CN107406282B - 用于流体的电容性去离子化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的方面是针对用于执行流体的去离子化的系统和方法。可将包含流体入口和流体出口的电容性去离子化(CapDI)模块放置在流体流动系统中。所述CapDI模块可包含彼此串联布置的多个CapDI单元。功率MOSFET极性电路可从切换规则接收电力，且将双向电力提供到所述CapDI模块以执行去离子化和模块再生过程。控制器可基于从定位于流体流动路径中的电导率传感器接收的信号来控制电力从所述切换调节器到所述功率MOSFET极性电路的提供。

Description

用于流体的电容性去离子化的系统和方法

相关申请案的交叉引用

本申请案主张2015年3月20日申请的第62/136,209号美国专利申请案的优先权，所述美国专利申请案以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

此项技术中已知电容性去离子化(CapDI)系统。一般来说，使流体通过保持于某电位的两个电容板电极之间。电位使得流体中的离子朝向具有相反电荷的电极迁移，在此处，所述离子可截留在多孔材料中且从流体移除。在一些情况下，电极自身包括多孔材料，且截留吸引到其上的离子。CapDI系统可包含多个CapDI单元(若干组电极和/或多孔层)以形成CapDI模块，其接收入射流体且可排出去离子流体。

示范性单元需要跨其两端施加约1.5伏特和15安培的电力以实现电容性去离子化功能性。在许多CapDI系统中，CapDI模块包含以并联配置电布置的多个CapDI单元。将电力提供到此类模块包括跨每一单元两端施加相同电压，而单独地引导电流穿过每一单元。在示范性六单元并联配置中，所述模块将需要仅1.5伏特，但需要高达90安培的电流来操作。此外，随时间推移，CapDI模块持续截留来自穿过其流动的流体的离子。因此，许多系统需要在CapDI模块变得离子饱和时，能够从所述模块排出所截留的离子。

此类系统所必需的高电流需求和再生过程除了CapDI模块之外常常还需要大的控制和供电系统，以有效地操作CapDI系统。由此，将CapDI系统并入到空间受限应用(例如一件独立设备)中以便向其提供去离子流体可能是困难且成问题的。

发明内容

本发明的方面大体上是针对用于使流体去离子化的系统和方法。示范性系统包含电容性去离子化(CapDI)模块，所述模块定位于流体流动系统中且经配置以使流过其中的流体去离子化。所述CapDI模块可包含彼此串联布置的多个CapDI单元。因此，当与如上文所论述的并联布置的单元相比时，可使用相对较低的电流对所述多个单元供电。

诸系统可包含功率MOSFET极性电路，例如固态H桥电路，其经配置以将双向电力提供到所述CapDI模块。在各种实施例中，可调整所述功率MOSFET极性电路以便改变提供到所述CapDI模块的电力的极性。切换调节器可经配置以将电力提供到所述功率MOSFET极性电路。在一些实例中，控制器经配置以控制所述电力从所述切换调节器到所述功率MOSFET极性电路的提供。所述控制器可与例如电导率传感器的传感器通信，且可基于所述控制器与所述传感器之间的通信来控制电力到所述MOSFET极性电路的提供。

在一些实施例中，所述控制器可比较使用电导率传感器测量出的电导率与电导率阈值。在一些此类实施例中，在所检测到的电导率超过阈值的条件下，所述控制器可用以增大从所述切换调节器施加到所述功率MOSFET极性电路的电力。在又其它实例中，如果所检测到的电导率低于所述阈值，所述控制器可用以减小施加到所述功率MOSFET极性电路的电力。在一些此类实例中，所述控制器用以通过调整施加到所述切换调节器的电位来调整施加到所述功率MOSFET极性电路的电力。

在一些实例中，系统可包含耦合于所述CapDI模块与使用装置之间的第一阀和耦合于所述CapDI模块与排液管之间的第二阀。在一些此类实例中，在使用期间，在所述第一阀准许流体流动到所述使用装置时，电力可以第一极性从所述功率MOSFET极性电路施加到所述CapDI模块。以第一极性施加电力可使得所述CapDI模块电俘获来自所述流体的离子，由此产生去离子流体以朝向所述使用装置流动。在示范性过程期间，可关闭所述第一阀以防止流体从所述CapDI模块流动到所述使用装置，且可打开所述第二阀以允许流体从所述CapDI模块流动到所述排液管。可调整所述功率MOSFET极性电路以将与所述第一极性相反的第二极性的电力施加到所述CapDI模块。可响应于所检测到的再生条件而执行此类示范性过程。

附图说明

图1为根据一些实施例的示范性CapDI系统的示意图。

图2A和2B为例如可用于CapDI模块中的基本CapDI配置的示范性图。

图3为用于与本发明的一些实施例一起使用的示范性控制板的示意图。

图4为图示CapDI系统的示范性操作的处理流程图。

图5为图示包含流体储集器的CapDI系统的示范性操作的处理流程图。

图6为图示CapDI系统的示范性再生的处理流程图。

具体实施方式

以下详细描述在性质上为示范性的，且不意欲以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。实际上，以下描述提供用于实施本发明的各种实施例的一些实际图示。除非另外指出，否则本发明的各种方面的图示未必是按比例绘制。针对所选元件提供构造、材料、尺寸和制造工艺的实例，且所有其它元件使用本发明领域中普通技术人员所已知的构造、材料、尺寸和制造工艺。所属领域的技术人员将认识到，所提到的实例中的许多者具有多种合适的替代方案。

