(57)【要約】【課題】  電極の劣化を抑制するイオン水生成器を提供する。【解決手段】  商用交流電源の整流電圧をスイッチングして、包絡線が正弦波半波の脈流となる直流出力を生じさせ、これを電極１ａ，１ｂに供給する電解用スイッチング電源２と、電極１ａ，１ｂに流れる電流を検知する電流検知手段と、検知される電流及び、ｐＨ設定に基づいて、前記直流出力の電流の波高値を変化させるスイッチング制御手段とを備えたイオン水生成器とする。これにより、実質的な電流オフ期間を作ることなく電解出力電流が流れ、電解出力電流の変化（ｄｉ／ｄｔ）は小さくなるので、電極の劣化を抑制することができる。【選択図】      図１
2007021337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する電解槽と、
商用交流電源の整流電圧をスイッチングして、包絡線が正弦波半波の脈流となる直流出力を生じさせ、これを前記電極に供給する電解用スイッチング電源と、
前記電極に流れる電流を検知する電流検知手段と、
前記電流検知手段によって検知される電流及び、ｐＨ設定に基づいて、前記直流出力の電流の波高値を変化させるスイッチング制御手段と
を備えたことを特徴とするイオン水生成器。
【請求項２】
前記電解用スイッチング電源は、入力側及び出力側において、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成であり、また、前記電解用スイッチング電源の出力制御の応答速度は、前記商用交流電源の周波数より十分に遅い請求項１記載のイオン水生成器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン水生成器に関し、特にその電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン水生成器の電源回路においては、商用交流電圧が安定した直流電圧に変換され、これをスイッチング素子でデューティ制御することにより、所望の電解出力が電解槽の電極に供給されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５０５３号公報（段落［００２０］、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来のイオン水生成器では、スイッチング素子のオン／オフによって電極に流れる電流に急激な変化が生じ、その度に電極が劣化する。この結果、電極の寿命が短くなる。
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、イオン水生成器において電極の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のイオン水生成器は、電極を有する電解槽と、商用交流電源の整流電圧をスイッチングして、包絡線が正弦波半波の脈流となる直流出力を生じさせ、これを前記電極に供給する電解用スイッチング電源と、前記電極に流れる電流を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段によって検知される電流及び、ｐＨ設定に基づいて、前記直流出力の電流の波高値を変化させるスイッチング制御手段とを備えたものである。
上記のように構成されたイオン水生成器においては、正弦波半波の脈流となる直流出力の波高値の制御によって、実質的な電流オフ期間を作ることなく電解出力電流が流れる。従って、電流のオン／オフ期間を作るデューティ制御に比べると、急峻な立ち上がり／立ち下がりがなく、電解出力電流の変化（ｄｉ／ｄｔ）は、小さくなる。
【０００６】
また、上記イオン水生成器において、電解用スイッチング電源は、入力側及び出力側において、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成であり、また、電解用スイッチング電源の出力制御の応答速度は、商用交流電源の周波数より十分に遅いことが好ましい。
この場合、電解コンデンサを排除した回路構成であること（第１の特徴）により、脈流波形の全期間（ゼロ点を除く。）で整流器に電流が流れる。また、電解用スイッチング電源の出力制御の応答速度が、商用交流電源の周波数より十分に遅いこと（第２の特徴）により、脈流半波の期間では、見かけ上、スイッチングのオン時間は一定となる。そして、これらの第１の特徴及び第２の特徴を具備すること（ＡＮＤ条件）により、電解用スイッチング電源の１次側スイッチング素子に流れる電流は入力電圧（整流出力）に比例し、正弦波半波の繰り返し波形となる。従って、コンデンサインプット型の回路構成に比べて力率が改善される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のイオン水生成器によれば、正弦波半波の脈流となる直流出力の波高値の制御によって電解出力電流が流れるので、電解出力電流の変化（ｄｉ／ｄｔ）は小さくなり、電極の劣化が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態によるイオン水生成器について、図面を参照して説明する。
