JP2008518232A - イオン交換式硬水軟化装置用の伝導度センサ - Google Patents

Abstract

水処理システムは、タンク内を流れる水からミネラルを除去するための粒子層を収容したタンクを備える。粒子層の再生は、その伝導度の測定に応じて実行される。その測定のために、プローブが設けられる。プローブは、タンクの壁を貫通し該タンク壁と係合する管状部を備えたスリーブを有する。プローブ本体は、スリーブの開口内に取外し可能に装着され、タンク内部に突出した１対の電極を備える。リテーナが、プローブ本体をスリーブ内に固定する。タンクを製造するのに用いた特定の材料に応じて、スリーブをタンクに固定するための異なる機構が設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水の軟化装置に関し、具体的には硬水軟化装置内の樹脂の再生を制御するシステムに関する。

井戸から汲み出した水については、水が地中の鉱床から浸出した２価及び時には３価の陽イオンを含む点で「硬質」と考えられるのが一般的である。かかるイオンは、通常の洗剤及び石鹸で不溶性塩類を形成して沈殿を生じ、そのため洗浄に必要な洗剤又は石鹸の量が増す。ボイラで硬水を用いると、蒸発によって不溶性残留物の沈殿を生じるが、かかる沈殿はスケールとして堆積する傾向がある。

硬水が供給されるビルディングの配管系に硬水軟化装置を設けるのが一般的である。最も一般的な種類の硬水軟化装置は、硬水を流して不都合なミネラルその他の不純物を除去する樹脂層を保持したタンクを有するイオン交換装置である。樹脂層の結合部位は最初は陽イオン（通常は１価ナトリウム又はカリウム陽イオン）を含む。硬水が樹脂に流入すると、結合部位での競争が起こる。硬水中の２価及び３価陽イオンは、その高い電荷密度のため優勢であり、１価陽イオンと置換する。１個の２価又は３価陽イオンによってそれぞれ２又は３個の１価陽イオンが置換される。

ミネラル及び不純物を吸着する樹脂層の吸着容量には限りがあり、最終的には部位の大部分が２価及び３価陽イオンで占められると水の軟化が止まる。これが起こると、再生剤（通常は塩化ナトリウム又は塩化カリウム溶液）で樹脂層を洗浄することによって、樹脂層を回復又は再生する必要が生じる。再生剤の１価陽イオンの濃度は、不利な静電競争を打ち消すのに十分なほど高く、結合部位は１価陽イオンで再生される。再生から次の再生までの期間は、その間に軟水化処理が行われ、「サービス周期」と呼ばれる。

初期のタイプの硬水軟化装置の再生は、樹脂層の処理能力を超えて樹脂層を流れる水が「軟質」でなくなったと分かった後で手動で行われていた。手動再生の必要性をなくすためため、硬水軟化装置の制御システムに、硬水軟化装置の再生を定期的に開始する機械クロックが設けられた。その再生頻度は、樹脂層の既知の吸着容量及び軟水の１日の予想使用量に基づいて設定されていた。機械クロック式硬水軟化装置の制御装置は、樹脂層の手動再生の必要性は解消したが、かかる制御装置では再生を一定間隔で行うため、水の使用量によってはその頻度に過不足を生じるという短所がある。水処理に十分な吸着容量が残っているのに硬水軟化装置の樹脂層を再生するのは、再生に用いる再生剤及び水の浪費となる。逆に、樹脂層の吸着容量が硬水の処理に必要なレベル未満に低下した後まで硬水軟化装置を再生しなかったときは、硬水軟化装置から硬水が流れ出る結果を生じかねない。

硬水軟化装置の再生の頻度の調整を改善すべく、樹脂層の水を軟化する残存吸着容量を判定するデマンド型の硬水軟化装置制御装置が開発されている。かかる改良型の制御システムの一つが米国特許第４４２６２９４号に開示されており、前回の再生以降に処理した水のボリュームを流量計で測定し、規定のボリュームの水が硬水軟化装置を通過したときに樹脂層を再生する。このタイプのシステムは、多くの施設に適しているが、公共システムでは、硬度の異なる水を含む幾つかの井戸から交互に水を汲み出すことがある。この場合、樹脂層の消耗は、前回の再生以後に処理した水のボリュームの一次関数ではない。

