反渗透系统 对于相关申请的交叉引用
本申请要求基于 35U.S.C.§119 对于在 2008 年 1 月 28 日提交的美国临时专利申 请 No.61/062,611 的优先权， 该申请的全部内容包括在本文作为参考。
背景技术
水净化系统用来提供高质量饮用水。 反渗透系统在住户和商业饮料系统中被广泛 用来供给净化水。典型的装置包括具有胆囊的存储罐， 在该胆囊中， 在压力下存储净化水。 在净化过程期间， 流过反渗透膜的水经历压力降。 随着在存储罐中流体液位的升高， 在将反 渗透膜连接到存储罐上的净化水管线中的压力也升高。因此， 净化水必须克服 “背压” 而流 动， 导致净化水的流量下降。对于几乎充满的罐， 小于 10％的进来的未净化的水由反渗透 膜净化， 并且存储在存储罐中， 而超过 90％的水不被使用， 并且作为所谓的浓缩物从系统排 放。 一些反渗透系统使用多个泵， 以便减少从系统排放的水。泵可用来增大在反渗透 膜上游的压力。其它系统使用泵将浓缩物再循环回在反渗透系统上游的系统中。这些泵由 电机驱动， 这些电机增大反渗透系统的整体尺寸、 重量以及能量消耗。因此， 由于系统的尺 寸和重量， 反渗透系统的安装可能需要相当数量的现场组装和一组技术人员。
常压罐也常被用在反渗透系统中， 以减少水浪费。 它们的优点在于如下事实 ： 净化 水不必克服增大的背压而流动， 导致净化水流量的较小变化。 它们的缺点在于如下事实 ： 需 要大功率泵， 以在宽的流量范围上从常压罐中抽取水。
由反渗透系统产生的渗透水具有非常低的矿物质含量或低的总溶解固体 (TDS) 水平。用渗透水制备的饮料可能缺少与矿物质相关的味道。如果渗透水用于饮用目的， 则 矿物质常常添加回在反渗透膜下游的渗透水中。方解石棒可用来重新矿化渗透水。然而， 用这种手段实现的矿物质浓度可能是可变的， 并且这种浓度不容易调节成满足具体的 TDS 浓度。
发明内容
本发明的一些实施例提供一种反渗透系统， 该反渗透系统包括给水进口、 联接到 给水进口上的反渗透模块以及一个或多个混合阀。反渗透模块可包括渗透水出口， 通过该 渗透水出口， 渗透水可离开反渗透模块。 混合阀可联接到渗透水出口和给水进口上， 并且能 够将进给水和渗透水相混合， 以产生混合水。混合阀可被调节， 以在混合水中实现所需的 TDS 水平。
本发明的一些实施例提供一种反渗透系统， 该反渗透系统包括 ： 反渗透模块， 其具 有反渗透膜 ； 增压泵， 以将进给水提供给反渗透膜 ； 及渗透泵， 以从反渗透膜除去渗透水。 增压泵和渗透泵可由具有两个输出轴的共用马达驱动。
本发明的一些实施例提供一种反渗透系统， 该反渗透系统包括反渗透模块和联接 到渗透水出口上的压力罐。反渗透膜可在大体上已经没有对于渗透水的需求之后、 但在结垢的诱导时间 (induction time) 已经过去之前， 用渗透水冲洗。 附图说明
图 1 是根据本发明一个实施例的反渗透系统的立体图。 图 2 是根据本发明另一个实施例构造的反渗透系统的立体图。 图 3 是图 1 的反渗透系统的另一个立体图。 图 4 是图 1 的反渗透系统的另一个立体图。 图 5 是图 1 的反渗透系统的另一个立体图。 图 6 是图 1 的反渗透系统的另一个立体图。 图 7 是图 1 的反渗透系统的另一个立体图。 图 8 是图 1 的反渗透系统的歧管的详细立体图。 图 9A 是根据本发明另一个实施例的反渗透系统的前视图。 图 9B 是图 9A 的反渗透系统的侧视图。 图 9C 是图 9A 的反渗透系统的俯视图。 图 10 是根据本发明一个实施例的流动路径的示意性说明， 该流动路径包括控制 图 11A 是根据本发明一个实施例的反渗透模块的剖视图。 图 11B 是根据本发明另一个实施例的反渗透模块的剖视图。 图 11C 是根据本发明另一个实施例的反渗透模块的剖视图。 图 11D 是根据本发明一个实施例的图 11C 的反渗透模块的剖视图。 图 11E 是根据本发明另一个实施例的图 11C 的反渗透模块的剖视图。 图 12A 是图 9A 的反渗透系统的前视图， 示出图 9A 的反渗透系统的主要元件的概回路。
况。 图 12B 是图 12A 的反渗透系统的左视图。
图 12C 是图 12A 的反渗透系统的右视图。
图 13A 是根据本发明一个实施例的流动路径的示意性说明。
图 13B 是根据本发明另一个实施例的流动路径的示意性说明。
图 14A 是根据本发明一个实施例用于反渗透系统的流动路径的示意性说明， 该反 渗透系统包括冲洗管线。
图 14B 是根据本发明另一个实施例用于反渗透系统的流动路径的示意性说明， 该 反渗透系统包括冲洗管线。
图 15 是根据本发明一个实施例供反渗透系统使用的歧管的本体的立体图。
图 16A 是根据本发明一个实施例的稀释混合阀的立体俯视图， 该稀释混合阀包括 图 15 的本体。
图 16B 是图 16A 的稀释混合阀的立体仰视图。
图 17 是根据本发明另一个实施例的稀释混合阀的立体图。
图 18 是图 17 的稀释混合阀的变速柱的立体图。
图 19A 是供图 17 的变速柱使用的变速盘的立体俯视图。
图 19B 是图 19A 的变速盘的立体仰视图。
图 20 是图 16 的稀释混合阀组件的剖视图。 图 21A 是根据本发明一个实施例在反渗透系统的操作期间可显示的信息的概括。 图 21B 是根据本发明一个实施例用来编程反渗透系统的控制器的程序的流程图。具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前， 要理解， 本发明在其申请中不限于在如下 描述中叙述的或在如下图中示出的构造细节和元件布置。本发明能够具有其它实施例， 并且能够按各种方式实践或实现。而且， 要理解， 这里使用的用词或术语用于描述目的， 并 且不应该当作限制。这里 “包括 (including)” 、 “由 ...... 组成 (comprising)” 或 “具有 (having)” 以及它们的变型的使用是指包容其后列出的项目和其等效物以及另外的项目。 除非另有规定或限制， 术语 “安装” 、 “连接” 、 “支撑” 及 “联接” 和它们的变形被广义地使用， 并且包括直接和间接安装、 连接、 支撑及联接。进一步地， “连接” 和 “联接” 不限于物理或机 械的连接或联接。
