水处理滤筒关闭阀的制作方法

专利名称：水处理滤筒关闭阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及水处理滤筒领域。更具体地讲，本发明涉及包括关闭阀的水处理滤筒领域，所述关闭阀用于阻止水流过该水处理滤筒。
背景技术：
水可包含许多不同种类的污染物，这些污染物包括例如颗粒、化学物质以及诸如细菌、病毒和原生动物的微生物体。在多种情况下，在水可被饮用之前，必须减小这些污染物的浓度，或者从水中完全去除这些污染物。
世界各地的水质差别很大。在美国和其它发达国家，饮用水典型地经过市政处理。处理时，在将水排到消费者住宅之前，从水中除去诸如悬浮固体、有机物质、重金属、氯、细菌、病毒和原生动物之类的污染物。然而，设备故障和/或基本设施损坏以及与水处理设施有关的其它问题，可导致污染物的去除不完全。
许多发展中国家没有水处理设施。因此，由于许多发展中国家人口密度不断增加、日益缺乏水源并且没有水处理设施，与受到污染的水接触已经导致了致命的后果。由于饮用水源普遍与人和动物的排泄物非常接近，因此微生物污染是影响健康的一个主要问题。
由于水中滋生微生物所产生的污染，估计每年会造成大约六百万人死亡，其中有一半是5岁以下的儿童。1987年，美国环境保护局(本文简称“EPA”)提出了“Guide Standard and Protocol for TestingMicrobiological Water Purifiers”。该指导标准和议定书为饮用水处理系统提供了指导方针和执行标准，所述饮用水处理系统设计用于在公用或家用供水系统中减少影响健康的特定污染物。要求从水处理系统流出的水显示具有99.99％(或相当于4log)的病毒清除率、99.9999％(或相当于6log)的细菌清除率和99.9％(或相当于3log)的原生动物(孢囊)清除率，才能够满足要求。
对于化学物质和颗粒(例如，氯、挥发性有机化合物、三卤甲烷、浑浊物等)的去除，EPA指导标准和议定书以及其它国家卫生基金会(本文简称“NSF”)测试标准要求，取决于寿命指示器的存在，水处理滤筒要测试到它们的额定容量(例如379L(100加仑))或稍微高些(例如454L(120加仑))。典型地预计，当水处理滤筒超过其额定容量使用时，水处理滤筒的性能将减弱，使得化学物质和微生物可流过水处理滤筒进入流出的水中。为了保护这些水处理滤筒的使用者免受损害，水处理滤筒的制造商典型地指示使用者在预定的时段和/或容量后丢弃该水处理滤筒。然而，基于消费者的通常习惯，预计此类指示将被忽视或不被注意，导致水处理滤筒的使用超过其额定时间和/或容量。因此，有必要向水处理滤筒的使用者提供在预定时段后至少基本上阻止水流过其中的水处理滤筒，以确保使用者遵守指示，从而确保使用者的安全和健康。
此外，由于上述与污水有关的健康问题(尤其是在发展中国家)，因此期望提供在污水突破流过水处理滤筒的指定流动通道后，至少基本上阻止水流过其中的水处理滤筒。换句话讲，从污水最初突破流过水处理滤筒的指定流动通道的时间算起，期望在较短的预定时段后至少基本上阻止水从中流过。
发明概述水处理滤筒可包括接收水进入水处理滤筒的入口、使水从水处理滤筒流出的出口、用于处理水的水处理材料和用于至少基本上阻止水流过水处理滤筒的关闭阀。关闭阀可包括伸缩块。伸缩块的至少一部分在接触水后会膨胀，使得在预定时段后，直接或间接地由于伸缩块的膨胀，关闭阀至少基本上阻止水流过水处理滤筒。阻止水流过水处理滤筒可能是不可逆的。
附图简述

图1是包括关闭阀的水处理滤筒的分解透视图。
图2是图1的水处理滤筒的侧正视图。
图3是图1的关闭阀的分解透视图。
图4是图1的水处理滤筒沿其线A-A截取的横截面侧视图。
图5是图4的水处理滤筒的关闭阀的一个可供选择的实施方案的横截面侧视图。
图6是图4的水处理滤筒的关闭阀的一个可供选择的实施方案的横截面侧视图。
图7是图4的水处理滤筒的横截面侧视图，其中确定关闭阀的方向使得它阻塞流通孔。
图8-A是图示说明约0.635cm(″)直径乘2.54cm(1″)的MH1657伸缩块的重量变化百分数和长度变化百分数的曲线图，其中所述伸缩块的所有侧面都与环境温度的去离子(本文简称“DI”)水接触(即非约束增长)。
图8-B是图示说明约0.635cm(″)直径乘2.54cm(1″)的MH1657伸缩块的重量变化百分数和长度变化百分数的曲线图，其中只有伸缩块的上表面与环境温度的去离子水接触，并且运动基本上限于一个方向(即，约束增长)。
图9是图示说明由于实施例1和2-2中所描述的伸缩块吸水和增长而导致阀门瞬时前进的曲线图。
图10是图示说明在23℃(73)和pH为4、7和10时，非约束的MH 1657伸缩块的重量变化百分数和长度变化百分数的曲线图。
图11-A是图示说明在23℃(73)和29℃(85)的水温时，由于约束的MH 1657伸缩块的吸水和增长而导致阀门瞬时前进的曲线图。
图11-B是图示说明在3℃(38)、23℃(73)和40℃(104)的水温时，非约束的MH 1657伸缩块的重量变化百分数的曲线图。
图12是图示说明在环境温度以及0Pa(0psig)和379kPa(55psig)的压力下，非约束的MH 1657伸缩块在水中的重量变化百分数和长度变化百分数的曲线图。
图13-A是图4的水处理滤筒的关闭阀的一个可供选择的实施方案的横截面侧视图。
图13-B是图4的水处理滤筒的关闭阀的一个可供选择的实施方案的横截面侧视图。
