ФИЛЬТРУЮЩИЙ МОДУЛЬ
FILTERING MODULE

Изобретение относится к мультимодальным фильтрующим модулям для устройств очистки жидкости гравитационного типа, предназначенных для применения в бытовых условиях, на дачных и садовых участках для очистки или доочистки жидкости, преимущественно воды, для бытового и/или питьевого водоснабжения и других жидкостей бытового назначения.
Известные конструкции устройств очистки жидкости гравитационного типа включают в себя, как правило, три элемента: емкость для исходной жидкости, емкость для очищенной жидкости и фильтрующий модуль, закрепленный между емкостью для исходной жидкости и емкостью для очищенной жидкости. Фильтрующие модули, характеризующиеся, по меньшей мере, двумя возможными вариантами крепления, - это мультимодальные фильтрующие модули. Устройства очистки жидкости работают следующим образом: исходную жидкость наливают в емкость для исходной жидкости, под действием гравитационных сил исходная жидкость протекает через фильтрующий модуль, при этом происходит процесс очистки и отфильтрованная жидкость собирается в емкости для отфильтрованной жидкости. Фильтрующий модуль устройства очистки жидкости гравитационного типа представляет собой, как правило, корпус с крышкой, заполненный фильтрующей смесью. В качестве фильтрующей смеси используются гранулированные или волокнистые сорбенты. Основным недостатком фильтрующих модулей указанного типа является наличие между гранулами или волокнами фильтрующей и в исходной жидкости воздуха, который в процессе фильтрации должен выводиться из фильтрующего модуля. Оставшийся внутри фильтрующего модуля воздух может образовывать воздушные пробки, которые блокируют часть фильтрующей смеси, что приводит к снижению скорости фильтрации и появлению канальных эффектов, а также может привести к потере работоспособности модуля до исчерпания его сорбционной емкости по причине того, что воздушная пробка препятствует входу исходной жидкости в фильтрующей модуль и/или выходу очищенной жидкости из него. В фильтрующих модулях, не являющихся мультимодальными, указанная проблема решается за счет включения в конструкцию модуля средства выхода воздуха или зоны выхода воздуха. Для мультимодальных фильтрующих модулей такой подход малоприменим, так как требования к месторасположению средства или зоны отвода воздуха зависят от способа крепления модуля к емкости для исходной жидкости, а для мультимодального модуля характерно не менее двух способов крепления. То есть для эффективной работы при любом возможном способе крепления мультимодальному фильтрующему модулю необходимо иметь, по меньшей мере, два средства выхода воздуха и/или две зоны выхода воздуха, что ведет к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров модуля. Это является существенным недостатком, так как для устройства очистки жидкости гравитационного типа предпочтительна портативность.
Из уровня техники известна конструкция мультимодального фильтрующего модуля устройства очистки жидкости по патенту US 8216451 (МПК B01D 27/08, B01D 27/085, опубл. 10.07.2012, Brita Gmb. H). Указанный фильтрующий модуль представляет собой корпус, имеющий в основании, по меньшей мере, одно отверстие для выхода жидкости и заполненный фильтрующий смесью; крышку, снабженную, по меньшей мере, одним отверстием для входа жидкости, и средства крепления, по меньшей мере, двух типов. Фильтрующая смесь состоит из гранулированных сорбентов. В первом варианте фильтрующий модуль снабжен дросселирующим элементом. В другом варианте дросселирующий элемент является частью емкости для исходной жидкости, а фильтрующий модуль снабжен элементом крепления к дросселирующему элементу. Дросселирующий элемент предназначен для ограничения потока исходной жидкости на входе в фильтрующий модуль, при этом увеличивается давление исходной жидкости. За счет увеличения давления исходной жидкости пузырьки воздуха в процессе фильтрации выдавливаются жидкостью из фильтрующей смеси.
Фильтрующий модуль по патенту US 8216451 работает следующим образом. Фильтрующий модуль крепится с помощью элементов крепления к емкости для исходной жидкости устройства очистки жидкости, а снизу помещается емкость для очищенной жидкости. Емкость для исходной жидкости заполняется исходной жидкостью. Из емкости для исходной жидкости исходная жидкость через дросселирующий элемент поступает в фильтрующий модуль через отверстие для входа жидкости, выполненное в крышке фильтрующего модуля. Исходная жидкость проходит через фильтрующую смесь, при этом осуществляется очистка жидкости. Очищенная жидкость выходит через отверстие для очищенной жидкости, расположенное в основании корпуса, и накапливается в емкости для очищенной жидкости. Также через отверстие для очищенной жидкости в процессе фильтрации выдавливается часть воздуха из фильтрующей смеси.