图1为根据一些实施例的示范性CapDI系统的示意图。图1示出包含CapDI模块102的示范性CapDI系统100的表示，所述CapDI模块具有流体入口104和流体出口106。在所图示的实施例中，CapDI模块102经由流体入口104从冷水管线108接收流体。一般来说，流体入口104可从适合于流体的所需用途的任何来源接收流体。在所图示的实施例中，CapDI模块102并入到包括各种组件的系统中，所述组件例如过滤器110、并联布置的流量限制器112，以及分别位于并联管线113a、113b中的阀114a、114b。在一些系统中，例如113a和113b的多个管线可选择性地放置成与CapDI模块102的流体入口104流体连通，以使用模块102进行各种操作和/或程序。举例来说，例如电磁阀的阀114a、114b可并入到一个或多个此类管线中，以便将所述管线选择性地耦合到模块102且控制(例如)流体流动速率。一般来说，任何数目个各种组件可在CapDI模块102的流体入口104之前放置在管线中，以便针对流体的既定用途制备流体。CapDI模块102接收流体且对流体执行去离子化处理。

CapDI模块102的流体出口106示出为包括两个出口端口116、130。在一些系统中，来自CapDI模块的流体可引导到使用装置以使用去离子流体或引导到排液管。使用装置可包含(例如)洗碗机、冷却塔、水软化应用或其它。在一些实施例中，使用装置从CapDI模块102直接接收且利用流体，而在其它实施例中，CapDI系统100经配置以经由CapDI模块102使流体去离子化，且将去离子流体引导到流体储集器120以供未来使用。CapDI模块可包括多个出口端口，例如在图1中示出的实施例中，用于将流体引导到多个可能目的地中的一者。在一些此类实施例中，CapDI模块102可包含其中具有用于按需要引导流体的一个或多个阀或其它流体分流器的系统。在一些配置中，CapDI系统包含一系列一个或多个外部阀，所述阀耦合到CapDI模块102的一个或多个出口端口以控制来自出口端口的流体的目的地。这些阀可包含用于控制流体流动的任何适当类型的阀，例如螺线管、三通阀和其它流动限制装置。

在所图示的实施例中，CapDI模块102的第一出口端口116与第一电磁阀118和用于使用装置的流体储集器120流体连通。流体储集器120可包括液面检测器122，其在所图示实施例中表示为高浮子124和低浮子126，用于确定关于流体储集器120中的去离子流体的量的信息。可使用用于检测关于流体储集器120或使用装置中的流体的量的信息的任何适当检测器。在一些实施例中，流体储集器120或流体管线的将流体朝向使用装置引导的其它部分可包含用于确定流体的电导率的电导率传感器128。电导率传感器可用以提供关于在穿过CapDI模块102之后流体中的剩余离子化的信息。在各种实施例中，可使用其它适当传感器，例如光学传感器、温度传感器、流量计、pH值传感器、总溶解固体(TDS)传感器，及其类似者。第二出口端口130示出为与第二电磁阀132和排液管134流体连通。

在系统层级，CapDI模块102可使流体去离子化以供使用装置使用。来自例如冷水管线108的来源的流体可经由例如过滤器110的各种组件引导到CapDI模块102，所述CapDI模块可用以使入射流体去离子化。去离子流体可朝向使用装置引导，所述使用装置可包含流体储集器120和液面检测器122。或者，来自CapDI模块102的流体可朝向排液管134引导。来自CapDI模块102的流体的方向可通过阀118和132来指定。

CapDI模块102用以借助于从流体电移除离子而使流体去离子化。一般来说，在流体于其间流动的电容性表面之间施加电荷。所施加电荷产生电场，所述电场使得离子朝向一个带电表面或另一表面迁移，其中所述离子可截留在所述电容性表面或经设计用于截留离子的单独表面中。在一些实施例中，单独表面经设计用于仅截留一个极性的离子，而不可渗透其它离子。

图2A和2B为例如可用于CapDI模块中的基本CapDI配置的示范性图。在所图示的实施例中，电荷从来源152提供到对置电容性表面140和144。来源152示出为DC源，然而，在各种实施例中，可使用更复杂的电源布置。在所图示实例中，第一电容性表面140相对于第二电容性表面144保持于正电荷下。在跨越表面施加电荷时，其间的流体中的带负电离子150将朝向第一电容性表面140(较正表面)迁移，而流体中的带正电离子148将朝向第二电容性表面144(较负表面)迁移，如图2A中的箭头所图示。

在一些实施例中，第一电容性表面140和/或第二电容性表面144中包括用于截留离子148、150的多孔材料。在替代实施例中，第一电容性表面140与第二电容性表面144分别包括第一多孔层142与第二多孔层146，用于截留附着到相应电容性表面的离子。在一些实施例中，用于截留离子的表面包括选择性地允许带有特定极性的电荷的离子穿过其中的隔膜。在电荷(即，离子)经由流体迁移到相应电容性表面时，电流流过流体。因此，流动到/流过电容性表面和CapDI模块102的电流指示从流体移除的离子的数目。