図１は、イオン水生成器の、電源回路を主体とした回路図である。図において、一対の電極１ａ，１ｂを有する電解槽１に電解出力を供給する電源回路は、商用交流電源の整流電圧から正負両極性の直流出力を生じさせる電解用スイッチング電源２と、正負両極性の出力電路にそれぞれ設けられた正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４とを備えている。電解槽１の電極１ａ，１ｂには、正側スイッチング素子３又は負側スイッチング素子４を介して電解出力が供給される。このように、電解用スイッチング電源２を用いて電解出力を供給する電源回路を構成したことによって、電解用スイッチング電源２のトランス５は商用電源周波数より格段に高い周波数で使用されることになる。従って、トランス５は、商用電源周波数で使用されるトランスと比較して、コアのコンパクト化が可能となり、小型、軽量、低コストなものとすることができる。
【０００９】
詳細には、まず、商用交流電源にバリスタ６及びノイズフィルタ７が接続されており、これによって、商用交流電源に含まれるサージやノイズ成分が除去される。ノイズフィルタ７には整流器（ブリッジダイオード）８が接続されており、これに入力された商用交流電圧が全波整流されて脈流の電圧となる。また、整流器８の出力側には抵抗９及び電解出力用のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）１０を直列に介して、トランス５の１次側巻線が接続されている。すなわち、この電解用スイッチング電源２は、その入力側において、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成となっている。
【００１０】
上記トランス５は、１次側電圧を、電解出力に必要な所望の電圧に変圧する。トランス５の２次側巻線には中間タップ５ｃが設けられており、これに接続された中性線Ｎは、回路グランドに接続され、かつ、抵抗１１（電流検知手段）を介して電極１ｂに接続されている。この中性線Ｎに対してトランス５の２次側の巻線両端５ａ，５ｂには、互いに逆極性の出力を生じる。巻線両端５ａ，５ｂには互いに逆向きに一対のダイオード１２，１３が接続されている。ダイオード１２及び１３にはそれぞれ、極性切替用の、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４（共にＭＯＳＦＥＴ）が接続されている。
【００１１】
上記各スイッチング素子３，４には、ＣＬＣからなるπ型フィルタ１４を介して電解槽１の電極１ａが接続されている。π型フィルタ１４は平滑機能を有するが、これはチョークインプット型の平滑回路であり、コンデンサインプット型の平滑回路ではない。なお、コンデンサインプット型の平滑回路を構成する場合には、ダイオード１２，１３とスイッチング素子３，４との間の各電路と、中性線Ｎとの間に一対の電解コンデンサを接続するが、本実施形態ではこのような電解コンデンサを設けない。すなわち、電解用スイッチング電源２は、その出力側においても入力側と同様に電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成となっている。
【００１２】
次に、制御側の構成について説明する。整流器８の出力電路の一方には、ゼロクロス検知部１５が接続されており、脈流電圧のゼロクロスを検知して、ゼロクロス検知信号を制御装置１６に与える。一方、制御装置１６に接続された極性切替制御部１７は、ゼロクロス検知信号に基づく制御装置１６からの極性切替信号により、正側スイッチング素子３及び負側スイッチング素子４の各ゲートに対して交互に駆動電圧を与える。なお、制御装置１６は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等によって構成されている。
【００１３】
一方、スイッチング素子１０のゲートには、ＰＷＭ制御又は周波数制御等によりスイッチング素子１０のオン時間を制御する電解用制御部１８が接続されている。電解用制御部１８は、端子ＣＳにコンデンサ３１を外付けすることにより、スイッチングによる出力を緩やかに立ち上げるためのソフトスタート機能を備えている。また、この電解用制御部１８は抵抗９の両端に接続されており、トランス５の１次側電流を電圧信号で監視し、スイッチング素子１０に流れるドレイン電流が増加すると、これを制限することができる。
【００１４】