Основным недостатком указанного фильтрующего модуля является то, что в фильтрующей смеси могут образовываться крупные скопления воздуха (воздушные пузыри), которые из-за сопротивления фильтрующей смеси не могут быть продавлены к выходному отверстию. Под давлением жидкость потечет между стенкой воздушного пузыря и гранулами фильтрующей смеси, таким образом, возникает канальный эффект, в результате которого жидкость проходит часть пути внутри фильтрующего модуля без очистки, то есть очистка жидкости осуществляется недостаточно эффективно. Кроме того, продавливание воздуха вниз может привести к образованию воздушной пробки, перекрывающей отверстие для выхода воздуха из фильтрующего модуля. Образование такой воздушной пробки приведет к остановке процесса фильтрации.
Из уровня техники известна конструкция мультимодального фильтрующего модуля по опубликованной заявке на изобретение US 2007/227959 (МПК B01D 28/00, опубл. 04.10.2007 г., Sinur Richard R и др). Указанный фильтрующий модуль состоит из корпуса, заполненного фильтрующей смесью и имеющего, по меньшей мере, одно отверстие в основании для выхода очищенной жидкости, крышки, герметично соединенной с корпусом и имеющей, по меньшей мере, одно отверстие для входа исходной жидкости, и различных средств крепления. За счет разнообразия элементов крепления указанный модуль может быть использован в различных устройствах очистки жидкости.
Фильтрующий модуль по заявке US 2007/227959 работает следующим образом. Исходная жидкость поступает в фильтрующий модуль через отверстие для исходной жидкости. При прохождении исходной жидкости через фильтрующую смесь осуществляется процесс очистки жидкости, очищенная жидкость выходит через отверстие для выхода очищенной жидкости, расположенное в основании корпуса.
Конструкция фильтрующего модуля не предусматривает решений, направленных на устранение проблемы наличия воздуха внутри фильтрующего модуля. Таким образом, указанному модулю свойственны все вышеуказанные недостатки устройств такого типа, а именно скопление воздуха внутри фильтрующего модуля, что может приводить к образованию воздушных пробок, которые блокируют часть фильтрующей смеси, что приводит к снижению скорости фильтрации и появлению канальных эффектов, а также может привести к потере работоспособности модуля до исчерпания его сорбционной емкости по причине того, что воздушная пробка препятствует входу исходной жидкости в фильтрующей модуль и/или выходу очищенной жидкости из него.
Из уровня техники известна конструкция мультимодального фильтрующего модуля по опубликованной заявке на изобретение EP 2902366 A1 (МПК C02F 1/00, B01D 35/30, A47J 31/60, A47J 31/06, опубл. 05.08.2015 г., Strix Ltd.), выбранная заявителем в качестве наиболее близкого аналога. Данный фильтрующий модуль состоит из корпуса, заполненного фильтрующей смесью, и крышки, герметично соединенной с корпусом. Корпус снабжен, по меньшей мере, одним отверстием для выхода жидкости, расположенным в основании; элементом крепления, выполненным в виде манжеты; по меньшей мере, двумя отверстиями для входа исходной жидкости, расположенными выше указанной манжеты; по меньшей мере, двумя элементами крепления, выполненными в виде выступов, расположенными над упомянутыми выше отверстиями для входа исходной жидкости. Крышка выполнена, по меньшей мере, с одним отверстием для входа исходной жидкости, снабженным сетчатым защитным фильтром. Каждое из отверстий для входа исходной жидкости, расположенных на корпусе модуля, снабжено съемной заслонкой. Когда заслонка удалена (положение «открыто»), исходная жидкость может поступать в модуль через отверстия для исходной жидкости в корпусе. Когда заслонка зафиксирована в положении «закрыто», то полностью блокируется втекание и вытекание жидкости через отверстия для входа исходной жидкости в корпусе модуля. Положение «открыто» или «закрыто» для заслонки устанавливается в ручном режиме в зависимости от способа крепления модуля к емкости для исходной жидкости устройства очистки жидкости. При креплении модуля к емкости для исходной жидкости с помощью элементов крепления, выполненных в виде выступов, для осуществления процесса фильтрации жидкости необходимо, чтобы заслонка была установлена в положении «закрыто». При креплении модуля к емкости для исходной жидкости с помощью элемента крепления, выполненного в виде манжеты, рекомендуется установка заслонки в положение «открыто».
