АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ВОДЫ
SELF-CONTAINED WATER TREATMENT DEVICE

Настоящее изобретение в основном относится к устройству очистки воды, включающему средство очистки воды с электрическим приводом, причем устройство подключено к системе коммунального водоснабжения. В частности, изобретение относится к водоочистителю, который автономно распределяет заданный объем очищенной воды.
Вода может содержать много загрязнений различного вида, включая, например, микрочастицы, вредные химические вещества и несколько типов микроорганизмов, таких как бактерии, паразиты, цисты и вирусы. Любые вредные загрязнения должны быть удалены из воды, прежде чем она будет пригодна для безопасного потребления людьми. Последствия, связанные с воздействием загрязненной воды, могут быть очень серьезны и возможны даже смертельные случаи, особенно в слаборазвитых странах. Однако в то же время в этих странах имеется несколько факторов, включая плотность населения, дефицит воды и/или недостаток электроэнергии, которые могут способствовать загрязнению воды.
Для того, чтобы сделать воду пригодной для потребления людьми, разработано множество типов различных систем очистки воды, основанных на одном или нескольких методах очистки. Хорошо известны способы очистки воды, включая дистилляцию, кипячение, химическую дезинфекцию, обратный осмос, фильтрацию воды и обработку ультрафиолетовым (УФ) облучением.
Так, УФ-обеззараживание является хорошо известным способом подготовки безопасной питьевой воды. УФ-облучение неочищенной воды уничтожает в ней все живые микроорганизмы вследствие воздействия УФ-лучей на ДНК. Однако использование ультрафиолетовых ламп требует электроэнергии. Следовательно, УФ-устройства очистки воды требуют непрерывного электроснабжения. Во многих частях мира, где подача электроэнергии прекращается в определенные периоды дня или вообще отсутствует электроснабжение, УФ-системы очистки воды менее пригодны.
В US 6863827 описывается устройство УФ-очистки воды, состоящее из множества фильтров для фильтрации воды и УФ-камеры для облучения воды. Устройство включает автономный источник питания, который использует солнечную энергию для зарядки электрической батареи, обеспечивающей энергией электрический двигатель для привода в действие насоса, использующегося в процессе очистки. Устройство, в частности, подходит для удаленных районов, где отсутствует электроснабжение.
В WO 2005/019115 описывается засыпной неэлектрический фильтр для очистки питьевой воды, состоящий из фильтра низкого давления для обработки загрязненной воды и накопительного резервуара для хранения воды, очищенной указанным фильтром. Устройство содержит автоматический запорный клапан для прекращения потока очищенной питьевой воды в упомянутый резервуар, как только он будет наполнен до отказа, предотвращая таким образом его переполнение. Устройство не использует УФ-излучение и пригодно только для распределения заданного объема воды, причем количество очищенной воды ограничено объемом накопительного бака, объединенного с упомянутым устройством.
В US 2002/040/867 A1 дано описание аппарата для обработки воды. Аппарат имеет камеру для обработки воды. Если в камере для обработки воды содержится достаточное количество воды, клапан изолирует камеру от водозабора. Когда вода в камере достигает предварительно заданного уровня, поплавковый переключатель в камере посылает сигнал на микроконтроллер, который затем посылает сигнал на клапан, запирающий его. Когда клапан закрывается, камера и поплавковый переключатель изолированы от водозабора.
Применение устройств водоочистки, основанных на одном или нескольких известных способах очистки воды, может быть использовано для комплекса жилых зданий, где обычно обеспечен напор воды и непрерывное электроснабжение, и, как правило, может быть достигнуто хорошее качество воды. Однако в некоторых странах, таких как развивающиеся страны, иногда происходят сбои в работе коммунальных систем снабжения водой и/или электроэнергией.
В ситуации, когда снабжение водой от системы водоснабжения недоступно, известные устройства водоочистки продолжают потреблять электрическую энергию, например, при непрерывной работе электрического привода устройства водоочистки. Потребление электроэнергии прекращается только тогда, когда пользователь выключает устройство. Однако недостаток таких устройств заключается в том, что каждый раз при возобновлении водоснабжения потребитель должен включать устройство.
Целью настоящего изобретения является разработка устройства очистки воды, в котором устранены упомянутые недостатки.
