CN116324040A - 具有共面的流体和电连接机制的歧管兼容的电解池（eo池） - Google Patents

Abstract

一种电解臭氧池，其壳体包括界面密封件、顶板和底板。该电解臭氧池还包括具有成对的接触板和公差压缩器的内部隔室。公差压缩器压缩设置在所述成对的接触板之间的电极‑膜‑电极堆叠，并且公差压缩器改变其形状以便维持作用在电极‑膜‑电极堆叠上的压缩力。

Description

具有共面的流体和电连接机制的歧管兼容的电解池(EO池)

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2020年10月1日提交的美国临时申请第63/086,218号的权益和优先权，出于所有目的，其通过引用并入在此。

技术领域

本申请总体上涉及电解臭氧池。更特别地，本申请涉及具有利用歧管组件的共面的流体连接和电连接的低轮廓电解臭氧池。

背景技术

臭氧是一种由三个氧原子组成的高活性气体(O₃)。它天然存在于地球大气中，在平流层中浓度最高，并且作为紫外线的过滤器。臭氧是一种高效抗菌剂并且已被用于包括消毒和灭菌产品在内的医疗应用中。气态臭氧在细菌的细胞质膜和细胞壁上产生氧化反应。由此产生的对细菌的细胞壁的损害允许增加臭氧在细胞内的积累，这产生破坏细菌的自由基。通过利用这一点，可以显著改善口腔健康和更广泛的全身健康，包括降低患龋齿、牙龈炎和牙周炎、口臭、心血管疾病、中风、高血糖和其他疾病的风险。

发明内容

说明性实施例提供了一种适用于产生分散在诸如水的液体中的臭氧的系统，所述液体适合在牙科产品中使用，例如牙科超声波除垢器。

在一个方面中，一种电解臭氧池包括壳体，所述壳体包括界面密封件、顶板和底板。电解臭氧池还包括内部隔室，所述内部隔室包括至少一对接触板、公差压缩器，所述公差压缩器压缩电极-膜-电极堆叠，所述电极-膜-电极堆叠包括成对的电极和至少一个质子交换膜，其中该电极-膜-电极堆叠设置在所述一对接触板之间，并且公差压缩器被配置成响应于质子交换膜的变薄而改变公差压缩器的尺寸，以便维持作用在至少电极-膜-电极堆叠上的压缩力。在电解臭氧池的实施例中，电极-膜-电极堆叠在同一池中包括一对或多对电极。所述一对或多对电极可以各自是独立可控的。

还可以包括这样的电解臭氧池，其中，电解臭氧池的壳体被配置成联接到水性臭氧超声波除垢器系统的歧管组件，使得所述壳体具有与歧管表面齐平的共面界面。

所述一对接触板可以是钛(Ti)接触板。该成对的电极可以是掺硼金刚石(BDD)电极。该成对的电极中的电极可以是具有掺硼金刚石涂层的穿孔硅板。该成对的电极和质子交换膜可以形成电极-膜-电极堆叠，公差压缩器在该公差压缩器的厚度的2％到50％之间的范围内为电极-膜-电极堆叠提供压缩。

进一步地，公差压缩器可以是对臭氧呈惰性的。公差压缩器也可以由闭孔三元乙丙橡胶(EPDM)泡沫材料制成。水流路径可以基于所述一对接触板中的接触板的厚度和内轮廓。

电解臭氧池可以包括多于一对的成对的电极。可以通过弹簧加载的电触头穿过顶板进入所述一对接触板中的接触板的电接触区域，使得该接触板向该成对的电极中的电极提供电流。一个接触板和一个电极可以集成在一起，以形成为弹簧加载的电触头提供直接电接触的电极单元。该电解臭氧池可以被配置成控制沿着由电极-水-膜相交形成的三相边界(TPB)流过气泡形成区域的水的速度。对于本领域技术人员而言，其他技术特征从以下附图、说明书和权利要求书中是十分明显的。

在一个方面中，可以形成一种设备，所述设备包括用于将水输送到电解臭氧池的供水装置。该设备还包括气体分离器，所述气体分离器设置在还包含电解臭氧池的流体通路的再循环回路中。该设备还包括电解臭氧池。该电解臭氧池进一步包括壳体，所述壳体包括界面密封件、顶板和底板。该设备的电解臭氧池进一步包括内部隔室，所述内部隔室包括至少一对接触板、公差压缩器，所述公差压缩器压缩电极-膜-电极堆叠，所述电极-膜-电极堆叠包括成对的电极和至少一个质子交换膜，其中电极-膜-电极堆叠设置在所述一对接触板之间，并且公差压缩器被配置成响应于质子交换膜变薄而改变公差压缩器的尺寸，以便维持作用在至少电极-膜-电极堆叠上的压缩力。

在一个方面中，形成一种计算机系统。该计算机系统包括被配置成控制电解臭氧池的操作的处理器。该计算机系统还包括电解臭氧池。该计算机系统还包括这样的电解臭氧池，所述电解臭氧池进一步包括壳体，所述壳体包括界面密封件、顶板和底板。计算机系统的电解臭氧池进一步包括内部隔室，所述内部隔室包括至少一对接触板、压缩电极-膜-电极堆叠的公差压缩器，所述电极-膜-电极堆叠包括成对的电极和至少一个质子交换膜，其中电极-膜-电极堆叠设置在所述一对接触板之间，并且公差压缩器被配置成响应于质子交换膜变薄而改变公差压缩器的尺寸，以便维持作用在至少电极-膜-电极堆叠上的压缩力。对于本领域技术人员而言，其他技术特征从以下附图、说明书和权利要求书中是十分明显的。

甚至更特别地，在本文的一方面中，公开了一种带有共面的流体连接和电连接机制的歧管兼容的电解臭氧(EO)池。EO池可以被设计用于在牙科应用和医疗应用二者中使用。如本文所述，该EO池可以经由共面连接机制与更广泛的系统连通。组装EO池的薄堆叠层以形成低轮廓组件。该EO池被设计成经由布置在所述EO池的单个平面上的流体端口和电端口进行连通。低轮廓设计和共面连接机制提供了易于接近以便维修的形状因子，并且有助于限制医疗装置的总体占地面积和形状因子。

