一種利用空氣蓄能輔助沖刷的高效節(jié)水型純平無水箱馬桶*

吳愛民 黃炳興 張東生 郭介山 李惜平

(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高及城市化的不斷進(jìn)行，由于使用時的舒適與衛(wèi)生，抽水馬桶已經(jīng)是我國人民衛(wèi)生間必配的潔具。當(dāng)然，抽水馬桶在給人們帶來方便的同時，也消費(fèi)了大量的水資源。據(jù)統(tǒng)計，抽水馬桶的用水量占到了城市家庭用水的一半以上。在許多城市，供水日益緊張，節(jié)約用水已經(jīng)提上了重要日程。國家發(fā)改委也針對馬桶的節(jié)水推出了《GB 25502-2017 馬桶水效限定值及水效等級》規(guī)定馬桶用水量分級標(biāo)準(zhǔn)及馬桶耗水量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。鼓勵盡量采用新技術(shù)降低馬桶耗水量。為了防止馬桶生產(chǎn)商一味為了省水而忽略馬桶沖刷性能，國家又要求馬桶符合GB/T 6952-2015 《衛(wèi)生陶瓷》及GB/T 31436-2015《節(jié)水型衛(wèi)生潔具》等相關(guān)效能國家標(biāo)準(zhǔn)。目前市面上普遍使用的馬桶為6 L馬桶(三級水效節(jié)水馬桶)，如果我們能設(shè)計出用水量低于4 L的馬桶，以一個家庭每天使用馬桶全排10次計算，每天可以節(jié)約用水量20 L以上,一年可以節(jié)約7.4 t水。以中國有1億個馬桶計算，每年可以節(jié)約7.4億t水資源。同時，現(xiàn)在市場上的馬桶大多帶有一個水箱，這個水箱一般質(zhì)量5 kg以上，不但需要耗費(fèi)材料，在馬桶的燒成過程也要消耗較多的能源。并且，由于水箱的存在，對市場上越來越流行的馬桶簡約型設(shè)計也造成了極大的設(shè)計障礙。因此，研發(fā)高效能的節(jié)水型純平馬桶，在節(jié)約馬桶瓷料及用水具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 市場主流產(chǎn)品的方案簡述

馬桶行業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其主流產(chǎn)品是帶有水箱的噴射虹吸馬桶。另一種相對比較小眾的壓力蓄能沖刷馬桶，利用管道中的壓力水直接對馬桶污物進(jìn)行沖刷或者通過蓄能機(jī)構(gòu)(如壓縮彈簧或者壓縮空氣)把管道能量蓄起來,再通過機(jī)構(gòu)在啟動排水時把能量釋放出來推動污物。

現(xiàn)在參照以下說明書附圖，來說明市面上主流馬桶的原理及局限。

市面上主流的噴射虹吸馬桶其結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)馬桶排水閥15開啟時，儲存在馬桶水箱里的水在重力作用下從排水閥出水口流出后分成2部分，一部分水流經(jīng)洗凈水路13對馬桶本體11的洗凈面進(jìn)行刷洗；另一部分水流經(jīng)噴射水路14從噴射口17噴出對馬桶本體11的底部承污部的污物進(jìn)行沖洗，并輔助S型虹吸管道快速充滿水形成虹吸效應(yīng)把馬桶承污部里面的污物抽出馬桶本體。這種馬桶總體來說水箱里水的勢能比較有限，在要求用水量及高沖刷性能的匹配上比較難以統(tǒng)一。尤其近十年來市場馬桶的流行趨勢是往低水箱甚至是無水箱方向發(fā)展，馬桶水箱存水勢能更低，對馬桶污物的沖刷力也就也弱。同時市場對節(jié)水的要求也越來越高，這種噴射虹吸馬桶在用水量，沖刷性能及外觀上難以統(tǒng)一的缺陷就更加突出。

圖1 市場上常見坐便器結(jié)構(gòu)圖

圖2是市場上近年來出現(xiàn)的一種空氣蓄能包馬桶，馬桶設(shè)有水箱，水箱里放置了個壓力包，進(jìn)水時供水管道的壓力水進(jìn)入壓力包后壓縮包里空氣蓄能并存水，使用時開啟壓力包的排水閥，蓄能水從壓力包噴出后對馬桶承污面的污物進(jìn)行沖洗，把污物推出馬桶。這種馬桶用水量為6 L或者4.8 L。由于其沖刷系統(tǒng)利用了壓縮空氣進(jìn)行沖刷，沖刷力度強(qiáng)，但其有兩個較大的技術(shù)限制：①壓力包體積較大，而且需要一個更大體積的陶瓷水箱來容納壓力包，馬桶難以做到純平外觀。②壓力包里的壓縮空氣積蓄能量在排水時瞬間釋放，相配套的馬桶也屬于沖落馬桶范疇，沖落馬桶的技術(shù)本身也不容易消除沖刷水流形成的噪音，因此整個系統(tǒng)沖刷噪音較大。