随时间推移且随着使用，CapDI模块的在其中截留离子的组件(例如，多孔电容性表面140、144或其它多孔层142、146)可能会变得离子饱和。因此，可能需要能够使此类组件摆脱离子以便再生CapDI模块102。举例来说，参考图2B，如果电源152的极性反转，那么截留在(例如)第一多孔层142中的负离子150将被排斥远离第一电容性表面140(较负表面)且进入流体中，而截留在(例如)第二多孔层146中的正离子148将被排斥远离第二电容性表面144(较正表面)且进入流体中。如果第一多孔层142和第二多孔层146包括如所提及的选择性隔膜，那么被排斥到流体中的离子无法简单地截留在相反多孔层中，而实际上留在流体中。因此，如果将流体冲过CapDI模块102，那么先前截留的离子将从模块102冲走，从而产生流体的进一步去离子化的机会。因此，CapDI模块102包括至少两个操作模式：纯化模式，其中离子从流体移除且截留在任一电容性表面或其它多孔层中；以及再生模式，其中所截留离子从CapDI模块102冲走。

如图2A和2B中所示，示范性CapDI系统100包含到CapDI模块102的电力源，以有效地俘获来自流动穿过所述CapDI模块的流体的离子。由此，返回参考图1，CapDI系统100包含用于将电力提供到CapDI模块102的电力供应线136。电力供应线136可将指定量的电压和/或电流提供到CapDI模块102。在一些实施例中，CapDI模块102在约10VDC和约零与15安培之间的电流下操作。

在一些实施例中，CapDI模块102包括多个CapDI单元，每一CapDI单元包括电极且可能包括例如图2A和2B中所示的多孔表面。CapDI单元可电串联或并联地布置以形成CapDI模块。在示范性实施例中，CapDI模块包括六个CapDI单元，每一CapDI单元具有约1.5VDC的操作电压和高达15A的操作电流。在并联布置时，CapDI模块整体可在1.5VDC(跨越并联的每一CapDI单元施加)下操作，但可能需要高达6×15＝90A来在全能力下操作。然而，包括串联布置的相同单元的CapDI模块可在6×1.5＝9VDC下操作，但最大操作电流仅15A。因此，在一些实施例中，CapDI单元串联布置以建构CapDI模块，以减小操作CapDI系统所需的电流量。

在一些实施例中，CapDI系统可包含控制板，用于控制CapDI系统的各种方面且将电力提供到CapDI模块。图3为用于与本发明的一些实施例一起使用的示范性控制板的示意图。在所图示的实施例中，控制板160包括用于将CapDI模块102电耦合到控制板160的模块连接器162。板160进一步包含切换调节器164和连接到模块连接器162的功率MOSFET极性电路166。在CapDI系统的操作期间，切换调节器164可经由功率MOSFET极性电路166和模块连接器162将电力提供到CapDI模块102。

切换调节器164可用以调节施加到CapDI模块102的电压。在一些实施例中，特定电压(例如，24VDC)在单个电力输入168处施加到控制板160。然而，此类电压可能并非对于板或系统上的所有用途皆适当。举例来说，在一些配置中，CapDI模块102经配置以在10VDC下操作。在此类实施例中，切换调节器164可经配置以从单个电力输入168接收电力，且经由功率MOSFET极性电路166和模块连接器162将约10VDC的经调节输出提供到CapDI模块102。切换调节器164可另外将电流供应到CapDI模块102，因为离子截留在多孔层142、146或电容性表面140、144中。在一些实施例中，切换调节器164为可调整的，因为切换调节器可接收对应于输出电流限值的输入。即，切换调节器164可基于所接收输入信号而限制到功率MOSFET极性电路166的电流输出。示范性切换调节器可包括150W可调整切换调节器。

功率MOSFET极性电路166可包含一个或多个MOSFET，且经配置以从切换调节器164接收电力且经由模块连接器162将其引导到CapDI模块102。功率MOSFET极性电路166可进一步将第一极性或第二极性的电力输出到模块连接器162。因此，功率MOSFET极性电路166经配置以实现CapDI系统100的纯化模式或再生模式，同时从切换调节器164接收仅单个极性的电力。因此，切换调节器164仅需要在单个方向上供应电力。在一些实例中，功率MOSFET极性电路166包括布置成H桥配置以用于CapDI模块102的双向操作的多个功率MOSFET装置。

图3的控制板160进一步包含用于控制CapDI系统100中的阀的阀控制机构170。举例来说，阀控制机构170可经配置以与图1中所示的CapDI系统100的阀114a、114b、118和132中的任一者或全部介接，以按所需方式引导流体。在一些实例中，阀114a、114b、118和132中的任一者或全部包括电磁阀或其它电致动阀。在此类实施例中，阀控制机构170可选择性地将电力提供到所述阀。阀控制机构170可电耦合到电力输入168以接收电力以朝向CapDI系统100中的适当阀引导。