这种电解池的一个使用示例是在牙科超声波除垢器中生产水性臭氧。这种除垢器配备了封闭系统输水和集成式内嵌(in-line)电解臭氧发生器、气体分离、内嵌溶解气体监测，所述内嵌溶解气体监测能够实现对臭氧浓度的闭环控制。EO池使得超声波除垢单元具备按需生成水性臭氧(AO)溶液的能力，从而解决关键市场障碍。利用水性臭氧灌洗的超声波除垢系统增强了对牙科生物膜的去除，以便更彻底的清创。水性臭氧将通过超声波除垢器手持件和插入件输送到口腔，这将通过超声波除垢单元进行控制。

具有内嵌水性臭氧生成的完全集成式系统使得能够在牙科或医疗程序需要时在手术室中生成和使用水性臭氧。可以控制和工程化在用于水性臭氧发生器和除垢器二者的流体路径中使用的材料，以既限制材料的清除又限制确保材料与溶解臭氧的相容性，从而控制离开除垢器械的灌洗液的浓度，确保设备的功效和可靠性。通过将臭氧发生器和超声波除垢器集成在一起来防止在可能与臭氧不相容的现有除垢器中滥用水性臭氧。

牙科专业人员将能够在生成或没有生成水性臭氧的情况下使用超声波除垢单元。能够关闭或降低臭氧产生使其仅维持水管线的清洁度，这为临床医生提供了在他们向患者输送水性臭氧时进行管理的能力。

本文所述的歧管兼容的EO池具有几个优点。通过共面界面与歧管连通，可以通过将EO池固定到歧管表面来形成全部流体连接和电连接，从而消除额外的互连部件，减小尺寸，提高可靠性，并且创建更易于进入和维修的设计。另外，该EO池构造使用公差压缩器元件，所述公差压缩器元件管理最小和最大两种材料条件以及所述EO池寿命期间的膜厚度损失。

形状因子

超声波除垢器典型位于台面上、橱柜中或专为手术设备设计的特殊抽屉中。除垢器的这些标准安装位置要求任何新的除垢器无论采用何种技术都具有现有手术室所需的形状和适合度。这种实际考虑推动了除垢器的整体工业设计、其高度以及占地面积。因此，用于生成和控制AO溶液的内部部件必须紧凑。歧管兼容的EO池提供了这样的低轮廓的形状因子，同时使其易于经由除垢器壳体上的检修门或面板进入以便使用。

EO池设计的最佳流率(经由受限路径流动路径的气泡空隙)

该池的设计还控制沿着由电极-水-膜相交形成的三相边界(TPB)流过气泡形成区域的水速。该池设计以基于系统内部再循环流率的理想速度在TPB上引导水。整个系统再循环路径中较低的流率减少了系统水泵的磨损并且最大限度地减少了气体分离器中的湍流，从而直接支持气体分离器允许重力流动和层流流动以防止气泡重新进入再循环路径或离开系统并行进至除垢器手持件的能力。防止气泡再循环提高了UV传感器的精度，所述UV传感器利用溶解臭氧分子的吸收特性来量化水性臭氧的浓度水平。行进穿过UV传感器的气泡往往会散射光并且给UV传感器的测量增加噪声。除了机械磨损以及再循环泵之外，该系统将电流转换为水性臭氧的效率与所述系统的可靠性直接相关。该池设计控制通过所述池的流体速度，通过优化该流率，我们可以最大限度地减少再循环速率并且能够限制臭氧分子的机械分解。AO溶液的机械泵送和再循环有助于O₃分解回更稳定的氧气状态O₂。因此，在较低的再循环速率下高效的池运行提高了总体系统效率，降低了对该池的需求和电流密度，并且提高了EO池和总体系统可靠性。

一个关键参数是池中的流动速度。流动速度主要由流率和电极上方的间隙或气泡空隙的组合控制。设计用于高容量通量(例如，每分钟1升以上)的池可能具有大的气泡空隙，但是这些池不会针对这样的系统优化，所述系统使用较低流率再循环水性臭氧以便实现和控制所需的浓度，同时还从输出流体流中去除未溶解气体。更高容量通量的池在电极上具有约1m/sec的流体速度，并且在更高流率下可以有效地从TPB清除气泡。从TPB清除气体所需的确切值取决于电极的表面几何形状、间隙的大小与气泡的大小的比较，并且该池运行的电流密度也决定了气体产生的生长速率和数量。

例如，假设流经池面的流体速度为1m/sec并且基于流动路径几何形状和体积流率计算该流体速度。在一个5mm宽和0.1mm高的流动路径穿过电极的情况下，很容易估计出标称流动速度，横截面面积为(0.5*0.01)cm²＝0.005cm²。

在这个非常狭窄的间隙中，即使再循环速率远低于200ml/min，流动速度也会超过1m/sec。

因此，从气泡去除的角度来看，减少气泡空隙将支持<100ml/min的再循环速率。除了气泡去除的观点外，还考虑了流率对分离器的影响，其中防止气泡进入输出部并且再循环，同时还将新生的AO溶液与分离器中的流体体积混合。再循环速率和分离器中浓度平均时间尺度之间的相互作用取决于什么浓度波动行为是可接受的，并且这也取决于在从手持件输出AO溶液期间使用什么再填充循环来维持分离器中的流体水平。

如果通过池的流率在电极区域变得太低，则可能会在池的流动路径中因气泡截留而导致气体积聚。水流还必须从池带走热量，因此在低流率的限制下，必须考虑对内部池温度的影响，所述内部池温度也可以通过调节池电流以及双电极对池配置中的池对之间的切换来降低。EO池可能没有纯横向流动，因此外围可能存在会捕获一些气泡的“涡流”，但大部分电极区域都被流很好地冲洗。池的取向使得其输出端口终止于歧管的底部，这有助于池本身释放任何大量气泡形成，气体在流动路径外积聚，这种大量气泡形成会因系统再循环流动、分离器填充循环期间再循环的中断以及重力的影响而迁移。

