基于聲波震動的智能坐便器節能清洗技術*

王 棟

(廈門優勝衛廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

智能坐便器，又名電子坐便器，一種用水洗替代了衛生紙的電器，引發了一場衛浴革命，經過近幾年的快速發展，國內家庭普及率已經從2016年的0.5%上升到2019年的3.5% ，預計到2035年會達到10%。近幾年，隨著衛浴節能減排國家標準深化執行，我國智能坐便器產品將受到越來越多消費者認可，尤其是80、90后一代，他們追求品質生活，進一步刺激智能坐便器市場需求。隨著國家對智能坐便器的標準的制定與發布，特別是坐便器水效等級及能效等級的劃分，都將促使智能坐便器向環保節能方向大力發展。

作為智能坐便器最基本的清洗功能，是將一定流量的水加熱到合適水溫送達清洗部位，來達到清洗污物的目的。單位時間內的清洗用的水量，即清洗的最大流量，除了是評判智能坐便器是否節水的依據，還是清洗水在保證合適的水溫的情況下，對整機最大功率的一個考驗，目前產品動輒1 600 W以上，耗電量較大。同時，在衛生間潮濕環境中，大功率電器的安全防護需求也更高。而如果只是簡單的降低清洗流量，將使清洗體驗、清潔效果等大大折扣。如何在保證清洗體驗和清潔效果不降低的情況下，還能降低智能坐便器的清洗流量，是一個很有意義的研究課題。筆者就是針對此課題，提出一種新的基于聲波震動技術的智能坐便器節能清洗技術，可以將最大清洗流量降低1/3，整機功率也降低1/3，做到節水又節電的目的。

1 清洗水相關標準

《CBMF15-2019智能坐便器》中：

6.2.4 清洗水流量的分級，一級：200 mL/min≤Q≤650 mL/min；

6.2.5 清洗水量:節水型智能坐便器的清洗水總量不應大于500 mL；

6.2.6 沖洗力的要求：臀洗清洗力最大值應達到0.06 N以上；

6.2.7 清洗面積：不小于80 mm2；

《GB/T 23131-2019》家用和類似用途電坐便器便座中：

5.2.1清潔率：A級應大≥98.0%

另外判斷清洗水體驗是否舒適，目前尚無明確標準，經過大量實驗，特點如下：

(1)流量越大，清洗水越舒適；

(2)水花無規律的發散和凌亂會使體驗變差；

(3)清洗面積越大，體驗越舒適。

可以看出清洗水量與清潔效果和舒適度呈正比關系，大流量可以達到較好的清洗效果，但是流量與水效和能效呈反比的關系。

2 市場技術情況

目前市面上智能坐便器的清洗方式，一些較早的機型采用直噴水的方式，此種方案要滿足標準的要求，清洗流量需要做到800 mL/min甚至以上，導致整機最大功率高達2 000 W以上。而現在市面上大部分產品采用的是在水路里面增加空氣泵加壓混入空氣的方式，此方案可以有效地降低流量，但是比較有限，正常最大清洗流量可以到600 mL/min，最大功率達1 600 W以上。如果一味通過增加空氣壓力，來減小清洗水流量，會使得清洗力下降，同時清洗水花會發散凌亂，導致實際體驗不舒適。還有一種是采用脈沖泵的方案，將出水變為有規律的大顆粒脈沖水，此方式可有效將流量降低，但是因為成本和體積大等問題未能大量普及。

3 清洗流量與功率的關系

智能坐便器中提供溫水的電加熱器件的功率，主要和進、出水溫度及流量關系較大。進水溫度越低，要保證能加熱到設定的溫度，需要的加熱器件的功率越大。根據《CBMF15-2019智能坐便器》中測試條件：進水溫度15 ℃，即熱式智能坐便器的最高清洗水溫按40 ℃，加熱時間按照8S，根據加熱功率的計算公式：

W=Q/60×c×(T2-T1)/η×n

其中，W為功率；Q為清洗流量；C為水的比熱容；T1為進水溫度；T2為出水最高溫度；η為加熱轉換效率(按0.98) ；n為安全系數。

計算得出清洗流量與平均功率及最大功率的關系，如表1所示。

表1 不同清洗水流量下，對應加熱器的功率

平均功率是按照標準測試條件進水溫度15 ℃來進行計算。考慮到北方大部分地區冬天自來水的溫度可能接近5 ℃，所以目前即熱式智能坐便器內部的加熱器件的選型就需要按照最大功率來確定。可以看到如果把流量降低到400mL/min，整機的最大功率可以降低到1 100 W，相比目前空氣泵的方案，可以將能耗降低將近1/3。

4 技術原理及方案

4.1 技術原理

目前在清潔效果及體驗舒適度等條件約束下，要能降低清洗流量，把連續水流轉成脈沖水流，提高局部最大瞬時能量成為唯一選擇。目前市面有的脈沖水是把連續的水變為間斷的大顆粒的水珠，同時給水珠增加動能，都是在水流縱向上形成脈沖，稱之為縱向脈沖水，如圖1所示。滿足標準的同時，還能提供較舒適的體驗效果。

圖1 縱向脈沖水

4.2 技術方案

筆者的方案是首先是將清洗的出水孔減小,流量降低到400 mL/min，內部壓力將增大，出水速度會增加，出水的能量將會增加，對沖洗力有一個保證。同時再在出水口處增加頻率達到每分鐘1.2萬次的微型聲波震動馬達，使出水發生快速擺動，在水流的橫向上形成脈沖，稱之為橫向脈沖水。再配合噴管的移動按摩功能，就可以形成快速的正弦打點效果，迅速擴大清洗面積，形成一個高流速、大面積的水流。不但有高效的清潔效果，還有更大的清洗面積，同時由于聲波震動馬達的震動通過水流傳導到洗凈面，還會具有一定的按摩效果，提升清洗體驗。

圖2為直噴水水花效果 、空氣泵水花效果 、聲波震動水花效果及對應水花打在洗凈面形狀圖，可以明顯看出聲波震動水花比空氣泵水花可以提供規則的脈沖水花效果和更大的清洗面積，從而提升清洗體驗。

(a)直噴水水花效果

(b)空氣泵水花效果

(c)聲波震動水花效果

5 結論

通過實際驗證，對實際聲波震動脈沖水方案和空氣泵方案的清洗效果數據進行測試，數據如表2所示。

表2 空氣泵方案和聲波震動脈沖水在不同流量下測試的清洗效果數據對比

可以明顯看出，采用聲波震動脈沖水，在接近400 mL/min的情況下，清洗效果相關的測試參數可以達到和空氣泵接近的測試數據，特別是清洗面積更是大于空氣泵的數據。

由于增大了清洗面積，而且還使水花形成規則的脈沖水，同時由于聲波震動馬達的震動通過水流傳導到洗凈面，還會具有一定的按摩效果，因此清洗體驗得以提升了。筆者做了小范圍的體驗調研，實際結果上會優于空氣泵技術。

通過對常見智能坐便器清洗水的分析，創新性地提出了橫向脈沖水的方式，再通過聲波震動技術的應用，可以將最大清洗流量降低1/3，整機功率也降低1/3，實現智能坐便器節能清洗技術。在滿足標準要求下，有效降低了清洗流量，同時還擁有更高效的清潔效率和更舒適的體驗效果。較目前市場現有產品可以明顯的降低能耗，突破了制約智能坐便器產業向綠色節能發展的關鍵技術，為我國傳統衛浴產業的綠色可持續發展做出大的貢獻。