KR20150129008A

KR20150129008A - 물 여과 시스템, 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150129008A
Application number: KR1020157029291A
Authority: KR
Inventors: 더그 켈람; 라잔 라잔; 리우 구앙 웨이; 아지트 디게; 찰스 리에페
Original assignee: 제로 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-11-18
Also published as: EP2969969A4; EP2969969B1; EP3323789B1; US10435313B2; EP2969969A1; US20160031724A1; WO2014145435A9; JP2016518245A; WO2014145435A1; CA2942519A1; JP6397888B2; EP3323789A1

Abstract

본 발명에 따른 물을 여과하는 시스템, 장치 및 방법은 여과 매체 재료를 분리하는 돔형 리드 및 중간 디스크를 포함한다. 돔형 리드는 여과 과정을 지연 또는 정지시킬 수 있는 필터 매체 내의 공기 로크를 없앤다. 유동 제어 출력 포트가 여과된 물의 유동 높이 및 유동 속도를 조절한다. 경사형 유동 출력 포트가 필터의 경사형 저부 섹션에서 유동을 가속시킴으로써 유동을 개선한다. 물 투과성 필터 백 재료가 필터 매체를 수납한다. 추가의 세척 과정이 여과된 물의 맛을 개선한다. 혼상 수지 내의 색상 변화 수지가 필터의 수명 만료를 표시한다. 마찬가지로, 필터 수명 만료 표시기는 필터가 교체되어야 할 때를 사용자가 판정하는 것을 돕는다. 일체형 TDS 계측기가 여과된 물을 시험하는 데 사용된다. 상기 장치는 성능 개선을 제공하도록 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

Description

물 여과 시스템, 장치 및 방법{SYSTEMS, DEVICES, AND METHODS OF WATER FILTRATION}

관련출원에 대한 교차 -참조

본 출원은 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/793,580호의 우선권의 이익을 향유하고, 그 전체 개시 내용은 참조로 여기에 합체되어 있다.

기술 분야

본 발명의 기술은 물 여과 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 기술은 필터 챔버 내에서의 물의 유동 및 속도를 제어하는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.

음용수의 공급원은 생물학적 불순물로써 자연적으로 오염될 수 있고, 또한 화학적 및 다른 비자연적으로 일어나는 발생원에 의해 오염될 수 있다.

물 정화는 오염된 물로부터 바람직하지 않은 화학종, 생물학적 오염원, 부유 고체 및 가스를 제거하여 물이 음용에 적절해지게 한다. 정화는 여과, 침전 및 증류 등의 물리적 과정, 저속 모래 필터(low sand filter) 또는 생물학적 활성 탄소 등의 생물학적 과정, 응집 및 염소 처리 등의 화학적 과정 그리고 자외선 등의 전자기 복사선의 사용을 포함할 수 있다.

물 여과 시스템은 물을 정화하는 주입 피처 시스템(pour-through pitcher system), 카운터톱 시스템(countertop system) 및 여과 카트리지 시스템을 포함할 수 있다. 주입 피처 시스템은 여과되지 않은 물을 수용하는 상부 저장조, 여과된 물을 수용 및 저장하는 하부 저장조 그리고 상부 저장조로부터의 물이 여과되고 하부 저장조로 이동되는 그 상부에서의 입구 그리고 그 저부에서의 출구를 갖는 여과 카트리지를 포함할 수 있다.

카운터톱 또는 독립형 시스템은 유리 또는 다른 용기 내로 여과된 물을 배출하는 수도꼭지(spigot)를 갖는 더 큰 여과수 탱크를 포함할 수 있다. 피처 및 카운터톱 시스템은 물 여과 카트리지를 통해 그리고 여과된 물이 사용될 때까지 저장되는 하부 저장조 내로 상부 저장조 내의 여과되지 않은 물을 이동시키는 데 중력을 사용한다.

중력 유동 시스템에서 종종 사용되는 물 여과 카트리지는 종종 시브 시스템(sieve system) 및 하우징을 포함한다. 하우징에는 여과 매체가 충전되고, 시브 시스템은 배럴에 대해 밀봉된다. 활성 탄소 등의 여과 매체는 대개 과립형이다. 이온 교환 수지, 제올라이트, 세라믹 등의 다른 성분이 물 여과 능력을 향상시키도록 조합될 수 있다.

중력 유동 카트리지에서 과립형 여과 매체를 사용하는 것과 관련되는 문제점에 따르면, 공기가 여과 매체의 입자들 사이에 그리고 카트리지 하우징의 헤드 공간(headspace) 내에 포획된다. 공기는 필터가 어떤 시간 동안 사용되지 않을 때에 물 유동 경로의 공동 내로 진입된다. 필터가 액체를 여과하도록 재사용될 때에, 더 무거운 액체가 여과 매체의 하부측에 특히 근접한 필터의 공동 내의 더 가벼운 공기를 포획한다. 여과 매체의 충전 라인과 여과 매체의 하부측 사이의 이러한 "헤드 공간" 영역은 배압 그리고 여과 표면적의 손실을 제공한다. 또한, "공기 로크(air lock)" 효과가 필터를 통한 액체의 유속의 감소에 기여한다. 이러한 공기는 물이 여과되거나 물 유동이 지연 또는 완전히 정지될 때에 카트리지로부터 배기되거나 그렇지 않으면 제거되어야 한다.

