(57)【要約】【課題】一層のイオン交換材を有する整水器で稼動ステップの終了およびブライン／スローリンスステップの期間を決定するための装置および方法を提供する。【解決手段】センサプローブおよび基準プローブは、イオン交換材の層内に、垂直方向に相互にずらして配置される。各々のプローブからの電圧が複数の時間間隔にわたって監視される。インピーダンス比の百分率増加が予め指定された値を超えると、稼動ステップの終了が認定され、再生サイクルが開始される。再生ステップ中に、基準プローブに対するセンサプローブのインピーダンス比の変化率が計算され、センサプローブと基準プローブとの間のインピーダンス比の変化率の二つのピークを検出するために使用され、続いて両方のピークが検出された後、ブライン／スローリンスステップが停止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一層のイオン交換材を有する整水器のプロセスサイクル中の稼動およびブライン／スローリンスステップの期間を決定する方法であって、
センサプローブおよび基準プローブを前記イオン交換材の層内に、垂直方向に相互にずらして、前記センサプローブが前記基準プローブの上流にくるように配置するステップと、
複数の時間間隔にわたって前記センサプローブおよび前記基準プローブの各々からの電圧を監視するステップと、
稼動ステップの最小インピーダンス比に対する現在の時間間隔のインピーダンス比の百分率変化を計算するステップと、
前記インピーダンス比の百分率変化が第一の最小期間に対する第一の予め定められた増加を超える場合、前記インピーダンス比の変化の増加を検出するステップと、
前記検出ステップに基づいて前記稼動ステップを停止するステップと、
ブライン／スローリンスステップを開始するステップと、
複数の時間間隔にわたって前記センサプローブおよび前記基準プローブの各々からの電圧を監視するステップと、
現在の時間間隔のインピーダンス比の前回の時間間隔のインピーダンス比からの百分率変化を計算するステップと、
前記インピーダンス比の百分率変化が予め定められた第二の時間に対し予め定められた第一の変化率を超える場合、インピーダンス比の変化率の第一ピークを検出するステップと、
複数の時間間隔にわたって前記センサプローブおよび前記基準プローブの各々からの電圧を監視するステップと、
現在の時間間隔のインピーダンス比の前回の時間間隔のインピーダンス比からの百分率変化を計算するステップと、
前記インピーダンス比の百分率変化が少なくとも一つの予め定められた第三の時間に対し予め定められた第二の変化率を超える場合、インピーダンス比の変化率の第二ピークを検出するステップと、
前記第三の検出ステップに基づいてブライン／スローリンスを停止するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
一層のイオン交換材を有する整水器のプロセスサイクル中のブライン／スローリンスステップの期間を決定する方法であって、
センサプローブおよび基準プローブを前記イオン交換材の層内に、垂直方向に相互にずらして、前記センサプローブが前記基準プローブの上流にくるように配置するステップと、
複数の時間間隔にわたって前記センサプローブおよび前記基準プローブの各々からの電圧を監視するステップと、
前記基準プローブに対する前記センサプローブのインピーダンス比の変化率を計算するステップと、
前記基準プローブに対する前記センサプローブのインピーダンス比の時間間隔の間の変化率の第一ピークを検出するステップと、
第二ピークが検出されるまで、前記監視、計算、および検出ステップを繰り返すステップと、
両方のピークが検出された後、前記ブライン／スローリンスステップを停止するステップと、
を含む方法。
【請求項３】
前記第一の検出ステップが、３０秒に少なくとも２％のインピーダンス比の変化率を識別することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第二の検出ステップが、３０秒に少なくとも２％のインピーダンス比の変化率を識別することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第一ピークの検出と前記第二ピークの監視の開始との間に時間遅延を導入することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記時間遅延が少なくとも１５分である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第二ピークが検出された後、前記スローリンスステップの停止を遅延させることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記第二ピークがタイムアウト期間内に検出されない場合、その後のプログラムステップが開始されることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記監視ステップの前記基準プローブおよび前記センサプローブが可変抵抗体である、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記監視ステップおよび前記計算ステップがマイクロプロセッサの助けを借りて実行される、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記監視ステップおよび前記計算ステップがブリッジ回路の助けを借りて実行される、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
制御装置（２０）と一層（１４）のイオン交換材（１６）とを有する整水器（１０）であって、
前記層（１４）内に配置されたセンサプローブ（５６）と、
前記センサプローブ（５６）の下流で前記層（１４）内に配置された基準プローブ（５４）と、
複数の時間間隔にわたって前記センサプローブおよび前記基準プローブの各々からの電圧を監視するように構成された回路と、
