ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2004 года по МПК B01D29/48 

Область техники

Изобретение относится к области фильтрования и более точно касается патронного фильтрующего элемента для очистки жидкостей и газов от механических загрязнений.

Уровень техники

Из уровня техники известны различные патронные фильтрующие элементы для очистки жидкости и газов от механических загрязнений, которые выполнены на каркасе или без него. Известны патронные фильтрующие элементы, представляющие собой каркас в виде полого цилиндра, в который уложен пленочный, волоконный, проволочный, порошковый, сетчатый или другой фильтрующий материал, а к торцам герметично присоединены концевые детали.

В частности, из авторского свидетельства SU №1526754 известен фильтровальный патрон, выполненный из свитой в винтовую спираль пружины и прикрепленных к ней с торцов фланцев.

Наиболее близким к фильтрующему элементу согласно настоящему изобретению является известный из авторского свидетельства SU №986454 патронный проволочный фильтрующий элемент, содержащий полый перфорированный каркас, на внешней стороне которого спирально навита виток к витку проволока многогранного сечения, на поверхности которой на определенном расстоянии выполнены периодические выступы и углубления, обеспечивающие наличие фильтрующих щелей между соседними витками проволоки. Фильтрующие щели заполнены минеральным порошком вспомогательного фильтрующего вещества. Ограничениями данного фильтрующего элемента является то, что фильтрующие щели между витками занимают малую часть общей наружной поверхности фильтрующего элемента. Это обуславливает высокое гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента, его относительно быстрое засорение и, как следствие, необходимость частой промывки с заменой фильтрующего вещества. В известном фильтрующем элементе ввиду дисперсного состояния вспомогательного фильтрующего вещества возникает вынос его частиц с адсорбированными загрязнениями в фильтрат. Кроме того, данный фильтрующий элемент имеет относительно сложную конструкцию, так как на нем намотана проволока сложного профиля, имеющая периодические выступы и углубления. Получение такой проволоки требует дополнительных производственных затрат.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача разработать патронный фильтрующий элемент, обладающий высокой задерживающей способностью при малом гидравлическом сопротивлении, обеспечивающий возможность самоочищения в процессе работы и достаточно простой в изготовлении. Поставленная задача решена за счет того, что предложен патронный фильтрующий элемент, содержащий трубчатый каркас с перфорацией в виде продольных прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая перегородка, образованная спирально намотанной нитью, в котором согласно изобретению намотка выполнена с натяжением без зазоров между витками нитью с шероховатостью, при этом ширина прорезей трубчатого каркаса и диаметр нити выбраны из условия образования проходного зазора между витками в зоне прорези трубчатого каркаса при деформации нити в результате воздействия на нее фильтруемой среды.

В фильтрующем элементе согласно настоящему изобретению ширина прорезей b и диаметр нити d выбраны преимущественно так, что их отношение b/d находится в диапазоне значений от 10 до 1000.

Предпочтительно в фильтрующем элементе согласно настоящему изобретению намотка выполнена нитью с классом шероховатости не менее седьмого класса.

В фильтрующем элементе согласно настоящему изобретению намотка выполнена преимущественно с натяжением нити, причем величина натяжения Р и усилие N разрыва выбрана так, что их отношение P/N составляет, по меньшей мере, величину 0,05.

Предпочтительно фильтрующий элемент согласно настоящему изобретению имеет каркас, выполненный в виде “беличьего колеса”.

В фильтрующем элементе согласно изобретению предпочтительно дополнительно выполнена вторая намотка нити на каркасе по винтовой канавке, образованной первой намоткой. Нити первой и второй намотки представляют собой металлическую проволоку или неметаллическое волокно.

В фильтрующем элементе согласно изобретению для нити первой намотки использовано неметаллическое волокно, в качестве нити второй намотки использована металлическая проволока, диаметр которой меньше диаметра волокна, и в начало и в конец второй намотки заделаны токоподводящие клеммы.

Предпочтительно в фильтрующем элементе согласно изобретению первая и вторая обмотки выполнены из нитей одинакового диаметра.