본 발명의 장치 및 방법은 공기-로크를 감소시키는 것, 더 양호한 유동 특성을 제공하는 것, 필터 요소를 분리하는 것, 모든 용존 고체(total dissolved solid)를 제거하는 것, 맛을 개선하는 것 그리고 필터가 더 이상 효과적이지 않고 교체될 것이 필요할 때를 판정하는 간단하고 효과적인 방식을 제공하는 것을 포함하는 필터 성능의 개선을 제공한다. 본 발명에 따른 돔형 리드(dome shaped lid) 및 돔형 중간 디스크(domed shaped middle disk)는 여과 중인 물이 배출됨에 따라 공기가 필터 내로 흡인될 때에 필터 내에 생성될 수 있는 공기-로크로 인한 필터의 폐쇄를 방지한다. 이것은 예컨대 물 용기 등의 용기가 비워지고 용기 내의 물 높이가 더 이상 전체의 필터 매체를 덮지 않을 때에 일어날 수 있다. 공기-로크는 또한 간극이 필터 요소 내에 생성될 때에 일어날 수 있다. 물이 필터 내로 주입될 때에 공기가 필터 요소 내에 포획되어 공기-로크를 생성할 수 있다. 본 발명의 돔형 리드, 돔형 중간 디스크 그리고 관련된 여과 장치는 필터로부터 위로 멀어지게 공기 기포를 이동시킴으로써 공기-로크 그리고 필터 요소의 폐쇄를 없앤다. 개선된 필터 효율이 또한 여과 층의 이동을 없앰으로써 생성되는데, 이것이 필터 매체의 더 균일한 사용을 제공하기 때문이다.

본 발명의 다수개의 예시 실시예가 개선된 여과를 제공하는 데 사용될 수 있다. 돔형 리드가 필터 내의 공기-로크를 없애고, 돔형 중간 디스크는 필터 요소가 분리된 상태로 남아 있는 것을 보증한다. 유동 제어 출력 포트가 여과된 물의 유동 높이 및 유동 속도 그리고 또한 필터 층 내에서의 물의 "체류 시간(dwell time)"을 조절한다. 경사형 유동 출력 섹션이 필터를 통한 물 유동을 가속시킴으로써 개선된 유동 특성을 제공한다. 새로운 물 투과성 필터 백 재료(water permeable filter bag material)가 필터 매체를 수납하는 데 사용된다. 추가의 세척 과정은 필터의 수명이 만료되기 시작될 때에도 더 큰 필터 수명 그리고 개선된 맛을 제공한다. 필터의 혼상 수지(mixed bed resin) 내의 색상 변화 수지는 필터의 수명이 만료되었다는 시각적 표시를 제공한다. 색상 변화 수지는 필터가 교체되어야 할 때를 사용자가 판정하는 것을 돕는다. 추가로, 개선된 용존 고체 총량(TDS: total dissolved solid) 계측기가 여과된 물을 시험하는 데에서의 사용을 위해 물주전자 및 다른 분배기 내로 합체된다. 상기 장치는 새로운 및 기존의 필터 카트리지의 양쪽 모두에서 성능 개선을 제공하도록 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 예시 실시예가 물 헤드 층, 필터 층 및 돔형 리드를 포함하는 물 필터이다. 물 헤드 층은 여과되지 않은 물을 수용하고, 여과 매체를 통한 물의 유동을 용이하게 한다. 필터 층은 여과되지 않은 물이 여과 매체를 통과함에 따라 여과되지 않은 물을 여과하는 필터 매체를 수납한다. 돔형 리드는 물 헤드 층 및 필터 층의 상부에 있다. 돔형 리드는 물 헤드 층이 여과되지 않은 물을 수용하고 여과되지 않은 물이 필터 층을 통과함에 따라 물 헤드 층과 함께 이동되도록 구성된다. 물 헤드 층은 필터가 물로 가득할 때에 위에 있고, 물이 필터를 통해 유동됨에 따라 아래로 이동된다.

본 발명의 하나의 예시 실시예에서, 돔형 리드는 물 헤드 층의 물 높이가 상승 및 하강됨에 따라 개방 및 폐쇄되는 부유 밸브(float valve)를 포함한다. 돔형 리드는 돔형 리드가 물 헤드 층과 함께 위 및 아래로 이동됨에 따라 필터로부터의 공기가 탈출되는 벤트(vent)를 또한 포함할 수 있다. 이것은 필터 내의 공기 로크를 방지하고 없앤다.

돔형 리드는 탄소 층, 산화 환원 합금 층(redox alloy layer), 이온 교환 층 및/또는 미크론 필터 층(micron filter layer)을 포함할 수 있다. 탄소 층은 여과되지 않은 물로부터 염소 및/또는 유기 오염물을 제거한다. 산화 환원 합금 층은 물 내의 pH를 중성화하고, 이온 교환 층은 물 내의 무기 및/또는 방사성 오염물을 제거한다. 물 필터는 물로부터 불순물을 제거하고 여과 매체를 통한 물 유동을 조절하는 다공성 분리기 및/또는 스크린을 또한 포함할 수 있다. 물 필터는 유동 제어 출력 포트를 또한 포함할 수 있다. 유동 제어 출력 포트는 물 필터의 물 헤드 층보다 작은 단면적을 가질 수 있다. 추가로, 이온 교환 층은 양이온 및 음이온 수지의 혼상을 포함할 수 있다. 이온 교환 층은 연수제(water softener) 및/또는 색상 변화 수지를 또한 포함할 수 있다.

일부 예시 실시예에서, 물 필터는 중력-급송식 필터(gravity-fed filter)이다. 일부 실시예는 필터로부터의 필터 매체 누출을 방지하고 필터 층에서 균등한 물 유동을 제공하도록 구성되는 식품 안전성 폼(food safe foam)을 또한 갖는 물 필터를 포함한다.

본 발명의 일부 예시 실시예는 강성 및 안전성을 제공하는 필터 매체 내의 중간 디스크를 갖는 필터를 포함한다. 중간 디스크는 필터 매체 층을 분리하는 데 사용될 수 있다. 중간 디스크는 중간 디스크의 평면형 부분으로부터 연장되는 레그(leg)를 포함할 수 있다. 중간 디스크의 레그는 중간 디스크에 대한 수직 안정성을 제공하도록 둥근 중간 디스크의 원주부 등의 중간 디스크의 평면형 부분의 최외곽 지점으로부터 연장될 수 있다. 중간 디스크는 부유 밸브를 또한 포함할 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 이중 돔 부유 밸브 구성을 도시하고 있다.
도 1b는 축 A-A를 따른 도 1a의 부유 밸브의 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 돔형 상부 캡(dome-shaped top cap)을 도시하고 있다.
도 2b는 축 A-A를 따른 도 2a의 돔형 상부 캡의 단면도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 돔형 중간 디스크를 도시하고 있다.
도 3c는 본 발명에 따른 중간 디스크의 부유 작용을 도시하고 있다.
도 3d는 본 발명에 따른 비틀림-방지 중간 디스크를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 원뿔형 필터 카트리지를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 필터 외피로서의 물 투과성 재료를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 필터 교체 표시기를 도시하고 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 예시의 다단계 필터의 단면도를 도시하고 있다.
도 7c는 본 발명에 따른 개인용 물병에서 사용되는 예시의 필터 카트리지를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 개인용 물병에서 사용되는 필터 구성 요소의 분해도를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명에 따른 내장형 TDS 계측기를 합체한 물주전자를 도시하고 있다.

