自重壓縮潤(rùn)濕節(jié)水型蹲便器＊

何 磊，劉鑫宇，劉春旭

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項(xiàng)目背景

傳統(tǒng)的便池為了使沖洗污物受到的阻力小，將便池設(shè)計(jì)得較為圓滑，使用材料多為衛(wèi)生陶瓷中的高溫陶瓷。這種陶瓷結(jié)構(gòu)呈極致密的玻璃相，吸水率低于0.2%，釉面容易干燥。而直沖式蹲便器雖然有積水坑，但腔底平坦，腔面形狀復(fù)雜，有倒坡段，沖水阻力大，排污效果差，耗水量大，現(xiàn)在使用較少。研究表明，釉面是否濕潤(rùn)是影響沖廁效果的一個(gè)重要因素，干燥的釉面加上干燥的排泄物都會(huì)導(dǎo)致沖廁效果差，造成二次或多次沖水，從而導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。

基于以上背景和原因，筆者設(shè)計(jì)了這款潤(rùn)濕型節(jié)水蹲便器，以提高一次沖廁效果，減少或避免多次沖廁。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一種新型的基于人們上廁所習(xí)慣的節(jié)水型蹲便器，以解決現(xiàn)有的蹲便器沖廁效果差、需反復(fù)沖洗、浪費(fèi)水等問(wèn)題，主要包括便池內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)、水箱按鈕改造設(shè)計(jì)、壓力傳動(dòng)潤(rùn)濕模塊設(shè)計(jì)、自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)模塊設(shè)計(jì)。

2.1 便池結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的蹲便器的基礎(chǔ)上，在蹲便器的后方加上一個(gè)儲(chǔ)水空間。這個(gè)儲(chǔ)水空間安裝在靠近原后方出水口的下方位置，并通過(guò)彈性閥門(mén)開(kāi)關(guān)與原流水通道相隔開(kāi)。這樣設(shè)計(jì)的目的是當(dāng)水流按照原來(lái)的方式?jīng)_下時(shí)，這個(gè)儲(chǔ)水空間不會(huì)對(duì)水流起到阻礙作用，從而不會(huì)影響沖廁效果。這個(gè)空間的設(shè)計(jì)為光滑橢圓形，容量設(shè)計(jì)為100 mL，盡可能地減少空氣將儲(chǔ)水空間中的水壓出時(shí)容器壁對(duì)水的阻力，容量稍大于廁所便池最后階段流出的緩水流，稍小于壓力模塊傳送過(guò)來(lái)的空氣量，因此可以完全將緩水流儲(chǔ)存起來(lái)用來(lái)潤(rùn)濕便池。

對(duì)便池左右兩側(cè)的底部進(jìn)行一定加厚處理，留出一個(gè)空腔，用以放置排出濕潤(rùn)水流時(shí)不會(huì)對(duì)原有水流通道造成任何阻礙的橡膠軟管。蹲便器側(cè)壁與原出水口并列處開(kāi)有小孔，用以排出橡膠軟管中的水流，從而潤(rùn)濕釉面。

2.2 壓力板氣囊模塊設(shè)計(jì)

氣囊壓力板氣囊模塊由上方防滑陶瓷及下方氣囊陣列共同組成，人站上防滑陶瓷上，用人自身的勢(shì)能提供高壓氣流。對(duì)現(xiàn)有的便池防滑陶瓷處進(jìn)行一定的改造，例如將防滑陶瓷位置墊高，下方留出空間，而防滑陶瓷墊高的銜接位置采用橡膠材料進(jìn)行銜接密封，實(shí)現(xiàn)軟性防水的性能。相關(guān)資料顯示，彈性好的橡膠材料能夠重復(fù)使用上百萬(wàn)次。

下方留出的空間用來(lái)安裝導(dǎo)向滑架，從而將氣囊固定住。氣囊采用橡膠材料，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橡膠氣囊現(xiàn)在廣泛用于支撐頂?shù)装搴透綦x采空區(qū)的支護(hù)構(gòu)筑物，因此材料強(qiáng)度能夠達(dá)到相關(guān)要求。

