便携式电解系统的制作方法

本发明一般涉及用于制备电化学活化溶液(例如电解水)的装置和系统。更具体地，本发明涉及同时生产碱性电解水和酸性电解水。

背景技术

电解含有碱金属盐的水以产生酸性电解水和碱性电解水的系统和方法是已知的。酸性电解水通常具有约3.0至约6.5的ph，通常包含消毒剂，其在各种消毒的应用与日俱增，包括医疗、农业和食品加工业以及其他公共机构环境。碱性电解水还具有消毒以及洗涤和变性作用，并且可用于清洁油和油脂污渍。氯化钠通常用作溶解在水中的碱性盐，因为它产生环境友好、有效且成本低的酸和碱。

用于电解水的已知系统和方法可能是复杂的，甚至可能是难以操作的。一些已知的系统和方法需要在进入该已知系统之前对水进行大规模的预处理。例如，一些电解过程需要非常纯的水以便始终如一地生产电解水产品。大规模预处理的实例包括但不限于蒸馏、去离子、膜处理等。

在许多应用中存在对较少量生产电解水产品的需求。例如，家庭和较小的商业机构如餐馆、服务站和杂货店需要酸性电解水和碱性电解水清洁产品，但其数量明显低于通常由市售的水电解系统生产的量。这种市售的水电解系统通常产生大量的电解水产品，其适用于更大的场所，例如工业设施、医院、旅馆和其他公共机构场所。在较小的环境中使用这些大量生产的水电解系统是不经济的。

一些市售的水电解系统也可能过于复杂并且维护成本昂贵，如果系统仅偶尔操作(例如当对电解水产品产生特定需求时)，这可能是一个问题。另外，如果连续操作，或至少半连续操作，用于电解水的已知系统和方法通常更有效，但这并不利于携带。便携式系统往往相对较小，并且通常需要输入系统的水基本上不含钙和镁。所有用于电解水的系统，特别是尺寸相对较小的系统，通常易于由硬水引起结垢。水硬度在该国的不同地区以及地理区域内的当地差异很大。水硬度会严重阻碍水电解系统的可靠电解处理。

技术实现要素：

鉴于前述内容，本发明的目的是提供一种具有紧凑设计的电解系统，其允许系统的便携性。

本发明的另一个目的是提供一种前述类型的电解系统，其提供简单、成本有效的系统操作控制。

本发明的另一个目的是提供一种如上所述的电解系统，其能够有效地并且以按需方式操作以产生单批电解水。

本发明的另一个目的是提供一种前述类型的电解系统，其能够在没有任何固定管道的情况下操作。

这些目的不旨在限制本发明的范围。此外，通过阅读以下详细描述并参考附图，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的示例性便携式水电解系统的前透视图。

图2是图1的水电解系统的顶部剖视图。

图3是图1的水电解系统的局部剖视后透视图。

图4是图1的水电解系统的分解后透视图。

图5是用于操作图1的水电解系统的示例性电气系统的示意图。

虽然包含本发明总体构思的实施方式可以采用各种形式，但是，应当理解，本公开在附图中示出并且将在下文中描述的各种说明性和优选实施方式仅仅为了示例的目的而被示出，其不旨在限于特定实施方式。

具体实施方式

参见图1，示出了根据本发明的教导构造的便携式电解系统10的说明性实施方式。图示的便携式电解系统10可用于电解水和碱性盐的溶液，以产生酸性电解水和/或碱性电解水。酸性电解水(即酸性消毒剂)和碱性电解水(即碱性清洁剂)都具有有益的消毒和清洁性能，使它们可用于各种应用，包括医疗、农业、食品加工和公共机构。根据一个实施方案，水和盐溶液是包含水和氯化钠的盐水或盐水溶液。取决于工艺条件，包含水和氯化钠的盐水溶液的电解产生次氯酸水溶液(例如酸性消毒剂)和氢氧化钠水溶液(例如碱性清洁剂)，每种都是水性化学溶液。如本领域技术人员将理解的，本公开不限于任何特定溶液的电解或在任何特定应用中的用途。

本文使用术语“水性溶液”和水性化学溶液来描述通过本文公开的盒、电池、系统或方法产生的含水液体(例如，酸性电解水和碱性电解水)，或将变为如此的含水液体(例如，淡水、任何进入、包含在或离开空间100的中间物质)。尽管盐水在该术语的一般意义上是水溶液，但盐水并不是本申请中提及的“水性溶液”或“水性化学溶液”。

