基于卷材自驅(qū)動(dòng)的可視化過濾器的綠色應(yīng)用及展望

高巳淇，馬詩敏，李文菲，王子建，崔藝馨

1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130000

2.吉林大學(xué)管理學(xué)院，吉林 長春 130000

3.吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130000

4.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林 長春 130000

1 研究背景

1.1 過濾器的廣泛應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，國民消費(fèi)水平逐漸提高，人們逐漸開始追求高品質(zhì)、健康的生活方式?？照{(diào)、凈水器、家用新風(fēng)系統(tǒng)等以過濾裝置為核心的部件裝置在大眾生活中的應(yīng)用也越來越廣泛，而過濾器便是過濾裝置中的最主要部分。在工業(yè)生產(chǎn)中，過濾流程也是生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)，直接關(guān)系到生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率[1]。

過濾器對于追求品質(zhì)的現(xiàn)代社會(huì)而言已經(jīng)是不可或缺的一部分，其承擔(dān)了生產(chǎn)、生活中重要的使命?？梢灶A(yù)見，未來市場對高質(zhì)量、高效率的過濾器的需求量將逐步上升，對過濾效果及功能的要求也將趨于嚴(yán)格，過濾器的應(yīng)用也將越來越廣泛。

1.2 過濾器現(xiàn)存問題

雖然在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的過濾器基本原理一致，但鑒于工業(yè)過濾器較為復(fù)雜多樣，因此著重對市面上現(xiàn)有的家用過濾器存在的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行了分析。

（1）過濾器大多采用層層過濾的方式，通過流體流過多層濾材逐步過濾流體中雜質(zhì)，流體流動(dòng)速度慢，過濾效率低。此外，過濾器內(nèi)外層使用不均，外層濾紙易使用過度，無法保證過濾質(zhì)量，而內(nèi)層使用率低，浪費(fèi)濾材。過濾器使用壽命周期短，需經(jīng)常更換。

（2）多數(shù)過濾器產(chǎn)品的說明書未標(biāo)注使用壽命，且過濾器在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，無法明確清晰地觀察到濾材使用情況，易造成過濾器過度使用。過濾器過度使用后會(huì)將之前吸附的有機(jī)物、雜質(zhì)和細(xì)菌重新釋放到水中，進(jìn)而二次污染流體，使得過濾質(zhì)量下降[2]。

（3）過濾器更換麻煩，一般使用者無法直接更換，需要請專業(yè)人士進(jìn)行更換，并支付相關(guān)費(fèi)用，增加了過濾裝置的使用成本，普通消費(fèi)者難以接受。

類比家用過濾器，發(fā)現(xiàn)工業(yè)用過濾器或多或少也會(huì)存在上述問題。長久以來，以上幾種問題嚴(yán)重地困擾著過濾器的使用者。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 流體驅(qū)動(dòng)過濾器自卷

過濾器分為正、副卷。正卷是濾材的存儲(chǔ)區(qū)，也是進(jìn)流體過濾的主要區(qū)域，副卷是存儲(chǔ)已經(jīng)失去效用濾材的區(qū)域，正、副卷起初由濾材連接，如圖1所示。過濾器工作時(shí)，加壓后的流體通過過濾器正卷濾材過濾雜質(zhì)，并在出水口處驅(qū)動(dòng)出水口葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)（葉輪上連接流體流量表記錄流體流過流量），通過葉輪和輪之間的傳動(dòng)帶動(dòng)副卷轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無能耗濾材自卷。

圖1 流體驅(qū)動(dòng)自卷圖示

2.2 過濾器使用度可視化

此創(chuàng)新是在正卷所對的箱體設(shè)計(jì)透明可視窗口，同時(shí)在濾材上標(biāo)注線性特殊標(biāo)識(shí)。濾材剩10層時(shí)標(biāo)識(shí)呈紅色（10層濾材為過濾器保持高效過濾的最少層數(shù)），提醒使用者在過濾器過度使用之前及時(shí)更換過濾器，防止流體過濾質(zhì)量下降后流體內(nèi)雜質(zhì)磨損機(jī)器。