Фильтрующий модуль по заявке на изобретение EP 2902366 A1 работает следующим образом. Фильтрующий модуль помещается в устройство очистки жидкости, состоящее из емкости для исходной жидкости и емкости для очищенной жидкости. При этом фильтрующий модуль может быть прикреплен к емкости для исходной жидкости с помощью элементов крепления, выполненных в виде полукруглых выступов, либо с помощью элемента крепления, выполненного в виде манжеты. При этом в зависимости от выбранного типа крепления заслонка устанавливается в положение «закрыто» или «открыто». Емкость для исходной жидкости заполняется исходной жидкостью. Исходная жидкость из емкости для исходной жидкости поступает в фильтрующий модуль через отверстие для входа исходной жидкости в крышке, или в случае если модуль закреплен в емкости для исходной жидкости с помощью манжеты и заслонка установлена в положении «открыто», - через отверстия для входа исходной жидкости в крышке и в корпусе. Исходная жидкость проходит через фильтрующую смесь, которой заполнен корпус модуля, при этом осуществляется процесс очистки жидкости. Очищенная жидкость выходит через отверстие для выхода очищенной жидкости, расположенное в основании корпуса модуля, и накапливается в емкости для очищенной жидкости.
Отверстия для входа исходной жидкости в корпусе модуля не имеют защитных элементов, препятствующих высыпанию фильтрующей смеси в случае, когда заслонка находится в положении «открыто». Таким образом, корпус должен быть заполнен фильтрующей смесью ниже уровня расположения отверстий для входа исходной жидкости в корпусе, иначе при установке заслонки в положение «открыто» фильтрующая смесь будет самопроизвольно высыпаться из корпуса. Поскольку уровень фильтрующей смеси ниже уровня отверстий для входа исходной жидкости в корпусе, то в пустом пространстве между верхней границей фильтрующей смеси и крышкой скапливается воздух, вытесняющийся в процессе фильтрации. В случае когда заслонка установлена в положении «открыто», выход воздуха из указанного пустого пространства частично возможен через отверстия для входа исходной жидкости, имеющиеся в корпусе модуля. Для случая, когда заслонка установлена в положении «закрыто», возможности выхода воздуха не предусмотрено, таким образом, воздух будет накапливаться в пространстве между крышкой и верхней границей слоя фильтрующей смеси, образуя воздушный пузырь. При достижении воздушным пузырем размера, сопоставимого с размером отверстия для входа исходной жидкости, выполненного в крышке модуля, произойдет перекрывание пузырем воздуха указанного отверстия. Таким образом, исходная жидкость не сможет поступать в модуль и процесс фильтрации остановится, и процесс очистки жидкости прервется до исчерпания сорбционной емкости фильтрующей смеси. Кроме того, воздух может скапливаться внутри слоя фильтрующей смеси, образуя воздушные пробки. При этом, поскольку отверстия для входа исходной жидкости, выполненные как в крышке, так и в корпусе модуля, расположены выше верхней границы уровня фильтрующей смеси, а отверстие для выхода очищенной жидкости расположено в основании фильтрующего модуля, потоки жидкости внутри слоя фильтрующей смеси направлены вертикально. То есть осуществляется фильтрация только вертикально направленных потоков жидкости. Таким образом, потоки жидкости не могут изменять направление при столкновении с воздушной пробкой, поэтому поток жидкости огибает воздушную пробку, что приводит к возникновению канального эффекта и снижению эффективности очистки жидкости. Также в случае если в слое фильтрующей смеси скапливается большое количество воздуха, воздушной пробкой блокируется часть фильтрующей смеси, в результате процесс фильтрации замедляется, так как жидкость может течь только через часть фильтрующей смеси. При этом процесс очистки жидкости завершится, как только незаблокированная часть фильтрующей смеси исчерпает сорбционную емкость, указанная сорбционная емкость меньше, чем сорбционная емкость всей фильтрующей смеси, таким образом, процесс очистки жидкости прервется до исчерпания сорбционной емкости модуля. Все вышеуказанные особенности конструкции модуля являются его существенными недостатками.
