坐便器節水新技術研究＊

金延東

（九陽股份有限公司 杭州 310018）

坐便器節水新技術研究＊

金延東

（九陽股份有限公司 杭州 310018）

坐便器是家庭用水最多的器具之一。隨著水資源越來越短缺，各國研制的節水坐便器從每次用水15L降到13L、9L，直至降到6L被世界公認。目前主流的坐便器是虹吸式，虹吸式坐便器在排污時需要一定的水量充滿S形管，利用虹吸原理將污物排走，因此用水量還是比較大，無法實現真正節約水源，并且虹吸式坐便器還會存在堵塞的問題。筆者通過對現有坐便器排水方式進行研究改進，將坐便器虹吸式排水改為直排式，既節約水源又能解決坐便器堵塞問題。

坐便器 馬桶 節水 防堵塞 防濺水 設計

前言

我國是一個水資源短缺的國家，被聯合國列為貧水國家之一。資料顯示，衛生間用水量占家庭用水的60%～70%，而坐便器用水量更是占到了其1/3的水量，并且也是除開水龍頭節水因素以外最重要的節水環節。自坐便器問世以來給環境帶來極大的改善，現在市場上應用的坐便器主要為虹吸式，虹吸式坐便器有一個S形存水彎，在排污沖水時，坐便器內的水面超越S彎的高點時，由于管口水面不同的大氣壓力，水由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，構成虹吸現象，應用虹吸現象很快就可將坐便器內的水和污物一同抽走。當兩邊的大氣壓力相等時，容器內的水面高度相等，水就會停止流動，留下少量的水，構成了水封。

但是，虹吸式坐便器存在著自身無法克服的缺點，那就是容易堵塞、每次排污沖水時用水量比較大。

1 研究方向

根據虹吸式坐便器結構原理分析可知，要想更節水必須進行結構原理改進。為了研究設計出更加節水的坐便器，根據坐便器節水排污應用需要，確定節水坐便器研究方向如下：

1）取消S形存水彎，坐便器采用直接排污方式；

2）水封深度和表面積符合國家標準要求；

3）排污徹底可靠；

4）不容易堵塞。

2 方案設計

為了實現坐便器上述節水設計要求，可通過以下技術方案達成：

1）一種節水防濺坐便器，包括盆體和污水出口，在污水出口的上方水封的水面附近設置有蓋板，蓋板設計有一個封閉的凸緣；坐便器還設置有可穿過污水出口上下活動的排污管，排污管通過軟塑料與污水出口密封連接。帶有凸緣的蓋板扣在排污管上方通過水封進行密封，類似于地漏密封結構。在坐便器蓋板上設置有凸肋，可以防止坐便器內的水震蕩引起污水飛濺，既衛生也保證了人體的健康安全。節水坐便器結構示意圖如圖1所示。

圖1 節水坐便器結構示意圖

2）為了實現排污管穿過污水出口上下運動進行排污，坐便器應設置有一個杠桿，杠桿的一端與排水管滑動連接，另一端設置有配重。

3）坐便器還應設置有排水開關，排水開關通過杠桿與排污管滑動連接，使用時可以啟動排水開關進行污水排放及坐便器清洗。

3 結構設計

3.1 主體結構設計

節水坐便器設計包括：盆體1、污水出口2、蓋板3、軟塑料5、水封6、杠桿7、排污管12、杠桿支點15，蓋板3具有一個封閉的凸緣4，排污管12通過軟塑料5與污水出口2密封連接。排污管12可以采用鋁合金材質制成，外管壁設有連桿8。杠桿7的一端設置有配重9，另一端設

圖2 節水坐便器密封狀態示意圖

置有滑槽14與排污管12外管壁上的連桿8滑動連接，配重9的重心位于杠桿7的上方。排污管12連接污水出口2和下水道13，并在污水出口2和下水道13內上下運動，污水出口2和下水道13可對排污管12的運動起導向作用。

節水坐便器密封及排水主體結構示意圖如圖2和圖3所示。

圖2為排污管12封閉狀態。排污管12在杠桿7和配重9的作用下穿過污水出口2位于蓋板3和凸緣4形成的密封碗內，排污管12上端面高于凸緣4的下端面，水封6液面高過凸緣4，從而對排污管12進行密封，類似于地漏原理，防止排污管12內的氣味散發出來。