前記センサプローブ（５６）および前記基準プローブ（５４）の電圧を監視し、前記基準プローブに対する前記センサプローブのインピーダンス比を計算し、かつ前記インピーダンス比の変化に基づいて稼動ステップおよびブライン／スローリンスステップのうちの少なくとも一つを停止するように構成された制御装置（２０）と、
を備え、稼動ステップ中の場合、現在のインピーダンス比と最小インピーダンス比との間の差が予め定められた差を越えたときに、再生がスケジュールされ、再生ステップ中の場合、インピーダンス比の変化率が第一の予め定められた変化率を超え、かつ遅延時間後に、インピーダンス比の変化率が第二の予め定められた変化率を超えると、再生の停止がスケジュールされる整水器。
【請求項１３】
前記センサプローブ（５６）および前記基準プローブ（５４）が各々一対の可変抵抗体を含む、請求項１２に記載の整水器。
【請求項１４】
前記制御装置（２０）がマイクロプロセッサ（５０）を含む、請求項１２に記載の整水器。
【請求項１５】
前記回路がホイートストンブリッジ回路（６２）を含む、請求項１２に記載の整水器。
【請求項１６】
前記制御装置（２０）がさらに、前記第二ピークの検出と前記ブライン／スローリンスステップの停止との間に遅延をもたらすように構成された、請求項１２に記載の整水器。
【請求項１７】
一層のイオン交換材を有する整水器のプロセスサイクル中の稼動ステップの期間を決定する方法であって、
センサプローブおよび基準プローブを前記イオン交換材の層内に、垂直方向に相互にずらして、前記センサプローブが前記基準プローブの上流にくるように配置するステップと、
複数の時間間隔にわたって前記センサプローブ、前記基準プローブの各々からの電圧を監視するステップと、
前記稼動ステップの最小インピーダンス比からの現在の時間間隔のインピーダンス比の変化率を計算するステップと、
前記インピーダンス比の百分率変化が少なくとも６分間７．５％を超える場合、前記インピーダンス比の変化の第一ピークを検出するステップと、
前記検出ステップに基づいて前記稼動ステップを停止するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記監視ステップが約３０秒毎に実行される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記決定ステップが、前記稼動ステップの停止前に遅延をスケジュールすることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記センサプローブおよび前記基準プローブの各々が一対の可変抵抗体を含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、自動整水製品のための制御シーケンスに関する。さらに詳しくは、本願は、自動整水器の再生中に稼動サイクルおよびブライン／スローリンスサイクルの期間の終了を決定するための方法、および該方法を使用する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬水の処理中、整水器内のイオン交換樹脂または他の材料の層はカルシウムおよびマグネシウムイオンを水から除去し、それらをナトリウムイオンと置換する。硬水が層を通過するときに、それはこれらの硬水イオンを、それらが遭遇する第一軟性樹脂中のナトリウムと交換し、反応ゾーンと呼ばれるイオン交換活性の最前部または波を形成する。利用可能なナトリウムの量が枯渇し、イオン交換樹脂がカルシウムおよびマグネシウムで飽和すると、層は軟化の効果が無くなり、定期的に再生しなければならない。その結果、イオン交換材をマルチステッププロセスで再生して樹脂からカルシウムおよびマグネシウムを吐き出させ、ナトリウムレベルを回復する間、水処理は中断される。
【０００３】
硬水イオンをナトリウムイオンと置換し、イオン交換材を整水用に再び活性化させるために、一連のステップが使用される。一般的に、流入する水の流れを逆転することによって層を最初に逆洗して、沈殿物を除去し、層を緩める。次に、層は流下するブライン溶液と接触し、それによりイオン交換材は高濃度ブライン溶液からナトリウムイオンを受け取り、カルシウムおよびマグネシウムイオンをブライン中に排除して廃液に排出する。最適量のブライン溶液が給送されると、その中のブライン溶液および望ましくない硬水イオンの全ての痕跡が層から事実上排出されるまでリンス作業が続く。リンスして残留ブラインが除去された後、層は軟性樹脂として知られるナトリウム状態に回復し、次いで硬水を処理する稼動に戻る。
【０００４】
ブライン溶液の調製は一般的に、樹脂タンクとは別個に維持されるブラインタンクで行われる。塩の供給を含むブラインタンクに計測量の水が充填され、飽和塩水が形成される。塩の供給は、再生を繰り返した後は枯渇するため、定期的に交換しなければならない。所定の強度のブライン溶液にするには塩レベルが低すぎる場合、カルシウムおよびマグネシウムイオンの交換を駆動するには不充分なナトリウムレベルになり、樹脂が稼動状態に戻されたとき、硬水を充分に処理しなくなる。
【０００５】
軟水器および類似物のような最新の整水器は電子制御装置を使用して、様々なプロセスステップ中に計算を実行し、センサを監視し、タイミングを指示し、弁を制御する。一部のより新しくより精巧な整水器は電子機器を使用して、一つまたはそれ以上の入力に基づいて次の再生サイクルをスケジュールする。入力データは例えば、タイマ、流量計からの情報、水の使用に関して格納された履歴データおよび類似物を含む。整水器の再生中に必要な様々なステップのシーケンスおよび期間を決定するために、多くの制御シーケンスが考案されてきた。単純な再生シーケンスでは、各ステップは、樹脂のカルシウムおよびマグネシウムの飽和度に関係なく、固定時間長である。再生の開始時に樹脂が硬水イオンで完全に飽和されていることを前提として、層が完全に再生されることを確実にするために、各ステップの期間は、少なくともそのプロセスステップに必要な時間としなければならない。この技術を使用すると、樹脂が１０％飽和しているか、４０％飽和しているか、あるいは９０％飽和しているかに関係なく、同じ量の時間およびブラインが使用され、その結果、樹脂が硬水イオンによる飽和に達していない場合、時間および塩の無駄が生じる。
【０００６】
