電解槽のための廃棄可能なカートリッジ
本発明の例証的実施形態は、インターフェースを有する電解槽と使用するためのカートリッジを対象とする。カートリッジは、陰極液を含むためのリザーバを含む。リザーバは、槽と取り外し可能に連結可能である。カートリッジはまた、電解槽上のインターフェースに取り外し可能に連結可能である少なくとも１つのカートリッジポートを含む。カートリッジのポートはまた、カートリッジポートが、電解槽のインターフェースに連結された場合に、リザーバと電解槽との間で陰極液を循環させるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、米国出願第６１／１７３，４１１号（２００９年４月２８日出願）の利益を主張する。該出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、電解槽に関し、より具体的には、陰極液リザーバを有する電解槽に関する。
【背景技術】
【０００３】
電解槽は、種々の化学物質（例えば、化合物および元素）の産生のために使用され得る。電解槽の用途の１つは、オゾンの産生である。オゾンは、病原体および細菌の効果的殺傷剤であって、効果的殺菌剤として知られている。食品医薬品局（ＦＤＡ）は、食品接触表面のための消毒剤、および食品への直接塗布のための消毒剤として、オゾンの使用を認可している。故に、電解槽は、オゾンを発生させ、オゾンを源水中に直接溶解させ、それによって、病原体および細菌を水から除去するために使用されている。その結果、電解槽は、ボトル水製品および産業給水の浄化における用途が見出されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例証的実施形態は、インターフェースを有する電解槽と使用するためのカートリッジを対象とする。カートリッジは、陰極液を含むためのリザーバを含む。リザーバは、槽と取り外し可能に連結可能である。カートリッジはまた、電解槽上のインターフェースに取り外し可能に連結可能である、少なくとも１つのカートリッジポートを含む。カートリッジのポートはまた、カートリッジポートが電解槽のインターフェースに連結された場合に、リザーバと電解槽との間で陰極液を循環させるように構成される。
【０００５】
カートリッジの別の例証的実施形態では、カートリッジは、アノードと筐体とを有する電解槽と使用するためのものである。カートリッジは、カソードと、陰極液を含むためのリザーバとを含む。リザーバは、槽が使用中、かつリザーバが陰極液を含んでいる場合に、陰極液をカソードに提供するように構成される。カートリッジはまた、電解槽の筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能である、ポートを有する。さらに、カソードは、筐体のインターフェースに連結された場合に、電解槽のアノードから離間される。
【０００６】
カートリッジの種々の実施形態はまた、リザーバからの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ出口ポートと、リザーバへの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ入口ポートとを含み得る。一部の実施形態はまた、カートリッジポートが電解槽のインターフェースから分断された場合に、陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含み得る。
【０００７】
本発明の例証的実施形態はまた、オゾンを発生させ、オゾンを水源中に溶解させるための装置を対象とする。装置は、内部を形成する、筐体と、内部内の電解槽とを含む。槽は、カソードと、ダイヤモンドアノードと、カソードとダイヤモンドアノードとの間の膜とを有する。装置はまた、陰極液を受け取るためのリザーバを有する、カートリッジを含む。リザーバは、電解槽に取り外し可能に連結可能である。カートリッジはまた、リザーバと流体連通する、少なくとも１つのカートリッジポートを含む。筐体は、少なくとも１つのカートリッジポートと取り外し可能に連結するためのインターフェースを有する。カートリッジポートおよびインターフェースは、リザーバとカソードとの間で陰極液を循環させるようにさらに構成される。
【０００８】
装置の例示的実施形態では、カートリッジポートは、リザーバからの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ出口ポートと、リザーバへの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ入口ポートとを含む。装置も、インターフェース上に対応する構造を含み得る。例えば、インターフェースは、カートリッジ出口ポートと流体連通し、リザーバからカソードへの陰極液の通過を可能にするためのカソード入口ポートを含み得る。また、インターフェースは、カートリッジ入口ポートと流体連通し、カソードからリザーバへの陰極液の通過を可能にするためのカソード出口ポートを含み得る。一部の実施形態では、インターフェースは、インターフェースがカートリッジポートから分断された場合に、陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに含む。加えて、または代替として、カートリッジポートは、カートリッジポートがインターフェースから分断された場合に、陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含む。
【０００９】
装置の別の例証的実施形態では、装置は、アノードと、カートリッジとを有する、筐体を含む。カートリッジは、カソードと、陰極液を含み、陰極液をカソードに提供するためのリザーバとを含む。カートリッジは、筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能である、ポートを有する。筐体のインターフェースに連結された場合に、カソードは、電解槽のアノードから離間される。
【００１０】
他の例示的実施形態では、装置の筐体は、源水が、アノード入口ポートを通って流動し、アノードに接触し、次いで、アノード出口ポートを通って流動するように、アノード入口ポートと、アノード出口ポートとを含む。本発明の種々の実施形態では、アノードは、アノードと接触する源水からオゾンを発生させ、オゾンを源水中に溶解させる。加えて、または随意に、装置は、カートリッジが筐体のインターフェースから分断された場合に源水の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含む。
【００１１】
上述のカートリッジおよび装置の例示的実施形態では、カートリッジまたは装置は、カソードとアノードとの間に配置される膜を含む。一部の実施形態では、電解槽は、膜を含む。他の実施形態では、カートリッジは、膜を含む。さらに、例示的実施形態では、膜は、カソードとアノードとの間のプロトンの交換を提供する、固体プロトン交換膜である。
【００１２】
カートリッジおよび装置の他の例示的実施形態では、陰極液は、リザーバ内に含まれる。一部の実施形態では、陰極液は、固体形態である。例えば、陰極液は、事前に混合された粉末形態であり得る。
【００１３】
上述のカートリッジおよび装置の種々の実施形態では、リザーバは、陰極液を含むが、リザーバからの水素ガスの通過を可能にする疎水性膜を含む。
【００１４】
上述のカートリッジおよび装置の他の例示的実施形態では、カートリッジまたは装置は、電解槽の性能を監視するように構成されたセンサを含み得る。センサは、例えば、陰極液のｐＨ、陰極液の伝導性、陰極液の体積、および電解槽の電源内の電圧ドローを感知する。加えて、または代替として、本発明の実施形態はまた、カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の上述の特徴は、付随の図面に照らして、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、電解槽およびカートリッジの略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による、電解槽の概略分解図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、カートリッジの概略組立図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による、カートリッジの概略分解図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による、電解槽およびカートリッジの２つの概略図を含む。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽の概略組立図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽の別の概略組立図である。
【図８Ａ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｂ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｃ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｄ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｅ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽を図式的に示す。
【図１０】図１０は、図９のカートリッジの別の図を図式的に示す。
【図１１】図１１は、図９の電解槽の別の図を図式的に示す。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽を図式的に示す。
【図１３】図１３は、図１２のカートリッジの別の図を図式的に示す。
【図１４】図１４は、図１２の電解槽の別の図を図式的に示す。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよびベース部分を図式的に示す。
【図１６】図１６は、図１５のカートリッジの別の図を図式的に示す。
【図１７】図１７は、図１５のベース部分の別の図を図式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
例証的実施形態では、電解槽は、取り外し可能に連結されたカートリッジからその陰極液を受け取る。本カートリッジは、陰極液を含むためのリザーバと、カソード等の槽の部分と、またはリザーバおよび槽の部分両方を有し得る。種々の実施形態の詳細は、後述される。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による、電解槽１００の略図である。電解槽１００は、２つの電極、すなわち、アノード１２０と、アノードから離間する、カソード１２２とを有する。オゾンを形成するために、水源が、アノード１２０に注入され、正電位が、アノードに印加される一方、負電位が、カソード１２２に印加される。槽１００のアノード側では、電位差によって、水分子が、１）酸素と、２）水素陽イオンとに分解される。酸素は、水源中に溶解する、オゾンを形成する。水素陽イオンは、カソード１２２に印加される負電位によって、槽１００のアノード側からカソード側に引っ張られる。槽１００のカソード側では、陽イオンが、水素泡１２３を形成する。
【００１８】
本反応の際、源水から、スケール（例えば、炭酸カルシウム）が、アノード１２０、カソード１２２、または槽１００の他の構成要素上に堆積または沈着する可能性がある。最終的に、留意されるように、堆積する場合、スケールは、槽１００内の電気化学反応を妨害する。さらに、電解槽１００内のそのような沈着物は、有用槽寿命を短縮させ、槽性能およびオゾン等の標的化学物質の効率的産生を回復するために、内部構成要素の分解および清浄を必要とし得る。
【００１９】
故に、本発明の例証的実施形態は、カソード１２２の表面に沿って、陰極液１１０を流動させ、カソード上へのスケールの堆積を防止し、したがって、槽の効率を改善する。陰極液１１０を伴わない場合、電解槽１００の効率が低下することが予測される。
【００２０】
任意の種々の陰極液を使用可能である。本発明の例証的実施形態では、塩化ナトリウムおよびクエン酸を伴う陰極液１１０が、アノード１２０からカソード１２２への陽イオンの移動を促進する。塩化ナトリウムおよびクエン酸は、電解槽１００の構成要素を「詰まらせる」ことなく、アノード１２０、カソード１２２、およびイオン交換材料（例えば、プロトン交換膜）を通して、陽イオンを「引っ張る」ように作用し、それによって、槽内のスケール沈着物を効果的に減少させる。さらに、クエン酸は、金属イオンと反応し、クエン酸塩錯体を形成することによって、水軟化剤内で使用されるイオン交換材料の再生を支援する。このように、クエン酸は、槽１００のイオン交換材料上に蓄積する金属イオンを剥離する。
【００２１】
本発明の例証的実施形態は、陰極液１１０をカソード１２２に供給する、リザーバ１０４（例えば、タンクまたは容器）を含む。電解槽１００への大量の陰極液１１０の供給を提供するために、発明者らによって知られた従来技術の電解槽は、より大型のシステムまたは処理設備の一部として、電解槽を組み込む。陰極液１１０が劣化すると、古い陰極液は、新しい溶液と交換される。陰極液１１０を交換する動作は、典型的には、厄介かつ不便である。多くの場合、適切な交換を確実にし、面倒を軽減させるために、そのようなシステムを保守するために、熟練の人材が必要とされる。多くの場合、第１の供給の保守が行なわれている間、陰極液１１０の供給源が、別の供給源に切替可能なように、余剰要素（例えば、電解液タンクおよび／または配管）が、並行して配備される。他の場合では、カソード１２２は、源水のうちの一部をカソードに配管することによって供給され得る。望ましくないことに、この従来技術の方法は、源水が、カソードの表面上に沈着および／または堆積する不純物を含み得るため、槽１００の効率を低下させる。発明者らは、これらの問題の多くが、陰極液１１０を含む容易に交換可能なカートリッジ１０２を使用することによって回避され得ることを発見した。発明者らは、１）電解槽１００の複雑さが低減され、２）典型的には、電解槽の有用寿命が維持され、かつ３）陰極液１１０の交換がより簡単になされるカートリッジ１０２の例証的実施形態の使用を実現した。
【００２２】
したがって、本発明の例証的実施形態は、電解槽１００の有用寿命を大幅に延長させ、保守の依頼、槽の交換、および／または熟練の人材による介入を必要とする他の事象を回避する。本発明の例証的実施形態は、カソード１２２からスケールおよび他の不純物の大部分を回収および除去することによって、これらの不純物の沈着防止を支援する、交換が単純かつ容易なカートリッジ１０２を使用する。
【００２３】
上述のように、電解槽１００の例証的実施形態は、アノード１２０と、カソード１２２とを含み、オゾンの形成を促進する。本電解槽１００は、カートリッジ１０２と取り外し可能に連結するためのインターフェース１１９（図５参照）を有する、筐体１１８（図２参照）の内部に含まれる。カートリッジ１０２は、陰極液１００を含むための内部１０８（例えば、陥凹）を規定する壁１０６を有する、リザーバ１０４を含む。槽１００と流体を交換するために、カートリッジ１０２は、リザーバ１０４の内部１０８と流体連通する、入口ポート１１２と、出口ポート１１４とを含む。したがって、筐体１１８上のインターフェース１１９は、ポートおよびインターフェースが、カソード１２２をリザーバ１０４（図５参照）と流動的に連通させるように、カートリッジポート１１２、１１４と取り外し可能に連結する。