圖2 市場上的空氣蓄能包坐便器結(jié)構(gòu)圖

2 本課題的設(shè)計目標(biāo)

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本設(shè)計綜合考慮了上述馬桶的優(yōu)點(diǎn)與局限，提供了一種高效節(jié)水型純平無水箱虹吸馬桶的綜合解決方案。

新設(shè)計產(chǎn)品為了實(shí)現(xiàn)對市場上主流產(chǎn)品的替換，需達(dá)到以下設(shè)計目標(biāo)：

(1)在保證強(qiáng)勁沖刷功能的基礎(chǔ)上，用水量有明顯的減少；

(2)能適用市場流行的無水箱馬桶外觀設(shè)計要求；

(3)生產(chǎn)方便，工藝簡單，性能可靠。

3 本設(shè)計的具體解決方案

針對以上3個要求，本設(shè)計的總體思路是馬桶既有虹吸馬桶的低噪音的優(yōu)點(diǎn)，又要利用蓄能馬桶的強(qiáng)勁沖力，并優(yōu)化馬桶虹吸管道，使之與小水量的蓄能沖刷水相匹配，實(shí)現(xiàn)純平馬桶在低用水量下的低噪音高效沖刷。

下面通過具體實(shí)施方式來對本設(shè)計的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

如圖3所示，本設(shè)計為一種應(yīng)用空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)的純平無水箱馬桶，其基本思路是把儲水蓄能水箱分成兩個小水箱分置在馬桶排污管兩側(cè)使之實(shí)現(xiàn)純平無水箱設(shè)計。圖4為空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)儲水水箱1的結(jié)構(gòu)示意圖。儲水水箱1在使用時，第一水箱11作為水室、第二水箱12的上部作為氣室、第二水箱12的下部作為水室，以及連通件13會儲有少量空氣。在儲水結(jié)構(gòu)1進(jìn)水時，水流先進(jìn)入第一水箱11，第一水箱11儲水并將第一水箱11內(nèi)部的空氣擠壓上升，大部分空氣通過連通件13在第二水箱12內(nèi)壓縮，少部分空氣停留在連通件13的上部；第一水箱11滿水后水流通過連通件13進(jìn)入第二水箱12，第二水箱12儲水并將第二水箱12內(nèi)部的空氣進(jìn)一步壓縮并上升，使空氣在第二水箱12的上部儲壓；在沖刷系統(tǒng)1排水時，第一水箱11的水迅速排出，同時連通件13泄壓、第二水箱12上部的空氣推動其下部的水，使第二水箱12下部的水輸送至第一水箱11并排出(見圖5)。

圖3 純平無水箱馬桶

圖4 空氣蓄能輔助儲水水箱

圖5 水箱結(jié)構(gòu)三維圖

上述設(shè)計解決了現(xiàn)有壓力水箱占據(jù)空間大、與馬桶排污管干涉無法裝在純平無水箱馬桶上的弊端，同時第一水箱11和第二水箱12互相獨(dú)立安裝，裝配更加靈活，也降低了壓力包安裝在純平無水箱馬桶的工藝難度。

參考圖4和圖5所示，筆者所述的空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)除了包括儲水水箱1以外，其還包括組合閥2、排水閥3、開啟閥4。上述第一水箱11形成有第一進(jìn)水口111和排水口112，排水閥3與排水口112相對設(shè)置，組合閥2與第一進(jìn)水口111相對設(shè)置以實(shí)現(xiàn)第一水箱11和排水閥3的獨(dú)立進(jìn)水，開啟閥4控制排水閥3的泄壓或儲壓以實(shí)現(xiàn)排水閥3的活塞31開啟或封閉排水口112，從而實(shí)現(xiàn)本沖刷系統(tǒng)的正常的儲水與排水功能。

市場上現(xiàn)有的壓力沖刷馬桶配置銥科公司的ECOflush壓力包及sloan公司的壓力包，其用水量4.8 L或者6 L，不但壓力包體積較大，并且其壓力包里受壓縮的蓄能空氣在排水閥打開時是瞬間排放的，就像是氣球被戳破一樣發(fā)出較大的噪音，其噴出到馬桶排污管的壓力水速度極快，快速流動的水流形成了文丘里效應(yīng)，把馬桶洗凈面周圍的空氣吸到水里，從而使充滿排污管的水流充滿了很多空氣泡，這些空氣炮的存在破壞了排污管的真空度，使排污管無法形成虹吸效應(yīng)把馬桶里的污物里(尤其是密度較小的輕質(zhì)漂浮物)完全帶走。同時空氣泡的最終破裂也使馬桶沖刷過程噪音較大。筆者所述的馬桶搭配的空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)，基本思路就是蓄能壓力包的壓力水排放要“削峰填谷”，使之減慢速度排放，如此既可以延長壓力包排水時間，使之更加匹配虹吸馬桶管道的要求(馬桶虹吸發(fā)生時間3 s以上性能較好)，并且蓄能包里的受壓空氣緩慢釋放，也降低了馬桶的沖刷噪音。同時，配上相適應(yīng)的虹吸馬桶管道，產(chǎn)生了較長時間的虹吸效應(yīng)，增強(qiáng)了對馬桶承污面漂浮物的抽吸作用，使漂浮物排出更徹底。由于現(xiàn)在市政供水管道壓力一般可以達(dá)到1.5～3 kg，所以蓄能空氣推出的壓力水理論上也可以達(dá)到1.5 kgf/cm2。即使壓力緩慢釋放，經(jīng)測試也可達(dá)到0.5 kgf/cm2以上，換算成水箱等效高度有5 m水箱高度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出市場上高水箱馬桶的水箱等效高度(一般馬桶水箱高度小于0.3 m)。所以筆者所述搭配空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)的虹吸馬桶，在馬桶用水量降到4 L的情況下，就可以超過6 L用水量0.3 m水箱水高的等效沖刷效果。