如下讨论能使本领域的技术人员实现和使用本发明的实施例。 所述实施例的各种 修改对于本领域的技术人员将是显而易见的， 并且这里的一般原理可应用于其它实施例和 用途， 而不脱离本发明的实施例。因而， 本发明的实施例不旨在限于表示的实施例， 而是要 符合与本文公开的原理和特征相一致的最宽范围。如下详细描述要参照附图阅读， 在这些 附图中， 在不同图中的相同构件具有相同的附图标记。不一定按比例的所述附图描绘选定 的实施例， 并且不用于限制本发明实施例的范围。 技术人员将认识到， 本文提供的例子具有 多个有用选择例， 并且落在本发明实施例的范围内。
本发明的一些实施例提供一种反渗透系统， 该反渗透系统包括给水进口、 联接到 给水进口上的反渗透模块以及一个或多个混合阀。反渗透模块可包括渗透水出口， 渗透水 可穿过该渗透水出口离开反渗透模块。混合阀可联接到渗透水出口和给水进口上， 并且能 够将进给水和渗透水相混合以产生混合水， 该混合水具有在进给水的 TDS 值与渗透 TDS 的 TDS 值之间任何处的 TDS 值。混合阀 ( 一个或多个 ) 可在系统安装单元处人工地调节， 直到 ( 例如， 用手持 TDS 传感器测得的 ) 混合水的 TDS 水平达到所需值。可选择地， TDS 传感器 可并入在反渗透系统内， 该 TDS 传感器检测在混合水中的当前 TDS 水平。混合阀 ( 一个或 多个 ) 可被控制， 以在混合水中实现所需的 TDS 水平。
本发明的一些实施例提供一种反渗透系统， 该反渗透系统包括反渗透模块、 联接 到渗透水出口上的压力罐和渗透水冲洗方案部分。在反渗透过程期间， 包含矿物质和 / 或 溶解固体的进给水可被加压， 并且可进给到反渗透膜。假设给定足够的给水压力， 渗透水 ( 大都没有矿物质和溶解固体 ) 可通过膜， 将矿物质和 / 或溶解固体留在后面。因此， 进给 水流就溶解固体而言可变得较浓， 并且这种水流称作浓缩物。如果迫使足够的渗透水穿过 膜， 则浓缩物的溶解固体含量可超过矿物质的溶解度极限， 并因而可发生矿物质沉淀。 迫使 穿过膜的渗透水与供给到膜的进给水的比值称作膜回收率。
在给定膜回收率下， 矿物质和 / 或溶解固体的沉淀可能或可能不立即发生， 并且 如果它不立即发生， 则观察到的时间滞后可称为诱导时间。诱导时间可通过添加防垢化学 制品而增长， 这些防垢化学制品例如， 但不限于， 六偏磷酸盐和聚合丙烯酸。如果穿过系统 的流动停止 ( 即， 当没有水需求时 )， 则在反渗透膜内的矿物质沉淀可能是特别成问题的，并且矿物质沉淀在膜表面上或者从浓缩水流中析出并且沉积在膜表面上， 因而减小可渗透 过膜的水量。
为了使反渗透系统的渗透回收率最大， 也保证不发生结垢， 冲洗方案部分可并入 RO 系统的操作中。 冲洗方案部分可将品质可在进给水与渗透水之间变化的水从压力罐上游 导向到反渗透模块， 以便用水冲洗反渗透膜。反渗透膜可在大体上已经没有对于混合水或 渗透水的需求之后、 但在用于结垢的诱导时间已经过去之前用水冲洗。冲洗持续时间可以 是这样的， 从而在进给水和浓缩物中存在的矿物质和溶解固体的浓度等效于在用来冲洗的 水中的矿物质和溶解固体的浓度。 可操作地， 这可通过如下操作而确定 ： 测量离开膜模块的 浓缩物的 TDS 水平， 并且注意何时 TDS 水平接近用于冲洗的水的 TDS 水平并因此结束冲洗 持续时间。
图 1-8 示出了根据本发明一个实施例的反渗透系统 10。反渗透系统 10 可包括碳 过滤器 12、 第一歧管 14、 增压泵 16、 第二歧管 18、 反渗透模块 20、 第三歧管 22、 渗透泵 24、 第 四歧管 26 以及压力罐 28。反渗透模块 20 也可包括防垢剂， 该防垢剂与同进给端口相邻的 模块成整体。碳过滤器 12 可包括用于反渗透系统 10 的水进口 30。水进口 30 可从城市或 其它生水供给处吸取水。第一阀 32 可联接到第一歧管 14 上， 如图 1 和 8 所示。第一总溶 解固体 (TDS) 传感器 34 和旁通端口 35 可联接到第二歧管 18 上， 如图 8 所示。第一 TDS 传 感器 34 可测量供给水的 TDS 水平。第二阀 36 和混合端口 38 可联接到第三歧管 22 上。第 二 TDS 传感器 40 可安装到第四歧管 26 上。压力罐 28 可包括渗透或混合水出口 42。 适当压力罐 28 可以是在授予给 Saveliev 等人的美国专利 No.7,013,925 中描述 的储集罐， 该专利的全部内容包括在本文作为参考。压力罐 28 的体积可变化。在一个实施 例中， 压力罐 28 不超过约两加仑， 而在另一个实施例中， 压力罐 28 不超过约六加仑。压力 罐 28 可存储渗透水。在一些实施例中， 压力罐 28 可存储渗透水和进给水的混合物。
图 1-8 的反渗透系统 10 可按如下操作。进给水可在水进口 30 处进入反渗透系统 10， 并且流过碳过滤器 12。进给水可进入第一歧管 14。连接到第一歧管 14 上的第一阀 32 可以是常闭的， 并且当增压泵 16 正在运行时可打开。第一歧管 14 可流体连接到增压泵 16 上。增压泵 16 可增大水压力。水可从增压泵 16 流过第二歧管 18。第二歧管 18 可装有第 一 TDS 传感器 34 和旁通端口 35， 该第一 TDS 传感器 34 可测量给水 TDS 值。通过由增压泵 16 产生的增大的压力， 可将水推过反渗透模块 20。反渗透模块 20 的进口可流体连接到第 二歧管 18 上， 而反渗透模块 20 的渗透水出口可流体连接到第三歧管 22 上。通过反渗透模 块 20 的水可作为渗透水流到第三歧管 22。 未到达反渗透模块 20 的渗透水出口的水可通过 盐水端口 (brine port)45 排放， 并且可作为浓缩物离开反渗透系统 10。