본 발명의 다수개의 예시 실시예가 개선된 여과를 제공하는 데 사용될 수 있다. 돔형 리드가 필터 내의 공기-로크를 없애고, 돔형 중간 디스크는 필터 요소가 분리된 상태로 남아 있는 것을 보증한다. 유동 제어 출력 포트가 여과된 물의 유동 높이 및 유동 속도 그리고 또한 필터 층 내에서의 물의 "체류 시간"을 조절한다. 경사형 유동 출력 섹션이 필터를 통한 물 유동을 가속시킴으로써 개선된 유동 특성을 제공한다. 새로운 물 투과성 필터 백 재료가 필터 매체를 수납하는 데 사용된다. 추가의 세척 과정은 필터의 수명이 만료되기 시작될 때에도 더 큰 필터 수명 그리고 개선된 맛을 제공한다. 혼상 수지 내의 색상 변화 수지는 필터의 수명 만료를 표시한다. 마찬가지로, 필터 수명 만료 표시기는 필터가 교체되어야 할 때를 사용자가 판정하는 것을 돕는다. 개선된 TDS 계측기가 여과된 물을 시험하는 데에서의 사용을 위해 물주전자 및 다른 분배기 내로 합체된다. 상기 장치는 새로운 및 기존의 필터 카트리지의 양쪽 모두에서 성능 개선을 제공하도록 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

이중 돔

본 발명의 하나의 실시예가 도 1a 및 1b에 도시되어 있고, 돔형 리드(210)(도 2b에 도시됨)에서 사용되는 밸브(110)를 포함한다. 돔형 리드(210) 그리고 도 3a 및 3b에 도시된 돔형 중간 디스크(305)는 이중 돔 필터 구성을 제공한다. 돔형 리드(210) 및 돔형 중간 디스크(305)에서의 밸브(110)의 조합은 필터 공기-로크를 없애도록 작용한다. 돔형 리드(210) 및 돔형 중간 디스크(305)는 필터 내에 있을 수 있는 공기-로크의 주요 지점에 상승 공기를 집중시킨다. 필터 내의 공기가 돔의 상부에서 구멍(벤트)을 통해 탈출되게 함으로서, 필터 내의 공기 로크가 방지되고, 여과되지 않은 물이 자유로운 상태로 필터 층을 통과할 수 있다. 필터 내의 공기 로크의 제거는 더 빠른 물 여과를 제공하고 또한 필터 내에서의 채널링(channeling)을 방지한다. 채널링은 물 또는 다른 액체가 필터 매체의 저저항 경로를 통과할 때에 일어난다. 즉, 채널이 필터 매체의 성분과 감소된 접촉 시간을 갖는 특정한 영역을 통한 반복된 유동에 의해 필터 매체 내에 형성된다.

도 2a는 돔형 리드(210) 및 밸브(110)의 평면도를 도시하고 있고, 한편 도 2b는 도 2a의 선 A-A를 따른 돔형 리드(210)의 단면도를 도시하고 있다. 밸브(110)를 갖는 돔형 리드(210)는 투과성 밀봉부를 제공하여 공기 로크를 방지하면서 필터 내의 물을 유지하는 것을 돕도록 필터(별도로 도시되지 않음) 상에 설치될 수 있다. 여과되지 않은 물은 천공형 상부(235)를 통해 추가되고 필터를 통해 진행한다(별도로 도시되지 않음). 필터 또는 필터 카트리지의 물 높이가 상승 또는 하강됨에 따라, 밸브(110)가 물 높이에 따라 상승 및 하강된다. 즉, 돔형 리드(210)의 돔(166, 167)은 물 높이에 따라 위 및 아래에 위치되고, 돔(166, 167) 사이의 부유 밸브(130)는 [돔(166, 167)에 대해] 정지 상태로 남아 있다.

초기에, 돔(166, 167)이 돔형 리드(210)의 저부에 있고, 밸브(110)가 개방되고, 그에 의해 공기가 통과되게 한다. 여과되지 않은 물이 필터에 추가됨에 따라, 여과되지 않은 물이 천공형 상부(235)를 통해 유동되어 여과 매체(의 제1 층)에 도달된다.

물이 천공형 상부(235)를 통과하여 여과 매체에 도달되면, 여과되지 않은 물이 여과 매체의 상부에 헤드 공간 층을 형성한다. 도 1b에 도시된 것과 같이, 헤드 공간 층의 물은 물 밀봉 층(120)에서 밸브(110) 상에 상향력(방향 F로서 도시됨)을 인가한다. 물 높이가 벤트(155)에 도달될 때에, 돔(166, 167)이 상승되고, 부유 밸브(130)가 폐쇄된다. 물이 필터를 통해 진행됨에 따라, 돔(166, 167)이 물 높이에 따라 아래에서 부유되고, 공기가 벤트(155)로부터 배기된다. 물 높이가 상승됨에 따라, 공기는 물 높이가 필터의 상부에 있고 벤트(155)가 폐쇄될 때까지 벤트(155)를 거쳐 계속하여 탈출된다.