【００２４】
アノード１２０は、電解槽１００内でカソード１２２から離間される。アノード１２０からカソード１２２へのプロトン（例えば、水素陽イオン）の移動を促進するために、一部の実施形態では、固体膜が、電解質として使用され、アノード１２０とカソード１２２との間に載置される（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のプロトン交換膜（ＰＥＭ））。加えて、ある場合には、膜１３６は、カソード１２２内の陰極液１１０を、アノード１２０内を流動する源水から分離するための障壁として使用される。膜１３６に構造的完全性を提供するために、膜はまた、支持マトリクス（図示せず）を含み得る。
【００２５】
一部の実施形態では、アノード１２０は、例えば、化学蒸着プロセスによって蒸着されたダイヤモンドまたはダイヤモンド層を含む。ダイヤモンド層は、源水供給源内におけるオゾンの形成を可能にする。ある場合には、ダイヤモンドは、ダイヤモンドのオゾン形成特性をさらに向上させる、バロンによってドープされる。対応して、カソード１２２は、チタン等の伝導性材料を含む。伝導性チタンカソード１２２に印加される負電位は、電解槽１０２のアノード側からカソード側に向かって、水素陽イオンを引っ張る。一部の実施形態では、伝導性材料は、その耐腐食性を増加させるために、白金鍍着され得る。カソード１２２はまた、陰極液１１０および反応副産物が通過し得る、小通路および／または孔を生成する、拡張された金属メッシュから形成され得る。拡張された金属メッシュは、カソード１２２、陰極液１１０、および膜１３６の間の密接触を可能にする。
【００２６】
筐体１１８またはアノード１２０自体は、アノード入口ポート１２４と、アノード出口ポート１２６とを含む。配管１２８は、水が、アノード入口ポート１２４を通って流動し、アノード１２０（例えば、ダイヤモンド層）に接触し、次いで、アノード出口ポート１２６を通って流動するように、源水をアノード１２０に提供する。源水が、アノード１２０を通過して流動するのに伴って、水分子が、分解され、水素陽イオンが、アノード１２０に向かって引っ張られる一方、オゾンが、残留酸素から生成される。オゾンは、水中に直接溶解し、細菌および病原体の殺菌を開始し、それによって、水を浄化させる。次いで、処理された水は、アノード１２０から、アノード出口ポート１２６を通って、例えば、水道水等として使用するために、配管１２８内へと流動する。
【００２７】
筐体１１８および／またはカソード１２２自体は、カソード入口ポート１３０と、カソード出口ポート１３２とを含む。カートリッジ入口ポート１１２は、配管１３４を通って、カソード出口ポート１３２と流体連通する。同様に、カートリッジ出口ポート１１４は、配管１３４を通って、カソード入口ポート１３０と流体連通する。そのような配置では、陰極液１１０は、リザーバ１０４から、カートリッジ出口ポート１１４を通って、配管１３４内へと流動する。次いで、陰極液１１０は、カソード入口ポート１３０を通って流動し、カソード１２２に接触する。このように、新鮮な陰極液１１０が、カソード１２２に供給される。
【００２８】
陰極液１１０は、カソード１２２を通過して流動するのに伴って、電解反応によって産生された水素泡１２３を回収する。上述のように、発明者らは、陰極液１１０はまた、膜１３６を通して、陽イオンを「引っ張る」のを支援し、カソード１２２上へのスケールの堆積を防止し得ると考える。次いで、劣化した（または、部分的に劣化した）陰極液１１０が、カソード出口ポート１３２を通って、カソード１２２から流出し、配管１３２およびカートリッジ入口ポート１１２を通って、陰極液リザーバ１０４内へと流動する。このように、ポート１１２、１３０、１２２、１３２は、新鮮な陰極液１１０をリザーバ１０４からカソード１２２へと循環させ、劣化した陰極液１１０をカソードからリザーバへと戻すように構成される。
【００２９】
一部の実施形態では、図３に示されるように、カートリッジ出口ポート１１４は、重力によって、リザーバ１０４からカソード１２２内へ、次いで、容器へと戻るように、陰極液１１０の循環を支援し得るように、カートリッジ入口ポート１１２の下方に位置する。さらに、カソード出口ポート１３２は、カソード入口ポート１３０の鉛直上方に載置され得、カートリッジ入口ポート１１２は、電解反応から産生される浮遊水素泡１２３が、必然的に、カソード出口ポート１３２を通って、リザーバ１０４内へと上昇するように、カソード出口ポートの上方に位置し得る。このように、浮遊水素泡１２３の発生は、劣化した陰極液１１０溶液の流動をリザーバ１０４内へと枢動し、順に、新鮮な陰極液が、重力下、リザーバ１０４からカソード内へと流動する。それに対して、カソード１２２が、垂直ではなく、水平に配備される場合、気泡１２３は、ポート１３０、１３２の両方から流出し、新鮮な陰極液は、カソード１２２に効率的に到達せず、それによって、オゾンの発生を妨害するであろう。加えて、または代替として、ポンプを使用して、劣化した陰極液をカソード１２２からリザーバ１０４へと流動させ、リザーバからカソードに向かって、新鮮な陰極液の流動を支援し得る。
【００３０】
陰極液１１０および気泡１２３が、リザーバ１０４内へと流動するのに伴って、気泡は、リザーバの上部に集まる。リザーバ１０４からそれらの気泡１２３を通気させるために、一部の実施形態は、カートリッジ内に通気孔１１６を含む。通気孔１１６は、通気孔媒体として、疎水性材料を採用し得るが、他の材料もまた、使用され得る。発明者らは、通気孔媒体を選択する際に考慮されるべきいくつかの要因を発見した。
・通気孔媒体の孔サイズ
・通気孔媒体の表面積
・通気孔媒体の湿潤性
・通気孔媒体を通した水素ガスのガス流量
・最大流体圧（例えば、通気孔媒体にかかる陰極液１１０の力）
例えば、通気孔１１６から陰極液１１０が漏出するのを防止するために、通気孔媒体の孔サイズを縮小することは、有利となり得る。しかしながら、本アプローチは、通気孔１１６を通るガス流量を低減させ得る。ガスが、リザーバ１０４から適切に通気しない場合、リザーバおよび／またはカソード１２２は、ガスで充填され、それによって、オゾンの産生を妨害し得る。それでもなお、発明者らは、より広い表面積を伴う通気孔１１６を使用することによって、依然として、容認可能なガス流量を提供し、したがって、オゾンの産生が妨害されることを回避可能であり得ることを発見した。
【００３１】
さらに、本発明の例示的実施形態は、不純物をリザーバ１０４内で回収することによって、カソード１２２上への不純物（例えば、炭酸カルシウム）の沈着を防止する。本目的のため、一部の実施形態では、リザーバ１０４は、リッジまたは突起が、劣化した陰極液１１０内の不純物が、重力下、ポートの周囲に定着し、カソード１２２に向かって掃引され戻されないように、カートリッジ出口ポート１１４の上方に隆起する、不純物だめ構造を含む。代替として、または加えて、カートリッジ出口ポート１１４は、不純物が、カソード１２２に向かって逆流しないように、スクリーンまたはフィルタを含み得る。
【００３２】
陰極液１１０の循環流は、陰極液１１０が消耗される（すなわち、その溶質の一部または全部が、劣化する）まで継続する。劣化すると、陰極液１１０は、陰極液の新しい供給源と交換される。本発明の例証的実施形態は、カートリッジ１０２を新しいカートリッジ１０２と単に交換することによって、陰極液１１０の交換を促進する。本目的のため、本発明の例証的実施形態では、インターフェース１１９は、カートリッジ１０２の迅速かつ容易な交換のために、取り外し可能に連結可能な接続を提供する。発明者らは、インターフェース１１９を選択する際に考慮されるべきいくつかの要因を発見した。
・インターフェース１１９を通した流体抵抗
・インターフェース１１９を通した気泡１２３の移動
・カートリッジ１０２の交換の容易性
・カートリッジ１０２の交換の際の漏出の防止
・インターフェース１１９およびカートリッジ１０２のコスト（例えば、使い捨て材料の使用）
・インターフェース１１９の信頼性（例えば、カートリッジは、その有用寿命にわたって、適切に搭載されたままであるべきである）
・インターフェース１１９、カートリッジ１０２、および／または槽１００内の部品間の材料適合性
インターフェース１１９を通しての流体抵抗が大き過ぎる場合、カソード１２２への陰極液１１０の不十分な流動が存在し得る。望ましくないことに、この不十分な流動は、電解槽１００内のオゾンの産生を低下させ得る。また、インターフェース１１９が、カソード１２２からカートリッジ１０２内への水素ガスの流動を抑制する（例えば、障害または小さ過ぎる寸法を有する）場合、水素ガスは、カソード内に堆積し、槽１００のカソードポート１３０、１３２の両方を通って流動し得る。これは、カソード１２２内への新鮮な陰極液１１０の循環流を防止し、その結果、オゾン産生を妨害するであろう。本発明の例証的実施形態は、そのような課題を回避する。本問題を解決するための多くの方法のうちの１つである、図５、６、および７に示される実施形態では、インターフェース１１９は、そこを通って、流体が、カートリッジ１０２と槽１００との間を流動する、２つの直角屈曲部１２１を含む。カソード入口１３０および出口ポート１３２は、屈曲部の端部に位置付けられ、それぞれ、カートリッジ出口１１４および入口ポート１１２と流体連通する。インターフェース１１９は、カソード１２２からカートリッジ１０２への陰極液１１０の流動を可能にする。図５、６、および７に示される例示的実施形態はまた、水素ガス気泡１２３を重力によって上昇させ、カソード１２２から流動させる。
【００３３】
さらに、留意されるように、図５に示されるカートリッジ１０２の例示的実施形態は、電解槽１００上への搭載が容易である。本目的のため、カートリッジ１０２は、カソードポート１３０、１３２をカートリッジポート１１２、１１４と整列させ、次いで、カートリッジ１０２に小規模な下方力を加えることによって、搭載され得る。また、カートリッジ１０２の例示的実施形態は、電解槽１００と取り外し可能に連結可能であって、したがって、容易に除去可能かつ別のカートリッジと交換可能である。
【００３４】
用語「取り外し可能に連結可能」は、オゾン発生技術の文脈において考慮されたい。例えば、当業者は、通常、切断されなければならない場合、筐体から強制的に分断されなければならない場合、または本明細書に説明されるカートリッジのために必要とされる最小限の「一般」的訓練を超えた専門的訓練が要求される場合、カートリッジが筐体に「取り外し可能に連結される」とはみなさないであろう。したがって、発明者らによって知られる従来技術のオゾンカートリッジと比較して、交換の時間および複雑性が大幅に低減されたカートリッジが、「取り外し可能に連結可能」であるとみなされるべきである。以下は、所望の結果を提供するはずである、いくつかの可能性のある取り外し可能接続の概要である。
【００３５】
図８Ａは、取り外し可能に連結可能な接続の種類の１つの例証的実施形態を示す。そのような実施形態では、インターフェース１１９は、コネクタの外径上にＯリング溝８０４を伴う、オス型コネクタ８０２を含む。溝８０４内に配置されるＯリング８０６は、その上に、カートリッジポート１１２および１１４の一方からのメス型コネクタ８０８が押し付けられる（例えば、締まり嵌め）、隆起表面を形成する。メス型コネクタ８０８は、合致する内径Ｏリング溝８１０を含み得る。したがって、メス型コネクタ８０８が、Ｏリング８０６上に押し付けられるのに伴って、Ｏリング溝８１０が、オス型Ｏリング８０６上に摺動すると、定位置に「嵌着」する。そのような「押動式係止」コネクタ要素は、カートリッジが適切に搭載されたことの触覚的指標を提供し得る。言い換えると、ユーザは、力を加えるのに伴って、カートリッジ１０２が適切に定位置に嵌着したことを「触知」および／または「聴知」する。
【００３６】
図８Ｂは、取り外し可能に連結可能な接続の別の例証的実施形態を示す。本実施形態では、Ｏリング８０６は、使用されない。代わりに、Ｏリングは、オス型コネクタ８０２の外径から延在する、一体型起伏突起８１２（例えば、外側リブ）と置換される。メス型コネクタ内の溝８１０は、一体型起伏突起８１２上の定位置に係止する。一体型突起８１２は、オス型コネクタ８０２の外径またはメス型コネクタ８０８の内径上に位置し得る（例えば、内側リブ）。
【００３７】
図８Ｃに示される例示的実施形態では、メス型コネクタ８０８は、溝を含まない。代わりに、メス型コネクタ８０８は、オス型コネクタ８０２の外側リブ８１２上に載置される、延性のある管である。代替実施形態では、オス型コネクタ８０２は、延性のある管を構成し、メス型コネクタ８０８の内側リブ内に押し付けられる。リブ８１２と延性のある管との間の締まり嵌めは、カートリッジ１０２を定位置に保持し、カートリッジ１０２と槽１００との間の流体接続を密閉する。槽１００とカートリッジ１０２との間の十分な分離力は、カソードポート１３０、１３２をカートリッジポート１１２、１１４から分断するであろう。
【００３８】
図８Ｄは、取り外し可能に連結可能な接続のさらに別の実施形態を示す。示される実施形態では、槽１００のインターフェース１１９は、その上に、カートリッジポート１１２および１１４の一方からの延性のある管８１６（例えば、ホース）が押し付けられる、少なくとも１つの返し８１４を含み得る。または逆に、カートリッジポート１１２および１１４は、その上に、インターフェース１１９からの可撓性管が押し付けられる、返しを含み得る。
【００３９】
図８Ｅに示される別の例示的実施形態では、槽１００のインターフェース１１９は、オス型ネジ山接続８１８を含み得、カートリッジポート１１２および１１４からの接続は、対応するメス型ネジ山８２０を含み得、またはその逆であり得る。また、図８Ｅに示される実施形態では、メス型コネクタ８０８は、ユーザが、メス型ネジ山８２０をオス型ネジ山８１８上へより容易に固着可能なように、スイベル８２２を含む。
【００４０】
図８Ａ−８Ｅに示される実施例は、取り外し可能接続の排他的リストとして意図されるものではないことを強調されたい。したがって、当業者は、任意の数の他の取り外し可能に連結可能な接続を使用し得る。
【００４１】
本発明の例証的実施形態はまた、カートリッジ１０２および／またはカソード１２２から陰極液を溢出させずに、陰極液１１０の迅速かつ容易な交換を提供することを目的とする。交換の際、リザーバ１０４内に陰極液１１０を含むために、カートリッジ１０２はカートリッジ入口ポート１１２および出口ポート１１４を密閉するための弁１３８（例えば、逆止弁および／または通常閉鎖弁）を含む（図３および４参照）。加えて、または代替として、筐体１１８上のインターフェース１１９は、電解槽１００のカソード入口１３０および／または出口ポート１３２を密閉するための１つ以上の弁１３９を含み得る（図６および７参照）。カソード入口１３０および出口ポート１３２内の弁は、カートリッジ１０２が交換または再充填される時、カソード１２２内の残留流体の漏出および槽１００からのその後の溢出を防止する。弁１３８は、通常閉鎖弁であり得る。言い換えると、接続または係合されると、バネ等の機構は、弁を開放し、流体を通過させる。しかしながら、接続または係合されていない時、バネは、弁を閉鎖させ、流体流動を防止する。加えて、または代替として、弁１３８は、一方向のみに流体を流動させる、逆止弁であり得る。流体が、誤った方向に流動を開始すると、弁は、閉鎖し、流体の流動を防止する。そのような逆止弁は、カートリッジ１０２と電解槽１００との間の陰極液１１０の循環流を可能にするが、陰極液の逆流を防止するように配置され得る。