ユーザがイオン水のｐＨ（ペーハー）設定を行うことにより、制御装置１６は、そのｐＨ設定に応じた電流制御信号（例えば０〜４．５Ｖの電圧信号）を出力する。この信号電路は抵抗３２を介してオペアンプ１９の非反転入力端子に接続されている。また、非反転入力端子とＧＮＤとの間に、コンデンサ３３が接続されている。
【００１５】
一方、電極１ａ，１ｂに流れる電流が抵抗１１を流れることによって生じる電位すなわち電流検知信号は、オペアンプ１９の反転入力端子に入力されるとともに、制御装置１６にも入力される。オペアンプ１９はこれらの入力を差動増幅し、その出力によりフォトカプラ２０を駆動する。フォトカプラ２０の出力は電解用制御部１８に与えられ、これに基づいて、ＰＷＭ制御が行われる。フォトカプラ２０の介在により、オペアンプ１９と電解用制御部１８とは互いに絶縁される。π型フィルタ１４の出力電圧すなわち電極１ａに印加される電圧を示す電圧検知信号は、制御装置１６に入力されている。
上記制御装置１６、オペアンプ１９、フォトカプラ２０及び電解用制御部１８は、スイッチング素子１０に対するスイッチング制御手段を構成している。
【００１６】
整流器８の出力電路には、電圧の回り込み防止用ダイオード２１と、突入電流防止用サーミスタ２２と、平滑用の電解コンデンサ２３とが接続され、電解コンデンサ２３の電圧が制御用スイッチング電源２４に入力される。従って、制御用スイッチング電源２４に関しては、コンデンサインプット型の入力回路構成となっている。制御用スイッチング電源２４のＤＣ１２Ｖ出力電路及びＧＮＤは、制御装置１６に接続される。また、ドロッパ電源２５を介したＤＣ５Ｖの出力電路が制御装置１６に接続される。リレー２６のコイル２６ｃは、制御装置１６から電磁弁オン／オフ信号を受けて、励磁／非励磁の状態となる。また、制御用スイッチング電源２４のＤＣ１２Ｖの出力電路とＧＮＤとにはそれぞれ、リレー２６の接点２６ａを介して電磁弁２７が接続されている。この電磁弁２７の動作／動作停止により、イオン水生成のための水流がオン／オフとなる。
【００１７】
以上のように構成されたイオン水生成器においては、商用交流電圧Ｖｉｎ（図２の（ａ））が整流器８により全波整流され、脈流電圧ＶＰ（図２の（ｃ））となる。前述のように電解用スイッチング電源２の入力側には電解コンデンサがないので、脈流電圧ＶＰは平滑されない。この脈流電圧ＶＰは、電解用制御部１８によって制御されるスイッチング素子１０により高速（３０〜４５ｋＨｚ）にスイッチングされ、トランス５により、所定の電圧に変圧される。今、仮に正側スイッチング素子３がオン、負側スイッチング素子４がオフであるとすると、トランス５の２次側ではダイオード１２からスイッチング素子３へ電流が流れ、一方の電極１ａが＋、他方の電極１ｂが−の極性となる。電極１ａ，１ｂに電流が流れると電流検知信号がオペアンプ１９に負帰還され、電極１ａ，１ｂに流れる電流が電流制御信号に対応した電流に収束するように、電流制御が行われる。こうして、電流制御信号に対応したｐＨのイオン水が生成される。
【００１８】
また、電極１ａ，１ｂに不純物が付着するのを防止すべく、制御装置１６及び極性切替制御部１７により各スイッチング素子３，４のオン／オフ状態を周期的に交互に切り替える。正側スイッチング素子３がオフ、負側スイッチング素子４がオンとなると、トランス５の２次側では中性線Ｎから電解槽１を通って、負側スイッチング素子４からダイオード１３へ電流が流れ、電極１ｂが＋、電極１ａが−の極性となる。このような極性切替は例えば１秒周期で行われる。また、極性切替制御部１７に対する制御装置１６からのデューティ制御により、１周期のうちの例えば９５％は、選択されたイオン水（通常はアルカリイオン水）が生成される方向に電流が流れる極性、残りの５％は逆の極性となる。極性切替制御部１７における極性切替は、ゼロクロス検知部１５からのゼロクロス検知信号に基づいて、電圧ＶＰのゼロ点で行われる。
【００１９】
スイッチング素子１０による上記のスイッチング動作において、スイッチング素子１０に流れる電流Ｉｄは、幅の狭いパルスの断続波形となり、実質的な波形はその包絡線となる。ここで、スイッチング素子１０のオン時間をＴｏｎ、トランス５の１次巻線のインダクタンスをＬとし、抵抗９の抵抗値を無視すると、スイッチング素子１０に流れる電流Ｉｄは、
Ｉｄ＝ＶＰ×（Ｔｏｎ／Ｌ）      ．．．（１）
となる。
【００２０】
電解用制御部１８は、その応答速度が商用周波数（５０又は６０Ｈｚ）より十分に遅く設定されている。「十分に遅く」とは、１〜１０Ｈｚの周波数であり、好ましくは数Ｈｚである。これにより、例えば５０Ｈｚの場合の脈流半波の１０ｍｓの期間では、見かけ上Ｔｏｎは一定となる。すなわち、応答速度が遅いことによって、１０ｍｓの期間では電解用制御部１８が応答せず、Ｔｏｎは一定となる。従って、上記式（１）におけるＴｏｎ及びＬが一定となり、Ｉｄは、ＶＰに比例する。これにより、ＩｄはＶＰと同様に、正弦波半波が繰り返す脈流波形となる（図２の（ｄ））。
