ОДНОРАЗОВЫЙ ПАТРОН ДЛЯ БЫТОВОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК C02F5/02 C02F1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в общем к устройствам и способам очистки воды, в частности, предназначенным для использования в автомате для продажи напитков после смешения.

Предшествующий уровень техники

В бытовой системе очистки воды и способе ее применения, описанных в патенте США №4858248, выданном Плестеру (Plester) и др., используется сменный одноразовый патрон, который включает сборник и фильтр. Указано, что сборник имеет ячеистую структуру. Нагреватель нагревает воду в патроне, чтобы снизить жесткость воды путем разложения бикарбонатов. Затем происходит оседание осаждаемых бикарбонатов и тяжелых металлов и накопление их на поверхности ячеистой структуры. Потом вода из сборника проходит через барьерный фильтр, например кольцевой фильтр, и выходит из патрона.

Эффективность сборника зависит, в частности, от регулирования температуры и времени пребывания в патроне воды, проходящей через него. При эксплуатации это время пребывания уменьшается по мере накопления осадков и заполнения ими пустот в ячеистой структуре. Этот процесс накопления, в конце концов, вызывает уменьшение времени пребывания до величины ниже той, которая необходима для завершения процесса осаждения. Поэтому приходится использовать в патроне барьерный фильтр, срок службы которого меньше, чем у сборника; забившийся фильтр сигнализирует о необходимости технического обслуживания (т.е. замены) сборника. Было бы выгодно иметь патрон с повышенной способностью к сбору частиц, в частности патрон, удовлетворяющий следующим параметрам:

А) патрон должен обеспечивать узкое распределение времени пребывания в патроне в пределах потока воды, чтобы гарантировать, что все части воды, протекающей через патрон, очищаются в одинаковой степени;

Б) патрон должен обеспечивать эффективное осаждение и сбор малых частиц, образующихся во время реакции, обуславливаемой нагревом, внутри патрона;

В) блокировка отверстия для впуска воды в патрон должна предотвращаться за счет оседания частиц, образующихся во время реакции, обуславливаемой нагревом, именно изнутри от точки ввода воды в патрон;

Г) оседание частиц на поверхностях нагревателя патрона также должно предотвращаться, потому что такое образование вредно сказывается на работоспособности нагревателя и патрона;

Д) патрон должен обеспечивать полное разделение впускаемого и выпускаемого потока воды, так что утечки в системе не должны приводить к смешиванию прибывающей неочищенной воды и выходящей очищенной воды;

Е) патрон должен вмещать барьерный фильтр для очищенной выходящей воды, чтобы удалять любые частицы, переносимые из зон осаждения, имеющихся в патроне;

Ж) патрон должен содержать нагреватель, установленный внутри, или нагреватель, установленный снаружи;

З) патрон должен быть выполнен с возможностью блокировки течения воды через патрон после уменьшения свободного пространства патрона за счет оседания частиц, являющихся продуктами реакции, до такой степени, что время пребывания воды внутри патрона достигло наименьшего предельного значения, в результате чего патрон становится "израсходованным" и должен быть заменен;

И) патрон должен обеспечивать надлежащий тепловой контакт с нагревателем, установленным снаружи патрона, в тех конкретных вариантах осуществления, для которых такие нагреватели, устанавливаемые снаружи, предпочтительны;

К) патрон должен обеспечивать поверхности контакта с водой, которые можно эффективно и экономично лакировать для предотвращения загрязнения очищенной воды металлами, в частности, в конкретных вариантах осуществления, где используются недорогие металлы, такие как мягкая низкоуглеродистая сталь;

Л) патрон должен обеспечивать лакированные нагреваемые поверхности, на которых предотвращается появление осадков, чтобы избежать воздействия недопустимого температурного напряжения на эти лакированные поверхности;

М) патрон должен иметь простую конструкцию и быть дешевым, чтобы тем самым гарантировать, что этот патрон будет относительно недорогой частью системы очистки воды.

Поэтому было бы выгодно разработать патрон для очистки воды, который минимизирует оседание частиц, образующихся как раз изнутри от точки ввода воды в патрон, и предотвращает оседание частиц на поверхностях нагревателя патрона, а также обеспечивает полное разделение впускаемой воды, текущей в патрон, и выпускаемой воды, вытекающей из патрона. Было бы также выгодно, чтобы такой патрон вмещал нагреватель, установленный внутри, или имел нагреватель, установленный снаружи, и чтобы при этом патрон был выполнен с возможностью блокировки течения воды через него после уменьшения свободного пространства патрона за счет оседания частиц, являющихся продуктами реакции, до такой степени, что время пребывания воды внутри патрона достигло наименьшего предельного значения, и чтобы при этом поверхности патрона, контактирующие с водой, можно было эффективно и экономично лакировать.

Поэтому цель настоящего изобретения состоит в разработке патрона для использования в системе очистки воды с нагреваемым патроном, который удовлетворяет многим из этих конструктивных параметров или всем этим конструктивным параметрам.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в разработке способов и систем очистки воды, использующих эти усовершенствованные патронные устройства.

Краткое изложение сущности изобретения

Предложен усовершенствованный патрон для использования в системе очистки воды, такой как система, описанная в патенте США №5858248. Патрон включает многочисленные емкости, вставленные друг в друга и образующие зоны осаждения частиц, а также каналы для протекания воды в пределах зазоров между стенками емкостей. Патрон является экономичным, потому что в нем используются обычные, изготавливаемые в массовом производстве детали, и он требует лишь простой сборки.

