Устройство для фильтрации воды и дозирования жидкой добавки в отфильтрованную воду
DEVICE FOR FILTERING WATER AND METERING FILTERED WATER LIQUID ADDITIVE

[01] Область техники
[02] Изобретение относится к области устройств для очистки питьевой воды, и может использоваться для фильтрации воды с дозированием в очищенную воду различных добавок, улучшающих ее физиологические характеристики.
[03] Уровень техники
[04] В настоящее время широкое распространение получили бытовые устройства (фильтры) для дополнительной очистки питьевой воды, представляющие собой емкость для приема очищаемой воды, в нижней части которой расположен сменный фильтрующий модуль, заполненный фильтрующей средой (картридж) и емкость для приема очищенной воды. В качестве фильтрующей среды, размещенной в картридже, обычно используются иониты и/или активированный уголь. Такие устройства эффективно очищают воду от большинства наиболее распространенных загрязнителей (хлор, хлорорганические соединения, токсичные металлы, пестициды).
[05] Для ряда регионов с физиологически неполноценной питьевой водой, содержащей недостаточное количество нужных для организма человека минеральных веществ (например, фтор, магний, цинк, кремний и др.) разработаны устройства для очистки воды, способные дозировать в очищенную воду полезные для человека добавки, например, цинк (патент РФ RU 2747922, 17.05.2021 г., кальций, магний и фтор (патент РФ RU 2533715, 20.11.2014, магний (публикация международной заявки патент РФ RU 2464237, 20.10.2012, кремний (заявка Германии DE 102018116266 А1, 09.01.2020). Для дозирования указанных добавок в очищенную воду в картриджах таких устройств, помимо фильтрующей среды, предусмотрено размещение дополнительных компонентов специальных ионообменных смол или гранулированных веществ с малой растворимостью, выделяющих полезные добавки в контактирующие с ними воду либо по принципу ионного обмена, либо по принципу произведения растворимости. Существенным недостатком таких устройств для очистки воды с функцией дозирования добавок в очищенную воду является неравномерность выделения добавки, что обусловлено рядом факторов, в частности, уменьшением концентрации добавки в дополнительных компонентах картриджа по мере отработки ресурса картриджа, зависимостью количества выделяемой добавки от температуры, солевого состава воды и времени контакта дополнительных компонентов с водой (скорости фильтрации).
[06] Известны устройства для очистки воды с функцией дозирования в очищаемую воду добавок за счет непосредственного растворения таких добавок (см., например, публикацию заявки США US 2017055758 A1, 02.03.2017, заявку Японии JP 1996052456, 1996 г.). При контакте с водой такие добавки растворяются и через фильтрующий элемент устройства или непосредственно при контакте с фильтруемой водой попадают в очищенную воду. Обычно в качестве добавок в таких устройствах используют ароматизирующие вещества. Недостатком таких устройств является неравномерность дозирования добавки вследствие зависимости процесса растворения добавки от температуры воды и времени контакта с водой (скорости фильтрации).
[07] Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является устройство для очистки воды с дозированием добавки в очищаемую воду, описанное в публикации заявки США US 20060191824, 31.08.2006. Устройство представляет собой фильтр для очистки воды кувшинного типа, имеющий емкость, верхняя часть которой предназначена для размещения воронки для очищаемой воды, а нижняя часть - для сбора очищенной воды. В нижней части воронки размещен картридж, осуществляющий очистку воды. Также в устройстве предусмотрена крышка, при снятии которой осуществляется заполнение воронки очищаемой водой, и узел дозирования жидкой добавки, размещенный в камере крышки устройства. Узел дозирования избирательно действует для дозирования некоторого количества добавки в выливаемую из устройства очищенную воду и не сообщается с емкостью для очищенной воды. Узел дозирования добавки содержит резервуар для добавки (картридж), передаточные механизмы (рычаги, линейные кулачки, поворотные кулачки), предназначенные для горизонтального перемещения резервуара для жидкой добавки и приведения в действие насоса-дозатора системы дозирования добавки (вручную или автоматически, например, с приводом от электродвигателя, соленоидом) и кнопки, при нажатии на которую приводится в действие передаточный механизм. В известном аналоге при нажатии на кнопку в крышке устройства за счет перемещения рычагов устройства происходит перемещение в горизонтальном направлении резервуара для жидкой добавки, сопровождаемое ее сдавливанием, в результате чего жидкость (добавка) поступает в насос-дозатор, из которого дозируется в промежуточную емкость, расположенную в носике крышки устройства. Далее при наклоне кувшина при выливании из него очищенной воды добавка из промежуточной емкости, расположенной в крышке устройства, выливается в сосуд для сбора отфильтрованной воды.
