CN1502567A - 结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，特别是指一种包含过滤装置和能产生臭氧且具有水银紫外线灯管的杀菌装置的水处理系统，包括臭氧吸入装置和监控装置；臭氧吸入装置包含主水管、文特利管和止回阀，其中主水管具有一进水口和一出水口；臭氧吸入装置是用来将来自过滤装置的经过滤后的水流，经主水管的进水口而流入文特利管使产生低压以将来自杀菌装置中的臭氧输气管的臭氧流经由止回阀后被吸入，但阻止水逆向由主水管经臭氧输气管流出；而流经主水管内的水经吸入臭氧后由出水口流出而藉水压的推挤与冲击使水和臭氧充分均匀混合而注入杀菌装置，而监控装置包含一特殊设计用来测量流速和总流量以计算滤材寿命的流量计和用来产生输出信号以监控水银紫外线灯管的开关的压力传感器。

Description

结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统

技术领域

本发明是有关于一种水处理系统，特别是指一种结合杀菌气体注入元件与流量计且具有监控功能以精确监控滤材和水银紫外线灯管的使用寿命的水处理系统。

背景技术

水是人类生活中不可缺少的最基本物质，而饮用水更是影响人类饮食健康最重要的东西。随着工商业的蓬勃且快速发展，环境污染所引起的水资源污染也日益严重。做为现代化主要民生饮用水来源的自来水虽然有自来水厂的过滤与消毒，但仍然无法满足人们对洁净饮用水的需求。为获得洁净及不危害人体健康的饮用水，诸如购买饮用矿泉水、或自行购买饮用水处理装置以将自来水做二度的处理皆为因应的对策。购买饮用水处理装置除了要达到获得洁净的饮用水的目的以外，水处理的品质、水处理装置的使用寿命、使用上和保养上的方便、以及使用成本等等皆为使用者考虑的重要因素。

在洁净水的处理方面，我们所需要的做是过滤杂质及消灭微生物。常见的水处理装置内以提供臭氧或/和具有离子化辐射性的紫外线(水银紫外线灯管)最为普遍。这两种用剂用来消毒或洁净水以适合人类的饮用，以及用来洁净各种工业制程的排放水。此外，也用于洗衣机、游泳池的循环用水、和热浴盆中。传统上普遍使用的水处理装置中，基本上是利用水银紫外线灯管使其曝露于受污染水中，或使空气流曝露于水银紫外线灯管的辐射中而使空气中的氧气产生臭氧，再使这些臭氧化的空气与欲加以洁净的受污染水进行混合。

臭氧的产生方式主要有高压放电与水银紫外线灯管照射两种方式。在紫外灯管照射产生方面，一般水银紫外线灯管所产生的紫外线均含有254奈米和185奈米两种波长。波长在185奈米附近的紫外线是产生臭氧的主要波段，可以利用这种原理来产生臭氧以用来在水中杀菌。

至于在臭氧的使用方面，由于臭氧的活性本质，以及用于这些用途的需求量，为使臭氧与受污染水结合在一起，有必要使臭氧产生在反应室内或其附近。为此，如何提供一种较为简单、便宜、且密实的装置来产生较大量的臭氧就成为我们追求的目标。

在水处理装置的成本方面，我们主要考虑的是需定期换新以保持净水品质的过滤器中诸如活性碳及以聚丙烯制成的「除污滤材」等滤材，以及汰换强度已衰减的水银紫外线灯管等消耗品。

在水处理装置的保养和方便使用方面，传统的水处理装置中滤材的使用寿命是供货商、或维护人员、或使用者，根据不定期的观察或以过去使用经验的定期汰旧换新来决定。至于水银紫外线灯管，因在传统的水处理装置中，例如饮水机等水处理装置，不论有没有人在使用饮用水，其水银紫外线灯管均每天24小时接通，因此，其使用寿命当然相当有限。为此，如果能在水处理装置中安装一种流量计来测量流速和使用的总水量，则能以此数据来做较科学的预测滤材的使用寿命。又，水银紫外线灯管如能在有人使用饮用水时才接通而不使用时关闭，其使用寿命就会大大的增加。此外，目前市面上常见的水处理装置皆以预先设定的使用总时数来决定使用寿命以更换新的滤材，由于达到使用总时数的时间点可能是碰到三更半夜或其它不希望吵杂声音的时候，故目前没有看到有加装蜂鸣器以警示音响来提醒更换新的滤材之水处理装置。