추가로, 상당한 공기 기포가 존재할 때에, 밸브(110)는 물 밀봉 층(120)에서 위로 압박하는 수압이 작으므로 하향으로 이동된다. 이것은 필터(별도로 도시되지 않음)로부터의 공기의 자유 유동을 가능케 하고 그에 의해 필터 내의 공기-기포 그리고 결과적으로 종종 후속되는 유동 제한 또는 채널링을 없앤다. 부유 밸브(130)는 그에 따라 공기가 필터에 대해 유동되는 경로를 변경하는 기구를 제공한다.

밸브 (조립체)(110) 및 부유 밸브(130)를 사용하여 필터에 대한 공기의 유동을 조절함으로써, 공기-로크가 필터 내에 발생되게 하지 않고, 물이 예측 가능하고 일관된 속도로 필터를 통해 유동된다. 밸브(110)는 원통형 필터, (예컨대, 도 4에 도시된 것과 같은) 원뿔형 필터 등을 포함하는 많은 필터에서 사용될 수 있다. 사용자 및 소비자는 극적으로 더 일관된 유동 속도 그리고 필터 내의 공기-로크의 제거로부터 이익을 취한다.

마찬가지로, 도 3a-3d에 도시된 돔형 중간 디스크(305)는 필터 카트리지 내의 필터 매체(매체들)에서 강성 및 안정성을 제공하는 데 사용될 수 있다. 추가로, 돔형 중간 디스크(305)는 상이한 필터 매체 층을 분리하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 돔형 중간 디스크(305)는 필터(315) 내의 탄소 및 이온 교환 수지 층을 분리하는 데 사용될 수 있다. 도 3a의 돔형 중간 디스크(305)는 비틀림-방지 중간 디스크로서 기능하지만, 중간 디스크는 도 1의 부유 밸브(130)와 유사한 부유 밸브(330)를 갖거나 갖지 않는 상태로 사용될 수 있다. 예컨대, 수평 디스크(1305)에 대해 수직 안정성을 제공하는 유사하게 연장된 레그(1325)를 갖는 비틀림-방지 중간 디스크(1305)가 도 3d에 도시되어 있다.

예시 목적을 위해, 다음의 설명에서의 도면 부호는 부유 밸브(330)를 사용하는 도 3a-3c의 예시 실시예를 인용하지만, 도 3d에 도시된 디스크 및 레그에도 동일하게 적용 가능하다. 도 3c에 개략적으로 도시된 것과 같이, 중간 디스크(305)의 레그(325)는 필터(315)의 벽(345)을 따라 수직으로 연장된다. 이렇게 함으로써, 레그(325)는 필터(315)(카트리지)의 측벽(345)에 직각으로 중간 디스크(305)의 천공형 부분(335)을 유지하고, 또한 (별도로 도시되지 않은 탄소 및 이온 교환 수지 층을 포함하는) 필터의 요소가 습기에 따라 팽창 및 수축됨에 따라 도 3c의 방향 화살표 U 및 D를 따른 상향 및 하향 이동을 가능케 한다. 중간 디스크(305)의 이러한 상향 및 하향 이동은 필터(315)(카트리지) 내의 개방 "공기 공간"을 제어하고 분리된 상태로 필터 매체 요소를 유지하는 것을 돕는다. 필터의 일체성은 공기 기포가 필터 내에 생성되지 않고 공기-로크가 형성되지 않을 때에 유지된다. 물은 필터 요소의 최대 표면적을 이용하는 효율적인 패턴으로 필터(315)를 통해 유동된다. 추가로, 식품 안전성 폼 재료가 필터의 상부에 균등한 물 유동을 제공하는 것을 도우면서 필터로부터의 탄소 누출을 피하도록 다양한 필터 카트리지에 추가될 수 있다.

유동 제어 출력 포트

본 발명의 장치는 여과된 물의 유동 높이 및 유동 속도를 조절하는 원뿔형 필터 유동 제어 출력 포트를 또한 포함한다. 본 발명에 따른 원뿔형 필터 카트리지(410)가 도 4에 도시되어 있다. 필터 카트리지(710)의 단면도가 또한 도 7a 및 7b에 도시되어 있다. 필터 카트리지의 추가의 분해도가 도 8에 도시되어 있다. 원뿔형 필터 카트리지(410, 710)는 나사산형 상부 부분(420)을 사용하여 물주전자, 물병 등의 용기(도시되지 않음)에 부착된다. 원뿔형 필터 카트리지(410, 710)는 주전자, 병 등의 미여과수 저장조에 부착될 수 있다. 여과되지 않은 물이 카트리지(410, 710)의 상부(430, 730) 내로 주입되고, 도 4의 화살표 G에 의해 도시된 방향으로 그리고 도 7a의 화살표 F에 의해 도시된 방향으로 카트리지(410, 710)를 통해 아래로 유동된다. 원뿔형 필터 카트리지(410, 710)가 미여과수 저장조로부터 물을 수용할 때에, 여과되지 않은 물이 미여과수 저장조로부터 카트리지(410, 710)의 상부(430, 730)(헤드 공간)로 이동되고, 도 7a의 화살표 F에 의해 도시된 방향으로 카트리지(410, 710)를 통해 아래로 유동된다. 필터 카트리지의 하부 부분(760)은 카트리지(410, 710)의 경사형 유동 출력 섹션(440)을 포함하고, 카트리지(410, 710)의 상부 부분(450, 750)의 단면적 A2보다 작은 단면적 A1을 갖는다. 이와 같이, 단면적 A1을 통한 물의 유동 속도가 단면적 A2를 통한 물의 유동 속도보다 크다. 즉, 물은 단면적 A1을 통해 가속된다. 단면적 A1과 A2의 크기 관계는 요구 출력 유동 속도에 따라 변화될 수 있다. 각각의 섹션[440, 450(760, 750)]을 통한 유동 속도는 이들 섹션의 단면적에 반비례할 것이다.