另外，较低的再循环流率通过限制牙科手术室中的马达和泵二者噪音产生更安静的产品。

可靠性

消除额外的互连部件直接有助于其本身提高可靠性。仅用于一个流体端口的单个界面密封件取代了两个配件，每个配件都有两个连接件：刚性接口和管接口。每个流体端口的四个潜在泄漏点可以通过单个精确共面连接来解决。池典型具有四个流体端口(阳极进、出和阴极进、出)，这四个流体端口产生潜在流体泄漏。为了证明可靠性提高，考虑每个非冗余的连接在产品的使用寿命内具有99.0％的可靠性。对于系统中用于终止池的流体接头(4个端口、8个配件、8个管连接件、8个刚性连接件)(0.99^16＝0.851)中的每一个必须考虑这种可靠性，每一个流体接头都将系统可靠性降低到85.1％。共面密封具有四个端口和四个密封件，假设相同的可靠性为99％，则池的总体可靠性将为96％。也可以认为，配件的性质以及对装配工技能和培训的依赖可能会影响连接的总体可靠性(例如，配件扭矩不足、管安置不当、未能用正确的套筒或管锁固定管)。可使用冗余安装硬件检查和固定歧管兼容的EO池，以适应界面密封件的压缩。

公差压缩器

池构造使用公差压缩器，所述公差压缩器维持作用在电极对上的法向力，从而提高EO池的可靠性和性能。公差压缩器元件管理池部件的最小材料条件、最大材料条件、任何热扩张、以及池寿命期间的膜厚度损失。除了吸收尺寸变化外，所述公差压缩器元件还确保最终池组件在电极-膜-电极堆叠上具有足够的内部压缩力。作用在堆叠上的夹紧力确保了适当的池阻抗和电极表面上的良好接触面积。

附图说明

为了便于识别任何特定元件或动作的讨论，参考编号中的最高有效数字是指首次引入该元件的图号。被认为是本发明的特征的某些新颖性特征在所附权利要求中进行阐述。然而，本发明本身以及优选使用模式、其进一步的目的和优点将通过参考以下结合附图阅读的说明性实施例的详细描述得到最好的理解，其中：

图1描绘了根据一个实施例的水性臭氧超声波除垢器系统100的框图。

图2描绘了根据说明性实施例的歧管兼容的电解池的分解图。

图3描绘了根据说明性实施例的单电极对歧管兼容的电解池的内部部件图像。

图4描绘了根据说明性实施例的电极和膜的图像。

图5描绘了根据说明性实施例的展示退化和变薄的膜图像。

图6描绘了根据说明性实施例的公差压缩器元件和电解池横截面的图像。

图7描绘了根据说明性实施例的具有集成臭氧发生器的超声波牙科除垢器的透视图。

图8描绘了根据说明性实施例的透明壳体视图。

图9描绘了根据说明性实施例的歧管组件的俯视和仰视透视图。

图10描绘了根据说明性实施例的歧管组件的俯视透视图。

图11描绘了根据说明性实施例的歧管组件的仰视透视图。

图12描绘了根据说明性实施例的示出电解池位置的歧管组件的仰视透视图。

图13描绘了根据说明性实施例的示出电解池电连接的歧管组件的横截面视图。

图14描绘了根据说明性实施例的具有两对电极的电解池。

图15描绘了根据说明性实施例的示出电极上方的气泡空隙间隙的池的横截面图像。

图16描绘了根据说明性实施例的具有对称流体连接和电连接的电解池占地面积的草图。

图17描绘了根据说明性实施例的具有提供直接电接触的接片的电极的草图。

图18描绘了根据说明性实施例的计算机系统。

具体实施方式

本文所述的说明性实施例涉及具有共面的流体连接和电连接机制的歧管兼容的电解臭氧(EO)池。说明性实施例认识到传统电解槽的目标是产生纯氢和高压，因此需要非常坚固的结构。这种设计目标意味着不适用于低成本和便携式装置。说明性实施例进一步认识到，由于需要避免释放过多的气态臭氧、系统中不存在气体管理部件以及它们在环境压力下运行，因此传统电解槽通常在溶液中实现非常低水平的溶解臭氧。

图1描绘了根据一个实施例的其中可以嵌入电解臭氧池104的整体水性臭氧超声波除垢器系统100的框图。该系统包括供水装置102和电解臭氧池104，所述电解臭氧池氧化水以在溶液中形成臭氧。在启动期间，该系统通过两种手段获得限定的压力：主水泵112c和/气泵112a(或气泵112b)，以将流体驱动到除垢器/超声波手持件106。气体分离器110a、气体分离器110b将气态臭氧从被输送到超声波手持件106的水流中分离出来。UV传感器108直接监测水中的臭氧水平。也可以通过关闭至电解臭氧池104的电流，经由系统的臭氧发生器114部分提供无臭氧化操作，池电流也可以在显著较低的水平下运行，或者在产生臭氧所需的电流下不频繁地脉冲，使得输送无法检测到的臭氧水平，以维持系统中水管线的清洁度。

为了支持形状因子和适用性要求，公开了一种低轮廓歧管兼容的电解臭氧池104，它最大限度地减少空间需求，同时提供了与传统溶液相比能够在短时间(例如，在30秒内)内用例如0ppm到6ppm的臭氧化水充满牙科系统的EO池。这种臭氧气体生产率和长寿命是通过保持膜上的低电流密度并且随着三相边界(电极-膜-水结合)处的形状有效释放气泡来实现的。通过控制电极面上的水速度来实现有效的气泡释放。通过控制电极区域中的横截面面积以及维持系统压力(例如，19psi到24psi，典型为22psi)和通过池的流率两者。可以控制池中水的速度，以帮助去除气泡和用淡水补充TPB以继续为电解过程供料。