樹脂層の消耗を直接検出する他のタイプの制御システムが開発されている。例えば、米国特許第５２３４６０１号は、離隔した２箇所で電極を使用して樹脂層の電気伝導度を測定する。伝導度測定値の比率を、前回の樹脂層再生以後に発生した最小及び最大比率値と併せて、樹脂層の消耗の確率の判定に用いて、再生を開始させる。

この伝導度式システムでは、複数の配線が制御装置から樹脂タンクの上端部の開口を貫通しており、この開口を通して水もタンクに流入しかつタンクから流出する。従って、ワイヤ及びその検知電極への接続部は、水及び再生中に用いる塩水溶液に暴露されていた。この曝露により、ワイヤ及び電極接続部に対してしばしば有害な影響が生じていた。
米国特許第４４２６２９４号明細書 米国特許第５２３４６０１号明細書

本発明者は、樹脂タンクの側壁を通して電極を配設することによってこの問題を解決することを提案したが、この方策はタンクの側壁が湾曲しているため複雑であった。加えて、幾つかの樹脂タンクは、ガラス繊維の外側シェル内にポリエチレンライナを有しているが、かかるライナは外側シェルに接着していないため、電極とタンクとの間の水密結合が非常に困難となっていた。

そこで、樹脂タンクの側壁を貫通して水密状態で伝導度検知電極を挿入するための水密アセンブリを提供できれば望ましい。

水処理システムは、タンク内を流れる水からミネラルを除去する粒子層を収容したタンクを備える。プローブは、樹脂層の伝導度を測定して、粒子層が再生を必要とする時点を決定するのに用いる信号を提供するために設けられる。

プローブは、タンクの壁を貫通し該タンク壁に係合する管状部を有するスリーブを備える。開口がスリーブを貫通する。スリーブは、様々な構成のタンクに固定できるように幾つかの形態のいずれかを有することができる。スリーブの一実施形態は、タンクの剛体外側シェルの内面に接着させることができない非接着性材料からなるライナを有するタンク用に設計される。この特定のスリーブは、タンクの壁の開口を貫通した管状部の内側端部に外向きに突出したフランジを有する。管状部は、タンク外部でナットを係合させてスリーブを開口内に固定する雄ネジを有する。スリーブの別の実施形態は、ライナが剛体外側シェルの内面に接着する材料からなるタンクで使用するように設計される。ここでは、管状部の雄ネジは、剛体外側シェルの壁を貫通する開口のネジ山と係合してスリーブをタンクに固定する。

プローブ本体は、スリーブの開口内に取外し可能に装着され、タンク内部の接触材料内に突出した少なくとも１つの電極を有する。リテーナは、プローブ本体をスリーブ内に固定する。

まず図１を参照すると、硬水軟化装置１０は、イオン交換樹脂粒子の層１４を収容した軟化タンク１２を備える。出水管１６は、層の底面に近い箇所から層１４を貫通して延在する。給水管１８は、軟水タンク１２内に延び、樹脂層１４の上面の上方に吐出口をもつ。硬水は給水配管２０を通して送られ、処理水はサービス配管２２を通して送られる。給水配管２０とサービス配管２２は、常閉の第一のサービス弁２４を介して接続される。出水管１６とサービス配管２２の間に常開の第二のサービス弁２６が設けられる。出水管１６からは常閉の第一のドレン弁３０を含むドレン配管２８も延びている。

硬水は通常は常開のサービス給水弁３２を通して給水管１８に送られる。代わりに、塩水供給弁３８が開いてサービス給水弁３２が閉じているときは、給水配管２０に流入した硬水をインジェクタ３４に流して、塩水タンク３６から再生剤溶液を汲み上げることができる。塩水タンク３６は塩化ナトリウム又は塩化カリウムのような塩３３を含む。汲み上げられた塩水は配管３５を通して硬水軟化装置の給水管１８に送られる。給水管１８は常閉の第二のドレン弁３９を介してドレンにも接続できる。