在一些实施例中，控制板160上的组件和CapDI系统100的其它相关组件可由控制器172控制，所述控制器可包含在控制板160上。举例来说，控制器可包含微控制器或能够接收信号且基于所接收信号输出信号的其它装置。在一些配置中，控制器172经设定大小而使得其可定位在控制板160上。在一些实施例中，控制器172可与控制板160的若干组件通信。举例来说，控制器可与阀控制机构170通信，以便在CapDI系统100操作期间的各种时间控制阀的打开和关闭。在一些配置中，控制器可与使用装置中的流体储集器120中的液面检测器122通信。因此，控制器172可接收关于流体储集器120中的液面的信息，且控制阀以在必要时将流体经由CapDI系统100引导到储集器120。

在一些实例中，控制器172可与功率MOSFET极性电路166通信以界定从切换调节器164施加到CapDI模块102的电力的极性。举例来说，在H桥功率MOSFET配置的情况下，控制器172可用以“接通”或“关断”功率MOSFET极性电路166中的各个MOSFET，以界定递送到CapDI模块102的电力的极性。在一些实施例中，控制器172可输出电压，以便经由功率MOSFET极性电路166中的MOSFET影响电力传输。控制器172可响应于所接收信号而提供适当电压以控制各个MOSFET。举例来说，此类信号可由传感器、定时器、用户接口或适合于将信号提供到控制器172的任何其它组件发起。

举例来说，在一些配置中，控制器172可从传感器、定时器、控制器或指示CapDI模块的所需操作模式的其它系统组件接收信号。如果模块102将在纯化模式下操作(以使流体去离子化)，那么控制器172可将适当电压施加到功率MOSFET极性电路166，以将第一极性的电力从切换调节器164引导到模块102。如果所述模块将在再生模式下操作，那么控制器172可将适当电压施加到功率MOSFET极性电路166，以将与第一极性相反的第二极性的电力从切换调节器164引导到CapDI模块102。在一些实例中，将适当电压施加到功率MOSFET极性电路166以进行纯化包括“接通”第一对MOSFET而“关断”第二对，以允许电在一个方向上流过CapDI模块102。在此些实例中，将适当电压施加到功率MOSFET极性电路166以进行再生包括“关断”所述第一对MOSFET而“接通”所述第二对，从而允许电在相反方向上流过模块102。

在一些实施例中，控制器172可与电导率传感器128或系统内的其它适当传感器通信，且接收指示在CapDI模块102中去离子化之后流体中的离子数目的信号。举例来说，在一些实例中，控制板160包含集成式电导率传感器接口176。电导率传感器接口176可与控制器172通信，且可用以提供控制器172与电导率传感器128之间的通信。电导率传感器128可将关于流体的电导率的信息提供到控制器172，电导率可指示流体中剩余的离子含量。因此，在一些实施例中，电导率传感器与电导率传感器接口组合可将关于CapDI模块的操作的闭环反馈提供到控制器。

在一些实施例中，控制器172可发信号给切换调节器164以调整穿过CapDI模块的电流流动或电流限值，以便调整在去离子化过程中移除的离子数目。在一些实例中，从切换调节器164提供的电流限值是通过到其上的输入电压确定。因此，在一些实例中，控制器172可将电压施加到切换调节器164以便允许电流从其流动，且可调整施加到其上的电压以调整允许从切换调节器164流动到CapDI模块102的电流。在一些实例中，控制器172响应于来自由电导率传感器和集成式电导率传感器接口提供的闭环反馈的信号而调整允许从切换调节器164流动到CapDI模块的电流。

如到目前为止已描述的，控制器172可与CapDI系统100中和控制板160上的各种传感器和其它组件通信。在一些实施例中，控制器172经配置以响应于由系统中的传感器感测的各种参数而执行方法。举例来说，此类方法可在内嵌于控制器172中或与所述控制器通信的非暂时性计算机可读媒体上实施，所述控制器可根据此类方法而处理且执行指令。

CapDI系统的控制板160可进一步包含用于与例如计算机或外部控制器的外部装置通信的通信接口174。举例来说，通信接口174可包含串行通信端口、USB通信端口、无线通信链路或控制通信的任何其它适当方法。通信接口174可提供到外部装置的链路，以(例如)经由控制器172或日志系统信息发起系统的操作。举例来说，在一些配置中，控制器172经由通信接口174从外部装置接收命令，以使得控制器172执行操作且将数据传达回到外部装置。外部装置可包含用户接口以允许用户经由通信接口174和控制器172发起系统操作。

图4为图示CapDI系统的示范性操作的处理流程图。在图4的过程中，将第一极性的电力施加(180)到CapDI模块。举例来说，施加(180)电力可通过控制器将电压输出到切换调节器以将电力提供到功率MOSFET极性电路且因此提供到CapDI模块来完成。从控制器到切换调节器的电压可设定用于切换调节器的输出的电流限值。控制器可随后与阀控制机构通信，以打开(182)入口阀以允许流体进入CapDI和/或打开(184)出口阀以将流体从CapDI模块引导到使用装置，或以其它方式允许流体流动到此类装置。在一些实施例中，CapDI系统无需包含入口阀，而实际上，CapDI模块可直接从来源接收流体，从而防止仅通过出口阀执行的到使用装置的流动。在此类实施例中，不执行打开(182)入口阀。在包括入口阀的实施例中，应注意，在各种操作方法，可置换打开入口阀与出口阀的步骤182与184。

