真空式節水馬桶設計

李維赫 王 琳 黃 亮 王 悅 丁 涵

（蚌埠學院機械與車輛工程學院，安徽蚌埠233030）

0 引言

普通家庭使用的馬桶多為抽水馬桶，其利用水的重力將水的勢能轉換為水的動能，從而裹夾著排泄物進入下水道。普通馬桶價格適中，但經常會出現堵塞、用水量大等問題。隨著人們生活水平的不斷提高，普通家用馬桶的功能已不能滿足人們的需求[1-2]。

本文對家用抽水馬桶進行了創新性設計，在排污管內增加一段真空管來實現高效排污。整段管道是獨立的，與馬桶的排污管道通過電控擋閥隔開，當使用者沖洗馬桶時，電控擋閥會自動打開，利用其與大氣壓之間的壓差，將馬桶中的污物帶走。

1 設計內容

本研究首先對儲水倉進行改造，由一個儲水倉改為兩個，其中一個連接洗手臺的水管，將洗手的廢水收集起來，加以利用，另一個儲水倉直接連接水管，以供平時使用；然后在儲水倉下加入一個真空泵，真空泵一端連接特制真空管（由一個電控氣門封閉），另一端直接通向馬桶外（在馬桶殼體上），真空泵工作時，利用真空管內外產生的壓差排污。

真空式馬桶結構如圖1所示。

圖1 真空式馬桶結構

2 真空式馬桶的基本結構

真空式馬桶主要由馬桶、電控單元ECU（Electronic Control Unit）、真空泵、儲水箱、特質排污管（真空管）、出水口、真空表、系統開關、傳感器等組成。

2.1 馬桶支座

支座用來固定及支撐沖洗閥、排放控制器等元件，其由不銹鋼、鋁合金或者其他復合材料等制成，具有足夠的強度和硬度。

2.2 電控單元（ECU）

電控單元根據傳感器傳來的電信號對馬桶的工作狀態進行分析，并發出信號控制真空泵、電控擋閥等。其具體功能：（1）根據真空表數值的大小控制真空泵關閉；（2）當真空泵關閉后，電控單元開啟電控擋閥；（3）水位傳感器發出電信號，反饋給ECU，ECU再發出指令給電控擋閥，控制其關閉；（4）排水按鈕按下去的時候，傳感器傳遞信號給ECU，ECU發出指令控制真空泵運轉。

2.3 真空泵

真空泵采用電控式真空泵，泵體內帶有固定葉片的偏心轉子，轉子由電機帶動，工作時葉片將水甩向定子殼體，水的渦流與轉子葉片之間構成可變容積的腔室。真空泵受ECU控制，正常情況下不工作，當ECU發出電信號時，真空泵電源接通開始工作。

真空泵結構示意圖如圖2所示。

圖2 真空泵結構示意圖

2.4 儲水箱

儲水箱示意圖如圖3所示，上方兩個儲水室一個與洗手臺相連，用于儲存洗手臺的廢水，另一個直接連接水管，用于儲存清水。在使用的過程中，排水按鈕分為左右兩邊，獨立控制兩個水箱（左邊的按鈕控制廢水儲水池，右邊的按鈕控制清水儲水池），排水按鈕按下時會給ECU發送電信號，以此來控制真空泵工作。

2.5 特制排污管

排污管表面應光滑，易于清洗。本設計對排污管也進行了改進，在原排污管內增加一段密閉真空管，真空管的兩端有兩個電控擋閥，且這段真空管與排污管直接相連（由電控擋閥隔開）。真空管上有一個孔與真空泵相連，使真空泵可以抽走真空管內的空氣（即為進氣口），在進氣口位置有一個電控氣門，受電控單元ECU控制，ECU接收到真空表傳感器傳來的信號后，使真空泵停止運轉，并使氣門關閉（當真空管內真空度高于起始真空度的80%時，進氣過程結束）。

