КЛАПАННЫЙ ФИЛЬТР С УПРАВЛЯЕМОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ
VALVE FILTER WITH CONTROLLED FILTRATION CAPACITY

Клапанный фильтр с управляемой пропускной способностью относится к классу фильтров и представляет собой многоячеистый каркас, в каждой ячейке которого расположен управляемый клапан, способный регулировать проходное сечение ячейки каркаса. Управляемые клапаны связаны между собой и одновременно и на одинаковую величину изменяют проходное сечение в ячейках каркаса.
Область техники заявляемого изобретения.
Широкое применение клапанный фильтр с управляемой пропускной способностью найдет в медицине, химической промышленности, в других областях производства, так как на его основе можно изготовлять высокоточные дозаторы, фильтры с изменяемыми фильтрационными свойствами, характеристики которых определяются размерами ячеек каркаса и положением установленных в них клапанов. Фильтры с управляемыми клапанами могут использоваться как насос, выполняя роль поршня и обратного клапана.
Уровень техники заявляемого изобретения
К аналогам заявляемого изобретения можно отнести фильтры, которые широко используются в промышленной и бытовой деятельности человека. Основная задача фильтров заключается в возможности пропускать сквозь себя нужные, полезные, элементы фильтруемой среды и задерживать вредные, ненужные, ее элементы. Фильтры бывают засыпного типа, решетчатые, щелевые, мембранные.
Наиболее близким аналогом к клапанному фильтру с управляемой пропускной способностью является решетчатый фильтр. Решетчатые фильтры широко применяются в химической, медицинской, пищевой промышленности и в машиностроении. Решетчатые фильтры представляют собой металлическую сетку с множеством ячеек, сквозь проемы ячеек могут проходить вещества окружающей среды. Фильтрационные свойства таких фильтров определяются размерами ячеек и имеют низкую эффективность очистки, поскольку они могут останавливать только большие частицы. Размер ячеек решетчатых фильтров фиксированный и устанавливается при изготовлении в зависимости от требуемых свойств фильтра (www.gidrau.ru/st2.htm; www.prom-water.ru).
Общей чертой фильтрационных решеток и клапанного фильтра с управляемой пропускной способностью является то, что они способны отфильтровывать элементы окружающего вещества, пропуская сквозь себя только те частицы, которые способны пройти сквозь проемы ячеек у обычных решеток и сквозь проходные сечения в проеме ячейки у клапанного фильтра.
Отличительной особенностью клапанного фильтра с управляемой пропускной способностью от других фильтров является то, что, обладая управляемыми клапанами, расположенными в ячейках каркаса, он способен, изменяя величину проходных сечений ячеек каркаса, изменять свои фильтрационные свойства. Благодаря управляемым клапанам мы регулируем пропускную способность фильтра в интервале от полной его не проницаемости в момент, когда ячейки каркаса полностью закрыты, до максимальной пропускной способности, когда ячейки каркаса полностью открыты.
Недостатком фильтрационных решеток является то, что размер ячеек у них не изменяется, не принимая во внимание засорение ячеек во время эксплуатации, и задается во время изготовления решетки. Также недостатком фильтрационных решеток является низкая эффективность очистки, поскольку они способны задерживать только большие частицы. Клапанный фильтр с управляемой пропускной способностью лишен этих недостатков и позволяет менять свои пропускные свойства в пространстве и во времени. Так, например, в точке «А» и во время его перемещения в точку «Б» какого-либо устройства клапанный фильтр является непроницаемым, а в точке «Б» он становится проницаемым для элементов окружающего его вещества. Клапанный фильтр по своим фильтрационным свойствам является универсальным и в зависимости от размера ячеек и положения клапанов в них способен производить микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию. Благодаря таким свойствам клапанного фильтра можно изготавливать различные функциональные агрегаты, которые позволят решить многие задачи в науке и технике.
Фильтрация вещества клапанным фильтром осуществляется за счет прохождения элементов вещества сквозь проходное сечение ячейки каркаса, размер которых, меньше проходного сечения, и задержки тех элементов вещества, размер которых превышает проходное сечение. Проходное сечение образуется в результате открывания управляемым клапаном проема ячейки каркаса. Когда клапан закрыт, размер проходного сечения равен нулю, в этом случае клапанный фильтр оказывается непроницаемым. Когда клапан начинает приоткрывать проем ячейки каркаса, проходное сечение может иметь тот размер, который нам необходим, это достигается управлением положением клапана в ячейке каркаса. Благодаря этому мы можем установить такое проходное сечение, минимальный размер которого не превышал бы 100 нм. Причем размер самой ячейки каркаса и управляемого клапана может быть нано-, микро- или миллиметровым.
