常壓射流水箱結合彈簧蓄能水箱坐便器沖刷系統的節水應用研究*

楊德濟

(廈門優勝衛廚科技有限公司 福建 廈門 361022)

前言

隨著國家強制性標準GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》[1]的頒布實施，節能節水成為坐便器必備的性能。而時代進步，生活審美的發展，純平外觀的坐便器在市場上深受消費者喜愛，所以節水型純平坐便器是我們的產品發展趨勢。

常規坐便器需要重力勢能，無法做到純平。市場上現有的純平坐便器是將儲存水箱放置在坐便器內部，利用電泵技術、壓力蓄能技術或射流技術實現沖刷功能。電泵技術，依賴電力，密封要求高，出水流量要足夠大，造價最高，難以普及；壓力蓄能技術成本相比略低，沖刷力度大，可滿足一級水效標準；射流技術是利用射流原理對坐便器洗圈沖刷，靠重力勢能主沖輔助虹吸，雖然成本最低，但因勢能較低，無法滿足一級水效標準。其中，廈門優勝衛廚科技有限公司生產的蓄能水箱坐便器[2]利用進水管道的水壓壓縮彈簧，把水儲存在壓力水箱內，壓縮彈簧蓄積能量實現有壓沖刷，產品用水量3.8 L，符合國家一級水效標準。考慮安全因素，水箱產品要求較高強度以及嚴格的密封要求，構造復雜，工藝要求高，成本較貴。

1 研究與開發目標

在彈簧蓄能坐便器中，因坐便器空間結構限制，采用兩個水箱布局。兩個水箱分別放置于坐便器虹吸管道與側壁之間，以減小坐便器尺寸。一個水箱提供洗圈水，一個水箱接主沖噴口輔助虹吸。水箱容積1.5 L,加上補水0.8 L，總用水量3.8 L。根據過往研發經驗以及現有的射流技術應用經驗，對于雙壓力水箱系統來說，洗圈的水量及壓力不是必須的，存在著浪費水現象。坐便器的洗圈水箱可降低壓力及更少的水即可完成洗圈功能。這樣就確立了研發目標：研制一個自成系統，可取代洗圈壓力水箱的常壓水箱；該水箱需要自動完成按壓沖洗排水、水箱補水等工作循環，重點為它是非重力排水的常壓水箱。

根據過往研發經驗，可定義常壓水箱系統的基本要求：

(1)在性能及安全性上超過或滿足國家標準要求[3]；

(2)減少動密封結構，提高產品良品率與可靠性；

(3)成本要大幅度降低；

(4)產品在使用中可能遇到的一些異常情況處理考量，如耐壓或水壓過低時，不能漏水，如關鍵零部件止水失效，水要流到坐便器里，而不是漏在地板上等。

2 研究與開發過程及關鍵性問題的突破

2.1 研究項目可行性及用水量的確認

分析確認原壓力水箱布置空間對比已有射流洗圈坐便器發現工況不佳，工作水位到出水口距離要比舊射流系統低8 cm，應用原有射流組件初步測試，洗圈效果極差，需重新調定射流結構尺寸參數。引用陸宏圻《射流泵技術的理論及應用》[4]中噴嘴的計算公式：

其中，μ1為噴嘴流量系數；α為喉管進口函數；Δp0泵的工作壓力(MPa)；Qn為動力液流量(m3/min)；γ0為動力液重度(N/m3)。

擬定射流泵壓差△P0為0.08～0.015 MPa，進水流量Qn取值0.2～0.3 m3/H，流量系數μ1取1，喉管函數取1.05，動力液為水，代入計算得：

噴口直徑d徑取值范圍2.6～4.2 mm；

根據手冊查射流泵曲線表[5]：

表1 射流泵曲線

結合工況，要求最大流量，非最高效率，故取值流量比q=4，面積比m=24，根據相關經驗公式確定射流喉管直徑與長度[6]，然后確定擴散管出口直徑。按不同結構尺寸配置制作簡單模型分別測試，選取最優參數系統。測試結果見表2。

表2 簡易射流匹配壓力水箱系統與雙壓力水箱系統坐便器沖刷性能對比測試[5]

從表2可以看出，新系統性能接近，省水10.5%。小顆粒項目略差，貼壁紙巾項目比較好。初步分析原因，原壓力水箱流速高，紙巾未打濕就結束沖刷，而新系統流速適中，故而提升。

2.2 新水箱系統構建及難點

在新水箱系統的構建設計中，系統動作邏輯是開啟-排水-到位切換-補水-進滿停止等一系列動作的自動執行及結構性能優化，需要機械結構在運行中自我判斷執行。圖1是定型產品透視圖。在設計階段遇到一些難點，對比較典型的問題以下予以著重說明。

