一種利用空氣蓄能輔助沖刷的高效節(jié)水型純平無水箱馬桶*

吳愛民 黃炳興 張東生 郭介山 李惜平

(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高及城市化的不斷進(jìn)行，由于使用時(shí)的舒適與衛(wèi)生，抽水馬桶已經(jīng)是我國人民衛(wèi)生間必配的潔具。當(dāng)然，抽水馬桶在給人們帶來方便的同時(shí)，也消費(fèi)了大量的水資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，抽水馬桶的用水量占到了城市家庭用水的一半以上。在許多城市，供水日益緊張，節(jié)約用水已經(jīng)提上了重要日程。國家發(fā)改委也針對(duì)馬桶的節(jié)水推出了《GB 25502-2017 馬桶水效限定值及水效等級(jí)》規(guī)定馬桶用水量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及馬桶耗水量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。鼓勵(lì)盡量采用新技術(shù)降低馬桶耗水量。為了防止馬桶生產(chǎn)商一味為了省水而忽略馬桶沖刷性能，國家又要求馬桶符合GB/T 6952-2015 《衛(wèi)生陶瓷》及GB/T 31436-2015《節(jié)水型衛(wèi)生潔具》等相關(guān)效能國家標(biāo)準(zhǔn)。目前市面上普遍使用的馬桶為6 L馬桶(三級(jí)水效節(jié)水馬桶)，如果我們能設(shè)計(jì)出用水量低于4 L的馬桶，以一個(gè)家庭每天使用馬桶全排10次計(jì)算，每天可以節(jié)約用水量20 L以上,一年可以節(jié)約7.4 t水。以中國有1億個(gè)馬桶計(jì)算，每年可以節(jié)約7.4億t水資源。同時(shí)，現(xiàn)在市場(chǎng)上的馬桶大多帶有一個(gè)水箱，這個(gè)水箱一般質(zhì)量5 kg以上，不但需要耗費(fèi)材料，在馬桶的燒成過程也要消耗較多的能源。并且，由于水箱的存在，對(duì)市場(chǎng)上越來越流行的馬桶簡(jiǎn)約型設(shè)計(jì)也造成了極大的設(shè)計(jì)障礙。因此，研發(fā)高效能的節(jié)水型純平馬桶，在節(jié)約馬桶瓷料及用水具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 市場(chǎng)主流產(chǎn)品的方案簡(jiǎn)述

馬桶行業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其主流產(chǎn)品是帶有水箱的噴射虹吸馬桶。另一種相對(duì)比較小眾的壓力蓄能沖刷馬桶，利用管道中的壓力水直接對(duì)馬桶污物進(jìn)行沖刷或者通過蓄能機(jī)構(gòu)(如壓縮彈簧或者壓縮空氣)把管道能量蓄起來,再通過機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)排水時(shí)把能量釋放出來推動(dòng)污物。

現(xiàn)在參照以下說明書附圖，來說明市面上主流馬桶的原理及局限。

市面上主流的噴射虹吸馬桶其結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)馬桶排水閥15開啟時(shí)，儲(chǔ)存在馬桶水箱里的水在重力作用下從排水閥出水口流出后分成2部分，一部分水流經(jīng)洗凈水路13對(duì)馬桶本體11的洗凈面進(jìn)行刷洗；另一部分水流經(jīng)噴射水路14從噴射口17噴出對(duì)馬桶本體11的底部承污部的污物進(jìn)行沖洗，并輔助S型虹吸管道快速充滿水形成虹吸效應(yīng)把馬桶承污部里面的污物抽出馬桶本體。這種馬桶總體來說水箱里水的勢(shì)能比較有限，在要求用水量及高沖刷性能的匹配上比較難以統(tǒng)一。尤其近十年來市場(chǎng)馬桶的流行趨勢(shì)是往低水箱甚至是無水箱方向發(fā)展，馬桶水箱存水勢(shì)能更低，對(duì)馬桶污物的沖刷力也就也弱。同時(shí)市場(chǎng)對(duì)節(jié)水的要求也越來越高，這種噴射虹吸馬桶在用水量，沖刷性能及外觀上難以統(tǒng)一的缺陷就更加突出。