再生制御シーケンスを設計するときに、多数の理由から再生の期間を最小化することが好ましい。ユニットが再生されている間、軟水化の稼動は停止される。多くの消費者は、彼らの整水器がたとえ深夜あるいは早朝であっても要求時に軟水を提供することを望んでいる。ユニットが稼動を停止している時間の量を低減すると、必要なときに軟水を得られない可能性は低下する。再生により少ない塩および水を使用すると、稼動コストが低減される。また、整水器から環境に排出されるブラインの量を最小化することも必要である。ブラインサイクルの期間を短縮することは、ブラインの使用を最小化するのに役立ち、それにより環境に対する影響が軽減される。
【０００７】
特許文献１では、リンスサイクルの期間は、三つの異なる状態を探すことにより、センサプローブと基準プローブとの間の電圧の差を使用して決定される。第一の状態は、ブライン／スローリンスサイクルの開始時に層がナトリウムイオンによって完全に包囲され、ブラインが層に充填されたことを示すときに発生する。ブラインの給送が停止し、リンス水がナトリウムを洗い流すにつれて、その前方に高ナトリウム濃度を持ち、その後方に低ナトリウム濃度を持つ層内を最前部が移動する。第二段階は、最前部がセンサプローブと基準プローブとの間にあり、ブライン溶液が層からリンスされていることを示すときに発生する。第三段階は、最前部が基準プローブを通過し、両方のセンサが低ナトリウム溶液中に入り、リンスを停止することができることを知らせるときに発生する。
【０００８】
公知の先行技術の再生スキームはどれも、製造ばらつきまたはプローブもしくはセンサの経時的な汚染の影響を考慮しない。二つのプローブの間またはプローブと基準値との間の差異を使用してサイクルの終了を決定する場合、変化は、最前部の通過と値における同じ差異を生成することができる。さらに、センサは沈殿物、水垢、錆堆積物で覆われ、あるいは他の方法で汚染されることがあり、時間とともにセンサはそれを取り囲む変化に対する感度が低下する。センサの感度が低下すると、読みの差も明確でなくなり、プロセスステップの開始または終了を正確に検出する能力に影響する。その結果、ユニットは再生の必要性を認識することができず、あるいは必要以上に頻繁に再生する。
【０００９】
加えて、センサのメッキは、インピーダンスが徐々に増加するので、比較器に過早再生の信号を発生させる。その結果、予備容量が増大し、軟水器の効率が低下し、水および塩の無駄につながる。
【００１０】
さらに、先行技術は、固定された比較にセンサの読みを使用し、あるいはそれらを予め定められた値と比較する。製造差のためわずかに異なるインピーダンスの読みを出す交換センサを補正することは難しい。利用可能なソフトウェアは、流水環境でミネラルへの長年の露出からメッキされたセンサを考慮することができない。固定値または予め定められた値は、これらの変数の一部の初期状態を考慮することができるが、経時的変化を補正することはできない。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，６９９，２７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、長期間にわたって精度を維持する整水器のプロセスサイクルにおけるステップの期間を決定するための方法が必要である。該方法は、一つまたはそれ以上のセンサプローブの汚染または交換にもかかわらず、稼動ステップまたはブライン／スローリンスステップの終了を正確に決定しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらおよび他の問題は、一層のイオン交換材を有する整水器のプロセスサイクルにおける稼動ステップおよびブライン／スローリンスステップのうちの少なくとも一つの期間を決定するための本発明の方法によって対処される。該方法は、センサプローブおよび基準プローブを垂直方向に相互にずらして、センサプローブが基準プローブの上流にくるように、イオン交換材の層に配置することを含む。センサプローブおよび基準プローブ各々からの電圧は監視され、複数の時間間隔にわたって基準プローブに対するセンサプローブのインピーダンス比が計算される。稼動ステップ中に、最小インピーダンス比に対する現在のインピーダンス比の百分率差が第一最小増加を超えたとき、稼動ステップの停止がスケジュールされ、ブライン／スローリンスステップが開始される。再生サイクルのブライン／スローリンスステップ中に、センサプローブおよび基準プローブの各々からの電圧が監視され、基準プローブに対するセンサプローブのインピーダンス比の変化率が計算される。インピーダンス比の変化率の計算は、ブライン／スローリンスサイクル中の最小および最大ピークの検出を可能にする。インピーダンス比の変化率の第一ピークは、インピーダンス比が最小のときに検出される。監視、計算、および検出ステップは、第二ピークが検出されるまで繰り返される。インピーダンス比の変化率の第二ピークは、インピーダンス比が最大のときに検出される。ブライン／スローリンスサイクルは、両方のピークが検出され、その後に予め指定された遅延時間が続いた後に停止される。
【００１４】
一層のイオン交換材を有する整水器は、層内に配置されたセンサプローブと、層内でセンサプローブの下流に配置された基準プローブとを含む。複数の時間間隔にわたってセンサプローブおよび基準プローブの各々から電圧を監視するために回路が構成される。装置はまた、センサプローブおよび基準プローブの電圧を監視し、かつ基準プローブに対するセンサプローブのインピーダンス比を計算するために構成された制御装置をも含む。計算されたインピーダンス比は、稼動ステップおよびブライン／スローリンスステップのうちの少なくとも一つの期間を決定するために使用される。稼動ステップの場合、制御装置は、サイクルの最小インピーダンス比に対する現在のインピーダンス比の百分率差をも計算し、かつ百分率差が第一の予め定められた値を超える場合、再生をスケジュールする。プロセスサイクルがブライン／スローリンスステップである場合、制御装置は、インピーダンス比の変化率のピークを検出し、第二ピークが検出されるまで監視および計算ステップを繰り返し、両方のピークが検出されたときにブライン／スローリンスステップを停止する。
【発明の効果】
