常压射流水箱结合弹簧蓄能水箱坐便器冲刷系统的节水应用研究*

杨德济

(厦门优胜卫厨科技有限公司 福建 厦门 361022)

前言

随着国家强制性标准GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》[1]的颁布实施，节能节水成为坐便器必备的性能。而时代进步，生活审美的发展，纯平外观的坐便器在市场上深受消费者喜爱，所以节水型纯平坐便器是我们的产品发展趋势。

常规坐便器需要重力势能，无法做到纯平。市场上现有的纯平坐便器是将储存水箱放置在坐便器内部，利用电泵技术、压力蓄能技术或射流技术实现冲刷功能。电泵技术，依赖电力，密封要求高，出水流量要足够大，造价最高，难以普及；压力蓄能技术成本相比略低，冲刷力度大，可满足一级水效标准；射流技术是利用射流原理对坐便器洗圈冲刷，靠重力势能主冲辅助虹吸，虽然成本最低，但因势能较低，无法满足一级水效标准。其中，厦门优胜卫厨科技有限公司生产的蓄能水箱坐便器[2]利用进水管道的水压压缩弹簧，把水储存在压力水箱内，压缩弹簧蓄积能量实现有压冲刷，产品用水量3.8 L，符合国家一级水效标准。考虑安全因素，水箱产品要求较高强度以及严格的密封要求，构造复杂，工艺要求高，成本较贵。

1 研究与开发目标

在弹簧蓄能坐便器中，因坐便器空间结构限制，采用两个水箱布局。两个水箱分别放置于坐便器虹吸管道与侧壁之间，以减小坐便器尺寸。一个水箱提供洗圈水，一个水箱接主冲喷口辅助虹吸。水箱容积1.5 L,加上补水0.8 L，总用水量3.8 L。根据过往研发经验以及现有的射流技术应用经验，对于双压力水箱系统来说，洗圈的水量及压力不是必须的，存在着浪费水现象。坐便器的洗圈水箱可降低压力及更少的水即可完成洗圈功能。这样就确立了研发目标：研制一个自成系统，可取代洗圈压力水箱的常压水箱；该水箱需要自动完成按压冲洗排水、水箱补水等工作循环，重点为它是非重力排水的常压水箱。

根据过往研发经验，可定义常压水箱系统的基本要求：

(1)在性能及安全性上超过或满足国家标准要求[3]；

(2)减少动密封结构，提高产品良品率与可靠性；

(3)成本要大幅度降低；

(4)产品在使用中可能遇到的一些异常情况处理考量，如耐压或水压过低时，不能漏水，如关键零部件止水失效，水要流到坐便器里，而不是漏在地板上等。

2 研究与开发过程及关键性问题的突破

2.1 研究项目可行性及用水量的确认

分析确认原压力水箱布置空间对比已有射流洗圈坐便器发现工况不佳，工作水位到出水口距离要比旧射流系统低8 cm，应用原有射流组件初步测试，洗圈效果极差，需重新调定射流结构尺寸参数。引用陆宏圻《射流泵技术的理论及应用》[4]中喷嘴的计算公式：

其中，μ1为喷嘴流量系数；α为喉管进口函数；Δp0泵的工作压力(MPa)；Qn为动力液流量(m3/min)；γ0为动力液重度(N/m3)。

拟定射流泵压差△P0为0.08～0.015 MPa，进水流量Qn取值0.2～0.3 m3/H，流量系数μ1取1，喉管函数取1.05，动力液为水，代入计算得：

喷口直径d径取值范围2.6～4.2 mm；

根据手册查射流泵曲线表[5]：

表1 射流泵曲线

结合工况，要求最大流量，非最高效率，故取值流量比q=4，面积比m=24，根据相关经验公式确定射流喉管直径与长度[6]，然后确定扩散管出口直径。按不同结构尺寸配置制作简单模型分别测试，选取最优参数系统。测试结果见表2。

表2 简易射流匹配压力水箱系统与双压力水箱系统坐便器冲刷性能对比测试[5]

从表2可以看出，新系统性能接近，省水10.5%。小颗粒项目略差，贴壁纸巾项目比较好。初步分析原因，原压力水箱流速高，纸巾未打湿就结束冲刷，而新系统流速适中，故而提升。

2.2 新水箱系统构建及难点

在新水箱系统的构建设计中，系统动作逻辑是开启-排水-到位切换-补水-进满停止等一系列动作的自动执行及结构性能优化，需要机械结构在运行中自我判断执行。图1是定型产品透视图。在设计阶段遇到一些难点，对比较典型的问题以下予以着重说明。