图14-A是图4的外壳顶部的一个可供选择的实施方案的横截面侧视图，其中所述顶部包括第二关闭阀，其中所述水处理滤筒与部分水处理装置未接合。
图14-B是图14-A的水处理滤筒的横截面侧视图，其中确定第二关闭阀的方向使得它阻塞流通孔，并且其中所述水处理滤筒被接合至部分水处理装置。
图15是图4的外壳顶部的一个可供选择的实施方案的横截面侧视图，其中所述顶部包括图14-A的关闭阀和第二关闭阀的一个可供选择的实施方案，其中所述水处理滤筒与部分水处理装置未接合。
发明详述本文所用短语“高度水可溶胀材料”是指在25℃和标准大气压下，用去离子水饱和后，在至少一个方向上的平衡长度变化为至少约5％的材料。高度水可溶胀材料的实施例包括，但不限于，水溶性聚合物、交联的水溶性聚合物、水凝胶、共聚物、粘土(例如膨润土)和木材。水溶性聚合物的实施例包括，但不限于，聚醚(例如聚环氧乙烷和聚乙二醇)、聚亚胺(例如聚环乙亚胺)、丙烯酸类聚合物(例如聚丙烯酸及其盐、聚甲基丙烯酸及其盐和聚丙烯酰胺)、纤维素(例如羟烷基纤维素、羟烷基烷基纤维素和羧甲基纤维素)、乙烯基聚合物(聚乙烯醇、聚乙烯胺和聚乙烯吡咯烷酮)、天然树胶和树脂(黄原胶和瓜耳胶)，以及淀粉和改性淀粉。水凝胶的实施例包括，但不限于，聚羟乙基异丁烯酸酯、聚乙二醇单甲基丙烯酸酯、交联聚丙烯酸、交联聚丙烯酸的钾盐或钠盐、聚丙烯酸-共-丙烯酰胺的钾盐、交联聚丙烯酸-接枝-聚环氧乙烷的钠盐、聚-2-羟乙基异丁烯酸酯、聚-2-羟丙基甲基丙烯酸酯、交联聚异丁烯-共-马来酸的钠盐等，以及超级吸收剂(例如交联的聚环氧乙烷)。共聚物的实施例包括，但不限于，嵌段共聚物(例如聚酰胺聚醚嵌段共聚物)、无规共聚物和接枝共聚物。
本文所用短语“水可溶胀材料”是指在25℃和标准大气压下，用去离子水饱和后，在至少一个方向上的平衡长度变化介于约0.5％和约5％之间的材料。水可溶胀材料的实施例包括，但不限于，某些聚酰胺、聚己内酰胺、尼龙6-6和尼龙4-6。
本文所用短语“水不可溶胀材料”是指在25℃和标准大气压下，用去离子水饱和后，在任何方向上的平衡长度变化均小于约0.5％的材料。水不可溶胀材料的实施例包括，但不限于，聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、苯乙烯类(例如聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯-ABS)、聚酯和聚碳酸酯。
本文所用术语“MV 1074”是指市售自ATOFINA Chemicals，Inc.，2000 Market Street，Philadelphia，PA，19103-3222，USA的聚月桂基内酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物PebaxMV 1074。
本文所用术语“MH 1657”是指市售自ATOFINA Chemicals，Inc.，2000 Market Street，Philadelphia，PA，19103-3222，USA的聚己内酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物PebaxMH 1657。
本文所用术语“MV 3000”是指市售自ATOFINA Chemicals，Inc.，2000 Market Street，Philadelphia，PA，19103-3222，USA的聚酰胺和聚醚的嵌段共聚物PebaxMV 3000。
本文所用短语“高度水可渗透材料”是指在90％相对湿度(本文简称“RH”)和38℃时，具有大于约600g·μm/m2·天的水气传输率(本文简称“MVTR”)的材料。高度水可渗透材料的实施例包括，但不限于，聚酰胺、聚酰胺与聚醚的嵌段共聚物、纤维素、聚苯乙烯、聚碳酸酯、多孔陶瓷、多孔金属和多孔聚合物。本文中，MVTR由ASTM F 1249-90标准测定。
本文所用短语“水可渗透材料”是指在90％RH和38℃时，具有介于约75g·μm/m2·天和约600g·μm/m2·天之间的MVTR的材料。水可渗透材料的实施例包括，但不限于，聚乙烯、聚丙烯、极性烯烃共聚物如乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(本文简称“EVA”)、乙烯-丙烯酸共聚物(本文简称“EAA”)、乙烯-甲基丙烯酸共聚物(本文简称“EMA”)、乙烯-乙烯醇共聚物(本文简称“EVOH”)。
本文所用短语“水不可渗透材料”是指在90％RH和38℃时，具有小于约75g·μm/m2·天的MVTR的材料。水不可渗透材料的实施例包括，但不限于，聚偏二氯乙烯(本文简称“PVDC”)、无孔陶瓷、无孔金属和金属化聚合物。
本文所用短语“增长”是指材料由于吸水而引起的瞬时几何形状变化。如果材料受到约束，使得增长基本上只发生在一个方向，那么可通过在不同时间在增长方向上测量的长度来量化增长。如果材料不受约束，使得增长可在所有方向发生，那么可通过在不同时间沿最大初始长度方向上测量的长度来量化增长。
本文所用短语“平衡增长”是指已吸收其平衡水量的材料的最终几何形状，并且也可用类似于“增长”定义的长度来量化。
如图1所示，本发明的一个实施方案可为包括以下部分的水处理滤筒10外壳20、用于接收水进入水处理滤筒10的入口22、使水从水处理滤筒10流出的出口24、用于处理水的水处理材料26、用于处理水和/或防止水处理材料26阻塞的预处理材料28，以及用于至少基本上阻止水流过水处理滤筒10的关闭阀30。