在水处理方面，相关的专利如美国5,474,748，Szabo、美国5,625,915，Radler、美国6,132,629，Boley等专利中所提的利用文特利管(Ventri tube)来做为臭氧吸入装置。图6为常见的美国5,474,748，Szabo等人的专利一「水的清除污染装置」中的杀菌系统示意图的一部分，其中显示流量计与臭氧混合器分开使用，同时标示出流量计的位置与需求。图7为常见的美国5,625,915，Radler等人的专利一「洗衣机的臭氧注入系统」中的主要组件方块图的一部分，其中也显示流量计与臭氧注入器分开使用，且也同时标示出流量计的位置与需求。此两相关的专利其最大的缺点在于无法将两者结合，造成使用者需花费更多的装置空间与费用去达到相同的目的与功能，且设备的整体设计更为复杂。再则，虽然很多水处理方面的设备并未加装流量计，然而其原因并不是因为没有相关需求，而是受限于流量计的费用过高以及诸如总量与滤材残余寿命显示等所显示功能无法直接应用于水处理装置。

图5为常见的压力差式流量计A与本发明的压力差式流量计B的结构比较示意图。如图5的A部分所示，传统的压力差式流量计主要是取文特利管316的压力最小的缩管处503与入口304或出口306的压力差，此一设计有以下缺点：

1.若需取文特利管的缩管处503做为气体或液体的注入口时，此一设计即无法类似本发明的将流量计和臭氧吸入装置两者结合为一装置；

2.出水口306的背压太大或流速太小，会造成缩管处503的吸气效应失效，影响压差的量测；

3.为使流量计具有足够的测量范围以达到一定的流量计精确度，缩管处503的管径需尽量减小，这会使得水处理装置的出水量减少。为此，如何改善传统的压力差式流量计的这些缺点，也就成为我们努力追求改进的另一目标。

有鉴于常见的水处理系统有上述的缺点，发明人针对这些缺点进行了研究和改进。

发明内容

本发明旨在提供一种结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，针对上述水处理装置的缺点，本发明摒弃传统上，如图5的A部分所示，以测量文特利管中主水管302和缩管处503的压力差的流量计，而如图5的B部分所示，特殊设计一测量文特利管两端主水管302处的渐缩部分501、502的压力差的流量计。并如图4所示，利用文特利管的缩管处503来当做液体或气体的注入装置，同时并以此特殊设计的流量计402量得的压力差换算成流速及总流量以简化水流的测量和液体或气体的注入设计。经由本发明的水处理装置，使用者将可减少需分开使用文特利管与流量计的空间浪费，同时可降低使用成本。再则，对于同样使用压力差原理测量流量与利用文特利管吸入臭氧的装置，本发明可避免使系统需使用两次文特利管而有两次缩管，进而造成出水量减少的困扰。

针对以上常见的技术不完善之处，本发明的目的之一在提供一新式的测量文特利管两端的压力差的流量计。

本发明的另一目的在提供一结合臭氧吸入装置与具有上述新式的流量计的监控装置的水处理系统。

本发明的又一目的在提供于使用在以上所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统中可分开来独立使用的各种装置，包括一流量计、流速计、与经由流速计而衍生的水银紫外线灯管开关监控系统。

本发明的再一目的在提供一于该监控装置中的该压力传感器，其材料为一硅芯片，其一面直接与该主水管的水接触，而另一面则是与一导线连接后覆上一层硅胶膜而后使该层硅胶膜直接与流体接触。

本发明的又再一目的在于提供一种监控装置中用来测量流速和总流量以计算滤材寿命的流量计，并据以装设蜂鸣器，以声音来警示使用者更换滤材，可克服常见的以使用时数来计算滤材寿命而无法装设蜂鸣器的缺点。

为达到上述目的，本发明提供一种包含一过滤装置和一能产生臭氧且具有水银紫外线灯管的杀菌装置的水处理系统，包括一臭氧吸入装置和一监控装置；该臭氧吸入装置包含一主水管、一文特利管和一止回阀，其中该主水管具有一进水口和一出水口；该臭氧吸入装置是用来将来自该过滤装置的经过滤后的水流经该主水管的该进水口而流入文特利管使产生低压以将来自该杀菌装置中的一臭氧输气管的臭氧流经由该止回阀吸入，但阻止水逆向由该主水管经该臭氧输气管流出；而流经该主水管内的水经吸入臭氧后由该出水口流出而藉水压的推挤与冲击使水和臭氧充分均匀混合而注入该杀菌装置；而该监控装置包含一特殊设计用来测量流速和总流量以计算滤材寿命的流量计和一用来产生输出信号以监控该水银紫外线灯管的开关的压力传感器。

