具体实施方式

作为概述，本发明涉及用于制备化学溶液的装置和相关系统。本发明可用于水处理，因为本发明的装置和系统通过将化学物质与水性流体(即，在大多数情况下是水)混合来制备化学溶液，并将化学溶液提供给正在处理的水。在某些实施例中，化学物质是次氯酸钙(Ca(OCl)₂)，也称为次氯化钙。然而，应当注意，可以使用任何化学物质。通常，次氯化钙以固体的形式作为团块或片剂提供。本发明的装置溶解团块或片剂以制备用于水处理的化学溶液。因此，这些装置在本文中可以被称为例如溶蚀进料器或化学进料器。本发明的溶蚀进料器装置对于商业游泳池氯化、城市饮用水氯化、农业用水氯化和工业用水氯化特别有用。

图1和图2示出了与本公开一致的水处理装置100的实施例的前视图和透视图。装置100包括外壳115，该外壳包括下腔室120和上腔室130。如图所示，装载有化学物质(比如片剂)的桶105联接到上腔室130的开口135，该桶进而用化学片剂填充上腔室130。上腔室130可以进一步包括盖125。因此，在将化学物质从桶105转移到上腔室130时，可以移除桶105，并且可以在开口135上关闭盖125，以便覆盖开口135和其中的化学片剂。

图3和图4示出了水处理装置300、400的实施例的剖视图。在图3中，上腔室320或料斗的盖315关闭。在图4中，上腔室420的盖415是打开的，用于化学物质的桶495具有联接到上腔室420的开口485的漏斗盖490。外壳310、410包括下腔室350、450和上腔室320、420。溶解碗325、425布置在下腔室350、450和上腔室320、420的接合处。溶解碗325、425包括端部开放的顶部边缘部分327和封闭的底部部分329，所述端部开放的顶部边缘部分与上腔室320、420连通，用于从上腔室中接收化学物质。

格栅构件330、430设置在溶解碗325、425内，并且布置在溶解碗325、425的顶部边缘部分327和封闭的底部部分329之间。如图所示，格栅构件330、430通常为桶的形式，包括从基部朝向开口端部延伸的连续的侧壁(轮廓为环形)，格栅形成在所述基部中。格栅构件330、430被定形状和/或尺寸以相应地以嵌套的布置装配在溶解碗325、425内，使得格栅部分(在格栅构件330、430的基部处)搁置在溶解碗325、425内，并与溶解碗325的底部部分329保持一定距离。格栅构件330、430被构造为在其顶部表面上支撑固体的、未溶解的化学物质(特定大小和/或尺寸)，并保持化学物质与溶解碗325、425的至少底部部分329的物理分离。如图所示，格栅构件330的基部的格栅部分包括基本上与喷嘴335、435对齐的中心开口333，以允许来自喷嘴335、435的流体流不受阻碍地通过格栅部分。

喷嘴335、435设置在溶解碗325、425内，并定位在底部部分附近。喷嘴335、435被布置成将水性流体流引导到溶解碗325、425中并朝向格栅部分，从而使得水性流体接触并溶解至少一些化学物质，并至少部分地基于来自喷嘴335、435的流体流动产生水性流体和溶解的化学物质的化学溶液。喷嘴335、435居中地定位在溶解碗325、425内。在一些示例中，喷嘴335、435包括喷射器，该喷射器定向成在朝向格栅构件330、430并且远离溶解碗329的底部部分的方向上排放流体。

在一些情况下，可能需要尽快关闭来自喷嘴335、435的流体流动，以避免对装置300、400的潜在损害，特别是在压力可能增大并呈现潜在危险情况的情况下。因此，装置400进一步包括紧急关断阀465，以提供喷嘴335、435和装置300、400的其他流体流动部件的立即关闭。

