家用凈水機漏水問題的分析與研究

周夢然 賀雷 施清清

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

隨著人們對健康品質(zhì)生活要求的不斷提高，以及工業(yè)化進程下不斷惡化的水質(zhì)，凈水機逐漸成為人們家用電器中的必須品。凈水機可去除水中的鐵銹、膠體物質(zhì)、異味、余氯、細菌、病毒、有機污染物和重金屬等雜質(zhì)，并能夠保留水中的礦物質(zhì)元素。凈水機作為現(xiàn)在處理家庭用水的一種高效設(shè)備，已經(jīng)被大多數(shù)的消費者認可[1]。凈水機在改善生活品質(zhì)的同時，因凈水機涉及的水路及器件接駁較多，存在較多的漏水隱患點，且凈水機產(chǎn)品安裝位置及無人看管的特殊性，凈水機出現(xiàn)質(zhì)量異常時往往不會被及時發(fā)現(xiàn)，漏水的發(fā)生導致地板、家居等泡水后的修復工作，造成巨大的財產(chǎn)損失的同時耗時耗力，給用戶造成惡劣影響，嚴重影響用戶使用滿意度。

1 凈水機原理

家用凈水機主要有超濾（UF）凈水機和反滲透（R0）凈水機，超濾凈水機核心濾芯為超濾膜，過濾精度0.01 μm，可以過濾大顆粒雜質(zhì)及大分子有機物、膠體、細菌、病毒[2,3]，適用于重金屬未超標地區(qū)及生活用水；反滲透凈水機核心濾芯為反滲透膜，過濾精度為0.000 1 μm，可過濾大顆粒雜質(zhì)、有機物、細菌、病毒、水堿、重金屬等，適用于重金屬超標地區(qū)及直飲水。也有超濾膜與反滲透膜同時具備的雙膜凈水機，超濾膜置于反滲透膜前端作為預處理膜，為反滲透膜過濾過程提供優(yōu)良的進水水質(zhì)，延長反滲透膜的使用壽命；雙膜凈水機多為雙出水模式，可提供生活用水及直飲水，滿足用戶不同的使用需求[4-6]。

反滲透凈水機由濾芯、接頭、水管、電磁閥、增壓泵、壓力開關(guān)、水龍頭、壓力桶等組成，系統(tǒng)示意圖如圖1[7]。凈水機以符合市政自來水或其他集中式供水為原水，以反滲透膜濾芯等為主要元件，通過控制電磁閥、增壓泵及廢水比沖洗閥等來完成制水，用于改善水質(zhì)、供家庭或類似場所使用。原理為：當外部水壓正常時，用戶取水后壓力桶中的水量不足時，系統(tǒng)水壓降低，整機開始制水，直至壓力桶儲水量達到要求停止制水；通過廢水閥設(shè)置不同廢水比，將沖洗濾芯后含有雜質(zhì)的水通過凈水機濃水口排出；當外部水壓不足時，整機關(guān)閉增壓泵和進水電磁閥，防止系統(tǒng)空運行進而保護濾芯。

圖1 反滲透凈水機水質(zhì)凈化系統(tǒng)示意圖

2 一體化集成水路板方案

根據(jù)國內(nèi)及國際嚴峻疫情形勢下人們對健康的巨大需求現(xiàn)狀，凈水機逐步普及千家萬戶，隨之而來的漏水問題已成為困擾用戶和企業(yè)的痛點問題。市場上凈水機的管路設(shè)置主要有三種形式：①接頭PE管連接 ，②聯(lián)體組件， ③熱板焊集成水路板，如圖2所示。

圖2 凈水機行業(yè)常見管路設(shè)置

由圖2可知三種管路布置的優(yōu)劣點，傳統(tǒng)第1代水路系統(tǒng)是采用接頭、PE管將各元器件連接起來，存在較多的連接點，每個連接點均為漏水隱患點，同時接管全依靠人工，存在不可控風險；第2代聯(lián)體組件采用熱板焊工藝，將水路集成，但是元器件之間還是采用接頭、PE管連接，同樣存在連接漏水點，有較大的漏水隱患；第3代熱板焊集成水路板，將水路、元器件全部集成化，極大的減少了PE管和接頭的運用，減少了漏水點，但熱板焊工藝的穩(wěn)定性存在瓶頸，體積大，溢膠會堵住水路流道。