[08] Существенным недостатком аналога является сложность конструкции, включающей систему рычагов, систему горизонтального перемещения емкости с жидкой добавкой, насос для дозирования добавки, дополнительную (промежуточную) емкость для порции добавки, а также проточные и промывочные каналы. Кроме того, аналог не позволяет дозировать жидкую добавку непосредственно в емкость с отфильтрованной водой, что создает неудобства для пользования устройства, а при дозировании добавки через промежуточную емкость ухудшается точность дозирования, зависящая от угла наклона устройства, задаваемого потребителем, смачиваемости добавкой поверхности промежуточной емкости, наличием в промежуточной емкости остатков добавки от предыдущего дозирования и др.
[09] Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является сложность конструкции существующих устройств, неудобство их использования и недостаточная точность дозирования добавки.
[010] Раскрытие сущности изобретения
[011] Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции и процесса применения устройства, а также в повышении точности дозирования добавки в очищенную воду при многократном применении.
[012] Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для фильтрации воды с дозированием жидкой добавки в отфильтрованную воду включает: емкость, нижняя часть которой приспособлена для сбора отфильтрованной воды; крышку емкости с отверстием для залива очищаемой воды; воронку для приема очищаемой воды, установленную в верхней части емкости; картридж для фильтрации воды, установленный в воронке; и узел дозирования жидкой добавки, содержащий резервуар для жидкой добавки в виде сосуда из эластичного материала с отверстием, подвижный элемент, перекрывающий отверстие для залива очищаемой воды в воронку и установленный с возможностью перемещения с открытием указанного отверстия; и толкатель, связанный с подвижным элементом посредством передаточного механизма с возможностью нажима на резервуар для жидкой добавки при открытии подвижным элементом отверстия для залива очищаемой воды.
[013] В частных случаях реализации изобретения:
[014] - резервуар для жидкой добавки размещен в вертикальной камере крышки емкости с возможностью подачи жидкой добавки непосредственно в нижнюю часть емкости;
[015] - резервуар для жидкой добавки зафиксирован крышкой с резьбой или цанговым соединением;
[016] - на подвижном элементе размещен рычаг для его перемещения;
[017] - подвижный элемент установлен с возможность поворота, а передаточный механизм включает кривошип, выполненный на подвижном элементе, а также шатун соединяющий кривошип и толкатель, при этом толкатель размещен в пазе с возможностью поступательного перемещения;
[018] - передаточный механизм дополнительно содержит винт для регулировки хода толкателя;
[019] - отверстие резервуара имеет диаметр 0,2-3,0 мм
[020] - резервуар выполнен из материала с модулем упругости 20-700 МПа.
[021] В отличие от ближайшего аналога, в рассматриваемом изобретении используется эластичный резервуар для жидкой добавки с отверстием, который сжимается посредством толкателя, что повышает точность дозирования и упрощает конструкцию. При этом толкатель механически связан с подвижным элементом, который открывает отверстие для залива очищаемой воды, поэтому дозирование жидкой добавки происходит каждый раз, когда пользователь заливает воду в воронку. Это повышает точность дозирования и значительно упрощает процесс использования устройства.
[022] Краткое описание чертежей
[023] Изобретение поясняется фигурами, где
[024] - на фигуре 1 показан общий вид устройства с подвижным элементом в исходном состоянии,
[025] - на фигуре 2 показан общий вид устройства с подвижным элементом в сдвинутом (поднятом) состоянии.
[026] На фигуре 3 показан передаточный механизм устройства,
[027] На фигуре 4 показано наглядное изображение устройства.
