空气过滤器的设计重点

本体设计

　　空气过滤器的本体是整个过滤器的基体，是主要的承载部分，它在很大程度上决定了空气过滤器的外观和流量特性。本体的材料一般选用压铸铝合金或锌合金，塑胶材料虽便宜但强度不高.。在设计时，空气过滤器本体外型要与减压阀、油雾器的外型类似，要综合考虑。外型设计很重要，它关系到是否能够在众多生产厂家的三联件产品中突出自己的产品，打开销路。笔者在设计过程中，外型设计占了约40%的工作量，这是一个难点。外型设计总的原则是：在保证内部结构的前提下，外型有特色、简单、尺寸紧凑、易于拆装组合和模块化设计，尤其要考虑如何方便与其他元件连接。目前的产品中，主要有2种连接方式，一种为本体上有斜面，靠固定件上的斜面拉紧固定;另一种靠螺栓连接。前者便于拆装维修，后者则尺寸紧凑。同时，为确保过滤器不会装反，阀体上要有醒目的气体流动方向标志。

　　空气过滤器本体内部的设计主要是流道的设计，因为流道是影响流量特性的主要因素之一。流道设计要注意：

　　1)要尽量扩大进口流道的进气面积，保证进气流道面积为设计口径面积的1.5～2倍；

　　2)流道要尽量短，在满足强度的前提下，尽量将导流板上移靠近进气口。流道短还能缩短结构尺寸。

　　空气过滤器本体在设计压铸件时，要尽量减少机加工的切削余量，一般在0.5～1.5mm。过多的切削余量会增加材料成本和加工成本，还会增加不良率。这是因为压铸时内部难免会出现缩孔等不良现象，比较致密的金属层厚度比较薄，过多的切削量会破坏致密层。设计时要尽量使壁厚均匀，不同壁厚处要有圆弧过渡，以减少集中应力的出现。

导流板设计

　　空气过滤器的导流板是影响分水效率的关键部件。导流板的叶片在设计时要注意4点：

　　1)角度大小适当：角度过大，气流气旋不明显，分水效果不好;角度过小，分离出来的水会往上跑，很难流到水杯底部。叶片以30°～45°比较合适。

　　2)叶片要有足够的强度，同时有足够的过流面积。

　　3)导流板安装必须牢固可靠，因为气流在通过导流板时对叶片有较大的反作用力，容易使导流板松动或失效。

　　4)旋向。很多厂家都采用左旋，不过经过测试，左旋和右旋并没有明显区别。

伞形挡水板设计

  伞形挡水板用来防止杯底的水被气流回吸，设计时要注意3点：

　　1)伞形挡水板与滤芯接触的部分要有一定的弹力和强度，保证组装后滤芯和伞形挡水板不会松脱。伞形挡水板的材料一般用ABS或POM，所以要充分考虑塑料在使用过程中的老化问题，防止用过一段时间后失去弹力，必要时可以加一个锁紧螺母。

　　2)伞形挡水板的伞形板部分要有气压平衡孔，直径在1～2mm，用于平衡水杯上下2部分的气压。

　　3)伞形挡水板的伞形板部分要尽量大，与水杯的间隙在1～4mm之间，要留有缺口，以利于分离出的水流到杯底。

　　滤芯、水杯和保护罩设计

　　根据过滤精度的需要，可以使用不同的滤芯。滤芯有金属网型、烧结型和纤维凝聚型3种。金属网型过滤精度最低，纤维凝聚型过滤精度最高。常用的烧结型又有铜珠烧结、树脂烧结和陶瓷烧结3类，其中铜珠烧结最常见。通过选用不同的铜珠直径，可达到不同的过滤精度。一般有5μm，20μm，50μm，100μm4种过滤精度。铜珠滤芯的优点是可以多次清洗使用。

　　空气过滤器的水杯一般由透明的聚碳酸酯(PC)材料制作，便于观察杯中的水位。水杯的厚度要大于3mm，压力越大所用的厚度越厚。由于PC易碎，一般在较大规格的过滤器上使用时，要加金属保护罩。加保护罩时，保护罩要托住水杯的底部，让保护罩承受主要的压力。在高压时可以采用金属水杯，但要有透明刻度显示水位。

