1、引言

随着人们对生活饮用水质量要求的提高，中国家庭对净水器的需求越来越多，反渗透净水器因其优良的过滤和净化效果，备受消费者青睐。然而反渗透净水器部分传统设计方法带来的不利因素，也正制约着净水器的进一步发展。如其核心的过滤系统，由多种滤芯（多达五级）组成，各级滤芯的使用寿命不同，用户在使用过程中需要频繁换芯，且很容易换错。另外，净水器内部涉水零件都是通过水管和接头来连接的，结构复杂，漏水点多，为生产和维护带来不便，机器成本较高。产生这些问题的主要原因是机器大多数部件都采用简单的水管连接方式，零件过于分散，没有整合优化。我们可以利用集成设计理念对传统净水器进行重新设计。比如：滤芯方面，在满足过滤功能的前提下，将多级滤芯集成在一起，形成一根集成复合滤芯；在水路连接方面，可以将分散的零件优化整合，集中在一块水路板上，去掉多余的水管和接头。

2、集成滤芯设计

传统反渗透净水器有五级过滤单元，它们分别为：粗过滤PP棉滤芯——可有效截留水中悬浮物、泥沙、铁锈、胶体等固体杂质；压缩活性碳滤芯——可以有效去除水中余氯、有机物、异味、异色等物质；精过滤PP棉滤芯——可进一步截留水中较小粒径的颗粒（如碳粉等）、悬浮物等；反渗透（RO）膜滤芯——可截留水中重金属离子、细菌、病毒、农药残留物等有害物质；后置颗粒活性炭滤芯——可去除异味、改善口感[1]。粗过滤PP棉、活性碳棒和精过滤PP棉统称为预处理滤芯，后置颗粒活性炭一般称为后处理滤芯。反渗透净水器一般水路原理如图1所示，不同功能滤芯的组合，可形成不同的集成方法，如：预处理滤芯集成，预处理与后处理滤芯集成，预处理、后处理与反渗透（RO）膜集成等。在生产过程中，可以根据实际设计需求，选择不同的集成滤芯。

图1 反渗透净水器水路原理图

2.1 预处理滤芯集成

预处理滤芯利用结构组合的方式集成，预处理滤芯一般由三支组成，每支滤芯都是中空的圆筒形，用直径大的圆筒套直径小的圆筒，粗PP棉置于最外层，活性碳棒置于中间层，精PP棉置于最里层，形成一根具有三层过滤功能的集成滤芯。通过每层过滤孔径的合理设计提高过滤效果，即由外层向里层，过滤孔径逐渐由大变小，过滤精度由低到高，结构剖视如图2所示。最外层PP棉还可以设计成拆叠状，增加与水接触的表面积，提高滤芯纳污能力，这样集成滤芯的使用寿命能进一步延长，结构剖视如图3所示。

图2 预处理集成滤芯

图3 折叠集成滤芯

此外，预处理滤芯还可利用新吸附材料碳纤维来实现。碳纤维是通过原材料放丝和碳化而来的，80%的碳原子位于内外表面，构筑成独特的吸附结构，不仅具有碳材料固有的吸附特性，还具备纺织纤维的柔软可加工性[2]。根据过滤功能的需要，用碳纤维配合不同过滤精度PP材质的无纺布，其最外层无纺布用低过滤精度，最里层无纺布用高过滤精度，并在两者中间放置碳纤维，最后卷制成圆柱状，形成一支预处理集成滤芯。新吸附材料，不但过滤效果好，而且集成滤芯尺寸紧凑，结构示意如图4所示。

图4 碳纤维集成滤芯

2.2 预处理滤芯和后处理滤芯的集成

在预处理集成滤芯的基础上，进一步集成后置颗粒活性炭滤芯，形成具有预处理和后处理功能的集成滤芯。前处理滤芯与后处理滤芯在形式上是串联的。如图5所示，原水从预处理集成滤芯侧面进入，过滤的水在外中心管与内中心管夹层中流出，进入RO膜滤芯（此图不包含膜滤芯）。RO膜出来的水从后处理滤芯端面进入，经活性炭过滤后进入内中心管，内中心管套在外中心管内，最终净化的水从滤芯内中心管流出。两种滤芯在结构上设计成一体，形成一支集成滤芯，但是在水路上是独立的两个过滤单元，互不窜水，对各个密封部位的要求较高。

