智能自感應蒸汽熱風消毒坐便器的設計

康社仁 趙大猛

摘 ? 要：本文闡述了一種能夠蒸汽清潔殺菌、熱風烘干的智能坐便器。具有智能自感應功能，采用高溫蒸汽有效殺死大腸桿菌、金葡萄菌等衛生間的真菌與細菌，確保坐便器表面的殘留的細菌總數符合國家消毒標準，解決了長期以來傳統坐便器困擾使用者安全、衛生、環保問題，同時可以實現熱風烘干的功能，為使用者提供一個舒適的使用環境。

關鍵詞：蒸汽清潔殺菌 ?熱風烘干 ?智能 ?坐便器 ?設計

中圖分類號：TU824 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0078-04

1 ?背景及目的

隨著社會的進步與科學技術的發展，人們既要安全衛生又要舒適環保且更具人性化與智能化。座廁相對比較舒適，但入廁者的皮膚接觸座廁座便器表面會增大感染衛生間細菌及疾病的風險。本文中所設計的具有智能自感應蒸汽殺菌、熱風烘干的功能，經過清潔消毒操作后可有效殺死大腸桿菌、金葡萄菌等真菌與細菌;確保坐便器表面的殘留的細菌總數≤300CFU/25c㎡符合國家消毒標準，并能清除座便圈表面的污漬和水漬，為使用者提供一個更加愜意的使用環境。

2 ?市場現有產品研究

當前生產座便器的知名品牌：箭牌、TOTO、帝王、美標、九牧、惠達、科勒、樂家、東鵬、四維等。智能座便器各家均在普通坐便器的基礎上加入了更加人性化、智能化、舒適、環保、衛生的設計，提倡“洗”比“擦”更清潔有效的觀念。具有如下幾點基本功能：自動翻蓋，臀部清洗，婦女專用，水流按摩，暖風烘干，座圈加熱，水溫調節，遙控或按鍵操作，抗菌功能，漏電保護。我們發現其大部分的功能主要是針對人體清潔而言的，對于坐便器自身主動的殺菌消毒功能是空白的，單憑含有抗菌材料的座圈無法長期有效地抵抗細菌的滋生和繁殖，彌補市場現有的弱項。

3 ?蒸汽清潔、殺菌功能

本功能通過座便器內的蒸汽發生器產生100°高溫蒸汽，并在巨大壓力下沖洗和溶解附著在座便圈上的頑固污垢，進行殺菌消毒作用。蒸汽廣泛用于殺菌、滅微塵、去污、除油垢、去微生物和微小雜質，此外，蒸汽對導致人體疾病的微小細菌殺滅力極強，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌均有良好的清除效果，一次性殺菌高達98%以上，是非常環保的殺菌材料。

4 ?熱風烘干功能

采用大約50°～60°得熱風，將坐便圈上的蒸汽清潔、消毒產生的水滴吹干，給后續的使用者提供一個舒適、干爽的坐便環境。

5 ?自動清潔、消毒坐便器的主要工作原理

本新型的工作原理是：當使用者走近座便器時，座便器上的紅外線感應器感應到使用者并將信號傳遞給主控制系統，主控制系統驅動座便器自動啟閉裝置打開座便蓋等待使用者使用（上一使用者離開后座便器已清潔、消毒過）;待使用者使用完畢后離開，紅外線感應器感將使用者離開的信號傳遞給主控制系統，主控制系統驅動座便器啟閉裝置關閉座便蓋;隨后主控制系統驅動座便器內的蒸汽清潔殺菌裝置、熱風烘干裝置分別依次交替產生蒸汽、熱風并從噴出管道中噴出來對座便圈及馬桶便池空間進行清潔、消毒、烘干;最后到達規定的清潔、消毒時間后控制系統關閉上述清潔、消毒裝置，進入待機閉蓋狀態。

