魏禮松 周夢(mèng)德

艾歐史密斯（中國(guó)）環(huán)境電器有限公司 江蘇南京 210038

飲水機(jī)是一種能夠滿足人們?nèi)粘ｏ嬎枨蟮钠骶撸軌蛳蛴脩籼峁厮蛘邷厮c熱水、冷水等的組合[1]。飲水機(jī)與傳統(tǒng)的開(kāi)水器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一是節(jié)能，由于飲水機(jī)采用熱交換技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的開(kāi)水器而言，能夠節(jié)約電能80%以上；第二是直飲，能夠保證用戶直接飲用到30至45℃的溫開(kāi)水（該溫開(kāi)水是被高溫消毒的水與進(jìn)水換熱后冷卻下來(lái)的水）。由于飲水機(jī)具有上述優(yōu)點(diǎn)，其在各個(gè)場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，包括：學(xué)校、醫(yī)院、大型超市等等。然而，對(duì)飲水機(jī)而言，其提供溫開(kāi)水的出水管路中在使用過(guò)程中容易滋生細(xì)菌[2]。主要原因在于出水管路內(nèi)流通的是30至45℃（攝氏度）的溫水，該溫度非常適宜細(xì)菌的繁殖。特別是當(dāng)用戶一段時(shí)間不使用時(shí)，出水管路中靜置的水環(huán)境為細(xì)菌提供了適宜的溫度和濕度，導(dǎo)致細(xì)菌在此大量繁殖，常被稱為飲水機(jī)的二次污染問(wèn)題[3]。為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中一種常見(jiàn)的解決方案是直接將儲(chǔ)水罐中的“隔夜水”從排污口進(jìn)行排空。后續(xù)如果需要對(duì)出水管路進(jìn)行殺菌，則可能會(huì)利用儲(chǔ)水罐中加熱至設(shè)定溫度（該設(shè)定溫度低于沸點(diǎn)溫度，一般為94至95℃）的水進(jìn)行沖洗。但是上述排空和殺菌的方式在節(jié)能環(huán)保以及殺菌可靠性上均有待提高。因此有必要對(duì)飲水機(jī)作進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保并保證有效殺菌，提高用戶體驗(yàn)。本文將在傳統(tǒng)飲水機(jī)的基礎(chǔ)上，加以改進(jìn)，提出一種新型環(huán)保的飲水機(jī)殺菌消毒方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本方案擬提出一種新型飲水機(jī)，能夠利用待排出的水對(duì)出水管路進(jìn)行殺菌，既能夠有效避免傳統(tǒng)飲水機(jī)存在的二次污染問(wèn)題，還可以同時(shí)兼顧節(jié)能環(huán)保的虛求，帶來(lái)較大的用戶體驗(yàn)提升。這就需要巧妙利用飲水機(jī)出/入水的管路結(jié)構(gòu)，對(duì)出水和入水管道進(jìn)行合理有效改進(jìn)，保證在下一取水周期之前，對(duì)出水管路進(jìn)行簡(jiǎn)單便捷且較為充分的殺菌消毒操作，較佳地避免用戶喝到受細(xì)菌污染的水，保證用戶的身體健康并提高用戶的使用體驗(yàn)。

一般的，為了避免飲水機(jī)的二次污染問(wèn)題，隔夜水需要被排空。在向用戶供水前，會(huì)將儲(chǔ)水罐中的隔夜水通過(guò)排污口進(jìn)行排空，后續(xù)再向儲(chǔ)水罐中注入水，并將注入的水加熱至預(yù)定溫度（該設(shè)定溫度低于沸點(diǎn)溫度，一般為94至95℃）。后續(xù)可以利用該預(yù)定溫度的熱水沖洗出水管路。但是，目前的排空和消毒是相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)過(guò)程，不僅效率低下，而且還會(huì)浪費(fèi)較多的水資源，最重要的是最后的殺菌效果也無(wú)法得到較佳的保證。假如沖洗用的熱水較多，則會(huì)導(dǎo)致更多的水資源浪費(fèi)，假如沖洗用的熱水較少，很有可能并不能達(dá)到理想的殺菌效果。

