に再生可能なセルとして機能する。電極を充電することによって、イオンは、電解質から除去され、電極で電気二重層に保持される。電極は、化学物質を添加することなくそのような前に除去されたイオンを脱着するように、（部分的に）電気的に再生することができる。
【０００４】
イオン除去装置は、１つまたは複数対の間隔をおいて離して配置された電極（カソードおよびアノード）と、スペーサとを備え、電極同士を隔て、電極同士の間で水が流れることを可能にする。電極は、活性炭、カーボンブラック、カーボンエアロゲル、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、グラフェン、またはそれらの混合物などの高表面積導電性材料から作製され得る。電極は、電流コレクタに加えて別個の層として配置されてもよく、または代替として、電流コレクタに直接被覆されてもよい。電流コレクタは、導電性材料から作製され、電極の内外に電荷を輸送することを可能にする。
【０００５】
この装置は、ハウジングに水を取り入れるための水入口と、ハウジングから水を流すための水出口とを備えるハウジングを含む。イオン除去装置のハウジングでは、電流コレクタ、電極およびスペーサの層は、「サンドウィッチ」状に重ねられ、または通常機械的締結具によって圧縮力により螺旋状に巻かれる。
【０００６】
電荷障壁が、電極とスペーサの間に配置されてもよく、この電荷障壁なる用語は、電荷を保持できると共にイオンについて透過性または半透過性である材料層に適用される。電荷障壁の電荷符号と同じ電荷符号を有するイオンは、電荷障壁を通ることができない。したがって、電荷障壁に隣接する電極区画内に存在し、電荷障壁内の電荷と同じ電荷符号を有するイオンは、電極区画内に保持または捕捉される。電荷障壁は、イオン除去効率の増加、およびイオン除去のための全体のエネルギー消費の低減を可能にすることができる。
【０００７】
米国特許出願公開第２００８／０１０５５５１Ａ１号は、超コンデンサ脱塩化セルからエネルギーを回収するためのエネルギー回収コンバータを開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、改良された電力コンバータを備えるイオン除去装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明は、イオン除去装置であって、
装置に水を取り入れるための水入口と、
装置から水を流すための水出口と、
コンデンサと、
コンデンサから第１の電極および第２の電極を隔て、電極同士の合間に水が流れることを可能にするためのスペーサと、
イオン除去モード中にコンデンサを充電するための充電電圧へ電源の供給電圧を変換する電力コンバータとを備え、電力コンバータが、第１の電極再生モードにおいてコンデンサに対する電圧を電源の供給電圧に変換することによってコンデンサからエネルギーを回収するように構築および配置されており、電力コンバータが、第２の電極再生モードにおいてイオン除去モードに対して電極の極性を変えるために、コントローラの制御下で第１の電極と第２の電極の間の供給電圧を切り替えるように構築および配置されており、第２の電極再生モードにおいて、イオン除去モードに比べて反対の極性である電荷で電極を充電することによって、電極に留まっているイオンが、電極同士の合間の水に解放される、イオン除去装置を提供する。
【００１０】
第２の電極再生モードは、第１の電極再生モードの直後であってもよく、または第１の電極再生モードだけでいくつかの浄化サイクルの後にあってもよい。電力コンバータが、コンデンサに直列接続されると共に、少なくとも第１のスイッチを介して電源に接続される第１のインダクタと、インダクタおよびコンデンサを短絡させるように構築および配置されている少なくとも第２のスイッチとを備えてもよく、それによって供給電圧を充電電圧に変換すること、およびコンデンサに対する電圧を供給電圧に増強することは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを切り替えることによって制御することができる。
【００１１】