[028] Элементы конструкции обозначены на фигурах следующими позициями:
1 - емкость;
2 - крышка емкости;
3 - подвижный элемент;
4 - рычаг подвижного элемента;
5 - резервуар с жидкой добавкой;
6 - шатун;
7 - толкатель;
8 - воронка для очищаемой воды;
9 - картридж для очистки воды;
10 - вертикальная камера для резервуара с жидкой добавкой;
11 - крышка вертикальной камеры для резервуара с жидкой добавкой;
12 - паз;
13 - отверстие для залива очищаемой воды;
14 - калиброванное отверстие резервуара с жидкой добавкой;
15 - установочная гайка;
16 - ось рычага;
17 - кривошип
[029] Осуществление изобретения
[030] Заявленное устройство включает следующие основные элементы: емкость (1) для воды, крышку (2) емкости, воронку (8), картридж (9) и узел дозирования жидкой добавки.
[031] Нижняя часть емкости (1) приспособлена для сбора отфильтрованной воды, а в верхней части под крышкой (2) размещена воронка (8) для приема очищаемой воды. В нижнем отверстии воронки (8) закреплен картридж (9) для очистки воды.
[032] Узел дозирования жидкой добавки включает резервуар (5) с жидкой добавкой, толкатель (7) и передаточный механизм, имеющий подвижный элемент (3). Подвижный элемент (3) установлен с возможностью смещения с открытием отверстия (13) для залива очищаемой воды в крышке (2), которое приводит в действие толкатель (7). В частном случае реализации изобретения подвижный элемент (3) установлен с возможностью поворота относительно оси (16) и имеет рычаг (4) для нажатия пользователем, а также кривошип (17). Кривошип (17) соединен с шатуном (6), связанным с толкателем (7). Толкатель (7) размещен в пазу (12) камеры (10) с возможностью поступательного перемещения с обеспечением создания внешнего давления на резервуар (5) (сжатия резервуара). Ход толкателя может изменяться при помощи регулировочного винта (на фигурах не показан).
Резервуар (5) для жидкой добавки выполнен в форме сосуда из эластичного (упруго-деформируемого) материала с калиброванным отверстием (14) внизу. Резервуар (5), предпочтительно, размещается в вертикальной камере (10), выполненной на нижней стороне крышки (2) и располагаемой рядом с воронкой (8). Резервуар зафиксирован в камере (10) без зазоров крышкой (11) с резьбой или цанговым соединением (на фигурах не показано).
[033] Диаметр калиброванного отверстия (14) резервуара, предпочтительно, должен составлять 0,2-3,0 мм. При диаметре отверстия менее 0,2 мм возможно отсутствие заполнения воздухом резервуара после выделения из него порции жидкой добавки, а при диаметре более 3,0 мм для некоторых жидкостей возможно самопроизвольное истечение добавки из резервуара.
[034] Модуль упругости материала резервуара, предпочтительно, должен составлять от 20-700 МПа. Это обеспечит оптимальные усилия для обжима резервуара толкателем в процессе дозирования жидкой добавки. При модуле упругости менее 20 МПа из-за высокой эластичности материала будет сложно контролировать создаваемое на резервуар давление, что может привести к значительному разбросу объема порции добавки, выделяемой системой дозирования. А при модуле упругости более 700 МПа низкая эластичность материала потребует повышенного усилия для обжатия, что, возможно, будет трудным для потребителя при нажатии на рычаг подвижного элемента.
[035] В качестве добавок можно использовать любые жидкости с вязкостью от 0,5 до 600 сП. При вязкости добавки менее 0,5 сП может происходить самопроизвольное истечение жидкой добавки из резервуара. При вязкости более 600 сП потребуются значительные усилия для обжатия, что будет трудно обеспечить потребителю.
[036] Однако соблюдение данных требований к размеру отверстия, упругости резервуара и вязкости добавки не является строго обязательным для достижения технического результата, поскольку точность дозирования и простота эксплуатации могут быть обеспечены и при других значениях указанных параметров в зависимости от вариантов конструктивного выполнения устройства.