本設(shè)計(jì)中飲水機(jī)系統(tǒng)中沒(méi)有額外復(fù)雜冗余的殺菌系統(tǒng)，僅利用特定管道組成的消毒通路就可以對(duì)水路管道進(jìn)行行之有效的殺菌。飲水機(jī)常規(guī)取水和殺菌消毒操作的示意圖如圖1所示。

2 飲水機(jī)結(jié)構(gòu)及殺菌方案設(shè)計(jì)

2.1 供水水源

從水源上來(lái)說(shuō)，該飲水機(jī)具有凈水系統(tǒng)，從自來(lái)水端供入的水，在經(jīng)過(guò)凈水系統(tǒng)凈化后，可以將自來(lái)水進(jìn)行高效過(guò)濾，去除有害物質(zhì)，獲得凈化后的常溫水。該凈水系統(tǒng)與飲水機(jī)進(jìn)水閥連通，從而能將凈化后的常溫水通入進(jìn)水管路中。采用自來(lái)水也大大降低了用水成本。

圖1 飲水機(jī)常規(guī)取水和殺菌消毒操作示意圖

2.2 飲水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的飲水機(jī)主要包括儲(chǔ)水罐，供/取水管路和排空消毒管路，換熱機(jī)構(gòu)和人體感應(yīng)裝置等，具體如圖2所示。

圖2 飲水機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（1）儲(chǔ)水罐設(shè)計(jì)。在常規(guī)取水階段，置有加熱元件的儲(chǔ)水罐將對(duì)儲(chǔ)存的水進(jìn)行加熱。特別指出：①這里采用圓柱形儲(chǔ)水罐，這是由于圓柱形水罐具有較佳的承壓能力。當(dāng)儲(chǔ)水罐加熱而產(chǎn)生較大壓力且該壓力沒(méi)有被及時(shí)排放出時(shí)，圓柱形儲(chǔ)水罐各個(gè)方向上承受的壓力比較均勻，整體上耐壓能力較佳，抗變形能力較強(qiáng)；②加熱元件可以采用電加熱的形式，比如設(shè)置在內(nèi)部的加熱棒。加熱棒的個(gè)數(shù)可以為一個(gè)，也可以為多個(gè)。當(dāng)加熱棒的個(gè)數(shù)為多個(gè)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際加熱功率等需要，啟動(dòng)加熱棒中的一個(gè)或者全部。此外，對(duì)于單個(gè)加熱棒而言，還可以采用加熱功率可調(diào)的形式；③整體上，為了保證在排空時(shí)能夠?qū)?chǔ)水罐中的水徹底排出，排水口被設(shè)置在儲(chǔ)水罐的低端。此時(shí)，排水口不僅可以作為排空時(shí)的出口，還可以作為進(jìn)水口用于向該儲(chǔ)水罐供水；④儲(chǔ)水罐頂端設(shè)置有進(jìn)氣口，用于將儲(chǔ)水罐中的氣體排出，并設(shè)置有機(jī)械式排氣閥（由懸浮球以及與外部大氣相通的配合孔構(gòu)成），以保證儲(chǔ)水罐能始終處于滿罐的狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)方式為：沒(méi)有滿罐時(shí)，懸浮球與配合孔之間有一定的間隙，儲(chǔ)水罐中的空氣能夠通過(guò)該間隙由配合孔向外排出；滿罐時(shí)，懸浮球?qū)⑴浜峡追舛?。因此在整體上可以保持儲(chǔ)水罐內(nèi)始終滿罐，且其內(nèi)部的水流動(dòng)力均來(lái)自于進(jìn)水端水壓，無(wú)需增加額外的水泵作為動(dòng)力源，節(jié)能環(huán)保，并且出水量始終等于入水量，出水流量大且穩(wěn)定。