2.1 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對怎么減少凈水機的漏水點隱患，采用親和圖進行分類，總結(jié)主要解決的思路有三個方向：零部件優(yōu)化，生產(chǎn)管控和集成水路板（如圖3）。零部件優(yōu)化和生產(chǎn)管控都是在過程管控，但是不能從源頭上減少漏水隱患點。經(jīng)過研究最終決定從集成水路板方向出發(fā)，以更高的水路板集成度、更少的漏水隱患點為目標進行研發(fā)設(shè)計。

圖3 漏水隱患點解決方案討論

行業(yè)現(xiàn)使用的聯(lián)體組件主要是通過熱板焊工藝將兩個注塑件熱熔成一體，形成立體的水路流道，兩個注塑件為同屬性材料，按照精益設(shè)計的思想，可以進行合并。考慮現(xiàn)狀的四聯(lián)體組件只能集成濾芯安裝，其他涉水零部件（如電磁閥、壓力開關(guān)、流量計、TDS探針等控制元件及監(jiān)控元件）仍需通過接頭和PE管與集成水路板進行連接，根據(jù)精益設(shè)計的思想，為減少接頭、PE管等零件個數(shù)的使用，同步減少漏水隱患點，可以考慮通過立體水路集成設(shè)計，將水路系統(tǒng)的元器件直接插接集成在水路板上。為評估上述構(gòu)想能否在現(xiàn)階段實現(xiàn)，引入TRIZ原理，按照“金魚法”的創(chuàng)新思維進行可行性分析，見圖4。

圖4 集成水路板創(chuàng)新思維可行性分析

經(jīng)過“金魚法”的分析，確定一體式免焊接集成水路板的方案是可以實施的，而元器件由于與水路板注塑件材料上不是同一種屬性，故暫不能進一步集成，元器件與水路板的連接選用成熟的接頭密封結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新方案確定后，進行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成一體式免焊接集成水路板三維模型如圖5所示。

圖5 免焊接集成水路板三維圖示

確定結(jié)構(gòu)方案后，針對3D模型用ANSYS軟件進行仿真分析（仿真圖如圖6），結(jié)合水路板材料的許用應(yīng)力要求，并對水路板中的每一條水路進行力學強度分析，通過仿真軟件初步確定現(xiàn)方案能夠滿足設(shè)計要求的2.8 MPa爆破壓力，螺釘固定也在其安全許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。

圖6 集成水路板力學強度仿真分析

2.2 方案實施與驗證

經(jīng)不斷的制樣及調(diào)整開發(fā)出高度集成的水路板結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個水路板水路無PE連接，整機只需2根PE管與泵連接。各電器件直接集成在水路板上，減少了接頭、PE管的使用；各出水口直接集成在水路板上，不使用隔板接頭；機頭組件與水路板螺釘固定，兩芯系統(tǒng)，濾芯集成化程度更高。集成水路板圖示及實物如圖7所示。

圖7 集成水路板圖示及實物

2.2.1 循環(huán)壓力測試

將水路板樣品組裝上濾芯，形成完備的水路系統(tǒng)，委托檢測機構(gòu)進行循環(huán)壓力測試，如圖8所示，壓力1 s內(nèi)從0.014 MPa升壓到1.04 MPa，然后降壓至0.014 MPa，如此循環(huán)測試10萬次，無漏水現(xiàn)象，滿足設(shè)計性能的要求。

圖8 循環(huán)壓力實物測試

2.2.2 耐壓測試

委托檢測機構(gòu)將上述水路系統(tǒng)連接到耐壓測試設(shè)備上，經(jīng)測試加壓至32.5 bar（3.25 MPa），未出現(xiàn)漏水問題，測試合格，滿足設(shè)計的耐壓2.8 MPa的技術(shù)要求。水路系統(tǒng)耐壓測試如圖9所示。