　　排水阀设计

　　空气过滤器的排水阀种类很多，这里介绍比较常用的3种。

       1)简易的手动排水阀。这种最简单，需要排水时用手打开阀， 排完水后关闭阀门。常用的有旋钮式小球阀、按钮式顶针阀等。这类阀设计简单，只要解决密封问题就可以了。手动阀一定要人工操作，必须定期检查水位并及时排水。如果排水不及时，会造成二次污染，起不到滤水作用。这种阀成本低，排水迅速，不影响正常工作，但人工维护成本高。

　　2)弹簧式自动排水器。无气压或极低气压时，弹簧顶起阀芯排水。有气压时，阀芯被压紧到O型密封圈上，停止排水。这种阀排水时要求必须停气，只能用在某些可以频繁停气的场所，优点是不用人工控制，制造成本低。

      3)自动排水器，有常开型和常闭型2种。无气压时，排水口处于开启状 态，为常开型;排水口处于关闭状态为常闭型。这2种结构可以设计成如右图所示，当复位弹簧安装在外侧的（8）位置时，为常闭型;当复位弹簧安装在活塞内部的（9）位置时为常开型。

　　由于结构类似，只介绍常开型。当水杯内无气压时，浮子（11）靠自重落下，通过控制杆（1）用密封塞（12）将上节流口（3）关闭。活塞（4）在复位弹簧（9）作用下下移，活塞杆与密封通道脱开，水油排出。当水杯内的气压大于最低动作压力后，活塞克服弹簧力和摩擦力上移，排水口关闭。当水杯内的水位升高到一定位置，浮子的浮力大于上节流口的密封压力时，通过控制杆将密封塞打开，气压从上节流口进入活塞内部上腔，活塞下移，排水口打开排水。当水位下降后，浮子将上节流口关闭。活塞上腔气压通过下节流孔排出，由于下节流口比上节流口小，活塞内腔的气体不能立即排尽，活塞上移将排水口关闭有一定的延迟，当排水口完全关闭时，杯中的水已基本排完。自动排水器的单次蓄水量比较少，排水比手动排水频繁。

　　常开型自动排水器在设计时首先要确定2个参数：最低动作压力和最高工作压力；而常闭型只需要确定最高工作压力。

　　最低动作压力是指让排水阀关闭的最低压力，一般为0.1～0.2MPa，最高工作压力一般为1.0MPa，设计时放大为1.2MPa。最低动作压力由活塞内外部的压力差、内部的复位弹簧力和活塞密封的摩擦力来决定。为尽量减少活塞密封的摩擦力，大活塞一般用摩擦力较小的Y型密封。Y型密封的唇口应向下，确保活塞外部的气压可以将活塞上移，装反则失效。

　　最高工作压力确定后，设计的关键就在于：上节流口和下节流口的直径及浮子的浮力三者要综合考虑。要能够完成排水，必须要满足以下的关系式:

　　ρ*g*V>π*D12*P/4>π*D22*P/4

　　式中，ρ为浮子的密度/(kg·m-3);

　　V是上节流口打开瞬间浮子浸入水中部分的体积/m3;

　　D1为上节流口的直径/m，

　　D2为下节流口的直径/m;

　　P是使用时的工作压力/MPa。

　　上节流口的直径太大，需要的浮子体积也必须大，这样会增加水杯的结构尺寸；直径太小，则在注塑时制作困难。一般情况下，上节流口的直径为0.8～1.5mm。

　　要让活塞内部能积聚足够高的压缩空气压力来移动活塞，下节流口的直径必须小于上节流口。在上节流口关闭后，活塞内的压缩空气不立即排出，可以使活塞不立即上升，从而将排水时间延长1.5～2.5s。

　　要满足上述条件，下节流口直径应在0.5～1.0mm，由于下节流口直径太小，制作非常困难，可以采用以下的解决办法：下节流口直径比上节流口直径稍小，然后再用一根稍细的不锈钢线通过下节流口，这样在满足制作工艺的同时又能大大缩小下节流口的有效通气面积。浮子在设计时要尽量大，密度要尽量小，浮子可以用实心的发泡材料，也可以用空心的POM制作，后者一定要密封好，同时要有足够的厚度来抵抗内外的压力差(内部为常压，外部为使用压力)。

　　为保证下部O型密封圈的密封效果，要在活塞外部加滤网，防止杂质污染密封面。另外，由于排水时有较大的冲击力，为防止O型密封圈被冲脱，应选用较大的线径和较低的压缩量，同时加导向槽，这样既能排水又能保护密封圈。