第三歧管 22 可装有第二阀 36， 该第二阀 36 可以是常闭的， 并且可在正常操作期间 打开。第三歧管 22 也可装有混合端口 38。混合端口 38 和旁通端口 35 可处于流体连通， 从 而给水的一部分可旁通过反渗透模块 20。离开第三歧管 22 的渗透和进给水的混合物可称 作混合水。在第三歧管 22 的下游， 渗透水或混合水可在流过第四歧管 26 之前流过渗透泵 24。渗透泵 24 可克服在压力罐 28 中的增大的压力而工作， 以便进一步支持进给水流过反 渗透模块 20。第四歧管 26 可装有第二 TDS 传感器 40， 该第二 TDS 传感器 40 可测量渗透水 或混合水的 TDS 水平。渗透水或混合水可从第四歧管 26 存储在压力罐 28 中。
在一个实施例中， 渗透泵 24 具有约 90PSI 的关闭设置值， 以便当压力罐 28 被加压
到约 90PSI 时， 使反渗透系统 10 停机。水从渗透泵 24 进入第四歧管 26。当渗透水或混合 水的 TDS 水平高于最大设置值时， 第二阀 36 可在增压泵 16 正在运行的同时关闭， 迫使全部 水冲洗过盐水端口 45， 以便冲洗反渗透模块 20 的表面。
水可从反渗透模块 20 的盐水端口 45 通过盐水流量控制装置 ( 未示出 )， 并且然 后通过单向阀 ( 未示出 )。混合端口 38 可装有流量控制装置， 以调节旁通过反渗透模块 20 的水量。控制器 55 可用第一 TDS 传感器 34 测量进来 TDS 值， 并且用第二 TDS 传感器 40 测 量出去 TDS。理想混合水 TDS 值可由技术人员输入到控制器 55 中。混合端口 38 和盐水流 量控制装置可在安装期间设置， 以对于当地水质得到理想的混合水和回收百分率。如果混 合 TDS 升高到其设置点以上， 则反渗透模块 20 可能正在变污。在增压泵 16 正在运行的同 时， 第一阀 32 可保持打开， 而第二阀 36 可关闭。可迫使在反渗透模块 20 中的全部水从盐 水端口 45 出去， 冲洗反渗透模块 20。在一个实施例中， 冲洗循环可持续约一分钟。如果反 渗透系统 10 进入冲洗循环一定次数， 并且渗透 TDS 仍然在其设置值以上， 则控制器 55 可指 示需要进行调节。技术人员可对混合端口 38 进行调节， 或者更换碳过滤器 12 和 / 或反渗 透模块 20。
在一个实施例中， 仅反渗透系统 10 测量混合水的 TDS。因此， 反渗透系统 10 可包 括 TDS 传感器 40。 在一些实施例中， 通过增压泵 16 的净流量可与通过渗透泵 24 的净流量显著不同。 增压泵 16 的体积排量和渗透泵 24 的体积排量可根据所需流量而调节。例如， 增压泵 16 的 体积排量可选择成与对于进给水流期望的净流量相一致， 并且渗透泵 24 的体积排量可选 择成与对于渗透水流期望的净流量相一致。
通过渗透泵 24 的净流量可取决于给水特性， 如以上描述的那样。通过渗透泵 24 的净流量可与反渗透模块 20 的膜回收率相关。在一些实施例中， 增压泵 16 的体积排量可 大体上等于渗透泵 24 的体积排量。在一些实施例中， 增压泵 16 和渗透泵 24 可共享共用马 达 44， 并且马达 44 可按大体相等或不同的速度驱动增压泵 16 和渗透泵 24。
通过增压泵 16 和渗透泵 24 的不同净流量可危害增压泵 16 和渗透泵 24 的至少一 个的寿命。一些实施例可包括旁路， 该旁路可使净流量的至少一部分再循环过增压泵 16 和 渗透泵 24 的至少一个。在一个实施例中， 旁路可将增压泵 16 的出口和带有相应进口的渗 透泵 24 流体连接。因此， 通过增压泵 16 和渗透泵 24 的总流量 ( 即净流量加上通过旁路的 再循环部分 ) 可调节到对应另一个泵的净流量。在一个实施例中， 通过渗透泵 24 的总流量 可大体上等于增压泵 16 的净流量。旁路可使用闸门阀、 针状阀、 压力调节器、 孔口或其它常 规装置调节。旁路可人工地操作， 或者由控制器 55 操作。
尽管旁路可大体上保持通过增压泵 16 和渗透泵 24 的总流量相等， 但如果净流量 的一部分通过旁路再循环， 则增压泵 16 和渗透泵 24 的净流量可显著地不同。在一个实施 例中， 旁路可将压力罐 28 与增压泵 16 和渗透泵 24 的至少一个的进口相流体连接。因此， 通过增压泵 16 和渗透泵 24 的净流量可调节成实现反渗透系统 10 的按需流量要求。
图 1-8 的反渗透系统 10 可供给减小的占地面积。 碳过滤器 12 和反渗透模块 20 可 定位成减小反渗透系统 10 的整个占地面积。例如， 碳过滤器 12 和反渗透模块 20 可向内定 位成更靠近泵 / 马达 16、 24、 44。可选择地， 碳过滤器 12 可定位在反渗透模块 20 下方。作 为另一个例子， 碳过滤器 12 和反渗透模块 20 可用夹子联接在一起。
图 1-8 的反渗透系统 10 对于压力罐 28 可使用罐夹 (tank clips)( 未示出 )， 这些 罐夹可由坚固得足以避免在运输期间折断的材料模制而成。罐夹也可由较软材料模制成， 并且用显窃启 (tamper-evident) 的带条紧固。
图 1-8 的反渗透系统 10 可包括盖子 ( 未示出 )， 以保护连接。盖子可包括护罩， 该 护罩在一侧被铰接， 并且枢转以暴露可用的元件。显示器可镶嵌在盖子中。显示器的电缆 可用作系绳， 以限定铰接盖子的运动。显示器的电缆也可用来防止意外丢弃。