本公开的系统包括以下主要元件。由界面密封件202、顶板204和底板216组成的壳体在连结时形成电解臭氧池104的主体，限定了电解臭氧池104的内部隔室的尺寸，提供了用于将池固定到歧管表面的手段，创建了内部流体路径，并且提供了用于连接流体流和电流二者的共面界面。电解臭氧池104可以具有若干内部部件：公差压缩器206、诸如Ti接触板208(钛接触板)的接触板、诸如BDD电极210(掺硼金刚石电极)的电极、质子交换膜212、和内底部垫片/密封件214。BDD具有产生臭氧的过电位。在替代实施例中，可以使用适用于医疗装置的材料。例如，氧化铅会产生臭氧，但因其有毒而不能使用。这些内部部件建立了电解池、电解池中的电流分布、用于分离内部流体通路和气体通路(即阳极液和阴极液)的密封件、以及用于维持内部组件上足够的压缩力的手段。可以在不改变本文公开的系统的本质的情况下添加额外元件。在此详述了这些元件中的每个的方法和实施例。

传统池也可能产生一些氧气作为副产品，这进一步增加了产出水针对厌氧生物的处理的效用，但不会降低AO溶液用于除垢主要目的价值。池也可能会产生一些过氧化氢，并且溶液中的这种成分也有利于清洁、漂白和抗菌效果。在某些情况中，臭氧和过氧化氢的协同作用是已知的并且可以被系统有利地使用。

电解池

通过直接氧化水进行电化学臭氧生成代替由气相O₂形成O₃是一种复杂的电化学过程，其中催化电极表面是经由几种不同的吸附中间体的反应网络的位点。反应网络产生氧气和臭氧的混合物。催化剂表面的化学性质影响臭氧产生的比例，但是氧气形成通路在能量上更有利并且典型地至少一半的电极电流甚至在最促进臭氧的表面上也会形成氧气。尽管已经广泛研究了不同催化剂的相对臭氧与氧气形成速率的比较并且观察到巨大差异，但尚未完全了解该过程的微观物理化学。

传统上，目标是以可实现的最低池电压实现尽可能高的氧气析出速率(以及由此实现尽可能高的氢气生产速率)，因为这直接影响该过程的能量成本。大部分电解是直接进行的，其中导电电解液在电极之间传输电流。然而，本文可以使用传输质子流但不允许其他物质以可观速率通过的质子传导膜。这允许实现纯水的电解，其在化学简单性和不存在不需要的副产物方面具有显著优势。质子传导膜可以是聚四氟乙烯的磺化衍生物，例如Nafion、Aquivion和类似产品。这些池通常称为质子交换膜水电解槽(PEMWE)。

在例如用于氧气/氢气生产的Membrel过程中的传统PEMWE工业池具有这样的池电压，所述传统PEMWE工业池在池电压增加和使用臭氧选择性催化剂时由于膜和电极在极端氧化环境中退化并且特别是由于一些有效攻击膜聚合物的自由基介导反应而使其可实现的工作寿命显著降低。

臭氧而不是氧气的选择性形成有氢气作为废物，并且本公开的目标不一定是最低的能量成本，而是高溶解臭氧浓度和池的长工作寿命的组合。为实现这一目标，可以使用掺硼金刚石电极，以利用该材料的臭氧与氧气形成的优先比。然而，BDD作为材料带来一些实际挑战，因为它在机械性能方面基本上等同于金刚石并且必须通过在合适的基材上直接合成掺杂金刚石层以形成可控导电层来制成。因此，BDD电极相对昂贵且易碎。尽管在某些情况下可以使用铂，但随着时间的推移，氧化铂可能会污染膜。

在一个实施例中，池104包括：一对带有薄掺硼金刚石涂层的穿孔硅板，薄掺硼金刚石涂层例如从小于100nm直至15μm，典型为5μm，并且可以涂覆超过25μm，在它们之间有一层质子传导膜212；以及用于水和释放气体通过穿孔表面的流动通道。这种配置在板中每个孔的边缘处提供了必要的三相边界区域。因此，BDD电极可以是具有掺硼金刚石涂层的穿孔硅板。

系统级极性切换

本文所述的系统的一个实施例包括一种设计，其中电解臭氧池104的阴极再循环路径118和阳极再循环路径116是对称的，使得分别用于阴极和阳极的气体分离器110b、110a在尺寸、构造、体积以及它们从流体中分离出气泡的能力方面相同。另外，两侧可能需要溶解臭氧传感器，例如两个UV传感器108或可以测量两个分开的流体路径的一个传感器，或者具有能够重新引导系统的任一侧通过传感器的一系列隔离阀的单个传感器将为系统提供监测阴极再循环路径118或阳极再循环路径116中的臭氧气体的能力。同时测量两个路径中的臭氧气体或者从系统的一侧到另一侧交替测量两个路径中的臭氧气体的潜力能够提供增加的自我诊断。通过监测两侧，可以作出决定将阳极维持为阳极，或者如果臭氧水平低到可接受水平(小于0.2ppm或更低或检测不到)，系统则可以反转极性。池的极性可以通过H桥改变，并且从系统产生臭氧的任一侧提供输出流。监测阳极和阴极中臭氧水平的另一个好处是监测气体穿越(crossover)。阴极再循环路径118中的臭氧能够指示池膜穿孔或者流体和/或气体密封损失的早期迹象。这种类型的自我诊断可以有助于减轻安全关切，并在功能或性能丧失之前警告终端用户。

切换系统极性的需要可能来自维持阴极液中的流体水平的需要以及与可靠性有关的两个重要系统特性。在操作期间，水分子经由电渗作用被拉动穿过膜212。随着时间的推移，阴极液分离器可能会增加其流体水平。如果没有排放或不存在从系统的阴极侧排放的理由，阴极分离器将被填满并且最终需要被排放。通过每天切换整个系统的极性，可以容易地管理一天使用后流体水平的小幅增加。与极性切换有关的可靠性要求源于电解池的长期性能目标以及在无需特殊的启动或关闭过程步骤的情况下维持阴极液中水的清洁度的需要。因臭氧与其他氧化物质(HO、H₂O₂、H₃O……)相互作用而引起的膜退化可以分布在池的两侧上，从而延长每个膜的寿命。此外，可以每天更换阴极液，并且可以对系统的每一侧进行臭氧化，从而防止滞水并且消除微生物污染的可能性。