【００４２】
図５では、弁１３８は、カートリッジ１０２のカートリッジポート１１２および１１４に位置する。弁１３８は、通常閉鎖弁であって、したがって、槽１００から分断された場合にポート１１２、１１４を強制的に密閉する、バネを含む。槽１００に接続されると、バネは、カートリッジ１０２と槽１００との間の流体流動を可能にするように押し戻される。弁１３８は、交換される時、カートリッジ１０２からの流体および流出物の溢出防止を支援する。カソード１２２側に関して、カートリッジ１０２が交換される時、一部の陰極液１１０は、カソード１２２内に残留する。一部の実施形態では、弁は、陰極液１１０が、重力下、入口カソードポート１３０から排出するように、カソードポート１３０、１３２上に提供されない。しかしながら、他の実施形態では、弁１３９（図６および７参照）は、カソードポート１３０、１３２上に提供され、カソード１２２からの陰極液１１０の溢出を防止または低減する。さらに、インターフェース１１９、カートリッジ１０２、および槽１００は、異なる量の流出を可能にするように設計可能である。例えば、産業用設定では、電解槽１００からの数オンスの流体の流出が、許容可能であり得る一方、消費者用途の場合、数滴のみの流出でも許容されないであろう。
【００４３】
より具体的例示的実施形態では、弁１３８は、インターフェース１１９およびカートリッジポート１１２、１１４の取り外し可能に連結可能な接続と一体型である。この点において、本発明の例証的実施形態は、例えば、カートリッジの容易な交換を促進する一方、また、溢出を防止する、Ｃｏｌｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＣｏｍｐａｎｙＴＭによって供給される、ＨＦＣシリーズの迅速継手を使用し得る。
【００４４】
上述の槽およびカートリッジ配置１００、１０２は、本発明の例証的実施形態にすぎない。他の槽およびカートリッジ配置１００、１０２もまた、本発明の範囲内である。例えば、配管１３４は、カートリッジ入口ポート１１２をカソード出口ポート１３２と直接接合し、カートリッジ出口ポート１１４をカソード入口ポート１３０と直接接合することによって、排除され得る。したがって、陰極液１１０は、リザーバ１０４からカソード１２２内へと、かつその逆へと、直接流動するであろう。他の実施形態では、カソード１２２とリザーバ１０４との間に、１つのポートのみ存在し得る。そのような実施形態では、ポートの第１の部分は、リザーバ１０４からの陰極液１１０の流動専用であり得る一方、ポートの第２の部分は、リザーバへの陰極液１１０の流動専用であり得る。さらなる、または代替実施形態では、カソード１２２は、リザーバ１０４内に、またはその中に部分的に配置され得る。
【００４５】
この点に関して、図９は、本発明の代替の例証的実施形態を示す。本実施形態では、カートリッジ１０２と電解槽１００との間の陰極液１１０を循環させるための配管１３４は、存在しない。代わりに、カートリッジ出口ポート１１４は、カソード入口ポート１３０に直接接続され、カートリッジ入口ポート１１２は、カソード出口ポート１３２に直接接続される。さらに、カートリッジ１０２は、図３、４、５、６、および７に示されるように、鉛直ではなく、電解槽１００から水平に位置する。本水平実施形態では、水素泡１２３の浮力が、カソード１２２とリザーバ１０４との間で陰極液１１０を循環させる。
【００４６】
図９はまた、電解槽１００のアノード１２０、カソード１２２、および膜１３６の構成をより詳細に示す。電解槽１００は、源水が、アノード１２０を通って流動し、接触し得るように、アノード入口ポート１２４と、アノード出口ポート１２６とを含む。膜１３６は、多くの場合、槽１００のアノード側への陰極液の流動および槽１００のカソード側への水の流動の両方を十分に防止可能であるが、一部の実施形態はまた、密閉ガスケット９００（図９）を使用し、膜１３６の周縁周囲の流体流動を防止する。図１０は、膜１３６の周縁周囲の流体に対して障壁を提供する密閉ガスケット９００を伴う、電解槽１００の断面図を示す。
【００４７】
図９の電解槽１００はまた、電気導線９０４に取り付けられる電流波及器９０２を含む。電流波及器９０２は、アノード１２０と電気接触する、伝導性材料（例えば、チタン、銅、またはアルミニウム）のシートまたはメッシュである。バロンでドープされたダイヤモンド等のいくつかのアノード１２２は、高電気抵抗を有する。したがって、単一の電気接続からの電流が、ダイヤモンドの面積全体にわたって進行するのに伴って、電力損失（ひいては、効率損失）が生じる。電流波及器９０２は、電気導線９０４からの電流を、ダイヤモンドに進入する前に、低抵抗伝導性材料を通って進行させるため、そのような電力損失を制限する。図１１は、アノード１２０および電流波及器９０２の断面図を示す。アノード１２０は、電流波及器９０２と電気接触する面を有する、２つのバロンでドープされたダイヤモンドを含む。このように、電流は、各ダイヤモンドの面全体に分散される。
【００４８】
図３、４、および９に示される実施形態では、カートリッジ１０２は、リザーバ１０４を含み、電解槽１００に取り外し可能に連結される。しかしながら、カートリッジ１０２の一部の実施形態は、取り外し可能に連結可能なリザーバ以上のものを有する。例えば、図１２は、リザーバ１０４およびカソード１２２の両方を含む、カートリッジ１０２の実施形態を示す。発明者らは、カソード１２２および陰極液リザーバ１０４の両方を伴う、カートリッジ１０２が、いくつかの利点を有することを発見した。第１に、本構成は、スケールの大部分が、該当する場合、カソード１２２上に形成される一方、アノード１２０が、スケールを被りにくく、したがって、カソード１２０の交換が、槽１００の効率を増加させ得るため、有利である。故に、除去時、使用済みリザーバ１０４および腐食カソード１２２は、スケールの無いカソード１２２および新鮮な陰極液リザーバ１０４と交換される。第２に、アノード１２０は、典型的には、カソード１２２より有用寿命が長い。したがって、カソード１２２を交換する一方、アノード１２２を保存することによって、アノードの有用寿命をより活用することになる。第３に、いくつかのアノード１２０は、ダイヤモンド等の高価な材料から形成される。その結果、電解槽１００内のアノード１２０を保存することは、さらなるコスト削減を提供し得る。
【００４９】
図１２に示される実施形態では、カソード１２２は、リザーバ１０４の一部を規定し、それによって、リザーバから絶え間ない新鮮な陰極液１１０源を受け取る。カートリッジ１０２はまた、カソード１２２に隣接する、膜１３６を含む。図１３は、カソード１２２および膜１３６の断面図を提供する。カートリッジ交換の際、膜１３６は、カソード１２２からの陰極液１１０の流出を防止可能であるため、膜１３６（例えば、固体プロトン交換膜）を含むことは、有利である。ある場合には、本配置は、陰極液１１０の流出を防止するための付加的弁の必要性を排除する。しかしながら、他の実施形態では、カートリッジ１０２は、膜１３６を含まない。そのような実施形態では、膜１３６は、電解槽１００に添着されたままであり得、および／または陰極液１１０は、弁および／または接着剤シート等の一時的障壁を使用して、リザーバ１０４およびカソード１２２内に含まれる。
【００５０】
カートリッジ１０２はまた、電解槽１００の筐体１１８上のインターフェース１２０２に取り外し可能に連結可能である、ポート１２００を含む。図１２の実施形態では、カートリッジ１０２を槽１００に固着するために、ポート１２００は、それぞれ、溝１２０５、１２０７を有する、２つのフランジ１２０４、１２０６を含み、インターフェース１２０２は、２つのラッチ１２０８、１２１０を含む。２つのラッチ１２０８、１２１０は、それぞれ、ポート１２００の２つの溝１２０５、１２０７に係合する。このように、ポート１２００およびインターフェース１２０２は、取り外し可能に連結可能である。水および陰極液１１０がインターフェース１２０２とポート１２００との間から漏出するのを防止するために、電解槽１００はまた、カートリッジが電解槽１００に連結された場合に、カートリッジ１０２のポート１２００に対して押圧される、密閉ガスケット１２１２を含み得る。
【００５１】
種々の他の取り外し可能に連結可能な接続もまた、本発明の範囲内である。例えば、一具体的例示的実施形態では、カートリッジ１０２のポート１２００および電解槽１００のインターフェース１２０２は、円形である。ポート１２００は、ポートの周縁の周囲にフランジを含む。フランジの内径は、メス型ネジ山を含む一方、インターフェース１２０２の外径は、オス型ネジ山を含む。そのような配置を使用して、ユーザは、電解槽１００のインターフェース１２０２上にカートリッジ１０２を「螺合」可能である。
【００５２】
種々の他の例示的実施形態では、取り外し可能に連結可能な接続は、電解槽１００に搭載される場合に、カートリッジ１０２を適切に整列および／または支持するために、ガイドまたはガイドフィンガを使用する。適切に整列されると、係止機構が、カートリッジ１０２を電解槽１００にしっかりと固着し、取り外し可能に連結する。例えば、ある場合には、係止機構は、ポート１２００と電解槽１００のインターフェース１２０２との間に締まり嵌め（例えば、圧入）を有する。他の実施例では、係止機構は、ラッチ、接着剤、ネジ、嵌着継手、および／またはボルト式アセンブリを含み、それぞれ、カートリッジ１０２を槽１００にしっかりと固着し、取り外し可能に連結するために使用可能である。
【００５３】
図１２の実施形態では、カソード１２２において必要電位を生成するために、ラッチ１２１０の一方は、カートリッジ１０２に電流を提供する。カートリッジ１０２は、カソード１２２に連結される、電気導線１２１４と、溝１２０７上の電気接点１２１６とを含む。カートリッジ１０２が、電解槽１０２に連結され、槽が動作すると、電流が、ラッチ１２１０に印加され、ラッチが、溝１２０７内の電気接点１２１６と接触する。次いで、電流は、電気導線１２１４を通って、カソード１２２へと流動可能となる。このように、電流は、カソード１２２および他の電気的に従属する機能（例えば、インジケータ、ポンプ、ディスプレイ、またはセンサ）のために、カートリッジ１０２に提供可能である。アノード側では、電流波及器９０２および電気導線９０４が、アノード１２０に電流を提供する。本構成は、槽１００がオゾンを発生させるために必要である、アノード１２０とカソード１２２との間の電位を生成する。
【００５４】
本発明の例証的実施形態は、弁１２１６、１２１８を含み、カートリッジ１０２が、電解槽１００から分断された場合に源水の溢出を防止する。電解槽１００は、源水が、アノード１２０を通って流動し、接触可能なように、アノード入口ポート１２４と、アノード出口ポート１２６とを含む。図１２の実施形態では、電解槽１００は、カートリッジ１０２が分断された場合にアノード１２０へおよびそこからの源水の流動を防止する、弁１２１６、１２１８を含む。一部の実施形態では、弁１２１６、１２１８は、ステム１２２０、１２２２を使用して、カートリッジ１０２に係合する、通常閉鎖弁である。カートリッジ１０２が分断されると、バネ１２２４、１２２６は、弁１２１６、１２１８を閉鎖させ、源水の流動を防止する。しかしながら、カートリッジ１０２が、電解槽１００に連結された場合に、カートリッジは、弁ステム１２２０、１２２２に対して押圧し、それによって、源水が、アノード１２０に流動可能なように、弁１２１６、１２１８を開放させる。本構成は、カートリッジ１０２が分断された場合に源水の溢出を防止するが、カートリッジが槽１００に連結された場合に、源水の流動を可能にする。図１４は、弁１２１６、１２１８および電解槽１００内のその配置の別の図を提供する。
【００５５】
図１５は、カートリッジ１０２が、リザーバ１０４と、電解槽１００のさらに多くの主要構成要素（例えば、アノード１２０、カソード１２２、および膜１３６）とを含む、本発明のさらに別の実施形態を示す。そのような実施形態では、カートリッジ１０２は、ベース部分１５００に取り外し可能に連結可能であるように構成要素される。ベース部分１５００は、源水供給源を含む。加えて、ベース部分１５００は、他の構成要素（例えば、電源、ディスプレイ、センサ、およびインジケータ）を含み得る。一部の実施形態では、ベース部分１５００は、電化製品および／または清掃機器（例えば、洗濯機または電気洗浄装置）内の送水管等、使用時用途の一部であり得る。
【００５６】
図１５に示される実施形態は、図１２に示される実施形態に類似する。したがって、図１２に示される実施形態の説明の多くは、図１５に示される実施形態に同等に適用され、したがって、その説明は、ここでは反復しないものとする。
【００５７】
図１２の実施形態と図１５の実施形態との差異の１つは、アノード１２０が、図１５の実施形態では、カートリッジ１０２内に含まれることである。カートリッジ１０２はまた、アノード１２０に電流を分散させるための電流波及器１５０２を含む。アノードに電位を提供するために、ベース部分１５００上の第２のラッチ１２０８は、ラッチがカートリッジ１０２と係合されると、溝１２０７上の電気接点１５０４に電流を提供する。第２の電気導線１５０６は、第２の電気接点１５０４から電流波及器１５０２に電流を提供する。このように、電流は、ベース部分１５００からアノード１２０に提供される。図１２に関する上述のように、他方のラッチ１２１０は、カソード１２２に電流を提供する。本構成は、アノード１２０とカソード１２２との間に必要電位を生成する。図１６は、アノード１２０、カソード１２２、電流波及器１５０２、および膜１３６、ならびにカートリッジ１０２内のその配置の別の図を提供する。
【００５８】
加えて、本発明の一部の実施形態では、ベース部分１５００は、カートリッジ１０２がベース部分１５００に連結された場合に、アノード１２０を支持する、突起１５０８または一連の突起（例えば、リブ）を含む。突起１５０８は、それらを通して、源水を流動させ、アノード１２０に接触させる。図１７は、突起１５０８およびベース部分１５００内のその配置の別の図を提供する。
【００５９】
カートリッジ１０２の例証的実施形態は、陰極液１１０、オゾン、および電解反応の副産物と適合する材料を使用する。例えば、少量のオゾンまたは他の侵食性化学物質が、膜１３６を横断し、カートリッジ１０２のリザーバ１０４内へと流動し得る。したがって、一部の実施形態では、カートリッジ１０２は、化学物質の腐食効果に耐える材料から構築されるべきである（例えば、金属およびセラミック）。一方、カートリッジ１０２の寿命および廃棄可能性もまた、要因となり得る。侵食性化学物質にさらされると腐食するカートリッジ材料（例えば、プラスチックおよびポリマー）の使用は安価な材料のコストによって、および／またはカートリッジが、腐食が問題となる前に交換される場合、軽減され得る。言い換えると、カートリッジ１０２の意図される寿命は、材料を選択する際に考慮されるべきである。
【００６０】