この装置は、コントローラを備えてもよく、第１のスイッチおよび第２のスイッチは、イオン除去モード中に、コンデンサを充電するようにコントローラによって制御され、電極同士の合間に流れる水中のイオンが、電極に引き付けられる。
【００１２】
第１のスイッチおよび第２のスイッチが、第１のエネルギー回収モード中に、コンデンサからエネルギーを回収するようにコントローラによって制御されてもよく、イオン除去モード中に電極に前もって引き付けられたイオンが、第１の電極再生モード中に電極同士の合間の水に解放される。
【００１３】
装置が、水出力に接続される弁であって、イオン除去モード中に水をきれいな水出力に向け、電極再生および第１のエネルギー回収モード中に水を廃水出力に向けるようにコントローラによって制御される弁を備えてもよい。
【００１４】
電力コンバータは、コンデンサと直列に接続されると共に、少なくとも第３のスイッチを介して電源に接続される第２のインダクタと、第２のインダクタおよびコンデンサを短絡させるように構築および配置されている少なくとも第４のスイッチとを備えてもよく、第２の電極再生モードにおいて、イオン除去モードにおけるのとは異なる極性でコンデンサを充電するために供給電圧を変換することが、第３のスイッチおよび第４のスイッチを切り替えることによってコントローラによって制御される。
【００１５】
電力コンバータが、第２のエネルギー回収モード中に、コンデンサからエネルギーを回収するように構築および配置されてもよく、イオン除去モードにおけるのとは異なる反対の極性での充電が解放され、コンデンサに対する電圧が、電力コンバータによって供給電圧に増強される。
【００１６】
電力コンバータは、第１のインダクタがイオン除去モードおよび第１の電極再生および第１のエネルギー回収モード中に使用されるとき、第２のインダクタをバイパスするために第５のスイッチを備えてもよい。これにより、電気回路の電流路から第２のインダクタを効率的に除去することによって電気回路のエネルギー効率を改善する。
【００１７】
電力コンバータは、第２のインダクタが第２の電極再生および第２のエネルギー回収モード中に使用されるときに、第１のインダクタをバイパスするために第６のスイッチを備えてもよい。これにより、電気回路の電流路から第１のインダクタを効率的に除去することによって電気回路のエネルギー効率を改善する。
【００１８】
水出力に接続される弁が、第１のエネルギー回収、再生および第２の再生モード中に水を廃水出力に向けるようにコントローラによって制御されてもよい。
電力コンバータが、電極同士の間で１２ボルト未満、好ましくは６ボルト未満、より好ましくは２ボルト未満、および最も好ましくは１．５ボルト未満の電圧を供給してもよい。
【００１９】
本発明は、イオン除去装置におけるコンデンサを充電するために電源の供給電圧を充電電圧に変換する電力コンバータであって、電力コンバータが、コンデンサに対する電圧を電源の供給電圧に増強することによって、コンデンサからエネルギー回収するように構築および配置される、電力コンバータにも関し得る。
【００２０】
本発明は、コンデンサおよびハウジングを備えるイオン除去装置を操作する方法であって、
水が、水入口を介してハウジングに入ることを可能にするステップと、
水が、ハウジングに設けられた水出口へコンデンサの第１の電極および第２の電極の合間に流れることを可能にするステップと、イオン除去モード中に、 
電源の供給電圧を充電電圧に変換するための電力コンバータを介してコンデンサを電源に接続することによってコンデンサを充電するステップと、
イオンを第１の電極および第２の電極に引き寄せることによって水からイオンを除去するステップと、エネルギー回収モード中に、
第１の電極再生中に電極からイオンを水に解放しつつ、コンデンサに対する電圧を電源の供給電圧に増強することによって第１の再生またはエネルギー回収モードにおいてコンデンサからエネルギーを回収するステップとを含む方法にも関し得る。
【００２１】
この方法は、 
イオン除去モードに対して電極の極性を変えるステップと、変わった極性で電極を充填して電極に残っているイオンを電極同士の合間の水に解放するステップと
