(57)【要約】硬水軟化装置における、硬度に関する破過を検出するためのセンサは、処理された水と接触している細長いカチオン交換材料の導電率の変化を計測する。2017508990.tif 000006
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続イオン交換材料と抵抗器とを備え、該連続イオン交換材料が該抵抗器と電気的に直列であり、かつ該イオン交換材料にかかる電圧が該イオン交換材料の導電率に比例する、導電率を計測するためのセンサ。
【請求項２】
前記抵抗器がサーミスタである、請求項1に記載のセンサ。
【請求項３】
電流を前記イオン交換材料中の二つの方向のいずれか一方に流すようにまたは該イオン交換材料中の電流の流れを除くように定期的に作動するよう構成された一つまたは複数のスイッチをさらに備える、請求項1に記載のセンサ。
【請求項４】
前記導電率に比例する値を記憶するように前記電圧が保持される、請求項1に記載のセンサ。
【請求項５】
（i）キャビティ中を試験流体が流れる該キャビティを形成するように構成された、第一の非導電性プレートおよび第二の非導電性プレートと、
（ii）該キャビティ内に配置され、該流体と接触するように構成された、連続イオン交換材料と、
（iii）第一の電極と第二の電極とが所定距離だけ離れている、該イオン交換材料の第一の部分と接触している該第一の電極および該イオン交換材料の第二の部分と接触している該第二の電極と、
（iv）該イオン交換材料に結合され、該イオン交換材料における導電率を計測するように構成された、装置と
を備える、流体のイオン組成の変化を検出するためのセンサ。
【請求項６】
前記連続イオン交換材料が膜または繊維である、請求項5に記載のセンサ。
【請求項７】
イオン交換膜がカチオン交換膜である、請求項6に記載のセンサ。
【請求項８】
前記連続イオン交換材料がアニオン交換膜である、請求項6に記載のセンサ。
【請求項９】
前記非導電性プレートが平面である、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記非導電性プレートが半円形である、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記キャビティ中に配置されたダイヤフラムをさらに備え、該ダイヤフラムが、該ダイヤフラムに圧力が印加されると電極間の電流の流れのための代替経路として流体を除去するために該キャビティから該流体を押し退けるように構成されている、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記ダイヤフラムがアクチュエータに結合されている、請求項11に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記アクチュエータが、電気式、水圧式、空気式、または機械式アクチュエータである、請求項12に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記センサを通過する流体流量を調節するように構成された流量調節装置をさらに備える、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１５】
請求項5に記載の一つまたは複数のセンサに流体的に接続された硬水軟化装置を備える、硬水軟化システム。
【請求項１６】
前記硬水軟化装置から出る流体の一部が、請求項5に記載のセンサを通って流れるように、該センサが配置されている、請求項15に記載のシステム。
【請求項１７】
前記硬水軟化装置を通って流れる流体の一部が、硬水軟化装置通過中に請求項5に記載のセンサを通って流れるように、該センサが配置されている、請求項15に記載のシステム。
【請求項１８】
（i）キャビティ中を試験流体が流れる該キャビティを形成するように構成された、第一の非導電性プレートおよび第二の非導電性プレートであって、該キャビティに面する該プレートの少なくとも一方の表面がイオン交換表面を形成するように化学修飾されている、第一の非導電性プレートおよび第二の非導電性プレートと、（ii）第一の電極と第二の電極とが所定距離だけ離れている、該イオン交換表面の第一の部分と接触している該第一の電極および該イオン交換表面の第二の部分と接触している該第二の電極と、（iii）該第一の電極および該第二の電極に機能的に結合された、該イオン交換表面における導電率を計測するための装置とを備える、水硬度センサ。
【請求項１９】
（i）水硬度センサのためのハウジングを形成しキャビティを形成する、非導電性ブロックと；（ii）繊維束を形成し、該キャビティ中に配置されており、該繊維束の一端が第一の電極と電気的に接触しておりかつ他端が第二の電極と電気的に接触しており、該第一の電極と該第二の電極とが所定距離だけ離れている、二つまたはそれ以上のイオン交換繊維と；（iii）該イオン交換繊維における導電率を計測するための装置に接続されている該第一の電極および該第二の電極とを備える、該水硬度センサ。
【請求項２０】
（i）第一の時点でセンサを第一の流体試料と接触させ、かつ、該第一の時点での連続イオン交換材料にかかる電圧を検出する工程であって、該センサが、電気的に直列である該連続イオン交換材料と抵抗器とを備え、該イオン交換材料にかかる電圧が該イオン交換材料の導電率に比例する、工程；
（ii）第二の時点で該センサを第二の流体試料と接触させ、かつ、該第二の時点での該イオン交換材料にかかる電圧を検出する工程；および
（iii）該イオン交換材料にかかる電圧の変化に基づいて該流体のイオン組成の変化を測定する工程
を含む、流体のイオン組成の変化を検出するための方法。
【請求項２１】
前記イオン交換材料にかかる電圧を検出する工程の前に、所定時間後、前記センサから前記流体試料を排出する工程をさらに含む、請求項20に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により全体として本明細書に組み入れられる、2014年3月6日に出願された米国特許仮出願第61/949,155号に対する優先権を主張する国際出願である。
【０００２】
I.発明の分野