如圖1所示，氣囊采用陣列分布，氣囊陣列可保證有效受力面積，更大程度地利用人的自重，氣囊之間有支撐柱，支撐柱高度的設(shè)計(jì)要能實(shí)現(xiàn)每個(gè)氣囊和防滑陶瓷只發(fā)生微小變化，既避免氣囊的過(guò)度壓縮導(dǎo)致爆炸，同時(shí)也避免了陶瓷的上下運(yùn)動(dòng)對(duì)銜接處材料的損傷和影響人們的上廁所的體驗(yàn)。

圖1 氣囊陣列分布

氣囊恢復(fù)由氣囊內(nèi)部的彈簧和位于氣囊另一側(cè)的單向閥門(mén)共同實(shí)現(xiàn)。氣囊的內(nèi)部安裝有彈簧，有利于氣囊的恢復(fù)。采用單向閥門(mén)，通過(guò)軟管傳送氣體，軟管安置在便池下方加厚的空腔內(nèi)，進(jìn)而從側(cè)壁與原出水口壁開(kāi)口，進(jìn)行換氣。使壓縮和彈回兩個(gè)過(guò)程能夠從兩個(gè)通道分開(kāi)進(jìn)行，避免氣囊將儲(chǔ)水空間中的水吸入到氣囊中。

2.3 自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)模塊由位于水箱內(nèi)的自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)、滑塊、定位珠和位于儲(chǔ)水空間上方的彈性閥門(mén)以及起連接作用的細(xì)繩共同組成，主要用于控制儲(chǔ)水空間彈性閥門(mén)在沖廁的高速水流階段一直保持關(guān)閉狀態(tài)，不影響水流的流出，在沖廁最后的緩水流階段打開(kāi)，使緩慢水流不流入便池中去，能夠直接流入到儲(chǔ)水空間中儲(chǔ)存起來(lái)。

自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)模塊由上方按動(dòng)水箱按鈕繼而通過(guò)連桿和細(xì)繩提供動(dòng)力，按動(dòng)上方水箱按鈕，連桿帶動(dòng)細(xì)繩拉動(dòng)自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，使復(fù)位開(kāi)關(guān)發(fā)生位移，自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)拉動(dòng)細(xì)繩從而將連接有細(xì)繩的滑塊拉動(dòng)，滑塊沿固定的滑軌中發(fā)生位移，（滑塊底部設(shè)計(jì)有凹槽，兩端設(shè)計(jì)為圓弧型，滑塊在細(xì)繩的拉動(dòng)下凹槽能夠更容易卡入定位珠），在細(xì)繩的拉動(dòng)下滑塊底部凹槽卡入位于滑軌的定位珠中，滑塊帶動(dòng)細(xì)繩拉動(dòng)儲(chǔ)水空間的彈性閥門(mén)關(guān)閉（定位珠產(chǎn)生的阻力大于彈性閥門(mén)恢復(fù)的彈力）。

自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)緩慢恢復(fù)到原狀態(tài)（設(shè)計(jì)為自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)恢復(fù)原狀態(tài)時(shí)間與高速水流時(shí)間段相同），滑塊受到定位珠的阻力作用始終保持在定位珠位置處，直到自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)頂桿將滑塊從定位珠出頂出，彈性閥門(mén)不受阻力，恢復(fù)到打開(kāi)狀態(tài)。

自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)是在彈簧開(kāi)關(guān)中加入阻尼從而使彈簧能夠緩慢的彈回，從而控制自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)復(fù)位的時(shí)間。

定位珠是是一種由殼體、彈簧、球珠或柱體組成的負(fù)載設(shè)備，廣泛用于一些醫(yī)療器械設(shè)備、潤(rùn)滑設(shè)備、氣動(dòng)工具等產(chǎn)品中。借助一定壓力的彈簧能推動(dòng)球體的運(yùn)動(dòng)，使得設(shè)備順利運(yùn)行。