外壳20可为圆柱形，然而它也可为多种形状和大小。外壳可包括顶部21和底部23。外壳20可由多种材料中的一种或多种制成，所述材料包括，但不限于，塑料、金属及其合金、纤维玻璃等中的一种或它们的组合。外壳20可形成容纳水处理材料26的清楚界定的隔室。可供选择地，外壳可仅仅包覆水处理材料26的至少一个端部(未示出)。此外，外壳20形成入口22或出口24的部分可被一个或多个肋32支撑。
入口22可为多个开口(由肋34限定)，外壳20的顶部在此处与外壳20的主体相接。入口22可位于水处理滤筒10的第一末端(也参见图2)。可供选择地，入口可为位于水处理滤筒10的末端的单个开口，或者入口可为外露的水处理材料26的一部分(例如，碳块的外露部分)(未示出)。即，水可流过水处理材料26的外露部分进入水处理滤筒10。任选地，可将入口22置于水处理滤筒10的侧面或第二末端上。
出口24可为与水处理滤筒10的纵向轴线同心的圆形开口。入口22和出口24可为多种大小，并且可以最适合应用的任何方式定向。因此，入口22和出口24可以完全接近(例如共用同一开口)、近程接近(例如共用同一表面或末端)或彼此远程接近(例如位于相对两端)进行定向。
水处理材料26可包含在外壳20内。水处理材料26可具有芯部区域36。本文中，“芯部区域”是指在水处理材料26内形成的中空。芯部区域36可与水处理滤筒10的纵向轴线同心。芯部区域36可从水处理材料26的第一末端连续延伸至第二末端，或者仅可部分延伸至水处理材料26内。
水处理材料26的实施例描述于美国专利2,167,225、2,335,458、4,172,796、4,493,772、4,764,274、4,025,438、4,094,779、5,679,248、6,274,041、6,337,015和美国专利申请10/464,209、10/464,210、09/935,810、09/935,962、09/628,632、09/832,581、09/832,580、09/736,749、09/574,456、09/564,919和09/347,223。例如，水处理材料26可包括但不限于以下材料中的一种或它们的组合碳(例如活性炭，如多孔碳管或多孔碳块或用热塑性粘合剂烧结的碳粉或颗粒等)、离子交换材料(例如呈树脂小珠、扁平过滤膜、纤维状过滤结构等形式)、沸石颗粒或改性沸石颗粒(例如涂有银)、聚乙烯、或电荷改性的熔喷或微纤维玻璃纤维网、氧化铝、金属氧化物、硅藻土、阳离子改性的硅藻土、阳离子改性的活性炭等。
预处理材料28可用于防止水处理材料26堵塞、为水处理材料26提供保护、捕集细粒等。预处理材料28可为薄片形式，所述薄片为打褶的或未打褶的，并且环绕水处理材料26缠绕一层或多层。预处理材料28可包括但不限于以下材料中的一种或它们的组合多孔膜、非织造织物薄片、织造物薄片、开孔发泡薄片、碳(与上述水处理材料26一致)、未处理的玻璃纤维纸、处理的纤维素纸或玻璃纤维纸、包括纳米纤维的纤维网、荷阳离子的多孔膜、包括荷阳离子纳米纤维的纤维网等等。
如图3所示，关闭阀30可包括套管40、伸缩块42和阀门44。关闭阀30可担当至少基本上并且不可逆地阻止水流过水处理滤筒10的部件。关闭阀30可用于多种水处理滤筒，包括，但不限于描述于美国专利5,525,214、6,241,103和美国申请10/423,157、10/424,200和10/665,984中的那些。关闭阀30可在内部或在外部用于水处理滤筒10。可供选择地，关闭阀30可以不是水处理滤筒10的部件，但是可为水处理装置的内部或外部部件，从而关闭阀30与进入、离开或流过水处理装置的水流连通。关闭阀30可用于多种水处理滤筒和/或水处理装置，包括但不限于描述于美国专利5,527,451和5,928,504以及美国申请10/643,669和10/665,948中的那些。
套管40可为管状的，并且通过粘合(或者通过摩擦装配、焊接等)固定在芯部区域36内。芯部区域36的至少一部分可排列套管40。套管40可由但不限于塑料、金属、陶瓷及其合金的组合制成。套管40可包括高度水可渗透材料、水可渗透材料或水不可渗透材料中的一种或它们的组合。在使用水不可渗透材料的情况下，水仅可从未被套管40覆盖的区域进入伸缩块42。可构造套管40以便获得充分的物理刚性，并且伸缩块42的增长基本上被套管40限制在差不多一个方向上。这样的话，套管40可由具有固有刚性的材料如聚丙烯、聚碳酸酯、金属、陶瓷等构成。套管40可具有足以限制伸缩块42增长的厚度。在套管40使用水可渗透材料的情况下，套管40的厚度可防止可察觉的水流过套管40进入伸缩块42，并且水仅可从未被套管40覆盖的区域进入伸缩块42。在此类情况下，套管40被称为基本上水不能透过的。
套管40在其侧部可具有一个或多个流通孔46，使得水可流出水处理材料26，经过流通孔46，然后进入套管40内，然后通过水处理滤筒10的出口24。流通孔46可具有多种大小和/或形状(包括圆形、矩形、椭圆形等等)。可供选择地，芯部区域36的内部可作为套管40使用。
伸缩块42可为多种形状(如，圆柱形、圆形、椭圆形、圆锥形等)材料的实心块。可供选择地，伸缩块42可为粉末、小丸等。伸缩块42也可为中空的(例如管子)。可将伸缩块42部分包封(即，伸缩块42的至少一个侧面、正面或连续表面可与流入套管40的水接触)在套管40内，使得只有伸缩块42的一部分与流入套管40的水接触和/或使得其可在基本单一的方向上增长或溶胀。
