基于卷材自驅動的可視化過濾器的綠色應用及展望

高巳淇，馬詩敏，李文菲，王子建，崔藝馨

1.吉林大學生物與農業工程學院，吉林 長春 130000

2.吉林大學管理學院，吉林 長春 130000

3.吉林大學機械與航空航天工程學院，吉林 長春 130000

4.吉林大學交通學院，吉林 長春 130000

1 研究背景

1.1 過濾器的廣泛應用

隨著國民經濟的快速增長，國民消費水平逐漸提高，人們逐漸開始追求高品質、健康的生活方式。空調、凈水器、家用新風系統等以過濾裝置為核心的部件裝置在大眾生活中的應用也越來越廣泛，而過濾器便是過濾裝置中的最主要部分。在工業生產中，過濾流程也是生產過程中重要的一環，直接關系到生產質量與生產效率[1]。

過濾器對于追求品質的現代社會而言已經是不可或缺的一部分，其承擔了生產、生活中重要的使命?？梢灶A見，未來市場對高質量、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格，過濾器的應用也將越來越廣泛。

1.2 過濾器現存問題

雖然在各個領域應用的過濾器基本原理一致，但鑒于工業過濾器較為復雜多樣，因此著重對市面上現有的家用過濾器存在的結構問題進行了分析。

（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，流體流動速度慢，過濾效率低。此外，過濾器內外層使用不均，外層濾紙易使用過度，無法保證過濾質量，而內層使用率低，浪費濾材。過濾器使用壽命周期短，需經常更換。

（2）多數過濾器產品的說明書未標注使用壽命，且過濾器在結構體內部，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將之前吸附的有機物、雜質和細菌重新釋放到水中，進而二次污染流體，使得過濾質量下降[2]。

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

類比家用過濾器，發現工業用過濾器或多或少也會存在上述問題。長久以來，以上幾種問題嚴重地困擾著過濾器的使用者。

2 設計方案

2.1 流體驅動過濾器自卷

過濾器分為正、副卷。正卷是濾材的存儲區，也是進流體過濾的主要區域，副卷是存儲已經失去效用濾材的區域，正、副卷起初由濾材連接，如圖1所示。過濾器工作時，加壓后的流體通過過濾器正卷濾材過濾雜質，并在出水口處驅動出水口葉輪轉動（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帶動副卷轉動，實現無能耗濾材自卷。

圖1 流體驅動自卷圖示

2.2 過濾器使用度可視化

此創新是在正卷所對的箱體設計透明可視窗口，同時在濾材上標注線性特殊標識。濾材剩10層時標識呈紅色（10層濾材為過濾器保持高效過濾的最少層數），提醒使用者在過濾器過度使用之前及時更換過濾器，防止流體過濾質量下降后流體內雜質磨損機器。

2.3 過濾裝置模塊化

該過濾器采用模塊化設計，將過濾過程與其他過程分離，更換濾材時無須完全更換原有設施，僅需在濾材放置處更換即可。此設計大幅度降低了大型機械更換濾材時的安全風險，簡便快捷的更換方式也省去了人工費等更換成本。

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，并設有進出氣口，正常使用時進出氣口緊閉。氣泵通過增大過濾器內部壓力來提高流體過濾速度。使用者使用時通過測壓表可以觀察到氣泵所加壓力，壓力不足或過大時，使用者可通過進氣口用氣筒等來調節壓力大小。

3 對比分析

此產品本著節能環保的理念，在傳統過濾方式上進行創新，降低了過濾成本，提高生活質量與生產效率，滿足了社會生產生活的需要，為消費者提供了更加方便快捷的實用服務，該產品與傳統過濾器的對比分析如表1所示。

表1 對比分析

4 推廣價值

4.1 創新點

（1）技術創新。在設計正副卷結構的基礎上，進行濾材線性標注，同時應用了渦輪結構實現流體驅動以及流體自驅動的方式，節能低耗。模型設計上也加入了Catia建模、3D打印等創新方式實現。

（2）模式創新。目前的過濾器產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。自卷過濾器根據轉動周期具有相對固定的更換周期，避免了相關的損耗，以較為成熟的正負卷、渦輪等技術打開了過濾器結構與過濾模式的全新局面。

