自重压缩润湿节水型蹲便器＊

何 磊，刘鑫宇，刘春旭

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景

传统的便池为了使冲洗污物受到的阻力小，将便池设计得较为圆滑，使用材料多为卫生陶瓷中的高温陶瓷。这种陶瓷结构呈极致密的玻璃相，吸水率低于0.2%，釉面容易干燥。而直冲式蹲便器虽然有积水坑，但腔底平坦，腔面形状复杂，有倒坡段，冲水阻力大，排污效果差，耗水量大，现在使用较少。研究表明，釉面是否湿润是影响冲厕效果的一个重要因素，干燥的釉面加上干燥的排泄物都会导致冲厕效果差，造成二次或多次冲水，从而导致水资源的浪费。

基于以上背景和原因，笔者设计了这款润湿型节水蹲便器，以提高一次冲厕效果，减少或避免多次冲厕。

2 系统设计

本文主要研究内容是设计一种新型的基于人们上厕所习惯的节水型蹲便器，以解决现有的蹲便器冲厕效果差、需反复冲洗、浪费水等问题，主要包括便池内部结构改造设计、水箱按钮改造设计、压力传动润湿模块设计、自动复位开关模块设计。

2.1 便池结构改进设计

在传统的蹲便器的基础上，在蹲便器的后方加上一个储水空间。这个储水空间安装在靠近原后方出水口的下方位置，并通过弹性阀门开关与原流水通道相隔开。这样设计的目的是当水流按照原来的方式冲下时，这个储水空间不会对水流起到阻碍作用，从而不会影响冲厕效果。这个空间的设计为光滑椭圆形，容量设计为100 mL，尽可能地减少空气将储水空间中的水压出时容器壁对水的阻力，容量稍大于厕所便池最后阶段流出的缓水流，稍小于压力模块传送过来的空气量，因此可以完全将缓水流储存起来用来润湿便池。

对便池左右两侧的底部进行一定加厚处理，留出一个空腔，用以放置排出湿润水流时不会对原有水流通道造成任何阻碍的橡胶软管。蹲便器侧壁与原出水口并列处开有小孔，用以排出橡胶软管中的水流，从而润湿釉面。

2.2 压力板气囊模块设计

气囊压力板气囊模块由上方防滑陶瓷及下方气囊阵列共同组成，人站上防滑陶瓷上，用人自身的势能提供高压气流。对现有的便池防滑陶瓷处进行一定的改造，例如将防滑陶瓷位置垫高，下方留出空间，而防滑陶瓷垫高的衔接位置采用橡胶材料进行衔接密封，实现软性防水的性能。相关资料显示，弹性好的橡胶材料能够重复使用上百万次。

下方留出的空间用来安装导向滑架，从而将气囊固定住。气囊采用橡胶材料，调查发现，橡胶气囊现在广泛用于支撑顶底板和隔离采空区的支护构筑物，因此材料强度能够达到相关要求。

如图1所示，气囊采用阵列分布，气囊阵列可保证有效受力面积，更大程度地利用人的自重，气囊之间有支撑柱，支撑柱高度的设计要能实现每个气囊和防滑陶瓷只发生微小变化，既避免气囊的过度压缩导致爆炸，同时也避免了陶瓷的上下运动对衔接处材料的损伤和影响人们的上厕所的体验。

图1 气囊阵列分布

气囊恢复由气囊内部的弹簧和位于气囊另一侧的单向阀门共同实现。气囊的内部安装有弹簧，有利于气囊的恢复。采用单向阀门，通过软管传送气体，软管安置在便池下方加厚的空腔内，进而从侧壁与原出水口壁开口，进行换气。使压缩和弹回两个过程能够从两个通道分开进行，避免气囊将储水空间中的水吸入到气囊中。

2.3 自动复位开关模块设计

自动复位开关模块由位于水箱内的自动复位开关、滑块、定位珠和位于储水空间上方的弹性阀门以及起连接作用的细绳共同组成，主要用于控制储水空间弹性阀门在冲厕的高速水流阶段一直保持关闭状态，不影响水流的流出，在冲厕最后的缓水流阶段打开，使缓慢水流不流入便池中去，能够直接流入到储水空间中储存起来。