图 1-8 的反渗透系统 10 可易于使用 TDS 调节装置。在一个实施例中， 系统 10 可 使用键型阀将一定量的进给水引入到渗透水中， 以实现具体的 TDS 值。具有键接弹出指示 器的位置轮可用来调节 TDS 值。所述轮可包括数字或字母， 以指示正在引入的 TDS 的水平。 TDS 可按毫克每升 (mg/L) 和按百万分之几 (parts per million)(ppm) 测量。用户或技术 人员可将正被分配的水的 TDS 调节到对于饮料常用的值。在一个实施例中， 这个值可以是 约 130mg/L 或 ppm 的 TDS。
反渗透模块 20 可被冲洗以减少结垢。这可按多种途径实现。阀 32、 36 可更换成 常开阀， 并且可附接到盐水端口 45 上。常开阀 32、 36 在产生渗透水的同时可被关闭， 并且 当增压泵 16 和渗透泵 24 停止时可打开以便清洗。这可导致反渗透系统 10 的每个循环都 冲洗反渗透模块 20。卸压阀可添加到盐水端口 45 上， 以当第二阀 36 关闭时清洗浓缩物。 在生产循环期间也可限制水流量， 随着压力罐 28 被填充以便加压， 该水流量保持恒定。 图 1-8 的反渗透系统 10 的管道连接可定位在如下位置的任一个中 ： 在左边的进口 和在右边的出口 ； 在系统 10 的相同侧上的进口和出口 ； 与出口成 90 度的进口 ； 或在盖子下 并且仅由技术人员可接近的进口和出口。
在一些实施例中， 对于图 1-8 的反渗透系统 10 的所需要的进口水压力可以是约 50PSI。如果进口水压力不能在安装现场实现， 则反渗透系统 10 的管道连接可如图 2 所示 定路线。水进口 30 可定位在增压泵 16 的出口处。增压泵 16 可在来自水进口 30 的水通过 碳过滤器 12 之前， 增大水进口 30 的水压力。在碳过滤器 12 的下游， 水在进入反渗透模块 20 之前可由渗透泵 24 推进。渗透泵 24 可将水压力升压， 以提高渗透水生产率。在一个实 施例中， 渗透泵 24 可起增大速度的横流 (cross-flow) 泵的作用， 水可借助该泵通过反渗透 模块 20。一些实施例可包括作用在渗透水上的第三泵， 以通过降低在反渗透模块 20 的渗 透侧处的压力而提高渗透生产率。第三泵可与增压泵 16 和渗透泵 24 一道被控制。反渗透 模块 20 下游的渗透水可存储在压力罐 28 中， 并且浓缩物可通过反渗透模块 20 的盐水端口 45 被排放。
图 1-8 的反渗透系统 10 可包括直接旁路， 该直接旁路可由工人操作， 这些工人由 技术人员在电话上指导。可使用如下选项 ： 在系统 10 前面可见的大的 “红色 - 手柄” 阀将 进口连接到出口上 ； 在系统 10 前面可见的大的 “红色 - 手柄” 阀将碳过滤器 12 直接连接到 出口回路上 ； 或者在系统 10 前面可见的大的 “红色 - 手柄” 阀将压力罐 28 的出口与水进口 30 相连接。
在一些实施例中， 反渗透系统 10 将要满足的全部饮料设备的要求可被一起平衡。 反渗透系统 10 可服务于各种类型的饮料设备， 如咖啡设备、 喷水设备以及蒸煮设备。表 1 概括了根据本发明一个实施例的反渗透系统 10 的性能特性。
表1： 性能特性
反渗透系统 10 可包括安全装置， 如保护反渗透模块 20 和管道连接免于破裂的压 力开关和防止高和低温度的温度探针。 TDS 仪器的温度限制也可被选择， 并且公开在用户手 册中。
图 1-8 的反渗透系统 10 可提供一种紧凑、 高效的系统。反渗透系统 10 可轻得足 以由单人安装。用于反渗透系统 10 的安装时间可由于最小的现场组装要求而减少。一个 实施例可在约一小时内由单个技术人员安装。反渗透系统 10 可包括一次性和可再循环过 滤筒。集成的泵 16、 24 可提高效率和减少废物。反渗透系统 10 可包括集成的显示器和盖 子。反渗透系统 10 通过少的水浪费、 低的能量使用、 可再循环过滤筒以及模块式 / 可重建 元件而可供给提高的可维护性和绿色效果。
图 9A-9C 示出了反渗透系统 10 的另一个实施例。如图 9A-9C 所示， 反渗透系统 10 可安装在大的支架 46 上。支架 46 可包括用来将支架 46 附接到建筑物墙壁上的孔径 48。 反渗透系统 10 可包括盖子 50、 显示器 55、 电源 60 以及第一手动关闭阀 65。压力罐 28 可用 带条 70 和紧固件 72 安装到支架 46 上。反渗透模块 20 可包括给水进口 75、 渗透水出口 76 以及盐水端口 45， 通过该盐水端口 45 可排放浓缩物。
图 10 示出了用于根据本发明一个实施例的反渗透系统 10 的流动示意图。 如图 10 所示， 反渗透系统 10 可包括预处理筒 13、 增压泵 16、 反渗透模块 20、 渗透泵 24、 压力罐 28、
给水进口 30、 第一阀 32、 旁通端口 35、 第二阀 36、 混合端口 38、 第二 TDS 传感器 40、 显示器 55、 电源 60 以及第一手动关闭阀 65。在给水进口 30 处进入反渗透系统 10 的进给水可由另 一个过滤系统 ( 未示出 ) 过滤， 该过滤系统可包括颗粒过滤器和 / 或碳过滤器， 以除去溶解 物质。
图 10 还示出了第一压力调节器 80、 第一单向阀 82、 第二压力调节器 85、 渗透水管 线 86、 第二单向阀 90、 第二手动关闭阀 95 以及渗透水出口 100。另外， 反渗透系统 10 可包 括稀释混合阀 (DBV)105、 第三单向阀 110、 给水混合阀 (FBV)115、 第四单向阀 125、 第三手动 关闭阀 130、 混合物出口 135、 第四手动关闭阀 140、 罐放水管线 145、 第五单向阀 155、 流量控 制装置 160 以及浓缩物出口 165。