추가로, 카트리지(410, 710)의 출구 개구(460)[경사형 유동 출력 포트(790)]는 또한 카트리지(410, 710)로부터 배출되어 용기 또는 여과수 저장조 내에 수집되는 물의 유동 속도를 조절하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 카트리지(410, 710)를 통한 중력 유동으로써 카트리지(410, 710)의 상부(430, 730)(헤드 공간) 내로 여과되지 않은 물을 주입할 때에(또는 미여과수 물 저장조로부터 여과되지 않은 물을 수용할 때에), 0.063 인치의 구멍 크기를 갖는 출구 개구(460)[경사형 유동 출력 포트(790)]가 대략 180-200 cc/분의 용기 내로의 여과된 물의 유동 속도를 가져온다. 개선된 유동 향상 특징부와 조합될 때에, 필터 외피 케이스(788) 내의 이러한 출구 개구(460)[경사형 유동 출력 포트(790)]가 여과된 물의 유동 속도의 주요 결정 인자이다. 카트리지(410, 710)의 원뿔형 기하 형상 그리고 특히 원뿔 형상의 단면의 과도한 각도는 물 유동 속도를 가속시키고, 이것은 이러한 추가된 흡인력이 없으면 공기 기포가 유동을 지연시킬 수 있는 필터 원뿔의 더 넓은 상부[상부 부분(450, 750)]를 통해 물을 흡인하는 것을 돕는다. 이것은 그 다음에 필터 카트리지(410, 710)를 통한 유동 속도의 주요 결정 인자로서의 출구 개구(460)[경사형 유동 출력 포트(790)]로부터 배출되는 출구 개구(460)[경사형 유동 출력 포트(790)]를 통한 필터 카트리지(410, 710)의 더 일관된 출력으로 이어진다.

어떤 크기 및 개수의 출구 개구를 통한 유동 속도를 정확하게 제어하는 것에 대한 다른 장벽을 제거함으로써, 필터 카트리지 내의 이온-교환 수지(755)의 혼상 내에서의 물의 "체류 시간"은 전체적으로 필터 내의 다른 층 내에서의 체류 시간과 함께 정확하게 제어될 수 있다. 예컨대, 카트리지(410, 710)의 출구 개구(460)[경사형 유동 출력 포트(790)]는 카트리지의 탄소 필터 층, 이온-교환 수지 층 및 다른 필터 층과 관련되는 물의 체류 시간을 조절하는 데 사용될 수 있다. 카트리지의 임의의 부분의 여러 위치에서 물 출력 개구를 갖는 카트리지는 또한 필터의 성능을 조절하는 데 개구의 크기를 사용할 수 있다.

이러한 신중하게 관리된 유동 속도 및 체류 시간은 이온 교환 수지의 혼상의 성능 및 효율적인 사용을 최대화하는 데 사용된다. 본 발명의 시스템 및 방법은 전자 TDS 계량기에 의해 측정될 때에 0 ppm의 수준까지 모든 용존 무기 고체를 제거하도록 최소 3 내지 4 분의 체류 시간을 유지한다. 이러한 체류 시간에도 불구하고, 본 발명의 시스템 및 방법은 수용 가능한 유동 속도(최소 100 cc/분의 유동)를 제공할 수 있다. 이온 교환 수지의 혼상은 (표준 TDS 계측기로써의) 모든 측정 가능한 용존 고체의 제거가 상기 시스템의 특징 및 이익이므로 개선된 성능을 제공한다. 혼상은 대략 50/50 혼합비의 음이온 및 양이온 수지를 포함하고, 이것은 (0 ppm 수준까지 측정 가능하게) 여과된 물 분자로부터 모든 양 및 음으로 대전된 이온을 제거할 것이다. 음이온/양이온 혼합비의 범위는 최적의 효율 그리고 수지의 수명이 만료되기 전에 여과되는 물의 최대량 각각을 위해 48-52% 혼합비 내에 있다.

이러한 최적의 체류 시간 및 유동 속도는 출구 구멍의 크기 및 개수를 통해 정확하게 관리될 수 있고, 이 때에 출구 구멍은 유동 속도의 주요 결정 인자이다. 필터의 다른 요소가 최적의 여과 성능을 제공한다.

필터 층

도 7a, 7b, 7c 및 8에 도시된 것과 같이, 필터 카트리지(710)는 필터 매체, 스크린 및/또는 분리기가 수납되는 폴리프로필렌 외부 케이스로서 제조될 수 있다. 아래의 논의 그리고 예시의 도면은 예시 실시예를 위한 어떤 필터 매체를 언급하고 있지만, 관련 기술 분야에서 알려져 있는 임의의 필터 매체(물의 정화 및 처리를 위해 알려져 있는 매체) 또는 필터 매체의 조합이 본 발명에서 사용될 수 있다. 필터 매체는 물 정화 품질의 요건에 따라 흡착 수단[예컨대, 활성 탄소, 합성 제올라이트, 슈운가이트(schungite) 등], 이온 교환 수단(예컨대, 이온 교환 수지 등), 다공성 수단(예컨대, 폴리프로필렌, 다공성 유리 비드 또는 프릿, 필터 종이 등), 촉매 수단(예컨대, KDF 등), 살균 수지(예컨대, 아이오딘 수지 등) 그리고 상이한 조성물의 수단의 성질을 조합한 혼합형 매체로부터 선택된다. 필터 매체는 박테리아, 중금속, 염소, 유기 불순물, 무기 불순물, 방사성 불순물 등의 불순물을 제거하도록 선택 및 사용될 수 있다. 필터 매체는 다공성 멤브레인들 사이에 형성되는 비드, 분말 또는 과립형 입자의 형태로 되어 있을 수 있거나, 관련 기술 분야에서 알려져 있는 다른 형태를 취할 수 있다. 이러한 필터 매체의 예가 미국 특허 제8,252,185호; 제7,413,663호; 제7,276,161호; 제7,153,420호; 제6,752,768호; 및 제5,635,063호에 기재되어 있고, 이들 모두는 참조로 여기에 합체되어 있다. 필터 매체는 개별의 층으로 분리될 수 있거나, 전체적으로 함께 혼합될 수 있거나, 상이한 층으로서 포함되는 상이한 조합의 필터 매체일 수 있다. 본 발명의 필터는 특정한 필터 매체 또는 필터 매체 혼합물의 1개 초과의 층을 포함할 수 있다.

