李維赫 王 琳 黃 亮 王 悅 丁 涵

（蚌埠學(xué)院機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)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(shì)能轉(zhuǎn)換為水的動(dòng)能，從而裹夾著排泄物進(jìn)入下水道。普通馬桶價(jià)格適中，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)堵塞、用水量大等問(wèn)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(duì)家用抽水馬桶進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在排污管內(nèi)增加一段真空管來(lái)實(shí)現(xiàn)高效排污。整段管道是獨(dú)立的，與馬桶的排污管道通過(guò)電控?fù)蹰y隔開(kāi)，當(dāng)使用者沖洗馬桶時(shí)，電控?fù)蹰y會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，利用其與大氣壓之間的壓差，將馬桶中的污物帶走。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本研究首先對(duì)儲(chǔ)水倉(cāng)進(jìn)行改造，由一個(gè)儲(chǔ)水倉(cāng)改為兩個(gè)，其中一個(gè)連接洗手臺(tái)的水管，將洗手的廢水收集起來(lái)，加以利用，另一個(gè)儲(chǔ)水倉(cāng)直接連接水管，以供平時(shí)使用；然后在儲(chǔ)水倉(cāng)下加入一個(gè)真空泵，真空泵一端連接特制真空管（由一個(gè)電控氣門(mén)封閉），另一端直接通向馬桶外（在馬桶殼體上），真空泵工作時(shí)，利用真空管內(nèi)外產(chǎn)生的壓差排污。

真空式馬桶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 真空式馬桶結(jié)構(gòu)

2 真空式馬桶的基本結(jié)構(gòu)

真空式馬桶主要由馬桶、電控單元ECU（Electronic Control Unit）、真空泵、儲(chǔ)水箱、特質(zhì)排污管（真空管）、出水口、真空表、系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、傳感器等組成。

2.1 馬桶支座

支座用來(lái)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(fù)合材料等制成，具有足夠的強(qiáng)度和硬度。

2.2 電控單元（ECU）

電控單元根據(jù)傳感器傳來(lái)的電信號(hào)對(duì)馬桶的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，并發(fā)出信號(hào)控制真空泵、電控?fù)蹰y等。其具體功能：（1）根據(jù)真空表數(shù)值的大小控制真空泵關(guān)閉；（2）當(dāng)真空泵關(guān)閉后，電控單元開(kāi)啟電控?fù)蹰y；（3）水位傳感器發(fā)出電信號(hào)，反饋給ECU，ECU再發(fā)出指令給電控?fù)蹰y，控制其關(guān)閉；（4）排水按鈕按下去的時(shí)候，傳感器傳遞信號(hào)給ECU，ECU發(fā)出指令控制真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 真空泵

真空泵采用電控式真空泵，泵體內(nèi)帶有固定葉片的偏心轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由電機(jī)帶動(dòng)，工作時(shí)葉片將水甩向定子殼體，水的渦流與轉(zhuǎn)子葉片之間構(gòu)成可變?nèi)莘e的腔室。真空泵受ECU控制，正常情況下不工作，當(dāng)ECU發(fā)出電信號(hào)時(shí)，真空泵電源接通開(kāi)始工作。

真空泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 真空泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 儲(chǔ)水箱

儲(chǔ)水箱示意圖如圖3所示，上方兩個(gè)儲(chǔ)水室一個(gè)與洗手臺(tái)相連，用于儲(chǔ)存洗手臺(tái)的廢水，另一個(gè)直接連接水管，用于儲(chǔ)存清水。在使用的過(guò)程中，排水按鈕分為左右兩邊，獨(dú)立控制兩個(gè)水箱（左邊的按鈕控制廢水儲(chǔ)水池，右邊的按鈕控制清水儲(chǔ)水池），排水按鈕按下時(shí)會(huì)給ECU發(fā)送電信號(hào)，以此來(lái)控制真空泵工作。

2.5 特制排污管

排污管表面應(yīng)光滑，易于清洗。本設(shè)計(jì)對(duì)排污管也進(jìn)行了改進(jìn)，在原排污管內(nèi)增加一段密閉真空管，真空管的兩端有兩個(gè)電控?fù)蹰y，且這段真空管與排污管直接相連（由電控?fù)蹰y隔開(kāi)）。真空管上有一個(gè)孔與真空泵相連，使真空泵可以抽走真空管內(nèi)的空氣（即為進(jìn)氣口），在進(jìn)氣口位置有一個(gè)電控氣門(mén)，受電控單元ECU控制，ECU接收到真空表傳感器傳來(lái)的信號(hào)后，使真空泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并使氣門(mén)關(guān)閉（當(dāng)真空管內(nèi)真空度高于起始真空度的80%時(shí)，進(jìn)氣過(guò)程結(jié)束）。

