家用净水机漏水问题的分析与研究

周梦然 贺雷 施清清

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

引言

随着人们对健康品质生活要求的不断提高，以及工业化进程下不断恶化的水质，净水机逐渐成为人们家用电器中的必须品。净水机可去除水中的铁锈、胶体物质、异味、余氯、细菌、病毒、有机污染物和重金属等杂质，并能够保留水中的矿物质元素。净水机作为现在处理家庭用水的一种高效设备，已经被大多数的消费者认可[1]。净水机在改善生活品质的同时，因净水机涉及的水路及器件接驳较多，存在较多的漏水隐患点，且净水机产品安装位置及无人看管的特殊性，净水机出现质量异常时往往不会被及时发现，漏水的发生导致地板、家居等泡水后的修复工作，造成巨大的财产损失的同时耗时耗力，给用户造成恶劣影响，严重影响用户使用满意度。

1 净水机原理

家用净水机主要有超滤（UF）净水机和反渗透（R0）净水机，超滤净水机核心滤芯为超滤膜，过滤精度0.01 μm，可以过滤大颗粒杂质及大分子有机物、胶体、细菌、病毒[2,3]，适用于重金属未超标地区及生活用水；反渗透净水机核心滤芯为反渗透膜，过滤精度为0.000 1 μm，可过滤大颗粒杂质、有机物、细菌、病毒、水碱、重金属等，适用于重金属超标地区及直饮水。也有超滤膜与反渗透膜同时具备的双膜净水机，超滤膜置于反渗透膜前端作为预处理膜，为反渗透膜过滤过程提供优良的进水水质，延长反渗透膜的使用寿命；双膜净水机多为双出水模式，可提供生活用水及直饮水，满足用户不同的使用需求[4-6]。

反渗透净水机由滤芯、接头、水管、电磁阀、增压泵、压力开关、水龙头、压力桶等组成，系统示意图如图1[7]。净水机以符合市政自来水或其他集中式供水为原水，以反渗透膜滤芯等为主要元件，通过控制电磁阀、增压泵及废水比冲洗阀等来完成制水，用于改善水质、供家庭或类似场所使用。原理为：当外部水压正常时，用户取水后压力桶中的水量不足时，系统水压降低，整机开始制水，直至压力桶储水量达到要求停止制水；通过废水阀设置不同废水比，将冲洗滤芯后含有杂质的水通过净水机浓水口排出；当外部水压不足时，整机关闭增压泵和进水电磁阀，防止系统空运行进而保护滤芯。

图1 反渗透净水机水质净化系统示意图

2 一体化集成水路板方案

根据国内及国际严峻疫情形势下人们对健康的巨大需求现状，净水机逐步普及千家万户，随之而来的漏水问题已成为困扰用户和企业的痛点问题。市场上净水机的管路设置主要有三种形式：①接头PE管连接 ，②联体组件， ③热板焊集成水路板，如图2所示。

图2 净水机行业常见管路设置

由图2可知三种管路布置的优劣点，传统第1代水路系统是采用接头、PE管将各元器件连接起来，存在较多的连接点，每个连接点均为漏水隐患点，同时接管全依靠人工，存在不可控风险；第2代联体组件采用热板焊工艺，将水路集成，但是元器件之间还是采用接头、PE管连接，同样存在连接漏水点，有较大的漏水隐患；第3代热板焊集成水路板，将水路、元器件全部集成化，极大的减少了PE管和接头的运用，减少了漏水点，但热板焊工艺的稳定性存在瓶颈，体积大，溢胶会堵住水路流道。

2.1 方案结构设计

针对怎么减少净水机的漏水点隐患，采用亲和图进行分类，总结主要解决的思路有三个方向：零部件优化，生产管控和集成水路板（如图3）。零部件优化和生产管控都是在过程管控，但是不能从源头上减少漏水隐患点。经过研究最终决定从集成水路板方向出发，以更高的水路板集成度、更少的漏水隐患点为目标进行研发设计。

图3 漏水隐患点解决方案讨论

行业现使用的联体组件主要是通过热板焊工艺将两个注塑件热熔成一体，形成立体的水路流道，两个注塑件为同属性材料，按照精益设计的思想，可以进行合并。考虑现状的四联体组件只能集成滤芯安装，其他涉水零部件（如电磁阀、压力开关、流量计、TDS探针等控制元件及监控元件）仍需通过接头和PE管与集成水路板进行连接，根据精益设计的思想，为减少接头、PE管等零件个数的使用，同步减少漏水隐患点，可以考虑通过立体水路集成设计，将水路系统的元器件直接插接集成在水路板上。为评估上述构想能否在现阶段实现，引入TRIZ原理，按照“金鱼法”的创新思维进行可行性分析，见图4。