圖1 市場(chǎng)上常見坐便器結(jié)構(gòu)圖

圖2是市場(chǎng)上近年來出現(xiàn)的一種空氣蓄能包馬桶，馬桶設(shè)有水箱，水箱里放置了個(gè)壓力包，進(jìn)水時(shí)供水管道的壓力水進(jìn)入壓力包后壓縮包里空氣蓄能并存水，使用時(shí)開啟壓力包的排水閥，蓄能水從壓力包噴出后對(duì)馬桶承污面的污物進(jìn)行沖洗，把污物推出馬桶。這種馬桶用水量為6 L或者4.8 L。由于其沖刷系統(tǒng)利用了壓縮空氣進(jìn)行沖刷，沖刷力度強(qiáng)，但其有兩個(gè)較大的技術(shù)限制：①壓力包體積較大，而且需要一個(gè)更大體積的陶瓷水箱來容納壓力包，馬桶難以做到純平外觀。②壓力包里的壓縮空氣積蓄能量在排水時(shí)瞬間釋放，相配套的馬桶也屬于沖落馬桶范疇，沖落馬桶的技術(shù)本身也不容易消除沖刷水流形成的噪音，因此整個(gè)系統(tǒng)沖刷噪音較大。

圖2 市場(chǎng)上的空氣蓄能包坐便器結(jié)構(gòu)圖

2 本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本設(shè)計(jì)綜合考慮了上述馬桶的優(yōu)點(diǎn)與局限，提供了一種高效節(jié)水型純平無水箱虹吸馬桶的綜合解決方案。

新設(shè)計(jì)產(chǎn)品為了實(shí)現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)上主流產(chǎn)品的替換，需達(dá)到以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

(1)在保證強(qiáng)勁沖刷功能的基礎(chǔ)上，用水量有明顯的減少；

(2)能適用市場(chǎng)流行的無水箱馬桶外觀設(shè)計(jì)要求；

(3)生產(chǎn)方便，工藝簡(jiǎn)單，性能可靠。

3 本設(shè)計(jì)的具體解決方案

針對(duì)以上3個(gè)要求，本設(shè)計(jì)的總體思路是馬桶既有虹吸馬桶的低噪音的優(yōu)點(diǎn)，又要利用蓄能馬桶的強(qiáng)勁沖力，并優(yōu)化馬桶虹吸管道，使之與小水量的蓄能沖刷水相匹配，實(shí)現(xiàn)純平馬桶在低用水量下的低噪音高效沖刷。

下面通過具體實(shí)施方式來對(duì)本設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

如圖3所示，本設(shè)計(jì)為一種應(yīng)用空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)的純平無水箱馬桶，其基本思路是把儲(chǔ)水蓄能水箱分成兩個(gè)小水箱分置在馬桶排污管兩側(cè)使之實(shí)現(xiàn)純平無水箱設(shè)計(jì)。圖4為空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)儲(chǔ)水水箱1的結(jié)構(gòu)示意圖。儲(chǔ)水水箱1在使用時(shí)，第一水箱11作為水室、第二水箱12的上部作為氣室、第二水箱12的下部作為水室，以及連通件13會(huì)儲(chǔ)有少量空氣。在儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)1進(jìn)水時(shí)，水流先進(jìn)入第一水箱11，第一水箱11儲(chǔ)水并將第一水箱11內(nèi)部的空氣擠壓上升，大部分空氣通過連通件13在第二水箱12內(nèi)壓縮，少部分空氣停留在連通件13的上部；第一水箱11滿水后水流通過連通件13進(jìn)入第二水箱12，第二水箱12儲(chǔ)水并將第二水箱12內(nèi)部的空氣進(jìn)一步壓縮并上升，使空氣在第二水箱12的上部?jī)?chǔ)壓；在沖刷系統(tǒng)1排水時(shí)，第一水箱11的水迅速排出，同時(shí)連通件13泄壓、第二水箱12上部的空氣推動(dòng)其下部的水，使第二水箱12下部的水輸送至第一水箱11并排出(見圖5)。