图1 定型产品透视图

2.2.1 射流系统在低压时长排水

在水压0.045 MPa以下时(非工作水压范围)，水箱偶尔在某个水位高度时进、排水流量平衡的现象。产品异常表现是低压长流水，无法完成工作循环。

分析原因：异常时水位高度正好处于切换水位和进水阀开启水位之间，因进、排水流量一致，水箱水位不再变化，无法到达切换水位，故系统状态维持在长排水状态。

问题改进：设计改进用倒置的切换浮力平衡系统(图2)。与常规的带配重水切换类浮筒不同，采用上方浮力，下方配重的方式，与带小孔的外浮筒实现延时切换功能。

图2 倒置的切换浮力平衡系统

工作机理：当水箱在低压状态开启后到达于平衡水位时，外浮筒的里的水由于小孔原因延迟10 s左右流空，进而使平衡浮筒失去浮力，转为重力效果，和切换平衡配重浮筒一起作用下推动切换挂钩装置，提前产生切换动作，使水箱停止排水，只能进水，继而到达工作水位后停止，水箱不会再长排水，而是进入下一个工作循环，问题得到彻底解决。

2.2.2 进水阀的快速复位无法系统开启问题

产品异常现象描述：低压(非工作水压范围)时水箱即按即停，按压开关后，水箱排水；松手后水箱即停止排水，坐便器没有完成冲刷功能。

原因分析：水箱中使用的进水阀是背压腔式止水方式，需要背压腔室的泄压口完全打开才可正常进水，而当开关通过联动机构把进水阀浮筒按下去后，低压排速低，水箱内的水尚未排出到可以完全打开进水阀泄压口的位置时，短时间内松手进水阀浮筒会自动浮起，关闭进水，造成系统不工作。

解决办法：在驱动浮筒的联动机构处(图3)设计增加延时复位功能，在启动拉杆与箱体配合处用小间隙配合过水(图4)，延时复位。

图3 驱动浮筒的联动机构处

图4 拉杆与箱体配合处用小间隙配合过水

工作原理：当开关按压后，外部水压进入开启拉杆的薄膜与箱体之间，产生拉力带动联动结构转动，同时使浮筒下压及切换结构启动，因开启拉杆与箱体之间的小间隙排水延时复位，使开启拉杆在约5秒左右复位(相当于按住开关5 s)，此过程中一直通过联动结构拉住进水阀浮筒，使其不能快速复位，让水箱一直排水直至进水阀完全开启水位，以便水箱排水动作继续完成。由此问题点关闭。

2.3 技术突破

在多次调试测试中发现，如果坐便器洗净面的洗净水(常压水箱内的水)和压力水箱如果能够分别先后开启，坐便器的冲刷的效果更好(其它系统都是同时开启)。如能在洗净面清洗水流到水封表面时开启主冲压力水箱，这样冲刷效果又有所提升。这种类似电子编程式的顺序开启要用机械结构实现是比较困难的。

本设计方案重大的技术突破点在于：用常压水箱的液位高度控制实现顺序开启两个水箱，提升系统冲刷性能。

工作原理：压力水箱是通过泄压控制水路内水压方法启动工作的，本案在常压水箱内设计了一处配重浮筒，通过杠杆增力后控制单向阀开启闭合，使压力水箱控制水路泄压(图5)。这样通过改变配重浮筒开启时的水位高度，即可调节压力水箱的开启时间。通过多个不同的尺寸模型测试系统冲刷性能，得到最理想的压力水箱开启水位高度，达成最优效果。实现先洗圈，后喷射的坐便器冲刷模式，在坐便器冲刷效果提升时亦可减少水量。测试数据见附表3。

图5 压力水箱控制水路泄压

从表3可以看出，优化后的冲刷系统性能得到进一步提升，且用水量比原双压力水箱系统节省15.7%的用水量。

表3 优化后模型与旧模型坐便器冲刷系统性能对比测试

3 研究总结

通过此项目研究开发，确认在弹簧蓄能冲刷系统中，产品可更高效节水，节省15.7%的用水量，同时冲刷性能略有提升。产品成本核算常压水箱是压力水箱的五分之一左右，大大降低了成本。由此可见优化后射流系统在纯平节水坐便器中应用有很大的优势，无需动密封结构，提高产品的可靠性与稳定性，延长产品使用寿命，更好的满足产品使用需求。