В фильтрующем элементе, по меньшей мере, некоторые участки намотки заполнены металлическим или неметаллическим связующим.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны специалисту в данной области из приведенного ниже описания конкретных неограничивающих примеров его реализации, а также динамики работы и возможных аспектов практического промышленного применения, которое ведется со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, на которых:

- фиг.1 изображает в продольном разрезе фильтрующий элемент согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения;

- фиг.2 - разрез А-А фильтрующего элемента по фиг.1;

- фиг.3 - в продольном разрезе фильтрующий элемент с каркасом, выполненным в виде “беличьего колеса”;

- фиг.4 - разрез Б-Б фильтрующего элемента по фиг.3;

- фиг.5 - в поперечном сечении участок намотки проволоки в одном из вариантов реализации изобретения;

- фиг.6 - в сечении, проходящем через продольные оси, два соприкасающиеся витка намотки проволоки;

- фиг.7 - в поперечном сечении намотку проволоки в условиях аэродинамического воздействия;

- фиг.8 - в вертикальном разрезе устройство фильтровальной воронки для индивидуальной заправки автомобиля с фильтрующим элементом, представленным на фиг.1;

- фиг.9 - в вертикальном разрезе вариант реализации фильтра, в котором установлен фильтрующий элемент, представленный на фиг.2.

Наилучший вариант осуществления изобретения

На фиг.1 изображен в продольном разрезе фильтрующий элемент согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, содержащий полый каркас с 4-мя продольными пазами, ширина которых b=12 мм. На фигуре 2 разрез А-А фильтрующего элемента по фиг.1. Каркас изготовлен из цилиндрической трубы с внутренним диаметром f=30 мм. Каркас выполнен из стали. Фильтрующий элемент имеет трубную цилиндрическую поверхность 12, сформированную из трубы 1¹/₄ дюйма, и резиновую прокладку 13, предназначенную для уплотнения. На части поверхности (имеющей длину u) каркаса известным в промышленности способом выполнена намотка 11 проволоки диаметром d=0,03 мм, изготовленной из сплава, используемого для изготовления проволоки. Намотка 11 выполнена с шагом, равным диаметру проволоки, то есть соотношение b/d=12:0,03=400. Намотка 11 выполнена с натяжением Р каждого витка величиной 0,025 кг, что составляет 20 процентов от усилия N разрыва проволоки (N=0,125 кг), то есть соотношение P/N равно 0,2. Намотка 11 закреплена по периметру пазов каркаса в четырех местах связующим 14, представляющим собой отвержденную эпоксидно-каучуковую композицию типа “жидкий металл”.

На фиг.3 изображен в продольном разрезе фильтрующий элемент, содержащий каркас 22, выполненный в виде “беличьего колеса” с внутренним диаметром f. На фигуре 4 изображен разрез Б-Б фильтрующего элемента по фиг.3. Для повышения жесткости каркас разделен шпангоутом на 2 секции. Боковую поверхность каркаса ограничивают 12 стержней, диаметром 6 мм, изготовленные из проволоки серебрянки, выполненной из стали. Стержни расположены, по существу, равномерно по окружности. Расстояние между соседними стержнями по касательной линии составляет 12 мм, с образованием зазора b величиной 12 мм. Расстояния s=65 мм, расстояние р=65 мм. На боковой поверхности каркаса с шагом, равным диаметру проволоки, выполнена намотка 11 проволоки диаметром в d=0,03 мм (соотношение b/d=400), изготовленной из сплава, применяемого для изготовления проволоки. Натяжение Р каждого витка намотки составляет 0,025 кг, что составляет 20 процентов от усилия N разрыва проволоки, то есть соотношение P/N равно 0,2. В фильтрующем элементе предусмотрены фитинги 21, выполненные из стали. Шесть симметрично расположенных промежутков намотки между двумя стержнями заполнены отвержденной эпоксидно-каучуковой композицией 23 типа “жидкий металл”.

Механизм фильтрования жидкости заявляемого фильтрующего элемента реализуется следующим образом. В углублениях фильтрующего элемента фактически образуются капилляры переменного сечения, которые обеспечивают прохождение жидкой фильтруемой среды через фильтрующий элемент.