圖9 水路系統(tǒng)耐壓測試

2.3 驗證結(jié)果

1）一體式免焊接設(shè)計，水路系統(tǒng)安全可靠。相對于 熱板焊工藝的焊接水路板，一體式免焊接集成水路板直接在模具上注塑成型，內(nèi)部水路通過抽芯、對插等工藝連通水路，各流道形成立體水路，極大的減少漏水隱患點，免焊接成型工藝，進一步提高了整機耐壓強度。

2）零部件高度集成化，漏水風險點顯著減少。通過優(yōu)化設(shè)計，將脈沖計數(shù)器、壓力開關(guān)、進水電磁閥、廢水電磁閥、TDS探針、機頭組件等零部件全部集成在水路板上，整個水路板系統(tǒng)水路無PE管、接頭連接，而整機也只需2根PE管與泵連接，由接頭、PE管連接帶來的漏水隱患點顯著減少。

3）多段短流道設(shè)計，水路壓力損失更小，工藝穩(wěn)定性更高。一體式免焊接集成水路板的水路通道主要是通過模具上的抽芯動作來實現(xiàn)，水路的通道越長，模具上抽芯的行程就越長，對模具及生產(chǎn)的管控要求就越高。為解決模具上長距離抽芯的風險點，在設(shè)計時，結(jié)合水路系統(tǒng)的流道，將長距離的抽芯分成多段短距離抽芯，最長水路行程128 mm，模具加工及生產(chǎn)更加可控，可靠性更高，如圖10所示。同時越短的流道，其水路沿程壓力損失越小。

圖10 多段短流道設(shè)計圖示

經(jīng)過一體式免焊接集成水路板方案設(shè)計，水路系統(tǒng)的漏水隱患點由原來的37個降低至16個，大大減少；且因集成水路板取消原本的熱板焊工藝，改為一體式免焊接注塑，水路板的耐壓強度也大大提升，整機水路系統(tǒng)運行更加安全可靠。

3 漏水自動檢測并阻斷方案

固有測試性設(shè)計是指僅取決于產(chǎn)品設(shè)計，不受測試激勵數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù)影響的測試性設(shè)計，是產(chǎn)品測試性設(shè)計的重要組成部分，主要是使產(chǎn)品的硬件設(shè)計能方便進行故障檢查和故障隔離[8]。調(diào)研分析前期所有漏水事故，發(fā)現(xiàn)凈水機漏水后進水管仍源源不斷有水進入凈水機并從漏水位置泄露，導致大量水進入用戶家中造成財產(chǎn)損失。為解決此問題，本文采用固有測試性設(shè)計的方法，以及時、準確地發(fā)現(xiàn)故障和正確地隔離故障為目標，提出漏水自動檢測并阻斷創(chuàng)新方案，有效提高產(chǎn)品測試性，具體如下：

3.1 基于測試性的結(jié)構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的劃分是固有測試性設(shè)計的重要組成部分。對漏水自動檢測并阻斷方案進行結(jié)構(gòu)和功能的劃分。電動球閥：通過電信號控制閥心的通斷進而控制整機開啟或者關(guān)閉。流量計：檢測管道中水的流量大小。高壓開關(guān)：檢測水系統(tǒng)中進水側(cè)及出水側(cè)的水壓控制整機啟停。當檢測到進水側(cè)水壓不足時，高壓開關(guān)輸出信號關(guān)閉增壓泵和進水電磁閥使整機停止制水，保護濾芯等元器件；當檢測到進水側(cè)水壓正常時，高壓開關(guān)輸出信號使整機正常運行。當用戶不用水，出水端的水壓高于設(shè)定值時，高壓開關(guān)輸出信號使整機停止制水；當用戶用水導致出水端的水壓低于設(shè)定值時，高壓開關(guān)輸出信號使系統(tǒng)開始制水。

帶信號控制龍頭與電動球閥組成一個結(jié)構(gòu)控制單元。管線機與流量計、高壓開關(guān)、電動球閥組成一個控制單元。在自來水進水管路上增加一個電動球閥，與帶信號的控制龍頭、高壓開關(guān)組成控制系統(tǒng)，以滿足測試的可控性。凈水機漏水阻斷方案從自來水進水管端開始故障隔離，滿足初始化設(shè)計的要求。且選用具有良好測試性的元器件，如電動閥、高壓開關(guān)、鵝頸龍頭等。