便携式电解系统10可包括壳体12，在壳体12内可布置与系统10相关联的各种部件。如下面进一步讨论的，壳体112的尺寸可以相对紧凑。紧凑的配置不仅可以节省空间，这对于可能使用电解系统10的较小场所(例如餐馆和家庭)来说可能是一个重要问题，而且还允许电解系统10的便携性。在这种情况下，壳体12包括底座14，直立的外壁16和盖18。壳体12的内部被构造成界定盐水容器或盐水隔间20和单独的淡水隔间22。如图2-4所示，壳体12内部的盐水隔间20和淡水隔间22可以由直立的内壁24分开，使得每个隔间由壳体的外壁16的一部分和内壁24界定。在图示的实施方式中，如图4中最佳所示，壳体12的盖18中具有填充开口26，当盖18布置在壳体12上时，该填充开口26与淡水隔间22连通，并且如下所述，可以通过该填充开口26将淡水引入淡水隔间22中。填充开口26具有相关联的盖28，当淡水隔间22未被填充时，该盖28可用于封闭填充开口26。本领域技术人员将理解，壳体12可以被配置为迎合填充淡水隔间22的其他方式。例如，可以通过移除整个盖18来填充淡水隔间22，或者盖18可以枢转地附接到壳体12上以允许盖相对于壳体在打开位置和关闭位置之间枢转来填充淡水隔间22。

具有带正电的电极31(即，阳极)的至少一个电解盒30和具有带负电的电极31(即，阴极)的至少一个电解盒30可以布置在盐水隔间20中，如图2和图3所示。电极31布置在相应的盒30的内部，因此未在图2-图5中示出。然而，电极31在图5的电路图中示意性地示出。电解盒30可以浸没在盐水隔间20中包含的盐水中，基本上电解盒30的所有侧面都通向盐水。如本文所用，术语电解池由一对电解盒30组成，其中一个电解盒30具有带正电的电极31，另一个电解盒30具有带负电的电极31。使用开放式盐水隔间20和浸入式电解盒30消除了对任何阻塞性中间隔间的需要，从而允许流体更自由地流过系统。它还消除了对引导流体流动的复杂导向器的需要，从而简化了设计并提高了效率。

盒30被配置成电解盐水隔间20中的盐水，从而将带正电和带负电的离子吸入相应的盒30中。为此，每个盒30可包括离子渗透膜32(在图3和图4中可见)。根据一个实施方式，离子渗透膜32设置在每个盒30中的电极31的每一侧上。在每个电极31的任一侧上布置膜32通过允许离子从其任一侧被吸入盒30中而增加了每个电极31可实现的产量。根据替代实施方式，每个盒30可以被构造成具有仅布置在电极的一侧上的离子渗透膜32。

如图3和图4所示，每个盒30可包括盒壳体34，盒壳体34支撑相关联的电极31和离子渗透膜32。在这种情况下，盒壳体34为相应的盒30提供相对薄的矩形结构，其具有基本上平坦的侧面，其中一个可以在图3和图4中看到。盒壳体34可在其中的每一侧具有多个开口，盐水可通过所述开口到达膜32的表面。在所示实施方式中，两个盒30以并排关系支撑在系统10的盐水隔间20中。此外，盒30被支撑成使得彼此面对的盒的侧面间隔开足够的距离以允许盐水进入两个盒30之间的空间。这允许离子经由支撑在盒中的相应电极31的任一侧上的离子渗透膜32进入每个盒30。虽然示出了两个盒30以并排关系支撑，但是本领域技术人员将理解，盒30可以以其他布置支撑在盐水隔间20中。此外，虽然示出的盒30具有通常为矩形配置的壳体，但是本领域技术人员将理解，也可以使用其他配置。

包含在每个盒30中的电极31通常由导电物质构成，该导电物质通常是金属。在某些实施方式中，阳极(即带正电的电极31)由与酸性水溶液(例如酸性电解水)相容的物质构成。在一个优选的实施方式中，阳极由涂有混合金属氧化物涂层的钛构成，例如某些金属的氧化物涂层。在某些实施方式中，混合金属氧化物涂层包含钽、钌和铱的氧化物。在某些实施方式中，阴极(即带负电的电极31)由与碱性水溶液相容的导电物质构成。在优选的实施方式中，阴极由钛或其合金构成。电极31可以具有例如实心板或凹坑结构，或者以其他方式构造以提供执行本文所述的电解反应所需的电流。