【００１５】
整水装置およびそれを動作させるための方法は、先行技術の不利点の多くを持たない。本発明の軟水化システムおよび方法の重要な特徴は、プロセス事象の検出が、絶対インピーダンス比とは対照的に、相対インピーダンス比に基づくことである。相対インピーダンス比の使用は、多数の真の読みによってセンサの読みを変化させる因子の影響を排除する。さらに、予め定められた絶対インピーダンス比とは対照的に、相対インピーダンス比の変化度をも測定する。これは、様々な製造差、現場の条件、および長年流水環境に配置されたセンサの必然的な「老化」によってもたらされる問題を補う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
一層のイオン交換材内のセンサを利用して再生の信号を送る整水器は、Ｃｕｌｌｉｇａｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏ．の米国特許第４，２５７，８８７号、第４，２９９，６９８号、第５，６９９，２７２号、および第５，７５１，５９８号のように、周知であり、それらの各々は参照によって本明細書に完全に組み込まれる。
【００１７】
図１を参照すると、一般的に１０で表された整水システムまたは整水器は、軟水化ステップ中に硬水から硬水イオンを受け取り、かつ再生ステップ中に硬水イオンを放出することのできる一層１４のイオン交換材１６を有する。整水器は、中でも特に、イオン交換材１６のナトリウム含有量が消耗したときにそれを補給するように再生ステップを開始および停止させるプログラムサイクルのステップを制御するために、一般的に２０で表された制御装置を有する。この説明を目的として、層１４は、層の上流部分つまり稼動ステップ中に硬水がイオン交換層を貫流するときに最初に接触する層の部分と定義される頂部２２を有する。層１４は、層の下流部分つまり稼動ステップ中に軟化水がイオン交換層から流出する前に最後に接触する層の部分と定義される底部２４を有する。他の方向の言及は、整水システム１０が図１に示すように配向されているかのように解釈される。
【００１８】
整水器１０は、ある量のイオン交換材１６を保持する筺体またはタンク２６を含む。イオン交換層１４は、当業者には周知の通り硬水イオンを除去する一層のいずれかの材料１６を含む。イオン交換樹脂は好ましいイオン交換材１６である。一般的に、イオン交換樹脂１６は、イオン交換機能を提供するためにポリマに官能基が付着された高分子ビーズである。イオン交換は、ポリマに付着された官能基によって、カチオンまたはアニオンのいずれかで行われる。ゼオライトもイオン交換材１６として公知である。カルシウムおよびマグネシウムのような硬水イオンが豊富な原水が層を通過するときに、硬水イオンはナトリウムのような軟水イオンに交換される。下述する好ましい実施形態では、イオン交換材１６をイオン交換樹脂に関して論じるが、全ての実施形態で他のイオン交換材の使用も考えられる。
【００１９】
整水器１０が家庭用に設計される場合、筺体２６は一般的に単一ユニットであるが、他の適切な整水器１０は任意選択的に、筺体を構成する二つ以上の部品を有する。好ましい実施形態では、樹脂タンク２６はブラインタンクまたは塩チャンバ３２によって取り囲まれる。別個の樹脂タンク３０およびブラインタンク３２を有する他の整水器１０が公知である（図１）。中断無く軟水を供給することが必要である場合、一つのユニットが軟化中である間に一つまたはそれ以上の他のユニットが再生中であるように、複数の樹脂タンク３０を使用することができる。本発明を目的として、筺体２６はそのような個々のユニットを全て収容する。
【００２０】
整水器１０は塩チャンバ３２内に軟水化用の塩３４をも有する。ペレット状、固体塊状、または粒状の塩化ナトリウムのようなナトリウム塩は最も一般的な軟水化用の塩３４であるが、カリウム塩のような硬水イオンの交換が可能などんな固体塩でも、本発明に使用することが考えられる。塩を追加する間隔時間を延長し、かつ整水器１０の底に蓄積する不純物の量を低減するために、高純度の塩が推奨されるが、塩の純度は、本明細書に記載する制御装置２０または整水器１０の動作に直接影響しない。軟水化用の塩３４が溶解し、その後の再生中に使用される飽和ブライン（図示せず）を作製するために、水が塩チャンバ３２に添加される。軟水化が行われる間、ブラインが軟化水を汚染しないように、かつブラインの存在下で樹脂１６と硬水との間のイオン交換は効率的に行われないので、ブラインは硬水供給源３６およびイオン交換材１６とは別個に維持される。再生ステップ中だけ、ブラインは、管路３７を介し制御弁３８および入口４０を通して、イオン交換樹脂１６と接触する。
【００２１】
依然として図１を参照すると、軟水化中に、制御装置２０は、硬水供給源３６からの硬水を入口４０から樹脂タンク２６内に流入させるように弁３８を作動させ、軟水は管４２を通して、軟水を給水系（図示せず）に供給する出口４４から流出する。入口４０と出口４４との間で、硬水はナトリウムの豊富なイオン交換樹脂１６と接触し、そこでカルシウムおよびマグネシウムイオンをはじめとする硬水イオンが樹脂によって受け取られ、ナトリウムイオンが軟水中に放出される。軟化水は整水器１０から出口４４を通して放出される。硬水が樹脂層１４に流入するときに、層の上流の硬水および消耗樹脂と、層の下流の軟水およびナトリウム状態の樹脂との間に、明確な界面が出現する。この界面は、制御装置２０が相対インピーダンス比の増加を測定しかつ検出することを可能にする。樹脂１６が硬水イオンで飽和され、ナトリウムまたはカリウムイオンが枯渇すると、樹脂は上述の通り再生される。使用済みのブラインは排水管４６を通して除去される。
【００２２】
制御装置２０は、プロセスサイクルのステップを開始し、かつ制御する。本発明を目的として、制御装置２０は少なくともマイクロプロセッサまたはマイクロコンピュータ制御ユニット５０、およびユーザインタフェース５２を含む。ユニット制御装置２０の一部の任務は、軟水化および再生ステップのタイミングを図ること、ならびに弁３８を適宜開閉することを含む。制御装置２０は他のタスクも実行することができる。最新の軟水化システムは、制御装置２０にマイクロプロセッサ５０を含む。マイクロプロセッサ５０は、同一または同様の機器によって実行される場合でも、本発明の一部ではなく本願で特に記載しない機能を持つことができることを理解されたい。