도 7a-7b는 다수개의 여과 층 및 스크린 또는 메시 분리기를 갖는 필터 카트리지(710)의 단면도를 도시하고 있다. 예컨대, 제1 스크린 또는 메시(715)는 필터 카트리지(710)의 상부에 제공되고, 필터 층의 표면적에 걸쳐 물을 균등하게 분산시키도록 설계 및 제조된다. 스크린/메시의 하나의 예가 폴리프로필렌 스크린이다. 필터를 통한 물의 균등한 유동은 필터 내에서의 채널링을 방지한다. 채널링은 물 또는 다른 액체가 필터 매체의 저저항 경로를 통과할 때에 일어난다. 즉, 채널이 필터 매체의 성분과 감소된 접촉 시간을 갖는 특정한 영역을 통한 반복된 유동에 의해 필터 매체 내에 형성된다. 제1 스크린/메시(715)는 도 7c 및 8에서 분해도로 도시되어 있다. 제1 스크린/메시(715)는 또한 여과 매체의 하부 층을 수용하여 여과 매체의 하부 층이 이동되는 것을 방지하도록 설계 및 제조된다.

활성 탄소 층이 필터 카트리지 내에 포함된다. 도 7a-7b에 도시된 것과 같이, 활성 탄소 층(725)은 필터 카트리지(710)에서 처음의 여과 단계로서 위치될 수 있다. 예컨대, 활성 탄소 층(725)은 여과 과정의 맨 처음에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 활성 탄소 층(725)은 여과되지 않은 물로부터 유기 요소를 제거하도록 설계 및 제조된다. 활성 탄소 층(725)은 분말형, 과립형 또는 탄소 블록 재료일 수 있다.

도 7a-7b에 도시된 것과 같이, 산화 환원 합금 층(735)이 또한 필터 카트리지(710) 내에 포함된다. 산화 환원 합금 층(735)은 탄소 층(725) 바로 아래에 위치될 수 있거나, 탄소 층 내로 혼합될 수 있다. 산화 환원 합금 층(735)은 물, 필터 카트리지 및 필터 재료 내에서의 곰팡이(mold), 흰곰팡이(mildew) 또는 박테리아의 성장을 방지하도록 설계 및 제조된다. 산화 환원 합금 층(735)의 하나의 예는 KDF(Kinetic Degradation Fluxion media) 합금 또는 다른 고순도의 구리 및 아연 합금을 포함한다. 산화 환원 합금 층의 하나의 예는 플레이크형 또는 과립형 입자를 포함한다.

도 7a-7b에 도시된 것과 같이, 분리기(745)가 산화 환원 합금 층(735) 아래에서 사용될 수 있다. 분리기(745)는 물이 여과될 때에 물을 확산시켜 필터 층의 표면적에 걸쳐 물을 균등하게 분산시키도록 설계 및 제조된다. 필터를 통한 물의 균등한 유동은 필터 내에서의 채널링을 방지한다. 분리기(745)는 도 7c 및 8에서 분해도로 도시되어 있다. 분리기의 하나의 예가 폴리프로필렌 스크린이다. 분리기(745)는 또한 여과 매체의 하부 층을 수용하여 여과 매체의 상부 및 하부 층이 혼합되는 것을 방지하도록 설계 및 제조된다.

혼상 이온-교환 수지(755)가 또한 필터 카트리지(710) 내에 포함된다. 혼상 이온-교환 수지(755)는 특히 무기 요소를 없애도록 설계 및 제조된다. 혼상 이온 수지의 하나의 예는 대략 1/2 음이온 및 1/2 양이온을 포함한다. 혼상 이온 수지는 고도로 전개된 구조의 공극을 포함한다. 공극의 표면 상에, 용이하게 포획 및 방출되는 이온을 갖는 지점이 있다. 이온의 포획은 다른 이온의 방출과 동시에 일어난다. 이것은 이온-교환으로서 알려져 있다. 양이온은 수소 이온으로써 교체될 수 있고, 음이온은 수산기로써 교체될 수 있다. 수소 이온 및 수산기는 재결합될 수 있고 그에 의해 물 분자를 생성한다. 추가로, 아래에서 설명되는 것과 같이, 필터의 수명 만료를 표시하는 색상 변화 수지가 필터의 혼상 수지 내에 포함될 수 있다. 색상 변화 수지는 개인용 물병을 분해 또는 그렇지 않으면 해체하지 않고도 용이하게 관찰될 수 있도록 혼상 수지 내에 포함되어 필터(710) 내에 위치될 수 있다. 예컨대, 색상 변화 수지는 필터 및 개인용 물병 상에 위치되는 1개 이상의 투명한 "창"을 통해 관찰될 수 있다. 이러한 방식으로, 필터의 유효성의 용이한 표시가 판정될 수 있다.

미크론 필터 층(765)이 또한 필터 카트리지(710) 내에 포함된다. 도 7a, 7b 및 8에 도시된 예에서, 미크론 필터 층(765)은 예컨대 1 미크론 부직포 등의 1 미크론 필터이다. 미크론 필터 층(765)은 종종 여과 과정의 마지막에 위치된다. 그러나, 미크론 필터 층(765)은 또한 맨 처음 등의 필터 카트리지(710)에서의 다른 위치(단계)에 위치될 수 있다. 미크론 필터 층(765)은 이중 목적을 위해 설계 및 제조된다. 미크론 필터 층(765)은 출력되는(여과되는) 물 내로의 탄소 먼지 또는 다른 여과 매체의 배출을 없애고, 추가로 예컨대 포자, 오염물 및 다른 요소 등의 1 미크론보다 큰 요소를 여과한다. 미크론 필터 층(765)은 또한 여과 매체의 추가된 수준의 안정성 및 오염도를 제공한다.

추가의 분할기가 또한 필터 매체의 상호-혼합을 추가로 없애고 필터를 통한 물의 균등한 유동을 더욱 촉진시키도록 필터 층들 사이에 추가될 수 있다. 위에서 개략적으로 설명된 것과 같이, 필터를 통한 물의 균등한 유동은 필터 내에서의 채널링을 방지한다.

