净水器的泵控制的装置

刘磊

摘要：随着国民经济的快速发展，人们的生活水平得到了显著的提高。随之而来的是越来越严峻的环境问题。水是生命之源，与我们的生活息息相关，越来越多的人开始关注饮用水的安全问题。

关键词：净水器；增压泵；控制方式；水路

通过设计新型增压泵以及水路原理图实现流量可调的功能。同时在水路中布置一个流量传感器，对增压泵的性能衰减补偿，防止消费者在使用过程中，净水器制水流量偏低。从而使整个净水器在制水过程中性能稳定，噪音低，寿命长。

一、概述

我国随着人们对饮用安全的日益关注，家用净水器作为一种新兴的电器产品正逐步进入广大消费者的家中。作为净水器的核心零部件，增压泵具有自吸和增压功能，为净水器通过反渗透膜净化水这一过程提供恰当的水压和水流量，最终使净水器实现过滤出纯净水的目的。反渗透膜孔径为1×10-10m，而水分子的直径是4×10-10m，所以一般来说反渗透净水器都需要有一个增压泵，来把水分子挤到膜的另一面。目前，市面上现在净水器里增压泵，一般都是用的直流有刷电机增压泵，其主要结构由有刷电机与泵体两部分组成，其电机里碳刷与换向器接触易产生火花，同时碳刷容易磨损，噪音大，影响整机的噪音，导致EMC问题，并随着使用频率增加，碳粉沉积，对净水器处于易爆气体的空间，则不适用；直流有刷电机增压泵，输出功率与外形尺寸之比没有无刷电机高，同时体积大，限制了净水器往小型化发展，对其用在母婴房，以及易爆粉尘环境里的净水器，有刷电机增压泵就体现出不足。同时，直流电机增压泵随着使用时间的增加，流量会有衰减，不能根据净水器出水自动调控转速。所以解决增压泵噪音，体积以及性能衰减问题将会大大满足用户对净水器的需求。

二、带一体化铁壳的无刷电机增压泵设计

1.电机其泵体结构设计。此技术有别于市场上的直流有刷电机增压泵，通过把电机铁壳做成一体式，可以去掉普通直流电机的后盖，减少工艺工序，降低成本，同时，又能保证轴承与铁壳的同心度，降低机械噪音；其次，由于无刷电机输出功率与外形尺寸之比高，效率高，同时振动又比普通的直流有刷电机小，所以支座采用单孔固定在整机上，并焊接其支座在电机的中间面位置，大大方便增压泵在整机里的安装，适合整机不同的设计要求，利于超薄小型化净水器的发展。经过试验，例如水泵的尺寸OD36mm*L 110mm*H 57mm，当输入电压为12-24V时，工况即额定工作点（0.2Mpa进水压，0.5Mpa出水压）时，转速范围1200-1400rpm，电流≤1.5A，最大输入功率范围18-36W，流量≥550ml/min&噪音≤40dB（A）；6根原子线：红线接“+”，绿线是速度信号控制输出，黄线是CW/CCW转向控制，黑线接“-”，蓝线是PWM速度控制，白线是制动。同时，泵体的偏心轮，采用3.5度的设计，底面到中心高度18MM，增加膜片的摆动幅度，即增加自吸能力和流量。

2.增压泵工作原理。RO净水器在制水时，增压泵开始工作，其通过电机转子的转动，带动泵体中偏心轮的摆动，将电机的旋转运动转化为偏心轮的往复运动，同时偏心轮又与隔膜片相连，也带动膜片往复运动，致使隔膜腔体容积在不断变化，从而实现增压排水的效果。

三、净水器制水控制系统设计

当打开机器时，自来水进入净水器，经过前置PP棉过滤，进水电磁阀，然后自来水经过增压泵加压进入活性碳滤芯，及RO膜滤芯，纯水通过逆止阀，进入除异味，改善口感的后置活性碳滤芯，最后从水龙头流出消费者感知的纯净水。其中在水龙头中安置一个流量传感器，当净水器的制水通量变少时，可以感应纯水的流量，以致反馈给控制器，由控制器再把信号反馈给直流无刷增压泵，从而调控电机转速，使出水流量到达平衡并提高制水流量，补偿机器在长时间运转中的损耗。同时，从RO膜滤芯出来的废水，通过冲洗阀的控制，调控RO膜前压力，保证适当的渗透压力，使制水系统维持平衡。