存在传统的光学方法利用臭氧的紫外光吸收来检测水中溶解的臭氧水平。然而，力学和光路径的变化(即，碎屑、UV源的老化)可能需要进行偏移校正。通过对系统实施每天极性改变，前几天的阴极电解水(溶解有氢的水)可以用于将任何传感器偏移归零，从而进行校正，无需水中吸收成分的可变浓度。

现在转到图2，示出了歧管兼容的电解臭氧池104(歧管兼容的EO池)的分解图。该组件包含界面密封件202，以在EO池104和流体歧管的表面之间创建流体密封。顶板204和底板216被连结在一起以提供刚性壳体并且形成围绕内部部件(即，接触板、电极、膜……)的内腔。顶板和底板引导水流到电极对210以及从电极对流出。通过组装所有部件形成独立的水路，使得电解臭氧池104的阴极液(阴极再循环路径118)侧防止水和气体混合或穿越到EO池的阳极液侧(阳极再循环路径116)，反之亦然。顶板和底板还限定了流体路径的横截面面积，从而建立必要的流动速度以从电极和膜表面剥离气泡并且在气泡形成时将它们带离EO池。公差压缩器206提供内部密封以形成顶侧流体腔并且封闭电接触区域，然而它还通过压缩和改变其总厚度来管理来自内部组件的公差叠加。公差压缩器206还在电极组件、即两个Ti接触板208、两个电极210和一个或多个(理想地是两个或更多个)质子交换膜212上产生并且保持夹紧力。两个膜可以提高寿命并且可以防止机械剪切应力损坏膜。此外，两个膜可能会趋向于滑动，但是BDD电极会夹住所述两个电极。内底部垫片/密封件214密封底板以形成相对侧的流体腔。内底部垫片/密封件214还将两个电极210和两个质子交换膜212聚集到其内矩形开口中，使它们与上和下接触板208正交。公差压缩器206和/或内底部垫片/密封件214封闭接触板208的表面以在小接片220上或在接触板的电接触区域上产生干电接触区域。弹簧加载的电触头(例如，弹簧针)可以穿过顶板进入该电接触区域，使得接触板可以在电解期间向电极提供电流。公差压缩器206和内底部垫片/密封件214二者都与顶板和底板形成密封，以防止水和气体从组件中的接缝泄漏出来。装配螺钉218固定顶板和底板并且生成压缩公差压缩器206和内底部垫片/密封件214以将电极紧紧地推到质子交换膜上并将顶板和底板固定在一起所需的力。

现在转到图3，以不同取向示出了单电极对歧管兼容的电解池的内部部件的图像。

图4示出了在使用闭环控制(～12V和0.3A)产生6ppm臭氧的示例性测试操作77小时后掺硼金刚石涂层电极和质子交换膜的内表面的示例照片。可以看到臭氧侧上的“白色损坏”(由可能是由于膜中起泡的可见光漫射造成)。起泡可能会在膜中形成导电性较差的区域。通过将池与同一电极和膜放回在一起以测试是否会保持密封，并且运行测试18.6小时，发现池没有示出穿越。

图5是质子交换膜212在运行数百小时后的图像，其展示了随着质子交换膜在电解期间发生的持续退化下变薄，电极如何移动彼此更靠近。这种变薄由公差压缩器管理，所述公差压缩器在EO池的寿命期间维持作用在电极对上的足够夹紧力。在最大材料或最小材料条件下采用材料堆叠公差是公差压缩器的另一个重要方面。每个组件都可以实现最小法向力(在图2的y方向上)以产生可接受的EO池阻抗。夹紧力太低以致只会使用电极表面的一部分，从而降低EO池产生臭氧的能力。由最大材料条件引起的夹紧力过高可能会导致电极损坏、膜损坏或对密封件过度压缩，从而导致流体通路丢失。公差压缩器206解决了所有这些关切。材料可以对臭氧呈惰性并且可以在大压缩范围内(例如，其厚度的2％到10％，或2％到30％，或10％到50％，或2％到50％)提供足够的压缩。这种高水平的压缩和材料相容性可以通过诸如闭孔三元乙丙橡胶(EPDM)泡沫的材料实现。

图6在横截面视图602中突出了公差压缩器的位置和厚度，所述横截面视图还展示了在组装过程期间在顶板和底板减小其厚度之后公差压缩器如何向部件的内部堆叠施加力。可压缩层604(或公差压缩器206)考虑到质子交换膜212的任何变薄，使得至少电极-膜-电极堆叠606上的压缩力得以维持。即，质子交换膜212可能经历由于机械安置到掺硼金刚石涂层的表面以及由于膜材料因膜退化而损失引起的变薄。膜212也可以从干燥状态由于初始水合而膨胀。因此，公差压缩器206压缩或扩张以适应收缩或膨胀。进一步地，在最大材料或最小材料条件下采用材料堆叠公差是公差压缩器的另一个重要方面。每个组件都可以实现最小法向力以产生可接受的EO池阻抗。夹紧力太低以致可能只会使用电极表面的一部分，从而降低EO池产生臭氧的能力。由最大材料条件“MMC”(所有部件都处于其最大公差的条件下并且组件紧密)引起的夹紧力过高可能导致电极损坏、膜损坏或对密封件过度压缩，从而导致流体通路丧失。公差压缩器206解决了所有这些关切。

图7示出了配备有水性臭氧发生器的除垢器的实施例。为了维持除垢器的尺寸，可以设想流体歧管。歧管使得除垢器能够在不显著改变其占地面积或尺寸的情况下产生水性臭氧。添加了能够从消耗品中排空水的流体系统。生成加压系统(例如，17psi到25psi，典型为22psi)。所述水经由装配有UV吸收传感器的闭环控制回路经由电解转化为臭氧化水以维持臭氧浓度，并且该水被输送至超声波手持件106。