Эта цель достигается в изобретении разработкой устройства очистки бытовой воды, включающего средство водоочистки с электрическим приводом, впуск для загрязненной воды, соединенный по текучей среде со средством водоочистки и соединенный с системой коммунального водоснабжения, когда устройство находится в рабочем режиме, а также выпуск для распределения очищенной воды, соединенный по текучей среде со средством водоочистки, причем в рабочем режиме поток воды протекает через средство водоочистки от впуска к выпуску, при этом упомянутое устройство содержит запирающий блок для прерывания потока воды, датчик, реагирующий на наличие воды в системе коммунального водоснабжения, и средство контроля, управляющее запирающим блоком и средством водоочистки, причем датчик содержит реле давления для определения напора воды во впуске, а средство очистки воды с электрическим приводом выключается средством управления, когда временно нарушается подача воды от системы коммунального водоснабжения, причем работа средства очистки возобновляется, как только восстанавливается подача воды, и это определяется датчиком.
В соответствии с настоящим изобретением устройство водоочистки может бесперебойно обеспечивать достаточным суточным количеством питьевой воды для питья и приготовления пищи средний жилой дом, даже в том случае, если происходит временное прекращение водоснабжения. Благодаря использованию датчика наличия водоснабжения устройство потребляет электроэнергию только тогда, когда вода поступает из системы коммунального водоснабжения. Если подача воды временно прекращена, устройство управления выключает средство очистки воды с электроприводом и оно переходит в режим энергосбережения. Как только возобновится подача воды и это зафиксирует датчик, средство очистки воды возобновляет свою работу. Это экономит электроэнергию и позволяет потребителю не использовать двухпозиционный переключатель при подаче воды.
Использование энергосберегающего режима при прекращении подачи воды увеличивает срок службы средства очистки воды с электроприводом. Это означает, что у таких устройств, как, например, лампы или другие излучающие приборы, также увеличивается срок службы, так как они выключаются при временном отключении подачи воды.
Другим преимуществом устройства очистки воды в соответствии с настоящим изобретением является то, что при прекращении электроснабжения регулирующее устройство немедленно прерывает поток воды путем привода в действие запирающего блока. Это позволяет предотвратить смешение очищенной и неочищенной воды.
Предпочтительно, чтобы устройство включало в себя средство контроля объема очищенной воды. Названное средство для контроля объема очищенной воды может состоять, например, из счетчика расхода воды, такого как электромеханический ротационный счетчик. Сводные данные о расходе хранятся в искусственной памяти устройства и используются предпочтительно для того, чтобы определить, очищен ли заданный объем воды. Данные, полученные от устройства контроля, далее могут быть использованы для проверки окончания срока службы фильтрующего приспособления, т.е. для проверки, пригодно ли еще фильтрующее приспособление для использования, или его необходимо заменить.
Другим предпочтительным вариантом является то, что управляющее устройство приводит в действие запирающий блок, например клапан, если заданный объем воды уже очищен. Когда объем очищенной воды достигнет заданной величины, т.е. накопительный резервуар наполнится очищенной водой, запирающий блок прервет поток воды, обеспечивая тем самым заданное значение объема очищенной воды. Предпочтительно, чтобы упомянутый заданный объем воды соответствовал количеству воды, предназначенной для распределения, с тем, чтобы, например, накопительный резервуар представлял собой некоторый источник аварийного водоснабжения. Таким образом, в том случае, если имеется ограниченное водоснабжение, становится доступным лишь небольшой объем очищенной воды.
В частности, предпочтительно, чтобы устройство содержало входное приспособление для установки заданного объема воды, подлежащего очистке. Потребитель может устанавливать объем воды, подлежащий очистке, а именно объем, соответствующий размеру накопительного резервуара определенного типа, использующегося потребителем совместно с устройством очистки воды и являющегося аварийным источником очищенной воды. Эти данные могут быть сохранены в искусственной памяти устройства. Когда доступно водоснабжение и устройство включено, очищается упомянутый объем воды, заданный потребителем.
Другим предпочтительным вариантом является то, что устройство включает аккумуляторную батарею, соединенную с зарядным устройством. Зарядное устройство может быть подключено к источнику питания, который, в свою очередь, должен быть подключен к электросети или солнечной батарее, если отсутствует какой-либо другой источник электроэнергии. Батарея служит резервной системой питания, чтобы вода в течение определенного промежутка времени все еще подвергалась очистке, например в случае аварии в электросети. Когда подача электроэнергии возобновляется, батарея снова заряжается, чтобы служить источником питания в случае следующего перерыва электроснабжения. В соответствии с другим вариантом изобретения устройство также может работать от батареи, используя сеть только для зарядки батареи. Предпочтительно, чтобы запирающий клапан срабатывал от сигнала управляющего устройства, как только прекращается подача электроэнергии, а батарея разряжена.