控制器可确定使用装置的使用是否完成(186)。在一些实例中，使用装置可向控制器发信号表示使用已完成。在其它实施例中，控制器可经由用户接口提示装置的使用已完成。如果使用完成，那么控制器可关闭(188)CapDI模块与使用装置之间的出口阀，且操作可停止。如果使用未完成，那么控制器可利用电导率传感器测量或检测(190)来自CapDI模块的流体的电导率，且比较(192)所测量电导率与阈值。

一般来说，当与导电性较差的流体相比时，导电性较强的流体(即，测量的电导率较高)在流体中具有较高离子浓度。因此，在所测量电导率高于阈值时，可解释为在流体中剩余的离子浓度比所需浓度高，且控制器可增大(194)施加到CapDI模块的电流。如所论述，增大CapDI模块的电流可导致从流体移除较多离子。举例来说，增大电流可包含增大从控制器施加到切换调节器的电压。在一些实施例中，如果所测量电导率不高于阈值，那么控制器可用以减小(196)施加到CapDI模块的电流，由此降低系统上的电负载。

在增大(194)或减小(196)施加到CapDI模块的电流之后，控制器可确定使用装置的使用是否完成(186)，且重复相同分析，直到使用完成。因此，控制器可响应于样品的所测量电导率与阈值的比较而执行迭代过程，在此期间，CapDI模块的电流改变。阈值可在工厂设置期间预编程到控制器中，或可由用户经由用户接口设定。在一些实例中，阈值适于特定用途或使用装置。

在一些实施例中，可测量流体电导率的额外或替代参数(例如由任何其它所包含的传感器所检测的参数)，且利用其来进行增大还是减小CapDI模块的电流的反馈确定。此外，在一些实施例中，在一定量的时间之后执行对CapDI模块的电流的调整。举例来说，控制器可在一定时间长度内收集电导率或关于流体中的离子含量的其它信息，且计算所测量参数的平均值，然后比较所述参数与阈值。

在一些CapDI系统中，来自CapDI模块的流体被引导到用于装盛用于使用装置的流体的流体储集器。如先前关于图1所描述，流体储集器120可包含液面检测器122，例如高浮子124和低浮子126。在一些实施例中，所述系统可包含上流体阈值和下流体阈值。举例来说，下阈值可表示使得使用装置可在需要添加流体之前使用较长时间的液面，而上流体阈值可表示使得流体储集器120装满或几乎装满的液面。因此，在检测到流体低于下阈值时，所述系统可发起填充模式，其中将流体添加到流体储集器120，直到液面超越上阈值。在一些实施例中，流体储集器包括电导率传感器和/或用于测量指示其中的离子浓度的样品参数的另一类型的传感器。此类测量可用以在流体储集器填充过程期间调整CapDI模块的操作。

图5为图示包含流体储集器的CapDI系统的示范性操作的处理流程图。可例如由控制器来执行图5中概述的过程。在所图示的实施例中，控制器可将第一极性的电力施加(200)到CapDI模块。举例来说，施加电力可经由切换调节器、功率MOSFET极性电路和模块连接器来完成，如上文所描述。控制器可经由(例如)液面检测器检测(202)流体储集器中的液面，且比较(204)所检测到的液面与下阈值。如果检测到液面低于下阈值，那么控制器可发起(206)填充模式，其中将去离子流体添加到流体储集器。在一些实施例中，举例来说，发起(206)填充模式可包含打开入口阀以允许流体进入CapDI模块。在其它实施例中，控制器可打开(208)出口阀以将流体从CapDI模块引导到流体储集器中以发起(206)填充模式，或在发起(206)填充模式之后打开出口阀。

使用电导率传感器，控制器可测量(210)流体储集器中的流体的电导率，且与电导率阈值进行比较(212)，这类似于如相对于图4所描述者。如果所测量电导率高于阈值，那么控制器可增大(214)施加到CapDI模块的电流，而如果所测量电导率低于阈值，那么控制器可减小(216)电流。在调整电流之后，控制器可再次检测(202)储集器中的液面，且比较(204)所述液面与下阈值。

如果所检测到的液面高于下阈值，那么控制器可确定(218)系统是否处于填充模式。如果系统处于填充模式，那么控制器可比较(222)所述液面与上阈值。如果所述液面低于上阈值，那么填充过程未完成，且可执行电导率反馈序列，包含测量(210)电导率、比较(210)所述电导率与阈值，以及增大(214)或减小(216)施加到CapDI模块的电流。然而，如果所测量液面高于上阈值，那么控制器可关闭(224)CapDI模块与流体储集器之间的阀，因为填充过程已完成。