【００２３】
プロセスステップは制御装置２０によって、一つまたはそれ以上の制御弁３８の動きにより指示されることが好ましい。好ましい実施形態では、硬水またはブラインが樹脂タンク２６内に流入するかどうかは、弁３８の位置で決定される。電磁弁または電子的に制御されるロータリカムによって制御される弁をはじめ、電子的に作動する弁３８が該弁に適している。
【００２４】
プロセスサイクルには多数のステップがある。軟水化または稼動ステップ中に、供給源３６からの硬水は樹脂タンク２６に流入し、次いで管４２に入り、軟水を給水系４４に供給する。軟水化ステップの完了後に、硬水が管３２の底部から流入し、層１４を流上し、入口４０から流出して排水管４６に進む逆洗ステップがある。このステップは、重力および軟化される水の下方への流動のため圧密化した層１４の粒子を緩め、また層内に滞留し得る固体不純物を除去する。
【００２５】
逆洗ステップの最後に、ブラインタンク３２から層１４内へブラインが導入される。ブラインを作製するのに使用される塩３４の量は、キーパッドまたはタッチスクリーンのようなユーザインタフェース５２から制御装置２０に入力される。制御装置２０によって決定された適切な量の水が、塩３４に添加される。樹脂１６が再生されるときに、制御弁３８は、ブラインタンク３２からブラインを排出しそれを樹脂タンク３０に送るように、再配置される。
【００２６】
ブラインがポンプで樹脂層１４内に送り込まれるときに、それは樹脂１６をナトリウムイオンで事実上取り囲む。高ナトリウム濃度のため、平衡は硬水イオンと樹脂１６中のナトリウムイオンとの置換に有利であり、硬水イオンがブラインと共に流出することを可能にする。第一の最前部は、上流のブラインと下流の硬水との間に出現する。樹脂１６と接触した後、使用済みブラインは排水管に放出され、スローリンスが開始される。
【００２７】
ブラインが消耗されると、スローリンスが開始され、硬水は樹脂タンク３０の頂部から流入するように仕向けられ、層１４に残っているブラインを洗い流し、軟水化が開始される。第二の最前部または界面は、上流の軟化水および下流の使用済みブラインをマークする。全てのブラインが樹脂タンク２６から押し流されると、ユニットは軟化水を生成する稼動に戻る。第三の最前部は、層１４内の樹脂がナトリウムイオンを徐々に放出してそれらを硬水イオンと交換するときに形成される。この第三の最前部は、最前部の上流の硬水および下流の軟水によって特徴付けられる。
【００２８】
制御装置２０は、好ましくはソフトウェアプログラムの形の一組の命令によって駆動される。好ましくは、ソフトウェアは製造の時点でマイクロプロセッサ５０のメモリに事前にロードされる。代替的に、命令の組は、マイクロプロセッサ５０に据え付けるための読出し専用メモリのようなファームウェアにロードすることができる。命令を電子的に格納するどんな方法でも、使用中に命令が制御装置２０に容易に利用可能である限り、適している。
【００２９】
整水器１０の層１４はまた、その内部に基準プローブ５４およびセンサプローブ５６を、垂直方向に相互にずらして配置している。イオン交換材および周囲の水の抵抗の変化を示すことのできるどのようなプローブ５４、５６でも有用である。一般的に、各々のプローブ５４、５６は少なくとも一対の相隔たる電極を有し、好ましくは二対の相隔たる電極を有する。好ましいプローブは、Ｃｕｌｌｉｇａｎ  Ｉｎｔｅｔｒｎａｔｉｏｎａｌ（イリノイ州ノースブルック）のＡＱＵＡＳＥＮＳＯＲである。
【００３０】
センサ支持体５８はプローブ５４、５６を層１４内で固定位置に保持する。樹脂タンク２６と制御装置２０との間で、導管６０はプローブ５４、５６から制御装置に電子信号を搬送する。特定の位置に基準プローブ５４を配置する必要はないが、プローブは、イオン交換の最前部または媒体界面が層の底部に達するときを推定し易くするために、層１４の底部２４付近に配置することが好ましい。センサプローブ５６は、センサプローブが基準プローブの上流にくるように、基準プローブ５４より層１４の頂部２２に近い位置に配置される。プローブ５４、５６は任意選択的に水平方向にもずらされる。媒体界面は、ブライン、硬水、または軟水のような液状媒体の層内の移動に変化がある場所に発生する。
【００３１】
イオン交換の最前部または媒体界面の位置をより正確に決定するために、任意選択的に、三つ以上のプローブが樹脂層１４で使用される。下述する回路分析が、プローブ５４、５６に対し両方一度に適用される場合、層１４内のイオン交換の最前部または媒体界面の進行を綿密に監視することができる。三つ以上のプローブ５４、５６が使用される場合、それらの間の垂直方向または水平方向いずれの位置ずれも均等である必要はない。
【００３２】
ここで、図２を参照すると、一般的に６２で表されるホイートストンブリッジは、複数の時間間隔の各々で、センサプローブ５６の電圧Ｖｓｅｎｓｏｒ、および基準プローブの電圧Ｖｒｅｆｅｒｅｎｃｅを監視するために使用される。ブリッジは、それぞれ電圧ＶＲ１およびＶＲ２ならびにそれぞれインピーダンスＺＲ１およびＺＲ２を有する二つの固定抵抗体Ｒ１およびＲ２を有する。ホイートストンブリッジ６２のセンサ脚にオームの法則を適用すると、
【００３３】
Ｖｓｅｎｓｏｒ＝Ｉ×Ｚｓｅｎｓｏｒ                  （Ｉ）
ＶＲ１＝Ｉ×ＺＲ１                            （ＩＩ）
となる。ここで、Ｉは回路の電流である。回路において、インピーダンスの方程式は、
Ｚ＝｛Ｒ２＋（ＸＬ２−ＸＣ２）｝１／２            （ＩＩＩ）
によって与えられる。ここでＲは回路の抵抗であり、ＸＬは誘導性リアクタンスであり、ＸＣは容量性抵抗である。回路基板上の基準抵抗体のような純抵抗体の場合、ＸＬおよびＸＣはどちらも０に等しく、式ＩＩＩは、次のように簡約される。
Ｚ＝Ｒ                                      （ＩＶ）
オームの法則を適用すると、式ＩＩは次のように書き直すことができる。
ＶＲ１＝Ｉ×Ｒ１                                （Ｖ）