Датчик наличия загрязненной воды содержит датчик давления. Такой датчик давления обычно представляет собой цифровой переключатель, реагирующий на напор воды. Когда во впускном клапане имеется напор воды, переключатель переходит в положение включено или выключено. Переключатель изменяет свое положение в тот момент, когда давление во впускном клапане падает ниже определенного значения. В соответствии с другим вариантом датчик может содержать магнитный поплавок (т.е. магнит, объединенный с поплавком), который приводит в действие язычковый датчик, когда значение потока достигает такого уровня, при котором срабатывает язычковый датчик при падении напора воды во впускном клапане ниже определенного значения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения средство очистки воды с электроприводом включает УФ-средство для облучения воды УФ-излучением. УФ-облучение является хорошо известным способом получения безопасной для здоровья питьевой воды. Предпочтительно, чтобы вода подвергалась воздействию УФ-облучения коротковолнового диапазона до такого состояния, когда количество всех вредных микроорганизмов (бактерии, вирусы и цисты) уменьшается до безопасного для потребления людьми уровня (NSF 55, класс А, стандарт Общего всемирного центра безопасности и очистки питьевой воды, подтверждающий соответствие обеззараженной воды стандартной классификации, используемый в системах УФ-очистки воды).
Предпочтительно, чтобы устройство содержало также фильтрующее средство для фильтрации воды, соединенное по текучей среде со средством УФ-очистки и расположенное до него. При фильтрации загрязненной воды до УФ-облучения уничтожаются примеси, которые могли бы ухудшить УФ-дезинфекцию. Фильтрующее средство может, например, состоять из одного или нескольких обычных фильтров, таких как осадочные фильтры для удаления, например, частиц, угольные фильтры с активированным углем для улучшения органолептических свойств воды, например, удаления хлора, и/или специальные фильтры для конкретных загрязнений, таких как цинк, мышьяк, нитраты, фтористые соединения и т.д.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается автономное устройство водоочистки, которое может обеспечивать достаточным суточным количеством безопасной и чистой питьевой воды средний жилой дом, даже в ситуации, когда происходят частые перерывы в снабжении водой и электричеством. Следовательно, устройство особенно подходит для использования в развивающихся странах.
Ниже следует описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения в части автономного функционирования устройства в соответствии с настоящим изобретением в различных условиях (относительно доступности водо- и электроснабжения).
1. Доступно водо- и электроснабжение:
Устройство переключается при помощи двухпозиционного переключателя (выключателя электросети).
Устройство подтверждает наличие водоснабжения с использованием датчика давления.
Устройство последовательно проверяет:
- Срок службы фильтра. Если срок службы фильтра истек, то устройство не позволит пользователю наливать воду. Устройство информирует пользователя изменением показаний дисплея. До окончания срока службы фильтра устройство проинформирует пользователя о скором истечении срока службы. Если срок службы фильтра еще не истек, система очистки перейдет к следующему пункту.
- Эффективную дозу УФ-излучения в УФ-камере. Если доза превышает определенную величину, система готова к использованию. В том случае, если доза излучения недостаточна, пользователю будет передана информация о необходимости замены УФ-ламп.
По умолчанию устройство работает в ручном режиме и информирует пользователя о готовности при помощи аудио- и видеосигналов.
При нажатии кнопки разлива очищенная вода может собираться из выпускного отверстия устройства.
Если устройство не используется в течение определенного промежутка времени, оно переходит в энергосберегающий режим работы, т.е. УФ-лампа выключается. Если после перехода в энергосберегающий режим пользователь хочет налить воду, устройство снова будет проверять срок службы фильтра и эффективную дозу УФ-излучения в УФ-камере, как описано выше (третий и четвертый пункт).
Если пользователь переведет устройство в автоматический режим, то он может задать требуемое количество очищенной воды. Устройство последовательно очищает и наливает требуемое количество воды и прекращает налив воды, как только требуемое количество воды будет очищено. Затем устройство опять будет повторять все пункты, как описано в предыдущем параграфе.
2. Водоснабжение отсутствует/электричество доступно:
Устройство переключается при помощи двухпозиционного переключателя (выключателя электросети).
Устройство проверяет наличие водоснабжения с использованием датчика давления. Поскольку водоснабжение отсутствует, устройство переключается в автоматический режим.