물 투과성 필터 백

본 발명의 장치는 도 5에 도시된 것과 같은 필터 외피(555)로서의 물 투과성 재료를 또한 포함한다. 물 투과성 필터 외피(555)는 카트리지(510) 내에 필터 매체(501, 502, 503)를 수납하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 필터 매체(501)는 활성 탄소 층을 포함할 수 있고, 필터 매체(502)는 산화 환원 합금 층을 포함할 수 있고, 필터 매체(503)는 이온-교환 수지를 포함할 수 있다. 전체의 필터 카트리지를 교체하는 대신에, 본 발명의 물 투과성 "백"이 카트리지(510)의 외피 내로 삽입될 수 있고, 카트리지(510)로부터 제거될 수 있고, 필터 외피(555)(백)가 그 유용 수명의 종료에 도달될 때에 교체될 수 있다. 물 투과성 외피(555)의 사용은 그 일회용 부품에서 훨씬 더 적은 플라스틱을 사용함으로써 폐기물을 감소시켜 훨씬 더 환경 친화적이고 더 낮은 가격의 제품을 제공한다. 물 투과성 멤브레인(백)(555)은 임의의 구성의 출력 포트를 갖는 상부 충전 및 중력 급송식 카트리지(top fill, gravity feeding cartridge)를 포함하는 많은 상이한 카트리지 구성에서의 사용을 위해 제조된다.

필터 수명 만료 표시기

색상 변화 수지, 전자 필터 교환 표시기 및 내장형 TDS 계측기는 필터 재료의 수명이 만료되었는지를 사용자가 판정할 수 있는 많은 새로운 방식을 제공한다.

색상 변화 수지

본 발명의 물 여과 장치 내의 필터 내의 색상 변화 수지의 포함은 필터 재료의 수명이 만료되어 교체될 것이 필요한지를 사용자가 판정하는 간단하고 효과적인 방식을 제공한다. 색상 변화 수지는 필터의 수명 만료를 표시하도록 혼상 수지에 추가된다. 혼상 수지의 수명이 만료됨에 따라, 물의 pH가 더 산성화된다. 산-염기 표시자 또는 리트머스-형태의 색상 변화 요소는 pH가 변화된 때를 표시하도록 수지에 추가된다. 물의 pH가 더 산성화(낮은 pH)됨에 따라, 추가된 산-염기 표시자를 갖는 수지가 수소 이온 농도의 변화에 응답하고, pH의 변화를 표시하도록 색상을 변화시킨다. 색상 변화 필터 수지는 수지 내의 pH 수준의 사용자에 대한 즉각적인 시각적 표시를 제공하고, 필터의 수명이 만료되었는지를 사용자가 빠르고 간단하게 판정하게 한다. 추가의 도구 또는 계측기가 판정을 수행하는 데 필요하지 않고, 그에 의해 필터 유효성을 평가하는 저비용 방법을 가져온다. 색상 변화 수지는 임의의 구성의 출력 포트를 갖는 상부 충전 및 중력 급송식 카트리지를 포함하는 많은 카트리지 구성에서의 사용을 위해 제조된다.

필터 교체 표시기

마찬가지로, 새로운 형태의 필터 수명 만료 표시기는 필터가 교체되어야 할 때를 사용자가 판정하는 것을 돕는다. 예컨대, 도 6에 도시된 필터 교체 표시기(633)는 필터 카트리지 및 필터 재료의 유효성을 측정하는 데 사용된다. 전도도는 목탄 및 이온 교환 수지의 혼합물의 수명이 만료되기 시작됨에 따라 물이 더 산성화될 때에 생성되거나 그렇지 않으면 증가된다. 여과된 물의 전도도가 예컨대 0 등의 미리 결정된 수준보다 클 때에, 필터는 더 이상 효과적으로 기능하지 않고, 교체를 필요로 한다. 필터 교체 표시기(633)는 여과된 물의 전도도를 측정하고, 전도도가 미리 결정된 수준보다 클 때에 시각적 표시를 제공한다. 예컨대, 필터 교체 표시기(633)의 센서 핀(601a, 601b)이 여과된 물의 샘플 내에 위치된다. 필터 교체 표시기(633)의 정지부(602)는 물 샘플이 필터 교체 표시기(633) 내로 침투되는 것을 방지한다. 회로 기판(603)이 센서 핀(601a, 601b) 사이의 전도도를 측정하는 비교기 및 RC 회로를 포함하도록 구성 및 제조된다. 센서 핀(601a, 601b)이 미리 결정된 수준보다 큰 전도도를 측정할 때에, 회로 기판(603)은 표시기 등(606)을 작동시켜 필터의 수명이 만료된 것을 표시한다.

내장형 TDS 계측기

마찬가지로, 새로운 형태의 물주전자의 리드, 핸들 또는 본체 내의 하우징은 TDS(total dissolved solid) 계측기를 확실하게 보유하는 편리한 보관 기구를 제공한다. TDS 계측기는 여과된 물의 용존 고체 총량 즉 여과 후에 물 내에 잔류하는 용존 고체의 농도를 표시한다. 염 및 미네랄 등의 용존 이온화 고체가 물의 전도도를 증가시키고, TDS 계측기는 용액의 전도도를 측정하여 전도도 측정치로부터 TDS를 결정한다.

본 발명의 하나의 예에서, 개선된 TDS(용존 고체 총량) 계측기가 여과된 물을 시험하는 데에서의 사용을 위해 물주전자 및 다른 분배기에 내장된다. 도 9에 도시된 것과 같이, 물주전자(977)는 TDS 계측기(987)를 수용 및 보유하는 물주전자의 리드(967) 내의 하우징(957)을 포함한다. TDS 계측기(987)는 필터 카트리지 및 필터 재료의 유효성을 측정한다. 필터가 그 유효 수명을 넘을 때에, 용존 고체 총량이 여과 후에 여과된 물 내에 잔류할 수 있다. 물은 목탄 및 이온 교환 수지의 혼합물의 수명이 만료되기 시작됨에 따라 더 산성화된다. 여과된 물의 용존 고체 총량이 0보다 클 때에, 필터는 더 이상 효과적으로 기능하지 못하고, 교체를 필요로 한다. 내장형 TDS 계측기(987)는 여과된 물의 용존 고체 총량을 측정하고, 용존 고체 총량이 0보다 클 때에 시각적 표시를 제공한다. 내장형 TDS 계측기(987)를 갖는 물주전자(977)를 구성함으로써, 사용자는 필터가 교체될 것이 필요한 때를 빠르고 정확하게 판정할 수 있다.