К настоящему времени клапанный фильтр с управляемой пропускной способностью ни кем не производятся, отсутствуют промышленные образцы и информация в СМИ, что позволяет рассматривать его как новый вид техники.
Основным существенным признаком заявляемого изобретения, влияющим на достижение технического результата, который заключается в способности изменять свои фильтрационные, пропускные, свойства, является наличие управляемых клапанов в ячейках каркаса фильтра.
Фильтр с управляемыми клапанами представляет собой многоячеистый каркас, в каждой ячейке которого расположен управляемый клапан. Клапан регулирует величину открытия проема в каркасе решетки, тем самым образуя проходное сечение, через которое клапанный фильтр пропускает сквозь себя элементы окружающего вещества. Все клапаны ячеек каркаса фильтра синхронизированы и одновременно увеличивают или уменьшают проходные сечения ячеек каркаса. Когда клапаны полностью закрывают ячейки каркаса, прохождение сквозь фильтр элементов окружающего вещества не происходит, когда клапаны открывают проемы ячеек, через них проходят те элементы окружающего вещества, размер которых меньше образованного проходного сечения. Изменяя положение клапана в ячейке, можно регулировать величину потока и состав частиц, проходящих сквозь клапанный фильтр. Таким образом, изменяя положение клапанов в ячейках фильтра, можно выбирать элементы, которые будут проходить сквозь него, и элементы, для которых он будет непроницаем, тем самым осуществлять фильтрационные свойства клапанного фильтра.
Задачей заявляемого изобретения является создание клапанного фильтра с возможностью изменять свои фильтрационные свойства в пределах от полной непроницаемости до пропуска сквозь себя частиц окружающего вещества через максимальное проходное сечение, определяемое размером открытой ячейки каркаса, в необходимый нам момент и на требуемый период времени.
Краткое описание чертежей
На фиг.1-3 изображен один из возможных вариантов построения фильтра с управляемыми клапанами на основе пластин с имеющимися в них отверстиями. Геометрия отверстий может быть любой, в данном случае примем ее круглой. Две пластины поз.2 и поз.3, фиг.1, расположены одна над другой, отверстия поз.5 находятся на пластине поз.2, а отверстия поз.4 принадлежат пластине поз.3. Одна пластина поз.3 играет роль каркаса фильтра, и ее отверстия являются проемами ячеек каркаса. Вторая пластина поз.2 играет роль клапана, закрывая своей поверхностью проемы ячеек поз.5 в каркасе фильтра поз.3. Размер отверстий поз.5 в клапанной пластине поз.2 совпадает по величине и геометрии с размерами проемов ячеек поз.4 в каркасе решетки поз.3. Пластина поз.3 каркаса фильтра неподвижна и жестко закреплена с корпусом фильтра. Пластина поз.2 клапана фильтра способна возвратно поступательно перемещаться относительно каркаса фильтра поз.3 в направлении, указанном стрелкой А.
Фиг.1 изображает клапанный фильтр в момент, когда его проемы ячеек поз.4 в каркасе поз.3 полностью перекрыты клапаном поз.2. В этот момент размер проходного сечения клапанного фильтра равен нулю. Клапанная пластина поз.2 плотно прижимается к каркасу решетки поз.3, отверстия поз.5 в клапане поз.2 в этот момент смещены относительно проемов ячеек поз.4 в каркасе фильтра поз.3, следовательно, проемы ячеек в каркасе фильтра оказываются плотно закрыты клапанной пластиной поз.2.
Фиг.2 изображает клапанный фильтр в момент, когда вследствие перемещения клапанной пластины поз.2 вдоль стрелки А она приоткрывает проемы ячеек поз.4 в каркасе поз.3 фильтра, образуя проходные сечения поз.1. Проходные сечения в фильтре с управляемыми клапанами образуются одновременно и одного размера, так как проемы поз.5 в клапанной пластине поз.2 имеют стационарное положение и одновременно перемещаются по каркасу фильтра.
Фиг.3 изображает клапанный фильтр в момент, когда его проходные сечения поз.1 приобретают максимальный размер. В этом случае проем ячейки поз.4 в каркасе фильтра поз.3 оказывается совмещенным с проемом поз.5 в клапанной пластине поз.2.