四、净水器的设计原理

1. 涡流反应原理。加药后水流先沿切线进入本设备底部的涡流反应器内，在涡流反应器中呈螺旋线上升。在涡流反应器中，粗细颗粒相互接触碰撞，不断旋转翻滚上升，由快到慢，类似反应池中的先快后慢的规律，有利于絮体的成长壮大。从涡流反应器出来，水流面积迅速扩大，流速大幅度降低，个别大的颗粒开始下沉，由于水流的惯性作用，不可能在涡流反应器内沉淀，即使在涡流反应器内沉淀，也会和下面上来的细颗粒再次接触吸附絮集在一起，形成更大的絮体而上升，只要进水不断，则这个过程就不断被重复。

2.竖板沉降原理。这个原理的设计来源于国外氧化铝行业高效沉降槽的启发。国外那些高效沉降槽都是瘦而高的形状，高度与直径比很大，沉淀效果确实好。在高效净水器中安装了细而密的竖向隔板，竖向隔板把圆柱体部分隔分成许多细而长的竖向通道，水流通过竖向隔板上升时，相当于通过许多“高度与直径比很大”的“微型高效沉降槽”，同时，在隔板内，限制了水流的运动轨迹，稳定了水流，Re 处于层流状态，稍大一点的颗粒在重力作用下开始逆水流方向而下降，稍小稍轻的颗粒继续随水流上升，还有一部分不上不下悬浮在水中。在此过程中，有的颗粒相互碰撞接触吸附形成大一点的颗粒。另外根据混凝动力学的解释：凝聚后絮体的成长速度与水中的颗粒浓度的平方成正比，安装竖向隔板相当于间接地在水中增加了颗粒的浓度，增加了接触碰撞吸附的机率。生产实践证明，在竖板区域内，沉淀效率很高。

3.高浓度污泥悬浮层。这个高浓度污泥悬浮层的设计来源于机械加速澄清池，不过，在机械加速澄清池内的高浓度污泥悬浮层是靠污泥回流来实现的，本装置的高浓度污泥悬浮层是靠纤维过滤层控制竖板沉降区的污泥濃度而形成的。试验中发现，纤维层的下面沉积了厚约10 mm 污泥，说明在过滤过程中，有大量的污泥被截留到纤维过滤层以下，正是这种拦截、阻挡，使相当细的污泥颗粒、絮体滞留在竖板区内，不断积累变浓，就在竖板区内形成了高浓度污泥层。并非真正的污泥层的高度，在运转过程中，也许污泥层上限在竖板内，也许不在。污泥层的高度、浓度取决于具体的水处理对象的性质，取决于运行过程中的控制参数，如上升流速、过滤周期等。一般来讲，随着运行时间的延长，过滤周期加长，悬浮层高度上升，浓度增大；反之，则悬浮层低、稀、薄。悬浮层的出现对固液分离是很理想的手段。悬浮层像一层厚厚的海绵一样，广泛的、全面的吸附、拦截陆续上来的水中细小絮体颗粒，颗粒变大后，自动在重力作用下下降，下降至污泥压缩层。整个污泥层浓度自动平衡，高度自动移动。不存在反洗，不存在堵塞，效率很高，效果很好。在这种高效净水器中形成污泥悬浮层是相对容易的，因为所有的细小颗粒在进入纤维过滤层前被拦截，在纤维层的外表面会形成一层细密污泥层，这个污泥层随着时间的延长会向下延伸，这时高浓度污泥悬浮层就算形成了。只有纤维层被污泥堵塞，水流在纤维层的过滤水头不断上升而超过设计水头时，纤维层需要反洗，才会停止运行，开始反洗。反洗时也是在纤维层下面设排水口，尽量不影响高浓度污泥悬浮层。这个特点是其它水处理单元中所没有的。

4.可调密度纤维过滤层。纤维过滤的优势是孔隙率大、纳污能力强、过滤速度快，遇到的最大问题就是反洗不彻底、反洗时间长。本装置设计纤维过滤层密度可调，纤维层夹在两个网板之间，其中一个网板是固定的，另一个网板是活动的。过滤时，通过压缩活动板压紧纤维，使纤维密度增大过滤精度提高；反洗时，放松活动板，使纤维处于膨胀状态，密度下降，孔隙率变大，容易反洗彻底。这个特点目前在市场上的纤维过滤器中还没有见到过。

增压泵以及水系统的测试，该新型的增压泵结构设计和水系统控制，可以有效的提升净水器的出水流量，提高净水器的可靠性，满足用户用水需求。

参考文献：

[1]沈钧.净水器增压泵结构设计与水系统优化.2016.

[2]赵晓燕，家用净水器关键技术及未来发展趋势.2016.