如果在218处确定系统不处于填充模式，那么填充模式尚未发起，且不确定液面低于下阈值。因此，不需要填充储集器，且液面确定和调整过程完成(220)。在此类情境中，可从CapDI模块移除电力。一般来说，如果所检测到的液面介于下阈值与上阈值之间，那么出口阀保持其当前状态。即，如果系统处于填充模式，那么CapDI模块与流体储集器之间的阀已经打开且保持打开，因为液面尚未超越上阈值。然而，如果系统不处于填充模式，那么不存在打开阀以填充流体储集器的迫切需要。应注意，在一些实施例中，电力无需施加到CapDI模块，直到发起填充模式之后。

如所论述，随时间推移，CapDI模块可能会变得离子饱和，且从流过其中的流体移除额外离子的效率变低。因此，系统可在再生模式下操作，以从CapDI模块移除所截留的离子。图6为图示CapDI系统的示范性再生的处理流程图。举例来说，图6的处理步骤可由控制器在系统的再生期间执行。在利用CapDI模块在第一极性下执行(230)一个或多个去离子化程序之后，控制器可确定(232)模块是否需要再生。在一些实施例中，控制器经配置以响应于任何数目个所检测到的再生条件而再生所述模块，所述条件例如：从最近一次再生起已经过一定量的时间、已执行特定数目个去离子化程序、从最近一次再生起已有特定体积的流体流过CapDI模块、施加到切换电容器的电流限值已达到预定等级(例如，需要足够高的预定量电流来实现所需去离子化操作)，或电导率传感器(或指示流体的离子含量的其它传感器)对所施加电力和/或施加到CapDI模块的增大的电力的响应不充分。在一些情况下，可经由用户接口在任何时间发起再生程序。

如果在232处确定不需要再生，那么系统可继续照常执行去离子化程序。如果需要再生，那么控制器可关闭(234)CapDI模块与使用装置之间的出口阀(如果其打开了)，从而防止所截留离子在再生程序期间被引导到使用装置。可从CapDI模块移除(236)电力，且可调整(238)功率MOSFET极性电路。举例来说，调整(238)功率MOSFET极性电路可包含将电力施加到功率MOSFET极性电路内的不同MOSFET。在一些实施例中，功率MOSFET极性电路包括H桥电路，且调整(238)功率MOSFET极性电路包括“关断”先前导通的MOSFET且“接通”替代MOSFET，使得允许电流在相反方向(与步骤230的去离子化程序相比时)上流过经调整功率MOSFET极性电路和CapDI模块。

在调整(238)功率MOSFET极性电路之后，控制器可用以将第二极性的电力施加(240)到CapDI模块。电力可经由模块连接器从切换调节器、经过(经调整)功率MOSFET极性电路且供应到CapDI模块。对于再生，在一些实施例中，第二极性与第一极性相反。在施加第二极性的电力时，截留在CapDI模块中的离子被排出到模块中的流体中。在将第二极性的电力施加(240)到CapDI模块之后，控制器可用以打开(242)第二出口阀以将流体从CapDI模块引导到排液管，使得经由排液管从系统移除排出到流体中的离子。

控制器可确定(244)再生是否完成。确定再生的完成可以任何数目个方式进行。举例来说，在使流体经由CapDI模块流动到排液管达预定量的时间之后或在已将预定体积的流体引导到排液管之后，控制器可确定再生已完成。如果控制器确定再生未完成，那么再生继续。再生再生完成，那么控制器可用以关闭(246)第二出口阀，从CapDI模块移除(248)电力，且调整(250)功率MOSFET极性电路。类似于步骤238，举例来说，在步骤250处调整功率MOSFET极性电路可包含将电力施加到功率MOSFET极性电路内的不同MOSFET。在调整功率MOSFET极性电路之后，控制器可将第一极性的电力施加(252)到CapDI模块，打开(254)CapDI模块与使用装置之间的出口阀，且使流体经由CapDI模块朝向使用装置流动(256)，以便执行(230)去离子化程序。

图6的程序开始于系统以直插式CapDI模块操作、朝向使用装置引导去离子流体。在需要再生时，打开且关闭多种阀，使施加到CapDI模块的电力的极性反转，且朝向排液管引导再生流体。一旦再生完成，那么基本上所述过程反向发生，其中关闭且打开阀，将施加到CapDI模块的电力的极性再次反转到第一极性，且将流体经由再生的CapDI模块朝向使用装置引导。在一些实施例中，控制器可确定何时需要再生，以及何时再生完成，且控制多种阀的状态并经由切换调节器调整施加到CapDI模块的电力。因此，图6的过程可在控制器的控制下完全自主地执行。在一些此类实例中，流体源、CapDI系统和使用装置可形成闭环自动化系统，其中CapDI系统在控制器的控制下将去离子流体提供到使用装置，藉由控制器发起且控制再生直到完成，且在控制器的控制下恢复系统使用。

参考图1，一些系统包含耦合到CapDI模块102的多个入口管线(113a、113b)。在一些实施例中，此类管线中的一者或多者包括阀(例如，114a、114b)。在再生过程期间，举例来说，可打开一个或多个此类阀以提供穿过CapDI模块102的较大体积的流体流动以实现有效再生。阀114a、114b在自动化再生过程期间可自动地打开(例如，通过控制器172控制阀门控件170)，且在所述过程完成时自动地关闭。