На фиг.4 и 5 изображена схема реализации клапанного фильтра. В корпусе фильтра поз.6 установлен каркас поз.7 с прикрепленной к нему пластиной поз.8. В пластине поз.8 имеются отверстия, через которые возможно прохождение элементов различных веществ. Каркас поз.7 плотно фиксируется в корпусе поз.6 и не способен в нем перемещаться. Над каркасом поз.7 установлен другой каркас поз.9 с такой же решетчатой пластиной поз.10, эта пластина играет роль клапана. Каркас клапана поз.9 расположен таким образом, что две пластины с отверстиями поз 8 и поз.10 накладываются друг на друга. В корпусе фильтра поз.6 имеется зазор поз.11, позволяющий перемещаться каркасу клапана поз.9 вдоль направления, указанного стрелкой А. Перемещение клапана в направлении, перпендикулярном к направлению А, не допускается корпусом фильтра поз.6. Перемещение клапанного каркаса поз.9 осуществляется за счет воздействия на него пьезоактюатора поз.12 через соединительную муфту поз.13 и шпильку поз.14, которая проходит сквозь корпус фильтра и соединяется с каркасом клапана. К корпусу фильтра поз.6 через уплотнительную прокладку поз.15 за счет болтов поз.17 подсоединяется фланец поз.16. Резьба поз.18 на фланце поз.16 и резьба поз.19 на корпусе фильтра поз.6 позволяют подсоединять данное устройство к трубопроводной системе.
Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения
Рассмотрим один из примеров построения клапанного фильтра с управляемой пропускной способностью, изображенного на фиг.4 и 5. Основой фильтра являются две пластины с отверстиями поз.8 и поз.10, которые плотно прижаты друг к другу. Пластина поз.8 закреплена на каркасе поз.7, который плотно установлен в корпусе фильтра, вследствие чего пластина поз.8 оказывается неподвижной. Пластина поз.10 играет роль клапана, перекрывая своей поверхностью отверстия в пластине поз.8. Пластина поз.10 закреплена на каркасе поз.9, который способен перемещаться в корпусе фильтра. Когда отверстия в клапанной пластине поз.10 накладываются на отверстия в пластине поз.8, образуются проходные сечения, через которые проходят те элементы фильтруемого вещества, размер которых меньше образованных проходных сечений. Отверстия в пластинах поз.8 и поз.10 имеют круглую форму диаметром порядка 100 нм. Данные пластины разработаны коллективом ученых из Северо-Восточного Университета, штат Иллинойс, США. Площадь таких пластин может достигать нескольких квадратных сантиметров (http://freedomurban.atua/forum/59-123-1). Перемещение клапанной пластины поз.10 осуществляется за счет воздействия на каркас поз.9, на котором закреплена пластина, через шпильку поз.14 и соединительную муфту поз.13 пьезоактюатора поз.12. Пьезоактюатор установлен на кронштейне поз.20, который закреплен на корпусе фильтра. При подаче на пьезоактюатор управляющего напряжения он способен изменять свой продольный размер, передовая тем самым нано- и микроперемещение клапану поз 8, который в свою очередь регулирует размер проходного сечения. Благодаря фиксации управляющего напряжения, подаваемого на пьезоактюатор, мы способны устанавливать необходимый нам размер проходного сечения в пределах от нуля (полной непроницаемости) до максимального размера отверстий в пластине поз.8, в данном случае 120 нм. Пьезоактюаторы широко применяются в различной аппаратуре, где необходимо придавать чувствительным элементам или исполнительным механизмам нано- или микроперемещения. Так, например, в виброподвесе лазерного гироскопа применяется такой актюатор (http://technomag.edu.ru/doc/94856.html). В данном примере указан пьезокерамический актюатор производства Витебского завода радиодеталей «Монолит» марки АП-В 5,4/2,5 с амплитудой перемещения не менее 2,5 мкм (http://monolit.vitebsk.by/piezokers.asp.htm).
Материалы, используемые при изготовлении клапанной фильтрационной решетки
Клапанная фильтрационная решетка изготавливается на основе новейших технологий с применением наноматериалов. Клапаны, регулирующие размер проходного проема, можно изготавливать из нанопластин, нанокерамики, а также из нанокомпозитных материалов. В представленном примере реализации клапанного фильтра применяются золотые пластины с отверстиями, изготовленные по технологии, разработанной коллективом ученых из Северо-Восточного Университета в США.
Источники информации
www.nanometer.ru.
www.polymery.ru/letter.php?n_id=220&cat_id=3.
www.infuture.ru/article/750.
http://freedomurban.at.ua/forum/59-123-1.