图4 集成水路板创新思维可行性分析

经过“金鱼法”的分析，确定一体式免焊接集成水路板的方案是可以实施的，而元器件由于与水路板注塑件材料上不是同一种属性，故暂不能进一步集成，元器件与水路板的连接选用成熟的接头密封结构。创新方案确定后，进行三维结构设计，形成一体式免焊接集成水路板三维模型如图5所示。

图5 免焊接集成水路板三维图示

确定结构方案后，针对3D模型用ANSYS软件进行仿真分析（仿真图如图6），结合水路板材料的许用应力要求，并对水路板中的每一条水路进行力学强度分析，通过仿真软件初步确定现方案能够满足设计要求的2.8 MPa爆破压力，螺钉固定也在其安全许用应力范围之内。

图6 集成水路板力学强度仿真分析

2.2 方案实施与验证

经不断的制样及调整开发出高度集成的水路板结构设计，整个水路板水路无PE连接，整机只需2根PE管与泵连接。各电器件直接集成在水路板上，减少了接头、PE管的使用；各出水口直接集成在水路板上，不使用隔板接头；机头组件与水路板螺钉固定，两芯系统，滤芯集成化程度更高。集成水路板图示及实物如图7所示。

图7 集成水路板图示及实物

2.2.1 循环压力测试

将水路板样品组装上滤芯，形成完备的水路系统，委托检测机构进行循环压力测试，如图8所示，压力1 s内从0.014 MPa升压到1.04 MPa，然后降压至0.014 MPa，如此循环测试10万次，无漏水现象，满足设计性能的要求。

图8 循环压力实物测试

2.2.2 耐压测试

委托检测机构将上述水路系统连接到耐压测试设备上，经测试加压至32.5 bar（3.25 MPa），未出现漏水问题，测试合格，满足设计的耐压2.8 MPa的技术要求。水路系统耐压测试如图9所示。

图9 水路系统耐压测试

2.3 验证结果

1）一体式免焊接设计，水路系统安全可靠。相对于 热板焊工艺的焊接水路板，一体式免焊接集成水路板直接在模具上注塑成型，内部水路通过抽芯、对插等工艺连通水路，各流道形成立体水路，极大的减少漏水隐患点，免焊接成型工艺，进一步提高了整机耐压强度。

2）零部件高度集成化，漏水风险点显著减少。通过优化设计，将脉冲计数器、压力开关、进水电磁阀、废水电磁阀、TDS探针、机头组件等零部件全部集成在水路板上，整个水路板系统水路无PE管、接头连接，而整机也只需2根PE管与泵连接，由接头、PE管连接带来的漏水隐患点显著减少。

3）多段短流道设计，水路压力损失更小，工艺稳定性更高。一体式免焊接集成水路板的水路通道主要是通过模具上的抽芯动作来实现，水路的通道越长，模具上抽芯的行程就越长，对模具及生产的管控要求就越高。为解决模具上长距离抽芯的风险点，在设计时，结合水路系统的流道，将长距离的抽芯分成多段短距离抽芯，最长水路行程128 mm，模具加工及生产更加可控，可靠性更高，如图10所示。同时越短的流道，其水路沿程压力损失越小。

图10 多段短流道设计图示

经过一体式免焊接集成水路板方案设计，水路系统的漏水隐患点由原来的37个降低至16个，大大减少；且因集成水路板取消原本的热板焊工艺，改为一体式免焊接注塑，水路板的耐压强度也大大提升，整机水路系统运行更加安全可靠。

3 漏水自动检测并阻断方案

固有测试性设计是指仅取决于产品设计，不受测试激励数据和响应数据影响的测试性设计，是产品测试性设计的重要组成部分，主要是使产品的硬件设计能方便进行故障检查和故障隔离[8]。调研分析前期所有漏水事故，发现净水机漏水后进水管仍源源不断有水进入净水机并从漏水位置泄露，导致大量水进入用户家中造成财产损失。为解决此问题，本文采用固有测试性设计的方法，以及时、准确地发现故障和正确地隔离故障为目标，提出漏水自动检测并阻断创新方案，有效提高产品测试性，具体如下：