图5 集成滤芯

2.3 预处理和后处理滤芯与反渗透（RO）膜的集成

通过水路和结构的优化设计，把反渗透净水器所有过滤单元集成为一支复合滤芯，这种集成有多种实现方案，本文介绍了两种方法，一种是圆形集成复合滤芯，预处理集成滤芯置于反渗透膜外侧，在其中一端连接后处理滤芯，形成一个集成复合滤芯，结构示意如图6所示。原水从预处理集成滤芯侧面进入，过滤后的水直接到达反渗透（RO）膜的外侧，经过反渗透膜过滤后形成两路水，一路是纯水，从膜中心管出来，到后处理滤芯的端部，经过后置活性炭过滤后，再从后置中心管出来；另一路是废水，直接从反渗透膜的端部流出。

图6 圆形集成复合滤芯

另一种是扁形集成复合滤芯，其设计思想是把传统滤芯圆柱形变成椭圆形结构，起到减薄机器厚度的效果，结构示意如图7所示。反渗透膜的中心管是椭圆状的，内有两个圆孔，分别放置前处理集成滤芯和后处理滤芯，反渗透膜卷制在椭圆中心管的外侧。原水从内部带有管路的膜端盖进到预处理集成滤芯，过滤后的水通过膜端盖水路进入膜滤芯，反渗透膜进行过滤后分成两路水，一路是纯水，直接进入膜中心管内部的后处理滤芯，经活性炭过滤后，从后置中心管出来；另一路是废水，直接从反渗透膜的外侧面流出。

图7 扁形集成复合滤芯

集成复合滤芯的两种设计方法，都能实现传统五级滤芯的过滤功能，两种结构滤芯使用场景略有不同，可以根据实际产品的需要进行选择。圆形集成复合滤芯，滤芯流量大，外径粗，机器较厚，安装受限制，一般适用于小流量机器；扁形集成复合滤芯，流量大对机器厚度影响较小，适用大流量机器。

3、集成水路设计方法

集成水路设计旨在化繁为简，将复杂的管线、接头等都剔除，通过一块水路板代替复杂的水管，将大多数通水零件集成在一起，以实现水路连通功能。集成水路常用的技术有热板焊接和模具抽芯整体成型。

热板焊接技术是通过金属热板直接对塑料板焊接面加热，达到一定的熔化后，退出热板，再将两个塑板件合拢保压冷却，焊接成一体，最终形成带有水道的集成水路板[3]。水路根据设计要求布置在一块或多块塑料板上，利用塑料板的双层或多层焊接功能，实现不同复杂程度的集成水路。集成水路的成型材质是可塑性非结晶性塑料，如PP、PE、ABS等。该技术在设备和焊接工艺上都需要很大的投入，前期成本相对较高。

模具抽芯整体成型技术是利用模具芯杆抽出后形成孔道，纵横排布的孔道形成相互关联的集成水路。在塑料件上进行水路布置设计，连接的孔口位于塑料件的六个面上，芯杆抽出留下的孔，一部分作为固定部件用的连接孔，另一部分不需要的孔就作为工艺孔用堵头封死，这样就形成一块集成水路板。由于受模具结构的影响，抽芯不会太复杂，形成的水路也相对简单。这种模具抽芯整体成型，没有焊接工艺，对成型材质没有特别要求，一般能注塑的材料都可以用，涉水件常用材质是PP塑料。这项技术不需要额外投入焊接设备，成本较低，能满足一般集成水路功能。

4、集成设计与传统设计效果对比

净水器采用集成设计后，在产品性能，生产制造、售后维护和用户体验方面都有很大的改进和提高，具体效果对比如表1所示。

5、总结

集成滤芯和集成水路是净水器在设计上的创新，是对传统设计的颠覆。集成滤芯设计，滤芯数量少，换芯时间成倍缩减，使用成本相对降低，给用户带来了更好的使用体验。集成水路的设计，删繁就简，漏水点少，可靠性高，成本较低。经过产品实践，该集成技术可以在净水器设计中大力推广和应用。

参考文献

[1] 金明柏. 水处理系统设计实务[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010,290-298．

[2] 贺福. 碳纤维及石墨纤维[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010, 35-38．

[3] 格雷瓦尔（美）主编, 李晓林, 王益庆等译. 塑料及其共混物焊接[M],北京: 化学工业出版社, 2006, 72-75．

来源：《家电科技》2019第一期