尽管未包封(即，在非约束条件下)的伸缩块42可在数小时内增长到它的最终(或基本上最终的)长度，但部分包封(即，在约束条件下)的伸缩块可能几个月也不会增长到它的最终(或基本上最终的)长度。在约束条件下增长的伸缩块42的最终长度可大于在非约束条件下增长的伸缩块42的最终长度。这种在约束条件下延长的增长期可归因于两个因素。首先，与伸缩块42的总表面积相比，与水接触的面积较小；其次，水贯穿伸缩块42的扩散通道增长。伸缩块42的部分暴露可通过使伸缩块42紧紧地坐落在套管40内实现(其中伸缩块42在普通形状的套管40内)，或者用高度水可渗透材料、水可渗透材料或水不可渗透材料(取决于所需特性)涂敷除了伸缩块42一部分以外的所有部分来实现。
伸缩块42可由单一的水可溶胀材料和/或单一的高度水可溶胀材料制成。可供选择地，伸缩块42也可由但不限于与其它材料组合的水可溶胀材料和/或高度水可溶胀材料制成(例如，图4中的伸缩块42)，其它材料可包括水不可溶胀材料、水不可渗透材料、水可渗透材料和/或高度水可渗透材料。伸缩块42也可通过将上述组合结合成一层或多层来制造(例如，图5中的包括第一高度水可渗透层或水可渗透层143和第二高度水可溶胀层145的伸缩块142)。例如，一个材料层可用于完全或部分包覆另一个材料层(例如，图6中的包括第一高度水可渗透层或水可渗透层243和第二高度水可溶胀层245的伸缩块242)。包覆材料243可为由但不限于以下材料中的一种或它们的组合制成的弹性的并且高度水可渗透或水可渗透外壳，这些材料包括极性烯烃共聚物如乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、乙烯-甲基丙烯酸共聚物(EMA)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚酰胺、聚醚、聚酰胺与聚醚的共聚物、纤维素、交联聚丙烯酸酯等，而被包覆材料245可为，但不限于，水可溶胀或高度水可溶胀材料中的一种或它们的组合。包敷材料243也可为，但不限于，由聚烯烃和苯乙烯中的一种或它们的组合制成的水不可渗透材料。
阀门44可为可滑动地装配在套管40内并与伸缩块42物理接触的中空管。阀门44可与伸缩块42物理连接或者可与其分开。阀门44可装配在套管40内，以便它能够阻止水流过流通孔46。阻止水流过流通孔46可通过多种方法来实现，这些方法包括定制阀44的尺寸以紧紧地贴合在套管40内和/或在阀门44周围放置O形环48，使得在阻止水流时，O形环48可位于流通孔46的每一侧(参见图7)。阀门44可由但不限于塑料、金属、陶瓷及它们的合金中的一种或它们的组合制成。
现在将描述一种可能的流动通道(图4和7可有助于更好地理解以下流动通道的描述)。水可通过入口22进入水处理滤筒10，径向流过预处理材料28和水处理材料26，由流通孔46进入并充满套管40，流过阀门44的中空部分，接触伸缩块42(可认为伸缩块42最初在第一位置)，从而在预定的一段时间内伸缩块42朝着流通孔46增长(由于水的扩散并且可能有对流，通过伸缩块42的至少一部分)。然后水可由出口24流出套管40。在阻止水流过水处理滤筒10之前，水可由流通孔46继续流进套管40。当伸缩块42膨胀时，它可与阀门44物理接触并移动阀门44，使得阀门44在套管40内滑动并阻塞流通孔46(可认为伸缩块42在该点处于第二位置)，由于水不能流过阀门44，具体地讲是阀门44的O形环48，因此基本或完全阻止水流过水处理滤筒10。
在开始使用后可将关闭阀30设置为运转。在伸缩块42用阀门44阻塞流通孔46以阻止水流过水处理滤筒10之前，有必要使至少约1mL的体积与伸缩块42基本上持续接触，以启动并保持关闭阀30的运转。在不与水接触一段时间后(在约2天、约20天、约40天、约100天、约200天或约300天后)，或与小于100％相对湿度的空气接触一段时间后，伸缩块42开始收缩。然而，在阀门44已阻塞流通孔46并且阀门44没有连接至伸缩块42的情况下，阀门44可保持在阻塞流通孔46的适当位置。因此，如果在最初阻塞流通孔46之后，使用者将他们的水处理滤筒10闲置，并提供足够的时间/能量以排出与伸缩块42接触的水，伸缩块42可收缩并从阀门44后移(本文称为“变干”)，留下流通孔46被阀门44阻塞着。
然而，如果“变干”发生在流通孔46被阀门44阻塞之前，那么阻塞流通孔46所需的时间可因伸缩块42的“变干”而增加，伸缩块42可收缩至阀门44下面的一个位置。然后在阀门44能够被进一步推进以阻塞流通孔46之前，伸缩块42将不得不增长回它的最初位置。可通过利用由永久变形材料(例如，聚醚和聚酰胺的某些嵌段共聚物，如聚己内酰胺与聚乙二醇的嵌段共聚物)组成的伸缩块42而使这种影响最小化，所述永久变形材料在由对水的溶胀响应产生给定变形后会不可逆地屈服。在给定的增长量之后，并且由于增长限制在一个方向上，伸缩块42可在增长方向上有效屈服。因此，当“变干”时，伸缩块42可在所有方向上收缩，特别是可在直径方向收缩。当使用者试图再次使用水处理滤筒10时，伸缩块42将被水润湿，并且重新开始增长。然而，由于伸缩块42的直径收缩而导致暴露表面积增加，因此增长速度可比先前的增长速度显著加快。伸缩块42可快速恢复至它“变干”前的长度，从而阻塞流通孔46所需的时间将不会显著延迟。实际上，在任何时刻，使用者都不能通过“变干”水处理滤筒10来延长水处理滤筒10的寿命。