參考圖6和圖7，在第二水箱12內(nèi)還設(shè)置有排氣控制閥7，用于控制本沖刷系統(tǒng)蓄能空氣及水流的按需排放。

圖6 水箱進(jìn)水

圖7 水箱排水

如圖8和圖9所示，上述排氣控制閥7包括將第二水箱12分隔成水室和氣室的水氣隔板71，以及排氣調(diào)節(jié)組件72。上述水氣隔板71設(shè)置有連通第二水箱12的水室和氣室的排氣口7111，排氣調(diào)節(jié)組件72與排氣口7111相對設(shè)置并活動調(diào)節(jié)排氣口7111的截面大小從而控制蓄能空氣的排放速度，也即控制了壓力水的排放速度，從而使空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)能適應(yīng)虹吸馬桶的管道需求。

圖8 水箱進(jìn)水

圖9 水箱排水

針對筆者所述的低用水量高能量的空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計也提供了與之相匹配的馬桶虹吸管道。

如圖10所示，市場上虹吸馬桶用水量一般為6 L,馬桶虹吸管道的虹吸喉一般設(shè)置在B處，以加大水箱與虹吸喉的高度差來增強(qiáng)虹吸力，但這樣產(chǎn)生虹吸前充滿虹吸管的用水量需要較多。筆者所述的馬桶，其配置的空氣蓄能沖刷系統(tǒng)，其用水量設(shè)計為4 L,用水量較少，但其水流能量遠(yuǎn)比水箱式馬桶大。針對這個特點(diǎn)，配備的馬桶虹吸管道的虹吸喉設(shè)置在A處，這樣發(fā)生虹吸時充填虹吸管道的水量更少(見圖11填充線)，可以盡量延長虹吸時間，使虹吸對馬桶承污面的污物排出效果更明顯。

圖10 虹吸馬桶

圖11 馬桶斜線填充

4 馬桶功能測試及認(rèn)證

一般馬桶依據(jù)GB/6952-2015及UPC標(biāo)準(zhǔn)ASME_A112[1].19.2-2015要求：

(1)洗凈面墨線殘留單段12.5 mm以下，全部洗凈面殘留墨線總和50 mm以下；

(2)沖刷2500個小顆粒殘留125個以下；

(3)沖100個PP球平均管道輸送12 m以上；

(4)沖20個海綿塊+8張牛皮紙的混合介質(zhì)測試，一次性通過22個以上的介質(zhì)，其余第二次沖刷能夠沖出。

本設(shè)計的純平無水箱馬桶功能經(jīng)過美國的UPC認(rèn)證中心檢測，功能如下：

(1)洗凈面墨線無殘留；

(2)2 500個小顆粒殘留平均5個；

(3)100個PP小球全部沖出18 m管道；

(4)20個海綿塊+8張牛皮紙混合介質(zhì)的測試一次性通過。

以上檢測已經(jīng)證明本設(shè)計馬桶在4 L用水量的標(biāo)準(zhǔn)下功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國標(biāo)及美國UPC標(biāo)準(zhǔn)要求，也超過大多數(shù)馬桶在6 L用水量下的排污功能，達(dá)到設(shè)計要求的高效省水功能。UPC認(rèn)證中心檢測報告如圖12所示。另外中國節(jié)水馬桶認(rèn)證正在進(jìn)行中(見圖12)。

圖12 UPC認(rèn)證報告

筆者所述的馬桶噪音測試有委托專業(yè)的測試公司進(jìn)行檢測。結(jié)果為L50噪音為40.3分貝。L10為58.4分貝。結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家規(guī)定數(shù)值。報告如圖13所示。

圖13 檢驗(yàn)報告

5 馬桶生產(chǎn)成本及便利性

筆者所述的馬桶沖刷系統(tǒng)，零件基本為塑料材質(zhì)，避免了彈簧包沖刷系統(tǒng)的高強(qiáng)力彈簧及高精度的不銹鋼件。其生產(chǎn)簡便，成本低。并且其既可以用電磁閥開啟以實(shí)配市場上流行的智能馬桶。也可以無電用按鈕沖刷，用在低成本的普通馬桶，因此其用途廣泛。