【００２１】
また、前述のように、電解用スイッチング電源２の入力側及び出力側のいずれにおいても、非コンデンサインプット型の回路構成であることにより、力率が改善される。
仮に、コンデンサインプット型の平滑回路が構成されていると、コンデンサの充放電を利用して平滑が行われるために、整流器８に電流が流れている期間（導通角）が小さく、力率が悪くなる。例えば、２００Ｗ（１００Ｖ）の出力が必要とされているイオン水生成器では、コンデンサインプット型である場合、力率が０．５、効率が８０％であるとすると、入力電流は、２００／（０．８×０．５×１００）により、５Ａとなる。
これに対して、上記のように、電解コンデンサを排除した非コンデンサインプット型の回路構成によれば、脈流波形の全期間（ゼロ点を除く。）で整流器８に電流が流れ、力率が改善される。実験では、力率は、ほぼ１（０．９９）にまで改善された。従って、入力電流は半減（２．５Ａ）する。
【００２２】
なお制御用スイッチング電源２４に流れ込む電流ＩＰは、電解コンデンサ２３の存在により整流器８の導通角が小さくなり、脈流電圧ＶＰに対してπ［rad］期間内の一時期にしか電流ＩＰが流れない（図２の（ｅ））。この結果、イオン水生成器全体としての入力電流Ｉｉｎは、ＩｄにＩＰを重畳した波形となる（図２の（ｂ））。
【００２３】
図３は、商用交流電源投入から所定の電解出力電流が流れるまでのタイムチャートである。図において、商用交流電源投入によりスイッチング電源２の入力電圧である脈流電圧ＶＰが時刻ｔ１にオンになると、時刻ｔ２までにＤＣ５Ｖ及びＤＣ１２Ｖが立ち上がる。ゼロクロス検知部１５は入力電圧のゼロクロスを検知して検知信号（パルス列）を制御装置１６に入力する。以後は待機の状態となり、イオン水生成開始操作により電磁弁２７が開き、時刻ｔ３において水流検知されると、直後のゼロクロスのタイミングである時刻ｔ４において電流制御信号（ｐＨ設定に対応する。）が０から例えば２．５Ｖに変化する。これにより、スイッチング電源２から電解槽１へ電解出力電流が流れる。
【００２４】
ここで、電解用制御部１８の前述のソフトスタート機能により、ｔ４から時間経過とともに徐々に波高値が上昇する。電解出力電流は「電流検知信号」としてオペアンプ１９に負帰還され、ソフトスタート終了の時刻ｔ５以降には、ｐＨ設定に相当する電流制御信号２．５Ｖに応じた一定の電解出力電流が電解槽１に流れる。このようにして、正弦波半波の脈流となる直流出力の波高値の制御によって、実質的な電流オフ期間を作ることなく電解出力電流が流れる。従って、電流のオン／オフ期間を作るデューティ制御に比べると、急峻な立ち上がり／立ち下がりがなく、電解出力電流の変化（ｄｉ／ｄｔ）は、小さくなる。これにより、電極１ａ，１ｂの劣化が抑制され、寿命が延びる。また、ノイズやスイッチングロスも低減される。
【００２５】
図４は、電解中のｐＨ設定変更に関するタイムチャートである。時刻ｔ６において電流制御信号が２．５Ｖから４．５Ｖに変化すると、電解用制御部１８のソフトスタート機能により電解出力電流は緩やかに増加し、時間的遅延を伴って４．５Ｖ相当の波高値に達する。また、時刻ｔ７において電流制御信号が４．５Ｖから１Ｖに変化すると、コンデンサ３３と抵抗３２との作用により電解出力電流は緩やかに低下し、時間的遅延を伴って１Ｖ相当の波高値に達する。このようにして、波高値の増減を緩やかにすることで、電極１ａ，１ｂの長寿命化にさらに寄与する。
【００２６】
なお、上記実施形態ではトランス５の２次側で極性切替を行っているが、これは一例であり、極性切替は必ずしも必要ではない。
また、上記実施形態ではコンデンサ３３をオペアンプ１９の入力側に設けたが、このようなコンデンサを、フォトカプラ２０や電解用制御部１８に設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態によるイオン水生成器の、電源回路を主体とした回路図である。
【図２】図１に示す回路上の各部の電圧又は電流の波形を示す図である。
【図３】商用交流電源投入から所定の電解出力電流が流れるまでのタイムチャートである。
【図４】電解中のｐＨ設定変更に関するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
１    電解槽
１ａ，１ｂ    電極
２    スイッチング電源
８    整流器
１１    抵抗（電流検知手段）
１６    制御装置
１８    電解用制御部
１９    オペアンプ
２０    フォトカプラ
【図１】
2007021337.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007021337.tif 000006