ФИЛЬТРУЮЩИЙ МОДУЛЬ УСТРОЙСТВА ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
FILTERING MODULE OF LIQUID PURIFICATION DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявляемое изобретение относится к устройствам очистки жидкости гравитационного типа, предназначенным для доочистки водопроводной воды и других жидкостей бытового назначения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные конструкции устройств очистки жидкости гравитационного типа включают в себя, как правило, три элемента: емкость для исходной жидкости и емкость для очищенной жидкости, которые сообщаются между собой через фильтрующий модуль. Исходную жидкость наливают в емкость для исходной жидкости, которая под действием гравитационных сил протекает через фильтрующий модуль и собирается в емкости для очищенной жидкости. При этом, как известно, фильтрующий модуль, как правило, состоит из зоны фильтрации и зоны деаэрации. Зона деаэрации представляет собой крышку с отверстиями для входа фильтруемой жидкости и оттока воздуха, а зона фильтрации имеет не менее одного выходного отверстия в основании для выхода очищенной жидкости и, как правило, заполнена фильтрующим материалом. В качестве фильтрующих материалов в таких средствах фильтрации обычно используют гранулированные или волокнистые сорбенты.
Из уровня техники известен фильтрующий модуль устройства очистки жидкости по патенту US 4306971 (B01 23/10, опубл. 22.12.1981, Chemie Brita Gerate Ing). Указанный модуль включает зону фильтрации, состоящую из корпуса, заполненного фильтрующим материалом и имеющего не менее одного выходного отверстия в основании, и зону деаэрации, состоящую из средства фиксации и крышки. Крышка и средство фиксации составляют единое целое, причем крышка представляет собой высокую трубку, в верхней стенке которой выполнено отверстие для выхода воздуха. Средство фиксации выполнено в виде перфорированного диска с продольными отверстиями, размер которых меньше размера частиц фильтрующего материала. Крышка с отверстием для выхода воздуха расположена на центральной вертикальной оси фильтрующего модуля. Фильтрующий материал представляет собой гранулы сорбента.
Фильтрующий модуль по патенту US 4306971 работает следующим образом. Исходная жидкость через продольные отверстия средства фиксации проходит фильтрующий материал, очищенная жидкость выходит из модуля через выходное отверстие, расположенное в основании модуля. При этом, по мере прохождения жидкости через слой фильтрующего материала, растворенный в жидкости воздух скапливается у поверхности средства фиксации, образуя воздушный пузырь, приводящий к частичному закупориванию отверстий для входа жидкости. Воздух постепенно выходит из зоны фильтрации и через зону деаэрации покидает модуль, выходя через отверстие, выполненное в верхней стенке крышки.
Недостатком фильтрующего модуля по патенту US 4306971 является то, что фильтрующий материал представляет собой гранулированный сорбент, частицы которого не имеют физико-химической связи между собой, что не позволяет сохранить целостность его структуры и приведет к появлению канальных эффектов, отрицательно влияющих на процесс фильтрации. Также конструкция модуля не позволяет воздуху свободно выходить из него, и для выхода воздуха необходимо, чтобы воздушный пузырь, формирующийся между поверхностью фильтрующего материала и средством фиксации, достиг определенного размера, чтобы давление внутри него было достаточным для выталкивания воздуха через крышку, выполненную в виде вертикальной трубки.
Из уровня техники известен фильтрующий модуль устройства очистки жидкости по патенту US 5049272 (B01D 24/14, опубл. 17.09.1991, Oxyphen AG), включающий зону фильтрации, состоящую из корпуса, заполненного фильтрующим материалом и имеющего не менее одного выходного отверстия в основании, и зону деаэрации, состоящую из средства фиксации и крышки. Средство фиксации выполнено в виде сетки конусообразной формы, сужающейся кверху. В верхней части конуса выполнено отверстие для выхода воздуха. Размер отверстий сетки меньше размера частиц фильтрующего материала. Крышка также имеет конусообразную форму и выполнена с горизонтальными продольными отверстиями для входа жидкости. В верхней части крышки расположено средство выхода воздуха, выполненное в виде купола, на боковой стенке которого имеется, по меньшей мере, одно вертикальное отверстие для выхода воздуха, сужающееся к верху. Ширина отверстия меньше размера частиц фильтрующего материала.
