УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРАЦИОННОЕ
FILTRATION DEVICE

Изобретение относится к фильтрующим устройствам для очистки жидкости и может найти применение в бытовых условиях для доочистки водопроводной воды и других жидкостей бытового назначения.
Известные конструкции фильтрующих устройств кувшинного типа для очистки жидкости включают в себя, как правило, три элемента: емкость для фильтруемой воды в форме воронки и емкость для отфильтрованной воды в форме кувшина, которые сообщаются между собой через фильтрационное устройство. Жидкость наливают в емкость для фильтруемой воды, которая под действием гравитационных сил протекает через фильтрационное устройство и собирается в емкости для отфильтрованной воды. При этом фильтрационное устройство состоит из двух рабочих зон - верхней и нижней. Верхняя рабочая зона представляет собой крышку с отверстиями для входа исходной жидкости и оттока воздуха, а нижняя рабочая зона имеет не менее одного выходного отверстия в основании для выхода очищенной жидкости и, как правило, заполнена фильтрующим материалом. В качестве фильтрующих материалов в таких фильтрационных устройствах обычно используют активированный уголь.
Известны следующие релевантные источники, имеющие отношение к уровню техники настоящего изобретения: патент US 5049272 (МПК B01D 24/04; B01D 24/02; C02F 1/28, опубл. 17.09.1991 г.), патент US 8216465 (МПК B01D 27/02; C02F 1/00, опубл. 10.07.2012 г.), патент US 8101076 (МПК B01D 27/00; C02F 1/00, опубл. 24.01.2012 г.), патент РФ 2262976 (МПК B01D 24/10; C02F 1/18, опубл. 27.10.2005 г.), патент РФ 2410330 (МПК C02F 1/00; B01D 27/00, опубл. 27.01.2011 г.), патент DE 4422709 (МПК A47J 31/60; B01J 47/00; B01J 47/02; C02F 1/00; C02F 1/42, опубл. 01.04.1996 г.).
В уровне техники известна конструкция фильтрующего модуля с завинчивающимся колпачком с полой трубкой по патенту US 4895648 (МПК B01D 36/00, B01D 29/00, C02F 1/00, опубл. 23.01.1990 г.). Фильтрующий модуль имеет корпус и крышку или верхнюю рабочую зону, которая состоит из двух ступеней конической кольцевой части с прямыми вертикальными отверстиями, расположенными в один ряд на боковой поверхности нижней ступени для входа исходной жидкости, при этом крышка снабжена соединительной частью, которая приспособлена для насадки типа колпачка с полой трубкой. Насадка с полой трубкой имеет внутреннюю резьбу с целью закрепления ее на соединительной части крышки фильтрующего модуля. Полая трубка предназначена для беспрепятственного выхода воздуха, скапливающегося в верхней части фильтрующего модуля, и не влияет на распределение исходной жидкости внутри модуля.
Использование насадки с полой трубкой, расположенной по центру относительно оси, и расположение отверстий в один ряд на боковой поверхности нижней ступени крышки не обеспечивает подачи части исходной жидкости по этой полой трубке в корпус модуля, это не обеспечивает равномерное умягчение жидкости. Кроме того, в данной конструкции не предусмотрено средство фиксации наполнителя, что не исключает высыпание частиц фильтрующего материала, который при заполнении модуля водой частично всплывает и находится во взвешенном состоянии в процессе эксплуатации.
В уровне техники известна конструкция фильтрующего картриджа по патенту US 5989424 (МПК C02F 1/28, C02F 1/00, C02F 009/00, опубл. 23.11.1999 г.), состоящего из корпуса с выходным отверстием в основании, средства фиксации наполнителя, расположенного между корпусом и крышкой с верхними и боковыми щелевидными отверстиями для входа исходной жидкости. Внутреннее пространство крышки фильтрующего картриджа заполнено нерастворимым несжимаемым фильтрующим материалом, например полипропиленовыми волокнами. Внутреннее пространство корпуса заполнено фильтрующим гранулированным материалом, например активированным углем, при этом с целью удерживания наполнителя от вымывания на дне корпуса помещен нерастворимый несжимаемый фильтрующий материал, например полипропиленовые волокна.