至于本发明的详细构造、应用原理、作用与功效，则参照下列根据附图所作的说明即可得到完全的了解。

附图说明

图1是本发明的水处理系统的整体结构示意图。

图2为本发明水处理系统中的臭氧吸入装置和监控装置的分解图。

图3为本发明水处理系统中的臭氧吸入装置和监控装置的部分剖面分解图。

图4为本发明的监控装置中，在流量计内将压力传感器设置于文特利管中的示意图。

图5为常见的压力差式流量计A与本发明的压力差式流量计B的结构比较示意图。

图6为常见的美国5,474,748，Szabo等人的专利--「水的清除污染装置」中的杀菌系统示意图的一部分。

图7为常见的美国5,625,915，Radler等人的专利--「洗衣机的臭氧注入系统」中的主要组件方块图的一部分。

具体实施方式

如图1所示，本发明的水处理系统，主要包含一过滤装置100、一杀菌装置200、一臭氧吸入装置300、和一监控装置400。

过滤装置100具有一过滤筒102、一进水口104、一出水口106、和一滤材108。欲加以处理的水以具有一定压力的水压，由进水口102注入过滤筒102中，依箭头110指示的方向经由滤材108的过滤以除去水中的杂质后，将欲处理的水由出水口106排出。滤材108的材质为活性碳与聚丙烯。

杀菌装置200具有一杀菌筒202、一进水口204、一出水口206、一透明的石英管208、一水银紫外线灯管210、和一臭氧输气管216。含有臭氧的水(容后叙述)由进水口204流入杀菌筒202的透明石英管208和杀菌筒202间的容置空间212内且藉水压所引起的冲击使该含有臭氧之水在石英管208和杀菌筒202间的容置空间212内呈向上螺旋状水流214而环绕石英管208的外围，使经杀菌后流入容置空间212的含有臭氧之水，因环绕于透明的石英管208四周而曝露于水银紫外线灯管210的照射之下，可进一步杀菌并降低混合在水中会妨害人体健康的过多的臭氧含量，并由出水口206流出供饮用。此外，充满于水银紫外线灯管210和石英管208间的容置空间218内的空气经水银紫外线灯管210的照射所产生的臭氧则经臭氧输气管216而排出，使杀菌装置200实质上又成为一臭氧产生装置。

图2为本发明水处理系统中的臭氧吸入装置和监控装置的分解图，而图3为本发明水处理系统中的臭氧吸入装置和监控装置的部分剖面分解图。如图1、图2、图3所示，臭氧吸入装置300，包含一具有一进水口304和一出水口306的主水管302、一文特利管316和一止回阀308，用来将来自该过滤装置100的经过滤后的水流经该主水管302的该进水口304而流入文特利管316。止回阀308的入口端即是臭氧之吸入口314，此止回阀308的设计包含一外罩310与一片薄硅胶片312。止回阀308为一控制单一流向的装置，只允许来自臭氧输气管216的臭氧气体被通过，但能阻止水逆向由该主水管302通过止回阀308而流至该臭氧输气管216。文特利管316主要是一缩管的装置，根据柏努利原理(Bernoulli’s principle)当液体或气体从其中一端进入时由于管径变小以致于压力变为最大，而在缩管处503则是流速加大而压力变小，当流体由缩管处503再度回复至较大管径的主水管302时，压力恢复，但是仍小于入口端压力。这使得来自该杀菌装置200而输送经该臭氧输气管216的臭氧通过该止回阀308，再经由文特利管316而吸入于该臭氧吸入装置300中。而流经该主水管302内的水经吸入臭氧后由该出水口306流出而注入该杀菌装置200中。由主水管302的出水口306流出而注入该杀菌装置200的途中，由于水压的挤压和冲击，使水和臭氧充分均匀混合。

再参看图2，监控装置400包含一顶盖412、一用来测量流速和总流量而据以计算使用于过滤装置100中的滤材108的使用寿命的流量计402(见图1)、和一用来将产生的输出信号406传达至一电子板408以产生一水银紫外线灯管控制信号410来监控该水银紫外线灯管210的一开关(图中未显示)的压力传感器404。

