一种家用卫生间节水装置

2016-11-08贺昱宸

科学中国人 2016年29期

关键词：空腔水箱阀门

贺昱宸

长沙市长郡梅溪湖中学G1405班

一种家用卫生间节水装置

贺昱宸

长沙市长郡梅溪湖中学G1405班

在水资源紧缺的今天，建设节水型社会显得尤为重要。从长沙的小区家庭用水量调查来看，主要的生活用水包括洗澡、洗衣、洗碗等生活用水，这些用水基本上属于一次性用水，如果用这些生活废水去冲洗马桶，这对现代节约型生活的促进很有益处。我通过对家庭住宅中各用水量分析入手，找到家庭用水浪费严重的原因，并设计一种适应家庭使用的节水装置，希望对家庭节水改造有参考和借鉴作用，推动节水型社会的实现。

一、节水装置的运行原理

我设计的家用节水系统，通过收集洗碗池、洗手池以及浴盆等生活废水到废水收集水箱（1），同时废水收集水箱（1）的出水口通过管路与该设计的装换装置（7）相连，根据使用抽水马桶水箱（14）的水量，转换装置自动对马桶水箱的水量进行补给。该系统几乎能回收所有的生活废水用于冲洗马桶，同时通过该装置自来水排水管（10）也可以回收驱动活塞运动的新鲜自来水，不会浪费原有水资源；经过废水收集水箱（1）的双重过滤，废水不会造成污染；同时装置的使用也不会影响现代家庭厨具洁具的原有位置摆放和正常使用。

图1　节水装置的设计方案图1.废水收集水箱2.排水管道3.过滤网4.废水管道5.簧片阀门6.下空腔7.转换装置8.活塞9.簧片阀门10.自来水排水管道11.上空腔12.凸槽13.废水管道14.抽水马桶水箱15.浮球16.自来水供应管道17.阀门18.连杆19.阀门20.自来水供应管道

如图1所示，通过管道把废水收集水箱（1）、装换装置（7）、抽水马桶水箱（14）连接起来，其中抽水马桶水箱（14）位置最高，其次是废水收集水箱（1），转换装置（7）位置最低。

阀门（17）正常情况处于关闭状态，以防止废水蓄水池中废水用完也能通过自来水冲洗马桶。当废水收集水箱（1）有废水，抽水马桶水箱（14）充满废水时，浮球上升到马桶水箱的高处位置使阀门（19）关闭（浮球下降时打开），废水收集水箱（1）内的水在重力作用下，废水将会充满转换装置的下空腔（6），阀门（10）因大气压力和自身弹性打开，上空腔（11）内无水。

人上完厕所后，冲去抽水马桶水箱（14）中的废水，此时抽水马桶水箱（14）的水位下降，带动浮球（15）下降，连杆（18）受力，因为杠杆原理，使阀门（19）打开，这时自来水进水管中的新鲜自来水迅速通过自来水供应管道（20）使上空腔（11）充盈，上空腔（11）内的压强迅速增大，使簧片阀门（9）关闭，上空腔（11）处于封闭状态。与此同时，自来水的压力推动活塞（8）往下运动，使下空腔（6）里的废水压力增大，簧片阀门（5）关闭，原先充满在下空腔（6）的废水被压入到抽水马桶水箱（14）中。

当活塞（8）往下运动触碰到凸槽（12）而停止时，因为我设计抽水马桶水箱（14）和转换装置的下空腔（6）的体积一样大，这时同体积的废水量压入到抽水马桶水箱（14），废水上升到原来一样的水位。与此同时抽水马桶水箱（14）内的浮球（15）也上升到原来的高度位置，通过连杆（18），利用杠杆原理，使阀门（19）关闭。

此时，废水收集水箱（1）比转换装置（7）的位置高，因重力作用产生水压，活塞（8）由于凸槽（12）阻挡而停止固定，下空腔（6）形成低压，簧片阀门（5）打开，废水收集水箱（1）中的废水被再次压入下空腔（6）。此时，由于阀门（19）关闭，上空腔（11）内的压强迅速减小，活塞（8）因上空腔（11）比下空腔（6）内的压强小而向上运动。在大气压力和簧片阀门（9）弹性的共同作用下，簧片阀门（9）打开，干净的自来水从自来水排水管道（10）排出，收集并作其它生活用水使用。

每当人上完一次厕所，该装置自行给抽水马桶水箱（14）进行补水，实现自动化。如果废水收集水箱（1）废水被用完，可以通过打开阀门（17）给抽水马桶水箱（14）供水，抽水马桶依然可以正常使用。

图2　转换装置壳体结构图6.下空腔11.上空腔12.凸槽21.废水进水孔22.废水排水孔23.自来水排水孔24.自来水进水孔

二、节水装置关键部件设计

1.废水收集水箱的设计

该系统中废水收集水箱（1）的体积大小可根据自家卫生间面积确定，其容积一般是抽水马桶水箱（14）的4-5倍为佳。废水收集水箱（1）距顶部约50mm处装排水管道（2），防止收集的废水过多从顶部溢出；废水收集水箱（1）顶部与家庭洗碗池、洗手池通过管道连接并装有过滤网，使生活用水得到第一次过滤，同样在废水收集水箱（1）和废水管道（4）相接处上方安装过滤网（3），使生活用水得到第二次过滤。

2.转换装置的设计

我设计的转换装置（如图2所示）是一个半径为160mm，高度为450mm的圆柱体，其内部由上空腔（11）和下空腔（6）两空腔组成，两空腔容积比为1∶3，两空腔之间用凸槽（12）隔开，这样可以用较少的新鲜自来水去收集3倍的生活废水。上空腔（11）顶部开自来水排水孔（23）和自来水进水孔（24），下空腔（6）下部左右对称接通废水进水孔（21）和废水出排水孔（22）。同时转换装置的下空腔（6）的体积和抽水马桶水箱（14）的蓄水体积保证相等。

3.活塞的设计

活塞（如图3所示）安装在转换装置（7）的上空腔（11）和下空腔（6）内。活塞（8）由防腐、耐用的塑料材质构成，其中上塞片（25）的半径为85mm，下塞片（27）的半径为155mm，同时两塞片边缘套上软胶塞（28），两塞片用长度为150mm的连杆（26）连接。

4.抽水马桶水箱的设计

抽水马桶水箱（14）与装换装置（7）之间通过废水管道（13）连接。阀门（17）安装在自来水管道（16）上，防止无废水时可以用干净自来水冲洗马桶，阀门（19）安装在自来水供应管道（20）上，当抽水马桶水箱（14）水位上升或下降由浮球（15）控制其开关使新鲜自来水进入驱动活塞运动。整个系统的自动化工作，循环使用生活废水收集水箱（1）中的废水。当废水收集水箱（1）中的废水用完时，可以打开阀门（17），给抽水马桶水箱（14）供水，不影响马桶的正常使用。