В предпочтительном варианте осуществления патрон включает внешнюю емкость, имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, причем верхний конец приспособлен для плотного сцепления с насадкой системы очистки воды с нагреваемым патроном, внутреннюю емкость, имеющую закрытое основание, верхний конец, имеющий, по меньшей мере, один проем для протекания очищаемой воды во внутреннюю емкость, и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом и снабженные, по меньшей мере, одним отверстием для протекания воды, находящейся во внутренней емкости, из внутренней емкости, причем между отверстием и основанием внутренней емкости образована зона осаждения частиц, и при этом внутренняя емкость закреплена внутри внешней емкости в положении, обеспечивающем образование зазора между стенками внешней емкости и стенками внутренней емкости, а также зазора между основанием внешней емкости и основанием внутренней емкости, первую промежуточную емкость, расположенную внутри второй промежуточной емкости, при этом обе указанные емкости расположены между внешней емкостью и внутренней емкостью и имеют закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между концами оснований и верхними концами, причем вода протекает по пути течения воды через верхний конец первой промежуточной емкости, а затем - через отверстия в стенках второй промежуточной емкости, и трубку для выпуска очищенной воды, расположенную с обеспечением возможности приема воды из зазора между верхним концом внешней емкости и верхним концом внутренней емкости. Емкости, образующие патрон, предпочтительно изготовлены из металла и могут быть лакированы для предотвращения загрязнения очищенной воды металлом. В этом конкретном варианте осуществления, патрон обеспечивает оптимальную установку нагревателя для системы очистки в пределах потока очищаемой воды или у внешней стенки патрона. В предпочтительном варианте, патрон снабжают барьерным фильтром, таким как объемный фильтр.

Патрон включает секцию для не турбулентного течения, предназначенную для сбора частиц, образующихся внутри патрона за счет реакции бикарбонатов в воде, вследствие чего обеспечивается эффективный сбор частиц. Когда секция для сбора частиц становится заполненной, течение воды автоматически блокируется или отсекается, что сигнализирует о необходимости замены патрона. В предпочтительном конкретном варианте осуществления, когда 50% пути протекания воды проходит в направлении осаждения частиц, осаждение также становится более эффективным.

В более предпочтительном варианте осуществления патрон включает внешнюю емкость, имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, причем верхний конец приспособлен для плотного сцепления с насадкой системы очистки воды с нагреваемым патроном, внутреннюю емкость, имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, и закрепленную внутри внешней емкости в положении, обеспечивающем образование зазора между стенками внешней и внутренней емкостей, а также зазора между основаниями внешней и внутренней емкостей, так что между упомянутыми основаниями образована зона осаждения частиц, одну или несколько внешних направляющих перегородок, расположенных в зазоре между стенками внешней и внутренней емкостей и ограничивающих путь течения таким образом, что, когда неочищенная вода попадает в патрон через подающую трубку для впуска, вода протекает между стенкой внешней емкости и, по меньшей мере, одной из внешних направляющих перегородок по направлению к зоне осаждения частиц, а потом проходит между внешней направляющей перегородкой и стенкой внутренней емкости, и трубку для выпуска очищенной воды, расположенную с обеспечением возможности приема воды из верхнего конца внутренней емкости, причем вода, вытекающая из внутренней емкости, течет через трубку для выпуска очищенной воды и вытекает из патронного устройства, образуя тем самым путь течения воды через патрон.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет вертикальное сечение предпочтительного варианта осуществления патрона, изображающее пути протекания воды, подвод тепла и обеспечение сбора осажденных частиц.

Фиг.2А представляет горизонтальное сечение предпочтительного варианта осуществления патрона, изображающее средства, обеспечивающие расширение окружности патрона для контакта с установленным по окружности внешним нагревателем.

Фиг.2В представляет вертикальное сечение основания предпочтительного варианта осуществления патрона, изображающее средства, обеспечивающие расширение основания патрона для контакта с установленным на основании внешним нагревателем.

Фиг.3 представляет вертикальное сечение более предпочтительного варианта осуществления патрона, изображающее пути протекания воды.

Фиг.3А представляет горизонтальное сечение патрона, показанного на фиг.3.

Подробное описание изобретения

Разработан усовершенствованный одноразовый сменный патрон для использования в системах очистки воды с нагреваемыми патронами, таких как системы, описанные в патенте США №5858248, включенном в качестве ссылки во всей его полноте в данном описании.

Патрон

Патрон состоит из нескольких емкостей, причем каждая емкость имеет стенки и закрытое основание. Емкости предпочтительно являются цилиндрическими по форме, хотя можно использовать и формы с некруглым горизонтальным поперечным сечением. Емкости патрона расположены, по существу, концентрично, образуя пути протекания (т.е. каналы) в зазорах между стенками емкостей. Иными словами, емкости вложены таким образом, что располагаются одна внутри другой. Каналы, образованные зазорами между стенками емкостей, гарантируют, что все части потока должны следовать по одному и тому же пути за исключением случаев короткого замыкания и поэтому гарантируют узкое распределение времени пребывания в патроне воды, протекающей через него. Можно использовать обычные распорки для поддержания зазоров между емкостями. В емкостях предусмотрены отверстия, придающие желаемому контуру протекания воды законченный характер и подробнее описанные в нижеследующих абзацах текста со ссылками на фиг.1 и 2. Ниже отверстий в емкостях ограничены зоны осаждения для оседающих частиц. В некоторых конкретных вариантах осуществления, "емкости" не имеют закрытого основания, а имеют только боковые стенки, эти "емкости" именуются в нижеследующем тексте "направляющими перегородками".