3.2 方案設(shè)計

結(jié)合凈水機的實際工作原理及使用環(huán)境，采用電動閥、流量計及帶信號控制龍頭及高壓開關(guān)的搭配，增加控制邏輯，可保證非正常狀態(tài)下關(guān)閉電動閥，實現(xiàn)漏水故障的檢測與隔離。 水系統(tǒng)圖如圖11所示。具體控制邏輯如圖12所示。

圖11 增加電動閥和高壓開關(guān)的漏水檢測方案

圖12 水龍頭取水和管線機取水的漏水控制邏輯

1）水龍頭打開，制水信號發(fā)出，電動閥打開，啟動制水。龍頭關(guān)閉，并且檢測到流量計停止及高壓開關(guān)閉合時，停止制水并且關(guān)閉電動閥。

2）管線機缺水時，檢測到流量計轉(zhuǎn)動及高壓開關(guān)斷開時，電動閥打開，啟動制水。管線機水滿時，檢測到流量計停止而高壓閉合時，20 s內(nèi)如高壓開關(guān)不斷開，停止制水并且電動閥關(guān)閉。

3.3 方案實施與驗證

3.3.1 凈水機驗證

將電動閥安裝在某品牌凈水機WTE-PT63-2023上驗證（如圖13所示），當水龍頭打開時，電動閥可正常打開，整機啟動制水。水龍頭關(guān)閉時停止制水，電動閥也同步關(guān)閉，此時在整機某一段水管上扎一個漏水孔，因未檢測到水龍頭打開信號，電動閥不開啟，僅有整機內(nèi)殘留的部分水漏出，不會源源不斷地產(chǎn)生漏水。

圖13 電磁閥在水路中的安裝

3.3.2 管線機驗證

將電動閥安裝在某品牌管線機WTE-XB-031-R上驗證，當打開管線機取水時，電動閥開啟，整機啟動制水。當取水結(jié)束后，電動閥關(guān)閉后，在前置濾芯和RO膜之間的水管扎一個漏水孔，因未檢測到流量計轉(zhuǎn)動，電動閥不開啟，僅有整機內(nèi)殘留的部分水漏出，不會源源不斷地產(chǎn)生漏水。

使用此控制系統(tǒng)，可使凈水機或管線機水滿時自來水通過電動閥關(guān)閉，切斷進水源頭，使凈水機減少漏水，不會源源不斷產(chǎn)生漏水造成財產(chǎn)損失，大大提高凈水機測試性、安全性。

3.4 驗證結(jié)果

通過采用固有測試性設(shè)計的方法，以及時、準確地發(fā)現(xiàn)故障和正確地隔離故障為目標，提出漏水自動檢測并阻斷邏輯：在自來水進水管路上增加一個電動球閥，與帶信號的控制龍頭、高壓開關(guān)等組成控制系統(tǒng)，保證非正常狀態(tài)下關(guān)閉電動閥，切斷進水源頭，從自來水進水管端開始故障隔離，使凈水機減少漏水。

4 總結(jié)

1）采用一體化集成水路板設(shè)計，從減少凈水機漏水隱患點、提高整機耐壓強度著手，將傳統(tǒng)凈水機零部件裝配復雜、管路數(shù)量多、走管復雜、售后維修漏插管及插管不到位等易導致漏水的問題進行規(guī)避，實現(xiàn)水路系統(tǒng)設(shè)計更加立體集成、更加可靠的水路結(jié)構(gòu)，從設(shè)計源頭提升凈水機可靠性，使消費者能用水無憂。

2）采用漏水自動檢測并阻斷方案設(shè)計，可以從水系統(tǒng)前端進行漏水故障檢測并阻斷，有效控制漏水問題的發(fā)生，減少用戶損失。此項技術(shù)方案可提高凈水機測試性、安全性。

本文通過研究凈水機漏水問題，從結(jié)構(gòu)、水系統(tǒng)等方面進行方案設(shè)計與驗證分析，提出一體化集成水路板方案及漏水自動檢測并阻斷方案，為凈水機漏水問題解決提供參考借鑒。