也可通过以确保水与伸缩块42密切接触的方式定向阀门或隔膜(未示出)，将“变干”的影响最小化或完全消除。例如，可将单向阀门或隔膜置于套管40的顶部，使得经过水处理滤筒10的工作水压能够推进水流过单向阀门或隔膜，但是当水处理滤筒10与水处理装置分开时或者当水处理装置不运转时，保留在套管40内的水将不能够流过单向阀门或隔膜。因此，无论水处理滤筒10的定向如何，在水处理滤筒10最初充满水后，总有一定量的水保留在套管40内。
为了保证使用者安全和/或遵守政府标准，需要一贯地并可预测地将水阻止在家用规模的水处理滤筒10内。例如，需要在预定时间后阻止水流过水处理滤筒10，该预定时间包括，但不限于，从最初使用水处理滤筒10的时间算起(即，在水处理滤筒10被首次充水后)约20天后、约40天后、约60天后、约90天后、约200天后、约300天后、约365天后、约400天后或约720天后。然而，几个因素可影响伸缩块42的增长，因此影响阻止水流过水处理滤筒10的总的一贯性和可预测性，这些因素包括，但不限于，伸缩块42和套管40的组成与几何形状、水的pH、水温、水压和伸缩块42与阀门44之间界面处的气泡。
伸缩块42与套管40的组成和几何形状可根本决定伸缩块42的增长和阀门44的运动。通常，与增长较少的材料相比，造成阀门44基本运动的伸缩块42的材料趋于增长非常迅速。为了使用增长较快的伸缩块42的材料，可通过几何形状控制其动力学。为了在本申请中使用水可溶胀、尤其是高度水可溶胀材料，可设计几何形状使得有限的表面积与水接触，使得扩散通道极大地增长。如图8-A所示，作为实施例并且不受此限制，具有0.635cm(″)直径乘约2.54cm(1″)长的聚己内酰胺与聚乙二醇的MH 1657嵌段共聚物的长块(圆柱体构件)的伸缩块42，在大约一天后可达到约90％的平衡吸水率和约90％的平衡增长率。令人惊讶的是，如图8-B所示，置于刚性聚丙烯圆筒(水基本不能透过的几何形状)内的具有相同的0.635cm(″)内径但长度较长的相同MH 1657块，由于水接触面积的限制和只在一个方向上引导增长，所以在大大减慢的速率下产生增加的增长率。
为了使基本上阻止水流动的时间一致，可使伸缩块42的增长相对独立于消费者使用区域所经历的环境因素。环境因素可包括，但不限于，供水的pH、温度和压力。溶胀响应(由于吸水而造成的体积变化)可能会根据所选的伸缩块42的材料而变化，并且可取决于环境因素。瞬时吸水特征可受到水溶解度和水扩散率的相互影响的影响。最初的水通量(垂直于伸缩块42暴露的表面积进入伸缩块42的每单位面积的水流率)近似正比于水的渗透率，水的渗透率为水溶解度与水扩散率的乘积。如果环境因素影响溶胀响应、水溶解度和/或水扩散率，那么伸缩块42的增长和阻止时间可被改变。此外，在安装到过滤装置内之前，如在制造、运输和贮藏过程中，伸缩块必须免于显著吸水和显著增长。换句话讲，伸缩块一定不能已从周围环境吸收显著的水，以导致足以影响最初长度和关闭阀寿命的膨胀。
典型住宅用水的pH可在4和10之间变化。预期水的pH在这个范围内的变化会影响伸缩块42的溶胀响应、水溶解度和/或水扩散率。出乎意料地，据观察，聚酰胺和聚醚的某些嵌段共聚物导致的增长，相对独立于在住宅应用中典型观察到的pH变化(例如，对于非约束增长，参见图10)。不依赖于对增长的影响，水的pH也可影响伸缩块42的机械稳定性。如果所需的伸缩块42存在机械稳定性问题，那么可将可供选择的构型包括在内以避免该问题。这些可供选择的构型包括活动的、高度水可渗透的或水可渗透的屏障(或层)，该屏障容许水通过，但不容许相关的影响pH的离子通过。此外，在伸缩块42和水之间的界面处包含的气密层(未示出)，可保护伸缩块42免受极限pH影响。水可通过扩散/对流经过气密层进入伸缩块42。
在典型的住宅应用中，供水的温度变化很大。然而，一旦水到达过滤处，温度变化并不是最大，因此可用在消费者家庭中观察到的温度最大值估计。典型家庭的温度在约18℃至约32℃(约65至约90)范围内变化。预期在该范围内的温度变化会影响伸缩块42的溶胀响应、水溶解度和/或水扩散率。对于大多数材料，随着温度增加，水溶解度和水扩散率都增大。由于这种结合，预期即使小的温度变化也会严重影响增长。令人惊讶的是，据观察，聚酰胺和聚醚的某些嵌段共聚物导致的增长相对独立于小的温度变化(在这种特殊情况下为约-11℃(12)(例如，对于套管内的约束增长参见图11-A，对于非约束增长参见图11-B)。
观察到的结果是，聚酰胺和聚醚的某些嵌段共聚物具有水溶解度随温度升高而降低的反常特征(例如，对于非约束增长参见图11-B)，该特征趋于部分抵消水扩散率随温度升高而导致的增大。因此，水溶解度随温度升高而降低的材料可用于本申请。由于溶解度和扩散率的相互抵消，这些类型的材料导致温度在增长中不太重要。这种类型的材料包括，但不限于，聚醚和聚酰胺的某些嵌段共聚物，如聚己内酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物。
典型住宅用水的压力可在约14kPa(2psi)和827kPa(120psi)之间变化。增加压力可使水在伸缩块42内的溶解度增加，从而影响扩散动力学。扩散率和溶胀响应也可由于压力对材料密度的影响而改变。聚酰胺和聚醚的某些嵌段共聚物可导致增长相对独立于零至379kPa(55psig)范围内的压力变化(较高压力未测试)(例如，对于非约束增长参见图12)。