反渗透系统 10 更进一步可包括控制器 200、 第一压力开关 205 以及第二压力开关 210。显示器 55 可连接到控制器 200 上， 并且可将用户输入通信到控制器 200。控制器 200 可基于来自 TDS 传感器 40、 显示器 55( 用户输入 )、 第一压力开关 205 以及第二压力开关 210 的信号来操作增压泵 16、 渗透泵 24、 第一阀 32、 第二阀 36 以及马达 44。控制器 200 可 包括控制例行程序， 以使用户干预最小化。
进来进给水可从给水进口 30 流过第一手动关闭阀 65 和压力调节器 80。如果反 渗透系统 10 成为不可操作的， 则可关闭手动关闭阀 65， 并且进给水可被导向到渗透水出口 100 和混合物出口 135 的至少一个。在一个实施例中， 压力调节器 80 可将进来给水压力调 节到约 50PSI， 以延长反渗透系统 10 的预处理筒 13 和其它元件的寿命， 并且保证进给水和 渗透水的一致的混合。 最小进来给水压力可以是约 50PSI， 如果进来给水在进入反渗透系统 10 之前被预处理， 则该压力变得必须实现。在进入反渗透模块 20 之前， 进给水从压力调节 器 80 可流过第一阀 32、 预处理筒 13 以及增压泵 16。第一阀 32 可由控制器 200 依据渗透 水的探测流量需求而操作。探测流量需求可与来自第二压力开关 210 的信号相对应。
通过给水进口 75 进入反渗透模块 20 的给水可到达渗透水出口 76， 或者可通过盐 水端口 45 离开反渗透模块 20。增压泵 16 可增大给水压力以将水推过反渗透模块 20， 以便 增大渗透水与浓缩物的比值。流量控制装置 160 可定位在浓缩物出口 165 的上游， 并且可 限制通过盐水端口 45 的流量， 以进一步支持渗透水的生产。在一些实施例中， 通过盐水端 口 45 离开反渗透系统 10 的浓缩物的流动可大体上是层流。浓缩物出口 165 可包括一个或 多个排出管线。 通过排出管线的流量可被调节， 以实现取决于当地水质的系统回收百分率。
通过渗透水出口 76 离开反渗透模块 20 的渗透水可进入渗透泵 24。控制器 200 可 基于来自第一压力传感器 205 的信号来操作渗透泵 24， 该第一压力传感器 205 可测量离开 渗透泵 24 的渗透水的压力。渗透泵 24 可通过降低在其上游侧的压力以便增大通过反渗透 模块 20 的流量， 来增大渗透水的生产率。渗透泵 24 也可增大在其下游侧上的压力， 以促进 压力罐 28 的填充。
第二压力开关 210 可测量在渗透泵 24 下游的渗透水的压力。来自第二压力开关 210 的信号可用作压力罐 28 的填充高度的指示。由渗透泵 24 泵送到压力罐 28 中的渗透水 可通过压力罐 28 的出口 42 离开。渗透水可从出口 42 在分离成两股水流之前， 流过第二压 力调节器 85。第一水流可流过渗透水管线 86， 并且可通过渗透水出口 100 离开反渗透系统 10。渗透水管线 86 可包括第二单向阀 90 和第二手动关闭阀 95。
渗透水的第二水流可流过混合端口 38， 该混合端口 38 可流体连接到旁通端口 35上。在一些实施例中， 混合端口 38 可包括 DBV 105 和第三单向阀 110。在一些实施例中， 旁通端口 35 可包括 FBV 115 和第四单向阀 125。DBV 105 和 FBV 115 可被调节成控制进给 水和渗透水的混合物的 TDS 值。混合水的 TDS 值可由在混合物出口 135 上游的 TDS 传感器 40 测量。第三手动关闭阀 130 可定位在 TDS 传感器 40 与混合物出口 135 之间。DBV 105 可从压力罐 28 抽取渗透水， 以产生渗透水和进给水的混合物。压力罐 28 可在将渗透水供 给到 DBV105 的同时接收渗透水。使用存储在压力罐 28 中的渗透水可增大混合水的流量， 和 / 或可延长由反渗透系统 10 可实现的混合水一定流量的时间。即使混合水的所要求的 流量可由反渗透系统 10 按需完成， 渗透水也可从压力罐 28 供给。
如果 TDS 传感器 40 探测到升高的 TDS 值， 则控制器可启动冲洗循环。在冲洗循环 期间， 将不产生渗透水。第一阀 32 可由控制器 200 关闭， 而第二阀 36 可被打开。第一单向 阀 82 可防止流回到渗透泵 24 中。通过打开第二阀 36， 在压力罐 28 中存储的渗透水可以高 速度通过第五单向阀 155 流到给水进口 75， 以便冲走在反渗透模块 20 中的积累的沉积物 以及在与膜相邻的水中的溶解固体。冲洗水与固体一起可通过盐水端口 45 离开。控制器 200 也可基于定期间隔启动冲洗循环。这个定期间隔和冲洗循环的持续时间可由用户或技 术人员编程到控制器 200 中。表 2 概括了根据本发明一个实施例的冲洗循环的持续时间， 该持续时间与通过盐水端口 45 的流量成比例。
表2： 冲洗持续时间
预处理筒 13 可通过除去溶解和 / 或未溶解固体起水垢抑制器的作用。预处理筒 13 可包括防垢剂成份。 在一个实施例中， 预处理筒 13 可只包括防垢剂， 而在其它实施例中， 预处理筒 13 可包括防垢剂和 / 或碳和 / 或颗粒过滤剂。 反渗透模块 20 可包括预处理介质。 预处理介质可起水垢抑制剂的作用。在一个实施例中， 预处理介质可定位成与给水进口 75 相邻， 并且由盐水密封件与盐水端口 45 相分离。例如， 预处理介质可定位在反渗透模块 20 的帽盖中。 盐水密封件可防止穿过给水进口 75 进来的进给水到达渗透水出口 76， 而不流过 反渗透模块 20。在一些实施例中， 水垢预处理介质可减少在反渗透模块 20 上结垢， 并且可 包括六偏磷酸盐。 在一些实施例中， 预处理介质可包括纳米技术材料、 聚丙烯酸或其它防垢 剂。