추가의 수지 세척 과정

본 발명에 따른 추가의 세척 과정은 시간에 따라 필터가 사용될 때의 여과된 물의 개선된 맛 및 냄새를 제공하는 데 사용된다. 예컨대, 필터를 조립하기 전에 수지를 추가로 세척함으로써, 휘발성 유기 화합물(VOC: volatile organic compound) 수준이 1 ppb(one part per billion) 아래까지 감소될 수 있다. 수지는 예컨대 미리 결정된 체적의 탈염수로써 세척될 수 있다. 수지는 그 다음에 VOC 수준이 1 ppb 아래로 유지되는 것을 보증하도록 반복적으로 시험된다. 1 ppb 아래까지 VOC 수준을 감소시킴으로써, 본 발명은 필터의 수명 만료 시의 또는 그 근처에 있을 때의 아민 냄새에 대한 잠재성을 최소화한다. 모든 VOC 중에서, 아민은 실온에서 높은 증기압을 갖고, 대량의 아민 분자가 화합물로부터 증발 또는 승화되어 주위 공기 내로 진입된다. 많은 다른 조합의 혼상 수지가 전형적으로 초기에 나쁜 맛을 남길 것이고, 그 맛은 많은 혼상 수지가 음용수를 여과하도록 설계되지 않기 때문에 필터의 수명 만료 시에 또는 그 근처에 있을 때에 훨씬 더 악화될 것이다. 광범위한 세척 그리고 최대 VOC 수준에 대한 시험의 조합은 본 발명의 필터의 물 출력이 깨끗한 맛을 갖는 것을 보증한다. 수지의 광범위한 세척 및 시험은 임의의 구성의 출력 포트를 갖는 상부 충전 및 중력 급송식 카트리지를 포함하는 많은 카트리지 구성에 대해 수행된다.

본 발명의 액체를 여과하는 시스템, 장치 및 방법의 예시 실시예는 공기-로크로 인한 필터의 폐쇄를 방지하고, 개선된 성능을 갖는 필터 카트리지를 제공하고, 여과된 물의 개선된 맛을 제공하고, 필터 시스템의 사용이 고객에 대해 더 용이해지게 한다.

Claims

여과되지 않은 물을 수용하고 여과 매체를 통한 물의 유동을 용이하게 하는 물 헤드 층과;
여과 매체를 수납하고 여과되지 않은 물이 여과 매체를 통과함에 따라 여과되지 않은 물을 여과하는 필터 층과;
물 헤드 층 및 필터 층의 상부의 돔형 리드로서, 돔형 리드는 물 헤드 층이 여과되지 않은 물을 수용하고 여과되지 않은 물이 필터 층을 통과함에 따라 물 헤드 층과 함께 이동되도록 구성되는, 돔형 리드
를 포함하는 물 필터.
제1항에 있어서, 돔형 리드는 물 헤드 층의 물 높이가 상승 및 하강됨에 따라 개방 및 폐쇄되는 부유 밸브를 포함하는 물 필터.
제1항에 있어서, 돔형 리드는 돔형 리드가 물 헤드 층과 함께 이동됨에 따라 필터로부터의 공기가 탈출되는 벤트를 포함하고, 그에 의해 필터 내의 공기 로크를 방지하는, 물 필터.
제1항에 있어서, 돔형 리드는 필터 내의 공기 로크를 없애는 벤트를 포함하는 물 필터.
제1항에 있어서, 필터 매체는,
여과되지 않은 물로부터 염소 또는 유기 오염물 중 적어도 하나를 제거하는 탄소 층과;
물 내의 pH를 중성화하는 산화 환원 합금 층과;
물 내의 무기 및 방사성 오염물 중 적어도 하나를 제거하는 이온 교환 층과;
미크론 필터 층
을 포함하는,
물 필터.
제5항에 있어서, 물 필터는 물로부터 불순물을 제거하고 여과 매체를 통한 물 유동을 조절하는 다공성 분리기 및 스크린 중 적어도 하나를 포함하는 물 필터.
제5항에 있어서, 물 필터는 유동 제어 출력 포트를 포함하는 물 필터.
제7항에 있어서, 유동 제어 출력 포트는 물 필터의 물 헤드 층보다 작은 단면적을 갖는 물 필터.
제5항에 있어서, 이온 교환 층은 양이온 및 음이온 수지의 혼상을 포함하는 물 필터.
제5항에 있어서, 이온 교환 층은 연수제를 포함하는 물 필터.
제5에 있어서, 이온 교환 층은 색상 변화 수지를 포함하는 물 필터.
제1항에 있어서, 물 필터는 중력-급송식 필터인 물 필터.
제1항에 있어서, 필터로부터의 필터 매체 누출을 방지하고 필터 층에서 균등한 물 유동을 제공하도록 구성되는 식품 안전성 폼
을 추가로 포함하는 물 필터.
제1항에 있어서, 강성 및 안전성을 제공하는 필터 매체 내의 중간 디스크
를 추가로 포함하는 물 필터.
제14항에 있어서, 중간 디스크는 적어도 2개의 필터 매체 층을 분리하는 물 필터.
제14항에 있어서, 중간 디스크는 중간 디스크의 평면형 부분으로부터 연장되는 레그를 포함하는 물 필터.
제16항에 있어서, 중간 디스크의 레그는 중간 디스크에 대한 수직 안정성을 제공하도록 중간 디스크의 평면형 부분의 최외곽 지점으로부터 연장되는 물 필터.
제14항에 있어서, 중간 디스크는 부유 밸브를 포함하는 물 필터.