自动复位开关模块由上方按动水箱按钮继而通过连杆和细绳提供动力，按动上方水箱按钮，连杆带动细绳拉动自动复位开关，使复位开关发生位移，自动复位开关拉动细绳从而将连接有细绳的滑块拉动，滑块沿固定的滑轨中发生位移，（滑块底部设计有凹槽，两端设计为圆弧型，滑块在细绳的拉动下凹槽能够更容易卡入定位珠），在细绳的拉动下滑块底部凹槽卡入位于滑轨的定位珠中，滑块带动细绳拉动储水空间的弹性阀门关闭（定位珠产生的阻力大于弹性阀门恢复的弹力）。

自动复位开关缓慢恢复到原状态（设计为自动复位开关恢复原状态时间与高速水流时间段相同），滑块受到定位珠的阻力作用始终保持在定位珠位置处，直到自动复位开关顶杆将滑块从定位珠出顶出，弹性阀门不受阻力，恢复到打开状态。

自动复位开关是在弹簧开关中加入阻尼从而使弹簧能够缓慢的弹回，从而控制自动复位开关复位的时间。

定位珠是是一种由壳体、弹簧、球珠或柱体组成的负载设备，广泛用于一些医疗器械设备、润滑设备、气动工具等产品中。借助一定压力的弹簧能推动球体的运动，使得设备顺利运行。

3 使用流程

使用该型蹲便器时，人站上防滑陶瓷部分，在人的重力作用下，此防滑陶瓷部分向下发生一段微小位移，压缩位于陶瓷下方的气囊部分，气囊阵列将产生的压缩气体汇集后压入到储水空间上方中，而位于气囊另一侧的单向阀门因受到气体压力所以会关闭，压缩气体产生的压力全都作用于出水空间的上方，空间内的高压将弹性阀门压到处于关闭状态，将出水空间中的水全压入到下方管道，通过软管和便池侧面的开口，进而流入到便池中起到提前润湿便池的作用。当如厕结束后，按动冲水按钮，按钮同时带动水箱中的压盖和自动复位开关，压盖控制水箱中的水流流下；自动复位开关带动细绳从而带动出水空间的阀门关闭，高速水流流下，冲洗便池中的污物，不流入储水空间中。有效水流结束后，水管中开始流缓水流，此时自动复位开关已经恢复到最初状态，将滑块顶出定位珠，储水空间处的阀门在不受阻力的情况下弹回，恢复到开放状态，缓水流流下直接流入到储水空间中，人走后气囊阵列在弹簧的作用下通过另一侧的单向阀实现充气，整个过程结束。

4 总结

通过调查问卷显示，使用传统蹲便器，20%以上的用户经常会遇到由于便池干燥而导致的污物冲不下去的情况。而发生上述情况时用户常会多冲二三次厕所，既浪费了大量的水，也使用户的如厕体验较差。也有约占30%的用户在如厕之前会提前冲一次厕所或再垫上一张卫生纸来避免之后冲不干净的情况。不管是上述哪一种情况，都造成了资源的巨大浪费。问卷显示，如果本装置能够达到预期效果，80%以上的用户愿意选择使用本新型蹲便器。

根据建筑中水设计规范估算表，每一次冲厕所的水量6 L，传统的蹲便器每次冲厕后会有一段5～6 s的缓水流，至少有60 mL水被直接浪费掉，而使用该型蹲便器可将这段缓水流储存起来。按人们的冲厕习惯，冲厕所之前先冲一遍水用来湿润便池表面，如果使用这种新式自重压缩润湿节水型蹲便器，每人每次排遗可节约6 L水。据调查研究，成人每天排遗2次，儿童每天排遗1次。

按每人每天平均排遗1.5次计算，则使用该型蹲便器每天可以节水2.25 L，以武汉市2016年常住人口1 076万为例，保守估计200万用户使用本新型蹲便器，可推算出武汉市每天可节水4.5×106L。可见该装置有较大的应用前景。