反渗透模块 20 可包括超光滑表面， 以防止水垢积累。防止在反渗透模块 20 上结
垢的其它措施可包括将凹坑和 / 或皱褶置于反渗透模块 20 上。皱褶可与在反渗透模块 20 内的流动方向对准。 在一些实施例中， 反渗透模块 20 可包括发声器 (sonicator)， 该发声器 可使用超声波减少或防止结垢。在一些实施例中， 反渗透模块 20 可包括纳米技术材料。
图 11A 示出了反渗透模块 20 的剖视图。反渗透模块 20 可包括给水进口 75、 渗透 水出口 76 以及盐水端口 45。 反渗透模块还可包括渗透管 212、 反渗透膜 214、 多个垫片 216、 盐水密封件 218、 壳体 220、 端帽 221、 孔径 222 以及流量控制装置 223。在一个实施例中， 反 渗透膜 214 可绕渗透管 212 包裹。渗透管 212 可具有沿其长度和圆周分布的多个孔径 222。 反渗透膜 214 可形成多个层， 这些层可由垫片 216 分离。端帽 221 可防止流入反渗透模块 20 中的进给水过早进入渗透管 212 中。盐水密封件 218 可在反渗透膜 214 的外部层与壳体 220 之间形成密封。渗透管 212 可在一个端部上封闭， 从而不能到达渗透管 212 的孔径 222 的进给水 / 浓缩物， 可通过盐水端口 45 离开。盐水密封件 218 可防止进给水与浓缩物相混 合。穿过孔径 222 进入渗透管 212 的进给 / 渗透水可穿过渗透水出口 76 离开。流量控制 装置 223 可将一定程度的紊流引入到进给水的水流中。产生的紊流可提高渗透水生产率。 反渗透膜 214 可由给水水流形成层流流动。
在给水进口 75 附近， 穿过反渗透膜 214 的进给水的流量可比离给水进口 75 较远 处小。因此， 穿过反渗透膜 214 的水的速度可在给水进口 75 附近较小， 并且可在下游方向 上增大。这种速度梯度可与在反渗透膜 214 的长度上的渗透水生产率有关。穿过反渗透膜 214 的缓慢流动速度可能增加结垢。为了帮助防止或减小在给水进口 75 附近结垢， 反渗透 膜 214 可实现到渗透水出口 76 的较大流量。在一个实施例中， 向渗透水出口 76 的流量可 在反渗透模块 20 的长度上大体恒定。
在一个实施例中， 可选择给水进口 75 的横截面， 以增大进入反渗透模块 20 的进给 水的速度。因此， 到渗透水出口 76 的流量可在给水进口 75 附近增大。在一个实施例中， 给 水进口 75、 渗透水出口 76 以及盐水端口 45 的横截面面积可大体相等。 在另一个实施例中， 给水进口 75、 渗透水出口 76 以及盐水端口 45 的横截面面积可显著地彼此不同。盐水端口 45 可具有最小的横截面面积， 给水进口 75 可具有中等横截面面积， 而渗透水出口 76 可具有 最大的横截面面积。
图 11B 示出了反渗透模块 20 的另一个实施例。垫片 216 可构造成提高渗透水的 生产。垫片 216 在给水进口 75 附近可比在渗透管 212 的封闭端部附近大。因此， 流过反渗 透膜 214 的进给 / 渗透水的速度可在给水进口 75 附近增大。关于流向渗透管 76 的进给 水， 进给水的体积流量可在纵向方向上减小。垫片 216 可构造成补偿进给水的减小的体积 流量。在一个实施例中， 垫片 216 可包括丝网。丝网与反渗透膜 214 一起绕渗透管 212 包 裹。在给水进口 75 附近体积流量的减小可由不同丝网尺寸实现。丝网可在给水进口 75 附 近厚， 而可远离给水进口 75 显著地变薄。在一个实施例中， 丝网可靠近给水进口 75 粗大， 而可远离给水进口 75 显著地变精细。因此， 通过反渗透膜 214 的流动在远离给水进口 75 的方向上可减速。流量控制装置 223 可定位在端帽 221 上， 并且可产生紊流， 以增强进给水 进入反渗透膜 214 的透过。
图 11C 示出了反渗透模块 20 的另一个实施例。垫片 216 可与渗透管 212 大体纵 向对准。垫片 216 可以不平行于渗透管 212， 并且高度可变化， 如关于图 11B 描述的那样。 垫片 216 可与在反渗透模块 20 内的流动方向大体对准。如图 11D 和 11E 所示， 垫片 216 可在反渗透膜 214 的不同层之间形成通道。如图 11D 所示， 垫片 216 可在大体径向方向上对 准。图 11E 示出了垫片 216 在反渗透膜 214 的各层之间的分布。垫片 216 可包括丝网， 该 丝网可包括可变厚度以形成通道。
在一些实施例中， 反渗透膜 214 可使用挤出的网构成， 该挤出的网由 DelStar Technologyies， Inc. 制造， 并且在商标 下销售。
图 12A-12C 示出了根据本发明一个实施例的反渗透系统 10 的元件的布置。 在一些 实施例中， 所有元件都可直接地或者用辅助支架和紧固件联接到支架 46 上。元件可布置成 使得盖子 50( 未示出 ) 可保护元件和它们的连接免于意外损坏和除去。在一些实施例中， 预处理筒 13 和反渗透模块 20 可大体竖直地安装。渗透泵 24 可定位在压力罐 28 附近， 并 且增压泵 16 可定位在反渗透模块 20 附近。因此， 在增压泵 16 与反渗透模块 20 之间以及 在渗透泵 24 与压力罐 28 之间的连接的压力损失可被最小化。电源 60 可定位在 “干燥” 位 置 ( 即， 如果连接失效或管线爆裂也不可能弄湿的位置 ) 处。