一部の実施形態では、リザーバ１０４は、液体形態にある、陰極液１１０を含む。言い換えると、陰極液１１０は、水中に溶解された塩化ナトリウム、塩化カリウム、クエン酸、酢酸、および／または他の弱酸等の化学溶質を含む、（例えば、溶質は、８．３重量％の溶液を含む）。しかしながら、液体形態にある陰極液１１０を含むカートリッジ１０２の輸送および搭載は、水の過剰重量のため、高価かつ困難となり得る。故に、本発明の他の実施形態では、溶質は、乾燥形態として、リザーバ１０４内に存在する。所定の量の溶質が、リザーバ１０４内に存在し、水と混合されると、所定の濃度を伴う溶液を産生する。カートリッジ１０２が搭載されると、ユーザは、単に、水を添加し、溶質を溶解し、適切な陰極液１１０を産生可能である。水は、ユーザによって手動で添加可能であるか、または他の実施形態では、水は、補充弁１４４（例えば、ソレノイド弁、図１参照）を通して、自動的に添加可能である。補充弁１４４はまた、電解槽１００内の圧力を軽減するため、および／またはリザーバ１０４内の陰極液１１０の量を平準化するために使用され得る。一部の実施形態では、カートリッジ１０２は、溶質を伴わずに提供可能である。そのような場合、ユーザは、陰極液１１０をリザーバ１０４に添加する、またはリザーバに、事前に混合された粉末状の溶質を、次いで、所定の量の水を添加する。水は、リザーバ１０４内に手動で添加されるか、または自動的に注入され得る（例えば、ソレノイド弁を介して）。他の実施形態では、溶質は、固体塊の形態（例えば、煉瓦状の塊または錠剤）として添加され得る。固体塊は、単一固形物として、所定の用量の溶質とともに事前に加工される場合がある。ユーザは、固体塊をリザーバ１０４内に添加し、溶質の粉末形態または陰極液１１０の液体形態を取り扱う必要性を回避可能である。
【００６１】
本発明のさらなる例証的実施形態では、単一電解槽１００を支持する（および、取り外し可能に連結可能である）、複数の上述のカートリッジ１０２が存在し得る。複数のカートリッジ１０２を伴う配置は、槽１００の停止時間を伴うことなく、１つ以上のカートリッジの交換を可能にする、余剰性を提供し得る。他の実施形態では、複数の電解槽１００を支持する（および、取り外し可能に連結可能である）、単一カートリッジ１０２が存在し得る。単一カートリッジ１０２は、種々のオゾン出力レベルを発生させる、および／または異なる水循環網に配管される槽１００を支持する場合がある。さらに別の実施形態では、単一電解槽１００は、複数の異なる取り外し可能に連結可能カートリッジ１０２を含む。例えば、リザーバ１０４を有する第１のカートリッジは、カソード１２２を有する第２のカートリッジに取り外し可能に連結可能であり得る。第２のカートリッジは、順に、電解槽１００に取り外し可能に連結可能である。本構成は、リザーバ１０４およびカソード１２２を異なる時間間隔で交換可能にする。
【００６２】
本発明の例証的実施形態はまた、陰極液１１０が劣化した時および／または劣化が差し迫っている時を示すためのインジケータを含み得る。インジケータは、光またはＬＣＤ等のディスプレイデバイスであり得る。ある場合には、インジケータは、陰極液１１０が劣化すると、槽１００への電力を自動的に遮断し得る。インジケータは、陰極液１１０のｐＨ、陰極液１１０の伝導性、およびリザーバ１０４内の陰極液の体積（例えば、リザーバ内の陰極液レベルの高さ）等のある変数を測定することによって、電解槽１００の性能を監視する、センサ１４０（または、複数のセンサ）（図１参照）によってトリガされ得る。ｐＨ、体積、および伝導性センサ１４０は、カートリッジ１０２のリザーバ１０４内に載置され得るか、または他の実施形態では、ｐＨおよび伝導性センサは、カソード１２２に位置し得る。加えて、または代替として、一部の実施形態では、センサ１４０は、電解槽１００の電圧ドロー（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒａｗ）を測定する、電圧計であり得る。一定の電流では、スケールがカソード１２２上に堆積するのに伴って、電解槽１００の電圧ドローが増加する。電圧が、ある値に到達すると、インジケータは、陰極液１１０、カソード１２２、および／またはアノード１２０を交換する時期が来たことを示し得る。さらに他の実施形態では、センサ１４０は、槽１００によって産生されるオゾンの量を測定し、ある量が産生された後、カートリッジ１０２の交換が必要または差し迫っていることを示す。これらの変数の一部または全部は、陰極液１１０の交換が必要とされる時を判定するために共に使用され得る。
【００６３】
本発明の例証的実施形態は、種々の槽作用および変数を制御するためのマイクロプロセッサ１４２を含み得る（図１参照）。例えば、マイクロプロセッサ１４２は、センサ１４０からもたらされる測定値を監視し、源水流量、源水温度、源水圧力、ならびに陰極液１１０流量、陰極液圧力、および陰極液温度等の槽性能の他のパラメータを監視するために使用され得る。マイクロプロセッサ１４２は、それらの測定値に基づいて、ある活動を行ない得る。例えば、マイクロプロセッサ１４２は、圧力を軽減するために、または水を添加し、陰極液１１０をさらに希釈するために、ソレノイド弁１４４を開閉し得る。マイクロプロセッサ１４２はまた、毎時総電力、ならびに可変出力システムの場合、毎時総電力の履歴およびデューティサイクル（例えば、全出力で１時間／週、１／２出力で２時間／週等）を記録し得る。一部の実施形態では、マイクロプロセッサ１４２は、以前の槽１００の特性、動作条件、および／または毎時合計総電力に基づいて、カートリッジ交換が必要である時を予測するためのアルゴリズムによってプログラムされ得る。
【００６４】
本発明の種々の例示的実施形態が開示されたが、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明の利点のいくつかを達成する種々の変更および修正が、行なわれてもよいことは、当業者に明白となるはずである。
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、米国出願第６１／１７３，４１１号（２００９年４月２８日出願）の利益を主張する。該出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、電解槽に関し、より具体的には、陰極液リザーバを有する電解槽に関する。
【背景技術】
【０００３】
電解槽は、種々の化学物質（例えば、化合物および元素）の産生のために使用され得る。電解槽の用途の１つは、オゾンの産生である。オゾンは、病原体および細菌の効果的殺傷剤であって、効果的殺菌剤として知られている。食品医薬品局（ＦＤＡ）は、食品接触表面のための消毒剤、および食品への直接塗布のための消毒剤として、オゾンの使用を認可している。故に、電解槽は、オゾンを発生させ、オゾンを源水中に直接溶解させ、それによって、病原体および細菌を水から除去するために使用されている。その結果、電解槽は、ボトル水製品および産業給水の浄化における用途が見出されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例証的実施形態は、インターフェースを有する電解槽と使用するためのカートリッジを対象とする。カートリッジは、陰極液を含むためのリザーバを含む。リザーバは、槽と取り外し可能に連結可能である。カートリッジはまた、電解槽上のインターフェースに取り外し可能に連結可能である、少なくとも１つのカートリッジポートを含む。カートリッジのポートはまた、カートリッジポートが電解槽のインターフェースに連結された場合に、リザーバと電解槽との間で陰極液を循環させるように構成される。
【０００５】
カートリッジの別の例証的実施形態では、カートリッジは、アノードと筐体とを有する電解槽と使用するためのものである。カートリッジは、カソードと、陰極液を含むためのリザーバとを含む。リザーバは、槽が使用中、かつリザーバが陰極液を含んでいる場合に、陰極液をカソードに提供するように構成される。カートリッジはまた、電解槽の筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能である、ポートを有する。さらに、カソードは、筐体のインターフェースに連結された場合に、電解槽のアノードから離間される。
【０００６】
カートリッジの種々の実施形態はまた、リザーバからの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ出口ポートと、リザーバへの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ入口ポートとを含み得る。一部の実施形態はまた、カートリッジポートが電解槽のインターフェースから分断された場合に、陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含み得る。
【０００７】
本発明の例証的実施形態はまた、オゾンを発生させ、オゾンを水源中に溶解させるための装置を対象とする。装置は、内部を形成する、筐体と、内部内の電解槽とを含む。槽は、カソードと、ダイヤモンドアノードと、カソードとダイヤモンドアノードとの間の膜とを有する。装置はまた、陰極液を受け取るためのリザーバを有する、カートリッジを含む。リザーバは、電解槽に取り外し可能に連結可能である。カートリッジはまた、リザーバと流体連通する、少なくとも１つのカートリッジポートを含む。筐体は、少なくとも１つのカートリッジポートと取り外し可能に連結するためのインターフェースを有する。カートリッジポートおよびインターフェースは、リザーバとカソードとの間で陰極液を循環させるようにさらに構成される。
【０００８】
装置の例示的実施形態では、カートリッジポートは、リザーバからの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ出口ポートと、リザーバへの陰極液の通過を可能にするためのカートリッジ入口ポートとを含む。装置も、インターフェース上に対応する構造を含み得る。例えば、インターフェースは、カートリッジ出口ポートと流体連通し、リザーバからカソードへの陰極液の通過を可能にするためのカソード入口ポートを含み得る。また、インターフェースは、カートリッジ入口ポートと流体連通し、カソードからリザーバへの陰極液の通過を可能にするためのカソード出口ポートを含み得る。一部の実施形態では、インターフェースは、インターフェースがカートリッジポートから分断された場合に、陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに含む。加えて、または代替として、カートリッジポートは、カートリッジポートがインターフェースから分断された場合に、陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含む。
【０００９】
装置の別の例証的実施形態では、装置は、アノードと、カートリッジとを有する、筐体を含む。カートリッジは、カソードと、陰極液を含み、陰極液をカソードに提供するためのリザーバとを含む。カートリッジは、筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能である、ポートを有する。筐体のインターフェースに連結された場合に、カソードは、電解槽のアノードから離間される。
【００１０】
他の例示的実施形態では、装置の筐体は、源水が、アノード入口ポートを通って流動し、アノードに接触し、次いで、アノード出口ポートを通って流動するように、アノード入口ポートと、アノード出口ポートとを含む。本発明の種々の実施形態では、アノードは、アノードと接触する源水からオゾンを発生させ、オゾンを源水中に溶解させる。加えて、または随意に、装置は、カートリッジが筐体のインターフェースから分断された場合に源水の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含む。
【００１１】
上述のカートリッジおよび装置の例示的実施形態では、カートリッジまたは装置は、カソードとアノードとの間に配置される膜を含む。一部の実施形態では、電解槽は、膜を含む。他の実施形態では、カートリッジは、膜を含む。さらに、例示的実施形態では、膜は、カソードとアノードとの間のプロトンの交換を提供する、固体プロトン交換膜である。
【００１２】
カートリッジおよび装置の他の例示的実施形態では、陰極液は、リザーバ内に含まれる。一部の実施形態では、陰極液は、固体形態である。例えば、陰極液は、事前に混合された粉末形態であり得る。
【００１３】
上述のカートリッジおよび装置の種々の実施形態では、リザーバは、陰極液を含むが、リザーバからの水素ガスの通過を可能にする疎水性膜を含む。
【００１４】
上述のカートリッジおよび装置の他の例示的実施形態では、カートリッジまたは装置は、電解槽の性能を監視するように構成されたセンサを含み得る。センサは、例えば、陰極液のｐＨ、陰極液の伝導性、陰極液の体積、および電解槽の電源内の電圧ドローを感知する。加えて、または代替として、本発明の実施形態はまた、カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の上述の特徴は、付随の図面に照らして、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、電解槽およびカートリッジの略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による、電解槽の概略分解図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、カートリッジの概略組立図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による、カートリッジの概略分解図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による、電解槽およびカートリッジの２つの概略図を含む。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽の概略組立図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽の別の概略組立図である。
【図８Ａ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｂ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｃ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｄ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図８Ｅ】図８Ａ−８Ｅは、本発明の例証的実施形態による、取り外し可能に連結可能な接続の一部の実施形態を図式的に示す。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽を図式的に示す。
【図１０】図１０は、図９のカートリッジの別の図を図式的に示す。
【図１１】図１１は、図９の電解槽の別の図を図式的に示す。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよび電解槽を図式的に示す。
【図１３】図１３は、図１２のカートリッジの別の図を図式的に示す。
【図１４】図１４は、図１２の電解槽の別の図を図式的に示す。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態による、カートリッジおよびベース部分を図式的に示す。
【図１６】図１６は、図１５のカートリッジの別の図を図式的に示す。
【図１７】図１７は、図１５のベース部分の別の図を図式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