图8示出了透明壳体的视图，其展示了集成到超声波除垢器壳体中的歧管组件804。

图9提供了歧管组件的俯视透视图902和仰视透视图904。歧管组件804可以包括5个芯子模块。在一示例性实施例中，歧管兼容的电解臭氧池104可以提供与流体配件(例如，推动连接或带倒钩流体配件)分离的共面密封件(例如，设置在顶板的x-z平面中的界面密封件202，如图2所示)。电解臭氧池104可以设计用于批量生产安装。它的特点是具有简化的电极、接触机制和密封布置。界面密封件202和低轮廓设计(与传统设计相比，图2的y方向上的高度相对较短)使其紧凑并且能够直接支持现有的工业超声波除垢器系统设计和歧管集成。例如，如果是要焊接的组件，它可以是例如4mm到6mm厚，而不是12mm到25mm厚，以容纳螺纹和配件以及其他组装硬件。内嵌催化剂906(O₃去除)可以通过将臭氧气体从臭氧转化为氧气(O₂)来破坏臭氧气体，使得可以从歧管排出过量的臭氧气体。内嵌催化剂O₃去除可以设计为集成到歧管组件804中的集成体。该设计可以提供底侧通路以支持可维修性，因为用于破坏臭氧的催化剂可以是可维修的元件。UV传感器108可以利用臭氧对紫外光的吸收来量化臭氧浓度。与传统UV传感器相比，UV传感器108可以具有简化的公差堆叠、热稳定性和减小的尺寸，以支持集成到水性臭氧超声波除垢器系统100中，并且阳极和阴极通路二者可以共享其光学通路以减少支持间歇性(例如，每天)极性切换所需的流体阀数量。每隔一天阴极液侧被变换为阳极液侧并且可能需要UV传感器108来监测在歧管的阳极液侧中再循环的水。磁体浮子水平感测908可以被设计成监测气体分离器中的流体水平。气体分离器110a、110b可以在操作期间维持流体水平，因此，浮子提供稳定的水位指示器，然后可以经由霍尔效应传感器阵列跟踪该水位指示器。磁体浮子水平感测的灵敏度为实时流率监测提供了足够的保真度，为系统和用户提供了每单位时间分配的水量(例如，20ml/min)的信息。磁体浮子水平感测908可以配置成是机械独立的，以消除对光学或电容式传感器的依赖，所述光学或电容式传感器可以在其水平感测中看到晃动、液滴或气泡。与传统尺寸相比，尺寸减小的泄压阀910(PRV)可以提供稳定的系统压力低滞后调节(即15psi到30psi，更典型的是19psi到21psi，19.5psi到22.5psi范围)。因此，PRV 910的“减小”尺寸旨在支持水性臭氧超声波除垢器系统100的小占地面积。

图10提供了示例性歧管组件804的俯视透视图902，其示出了可以在已经安装、固定以及用歧管封闭电解臭氧池104之后安装用于电解臭氧池104的电连接。

图11示出了示例性歧管组件804的仰视透视图904。该图描绘了电解臭氧池104的低轮廓和配置成联接到水性臭氧超声波除垢器系统100的歧管组件804的电解池的壳体(顶板和底板)，使得它具有与歧管表面1102齐平的共面界面(在组件804的纵向/水平方向上，即，如图11所示的x-z平面)。

图12描绘了示例性歧管组件804的仰视透视图904，其示出了示例性电解臭氧池104以及该池在歧管组件804中的位置。在该图中，池的界面密封件202的细节被描绘为O形环界面。然而，可以制作单个垫片来代替四个O形环并且在电解臭氧池104和歧管表面之间提供不透气体的密封件和不透流体的密封件。

图13示出歧管组件804的横截面视图1304，其示出电解臭氧池电连接。

弹簧加载的弹簧(pogo)针1302向下延伸穿过歧管并且伸入池104中以电接合接触板(Ti接触板208)。弹簧针1302可以生成产生与接触板(例如，钛接触板)可靠电连接所需的法向力，同时还吸收尺寸公差的变化，因为它们在EO池接触板和歧管的相对侧上的弹簧(pogo)支撑结构之间的压缩期间塌缩。在说明性实施例中，弹簧针端接到印刷电路板中，所述印刷电路板直接连接或经由小型板对板电缆线束连接回主控制板。弹簧针输送驱动EO池中电解反应的电流。可以在焊接位置1306处将电线焊接到弹簧针1302，并且弹簧针1302可以在顶部触头1308和底部触头1310处与Ti接触板208接触。

图14示出了电解臭氧池104由两对电极构成的替代实施例。电解臭氧池104可以配置有一个、两个或更多个电极对。具有两对BDD电极210(各自独立控制，使得每个电极均具有接触板)和单独的电连接的优点在于，流体流过这两个电极对，使得这两个电极对通过歧管内的通道串联装设(plumbed)。可替代地，可以开发具有单个流体入口和单个流体出口的池设计，使得池提供这两对电极之间的流体互连。然而，在电气方面，它们具有独立的恒流驱动电路。这使得主控制器能够打开一对或两对。在系统已经关闭或处于长时间睡眠模式后(整夜、患者之间、或午餐时)，可以使用两对电极以便快速积聚臭氧浓度。也可以独立控制每对电极的电流，使得每对电极可以接收从无电流到150mA或从100mA到1000mA(典型地，每个池250mA)的电流范围。每对电极都可以独立运行，使得一对电极可以关闭，而另一对电极用于维持臭氧浓度(0.2ppm到22ppm，典型为6ppm)。