を含む第２の電極再生モードを含んでもよい。
【００２２】
この方法は、イオン除去モードにおけるのとは異なる反対の極性での充電が解放され、コンデンサに対する電圧が、電力コンバータによって供給電圧に増強される、第２のエネルギー回収モードを含んでもよい。
【００２３】
この方法は、イオン除去モードから第１の電極再生モードおよび第２の電極再生モードから変更するときに、きれいな水出力から廃水出力へ水出口に接続された弁を切り替えるステップを含んでもよく、イオンが電極から除去され、電極同士の合間の解放されたイオンを含む水が勢いよく流された後、弁が、水出力をきれいな水出力に接続するように切り替えられ、イオン除去モードが、電極を充電することによって再び開始される。
【００２４】
これらおよび他の態様、特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を読むことにより当業者に明らかになろう。誤解を避けるために、本発明の一態様の任意の特徴は、本発明の任意の他の態様に利用されてもよい。以下の説明に与えられる例は、本発明を明らかにするためのものであり、これらの例それ自体に本発明を限定するためのものではないことに留意されたい。同様に、全ての割合は、他の指定がない限り、重量／重量パーセントである。「ｘからｙ」の形式で表現される数字範囲は、ｘおよびｙを含むことが理解されよう。特定の特徴の複数の好ましい範囲が、「ｘからｙ」形式で記載されているとき、異なる終点を組み合わせる全ての範囲も考えられることを理解されたい。
【００２５】
本発明の実施形態は、対応する参照符号が対応する部分を示す添付の概略図面を参照して、単に例によって説明されているものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】イオン除去装置の断面図である。
【図２】図１の装置がどのように制御され得るか概略的に示す図である。
【図３】図３ａは、図１の装置を制御するための本発明の第１の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【００２７】
図３ｂは、図１の装置を制御するための本発明の第１の実施形態による電力コンバータを示す図である。 
図３ｃは、図１の装置を制御するための本発明の第１の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【００２８】
図３ｄは、図１の装置を制御するための本発明の第１の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【図４】図４ａは、図３の電力コンバータのためのＨブリッジを示す図である。
【００２９】
図４ｂは、図３の電力コンバータのためのＨブリッジを示す図である。
図４ｃは、図３の電力コンバータのためのＨブリッジを示す図である。
【図５】図４のＨブリッジを備える 本発明の第１の実施形態による図３の電力コンバータを示す図である。
【図６】図６ａは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【００３０】
図６ｂは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータを示す図である。
図６ｃは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータを示す図である。
図６ｄは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【００３１】
図６ｅは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータを示す図である。
図６ｆは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【図７】図７ａは、本発明の第３の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【００３２】
図７ｂは、本発明の第３の実施形態による電力コンバータを示す図である。
