金延東

（九陽股份有限公司 杭州 310018）

坐便器節(jié)水新技術(shù)研究＊

金延東

（九陽股份有限公司 杭州 310018）

坐便器是家庭用水最多的器具之一。隨著水資源越來越短缺，各國研制的節(jié)水坐便器從每次用水15L降到13L、9L，直至降到6L被世界公認。目前主流的坐便器是虹吸式，虹吸式坐便器在排污時需要一定的水量充滿S形管，利用虹吸原理將污物排走，因此用水量還是比較大，無法實現(xiàn)真正節(jié)約水源，并且虹吸式坐便器還會存在堵塞的問題。筆者通過對現(xiàn)有坐便器排水方式進行研究改進，將坐便器虹吸式排水改為直排式，既節(jié)約水源又能解決坐便器堵塞問題。

坐便器 馬桶 節(jié)水 防堵塞 防濺水 設計

前言

我國是一個水資源短缺的國家，被聯(lián)合國列為貧水國家之一。資料顯示，衛(wèi)生間用水量占家庭用水的60%～70%，而坐便器用水量更是占到了其1/3的水量，并且也是除開水龍頭節(jié)水因素以外最重要的節(jié)水環(huán)節(jié)。自坐便器問世以來給環(huán)境帶來極大的改善，現(xiàn)在市場上應用的坐便器主要為虹吸式，虹吸式坐便器有一個S形存水彎，在排污沖水時，坐便器內(nèi)的水面超越S彎的高點時，由于管口水面不同的大氣壓力，水由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，構(gòu)成虹吸現(xiàn)象，應用虹吸現(xiàn)象很快就可將坐便器內(nèi)的水和污物一同抽走。當兩邊的大氣壓力相等時，容器內(nèi)的水面高度相等，水就會停止流動，留下少量的水，構(gòu)成了水封。

但是，虹吸式坐便器存在著自身無法克服的缺點，那就是容易堵塞、每次排污沖水時用水量比較大。

1 研究方向

根據(jù)虹吸式坐便器結(jié)構(gòu)原理分析可知，要想更節(jié)水必須進行結(jié)構(gòu)原理改進。為了研究設計出更加節(jié)水的坐便器，根據(jù)坐便器節(jié)水排污應用需要，確定節(jié)水坐便器研究方向如下：

1）取消S形存水彎，坐便器采用直接排污方式；

2）水封深度和表面積符合國家標準要求；

3）排污徹底可靠；

4）不容易堵塞。

2 方案設計

為了實現(xiàn)坐便器上述節(jié)水設計要求，可通過以下技術(shù)方案達成：

1）一種節(jié)水防濺坐便器，包括盆體和污水出口，在污水出口的上方水封的水面附近設置有蓋板，蓋板設計有一個封閉的凸緣；坐便器還設置有可穿過污水出口上下活動的排污管，排污管通過軟塑料與污水出口密封連接。帶有凸緣的蓋板扣在排污管上方通過水封進行密封，類似于地漏密封結(jié)構(gòu)。在坐便器蓋板上設置有凸肋，可以防止坐便器內(nèi)的水震蕩引起污水飛濺，既衛(wèi)生也保證了人體的健康安全。節(jié)水坐便器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)水坐便器結(jié)構(gòu)示意圖

2）為了實現(xiàn)排污管穿過污水出口上下運動進行排污，坐便器應設置有一個杠桿，杠桿的一端與排水管滑動連接，另一端設置有配重。

3）坐便器還應設置有排水開關(guān)，排水開關(guān)通過杠桿與排污管滑動連接，使用時可以啟動排水開關(guān)進行污水排放及坐便器清洗。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 主體結(jié)構(gòu)設計

節(jié)水坐便器設計包括：盆體1、污水出口2、蓋板3、軟塑料5、水封6、杠桿7、排污管12、杠桿支點15，蓋板3具有一個封閉的凸緣4，排污管12通過軟塑料5與污水出口2密封連接。排污管12可以采用鋁合金材質(zhì)制成，外管壁設有連桿8。杠桿7的一端設置有配重9，另一端設

圖2 節(jié)水坐便器密封狀態(tài)示意圖

置有滑槽14與排污管12外管壁上的連桿8滑動連接，配重9的重心位于杠桿7的上方。排污管12連接污水出口2和下水道13，并在污水出口2和下水道13內(nèi)上下運動，污水出口2和下水道13可對排污管12的運動起導向作用。

節(jié)水坐便器密封及排水主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3所示。

圖2為排污管12封閉狀態(tài)。排污管12在杠桿7和配重9的作用下穿過污水出口2位于蓋板3和凸緣4形成的密封碗內(nèi)，排污管12上端面高于凸緣4的下端面，水封6液面高過凸緣4，從而對排污管12進行密封，類似于地漏原理，防止排污管12內(nèi)的氣味散發(fā)出來。