Емкости в типичном случае изготовлены из теплопроводного материала, предпочтительно - металла. В предпочтительном конкретном варианте осуществления емкости изготовлены из луженой мягкой низкоуглеродистой стали или алюминия с лаковым покрытием для ингибирования коррозии металла. В других конкретных вариантах осуществления, емкости или их части изготовлены из не лакированного металла, такого как нержавеющая сталь. Нержавеющая сталь может быть экономичным материалом, в частности, для внутренних емкостей, в качестве которых можно использовать очень тонкую металлическую конструкцию, потому что к механической прочности внутренних емкостей предъявляются нестрогие требования.

Конструкция патрона также способствует снижению температурного напряжения на лакированных стенках, если они используются, что позволяет с выгодой использовать обычные антикоррозионные лаки, на которые в противном случае оказали бы негативное влияние повышенные температуры и напряжения. Хотя и существуют антикоррозионные лаки с высокотемпературным допуском, можно легче достичь экономичности лаковой системы, когда эта лаковая система работает при как можно более низких температурах, представляемых на практике температурой процесса очистки. В типичном случае, температура лакированной металлической подложки будет близка к температуре воды, с которой она контактирует, при этом вода имеет температуру процесса очистки. Однако, если нагретая поверхность покрывается осадком карбоната кальция или магния в результате процесса очистки, то лакированная поверхность больше не контактирует с водой. В этом случае придется увеличить температуру нагревателя для поддержания необходимого притока тепла через осадок, который является плохим проводником тепла. Следовательно, это увеличение температуры нагревателя может привести к увеличению температурного напряжения на лакированной поверхности. Поэтому, если можно минимизировать или предотвратить осадки на лакированных поверхностях, которые подвергаются непосредственному нагреву, то минимизируется температурное напряжение в лаке.

Именно простая лакировка емкостей с использованием обычных средств обеспечивает защиту от коррозии металла. Можно использовать обычные лаковые материалы, которые в настоящее время используются в банках для пищевых продуктов, в частности в тех из них, которые допускают варку в банке (например, в банках для супов). Лаковые материалы обычно будут иметь полиэфирную, акриловую или эпоксидную основу, предпочтительно - полиэфирную или акриловую, поскольку это водные основы, которые легче всего применить в высокоскоростной лакировочной системе. Как правило, высокоскоростные лакировочные системы (такие как используемые в банках для пищевых продуктов и напитков) экономичны, но основаны на исключении сложных форм и поверхностей, поскольку те ухудшили бы целостность лакового покрытия. Лаковые поверхности, которые являются более сложными (чем в банках для пищевых продуктов), в общем случае потребуют более сложных и менее экономичных лакировочных систем.

Нагреватель

В одном варианте осуществления в патроне используется нагреватель, установленный снаружи. В этом конкретном варианте осуществления нагреватель осуществляет прямой нагрев выходящей очищенной воды и косвенный нагрев неочищенной воды (фиг.1). Следовательно, поверхности емкостей с наибольшим температурным напряжением находятся в контакте с очищенной водой и поэтому по сравнению с поверхностями, контактирующими с неочищенной водой, подвергаются незначительному оседанию частиц в результате реакции, происходящей в патроне. Эта конструкция с выгодой предотвращает наличие поверхностей, контактирующих с нагревателем, покрытым осадками частиц, которые могли бы действовать как теплоизоляция и могли бы увеличить температурное напряжение в лаках. Уменьшая температурное напряжение в лаке, снижают риск теплового повреждения лака.

Размеры емкостей зависят от размеров патрона, которые в свою очередь зависят главным образом от скорости очистки воды и температуры очистки. Патрон имеет, по меньшей мере, три основные секции, каждая из которых соответствует разным технологическим функциям патрона. Этими секциями являются следующие: реакционная секция, в которой бикарбонат разлагается за счет тепла и оседает в виде карбонатов наряду с металлами и другими растворенными твердыми частицами; секция удержания осадков, в которой накапливается большинство осевших твердых частиц; и обслуживающая вспомогательная секция, содержащая барьерный фильтр, газовое пространство для сбора и выпуска газов, растворенных в неочищенной воде, датчики регулирования уровня, температуры (если это необходимо), а также трубки для впуска и/или выпуска.

Размер реакционной секции определяется требуемой скоростью очистки воды и температурой воды, поскольку зависимость температуры реакции бикарбоната соответствует хорошо известным законам химии. Например, если бы температура очистки составляла 115°С, эта секция в предпочтительном варианте должна была бы иметь объем, достаточный для того, чтобы обеспечить удержание в течение приблизительно 10 минут потока, обуславливаемого очисткой воды (то есть, например, если бы скорость обработки составляла 18 л/ч, то объем реакционной секции должен был бы составлять примерно 10/60×18=3 л). При температурах менее 115°С необходимый объем должен был бы быть больше, потому что скорость реакции была бы меньше, а при температурах более 115°С необходимый объем должен был бы быть меньше, потому что скорость реакции была бы больше. Хотя более высокие температуры очистки выгодны тем, что позволяют уменьшить размеры патрона, эти более высокие температуры обуславливают увеличение внутреннего давления патрона. Следовательно, температуру очистки следует выбирать так, чтобы добиться практичного и экономичного баланса между прочностью, способствующей поддержанию давления в патроне, и его размерами. Предпочтительные температуры очистки в типичном случае находятся между примерно 100°С и примерно 150°С. Вместе с тем, полезными для практических приложений могут оказаться и температуры вне этого диапазона. Например, если приложение требует очень маленького, экономящего пространство патрона, то можно было бы применять повышенные температуры очистки.

Размер секции, удерживающей осадки, зависит от скорости очистки воды, количества оседающего вещества, присутствующего в воде, и приемлемой частоты замены патрона. Эта секция представляет собой просто пространство для удержания твердых частиц, выделяемых посредством процесса очистки.