圖1 定型產品透視圖

2.2.1 射流系統在低壓時長排水

在水壓0.045 MPa以下時(非工作水壓范圍)，水箱偶爾在某個水位高度時進、排水流量平衡的現象。產品異常表現是低壓長流水，無法完成工作循環。

分析原因：異常時水位高度正好處于切換水位和進水閥開啟水位之間，因進、排水流量一致，水箱水位不再變化，無法到達切換水位，故系統狀態維持在長排水狀態。

問題改進：設計改進用倒置的切換浮力平衡系統(圖2)。與常規的帶配重水切換類浮筒不同，采用上方浮力，下方配重的方式，與帶小孔的外浮筒實現延時切換功能。

圖2 倒置的切換浮力平衡系統

工作機理：當水箱在低壓狀態開啟后到達于平衡水位時，外浮筒的里的水由于小孔原因延遲10 s左右流空，進而使平衡浮筒失去浮力，轉為重力效果，和切換平衡配重浮筒一起作用下推動切換掛鉤裝置，提前產生切換動作，使水箱停止排水，只能進水，繼而到達工作水位后停止，水箱不會再長排水，而是進入下一個工作循環，問題得到徹底解決。

2.2.2 進水閥的快速復位無法系統開啟問題

產品異常現象描述：低壓(非工作水壓范圍)時水箱即按即停，按壓開關后，水箱排水；松手后水箱即停止排水，坐便器沒有完成沖刷功能。

原因分析：水箱中使用的進水閥是背壓腔式止水方式，需要背壓腔室的泄壓口完全打開才可正常進水，而當開關通過聯動機構把進水閥浮筒按下去后，低壓排速低，水箱內的水尚未排出到可以完全打開進水閥泄壓口的位置時，短時間內松手進水閥浮筒會自動浮起，關閉進水，造成系統不工作。

解決辦法：在驅動浮筒的聯動機構處(圖3)設計增加延時復位功能，在啟動拉桿與箱體配合處用小間隙配合過水(圖4)，延時復位。

圖3 驅動浮筒的聯動機構處

圖4 拉桿與箱體配合處用小間隙配合過水

工作原理：當開關按壓后，外部水壓進入開啟拉桿的薄膜與箱體之間，產生拉力帶動聯動結構轉動，同時使浮筒下壓及切換結構啟動，因開啟拉桿與箱體之間的小間隙排水延時復位，使開啟拉桿在約5秒左右復位(相當于按住開關5 s)，此過程中一直通過聯動結構拉住進水閥浮筒，使其不能快速復位，讓水箱一直排水直至進水閥完全開啟水位，以便水箱排水動作繼續完成。由此問題點關閉。

2.3 技術突破

在多次調試測試中發現，如果坐便器洗凈面的洗凈水(常壓水箱內的水)和壓力水箱如果能夠分別先后開啟，坐便器的沖刷的效果更好(其它系統都是同時開啟)。如能在洗凈面清洗水流到水封表面時開啟主沖壓力水箱，這樣沖刷效果又有所提升。這種類似電子編程式的順序開啟要用機械結構實現是比較困難的。

本設計方案重大的技術突破點在于：用常壓水箱的液位高度控制實現順序開啟兩個水箱，提升系統沖刷性能。

工作原理：壓力水箱是通過泄壓控制水路內水壓方法啟動工作的，本案在常壓水箱內設計了一處配重浮筒，通過杠桿增力后控制單向閥開啟閉合，使壓力水箱控制水路泄壓(圖5)。這樣通過改變配重浮筒開啟時的水位高度，即可調節壓力水箱的開啟時間。通過多個不同的尺寸模型測試系統沖刷性能，得到最理想的壓力水箱開啟水位高度，達成最優效果。實現先洗圈，后噴射的坐便器沖刷模式，在坐便器沖刷效果提升時亦可減少水量。測試數據見附表3。

圖5 壓力水箱控制水路泄壓

從表3可以看出，優化后的沖刷系統性能得到進一步提升，且用水量比原雙壓力水箱系統節省15.7%的用水量。

表3 優化后模型與舊模型坐便器沖刷系統性能對比測試

3 研究總結

通過此項目研究開發，確認在彈簧蓄能沖刷系統中，產品可更高效節水，節省15.7%的用水量，同時沖刷性能略有提升。產品成本核算常壓水箱是壓力水箱的五分之一左右，大大降低了成本。由此可見優化后射流系統在純平節水坐便器中應用有很大的優勢，無需動密封結構，提高產品的可靠性與穩定性，延長產品使用壽命，更好的滿足產品使用需求。