基于声波震动的智能坐便器节能清洗技术*

王 栋

(厦门优胜卫厨科技有限公司 福建 厦门 361000)

智能坐便器，又名电子坐便器，一种用水洗替代了卫生纸的电器，引发了一场卫浴革命，经过近几年的快速发展，国内家庭普及率已经从2016年的0.5%上升到2019年的3.5% ，预计到2035年会达到10%。近几年，随着卫浴节能减排国家标准深化执行，我国智能坐便器产品将受到越来越多消费者认可，尤其是80、90后一代，他们追求品质生活，进一步刺激智能坐便器市场需求。随着国家对智能坐便器的标准的制定与发布，特别是坐便器水效等级及能效等级的划分，都将促使智能坐便器向环保节能方向大力发展。

作为智能坐便器最基本的清洗功能，是将一定流量的水加热到合适水温送达清洗部位，来达到清洗污物的目的。单位时间内的清洗用的水量，即清洗的最大流量，除了是评判智能坐便器是否节水的依据，还是清洗水在保证合适的水温的情况下，对整机最大功率的一个考验，目前产品动辄1 600 W以上，耗电量较大。同时，在卫生间潮湿环境中，大功率电器的安全防护需求也更高。而如果只是简单的降低清洗流量，将使清洗体验、清洁效果等大大折扣。如何在保证清洗体验和清洁效果不降低的情况下，还能降低智能坐便器的清洗流量，是一个很有意义的研究课题。笔者就是针对此课题，提出一种新的基于声波震动技术的智能坐便器节能清洗技术，可以将最大清洗流量降低1/3，整机功率也降低1/3，做到节水又节电的目的。

1 清洗水相关标准

《CBMF15-2019智能坐便器》中：

6.2.4 清洗水流量的分级，一级：200 mL/min≤Q≤650 mL/min；

6.2.5 清洗水量:节水型智能坐便器的清洗水总量不应大于500 mL；

6.2.6 冲洗力的要求：臀洗清洗力最大值应达到0.06 N以上；

6.2.7 清洗面积：不小于80 mm2；

《GB/T 23131-2019》家用和类似用途电坐便器便座中：

5.2.1清洁率：A级应大≥98.0%

另外判断清洗水体验是否舒适，目前尚无明确标准，经过大量实验，特点如下：

(1)流量越大，清洗水越舒适；

(2)水花无规律的发散和凌乱会使体验变差；

(3)清洗面积越大，体验越舒适。

可以看出清洗水量与清洁效果和舒适度呈正比关系，大流量可以达到较好的清洗效果，但是流量与水效和能效呈反比的关系。

2 市场技术情况

目前市面上智能坐便器的清洗方式，一些较早的机型采用直喷水的方式，此种方案要满足标准的要求，清洗流量需要做到800 mL/min甚至以上，导致整机最大功率高达2 000 W以上。而现在市面上大部分产品采用的是在水路里面增加空气泵加压混入空气的方式，此方案可以有效地降低流量，但是比较有限，正常最大清洗流量可以到600 mL/min，最大功率达1 600 W以上。如果一味通过增加空气压力，来减小清洗水流量，会使得清洗力下降，同时清洗水花会发散凌乱，导致实际体验不舒适。还有一种是采用脉冲泵的方案，将出水变为有规律的大颗粒脉冲水，此方式可有效将流量降低，但是因为成本和体积大等问题未能大量普及。

3 清洗流量与功率的关系

智能坐便器中提供温水的电加热器件的功率，主要和进、出水温度及流量关系较大。进水温度越低，要保证能加热到设定的温度，需要的加热器件的功率越大。根据《CBMF15-2019智能坐便器》中测试条件：进水温度15 ℃，即热式智能坐便器的最高清洗水温按40 ℃，加热时间按照8S，根据加热功率的计算公式：

W=Q/60×c×(T2-T1)/η×n

其中，W为功率；Q为清洗流量；C为水的比热容；T1为进水温度；T2为出水最高温度；η为加热转换效率(按0.98) ；n为安全系数。

计算得出清洗流量与平均功率及最大功率的关系，如表1所示。

表1 不同清洗水流量下，对应加热器的功率

平均功率是按照标准测试条件进水温度15 ℃来进行计算。考虑到北方大部分地区冬天自来水的温度可能接近5 ℃，所以目前即热式智能坐便器内部的加热器件的选型就需要按照最大功率来确定。可以看到如果把流量降低到400mL/min，整机的最大功率可以降低到1 100 W，相比目前空气泵的方案，可以将能耗降低将近1/3。

4 技术原理及方案

4.1 技术原理

目前在清洁效果及体验舒适度等条件约束下，要能降低清洗流量，把连续水流转成脉冲水流，提高局部最大瞬时能量成为唯一选择。目前市面有的脉冲水是把连续的水变为间断的大颗粒的水珠，同时给水珠增加动能，都是在水流纵向上形成脉冲，称之为纵向脉冲水，如图1所示。满足标准的同时，还能提供较舒适的体验效果。

图1 纵向脉冲水

4.2 技术方案

笔者的方案是首先是将清洗的出水孔减小,流量降低到400 mL/min，内部压力将增大，出水速度会增加，出水的能量将会增加，对冲洗力有一个保证。同时再在出水口处增加频率达到每分钟1.2万次的微型声波震动马达，使出水发生快速摆动，在水流的横向上形成脉冲，称之为横向脉冲水。再配合喷管的移动按摩功能，就可以形成快速的正弦打点效果，迅速扩大清洗面积，形成一个高流速、大面积的水流。不但有高效的清洁效果，还有更大的清洗面积，同时由于声波震动马达的震动通过水流传导到洗净面，还会具有一定的按摩效果，提升清洗体验。

图2为直喷水水花效果 、空气泵水花效果 、声波震动水花效果及对应水花打在洗净面形状图，可以明显看出声波震动水花比空气泵水花可以提供规则的脉冲水花效果和更大的清洗面积，从而提升清洗体验。

(a)直喷水水花效果

(b)空气泵水花效果

(c)声波震动水花效果

5 结论

通过实际验证，对实际声波震动脉冲水方案和空气泵方案的清洗效果数据进行测试，数据如表2所示。

表2 空气泵方案和声波震动脉冲水在不同流量下测试的清洗效果数据对比

可以明显看出，采用声波震动脉冲水，在接近400 mL/min的情况下，清洗效果相关的测试参数可以达到和空气泵接近的测试数据，特别是清洗面积更是大于空气泵的数据。

由于增大了清洗面积，而且还使水花形成规则的脉冲水，同时由于声波震动马达的震动通过水流传导到洗净面，还会具有一定的按摩效果，因此清洗体验得以提升了。笔者做了小范围的体验调研，实际结果上会优于空气泵技术。

通过对常见智能坐便器清洗水的分析，创新性地提出了横向脉冲水的方式，再通过声波震动技术的应用，可以将最大清洗流量降低1/3，整机功率也降低1/3，实现智能坐便器节能清洗技术。在满足标准要求下，有效降低了清洗流量，同时还拥有更高效的清洁效率和更舒适的体验效果。较目前市场现有产品可以明显的降低能耗，突破了制约智能坐便器产业向绿色节能发展的关键技术，为我国传统卫浴产业的绿色可持续发展做出大的贡献。