脈沖清洗在節能型智能坐便器中的應用研究*

丘有長

(廈門優勝衛廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

節能環保一直以來是衛浴行業不變的主題，尤其是在節能減排的大背景下，消費者對節能環保產品需求愈加強烈。隨著《GB38448-2019智能坐便器能效水效限定值及等級》的發布，國家對智能坐便器產品人體清洗的水效、能效提出了更高的要求。低流量清洗的節能、節水產品符合未來衛浴行業發展的趨勢，具有廣闊的市場前景。

1 背景分析

目前絕大多數國內的智能坐便器產品采用空氣泵增壓，以減小清洗水流量。但隨著混氣量的增加，清洗水流越來越分散，且對于增加清洗力越來越沒有效果。

以下是現有產品在不同混氣量下的清洗水流狀況(見圖1、圖2、圖3、圖4)。

圖1 空氣泵關閉

圖2 空氣泵40%功率

圖3 空氣泵80%功率

圖4 空氣泵全功率

根據《GB/T 34549-2017 衛生潔具 智能坐便器》6.2.6要求，臀部清洗受力最大值應達到0.06 N以上，現有產品的空氣泵使用了80%功率，清洗流量約550 ml/min，沖洗力測試值約0.07 N[4]。如果再繼續增加空氣泵功率，減小清洗流量，不但沖洗力不增加，而且影響用戶清洗體驗；如果空氣泵功率不變，增加清洗流量則不符合節能、節水的行業發展趨勢。因此，需要采用一種新的清洗增壓方式，在降低清洗流量的同時，還能滿足用戶清洗體驗及國標要求。

2 基本思路

在保證水流沖擊力和體驗舒適度等條件下，要降低清洗流量，提高單位時間內的短時最大動能，獲得較大的水流沖擊力，把連續水流轉換成脈沖水流是一個很好的方式。

因此，筆者采用脈沖清洗的方式，在Δt1時間內，需要水量、流速保持較大，根據動量定理，此時間段內可以獲得較大的水流沖擊力；在Δt2時間內，水量、流速為0，以此保證整個t周期內，平均水量較小。

為保持人體清洗體驗，Δt1和Δt2交替出現，頻率可根據需要進行選擇(見圖5)。

圖5 脈沖清洗示意圖

脈沖清洗需要研究2個問題，一是在Δt1作用時間內清洗水流的樣式；二是選擇比較合適的脈沖增壓方式。

3 清洗水流樣式

3.1 清洗出水口形狀選擇

相同條件下，清洗水流的射程越大越好，射流越集中越好，根據《異形噴嘴自由射流破碎長度及射程的實驗研究》[1]以及《不同形狀噴嘴的射流流動與卷吸特性》[2]，綜合各種情況，選擇圓形出水口。

3.2 清洗水流自混氣

應用文丘里原理，在清洗出水口中段設置進氣通道，使得清洗水流在噴射時，自動混入少量空氣，形成氣水兩相流，氣水兩相流在噴射出出水口時，空氣與水分離，噴射水流變為不連續，水在表面張力作用下自動形成一滴滴水珠，清洗人體時水珠圓潤、飽滿，體驗最佳(見圖6、圖7)。

圖6 文丘里自混氣結構

圖7 自混氣清洗水流形狀

4 脈沖增壓方式研究

在增壓方式上，個別廠商采用電磁泵的方式，但經過研究，筆者選擇采用柱塞泵的原理重新設計脈沖增壓泵。

柱塞泵是一種反復運動的體積泵，依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔腔體的容積發生變化來實現增壓。柱塞泵具有高排壓、高容積效率、易于調節流量和脈沖頻率的優點。

脈沖增壓泵通過直流減速電機驅動凸輪滑塊機構，帶動活塞壓縮腔體中的水流。在實際運用中可以通過調節電機轉速和腔體容積改變出水流量和脈沖頻率(見圖8)。

圖8 脈沖增壓泵結構

為了產生明顯的脈沖，減速電機轉速設計時設定為240 r/min，腔體有效工作容積設計為1.5 ml，此時脈沖增壓泵的流量約為350 ml/min。將脈沖增壓泵接入水路中，研究清洗水流和清洗力的變化。結果表明，在脈沖增壓泵的作用下，清洗水流水滴變小，速度變快，總體趨勢不變，新設計的出水口仍能保持水滴的圓潤、飽滿；同時在350 ml/min的流量下最大清洗力得到了極大的提升(見圖9)。

圖9 脈沖增加泵下的清洗水流

表1 脈沖增加泵下的清洗水流

5 總結

上述測試結果表明，脈沖清洗可以在大幅降低流量的同時增加清洗力，并提升用戶的清洗體驗。

根據《GB 38448-2019智能坐便器能效水效限定值及等級》[3]，傳統空氣泵增壓方式清洗水流量約為550 ml/min，計算的平均用水量為0.42 L，只能滿足2級水效等級要求(≤0.50 L)。采用脈沖清洗的方式后，清洗水流量約為350 ml/min，計算的平均用水量為0.27 L，可以滿足1級水效等級要求(≤0.30 L)。 降低流量同時意味著對加熱系統功率要求降低，脈沖清洗降低了40%的清洗流量，相應的水加熱的能耗也相當于降低了40%。

綜上所述，脈沖清洗技術的運用，是有利于突破當前制約我國智能坐便器產業綠色發展的關鍵技術，符合當前國內市場節水、節能智能坐便器的發展趨勢，可以促進我國傳統衛浴產業向綠色低碳產業轉型升級。