Пользователь может установить требуемое количество воды, которая должна быть очищена после восстановления водоснабжения.
Устройство переходит в режим ожидания (энергосберегающий режим).
Как только восстановится водоснабжение и вода достигает ватерлинии, давление увеличивается и при достижении определенного порогового значения срабатывает датчик давления, сигнал с которого поступает на средство управления, которое включает устройство.
Устройство последовательно проверяет:
- Окончание срока службы фильтра. Если срок службы фильтра истек, устройство не позволит пользователю наливать воду. Устройство информирует пользователя изменением показаний дисплея. До полного истечения срока службы фильтра устройство будет информировать пользователя о том, что скоро истечет срок службы фильтра. Если срок службы фильтра еще не истек, система очистки перейдет к следующему пункту.
- Эффективную дозу УФ-излучения в УФ-камере. Если доза превышает определенную величину, система готова к использованию. В том случае, если доза излучения недостаточна, пользователю будет передана информация о необходимости замены УФ-ламп.
Устройство последовательно очищает и наливает заданный объем воды и прекращает работу, как только этот объем будет достигнут.
Если водоснабжение прекратится в тот момент, когда устройство зафиксирует оставшийся необходимый объем воды, заданный по умолчанию, и перейдет к четвертому пункту (энергосберегающий режим).
Если после налива устройство не используется в течение определенного промежутка времени, оно переходит в энергосберегающий режим работы, т.е. УФ-лампа выключается. Если после переключения в энергосберегающий режим пользователь хочет налить воду, устройство снова начнет работу со второго пункта, описанного ранее (проверка наличия водоснабжения) и затем продолжит работу.
3. Водоснабжение доступно, отсутствует электроснабжение/отсутствует водо- и электроснабжение:
Батарея резервной системы автоматически включается в работу, а устройство продолжает функционировать, как описано выше в пунктах 1 и 2.
Настоящее изобретение проиллюстрировано на чертеже, где схематически представлены блоки устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, а также направление потока воды и электронное соединение блоков.
До начала работы устройство обычно подсоединяется к крану, например водопроводному крану на кухне. От этого крана загрязненная вода 1 (т.е. пресная вода, не пригодная для питья) подается на устройство. Загрязненная вода 1 проходит через впускной клапан 2. В данном случае предполагается, что устройство, описанное в данном изобретении, в основном используется в таких странах, где вода, поступающая от систем водоснабжения, не является питьевой, по крайней мере без очистки. В таких странах, как правило, часто происходит отключение коммунального водоснабжения и/или электричества.
Как схематически показано на чертеже, упомянутый впускной клапан загрязненной воды 2 соединен по текучей среде с первым фильтром F1, например осадочным фильтром, и вторым фильтром F2, например угольным фильтром F2 с активированным углем для удаления из воды, например, хлора, органических химикатов и свинца. Оба фильтра могут быть объединены в одном блоке фильтрации 4. Фильтры находятся «выше по потоку от», т.е. «до» в направлении потока воды к УФ-камере 3, содержащей УФ-лампу для уничтожения в воде микроорганизмов путем УФ-облучения. Таким образом, фильтры могут удалять любые загрязнения, способные снизить эффективность УФ-облучения. Как показано на чертеже, клапан 5, так называемый соленоидный клапан, контролирует поступление загрязненной воды 11 к фильтрам F1 и F2.
Из УФ-камеры 3 через выпускной клапан 15 поступает очищенная вода, безопасная для питья и готовая для использования. Понятно, что устройство может содержать дополнительные фильтры, т.е. удалять и другие загрязнения, уникальные для отдельных районов, в зависимости от места использования.
Автономно работающее устройство в соответствии с настоящим изобретением, как показано на чертеже, содержит датчик 6, имеющий реле давления, расположенное до клапана 5, контролирующее поступление загрязненной воды 1 от системы водоснабжения. Реле давления связано электрической цепью со средством 7 управления, которое в соответствии с сигналом 12 от реле давления переключает УФ-лампу в УФ-камере 3 в режим включено или выключено. Упомянутое средство 7 управления может иметь, например, печатную плату со смонтированными несколькими электронными компонентами, такими как микроконтроллер и чипы. Например, элемент задержки позволяет УФ-лампе нагреваться в УФ-камере до полной мощности, обеспечивая тем самым облучение воды достаточной дозой УФ-света. Предпочтительно использовать дополнительный клапан, не показанный на чертеже, между средством очистки воды с электрическим приводом или УФ-камерой 3 и выпускным клапаном 15, для обеспечения контроля средства 7 управления.