本発明は、イオン交換材料の状態をモニタするための機器、センサ、および／または方法に関し、かつ、特定の局面においては、硬水軟化装置制御のためのその情報の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
II.発明の背景
一部の硬水軟化装置は、硬水をイオン交換樹脂またはミネラル床に通して硬度イオンを水から除去するように構成されている。イオン交換樹脂またはミネラルはまた、限られた程度であるが、イオン交換プロセスを通して溶存鉄を除去する。イオン交換樹脂またはミネラル床は、ブラインを樹脂またはミネラル床に通すことおよび逆洗することによりその硬度およびイオン除去能力を再生するように再充填される。
【０００４】
イオン交換樹脂またはミネラル床は一般に、そのイオン交換容量が消耗した場合、NaClのブラインによって再生される。硬水軟化装置の制御の重要な局面が、再生開始時期の決定である。再生用の塩およびすすぎ用の水のもっとも効率的な使用にとって、破過が検出されるとただちに再生を開始することが有利であるが、水の硬度を計測するための既存の分析器は、高価でありかつ時間を要することで有名である。破過の検出に代わる方法は、給水の硬度と樹脂床を通過した水の量とに関する仮定に基づく算出によって樹脂消耗が起こる時期の控えめな推測を行うことである。一つの手法においては、1日の水使用量を推測し、一定の日数が経過した後にタイマーが再生を開始させる。タイマーは、水の流量がない日と、高い流量がある日とを区別せず、この軟化装置は、その容量がほとんどまたは全く用いられていない場合に再生されることも、破過が起こった後も長らく再生されずに結果、未処理の硬水を通過させることもある。
【０００５】
別の手法は積算流量計を使用する手法であり、この積算流量計は、前記軟化装置によって処理された水の量を計測して、事前に選択された量の水が処理された場合に再生を開始させる。積算流量計の使用は普通、タイマーよりも良好な塩節約を生じさせるが、この手法は、供給水の硬度の変化、または、樹脂の老化に伴うイオン交換容量の低下を考慮に入れていない。
【０００６】
別の手法においては、樹脂床の導電率を使用して再生の必要性を判定する。導電率計測の使用は、カルシウムイオンが樹脂によってよりしっかりと保持され、その結果、樹脂は、ナトリウム形態よりもカルシウム形態で導電率が低いという事実に基づく。しかし、樹脂床導電率の計測は二つの問題によって混乱する。第一に、樹脂ビーズ間の電流の流れの連続は球体間の点接触によるものであり、そのため、樹脂ビーズの経路によって計測される導電率は個々のビーズの導電率よりもずっと低い。第二に、ビーズ間の溶液もまた導電性であるため、溶液の導電率の変化が、電流が流れる分路を提供することにより、計測される導電率に影響する。これらの問題を軽減するための一般的な手法は、樹脂床中に複数対の電極を設置し、計測値を比較する手法である。これらの埋め込みプローブもまた、間接的な計測に依存し、カルシウムの破過を直接的には検出しないという欠点を抱えている。
【０００７】
硬水軟化装置樹脂の破過または消耗を検出するためのさらなる機器および方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００８】
概要
特定の態様は、電解質溶液と接触しているかまたは接触していたイオン交換材料のイオン導電率を計測することによって溶液のイオン組成を評価するための機器、装置、および／または方法に指向している。イオン交換材料とは、二つの電極の間に配置される膜、繊維、繊維束などの形態であることができる連続材料である。粒子床の導電率を計測するための以前に報告されている方法とは対照的に、本明細書に記載される機器、装置、および方法は、粒子間接触に伴う不正確さと、粒子間の導電性溶液の分路影響とを克服するために、センサにおいて連続イオン交換材料を使用する。
【０００９】
特定の局面は、溶液のイオン組成に関する情報を得るための導電率の計測および解釈に指向している。特定の局面において、溶液は電解質溶液である。さらなる局面において、電解質溶液は水である。なおさらなる局面において、水は、硬水軟化装置または硬水軟化方法を使用して処理されたかまたは処理されている水である。
【００１０】
特定の用途において、硬水軟化装置によって処理される水のイオン組成に関する情報は、必要に応じて、硬水軟化カラムまたは硬水軟化材料の再生を正確に指示するための制御スキームのための基礎として使用することができる。本明細書に記載される装置または方法は、再生に使用される塩および水の量の最小化を提供し、それにより、処分または処理を要する使用済みブラインの量を減らすことができる。本発明のセンサシステムを用いると、再生は必要な場合にだけ実施され、その結果、廃棄物処理システムへの負担が減り、環境への塩の放出が減る。
【００１１】
特定の態様は、連続イオン交換材料と、分圧器を備え、イオン交換材料の導電率に比例する電圧を発生させるために分圧器の一つの脚部としてイオン交換材料が働く、導電率を計測するためのセンサ機器に指向している。イオン交換材料は、イオン交換基で修飾されているポリマー、紙またはプラスチックであることができる。特定の態様において、分圧器の他方の脚部は抵抗器である。特定の局面において、抵抗器はサーミスタである。サーミスタとは、標準的な抵抗器よりも、その抵抗が温度とともに有意に変化するタイプの抵抗器である。サーミスタは、突入電流制限器、温度センサ（一般にはNTCタイプ）、自己復帰式過電流保護装置、および自己調節式ヒーティングとして広く使用されている。サーミスタは、サーミスタに使用される材料が概してセラミックまたはポリマーであるが、測温抵抗体（RTD）は純金属を使用するという点で、RTDとは異なる。また、温度応答が異なる；RTDは、大きめの温度範囲で有用であるが、一方で、サーミスタは一般に、限られた温度範囲、一般には−90℃〜130℃でより高い精度を達成する。
【００１２】
一つの態様は、（i）連続イオン交換材料と（ii）分圧器とを備え、導電率に比例する電圧を発生させるために分圧器の一つの脚部としてイオン交換材料が働く、導電率を計測するためのセンサに指向している。特定の態様において、分圧器の脚部は抵抗器、たとえばサーミスタである。さらなる局面においては、スイッチは、前記電流を該センサ中の二つの方向のいずれか一方に流すようにまたは該センサから電流の流れを除くように、定期的に作動する。他の局面において、電圧は、該導電率に比例する値を記憶するように保持される。