[037] В качестве жидкой добавки в заявляемом устройстве могут быть использованы, в частности:
[038] - водные растворы веществ (например, лимонная кислота), препятствующих образованию накипи в устройствах для кипячения отфильтрованной воды;
[039] - водные растворы минеральных веществ, таких как кальций, фтор, железо, магний, кремний;
[040] - водные растворы микроэлементов: селен, цинк, литий, йод, фосфор;
[041] - водные растворы водорастворимых витаминов: С, B1, В2, В3 (РР), В6, В12, фолиевая кислота, пантотеновая кислота, биотин;
[042] - вододисперсные эмульсии жирорастворимых витаминов: A, D, Е, K;
[043] - водорастворимые эссенции для придания вкуса.
[044] Заявляемое устройство функционирует следующим образом.
[045] При нажатии на рычаг (4) подвижного элемента (3) узла дозирования жидкой добавки происходит смещение подвижного элемента (3) за счет его поднятия или сдвига (на фиг. 2 показан вариант смещения за счет поднятия). В результате этого в крышке (2) устройства открывается отверстие (13) для заполнения воронки (8). Через это отверстие (13) очищаемая вода заполняет воронку (8) и, проходя через картридж (9) для очистки воды, фильтруется и собирается в нижней части емкости устройства (1). Одновременно при смещении подвижного элемента (3) узла дозирования жидкой добавки, кривошип (17), являющийся составной частью подвижного элемента (3), поворачивается вокруг оси (16) и приводит в движение шатун (6), который смещает толкатель (7). Толкатель (7) давит на резервуар с жидкой добавкой (5), выдавливая из него через калиброванное отверстие (14) порцию жидкой добавки в нижнюю часть емкости (1) устройства, где находится отфильтрованная вода. После завершения процесса заполнения воронки (8) очищаемой водой отверстие для заполнения воронки закрывается путем смещения подвижного элемента (3) в начальное положение. При этом шатун (6) возвращает толкатель (7) в исходное положение, резервуар с жидкой добавкой (5) в отсутствие давления на него толкателя (7) возвращается к начальному объему за счет заполнения воздухом через калиброванное отверстие (14) в нижней части резервуара с жидкой добавкой (5).
[046] Объем порции жидкой добавки может регулироваться:
[047] - величиной хода толкателя (7), которая задается конструктивно или может регулироваться с помощью регулировочного винта (13);
[048] - величиной калиброванного отверстия (14) в нижней части резервуара с жидкой добавкой (5);
[049] -эластичностью материала резервуара (5)
[050] - вязкостью жидкой добавки;
[051] - совокупностью вышеперечисленных факторов.
[052] Ниже приведен пример реализации изобретения
3
[053] За основу устройства для фильтрации воды и дозирования жидкой добавки с подвижным элементом в сдвинутом (поднятом) состоянии (Фиг. 1) взят фильтр «БАРЬЕР - Гранд» АО «Барьер РУС». Резервуар для жидкой добавки объемом 10 см изготовлен в форме цилиндра из ПЭНД (полиэтилена низкого давления) с модулем упругости 700 МПа) с диаметром калиброванного отверстия 1,0 мм. В качестве жидкой добавки используют водный раствор лимонной кислоты с концентрацией 5000 г/л и вязкостью 100 сП.
3
[054] При открытии заливочного отверстия в крышке устройства путем нажатия на рычаг подвижного элемента системы дозирования жидкой добавки происходит обжатие резервуара с жидкой добавкой, что приводит к выдавливанию из него порции жидкой добавки объемом 0,02 см, содержащей 100 мг лимонной кислоты. В это же время через открытое отверстие в крышке устройства происходит заполнение воронки устройства очищаемой водой. После завершения процесса заполнения воронки очищаемой водой отверстие для заполнения воронки закрывается путем смещения подвижного элемента в начальное положение. При этом резервуар с жидкой добавкой (в отсутствие обжима толкателем) возвращается к начальному объему за счет заполнения воздухом через калиброванное отверстие в нижней части резервуара с жидкой добавкой. Экспериментально установлено, что данное устройство обеспечивает не менее 400 циклов дозирования порции жидкой добавки с отклонением от номинала в пределах 10%.
[055] Таким образом, заявляемое устройство для фильтрации воды и дозирования жидкой добавки позволяет осуществлять многократное точное дозирование жидкой добавки в отфильтрованную воду.