一种利用空气蓄能辅助冲刷的高效节水型纯平无水箱马桶*

2021-01-21吴爱民黄炳兴张东生郭介山李惜平

陶瓷 2020年12期

吴爱民黄炳兴张东生郭介山李惜平

(厦门优胜卫厨科技有限公司福建厦门 361000)

前言

随着经济的发展，人民生活水平的提高及城市化的不断进行，由于使用时的舒适与卫生，抽水马桶已经是我国人民卫生间必配的洁具。当然，抽水马桶在给人们带来方便的同时，也消费了大量的水资源。据统计，抽水马桶的用水量占到了城市家庭用水的一半以上。在许多城市，供水日益紧张，节约用水已经提上了重要日程。国家发改委也针对马桶的节水推出了《GB 25502-2017 马桶水效限定值及水效等级》规定马桶用水量分级标准及马桶耗水量认证标准。鼓励尽量采用新技术降低马桶耗水量。为了防止马桶生产商一味为了省水而忽略马桶冲刷性能，国家又要求马桶符合GB/T 6952-2015 《卫生陶瓷》及GB/T 31436-2015《节水型卫生洁具》等相关效能国家标准。目前市面上普遍使用的马桶为6 L马桶(三级水效节水马桶)，如果我们能设计出用水量低于4 L的马桶，以一个家庭每天使用马桶全排10次计算，每天可以节约用水量20 L以上,一年可以节约7.4 t水。以中国有1亿个马桶计算，每年可以节约7.4亿t水资源。同时，现在市场上的马桶大多带有一个水箱，这个水箱一般质量5 kg以上，不但需要耗费材料，在马桶的烧成过程也要消耗较多的能源。并且，由于水箱的存在，对市场上越来越流行的马桶简约型设计也造成了极大的设计障碍。因此，研发高效能的节水型纯平马桶，在节约马桶瓷料及用水具有非常重要的现实意义。

1 市场主流产品的方案简述

马桶行业经过几十年的发展，其主流产品是带有水箱的喷射虹吸马桶。另一种相对比较小众的压力蓄能冲刷马桶，利用管道中的压力水直接对马桶污物进行冲刷或者通过蓄能机构(如压缩弹簧或者压缩空气)把管道能量蓄起来,再通过机构在启动排水时把能量释放出来推动污物。

现在参照以下说明书附图，来说明市面上主流马桶的原理及局限。

市面上主流的喷射虹吸马桶其结构如图1所示，当马桶排水阀15开启时，储存在马桶水箱里的水在重力作用下从排水阀出水口流出后分成2部分，一部分水流经洗净水路13对马桶本体11的洗净面进行刷洗；另一部分水流经喷射水路14从喷射口17喷出对马桶本体11的底部承污部的污物进行冲洗，并辅助S型虹吸管道快速充满水形成虹吸效应把马桶承污部里面的污物抽出马桶本体。这种马桶总体来说水箱里水的势能比较有限，在要求用水量及高冲刷性能的匹配上比较难以统一。尤其近十年来市场马桶的流行趋势是往低水箱甚至是无水箱方向发展，马桶水箱存水势能更低，对马桶污物的冲刷力也就也弱。同时市场对节水的要求也越来越高，这种喷射虹吸马桶在用水量，冲刷性能及外观上难以统一的缺陷就更加突出。

图1 市场上常见坐便器结构图

图2是市场上近年来出现的一种空气蓄能包马桶，马桶设有水箱，水箱里放置了个压力包，进水时供水管道的压力水进入压力包后压缩包里空气蓄能并存水，使用时开启压力包的排水阀，蓄能水从压力包喷出后对马桶承污面的污物进行冲洗，把污物推出马桶。这种马桶用水量为6 L或者4.8 L。由于其冲刷系统利用了压缩空气进行冲刷，冲刷力度强，但其有两个较大的技术限制：①压力包体积较大，而且需要一个更大体积的陶瓷水箱来容纳压力包，马桶难以做到纯平外观。②压力包里的压缩空气积蓄能量在排水时瞬间释放，相配套的马桶也属于冲落马桶范畴，冲落马桶的技术本身也不容易消除冲刷水流形成的噪音，因此整个系统冲刷噪音较大。

图2 市场上的空气蓄能包坐便器结构图

2 本课题的设计目标

为解决现有技术中存在的问题，本设计综合考虑了上述马桶的优点与局限，提供了一种高效节水型纯平无水箱虹吸马桶的综合解决方案。

新设计产品为了实现对市场上主流产品的替换，需达到以下设计目标：

(1)在保证强劲冲刷功能的基础上，用水量有明显的减少；

(2)能适用市场流行的无水箱马桶外观设计要求；

(3)生产方便，工艺简单，性能可靠。

3 本设计的具体解决方案

针对以上3个要求，本设计的总体思路是马桶既有虹吸马桶的低噪音的优点，又要利用蓄能马桶的强劲冲力，并优化马桶虹吸管道，使之与小水量的蓄能冲刷水相匹配，实现纯平马桶在低用水量下的低噪音高效冲刷。