2.3 過濾裝置模塊化

該過濾器采用模塊化設(shè)計(jì)，將過濾過程與其他過程分離，更換濾材時(shí)無須完全更換原有設(shè)施，僅需在濾材放置處更換即可。此設(shè)計(jì)大幅度降低了大型機(jī)械更換濾材時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，簡便快捷的更換方式也省去了人工費(fèi)等更換成本。

2.4 氣泵增壓

氣泵安裝在正卷附近箱體上，與箱體外部的測壓表連接，并設(shè)有進(jìn)出氣口，正常使用時(shí)進(jìn)出氣口緊閉。氣泵通過增大過濾器內(nèi)部壓力來提高流體過濾速度。使用者使用時(shí)通過測壓表可以觀察到氣泵所加壓力，壓力不足或過大時(shí)，使用者可通過進(jìn)氣口用氣筒等來調(diào)節(jié)壓力大小。

3 對比分析

此產(chǎn)品本著節(jié)能環(huán)保的理念，在傳統(tǒng)過濾方式上進(jìn)行創(chuàng)新，降低了過濾成本，提高生活質(zhì)量與生產(chǎn)效率，滿足了社會(huì)生產(chǎn)生活的需要，為消費(fèi)者提供了更加方便快捷的實(shí)用服務(wù)，該產(chǎn)品與傳統(tǒng)過濾器的對比分析如表1所示。

表1 對比分析

4 推廣價(jià)值

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）技術(shù)創(chuàng)新。在設(shè)計(jì)正副卷結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行濾材線性標(biāo)注，同時(shí)應(yīng)用了渦輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)以及流體自驅(qū)動(dòng)的方式，節(jié)能低耗。模型設(shè)計(jì)上也加入了Catia建模、3D打印等創(chuàng)新方式實(shí)現(xiàn)。

（2）模式創(chuàng)新。目前的過濾器產(chǎn)品更換周期難以確定，過早更換未充分利用過濾材料，過晚更換后期過濾效果欠佳，因而易造成不必要的損失。自卷過濾器根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)周期具有相對固定的更換周期，避免了相關(guān)的損耗，以較為成熟的正負(fù)卷、渦輪等技術(shù)打開了過濾器結(jié)構(gòu)與過濾模式的全新局面。

（3）應(yīng)用創(chuàng)新。目前市場上的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，利用率低，該產(chǎn)品通過自卷在提高過濾效率的同時(shí)，可以確定污染程度，從而發(fā)展多元化的應(yīng)用場景。不僅適用于家電的過濾結(jié)構(gòu)，還適用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，甚至可開發(fā)出新的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)全程可視，為精確控制過濾提供可能。

4.2 推廣價(jià)值

該高效自卷過濾器裝置造價(jià)遠(yuǎn)低于市場同功能機(jī)械結(jié)構(gòu)，且彌補(bǔ)了市場空白，其成本低廉、綠色安全、便捷，解決了現(xiàn)有過濾器效率低下、已產(chǎn)生浪費(fèi)等問題，彌補(bǔ)了過濾效率低下帶來的器械硬件損傷、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等不足，具有很高的推廣價(jià)值。產(chǎn)品一經(jīng)推廣運(yùn)用，市場前景廣闊，若能大批量生產(chǎn)及推廣使用，所帶來的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效應(yīng)不容小覷。

（1）適用價(jià)值。模塊化設(shè)計(jì)成本可控，且能直接安裝在原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，無須改裝電路，環(huán)保便捷，節(jié)約資源，推廣簡單方便，并且也極大地降低了改裝的安全風(fēng)險(xiǎn)以及更新成本，具有良好的環(huán)境效益。此外，該裝置不僅可以作為簡單過濾的中心過濾裝置，還可以作為復(fù)雜過濾流程的中間結(jié)構(gòu)。在逐級過濾的過程中，如果因?yàn)檫^濾器未及時(shí)更換，第一級過濾器被堵塞，大顆粒雜質(zhì)部分會(huì)跟隨原流體直接進(jìn)入第二級過濾器，讓本來不是負(fù)責(zé)過濾大顆粒雜質(zhì)的過濾結(jié)構(gòu)承擔(dān)這部分雜質(zhì)過濾，超負(fù)荷工作，導(dǎo)致排放不達(dá)標(biāo)，會(huì)極快縮短其壽命，產(chǎn)生非必要的更替成本，最終導(dǎo)致整體過濾系統(tǒng)的損害與生活生產(chǎn)的負(fù)面結(jié)果。文章所提裝置可以在一定程度上保護(hù)二級過濾結(jié)構(gòu)，降低更換成本，減少雜質(zhì)的排放量，提升過濾裝置的工作及生產(chǎn)效率，為綠色生活、工業(yè)做出貢獻(xiàn)。