圖3 節水坐便器排水狀態示意圖

圖3為排污管12開啟狀態。當放水沖便的時候，排污管12及軟塑料5由于受到水的沖力而使杠桿7的平衡被打破，排污管12向下運動并通過連桿8帶動滑槽14繞著杠桿支點15逆時針轉動。排污管12在向下運動的過程中，污物和污水沿著圖中箭頭的方向從排污管12向下排出進入下水道13。隨著污物和污水從排污管12排出，排污管12重量減輕，杠桿7在配重9的作用下順時針轉動，排污管12向上運動進入蓋板3和凸緣4形成的密封碗內，重新恢復到封閉狀態。

3.2 排污管結構設計

排污管通過軟塑料和緊固件與污水出口2進行密封組成排污管組件，起密封和污水排放作用。軟塑料5的結構示意圖如圖4所示，上下兩端類似于漏斗形狀。

圖4 軟塑料結構示意圖

圖5為軟塑料5與污水出口2和排污管12的裝配示意圖。

圖5 排污管裝配示意圖

由圖5可見，軟塑料5的上口套在污水出口2外面與污水出口2密封連接。軟塑料5可以通過繩索、膠帶或者膠水等材料緊緊固定在污水出口2的外管壁，為了連接緊固，可以在污水出口2的外管壁上設置至少一圈密封槽或凸筋。軟塑料5下口從排污管12中間穿過并外翻包住排污管12，通過緊固件16使之固定并連接。軟塑料5和排污管12之間可以通過膠水粘接，也可以通過超聲波或者高頻焊接進行連接固定。緊固件16可以是繩索、膠帶或螺紋套管等，緊固件16的一個作用是緊固連接軟塑料5和排污管12，另一個作用是當排污管12在下水道13中滑動時保護軟塑料5和排污管12不被磨損。

軟塑料5下端也為漏斗形狀，并套在下水道13外管壁進行密封連接，防止下水道13中的臭氣外泄。

3.3 杠桿結構設計

杠桿結構原理如圖6所示。杠桿的A端為排污管12上連桿8的受力端，B端為配重9的施力端。在B端垂直于杠桿設置有一桿，在桿上按順序設有配重孔位，配重9可以設置在任一配重孔位上。

圖6 杠桿結構原理圖

凈時排污管12就恢復到封閉狀態；而當配重9位于C配重孔假設F為A端排污管12的總重力，G為B端配重9的重量，杠桿的重量忽略不計，則在平衡狀態時有：F×L＝G×M。當排污管12進行排污時杠桿逆時針旋轉，如圖6中虛線所示，由于污物和污水不斷被排出，F變小，當配重9位于B配重孔位時，此時F×N＝F×L×cosα，G×H＝G×M×cosα，由于F變小，則F×L×cosα＜G×M×cosα，（式中α為杠桿7的轉角，cosα為α的余弦值），即F×N＜G×H，就有可能存在污物和污水還沒有排位時，隨著杠桿7的轉角α增大，C點的力臂K與B點的力臂H的差值越來越大，也就是說C點的力臂K比B點的力臂H減小得快，實現了配重9端C點變力矩，當排污時，排污管12端的力矩由于F的變小而不斷地變小，而配重9端的力矩也由于配重9的力臂K相對于H不斷變小，通過調節C點的位置和配重9的重量，可以實現排污管12排凈污物和污水的瞬間狀態平衡即F×N＝G×H，當污水和污物完全被排凈時，排污管12恢復封閉狀態，達到即可排凈污水污物又可以使排污管12快速恢復到封閉狀態。

杠桿7設置有上定位塊20、下定位塊21，杠桿結構示意圖如圖7所示。上定位塊20和下定位塊21可以限制杠桿7的轉動角度使之在合適的范圍內，防止排污管12向上運動進行封閉狀態時撞擊蓋板3或者向下運動進行開啟狀態排污時撞擊下水道13，以保證工作的可靠性。杠桿7的位置也可以根據需要設置在排污管12的前端或后端。