サービス作業時には、ドレン弁３０及び３９、第一のサービス弁２４並びに塩水供給弁３８はすべて閉じられる。この作動モードでは、硬水が給水配管２０から給水管１８を通して樹脂層１４の上面に流れるように第二のサービス弁２６及びサービス給水弁３２が開かれる。水は層１４を通過し、処理水が層１４の底部から出水管１６を通してサービス配管２２に回収される。

樹脂層１４は次第に消耗し、水をそれ以上軟化できなくなる。典型的な樹脂層再生処理は逆洗段階で始まる。この段階では、制御装置４０によって、サービス給水弁３２及び塩水給水弁３８が閉じられ、第一のサービス弁２４及び第二のドレン弁３９が開かれる。給水配管２０からの硬水は出水管１６を通して供給され、樹脂層１４を上昇し、最終的には給水管１８及び現在開の第二のドレン弁３９から流出する。この時点で、水は処理されていないがサービス配管２２に供給され続ける。

逆洗段階に、続いて塩水処理及び洗浄処理が行われる。この作業のため、第二のサービス弁２６及び第二のドレン弁３９が閉じられ、塩水供給弁３８及び第一のドレン弁３０が開かれる。この状態で、硬水はインジェクタ３４を強制的に流れ、塩水がタンク３６から塩水配管３５を通して汲み上げられる。汲み上げられた塩水は、給水管１８を通して軟化タンク１２内に吐出される。塩水は樹脂層１４を通過し、出水管１６及び現在開の第一のドレン弁３０を通して排出される。濃縮塩水溶液によって、樹脂中の２価及び３価陽イオンが１価陽イオンで置換され、層が回復する。塩水タンク３６の内容物が消尽すると、空気がシステム内に注入されるのを防ぐため空気チェック弁３７が閉じられ、塩水なしで水がインジェクタ３４内を流れ続ける。この水はタンクから塩水溶液を駆逐し、層１４を洗浄して残留塩水を除去する。この作業段階では、開いた第一のサービス弁２４を通して未処理水がサービス配管２２に供給される。

次の作業段階で、塩水タンク３６が再充填され、軟化樹脂層１４が浄化される。これは、サービス給水弁３２及び第二のサービス弁２６を開くことによって達成される。すると硬水は開いた塩水弁３８を通して塩水タンク３６に流入でき、給水管１８を通してタンク１２に流入できる。樹脂層１４を通過した水は、開いたドレン弁３０から流出する。第一のサービス弁２４、第一のドレン弁３０及び塩水供給弁３８を閉じることによって装置はサービス状態に戻る。

図２を参照すると、図１に示す様々な弁を作動させる制御装置４０は、内部アナログ／デジタル変換器、メモリ及びクロック回路を有するマイクロコンピュータ４２を中心に構築される。データの記憶及び検索のために電気的に消去可能なプログラム可能読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）４４がマイクロコンピュータ４２に接続される。マイクロコンピュータ４２の出力は、Ｂｙｔｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ １９７７年９月号１９０〜１９８頁に掲載された“Ｗａｌｓｈ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ： Ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ”と題する論文（その記載内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）に記載されているような正弦波加算器４６に接続される。ウォルシュ正弦波加算器４６の出力は、高次高調波を除去するため低域通過フィルタで処理され、振幅約１００ｍｖ−ｐｋで周波数約１０００Ｈｚの本質的に純粋な正弦波が残る。樹脂層中の電極で化学的還元又は酸化が起こるのを防ぐため低い励起電圧が選択される。電極二重層容量を下げるため、比較的高い励起周波数が選択された。

ウォルシュ正弦波加算器４６からの出力信号は、樹脂層１４中に延在する２つの伝導度プローブ４７及び４８の共通電極に加えられる。下方伝導度プローブ４８は層の有効高さ（Ｘ）の約３８％の位置に設置されるが、この有効高さ（Ｘ）は出水管１６底部の最も上の給水口と樹脂層の上面との間の距離である。この位置は、下方伝導度プローブ４８が水の処理に樹脂層の吸着容量の約２０％が残存しているときの伝導度変化の指標となるように選択したものである。上方伝導度プローブ４７は、下方伝導度プローブ４８の約６インチ上方の樹脂層中に配置される。