Размер обслуживающей вспомогательной секции зависит от скорости очистки воды и от степени экономии пространства, обеспечиваемой проектированием размещения компонентов в пределах этой секции. В типичном случае, этот размер данной секции составляет относительно небольшую долю (размера) патрона. Например, при работе со скоростью очистки воды 18 литров в час при температуре 115°С патрон в типичном случае будет иметь общую объемную вместимость между примерно 4 и 8 л, при этом для обслуживающей вспомогательной секции в обычной ситуации потребовалось бы лишь 0,5 л.

Как правило, форма патрона является такой, что его высота примерно в один-три раза больше его диаметра.

Установка нагревателя снаружи, вследствие чего он становится постоянной частью конструкции, а не одноразовой, уменьшает стоимость одноразового компонента (т.е. патрона) и тем самым уменьшает эксплуатационные расходы на систему. Однако эта компоновка не всегда возможна, потому что жесткие воды (т.е. с относительно высоким содержанием бикарбоната) вызывают избыточные осадки на поверхностях, нагреваемых снаружи, и уменьшают эффективность этих поверхностей. В таких случаях предпочтителен или, возможно, необходим внутренний нагреватель, поскольку внутренний нагреватель самоочищается во время циклов нагревания и охлаждения. Температурное напряжение на осадках, находящихся непосредственно на нагревателе, значительно выше, чем в случае осадков на поверхностях, нагреваемых снаружи, и это температурное напряжение вызывает отпадение осадков, находящихся непосредственно на нагревателе. Следовательно, вариант нагрева изнутри, хотя и является изначально стоящим дороже ввиду увеличения количества одноразовых компонентов, может способствовать уменьшению затрат в случае относительно жесткой воды путем увеличения срока службы патрона.

Барьерный фильтр

По выбору и в предпочтительном варианте, патрон снабжен барьерным фильтром для удаления любых мелких частиц, которые не осели в пределах зон осаждения, имеющихся в патроне. Для установки барьерного фильтра в патроне барьерный фильтр должен быть компактным и простым.

Барьерный фильтр не должен ограничивать срок службы патрона (срок службы патрона скорее должен ограничиваться вместимостью зоны сбора осажденных частиц, имеющейся в патроне). Вместе с тем, барьерный фильтр должен иметь адекватный срок службы в пределах ограниченного пространства патрона, а реализации этой функции можно достичь с помощью фильтра, который имеет увеличенную площадь поверхности для улавливания частиц, например, за счет наличия многочисленных складок или который обеспечивает фильтрацию по всему своему объему или глубине. Барьерный фильтр предпочтительно является объемным фильтром, который обеспечивает отфильтровывание мелких частиц из воды не только на поверхности фильтра, но и по всей его глубине.

В предпочтительном варианте осуществления фильтр состоит из несущей конструкции и фильтрующего материала, который содержится в несущей конструкции. Эта несущая конструкция предпочтительно является пористой, включающей фильтрующий материал и допускающей протекание воды через этот фильтрующий материал и через несущую конструкцию. В типичном варианте осуществления фильтрующий материал имеет глубину, которая в несущей конструкции не превышает примерно 3 мм.

Несущая конструкция в типичном случае представляет собой недорогое сито, ткань или бумажный материал. Полезные фильтрующие материалы, как правило, включают в себя частицы, волокна или их сочетания. Подходящим фильтрующим материалом являются разновидности шерсти, в частности разновидности шерсти, полученные из синтетического волокна, допускающего использование при высоких температурах, а в более предпочтительном варианте - полиэтилентерефталатная шерсть (ПЭТФ-шерсть). Мелкий песок и кизельгур также являются предпочтительными фильтрующими материалами. Фильтрующий материал должен обеспечивать свободное прохождение воды через него и одновременный сбор значительных количеств частиц в порах этого материала.

Предпочтительный вариант осуществления патрона

На фиг.1, 2А и 2В изображен один вариант осуществления патрона, включающего барьерный фильтр. Конструкция патрона 10, который состоит из нескольких емкостей (т.е. емкостей 12а, 12b, 12с и 12d), установленных одна внутри другой, гарантирует дешевое изготовление, потому что недорогое массовое производство металлических емкостей с открытым верхом соответствует современному уровню техники, а операция сборки является относительно простой. Емкости можно изготавливать из относительно простых материалов, например из листа луженой мягкой низкоуглеродистой стали.

На фиг.1 показан патрон 10, который включает четыре концентрично расположенные емкости: внешнюю емкость 12а, вторую промежуточную емкость 12b, первую промежуточную емкость 12с и внутреннюю емкость 12d. Первая промежуточная емкость 12с закреплена во вложенном положении внутри второй промежуточной емкости 12b, причем обе промежуточные емкости расположены между внешней емкостью 12а и внутренней емкостью 12d. Все четыре емкости находятся в разнесенных положениях друг относительно друга. Пространство между стенками каждой емкости и между основаниями каждой емкости называется в данном описании зазором. Для поддержания относительных положений внутренней емкости 12d, первой промежуточной емкости 12с и второй промежуточной емкости 12b внутри внешней емкости 12а в патроне 10 используются распорки или другие стандартные конструктивные элементы (не показаны).

Внешняя емкость 12а включает закрытое основание 13а, вертикальные стенки 15а и открытый верхний конец 20а, который может быть сцеплен с насадкой 22 патрона для формирования водонепроницаемого уплотнения. Насадка 22 патрона представляет собой постоянную часть системы очистки воды и содержит подающую трубку 24 для впуска воды, соединение с трубкой 26 для выпуска воды и систему 28 регулирования уровня в патроне.