図７ｃは、本発明の第３の実施形態による電力コンバータを示す図である。
図７ｄは、本発明の第３の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【００３３】
図７ｅは、本発明の第３の実施形態による電力コンバータを示す図である。
図７ｆは、本発明の第３の実施形態による電力コンバータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本発明によるイオン除去装置の概略断面図を示す。この装置は、比較的硬質の材料、例えば硬質プラスチック製の第１のハウジング部分１および第２のハウジング部分３を備えるハウジングを有する。例えばボルトとナット（図示せず）を用いて第１のハウジング部分および第２のハウジング部分を互いに押し付けることによって、ハウジングは、水密になされる。
【００３５】
ハウジングは、水入口７および水出口９を備える。水のイオン除去中、水は、入口７から出口９へスペーサ１１を通じて流れ、スペーサ１１は、フロースルーコンデンサ（ＦＴＣ）の第１の電極１３および第２の電極１５を互いから隔てる。電流コレクタ１４ａおよび１４ｂは、ハウジング内に留められ、電力コンバータＰＣに接続される。電力コンバータＰＣによって第１の電極と第２の電極の間の電位差を作り出すことによって、例えば、正の電圧を第１の電極（アノード）１３に印加し、負の電圧を第２の電極（カソード）１５に印加することによって、スペーサ１１を通じて流れる水の陰イオンは、第１の電極に引き付けられ、陽イオンは、第２の電極に引き付けられる。このように、イオン（陰イオンおよび陽イオン）は、スペーサ１１を通じて流れる水から除去されることになる。浄化水は、弁１２によって浄化水出口１０へ排出されてもよい。電極がイオンで飽和されると、電極は、再生することができ、それによってイオンは、電極同士の合間のスペーサ１１内の水中に解放される。コントローラＣＮの制御下で弁１２を用いて浄化水出口１０を閉じ、廃水出口１６を開けることによって、イオン含有量が増加されたスペーサ区画内の水は、勢いよく流される。大部分のイオンが電極から解放され、イオン含有量が増加された水が廃水出口１６を介して勢いよく流されると、電極は再生させられ、イオンを引き寄せるために再び使用することができる。
【００３６】
コントローラＣＮの制御下の電力コンバータＰＣは、電源ＰＳからの電力を正しい電位に変換するために使用される。アノードとカソードの間の電位差は、幾分低く、例えば１２ボルト未満、好ましくは６ボルト未満、いっそうより好ましくは２未満、および最も好ましくは１．５ボルト未満である。電気回路の電気抵抗が低いことが重要である。このために、第１の電極と直接接触している電流コレクタ１４ａは、第１のコネクタ１７を用いて互いに接続され、第２の電極と直接接触している電流コレクタ１４ｂは、第２のコネクタ１９を用いて互いに接続される。電流コレクタ１４ａおよび１４ｂは、ハウジングの湿った内部においてそれらを腐食しないように保つために実質的に金属フリーで、および同時に、大量生産するのに十分に安く作製することができる。電極１３、１５は、活性炭、カーボンブラック、カーボンエアロゲル、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、グラフェン、またはそれらの組み合わせなどの実質的に金属フリーの導電性の高表面積材料から作製することができ、それらは、電流コレクタの両側に配置される。高表面積層は、材料の重量当たりの平方メートルが単位の、例えば材料の１グラム当たり５００平方メートルを超える高表面積を有する層である。このセットアップは、コンデンサが、十分なイオン蓄積容量を有する電気二重層コンデンサとして働くことを確実にすることができる。そのような材料の薄層でも全表面積が、アルミニウムまたはステンレス鋼のような伝統的な材料よりも何倍も大きく、イオンなどのさらに多くの荷電種が電極材に貯蔵されることを可能にする。それによって、イオン除去装置のイオン除去能力は、増大させられる。
【００３７】