例証的実施形態では、電解槽は、取り外し可能に連結されたカートリッジからその陰極液を受け取る。本カートリッジは、陰極液を含むためのリザーバと、カソード等の槽の部分と、またはリザーバおよび槽の部分両方を有し得る。種々の実施形態の詳細は、後述される。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による、電解槽１００の略図である。電解槽１００は、２つの電極、すなわち、アノード１２０と、アノードから離間する、カソード１２２とを有する。オゾンを形成するために、水源が、アノード１２０に注入され、正電位が、アノードに印加される一方、負電位が、カソード１２２に印加される。槽１００のアノード側では、電位差によって、水分子が、１）酸素と、２）水素陽イオンとに分解される。酸素は、水源中に溶解する、オゾンを形成する。水素陽イオンは、カソード１２２に印加される負電位によって、槽１００のアノード側からカソード側に引っ張られる。槽１００のカソード側では、陽イオンが、水素泡１２３を形成する。
【００１８】
本反応の際、源水から、スケール（例えば、炭酸カルシウム）が、アノード１２０、カソード１２２、または槽１００の他の構成要素上に堆積または沈着する可能性がある。最終的に、留意されるように、堆積する場合、スケールは、槽１００内の電気化学反応を妨害する。さらに、電解槽１００内のそのような沈着物は、有用槽寿命を短縮させ、槽性能およびオゾン等の標的化学物質の効率的産生を回復するために、内部構成要素の分解および清浄を必要とし得る。
【００１９】
故に、本発明の例証的実施形態は、カソード１２２の表面に沿って、陰極液１１０を流動させ、カソード上へのスケールの堆積を防止し、したがって、槽の効率を改善する。陰極液１１０を伴わない場合、電解槽１００の効率が低下することが予測される。
【００２０】
任意の種々の陰極液を使用可能である。本発明の例証的実施形態では、塩化ナトリウムおよびクエン酸を伴う陰極液１１０が、アノード１２０からカソード１２２への陽イオンの移動を促進する。塩化ナトリウムおよびクエン酸は、電解槽１００の構成要素を「詰まらせる」ことなく、アノード１２０、カソード１２２、およびイオン交換材料（例えば、プロトン交換膜）を通して、陽イオンを「引っ張る」ように作用し、それによって、槽内のスケール沈着物を効果的に減少させる。さらに、クエン酸は、金属イオンと反応し、クエン酸塩錯体を形成することによって、水軟化剤内で使用されるイオン交換材料の再生を支援する。このように、クエン酸は、槽１００のイオン交換材料上に蓄積する金属イオンを剥離する。
【００２１】
本発明の例証的実施形態は、陰極液１１０をカソード１２２に供給する、リザーバ１０４（例えば、タンクまたは容器）を含む。電解槽１００への大量の陰極液１１０の供給を提供するために、発明者らによって知られた従来技術の電解槽は、より大型のシステムまたは処理設備の一部として、電解槽を組み込む。陰極液１１０が劣化すると、古い陰極液は、新しい溶液と交換される。陰極液１１０を交換する動作は、典型的には、厄介かつ不便である。多くの場合、適切な交換を確実にし、面倒を軽減させるために、そのようなシステムを保守するために、熟練の人材が必要とされる。多くの場合、第１の供給の保守が行なわれている間、陰極液１１０の供給源が、別の供給源に切替可能なように、余剰要素（例えば、電解液タンクおよび／または配管）が、並行して配備される。他の場合では、カソード１２２は、源水のうちの一部をカソードに配管することによって供給され得る。望ましくないことに、この従来技術の方法は、源水が、カソードの表面上に沈着および／または堆積する不純物を含み得るため、槽１００の効率を低下させる。発明者らは、これらの問題の多くが、陰極液１１０を含む容易に交換可能なカートリッジ１０２を使用することによって回避され得ることを発見した。発明者らは、１）電解槽１００の複雑さが低減され、２）典型的には、電解槽の有用寿命が維持され、かつ３）陰極液１１０の交換がより簡単になされるカートリッジ１０２の例証的実施形態の使用を実現した。
【００２２】
したがって、本発明の例証的実施形態は、電解槽１００の有用寿命を大幅に延長させ、保守の依頼、槽の交換、および／または熟練の人材による介入を必要とする他の事象を回避する。本発明の例証的実施形態は、カソード１２２からスケールおよび他の不純物の大部分を回収および除去することによって、これらの不純物の沈着防止を支援する、交換が単純かつ容易なカートリッジ１０２を使用する。
【００２３】
上述のように、電解槽１００の例証的実施形態は、アノード１２０と、カソード１２２とを含み、オゾンの形成を促進する。本電解槽１００は、カートリッジ１０２と取り外し可能に連結するためのインターフェース１１９（図５参照）を有する、筐体１１８（図２参照）の内部に含まれる。カートリッジ１０２は、陰極液１００を含むための内部１０８（例えば、陥凹）を規定する壁１０６を有する、リザーバ１０４を含む。槽１００と流体を交換するために、カートリッジ１０２は、リザーバ１０４の内部１０８と流体連通する、入口ポート１１２と、出口ポート１１４とを含む。したがって、筐体１１８上のインターフェース１１９は、ポートおよびインターフェースが、カソード１２２をリザーバ１０４（図５参照）と流動的に連通させるように、カートリッジポート１１２、１１４と取り外し可能に連結する。
【００２４】
アノード１２０は、電解槽１００内でカソード１２２から離間される。アノード１２０からカソード１２２へのプロトン（例えば、水素陽イオン）の移動を促進するために、一部の実施形態では、固体膜が、電解質として使用され、アノード１２０とカソード１２２との間に載置される（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のプロトン交換膜（ＰＥＭ））。加えて、ある場合には、膜１３６は、カソード１２２内の陰極液１１０を、アノード１２０内を流動する源水から分離するための障壁として使用される。膜１３６に構造的完全性を提供するために、膜はまた、支持マトリクス（図示せず）を含み得る。
【００２５】
一部の実施形態では、アノード１２０は、例えば、化学蒸着プロセスによって蒸着されたダイヤモンドまたはダイヤモンド層を含む。ダイヤモンド層は、源水供給源内におけるオゾンの形成を可能にする。ある場合には、ダイヤモンドは、ダイヤモンドのオゾン形成特性をさらに向上させる、バロンによってドープされる。対応して、カソード１２２は、チタン等の伝導性材料を含む。伝導性チタンカソード１２２に印加される負電位は、電解槽１０２のアノード側からカソード側に向かって、水素陽イオンを引っ張る。一部の実施形態では、伝導性材料は、その耐腐食性を増加させるために、白金鍍着され得る。カソード１２２はまた、陰極液１１０および反応副産物が通過し得る、小通路および／または孔を生成する、拡張された金属メッシュから形成され得る。拡張された金属メッシュは、カソード１２２、陰極液１１０、および膜１３６の間の密接触を可能にする。
【００２６】
筐体１１８またはアノード１２０自体は、アノード入口ポート１２４と、アノード出口ポート１２６とを含む。配管１２８は、水が、アノード入口ポート１２４を通って流動し、アノード１２０（例えば、ダイヤモンド層）に接触し、次いで、アノード出口ポート１２６を通って流動するように、源水をアノード１２０に提供する。源水が、アノード１２０を通過して流動するのに伴って、水分子が、分解され、水素陽イオンが、アノード１２０に向かって引っ張られる一方、オゾンが、残留酸素から生成される。オゾンは、水中に直接溶解し、細菌および病原体の殺菌を開始し、それによって、水を浄化させる。次いで、処理された水は、アノード１２０から、アノード出口ポート１２６を通って、例えば、水道水等として使用するために、配管１２８内へと流動する。
【００２７】
筐体１１８および／またはカソード１２２自体は、カソード入口ポート１３０と、カソード出口ポート１３２とを含む。カートリッジ入口ポート１１２は、配管１３４を通って、カソード出口ポート１３２と流体連通する。同様に、カートリッジ出口ポート１１４は、配管１３４を通って、カソード入口ポート１３０と流体連通する。そのような配置では、陰極液１１０は、リザーバ１０４から、カートリッジ出口ポート１１４を通って、配管１３４内へと流動する。次いで、陰極液１１０は、カソード入口ポート１３０を通って流動し、カソード１２２に接触する。このように、新鮮な陰極液１１０が、カソード１２２に供給される。
【００２８】
陰極液１１０は、カソード１２２を通過して流動するのに伴って、電解反応によって産生された水素泡１２３を回収する。上述のように、発明者らは、陰極液１１０はまた、膜１３６を通して、陽イオンを「引っ張る」のを支援し、カソード１２２上へのスケールの堆積を防止し得ると考える。次いで、劣化した（または、部分的に劣化した）陰極液１１０が、カソード出口ポート１３２を通って、カソード１２２から流出し、配管１３２およびカートリッジ入口ポート１１２を通って、陰極液リザーバ１０４内へと流動する。このように、ポート１１２、１３０、１２２、１３２は、新鮮な陰極液１１０をリザーバ１０４からカソード１２２へと循環させ、劣化した陰極液１１０をカソードからリザーバへと戻すように構成される。
【００２９】
一部の実施形態では、図３に示されるように、カートリッジ出口ポート１１４は、重力によって、リザーバ１０４からカソード１２２内へ、次いで、容器へと戻るように、陰極液１１０の循環を支援し得るように、カートリッジ入口ポート１１２の下方に位置する。さらに、カソード出口ポート１３２は、カソード入口ポート１３０の鉛直上方に載置され得、カートリッジ入口ポート１１２は、電解反応から産生される浮遊水素泡１２３が、必然的に、カソード出口ポート１３２を通って、リザーバ１０４内へと上昇するように、カソード出口ポートの上方に位置し得る。このように、浮遊水素泡１２３の発生は、劣化した陰極液１１０溶液の流動をリザーバ１０４内へと枢動し、順に、新鮮な陰極液が、重力下、リザーバ１０４からカソード内へと流動する。それに対して、カソード１２２が、垂直ではなく、水平に配備される場合、気泡１２３は、ポート１３０、１３２の両方から流出し、新鮮な陰極液は、カソード１２２に効率的に到達せず、それによって、オゾンの発生を妨害するであろう。加えて、または代替として、ポンプを使用して、劣化した陰極液をカソード１２２からリザーバ１０４へと流動させ、リザーバからカソードに向かって、新鮮な陰極液の流動を支援し得る。
【００３０】
陰極液１１０および気泡１２３が、リザーバ１０４内へと流動するのに伴って、気泡は、リザーバの上部に集まる。リザーバ１０４からそれらの気泡１２３を通気させるために、一部の実施形態は、カートリッジ内に通気孔１１６を含む。通気孔１１６は、通気孔媒体として、疎水性材料を採用し得るが、他の材料もまた、使用され得る。発明者らは、通気孔媒体を選択する際に考慮されるべきいくつかの要因を発見した。
・通気孔媒体の孔サイズ
・通気孔媒体の表面積
・通気孔媒体の湿潤性
・通気孔媒体を通した水素ガスのガス流量
・最大流体圧（例えば、通気孔媒体にかかる陰極液１１０の力）
例えば、通気孔１１６から陰極液１１０が漏出するのを防止するために、通気孔媒体の孔サイズを縮小することは、有利となり得る。しかしながら、本アプローチは、通気孔１１６を通るガス流量を低減させ得る。ガスが、リザーバ１０４から適切に通気しない場合、リザーバおよび／またはカソード１２２は、ガスで充填され、それによって、オゾンの産生を妨害し得る。それでもなお、発明者らは、より広い表面積を伴う通気孔１１６を使用することによって、依然として、容認可能なガス流量を提供し、したがって、オゾンの産生が妨害されることを回避可能であり得ることを発見した。
【００３１】
さらに、本発明の例示的実施形態は、不純物をリザーバ１０４内で回収することによって、カソード１２２上への不純物（例えば、炭酸カルシウム）の沈着を防止する。本目的のため、一部の実施形態では、リザーバ１０４は、リッジまたは突起が、劣化した陰極液１１０内の不純物が、重力下、ポートの周囲に定着し、カソード１２２に向かって掃引され戻されないように、カートリッジ出口ポート１１４の上方に隆起する、不純物だめ構造を含む。代替として、または加えて、カートリッジ出口ポート１１４は、不純物が、カソード１２２に向かって逆流しないように、スクリーンまたはフィルタを含み得る。
【００３２】
陰極液１１０の循環流は、陰極液１１０が消耗される（すなわち、その溶質の一部または全部が、劣化する）まで継続する。劣化すると、陰極液１１０は、陰極液の新しい供給源と交換される。本発明の例証的実施形態は、カートリッジ１０２を新しいカートリッジ１０２と単に交換することによって、陰極液１１０の交換を促進する。本目的のため、本発明の例証的実施形態では、インターフェース１１９は、カートリッジ１０２の迅速かつ容易な交換のために、取り外し可能に連結可能な接続を提供する。発明者らは、インターフェース１１９を選択する際に考慮されるべきいくつかの要因を発見した。
・インターフェース１１９を通した流体抵抗
・インターフェース１１９を通した気泡１２３の移動
・カートリッジ１０２の交換の容易性
・カートリッジ１０２の交換の際の漏出の防止
・インターフェース１１９およびカートリッジ１０２のコスト（例えば、使い捨て材料の使用）
・インターフェース１１９の信頼性（例えば、カートリッジは、その有用寿命にわたって、適切に搭載されたままであるべきである）
・インターフェース１１９、カートリッジ１０２、および／または槽１００内の部品間の材料適合性
インターフェース１１９を通しての流体抵抗が大き過ぎる場合、カソード１２２への陰極液１１０の不十分な流動が存在し得る。望ましくないことに、この不十分な流動は、電解槽１００内のオゾンの産生を低下させ得る。また、インターフェース１１９が、カソード１２２からカートリッジ１０２内への水素ガスの流動を抑制する（例えば、障害または小さ過ぎる寸法を有する）場合、水素ガスは、カソード内に堆積し、槽１００のカソードポート１３０、１３２の両方を通って流動し得る。これは、カソード１２２内への新鮮な陰極液１１０の循環流を防止し、その結果、オゾン産生を妨害するであろう。本発明の例証的実施形態は、そのような課題を回避する。本問題を解決するための多くの方法のうちの１つである、図５、６、および７に示される実施形態では、インターフェース１１９は、そこを通って、流体が、カートリッジ１０２と槽１００との間を流動する、２つの直角屈曲部１２１を含む。カソード入口１３０および出口ポート１３２は、屈曲部の端部に位置付けられ、それぞれ、カートリッジ出口１１４および入口ポート１１２と流体連通する。インターフェース１１９は、カソード１２２からカートリッジ１０２への陰極液１１０の流動を可能にする。図５、６、および７に示される例示的実施形態はまた、水素ガス気泡１２３を重力によって上昇させ、カソード１２２から流動させる。
【００３３】
さらに、留意されるように、図５に示されるカートリッジ１０２の例示的実施形態は、電解槽１００上への搭載が容易である。本目的のため、カートリッジ１０２は、カソードポート１３０、１３２をカートリッジポート１１２、１１４と整列させ、次いで、カートリッジ１０２に小規模な下方力を加えることによって、搭載され得る。また、カートリッジ１０２の例示的実施形態は、電解槽１００と取り外し可能に連結可能であって、したがって、容易に除去可能かつ別のカートリッジと交換可能である。
【００３４】