图 13A 示意地示出了根据本发明另一个实施例的反渗透系统 10 的流动路径。通 过给水进口 30 进入反渗透系统 10 的进给水可在第一歧管 14 划分成通过预处理筒 13 的水 流和进入旁通端口 35 的水流之前流过第一阀 32。增压泵 16 可增大离开预处理筒 13 的进 给水的压力。在增压泵 16 的下游， 进给水可进入反渗透模块 20， 浓缩物可从该反渗透模块 20 通过盐水端口 45 排出。反渗透模块 20 可包含与同给水进口 75 相邻的模块成整体的防 垢剂。离开反渗透模块 20 的渗透水可流过第一单向阀 82 和渗透泵 24。增压泵 16 和渗透 泵 24 可由共用马达 44 驱动， 该共用马达 44 具有两个输出轴。共用马达 44 可以是小电流 电机。在一些实施例中， 共用马达 44 可以是无刷直流马达。渗透泵 24 可将渗透水推进到 压力罐 28 中。离开压力罐 28 的渗透水可流过第五歧管 225， 该第五歧管 225 可将渗透水 出口 100 和混合物出口 135 连接到压力罐 28 上。第五歧管 225 可以是简单的 T 型管接头。 混合端口 38 可连接混合物出口 135 和第五歧管 225。DBV 105 和 FBV 115 可在单个混合 阀中组合， 该单个混合阀可沿混合端口 38 定位。混合阀 105、 115 可连接旁通端口 35 和混 合端口 38。混合阀 105、 115 可被调节， 以限制来自旁通端口 35 和进入混合端口 38 的进给 水量。如图 13B 所示， 进给水可交替地进入在预处理筒 13 下游的旁通端口 35， 从而混合阀 105、 115 可将预处理进给水与来自混合端口 38 的渗透水相混合。
图 14A 示出了根据本发明另一个实施例的反渗透系统 10 的流动路径。通过生水 进口 30 进入反渗透系统 10 的进给水可通过第一阀 32 和第一歧管 14， 该第一歧管 14 可允 许进给水的一部分进入旁通端口 35， 并且可将进给水的剩余部分导向预处理筒 13。进给水 可从预处理筒 13 由增压泵 16 泵送到反渗透模块 20 中。反渗透模块 20 可包含与同给水进 口 75 相邻的模块成整体的防垢剂。浓缩物可通过盐水端口 45 和浓缩物出口 165 离开反渗 透系统 10。通过渗透水出口 76 离开反渗透模块 20 的渗透水在被存储到压力罐 28 中之前 可流过第三歧管 22、 第一单向阀 82、 渗透泵 24 以及第四歧管 26。 渗透水的水流可从压力罐 28 由第五歧管 225 划分， 并且通过渗透水出口 100 和混合物出口 135 的至少一个离开。在 混合物出口 135 的上游， 渗透水可由混合阀 105、 115 与来自旁通端口 35 的进给水相混合。 如果反渗透系统 10 是空闲的， 则控制器 200 可关闭第一阀 32， 防止进给水进入反渗透系统 10。
在反渗透系统 10 的延长时段为空闲之后， 控制器 200 可打开第二阀 36。在一个实施例中， 延长时段可小于约三小时的结垢诱导时间， 而在另一个实施例中， 小于约一至两 小时。结垢诱导时间可取决于进给水的 TDS 水平。在一些实施例中， 结垢诱导时间也可取 决于在反渗透模块 20 上游使用的水垢抑制剂。利用打开的第二阀 36， 渗透水可在通过给 水进口 75 进入反渗透模块 20 之前， 通过第四歧管 26 和第五单向阀 155 流回， 如图 14A 和 14B 所示。在其它实施例中， 渗透水可流过第三歧管 22， 并且可通过渗透水出口 76 进入反 渗透模块 20。
进来渗透水可迫使在反渗透模块 20 内的进给水通过盐水端口 45 离开。当整个反 渗透模块 20 大体用渗透水填充时， 控制器 200 可关闭第二阀 36。用渗透水冲洗反渗透模 块 20 可帮助防止或减少在反渗透模块 20 上结垢， 以便提高渗透水的生产率和延长反渗透 模块 20 的寿命。
如图 14B 所示的流动路径可与图 14A 的流动路径类似。然而， 图 14B 示出为添加 了第二碳过滤器 240。在一个实施例中， 第二碳过滤器 240 可大体上等效于碳过滤器 12。 第二碳过滤器 240 可定位在压力罐 28 的出口 42 的下游。第二碳过滤器 240 可在第五歧管 225 的上游， 如图 14B 所示， 或者在另一个实施例中， 可定位成与混合端口 38 相邻。在压力 罐 28 中存储的渗透水可以不从在压力罐 28 内的橡胶胆囊得到不愉快味道。第二碳过滤器 240 可帮助消除或减小这种渗透水的不愉快味道。
如果存储的渗透水必须丢弃， 则压力罐 28 可通过打开第四手动关闭阀 140 排空。 然后在压力罐 28 中存储的渗透水可通过罐放水管线 145 离开。排空压力罐 28 以灭菌反渗 透系统 10 的元件可能是必要的。在再次开始渗透水的生产之前， 可从反渗透系统 10 冲洗 灭菌剂。
图 15 示出了 DBV 105 的本体 242。本体 242 包括至少一个进口 244 和出口 246。 本体 242 可包括定位在本体 242 的不同侧上的多个进口 244。进口 244 的不同位置可允许 用来连接到 DBV 105 上的选择。 例如， 多个进口 244 可相对于出口 246 定位， 以产生 90 度右 转弯、 90 度左转弯以及直通连接。本体 242 可以是模块式的， 从而它也可用于歧管 14、 18、 22 以及 26 和 / 或 FBV 115。
图 16A 示出了根据本发明一个实施例的 DBV 105。DBV 105 可包括本体 242。DBV 105 还可包括电磁线圈 248 和具有凹槽 252 的变速柱 250。凹槽 252 可以是快速连接系统 的一部分， 该快速连接系统使管道和 / 或管子容易安装。图 16A 也表示进口 244 可由塞子 253 封闭， 该进口 244 对于反渗透系统 10 的当前构造不使用。电磁线圈 248 和变速柱 250 可连接到本体 242 上。如图 16B 所示， 变速柱 250 可联接到本体 242 的出口 246 上， 从而通 过进口 244 进入的水可在离开 DBV 105 之前流过变速柱 250。电磁线圈 248 可转动变速柱 250。电磁线圈 248 可使 DBV 105 能够由控制器 200 控制。
