脉冲清洗在节能型智能坐便器中的应用研究*

丘有长

(厦门优胜卫厨科技有限公司 福建 厦门 361000)

节能环保一直以来是卫浴行业不变的主题，尤其是在节能减排的大背景下，消费者对节能环保产品需求愈加强烈。随着《GB38448-2019智能坐便器能效水效限定值及等级》的发布，国家对智能坐便器产品人体清洗的水效、能效提出了更高的要求。低流量清洗的节能、节水产品符合未来卫浴行业发展的趋势，具有广阔的市场前景。

1 背景分析

目前绝大多数国内的智能坐便器产品采用空气泵增压，以减小清洗水流量。但随着混气量的增加，清洗水流越来越分散，且对于增加清洗力越来越没有效果。

以下是现有产品在不同混气量下的清洗水流状况(见图1、图2、图3、图4)。

图1 空气泵关闭

图2 空气泵40%功率

图3 空气泵80%功率

图4 空气泵全功率

根据《GB/T 34549-2017 卫生洁具 智能坐便器》6.2.6要求，臀部清洗受力最大值应达到0.06 N以上，现有产品的空气泵使用了80%功率，清洗流量约550 ml/min，冲洗力测试值约0.07 N[4]。如果再继续增加空气泵功率，减小清洗流量，不但冲洗力不增加，而且影响用户清洗体验；如果空气泵功率不变，增加清洗流量则不符合节能、节水的行业发展趋势。因此，需要采用一种新的清洗增压方式，在降低清洗流量的同时，还能满足用户清洗体验及国标要求。

2 基本思路

在保证水流冲击力和体验舒适度等条件下，要降低清洗流量，提高单位时间内的短时最大动能，获得较大的水流冲击力，把连续水流转换成脉冲水流是一个很好的方式。

因此，笔者采用脉冲清洗的方式，在Δt1时间内，需要水量、流速保持较大，根据动量定理，此时间段内可以获得较大的水流冲击力；在Δt2时间内，水量、流速为0，以此保证整个t周期内，平均水量较小。

为保持人体清洗体验，Δt1和Δt2交替出现，频率可根据需要进行选择(见图5)。

图5 脉冲清洗示意图

脉冲清洗需要研究2个问题，一是在Δt1作用时间内清洗水流的样式；二是选择比较合适的脉冲增压方式。

3 清洗水流样式

3.1 清洗出水口形状选择

相同条件下，清洗水流的射程越大越好，射流越集中越好，根据《异形喷嘴自由射流破碎长度及射程的实验研究》[1]以及《不同形状喷嘴的射流流动与卷吸特性》[2]，综合各种情况，选择圆形出水口。

3.2 清洗水流自混气

应用文丘里原理，在清洗出水口中段设置进气通道，使得清洗水流在喷射时，自动混入少量空气，形成气水两相流，气水两相流在喷射出出水口时，空气与水分离，喷射水流变为不连续，水在表面张力作用下自动形成一滴滴水珠，清洗人体时水珠圆润、饱满，体验最佳(见图6、图7)。

图6 文丘里自混气结构

图7 自混气清洗水流形状

4 脉冲增压方式研究

在增压方式上，个别厂商采用电磁泵的方式，但经过研究，笔者选择采用柱塞泵的原理重新设计脉冲增压泵。

柱塞泵是一种反复运动的体积泵，依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔腔体的容积发生变化来实现增压。柱塞泵具有高排压、高容积效率、易于调节流量和脉冲频率的优点。

脉冲增压泵通过直流减速电机驱动凸轮滑块机构，带动活塞压缩腔体中的水流。在实际运用中可以通过调节电机转速和腔体容积改变出水流量和脉冲频率(见图8)。

图8 脉冲增压泵结构

为了产生明显的脉冲，减速电机转速设计时设定为240 r/min，腔体有效工作容积设计为1.5 ml，此时脉冲增压泵的流量约为350 ml/min。将脉冲增压泵接入水路中，研究清洗水流和清洗力的变化。结果表明，在脉冲增压泵的作用下，清洗水流水滴变小，速度变快，总体趋势不变，新设计的出水口仍能保持水滴的圆润、饱满；同时在350 ml/min的流量下最大清洗力得到了极大的提升(见图9)。

图9 脉冲增加泵下的清洗水流

表1 脉冲增加泵下的清洗水流

5 总结

上述测试结果表明，脉冲清洗可以在大幅降低流量的同时增加清洗力，并提升用户的清洗体验。

根据《GB 38448-2019智能坐便器能效水效限定值及等级》[3]，传统空气泵增压方式清洗水流量约为550 ml/min，计算的平均用水量为0.42 L，只能满足2级水效等级要求(≤0.50 L)。采用脉冲清洗的方式后，清洗水流量约为350 ml/min，计算的平均用水量为0.27 L，可以满足1级水效等级要求(≤0.30 L)。 降低流量同时意味着对加热系统功率要求降低，脉冲清洗降低了40%的清洗流量，相应的水加热的能耗也相当于降低了40%。

综上所述，脉冲清洗技术的运用，是有利于突破当前制约我国智能坐便器产业绿色发展的关键技术，符合当前国内市场节水、节能智能坐便器的发展趋势，可以促进我国传统卫浴产业向绿色低碳产业转型升级。