下面通过具体实施方式来对本设计的技术方案进行详细阐述。

如图3所示，本设计为一种应用空气蓄能辅助冲刷系统的纯平无水箱马桶，其基本思路是把储水蓄能水箱分成两个小水箱分置在马桶排污管两侧使之实现纯平无水箱设计。图4为空气蓄能辅助冲刷系统储水水箱1的结构示意图。储水水箱1在使用时，第一水箱11作为水室、第二水箱12的上部作为气室、第二水箱12的下部作为水室，以及连通件13会储有少量空气。在储水结构1进水时，水流先进入第一水箱11，第一水箱11储水并将第一水箱11内部的空气挤压上升，大部分空气通过连通件13在第二水箱12内压缩，少部分空气停留在连通件13的上部；第一水箱11满水后水流通过连通件13进入第二水箱12，第二水箱12储水并将第二水箱12内部的空气进一步压缩并上升，使空气在第二水箱12的上部储压；在冲刷系统1排水时，第一水箱11的水迅速排出，同时连通件13泄压、第二水箱12上部的空气推动其下部的水，使第二水箱12下部的水输送至第一水箱11并排出(见图5)。

图3 纯平无水箱马桶

图4 空气蓄能辅助储水水箱

图5 水箱结构三维图

上述设计解决了现有压力水箱占据空间大、与马桶排污管干涉无法装在纯平无水箱马桶上的弊端，同时第一水箱11和第二水箱12互相独立安装，装配更加灵活，也降低了压力包安装在纯平无水箱马桶的工艺难度。

参考图4和图5所示，笔者所述的空气蓄能辅助冲刷系统除了包括储水水箱1以外，其还包括组合阀2、排水阀3、开启阀4。上述第一水箱11形成有第一进水口111和排水口112，排水阀3与排水口112相对设置，组合阀2与第一进水口111相对设置以实现第一水箱11和排水阀3的独立进水，开启阀4控制排水阀3的泄压或储压以实现排水阀3的活塞31开启或封闭排水口112，从而实现本冲刷系统的正常的储水与排水功能。

市场上现有的压力冲刷马桶配置铱科公司的ECOflush压力包及sloan公司的压力包，其用水量4.8 L或者6 L，不但压力包体积较大，并且其压力包里受压缩的蓄能空气在排水阀打开时是瞬间排放的，就像是气球被戳破一样发出较大的噪音，其喷出到马桶排污管的压力水速度极快，快速流动的水流形成了文丘里效应，把马桶洗净面周围的空气吸到水里，从而使充满排污管的水流充满了很多空气泡，这些空气炮的存在破坏了排污管的真空度，使排污管无法形成虹吸效应把马桶里的污物里(尤其是密度较小的轻质漂浮物)完全带走。同时空气泡的最终破裂也使马桶冲刷过程噪音较大。笔者所述的马桶搭配的空气蓄能辅助冲刷系统，基本思路就是蓄能压力包的压力水排放要“削峰填谷”，使之减慢速度排放，如此既可以延长压力包排水时间，使之更加匹配虹吸马桶管道的要求(马桶虹吸发生时间3 s以上性能较好)，并且蓄能包里的受压空气缓慢释放，也降低了马桶的冲刷噪音。同时，配上相适应的虹吸马桶管道，产生了较长时间的虹吸效应，增强了对马桶承污面漂浮物的抽吸作用，使漂浮物排出更彻底。由于现在市政供水管道压力一般可以达到1.5～3 kg，所以蓄能空气推出的压力水理论上也可以达到1.5 kgf/cm2。即使压力缓慢释放，经测试也可达到0.5 kgf/cm2以上，换算成水箱等效高度有5 m水箱高度，已经远远超出市场上高水箱马桶的水箱等效高度(一般马桶水箱高度小于0.3 m)。所以笔者所述搭配空气蓄能辅助冲刷系统的虹吸马桶，在马桶用水量降到4 L的情况下，就可以超过6 L用水量0.3 m水箱水高的等效冲刷效果。

参考图6和图7，在第二水箱12内还设置有排气控制阀7，用于控制本冲刷系统蓄能空气及水流的按需排放。

图6 水箱进水

图7 水箱排水

如图8和图9所示，上述排气控制阀7包括将第二水箱12分隔成水室和气室的水气隔板71，以及排气调节组件72。上述水气隔板71设置有连通第二水箱12的水室和气室的排气口7111，排气调节组件72与排气口7111相对设置并活动调节排气口7111的截面大小从而控制蓄能空气的排放速度，也即控制了压力水的排放速度，从而使空气蓄能辅助冲刷系统能适应虹吸马桶的管道需求。

图8 水箱进水

图9 水箱排水

针对笔者所述的低用水量高能量的空气蓄能辅助冲刷系统的特点，本设计也提供了与之相匹配的马桶虹吸管道。

如图10所示，市场上虹吸马桶用水量一般为6 L,马桶虹吸管道的虹吸喉一般设置在B处，以加大水箱与虹吸喉的高度差来增强虹吸力，但这样产生虹吸前充满虹吸管的用水量需要较多。笔者所述的马桶，其配置的空气蓄能冲刷系统，其用水量设计为4 L,用水量较少，但其水流能量远比水箱式马桶大。针对这个特点，配备的马桶虹吸管道的虹吸喉设置在A处，这样发生虹吸时充填虹吸管道的水量更少(见图11填充线)，可以尽量延长虹吸时间，使虹吸对马桶承污面的污物排出效果更明显。