【００１３】
特定の態様は、（i）キャビティ中を試験流体が流れるキャビティを形成するように構成された、第一の非導電性プレートおよび第二の非導電性プレートと、（ii）キャビティ内に配置されかつ流体と接触している連続イオン交換材料と、（iii）第一の電極と第二の電極とが所定距離だけ離れている、イオン交換材料の第一の部分と接触している第一の電極およびイオン交換材料の第二の部分と接触している第二の電極と、（iv）イオン交換材料に結合され、イオン交換材料における導電率を計測するように構成された、装置とを備える、流体のイオン組成の変化を検出するためのセンサに指向している。特定の局面において、連続イオン交換材料は膜または繊維である。イオン交換膜はカチオン交換膜またはアニオン交換膜であることができる。特定の局面において、非導電性プレートは平面または半円形である。さらなる局面において、センサはさらに、キャビティ中で非導電性プレートとイオン交換材料との間に配置されたダイヤフラムを備え、該ダイヤフラムは、該ダイヤフラムに圧力が印加されると電極間の電流の流れのための代替経路として流体を除去するために該ダイヤフラムとイオン交換材料との間の流体を押し退けるように構成されている。特定の局面において、ダイヤフラムはアクチュエータに結合されている。アクチュエータは、電気式、水圧式、空気式、または機械式アクチュエータであることができる。特定の局面において、アクチュエータはダイヤフラムを動かしてセンサキャビティを空にする。特定の局面において、キャビティはある時間の後に開かれ、流体は、アクチュエータが作動するまでキャビティ中を流れる。
【００１４】
他の態様は、本明細書に記載される一つまたは複数のセンサに流体的に接続された硬水軟化装置を含む硬水軟化システムに指向している。特定の局面において、センサは、硬水軟化装置から出る流体の一部がセンサを通って流れるように配置されている。さらなる局面において、センサは、硬水軟化装置を通って流れる流体の一部が軟化装置通過中にセンサを通って流れるように配置されている。
【００１５】
さらなる態様において、水硬度センサは、（i）キャビティ中を試験流体が流れるキャビティを形成するように構成された、第一の非導電性プレートおよび第二の非導電性プレートであって、キャビティに面するプレートの少なくとも一方の表面がイオン交換表面を形成するように化学修飾されている、第一の非導電性プレートおよび第二の非導電性プレートと、（ii）第一の電極と第二の電極とが所定距離だけ離れている、イオン交換表面の第一の部分と接触している第一の電極およびイオン交換表面の第二の部分と接触している第二の電極と、（iii）第一の電極および第二の電極に機能的に結合された、イオン交換表面における導電率を計測するための装置とを備えることができる。
【００１６】
なおさらなる態様において、水硬度センサは、（i）センサのためのハウジングを形成しキャビティを形成する、非導電性ブロックと、（ii）繊維束を形成し、キャビティ中に配置され、繊維束の一端が第一の電極と電気的に接触しておりかつ他端が第二の電極と電気的に接触しており、第一の電極と第二の電極とが所定距離だけ離れている、二つまたはそれ以上のイオン交換繊維と、（iii）イオン交換繊維における導電率を計測するための装置に接続されている、第一の電極および第二の電極とを備えることができる。
【００１７】
特定の態様は、本明細書に記載されるようなセンサを用いる方法に指向している。流体のイオン組成の変化を検出するための方法は、（i）第一の時点でセンサを第一の流体試料と接触させて、第一の時点での連続イオン交換材料にかかる電圧を検出する工程であって、センサが、電気的に直列である連続イオン交換材料と抵抗器とを備え、イオン交換材料にかかる電圧がイオン交換材料の導電率に比例する、工程；（ii）第二の時点でセンサを第二の流体試料と接触させて、第二の時点でのイオン交換材料にかかる電圧を検出する工程；および（iii）イオン交換材料にかかる電圧の変化に基づいて流体のイオン組成の変化を測定する工程を含むことができる。特定の局面において、方法はさらに、イオン交換材料にかかる電圧を検出する工程の前に、所定時間後、センサキャビティから流体試料を排出する工程を含むことができる。
【００１８】
本出願を通して本発明の他の態様が説明される。本発明の一つの局面に関して説明される任意の態様は本発明の他の局面にも適用され、逆もまた同様である。本明細書に記載される各態様は、本発明のすべての局面に適用可能である本発明の態様であると理解されよう。本明細書に説明される任意の態様は、本発明の任意のシステム、装置、方法、または組成に関して実現されることができ、逆もまた同様であることが考慮される。
【００１９】
特許請求の範囲および／または明細書の中で「含む（comprising）」とともに使用される「一つの（a）」または「一つの（an）」という語の使用は「一つの」を意味し得るが、それはまた、「一つまたは複数の」、「少なくとも一つ（一方）の」および「一つ、または二つ以上の」の意味とも矛盾しない。
【００２０】
本出願全体を通して、「約」という用語は、ある値が、その値を測定するために用いられる装置または方法に関する誤差の標準偏差を含むことを示すために使用される。
【００２１】
特許請求の範囲における「または」という用語の使用は、択一のみを指すこと、または択一が相互に排他的であることが明示的に示されない限り、「および／または」を意味するために使用されるが、本開示は、択一のみおよび「および／または」を指す定義を支持する。
【００２２】
本明細書および特許請求の範囲において使用される「含む（comprising）」（ならびに「含む（comprise）」および「含む（comprises）」などの含む（comprising）の任意の活用形）、「有する（having）」（ならびに「有する（have）」および「有する（has）」などの有する（having）の任意の活用形）または「含有する（containing）」（ならびに「含有する（contains）」および「含有する（contain）」などの含有する（containing）の任意の活用形）という用語は包括的またはオープンエンドであり、挙げられていないさらなる要素または方法工程を除外しない。