圖3 節(jié)水坐便器排水狀態(tài)示意圖

圖3為排污管12開啟狀態(tài)。當放水沖便的時候，排污管12及軟塑料5由于受到水的沖力而使杠桿7的平衡被打破，排污管12向下運動并通過連桿8帶動滑槽14繞著杠桿支點15逆時針轉(zhuǎn)動。排污管12在向下運動的過程中，污物和污水沿著圖中箭頭的方向從排污管12向下排出進入下水道13。隨著污物和污水從排污管12排出，排污管12重量減輕，杠桿7在配重9的作用下順時針轉(zhuǎn)動，排污管12向上運動進入蓋板3和凸緣4形成的密封碗內(nèi)，重新恢復到封閉狀態(tài)。

3.2 排污管結(jié)構(gòu)設計

排污管通過軟塑料和緊固件與污水出口2進行密封組成排污管組件，起密封和污水排放作用。軟塑料5的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，上下兩端類似于漏斗形狀。

圖4 軟塑料結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為軟塑料5與污水出口2和排污管12的裝配示意圖。

圖5 排污管裝配示意圖

由圖5可見，軟塑料5的上口套在污水出口2外面與污水出口2密封連接。軟塑料5可以通過繩索、膠帶或者膠水等材料緊緊固定在污水出口2的外管壁，為了連接緊固，可以在污水出口2的外管壁上設置至少一圈密封槽或凸筋。軟塑料5下口從排污管12中間穿過并外翻包住排污管12，通過緊固件16使之固定并連接。軟塑料5和排污管12之間可以通過膠水粘接，也可以通過超聲波或者高頻焊接進行連接固定。緊固件16可以是繩索、膠帶或螺紋套管等，緊固件16的一個作用是緊固連接軟塑料5和排污管12，另一個作用是當排污管12在下水道13中滑動時保護軟塑料5和排污管12不被磨損。

軟塑料5下端也為漏斗形狀，并套在下水道13外管壁進行密封連接，防止下水道13中的臭氣外泄。

3.3 杠桿結(jié)構(gòu)設計

杠桿結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。杠桿的A端為排污管12上連桿8的受力端，B端為配重9的施力端。在B端垂直于杠桿設置有一桿，在桿上按順序設有配重孔位，配重9可以設置在任一配重孔位上。

圖6 杠桿結(jié)構(gòu)原理圖

凈時排污管12就恢復到封閉狀態(tài)；而當配重9位于C配重孔假設F為A端排污管12的總重力，G為B端配重9的重量，杠桿的重量忽略不計，則在平衡狀態(tài)時有：F×L＝G×M。當排污管12進行排污時杠桿逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖6中虛線所示，由于污物和污水不斷被排出，F(xiàn)變小，當配重9位于B配重孔位時，此時F×N＝F×L×cosα，G×H＝G×M×cosα，由于F變小，則F×L×cosα＜G×M×cosα，（式中α為杠桿7的轉(zhuǎn)角，cosα為α的余弦值），即F×N＜G×H，就有可能存在污物和污水還沒有排位時，隨著杠桿7的轉(zhuǎn)角α增大，C點的力臂K與B點的力臂H的差值越來越大，也就是說C點的力臂K比B點的力臂H減小得快，實現(xiàn)了配重9端C點變力矩，當排污時，排污管12端的力矩由于F的變小而不斷地變小，而配重9端的力矩也由于配重9的力臂K相對于H不斷變小，通過調(diào)節(jié)C點的位置和配重9的重量，可以實現(xiàn)排污管12排凈污物和污水的瞬間狀態(tài)平衡即F×N＝G×H，當污水和污物完全被排凈時，排污管12恢復封閉狀態(tài)，達到即可排凈污水污物又可以使排污管12快速恢復到封閉狀態(tài)。

杠桿7設置有上定位塊20、下定位塊21，杠桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。上定位塊20和下定位塊21可以限制杠桿7的轉(zhuǎn)動角度使之在合適的范圍內(nèi)，防止排污管12向上運動進行封閉狀態(tài)時撞擊蓋板3或者向下運動進行開啟狀態(tài)排污時撞擊下水道13，以保證工作的可靠性。杠桿7的位置也可以根據(jù)需要設置在排污管12的前端或后端。

圖7 杠桿結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 排水開關(guān)結(jié)構(gòu)設計