用語「取り外し可能に連結可能」は、オゾン発生技術の文脈において考慮されたい。例えば、当業者は、通常、切断されなければならない場合、筐体から強制的に分断されなければならない場合、または本明細書に説明されるカートリッジのために必要とされる最小限の「一般」的訓練を超えた専門的訓練が要求される場合、カートリッジが筐体に「取り外し可能に連結される」とはみなさないであろう。したがって、発明者らによって知られる従来技術のオゾンカートリッジと比較して、交換の時間および複雑性が大幅に低減されたカートリッジが、「取り外し可能に連結可能」であるとみなされるべきである。以下は、所望の結果を提供するはずである、いくつかの可能性のある取り外し可能接続の概要である。
【００３５】
図８Ａは、取り外し可能に連結可能な接続の種類の１つの例証的実施形態を示す。そのような実施形態では、インターフェース１１９は、コネクタの外径上にＯリング溝８０４を伴う、オス型コネクタ８０２を含む。溝８０４内に配置されるＯリング８０６は、その上に、カートリッジポート１１２および１１４の一方からのメス型コネクタ８０８が押し付けられる（例えば、締まり嵌め）、隆起表面を形成する。メス型コネクタ８０８は、合致する内径Ｏリング溝８１０を含み得る。したがって、メス型コネクタ８０８が、Ｏリング８０６上に押し付けられるのに伴って、Ｏリング溝８１０が、オス型Ｏリング８０６上に摺動すると、定位置に「嵌着」する。そのような「押動式係止」コネクタ要素は、カートリッジが適切に搭載されたことの触覚的指標を提供し得る。言い換えると、ユーザは、力を加えるのに伴って、カートリッジ１０２が適切に定位置に嵌着したことを「触知」および／または「聴知」する。
【００３６】
図８Ｂは、取り外し可能に連結可能な接続の別の例証的実施形態を示す。本実施形態では、Ｏリング８０６は、使用されない。代わりに、Ｏリングは、オス型コネクタ８０２の外径から延在する、一体型起伏突起８１２（例えば、外側リブ）と置換される。メス型コネクタ内の溝８１０は、一体型起伏突起８１２上の定位置に係止する。一体型突起８１２は、オス型コネクタ８０２の外径またはメス型コネクタ８０８の内径上に位置し得る（例えば、内側リブ）。
【００３７】
図８Ｃに示される例示的実施形態では、メス型コネクタ８０８は、溝を含まない。代わりに、メス型コネクタ８０８は、オス型コネクタ８０２の外側リブ８１２上に載置される、延性のある管である。代替実施形態では、オス型コネクタ８０２は、延性のある管を構成し、メス型コネクタ８０８の内側リブ内に押し付けられる。リブ８１２と延性のある管との間の締まり嵌めは、カートリッジ１０２を定位置に保持し、カートリッジ１０２と槽１００との間の流体接続を密閉する。槽１００とカートリッジ１０２との間の十分な分離力は、カソードポート１３０、１３２をカートリッジポート１１２、１１４から分断するであろう。
【００３８】
図８Ｄは、取り外し可能に連結可能な接続のさらに別の実施形態を示す。示される実施形態では、槽１００のインターフェース１１９は、その上に、カートリッジポート１１２および１１４の一方からの延性のある管８１６（例えば、ホース）が押し付けられる、少なくとも１つの返し８１４を含み得る。または逆に、カートリッジポート１１２および１１４は、その上に、インターフェース１１９からの可撓性管が押し付けられる、返しを含み得る。
【００３９】
図８Ｅに示される別の例示的実施形態では、槽１００のインターフェース１１９は、オス型ネジ山接続８１８を含み得、カートリッジポート１１２および１１４からの接続は、対応するメス型ネジ山８２０を含み得、またはその逆であり得る。また、図８Ｅに示される実施形態では、メス型コネクタ８０８は、ユーザが、メス型ネジ山８２０をオス型ネジ山８１８上へより容易に固着可能なように、スイベル８２２を含む。
【００４０】
図８Ａ−８Ｅに示される実施例は、取り外し可能接続の排他的リストとして意図されるものではないことを強調されたい。したがって、当業者は、任意の数の他の取り外し可能に連結可能な接続を使用し得る。
【００４１】
本発明の例証的実施形態はまた、カートリッジ１０２および／またはカソード１２２から陰極液を溢出させずに、陰極液１１０の迅速かつ容易な交換を提供することを目的とする。交換の際、リザーバ１０４内に陰極液１１０を含むために、カートリッジ１０２はカートリッジ入口ポート１１２および出口ポート１１４を密閉するための弁１３８（例えば、逆止弁および／または通常閉鎖弁）を含む（図３および４参照）。加えて、または代替として、筐体１１８上のインターフェース１１９は、電解槽１００のカソード入口１３０および／または出口ポート１３２を密閉するための１つ以上の弁１３９を含み得る（図６および７参照）。カソード入口１３０および出口ポート１３２内の弁は、カートリッジ１０２が交換または再充填される時、カソード１２２内の残留流体の漏出および槽１００からのその後の溢出を防止する。弁１３８は、通常閉鎖弁であり得る。言い換えると、接続または係合されると、バネ等の機構は、弁を開放し、流体を通過させる。しかしながら、接続または係合されていない時、バネは、弁を閉鎖させ、流体流動を防止する。加えて、または代替として、弁１３８は、一方向のみに流体を流動させる、逆止弁であり得る。流体が、誤った方向に流動を開始すると、弁は、閉鎖し、流体の流動を防止する。そのような逆止弁は、カートリッジ１０２と電解槽１００との間の陰極液１１０の循環流を可能にするが、陰極液の逆流を防止するように配置され得る。
【００４２】
図５では、弁１３８は、カートリッジ１０２のカートリッジポート１１２および１１４に位置する。弁１３８は、通常閉鎖弁であって、したがって、槽１００から分断された場合にポート１１２、１１４を強制的に密閉する、バネを含む。槽１００に接続されると、バネは、カートリッジ１０２と槽１００との間の流体流動を可能にするように押し戻される。弁１３８は、交換される時、カートリッジ１０２からの流体および流出物の溢出防止を支援する。カソード１２２側に関して、カートリッジ１０２が交換される時、一部の陰極液１１０は、カソード１２２内に残留する。一部の実施形態では、弁は、陰極液１１０が、重力下、入口カソードポート１３０から排出するように、カソードポート１３０、１３２上に提供されない。しかしながら、他の実施形態では、弁１３９（図６および７参照）は、カソードポート１３０、１３２上に提供され、カソード１２２からの陰極液１１０の溢出を防止または低減する。さらに、インターフェース１１９、カートリッジ１０２、および槽１００は、異なる量の流出を可能にするように設計可能である。例えば、産業用設定では、電解槽１００からの数オンスの流体の流出が、許容可能であり得る一方、消費者用途の場合、数滴のみの流出でも許容されないであろう。
【００４３】
より具体的例示的実施形態では、弁１３８は、インターフェース１１９およびカートリッジポート１１２、１１４の取り外し可能に連結可能な接続と一体型である。この点において、本発明の例証的実施形態は、例えば、カートリッジの容易な交換を促進する一方、また、溢出を防止する、Ｃｏｌｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＣｏｍｐａｎｙＴＭによって供給される、ＨＦＣシリーズの迅速継手を使用し得る。
【００４４】
上述の槽およびカートリッジ配置１００、１０２は、本発明の例証的実施形態にすぎない。他の槽およびカートリッジ配置１００、１０２もまた、本発明の範囲内である。例えば、配管１３４は、カートリッジ入口ポート１１２をカソード出口ポート１３２と直接接合し、カートリッジ出口ポート１１４をカソード入口ポート１３０と直接接合することによって、排除され得る。したがって、陰極液１１０は、リザーバ１０４からカソード１２２内へと、かつその逆へと、直接流動するであろう。他の実施形態では、カソード１２２とリザーバ１０４との間に、１つのポートのみ存在し得る。そのような実施形態では、ポートの第１の部分は、リザーバ１０４からの陰極液１１０の流動専用であり得る一方、ポートの第２の部分は、リザーバへの陰極液１１０の流動専用であり得る。さらなる、または代替実施形態では、カソード１２２は、リザーバ１０４内に、またはその中に部分的に配置され得る。
【００４５】
この点に関して、図９は、本発明の代替の例証的実施形態を示す。本実施形態では、カートリッジ１０２と電解槽１００との間の陰極液１１０を循環させるための配管１３４は、存在しない。代わりに、カートリッジ出口ポート１１４は、カソード入口ポート１３０に直接接続され、カートリッジ入口ポート１１２は、カソード出口ポート１３２に直接接続される。さらに、カートリッジ１０２は、図３、４、５、６、および７に示されるように、鉛直ではなく、電解槽１００から水平に位置する。本水平実施形態では、水素泡１２３の浮力が、カソード１２２とリザーバ１０４との間で陰極液１１０を循環させる。
【００４６】
図９はまた、電解槽１００のアノード１２０、カソード１２２、および膜１３６の構成をより詳細に示す。電解槽１００は、源水が、アノード１２０を通って流動し、接触し得るように、アノード入口ポート１２４と、アノード出口ポート１２６とを含む。膜１３６は、多くの場合、槽１００のアノード側への陰極液の流動および槽１００のカソード側への水の流動の両方を十分に防止可能であるが、一部の実施形態はまた、密閉ガスケット９００（図９）を使用し、膜１３６の周縁周囲の流体流動を防止する。図１０は、膜１３６の周縁周囲の流体に対して障壁を提供する密閉ガスケット９００を伴う、電解槽１００の断面図を示す。
【００４７】
図９の電解槽１００はまた、電気導線９０４に取り付けられる電流波及器９０２を含む。電流波及器９０２は、アノード１２０と電気接触する、伝導性材料（例えば、チタン、銅、またはアルミニウム）のシートまたはメッシュである。バロンでドープされたダイヤモンド等のいくつかのアノード１２２は、高電気抵抗を有する。したがって、単一の電気接続からの電流が、ダイヤモンドの面積全体にわたって進行するのに伴って、電力損失（ひいては、効率損失）が生じる。電流波及器９０２は、電気導線９０４からの電流を、ダイヤモンドに進入する前に、低抵抗伝導性材料を通って進行させるため、そのような電力損失を制限する。図１１は、アノード１２０および電流波及器９０２の断面図を示す。アノード１２０は、電流波及器９０２と電気接触する面を有する、２つのバロンでドープされたダイヤモンドを含む。このように、電流は、各ダイヤモンドの面全体に分散される。
【００４８】
図３、４、および９に示される実施形態では、カートリッジ１０２は、リザーバ１０４を含み、電解槽１００に取り外し可能に連結される。しかしながら、カートリッジ１０２の一部の実施形態は、取り外し可能に連結可能なリザーバ以上のものを有する。例えば、図１２は、リザーバ１０４およびカソード１２２の両方を含む、カートリッジ１０２の実施形態を示す。発明者らは、カソード１２２および陰極液リザーバ１０４の両方を伴う、カートリッジ１０２が、いくつかの利点を有することを発見した。第１に、本構成は、スケールの大部分が、該当する場合、カソード１２２上に形成される一方、アノード１２０が、スケールを被りにくく、したがって、カソード１２０の交換が、槽１００の効率を増加させ得るため、有利である。故に、除去時、使用済みリザーバ１０４および腐食カソード１２２は、スケールの無いカソード１２２および新鮮な陰極液リザーバ１０４と交換される。第２に、アノード１２０は、典型的には、カソード１２２より有用寿命が長い。したがって、カソード１２２を交換する一方、アノード１２２を保存することによって、アノードの有用寿命をより活用することになる。第３に、いくつかのアノード１２０は、ダイヤモンド等の高価な材料から形成される。その結果、電解槽１００内のアノード１２０を保存することは、さらなるコスト削減を提供し得る。
【００４９】
図１２に示される実施形態では、カソード１２２は、リザーバ１０４の一部を規定し、それによって、リザーバから絶え間ない新鮮な陰極液１１０源を受け取る。カートリッジ１０２はまた、カソード１２２に隣接する、膜１３６を含む。図１３は、カソード１２２および膜１３６の断面図を提供する。カートリッジ交換の際、膜１３６は、カソード１２２からの陰極液１１０の流出を防止可能であるため、膜１３６（例えば、固体プロトン交換膜）を含むことは、有利である。ある場合には、本配置は、陰極液１１０の流出を防止するための付加的弁の必要性を排除する。しかしながら、他の実施形態では、カートリッジ１０２は、膜１３６を含まない。そのような実施形態では、膜１３６は、電解槽１００に添着されたままであり得、および／または陰極液１１０は、弁および／または接着剤シート等の一時的障壁を使用して、リザーバ１０４およびカソード１２２内に含まれる。
【００５０】
カートリッジ１０２はまた、電解槽１００の筐体１１８上のインターフェース１２０２に取り外し可能に連結可能である、ポート１２００を含む。図１２の実施形態では、カートリッジ１０２を槽１００に固着するために、ポート１２００は、それぞれ、溝１２０５、１２０７を有する、２つのフランジ１２０４、１２０６を含み、インターフェース１２０２は、２つのラッチ１２０８、１２１０を含む。２つのラッチ１２０８、１２１０は、それぞれ、ポート１２００の２つの溝１２０５、１２０７に係合する。このように、ポート１２００およびインターフェース１２０２は、取り外し可能に連結可能である。水および陰極液１１０がインターフェース１２０２とポート１２００との間から漏出するのを防止するために、電解槽１００はまた、カートリッジが電解槽１００に連結された場合に、カートリッジ１０２のポート１２００に対して押圧される、密閉ガスケット１２１２を含み得る。
【００５１】
種々の他の取り外し可能に連結可能な接続もまた、本発明の範囲内である。例えば、一具体的例示的実施形態では、カートリッジ１０２のポート１２００および電解槽１００のインターフェース１２０２は、円形である。ポート１２００は、ポートの周縁の周囲にフランジを含む。フランジの内径は、メス型ネジ山を含む一方、インターフェース１２０２の外径は、オス型ネジ山を含む。そのような配置を使用して、ユーザは、電解槽１００のインターフェース１２０２上にカートリッジ１０２を「螺合」可能である。
【００５２】
種々の他の例示的実施形態では、取り外し可能に連結可能な接続は、電解槽１００に搭載される場合に、カートリッジ１０２を適切に整列および／または支持するために、ガイドまたはガイドフィンガを使用する。適切に整列されると、係止機構が、カートリッジ１０２を電解槽１００にしっかりと固着し、取り外し可能に連結する。例えば、ある場合には、係止機構は、ポート１２００と電解槽１００のインターフェース１２０２との間に締まり嵌め（例えば、圧入）を有する。他の実施例では、係止機構は、ラッチ、接着剤、ネジ、嵌着継手、および／またはボルト式アセンブリを含み、それぞれ、カートリッジ１０２を槽１００にしっかりと固着し、取り外し可能に連結するために使用可能である。
【００５３】
図１２の実施形態では、カソード１２２において必要電位を生成するために、ラッチ１２１０の一方は、カートリッジ１０２に電流を提供する。カートリッジ１０２は、カソード１２２に連結される、電気導線１２１４と、溝１２０７上の電気接点１２１６とを含む。カートリッジ１０２が、電解槽１０２に連結され、槽が動作すると、電流が、ラッチ１２１０に印加され、ラッチが、溝１２０７内の電気接点１２１６と接触する。次いで、電流は、電気導線１２１４を通って、カソード１２２へと流動可能となる。このように、電流は、カソード１２２および他の電気的に従属する機能（例えば、インジケータ、ポンプ、ディスプレイ、またはセンサ）のために、カートリッジ１０２に提供可能である。アノード側では、電流波及器９０２および電気導線９０４が、アノード１２０に電流を提供する。本構成は、槽１００がオゾンを発生させるために必要である、アノード１２０とカソード１２２との間の電位を生成する。