В процессе эксплуатации гранулированный материал уплотняется, что приводит к образованию воздушного зазора, который препятствует протеканию жидкости, соответственно, увеличивая время водоочистки, появляется разница в высотах фильтрующего материала на краях и в центре модуля, что закономерно ведет к падению качества водоочистки. Конструкция фильтрующего картриджа по патенту US 5989424 не обеспечивает достаточную для непрерывной фильтрации степень выхода воздуха, который выталкивается жидкостью из корпуса при заполнении его жидкостью, это приводит к увеличению времени фильтрации исходной жидкости, т.е. к снижению фильтрующей способности модуля. Наполнитель крышки не является материалом, который обеспечивает умягчение фильтруемой жидкости.
В уровне техники известна конструкция устройства по патенту US 7695615 "Устройство фильтрационное" (МПК B01D 24/10, C02F 1/18, опубл. 13.04.2010 г.). Это изобретение является наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению и выбрано нами в качестве прототипа. Устройство состоит из корпуса, заполненного фильтрующим материалом композиционного состава с выходным отверстием в основании, средства фиксации, расположенного между корпусом и крышкой, которая приваривается с помощью сварки трения к корпусу, где верхняя часть крышки имеет отверстия для оттока воздуха и боковые щелевидные отверстия для входа исходной жидкости во внутреннюю полость устройства.
Одним из недостатков описанного изобретения является неудовлетворительное умягчение фильтруемой жидкости. Представленная конфигурация боковых отверстий крышки не является распределительной и недостаточно обеспечивает равномерную подачу исходной жидкости во внутреннее пространство крышки фильтрационного устройства.
Заявляемое изобретение направлено на усовершенствование существующей конструкции по патенту US 7695615.
Известные в уровне техники фильтрующие устройства кувшинного типа со сменными фильтрующими модулями не обеспечивают равномерное умягчение жидкости на протяжении всего ресурса работы; так как при использовании таких устройств в начале ресурса модуля вода характеризуется гиперумягченностью, а в конце ресурса модуля вода вовсе не подвергается умягчению.
Заявляемое изобретение направлено на решение проблемы, связанной с повышенной жесткостью питьевой воды при одновременной очистке фильтруемой воды от растворенного железа, механических взвесей и примесей. В настоящее время повышенная жесткость питьевой воды наиболее распространенная проблема качества воды в отдельных регионах планеты.
Задачей и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является создание устройства фильтрационного для очистки жидкости с гравитационной подачей, обеспечивающего равномерное умягчение фильтруемой жидкости на протяжении всего ресурса работы устройства фильтрационного с одновременным сохранением фильтрующей способности.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании изобретения достигаются тем, что устройство фильтрационное состоит из двух рабочих зон, по меньшей мере одного средства фиксации, по меньшей мере одного регулирующего элемента, при этом верхняя рабочая зона выполнена с отверстиями для входа жидкости и оттока воздуха, а нижняя рабочая зона, имеющая не менее одного выходного отверстия в основании, заполнена первым фильтрующим материалом, где верхняя рабочая зона выполнена с возможностью регулирования значения жесткости фильтруемой жидкости на протяжении всего ресурса в виде контейнера с внутренним пространством, заполненным вторым фильтрующим материалом с по меньшей мере двумя группами распределителей потоков жидкости варьируемой формы и размера, при этом суммарная площадь распределителей потоков первой группы больше суммарной площади распределителей потоков второй группы, а регулирующий элемент представляет собой по меньшей мере один канал, расположенный в верхней рабочей зоне и взаимосвязанный с ним в процессе фильтрации жидкости клапан средства фиксации, где контейнер состоит из верхней стенки, боковой стенки, соединенной с нижней стенкой, имеющей отверстия и канала, причем канал выполнен с возможностью обеспечения прохождения фильтруемой жидкости через первый фильтрующий материал, не взаимодействуя со вторым фильтрующим материалом, при этом верхняя рабочая зона соединена с нижней рабочей зоной предпочтительно методом сварки трением, или верхняя рабочая зона представляет собой съемную часть устройства, или верхняя рабочая зона выполнена за одно целое с нижней рабочей зоной, где первая группа распределителей потоков жидкости представляет собой совокупность отверстий, расположенных на верхней стенке и в первом верхнем ряду на боковой стенке контейнера, а вторая группа распределителей потоков жидкости представляет собой совокупность отверстий, расположенных на боковой стенке контейнера ниже первого ряда отверстий, при этом первый фильтрующий материал содержит предпочтительно смесь волокнистого и гранулированного сорбентов, где в качестве волокнистого сорбента используют предпочтительно ионообменные волокна, а в качестве гранулированного сорбента используют предпочтительно по большей части активированный уголь, ионообменную смолу или их смесь, при этом второй фильтрующий материал содержит предпочтительно гранулированные сорбенты, где в качестве гранулированного сорбента используют предпочтительно ионообменную смолу, где в качестве гранулированного сорбента используют предпочтительно по большей части ионообменную смолу и активированный уголь, где плотность второго фильтрующего материала предпочтительно меньше плотности первого фильтрующего материала.