圖7 杠桿結構示意圖

3.4 排水開關結構設計

3.4.1 腳踏開關結構設計

圖8 腳踏開關結構示意圖

為了便于使用，在坐便器的前面適當位置設置有腳踏開關。

當踩下腳踏開關19時，腳踏開關19繞腳踏支點18轉動并帶動杠桿7逆時針轉動，進行排污。在腳踏開關19的作用力消失后，排污管12恢復封閉狀態。排污狀態如圖8所示。腳踏開關19下面設有延時沖水閥10，延時沖水閥10與自來水進水管相連通。踩下腳踏開關19觸及延時沖水閥10，延時沖水閥10開啟，自來水進入盆體1對坐便器進行沖洗后進行水封。由于腳踏開關19的一端位于杠桿7配重9端的下面與之自由接觸，杠桿7可以逆時針方向旋轉。

當利用生活廢水對坐便器進行沖洗排污的時候，排污管12在水的重力作用下向下運動帶動杠桿7逆時針旋轉，排污管12向下運動排污，排污結束后，杠桿7在配重9的作用下順時針旋轉重新恢復密封狀態。

因此，踩壓腳踏開關19和向盆體1內沖水可以分別進行排污。腳踏開關結構示意圖如圖8所示。

3.4.2 手動開關結構設計

根據不同的使用需求，在坐便器的適當位置可以設置手動開關。

在杠桿7一端設置拉桿17，如圖9所示。拉動拉桿17，杠桿7順時針轉動，排污管12向下運動進行排污，同時拉桿17帶動水箱的沖水閥門進行沖水；松開拉桿17，杠桿7在拉桿17重力作用下逆時針轉動，排污管12恢復密封狀態。手動開關結構示意圖如圖9所示。

圖9 手動開關結構示意圖

3.5 蓋板結構設計

圖10 蓋板結構示意圖

蓋板3可以設計與坐便器一體，也可以設計成與坐便器分離的獨立部件，設計成獨立部件的蓋板結構示意圖如圖10所示。

蓋板3具有凸緣4并一體設置有凸肋11，在坐便器污水出口2上方設置有與凸肋11相配合的凹槽，便于蓋板3的安裝配合，當然也可以采用其他配合方式。蓋板3作為與坐便器分離的獨立部件的優點是可以拆卸，遇到排污管12等內部配件損壞或堵塞時可以方便觀察維修。

4 實驗測試

根據GB 6952－2005《衛生陶瓷》國家標準對本技術進行相關測試驗證，測試的結果如下：

1）坐便器用水量：國標要求節水型坐便器平均用水量≤6L，測試結果為平均用水量3L。

2）洗凈功能，墨線試驗：國標要求每次沖洗后累計殘留墨線的總長度不大于50mm，測試結果0。

3）坐便器球排放試驗：沖實心固體球100個，國標要求3次平均沖出數不小于85個，測試結果為100個。

4）污水置換功能，沖洗后水封水稀釋率：國標要求不低于100，測試結果1 000。

5 結語

筆者所設計的節水坐便器，由于去除了S形存水彎，真正采用直排方式進行排污，可以節省排污的用水量和時間，污物可以在重力作用下直接排除，不易堵塞，只需用少量的水沖洗坐便器盆體和蓋板即可，每次用水量可以比國標規定的節水型坐便器更加節省。另外可以將進水閥門直接與自來水管道相連，省去水箱，這樣既降低了生產成本，也節省了空間，還可以通過自來水的水壓使污物沖洗更加徹底。

相較于現有技術，本節水坐便器采用帶有封閉凸緣的蓋板套在排污管上方，類似地漏形式通過水封進行密封，可以有效地對坐便器進行密封防臭。排污管可以上下活動，當為開啟狀態時，排污管向下運動進行排污，由于蓋板的遮擋作用，可以有效防止在排污時污水四處飛濺，更安全衛生；當為閉合狀態時，排污管在杠桿作用下向上運動復位，可以通過水和套在排污管上的蓋板對坐便器進行密封，防止臭氣外泄。另外，由于本節水坐便器沒有類似污水出口的深水坑且在坐便器蓋板上設置有凸肋，可以防止排便時坐便器內的水震蕩過大引起污水飛濺，既衛生也保證了人體的健康安全。

1 衡瀟.節水功能與坐便器造型設計的研究.江蘇：江南大學，2008

2 賈福國.一種縱向槽形排污口側封功能性排污節水技術.中國專利：200610037110.0，2008－2－27

TQ174.76＋9

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1002－2872（2012）07－0020－04

金延東（1973－），本科，高級工程師；主要從事小家電產品設計與研究。