压力传感器404主要包含一硅芯片，其两面感测文特利管进、出口两端的压力差，经由压力差与流体流速的关系，将压力差转换为流速。再参看表示本发明的限流装置部分的图3，水流向压力传感器404的路线424、压力传感器404两端的进水口420、422以及气体(臭氧)吸入口314。图中由于水由主水管302流入后遇到缩管而产生阻力，造成一逆向背压P1于压力传感器的一侧。流出的水则于压力传感器404的另一端造成一较小的压力P2。当水流尚未进入文特利管316中时，P1＝P2，且两者压力皆接近大气压。当水流开始流入文特利管316时，P1＞P2，且流速越快，P1越大，P2值则几乎不变，因此(P1-P2)之值越来越大。当流水从流出口被阻断时，此时文特利管内的压力瞬间上升，达到最大，平衡后，P1＝P2，虽然P1，P2值皆处于最大，但是两者的值相等，因此P1-P2＝0而没有压力差输出。换句话说，本发明可被应用于水处理装置的前端断水或是后端断水，其结果是一样的。此外，感测压力差的结果的另一优点是，当此装置与其它地方共享水源时，其压力差仍不受影响而可避免误动作的发生。

图4为本发明的监控装置400中，在流量计402内将压力传感器404设置于文特利管316中的示意图。如图4所示，本发明的流量计400为一种压力差式流量计，其如图4或图5的B部分所示的特殊设计亦为本发明的另一特点。

再如图3所示，为了有效节省空间，本发明是将压力传感器404直接埋入主水管302中，将入水口420的水流引导到压力传感器404的一端414，而另一端416则是水流由另一入水口422直接向上压。传感器输出信号406(见图1)透过与植入文特利管中的针脚(pin)(图中未显示)结合而输出。本发明的流量计402可能为目前市面上最小的数字流量计设计。其体积约为15×15×25mm。本发明的压力感测装置可以是一颗压力传感器直接以压力差方式两面感测压力，或是使用两颗压力传感器分别感测文特利管两端压力差。经由感测压力差瞬间换算流速，总流量与残余滤材寿命，而由液晶显示(LCD)418(见图1)输出。再如图1所示，水再经杀菌装置200进水口204流入后，经过水银紫外线灯管210的紫外线照射杀菌而由另一出水口206流出。水银紫外线灯管210的开关(图中未显示)由流速监控，设定当流速高于某一设定值时灯管即开启。经实验证明，透过特殊设计的快速灯管启动器，灯管开启后的三秒内即可达约80％以上的功率，约10,000μW/cm²以上。本发明的另一实用上的优点是，当流速到达预先设定的流速值的上限时，系统被告知水处理装置开始使用，而当碰到达到以总水量设定的滤材寿命值时即给予警示声音，而做到告知使用者更换滤材时机的功能。而在不使用时，因藉预先设定的流速值的下限之到达而断电而使蜂鸣器没通电，可避免蜂鸣器的警示声音于不必要的时间响起，造成使用者困扰。

本发明的材料并无特别的要求，只要符合使用环境的要求即可。若是做为臭氧与水的混合装置，建议采用PVDF为主体材料，而硅胶片则可做为逆向阀内的监控片。压力传感器的材料为一硅芯片(silicon die)，该硅芯片的一面直接与管内流体接触，另一面则是与导线连接后(wire bonding)覆上一层硅胶膜(silicon gel)，而后使硅胶膜直接与流体接触。

对于本发明所强调的应用之一，水处理系统方面，经由本发明可达到臭氧注入杀菌的目的。或经由水银紫外线灯管所产生的紫外线与臭氧结合，达到双重杀菌的目的。同时在臭氧注入的文特利管两端利用压力差监测水流速与总处理水量，做为监控净水滤材(如活性碳、聚丙烯等除污滤材)寿命的重要依据，改进后的优点包括1.节省空间2.降低成本3.出水量不会大受改变4.可以用总处理水量来判断滤材寿命，较以时间判断滤材寿命更准确5.可依流速大小判断滤材是否被堵住，特别是陶瓷滤材，可以此做为判断寿命到达的依据。测量流速的同时并可与预设的最低水流出速度做比较，当流速超过预设值时，即可确知使用者正在使用此一水处理设备，扮演类似作动开关的功能。具有此一开关后，本设备可于使用者使用的同时立即启动水银紫外线灯管杀菌，而无需每天24小时使水银紫外线灯管保持在接通的状态。其改进后所具有的优点包括1.省电；2.延长水银紫外线灯管寿命；3.避免灯管周围过热而降低臭氧产生量；4.避免出水水温变热，造成使用者的不便。

此外，本发明的另一实用上的优点是，系统是以流速和总流量来设定滤材的寿命，并以蜂鸣器给予警示声音(alarm)以告知使用者更换新的滤材。透过流速的信号，在不使用时即断电，故虽然以总流量所设定滤材的寿命已到，蜂鸣器也不会响起。而透过流速的信号在使用时才会通电，并且以总流量所设定滤材的寿命又已到时，蜂鸣器才会响起。如此，可避免蜂鸣器的警示的声音在不必要的时间响起，造成使用者的困扰。