【００５４】
本発明の例証的実施形態は、弁１２１６、１２１８を含み、カートリッジ１０２が、電解槽１００から分断された場合に源水の溢出を防止する。電解槽１００は、源水が、アノード１２０を通って流動し、接触可能なように、アノード入口ポート１２４と、アノード出口ポート１２６とを含む。図１２の実施形態では、電解槽１００は、カートリッジ１０２が分断された場合にアノード１２０へおよびそこからの源水の流動を防止する、弁１２１６、１２１８を含む。一部の実施形態では、弁１２１６、１２１８は、ステム１２２０、１２２２を使用して、カートリッジ１０２に係合する、通常閉鎖弁である。カートリッジ１０２が分断されると、バネ１２２４、１２２６は、弁１２１６、１２１８を閉鎖させ、源水の流動を防止する。しかしながら、カートリッジ１０２が、電解槽１００に連結された場合に、カートリッジは、弁ステム１２２０、１２２２に対して押圧し、それによって、源水が、アノード１２０に流動可能なように、弁１２１６、１２１８を開放させる。本構成は、カートリッジ１０２が分断された場合に源水の溢出を防止するが、カートリッジが槽１００に連結された場合に、源水の流動を可能にする。図１４は、弁１２１６、１２１８および電解槽１００内のその配置の別の図を提供する。
【００５５】
図１５は、カートリッジ１０２が、リザーバ１０４と、電解槽１００のさらに多くの主要構成要素（例えば、アノード１２０、カソード１２２、および膜１３６）とを含む、本発明のさらに別の実施形態を示す。そのような実施形態では、カートリッジ１０２は、ベース部分１５００に取り外し可能に連結可能であるように構成要素される。ベース部分１５００は、源水供給源を含む。加えて、ベース部分１５００は、他の構成要素（例えば、電源、ディスプレイ、センサ、およびインジケータ）を含み得る。一部の実施形態では、ベース部分１５００は、電化製品および／または清掃機器（例えば、洗濯機または電気洗浄装置）内の送水管等、使用時用途の一部であり得る。
【００５６】
図１５に示される実施形態は、図１２に示される実施形態に類似する。したがって、図１２に示される実施形態の説明の多くは、図１５に示される実施形態に同等に適用され、したがって、その説明は、ここでは反復しないものとする。
【００５７】
図１２の実施形態と図１５の実施形態との差異の１つは、アノード１２０が、図１５の実施形態では、カートリッジ１０２内に含まれることである。カートリッジ１０２はまた、アノード１２０に電流を分散させるための電流波及器１５０２を含む。アノードに電位を提供するために、ベース部分１５００上の第２のラッチ１２０８は、ラッチがカートリッジ１０２と係合されると、溝１２０７上の電気接点１５０４に電流を提供する。第２の電気導線１５０６は、第２の電気接点１５０４から電流波及器１５０２に電流を提供する。このように、電流は、ベース部分１５００からアノード１２０に提供される。図１２に関する上述のように、他方のラッチ１２１０は、カソード１２２に電流を提供する。本構成は、アノード１２０とカソード１２２との間に必要電位を生成する。図１６は、アノード１２０、カソード１２２、電流波及器１５０２、および膜１３６、ならびにカートリッジ１０２内のその配置の別の図を提供する。
【００５８】
加えて、本発明の一部の実施形態では、ベース部分１５００は、カートリッジ１０２がベース部分１５００に連結された場合に、アノード１２０を支持する、突起１５０８または一連の突起（例えば、リブ）を含む。突起１５０８は、それらを通して、源水を流動させ、アノード１２０に接触させる。図１７は、突起１５０８およびベース部分１５００内のその配置の別の図を提供する。
【００５９】
カートリッジ１０２の例証的実施形態は、陰極液１１０、オゾン、および電解反応の副産物と適合する材料を使用する。例えば、少量のオゾンまたは他の侵食性化学物質が、膜１３６を横断し、カートリッジ１０２のリザーバ１０４内へと流動し得る。したがって、一部の実施形態では、カートリッジ１０２は、化学物質の腐食効果に耐える材料から構築されるべきである（例えば、金属およびセラミック）。一方、カートリッジ１０２の寿命および廃棄可能性もまた、要因となり得る。侵食性化学物質にさらされると腐食するカートリッジ材料（例えば、プラスチックおよびポリマー）の使用は安価な材料のコストによって、および／またはカートリッジが、腐食が問題となる前に交換される場合、軽減され得る。言い換えると、カートリッジ１０２の意図される寿命は、材料を選択する際に考慮されるべきである。
【００６０】
一部の実施形態では、リザーバ１０４は、液体形態にある、陰極液１１０を含む。言い換えると、陰極液１１０は、水中に溶解された塩化ナトリウム、塩化カリウム、クエン酸、酢酸、および／または他の弱酸等の化学溶質を含む、（例えば、溶質は、８．３重量％の溶液を含む）。しかしながら、液体形態にある陰極液１１０を含むカートリッジ１０２の輸送および搭載は、水の過剰重量のため、高価かつ困難となり得る。故に、本発明の他の実施形態では、溶質は、乾燥形態として、リザーバ１０４内に存在する。所定の量の溶質が、リザーバ１０４内に存在し、水と混合されると、所定の濃度を伴う溶液を産生する。カートリッジ１０２が搭載されると、ユーザは、単に、水を添加し、溶質を溶解し、適切な陰極液１１０を産生可能である。水は、ユーザによって手動で添加可能であるか、または他の実施形態では、水は、補充弁１４４（例えば、ソレノイド弁、図１参照）を通して、自動的に添加可能である。補充弁１４４はまた、電解槽１００内の圧力を軽減するため、および／またはリザーバ１０４内の陰極液１１０の量を平準化するために使用され得る。一部の実施形態では、カートリッジ１０２は、溶質を伴わずに提供可能である。そのような場合、ユーザは、陰極液１１０をリザーバ１０４に添加する、またはリザーバに、事前に混合された粉末状の溶質を、次いで、所定の量の水を添加する。水は、リザーバ１０４内に手動で添加されるか、または自動的に注入され得る（例えば、ソレノイド弁を介して）。他の実施形態では、溶質は、固体塊の形態（例えば、煉瓦状の塊または錠剤）として添加され得る。固体塊は、単一固形物として、所定の用量の溶質とともに事前に加工される場合がある。ユーザは、固体塊をリザーバ１０４内に添加し、溶質の粉末形態または陰極液１１０の液体形態を取り扱う必要性を回避可能である。
【００６１】
本発明のさらなる例証的実施形態では、単一電解槽１００を支持する（および、取り外し可能に連結可能である）、複数の上述のカートリッジ１０２が存在し得る。複数のカートリッジ１０２を伴う配置は、槽１００の停止時間を伴うことなく、１つ以上のカートリッジの交換を可能にする、余剰性を提供し得る。他の実施形態では、複数の電解槽１００を支持する（および、取り外し可能に連結可能である）、単一カートリッジ１０２が存在し得る。単一カートリッジ１０２は、種々のオゾン出力レベルを発生させる、および／または異なる水循環網に配管される槽１００を支持する場合がある。さらに別の実施形態では、単一電解槽１００は、複数の異なる取り外し可能に連結可能カートリッジ１０２を含む。例えば、リザーバ１０４を有する第１のカートリッジは、カソード１２２を有する第２のカートリッジに取り外し可能に連結可能であり得る。第２のカートリッジは、順に、電解槽１００に取り外し可能に連結可能である。本構成は、リザーバ１０４およびカソード１２２を異なる時間間隔で交換可能にする。
【００６２】
本発明の例証的実施形態はまた、陰極液１１０が劣化した時および／または劣化が差し迫っている時を示すためのインジケータを含み得る。インジケータは、光またはＬＣＤ等のディスプレイデバイスであり得る。ある場合には、インジケータは、陰極液１１０が劣化すると、槽１００への電力を自動的に遮断し得る。インジケータは、陰極液１１０のｐＨ、陰極液１１０の伝導性、およびリザーバ１０４内の陰極液の体積（例えば、リザーバ内の陰極液レベルの高さ）等のある変数を測定することによって、電解槽１００の性能を監視する、センサ１４０（または、複数のセンサ）（図１参照）によってトリガされ得る。ｐＨ、体積、および伝導性センサ１４０は、カートリッジ１０２のリザーバ１０４内に載置され得るか、または他の実施形態では、ｐＨおよび伝導性センサは、カソード１２２に位置し得る。加えて、または代替として、一部の実施形態では、センサ１４０は、電解槽１００の電圧ドロー（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒａｗ）を測定する、電圧計であり得る。一定の電流では、スケールがカソード１２２上に堆積するのに伴って、電解槽１００の電圧ドローが増加する。電圧が、ある値に到達すると、インジケータは、陰極液１１０、カソード１２２、および／またはアノード１２０を交換する時期が来たことを示し得る。さらに他の実施形態では、センサ１４０は、槽１００によって産生されるオゾンの量を測定し、ある量が産生された後、カートリッジ１０２の交換が必要または差し迫っていることを示す。これらの変数の一部または全部は、陰極液１１０の交換が必要とされる時を判定するために共に使用され得る。
【００６３】
本発明の例証的実施形態は、種々の槽作用および変数を制御するためのマイクロプロセッサ１４２を含み得る（図１参照）。例えば、マイクロプロセッサ１４２は、センサ１４０からもたらされる測定値を監視し、源水流量、源水温度、源水圧力、ならびに陰極液１１０流量、陰極液圧力、および陰極液温度等の槽性能の他のパラメータを監視するために使用され得る。マイクロプロセッサ１４２は、それらの測定値に基づいて、ある活動を行ない得る。例えば、マイクロプロセッサ１４２は、圧力を軽減するために、または水を添加し、陰極液１１０をさらに希釈するために、ソレノイド弁１４４を開閉し得る。マイクロプロセッサ１４２はまた、毎時総電力、ならびに可変出力システムの場合、毎時総電力の履歴およびデューティサイクル（例えば、全出力で１時間／週、１／２出力で２時間／週等）を記録し得る。一部の実施形態では、マイクロプロセッサ１４２は、以前の槽１００の特性、動作条件、および／または毎時合計総電力に基づいて、カートリッジ交換が必要である時を予測するためのアルゴリズムによってプログラムされ得る。
【００６４】
本発明の種々の例示的実施形態が開示されたが、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明の利点のいくつかを達成する種々の変更および修正が、行なわれてもよいことは、当業者に明白となるはずである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インターフェースを有する電解槽のためのカートリッジであって、
陰極液を含むように構成され、該槽と取り外し可能に連結可能であるリザーバと、
該電解槽のインターフェースと取り外し可能に連結するための少なくとも１つのカートリッジポートであって、該カートリッジポートが該電解槽のインターフェースに連結された場合に、該リザーバと該電解槽との間で陰極液を循環させるように構成された少なくとも１つのカートリッジポートと
を備える、カートリッジ。
【請求項２】
前記リザーバ内に含まれる陰極液をさらに備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
前記少なくとも１つのカートリッジポートは、
前記リザーバからの前記陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ出口ポートと、
該リザーバへの該陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ入口ポートと
を備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項４】
前記カートリッジポートは、該カートリッジポートが前記インターフェースから分断された場合に、前記陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項５】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記陰極液は、固体形態である、請求項２に記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項６に記載のカートリッジ。
【請求項８】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項９】
オゾンを発生させ、オゾンを水源中に溶解させるための装置であって、
内部を形成する筐体と、
該内部内の電解槽であって、カソードと、ダイヤモンドアノードと、該カソードと該ダイヤモンドアノードとの間の膜とを有する電解槽と、
陰極液を受け取り、該槽と取り外し可能に連結可能であるリザーバと、該リザーバと流体連通する少なくとも１つのカートリッジポートとを含むカートリッジと
を備え、
該筐体は、該少なくとも１つのカートリッジポートと取り外し可能に連結するためのインターフェースを有し、該少なくとも１つのカートリッジポートおよび該インターフェースは、該リザーバと該カソードとの間で陰極液を循環させるように構成されている、装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのカートリッジポートは、
前記リザーバからの前記陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ出口ポートと、
該リザーバへの該陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ入口ポートと
を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記インターフェースは、
前記カートリッジ出口ポートと流体連通し、前記リザーバから前記カソードへの前記陰極液の通過を可能にするように構成されたカソード入口ポートと、
前記カートリッジ入口ポートと流体連通し、該カソードから該リザーバへの該陰極液の通過を可能にするように構成されたカソード出口ポートと
を備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記インターフェースは、該インターフェースが前記カートリッジポートから分断された場合に、前記陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記カートリッジポートは、該カートリッジポートが前記インターフェースから分断された場合に、前記陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記陰極液は、前記リザーバ内に含まれ、固体形態である、請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記筐体は、アノード入口ポートとアノード出口ポートとを含み、源水が、該アノード入口ポートを通って流動し、前記ダイヤモンドアノードに接触し、次いで、該アノード出口ポートを通って流動する、請求項９に記載の装置。
【請求項１８】
前記ダイヤモンドアノードは、該ダイヤモンドアノードと接触する前記源水からオゾンを発生させ、該オゾンを該源水内に溶解させる、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記膜は、前記カソードと前記アノードとの間のプロトンの交換を提供する固体プロトン交換膜である、請求項９に記載の装置。