Существенность отличий предлагаемого изобретения заключается в следующем. Для того чтобы достичь заданного технического результата, а именно получить одновременно очищенную и равномерно умягченную жидкость на протяжении всего ресурса устройства фильтрационного, необходимо обеспечить очистку всей исходной жидкости, подаваемой на фильтрацию, при этом большую часть этой жидкости отфильтровать через ионообменный материал. Конструктивное исполнение верхней рабочей зоны устройства обеспечивает рассчитанное время пребывания и объем исходной жидкости в верхней рабочей зоне, приводящее к равномерному умягчению фильтруемой жидкости на протяжении всего ресурса работы устройства фильтрационного, где суммарная площадь распределителей потоков первой группы больше суммарной площади распределителей потоков второй группы.
С учетом того что нижняя рабочая зона фильтрационного устройства, как в прототипе, заполнена первым фильтрующим материалом, в качестве которого используется смесь волокнистого и сыпучего материалов, то есть первым фильтрующим материалом, устройство обеспечивает заданный режим очистки жидкости на протяжении всего ресурса работы. При заполнении крышки устройства фильтрационного, выбранного в качестве прототипа (патент US7695615), умягчающим жидкость материалом и пропускании через него жидкости наблюдается неудовлетворительная работа клапана средства фиксации, что выражается в увеличении времени фильтрации.
Совокупность признаков заявляемого изобретения устраняет эти недостатки, чем достигается заявляемый технический результат. Существенной особенностью заявляемого устройства фильтрационного является конфигурация верхней рабочей зоны устройства, которая распределяет фильтруемую жидкость через устройство за счет канала и первой и второй групп распределителей потоков, тем самым обеспечивает протекание заданного объема фильтруемой жидкости в единицу времени.
Сопоставительный анализ заявляемой конструкции устройства фильтрационного с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа и решает поставленную задачу.
Сущность изобретения более подробно поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображен общий вид устройства фильтрационного;
на фиг.2 изображен общий вид сечения устройства фильтрационного в поперечном направлении, выполненного с помощью сварки и заполненного фильтрующими материалами;
на фиг.3 изображен общий вид сечения верхней рабочей зоны устройства фильтрационного в продольном направлении;
на фиг.4 изображен общий вид верхней рабочей зоны устройства фильтрационного снизу;
на фиг.5 изображен общий вид сечения устройства фильтрационного в поперечном направлении, выполненного как единое целое;
на фиг.6 изображен общий вид устройства фильтрационного сверху;
на фиг.7 изображен общий вид устройства фильтрационного снизу;
на фиг.8 изображен общий вид устройства кувшинного типа для очистки жидкости с устройством фильтрационным;
на фиг.9 изображен общий вид устройства фильтрационного в частном случае;
на фиг.10 изображен аксонометрический вид устройства фильтрационного в разрезе.
Устройство фильтрационное (фиг.1) состоит из верхней 1 и нижней 2 рабочих зон, при этом устройство может быть снабжено манжетой 3 для повышения надежности фиксации и уплотнения устройства в емкости для фильтруемой жидкости. Форма стенки нижней 2 рабочей зоны определяется технологически и может иметь различные конфигурации (фиг.1, 9). Верхняя 1 и нижняя 2 рабочие зоны соединяются между собой с помощью, например, сварки трением (фиг.2) или ультразвуком. В случае применения ультразвука может быть предусмотрено наличие по меньшей мере одного канала в месте соединения рабочих зон (на фиг. не показано), через который протекает по меньшей мере часть исходной жидкости в нижнюю 2 рабочую зону, не взаимодействуя со вторым фильтрующим материалом.