上腔室420包括开口485，用于将化学物质装载到外壳410中，特别是装载到上腔室420中，并进一步装载到溶解碗425中。溶解碗325包括出口375，该出口沿着溶解碗325的侧壁的一部分设置，并且在格栅构件330的基部处靠近格栅部分。如图所示，出口375通常与下腔室350流体连通，并允许化学溶液从溶解碗325流动到下腔室350、450中。出口375基本上与格栅部分的至少底部表面对齐，使得当来自喷嘴335、435的流体流动终止时，保留在溶解碗325、425内的流体的安定体积下降到格栅部分的顶部表面之下，同时保持与格栅部分的底部表面接触。来自溶解碗325、425的出口流动370被引导以落入到设备的化学溶液出口端口附近的下腔室350、450中。下腔室350包括轮廓基部355、455，在轮廓基部355的中心处限定有下部段357。提供给下腔室350、450的入口流动与轮廓基部355在功能上结合，用于将包含在化学溶液中的任何固体的、未溶解的化学物质的流动引导向轮廓基部355、455的下部段357，从而将固体的、未溶解的化学物质从化学溶液中移除并远离设备的出口端口。

图5示出了水处理装置500的组件的分解视图。包含有化学物质的桶505被翻转。漏斗盖510可释放地联接到桶505。漏斗盖510包括与上腔室525的开口535互锁的互锁特征。上腔室525附接到下腔室520。图6示出了本发明水处理装置的上腔室600的组件的分解视图。溶解碗620设置在上腔室625内。上腔室625的盖610布置在上腔室625的顶部。盖610具有开口615，用于将化学物质装载到上腔室625中。

图7示出了溶解碗725的组件。溶解碗725具有围绕顶部边缘部分730布置的多个洞720。多个洞720与下腔室连通，并允许流体从溶解碗725溢出到下腔室。格栅构件710设置在溶解碗内。格栅构件710包括基本上与喷嘴715对齐的中心开口，以允许来自喷嘴715的流体流不受阻碍地通过格栅710。喷嘴715设置在溶解碗725内，并定位成在溶解碗725的底部部分附近。喷嘴715被布置成将水性流体流引导到溶解碗725中，并朝向格栅构件710的基部的格栅部分，从而使得水性流体接触并溶解至少一些化学物质，并至少部分地基于来自喷嘴715的流体流动来产生水性流体与溶解的化学物质的化学溶液。喷嘴715居中地定位在溶解碗725内。

图8是与本公开一致的格栅构件的实施例的俯视平面图。图9和图10是格栅构件的部分截面的侧视图和透视图，示出了形成格栅部分的梁的形状。格栅部分900包括相对于彼此布置的第一组梁和第二组梁的框架，第一组和第二组中的每个梁950包括基本上椭圆形的横截面形状。每个梁950包括两个相反的弓形的侧壁960、965，这两个侧壁在每个侧壁的相应的顶部端部920和底部端部930处彼此会聚，以形成梁950的对应的顶部表面910和底部表面940。第一组梁基本上彼此平行且间隔开，并以第一方向970定向，第二组梁基本上彼此平行且间隔开，并以垂直于第一方向的第二方向980定向。第一组梁和第二组梁彼此交叉，从而形成格栅。如图所示，格栅部分包括限定在第一组梁和第二组梁之间的多个正方形的开口990，所述开口允许流体流动穿过其中。在优选实施例中，多个开口中的每个正方形的开口990为1/4平方英寸。格栅部分900包括基本上与喷嘴对齐的中心开口995，以允许来自喷嘴的流体流不受阻碍地通过格栅部分900。