【００２３】
本発明の他の目的、特徴、および利点が以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、詳細な説明および具体例は、本発明の特定の態様を示すが、実例として記されるだけであり、この詳細な説明から、本発明の精神および範囲内の様々な変形および改変が当業者に明らかになることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明の特定の局面をさらに実証するために含まれる。本発明は、本明細書に提示される具体的な態様の詳細な説明と合わせてこれらの図面の一つまたは複数を参照することにより、より良く理解され得る。
【図１】本発明の平面センサの断面図である。
【図２】ひだを有する、本発明の平面センサの断面図である。
【図３Ａ】ダイヤフラムを有する、本発明の平面センサの断面図である。
【図３Ｂ】ダイヤフラムを有する、本発明の平面センサの断面図である。
【図４】本発明の管状センサの断面図である。
【図５】本発明の偏平化管状センサの断面図である。
【図６】繊維でできたセンサの断面図である。
【図７】いくつかの形状の硬度センサの応答を示すデータを示す。
【図８】導電率を計測するために使用される分圧器を示す。
【図９】計測される導電率が温度依存性であり、サーミスタによって補償される、分圧器を示す。
【図１０】細長いイオン交換材料の膜に印加される極性を定期的に切り替えるための回路を示す。
【図１１】細長いイオン交換材料の膜への電流の印加を二つの方向のいずれか一方に制御するため、または電流の流れを除くための回路を示す。
【図１２】抵抗に比例する公知の極性の電圧出力を保持するための回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
説明
硬水軟化装置は、ナトリウム、カリウム、カルシウム、およびマグネシウムのようなカチオンを吸収する能力を有するカチオン交換樹脂を備えることができる。硬水軟化装置に有用な一般的なカチオン交換樹脂は、モノマースチレンと架橋剤ジビニルベンゼンとを懸濁重合させてポリマービーズを形成することによって調製される。その後、ポリマービーズをスルホン化剤で処理して、スルホン酸基をポリマーに付着させる。スルホン酸基は負のイオン電荷をカチオン交換ビーズに付与する。ビーズが塩溶液に曝露されると、その負電荷が溶液中のカチオンと会合する。たとえば、ビーズが塩化ナトリウム溶液に曝露された場合には、ビーズ中のカチオンはナトリウムイオンである。
【００２６】
水は、析出してパイプおよび器具にスケールを発生させる傾向のある溶存ミネラルの高い濃度（＞24mg/L Ca）を有する場合、「硬水」といわれる。このスケールは、トイレまたは流し台に付着すると、美観的に不快になり得る。スケールはまた、パイプの直径の減少を生じさせる可能性があり、対流を妨げ、伝導熱抵抗を増すことにより、熱交換器の伝熱を妨げる可能性がある。ミネラル析出を避けるためには、水を軟化させるカチオン交換樹脂を使用して溶存ミネラルを除去することができる。希釈水溶液中、スルホン化スチレン・ジビニルベンゼンタイプのカチオン交換樹脂は、水の硬度への大きな寄与因子であるカルシウムおよびマグネシウムイオンに対して強い親和性を有する。ナトリウムイオン形態の樹脂が硬水に曝露される場合には、カルシウムおよびマグネシウムイオンが樹脂ビーズに入り、ナトリウムイオンと交換される。ナトリウムイオンの大部分が置換された場合、その樹脂のイオン交換容量は消耗したといわれる。樹脂のイオン交換容量は、樹脂を濃縮塩化ナトリウム溶液（すなわちブライン）に曝露することによって再生することができる。ブライン中のナトリウムイオンが樹脂中の硬度イオンを置換し、樹脂のイオン交換容量は再生される。
【００２７】
通常、カルシウムが水中の支配的な硬度イオンであるため、以下の説明においては、硬度を表すためにカルシウムを使用する。軟化プロセスは、他のイオン、たとえばマグネシウム、ストロンチウム、鉄、および、カチオン交換樹脂によって除去される任意の他のカチオンも除去することが理解されよう。一般的な硬水軟化装置は、円柱形タンクに収容されたカチオン交換ビーズを備える。硬水は、樹脂ビーズ床を通って下に流れることができ、水がビーズと接触する際にカルシウムイオンが除去される。樹脂床の上部のビーズがはじめに消耗し、消耗は、流れが止められるまでまたは樹脂が完全に消耗するまで、樹脂床を下方に進行する。樹脂床が消耗する場合、破過状態が発生し、カルシウムイオンは、処理された水においてはますます高い濃度で見られるようになる。
【００２８】
タンクから出る溶液中にカルシウムイオン濃度の増加が検出されると、すなわち破過が起こると、ただちに水流を止め、樹脂を再生することが望ましい。再生は、樹脂床の下部から濃縮塩化ナトリウム溶液、すなわちブラインを導入すること、向流再生として知られるプロセスによって実施することができる。ブラインが樹脂床中をゆっくり上昇するにつれて、カルシウムイオンは置換されてブラインとともに運び出される。再生によって生まれるブライン溶液は使用済みブラインと呼ばれ、一般に、再生サイクルのはじめには高濃度の塩化カルシウムを含有する。再生が進むにつれ、カルシウムイオン濃度は低下する。使用済みブラインは、ナトリウムおよびカルシウムに加え、マグネシウムのような他の置換されたイオンも含有することができる。樹脂床の下部の樹脂は高純度の塩化ナトリウム溶液に曝露されているため、樹脂床の下部の樹脂は完全に再生される。いくつかの場合、樹脂床の上部の樹脂は部分的にしか再生され得ない。
【００２９】
ブライン流を止めた後に、水を樹脂床の上部から導入してブラインを押し退ける。特定の局面において、水は脱イオン水である。この工程はスローリンスと呼ばれ、ブラインが、ブラインを押し退ける水よりも高い密度を有することから利を得る。スローリンスの後に、樹脂床から任意の残留塩化ナトリウムを洗い出すためのファストリンスが続く。ファストリンスは一般に、高めの流量、たとえば立方フィートあたり1〜1.5gpmの流量である。ファストリンスの後に、樹脂床は、次の消耗サイクルの準備ができている。一般に、制御システムが前述の動作を統制する。制御システムは普通、樹脂を収容する円柱形タンクの上に位置する。制御システムは、制御装置と弁とモータとギヤとタイマーとスイッチとメータと動作サイクルのシーケンスとを制御するために必要な回路を含む。