Это явление иллюстрирует фиг.4, на которой изображена в поперечном сечении намотка проволоки с диаметром d=0,03 виток к витку, в условиях смачивания жидкостью 31 при отсутствии избыточного внешнего давления. Фактический контакт соприкасающихся поверхностей осуществляется по вершинам неровностей, обусловленных шероховатостью поверхности, характеризуемой параметром Rz. Таким образом, в зоне фактического контакта соприкасающихся витков проволоки имеют место строчечные просветы шириной 2Rz. Для фильтрующего элемента согласно настоящему изобретению предпочтительно используют проволоку малых диаметров, полученную в результате процесса волочения. При этом у данной проволоки обеспечивается класс шероховатости поверхности не менее 7-го, а более предпочтительно не ниже 11-12-го, то есть параметр Rz находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,2 мкм, следовательно, в зоне фактического контакта соприкасающихся витков проволоки с диаметром d=0,03 мм имеют место строчечные просветы с шириной в диапазоне от 0,4 до 0,8 мкм. Это подтверждается визуально - намотка проволоки (d=0,03 мм с шагом, равным 0,03 мм) выглядит на просвет подобно пленке сусального золота.

На фиг.6 изображены в увеличенном виде (М 10000:1) в продольном сечении два соприкасающихся витка намотки проволоки с шероховатостью поверхности, характеризуемой 11-12 классом. Разница величин h1 и h2 соответствует параметру Rz.

При использовании фильтрующего элемента согласно настоящему изобретению для фильтрования газообразных текучих сред реализуется механизм фильтрации, схематически изображенный на фигуре 7. На данной фигуре 7 изображен в увеличенном масштабе (М 1000:1) участок намотки проволоки, выполненной на фильтрующем элементе согласно настоящему изобретению. В результате аэродинамического воздействия газообразной текучей среды на намотку в ней возникают колебания и, в частности, автоколебания (флаттер) каждого витка намотки проволоки микронных размеров на площади пазов каркаса, что увеличивает проницаемость фильтрующего элемента и обеспечивает его самоочистку в процессе фильтрования. Возникновение автоколебаний в намотке проволоки микронных диаметров при фильтровании газообразной текучей среды подтверждается тем, что этот процесс сопровождается тем, что фильтрующий элемент издает характерный звенящий звук. Схожий механизм увеличения проницаемости и самоочистки фильтрующего элемента в процессе фильтрования реализуется при воздействии турбулентного потока жидкости.

Проведенные изобретателями испытания фильтрующего элемента, описанного со ссылкой на фиг.3, показали, что удельная проницаемость при фильтровании воды и бензина составляет не менее 0,012 л/с·см², при перепаде давления не более 3 кПа (300 мм вод.ст.).

В рамках сущности настоящего изобретения возможны модификации фильтрующего элемента, в частности конструктивные параметры фильтрующего элемента определяются конкретными техническими требованиями: прочность, жесткость, производительность, технологичность и др.

Для иллюстрации промышленной применимости фильтрующего элемента согласно настоящему изобретению, а также для демонстрации его свойств и преимуществ ниже приведено описание конкретных неограничивающих примеров его практического использования.

На фиг.8 представлено в вертикальном разрезе устройство фильтровальной воронки для индивидуальной заправки автомобиля бензином с фильтрующим элементом, представленным на фиг.1, в процессе заправки уровень бензина в устройстве достигает высоты f 250-300 мм, после чего подъем уровня прекращается, то есть скорость подачи топлива бензоколонкой (обычно это до 2 л/сек) и скорость фильтрования выравниваются. Направление движения бензина внутри устройства показано на фиг.8 стрелками. Поступающий поток топлива из заправочного пистолета 41 вызывает значительную турбулентность объема топлива в устройстве, что повышает скорость фильтрования и способствует самоочистке фильтрующего элемента. После завершения процедуры заправки остаток топлива (не более 50 см куб.) вместе с задержанной влагой и твердыми частицами загрязнений (обычно 5-40 мкм) удаляют и устройство закрывают крышкой для предотвращения механических повреждений до следующей заправки. Фильтрование бензина при заправке автомобиля устройством с использованием фильтрующего элемента согласно настоящему изобретению, судя по массе задержанных частиц загрязнений и примесей, значительно повышает класс чистоты топлива.