Фильтрующий модуль устройства очистки жидкости по патенту US 5049272 работает следующим образом. Исходная жидкость через отверстия, выполненные в крышке, проходит сквозь средство фиксации и поступает в корпус зоны фильтрации, где находится фильтрующий материал. Прошедшая фильтрующий материал исходная жидкость очищается и выходит через отверстия в основании модуля.
Как и в предыдущем аналоге, недостатком фильтрующего модуля устройства очистки жидкости по патенту US 5049272 является невозможность сохранения структуры фильтрующего материала внутри корпуса зоны фильтрации из-за отсутствия физико-химических взаимодействий между частицами. Нарушение структуры фильтрующего материала приведет к возникновению канальных эффектов. Кроме этого во время прохождения жидкости через отверстия средства фиксации, которые имеют малый размер, растворенный в воде воздух скапливается в верхнем слое фильтрующего материала и в пространстве над ним и сталкивается с потоком жидкости. Из-за малого размера ячеек сетки воздух не может свободно пройти в зону деаэрации. Он постепенно выходит через отверстие, выполненное в средстве фиксации, при этом затрудняя прохождение жидкости внутрь фильтрующего модуля, тем самым снижается скорость фильтрации и увеличивается ее время.
Также из уровня техники известен фильтрующий модуль устройства очистки жидкости по заявке на патент US 2013/0193060 (B01D 27/08, опубл. 01.08.2013, Mitsubishi Rayon Cleansui Company), включающий зону фильтрации, состоящую из корпуса, заполненного фильтрующим материалом и имеющего не менее одного выходного отверстия в основании, и зону деаэрации, представляющую собой пространство от верхней границы засыпки фильтрующего материала до крышки. При этом зона фильтрации и зона деаэрации не имеют четкого разделения, например, средством фиксации. Фильтрующий материал состоит из гранулированного сорбента и половолоконного модуля. Крышка имеет конусообразную форму. Боковые стенки крышки выполнены в виде сетки, размер отверстий которой много меньше размера частиц гранулированного сорбента. На верхней стенке крышки выполнено отверстие для выхода воздуха.
Фильтрующий модуль устройства очистки жидкости по заявке на патент US 2013/0193060 работает следующим образом. Исходная жидкость через боковые стенки крышки, выполненные в виде сетки, проходит в зону фильтрации, очищается, проходя через гранулированный сорбент и половолоконный модуль, и очищенная жидкость выходит из отверстия, расположенного в основании модуля. Растворенный в жидкости воздух постепенно проходит через отверстия, выполненные в крышке, и отверстия, выполненные в верхней части крышки, из зоны деаэрации в окружающую среду.
Недостатком фильтрующего модуля устройства очистки жидкости по заявке на патент US 2013/0193060 является то, что конструкция фильтрующего модуля не предусматривает фиксацию гранулированного сорбента в корпусе зоны фильтрации, что может привести к неравномерному распределению сорбента в корпусе зоны фильтрации и скоплению воздуха в свободном пространстве между фильтрующим материалом зоны фильтрации и крышкой. Воздух из зоны фильтрации свободно проходит в зону деаэрации, однако там происходит столкновение жидкостного и воздушного потоков, что затрудняет прохождение жидкости через мелкие отверстия сетки крышки внутрь зоны фильтрации.
Из уровня техники известен фильтрующий модуль устройства очистки жидкости RU 2262976 (B01D 24/10, C02F 1/18, опубл. 27.10.2005, ООО «Аквафор»), выбранный Заявителем в качестве ближайшего аналога. Фильтрующий модуль включает зону фильтрации, состоящую из корпуса, заполненного фильтрующим материалом, представляющим собой смесь гранулированных и/или волокнистых сорбентов, и имеющего не менее одного выходного отверстия в основании, и зону деаэрации, состоящую из средства фиксации и крышки. Средство фиксации выполнено в виде сетки, размер отверстий которой меньше размера частиц фильтрующего материала. При этом в центре средства фиксации выполнен лепестковый клапан. Крышка состоит из основания и верхней части, снабженных отверстиями для входа жидкости и выхода воздуха.