【請求項２０】
前記電解槽の性能を監視するように構成されたセンサをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項２１】
前記センサは、前記陰極液のｐＨ、該陰極液の伝導性、該陰極液の体積、および前記電解槽の電源内の電圧ドローのうちの少なくとも１つを感知する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項２３】
アノードを有する電解槽のためのカートリッジであって、該カートリッジは、筐体と使用され、該カートリッジは、
カソードと、
リザーバと
を備え、
該リザーバは、陰極液を含み、該陰極液を含んでいる場合に、使用中に、該陰極液を該カソードに提供するように構成されており、
該カートリッジは、該筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能であるポートを有し、該筐体のインターフェースに連結された場合に、該カソードは、該電解槽のアノードから離間されている、カートリッジ。
【請求項２４】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２５】
前記陰極液は、前記リザーバ内に含まれ、固体形態である、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２６】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項２５に記載のカートリッジ。
【請求項２７】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２８】
前記カートリッジが前記筐体のインターフェースに連結された場合に、前記カートリッジのカソードと前記電解槽のアノードとの間に配置される膜をさらに備える、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２９】
前記膜は、前記カソードと前記アノードとの間のプロトンの交換を提供する、固体プロトン交換膜である、請求項２８に記載のカートリッジ。
【請求項３０】
オゾンを発生させ、オゾンを水源中に溶解させるための装置であって、
アノードを有する筐体と、
カートリッジと
を備え、
該カートリッジは、カソードとリザーバとを含み、該リザーバは、陰極液を含み、該陰極液を該カソードに提供するように構成されており、
該カートリッジは、該筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能であるポートを有し、該筐体のインターフェースに連結された場合に、該カソードは、該電解槽のアノードから離間されている、装置。
【請求項３１】
前記カートリッジは、該カートリッジが前記筐体のインターフェースに連結された場合に、前記カートリッジのカソードと前記電解槽のアノードとの間に配置される膜を含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記膜は、前記カソードと前記アノードとの間のプロトンの交換を提供する固体プロトン交換膜である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
前記陰極液は、前記リザーバ内に含まれ、固体形態である、請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記筐体は、アノード入口ポートとアノード出口ポートとを含み、源水が、該アノード入口ポートを通って流動し、前記アノードに接触し、次いで、該アノード出口ポートを通って流動する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３７】
前記アノードは、該アノードと接触する前記源水からオゾンを発生させ、該オゾンを該源水内に溶解させる、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記筐体は、前記カートリッジが該筐体上のインターフェースから分断された場合に、前記源水の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含む、請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項１】
インターフェースを有する電解槽のためのカートリッジであって、
陰極液を含むように構成され、該槽と取り外し可能に連結可能であるリザーバと、
該電解槽のインターフェースと取り外し可能に連結するための少なくとも１つのカートリッジポートであって、該カートリッジポートが該電解槽のインターフェースに連結された場合に、該リザーバと該電解槽との間で陰極液を循環させるように構成された少なくとも１つのカートリッジポートと
を備える、カートリッジ。
【請求項２】
前記リザーバ内に含まれる陰極液をさらに備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
前記少なくとも１つのカートリッジポートは、
前記リザーバからの前記陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ出口ポートと、
該リザーバへの該陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ入口ポートと
を備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項４】
前記カートリッジポートは、該カートリッジポートが前記インターフェースから分断された場合に、前記陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項５】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記陰極液は、固体形態である、請求項２に記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項６に記載のカートリッジ。
【請求項８】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項９】
オゾンを発生させ、オゾンを水源中に溶解させるための装置であって、
内部を形成する筐体と、
該内部内の電解槽であって、カソードと、ダイヤモンドアノードと、該カソードと該ダイヤモンドアノードとの間の膜とを有する電解槽と、
陰極液を受け取り、該槽と取り外し可能に連結可能であるリザーバと、該リザーバと流体連通する少なくとも１つのカートリッジポートとを含むカートリッジと
を備え、
該筐体は、該少なくとも１つのカートリッジポートと取り外し可能に連結するためのインターフェースを有し、該少なくとも１つのカートリッジポートおよび該インターフェースは、該リザーバと該カソードとの間で陰極液を循環させるように構成されている、装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのカートリッジポートは、
前記リザーバからの前記陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ出口ポートと、
該リザーバへの該陰極液の通過を可能にするように構成されたカートリッジ入口ポートと
を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記インターフェースは、
前記カートリッジ出口ポートと流体連通し、前記リザーバから前記カソードへの前記陰極液の通過を可能にするように構成されたカソード入口ポートと、
前記カートリッジ入口ポートと流体連通し、該カソードから該リザーバへの該陰極液の通過を可能にするように構成されたカソード出口ポートと
を備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記インターフェースは、該インターフェースが前記カートリッジポートから分断された場合に、前記陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記カートリッジポートは、該カートリッジポートが前記インターフェースから分断された場合に、前記陰極液の漏出を防止するための少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記陰極液は、前記リザーバ内に含まれ、固体形態である、請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記筐体は、アノード入口ポートとアノード出口ポートとを含み、源水が、該アノード入口ポートを通って流動し、前記ダイヤモンドアノードに接触し、次いで、該アノード出口ポートを通って流動する、請求項９に記載の装置。
【請求項１８】
前記ダイヤモンドアノードは、該ダイヤモンドアノードと接触する前記源水からオゾンを発生させ、該オゾンを該源水内に溶解させる、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記膜は、前記カソードと前記アノードとの間のプロトンの交換を提供する固体プロトン交換膜である、請求項９に記載の装置。
【請求項２０】
前記電解槽の性能を監視するように構成されたセンサをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項２１】
前記センサは、前記陰極液のｐＨ、該陰極液の伝導性、該陰極液の体積、および前記電解槽の電源内の電圧ドローのうちの少なくとも１つを感知する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項２３】
アノードを有する電解槽のためのカートリッジであって、該カートリッジは、筐体と使用され、該カートリッジは、
カソードと、
リザーバと
を備え、
該リザーバは、陰極液を含み、該陰極液を含んでいる場合に、使用中に、該陰極液を該カソードに提供するように構成されており、
該カートリッジは、該筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能であるポートを有し、該筐体のインターフェースに連結された場合に、該カソードは、該電解槽のアノードから離間されている、カートリッジ。
【請求項２４】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２５】
前記陰極液は、前記リザーバ内に含まれ、固体形態である、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２６】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項２５に記載のカートリッジ。
【請求項２７】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２８】
前記カートリッジが前記筐体のインターフェースに連結された場合に、前記カートリッジのカソードと前記電解槽のアノードとの間に配置される膜をさらに備える、請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２９】
前記膜は、前記カソードと前記アノードとの間のプロトンの交換を提供する、固体プロトン交換膜である、請求項２８に記載のカートリッジ。
【請求項３０】
オゾンを発生させ、オゾンを水源中に溶解させるための装置であって、
アノードを有する筐体と、
カートリッジと
を備え、
該カートリッジは、カソードとリザーバとを含み、該リザーバは、陰極液を含み、該陰極液を該カソードに提供するように構成されており、
該カートリッジは、該筐体のインターフェースに取り外し可能に連結可能であるポートを有し、該筐体のインターフェースに連結された場合に、該カソードは、該電解槽のアノードから離間されている、装置。
【請求項３１】
前記カートリッジは、該カートリッジが前記筐体のインターフェースに連結された場合に、前記カートリッジのカソードと前記電解槽のアノードとの間に配置される膜を含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記膜は、前記カソードと前記アノードとの間のプロトンの交換を提供する固体プロトン交換膜である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記リザーバは、疎水性膜を含み、該疎水性膜は、前記陰極液を含むが、該リザーバからの水素ガスの通過を提供する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
前記陰極液は、前記リザーバ内に含まれ、固体形態である、請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
前記陰極液は、事前に混合された粉末形態である、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記筐体は、アノード入口ポートとアノード出口ポートとを含み、源水が、該アノード入口ポートを通って流動し、前記アノードに接触し、次いで、該アノード出口ポートを通って流動する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３７】
前記アノードは、該アノードと接触する前記源水からオゾンを発生させ、該オゾンを該源水内に溶解させる、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記筐体は、前記カートリッジが該筐体上のインターフェースから分断された場合に、前記源水の漏出を防止するための少なくとも１つの弁を含む、請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記カートリッジの交換が必要となる時を示すためのインジケータをさらに備える、請求項３０に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公表番号】特表２０１２−５２５５０４（Ｐ２０１２−５２５５０４Ａ）
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０８６４５（Ｐ２０１２−５０８６４５）
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３２７６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２９３３８
【国際公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（５１１２５９４４１）エレクトロリティック オゾン インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３２７６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２９３３８
【国際公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（５１１２５９４４１）エレクトロリティック オゾン インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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