Внутренняя емкость 12d включает закрытое основание 13d, вертикальные стенки 15d и верхний конец 20d, который имеет, по меньшей мере, один проем, через который неочищенная вода может течь во внутреннюю емкость 12d. Вертикальные стенки 15d внутренней емкости 12d имеют ряд горизонтально расположенных отверстий 16d (два из которых показаны на чертеже), разнесенных вдоль окружной поверхности вертикальных стенок 15d.

Вторая промежуточная емкость 12b включает закрытое основание 13b, вертикальные стенки 15b и открытый верхний конец 20b. Вертикальные стенки 15b имеют ряд горизонтально расположенных отверстий 16b (только два из которых показаны на чертеже), разнесенных вдоль окружной поверхности вертикальных стенок 15b.

Первая промежуточная емкость 12с включает закрытое основание 13с, вертикальные стенки 15с и открытый верхний конец 20с, который имеет обод, служащий в качестве порога, через который переливается вода, вытекающая из первой промежуточной емкости 12с, перед прохождением во вторую промежуточную емкость 12b.

В центре патрона 10 расположена подающая трубка 24 для впуска воды, а рядом находится трубка 26 для выпуска воды или в альтернативном варианте в вертикальной стенке внешней емкости 12а, так что эти две трубки физически разделены. Подающая трубка 24 для впуска предпочтительно является относительно короткой трубкой большого диаметра, которая заканчивается в патроне 10 выше линии 40 уровня воды. Кроме того, верхние концы 20b и 20d стенок второй промежуточной емкости 12b и внутренней емкости 12d, соответственно, близки по высоте к верхнему концу 20а внешней емкости 12а, образуя узкий зазор у насадки 22 патрона, так что брызги или капли воды не могут попасть в поток выходящей воды в трубке 26 для выпуска. Внутренняя емкость 12d снабжена выборочно устанавливаемой частичной крышкой 34, которая дополнительно способствует разделению между подающей трубкой 24 для впуска воды и трубкой 26 для выпуска. Трубка 24 для впуска воды может быть расположена выше уровня 40 воды и может быть укорочена для уменьшения воздействия тепла на прибывающую неочищенную воду и уменьшения тем самым тенденции к образованию осадков частиц внутри подающей трубки 24 для впуска, что могло бы приводить к нежелательной блокировке протекания прибывающей воды.

Патрон 10 включает нагреватель 32, который установлен изнутри на основание 13а внешней емкости 12а (как показано на фиг.1) или в вертикальном зазоре между емкостями 12а и 12b (этот вариант не показан). В альтернативном варианте, патрон 10 может включать нагреватель 32а, который установлен снаружи на снование 13а внешней емкости 12а, как показано на фиг.1. В еще одной конфигурации, внешний нагреватель может быть введен в контакт с внешней вертикальной стенкой внешней емкости 12а. При любом из этих возможных положений нагревателя тепло сначала подводится к очищенной воде, чтобы защитить нагреватель 32, 32а от оседания частиц, которое в противном случае происходило бы при контакте с неочищенной водой, т.е. с водой, находящейся внутри емкостей 12d, 12с или 12b.

В зазоре между вертикальной стенкой 15а внешней емкости 12а и вертикальной стенкой 15b второй промежуточной емкости 12b рядом с их верхними концами 20а и 20b расположен кольцеобразный барьерный фильтр 30.

На фиг.2А показано сечение, проведенное через патрон 10 (сечение А-А, обозначенное на фиг.1). Окружная стенка внешней емкости 12а имеет несколько канавок 50, проходящих вдоль большей части или всей высоты емкости. Эти канавки 50 гарантируют расширение окружной стенки внешней емкости 12а под давлением. Поскольку патрон 10 обычно работает под давлением, превышающим атмосферное, ввиду подвода тепла к воде, находящейся внутри патрона, канавки 50 гарантируют расширение стенок внешней емкости 12а наружу и плотный контакт с нагревателем или нагревателями (не показаны), установленными по окружности упомянутой емкости, гарантируя таким образом надлежащий тепловой контакт. Когда подвод тепла прекращают, чтобы заменить патрон 10 после того, как он "израсходуется", обычная окружная "пружинистость" стенок внешней емкости 12а гарантирует возврат этих стенок приблизительно в их нерасширенное (исходное) положение, облегчая тем самым извлечение патрона 10.

На фиг.2В показано сечение основания 52 внешней емкости 12а с нагревателем 32а, установленным на основании 52. В основании 52 выполнена круговая канавка 54, проходящая вдоль большей части или всей окружности, проходящей вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости основания. Когда к патрону 10 подводится тепло и внутреннее давление патрона растет, превышая атмосферное давление, центральная круговая часть 56 основания 52 принудительно выпучивается наружу, обеспечивая надлежащий тепловой контакт с нагревателем 32а, установленным снаружи от основания.

Более предпочтительный вариант осуществления патрона показан на фиг.3 и 3А. На фиг.3 показан патрон 60, который включает внутреннюю емкость 62 (имеющую закрытое основание и открытый верх), внутреннюю направляющую перегородку 64 (которая выполнена в форме трубы с открытыми концами), внешнюю направляющую перегородку 66 (выполненную аналогично внутренней направляющей перегородке 64) и внешнюю емкость 68 (имеющую открытый верх и закрытое основание). Емкости 62, 68 и направляющие перегородки 64, 66 установлены концентрично и должным образом разнесены внутри друг друга с помощью распорок (не показаны). Нижняя часть внешней емкости 68 образует камеру 88 осаждения частиц.