Фильтрующий модуль устройства очистки жидкости RU 2262976 работает следующим образом. Исходная жидкость через отверстия, выполненные в крышке и средстве фиксации, проходит в фильтрующий материал зоны фильтрации, где осуществляется очистка жидкости. Очищенная жидкость выходит из отверстия, расположенного в основании фильтрующего модуля. При этом по мере протекания жидкости через фильтрующий материал воздух поднимается вверх, выходит в зону деаэрации через лепестковый клапан.
Недостатком фильтрующего модуля устройства очистки жидкости RU 2262976 является то, что по мере протекания жидкости через фильтрующий материал может происходить нежелательное уплотнение композиционного материала, приводящее к увеличению времени фильтрации и уменьшению скорости фильтрации, а также нарушение структуры композиционного материала. Кроме этого для выхода воздуха из зоны фильтрации необходимо, чтобы давление воздуха внутри воздушного пузыря, формирующегося во время фильтрации, было достаточным для выталкивания его через указанный лепестковый клапан, так как размер отверстий средства фиксации мал для одновременного пропускания жидкости внутрь фильтрующего материала и выхода воздуха из зоны фильтрации.
Задачей и техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является разработка нового фильтрующего модуля, увеличение скорости и сокращение времени очистки жидкости.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании изобретения достигаются тем, что фильтрующий модуль устройства очистки жидкости, включающий зону фильтрации, состоящую из корпуса, заполненного фильтрующим материалом и имеющего не менее одного выходного отверстия в основании, и зону деаэрации, состоящую из средства фиксации и крышки, выполнен так, что фильтрующий материал имеет мультикластерную взаимосвязанную структуру, а зона деаэрации выполнена с возможностью удержания и сохранения основной структуры фильтрующего материала внутри корпуса устройства очистки жидкости за счет того, что средство фиксации представляет собой первый удерживающий барьер и выполнено в виде решетки, размер ячеек которой предпочтительно не превышает средний размер кластера фильтрующего материала, а крышка представляет собой второй удерживающий барьер и выполнена с ячейками, размер которых предпочтительно не менее, чем на порядок меньше размера отверстий средства фиксации, при этом крышка содержит элементы сетки, при этом верхняя точка крышки располагается на расстоянии предпочтительно более 1 см выше средства фиксации, при этом элементы сетки могут быть выполнены из тканого или нетканого полимерного материала или быть изготовлены заедино с крышкой методом прямого литья, при этом размер ячеек составляет предпочтительно более 50 мкм, но менее 250 мкм, а средство фиксации имеет плоскую или более сложную, например волнообразную, конусовидную или ступенчатую форму, фильтрующий материал представляет собой композиционный материал, содержащий гранулированные и волокнистые компоненты, также средний размер кластера фильтрующего материала предпочтительно больше 1,5 мм, но меньше 15 мм, при этом в крышке выполнено средство выхода газа, представляющее собой отверстия, количеством от 1 но не более 20, размером предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм, по меньшей мере, одно из отверстий средства выхода газа расположено в верхней части крышки.
На фигуре 1 представлен вертикальный разрез фильтрующего модуля устройства очистки жидкости.
На фигурах 2 и 3 представлено более подробное изображение зоны деаэрации.
Фильтрующий модуль устройства очистки жидкости (фиг. 1-3) включает зону фильтрации (1), состоящую из корпуса (2), заполненного фильтрующим материалом (3) и имеющего не менее одного выходного отверстия (5) в основании (4), и зону деаэрации (6), состоящую из средства фиксации (7) и крышки (8).
Фильтрующий материал (3) (фиг. 1) имеет мультикластерную структуру, образованную гранулированными и волокнистыми сорбентами. Каждый кластер представляет собой переплетенные волокна, внутри которых распределены гранулы сорбента. Внутри таких кластеров волокна удерживают гранулы сорбента, предотвращая их перемещение и уплотнение, за счет диполь-дипольных (ванн-дер-ваальсовых связей). При этом мультикластерная структура образуется за счет того, что отдельные волокна переплетаются вокруг указанных кластеров по всему объему фильтрующего материала. Средний размер кластера фильтрующего материала составляет от 1,5 до 15 мм.
В качестве гранулированного сорбента могут быть использованы высокоэффективные мелкодисперсные адсорбенты, например, порошкообразный активированный уголь и/или ионообменные смолы различной степени дисперсности, а в качестве волокнистого сорбента - ионообменные волокна, активированные углеродные волокна, волокна на основе полиакрилонитрила.