但以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明的申请范围所作的均等变化与修饰，均为本发明的专利范围所含盖。

Claims (12)

1、一种结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，包含一过滤装置和一能产生臭氧且具有水银紫外线灯管的杀菌装置；其特征在于：所述的水处理系统主要包括：

一臭氧吸入装置，包含一具有一进水口和一出水口的主水管、一文特利管和一止回阀，用来将来自过滤装置的经过滤后的水流，经主水管的进水口而流入文特利管使产生低压以将来自杀菌装置的臭氧流经由止回阀吸入，但阻止水由主水管逆向经臭氧输气管流出；而流经主水管内的水经吸入臭氧后由出水口流出使水和臭氧充分均匀混合后注入该杀菌装置；以及

监控装置，包含一用来测量流速和总流量以计算滤材寿命的流量计和一用来产生输出信号以监控杀菌装置内的水银紫外线灯管的开关的压力传感器。

2、如权利要求1所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的监控装置中的流量计的设计系采用位于主水管的进水口和出水口附近处且远离文特利管的压力差，而非传统的采用位于主水管一端和文特利管处的压力差，这使得流量计可兼用做臭氧注入组件。

3、如权利要求1所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的监控装置中的压力传感器可用来产生输出信号以监控水银紫外线灯管的开关使得不饮用水处理装置处理所处理的水时可以关掉水银紫外线灯管以节约电力并延长水银紫外线灯管的使用寿命。

4、如权利要求2所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的流量计可不兼用做臭氧注入组件而单独使用。

5、如权利要求1所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的监控装置中的该压力传感器的材料为一硅芯片，其一面直接与主水管的水接触，而另一面则是与一导线连接后覆上一层硅胶膜而后使该层硅胶膜直接与流体接触。

6、如权利要求1所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的水处理系统可安装一蜂鸣器，以藉监控装置中设定流量计的总流水量到达一预定的滤材寿命值时响起警示声音，来告知使用者更换滤材。

7、一种结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，包括一过滤装置、一杀菌装置、一臭氧吸入装置、一监控装置；其特征在于：

所述的过滤装置，用来将欲处理的水加以过滤而排出；

所述的杀菌装置，包含一水银紫外线灯管、一透明的石英管、一臭氧输气管、一不透明的螺旋输水管、和一杀菌筒，其中水银紫外线灯管将石英管内所含有的空气加以照射使产生臭氧并经由臭氧输气管排出，而不透明的螺旋输水管则将输入的包含臭氧的水加以充分均匀混合并流经杀菌筒以内的储存空间再由水银紫外线灯管透过透明的石英管加以照射以进一步杀菌并减低混合在水中的臭氧含量以流出供饮用；

所述的臭氧吸入装置，包含一具有一进水口和一出水口之主水管、一文特利管和一止回阀，用来将来自过滤装置的经过滤后的水流经主水管的进水口而流入文特利管使产生低压以将来自杀菌装置中的臭氧输气管的臭氧流经由止回阀吸入但阻止水逆向由主水管经臭氧输气管流出；而流经主水管内的水经吸入臭氧后由出水口流出使水和臭氧充分均匀混合后注入该杀菌装置；

所述的监控装置，包含一用来量测流速和总流量以计算滤材寿命之流量计和一用来产生输出信号以监控水银紫外线灯管的开关的压力传感器。

8、如权利要求7所述的结合臭氧吸入装置与监控装置之水处理系统，其特征在于：所述的监控装置中流量计的设计系采用位于主水管的进水口和出水口附近处且远离文特利管的压力差，而非传统的采用位于主水管一端和文特利管处的压力差，这使得流量计可兼用做臭氧注入元件。

9、如权利要求7所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的监控装置中的压力传感器可用来产生输出信号以监控水银紫外线灯管的开关使得不饮用水处理装置处理所处理的水时可以关掉水银紫外线灯管以节约电力并延长水银紫外线灯管的使用寿命。

10、如权利要求8所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的流量计可不兼用做臭氧注入组件而单独使用。

11、如权利要求7所述的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的监控装置中的压力传感器的材料为一硅芯片，其一面直接与主水管的水接触，而另一面则是与一导线连接后覆上一层硅胶膜而后使层硅胶膜直接与流体接触。

12、如权利要求7所述的的结合臭氧吸入装置与监控装置的水处理系统，其特征在于：所述的水处理系统可安装一蜂鸣器，以藉监控装置中设定流量计的总流水量到达一预定的滤材寿命值时响起警示声音，告知使用者更换滤材。

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