図２は、イオン除去装置がどのように動作し得るか概略的に示す図である。イオン除去モードＱ１中、電気二重層コンデンサは、正の電圧Ｖで、正の電流Ｉを用いて充電される。イオンは、水から抽出され、コンデンサの電極がイオンで飽和されると、コンデンサは、負の電流を用いて負の電圧を印加することにより電極の極性を逆にすることによって再生モードＱ３に１ステップで行くことによって再生することができる。イオンが、電極から解放された後、次いでコンデンサは、再びモードＱ１におけるイオン除去の準備ができている。このようにフロースルーコンデンサを実施することは、矢印Ａ１によって示され、エネルギー回収はない。
【００３８】
代替として、コンデンサは、電気回路をシャントすることによって再生させることができ、それによって第１の電極再生モードＱ２における負の電流になる。第１の電極再生中に解放されるエネルギーは、第１のエネルギー回収モードにおいて、回収され、電源に戻され得る。これによって、イオン除去装置の総エネルギー消費を削減するのを助けることができる。第１の電極再生モードＱ２の後、コンデンサは再びイオン除去モードＱ１で使用され得る。このようにフロースルーコンデンサを実施することは、矢印Ａ２によって示される。
【００３９】
第１の電極再生モードＱ２の後、電極は、第２の電極再生モードＱ３において、負の電圧を印加することによってさらに再生させられてもよく、それによって負の電流、およびイオンのさらなる解放になる。イオンが電極から解放された後、次いでコンデンサは、再びモードＱ１におけるイオン除去の準備ができている。このようにフロースルーコンデンサを実施することは、矢印Ａ３によって示される。
【００４０】
第２の電極再生モードＱ３の後、第２の再生モードＱ３中にコンデンサに貯蔵されたエネルギーは、第２のエネルギー回収モードＱ４において電源に回収され得る。イオン除去モード、第１の電極再生モード／第１のエネルギー回収モード、第２の電極再生モード、および第２のエネルギー回収モードを含むこの完全なサイクルは、矢印Ａ４によって示される。これは、イオン除去装置の全体のエネルギー消費をいっそうさらに低減させるのを助けることができる。フロースルーコンデンサは、第１の電極再生モードＱ２および第２の電極再生モードＱ３中に廃水を廃水出口１６に排出するための水バルブ１２（図１中）を備えてもよい。イオン除去Ｑ１中、水バルブ１２は、水が浄化水出口１０へ行くように切り替えられる。
【００４１】
図３ａ〜図３ｂは、イオン除去モードＱ１において、フロースルーコンデンサを駆動する本発明による電力コンバータを示す。電源ＰＳは、直流供給電圧、例えば１２ボルトを電力コンバータＰＣへ供給している。電力コンバータＰＣは、第１のスイッチＳ１および第２のスイッチＳ２、例えば電界効果トランジスタ、ならびに第１のインダクタＩ１を含む。第１のインダクタＩ１は、フロースルーコンデンサＦＴＣと直列に接続されると共に、少なくとも第１のスイッチを介して電源ＰＳに接続される。第２のスイッチは、インダクタおよびコンデンサを短絡させるように構築および配置されている。供給電圧を充電電圧へ変換すること、および逆の場合も、第１のスイッチおよび第２のスイッチを切り替えることによって制御することができる。図３ａでは、第１のスイッチＳ１は閉じられており、第２のスイッチＳ２は開かれており、したがって、供給電圧は、第１のインダクタＩ１およびフロースルーコンデンサＦＴＣについて分割される。フロースルーコンデンサＦＴＣとインダクタＩ１は共に、エネルギーを貯蔵しており、第１のスイッチＳ１が開かれ、第２のスイッチＳ２が閉じられるとき（図３ｂ参照）、インダクタに貯蔵されたエネルギーは、フロースルーコンデンサＦＴＣをさらに充電するために使用される。電圧中の任意の高周波成分を平滑化するために、平滑化コンデンサＳＣが、フロースルーコンデンサＦＴＣと並行に使用される。平滑化コンデンサＳＣは、その作用は全ての実施形態において述べられないが、フロースルーコンデンサＦＴＣに並行な位置で、本発明の全ての実施形態に存在することができる。
【００４２】