Верхняя 1 рабочая зона фильтрационного устройства выполнена в виде контейнера с верхней стенкой 4, боковой стенкой 5, соединенной с нижней стенкой 6 с отверстиями 7, и регулирующего элемента, представляющего собой канал 8 взаимосвязанный в процессе фильтрации воды с клапаном 9 средства фиксации 10 (фиг.2). Внешняя форма контейнера 1 устройства определяется конкретной технологией изготовления и может представлять собой преимущественно перевернутую ступенчатую форму с уменьшением диаметра к его нижней стенке (фиг.1), или увеличением диаметра (на фиг. не показано), или иметь постоянное проходное сечение (на фиг. не показано), что не влияет на заявленный технический результат, если суммарная площадь распределителей потоков первой группы больше суммарной площади распределителей потоков второй группы. Контейнер 1 с боковой стенкой 5, соединенной с нижней стенкой 6, и каналом 8 изготавливается из полимерного материала и является цельной деталью (фиг.3). Верхняя стенка 4 присоединяется к боковой стенке 5 контейнера 1 с помощью, например, сварки трением. При этом крышка имеет отверстие 11 с буртиком по центральной оси устройства, где буртик соединяется с каналом 8 для улучшения его фиксации в верхней 1 рабочей зоне устройства (фиг.2, 3). Отверстие 11 предназначено для входа фильтруемой жидкости в канал 8 и подачи фильтруемой жидкости по этому каналу 8 в нижнюю 2 рабочую зону и оттока воздуха из нижней 2 рабочей зоны устройства. Контейнер 1 выполнен с по меньшей мере двумя группами распределителей потоков жидкости различной формы и размера (фиг.10). Первая группа распределителей потоков представляет собой совокупность отверстий 12, расположенных на верхней стенке 4, и отверстий 13, расположенных на боковой стенке 5 контейнера 1 устройства фильтрационного (фиг.10). Вторая группа распределителей потоков представляет собой совокупность отверстий 14 и 15, расположенных на боковой стенке 5 контейнера 1 устройства фильтрационного (фиг.3, 6, 10).
Верхняя стенка 4 контейнера 1 (фиг.6) имеет, например, пять рядов отверстий 12 для входа фильтруемой жидкости, расположенных от внутренней к внешней поверхности контейнера 1 для равномерной подачи жидкости во внутреннее пространство контейнера 1. Боковая стенка 5 контейнера 1 имеет, например, три ряда отверстий - первый ряд 13, второй ряд 14 и третий ряд 15 (фиг.3). Эти отверстия предназначены для входа фильтруемой жидкости, они располагаются друг под другом и имеют, например, одинаковую форму. Нижняя стенка 6 контейнера 1 имеет, например, два ряда отверстий 7 (фиг.3, 4), предназначенных для выхода жидкости из контейнера 1 к средству фиксации 10 с клапаном 9 (фиг.2).
Средство фиксации 10 расположено между верхней 1 и нижней 2 рабочими зонами устройства фильтрационного и по меньшей мере приварено, например сваркой трением, к внутренней поверхности нижней 2 рабочей зоны (фиг.10).
Клапан 9 предусмотрен для оттока воздуха из нижней 2 рабочей зоны в канал 8 в процессе фильтрации жидкости. В качестве клапана 9 могут выступать различные отверстия или щели для выхода воздуха, скапливающегося между фильтрующим материалом нижней 2 рабочей зоны и средством фиксации 10.
Устройство фильтрационное в частном случае может быть выполнено как единое целое (фиг.5).
Нижняя 2 рабочая зона фильтрационного устройства может быть выполнена, например, в виде корпуса различной формы, не влияющей на технический результат (фиг.2, 9), например, с выходными отверстиями 16 (фиг.7) для выпуска очищенной жидкости. Эти выходные отверстия 16 могут быть дополнительно снабжены ребрами жесткости 17 (фиг.7). Выходные отверстия 16 могут быть изготовлены, например, из водопроницаемого полимерного материала и выполняют функцию удерживающего средства фильтрующего материала нижней 2 рабочей зоны фильтрационного устройства.
Конкретные размеры и отдельные конструктивные параметры исполнения устройства фильтрационного могут быть выбраны специалистами в зависимости от назначения и производительности устройства. Предлагаемое устройство может быть изготовлено на машине для литья под давлением термопластичных материалов, например, из полипропилена.