圖3 儲(chǔ)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(guò)出水口進(jìn)入馬桶內(nèi)，出水口對(duì)稱(chēng)垂直地分布在馬桶兩側(cè)，僅在重力的作用下進(jìn)入馬桶內(nèi)，無(wú)需加壓，不會(huì)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(lái)檢測(cè)排污管內(nèi)的真空壓力，內(nèi)置壓力傳感器，將排污管內(nèi)壓力大小反饋給ECU，防止壓力過(guò)大對(duì)排污管造成損害。真空表安裝在真空管進(jìn)氣口，位于電控?fù)蹰y內(nèi)側(cè)，只有當(dāng)電控?fù)蹰y處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，才能測(cè)到真空管內(nèi)的真空度。關(guān)閉電控?fù)蹰y后，真空表被封閉在真空泵管道這一側(cè)，避免在排污過(guò)程中對(duì)真空表造成損害。當(dāng)真空表顯示真空管內(nèi)真空度（氣壓）高于真空管內(nèi)起始真空度（氣壓）的80%時(shí)，會(huì)向ECU發(fā)出電信號(hào)，結(jié)束進(jìn)氣過(guò)程，關(guān)閉電控?fù)蹰y。

2.8 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)包括排污開(kāi)關(guān)和真空控制開(kāi)關(guān)。排污開(kāi)關(guān)即水箱上方的兩個(gè)實(shí)體按鈕，按下后，會(huì)接通水箱，將水箱中的水送到出水口中，從而進(jìn)入馬桶內(nèi)。真空控制開(kāi)關(guān)位于馬桶側(cè)面，亦采用按壓式，按下去后，發(fā)出信號(hào)給ECU，控制真空管內(nèi)電控?fù)蹰y開(kāi)啟，開(kāi)始沖洗馬桶。

2.9 回水口

回水口位于馬桶內(nèi)壁上，當(dāng)水到達(dá)此處時(shí)，說(shuō)明已到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)水位，可以按下真空控制按鈕，開(kāi)始進(jìn)行手動(dòng)排污行程（超過(guò)水位線的水會(huì)進(jìn)入回水口內(nèi)，沿著回水管流入下水道，不會(huì)使多余的水堆積在馬桶內(nèi)）。

非手動(dòng)控制的時(shí)候，當(dāng)水位超過(guò)水位線時(shí)，回水口內(nèi)部有一個(gè)傳感器，當(dāng)流入回水口的水量大于10 mL時(shí)，傳感器會(huì)給ECU發(fā)出電信號(hào)，控制水箱停止供水，準(zhǔn)備開(kāi)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(tǒng)的工作原理是利用排污管內(nèi)外壓力差，將排泄物以及沖洗馬桶后的污水通過(guò)排污管輸送進(jìn)下水道。當(dāng)如廁完畢后，按下排水按鈕，水箱里的水通過(guò)排水口（無(wú)壓力）流進(jìn)馬桶，在按下排水按鈕的同時(shí)真空泵開(kāi)關(guān)接通，真空泵開(kāi)始工作（開(kāi)始抽取真空管內(nèi)的空氣），傳感器檢測(cè)真空管內(nèi)的真空度，當(dāng)真空管內(nèi)的氣壓為初始管內(nèi)氣壓的80%時(shí)，真空泵關(guān)閉，在ECU的控制下，電控?fù)蹰y開(kāi)啟，利用壓差將排泄物通過(guò)真空管送入下水道。整個(gè)過(guò)程可以分為進(jìn)水過(guò)程，排、抽過(guò)程，開(kāi)閥過(guò)程，排污過(guò)程。

（1）進(jìn)水過(guò)程：洗手臺(tái)內(nèi)廢水或水管內(nèi)清水進(jìn)入儲(chǔ)水箱。

（2）排、抽過(guò)程：在如廁結(jié)束后，按下馬桶上方的排水按鈕，水箱里的水進(jìn)入馬桶出水口，沿著馬桶內(nèi)壁迅速流下，與此同時(shí)，真空泵開(kāi)始工作，抽取真空管內(nèi)的空氣，達(dá)到一定真空度時(shí)，真空泵停止工作，節(jié)氣門(mén)關(guān)閉。由于電控?fù)蹰y關(guān)閉，水會(huì)逐漸淹沒(méi)排泄物，直到水位達(dá)到回水口位置，則進(jìn)入下一過(guò)程。

（3）開(kāi)閥過(guò)程：當(dāng)水位到達(dá)回水口位置的時(shí)候，可手動(dòng)按壓真空控制開(kāi)關(guān)，打開(kāi)電控?fù)蹰y，開(kāi)始排污行程；或者當(dāng)水位線超過(guò)回水口，傳感器發(fā)出電信號(hào)給ECU，ECU控制水箱停止供水，并打開(kāi)電控?fù)蹰y。

（4）排污過(guò)程：電控?fù)蹰y開(kāi)啟后，排泄物由于壓差進(jìn)入排污管。排污行程從開(kāi)始到結(jié)束，即密封真空管內(nèi)真空變?yōu)檎４髿鈮旱倪^(guò)程，該過(guò)程結(jié)束后即可為下一次的排污過(guò)程做準(zhǔn)備。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)馬桶的水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使馬桶具有可以使用二次廢水資源的功能，有效節(jié)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(dòng)化。同時(shí)，在馬桶的設(shè)計(jì)中加入真空泵，有效解決了馬桶堵塞的問(wèn)題，緩解了如廁尷尬，為使用者創(chuàng)造了一個(gè)更加安靜、舒適、安全的如廁環(huán)境，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。