图11和图12示出了可用于本发明的喷嘴的实施例的前视图和透视图。本发明中可以使用任何合适的喷嘴。在一些实施例中，喷嘴是具有流体进入端口的喷射器，以产生文丘里效应，从而将内腔室中的流体吸入到喷射器中。喷射器喷嘴通常定位在罐中流体的表面之下，以保持流体运动。罐中的液体通过喷射器循环，以确保不会发生沉降或液体分离。喷射器在喷嘴壳体的后部具有间隙，除了通过喷嘴泵送的流体之外，该间隙还允许周围的流体被吸入和移动，从而允许喷射器移动大约5倍量的泵送流体。任何合适的喷射器都可以用于本发明。例如SNP(the Spray Nozzle People)(英国贝特有限公司)制造的喷射器。因此，与传统的化学进料器相比，装置300、400被设计成产生理想浓度的氯。例如，传统的化学进料器，比如次氯化钙溶蚀氯化器，通常产生低浓度的溶液，这进而需要使用离心泵来从化学进料器中移除大体积的低浓度溶液，并进入整个供水/过滤系统(即水池等)。经过泵的氯浓度会在短时间内导致泵故障。与传统的系统和装置相比，装置300、400产生更高浓度的氯，使得泵和文丘里注射器用于从装置中移除足够体积的制备好的化学溶液，从而例如处理大型商业游泳池。

装置300、400中使用的喷嘴包括夹带特征，该夹带特征使溶解碗中的溶液充分地再循环，以使溶液与团块/片剂更紧密接触，从而在溶液离开溶解碗之前增加浓度。此外，出口的位置(高度)和横截面积使得当约2至约4gpm的流量通过入口喷嘴时，溶液将上升到团块/片剂床中。当流动终止时，溶液下降到格栅部分的顶部之下，从而将化学物质保持在水之外并停止溶解过程。这种特征保持了一致的高氯浓度(约0.8％)，并防止团块/片剂糊化。

此外，格栅的底部表面是尖的，这允许水更自由地朝向置于格栅的顶部的团块/片剂流动，从而增强从喷嘴的流出在团块上的冲击。相比之下，平坦的表面会减少朝向团块/片剂的水流动的冲击。此外，在喷嘴喇叭正上方的格栅中存在孔。该孔允许来自喷嘴的大体积的流动渗透到床中，不受来自格栅的任何偏转的阻碍。这导致溶液的浓度高于不存在孔的情况的浓度。格栅具有大约1/4英寸的开口正方形图案。格栅的顶部和底部是尖的，梁是椭圆形的。从每个椭圆形的格栅梁的底部点到顶部点进行测量，格栅的厚度约为1/2英寸。在某些实施例中，梁和格栅是通过注射成型产生的。

大约1/4英寸的正方形开口允许足够的流动通过格栅，同时将固体的化学块保持在格栅上方，直到化学固体足够小而没有影响。如果化学固体太大，并且落到喷嘴所在的溶解碗的底部，喷嘴可能会被阻挡。特别是，如果块太大，喷嘴将由于被阻挡的夹带特征而经历流动减小，从而降低片剂的溶解速率和整个系统的氯输出速率。格栅的结构部件之间大约1/4英寸的开口正方形的格栅图案提供了最高的浓度，而不允许大到足以阻碍夹带的团块碎片通过格栅落入到溶解碗中。

本发明提供了避免水垢沉积的水处理设备。传统的次氯化钙溶蚀氯化器存在水垢沉积的问题。格栅上的水垢沉积和进料器中不溶性颗粒的积累导致维护问题，需要酸清洁和机械去除固体。然而，本发明通过提供一定形状的格栅将水垢的沉积最小化。格栅的顶部的形状是尖的，几乎没有水平的表面区域，防止水停留在格栅的顶部，并且当表面在进料阶段之间变干时，使通常在格栅的支撑次氯化钙团块/片剂的水平部分上产生的水垢沉积最小化。

此外，格栅的厚度允许格栅的底部保持浸没在水下。在一些实施例中，格栅厚度约为1/2英寸。因为格栅的底部保持浸没，所以本发明防止了进料阶段之间的干燥过程，在干燥过程期间水垢层通常会沉积。因此，本发明保持格栅的底部相对没有水垢积累。

格栅还保护出口不被任何团块或片剂或其部分阻挡，从而通过溶解碗实现均匀、最佳的流动。如果出口仍然以某种方式阻挡，溶解碗中存在一系列溢流孔，防止化学进料器溢出次氯化钙溶液。在实施例中，溶解碗包括大约八个溢流孔。