图 17 示出了 DBV 105 的另一个实施例。DBV 105 可包括变速柱 250、 接收器 254、 标记 256 以及螺母 258。变速柱 250 可由螺母 258 联接到接收器 254 上。螺母 258 可转动 地联接到接收器 254 上。 螺母 258 可与变速柱 250 相接合， 从而螺母 258 的旋转可引起变速 柱 250 相对于接收器 254 的转动运动。标记 256 可帮助确定变速柱 250 相对于接收器 254 的位置。
图 18 示出了根据本发明一个实施例的变速柱 250。变速柱 250 可包括凹槽 252、 多个槽口 260、 通孔 262 以及多个凹口 264。多个槽口 264 可绕通孔 262 定位在变速柱 250的第一端部 266 上， 从而多个槽口 260 的至少一个可与通孔 262 流体连通。多个凹口 264 可定位在第一端部 266 上。
图 19A 示出了供变速柱 250 使用的变速盘 268。变速盘 268 可包括多个孔径 270 和多个销 272。孔径 270 可沿绕变速盘 268 的中心的圆布置。孔径 270 的尺寸可相对于彼 此变化。孔径 270 可包括最小孔径 274 和最大孔径 276。在大体圆周方向上， 孔径 270 的尺 寸可从最小孔径 274 开始增大， 并且在最大孔径 276 处结束。变速盘 268 可包括多个相同 尺寸的孔径 270。因此， 一个孔径 270 对于具有相同尺寸的另一个孔径 270 可能是冗余的。 如果孔径 270 被堵塞， 则可选择相应的冗余孔径 270。图 19B 示出了变速盘 268 的底部。销 272 可按这样一种方式定位在变速盘 268 上， 从而每个销 272 可与变速柱 250 的凹口 264 互 补。凹口 264 和销 272 可布置成使得变速盘 268 可仅在一个位置中配合在变速柱 250 的第 一端部 266 上。
图 20 示出了根据本发明一个实施例的 DBV 105 的剖视图。变速盘 268 可附接到 变速柱 250 的第一端部 266 上， 并且两者都可插入在接收器 254 中。接收器 254 可包括壁 278， 该壁 278 具有孔 280。孔 280 可与孔径 270 和槽口 260 按这样一种方式对准， 从而孔 280 可与通孔 262 流体连通。螺母 258 可在特定位置中对准变速柱 250， 并且可将变速柱 250 联接到接收器 254 上。在接收器 254 与变速柱 250 之间的连接可被流体地密封。螺母 258 相对于接收器 254 可转动， 从而不同的孔径 270 可与孔 280 对准。变速柱 250 的一定 位置可与具体孔径 270 相关， 该具体孔径 270 又可与通过 DBV 105 的具体流量相关。对于 DBV 105 的这种设计也可用于 FBV 115、 第一阀 32 以及 / 或第二阀 36。
图 21A 示出了在反渗透系统 10 的正常操作期间在显示器 55 上可提供给用户或技 术人员的指示。 在一个实施例中， 软件版本和操作小时的总数可显示在默认屏幕 300 上。 默 认屏幕 300 可表示从起动和 / 或上次复位起的操作小时总数。如果在压力罐 28 中的压力 下降到规定值以下， 则反渗透系统 10 可通过打开第一阀 32 启动渗透水的生产。在这个过 程期间， 显示器 55 可在 305 处按秒表示过去的时间。在冲洗循环期间， 按秒的剩余时间可 显示在 310 处。在冲洗循环的结束处或者如果在压力罐 28 中的压力下降到规定值以下， 则 控制器 200 可启动渗透水的生产。按秒的过去的时间可显示在 315 处。
显示器 55 可包括经用户输入对控制器 200 进行编程的按钮。图 21B 示出了根据 本发明一个实施例的控制器 200 的可编程特征。控制器 200 可从默认屏幕 300 进入程序模 式。在程序模式期间可调节到用户规范的参数可包括冲洗循环的持续时间和间隔、 用于混 合物出口 135 的 TDS 值以及用于 TDS 传感器 40 的校准例行程序。冲洗循环的持续时间可 在 320 处输入和确认， 并且接着是在 325 处冲洗循环间隔的输入。在一个实施例中， 冲洗循 环的持续时间可按约五秒增量输入， 而在冲洗循环之间的间隔可按约半小时增量输入。在 330 处， 可决定是否应该复位总操作小时。如果在 335 处不选择饮水设定 (drink setup)， 则输入到控制器 200 中的数据可在 345 处保存。如果在 335 处选择饮水设定， 则在 340 处 可显示来自 TDS 传感器 40 的 TDS 水平。DBV 105 和 / 或 FBV 115 可被调节， 直到可实现渗 透 - 进给水混合物的最佳 TDS 读数。为了较好结果， 混合物可流经 TDS 传感器 40， 并且可通 过混合物出口 135 离开反渗透系统 10。一旦 DBV 105 和 FBV 115 被调节， 在 345 处就可保 存数据。在完成保存过程之后， 默认屏幕 300 可再次显示， 并且反渗透系统 10 可进入其正 常操作模式。在一个实施例中， 在返回到默认屏幕 300 之前， TDS 传感器 40 可在 350 处借助于校准解决方案被校准。在成功校准之后， 系统可返回到默认屏幕 300， 并且反渗透系统 10 可进入其正常操作模式。
本领域的技术人员将认识到， 尽管结合具体实施例和例子已经描述了本发明， 但 本发明不一定如此限制， 并且多个其它实施例、 例子、 使用、 修改以及与实施例、 例子和使用 的偏离旨在由所附的权利要求书包括。 这里引用的每个专利和出版物的全部公开通过参考 包括在本文中， 就像每个这样的专利或出版物通过参考个别地包括在这里一样。本发明的 各种特征和优点在如下权利要求书中叙述。