図３及び図４は、図１の上方及び下方伝導度プローブ４７及び４８として使用できるセンサプローブ６０の第一の実施形態を示す。センサプローブ６０はスリーブ６１を有しており、スリーブ６１は雄ネジ及びその一端で外側に突出たフランジ６４とを有する管状部６２を備える。スリーブ６１は軟化タンク１２の側壁の開口を通して延び、フランジ６４で環状ゴムシール６６を軟水タンク１２の内面に押圧して水密シールを形成する。このセンサプローブ６０は、ガラス繊維製又は鋼製の外側本体６７にポリエチレン内側ライナ６９を設けたタンク１２に使用される。ポリエチレンその他同様の非接着性の材料は、剛体外側本体６７に接着しない内側ライナ６９を形成するが、プローブスリーブ６１もこれら内側ライナに接着しないし、接着以外の様式でも結合できない。そのため、プローブ６０はフランジ６４と環状ゴムシール６６を有しており、これらがプローブ部品とタンク１２の内面との間に水密取付部を形成する。プローブ６０は、タンク１２の外面に当接するまで管状部６２の外面に螺入される六角ナット６８によって適所に保持される。

センサ本体７０は、タンクの外側からスリーブの管状部６２の中心開口７２内に挿入される。センサ本体７０の内端部７４近傍の環状外部溝にＯリング７８が配設され、センサ本体７０とスリーブ６１の間に水密シールを確立する。センサ本体７０は、Ｕ字形保持クリップ８０でスリーブ６１内に保持され、クリップ８０は図５にも示すようにスリーブの管状部６２の両側の溝８２に摺動挿入される。保持クリップ８０の両側脚部は、スリーブ溝８２を通して延在し、センサ本体７０の外側周囲の環状ノッチ８４に収まる。保持クリップ８０がスリーブ６１及びセンサ本体７０の溝８２と係合することによって、センサ本体がスリーブの内部リブ７６に保持される。

１対の壁部８８及び８９が、センサ本体７０の内端部７４から外向きに、硬水軟化タンク１２内部の樹脂層１４に突出する。１対の電極９０及び９１がセンサ本体７０の内端部７４の壁部を貫通して突出する。センサ本体７０をスリーブ６１内に挿入すると、各電極９０及び９１はスリーブの中心開口７２の内端部壁７６の別々の小孔を貫通する。これらの小さな孔によって、センサ本体７０を交換する際のタンク１２からの水の損失を最小限にすることができる。電極９０及び９１は、例えば金メッキしたステンレス鋼で製造される。電極構造のステンレス鋼は耐食性があるが、金メッキによって表面が化学的に不活性となる。ただし、金はタンク１２内の水で濡れにくい。濡れ性を向上させるため、各電極９０及び９１にＮａｆｉｏｎ（Ｅ．Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｕｍｏｕｒｓ社の商標）のようなイオン交換材料のスリーブをかぶせる。スリーブは、疎水性の金表面を「濡」らし、かつ高分子を電極表面から遠ざけ、それによって電極をさらに安定化するとともに汚染を防止する。スリーブは、比較的軟らかい金表面を摩損から保護する。別法として、カーボンロッドを電極として使用してもよく、金メッキは必要とされない。

２つの電極９０及び９１はセンサ本体の空洞８６内に突出する。空洞８６は、センサプローブを制御装置４０に接続するケーブルの端部の嵌め合わせ電気コネクタ（図示せず）を収容するように設計される。このコネクタは、電極９０及び９１の端部と電気的に係合する。