此外，本发明的装置被设计成避免可能导致装置或系统内阻挡的固体的积聚。溶解碗的出口流动被引导以下落到进料器的出口端口附近，以增强从进料器基部去除固体。重力用于提供搅拌基部中的溶液所需的能量，从而使颗粒悬浮，以便它们能够更容易地随着出口流动被移除。进料器的基部的轮廓使得当与搅拌流动结合时，有利于固体的悬浮，所述搅拌流动由新鲜池水或进料器中的再循环溶液(基于磁力驱动再循环泵产生的流动)提供。当氯化的溶液通过计量泵或文丘里管从基部罐中排出时，固体的悬浮允许移除固体。入口或再循环流动的位置与基部的轮廓一同起作用，将固体的流动引导到罐的中心部分。在罐的中心部分处，固体被吸引通过再循环系统(比如在市政设计实施例中)，或者被引导到出口阀(比如在水池实施例中)。

在某些实施例中，由氯化石灰制成的次氯酸钙是进料器中使用的氯的类型。该工艺生产的次氯酸钙纯度约为68-72％。另外约30％由惰性盐组成，主要是钙，约3％是碳酸钙或白垩，几乎不溶。碳酸钙(CaC03)必须保持悬浮，以便与氯化溶液一起流动出碗。碗的形状(包括壁的斜度和在中间具有喷嘴)有利于不溶性颗粒朝向喷嘴移动，在喷嘴处，溶液的最剧烈的搅拌保持不溶性物质处于悬浮状态。通过喷嘴洞的入口流动产生通过喷嘴的喇叭的高速水流。高速水流产生低压，将碗中的周围流体吸入到水流中，从而将通过喇叭的总流量增加约3-4倍。增加的是总流量，约3gpm的入口流量产生通过喷嘴喇叭的流量约9-12gpm。该夹带特征在本发明中用于使固体悬浮以从进料器溶解碗中去除。

此外，本发明减少了传统化学进料器装置所需的维护的量。随着颗粒通过再循环泵，将固体颗粒引导到再循环泵的入口具有减小颗粒的尺寸的附加的益处，例如通过粉碎，允许较小的颗粒更容易悬浮。如果颗粒保持悬浮状态，则颗粒会被出口流动从进料器移除。研究表明，直径大于约800微米的颗粒很难在搅拌下保持悬浮。颗粒被保留在进料器内，需要通过物理移除来维护进料器。

在本发明中，新鲜的池水搅拌使用非常高的脉冲流动，该脉冲流动被引导以将颗粒提升到悬浮状态，以便通过出口流动来去除，这与传统系统中使用的低流动连续冲洗系统形成鲜明对比。脉冲流动是必要的，以避免超过出口流动容量，同时提供悬浮或冲洗进料器基部罐中的颗粒所需的能量。

根据本公开的另一方面，制备化学溶液的方法包括提供具有外壳的化学进料器，该外壳具有上腔室和下腔室。溶解碗设置在上腔室和下腔室的接合处。溶解碗具有居中地设置在溶解碗中的格栅。喷嘴设置在格栅附近，并且被定向成朝向格栅竖直地向上排水。

图13示出了无尘的漏斗帽桶的实施例的组件。本发明的装置允许将漏斗盖或帽1210附接到包含化学物质的桶1230上。典型地，用户在给水处理装置装载化学物质时会接触到有害的化学物质。例如，在传统的化学进料器中，用给进料器装载化学物质的固体团块或片剂会产生空气中的化学粉尘。吸入和以其他方式接触用于水处理的化学物质，如次氯酸钙(次氯化钙)，会导致眼睛、皮肤、鼻子和喉咙的严重灼伤和刺激。

在本发明中，团块/片剂的无尘装载是通过桶/料斗配合系统完成的。桶的盖被取下，换成具有互锁特征的漏斗型盖，一旦安装，可将漏斗牢固地保持在桶上。一旦漏斗牢固地安装在桶上，桶就可以被提升并翻转到料斗的凹形特征上，类似于水冷却器装载过程。大多数人都可以完成这种转换，这样就可以将桶放置在料斗上，在此过程期间几乎没有粉尘逸出。然后顺时针旋转桶，将桶互锁在料斗上，例如转动20度。