コントローラＣＮは、スイッチＳ１、Ｓ２の切り替えを制御して、イオン除去モードにおいてフロースルーコンデンサＦＴＣのために供給電圧を充電電圧に変換するために使用することができる。 充電電圧は、一定電圧、例えば１．４ボルトであってもよく、または例えば１ボルトと１．５ボルトの間のある範囲内で変化されてもよい。充電電圧は、事前設定された数学関数に従って、例えば、電圧を徐々に増大させることによってもしくは段階的に電圧を増大させることによって、または一定電圧に加えてパルス電圧を印加することによってやはり変化されてもよい。
【００４３】
図３ｃ〜図３ｄは、第１のエネルギー回収モードＱ２においてフロースルーコンデンサＦＴＣからエネルギーを回収する本発明の第１の実施形態による電力コンバータＰＣを示す。図３ｃでは、フロースルーコンデンサＦＴＣは、第１のインダクタＩ１および第２のスイッチＳ２を介してそのエネルギーを排出する。フロースルーコンデンサＦＴＣのエネルギーは、第１のインダクタＩ１に貯蔵される。続いて（図３ｄ参照）、第２のスイッチＳ２が開かれ、第１のスイッチＳ１が閉じられる。次いで、第１のインダクタＩ１に貯蔵されたエネルギーおよびフロースルーコンデンサＦＴＣからのエネルギーは、電源ＰＳに回収される。コントローラＣＮは、スイッチＳ１、Ｓ２の切り替えを制御して、電荷がコンデンサに貯蔵される電圧を電源ＰＳの供給電圧に変換するために使用することができる。図中の矢印は、電力コンバータにおける電流の方向を示す。
【００４４】
モードＱ３および第２のエネルギー回収モードＱ４における第２の電極再生を可能にするために、電力コンバータＰＣは、第２の電極再生中に反対の極性で電圧を印加し、第２のエネルギー回収中にフロースルーコンデンサＦＴＣからのエネルギーを抽出するためにＨブリッジを備えてもよい。図４ａ〜図４ｃは、電力コンバータＰＣのためのＨブリッジを示す。図４ａは、スイッチＳ３およびＳ４がフロースルーコンデンサＦＴＣを充電するように閉じているときのイオン除去モードＱ１におけるＨブリッジを示す。図４ｂは、フロースルーコンデンサＦＴＣからエネルギーを回収するようにスイッチＳ３およびＳ４が閉じられているときのエネルギー回収モードＱ２におけるＨブリッジを示す。図４ｃは、コンデンサの電極の極性を変化させるようにスイッチＳ５およびＳ６が閉じられているときの電極再生およびエネルギー回収モードＱ３、Ｑ４のためのＨブリッジを示す。ＨブリッジのスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６は、コントローラＣＮによって制御することができ、スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６は、電力コンバータＰＣのスイッチＳ１、Ｓ２と同じ速さで切り替えられる必要はないので、低速スイッチであり得る。電力供給装置ＰＳが、回収されたエネルギーを受け入れることができない場合には、次いで図４ｅに示されるように、スイッチＳ３およびＳ５またはＳ４およびＳ６が、Ｑ２中にＦＴＣをシャントするために使用されてもよい。
【００４５】
図５は、本発明の第１の実施形態による図４のＨブリッジを備える電力コンバータを示す。図中の矢印は、電流の方向を示す。Ｈブリッジを含む電力コンバータの使用中、コンデンサＦＴＣと直列に３つのスイッチが常にある。電力コンバータＰＣの効率は、スイッチの抵抗によって強く影響が及ぼされる。
【００４６】
図６ａ〜図６ｂは、本発明の第２の実施形態による電力コンバータＰＣを示す。再び矢印が、電力コンバータにおける電流の方向を示す。電力コンバータＰＣは、フロースルーコンデンサＦＴＣと直列に接続されると共に、少なくとも第１のスイッチＳ７を介して電源ＰＳに接続される第１のインダクタＩ３を含む。電力コンバータＰＣは、第１のインダクタＩ３およびコンデンサＦＴＣを短絡させるように構築および配置されている第２のスイッチＳ８を備え、それによって供給電圧を充電電圧に変換することは、図６ａによって示されるような状況から図６ｂによって示されるような状況まで、イオン除去Ｑ１モード中に高速で第１のスイッチＳ７および第２のスイッチＳ８を切り替えることによって制御することができる。図６ａでは、フロースルーコンデンサＦＴＣと第１のインダクタＩ３は共に、エネルギーを貯蔵しており、第１のスイッチＳ７が開かれ、第２のスイッチＳ８が閉じられるとき（図６ｂ参照）、第１のインダクタＩ３に貯蔵されたエネルギーは、フロースルーコンデンサＦＴＣをさらに充電するために使用される。