CapDI系统100的实施例可包含于各种流体处理系统或独立机器中。举例来说，CapDI系统100可被包含为洗碗机的部分，从机器进水口接收水且填充洗碗机内的储集器120。此外，如先前所描述，串联地布置多个CapDI单元允许系统使用较低电流操作，从而允许使用相对较小的组件和导体来处置电流。此外，如本文中所述的切换调节器164可提供足够电力用于系统操作(与用于如先前所描述的反馈调整的可变电流限值相结合)，同时保持足够紧凑以放置在控制板上。例如功率MOSFETH桥电路的紧凑型功率MOSFET极性电路166利用切换调节器164操作以实现到CapDI模块102的双向电力施加，从而允许纯化和再生操作模式。因而，控制板160提供对CapDI系统的稳健控制，同时保持足够紧凑地放置以板载于使用装置中。在一些实施例中，控制板160在尺寸上不大于四英寸乘四英寸，且可包含完全集成式组件用于操作CapDI系统。

在一些实施例中，CapDI系统100可经由控制板160上的通信174与外部控制器介接。外部控制器可用以操作CapDI系统100进行特定专用操作。因此，外部控制器可包含包括用于CapDI系统100的控制器172的操作指令的存储器。举例来说，在一些配置中，外部控制器用于的系统需要将水去离子化到低于所述系统的特定阈值。因此，举例来说，外部控制器可界定用来指示CapDI系统的操作的电导率阈值。一般来说，外部系统可控制CapDI系统100的任何数目个操作。在一些实施例中，外部控制器与CapDI控制器172的组合可组合以提供CapDI系统100完全自主操作。

CapDI系统100可进一步经组态以例如经由通信174与外部存储器通信。举例来说，外部存储器可包含于具有外部控制器的外部系统中。在此类配置中，控制器172可经配置以从外部存储器读取或对其写入。举例来说，控制器172可将关于所测量电导率、施加到CapDI模块102的电力、CapDI模块102操作的持续时间、CapDI模块102去离子化的流体量或可记录于外部存储器中的任何其它系统数据的数据写入到外部存储器中。

在一些实施例中，外部存储器从CapDI系统的控制器172接收CapDI系统操作数据。外部存储器可编目录且存储CapDI系统数据以供召回。因此，用户可从外部存储器存取过去的CapDI系统数据以进行审阅。在一些实施例中，用户可使用所存储的CapDI系统数据来分析随时间推移的系统操作，或比较来自一个系统使用的数据与过去的使用。在其它操作中，可通过控制器召回CapDI系统数据以确定系统是否正确地操作、是否需要再生，或出于可由控制器确定的任何其它目的。将了解，如本文所描述的外部存储器的功能性可在CapDI系统100的控制板160上的板载存储器中实施。此类集成式存储器可经由通信174与控制器172和/或外部控制器通信。

外部控制器可与外部或板载存储器介接，且相应地操作CapDI系统100。举例来说，在一些配置中，控制器172记录从最近一次再生起已利用CapDI模块102执行的去离子化的量。举例来说，此数据可包含已去离子化的流体量、已发生去离子化的时间，或已施加的去离子化电力的量。作为响应，一旦去离子化的量已达到预定阈值，就可发起CapDI模块的再生。举例来说，可通过外部控制器或通过与外部或板载存储器通信的控制器172发起再生。

已描述各种示范性电容性去离子化系统。此类系统在性质上是示范性，且不以任何方式限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所属领域的技术人员可显而易见对本文中所描述的示范性实施例的各种组合和修改。一些此类实例和其它实例在所附权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种电容性去离子化CapDI系统，包括：

CapDI模块，所述CapDI模块具有流体入口和流体出口；

电导率传感器；以及

控制板，所述控制板包括：

控制器；

电导率传感器接口，所述电导率传感器接口耦接到所述控制器并且提供所述控制器与所述电导率传感器之间的通信；

开关调节器，所述开关调节器耦接到所述控制器，从电力输入接收电力并且输出处于适合于所述CapDI模块的电压的、在单个方向上的经调节的电力；

功率MOSFET极性电路，所述功率MOSFET极性电路耦接到所述开关调节器；以及

模块连接器，所述模块连接器能够连接到所述CapDI模块并且耦接到所述功率MOSFET极性电路；其中

所述功率MOSFET极性电路被配置为经由所述模块连接器向所述CapDI模块提供双向电力；

所述开关调节器被配置为向所述功率MOSFET极性电路提供所述经调节的电力；并且

所述控制器被配置为将作为电压的电流限制信号输出到所述开关调节器，所述电流限制信号限定允许从所述开关调节器流动到所述CapDI模块的最大电流限值，以便调整在去离子化过程中移除的离子数目，并且所述控制器被配置为响应于来自由所述电导率传感器和所述电导率传感器接口提供的闭环反馈的信号而调整所述电流限制信号。

2.根据权利要求1所述的CapDI系统，其中所述功率MOSFET极性电路包括固态H桥电路。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的CapDI系统，其中所述控制板进一步包括所述电力输入。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的CapDI系统，其中