（2）安全價(jià)值。現(xiàn)今，許多過濾器完全沒有標(biāo)注使用時(shí)長。即使標(biāo)注了，由于家庭使用頻率不同，使用者也無法真正完成按時(shí)更換與清理。在這種情況下，堵塞的過濾器不僅會(huì)使流體流量減小，同時(shí)，濾材上吸附大量的有機(jī)物，成為細(xì)菌滋生的溫床。超過最大承載量的過濾器便無法繼續(xù)吸附污染，甚至有可能因?yàn)榉e攢過量，而把污染物又返回流體中，使得過濾效果減弱，“純凈”程度降低，這時(shí)消費(fèi)者如果還進(jìn)行使用相關(guān)器械進(jìn)行凈化操作的話，可能會(huì)將一些有害物質(zhì)吸入體內(nèi)，危害身體健康[3]。該過濾器有可視化的透明窗口設(shè)計(jì)，不僅能保證過濾器被完全利用，還能夠提醒使用者及時(shí)更換被污染的過濾器，從而保證凈水器、空氣凈化器甚至是工業(yè)機(jī)械的安全、高效、綠色使用，具有極高的安全價(jià)值。

（3）節(jié)能減排價(jià)值。經(jīng)過分析，相較于傳統(tǒng)過濾器，高效自卷過濾器凈化相同體積流體消耗的濾材將減少60%，極大地降低濾材的消耗量，減少濾材的浪費(fèi)，避免過度使用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)。該裝置的自卷技術(shù)保證了過濾效率穩(wěn)定高效，避免長時(shí)間使用時(shí)傳統(tǒng)過濾器的過濾效率低下而造成的污染環(huán)境的問題。例如，汽油過濾器主要是用來過濾汽油中的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)進(jìn)入噴射閥和冷啟動(dòng)閥，保證流入燃油系統(tǒng)的汽油品質(zhì)。在使用過濾器后期時(shí)，污染會(huì)越來越嚴(yán)重，可能會(huì)造成堵塞，導(dǎo)致汽車供油壓力降低，供油不足，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，汽車出現(xiàn)啟動(dòng)困難、怠速抖動(dòng)、加速無力等情況。另外，汽油過濾器堵塞，還會(huì)造成燃油霧化不良，導(dǎo)致混合氣比例失調(diào)，燃燒不充分，釋放出大量有害氣體，污染環(huán)境。如利用高效自卷過濾器，可以保證過濾效率，確保流體的質(zhì)量，以防止造成空氣污染。

5 預(yù)期發(fā)展

目前過濾器市場上主要集中于材料方面進(jìn)行創(chuàng)新，而鮮少在結(jié)構(gòu)與模式上進(jìn)行創(chuàng)新。該產(chǎn)品很好地彌補(bǔ)了這一空白。在產(chǎn)品的發(fā)展過程中，首先以家用的小型產(chǎn)品裝置打入市場。在許多領(lǐng)域均可改用自卷過濾器來提高過濾質(zhì)量，在日常生活中存在許多過濾器的使用場景，例如凈水器、加濕器、空調(diào)等。其次，向工業(yè)的大規(guī)模裝置進(jìn)軍。在醫(yī)療領(lǐng)域，各種抗生素等藥液要求精度高，該裝置可應(yīng)用于前置過濾，且自卷過濾器替換周期可識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)保證了藥品的質(zhì)量。在化學(xué)領(lǐng)域，有機(jī)溶劑、酸、堿液等液體過濾以及一些特定氣體的汽濾均可使用本裝置。除此之外，在石油工業(yè)、電子工業(yè)、冶金行業(yè)、紡織行業(yè)等多領(lǐng)域均為自卷過濾器可待開發(fā)的使用市場，應(yīng)用前景廣闊，目標(biāo)由小到大，逐步培養(yǎng)用戶使用習(xí)慣，占領(lǐng)市場，提升產(chǎn)品知名度，進(jìn)而提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。