（2）管路設(shè)計(jì)。飲水機(jī)供取水管路總體上可以分為3路，具體如下：①供水管路。下游一端與儲(chǔ)水罐進(jìn)水口（也是排空時(shí)的排水口）相連接，另一端設(shè)置有進(jìn)水閥，與凈水系統(tǒng)相接。進(jìn)水閥可以選用電磁式的進(jìn)水閥，與控制器電性連接，當(dāng)接受到控制器的控制信號(hào)后，可以打開(kāi)或關(guān)閉。一般的，該進(jìn)水閥處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)需要啟動(dòng)熱水排空消毒模式時(shí)，進(jìn)水閥處于關(guān)閉狀態(tài)；②取水管路。一端與單向閥相連通，另一端設(shè)置有電磁式出水閥，與控制器電性連接，開(kāi)關(guān)可控。此外，出水閥還可以設(shè)置有感應(yīng)器，當(dāng)識(shí)別到用戶的人體信號(hào)時(shí)即打開(kāi)出水，或者設(shè)置手動(dòng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)用戶打開(kāi)該手動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，出水閥即打開(kāi)出水。其中，出水閥的個(gè)數(shù)可以根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)或多個(gè)；③旁通支路（排空消毒管路）。儲(chǔ)水罐上端的出水口下游設(shè)置有第一單向閥，用于保證出水口至取水管路單向?qū)?，且單向閥下游與排水口之間設(shè)置有水泵和電磁閥，由旁通支路進(jìn)行連接。同時(shí)，在旁通支路中設(shè)置第二單向閥，用于保證所述旁通支路中的水自上游端至下游端單向?qū)?。在某些特殊情況下，例如水壓波動(dòng)時(shí)，旁通支路中的水不會(huì)倒流，從而提高了管路整體的可靠性。

（3）其他設(shè)計(jì)。主要包括換熱機(jī)構(gòu)，比例閥，文丘里結(jié)構(gòu)及人體感應(yīng)裝置等。①換熱機(jī)構(gòu)：考慮到節(jié)能環(huán)保的需求，可以在供水管路與取水管路之間設(shè)置熱交換器，使供水管路通過(guò)熱交換的方式至少能與部分取水管路換熱。其中，熱交換器包括：內(nèi)外套設(shè)的內(nèi)管和外管。其中，內(nèi)管設(shè)置在取水管路中，用于出溫度較高的熱水，外管設(shè)置在供水管路中，用于對(duì)熱水進(jìn)行降溫冷卻，同時(shí)外管中被熱水預(yù)熱后的水供入儲(chǔ)水罐中，可以達(dá)到節(jié)能的效果。為保證換熱效果，熱交換器呈螺旋型。②比例閥：飲水機(jī)還包括比例閥和供水管路（包括第一支路和第二支路），其中，第一支路、第二支路分別與比例閥相連通，第一支路為設(shè)置有外管的支路，從進(jìn)水閥流入的常溫水流經(jīng)第一支路的外管時(shí)能與內(nèi)管中的高溫水進(jìn)行換熱，以對(duì)內(nèi)管中的高溫水進(jìn)行冷卻。第二支路直接將進(jìn)水閥供入的常溫水傳送給儲(chǔ)水罐。比例閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)入第一支路和第二支路的流量。例如，當(dāng)外界環(huán)境溫度較高，需要適當(dāng)調(diào)低出口的溫度時(shí)，可以通過(guò)該比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，加大進(jìn)入第一支路的水流量，使得從儲(chǔ)水罐流出的高溫水能夠被冷卻至預(yù)定的較低溫度。同樣的，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)高出口的溫度時(shí)，可以通過(guò)該比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小進(jìn)入第一支路的水流量，使得從儲(chǔ)水罐流出的高溫水不被冷卻至較低的溫度。③文丘里裝置及人體感應(yīng)裝置：取水管路中靠近出水閥的位置設(shè)有縮頸段帶開(kāi)口的文丘里結(jié)構(gòu)，當(dāng)取水管路中有流體流通時(shí)，縮頸段在開(kāi)口位置形成負(fù)壓，管路中的流體不會(huì)從開(kāi)口位置流出。常規(guī)取水階段以及啟動(dòng)熱水排空消毒模式或蒸汽消毒模式時(shí)，出水閥處于打開(kāi)狀態(tài)，取水管路中有流體流通，此時(shí)，流體可以通過(guò)出水閥的出口排出，而不會(huì)從文丘里的開(kāi)口溢出；另一種情況，在熱水排空消毒模式或蒸汽消毒模式下，為了防止從出水閥流出的沸水或蒸汽誤傷用戶，借助飲水機(jī)中設(shè)置的與控制器相連接的人體信號(hào)識(shí)別模塊，在接收到人體識(shí)別信號(hào)后，出水閥關(guān)閉，儲(chǔ)水罐中產(chǎn)生的蒸汽或沸水通過(guò)文丘里結(jié)構(gòu)的開(kāi)口排出。人體信號(hào)識(shí)別模塊包括下述中的任意一種或其組合：紅外檢測(cè)模塊、按鍵模塊、語(yǔ)音接收模塊、WIFI模塊。以紅外檢測(cè)模塊為例，紅外檢測(cè)模塊可以檢測(cè)到預(yù)定范圍（例如3米至5米）內(nèi)的人體信號(hào)，當(dāng)用戶靠近時(shí)，出水閥立即關(guān)閉。

