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1、引言

隨著人們對生活飲用水質量要求的提高，中國家庭對凈水器的需求越來越多，反滲透凈水器因其優良的過濾和凈化效果，備受消費者青睞。然而反滲透凈水器部分傳統設計方法帶來的不利因素，也正制約著凈水器的進一步發展。如其核心的過濾系統，由多種濾芯（多達五級）組成，各級濾芯的使用壽命不同，用戶在使用過程中需要頻繁換芯，且很容易換錯。另外，凈水器內部涉水零件都是通過水管和接頭來連接的，結構復雜，漏水點多，為生產和維護帶來不便，機器成本較高。產生這些問題的主要原因是機器大多數部件都采用簡單的水管連接方式，零件過于分散，沒有整合優化。我們可以利用集成設計理念對傳統凈水器進行重新設計。比如：濾芯方面，在滿足過濾功能的前提下，將多級濾芯集成在一起，形成一根集成復合濾芯；在水路連接方面，可以將分散的零件優化整合，集中在一塊水路板上，去掉多余的水管和接頭。

2、集成濾芯設計

傳統反滲透凈水器有五級過濾單元，它們分別為：粗過濾PP棉濾芯——可有效截留水中懸浮物、泥沙、鐵銹、膠體等固體雜質；壓縮活性碳濾芯——可以有效去除水中余氯、有機物、異味、異色等物質；精過濾PP棉濾芯——可進一步截留水中較小粒徑的顆粒（如碳粉等）、懸浮物等；反滲透（RO）膜濾芯——可截留水中重金屬離子、細菌、病毒、農藥殘留物等有害物質；后置顆粒活性炭濾芯——可去除異味、改善口感[1]。粗過濾PP棉、活性碳棒和精過濾PP棉統稱為預處理濾芯，后置顆粒活性炭一般稱為后處理濾芯。反滲透凈水器一般水路原理如圖1所示，不同功能濾芯的組合，可形成不同的集成方法，如：預處理濾芯集成，預處理與后處理濾芯集成，預處理、后處理與反滲透（RO）膜集成等。在生產過程中，可以根據實際設計需求，選擇不同的集成濾芯。

圖1 反滲透凈水器水路原理圖

2.1 預處理濾芯集成

預處理濾芯利用結構組合的方式集成，預處理濾芯一般由三支組成，每支濾芯都是中空的圓筒形，用直徑大的圓筒套直徑小的圓筒，粗PP棉置于最外層，活性碳棒置于中間層，精PP棉置于最里層，形成一根具有三層過濾功能的集成濾芯。通過每層過濾孔徑的合理設計提高過濾效果，即由外層向里層，過濾孔徑逐漸由大變小，過濾精度由低到高，結構剖視如圖2所示。最外層PP棉還可以設計成拆疊狀，增加與水接觸的表面積，提高濾芯納污能力，這樣集成濾芯的使用壽命能進一步延長，結構剖視如圖3所示。

圖2 預處理集成濾芯

圖3 折疊集成濾芯

此外，預處理濾芯還可利用新吸附材料碳纖維來實現。碳纖維是通過原材料放絲和碳化而來的，80%的碳原子位于內外表面，構筑成獨特的吸附結構，不僅具有碳材料固有的吸附特性，還具備紡織纖維的柔軟可加工性[2]。根據過濾功能的需要，用碳纖維配合不同過濾精度PP材質的無紡布，其最外層無紡布用低過濾精度，最里層無紡布用高過濾精度，并在兩者中間放置碳纖維，最后卷制成圓柱狀，形成一支預處理集成濾芯。新吸附材料，不但過濾效果好，而且集成濾芯尺寸緊湊，結構示意如圖4所示。

圖4 碳纖維集成濾芯

2.2 預處理濾芯和后處理濾芯的集成

在預處理集成濾芯的基礎上，進一步集成后置顆粒活性炭濾芯，形成具有預處理和后處理功能的集成濾芯。前處理濾芯與后處理濾芯在形式上是串聯的。如圖5所示，原水從預處理集成濾芯側面進入，過濾的水在外中心管與內中心管夾層中流出，進入RO膜濾芯（此圖不包含膜濾芯）。RO膜出來的水從后處理濾芯端面進入，經活性炭過濾后進入內中心管，內中心管套在外中心管內，最終凈化的水從濾芯內中心管流出。兩種濾芯在結構上設計成一體，形成一支集成濾芯，但是在水路上是獨立的兩個過濾單元，互不竄水，對各個密封部位的要求較高。