図６を参照すると、ある種の硬水軟化タンクは、周囲のガラス繊維又は鋼製外側本体１０２に接着したアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）ライナ１００を有する。ＡＢＳライナ１００は、樹脂層１４及び軟化装置で処理される水に対する水密エンクロージャを形成し、外側本体１０２は軟化タンク１２のための剛体構造を形成する。このタイプのタンク構成では、ライナは外側本体に接着して一体構造を形成するので、センサ１０６のスリーブ１０４は、タンク１２の側壁のネジ付開口に固定することができる。従って、スリーブ１０４は、タンク１２の外側本体１０２に切り込まれたネジ山と係合する雄ネジを備えた円筒形管状部１０８を有する。スリーブ１０４を挿入する際、ネジ山を接着シール剤でコートして、スリーブをタンクに接着して水密取付部を形成する。これに代えて或いは加えて、タンク１２の外面とスリーブ１０４の管状部１０８の外端のフランジ１１２との間にゴムシールリング１１０を設けてもよい。

スリーブ１０４はセンサ本体１１４を受け入れるための開口を有するが、センサ本体は図４のセンサ本体７０と構造的に同様である。具体的には、センサ本体１１４は、スリーブ１０４の外端部に隣接する開放端部１１６とスリーブの内端部に隣接する閉鎖端部１１８とを有する。閉鎖端部１１８から１対の壁部がタンク１２の樹脂層に突出しているが、図ではその一方の壁１２０しかみられない。１対の電極１２１及び１２２は、第一のセンサの実施形態と同様に２つの壁部間でセンサ本体１１４の閉鎖端部を貫通する。電極１２１及び１２２は、制御装置４０からのケーブルとの電気接続のためセンサ本体１２４の空洞内に延びる。センサ本体１２４の周囲に環状溝１２６が設けられ、スリーブ１０４のノッチ内に配置されるＵ字形保持クリップ１２８の脚部を受ける。保持クリップ１２８とセンサ本体１１４とのの係合によって、センサ本体１１４がスリーブの内端部１３０に当接した状態で保持され、壁部並びに電極１２１及び１２２はスリーブ端部１３０の開口を通して延びる。Ｏリング１３２によって、センサ本体１１４の外面とスリーブ１０４の内面との間のシールが形成される。

再び図１及び図２を参照すると、伝導度プローブ４７及び４８の各々の非共通電極は、それぞれ別個の電流電圧変換器５０及び５１に接続される。これらの変換器５０及び５１は各々、関連プローブ４７又は４８を通して流れる電流の大きさを対応する電圧レベルに変換する。電流電圧変換器５０及び５１からの電圧出力は、内部アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器に接続されたマイクロコンピュータ４２の入力部に加えられる。マイクロコンピュータ４２は、関連する電流電圧変換器５０及び５１で発生した電圧の大きさを読取るために、各Ａ／Ｄ変換器を周期的に有効にする。

マイクロコンピュータ４２への別の入力ラインは、硬水軟化装置１０の再生が行われているときは常に閉じているサービススイッチ５２に接続される。１組の表示ランプ５９が、以下で説明するようにマイクロコンピュータ４２によって作動して、塩水タンク３６の塩の枯渇及びプローブ故障のような事象のユーザへの表示を行う。警報機のような他のタイプの信号装置を用いることもできる。

マイクロコンピュータ４２は、伝導度プローブを通って流れる電流を検出して樹脂層１４が再生を必要とする時点を決定する制御プログラムを実行する。伝導度に基づいて樹脂層を再生する時点を決定するために制御装置が用いるアルゴリズムは、米国特許第５２３４６０１号に詳細に記載されている。マイクロコンピュータ４２からの制御プログラムが、再生の必要があると決定したときは、常に、制御信号がライン５４を介して、周期的間隔でかつ水使用量が最小である１日のある時間（例えば、午前２時）に樹脂層を再生していた以前の硬水軟化装置で用いられるのと同様な従来型の弁制御クロック及びタイマ５６に送られる。しかし、弁制御クロック及びタイマ５６は、ライン５４を通して制御信号を受信している場合にのみ１日のうちのその時間に樹脂層１４の再生を開始する。これらの条件を満たしている場合には、弁制御クロック及びタイマ５６は、図１に示す異なる弁を上述のシーケンスで開閉するカム軸５８を回転させて樹脂層を再生する。

