坐便器节水新技术研究＊

金延东

（九阳股份有限公司 杭州 310018）

坐便器节水新技术研究＊

金延东

（九阳股份有限公司 杭州 310018）

坐便器是家庭用水最多的器具之一。随着水资源越来越短缺，各国研制的节水坐便器从每次用水15L降到13L、9L，直至降到6L被世界公认。目前主流的坐便器是虹吸式，虹吸式坐便器在排污时需要一定的水量充满S形管，利用虹吸原理将污物排走，因此用水量还是比较大，无法实现真正节约水源，并且虹吸式坐便器还会存在堵塞的问题。笔者通过对现有坐便器排水方式进行研究改进，将坐便器虹吸式排水改为直排式，既节约水源又能解决坐便器堵塞问题。

坐便器 马桶 节水 防堵塞 防溅水 设计

前言

我国是一个水资源短缺的国家，被联合国列为贫水国家之一。资料显示，卫生间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，并且也是除开水龙头节水因素以外最重要的节水环节。自坐便器问世以来给环境带来极大的改善，现在市场上应用的坐便器主要为虹吸式，虹吸式坐便器有一个S形存水弯，在排污冲水时，坐便器内的水面超越S弯的高点时，由于管口水面不同的大气压力，水由压力大的一边流向压力小的一边，构成虹吸现象，应用虹吸现象很快就可将坐便器内的水和污物一同抽走。当两边的大气压力相等时，容器内的水面高度相等，水就会停止流动，留下少量的水，构成了水封。

但是，虹吸式坐便器存在着自身无法克服的缺点，那就是容易堵塞、每次排污冲水时用水量比较大。

1 研究方向

根据虹吸式坐便器结构原理分析可知，要想更节水必须进行结构原理改进。为了研究设计出更加节水的坐便器，根据坐便器节水排污应用需要，确定节水坐便器研究方向如下：

1）取消S形存水弯，坐便器采用直接排污方式；

2）水封深度和表面积符合国家标准要求；

3）排污彻底可靠；

4）不容易堵塞。

2 方案设计

为了实现坐便器上述节水设计要求，可通过以下技术方案达成：

1）一种节水防溅坐便器，包括盆体和污水出口，在污水出口的上方水封的水面附近设置有盖板，盖板设计有一个封闭的凸缘；坐便器还设置有可穿过污水出口上下活动的排污管，排污管通过软塑料与污水出口密封连接。带有凸缘的盖板扣在排污管上方通过水封进行密封，类似于地漏密封结构。在坐便器盖板上设置有凸肋，可以防止坐便器内的水震荡引起污水飞溅，既卫生也保证了人体的健康安全。节水坐便器结构示意图如图1所示。

图1 节水坐便器结构示意图

2）为了实现排污管穿过污水出口上下运动进行排污，坐便器应设置有一个杠杆，杠杆的一端与排水管滑动连接，另一端设置有配重。

3）坐便器还应设置有排水开关，排水开关通过杠杆与排污管滑动连接，使用时可以启动排水开关进行污水排放及坐便器清洗。

3 结构设计

3.1 主体结构设计

节水坐便器设计包括：盆体1、污水出口2、盖板3、软塑料5、水封6、杠杆7、排污管12、杠杆支点15，盖板3具有一个封闭的凸缘4，排污管12通过软塑料5与污水出口2密封连接。排污管12可以采用铝合金材质制成，外管壁设有连杆8。杠杆7的一端设置有配重9，另一端设

图2 节水坐便器密封状态示意图

置有滑槽14与排污管12外管壁上的连杆8滑动连接，配重9的重心位于杠杆7的上方。排污管12连接污水出口2和下水道13，并在污水出口2和下水道13内上下运动，污水出口2和下水道13可对排污管12的运动起导向作用。

节水坐便器密封及排水主体结构示意图如图2和图3所示。

图2为排污管12封闭状态。排污管12在杠杆7和配重9的作用下穿过污水出口2位于盖板3和凸缘4形成的密封碗内，排污管12上端面高于凸缘4的下端面，水封6液面高过凸缘4，从而对排污管12进行密封，类似于地漏原理，防止排污管12内的气味散发出来。