几分钟后，可以将桶移除，让粉尘沉淀在进料器内。或者，桶可以留在原位，用作进料器盖。在某些实施例中，桶可用于额外的容量。在该示例中，桶翻转到料斗上，料斗中几乎装满了团块/片剂。漏斗与料斗互锁，从而将料斗容量增加了近50磅。在例如长的周末没有操作员的情况下，这种选择可能是期望的。

图14示出了联接到化学物质桶1330的漏斗盖1310的实施例。漏斗盖可释放地附接或可释放地联接到桶的顶部边缘。卡扣或闩锁1320可以用于将漏斗盖1310附接到桶1330。为了将漏斗盖1310附接到桶1330，用户将卡扣或闩锁1320接合。为了释放漏斗盖1310，用户使闩锁或卡扣1320脱离。卡扣、闩锁、杠杆或其他互锁特征1320需要将手特意放置在特征1320上，例如按压卡扣或闩锁1320，同时逆时针旋转漏斗盖1310以从桶1330移除漏斗盖1310。出于安全原因，提供了本发明的这种特征，从而当桶1330翻转在料斗上并且装满团块或片剂时，防止漏斗盖1310从桶1330上意外移除。在本发明的某些实施例中，漏斗盖1310固定到桶1330，而桶1330是静止的，并且漏斗盖1310顺时针旋转到桶1330的顶部边缘上。卡扣或闩锁1320具有比如成角度的棘爪或齿的特征，该特征允许漏斗盖1310以顺时针旋转拧到桶1330上。通过按压闩锁1320并将漏斗盖1310逆时针旋转离开桶1330，漏斗盖1310从静止的桶1330移除。

上腔室包括用于将化学物质装载到外壳中和溶解碗中的开口。该开口包括连接配件，该连接配件被构造成与包含化学物质的单独的桶构件的相应的连接配件接合。上腔室的开口的连接配件和桶构件的连接配件包括互锁接合配件，该互锁接合配件被构造成将桶构件可释放地联接到上腔室。桶构件包括联接到其上的盖，其中盖包括漏斗形的主体，该漏斗形的主体在直径上从较宽的第一端部到较窄的第二端部逐渐变细，所述较宽的第一端部直接联接到桶构件的开口端部，所述较窄的第二端部被定位成与第一端部具有距离并远离桶构件，所述桶构件与容纳化学物质的桶的漏斗盖互锁。

图15示出了将化学物质桶联接到水处理装置的实施例。漏斗盖允许桶附接到上腔室。上腔室的盖是打开的。漏斗帽桶被翻转并放置在上腔室的顶部的开口处。顺时针方向旋转漏斗帽桶使漏斗帽桶与上腔室互锁。逆时针方向旋转漏斗帽桶使漏斗帽桶从上腔室释放。

图16示出了根据本发明的系统的实施例。系统1500包括化学进料器1510、控制器1520、泵1530以及可选的文丘里管1540。泵1350用于通过管道泵送流体。流体从泵1530流动到管道中的文丘里特征1540，例如文丘里阀或泵，其在管道内产生收缩，从而改变流动通过管件的流体流特性。流体也可以从泵1530通过管道流动到化学进料器1510。流动通过化学进料器1510的流体被处理，并且处理过的流体从化学进料器1510输出到文丘里管1540，以继续通过管道行进，从而提供化学处理过的水。