6 ?智能自感應清潔、消毒坐便器的整體設計方案

該智能自感應清潔、消毒座便器的總體設計思路是，在普通座便器的基礎上以單片機控制的控制系統為核心，驅動相應的清潔消毒裝置、電子電器元件發生動作，從而帶動與其匹配的機械結構完成最總設定的功能。該自動清潔、消毒座便器是希望在普通坐便器的基礎上增加所需的消毒裝置和輔助裝置來實現，故按主體結構分為座便蓋、座便圈、主機箱、供水供電設施四部分，其中主機箱是核心部分，是普通坐便器所不具有的部分，所有的功能主要是由主機箱內的各種功能裝置完成。座便圈的設計方法與普通座便器的座便圈相同，只是在底部與座廁接觸的位置增加密封橡膠防止消毒材料外泄。座便蓋上也增加要布置蒸汽、熱風噴嘴，可以對座便圈近距離的清潔、烘干。熱風烘干裝置的風機進風口應預留足夠的進風空間，保證有足夠的空氣提供給風機。蒸汽發生裝置的發熱體設置了雙重保護，在隔熱材料的選型和結構設計上采用了較大的安全系數，充分保證用戶的人身安全。

7 ?蒸汽、熱風輸送管道和噴嘴的設計

前文整體設計方案將蒸汽、熱風兩種裝置設計于主機箱內，這樣就需要在主機箱內各消毒裝置與座便蓋上設立的噴嘴之間有相應的連接管道，這樣才能實現預想的功能。對于輸送管道首先要保證坐便蓋在翻轉的過程中不能阻礙坐便蓋得翻轉而且自身不能出現扭曲、絞死等管道不通的現象;其次輸出管道布置空間有限，要盡可能的簡單、整潔布局于坐便蓋內，不可外漏影響產品的美觀性。對于噴嘴而言，為了保證良好的清潔、消毒效果，其噴射的范圍應盡可能的覆蓋坐便圈的表面，噴嘴形狀的設計應保證清潔、消毒材料有一定的沖擊力。

（1）在對輸送管道設計之前務必將噴嘴的布局設計出，這樣才能根據噴嘴的布局形狀設計輸送管道。考慮到上文在設計紫外線殺菌裝置時在固定蓋上已對噴嘴的位置做預留，可以將噴嘴設計與下固定蓋上，并根據噴嘴的布局形狀利用上、下固定蓋閉合組成的空間來設計成消毒材料輸送管道。噴嘴布局于固定蓋邊緣向內側偏置10mm的中心線上，為了滿足制造工藝的要求噴嘴過水直徑為1mm，且于管道相接的位置設計1mm的倒角增大沖擊力。對于噴嘴的個數應根據管道的過水面積來設計。噴嘴的總過水面積應不超過管道過水面積的2/3，已知管道的內徑為8mm，噴嘴的直徑為1mm，根據面積公式：S=πr2

得出管道的過水面積為50mm2，單個噴嘴的過水面積為0.8mm2，所以：

噴嘴個數=管道過水面積×2/3÷單各噴嘴過水

（2）得出的值近似為40，所以只需將這40個噴嘴均勻分布于噴嘴布局中心線上即可。考慮到蒸汽、熱風兩種功能是分時間段、依次動作完成的，所以可以將此三種裝置的輸送管道合并為一支管道，只要切換使用即可，這樣既能滿足產品功能的需求又能節省產品的設計空間和成本。此外要保證管道與坐便蓋之間不產生運動干涉，最好的方法就是將管道分為兩段并從座便蓋旋轉軸心中穿過。將座便蓋旋轉軸心一端設計成圓形固定接頭，固定于主機箱上不做旋轉動作，而旋轉軸心的另一端設計成旋轉接頭，固定于坐便蓋上。上述兩處接頭圓心處孔徑設計為8mm，保證有足夠的過水量，固定接頭的兩端設有管狀接頭，其中套有O型圈的一端插入旋轉接頭內，屆時旋轉接頭在座便蓋的帶動下圍繞固定接頭旋轉，O型圈的作用是保證整個旋轉過程中兩處接頭處不會發生消毒材料泄漏和降低接頭旋轉的摩擦力。上文根據噴嘴的形狀布局在上、下固定蓋之間設計了輸送管道，但上下管道之間務必需要用硬度為70°的橡膠墊進行密封，為了保證密封性，上、下蓋輸送管道的周圍需要一圈的固定螺絲將其固定，并最終用螺絲固定于座便蓋上。考慮到上、下固定蓋得輸送管道需要與旋轉接頭進行連接，可以在上固定蓋靠近旋轉接頭的斜角處設計一個帶倒鉤的管莊接頭，而旋轉接頭靠近上固定蓋得方向也要設計一個帶倒鉤的管莊接頭，這樣用一段直徑為8mm的橡膠管將兩者連接起來，再用管夾進行固定即可。這樣消毒材料共用的輸送管道就設計完成了，屆時主機箱內的各清潔、消毒裝置只需要與固定在主機箱上的固定接頭輸入端相連接就可實現消毒材料的輸送和噴出。