回路の電流は、次のように計算することができる。
Ｉ＝ＶＲ１／Ｒ１                                （ＶＩ）
センサプローブおよび固定抵抗体Ｒ１は直列なので、Ｒ１の電圧は、回路に供給される全供給電圧Ｖｓｕｐｐｌｙと、センサプローブ５６の電圧Ｖｓｅｎｓｏｒとの間の差に等しい。従って、
ＶＲ１＝（Ｖｓｕｐｐｌｙ−Ｖｓｅｎｓｏｒ）              （ＶＩＩ）
となる。
式ＶＩＩを式ＶＩに代入すると、
Ｉ＝（Ｖｓｕｐｐｌｙ−Ｖｓｅｎｓｏｒ）／Ｒ１            （ＶＩＩＩ）
となる。
式ＶＩＩＩをオームの法則に代入すると、
【００３４】
【数１】
2006326585.tif 000003
となる。
同じ式をホイートストンブリッジ６２の基準部に適用すると、
【００３５】
【数２】
2006326585.tif 000004
となる。
式ＩＸおよびＸを使用して比を計算し、かつ確立されたホイートストンブリッジ６２論理を使用すると、インピーダンス比は次のようになる。
【００３６】
【数３】
2006326585.tif 000005
好ましい実施形態では、ホイートストンブリッジ６２の固定抵抗体Ｒ１およびＲ２は、Ｒ１が２００オーム、Ｒ２が２１５または２２６オームである。抵抗値は、用途に合わせて変化させることができる。センサプローブ５６および基準プローブ５４は可変抵抗体である。２．５〜５．０ボルトが制御装置２０によってホイートストンブリッジ回路に印加される。電圧値ＶｓｅｎｓｏｒおよびＶｒｅｆｅｒｅｎｃｅならびにホイートストンブリッジ回路６２の二つの固定抵抗体Ｒ１およびＲ２を参照して、マイクロプロセッサ５０がソフトウェアプログラムを利用して、基準プローブ５４に対するセンサプローブ５６のインピーダンス比を計算することができる。
【００３７】
最前部の通過は、基準プローブ５４およびセンサプローブ５６のインピーダンスを比較することによって検出される。用語「最前部」とは、硬水、軟水、およびブラインの間の界面のみならず、反応ゾーンをも含むよう意図されている。プローブの近傍の環境が変化すると、プローブ５４、５６は、それらが硬水、軟水、またはブラインのいずれによって取り囲まれるかによって変動する電圧を生じる。プローブ５４、５６からの変動電圧は、制御装置２０によって監視され、稼動ステップまたはブライン／スローリンスステップのいずれかをいつ停止すべきかを決定するために使用される。監視は、センサ５４、５６のうちの検出されない方の一つを最前部が通り過ぎないように選択された、複数の時間間隔にわたって行われる。時間間隔の選択は、液体の流量およびプローブ５４、５６の垂直方向の距離に依存する。時間間隔は規則的な間隔であることが好ましいが、マイクロプロセッサ５０は任意選択的に、最前部が予想されない期間中に監視を中断する。好ましい時間間隔は３０秒である。
【００３８】
稼動ステップが開始されるときに、両方のプローブ５４、５６は軟水および軟性イオン交換材１６の中にある。軟水化が開始されると、硬水は樹脂層１４内を移動し、硬水イオンを樹脂に関連するナトリウムイオンと交換する。硬水イオンはそれらが接触する最初のナトリウムイオンと交換され、層１４内を水流の方向に移動する最前部を形成する。最前部の上流の水は硬水であり、最前部の下流の水は軟化された水である。イオン交換の最前部がセンサプローブ５６に達するまで、インピーダンス比はほぼ一定であり、１に等しい。イオン交換の最前部がセンサプローブ５６を通過すると、イオン交換材１６は再生された状態から使用済み状態に変化し、周囲の水は軟化水から未軟化水に変化する。この時点で、基準プローブ５４は依然として軟水および再生された樹脂の中にある。その結果、インピーダンス比は増加する。
【００３９】
現在のサイクルの最小インピーダンスと比較して、インピーダンス比に第一の予め定められた増加があるときに、ピークが検出される。同じプロセスサイクルからの値は、原水供給の変化、プローブの交換、および／または以前のサイクルからのプローブ５４、５６の汚染をはじめとする外部変動の影響を最小化するように、増加を決定するために使用される。
【００４０】
インピーダンス比の第一の予め定められた増加は、現在のインピーダンス比とそのサイクルの最小インピーダンス比との間の差が最大限に近づいていることを示す任意の値である。第一の予め定められた増加の厳密な値は、プローブ５４、５６の特性、回路基板の固定抵抗体、および過早再生に対する許容性によって決定される。好ましいＡＱＵＡＳＥＮＳＯＲプローブを使用する場合、約５％から約１５％の増加が特に有用である。より好ましくは、インピーダンス比の第一の予め定められた増加は約７％から約８％である。
【００４１】
最小インピーダンス比と現在のインピーダンス比との間の増加が第一の最小期間に対する第一の予め定められた増加を超えた場合には、稼動ステップの終了が即時に、またはスケジュールされた時間遅延に従って実行される。最小インピーダンス比と現在のインピーダンス比との間の差は、少なくとも４分間、より好ましくは少なくとも６分間、維持されることが好ましい。ピークの厳密な持続時間は、多数のプロセス因子、特に流量に依存する。樹脂１６の予備、つまり整水器１０のサイズまたはプローブ５４、５６の配置のため、センサプローブ５６の下流に残るイオン交換樹脂１６の量が小さい場合、稼動ステップは即時に停止することが好都合である。任意選択的に、稼動ステップの停止は多数の基準のいずれかに従って遅延される。制御装置２０が稼動ステップを停止すべきであると決定したときに水が現在使用されている場合、再生は任意選択的に、少なくとも水の使用が停止または最小化されるまで遅延される。樹脂１６の予備が充分大きい場合、予め定められた時刻まで再生を遅延させることができる。イオン交換の最前部が基準プローブ５４を通過すると、両方のプローブ５４、５６が再び水および樹脂１６の中で同一状態になるので、インピーダンス比は約１まで低下する。
【００４２】