В соответствии с настоящим изобретением устройство содержит также счетчик 10 расхода для контроля объема воды, очищенной фильтрами. Счетчиком расхода может быть, например, электромеханический счетчик роторного типа. Так счетчик расхода делает несколько оборотов в зависимости от потока и генерирует электрические импульсы, которые откалиброваны в соответствии с потоком воды, протекающей через устройство. Счетчик 10 расхода соединен электрической цепью 13, 14 через средство 7 управления с клапаном 5 для прекращения подачи загрязненной воды путем закрытия клапана 5 при достижении заданного объема очищенной воды. Совокупные данные о потоке хранятся в искусственной памяти устройства и используются для получения сведений о том, очищено ли выбранное заданное количество воды. Упомянутый заданный объем воды может, например, соответствовать объему накопительного резервуара, который пользователь может размещать после выпускного 15 клапана и использовать его в качестве аварийного источника очищенной воды.
После того как объем очищенной воды достигнет заданного значения, устройство может, например, подать звуковой и/или видеосигнал, такой как текстовое сообщение на экране дисплея, сигнализирующий о том, что упомянутое заданное количество воды очищено.
Совместно с описанным в настоящем изобретении устройством можно использовать различные типы накопительных резервуаров разного объема, так что пользователь легко может регулировать объем воды, подлежащей очистке. Предпочтительно, чтобы входные устройства (не показанные на чертеже) были соединены со средством 7 управления, позволяя пользователю осуществить предварительный выбор требуемого объема очищенной воды. Выбранное значение хранится в искусственной памяти средства 7 управления.
Данные от счетчика расхода могут быть далее использованы для проверки истечения срока службы фильтрующего средства, например, проверки того, пригодно ли еще фильтрующее средство для использования, или его следует заменить. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения или в дополнение к упомянутому определение истечения срока службы фильтрующего устройства может быть основано на времени его использования. Это означает, что устройство может прекратить подачу воды и/или подать сигнал потребителю, если предустановленный промежуток времени с момента замены фильтра в устройстве истек.
Как сказано выше, предпочтительно, чтобы устройство было подключено к электросети. Как показано на фиг.1, устройство может содержать аккумуляторную батарею 8, которая может служить резервным источником энергии в случае прекращения подачи электроэнергии от сети 9. Когда происходит перерыв электроснабжения, батарея 8 служит источником питания устройства до тех пор, пока снова не восстановится подача электроэнергии. Когда электроснабжение доступно, батарея 8 подзаряжается так, чтобы она была в рабочем состоянии в следующий период прекращения подачи электричества. Устройство может содержать также обычные компоненты, такие как трансформаторы, для преобразования при необходимости напряжения батареи 12 В в переменное напряжение 120-260 В.
Аккумуляторная батарея 8 может быть подключена к источнику питания (не показанному на чертеже), подсоединенному к электросети. В другом варианте она может быть подключена к солнечной батарее, которая подсоединяется с внешней стороны устройства.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет снизить общее потребление энергии. Если устройство не используется в течение определенного промежутка времени, средство 7 управления может переключить его в режим энергосбережения, например, выключив УФ-лампу и сделав таким образом потребление энергии минимальным. Это также увеличит срок службы УФ-лампы.
вкл
вкл
выкл
вкл
выкл
вкл
выкл
вкл
выкл
вкл
выкл
supply
Чтобы снизить потребление энергии устройством, особенно при использовании аккумулятора или источника постоянного тока, применяется, например, способ так называемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для уменьшения напряжения питания клапана. При широтно-импульсной модуляции источник постоянного тока мгновенно переключается с заданной частотой. Процентное соотношение времени включения напряжения к полному периоду одного импульса называется рабочим циклом. Цикл (D) равен времени включения (T), деленному на сумму времени включения (T) и времени выключения (T) (D=T+T). Время включения (T) является промежутком времени, в течение которого источник питания подключен к клапану, а время выключения (T), соответственно, когда отключен. Частота переключения определяется соотношением 1/(T+T.) При выборе времени T+Tменьше электрической постоянной времени индуктивно-резистивного контура клапана (L/R) клапан будет реагировать только на среднюю величину постоянного напряжения, подаваемого на устройство широтно-импульсной модуляции (U*D). Снижая среднюю величину постоянного напряжения, подаваемого на клапан, можно уменьшить полную величину энергии питания клапана.