Патрон 60 показан упирающимся в насадку 70 патрона (край которой показан на чертеже). Насадка 70 патрона выполняет функцию, аналогичную той, которая описана выше для насадки 22 патрона, показанной на фиг.1. Насадка 70 патрона является постоянной частью системы очистки воды (не показана) и содержит подающую трубку 72 для впуска воды, систему 74 регулирования уровня и патрубок (не показан) для выпуска паров, выделяемых во время процесса очистки. Барьерный фильтр 76 установлен в корпусе 78 фильтра. Барьерный фильтр 76 функционирует аналогично барьерному фильтру 30, описанному выше и показанному на фиг.1, но барьерный фильтр 76 имеет круговую форму, а не кольцевую. Корпус 78 фильтра оснащен впускной трубкой 80 фильтра и выпускным отверстием на противоположной стороне фильтра, сообщающимся с насадкой 70 патрона.

Патрон 60 дополнительно включает внутренний нагреватель 82, который функционирует аналогично внутреннему нагревателю 32, показанному на фиг.1 и описанному выше. Однако внутренний нагреватель 82 выполнен в форме кольцевого змеевика, так что он установлен в кольцевом пространстве между внешней направляющей перегородкой 66 и внешней емкостью 68. Внутренний нагреватель 82 прикреплен к насадке 70 патрона посредством держателя 84 нагревателя, который содержит источник питания (не показан) для внутреннего нагревателя 82 и является постоянной частью насадки 70 патрона.

Внешняя направляющая перегородка 66 установлена внутри внутрикорпусного канала 79 корпуса 78 фильтра. Зазор между внешней направляющей перегородкой и внутрикорпусным каналом 79 является номинальным (т.е. малым и спиралевидным), вследствие чего риск, что прибывающая неочищенная вода сможет обойти путь протекания воды (описываемый ниже), оказывается небольшим или вообще отсутствует. Этот номинальный зазор гарантирует, что пары, находящиеся изнутри от внешней направляющей перегородки 66, адекватно сообщаются с парами снаружи от внешней направляющей перегородки 66, гарантируя отсутствие разности давлений между свободными пространствами для пара по обе стороны от внешней направляющей перегородки 66. Это, в свою очередь, гарантирует, что имеет место желаемое ступенчатое течение (как описано ниже).

По сравнению с компоновкой патрона, показанной на фиг.1, компоновка, показанная на фиг.3, обладает преимуществом, заключающимся в обеспечении постоянного внутреннего нагревателя, а также в уменьшении количества необходимых емкостей. Поскольку другие компоненты патрона больше не должны участвовать в процессе теплопередачи, их можно изготовить из неметаллических материалов, таких как пластмасса.

Работа патрона

Патрон, показанный на фиг.1, действует следующим образом.

Весь путь, по которому вода протекает из подающей трубки 24 для впуска воды в трубку 26 для выпуска, является путем протекания воды. Зона 17 осаждения частиц, т.е. секция патрона 10, находящаяся ниже линии 42 уровня, предпочтительно является зоной, свободной от турбулентности, которая допускает осаждение и накопление частиц, не возмущенных течением воды. Плоскость, примерно в которой находятся отверстия 16b и 16d, определяет плоскую верхнюю границу зоны 17 осаждения. Длинный путь протекания обеспечивает эффективное осаждение и сбор частиц, т.е. функции, выполнение которых улучшается ввиду того, что конструкция обеспечивает направление 50% пути вниз - то же направление, в котором происходит осаждение частиц (т.е. направление действия сил тяготения). Компоновка "емкость в емкости" обуславливает протекание всей воды по фиксированному, предварительно определенному пути протекания.

При эксплуатации сырая (неочищенная) вода вводится через подающую трубку 24 для впуска, протекает во внутреннюю емкость 12d, затем течет вниз через отверстия 16d, потом вверх до перетекания через верхний конец 20с, а затем вниз через отверстия 16b и вверх через кольцевой барьерный фильтр 30. Очищенная вода, покидающая барьерный фильтр 30, затем выходит из патронного узла 10 через трубку 26 для выпуска (см. стрелки А-Е направления течения).

Неочищенная вода попадает в патрон 10, где она нагревается нагревателем 32 или 32а, вызывая оседание бикарбонатов в воде с сопутствующим уменьшением ее жесткости. Тепло подводится сначала к очищенной воде, чтобы избежать осаждения частиц, которое могло бы снизить эффективность нагревателя. Кроме того, патрон обеспечивает надлежащий контакт между нагревателем, установленным снаружи, и стенками патрона, гарантируя, что эти стенки будут расширяться при нормальном рабочем давлении патрона и вступать в устойчивый контакт с поверхностью нагревателя. Патрон обеспечивает установление прибывающего и выходящего потоков, которые располагаются таким образом, что исключают возможность непреднамеренного смешения этих двух потоков, исключая тем самым риск загрязнения очищенной воды неочищенной водой.

По меньшей мере, некоторая доля частиц в нагретой воде во внутренней емкости 12d осаждается на основание 13d. Вода вместе с любыми частицами, не осажденными во внутренней емкости 12d, течет затем через отверстия 16d в первую промежуточную емкость 12с. Дополнительная доля частиц в нагретой воде в первой промежуточной емкости 12с может осаждаться на основание 13с. Вода вместе с любыми частицами, не осажденными в первой промежуточной емкости 12с, течет затем вверх и через обод верхнего конца 20с, а затем протекает во вторую промежуточную емкость 12b. Дополнительная доля частиц в нагретой воде во второй промежуточной емкости 12b может осаждаться на основание 13b. Вода вместе с любыми частицами, не осажденными во второй промежуточной емкости 12b, затем течет через отверстия 16b во внешнюю емкость 12а. Дополнительная доля частиц в нагретой воде во внешней емкости 12а может осаждаться на основание 13а. Далее вода течет вверх через кольцевой барьерный фильтр 30, в котором улавливаются любые частицы, остающиеся не осажденными, а затем вытекает из патрона 10 через трубку 26 для выпуска.