为了允许离子流向电极板31，膜32是离子可渗透的。特别地，具有带负电的电极31的盒30配备有正离子交换膜32，即阳离子选择膜。在某些实施方式中，阳离子选择膜允许碱离子通过。在优选的实施方式中，阳离子选择膜允许钠离子通过。在优选的实施方式中，阳离子选择膜由磺化的四氟乙烯基含氟聚合物-共聚物构成。具有带正电的电极31的盒30配备有负离子交换膜32，即阴离子选择膜。在某些实施方式中，阴离子选择膜允许卤化物离子通过。在一个优选的实施方式中，阴离子选择膜允许氯离子和/或氯酸根离子通过。在优选的实施方式中，阴离子选择膜由具有磺化的四氟乙烯涂层的聚四氟乙烯布构成。根据优选实施方式，膜18具有刚性但多孔的结构。

关于盒、电极和膜的实施方式的结构和操作的其他信息可以在美国专利号8,753,489和9,103,043以及待审美国临时申请号62/174,791和62/111,980的专利文献中找到，其公开内容通过引用并入本文。

如图4所示，每个电解盒30具有淡水入口36(即，空间的入口)，其将淡水引导到盒30中膜32和电极31之间的空间。在盒30中，淡水与吸入该空间的离子混合形成酸性水溶液(在具有有带正电的电极31的盒30中)或碱性水溶液(在具有带负电的电极31的盒30中)。每个盒30还具有出口38，相应的水性化学溶液(酸性水溶液或碱性水溶液)可通过出口38离开盒30。盒30中淡水与离子混合的空间被密封，使得当浸没在盐水中时，离子进入盒30的唯一流动路径是通过膜32，因此只有某种离子(即，带正电的离子或带负电的离子)可以进入特定盒30的内部。

每个盒30可以被认为是独立的，因为它仅需要浸没在盐水隔间20中，适当地充电，并且在淡水隔间22和化学品出口连接到淡水源，只要存在至少两个盒30，其中一个盒具有带正电的电极而另一个盒具有带负电的电极。然而，每个系统的多个盒30可以包括在特定系统中，并且每个系统可以不存在相同数量。虽然所示实施方式在每个盒30的下端(相对于在盐水隔间中支撑的盒)具有淡水入口36以及在每个盒30的上端具有水性化学溶液出口38，但是盒30可以被构造成使得从盒的同一端，水被引入并且水性化学溶液被抽出。

为了允许淡水从淡水隔间22转移到每个盒30的入口36，每个盒的入口36连接到淡水供应管40(其一部分可以在图3中看到)，淡水供应管40与淡水隔间22连通。此外，每个盒30的出口38连接到化学品填充管42，化学品填充管42被构造成将离开盒30的水性化学溶液引导到分配系统44。在这种情况下，如图1中所示，分配系统44设置在壳体12的前端，并且包括歧管46(参见图3)，化学品填充管42从盒30连接到歧管46。歧管46布置在分配站48上方的壳体12的前端的上部，其在图1中最佳地示出。所示的分配站48包括位于壳体前端的外壁16中的凹陷部分50，其在歧管46下方界定平台52，在该平台52上可放置一个或多个待用水性化学溶液填充的容器。歧管46可被构造成将从化学品填充管42接收的水性化学溶液朝向分配站48的平台52向下引导到位于那里的一个或多个容器中。

在所示的实施方式中，分配站48的平台52被构造成有两个分配位置54，在这种情况下，分配位置54并排布置在歧管46下方，如图1所示。每个分配位置54的尺寸适于容纳一个操作者希望用水性化学溶液填充的便携式容器，例如瓶子。根据一个实施方式，两个分配位置54的尺寸和构造可以相同。例如，每个分配位置54可以被构造成容纳最大容量约为1升的容器。

在所示实施方式中，歧管46被构造成将碱性电解水输送到分配位置54中，以及将酸性电解水输送到另一个分配位置54中。应当理解，分配站48可具有与图中所示不同的配置。例如，其中一个分配位置54可以相对大于另一个(即，能够接收相对较大容积的容器)。另外，分配位置54可以相对于彼此不同地定向，例如间隔得更远或者用分隔墙隔开。根据另一个可选实施方式，分配系统44可以被配置成将由盒30产生的一些或全部水性化学溶液引导到排出软管，排出软管可用于填充较大容器，例如，没有放置在分配站48中的桶。分配系统44可以被配置成将酸性电解水和碱性电解水中的一种或两种引导至排出软管。