Кроме того, существенным недостатком наиболее близкого аналога является наличие заслонок, которые усложняют конструкцию модуля, снижают ее технологичность, так как заслонки являются съемными и должны изготавливаться как отдельные детали, снабженные элементами крепления к корпусу модуля. Кроме того, необходимость в ручном режиме устанавливать заслонку в положения «открыто» и «закрыто» ухудшает потребительские свойства модуля, делая его сложным в эксплуатации. Так как ошибочное открытие заслонки в случае установки фильтрующего модуля с помощью элементов крепления, выполненных в виде полукруглых выступов, приводит к тому, что исходная жидкость, поступая в модуль через отверстие для входа исходной жидкости в крышке, проходит пустое пространство над слоем фильтрующей смеси и вытекает через отверстия в корпусе, минуя фильтрующую смесь, в результате в емкость для очищенной жидкости поступает исходная жидкость. Если же при креплении фильтрующего модуля к емкости для исходной жидкости с помощью манжеты заслонка остается в положении «закрыто», то исходная жидкость может поступать из емкости для исходной жидкости в фильтрующий модуль только через отверстие для исходной жидкости в крышке, что приводит к тому, что при уровне исходной жидкости ниже крышки модуля исходная жидкость не поступает в фильтрующий модуль и застаивается в емкости для исходной жидкости.
Задачей и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является создание мультимодального фильтрующего модуля для устройства очистки жидкости гравитационного типа, обеспечивающего непрерывность процесса очистки жидкости до исчерпания его сорбционной емкости, при одновременном повышении технологичности изготовления модуля и улучшении его потребительских свойств за счет упрощения эксплуатации модуля.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании изобретения достигаются тем, что фильтрующий модуль, представляющий собой корпус, заполненный фильтрующей смесью, имеющий в основании, по меньшей мере, одно отверстие выхода очищенной жидкости, элемент крепления в виде манжеты, расположенный выше отверстий для входа очищенной жидкости, по меньшей мере, два отверстия, расположенных выше элемента крепления в виде манжеты; крышку, герметично соединенную с корпусом и снабженную, по меньшей мере, одним отверстием для входа жидкости; по меньшей мере, два элемента крепления, выполненных в виде выступов и расположенных выше отверстий, выполненных в корпусе модуля, создает возможность для одновременной фильтрации разнонаправленных потоков жидкости, при этом, по меньшей мере, два отверстия в корпусе модуля выполнены бифункциональными, при этом, по меньшей мере, два отверстия расположены на боковых стенках модуля и являются одновременно входными для исходной жидкости и выходными для очищенной жидкости и во время процесса фильтрации обеспечивают разделение потока жидкости на вертикальный и, по меньшей мере, два радиальных потока, а эффективная толщина слоя фильтрующей смеси по одному из возможных направлений течения жидкости внутри фильтрующего модуля эквивалентна минимальной эффективной толщине слоя фильтрующей смеси по любому из других возможных направлений течения жидкости.
На фигуре 1 изображен общий вид сечения фильтрующего модуля в продольном направлении.
На фигуре 2 изображен пример внешнего вида фильтрующего модуля.
Фильтрующий модуль (фиг. 1 и фиг. 2) предпочтительно имеет в поперечном сечении овал или прямоугольник со скругленными углами, но в рамках отличительных признаков может иметь другую, например круглую, форму поперечного сечения. Фильтрующий модуль (фиг. 1) состоит из корпуса (1), соединенного герметично с крышкой (4) и заполненного фильтрующей смесью (3). Корпус (1) и крышка (4) выполнены из полимерных материалов, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, полипропилена или полиэтилена. Основание корпуса (1) имеет вогнутую внутрь конфигурацию, радиус кривизны составляет не менее чем 1/6, но не более чем 2/3 от высоты корпуса (1) модуля. В основании корпуса (1) расположено, по меньшей мере, одно отверстие для выхода жидкости (2), выполненное в виде отверстия размером меньше, чем размер частиц фильтрующей смеси (3), либо в виде отверстия размером больше размера частиц фильтрующей смеси (3) и снабженное защитным сетчатым фильтром, выполненным из тканых или нетканых материалов или в виде сетки, отлитой из того же материала, что и корпус (1). Корпус (1) снабжен элементом крепления (7), выполненным в виде манжеты. Элемент крепления может быть выполнен с корпусом (1) как единая деталь из того же материала, что и корпус (1), или как самостоятельная деталь из эластичного материала, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, из резины или силикона. Корпус (1) снабжен, по меньшей мере, двумя отверстиями (8), расположенными выше элемента крепления (7) на расстоянии не более 10 мм, предпочтительно от 0,5 до 3 мм. Указанные отверстия (8) являются бифункциональными, так как могут выполнять функцию как входных, так и выходных отверстий для жидкости. Каждое из отверстий (8) снабжено сетчатым фильтром (на фигурах не обозначен), выполненным из тканых или нетканых материалов или в виде литой сетки, изготовленной из того же материала, что и корпус (1). Крышка (4) имеет, по меньшей мере, одно отверстие для входа жидкости (5). Отверстие для входа жидкости (5) может быть выполнено, например, в виде отверстия малого диаметра или предпочтительно в виде отверстия большого диаметра, снабженного сетчатым фильтром из тканого или нетканого материала или литой сетки, изготовленной из того же материала, что и крышка (4). Дополнительно отверстие (5) может быть снабжено клапаном (на фигурах не показан), облегчающим выход воздуха. Крышка (4) снабжена, по меньшей мере, двумя элементами крепления (6), выполненными в виде выступов, предпочтительно полукруглой формы или, в других вариантах исполнения - прямоугольной формы со скругленными углами или в виде ответной части крепления типа защелка. В пределах отличительных признаков элементы крепления (6) могут быть расположены на корпусе (1) выше отверстий (8) (на фигурах не представлено). Фильтрующая смесь (3) состоит из гранулированных и/или волокнистых сорбентов. Граница уровня фильтрующей смеси (3) выше уровня отверстий (8).