在典型的制造、运输和贮藏环境中，环境空气的相对湿度可变化很大。可设计关闭阀30的包装以限制暴露于极大的湿气中。无论如何，伸缩块42的材料对湿度的敏感性可影响关闭阀30的寿命。出乎意料的是，据观察，当聚酰胺和聚醚的某些嵌段共聚物暴露于明显小于100％相对湿度的环境(或直接与液体水接触)时，它们不会吸收显著量的水或明显溶胀。例如，在约23℃(73)的温度和约50％的相对湿度时，约束的MH 1657块(在刚性聚丙烯套管40内，0.635cm(1/4″)直径乘2.54cm(1″)长，类似于图8-B中的描述)吸收约4％的水，这在约290天后会导致约0.0254cm(0.01″)或约1％的增长。
伸缩块42/阀门44界面处的气泡可造成增长的再现性问题。如果存在气泡，那么由于水通过气相的缓慢扩散/对流，增长会大大减慢。如果不存在气泡，那么增长速度会大大增加。因此，气泡的一致释放或不释放对可预测的增长和一致阻止水流过水处理滤筒10是重要的。
如果期望一致释放气泡，那么可包括几种机制用于一致释放。如图4至7所示，作为实例，当水处理滤筒10被充满时，置于伸缩块42和阀门44之间界面处的排气孔50可容许空气排空。实现期望效果的其它方法可包括在阀门44内使用芯吸材料、包含水溶性/非挥发性(在室内温度和压力时)液体(如甘油，其不会造成伸缩块42的明显溶胀)以防止空气最初存在等。如果期望保留气泡，那么可将阀门44中心处的洞(未示出)制得足够小，以防止空气选出。另一种方法可为使用与引入气隙的阀门44相反的实心阀门。在这种情况下，可通过使用高度水可渗透或水可渗透阀门、高度水可渗透或水可渗透套管40，使水到达伸缩块42，或者套管40具有敞开区域，使伸缩块42与套管40内部或外部的水接触。
取代使用伸缩块42和阀门44的组合，其中阻塞流通孔46是伸缩块42增长的间接结果(例如，其中伸缩块42将阀门44推进流通孔46或出口24的阻塞位置，从而间接阻塞流通孔46或出口24)；伸缩块42也可作为阀门44，其中阻塞流通孔46或密封出口24是伸缩块42增长的直接结果(也就是说，其中流通孔46或出口24被伸缩块42直接物理阻塞)。这可通过使用圆筒形状的伸缩块42实现，使得水流过水处理材料26进入，接触伸缩块42，然后伸缩块42膨胀并密封流通孔46。这种方法可能不会阻止使用者通过“变干”伸缩块42来延长水处理滤筒10的寿命。然而，可通过创造一种环境使变干最小化，其中完全去除与伸缩块42接触的水需要相当大的努力，因此是不实际的。
通过阻塞出口724而非阻塞一个或多个流通孔46，可阻止水流过水处理滤筒10。例如，出口24可被伸缩块42直接阻塞。可供选择地，阀门44可用于阻塞出口24，方式与阀门44用于阻塞流通孔46的方式相同(如上文所述)。
可供选择地，如图13-A和13-B所示，可使用被推进到阻塞出口24位置的阀门144，这种推进部分是通过伸缩块42，部分是通过水流过套管40来实现的。阀门144可包括突出物148。阀门144与伸缩块42物理接触。当伸缩块42增长时，阀门144可前进。当阀门被推进到流通孔46以便突出物148处于流过套管40的主流中时，阀门144可被在突出物148之后形成的水压推进，从而将阀门144推进到阻塞出口24的位置。因此，尽管阀门144最初可被伸缩块42推进，其最终被流过套管40的水推进到出口24的阻塞位置，导致几乎瞬间阻止水流过水处理滤筒10。正是干涉作用的磨擦装配和/或水压保持阀门144处于出口24的阻塞位置。
在水经过水处理滤筒10和/或水处理装置的指定流动通道发生破裂后，需要一贯地并可预测地阻止水在家用规模水处理滤筒10内的短时段流动。例如，需要在预定的时间后至少基本上阻止水流过水处理滤筒10，预定的时间包括，但不限于，从经过水处理滤筒10和/或在其周围的指定流动通道最初破裂的时间算起，约1分钟后、约5分钟后、约10分钟后、约30分钟后、约1小时后、约2小时后、约10小时后、约12小时后、约1天后、约2天后、约3天后、约4天后、约5天后、约7天后、约10天后、约12天后、约15天后。
如图14-A、14-B和15所示，水处理滤筒10可与水处理装置(部分示出)交界，从而水处理滤筒10的第一管道60和第二管道62可与水处理装置的第一外壳70和第二外壳72密封性地交界(参见，例如美国专利申请10/665,948)。第一外壳和第二外壳70与72可在其周围分别具有O形环73与75。水经过水处理装置和水处理滤筒10的预期流动通道(参见图14-B)可包括污水围绕第二管道62和第二外壳72，然后通过入口22流进水处理滤筒10，然后水可径向流过预处理材料28和水处理材料26，并且最终可由出口24离开套管40。
与第一外壳70和第二外壳72密封性交界的第一管道60和第二管道62，可作为出口24周围的双重屏障，从而通过第二管道62与第二外壳72的密封接合的任何污水将被第一管道60与第一外壳70的密封接合阻塞。然而，一旦发生第一破裂，需要在污水有机会也突破第一管道60与第一外壳70之间的界面之前，及时或在合理时间内阻止水流过水处理滤筒10。
如图14-A和14-B所示，从通过水处理滤筒10的指定流动通道发生破裂后，经过充分短的预定时段之后，第二关闭阀130(位于外壳120的顶部121内)可用于至少基本上阻止水流过水处理滤筒10。在这种情况下，破裂可为经过第二管道62和第二外壳72的密封接合或经过第一管道60和第一外壳70的密封接合泄漏的约0.1mL、约0.2mL、约0.3mL、约0.4mL、约0.5mL、约0.6mL、约0.7mL、约0.8mL、约0.9mL、约1mL、约1.5mL、约2mL、约2.5mL、约3mL或约5mL的水。第二关闭阀130可包括含有高度水可溶胀材料的第二伸缩块342和第二阀门244。例如，一旦通过第二管道62和第二外壳72发生污水突破，第二伸缩块342与水接触(通过流通孔246)时可膨胀或溶胀，从而可将第二阀门244推进至出口24被阻塞的位置。因此，当指定的流动通道存在时，关闭阀30可起作用，以至少基本上阻止水流过水处理滤筒10，然而，当发生破裂时，第二关闭阀130可起作用，以至少基本上阻止水流过水处理滤筒10。