Средство фиксации (7) представляет собой первый удерживающий барьер и выполнено в виде решетки. Указанная решетка может иметь плоскую (фиг. 1-3) или, например, волнообразную, конусовидную или ступенчатую структуру (на фигурах не представлено). В случае, когда решетка имеет волнообразную, конусовидную или ступенчатую структуру, происходит более прочная фиксация фильтрующего материала внутри корпуса (2). Размер ячеек (11) (фиг. 2, 3) решетки (7) не превышает средний размер кластера фильтрующего материала. Кроме удержания и фиксации фильтрующего материала средство фиксации (7) препятствует образованию воздушного пузыря между поверхностью фильтрующего материала и зоной деаэрации (6). Это происходит из-за того, что размер отверстий средства фиксации (7) достаточно велик, чтобы избежать столкновения жидкостного потока и воздушного потоков. Кроме этого благодаря связанной кластерной структуре фильтрующего материала (3) не происходит забивания ячеек средства фиксации (7) частицами гранулированного сорбента фильтрующего материала (3).
Крышка (8) (фигуры 1-3) выполнена с элементами сетки (фигура 1), при этом центральная точка (9) крышки (8) располагается на расстоянии предпочтительно более 1 см выше средства фиксации (7) (фигуры 1-3). Размер ячеек (12) (фиг. 1) сетки много меньше размера ячеек (11) (фигуры 2, 3) средства фиксации (7) (фиг. 1-3) и составляет от 50 до 250 мкм. Крышки (8) является вторым удерживающим барьером. В случае попадания (например, в результате механического воздействия на модуль в ходе транспортировки) в зону деаэрации мелких частиц гранулированной составляющей фильтрующего материала (3) сетка не позволяет им покинуть пределы зоны деаэрации (6). Элементы сетки крышки (8) могут быть выполнены из полимерного тканого или нетканого материала или быть изготовлены за единое с крышкой (8) методом прямого литья.
В верхней части крышки (8) может быть выполнено средство отвода воздуха (10) (фиг. 2, 3), представляющее собой одно отверстие или группу отверстий количеством не более 20. Размер одного отверстия находится в диапазоне предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм. Из-за небольшого количества и незначительного размера указанных отверстий частицы гранулированной составляющей фильтрующего материала (3) не могут покинуть пределы зоны деаэрации даже в случае прямого воздействия потока жидкости на указанные частицы.
Фильтрующий модуль устройства очистки жидкости работает следующим образом. Исходная жидкость через ячейки сетки крышки (8) проходит в зону деаэрации и далее через ячейки (11) средства фиксации (7) попадает в фильтрующий материал (3), расположенный в корпусе (2) зоны фильтрации (1), где происходит очистка жидкости. Очищенная жидкость выходит через по меньшей мере одно отверстие (5), расположенное в основании корпуса (4). При этом воздух свободно покидает пространство зоны фильтрации (1) через ячейки средстве фиксации (7) без стадии образования воздушного пузыря. Далее воздух проникает или через ячейки сетки крышки (8), и/или через средство выхода воздуха (9).
В отличие от фильтрующих модулей, описанных в разделе "Уровень техники", в описываемом фильтрующем модуле фильтрующий материал имеет мультикластерную структуру, которая сохраняется на протяжении срока службы фильтрующего модуля. Указанная структура снижает вероятность появления канальных эффектов, препятствует уплотнению фильтрующего материала в процессе фильтрации и закупорки части эффективного объема фильтрующего материала воздухом. Кроме этого в заявляемом фильтрующем модуле отсутствует стадия образования воздушного пузыря. Именно отсутствие стадии образования воздушного пузыря, одновременно обусловленное конструкцией средства фиксации, несущего функцию первого удерживающего барьера фильтрующего материала, ячейки которого позволяют воздуху свободно покинуть зону фильтрации, конструкцией крышки, выполняющей функцию второго удерживающего барьера, и мультикластерной структурой фильтрующего материала. Таким образом, из выше сказанного видно, что заявляемая конструкция фильтрующего модуля позволяет увеличить скорость и сократить время фильтрации.
В настоящем описании изобретения представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения. В нем могут быть сделаны изменения в пределах заявляемой формулы, что дает возможность его широкого использования.