適切な時間に、制御装置２０は稼動ステップを停止し、再生のブライン／スローリンスステップを開始する。プローブ５４、５６のインピーダンス比間の不平衡を使用して、稼動ステップで使用されるものとは少し異なる方法で再生ステップの期間が決定される。さらに詳しくは、二つのプローブ５４、５６間のインピーダンス比が決定され、時間間隔を隔てたインピーダンス比の変化率が計算される。インピーダンス比の変化率の二つの特定のピークが検出されたときに、制御装置２０はブライン／スローリンスステップを停止する。
【００４３】
ブライン／スローリンスサイクルの開始時に、センサプローブ５６および基準プローブ５４は両方とも硬水および使用済み樹脂１６の中にあり、インピーダンス比は一定かつほぼ同一である。ブラインがセンサプローブ５６を通過するときに、基準プローブ５４は依然として硬水中にある。同時に、異なる溶液の相対的導電率のため、センサプローブ５６は基準プローブ５４より低い抵抗を持つ。ブライン界面が基準プローブ５４を通過するまで、インピーダンス比は減少し、通過すると、インピーダンスは再び等しくなり、一定のインピーダンス比になる。センサプローブ５６がブライン中にあり、かつ基準プローブが高水中にある間のインピーダンス比のこの急速な変化は、インピーダンス比の変化率を経時的に追跡したときに、顕著な第一の最小ピークを生成する。稼動ステップ中と同様に、インピーダンス比は、マイクロプロセッサ５０によって検出される基準プローブ５４およびセンサプローブ５６の電圧信号に基づいて計算される。インピーダンスピークの差が、予め定められた時間（好ましくは３２秒）に対して予め定められた第一変化率を超えたとき、第一ピークが検出される。
【００４４】
再生中に両方のプローブ５４、５６がブライン中にある間、比はほぼ一定であり、変化率は０付近である。ブラインが消費され、リンス水が層１４内に導入された後、センサプローブ５６がリンス水中にあり、基準プローブ５４が依然としてブライン中にある状態が生じる。リンス水はしばしば硬水であるが、別の樹脂タンクからの軟水が任意選択的に使用される。同時に、センサプローブ５６は基準プローブ５４より高い抵抗を持ち、その結果インピーダンス比の急速な変化が生じる。インピーダンス比のこの急速な変化は、インピーダンス比の変化を経時的に追跡したときに、顕著な第二のピークを生成する。経時的なインピーダンス比の変化率を測定することにより、マイクロプロセッサは、センサプローブが軟水および再生された樹脂の中にあり、かつ基準プローブ５４が使用済みブラインの中にあるときに、最大インピーダンス比を検出することができる。両方のプローブ５４、５６が両方とも軟水および軟性樹脂の中にあるときに、比は再びほぼ一定になる。
【００４５】
ブラインの層１４通過の開始時および終了時のインピーダンス比の変化率のピークは明瞭に認識可能であり、ブライン／スローリンスステップの監視に有用である。インピーダンス比の変化率が予め定められた変化率を超えるときに、いずれかのピークが検出される。予め定められる変化率は、現在のインピーダンス比とそのサイクルの前回のインピーダンス比との間の差が最大に近づいていることを示す任意の値である。正確な値は、プローブ５４，５６の特性、および再生の過早停止に対する許容性によって決められる。好ましいＡＱＵＡＳＥＮＳＯＲを使用する場合、約０．５％から約２．５％のインピーダンス比の変化率の増加は特に有用である。ブラインが層１４を通過し始めるときに、第一の予め定められた変化率は２％を超えることが好ましい。後で、ブラインが使用し尽くされ、第二のピークが層１４中を進行するときに、第二の予め定められた変化は２％を超えることが好ましい。
【００４６】
予め定められた第二時間および予め定められた第三時間は少なくとも３０秒であることが好ましい。予め定められた第二時間および予め定められた第三時間は同一とすることができ、あるいはそれらの値は相互に大きく異なることができる。３０秒の好ましい時間間隔を使用する場合、ピークが少なくとも該時間間隔と同じ長さの最小持続時間を持つと、ピークの検出が確保される。さらに好ましくは、第一および第二ピークは両方とも、少なくとも３２秒間維持され、さらに好ましくは１分またはそれ以上維持される。
【００４７】
これらのプロセスステップのいずれもその期間は、多数の因子に依存する。整水器１０のサイズおよび樹脂層４の深さは、基準プローブ５４とセンサプローブ５６との間の垂直方向の最大距離を決定する。この距離間隔および流体の流量は、最前部がセンサ５４、５６間の距離を移動するのにどれだけの時間がかかるかを、少なくとも部分的に決定する。樹脂１６のイオン交換容量は、再生するためにどれだけの塩が必要であるか、およびブライン洗浄がどれだけの時間続くかを少なくとも部分的に決定する。
【００４８】
任意選択的に、マイクロプロセッサ５０は、第一ピークまたは第二ピークが適正な期間内に現れない場合に、ブライン／スローリンスステップを停止して警告をトリガするタイムアウト機能を含むように構成される。タイムアウト警告を出すための期間は、ピークが通過する予想時間を越える必要がある。好ましい時間は、再生プロセス全体の総予想時間より少し長い。警告は任意選択的に、可聴アラームまたはディスプレイ６４に示される可視アラームである。
【００４９】
図３〜５に示す一つの好ましい実施形態では、制御装置２０内のマイクロプロセッサ５０は、好ましいプロセスを実行するために特定の一連のステップを実行するようにプログラムされる。図３に示す稼動ステップ中に、１００で制御装置２０は基準プローブ、センサプローブ、および給電線の電圧を３０秒間隔で測定する。これらの電圧信号はアナログ型信号測定であることが好ましい。１０４でアナログ信号をデジタル電圧信号に変換するために、アナログデジタル信号変換器１０２またはアナログデジタル変換器を内蔵したマイクロプロセッサ５０、例えば日立（日本国東京）、ＮＥＣ（ニュージャージ州プリンストン）、および東芝（カリフォルニア州アーバイン）によって製造されたものを、制御装置２０に設けることが好ましい。
【００５０】
基準プローブ５４およびセンサプローブ５６のインピーダンス値は１０６で、方程式ＩＸおよびＸを使用し、該電圧値、およびホイートストンブリッジ６２の基準抵抗体Ｒ１、Ｒ２の既知の値を使用して計算される。二つのセンサ５４、５６のインピーダンス比もまた、１０６で方程式ＸＩを使用して計算される。これが稼動ステップの最初のデータポイントである場合、現在のインピーダンス比は１０８で最小インピーダンス比として記録され、制御装置は次の３０秒の読みの時間を待つ。