8 ?蒸汽清潔、殺菌裝置的設計

蒸汽清潔、殺菌裝置的設計思路是，將水箱中的水通過水泵輸送到發熱體中產生蒸汽，再通過輸送通道輸送到噴嘴進行清潔、殺菌。發熱體、水泵、水箱及相應的管道設施是該裝置的核心部件。如圖2所示，水箱底部邊緣設計了一處出水口，該出水口設計成帶倒鉤的管狀，用內徑為8mm的橡膠管連接與水泵的進水口上，并用管夾固定。而水泵的出水端則用同樣的橡膠管連接到發熱體的進水口上，也用管夾進行固定，這樣整個蒸汽裝置的大體結構就完成了。剩下的工作就需要將它們固定起來并進行相應的輔助設計。發熱體的加熱時的溫度將達到200°，無法直接固定在一般的工程塑料上，這樣就需要設計一個相對密封的隔熱箱來隔熱。目前隔熱領域石棉纖維、陶瓷纖維材料的隔熱效果最佳，可以隔離1000°的高溫，陶瓷纖維易于成型，所以發熱體隔熱材料就選用陶瓷纖維。為了方便組裝，隔熱箱設計成上下兩部分組成，在發熱體電子元件線路與管道接口出留出相應的組裝孔。在隔熱箱的底部需要一個固定座將其固定在主機箱內，該裝置利用上文所介紹的臭氧發生器裝置的固定座和固定架，分別對隔熱箱和水泵進行固定，這樣就達到節省空間和成本的目的。由于主機箱內空間有限所以水箱的形狀務必根據水泵及其連接的橡膠管的設計相應的避空位置。

（1）對于發熱體的設計，設計之初考慮了兩種方案，一種是用PTC陶瓷管來加熱，一種是把電熱管進行鋁合金壓鑄成型制成發熱體進行加熱。PTC陶瓷管加熱速度較快，但需要設計一個密封的水箱將陶瓷管放入水箱內，結構比較復雜，安全隱患較大。用電熱管壓鑄成型在工藝上較容易實現，且只需要在發熱體中心做出一個過水的水腔，兩端接上防水接頭及，只要向水腔內通水即可實現功能，但相對于PTC而言加熱時間較慢。綜合各方面的因素后，本發熱體采用電熱管壓鑄的方式，電熱管的形狀設計成U型，管徑使用8mm的大管型增大加熱面積，同時選用220V/1500W較大功率的規格，經過試驗2s表面溫度可達200度以上。發熱體的材料使用熱傳導效率高的鋁合金，且鋁合金也易于壓鑄成型，最終使發熱體溫度達到200°所需要的時間應該在5s左右，符合產品的要求。發熱體水腔的直徑設計為8mm，進水接頭的直徑則應為4mm，這樣水流就會以較大的壓力進水水腔內，發熱體的水腔面積大于進水面積就可以瞬間加熱產生蒸汽。而蒸汽出口的接頭直徑也應設計成4mm，在進水水泵的壓力下，蒸汽能夠保證有持續的較大壓力進入輸送管道，繼而噴出。

（2）此外考慮到下文中的熱風烘干裝置需共用此發熱體，所以如圖3所示，發熱體的另一端設計了進氣的接頭和相應氣腔來加熱空氣，熱風出口接頭與蒸汽出口接頭并排布置于發熱體上，兩者的設計原理相同。所有的進、出接頭都要與相應輸送管道的橡膠管相接，所以接頭的連接處設計成帶倒鉤的管狀，屆時只需套上相應的管夾即可牢固安裝。而接頭的另一端設計成管狀螺紋，安裝時旋入發熱體即可，同時螺紋的尾段的直面段套上與其匹配的O型圈，這樣就可以與發熱體接口處起密封的作用。對于發熱體固定的設計，除裝入到隔熱箱相應的卡槽之外，還設計了六處螺絲固定裝置將其固定在隔熱箱上。為了防止震動在發熱體的下底邊緣設計了四處圓柱，并套上相應的耐高溫橡膠圈來起防震緩沖的作用。最后在安全保護方面，發熱體需要用單溫開關來控制溫度，用溫度保險絲來做高溫保護，所以發熱體的頂面與底面分別設計出固定單溫開關和溫度保險絲的槽位，并配置相應的固定片用螺絲來固定，這樣發熱體的設計工作就完成了。