所述功率MOSFET极性电路从所述开关调节器接收经调节的电力，限定第一极性，并且将所述第一极性的经调节的电力输出到所述模块连接器。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的CapDI系统，其中所述CapDI模块包括串联布置的多个CapDI单元。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的CapDI系统，其中来自所述控制器的所述电流限制信号响应于从所述电导率传感器接收的电导率信号高于电导率阈值而增大。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的CapDI系统，进一步包括：

第一阀，所述第一阀耦接于所述流体出口与使用装置之间；以及

第二阀，所述第二阀耦接于所述流体出口与排液管之间。

8.根据权利要求7所述的CapDI系统，其中第一阀和第二阀为电磁阀。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的CapDI系统，其中所述控制器还被配置为响应于检测到所述电导率传感器对施加的电力或施加到所述CapDI模块的增大的电力的响应不充分的再生条件而执行所述CapDI模块的再生。

10.一种用于处理流体的方法，包括：

提供包括以下各项的系统：

流体入口；

流体出口；

电容性去离子化CapDI模块；

电导率传感器；以及

控制板，所述控制板包括：

控制器，所述控制器与所述电导率传感器通信；

开关调节器，所述开关调节器耦接到所述控制器，从电力输入接收电力并且输出处于适合于所述CapDI模块的电压的、在单个方向上的经调节的电力；

功率MOSFET极性电路，所述功率MOSFET极性电路耦接到所述开关调节器；以及

模块连接器，所述模块连接器连接到所述CapDI模块并且耦接到所述功率MOSFET极性电路；以及

在去离子化过程中：

使所述流体流过所述CapDI模块；

将来自所述控制器的作为电压的电流限制信号施加到所述开关调节器，所述电流限制信号限定允许从所述开关调节器流动到所述CapDI模块的最大电流限值，以便调整在所述去离子化过程中移除的离子数目；

响应于施加的电流限制信号而将所述经调节的电力从所述开关调节器提供到所述功率MOSFET极性电路；

经由所述模块连接器将第一极性的电力从所述功率MOSFET极性电路施加到所述CapDI模块；

在所述CapDI模块中从所述流体中电俘获离子，从而产生去离子流体；

从由所述电导率传感器提供的闭环反馈接收检测到的流体电导率；以及

响应于接收到的检测到的流体电导率而调整所述电流限制信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述系统进一步包括耦接于所述流体出口与使用装置之间的第一阀和耦接于所述流体出口与排液管之间的第二阀，并且所述方法进一步包括：

致动所述第一阀，使得来自所述CapDI模块的去离子流体经由所述流体出口和所述第一阀流到所述使用装置；以及

对所述CapDI模块进行再生，包括：

关闭所述第一阀；

致动所述第二阀，使得来自所述CapDI模块的流体经由所述流体出口和所述第二阀流到所述排液管；

调整所述功率MOSFET极性电路，由此将第二极性的电力从所述功率MOSFET极性电路施加到所述CapDI模块，所述第二极性与所述第一极性相反；以及

使流体从所述CapDI模块经由所述流体出口和所述第二阀流到所述排液管。

12.根据权利要求11所述的方法，对所述CapDI模块进行再生的步骤是响应于检测到的再生条件而执行的。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测到的再生条件包括所述电导率传感器对施加的电力或施加到所述CapDI模块的增大的电力的响应不充分。

14.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中

所述系统进一步包括耦接于所述流体出口与使用装置之间的第一阀和耦接于所述流体出口与排液管之间的第二阀；

所述使用装置包括用于接收去离子流体的填充罐和用于检测所述填充罐中的液面的填充传感器；并且

所述方法进一步包括：

在由所述填充传感器检测到的所述填充罐中的所述液面低于下填充阈值的条件下，致动所述第一阀，使得去离子流体经由所述流体出口和所述第一阀流到所述填充罐中；

在所述填充罐中的所述液面高于上填充阈值的条件下，关闭所述第一阀；以及

在所述填充罐中的所述液面介于所述上填充阈值与所述下填充阈值之间的条件下，维持所述第一阀的状态。

15.根据权利要求14所述的方法，其中

所述填充传感器与所述控制器通信；并且

所述第一阀包括螺线管，所述螺线管耦接到与所述控制器通信的电源；并且所述方法进一步包括：

从所述填充传感器接收信号；

确定所述填充罐中的所述液面高于所述上填充阈值、低于所述下填充阈值还是介于所述上填充阈值与所述下填充阈值之间；以及

基于接收到的信号控制所述第一阀。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述填充传感器包括第一浮子和第二浮子，所述第二浮子放置得高于所述第一浮子；并且其中

所述第一浮子的位置限定所述下填充阈值，并且所述第二浮子的位置限定所述上填充阈值。

17.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：

比较所述检测到的流体电导率与阈值电导率；以及

在所述检测到的流体电导率超过所述阈值电导率的条件下，调整所述电流限制信号以增大从所述开关调节器施加到所述MOSFET极性电路的所述经调节的电力。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括：

在所述检测到的流体电导率低于所述阈值电导率的条件下，调整所述电流限制信号以减小从所述开关调节器施加到所述MOSFET极性电路的所述经调节的电力。

19.根据权利要求17所述的方法，其中比较所述检测到的流体电导率包括测量所述检测到的流体电导率随着时间的平均值，以及比较平均电导率与所述阈值电导率。

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