图15示出了电解臭氧池104的横截面区域，其示出了电极上方的气泡空隙间隙1502。围绕电极的流体路径的尺寸示出为，气泡空隙间隙1502与整个系统要求、即再循环流率(每单位时间体积)、臭氧产生率、从系统输出的输出流率以及臭氧设定值相关联。在BDD电极210和底板216之间，由Ti接触板208的厚度和内轮廓形成流体路径。该流体路径控制水在BDD电极210的面上移动的速度。流体流动太慢(例如，大间隙和低流率)可能导致气泡被截留并且降低电解臭氧池104的效率，因为清水不能到达三相边界。在该成对的电极的相对侧上形成类似的流体路径；然而，公差压缩器形成该流体路径。在可替代设计中，附加构件或外层可以包括在公差压缩器中以提供与底部壳体表面相当的装配(rig)均匀壁。维持完全对称的设计直接支持极性切换，使得电极对的任一侧都可以成为阴极或阳极。

图16描绘了具有对称流体连接和电连接的电解臭氧池104的占地面积。对称的占地面积可以消除利用歧管来定向池的需要。这可以直接支持制造组件的容易性和可维护性。因为池在电气和流体两个方面是完全对称的，所以可能没有初始取向要求。如图所示，流入池的流动路径和流出池的离开路径在几何形状上可能没有变化，并且每对电极的电极性可能旨在定期(例如，每天)反转以提高池的可靠性并且每隔一天冲洗阴极液。完全对称的池设计可以消除对机械键控特征的需要以及消除通过沿着错误的取向固定池而损坏共面界面的可能性。假设图16的池具有两个侧：A侧和B侧，占地面积可以被配置成具有A侧电触头1602、A侧出口1604、B侧出口1606、B侧电触头1608、B侧入口1610和A侧入口1612。

图17示出了具有示例性尺寸的电极1702，所述电极具有提供直接电接触的接片1704，该图描绘了可以消除对单独接触板的需要的配置。因此，接触板已经集成到电极中。电极可以由钛片材制成，其轮廓可以冲压、激光切割或蚀刻而成。或者可以通过金属注射成型或粉末金属烧结形成电极。然后可以使用气相沉积在该钛基材上涂覆掺硼金刚石。涂层是导电的，并且可以覆盖整个基材或者可替代地可以在涂覆之前掩蔽接片以提供用于电连接的钛表面。这种带接片的电极消除了对接触板的需要并且减少了零件数量而且简化了组装步骤。

已经描述了该设备，现在将参考图18，其示出了根据本文的说明性实施例中的至少一些可以采用的计算机系统1800的框图。尽管本文可能就该示例性计算机系统1800描述各种实施例，但是在阅读了该描述之后，对相关领域的技术人员而言如何使用其他计算机系统和/或架构来实施可能变得明显。

在本文的一个示例性实施例中，其中设置有电解臭氧池104的水性臭氧超声波除垢器系统100的至少一些部件可以形成图18的计算机系统1800或被包括在该计算机系统中。计算机系统1800包括至少一个计算机处理器1806。计算机处理器1806可以包括例如中央处理单元(CPU)、多处理单元、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)或类似物。计算机处理器1806可以连接到通信基础设施1802(例如，通信总线、穿越条(cross-over bar)装置、网络)。在本文的说明性实施例中，计算机处理器1806包括控制电解臭氧池106和臭氧形成过程的定时的CPU。

显示接口1808(或其他接口)从通信基础设施1802(或从帧缓冲器(未示出))转发文本、视频图形和其他数据，以在显示单元1814上显示。例如，显示接口1808可以包括带有图形处理单元的视频卡，或者可以为操作员提供用于控制设备的界面。

计算机系统1800还可以包括输入单元1810，该输入单元可以与显示单元1814一起由计算机系统1800的操作员使用以向计算机处理器1806发送信息，例如控制电解臭氧池104的运行的信息。输入单元1810可以包括例如触摸屏监视器。在一个示例中，显示单元1814、输入单元1810和计算机处理器1806可以共同形成用户界面。

向超声波除垢器手持件提供臭氧化水的一个或多个步骤可以以计算机可读程序指令的形式存储在非暂时性存储装置上。为了执行程序，计算机处理器1806将存储在存储装置上的适当指令加载到存储器中，然后执行所加载的指令。

计算机系统1800还可以包括主存储器1804，该主存储器可以是随机存取存储器(“RAM”)，并且所述计算机系统还可以包括辅助存储器1818。辅助存储器1818可以包括例如硬盘驱动器1820和/或可移除存储驱动器1822(例如，软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、闪存驱动器或类似物)。可移除存储驱动器1822以众所周知的方式从可移除存储单元1826读取和/或写入到该可移除存储单元。可移除存储单元1826可以是例如软盘、磁带、光盘、闪存装置或类似物，它们可以由可移除存储驱动器1822写入和读取。可移除存储单元1826可以包括存储计算机可执行软件指令和/或数据的非暂时性计算机可读存储介质。

在进一步的说明性实施例中，辅助存储器1818可以包括其他计算机可读介质，所述其他计算机可读介质存储要加载到计算机系统1800中的计算机可执行程序或其他指令。此类装置可以包括可移除存储单元1828和接口1824(例如，程序盒和盒接口)；可移除存储器芯片(例如，可擦除可编程只读存储器(“EPROM”)或可编程只读存储器(“PROM”))和相关联的存储器插槽；以及其他可移除存储单元1828和接口1824，所述接口允许软件和数据从可移除存储单元1828传送到计算机系统1800的其他部分。

计算机系统1800还可以包括使得软件和数据能够在计算机系统1800和外部装置之间传送的通信接口1812。这种接口可以包括调制解调器、网络接口(例如，以太网卡或IEEE 802.11无线LAN接口)、通信端口(例如，通用串行总线(“USB”)端口或

端口)、个人计算机存储卡国际协会(“PCMCIA”)接口、/>

和类似物。经由通信接口1812传送的软件和数据可以是信号的形式，所述信号可以是电子的、电磁的、光学的、或可以由通信接口1812能够传输和/或接收的另一类型的信号。可以经由通信路径1816(例如，信道)将信号提供给通信接口1812。通信路径1816承载信号并且可以使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝链路、射频(“RF”)链路或类似物来实施。通信接口1812可以用于在计算机系统1800和远程服务器或基于云的存储器(未示出)之间传送软件或数据或其他信息。