2.3 殺菌消毒方案

主要包括熱水排空消毒模式，蒸汽消毒模式，UV殺菌燈消毒模式，可以為一種或多種模式的組合。

（1）熱水排空消毒模式：當(dāng)啟動(dòng)熱水排空消毒模式時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉，電磁閥打開(kāi)，水泵啟動(dòng)，在水泵的驅(qū)動(dòng)力下，將儲(chǔ)水罐中的滿罐沸水自排水口（也是常規(guī)取水時(shí)的進(jìn)水口，但由于此時(shí)進(jìn)水閥關(guān)閉，進(jìn)水口僅作為排空消毒的排水口）流經(jīng)電磁閥和旁通支路，并由取水管路向外排出。也就是說(shuō)，當(dāng)啟動(dòng)熱水排空消毒模式時(shí)，飲水機(jī)內(nèi)的儲(chǔ)水罐、水泵和旁通支路、取水管路相連通形成排空消毒通路。該通路中的流通的熱水為儲(chǔ)水罐中被加熱的沸水，并且該沸水是需要被排出的隔夜水。

（2）蒸汽消毒模式：當(dāng)啟動(dòng)蒸汽消毒模式時(shí)，加熱元件啟動(dòng)，將儲(chǔ)水罐中充滿的水加熱至沸騰后產(chǎn)生預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的蒸汽，蒸汽自儲(chǔ)水罐的出水口由取水管路排出。

（3）蒸汽+熱水排空消毒模式：在啟動(dòng)熱水排空消毒模式進(jìn)行隔夜水沖洗前，可以先對(duì)取水管路進(jìn)行蒸汽殺菌。具體的，可以將儲(chǔ)水罐中待排出的隔夜水加熱至沸騰，沸騰時(shí)產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)出水口流經(jīng)取水管路后可以從出水閥排出，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)取水管路的蒸汽殺菌。其中，蒸汽流經(jīng)的路徑為飲水機(jī)正常工作時(shí)的出水路徑。蒸汽殺菌的預(yù)定時(shí)長(zhǎng)至少為1分鐘。當(dāng)蒸汽消毒模式結(jié)束后，可以啟動(dòng)熱水排空消毒模式。當(dāng)取水管路經(jīng)過(guò)蒸汽消毒和沸水排空消毒后，菌落數(shù)能降為0。