圖5 集成濾芯

2.3 預處理和后處理濾芯與反滲透（RO）膜的集成

通過水路和結構的優化設計，把反滲透凈水器所有過濾單元集成為一支復合濾芯，這種集成有多種實現方案，本文介紹了兩種方法，一種是圓形集成復合濾芯，預處理集成濾芯置于反滲透膜外側，在其中一端連接后處理濾芯，形成一個集成復合濾芯，結構示意如圖6所示。原水從預處理集成濾芯側面進入，過濾后的水直接到達反滲透（RO）膜的外側，經過反滲透膜過濾后形成兩路水，一路是純水，從膜中心管出來，到后處理濾芯的端部，經過后置活性炭過濾后，再從后置中心管出來；另一路是廢水，直接從反滲透膜的端部流出。

圖6 圓形集成復合濾芯

另一種是扁形集成復合濾芯，其設計思想是把傳統濾芯圓柱形變成橢圓形結構，起到減薄機器厚度的效果，結構示意如圖7所示。反滲透膜的中心管是橢圓狀的，內有兩個圓孔，分別放置前處理集成濾芯和后處理濾芯，反滲透膜卷制在橢圓中心管的外側。原水從內部帶有管路的膜端蓋進到預處理集成濾芯，過濾后的水通過膜端蓋水路進入膜濾芯，反滲透膜進行過濾后分成兩路水，一路是純水，直接進入膜中心管內部的后處理濾芯，經活性炭過濾后，從后置中心管出來；另一路是廢水，直接從反滲透膜的外側面流出。

圖7 扁形集成復合濾芯

集成復合濾芯的兩種設計方法，都能實現傳統五級濾芯的過濾功能，兩種結構濾芯使用場景略有不同，可以根據實際產品的需要進行選擇。圓形集成復合濾芯，濾芯流量大，外徑粗，機器較厚，安裝受限制，一般適用于小流量機器；扁形集成復合濾芯，流量大對機器厚度影響較小，適用大流量機器。

3、集成水路設計方法

集成水路設計旨在化繁為簡，將復雜的管線、接頭等都剔除，通過一塊水路板代替復雜的水管，將大多數通水零件集成在一起，以實現水路連通功能。集成水路常用的技術有熱板焊接和模具抽芯整體成型。

熱板焊接技術是通過金屬熱板直接對塑料板焊接面加熱，達到一定的熔化后，退出熱板，再將兩個塑板件合攏保壓冷卻，焊接成一體，最終形成帶有水道的集成水路板[3]。水路根據設計要求布置在一塊或多塊塑料板上，利用塑料板的雙層或多層焊接功能，實現不同復雜程度的集成水路。集成水路的成型材質是可塑性非結晶性塑料，如PP、PE、ABS等。該技術在設備和焊接工藝上都需要很大的投入，前期成本相對較高。

模具抽芯整體成型技術是利用模具芯桿抽出后形成孔道，縱橫排布的孔道形成相互關聯的集成水路。在塑料件上進行水路布置設計，連接的孔口位于塑料件的六個面上，芯桿抽出留下的孔，一部分作為固定部件用的連接孔，另一部分不需要的孔就作為工藝孔用堵頭封死，這樣就形成一塊集成水路板。由于受模具結構的影響，抽芯不會太復雜，形成的水路也相對簡單。這種模具抽芯整體成型，沒有焊接工藝，對成型材質沒有特別要求，一般能注塑的材料都可以用，涉水件常用材質是PP塑料。這項技術不需要額外投入焊接設備，成本較低，能滿足一般集成水路功能。

4、集成設計與傳統設計效果對比

凈水器采用集成設計后，在產品性能，生產制造、售后維護和用戶體驗方面都有很大的改進和提高，具體效果對比如表1所示。

5、總結

集成濾芯和集成水路是凈水器在設計上的創新，是對傳統設計的顛覆。集成濾芯設計，濾芯數量少，換芯時間成倍縮減，使用成本相對降低，給用戶帶來了更好的使用體驗。集成水路的設計，刪繁就簡，漏水點少，可靠性高，成本較低。經過產品實踐，該集成技術可以在凈水器設計中大力推廣和應用。

參考文獻

[1] 金明柏. 水處理系統設計實務[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010,290-298．

[2] 賀福. 碳纖維及石墨纖維[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010, 35-38．

[3] 格雷瓦爾（美）主編, 李曉林, 王益慶等譯. 塑料及其共混物焊接[M],北京: 化學工業出版社, 2006, 72-75．

來源：《家電科技》2019第一期