【００３０】
特定の態様は、電解質溶液と接触しているイオン交換材料のイオン導電率の計測によって電解質溶液のイオン組成を評価するための方法および機器に指向している。計測を使用して制御動作を決定することができる。特定の局面において、イオン交換材料は、硬水軟化装置から出る処理された水と接触している。破過が起こると、処理された水は、より高いカルシウムイオン濃度を有し始め、それが、センサのイオン交換材料のイオン導電率に影響する。いくつかの設定において、事前設定しきい値を超えるイオン導電率の絶対的低下が、樹脂床が消耗しつつあることを示す。
【００３１】
再生の開始に関する決定を下すために使用可能な複数のセンサ入力があってもよい。これらは、センサからの複数のイオン導電率計測値を含むこともできる。これらはまた、流量の計測値および周囲温度、樹脂床温度または流体流温度の一つまたは複数の計測値を含むこともできる。
【００３２】
個別に、センサデータを経時的に収集した後、バッチで処理して制御動作を決定することができる。たとえば、センサによって計測されるイオン導電率が急速に変化している場合、それは、樹脂床が急速に消耗していることを示し得る。対照的に、ゆっくりと変化するイオン導電率は、特に温度変化と相関する場合、単に、計測される導電率の老化および／または温度依存性を反映するものであり得る。
【００３３】
I. センサ装置
ここで本発明をさらに詳細に参照すると、図1は、膜11の形態のイオン交換材料を含み、そのエッジが、規定の距離だけ離れた一対の電極12および13と接触している平面センサ10を示す。膜11はキャビティ14に曝露されており、そのキャビティ中、流体が膜を横断して、すなわち図1の紙面の中または外のどちらかに流れる。電極12および13は膜11と電気的に接触している。弾性材料のガスケット15が膜を電極に強く押し当てて電気的接触を保証するように働く。エンドプレート16および17は、非導電性材料で作られ、センサのための構造を提供することができる。さらに詳細に、図1は、平面センサ10の部品のもっとも簡単な配置を示す。キャビティ14中を流れる流体は膜11と接触しており、かつ、流体中のイオンは、平衡状態に近づくまで膜11中のイオンと交換される。センサが硬水軟化装置の硬度センサとして使用され、膜11がカチオン交換材料を含む場合では、流体は、主にナトリウムおよびカルシウムイオンを含有する水であると考えられる。センサの膜11は、キャビティ14を流れる、この軟化装置の放出からの水と接触していると考えられる。硬水軟化装置の樹脂床がまだ消耗しそうにない場合、ナトリウムイオンが水中の支配的なカチオンであり、その結果、ナトリウムイオンが膜11中の支配的なカチオンである。この条件下、膜11はそのもっとも導電性の状態にある。膜11の導電率は、溶液導電率を計測するために使用される手段に類似した手段によって計測される。特定の局面は、高い周波数および低いアンペア数の交流を使用して、膜11と電極12および13との間の接触の偏りを最小化する。実質的に安定な膜導電率値の計測は、樹脂床がまだ有用な硬水軟化容量を有するという指示である。
【００３４】
硬水軟化装置の樹脂床が消耗に近づくと、カルシウムイオンが硬水軟化装置の放出流中に見られるようになる。カルシウムイオンは膜11中のナトリウムイオンを置換し、カルシウムイオンはナトリウムイオンよりも強く保持されるため、膜11の導電率は低下する。膜11の導電率の低下の計測がカルシウムの破過の指示を提供する。膜の導電率の漸進的低下は、制御装置により、樹脂床を再生すべきであるという指示として解釈される。
【００３５】
イオン交換材料は、図1には膜シートとして示されているが、本発明は、他の形態のイオン交換材料も含む。本発明は、繊維の形態のイオン交換材料を含む。特定の態様において、繊維は電極と電気的に接触する。本発明はまた、中空の繊維または管の使用を含むことができ、その場合、繊維または管の壁がイオン交換材料を含む。特定の局面において、試験される流体は中空の繊維または管の内腔の中を流れ、電極は中空の繊維または管の端部に配置される。
【００３６】
イオン交換材料はまた、プレート16および17の一方または両方の一体部分であることもできる。本発明は、接着、融着、エンドプレート材料の上もしくは中でのモノマーの重合またはプレートの表面上にイオン交換基を形成するためのエンドプレートのポリマーの官能化を含む手段によってエンドプレートの表面に取り付けられている一体化イオン交換材料を含むことができる。特定の局面においては、ポリ（塩化ビニル）（PVC）でできたエンドプレートがモノマーとしてのスチレンおよびジビニルベンゼンに曝露され、スチレンおよびジビニルベンゼンがPVCプレートの表面に吸収される。次いで、プレートの表面が重合開始剤、たとえば過酸化ベンゾイル、放射線照射または任意の他の公知の重合開始剤もしくは触媒に曝露される。重合の後、ポリマーコーティングが、ポリマー上にイオン交換基を生成する試薬で処理される。硫酸が、スチレン／ジビニルベンゼンコポリマー上にカチオン交換基を生成するための処理薬剤の例である。他の局面において、プレートの表面は、スチレンを含むモノマーから作られるポリマーを含む。スチレン含有ポリマーの例は、ポリ（アクリロニトリル-coブタジエン-co−スチレン）（ABS）、ポリ（スチレン−イソブチレン−スチレン）トリブロックコポリマー（SIBS）およびスチレンブタジエンゴム（SBR）を含む。スチレン含有ポリマーは、ポリマーの表面にカチオン交換性を付与するために、スルホン化剤、たとえば硫酸で処理される。ポリマーの表面にイオン交換性を付与するためのポリマーの任意の表面処理においては、イオンがポリマーの表面中に拡散しなければならない距離を最小化するために、イオン交換材料の層の厚さを最小化することができる。拡散距離の減少は、有利にも、硬度センサの応答時間を短縮する。
【００３７】