以上の説明は、主に本発明の好ましい実施形態に関するものである。本発明の技術的範囲に属する様々な変形形態にもある程度の注意を払ったが、本発明の実施形態に関する開示から自明なその他の形態も当業者には明らかであろうと予想される。従って、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に基づいて定まり、以上の開示に限定されるものではない。

本発明による硬水軟化装置の再生システムの概略図。 図１の制御装置の概略ブロック図。 図２の制御装置で用いる伝導度プローブの斜視図。 図３の伝導度プローブの断面図。 図４の線５−５に沿った断面図。 伝導度プローブの第二の実施形態の断面図。

Claims (20)

1. タンク内を流れる水からミネラルを除去するための粒子層を収容したタンク及び粒子層の再生システムを有する水処理システムにおいて、タンク内の伝導度を測定するためのプローブであって、
   タンクの壁を貫通して該タンク壁に係合する管状部を有するスリーブで、該スリーブを貫通する開口を有するスリーブと、
   スリーブの開口内に取外し可能に装着されるプローブ本体で、タンク内の材料に接触するように外向きに突出した１以上の電極を備えるプローブ本体と、
   スリーブ内にプローブ本体を固定するリテーナと、
   を備えるプローブ。
2. スリーブが開口内に形成されたストッパを有し、プローブ本体がストッパに当接し、リテーナがプローブ本体をストッパに接触した状態に保持する、請求項１記載のプローブ。
3. プローブ本体が、タンク内に突出した１対の離隔して配置された壁部をさらに含み、それらの間に前記電極を有する、請求項１記載のプローブ。
4. リテーナが、スリーブの第一の溝及びプローブ本体の第二の溝に装着された保持クリップを含む、請求項１記載のプローブ。
5. スリーブが、外向きに突出したフランジ部を備える管状部を有する、請求項１記載のプローブ。
6. スリーブの管状部が雄ネジを有する、請求項５記載のプローブ。
7. スリーブの管状部の雄ネジに係合するナットをさらに含む、請求項６記載のプローブ。
8. スリーブの管状部の雄ネジが、タンクの壁を貫通する開口内のネジ山に係合する、請求項６記載のプローブ。
9. 水処理システムであって、
   剛体外側シェル、シェル内のライナ、給水管及び出水管を有するタンクと、
   水からミネラルを除去するためのタンクのライナ内の粒子層と、
   タンクの剛体外側シェル及びライナを貫通した管状部を有するプローブスリーブで、内部にストッパが形成される貫通開口を有するプローブスリーブと、
   プローブスリーブの開口内に取外し可能に装着され上記ストッパに当接するプローブ本体で、タンク内部に突出した第一の電極を備えるプローブ本体と、
   プローブスリーブ及びプローブ本体の両方に係合して該プローブ本体をストッパに当接した状態で保持するリテーナと、
   を備える水処理システム。
10. プローブ本体が、タンク内に突出した１対の離隔して配置された壁部をさらに含み、それらの間に第一の電極を有する、請求項９記載の水処理システム。
11. プローブ本体が、前記壁部の間でタンク内に突出した第二の電極をさらに含む、請求項１０記載の水処理システム。
12. リテーナが、スリーブの第一の溝及びプローブ本体の第二の溝に装着されたクリップを含む、請求項９記載の水処理システム。
13. ライナが剛体外側シェルに接着していない、請求項９記載の水処理システム。
14. スリーブが、外向きに突出したフランジ部を備える管状部を有する、請求項１３記載の水処理システム。
15. 外側シェルが、鋼及びガラス繊維からなる群から選択される材料で製造される、請求項１３記載の水処理システム。
16. スリーブの管状部が雄ネジを有する、請求項１４記載の水処理システム。
17. スリーブの管状部の雄ネジに係合するナットをさらに含む、請求項１６記載の水処理システム。
18. ライナが外側シェルに接着していない、請求項９記載の水処理システム。
19. スリーブの管状部が雄ネジを有する、請求項９記載の水処理システム。
20. スリーブの管状部の雄ネジが、タンクの壁を貫通する開口内のネジ山に係合する、請求項１９記載の水処理システム。

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