为了驱动淡水隔间22中的淡水移动到盒30的相应入口36，电解系统10包括泵56。更具体地，泵56(在图4中示意性地示出)被构造和布置成与布置在盐水隔间20中的每个盒30的淡水入口36流体连通。此外，泵56被构造和布置成与壳体12的淡水隔间22流体连通，并且可操作以将淡水从淡水隔间22中抽出并通过淡水供应管40将其在压力下引导至盒入口36。所示的泵56是电动的并且布置在壳体12下部的隔间中，位于盐水和淡水隔间20,22下方。泵56被构造成产生足够的流速和压力，以将淡水从淡水隔间22输送到每个盒20的入口36，并将水通过每个盒20的内部移动，以吸收离子，然后通过相应的盒出口38和相关的化学品填充管42将所得的水性化学溶液输送到歧管46。根据一个实施方式，泵56被配置成产生每分钟约0.27至约0.33加仑的流量。

为了向泵56以及容纳在盒30中的电极31供应电力，便携式电解系统10包括电源58。在所示实施方式中，电源58通过线60电连接到每个电极31，如图4所示。这些线60延伸到电源58，其中在这种情况下，电源58被布置在盐水隔间20和淡水隔间22之间的壳体12后部的电源隔间60中。为提供电源58的连接，壳体12的外壁16包括可移除的面板64，当移除时，其提供进入电源隔间62的开口。电源58具有附接的电源线66，其可用于连接(例如通过电源插座)电源58到现有电气系统的便携式电解系统10的使用位置。根据一个实施方式，电源58被配置为产生24v。

为了控制盐水隔间20中的盒30中的泵56和电极31的操作，可以通过包括控制电路68的控制系统引导电源58与盒30中的电极31和泵56的连接。特别地，控制系统可以被配置成基于在这种情况下通过淡水供应管40流到电极31的淡水流动来自动控制泵56和电极31的电力。如图5所示，控制电路68可以包括插入在电源58和泵56与电极31之间的继电器70。继电器70可以包括在连到电极31的线60中的一个开关72和在连到泵56的线76的一个开关74。在所示的实施方式中，该继电器70中的开关72,74处于常开位置，其中断从电源56到电极31(通过线路60)和到泵56(通过线76)的电力流动。

继电器70的闭合和断开由继电器控制电路77控制，该继电器控制电路77包括手动闭合/断开开关78和流量开关80，如图5所示。流量开关80被配置成在检测到淡水从淡水隔间22流到盒30时(例如在淡水供应管40中)闭合。流量开关80也在图4中示出。再次参见如图5所示，继电器控制电路77被配置成有并联的闭合/断开开关78和流量开关80，使得闭合/断开开关78或流量开关80的闭合完成继电器控制电路77，以允许电流从电源58流向电感线圈84。电感线圈84的电流闭合继电器开关72,74，以允许电力从电源58流到盒30中的电极31和泵56。在这种情况下，在继电器控制电路77中设置指示灯82，当在继电器控制电路77中有电流流动时，该指示灯82点亮。因此，当电力流向电极31和泵56时，指示灯82点亮。

闭合/断开开关(on/offswitch)78被配置为手动操作，使得电解系统10的操作循环可以由操作者将开关致动到闭合位置开始。如上所述，开关78的闭合致动继电器70并允许将电力输送到电极31和泵56。然后泵56启动并开始将流体从淡水隔间22移动到盒30。由闭合/断开开关78的致动产生的流体到盒30的初始流动足以致动流量控制开关80并将其闭合。因此，当操作者致动以开始电解系统10的操作时，闭合/断开关78仅需要关闭一段短时间。一旦泵56启动，闭合/断开关78可以重新断开，然后通过继电器控制电路77的电流由流量控制开关80控制。当淡水隔间22排空淡水时，淡水将停止流到盒30并且流量控制开关80将被停用。这将打开继电器控制电路77，停止流向电感线圈84的电流，导致开关72,74的断开以及停止流向电极31和泵56的电流。

本公开的控制电路68提供了一种简单、成本有效的方式来控制电解系统10的操作，特别是控制电流和流体到盒30的流动。控制系统不需要任何复杂的电子设备，如必要的微电子控制。同样，不需要复杂的流量控制阀，只要泵56产生足够的淡水使其流到并通过盒30。