コントローラＣＮは、スイッチＳ７、Ｓ８の切り替えを制御して、イオン除去モードにおいてフロースルーコンデンサＦＴＣのために供給電圧を正確な充電電圧に変換するために使用することができる。コントローラは、一定の充電電圧をフロースルーコンデンサＦＴＣに供給するように、または例えば、事前設定された数学関数に従って充電電圧を変化させることによって、例えば、電圧を徐々に増大させることによってもしくは段階的に電圧を増大させることによって、または一定電圧に加えてパルス電圧を印加することによって、ある範囲内で変更できる電圧を供給するように、切り替えを変えることができる。
【００４７】
第１のエネルギー回収Ｑ２中、ＦＴＣのコンデンサに対する電圧を電源ＰＳの供給電圧に変換することは、図６ｃによって示されるような状況から図６ｄによって示されるような状況まで、第１のスイッチＳ７および第２のスイッチＳ８を高速で切り替えるによって制御することができる。
【００４８】
電力コンバータＰＣは、フロースルーコンデンサＦＴＣに直列接続されると共に、少なくとも第３のスイッチＳ９を介して電源ＰＳに接続される第２のインダクタＩ４（図６ｅ参照）をさらに備える。電力コンバータＰＣは、第２のインダクタＩ４およびコンデンサＦＴＣを短絡させるように構築および配置されている第４のスイッチＳ１０を備え、それによって供給電圧を再生電圧に変換することは、図６ｅによって示されるような状況から図６ｆによって示されるような状況まで、電極再生モードＱ３中に高速で第３のスイッチＳ９および第４のスイッチＳ１０を切り替えることによって制御することができる。
【００４９】
第２のエネルギー回収モードＱ４では、電力コンバータＰＣは、第２の電極再生モードＱ３中に電極に貯蔵されたエネルギーを電力供給装置ＰＳへ回収するために、図６ｆおよび図６ｅ中の状況の間で高速で切り替えられ得る。第２の電極再生モードＱ３および第２のエネルギー回収モードＱ４中、電力コンバータＰＣは、イオン除去モードＱ１または第１のエネルギー回収モードＱ２におけるのとは異なる極性で、それぞれ、ＦＴＣへ電気を送達しおよびＦＴＣから電気を回収する。
【００５０】
図６ａ〜図６ｆに示されるような本発明の第２の実施形態の利点は、図５にあるような本発明の第１の実施形態によるＨブリッジを備える電力コンバータと比較して、いずれかの時点で直列に接続された２つだけのスイッチがあり、それによって電力コンバータＰＣの全体抵抗の減少をもたらす。一方、第２のインダクタＩ４は、第１のインダクタＩ３に直列接続され、それによって電力コンバータＰＣの全体抵抗のわずかな増加をもたらす。
【００５１】
図７ａ〜図７ｆは、図６ａ〜図６ｆ中の本発明の第２の実施形態による電力コンバータＰＣに比べて、余分の第５のスイッチＳ１１および第６のスイッチＳ１２を備えた発明の第３の実施形態による電力コンバータＰＣを示す。やはり、矢印は、電力コンバータにおける電流の方向を示す。第５のスイッチＳ１１は、第２の電極再生モードＱ３および第２のエネルギー回収モードＱ４において、第１のインダクタＩ３をバイパスするために使用される。第６のスイッチＳ１２の機能は、イオン除去モードＱ１および第１のエネルギー回収モードＱ２において第２のインダクタＩ４をバイパスするために使用される。このようにして、Ｑ３およびＱ４における第１のインダクタＩ３による、およびＱ１およびＱ２における第２のインダクタＩ４によるエネルギー効率の損失は、なくすことができる。
【００５２】
電力コンバータＰＣは、第１のインダクタＩ３およびコンデンサＦＴＣを短絡させるように構築および配置されている第２のスイッチＳ８を備え、それによって供給電圧を充電電圧に変換することは、図７ａに示されるような状況から図７ｂによって示されるように状況まで、イオン除去モードＱ１中に高速で第１のスイッチＳ７および第２のスイッチＳ８を切り替えることによって制御することできる。第６のスイッチＳ１２は、イオン除去中に第２のインダクタＩ４をバイパスするように閉じられる。
【００５３】