図2は、エンドプレート26および27が複数のスロット28を含み、それらの中を溶液が流れる平面センサを示す。スロットは、膜21に近いかまたは膜21に触れるリッジ29によって切り離されている。リッジは、隣接するスロット間の流体経路を中断し、それにより、電極間および溶液中の導電経路を減らすことにより、電極22および23の間の溶液中の電流の流れを中断するように働く。リッジ29は、エンドプレート中にスロット28を切るかまたは成形することによって、または平行な撚り糸の非導電性ネット、たとえばConwedによって供給されるネットを挿入することによって形成することができる。リッジ29およびスロット28は、図2に示すように、膜21の両側にあることもできるか、または膜の片側だけにあることもできる。膜21の両側にリッジ29およびスロット28を有する利点は、流体が膜21の両側を流れることができ、膜21中のイオン交換部位の平衡をより速く生じさせることができることである。スロット28は、図1のキャビティ14と同じ機能である、センサ中溶液を運んで膜と接触させる機能を果たすことが理解されよう。
【００３８】
図3は、溶液がキャビティ34中を流れて膜31と接触するキャビティ34中に存在する溶液を押し退けるために作動させることができるダイヤフラム30を有するセンサを示す。装置は、ダイヤフラムを作動させるために構成されることができる。ダイヤフラムは、水圧、空気圧、機械的力などまたはダイヤフラムを変位させるための当技術分野において公知の任意の手段を使用して作動させることができる。ダイヤフラムの動作は、膜と接触している溶液を押し退ける単なる一つの方法である。その意図は、溶液の導電率の変化が計測に影響しないよう、溶液を膜導電率の計測経路から除くことである。導電率の計測中に溶液を押し退けるための任意の手段が本発明に含まれる。たとえば、直接的に作動させるピストン、またはソレノイドによって間接的に作動させるピストンの使用が、溶液を押し退ける手段である。ダイヤフラム30を作動させる好ましい手段は、キャビティ34の中への溶液の流れを制限し、溶液をダイヤフラムの背面にそらして、キャビティ中の圧力よりも高い圧力をダイヤフラムの背面に達成することである。図3に示すセンサの動作において、溶液はキャビティ34中を流れて、膜31と被検溶液との間でイオンの交換を可能にする。試験の時間になると、キャビティ34中の溶液流を止め、ダイヤフラム30が膜31に押し当てられて溶液をキャビティ34から押し退けるようにダイヤフラム30を作動させる。次に、膜導電率を計測する。最後に、ダイヤフラム30の動作を逆転させ、溶液をキャビティ34中に流れさせる。前記のように、膜31のイオン導電機能は、エンドプレート37の表面にイオン交換性を付与することによって代えることができる。
【００３９】
ダイヤフラムのさらなる利点は、センサが二つの機能を果たすことを可能にすることである。センサが、樹脂床から出る溶液を運ぶライン中に位置しているかまたはそのラインに接続されている場合には、センサは、前記軟化装置のサービスサイクル中は処理された水に曝露され、再生中はブラインおよびすすぎ溶液に曝露される。キャビティ中の大きな容積により、キャビティが満たされている場合、膜は、センサの導電性に無視し得る程度しか寄与せず、したがって、センサは溶液の導電率を計測する。しかし、キャビティの容積がダイヤフラムによって押し退けられると、膜の導電率が支配的になり、センサは、膜と接触していた溶液の組成を反映する、膜の導電率を計測する。このデュアル機能センサは硬水軟化装置の動作に有用である。理由は、硬水軟化装置が再生を必要とする時点を検出するために使用することができ、また、再生された樹脂からブラインが十分にすすがれた時点を検出することができるからである。後者の検出の恩典は、プログラムされたすすぎ時間の後ではなく、十分なすすぎが検出されるとただちにすすぎ水の流れを止めることができることである。
【００４０】
図4は、溶液がキャビティ44中を流れて半円形の膜41と接触するキャビティ44中に存在する溶液を押し退けるために作動させることができる半円形のダイヤフラム40を有する管形状のセンサを示す。特定の局面において、装置は、ダイヤフラム40のためのアクチュエータを備える。アクチュエータは、水圧、空気圧、機械的力またはダイヤフラムを変位させるための当技術分野において公知の任意の手段の使用によってダイヤフラム40に作用することができる。電極42および43は、管の互いに反対側に配置され、そのエッジで膜41の表面に取り付けられることができる。図4の左図に示すようにダイヤフラム40が作動されない場合、キャビティは広く開放し、キャビティ中を流れる流体中のイオンは膜41中のイオンと平衡する。また、流体は電極42および43の間の容積の大部分を占めるため、電極42および43の間で計測される導電率は、キャビティ44中の流体の導電率を示すものである。右図に示すようにダイヤフラム40が作動されると、キャビティ44中の流体の量は無視し得る程度になり、電極42および43の間で計測される導電率は、膜の導電率を示すものとなる。したがって、図4に記すセンサは、溶液のイオン組成を示すものと解釈することができる、流体の導電率を計測するために使用することもできるか、または膜の導電率を計測するために使用することもできるデュアルパーパスセンサである。この管状センサは、硬水軟化装置の樹脂床から出る溶液に曝露されると、この軟化装置が再生を必要とする時点を検出することができ、また、硬水軟化装置の再生サイクル中にブラインがすすぎ水によって押し退けられた時点を検出することができる。デュアルパーパス管状センサは、すすぎ床の下部に配置されることができ、すなわち、樹脂床の消耗および再生サイクル中に樹脂床の下部から放出される溶液の試料を受けることができる。
【００４１】
図5は、ホットプラテンプレスを使用してポリマー管を偏平化することによって調製された管形状のセンサを示す。偏平化されたポリマー管51の内面は、ポリマーにカチオン交換性を付与するために化学的に処理されている。好ましい態様において、管の材料は可塑化ポリ塩化ビニル（PVC）であり、管の内壁は、後に重合させられるモノマー、たとえばスチレンおよびジビニルベンゼンで浸潤されている。管の内壁は、管の内壁にカチオン交換性を付与するために濃硫酸で処理されている。管の内壁はまた、スルホン化されている、ABS、SIBSまたはSBRのようなポリマーを含むことができる。管中のキャビティ52の容積は、管の内壁上のイオン交換材料の導電率の計測中、管をプレート54に押し当ててキャビティ中の溶液を押し退けるように作動させることができるピストン53によって制御される。ピストンからの圧力が解除されると、管は膨らみ、センサが、膨らんだキャビティ中の溶液の導電率を計測する。両方の導電率値は、管の端部に配置された電極55および56によって感知される。接続ワイヤ57が各電極に取り付けられている。電極は、好ましくは、非導電性の硬い管58中を溶液がセンサに流入しかつセンサから流出する管58の端部に嵌まる耐食性の金属リングである。クランプ59は、両端でポリマー管51を硬い管58ならびに電極リング55および56に対してしっかりと圧縮する。