圖3 儲水箱示意圖

特制排污管示意圖如圖4所示。

圖4 特制排污管示意圖

2.6 出水口

水箱里的水通過出水口進入馬桶內，出水口對稱垂直地分布在馬桶兩側，僅在重力的作用下進入馬桶內，無需加壓，不會使水流相撞而飛濺。出水口處利用特殊膠體涂抹，有效防止青苔等微生物的滋生，使得馬桶更加整潔干凈。

2.7 真空表

真空表主要用來檢測排污管內的真空壓力，內置壓力傳感器，將排污管內壓力大小反饋給ECU，防止壓力過大對排污管造成損害。真空表安裝在真空管進氣口，位于電控擋閥內側，只有當電控擋閥處于開啟狀態時，才能測到真空管內的真空度。關閉電控擋閥后，真空表被封閉在真空泵管道這一側，避免在排污過程中對真空表造成損害。當真空表顯示真空管內真空度（氣壓）高于真空管內起始真空度（氣壓）的80%時，會向ECU發出電信號，結束進氣過程，關閉電控擋閥。

2.8 系統開關

系統開關包括排污開關和真空控制開關。排污開關即水箱上方的兩個實體按鈕，按下后，會接通水箱，將水箱中的水送到出水口中，從而進入馬桶內。真空控制開關位于馬桶側面，亦采用按壓式，按下去后，發出信號給ECU，控制真空管內電控擋閥開啟，開始沖洗馬桶。

2.9 回水口

回水口位于馬桶內壁上，當水到達此處時，說明已到達標準水位，可以按下真空控制按鈕，開始進行手動排污行程（超過水位線的水會進入回水口內，沿著回水管流入下水道，不會使多余的水堆積在馬桶內）。

非手動控制的時候，當水位超過水位線時，回水口內部有一個傳感器，當流入回水口的水量大于10 mL時，傳感器會給ECU發出電信號，控制水箱停止供水，準備開始排污行程。

3 真空式馬桶的工作原理

真空式馬桶污水處理系統的工作原理是利用排污管內外壓力差，將排泄物以及沖洗馬桶后的污水通過排污管輸送進下水道。當如廁完畢后，按下排水按鈕，水箱里的水通過排水口（無壓力）流進馬桶，在按下排水按鈕的同時真空泵開關接通，真空泵開始工作（開始抽取真空管內的空氣），傳感器檢測真空管內的真空度，當真空管內的氣壓為初始管內氣壓的80%時，真空泵關閉，在ECU的控制下，電控擋閥開啟，利用壓差將排泄物通過真空管送入下水道。整個過程可以分為進水過程，排、抽過程，開閥過程，排污過程。

（1）進水過程：洗手臺內廢水或水管內清水進入儲水箱。

（2）排、抽過程：在如廁結束后，按下馬桶上方的排水按鈕，水箱里的水進入馬桶出水口，沿著馬桶內壁迅速流下，與此同時，真空泵開始工作，抽取真空管內的空氣，達到一定真空度時，真空泵停止工作，節氣門關閉。由于電控擋閥關閉，水會逐漸淹沒排泄物，直到水位達到回水口位置，則進入下一過程。

（3）開閥過程：當水位到達回水口位置的時候，可手動按壓真空控制開關，打開電控擋閥，開始排污行程；或者當水位線超過回水口，傳感器發出電信號給ECU，ECU控制水箱停止供水，并打開電控擋閥。

（4）排污過程：電控擋閥開啟后，排泄物由于壓差進入排污管。排污行程從開始到結束，即密封真空管內真空變為正常大氣壓的過程，該過程結束后即可為下一次的排污過程做準備。

4 結語

本文主要對馬桶的水箱內部結構進行了優化，使馬桶具有可以使用二次廢水資源的功能，有效節約了水資源。在普通馬桶中加入電控單元，使馬桶更加科技化、自動化。同時，在馬桶的設計中加入真空泵，有效解決了馬桶堵塞的問題，緩解了如廁尷尬，為使用者創造了一個更加安靜、舒適、安全的如廁環境，具有一定的經濟效益和社會價值。