Устройство фильтрационное работает следующим образом. Исходную жидкость, например водопроводную воду, наливают в емкость 18 для фильтруемой воды фильтрующего устройства кувшинного типа для очистки жидкости 19, в которой установлено заявляемое устройство 20 (фиг.8). В процессе фильтрации, фильтруемая вода протекает через две группы распределителей потоков, первую - верхние 12 и боковые отверстия 13 и вторую - боковые отверстия 14 и 15 верхней 1 рабочей зоны устройства (фиг.3, 6, 10), за исключением канала 8, расположенного преимущественно по центру относительно центральной оси устройства (фиг.10). По мере заполнения внутреннего объема фильтрационного устройства фильтруемой водой (фиг.2, 8), воздух вытесняется из набухающего фильтрующего материала нижней 2 рабочей зоны и поднимается вверх, где переходит из нижней 2 рабочей зоны в верхнюю 1 рабочую зону через клапан 9 средства фиксации 10. Образующийся воздух проходит через этот клапан 9 средства фиксации 10 и попадает в канал 8 верхней 1 рабочей зоны, расположенный по центру относительно центральной оси устройства. Этот канал 8 обеспечивает отток образующегося воздуха на стадии заполнения нижней 2 рабочей зоны устройства фильтруемой водой. Заполнение нижней 2 рабочей зоны фильтруемой водой осуществляется быстрее, чем эта жидкость выходит через выходные отверстия 16 (фиг.7), в результате чего после выхода воздуха, канал 8 обеспечивает протекание части фильтруемой воды по этому каналу 8 к клапану 9 средства фиксации 10. При этом клапан 9 открывается в обратную сторону и обеспечивает протекание фильтруемой воды в нижнюю рабочую зону 2 устройства без взаимодействия с фильтрующим материалом верхней 1 рабочей зоны.
Протекание фильтруемой воды через фильтрующий материал верхней 1 рабочей зоны не влияет на скорость фильтрации. Это связано с тем, что плотность второго фильтрующего материала расположенного в верхней 1 рабочей зоне меньше плотности первого фильтрующего материала, расположенного в нижней 2 рабочей зоне устройства фильтрационного. Конструктивное исполнение заявляемого устройства фильтрационного обеспечивает непрерывную фильтрацию жидкости и умягчение фильтруемой воды на протяжении всего ресурса работы устройства, что достигается за счет регулирующего элемента, состоящего из клапана 9 средства фиксации 10 и канала 8, расположенного в верхней 1 рабочей зоне устройства, и первой и второй групп распределителей потока.
Чем выше уровень жидкости в емкости 18 для фильтруемой воды (фиг.8) на начальной стадии фильтрации, тем эффективнее и быстрее осуществляется фильтрация через фильтрационное устройство. Однако следует отметить, что на этом этапе обработки, например, воды площадь контакта фильтруемой воды с фильтрующим материалом верхней 1 рабочей зоны устройства большая, а продолжительность контакта низкая. Ионообменная смола или смесь, состоящая предпочтительно по большей части из ионообменной смолы и активированного угля, является фильтрующим материалом верхней 1 рабочей зоны устройства (фиг.2), обогащена натрием, который в ее структуре держится очень слабо. В то же время соли жесткости к смоле притягиваются и образуют прочные связи, происходит быстрая смена слабого натрия на сильные соли жесткости.
По мере протекания фильтруемой воды через фильтрационное устройство ее уровень в емкости 18 (фиг.8) для фильтруемой воды снижается. Следующий этап обработки фильтруемой воды начинается тогда, когда фильтруемая вода перестает поступать в канал 8, в отверстия 12 верхней стенки 4 и в первый ряд 13 отверстий боковой стенки 5 контейнера 1 (фиг.2, 10). На этом этапе обработки воды площадь контакта фильтруемой воды с фильтрующим материалом верхней 1 рабочей зоны устройства уменьшается, а продолжительность пребывания фильтруемой воды увеличивается. Это достигается за счет второй группы распределителей потоков, а именно второго 14 и третьего 15 рядов отверстий боковой стенки 5 контейнера 1 (фиг.10).
Из верхней 1 рабочей зоны умягченная вода выходит через два ряда отверстий 7 нижней стенки 6 контейнера 1 и поступает через средство фиксации 10 и клапан 9 в нижнюю 2 рабочую зону устройства, где осуществляется заключительная фильтрация воды и удаление из нее растворенного железа и свободного хлора (фиг.2, 10). Вода выходит умягченной и отфильтрованной от различных загрязнений через выходные отверстия 16 нижней 2 рабочей зоны (фиг.2, 7, 10). Очищенную воду собирают в емкости для отфильтрованной воды 21.