Поскольку вода течет, по существу, только в секции патрона 10, ограниченной линией 42 уровня и находящейся выше нее, в остающейся секции патрона, находящейся ниже линии 42 уровня, может свободно происходить сбор и накопление твердых частиц, в частности тех из них, которые образовались благодаря реакции, обусловленной бикарбонатной жесткостью неочищенной воды. Когда частицы накапливаются, достигая линии 42 уровня, дальнейшее осаждение частиц, в конце концов, блокирует отверстия 14b патрона 10, который тогда становится "израсходованным", достигая состояния, в котором дальнейшее накопление частиц в патроне привело бы к уменьшению времени пребывания, необходимого для завершения очистки (и определяемого объемной вместимостью выше линии 42 уровня).

Примеси летучих веществ, растворенные в неочищенной воде, собираются в свободном пространстве для газов, имеющемся в патроне выше линии 40 уровня. Эта часть процесса очистки является, по существу, такой, как та, которая описана в патенте США №5858248, приведенном во всей его полноте в данном описании в качестве ссылки. Накопленные примеси летучих веществ снижают уровень линии 40 уровня. Это снижение линии 40 уровня обнаруживается системой 28 регулирования уровня, и срабатывает вентиляционная система, находящаяся внутри насадки 22 патрона, выпуская накопленные примеси летучих веществ и тем самым поддерживая требуемый уровень линии 40 уровня (эта функция насадки патрона описана в патенте США №5858248, так что нет необходимости дополнительно описывать ее здесь). Для обеспечения протекания воды уровень воды во внутренней емкости 12d несколько выше уровня воды в емкости 12с, который несколько выше уровня воды в емкости 12b, который тоже несколько выше уровня воды в емкости 12а, являющегося самым низким уровнем. Это ступенчатое снижение уровней необходимо для поддержания гидравлического градиента. Поскольку расход воды через патрон 10 является относительно малым, описанный гидравлический градиент тоже является малым. Поэтому на фиг.1 показан единый уровень 40 воды.

Патрон, показанный на фиг.3, действует следующим образом.

Уровни воды внутри патрона показаны на фиг.3, а для большей ясности это сделано посредством изображения значительно увеличенных ступенек (уровней) 90а, 90b, 90с и 90d. Неочищенная вода вводится через подающую трубку 72 для впуска воды и течет вниз в кольцевом пространстве между внешней емкостью 68 и внешней направляющей перегородкой 66, проходя мимо внутреннего нагревателя 82. Затем вода течет вверх в кольцевом пространстве между внешней направляющей перегородкой 66 и внутренней емкостью 62 и перетекает во внутреннюю емкость 62. Частицы, которые оседают (из-за нагрева посредством внутреннего нагревателя 82), осаждаются главным образом в камере 88 осаждения, которая расположена ниже линии 92 уровня, и лишь очень незначительная доля частиц переносится, оседая во внутренней емкости 62. Потом вода течет вниз через кольцевое пространство между внутренней емкостью 62 и внутренней направляющей перегородкой 64 и, наконец, течет вверх по внутренней направляющей перегородке 64 во впускную трубку 80 фильтра. Поток воды блокируется, когда осевшие твердые частицы накапливаются до уровня, по существу, превышающего линию 92 уровня воды, тем самым и сигнализируя, и свидетельствуя о необходимости замены патрона.

