基于卷材自驱动的可视化过滤器的绿色应用及展望

高巳淇，马诗敏，李文菲，王子建，崔艺馨

1.吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长春 130000

2.吉林大学管理学院，吉林 长春 130000

3.吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林 长春 130000

4.吉林大学交通学院，吉林 长春 130000

1 研究背景

1.1 过滤器的广泛应用

随着国民经济的快速增长，国民消费水平逐渐提高，人们逐渐开始追求高品质、健康的生活方式。空调、净水器、家用新风系统等以过滤装置为核心的部件装置在大众生活中的应用也越来越广泛，而过滤器便是过滤装置中的最主要部分。在工业生产中，过滤流程也是生产过程中重要的一环，直接关系到生产质量与生产效率[1]。

过滤器对于追求品质的现代社会而言已经是不可或缺的一部分，其承担了生产、生活中重要的使命。可以预见，未来市场对高质量、高效率的过滤器的需求量将逐步上升，对过滤效果及功能的要求也将趋于严格，过滤器的应用也将越来越广泛。

1.2 过滤器现存问题

虽然在各个领域应用的过滤器基本原理一致，但鉴于工业过滤器较为复杂多样，因此着重对市面上现有的家用过滤器存在的结构问题进行了分析。

（1）过滤器大多采用层层过滤的方式，通过流体流过多层滤材逐步过滤流体中杂质，流体流动速度慢，过滤效率低。此外，过滤器内外层使用不均，外层滤纸易使用过度，无法保证过滤质量，而内层使用率低，浪费滤材。过滤器使用寿命周期短，需经常更换。

（2）多数过滤器产品的说明书未标注使用寿命，且过滤器在结构体内部，无法明确清晰地观察到滤材使用情况，易造成过滤器过度使用。过滤器过度使用后会将之前吸附的有机物、杂质和细菌重新释放到水中，进而二次污染流体，使得过滤质量下降[2]。

（3）过滤器更换麻烦，一般使用者无法直接更换，需要请专业人士进行更换，并支付相关费用，增加了过滤装置的使用成本，普通消费者难以接受。

类比家用过滤器，发现工业用过滤器或多或少也会存在上述问题。长久以来，以上几种问题严重地困扰着过滤器的使用者。

2 设计方案

2.1 流体驱动过滤器自卷

过滤器分为正、副卷。正卷是滤材的存储区，也是进流体过滤的主要区域，副卷是存储已经失去效用滤材的区域，正、副卷起初由滤材连接，如图1所示。过滤器工作时，加压后的流体通过过滤器正卷滤材过滤杂质，并在出水口处驱动出水口叶轮转动（叶轮上连接流体流量表记录流体流过流量），通过叶轮和轮之间的传动带动副卷转动，实现无能耗滤材自卷。

图1 流体驱动自卷图示

2.2 过滤器使用度可视化

此创新是在正卷所对的箱体设计透明可视窗口，同时在滤材上标注线性特殊标识。滤材剩10层时标识呈红色（10层滤材为过滤器保持高效过滤的最少层数），提醒使用者在过滤器过度使用之前及时更换过滤器，防止流体过滤质量下降后流体内杂质磨损机器。

2.3 过滤装置模块化

该过滤器采用模块化设计，将过滤过程与其他过程分离，更换滤材时无须完全更换原有设施，仅需在滤材放置处更换即可。此设计大幅度降低了大型机械更换滤材时的安全风险，简便快捷的更换方式也省去了人工费等更换成本。

2.4 气泵增压

气泵安装在正卷附近箱体上，与箱体外部的测压表连接，并设有进出气口，正常使用时进出气口紧闭。气泵通过增大过滤器内部压力来提高流体过滤速度。使用者使用时通过测压表可以观察到气泵所加压力，压力不足或过大时，使用者可通过进气口用气筒等来调节压力大小。

3 对比分析

此产品本着节能环保的理念，在传统过滤方式上进行创新，降低了过滤成本，提高生活质量与生产效率，满足了社会生产生活的需要，为消费者提供了更加方便快捷的实用服务，该产品与传统过滤器的对比分析如表1所示。

表1 对比分析

4 推广价值

4.1 创新点

（1）技术创新。在设计正副卷结构的基础上，进行滤材线性标注，同时应用了涡轮结构实现流体驱动以及流体自驱动的方式，节能低耗。模型设计上也加入了Catia建模、3D打印等创新方式实现。

（2）模式创新。目前的过滤器产品更换周期难以确定，过早更换未充分利用过滤材料，过晚更换后期过滤效果欠佳，因而易造成不必要的损失。自卷过滤器根据转动周期具有相对固定的更换周期，避免了相关的损耗，以较为成熟的正负卷、涡轮等技术打开了过滤器结构与过滤模式的全新局面。