【００５１】
稼動ステップのその後の読みに対し、現在のインピーダンス比が１１０で記録され、次いで１１２で最小インピーダンス比と比較される。現在のインピーダンス比が最小インピーダンス比より低い場合、１１４で最小インピーダンス比は現在の値にリセットされる。１１６でインピーダンス比の百分率変化が計算され、予め定められた増加と比較され、それが７．５％を超えないと、１２０で条件タイマ１１８が解除され、制御装置２０は再び次の時間間隔を待つ。インピーダンス比の変化が７．５％を超えると、１２２で条件タイマ１１８が始動する。インピーダンス比の変化が６分以内に７．５％未満に低下すると、ピークは誤りとみなされ、再生は開始されない。百分率および時間間隔は、用途に合わせて変化させることができる。
【００５２】
しかし、ステップ１２４を参照すると、インピーダンス比の変化が少なくとも６分間持続した場合、制御装置２０は適切な時間に再生を開始１２６するために必要な措置を講じる。再生は即座に開始されるか、あるいは適切な基準に従って遅らされ得る。この時点で、制御装置は１２８で停止し、基準プローブ５４、センサプローブ５６、および給電線の電圧の３０秒の読みを開始する。
【００５３】
図４に示すように再生が開始されると、ブライン／スローリンスステップの期間を決定するために、別のプログラムが開始される。ブライン／スローリンスサイクルに入って１分後、制御装置２０は１３０で、基準プローブ５４、センサプローブ５６、および給電線（図示せず）の電圧の測定を開始する。１３２でアナログ信号は、稼動ステップで上述したのと同じ変換器１０２を使用して、デジタル信号に変換される。１３６で、各プローブのインピーダンスおよびインピーダンス比を得るために計算が実行される。これが現在の再生ステップにおける最初のデータポイントである場合、現在のインピーダンス比の値は１３８で旧インピーダンス比に割り当てられ、次いで制御装置２０は次の３０秒間待ち、新しい電圧を得る。
【００５４】
現在の再生ステップにおけるその後のデータポイントに対し、現在のインピーダンス比が１４０で記録され、インピーダンス比の変化の百分率が１４２で、現在のインピーダンス比と旧インピーダンス比との間の差を旧インピーダンス比で割った値として計算される。ステップ１４４で、変化率が２％未満の増加である場合、ピークは検出されず、制御装置２０はステップ１４６でステップタイマを解除し、制御装置は次の３０秒の間隔を探す。３０秒間のインピーダンス比の変化率の増加が約２％を超え、少なくとも３０秒回維持される場合、第一ピークが検出される。
【００５５】
第一ピークの検出後、１５２で遅延時間を挿入することができ、それにより制御装置は、ピークが予想されない時間に信号を記録する必要がなくなる。例えば遅延時間は約５分から約３０分間、好ましくは、少なくとも１５分間、持続することができる。これらの時間は、例えば水の流量、基準プローブ５４およびセンサプローブ５６の相互に対する配置、ならびに塩の投与量によって変化する。
【００５６】
図５を参照すると、第一ピークの検出に続いて、制御装置は１３０でセンサプローブ５６、基準プローブ５４、および給電線の電圧の測定を再開すると共に、１３２でアナログからデジタルに値を変換し、１３６でインピーダンスおよびインピーダンス比を計算し、１３８で最初のインピーダンス比を旧インピーダンス比として割り当て、１４０で現在のインピーダンス比を記録し、かつ１４２で上記の第一ピークの場合と同様にインピーダンス比の百分率変化を計算する。
【００５７】
インピーダンス比の変化率が最小変化率を満たさない場合、１５６で第二ピークは認識されず、制御装置２０は条件タイマ１１８をリセットし、１３０で次の３０秒の測定を待つ。１５４でインピーダンス比の変化率が２％より大きいことが決定され、１６０でその状態が条件タイマ１１８で３０秒より長く維持されたときに、１５８で第二ピークが認識される。第二ピークの認識に続いて、制御装置は１６２で、即時に、または再生剤の投与量、遅延時間、もしくは他の事象によって遅延して、再生の停止をスケジュールする。
【００５８】
ホイートストンブリッジ６２（図２）は絶えず電圧を監視するが、それは計算で使用するために時間間隔で記録される。インピーダンス比の変化率を決定するのに有用な時間間隔は、それが検出しようとするピークの持続時間より短く、好ましくは１０秒から６０秒の間、より好ましくは２０秒から４０秒の間である。時間間隔は規則的間隔であることが好ましい。
【００５９】
再生シーケンスにおけるステップの期間を決定するための本発明の方法の特定の実施形態を示して説明したが、より幅広い態様を持ちかつ特許請求の範囲に記載する本発明から逸脱することなく、それに変化および変形を施すことができることを当業者は理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】分かり易くするために部分的に切り欠いた、本発明で使用するのに適した型の軟水化システムの立面図である。
【図２】ホイートストンブリッジ回路の回路図である。
【図３】稼動ステップの終了を決定するためのプロセスの流れ図である。
【図４】再生ステップで第一ピークを決定するためのプロセスの流れ図である。
【図５】第二ピークおよび再生ステップの終了を決定するためのプロセスの流れ図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  整水器
２０  制御装置
２２  頂部
２４  底部
２６  樹脂タンク
３２  プラインタンク
３４  塩
３６  硬水供給源
３７  管路
３８  制御弁
４０  入口
４２  管
４４  出口
４６  排水管
５０  制御ユニット
５２  ユーザインタフェース
５４  基準プローブ
５６  センサプローブ
５８  センサ支持体
６０  導管
６４  ディスプレイ
【図１】
2006326585.tif 000006
【図２】
2006326585.tif 000007
【図３】
2006326585.tif 000008
【図４】
2006326585.tif 000009
【図５】
2006326585.tif 000010