3.1 基于测试性的结构设计

产品结构和功能的划分是固有测试性设计的重要组成部分。对漏水自动检测并阻断方案进行结构和功能的划分。电动球阀：通过电信号控制阀心的通断进而控制整机开启或者关闭。流量计：检测管道中水的流量大小。高压开关：检测水系统中进水侧及出水侧的水压控制整机启停。当检测到进水侧水压不足时，高压开关输出信号关闭增压泵和进水电磁阀使整机停止制水，保护滤芯等元器件；当检测到进水侧水压正常时，高压开关输出信号使整机正常运行。当用户不用水，出水端的水压高于设定值时，高压开关输出信号使整机停止制水；当用户用水导致出水端的水压低于设定值时，高压开关输出信号使系统开始制水。

带信号控制龙头与电动球阀组成一个结构控制单元。管线机与流量计、高压开关、电动球阀组成一个控制单元。在自来水进水管路上增加一个电动球阀，与带信号的控制龙头、高压开关组成控制系统，以满足测试的可控性。净水机漏水阻断方案从自来水进水管端开始故障隔离，满足初始化设计的要求。且选用具有良好测试性的元器件，如电动阀、高压开关、鹅颈龙头等。

3.2 方案设计

结合净水机的实际工作原理及使用环境，采用电动阀、流量计及带信号控制龙头及高压开关的搭配，增加控制逻辑，可保证非正常状态下关闭电动阀，实现漏水故障的检测与隔离。 水系统图如图11所示。具体控制逻辑如图12所示。

图11 增加电动阀和高压开关的漏水检测方案

图12 水龙头取水和管线机取水的漏水控制逻辑

1）水龙头打开，制水信号发出，电动阀打开，启动制水。龙头关闭，并且检测到流量计停止及高压开关闭合时，停止制水并且关闭电动阀。

2）管线机缺水时，检测到流量计转动及高压开关断开时，电动阀打开，启动制水。管线机水满时，检测到流量计停止而高压闭合时，20 s内如高压开关不断开，停止制水并且电动阀关闭。

3.3 方案实施与验证

3.3.1 净水机验证

将电动阀安装在某品牌净水机WTE-PT63-2023上验证（如图13所示），当水龙头打开时，电动阀可正常打开，整机启动制水。水龙头关闭时停止制水，电动阀也同步关闭，此时在整机某一段水管上扎一个漏水孔，因未检测到水龙头打开信号，电动阀不开启，仅有整机内残留的部分水漏出，不会源源不断地产生漏水。

图13 电磁阀在水路中的安装

3.3.2 管线机验证

将电动阀安装在某品牌管线机WTE-XB-031-R上验证，当打开管线机取水时，电动阀开启，整机启动制水。当取水结束后，电动阀关闭后，在前置滤芯和RO膜之间的水管扎一个漏水孔，因未检测到流量计转动，电动阀不开启，仅有整机内残留的部分水漏出，不会源源不断地产生漏水。

使用此控制系统，可使净水机或管线机水满时自来水通过电动阀关闭，切断进水源头，使净水机减少漏水，不会源源不断产生漏水造成财产损失，大大提高净水机测试性、安全性。

3.4 验证结果

通过采用固有测试性设计的方法，以及时、准确地发现故障和正确地隔离故障为目标，提出漏水自动检测并阻断逻辑：在自来水进水管路上增加一个电动球阀，与带信号的控制龙头、高压开关等组成控制系统，保证非正常状态下关闭电动阀，切断进水源头，从自来水进水管端开始故障隔离，使净水机减少漏水。

4 总结

1）采用一体化集成水路板设计，从减少净水机漏水隐患点、提高整机耐压强度着手，将传统净水机零部件装配复杂、管路数量多、走管复杂、售后维修漏插管及插管不到位等易导致漏水的问题进行规避，实现水路系统设计更加立体集成、更加可靠的水路结构，从设计源头提升净水机可靠性，使消费者能用水无忧。

2）采用漏水自动检测并阻断方案设计，可以从水系统前端进行漏水故障检测并阻断，有效控制漏水问题的发生，减少用户损失。此项技术方案可提高净水机测试性、安全性。

本文通过研究净水机漏水问题，从结构、水系统等方面进行方案设计与验证分析，提出一体化集成水路板方案及漏水自动检测并阻断方案，为净水机漏水问题解决提供参考借鉴。