На фиг.9 в вертикальном разрезе представлен конкретный вариант выполнения фильтра, в котором установлен фильтрующий элемент, представленный на фиг.3. Данный фильтр предназначен для фильтрации топлива. Фильтруемая среда, в данном случае топливо, попадает в фильтр через вход 51, представляющий собой шланг диаметром 25 мм и после фильтрации выходит через выход 52, представляющий собой шланг диаметром более 25 мм, например 30 мм. Фильтрующий элемент 54 установлен в фильтр с обеспечением протекания через него фильтруемой среды. Направление возникающего при работе данного фильтра движения фильтруемой среды внутри фильтра показано стрелками. Движение фильтруемой среды вдоль стенки фильтрующего элемента (сверху вниз) характеризуется тем, что турбулентный поток вначале движения плавно переходит в ламинарный, так как в виду малого гидравлического сопротивления большая часть фильтруемого объема топлива переходит внутрь фильтрующего элемента 54 и движется в противоположном направлении. Так в данном фильтре реализуется плавный процесс самоочистки фильтрующего элемента. В фильтре предусмотрено место 53 установки устройства для отбора проб топлива и манометра. На фильтре может быть установлен известный в данной области сливной клапан 55 для сброса задержанной влаги и твердых примесей. Сливной клапан 55 может поддерживаться постоянно приоткрытым или его можно открывать периодически, в зависимости от степени загрязнения фильтруемой среды и скорости фильтрования.

Промышленная применимость

Патронный фильтрующий элемент согласно настоящему изобретению может с успехом применяться в промышленных и бытовых очистных системах, предназначенных для очистки различных жидкостей и газов. Фильтр, описанный со ссылками на фиг.5, помимо фильтрования топлива может с успехом применяться для фильтрования воды, например в колодцах и очистных питьевых системах.

Изобретение предназначено для фильтрования жидкостей и газов. Патронный фильтрующий элемент содержит трубчатый каркас с перфорацией в виде продольных прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая перегородка, образованная спирально намотанной нитью, причем намотка выполнена с натяжением без зазоров между витками нитью шероховатостью, при этом ширина прорезей трубчатого каркаса и диаметр нити выбраны из условия образования проходного зазора между витками в зоне прорези трубчатого каркаса при деформации нити в результате воздействия на нее фильтруемой среды. Ширина прорезей и диаметр нити выбраны так, что их соотношение находится в диапазоне от 10 до 1000. Намотка выполнена нитью с шероховатостью не менее седьмого класса с натяжением нити, причем величина натяжения и усилие разрыва выбраны так, что их отношение больше 0,05. Каркас может быть выполнен в виде "беличьего колеса". Технический результат: высокая задерживающая способность при малом гидравлическом сопротивлении, возможность самоочищения в процессе работы. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Патронный фильтрующий элемент, содержащий трубчатый каркас с перфорацией в виде продольных прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая перегородка, образованная спирально намотанной нитью, отличающийся тем, что намотка выполнена с натяжением без зазоров между витками нитью с шероховатостью, при этом ширина прорезей трубчатого каркаса и диаметр нити выбраны из условия образования проходного зазора между витками в зоне прорези трубчатого каркаса при деформации нити в результате воздействия на нее фильтруемой среды.2. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что ширина прорезей (b) и диаметр нити (d) выбраны так, что их отношение (b/d) находится в диапазоне значений от 10 до 1000.3. Фильтрующий элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что намотка выполнена нитью с классом шероховатости не менее седьмого класса.4. Фильтрующий элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что намотка выполнена с натяжением нити, причем величина натяжения (Р) и усилие (N) разрыва выбраны так, что их отношение (P/N) составляет, по меньшей мере, 0,05.5. Фильтрующий элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде "беличьего колеса".6. Фильтрующий элемент по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что дополнительно содержит на каркасе вторую намотку нити, выполненную по винтовой канавке, образованной первой намоткой.7. Фильтрующий элемент по п.6, отличающийся тем, что нити первой и второй намотки представляют собой металлическую проволоку или неметаллическое волокно.8. Фильтрующий элемент по п.6, отличающийся тем, что в качестве нити первой намотки использовано неметаллическое волокно, в качестве нити второй намотки использована металлическая проволока, диаметр которой меньше диаметра указанного волокна, и в начало и в конец второй намотки заделаны токоподводящие клеммы.9. Фильтрующий элемент по любому из пп.6-7, отличающийся тем, что первая и вторая обмотки выполнены из нитей одинакового диаметра.10. Фильтрующий элемент по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые участки намотки заполнены металлическим или неметаллическим связующим.