3.4.1 腳踏開關(guān)結(jié)構(gòu)設計

圖8 腳踏開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

為了便于使用，在坐便器的前面適當位置設置有腳踏開關(guān)。

當踩下腳踏開關(guān)19時，腳踏開關(guān)19繞腳踏支點18轉(zhuǎn)動并帶動杠桿7逆時針轉(zhuǎn)動，進行排污。在腳踏開關(guān)19的作用力消失后，排污管12恢復封閉狀態(tài)。排污狀態(tài)如圖8所示。腳踏開關(guān)19下面設有延時沖水閥10，延時沖水閥10與自來水進水管相連通。踩下腳踏開關(guān)19觸及延時沖水閥10，延時沖水閥10開啟，自來水進入盆體1對坐便器進行沖洗后進行水封。由于腳踏開關(guān)19的一端位于杠桿7配重9端的下面與之自由接觸，杠桿7可以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

當利用生活廢水對坐便器進行沖洗排污的時候，排污管12在水的重力作用下向下運動帶動杠桿7逆時針旋轉(zhuǎn)，排污管12向下運動排污，排污結(jié)束后，杠桿7在配重9的作用下順時針旋轉(zhuǎn)重新恢復密封狀態(tài)。

因此，踩壓腳踏開關(guān)19和向盆體1內(nèi)沖水可以分別進行排污。腳踏開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

3.4.2 手動開關(guān)結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)不同的使用需求，在坐便器的適當位置可以設置手動開關(guān)。

在杠桿7一端設置拉桿17，如圖9所示。拉動拉桿17，杠桿7順時針轉(zhuǎn)動，排污管12向下運動進行排污，同時拉桿17帶動水箱的沖水閥門進行沖水；松開拉桿17，杠桿7在拉桿17重力作用下逆時針轉(zhuǎn)動，排污管12恢復密封狀態(tài)。手動開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 手動開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 蓋板結(jié)構(gòu)設計

圖10 蓋板結(jié)構(gòu)示意圖

蓋板3可以設計與坐便器一體，也可以設計成與坐便器分離的獨立部件，設計成獨立部件的蓋板結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

蓋板3具有凸緣4并一體設置有凸肋11，在坐便器污水出口2上方設置有與凸肋11相配合的凹槽，便于蓋板3的安裝配合，當然也可以采用其他配合方式。蓋板3作為與坐便器分離的獨立部件的優(yōu)點是可以拆卸，遇到排污管12等內(nèi)部配件損壞或堵塞時可以方便觀察維修。

4 實驗測試

根據(jù)GB 6952－2005《衛(wèi)生陶瓷》國家標準對本技術(shù)進行相關(guān)測試驗證，測試的結(jié)果如下：

1）坐便器用水量：國標要求節(jié)水型坐便器平均用水量≤6L，測試結(jié)果為平均用水量3L。

2）洗凈功能，墨線試驗：國標要求每次沖洗后累計殘留墨線的總長度不大于50mm，測試結(jié)果0。

3）坐便器球排放試驗：沖實心固體球100個，國標要求3次平均沖出數(shù)不小于85個，測試結(jié)果為100個。

4）污水置換功能，沖洗后水封水稀釋率：國標要求不低于100，測試結(jié)果1 000。

5 結(jié)語

筆者所設計的節(jié)水坐便器，由于去除了S形存水彎，真正采用直排方式進行排污，可以節(jié)省排污的用水量和時間，污物可以在重力作用下直接排除，不易堵塞，只需用少量的水沖洗坐便器盆體和蓋板即可，每次用水量可以比國標規(guī)定的節(jié)水型坐便器更加節(jié)省。另外可以將進水閥門直接與自來水管道相連，省去水箱，這樣既降低了生產(chǎn)成本，也節(jié)省了空間，還可以通過自來水的水壓使污物沖洗更加徹底。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本節(jié)水坐便器采用帶有封閉凸緣的蓋板套在排污管上方，類似地漏形式通過水封進行密封，可以有效地對坐便器進行密封防臭。排污管可以上下活動，當為開啟狀態(tài)時，排污管向下運動進行排污，由于蓋板的遮擋作用，可以有效防止在排污時污水四處飛濺，更安全衛(wèi)生；當為閉合狀態(tài)時，排污管在杠桿作用下向上運動復位，可以通過水和套在排污管上的蓋板對坐便器進行密封，防止臭氣外泄。另外，由于本節(jié)水坐便器沒有類似污水出口的深水坑且在坐便器蓋板上設置有凸肋，可以防止排便時坐便器內(nèi)的水震蕩過大引起污水飛濺，既衛(wèi)生也保證了人體的健康安全。

1 衡瀟.節(jié)水功能與坐便器造型設計的研究.江蘇：江南大學，2008

2 賈福國.一種縱向槽形排污口側(cè)封功能性排污節(jié)水技術(shù).中國專利：200610037110.0，2008－2－27

TQ174.76＋9

A

1002－2872（2012）07－0020－04

金延東（1973－），本科，高級工程師；主要從事小家電產(chǎn)品設計與研究。