（4）UV殺菌燈消毒模式：出溫水段的取水管路在一段時(shí)間不出水后容易滋生細(xì)菌。為了盡可能降低取水管路中細(xì)菌數(shù)量，可以在取水管路中設(shè)置UV燈殺菌機(jī)構(gòu)。UV燈是利用紫外線的殺菌原理制成的燈管，可以較好地殺滅水中的各種細(xì)菌。

3 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)于學(xué)校用的飲水機(jī)（以下簡(jiǎn)稱校園機(jī)），啟動(dòng)消毒模式的啟動(dòng)信號(hào)可以通過(guò)設(shè)置定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)，也可以通過(guò)設(shè)置按鈕手動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)通過(guò)定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)時(shí)，其開(kāi)機(jī)時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，例如為早上6點(diǎn)鐘。針對(duì)該開(kāi)機(jī)時(shí)間，可以設(shè)置啟動(dòng)消毒模式（包括熱水排空消毒模式和蒸汽消毒模式）。其中，例如蒸汽消毒模式對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)可以為15分鐘，熱水排空消毒模式對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)可以為30分鐘。則在5時(shí)15分時(shí)，通過(guò)定時(shí)器發(fā)出信號(hào)首先啟動(dòng)蒸汽消毒模式。

當(dāng)啟動(dòng)蒸汽消毒模式時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥，打開(kāi)取水閥，加熱元件啟動(dòng)。加熱元件的加熱功率調(diào)至最大，以將儲(chǔ)水罐中的水快速加熱至沸騰；然后利用沸水產(chǎn)生的蒸汽對(duì)取水管路進(jìn)行消毒15分鐘。正常情況下，出水閥打開(kāi)時(shí)，蒸汽從出水閥的出口排出。當(dāng)用戶靠近校園機(jī)時(shí)，為了避免高溫蒸汽燙傷用戶，出水閥關(guān)閉，蒸汽通過(guò)文丘里結(jié)構(gòu)的開(kāi)口排出。當(dāng)儲(chǔ)水罐中的水沸騰預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后，即上述的蒸汽流通15分鐘后，蒸汽消毒模式結(jié)束，啟動(dòng)熱水排空消毒模式。此時(shí)，排水口下游的電磁閥打開(kāi)，水泵啟動(dòng)，將儲(chǔ)水罐中充滿的沸水自取水管路排出，完成儲(chǔ)水罐排空的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)取水管路的消毒殺菌。同樣的，沸水的終端出口可以為出水閥的出口或文丘里結(jié)構(gòu)的開(kāi)口。因此，在特殊情況下，當(dāng)校園機(jī)處于排蒸汽或沸水的狀態(tài)時(shí)（即處于蒸汽消毒模式或熱水排空消毒模式時(shí)），在接收到人體信號(hào)識(shí)別模塊獲取到的人體信號(hào)時(shí)，關(guān)閉取水閥，儲(chǔ)水罐中產(chǎn)生的蒸汽或者沸水通過(guò)文丘里結(jié)構(gòu)的開(kāi)口排出，從而避免高溫的蒸汽或水誤傷用戶。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)飲水機(jī)存在的二次污染問(wèn)題，本文提供了一種新型節(jié)能環(huán)保殺菌消毒飲水機(jī)，通過(guò)在儲(chǔ)水罐的出水口下游的第一單向閥與排水口之間設(shè)置水泵和電磁閥，引入旁通支路，改變了傳統(tǒng)的排空路徑，將排空路徑和消毒路徑進(jìn)行了巧妙地合并。具體而言，將儲(chǔ)水罐中待排空的隔夜水加熱至沸騰，并利用儲(chǔ)水罐、水泵和取水管路相連通形成的消毒通路進(jìn)行排水（蒸汽）和殺菌，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，且能夠保證有效殺菌，大大提高了用戶的使用體驗(yàn)。