Из вышеизложенного описания специалистам в данной области техники будут очевидны модификации и изменения вышеописанных способов и устройств. Такие модификации и изменения следует считать находящимися в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к устройствам для очистки воды, в частности для снижения жесткости воды. Предложено одноразовое патронное устройство для использования в системе очистки воды с нагреваемым патроном, в котором частицы, образуемые за счет обуславливаемой теплом реакции бикарбонатов в воде, можно эффективно собирать в нетурбулентных зонах осаждения частиц. Патрон включает несколько емкостей, сборка которых осуществлена путем вложения их друг в друга и которые образуют каналы для протекания воды в пределах зазоров между стенками емкостей. Когда секция для сбора частиц заполняется, течение воды автоматически блокируется или отсекается, что сигнализирует о необходимости замены патрона. Патрон также может включать барьерный фильтр и нагреватель, установленный на поверхность внешней емкости. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Патрон для использования в системе очистки воды с нагреваемым патроном, содержащий внешнюю емкость, имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, причем открытый верхний конец приспособлен для плотного сцепления с насадкой системы очистки воды с нагреваемым патроном, внутреннюю емкость, имеющую закрытое основание, верхний конец, имеющий, по меньшей мере, один проем для протекания очищаемой воды во внутреннюю емкость, и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, снабженные, по меньшей мере, одним отверстием для протекания воды, находящейся во внутренней емкости, из внутренней емкости, причем между отверстием и основанием внутренней емкости образована зона осаждения частиц, при этом внутренняя емкость закреплена внутри внешней емкости в положении, обеспечивающем образование зазора между стенками внешней емкости и стенками внутренней емкости, а также зазора между основанием внешней емкости и основанием внутренней емкости, и трубку для выпуска очищенной воды, расположенную с возможностью приема воды из зазора между верхним концом внешней емкости и верхним концом внутренней емкости, при этом вода, вытекающая из отверстия внутренней емкости, может вытекать из патронного устройства через трубку для выпуска очищенной воды тем самым образуя путь очищенной воды через патронное устройство.2. Патрон по п.1, дополнительно содержащий, по меньшей мере, одну промежуточную емкость, расположенную между внешней емкостью и внутренней емкостью и имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между концом основания и верхним концом, причем вода протекает по пути течения воды через одно или несколько отверстий в стенках промежуточной емкости или через верхний конец промежуточной емкости.3. Патрон по п.2, содержащий пару промежуточных емкостей, включающих первую промежуточную емкость, расположенную внутри второй промежуточной емкости и закрепленную внутри второй промежуточной емкости в положении, обеспечивающем образование зазора между стенками первой промежуточной емкости и стенками второй промежуточной емкости, а также зазора между основанием первой промежуточной емкости и основанием второй промежуточной емкости.4. Патрон по п.3, в котором верхний конец первой промежуточной емкости расположен ниже верхнего конца внутренней емкости и ниже верхнего конца второй промежуточной емкости и имеет обод для перетекания воды по пути течения.5. Патрон по п.4, в котором вертикальные стенки второй промежуточной емкости снабжены, по меньшей мере, одним отверстием для протекания воды по пути течения.6. Патрон по п.5, в котором стенки внутренней емкости и стенки второй промежуточной емкости содержат два или несколько отверстий, которые приблизительно ограничивают плоскую верхнюю границу зоны осаждения частиц.7. Патрон по п.3, в котором вертикальные стенки внутренней емкости и вертикальные стенки промежуточной емкости, по существу, образуют цилиндр и эти цилиндры расположены концентрично.8. Патрон по п.1, дополнительно содержащий нагреватель, установленный на внешней емкости.9. Патрон по п.8, в котором нагреватель расположен между основанием внешней емкости и основанием внутренней емкости или установлен на внешней поверхности основания внешней емкости.10. Патрон по п.1, в котором стенки внешней емкости, по существу, образуют цилиндр.11. Патрон по п.1, в котором внешняя емкость включает одну или несколько канавок, ориентированных, по существу, в осевом направлении и проходящих, по существу, на длину стенок между основанием и верхним концом внешней емкости.12. Патрон по п.1, дополнительно содержащий фильтр, расположенный между внешней емкостью и внутренней емкостью таким образом, что путь протекания воды проходит через этот фильтр.13. Патрон по п.1, в котором основание внешней емкости содержит круговую канавку, расположенную радиально вокруг центральной оси, перпендикулярной основанию внешней емкости.14. Патрон по п.1, в котором примерно 50% пути протекания воды проходят в направлении осаждения частиц в патроне под влиянием сил тяготения.15. Патрон для использования в системе очистки воды с нагреваемым патроном, содержащий внешнюю емкость, имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, причем открытый верхний конец приспособлен для плотного сцепления с насадкой системы очистки воды с нагреваемым патроном, внутреннюю емкость, имеющую закрытое основание, открытый верхний конец и вертикальные стенки, расположенные между основанием и верхним концом, и закрепленную внутри внешней емкости в положении, обеспечивающем образование зазора между стенками внешней емкости и стенками внутренней емкости, а также зазора между основанием внешней емкости и основанием внутренней емкости, причем между основанием внутренней емкости и основанием внешней емкости образована зона осаждения частиц, одну или несколько внешних направляющих перегородок, расположенных в зазоре между стенками внешней емкости и стенками внутренней емкости и ограничивающих путь протекания воды таким образом, что, когда неочищенная вода попадает в патрон через подающую трубку для впуска, неочищенная вода протекает между стенкой внешней емкости и, по меньшей мере, одной из направляющих перегородок по направлению к зоне осаждения частиц, а потом проходит между, по меньшей мере, одной из направляющих перегородок и стенкой внутренней емкости, и трубку для выпуска очищенной воды, расположенную с возможностью приема воды из верхнего конца внутренней емкости, при этом вода, вытекающая из внутренней емкости, может вытекать из патронного устройства через трубку для выпуска очищенной воды, тем самым образуя путь протекания воды через патронное устройство.16. Патрон по п.15, дополнительно содержащий одну или несколько внутренних направляющих перегородок, закрепленных внутри внутренней емкости и расположенных таким образом, что удлиняют путь протекания воды между открытым концом внутренней емкости и трубкой для выпуска очищенной воды.17. Патрон по п.15, в котором вертикальные стенки внутренней емкости и вертикальные стенки промежуточной емкости, по существу, образуют цилиндр, и эти цилиндры расположены концентрично.18. Патрон по п.15, дополнительно содержащий нагреватель, установленный между стенками внешней емкости и, по меньшей мере, одной из внешних направляющих перегородок.19. Способ очистки воды, заключающийся в том, что используют патрон по любому из пп.1-14, вводят воду, по меньшей мере, в один проем верхнего конца внутренней емкости, нагревают воду во внутренней емкости для снижения жесткости воды путем разложения бикарбонатов с оседанием частиц, собирают, по меньшей мере, некоторые из оседающих частиц в зоне осаждения, отделяют частицы от нагретой воды для получения очищенной воды и выпускают очищенную воду из трубки для выпуска очищенной воды.20. Способ очистки воды, заключающийся в том, что используют патрон по любому из пп.15-18, вводят воду в верхний конец внешней емкости, нагревают воду во внешней емкости для уменьшения жесткости воды путем разложения бикарбонатов с оседанием частиц, собирают, по меньшей мере, некоторые из оседающих частиц в зоне осаждения, отделяют частицы от нагретой воды для получения очищенной воды и выпускают очищенную воду из трубки для выпуска очищенной воды.21. Система очистки воды, содержащая корпус, имеющий насадку, соединение для впускаемой воды и соединение для выпускаемой воды и патрон по любому из пп.1-18, в котором трубка для выпуска очищенной воды сообщена посредством текучей среды с соединением для выпускаемой воды, имеющимся в насадке.22. Система очистки воды по п.21, дополнительно содержащая средство регулирования уровня для поддержания уровня воды в патроне.