一个或多个计算机程序或计算机控制逻辑可以存储在主存储器1804和/或辅助存储器1818中。计算机程序也可以经由通信接口1812接收。计算机程序包括计算机可执行指令，当由计算机处理器1806执行时，所述计算机可执行指令使计算机系统1800执行如下所述的方法。因此，计算机程序可以控制计算机系统1800和水性臭氧超声波除垢器系统100的其他部件。

在另一个实施例中，软件可以存储在非暂时性计算机可读存储介质中并且使用可移除存储驱动器1822、硬盘驱动器1820和/或通信接口1812加载到主存储器1804和/或辅助存储器1818中。当由计算机处理器1806执行时，控制逻辑(软件)使计算机系统1800、更一般地使设备执行本文描述的一些或所有方法。

最后，在另一示例性实施例中，诸如ASIC、FPGA和类似物的硬件部件可以用于执行本文描述的功能。鉴于本说明书，实施此类硬件布置以执行本文描述的功能对于相关领域的技术人员而言将是明显的。

Claims (25)

1.一种电解臭氧池，包括：

壳体，所述壳体包括：

界面密封件；

顶板；和

底板；以及

内部隔室，所述内部隔室至少包括：

成对的接触板；

公差压缩器，所述公差压缩器压缩电极-膜-电极堆叠，所述电极-膜-电极堆叠包括成对的电极和至少一个质子交换膜，

其中，所述电极-膜-电极堆叠设置在所述成对的接触板之间，并且所述公差压缩器被配置成响应于所述质子交换膜变薄而改变所述公差压缩器的尺寸，以便维持作用在至少所述电极-膜-电极堆叠上的压缩力。

2.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述电解臭氧池的壳体被配置成联接到水性臭氧超声波除垢器系统的歧管组件，使得所述壳体具有与歧管表面齐平的共面界面。

3.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述成对的接触板是钛(Ti)接触板。

4.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述成对的电极是掺硼金刚石(BDD)电极。

5.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述成对的电极中的电极是带有掺硼金刚石涂层的穿孔硅板。

6.根据权利要求5所述的电解臭氧池，其中，所述掺硼金刚石涂层的厚度在100nm到15μm之间。

7.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述成对的电极和所述质子交换膜形成电极-膜-电极堆叠，并且所述公差压缩器为所述电极-膜-电极堆叠提供在所述公差压缩器的厚度的2％到50％之间的范围内的压缩。

8.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述公差压缩器对臭氧是惰性的。

9.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述公差压缩器由闭孔三元乙丙橡胶(EPDM)泡沫材料制成。

10.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，水流路径基于所述成对的接触板中的接触板的厚度和内轮廓。

11.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述电解臭氧池包括多于一对的成对的电极。

12.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，弹簧加载的电触头穿过所述顶板进入所述成对的接触板中的接触板的电接触区域，使得该接触板向所述成对的电极中的电极提供电流。

13.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，接触板和电极集成在一起以形成电极单元，所述电极单元为弹簧加载的电触头提供直接电接触。

14.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述电解臭氧池被配置成控制沿着由电极-水-膜相交形成的三相边界(TPB)流过气泡形成区域的水的速度。

15.根据权利要求12所述的电解臭氧池，其中，所述电解臭氧池还包括内底部垫片，其中所述内底部垫片和所述公差压缩器封闭所述成对的接触板的一个或多个表面，以在所述成对的接触板的接片上建立一个或多个干电接触区域。

16.根据权利要求1所述的电解臭氧池，其中，所述电极-膜-电极堆叠包括在同一电解臭氧池中的一对或多对电极。

17.根据权利要求17所述的电解臭氧池，其中，所述一对或多对电极被各自独立地控制。

18.一种设备，包括：

用于将水输送到电解臭氧池的供水装置；

气体分离器，所述气体分离器设置在还包含所述电解臭氧池的流体通路的再循环回路中；和

所述电解臭氧池；

其中，所述电解臭氧池进一步包括：

壳体，所述壳体包括：

界面密封件；

顶板；和

底板；以及

内部隔室，所述内部隔室至少包括：

成对的接触板；

公差压缩器，所述公差压缩器压缩电极-膜-电极堆叠，所述电极-膜-电极堆叠包括成对的电极和至少一个质子交换膜，

其中，所述电极-膜-电极堆叠设置在所述成对的接触板之间，并且所述公差压缩器被配置成响应于所述质子交换膜变薄而改变所述公差压缩器的尺寸，以便维持作用在至少所述电极-膜-电极堆叠上的压缩力。

19.根据权利要求19所述的设备，其中，所述成对的接触板是钛(Ti)接触板。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述成对的电极是掺硼金刚石(BDD)电极。

21.根据权利要求19所述的设备，其中，所述电极-膜-电极堆叠包括在同一电解臭氧池中的一对或多对电极。

22.根据权利要求22所述的设备，其中所述一对或多对电极被各自独立地控制。

23.一种计算机系统，包括：

处理器，所述处理器被配置成控制电解臭氧池的操作；和

所述电解臭氧池；

其中，所述电解臭氧池进一步包括：

壳体，所述壳体包括：

界面密封件；

顶板；和

底板；以及

内部隔室，所述内部隔室至少包括：

成对的接触板；

公差压缩器，所述公差压缩器压缩电极-膜-电极堆叠，所述电极-膜-电极堆叠包括成对的电极和至少一个质子交换膜，

其中，所述电极-膜-电极堆叠设置在所述成对的接触板之间，并且所述公差压缩器被配置成响应于所述质子交换膜变薄而改变所述公差压缩器的尺寸，以便维持作用在至少所述电极-膜-电极堆叠上的压缩力。

24.根据权利要求24所述的计算机系统，其中，所述成对的接触板是钛(Ti)接触板。

25.根据权利要求24所述的计算机系统，其中，所述成对的电极是掺硼金刚石(BDD)电极。

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