【００４２】
図6は、イオン導電性材料がイオン交換繊維で構成されているセンサを示す。センサのボディは硬質プラスチックブロック60である。ブロックは、イオン交換繊維62が挿入される穴61を含むかまたは形成する。繊維穴61には、穴63および64が接続され、これらの穴を通って溶液がセンサに出入りする。繊維62の束の各端には電極ワイヤ65が埋め込まれ、電極ワイヤ65は、繊維と電気的に接触し、かつ繊維束の導電率を計測するための電気回路とも電気的に接触している。繊維および電極の端部は、繊維と電極との間の電気的接触を高めるために、好ましくは、導電性接着剤（たとえば銀入りエポキシ）でコートされている。繊維使用の恩典は、溶液組成の変化に対する応答の増強である。繊維の直径は、膜の実用厚さと比べて非常に小さくすることができるため、イオンが繊維中に拡散する距離は、膜中の拡散距離に比べて短くなることができる。
【００４３】
本明細書に記載されるセンサの形状は、電流の経路を中断することによるか、または溶液を含有するキャビティの容積を減らすことによるいずれかで細長いイオン交換材料の導電率の計測に対する電解質溶液の影響を減らすためのいくつかの形状を用いる。計測に対する電解質溶液の影響を減らすための別の方法は、計測を実施する前にキャビティから溶液を抜くことである。溶液を抜くことが、図3および図4のダイヤフラムの動作の代替である。導電率計測の前に管状センサから溶液を抜く場合には、ダイヤフラムを除くことができ、イオン交換膜が管の壁全体を覆うことができる。電極は、図4に示すように、管の互いに反対側に配置されることもできるか、または管の端部に配置されることもできる。排液機能を有する管状設計はデュアル機能センサである。管が溶液で満たされている場合、計測される導電率は溶液の導電率を反映し、溶液が抜かれた場合、計測される膜の導電率は溶液のイオン組成を反映する。
【００４４】
本明細書に記載される機器、装置、または方法の利点の一つは、センサが細長いイオン交換材料の導電率の変化を検出することができること、および導電率を溶液中のイオンの比率の変化として解釈することができることである。粒子間の接触および粒子間の流体の導電率によって混乱する、イオン交換粒子床の導電率を計測する従来技術に比べて、本発明の装置の使用は、粒子間接触の問題を解消し、導電性流体を通って流れる電流の平行経路の問題を最小化または解消し、その結果、流体と接触しているイオン交換材料の導電率の正確な計測をもたらす。ダイヤフラムを有する管形状は、一対の電極だけで流体のイオン組成および溶液の導電率の計測を可能にする。
【００４５】
硬水軟化装置の生産水の硬度を検出するためのセンサとして本明細書に記載される装置の使用に加えて、本装置またはセンサは、他のイオン交換装置の消耗の検出にも用途を有する。たとえば、本発明は、脱塩装置に使用されるカチオン交換およびアニオン交換樹脂の消耗を検出するために使用することができる。
【００４６】
II. 閉ループ硬水軟化装置制御のための膜センサの電子処理
図8は、分圧器として知られる電気回路を示す。コモンノード82として参照される任意の電圧Vがノード80に印加される。二つの抵抗器 R1 84およびR2 86がノード82および80の間に電気的に直列に接続されている。式1によって示される電流の流れが抵抗器84および86の直列接続を通過する。
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式中、Iはアンペア単位の電流である。抵抗器84および86の間のノード88における電圧（V1）は、式2のような分圧の法則によって求められる。
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R1 84が公知の抵抗である場合には、ノード88における電圧の計測をR1 84の値の知識とともに使用して、式3により、R2 86の値を決定することができる。
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【００４７】
電気伝導度（または導電率）は電気抵抗（または抵抗率）の逆数であり、したがって、R2 86の導電率は、逆数をとることによって容易に算出される。センサのイオン導電率をモニタするために使用される電子回路中、細長いイオン交換材料が抵抗R2 86として働く。このセンサにおいて計測される電圧V1は、式3を使用することによってセンサの伝導度を算出しその次に逆数をとることで式3によってセンサの抵抗を算出するために使用することができること、すなわち、電圧V1を制御スキームにおいて直接使用することができることが留意されよう。
【００４８】
R1 84が、ノード80の一端に接続された固定抵抗であり、R2 86が、カルシウム原子からのイオン伝導度に対して抵抗を変化させる細長いイオン交換材料であり、コモンノード82に接続されている直列分圧器が記載されているが、二つの抵抗の位置を取り換え、分圧の法則および固定抵抗値の知識からセンサ抵抗の値を算出することもできる。
【００４９】
図9は、サーミスタ95と電気的に直列な細長いイオン交換材料97からなる分圧器を示す。サーミスタ95とは、公知のやり方で温度の変化とともに電気抵抗が変化する装置である。それは温度依存性装置である。カルシウム検出センサ97は、センサと接触する流体流の中のカルシウムのレベルに応答して抵抗を変化させる。しかし、その抵抗はまた、温度Tに敏感であることもできる。イオン交換材料97が温度とともに変化するのと同じやり方で温度が変化する抵抗を有するサーミスタ95を流体流と熱接触している状態に配置することにより、センサ97からの計測を温度に関して感度抑制することができる。サーミスタとセンサとの間のノード98からの電圧計測は、カルシウムレベルに比例し、温度変化に対して無反応になる。