为了操作本公开的电解系统10，使用者可以用来自其单独供应的淡水手动填充淡水隔间22。可以使用任何淡水供应，包括例如自来水或瓶装水。淡水可以通过壳体12的盖18中的填充开口26引入淡水隔间22中。一旦填充，操作者可以更换填充开口26中的盖28。而淡水隔间22通常会需要在电解系统10的每个操作循环之前填充，盐水隔间20中的盐水可用于电解系统10的多个循环。如果需要重新填充或更换盐水隔间20中的盐水，则可以将盐与水混合以产生用于盐水隔间20的盐水。盐水可以在电解系统10外部的容器中混合，然后通过将盖18从壳体12上抬起而由使用者倒入盐水隔间20中。用于制备盐水的盐可以在与电解系统10一起提供的包装或袋中提供。

为了向操作者提供盐水隔间20和淡水隔间22中的液位的指示，电解系统10的壳体12可以可选地包括水平指示器窗口。特别地，可以在壳体上设置单独的水平指示器窗口，以便操作者能够看到盐水隔间20和淡水隔间中的流体的量。用于水平指示器窗口的一个方便位置可以在界定分配站48的外壳的前端处的外壁16的凹陷部分50中，因为这是操作者使用电解系统10容易看到的位置。当然，也可以在其他位置提供水平指示器窗口。

在致动电解系统10之前，使用者还可以将容器定位在分配站平台52上以接收由电解系统产生的水性化学溶液。例如，使用者可以将一个容器定位成接收酸性电解水，并将一个容器定位成接收碱性电解水。一旦容器已被放置并且淡水隔间22被填充，用户可以通过闭合/断开开关78致动电解系统10。如上所述，在致动时，电解系统10将运行直到淡水隔间22为空，此时，流量开关80将停用继电器控制电路77，切断到电极31和泵56的电力流动。

根据可选实施方式，电解系统可选择性地被配置成自动重新填充淡水隔间22，例如在每个操作循环的结束时或开始时。例如，当流量开关80因淡水隔间22是空的而发信号表示应该切断到电极31和泵56的电源时，电磁阀可以在与淡水隔间22连通的加压淡水供应管中打开。然后，淡水将流入淡水隔间22，直到传感器(例如液位传感器)指示淡水隔间22充满淡水。然后，液位传感器将发送信号，该信号将停用或关闭淡水供应管中的电磁阀。可选地，在泵56开始将水流向盒30之前，可以在每个操作循环开始时自动填充淡水隔间。

在一个实施方式中，相对较软的淡水可以提供电解系统10的改进操作。为了处理这个问题，关于在淡水隔间22中使用的水的硬度和/或软度的信息可以是在操作电解系统10之前搜集。如果该信息表明要使用的水太硬，则可以设置软化将在电解系统10中使用的水。例如，在使用系统之前可以对将用于为电解系统提供淡水的供水进行测试。如果水太硬，例如低于每加仑约10格的硬度，则可以在将用于淡水隔间的水中加入碳酸钠。此外，碳酸钠可以以包含在电解系统10中的小的预先测量的包装提供，并且可以在操作者使用时添加到水中。可选地，可在将用于为电解系统提供淡水的水源上提供市售的水软化系统。

由于淡水隔间20和盐水隔间22都可以手动填充，因此电解系统10不需要连接到任何固定的管道上。因此，电解系统是完全便携的。此外，壳体12的构造提供了紧凑、节省空间的设计，其可以适用于小空间。由于电解系统10仅可以在需要时使用，并且每次制备单批水性化学溶液，因此它比大规模电解系统更有效。本公开的电解系统10的小尺寸、便携性和按需操作提供了现场便利性，使得本公开的电解系统非常适合用于诸如餐馆、杂货店或其他处理食品的地方、服务站、零售店、小型酒店和疗养院甚至家庭的场所的应用中。然而，电解系统10不限于这些应用。例如，可以在更大的设施中提供本公开的多个电解系统单元。

本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利均通过引用并入本文中，其程度如同每个参考文献通过引用并入本文被单独且具体地指出并且在本文中完整地阐述。

在描述本发明的上下文中(特别是在以上权利要求的上下文中)使用术语“一个”和“一”和“该”以及类似的指代词应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)。除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独的值并入本说明书中，如同其在本文中单独引用一样。除非本文另有说明或上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法均可以任何合适的顺序进行。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有实例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的要素对于本发明的实践是必不可少的。

本文描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。在阅读前面的描述后，那些优选实施方式的变化对于本领域普通技术人员来说可以变得显而易见。发明人期望熟练的技术人员适当地采用这些变化，并且发明人希望本发明以不同于本文具体描述的方式实施。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元件的所有可能变型的任何组合。