Фильтрующий модуль работает следующим образом. В первом случае модуль устанавливают в устройство очистки жидкости, прикрепляя к емкости для исходной жидкости с помощью элементов крепления (6). Емкость для исходной жидкости заполняют исходной жидкостью. Исходная жидкость поступает из емкости для исходной жидкости в фильтрующий модуль через отверстие для входа исходной жидкости (5). По мере протекания исходной жидкости через фильтрующую смесь (3) происходит разделение исходной жидкости на вертикальные и радиальные потоки фильтрации. По мере прохождения жидкости через фильтрующую смесь (3) происходит процесс очистки. Очищенная жидкость радиальных потоков жидкости выходит через многофункциональные отверстия (8), очищенная жидкость вертикальных потоков жидкости выходит, по меньшей мере, через одно отверстие для выхода жидкости (2). Очищенная жидкость накапливается в емкости для очищенной жидкости. Во втором случае реализации процесса фильтрации фильтрующий модуль устанавливают в устройстве очистки жидкости, закрепляя модуль в емкости для исходной жидкости с помощью элемента крепления (7). Емкость для исходной жидкости заполняют исходной жидкостью. Из емкости для исходной жидкости исходная жидкость поступает в фильтрующий модуль через отверстие для входа жидкости (5) и через многофункциональные отверстия (8). При этом формируются вертикальные и радиальные потоки исходной жидкости. Разнонаправленные потоки исходной жидкости проходят через фильтрующую смесь (3), при этом происходит процесс очистки жидкости. Очищенная жидкость выходит, по меньшей мере, через одно отверстие для выхода жидкости (2) и накапливается в емкости для очищенной жидкости.
Одновременная фильтрация разнонаправленных потоков жидкости позволяет жидкости эффективно огибать воздушные пробки, которые могут образовываться в пространстве между верхней границей фильтрующей смеси (3) и крышкой (4), а также в фильтрующей смеси (3). При контакте любого из потоков жидкости с воздушной пробкой происходит изменение направления потока жидкости (из радиального в вертикальный и, наоборот, из вертикального в радиальный). То есть процесс фильтрации осуществляется даже при наличии воздуха внутри фильтрующего модуля в переделах всей сорбционной емкостью модуля. Возможность реализации разнонаправленного процесса фильтрации исключает возникновение канальных эффектов. Радиальные потоки жидкости движутся под действием капиллярных сил, при этом на вертикальные потоки жидкости дополнительно к капиллярным силам оказывает воздействие сила гравитации, поэтому скорость движения вертикальных потоков выше, чем для радиальных потоков, и время контакта с фильтрующей смесью для радиальных потоков больше, чем для вертикальных, поэтому для достижения сопоставимой степени очистки радиальному потоку необходима меньшая толщина слоя, чем вертикальному. Описанная выше геометрия фильтрующего модуля обеспечивает эквивалентность эффективного слоя фильтрующей смеси (3) (слоя фильтрующей смеси (3), через который проходит жидкость при течении внутри фильтрующего модуля) для всех направлений фильтрации жидкости. При этом конструкция фильтрующего модуля функциональна без введения дополнительных элементов, таким образом, указанная конструкция является более технологичной по сравнению с ближайшим аналогом и проще в эксплуатации.
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.