通过泵1530(例如增压泵)产生的高压进到化学进料器中的流动在进入化学进料器1510时分成两股水流。一股水流将水送至控制到制造氯溶液的喷嘴的流动的螺线管。第二股水流将水送至控制清洗或冲洗或搅拌喷嘴的流动的螺线管。通过使用对螺线管的电子控制，通过编程，提供了更高流量的更短脉冲，以更有效地搅拌溶液。搅拌使不溶性物质保持悬浮状态，以便随着氯溶液流动出进料器的基部而去除。化学进料器的排放罐中有足够的顶部空间来容纳短时间的高流量，其可以超过文丘里管产生的出口流量。在3-5gpm的流动速率下，持续时间将为15秒至1分钟。大多数进料系统文丘里管产生3gpm的出口流量。因此，任何超过3gpm的流量最终都会超过出口流量，必须用计时器控制。没有计时器的后果是将会开启高液位开关，这将触发警报并通过关闭螺线管来终止入口流量，或者将会接合机械溢流阀，这将在所述流量到达螺线管之前终止入口流量。这样的警报会让操作人员感到不安。此外，机械阀的接合会导致单元的性能不佳，因为入口流量被缓慢地切断，导致氯输出减少。

泵1530通信地联接到控制器1520。控制器1520通信地联接到化学进料器1510。控制器1520还可以通信地联接到水处理系统的其他特征，比如指示化学进料器上游和下游的氯水平的传感器。控制器控制流向化学进料器的流体流动。在某些实施例中，控制器提供通过化学进料器的脉冲流动。来自喷嘴的流体流动导致下腔室中的流体液位上升到格栅的顶部表面之上。阻止来自喷嘴的流体流动会导致下腔室中的流体液位下降到格栅的顶部表面之下。在一些实施例中，该系统进一步包括用于减小固体化学物质的颗粒尺寸的再循环泵。

本文描述的本公开的方面，比如如上所述的控制流体通过系统的运动，以及监控和控制各种参数，可以使用任何类型的控制器或计算装置来执行，比如计算机或可编程逻辑控制器(PLC)，其包括处理器，例如中央处理单元，或计算装置的任何组合，其中每个装置执行过程或方法的至少一部分。因此，本公开的方法可以使用软件、硬件、固件、硬接线或这些的任意组合来执行。实现功能的特征也可以在物理上位于不同的位置，包括被分布使得部分功能在不同的物理位置实现(例如，在一个房间中的化学进料器和在另一个房间中，或者在单独的建筑物中的主工作站，例如，利用无线或有线连接)。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以用手持装置来执行，例如智能平板电脑、智能电话或为系统生产的专用装置。例如，适于执行计算机程序的处理器包括例如通用和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或更多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或更多个存储装置。通常，计算机还将包括或可操作地联接到一个或更多个用于存储数据的非暂时性大容量存储装置，例如磁盘、磁光盘或光盘，以从其接收数据或向其传输数据，或两者兼有。在一些实施例中，系统上的传感器经由蓝牙将过程数据发送到位于培养箱外部的中央数据收集单元。在一些实施例中，数据被直接发送到云，而不是物理存储装置。适于包含计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，包括例如半导体存储装置(例如，EPROM、EEPROM、固态驱动器(SSD)和闪存装置)；磁盘(例如，内部硬盘或可移动盘)；磁光盘；和光盘(例如，CD和DVD盘)。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或结合在专用逻辑电路中。

本文描述的主题可以被实现为一个或更多个计算机程序产品，比如有形地包含在信息载体(例如，非暂时性计算机可读介质)中的一个或更多个计算机程序，用于由数据处理设备(例如，可编程处理器、计算机或多台计算机)执行或控制其操作。计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、应用程序、宏或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译语言或解释语言(例如，C、C++、Perl)，并且该计算机程序可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适于在计算环境中使用的其他单元。本发明的系统和方法可以包括用本领域已知的任何合适的编程语言编写的指令，包括但不限于C、C++、Perl、Java、ActiveX、HTML5、Visual Basic或JavaScript。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或更多个实施例中以任何合适的方式组合。

本文采用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时，不旨在排除所示出和所描述的特征(或其部分)的任何等同物，并且应当认识到在权利要求的范围内各种修改是可能的。因此，权利要求旨在覆盖所有这些等同物。

除了本文示出和描述的那些之外，本发明的各种修改及其许多进一步的实施例对于本领域技术人员来说将从本文件的全部内容中变得清楚明白。本文的主题包含重要的信息、范例和指南，这些信息、范例和指南可以适用于本发明在其各种实施例及其等同物中的实践。