真空式节水马桶设计

李维赫 王 琳 黄 亮 王 悦 丁 涵

（蚌埠学院机械与车辆工程学院，安徽蚌埠233030）

0 引言

普通家庭使用的马桶多为抽水马桶，其利用水的重力将水的势能转换为水的动能，从而裹夹着排泄物进入下水道。普通马桶价格适中，但经常会出现堵塞、用水量大等问题。随着人们生活水平的不断提高，普通家用马桶的功能已不能满足人们的需求[1-2]。

本文对家用抽水马桶进行了创新性设计，在排污管内增加一段真空管来实现高效排污。整段管道是独立的，与马桶的排污管道通过电控挡阀隔开，当使用者冲洗马桶时，电控挡阀会自动打开，利用其与大气压之间的压差，将马桶中的污物带走。

1 设计内容

本研究首先对储水仓进行改造，由一个储水仓改为两个，其中一个连接洗手台的水管，将洗手的废水收集起来，加以利用，另一个储水仓直接连接水管，以供平时使用；然后在储水仓下加入一个真空泵，真空泵一端连接特制真空管（由一个电控气门封闭），另一端直接通向马桶外（在马桶壳体上），真空泵工作时，利用真空管内外产生的压差排污。

真空式马桶结构如图1所示。

图1 真空式马桶结构

2 真空式马桶的基本结构

真空式马桶主要由马桶、电控单元ECU（Electronic Control Unit）、真空泵、储水箱、特质排污管（真空管）、出水口、真空表、系统开关、传感器等组成。

2.1 马桶支座

支座用来固定及支撑冲洗阀、排放控制器等元件，其由不锈钢、铝合金或者其他复合材料等制成，具有足够的强度和硬度。

2.2 电控单元（ECU）

电控单元根据传感器传来的电信号对马桶的工作状态进行分析，并发出信号控制真空泵、电控挡阀等。其具体功能：（1）根据真空表数值的大小控制真空泵关闭；（2）当真空泵关闭后，电控单元开启电控挡阀；（3）水位传感器发出电信号，反馈给ECU，ECU再发出指令给电控挡阀，控制其关闭；（4）排水按钮按下去的时候，传感器传递信号给ECU，ECU发出指令控制真空泵运转。

2.3 真空泵

真空泵采用电控式真空泵，泵体内带有固定叶片的偏心转子，转子由电机带动，工作时叶片将水甩向定子壳体，水的涡流与转子叶片之间构成可变容积的腔室。真空泵受ECU控制，正常情况下不工作，当ECU发出电信号时，真空泵电源接通开始工作。

真空泵结构示意图如图2所示。

图2 真空泵结构示意图

2.4 储水箱

储水箱示意图如图3所示，上方两个储水室一个与洗手台相连，用于储存洗手台的废水，另一个直接连接水管，用于储存清水。在使用的过程中，排水按钮分为左右两边，独立控制两个水箱（左边的按钮控制废水储水池，右边的按钮控制清水储水池），排水按钮按下时会给ECU发送电信号，以此来控制真空泵工作。

2.5 特制排污管

排污管表面应光滑，易于清洗。本设计对排污管也进行了改进，在原排污管内增加一段密闭真空管，真空管的两端有两个电控挡阀，且这段真空管与排污管直接相连（由电控挡阀隔开）。真空管上有一个孔与真空泵相连，使真空泵可以抽走真空管内的空气（即为进气口），在进气口位置有一个电控气门，受电控单元ECU控制，ECU接收到真空表传感器传来的信号后，使真空泵停止运转，并使气门关闭（当真空管内真空度高于起始真空度的80%时，进气过程结束）。

图3 储水箱示意图

特制排污管示意图如图4所示。

图4 特制排污管示意图

2.6 出水口

水箱里的水通过出水口进入马桶内，出水口对称垂直地分布在马桶两侧，仅在重力的作用下进入马桶内，无需加压，不会使水流相撞而飞溅。出水口处利用特殊胶体涂抹，有效防止青苔等微生物的滋生，使得马桶更加整洁干净。

2.7 真空表

真空表主要用来检测排污管内的真空压力，内置压力传感器，将排污管内压力大小反馈给ECU，防止压力过大对排污管造成损害。真空表安装在真空管进气口，位于电控挡阀内侧，只有当电控挡阀处于开启状态时，才能测到真空管内的真空度。关闭电控挡阀后，真空表被封闭在真空泵管道这一侧，避免在排污过程中对真空表造成损害。当真空表显示真空管内真空度（气压）高于真空管内起始真空度（气压）的80%时，会向ECU发出电信号，结束进气过程，关闭电控挡阀。

2.8 系统开关

系统开关包括排污开关和真空控制开关。排污开关即水箱上方的两个实体按钮，按下后，会接通水箱，将水箱中的水送到出水口中，从而进入马桶内。真空控制开关位于马桶侧面，亦采用按压式，按下去后，发出信号给ECU，控制真空管内电控挡阀开启，开始冲洗马桶。

2.9 回水口

回水口位于马桶内壁上，当水到达此处时，说明已到达标准水位，可以按下真空控制按钮，开始进行手动排污行程（超过水位线的水会进入回水口内，沿着回水管流入下水道，不会使多余的水堆积在马桶内）。

非手动控制的时候，当水位超过水位线时，回水口内部有一个传感器，当流入回水口的水量大于10 mL时，传感器会给ECU发出电信号，控制水箱停止供水，准备开始排污行程。

3 真空式马桶的工作原理

真空式马桶污水处理系统的工作原理是利用排污管内外压力差，将排泄物以及冲洗马桶后的污水通过排污管输送进下水道。当如厕完毕后，按下排水按钮，水箱里的水通过排水口（无压力）流进马桶，在按下排水按钮的同时真空泵开关接通，真空泵开始工作（开始抽取真空管内的空气），传感器检测真空管内的真空度，当真空管内的气压为初始管内气压的80%时，真空泵关闭，在ECU的控制下，电控挡阀开启，利用压差将排泄物通过真空管送入下水道。整个过程可以分为进水过程，排、抽过程，开阀过程，排污过程。

（1）进水过程：洗手台内废水或水管内清水进入储水箱。

（2）排、抽过程：在如厕结束后，按下马桶上方的排水按钮，水箱里的水进入马桶出水口，沿着马桶内壁迅速流下，与此同时，真空泵开始工作，抽取真空管内的空气，达到一定真空度时，真空泵停止工作，节气门关闭。由于电控挡阀关闭，水会逐渐淹没排泄物，直到水位达到回水口位置，则进入下一过程。

（3）开阀过程：当水位到达回水口位置的时候，可手动按压真空控制开关，打开电控挡阀，开始排污行程；或者当水位线超过回水口，传感器发出电信号给ECU，ECU控制水箱停止供水，并打开电控挡阀。

（4）排污过程：电控挡阀开启后，排泄物由于压差进入排污管。排污行程从开始到结束，即密封真空管内真空变为正常大气压的过程，该过程结束后即可为下一次的排污过程做准备。

4 结语

本文主要对马桶的水箱内部结构进行了优化，使马桶具有可以使用二次废水资源的功能，有效节约了水资源。在普通马桶中加入电控单元，使马桶更加科技化、自动化。同时，在马桶的设计中加入真空泵，有效解决了马桶堵塞的问题，缓解了如厕尴尬，为使用者创造了一个更加安静、舒适、安全的如厕环境，具有一定的经济效益和社会价值。