圖3 純平無水箱馬桶

圖4 空氣蓄能輔助儲(chǔ)水水箱

圖5 水箱結(jié)構(gòu)三維圖

上述設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有壓力水箱占據(jù)空間大、與馬桶排污管干涉無法裝在純平無水箱馬桶上的弊端，同時(shí)第一水箱11和第二水箱12互相獨(dú)立安裝，裝配更加靈活，也降低了壓力包安裝在純平無水箱馬桶的工藝難度。

參考圖4和圖5所示，筆者所述的空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)除了包括儲(chǔ)水水箱1以外，其還包括組合閥2、排水閥3、開啟閥4。上述第一水箱11形成有第一進(jìn)水口111和排水口112，排水閥3與排水口112相對(duì)設(shè)置，組合閥2與第一進(jìn)水口111相對(duì)設(shè)置以實(shí)現(xiàn)第一水箱11和排水閥3的獨(dú)立進(jìn)水，開啟閥4控制排水閥3的泄壓或儲(chǔ)壓以實(shí)現(xiàn)排水閥3的活塞31開啟或封閉排水口112，從而實(shí)現(xiàn)本沖刷系統(tǒng)的正常的儲(chǔ)水與排水功能。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的壓力沖刷馬桶配置銥科公司的ECOflush壓力包及sloan公司的壓力包，其用水量4.8 L或者6 L，不但壓力包體積較大，并且其壓力包里受壓縮的蓄能空氣在排水閥打開時(shí)是瞬間排放的，就像是氣球被戳破一樣發(fā)出較大的噪音，其噴出到馬桶排污管的壓力水速度極快，快速流動(dòng)的水流形成了文丘里效應(yīng)，把馬桶洗凈面周圍的空氣吸到水里，從而使充滿排污管的水流充滿了很多空氣泡，這些空氣炮的存在破壞了排污管的真空度，使排污管無法形成虹吸效應(yīng)把馬桶里的污物里(尤其是密度較小的輕質(zhì)漂浮物)完全帶走。同時(shí)空氣泡的最終破裂也使馬桶沖刷過程噪音較大。筆者所述的馬桶搭配的空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)，基本思路就是蓄能壓力包的壓力水排放要“削峰填谷”，使之減慢速度排放，如此既可以延長(zhǎng)壓力包排水時(shí)間，使之更加匹配虹吸馬桶管道的要求(馬桶虹吸發(fā)生時(shí)間3 s以上性能較好)，并且蓄能包里的受壓空氣緩慢釋放，也降低了馬桶的沖刷噪音。同時(shí)，配上相適應(yīng)的虹吸馬桶管道，產(chǎn)生了較長(zhǎng)時(shí)間的虹吸效應(yīng)，增強(qiáng)了對(duì)馬桶承污面漂浮物的抽吸作用，使漂浮物排出更徹底。由于現(xiàn)在市政供水管道壓力一般可以達(dá)到1.5～3 kg，所以蓄能空氣推出的壓力水理論上也可以達(dá)到1.5 kgf/cm2。即使壓力緩慢釋放，經(jīng)測(cè)試也可達(dá)到0.5 kgf/cm2以上，換算成水箱等效高度有5 m水箱高度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出市場(chǎng)上高水箱馬桶的水箱等效高度(一般馬桶水箱高度小于0.3 m)。所以筆者所述搭配空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)的虹吸馬桶，在馬桶用水量降到4 L的情況下，就可以超過6 L用水量0.3 m水箱水高的等效沖刷效果。

參考圖6和圖7，在第二水箱12內(nèi)還設(shè)置有排氣控制閥7，用于控制本沖刷系統(tǒng)蓄能空氣及水流的按需排放。

圖6 水箱進(jìn)水

圖7 水箱排水

如圖8和圖9所示，上述排氣控制閥7包括將第二水箱12分隔成水室和氣室的水氣隔板71，以及排氣調(diào)節(jié)組件72。上述水氣隔板71設(shè)置有連通第二水箱12的水室和氣室的排氣口7111，排氣調(diào)節(jié)組件72與排氣口7111相對(duì)設(shè)置并活動(dòng)調(diào)節(jié)排氣口7111的截面大小從而控制蓄能空氣的排放速度，也即控制了壓力水的排放速度，從而使空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)能適應(yīng)虹吸馬桶的管道需求。