【００５０】
図8の回路のような回路を用いてセンサ導電率を測定するために分圧の法則を適用することに伴う一つの問題は、センサにかかる電圧が不変の極性を有することである。これは、細長いイオン交換材料上のイオンをこの材料の一端へと移動させ、水の硬度を正しく感知するその能力を低下させる。図10は、極性切り替え手法を使用して細長いイオン交換材料1020の抵抗値を検出するための分圧器を実現する回路を示す。切り替えは制御アルゴリズムによって達成される。切り替えの目的は、センサの各側で単極双投スイッチ1022、1024を使用して、センサ1020における極性を定期的に逆転させることである。スイッチ1022および1024はロックステップで動かされる。すなわち、同時に作動するように制御される。図10Aは一つの極性を示す。両スイッチの状態を変化させることにより、図10Bにおけるように、センサ1020を通過する電流は逆転する。状態を定期的に変更することにより、細長いイオン交換材料上でのいずれかの方向へのイオンの正味の優先的移動が減少する。図10Aまたは図10Bのいずれかの位置へのスイッチ1022、1024の閉止の後で、ノード1018で計測される電圧を使用して、センサ抵抗値を式3にしたがって算出することができる。
【００５１】
図11は、センサの一つの側が単極三投スイッチ1125に取り付けられている態様を示す。この場合、三投スイッチ1125上の第三の位置1127は、電気接続を有しない開ノードであることができる。スイッチ1125を第三の位置1127になるように制御することにより、センサ1120を通って流れる外部電流はゼロになり、それが、細長いイオン交換材料中のイオンの移動を阻止すると考えられる。図11に示すようなシステムを使用する利点は、スイッチ1122および1125を独立制御することにより、三つの状態をセンサ1120に適用することが可能であることである。電流がセンサ1120中を一つの方向に通過するか、または電流がセンサ1120中を反対方向に通過するか、または電流が流れないかのいずれかである。
【００５２】
図12は、センサ抵抗の計測を保持するための、サンプル−ホールド1234と呼ばれる回路の使用を示す。この回路中、単極単投スイッチ1226が瞬間的に閉じると、分圧ノード1218からチャージキャパシタ1228まで接続する。次いで、単極単投スイッチ1226が開き、電圧をキャパシタ1228上で一定に保持させる。いわゆるエミッタフォロワ構成に接続された演算増幅器1230が、非常に高い入力インピーダンスおよび非常に低い出力インピーダンスを有して、出力1232を出すためのバッファとして働く。スイッチ1226を使用して電圧をサンプル−ホールド1234の出力1232に保持することに対する利点は、スイッチ1222および1224の位置が変化する場合、ノード1218の電圧が安定であり得ないことである。したがって、入力が安定である場合のみ、スイッチ1226を制御して、出力の変更を可能にすることができる。出力1232における電圧は膜抵抗を表し、硬水軟化を管理するための制御アルゴリズムに使用することができる。電気抵抗と電気伝導度とは逆数であるため、出力1232における電圧はまた、伝導度を表す。所与の時間サンプルtの電圧計測値がv(t)である場合には、この値および過去の計測値v(t-1)、v(t-2)などを使用して制御アルゴリズムを構築することができる。
【実施例】
【００５３】
III.実施例
以下の実施例および図面は、本発明の好ましい態様を実証するために含まれる。実施例または図面に開示される技術は、本発明の実施において十分に機能することが本発明者らによって見いだされた技術を表し、したがって、その実施のための好ましい形態を構成するものとみなされることができることが当業者によって理解されよう。しかし、当業者は、本開示をかんがみて、開示される特定の態様に多くの変更を加えることができ、それらの変更もまた、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、同様または類似の結果を出すことを理解するはずである。
【００５４】
実施例1
いくつかの形状の硬度センサの応答を実証するために実験を実施した。各場合、センサを、地元の水道水の導電率に合致するように調整されたNaCl溶液で平衡させた。平衡後、センサを水道水に曝露し、センサの導電率を時間の関数として計測した。センサを水道水に曝露した場合に計測された導電率を、センサをNaCl溶液に曝露した場合の導電率で割ることにより、データを正規化した。すべての実験の場合で流量は4.1ml/分であった。計測は、Universal LCRメータ878（BK Precision）を用いて1kHzで実施した。データは図7に示されている。
【００５５】
細長いカチオン交換材料を用いた実施例に対する比較のための基準として、強酸性カチオン交換樹脂の導電率の変化の計測を行った。樹脂のカラムは、電極として、直径0.25インチ、長さ1インチ、外径0.25インチのステンレス鋼管であった。樹脂床の導電率は68分間で20％低下した。
【００５６】
図1に示す平面センサにおいて厚さ0.7mmのカチオン交換膜Ralex CM-PES（MEGA）を試験した。導電率は480分間で20％低下した。
【００５７】
図1に示す平面センサにおいてNafion 117膜を試験した。導電率は150分間で20％低下した。
【００５８】
図1に示す平面センサにおいて厚さ0.18mmのカチオン交換膜Neosepta CMXを試験した。導電率は40分間で20％低下した。
【００５９】
図6に示す平面センサにおいてカチオン交換繊維を試験した。導電率は6分間で20％低下した。
【００６０】
これらの好ましい態様を具体的に参照しながら本発明を詳細に説明したが、他の態様が同じ結果を達成することができる。本発明の変形および改変が当業者には明らかであり、そのような変形および均等物すべてが特許請求の範囲に包含されることが意図される。
【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４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【国際調査報告】
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