第１のエネルギー回収モードＱ２中、ＦＴＣに対する電圧を電源ＰＳの供給電圧に変換することは、図７ｃに示される状況から図７ｄに示されるような状況まで、高速で第１のスイッチＳ７および第２のスイッチＳ８を切り替えることによって制御することができる。第６のスイッチＳ１２は、第１のエネルギー回収モードＱ２中に第２のインダクタＩ４をバイパスするために、やはり閉じられる。
【００５４】
電力コンバータＰＣは、フロースルーコンデンサＦＴＣと直列に接続されると共に、少なくとも第３のスイッチＳ９を介して電源ＰＳに接続される第２のインダクタＩ４（図７ｅ参照）を備える。電力コンバータＰＣは、第２のインダクタＩ４およびコンデンサＦＴＣを短絡させるように構築および配置されている第４のスイッチＳ１０を備え、それによって供給電圧を再生電圧に変換することは、図７ｅに示されるような状況から７ｆに示されるような状況図まで再生モードＱ３中に高速で第３のスイッチＳ９および第４のスイッチＳ１０を切り替えるにことよって制御することができる。第５のスイッチＳ１１は、電極再生モードＱ３中に第１のインダクタＩ３をバイパスするために、やはり閉じられる。
【００５５】
第２のエネルギー回収モードＱ４では、電力コンバータＰＣは、第５のスイッチＳ１１を閉じたままにしながら再生モードＱ３から電力供給装置ＰＳへエネルギーを回収するために、図７ｆおよび図７ｅに示されるような状況の間で高速で切り替えられ得る。本発明の特定の実施形態は、上述されているが、本発明は、説明されたようなものとは異なる他のもので実施されてもよいことが理解されよう。
【００５６】
例えば、この装置は、
装置に水を取り入れるための水入口と
装置から水を流すための水出口と
コンデンサと、
コンデンサの第１の電極および第２の電極を隔て、電極同士の合間に水が流れることを可能にするためのスペーサと、
イオン除去モード中にコンデンサを充電するための充電電圧へ電源の供給電圧を変換する電力コンバータとを備えてもよく、電力コンバータは、第１の電極再生モードにおいてコンデンサを放電するように構築および配置されており、電力コンバータが、第２の電極再生モードにおいてイオン除去モードに対して電極の極性を変えるために、コントローラの制御下で第１の電極と第２の電極の間の供給電圧を切り替えるように構築および配置されており、第２の電極再生モードにおいて、イオン除去モードに比べて反対の極性である電荷で電極を充電することによって、電極に留まっているイオンが、電極同士の合間の水に解放される。
【００５７】
イオン除去モード中に第１の電極および第２の電極に前もって引き付けられたイオンは、第１の電極再生モードおよび第２の電極再生モード中に電極同士の合間の水に解放される。この装置は、水出力に接続される弁であって、イオン除去モード中に水をきれいな水出力に向け、第１の電極再生および第２の電極再生中に水を廃水出力に向けるようにコントローラによって制御される弁を備えてもよい。電力コンバータは、コンデンサに直列接続されると共に、少なくとも第３のスイッチを介して電源に接続される第２のインダクタと、第２のインダクタおよびコンデンサを短絡させるように構築および配置されている少なくとも第４のスイッチとを備えてもよく、第２の電極再生モードにおいて、イオン除去モードにおけるのとは異なる極性で供給電圧を充電電圧に変換することは、第３のスイッチおよび第４のスイッチを切り替えることによってコントローラによって制御される。電力コンバータは、第２のエネルギー回収モード中に、コンデンサからエネルギーを回収するように構築および配置されてもよく、イオン除去モードにおけるものとは異なる反対の極性での充電が、解放され、コンデンサに対する電圧が、電力コンバータによって供給電圧に変換される。
【００５８】
本説明は、例示であることを目的とし、限定するものではい。したがって、修正形態は、後述の特許請求の範囲から逸脱することなく、説明されたような本発明になされ得ることが、当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【国際調査報告】
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