圖8 水箱進(jìn)水

圖9 水箱排水

針對(duì)筆者所述的低用水量高能量的空氣蓄能輔助沖刷系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)也提供了與之相匹配的馬桶虹吸管道。

如圖10所示，市場(chǎng)上虹吸馬桶用水量一般為6 L,馬桶虹吸管道的虹吸喉一般設(shè)置在B處，以加大水箱與虹吸喉的高度差來增強(qiáng)虹吸力，但這樣產(chǎn)生虹吸前充滿虹吸管的用水量需要較多。筆者所述的馬桶，其配置的空氣蓄能沖刷系統(tǒng)，其用水量設(shè)計(jì)為4 L,用水量較少，但其水流能量遠(yuǎn)比水箱式馬桶大。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，配備的馬桶虹吸管道的虹吸喉設(shè)置在A處，這樣發(fā)生虹吸時(shí)充填虹吸管道的水量更少(見圖11填充線)，可以盡量延長(zhǎng)虹吸時(shí)間，使虹吸對(duì)馬桶承污面的污物排出效果更明顯。

圖10 虹吸馬桶

圖11 馬桶斜線填充

4 馬桶功能測(cè)試及認(rèn)證

一般馬桶依據(jù)GB/6952-2015及UPC標(biāo)準(zhǔn)ASME_A112[1].19.2-2015要求：

(1)洗凈面墨線殘留單段12.5 mm以下，全部洗凈面殘留墨線總和50 mm以下；

(2)沖刷2500個(gè)小顆粒殘留125個(gè)以下；

(3)沖100個(gè)PP球平均管道輸送12 m以上；

(4)沖20個(gè)海綿塊+8張牛皮紙的混合介質(zhì)測(cè)試，一次性通過22個(gè)以上的介質(zhì)，其余第二次沖刷能夠沖出。

本設(shè)計(jì)的純平無水箱馬桶功能經(jīng)過美國的UPC認(rèn)證中心檢測(cè)，功能如下：

(1)洗凈面墨線無殘留；

(2)2 500個(gè)小顆粒殘留平均5個(gè)；

(3)100個(gè)PP小球全部沖出18 m管道；

(4)20個(gè)海綿塊+8張牛皮紙混合介質(zhì)的測(cè)試一次性通過。

以上檢測(cè)已經(jīng)證明本設(shè)計(jì)馬桶在4 L用水量的標(biāo)準(zhǔn)下功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國標(biāo)及美國UPC標(biāo)準(zhǔn)要求，也超過大多數(shù)馬桶在6 L用水量下的排污功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的高效省水功能。UPC認(rèn)證中心檢測(cè)報(bào)告如圖12所示。另外中國節(jié)水馬桶認(rèn)證正在進(jìn)行中(見圖12)。

圖12 UPC認(rèn)證報(bào)告

筆者所述的馬桶噪音測(cè)試有委托專業(yè)的測(cè)試公司進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果為L(zhǎng)50噪音為40.3分貝。L10為58.4分貝。結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家規(guī)定數(shù)值。報(bào)告如圖13所示。

圖13 檢驗(yàn)報(bào)告

5 馬桶生產(chǎn)成本及便利性

筆者所述的馬桶沖刷系統(tǒng)，零件基本為塑料材質(zhì)，避免了彈簧包沖刷系統(tǒng)的高強(qiáng)力彈簧及高精度的不銹鋼件。其生產(chǎn)簡(jiǎn)便，成本低。并且其既可以用電磁閥開啟以實(shí)配市場(chǎng)上流行的智能馬桶。也可以無電用按鈕沖刷，用在低成本的普通馬桶，因此其用途廣泛。