图3 节水坐便器排水状态示意图

图3为排污管12开启状态。当放水冲便的时候，排污管12及软塑料5由于受到水的冲力而使杠杆7的平衡被打破，排污管12向下运动并通过连杆8带动滑槽14绕着杠杆支点15逆时针转动。排污管12在向下运动的过程中，污物和污水沿着图中箭头的方向从排污管12向下排出进入下水道13。随着污物和污水从排污管12排出，排污管12重量减轻，杠杆7在配重9的作用下顺时针转动，排污管12向上运动进入盖板3和凸缘4形成的密封碗内，重新恢复到封闭状态。

3.2 排污管结构设计

排污管通过软塑料和紧固件与污水出口2进行密封组成排污管组件，起密封和污水排放作用。软塑料5的结构示意图如图4所示，上下两端类似于漏斗形状。

图4 软塑料结构示意图

图5为软塑料5与污水出口2和排污管12的装配示意图。

图5 排污管装配示意图

由图5可见，软塑料5的上口套在污水出口2外面与污水出口2密封连接。软塑料5可以通过绳索、胶带或者胶水等材料紧紧固定在污水出口2的外管壁，为了连接紧固，可以在污水出口2的外管壁上设置至少一圈密封槽或凸筋。软塑料5下口从排污管12中间穿过并外翻包住排污管12，通过紧固件16使之固定并连接。软塑料5和排污管12之间可以通过胶水粘接，也可以通过超声波或者高频焊接进行连接固定。紧固件16可以是绳索、胶带或螺纹套管等，紧固件16的一个作用是紧固连接软塑料5和排污管12，另一个作用是当排污管12在下水道13中滑动时保护软塑料5和排污管12不被磨损。

软塑料5下端也为漏斗形状，并套在下水道13外管壁进行密封连接，防止下水道13中的臭气外泄。

3.3 杠杆结构设计

杠杆结构原理如图6所示。杠杆的A端为排污管12上连杆8的受力端，B端为配重9的施力端。在B端垂直于杠杆设置有一杆，在杆上按顺序设有配重孔位，配重9可以设置在任一配重孔位上。

图6 杠杆结构原理图

净时排污管12就恢复到封闭状态；而当配重9位于C配重孔假设F为A端排污管12的总重力，G为B端配重9的重量，杠杆的重量忽略不计，则在平衡状态时有：F×L＝G×M。当排污管12进行排污时杠杆逆时针旋转，如图6中虚线所示，由于污物和污水不断被排出，F变小，当配重9位于B配重孔位时，此时F×N＝F×L×cosα，G×H＝G×M×cosα，由于F变小，则F×L×cosα＜G×M×cosα，（式中α为杠杆7的转角，cosα为α的余弦值），即F×N＜G×H，就有可能存在污物和污水还没有排位时，随着杠杆7的转角α增大，C点的力臂K与B点的力臂H的差值越来越大，也就是说C点的力臂K比B点的力臂H减小得快，实现了配重9端C点变力矩，当排污时，排污管12端的力矩由于F的变小而不断地变小，而配重9端的力矩也由于配重9的力臂K相对于H不断变小，通过调节C点的位置和配重9的重量，可以实现排污管12排净污物和污水的瞬间状态平衡即F×N＝G×H，当污水和污物完全被排净时，排污管12恢复封闭状态，达到即可排净污水污物又可以使排污管12快速恢复到封闭状态。

杠杆7设置有上定位块20、下定位块21，杠杆结构示意图如图7所示。上定位块20和下定位块21可以限制杠杆7的转动角度使之在合适的范围内，防止排污管12向上运动进行封闭状态时撞击盖板3或者向下运动进行开启状态排污时撞击下水道13，以保证工作的可靠性。杠杆7的位置也可以根据需要设置在排污管12的前端或后端。