3 使用流程

使用該型蹲便器時(shí)，人站上防滑陶瓷部分，在人的重力作用下，此防滑陶瓷部分向下發(fā)生一段微小位移，壓縮位于陶瓷下方的氣囊部分，氣囊陣列將產(chǎn)生的壓縮氣體匯集后壓入到儲(chǔ)水空間上方中，而位于氣囊另一側(cè)的單向閥門(mén)因受到氣體壓力所以會(huì)關(guān)閉，壓縮氣體產(chǎn)生的壓力全都作用于出水空間的上方，空間內(nèi)的高壓將彈性閥門(mén)壓到處于關(guān)閉狀態(tài)，將出水空間中的水全壓入到下方管道，通過(guò)軟管和便池側(cè)面的開(kāi)口，進(jìn)而流入到便池中起到提前潤(rùn)濕便池的作用。當(dāng)如廁結(jié)束后，按動(dòng)沖水按鈕，按鈕同時(shí)帶動(dòng)水箱中的壓蓋和自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，壓蓋控制水箱中的水流流下；自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)帶動(dòng)細(xì)繩從而帶動(dòng)出水空間的閥門(mén)關(guān)閉，高速水流流下，沖洗便池中的污物，不流入儲(chǔ)水空間中。有效水流結(jié)束后，水管中開(kāi)始流緩水流，此時(shí)自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)已經(jīng)恢復(fù)到最初狀態(tài)，將滑塊頂出定位珠，儲(chǔ)水空間處的閥門(mén)在不受阻力的情況下彈回，恢復(fù)到開(kāi)放狀態(tài)，緩水流流下直接流入到儲(chǔ)水空間中，人走后氣囊陣列在彈簧的作用下通過(guò)另一側(cè)的單向閥實(shí)現(xiàn)充氣，整個(gè)過(guò)程結(jié)束。

4 總結(jié)

通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷顯示，使用傳統(tǒng)蹲便器，20%以上的用戶(hù)經(jīng)常會(huì)遇到由于便池干燥而導(dǎo)致的污物沖不下去的情況。而發(fā)生上述情況時(shí)用戶(hù)常會(huì)多沖二三次廁所，既浪費(fèi)了大量的水，也使用戶(hù)的如廁體驗(yàn)較差。也有約占30%的用戶(hù)在如廁之前會(huì)提前沖一次廁所或再墊上一張衛(wèi)生紙來(lái)避免之后沖不干凈的情況。不管是上述哪一種情況，都造成了資源的巨大浪費(fèi)。問(wèn)卷顯示，如果本裝置能夠達(dá)到預(yù)期效果，80%以上的用戶(hù)愿意選擇使用本新型蹲便器。

根據(jù)建筑中水設(shè)計(jì)規(guī)范估算表，每一次沖廁所的水量6 L，傳統(tǒng)的蹲便器每次沖廁后會(huì)有一段5～6 s的緩水流，至少有60 mL水被直接浪費(fèi)掉，而使用該型蹲便器可將這段緩水流儲(chǔ)存起來(lái)。按人們的沖廁習(xí)慣，沖廁所之前先沖一遍水用來(lái)濕潤(rùn)便池表面，如果使用這種新式自重壓縮潤(rùn)濕節(jié)水型蹲便器，每人每次排遺可節(jié)約6 L水。據(jù)調(diào)查研究，成人每天排遺2次，兒童每天排遺1次。

按每人每天平均排遺1.5次計(jì)算，則使用該型蹲便器每天可以節(jié)水2.25 L，以武漢市2016年常住人口1 076萬(wàn)為例，保守估計(jì)200萬(wàn)用戶(hù)使用本新型蹲便器，可推算出武漢市每天可節(jié)水4.5×106L?？梢?jiàn)該裝置有較大的應(yīng)用前景。