9 ?熱風烘干裝置的設計

熱風烘干裝置的設計思路是圍繞字面的意思展開的，首先要有風，使用風機就可以提供風能。其次把風進行加熱才能變成熱風，這就需要一個加熱體。考慮到上文中產生蒸汽有使用到加熱體，且蒸汽的作用時間段先于熱風，所以如果能夠共用一個發熱體交替工作的話就可以節約產品成本，節約機構空間。當水經過發熱體時產生蒸汽，反之切斷水流開通風機就會有熱風從發熱體中產生。由于該裝置需要較強的風力，所以電機的功率務必達到20W左右，電壓使用統一匹配的直流24V。經過在電子市場分析比較，DELTA公司型號為BFB1224HH的風機參數適合本裝置。由于該風機的出風口是方形的，而發熱體的接口是圓形的，就需要制作一個風嘴轉接于兩者之間，考慮到發熱體加熱時溫度達到200°左右，普通的工程塑料會受熱變形，所以在風嘴與發熱體之間需用可耐溫250°的橡膠管連接，并用管夾固定橡膠管兩端。橡膠管的管徑設計為8mm，可以保持足夠的通風量，管壁為2mm。風嘴設計成喇叭型，一段設計成方形插入風機內，另一端為管狀并設計三個階梯的的倒鉤，增大與橡膠管的摩擦力。對于風機的固定應充分考慮進風口得因素，所以該裝置將風機的無進風口的一面貼于主機箱蓋得側壁上，有進風口的一端面向主機箱內空間。在主機箱蓋的底部設計兩處加強筋卡住風機底部邊緣，風機頂部有一螺絲孔，根據螺絲孔的位置在主機箱蓋上設計相應的螺絲柱用螺絲來固定。此外由于插入風機口部的風嘴有可能在風機啟動吹風時脫落，所以本裝置在主機箱蓋內靠近風嘴插入部位的邊緣設計了兩處加強筋卡住風嘴。對于該裝置中所用到的發熱體，需在發熱體內設計一條熱風通道，通道兩端增加兩處管狀接頭，進風端與風機方向耐高溫的橡膠管連接，另一端與上文所設計的輸出通道相連即可。

10 ?智能自感應控制系統

在對智能自感應清潔、消毒座便器的自動控制系統設計之前，須根據該座便器具體所要實現的功能列出輸入輸出分配表，然后再依據分配表進行系統結構設計。有了上述的輸入輸出分配圖后，再布置控制系統具體的硬件結構，該智能自感應清潔、消毒座便器控制系統以AT MAEG16單片機為核心，配合相應的外圍驅動電路，通過實時采集各種傳感器信號為輸入信號，在單片機程序驅動下實現對外圍電子、電氣設備的控制，具體包括電機、水氣泵、風機、電熱管、電磁閥等。最后只需要根據控制系統硬件結構圖編寫相應的控制程序，并將控制程序輸入到單片機ATMAEG16當中即可完成控制系統的設計工作。

11 ?結語

本文設計了一種能夠對自身及座廁便池空間進行智能自感應清潔、消毒的座便器，該座便器具有蒸汽清潔殺菌、熱風烘干等功能，能夠解決長期以來傳統座便器困擾使用者安全、衛生的問題，具有非常大的優越性，同時滿足了該類產品智能化、人性化、安全、舒適、方便、衛生的要求。文中先確定了智能自感應清潔、消毒座便器的整體設計方案，并著重對座便蓋自動啟閉、密封、紫外線殺菌、輸送管道、蒸汽清潔殺菌、臭氧清潔殺菌、熱風烘干、排臭除臭、座便蓋自動鎖止八個主要裝置進行較詳細具體的設計。通過模擬分析、實驗、計算、比較等方法確定了各主要裝置的重要設計參數、設計方法和設計思路，為相關部分的設計提供了主要依據。同時還設計了自動清潔、消毒座便器的控制系統結構和相關的硬件電路，為軟件的編制打下了基礎。

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