（3）應用創新。目前市場上的產品結構單一，利用率低，該產品通過自卷在提高過濾效率的同時，可以確定污染程度，從而發展多元化的應用場景。不僅適用于家電的過濾結構，還適用于工業生產領域，甚至可開發出新的應用場景，實現全程可視，為精確控制過濾提供可能。

4.2 推廣價值

該高效自卷過濾器裝置造價遠低于市場同功能機械結構，且彌補了市場空白，其成本低廉、綠色安全、便捷，解決了現有過濾器效率低下、已產生浪費等問題，彌補了過濾效率低下帶來的器械硬件損傷、資源浪費、環境污染等不足，具有很高的推廣價值。產品一經推廣運用，市場前景廣闊，若能大批量生產及推廣使用，所帶來的社會效益、經濟效益與環保效應不容小覷。

（1）適用價值。模塊化設計成本可控，且能直接安裝在原有的機械結構上，無須改裝電路，環保便捷，節約資源，推廣簡單方便，并且也極大地降低了改裝的安全風險以及更新成本，具有良好的環境效益。此外，該裝置不僅可以作為簡單過濾的中心過濾裝置，還可以作為復雜過濾流程的中間結構。在逐級過濾的過程中，如果因為過濾器未及時更換，第一級過濾器被堵塞，大顆粒雜質部分會跟隨原流體直接進入第二級過濾器，讓本來不是負責過濾大顆粒雜質的過濾結構承擔這部分雜質過濾，超負荷工作，導致排放不達標，會極快縮短其壽命，產生非必要的更替成本，最終導致整體過濾系統的損害與生活生產的負面結果。文章所提裝置可以在一定程度上保護二級過濾結構，降低更換成本，減少雜質的排放量，提升過濾裝置的工作及生產效率，為綠色生活、工業做出貢獻。

（2）安全價值。現今，許多過濾器完全沒有標注使用時長。即使標注了，由于家庭使用頻率不同，使用者也無法真正完成按時更換與清理。在這種情況下，堵塞的過濾器不僅會使流體流量減小，同時，濾材上吸附大量的有機物，成為細菌滋生的溫床。超過最大承載量的過濾器便無法繼續吸附污染，甚至有可能因為積攢過量，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，這時消費者如果還進行使用相關器械進行凈化操作的話，可能會將一些有害物質吸入體內，危害身體健康[3]。該過濾器有可視化的透明窗口設計，不僅能保證過濾器被完全利用，還能夠提醒使用者及時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機械的安全、高效、綠色使用，具有極高的安全價值。

（3）節能減排價值。經過分析，相較于傳統過濾器，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，避免過度使用，以實現節約能源的目標。該裝置的自卷技術保證了過濾效率穩定高效，避免長時間使用時傳統過濾器的過濾效率低下而造成的污染環境的問題。例如，汽油過濾器主要是用來過濾汽油中的雜質，避免雜質進入噴射閥和冷啟動閥，保證流入燃油系統的汽油品質。在使用過濾器后期時，污染會越來越嚴重，可能會造成堵塞，導致汽車供油壓力降低，供油不足，發動機功率下降，汽車出現啟動困難、怠速抖動、加速無力等情況。另外，汽油過濾器堵塞，還會造成燃油霧化不良，導致混合氣比例失調，燃燒不充分，釋放出大量有害氣體，污染環境。如利用高效自卷過濾器，可以保證過濾效率，確保流體的質量，以防止造成空氣污染。

5 預期發展

目前過濾器市場上主要集中于材料方面進行創新，而鮮少在結構與模式上進行創新。該產品很好地彌補了這一空白。在產品的發展過程中，首先以家用的小型產品裝置打入市場。在許多領域均可改用自卷過濾器來提高過濾質量，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、空調等。其次，向工業的大規模裝置進軍。在醫療領域，各種抗生素等藥液要求精度高，該裝置可應用于前置過濾，且自卷過濾器替換周期可識別的優點保證了藥品的質量。在化學領域，有機溶劑、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、電子工業、冶金行業、紡織行業等多領域均為自卷過濾器可待開發的使用市場，應用前景廣闊，目標由小到大，逐步培養用戶使用習慣，占領市場，提升產品知名度，進而提升企業經濟效益。