图7 杠杆结构示意图

3.4 排水开关结构设计

3.4.1 脚踏开关结构设计

图8 脚踏开关结构示意图

为了便于使用，在坐便器的前面适当位置设置有脚踏开关。

当踩下脚踏开关19时，脚踏开关19绕脚踏支点18转动并带动杠杆7逆时针转动，进行排污。在脚踏开关19的作用力消失后，排污管12恢复封闭状态。排污状态如图8所示。脚踏开关19下面设有延时冲水阀10，延时冲水阀10与自来水进水管相连通。踩下脚踏开关19触及延时冲水阀10，延时冲水阀10开启，自来水进入盆体1对坐便器进行冲洗后进行水封。由于脚踏开关19的一端位于杠杆7配重9端的下面与之自由接触，杠杆7可以逆时针方向旋转。

当利用生活废水对坐便器进行冲洗排污的时候，排污管12在水的重力作用下向下运动带动杠杆7逆时针旋转，排污管12向下运动排污，排污结束后，杠杆7在配重9的作用下顺时针旋转重新恢复密封状态。

因此，踩压脚踏开关19和向盆体1内冲水可以分别进行排污。脚踏开关结构示意图如图8所示。

3.4.2 手动开关结构设计

根据不同的使用需求，在坐便器的适当位置可以设置手动开关。

在杠杆7一端设置拉杆17，如图9所示。拉动拉杆17，杠杆7顺时针转动，排污管12向下运动进行排污，同时拉杆17带动水箱的冲水阀门进行冲水；松开拉杆17，杠杆7在拉杆17重力作用下逆时针转动，排污管12恢复密封状态。手动开关结构示意图如图9所示。

图9 手动开关结构示意图

3.5 盖板结构设计

图10 盖板结构示意图

盖板3可以设计与坐便器一体，也可以设计成与坐便器分离的独立部件，设计成独立部件的盖板结构示意图如图10所示。

盖板3具有凸缘4并一体设置有凸肋11，在坐便器污水出口2上方设置有与凸肋11相配合的凹槽，便于盖板3的安装配合，当然也可以采用其他配合方式。盖板3作为与坐便器分离的独立部件的优点是可以拆卸，遇到排污管12等内部配件损坏或堵塞时可以方便观察维修。

4 实验测试

根据GB 6952－2005《卫生陶瓷》国家标准对本技术进行相关测试验证，测试的结果如下：

1）坐便器用水量：国标要求节水型坐便器平均用水量≤6L，测试结果为平均用水量3L。

2）洗净功能，墨线试验：国标要求每次冲洗后累计残留墨线的总长度不大于50mm，测试结果0。

3）坐便器球排放试验：冲实心固体球100个，国标要求3次平均冲出数不小于85个，测试结果为100个。

4）污水置换功能，冲洗后水封水稀释率：国标要求不低于100，测试结果1 000。

5 结语

笔者所设计的节水坐便器，由于去除了S形存水弯，真正采用直排方式进行排污，可以节省排污的用水量和时间，污物可以在重力作用下直接排除，不易堵塞，只需用少量的水冲洗坐便器盆体和盖板即可，每次用水量可以比国标规定的节水型坐便器更加节省。另外可以将进水阀门直接与自来水管道相连，省去水箱，这样既降低了生产成本，也节省了空间，还可以通过自来水的水压使污物冲洗更加彻底。

相较于现有技术，本节水坐便器采用带有封闭凸缘的盖板套在排污管上方，类似地漏形式通过水封进行密封，可以有效地对坐便器进行密封防臭。排污管可以上下活动，当为开启状态时，排污管向下运动进行排污，由于盖板的遮挡作用，可以有效防止在排污时污水四处飞溅，更安全卫生；当为闭合状态时，排污管在杠杆作用下向上运动复位，可以通过水和套在排污管上的盖板对坐便器进行密封，防止臭气外泄。另外，由于本节水坐便器没有类似污水出口的深水坑且在坐便器盖板上设置有凸肋，可以防止排便时坐便器内的水震荡过大引起污水飞溅，既卫生也保证了人体的健康安全。

1 衡潇.节水功能与坐便器造型设计的研究.江苏：江南大学，2008

2 贾福国.一种纵向槽形排污口侧封功能性排污节水技术.中国专利：200610037110.0，2008－2－27

TQ174.76＋9

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1002－2872（2012）07－0020－04

金延东（1973－），本科，高级工程师；主要从事小家电产品设计与研究。