如图15所示，需要将关闭阀(例如关闭阀30和放在外壳220顶部221内的第二关闭阀130)组合在一起，从而伸缩块442包括第一层443和第二层445，其中当指定的流动通道存在(通过流通孔146)时，水密切接触并且扩散/对流通过第一层443，使该层溶胀或膨胀，而当在第二管道62和第二外壳72之间发生破裂(通过流通孔246)时，第二层445也与水密切接触。密切接触不包括第二层445经由扩散/对流通过第一层443而与水接触。例如，当第一层443与水密切接触时，经过第一较长的预定时段后可阻止水流过水处理滤筒10，该时段包括，但不限于，从最初使用水处理滤筒10的时间算起约20天后、约40天后、约60天后、约90天后、约200天后、约300天后、约365天后、约400天后或约720天后。然而，当第二层445与水密切接触时，经过第二较短的预定时段后可阻止水流过水处理滤筒10，该时段包括，但不限于，从经过水处理滤筒10或在其周围的指定流动通道最初破裂的时间算起约1分钟后、约5分钟后、约10分钟后、约30分钟后、约1小时后、约2小时后、约10小时后、约12小时后、约1天后、约2天后、约3天后、约4天后、约5天后、约7天后、约10天后、约12天后或约15天后。
可预测的是，能采用利用以下观念的其它实施方案当水经过水处理装置或滤筒10的指定流动通道存在时，在第一预定时段后至少基本上阻止水流过水处理滤筒10；当水经过水处理装置或滤筒10的未预期到的流动通道(即破裂)发生时，在第二预定时段后至少基本上阻止水流过水处理滤筒10。第一预定时段可与水处理材料26的局限性有关，而第二预定时段可与水处理装置和/或滤筒10的完整性或其间密封界面的完整性有关。
除了阻止水流过水处理滤筒10之外，伸缩块42或阀门44还可用于启动按钮、移动悬臂、完成周期等，用于向水处理滤筒的使用者传达该水处理滤筒10的大致寿命状况(未示出)。可供选择地，可使伸缩块42或阀门44可见，用于向水处理滤筒的使用者传达该水处理滤筒10的大致寿命状况(未示出)。可通过套管40上的透明窗口和/或在其内使用水处理滤筒10的水处理装置上的透明窗口，使伸缩块42或阀门44可见。
伸缩块42和/或阀门44可仅仅为了指示水处理滤筒10的大致寿命状况或作为指示大致寿命状况的部件，其中伸缩块42和/或阀门44不用于阻止水流过水处理滤筒10。在这点上，伸缩块42和/或阀门44可用于作为“湿指示灯”或“湿定时器”。
本文中，吸水率使用具有4个小数位精度的标准分析天平进行重量测量法测量。用纸巾擦去游离的表面水(没有吸收到待测量材料内的水)。记录初始质量(定义为一旦材料惯性无效由天平显示的最初质量)，以保证水没有足够的时间扩散至表面并蒸发。假定材料的初始质量随时间恒定，并且质量变化只是由于水的进入。这种方法忽略少量存在于原料中的水溶性材料，所述水溶性材料可能已经留下并改变了原料质量和总的水分分数计算。重量变化百分数计算为100×{(当前的样本质量-零时刻的样本质量)/(零时刻的样本质量)}。
本文中，材料在感兴趣方向上的长度随时间的变化，可使用校准的Omis II光学轮廓曲线仪装置测量，所述装置由Ram OpticalInstrumentation，1791 Deere Ave.，Irvine，CA，92606制造。通过在最上表面上感兴趣方向的末端选择两个材料点，然后监测它们随时间的分开距离，来测量非约束材料的增长。对于约束材料，借助一致长度的管子测量轴向的长度变化。将管子插入约束材料的开口端，直至它接触伸缩块或阀门的上表面。选择材料点一个在约束材料的最上表面，另一个在管子端点的最上表面。在不同时刻测量这两个材料点之间的分开距离。在将伸缩块安装在约束材料内之前，使用上述方法测定伸缩块的初始长度。对于非约束材料，长度变化百分数计算为100×{(当前材料点之间的距离-零时刻材料点之间的距离)/(零时刻材料点之间的距离)}。对于约束材料，长度变化百分数计算为100×{(当前材料点之间的距离-零时刻材料点之间的距离)/(初始材料长度)}。对于约束材料，增长计算为(当前材料点之间的距离-零时刻材料点之间的距离)。
本发明的实施例如下所述。这些实施例只是用于举例说明，并不意味着本文所述的发明受这些实施例的限制。
实施例1
包括关闭阀的水处理滤筒将由聚丙烯制成的套管装配在径向流动(用于处理水)的碳块内，所述套管的内径和外径分别为约0.635cm(1/4″)和0.95cm(3/8″)，所述碳块分别具有外径5.08cm(2″)和内径1.59cm(5/8″)(其构成芯部区域)。将碳块的两端包覆。碳块的长度为约7.62cm(3″)。套管由碳块的顶部延伸至距碳块的底部约1.9cm(3/4″)。套管在其邻近出口的端部附近，具有直径为约0.16cm(1/16″)的圆形流通孔。将由MH1657制成的外径为约0.635cm(1/4″)的实心圆柱体块形式的约1g的伸缩块摩擦装配到套管的底部内。所述MH 1657伸缩块的长度为约2cm(7/8″)。将由高密度聚乙烯(HDPE)制成的、内径和外径分别为约0.32cm(1/8″)和约0.635cm(1/4″)的管道形式的阀门，可滑动地装配在套管内，搁置在伸缩块上，并且在流通孔之下大约0.99cm(25/64″)处。所述阀门的长度为约1cm(13/32″)。将两个由丁腈橡胶制成并且润滑的(用Dow Corning#976V High Vacuum Grease，一种硅氧烷基润滑剂)的NSF61 O形环(购自Hydr-O-Seal，20382 HermanCircle，Lake Forest，CA，92630)，置于阀门之上，并且分开大约0.71cm(9/32″)的距离。