（3）应用创新。目前市场上的产品结构单一，利用率低，该产品通过自卷在提高过滤效率的同时，可以确定污染程度，从而发展多元化的应用场景。不仅适用于家电的过滤结构，还适用于工业生产领域，甚至可开发出新的应用场景，实现全程可视，为精确控制过滤提供可能。

4.2 推广价值

该高效自卷过滤器装置造价远低于市场同功能机械结构，且弥补了市场空白，其成本低廉、绿色安全、便捷，解决了现有过滤器效率低下、已产生浪费等问题，弥补了过滤效率低下带来的器械硬件损伤、资源浪费、环境污染等不足，具有很高的推广价值。产品一经推广运用，市场前景广阔，若能大批量生产及推广使用，所带来的社会效益、经济效益与环保效应不容小觑。

（1）适用价值。模块化设计成本可控，且能直接安装在原有的机械结构上，无须改装电路，环保便捷，节约资源，推广简单方便，并且也极大地降低了改装的安全风险以及更新成本，具有良好的环境效益。此外，该装置不仅可以作为简单过滤的中心过滤装置，还可以作为复杂过滤流程的中间结构。在逐级过滤的过程中，如果因为过滤器未及时更换，第一级过滤器被堵塞，大颗粒杂质部分会跟随原流体直接进入第二级过滤器，让本来不是负责过滤大颗粒杂质的过滤结构承担这部分杂质过滤，超负荷工作，导致排放不达标，会极快缩短其寿命，产生非必要的更替成本，最终导致整体过滤系统的损害与生活生产的负面结果。文章所提装置可以在一定程度上保护二级过滤结构，降低更换成本，减少杂质的排放量，提升过滤装置的工作及生产效率，为绿色生活、工业做出贡献。

（2）安全价值。现今，许多过滤器完全没有标注使用时长。即使标注了，由于家庭使用频率不同，使用者也无法真正完成按时更换与清理。在这种情况下，堵塞的过滤器不仅会使流体流量减小，同时，滤材上吸附大量的有机物，成为细菌滋生的温床。超过最大承载量的过滤器便无法继续吸附污染，甚至有可能因为积攒过量，而把污染物又返回流体中，使得过滤效果减弱，“纯净”程度降低，这时消费者如果还进行使用相关器械进行净化操作的话，可能会将一些有害物质吸入体内，危害身体健康[3]。该过滤器有可视化的透明窗口设计，不仅能保证过滤器被完全利用，还能够提醒使用者及时更换被污染的过滤器，从而保证净水器、空气净化器甚至是工业机械的安全、高效、绿色使用，具有极高的安全价值。

（3）节能减排价值。经过分析，相较于传统过滤器，高效自卷过滤器净化相同体积流体消耗的滤材将减少60%，极大地降低滤材的消耗量，减少滤材的浪费，避免过度使用，以实现节约能源的目标。该装置的自卷技术保证了过滤效率稳定高效，避免长时间使用时传统过滤器的过滤效率低下而造成的污染环境的问题。例如，汽油过滤器主要是用来过滤汽油中的杂质，避免杂质进入喷射阀和冷启动阀，保证流入燃油系统的汽油品质。在使用过滤器后期时，污染会越来越严重，可能会造成堵塞，导致汽车供油压力降低，供油不足，发动机功率下降，汽车出现启动困难、怠速抖动、加速无力等情况。另外，汽油过滤器堵塞，还会造成燃油雾化不良，导致混合气比例失调，燃烧不充分，释放出大量有害气体，污染环境。如利用高效自卷过滤器，可以保证过滤效率，确保流体的质量，以防止造成空气污染。

5 预期发展

目前过滤器市场上主要集中于材料方面进行创新，而鲜少在结构与模式上进行创新。该产品很好地弥补了这一空白。在产品的发展过程中，首先以家用的小型产品装置打入市场。在许多领域均可改用自卷过滤器来提高过滤质量，在日常生活中存在许多过滤器的使用场景，例如净水器、加湿器、空调等。其次，向工业的大规模装置进军。在医疗领域，各种抗生素等药液要求精度高，该装置可应用于前置过滤，且自卷过滤器替换周期可识别的优点保证了药品的质量。在化学领域，有机溶剂、酸、碱液等液体过滤以及一些特定气体的汽滤均可使用本装置。除此之外，在石油工业、电子工业、冶金行业、纺织行业等多领域均为自卷过滤器可待开发的使用市场，应用前景广阔，目标由小到大，逐步培养用户使用习惯，占领市场，提升产品知名度，进而提升企业经济效益。