在碳块的最初填充和浸湿期间，水由下至上填充水处理滤筒。水径向流过碳块。水首先流入位于MH 1657伸缩块/阀门界面处的排气孔。水的上升作用完全排空了空气聚集，这样建立了水与MH 1657伸缩块的密切接触。几天后，MH 1657伸缩块增长至足以覆盖排气孔，这样使得水仅通过流通孔进入。水流经并流出套管，然后由出口离开。伸缩块继续增长并推进阀门，直至阀门阻塞流通孔，从而阻止另外的水进入套管的通路。设计关闭阀，使得伸缩块增长后，至少基本上阻止水流过水处理滤筒，并且在约60天后，阀门被推进约0.99cm(25/64″)(参见图9)。
实施例2-1、2-2和2-3包括关闭阀的水处理滤筒除了如表1中所注释的，实施例2-1、2-2和2-3与实施例1一致。
表1
此外，通过文字和/或图画传达给使用者的使用说明或信息指出使用包括关闭阀30的水处理滤筒10可提供有益效果，所述有益效果包括在预定时段后阻止水流过水处理滤筒10，和/或指示水处理滤筒10的寿命状况。此外，该信息可包括优于其它水处理滤筒的权利要求。因此，可使用与信息相关的包装，通过文字或图画向消费者传达以下信息使用本发明将有助于确保水处理滤筒10的性能完整性。为了告知消费者，信息可包括在所有的常见媒体中作广告，以及在水处理滤筒10的包装或水处理滤筒10本身上的说明和/或图标。
本文引用的所有文献均引入本文以供参考。任何文献的引用都不可解释为是对其作为本发明的现有技术的认可。尽管已说明和描述了本发明的具体实施方案，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许多的其它变化和修改。因此，有意识地在附加的权利要求书中包括在本发明范围内的所有这些变化和修改。
权利要求
1.一种水处理滤筒，所述滤筒包括(a)用于接收水进入所述水处理滤筒的入口；(b)用于使水从所述水处理滤筒流出的出口；(c)用于处理所述水的水处理材料；和(d)用于至少基本上阻止水流过所述水处理滤筒的关闭阀，特征在于所述关闭阀具有伸缩块；其中所述伸缩块的至少一部分在与水接触时膨胀，使得作为所述伸缩块膨胀的直接或间接结果，所述关闭阀在预定时段后，至少基本上阻止水流过所述水处理滤筒。
2.如权利要求1所述的水处理滤筒，其中在最初和持续与水接触之后，所述伸缩块持续膨胀，直到至少基本上阻止水流过所述水处理滤筒，并且优选所述伸缩块不可逆地阻止水流过所述水处理滤筒。
3.如权利要求1或2所述的水处理滤筒，其中所述伸缩块的膨胀是由于水扩散通过所述伸缩块的至少一部分。
4.如权利要求1至3中任一项所述的水处理滤筒，其中所述关闭阀还包含套管，其中所述伸缩块被所述套管部分包封，使得所述伸缩块基本上在一个方向膨胀。
5.如权利要求1至4中任一项所述的水处理滤筒，其中所述伸缩块选自高度水可溶胀材料、水可溶胀材料、水不可溶胀材料、水不可渗透材料、高度水可渗透材料、水可渗透材料，以及它们的混合物，并且优选地所述伸缩块选自水溶性聚合物、交联水溶性聚合物、水凝胶、共聚物、粘土、木材，以及它们的混合物，并且更优选地所述伸缩块选自聚酰胺、聚醚、聚酰胺与聚醚的共聚物、纤维素、天然树胶和树脂，以及它们的混合物。
6.如权利要求1至5中任一项所述的水处理滤筒，其中所述关闭阀还包含阀门，并且其中所述伸缩块的膨胀推进所述阀门，使得所述阀门至少基本上阻止水流过所述水处理滤筒。
7.如权利要求6所述的水处理滤筒，其中所述关闭阀还包含含有至少一个流通孔的套管，其中所述阀门被所述伸缩块推进，直至所述阀门阻塞所述流通孔，从而所述阀门至少基本上阻止水流过所述水处理滤筒。
8.如权利要求1至5中任一项所述的水处理滤筒，其中所述预定时段为1个月至1年，优选为2个月至6个月。
9.一种方法，所述方法包括以下步骤(a)将待处理的饮用水引入水处理滤筒，所述滤筒包含入口、出口和关闭阀，所述关闭阀具有伸缩块；和(b)用所述水处理滤筒处理所述水，直到至少基本上阻止水流过所述水处理滤筒。
10.一种关闭阀，所述关闭阀具有(a)用于从第一位置移动到第二位置的伸缩块，所述伸缩块具有高度水可溶胀材料；和(b)用于包含所述伸缩块的套管，所述套管具有至少一个流通孔；其中当与水接触时，所述伸缩块在预定时段后从所述第一位置膨胀到所述第二位置；当所述伸缩块位于所述第二位置时，所述流通孔至少基本上被所述伸缩块直接或间接阻塞。
全文摘要
关闭阀可包括从第一位置移动到第二位置的伸缩块和包含所述伸缩块的套管。关闭阀也可包括阀门。伸缩块可包括高度水可溶胀材料。套管可包括至少一个流通孔。当与水接触时，伸缩块在预定时段后可从所述第一位置膨胀到所述第二位置。当伸缩块在所述第二位置时，流通孔可至少基本上被所述伸缩块直接或间接阻塞。伸缩块可用于水处理滤筒和/或可用于指示水处理滤筒的寿命状况。
文档编号B01D35/153GK1918073SQ200580004744
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月10日 优先权日2004年2月13日
发明者N·S·布罗尔斯, D·I·科利亚斯, J·D·坦纳, D·S·布雷特尔, R·E·斯特里 申请人:Pur水纯化产品公司