水轮机动力抽吸式马桶的制作方法
本发明涉及一种水轮机动力抽吸式马桶，特别是一种利用自来水为能源，驱动水轮机实现搅碎抽吸功能的水轮机动力抽吸式马桶。
背景技术：
传统马桶有四种共同的技术缺陷：其一是能源浪费导致水资源浪费。自来水既是清洗剂又是能源，将大、小便冲过s弯(在马桶便盆通向下水道处存在一个能留住封堵水，隔绝下水道臭气的装置，俗称s弯。)所需能量完全来源于自来水。伯努利方程：
技术实现要素：
本发明的目的在于克服传统马桶对自来水资源的极大浪费，以及因s弯不可开启，异物卡入无法取出，结垢无法清除，使马桶有效使用年限缩短等技术缺陷。提供一种由自来水驱动水轮机，水轮机带动螺旋桨，将s弯封堵处的大、小便与封堵水的混合物抽入下水道的水轮机动力抽吸式马桶。这种新型马桶由于充分利用自来水的能量，所以可将大便轻松搅碎并送出s弯。自来水先流经水轮机将能量传递给叶轮，然后方可经过马桶空心边框注水孔以及盆底注水孔进入便盆。于是在s弯处就形成了：大小便与封堵水的混合物不断在前方被抽出，清水不断随后循序跟进的效果。这就充分避免了清水与大小便以及封堵水的混合物的参混，所以冲得最净并且用水最省。小便用水1升左右，大便用水2升左右，一天中人的大便可能只有一次而小便则很多次，所以大小便平均用水低于1.5升，是目前国家强制性标准6升水便器用水标准的四分之一。由于冲得净，所以不易结垢。水轮机的安装位置成为s弯的可开启处，即便结垢或有异物卡入，也便于清除。新型马桶彻底改变了传统马桶s弯长且曲折的形态，所以堵塞已成为不可能。新型马桶的主体即陶瓷部分可以永久使用。
本发明的技术方案是：一种基于水轮机的动力抽吸式抽吸式马桶。水轮机的外壳包括容纳叶轮的蜗室(11，21)和支持叶轮转轴(18，31，413)的轴承保持体(12)，蜗室和轴承保持体二者固为一体。轴承保持体(12)的轴孔上端设有封顶螺头(19)和密封橡胶垫(110)，用于轴向限位叶轮转轴(18，31，413)。
进一步地，切向于蜗室(11，21)的侧壁设有自来水入射口(13，23，49)，在蜗室(11，21)的上部由轴承保持体(12)向一侧设有蜗室出水口(14，410)。
进一步地，在蜗室(11，21)中自来水把大部分动能传递给了叶轮，蜗室出水口(14，410)处的流速v2远小于自来水入射口(13，23，49)处的流速v1。根据流动的连续性原理v1s1＝v2s2，蜗室出水口(14，410)的横截面积s2远大于自来水入射口(13，23，49)的横截面积s1。
水轮机的叶轮封闭于蜗室(11，21)内，固定于叶轮底盘(15)并与叶轮同步转动的叶轮转轴(18，31，413)上部伸入轴承保持体(12)，下部透过水轮机蜗室(11，21)，在其下端由上至下顺次安装有塞漏体(33，414)和螺旋桨(32，411)。塞漏体(33，414)与螺旋桨(32，411)二者固为一体。塞漏体(33，414)为上部大下部小、略有锥度的圆形套筒，在塞漏体(33，414)上部正对着s弯水平溢口段(46)的位置，沿周边均布三到四个条状橡胶蹼(34)。
进一步地，所述叶轮包括叶轮底盘(15)，叶片(17，22)，叶片上盖(16)，三者固为一体。叶片(17，22)是母线垂直于叶轮底盘(15)的弯曲面。
进一步地，所述叶片上盖(16)为圆锥面，可使相邻叶片所构成的过水通道的高度由外到内逐渐增大，这样可以弥补该通道由外到内的逐渐变窄，使其横截面积保持不变。
本发明马桶主体的上部设有空心边框(41)，空心边框(41)朝向便盆内侧，沿周边设有均匀分布的细密注水孔。马桶后部便盆的外侧设有空心边框入水口(42)，空心边框入水口(42)不直接在马桶后部与空心边框(41)连通，而是连接着附着于马桶外壁的管腔(419)，左右对称地沿马桶外壁由后向前延伸至一合适位置后分成两个叉道，分别向上通向空心边框(41)，向下通向盆底注水孔(43)。所述的合适位置可以是指上述管腔(419)以及通向空心边框(41)的部位可以被隐蔽起来，不影响美观。管腔(419)在盆底注水孔(43)处设有盆底注水阀(415)和整流叶轮(412)。
本发明马桶的下部设有不同于传统马桶的s弯，按照功能的不同，整个s弯被划分为：s弯入口段(44)，s弯螺旋桨位段(45)，s弯水平溢口段(46)，s弯壶腹承接体(47)，s弯接下水管网段(48)五个部分。
进一步地，s弯螺旋桨位段(45)为上部大、下部小的圆锥管。s弯水平溢口段(46)为半边被削成水平溢口的倾斜圆管，水轮机顺时针转动削右半边，逆时针转动削左半边，使得被削的半边形成水平溢口(51)，未被削去的半边形成导流片(52)。水平溢口(51)的位置确定了封堵水的最高水位。
进一步地，s弯壶腹承接体(47)的上下两端分别与s弯水平溢口段(46)的上下两端结合在一起。s弯壶腹承接体(47)的内径大于s弯水平溢口段(46)的外径，二者之间形成空腔，该空腔与水平溢口(51)相通，又与s弯接下水管网段(48)相通。
进一步地，所述s弯壶腹承接体(47)的上部设有可以安装或拆下水轮机的构件，使该处成为s弯的可开启处。
叶轮转轴(18，31，413)下部安装的螺旋桨(32，411)位于s弯螺旋桨位段(45)的下部。螺旋浆所有桨叶的前方一侧具有锋利的刀刃，使其不仅具有推进功能，同时还具有切削功能。
所述水轮机蜗室出水口(14，410)通过软管或其他类似物与马桶空心边框入水口(42)相接。
为了充分提高自来水的能源利用效率，如图6所示，本发明在自来水管网与水轮机自来水入射口(13，23，49)的接合处设有压力继能装置。包括压力罐(61)，水口罩(62)，自来水管网接口(63)，自来水供水阀(64)和阀体出水口(65)。自来水管网接口(63)与自来水管网相接。阀体出水口(65)通过软管或其他类似物与水轮机自来水入射口(13，23，49)相接。水口罩(62)是上部封顶，四周开窗的小圆筒。
本发明马桶前方的下部设有脚踏阀柄(416)，由此阀柄同时向外侧伸出阀线a(417)和阀线b(418)，其中阀线a(417)连接着自来水供水阀(64)，阀线b(418)连接着盆底注水阀(415)。踏下脚踏阀柄(416)，在阀线a(417)、阀线b(418)的牵动下，自来水供水阀(64)和盆底注水阀(415)同时开启。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明主要部件水轮机的正视剖面图。
图2是本发明水轮机沿剖面线a-a的垂直于转动轴的剖视图。
图3是本发明叶轮转轴下方所安装的塞漏体和螺旋桨的示意图。
图4是本发明水轮机、塞漏体、螺旋桨、盆底注水阀、整流叶轮以及脚踏阀与马桶主体结合安装的示意图。
图5是本发明s弯水平溢口段的实物图。
图6是本发明压力继能装置的正视剖面图。
图7是本发明压力继能装置中水口罩沿剖面线b-b的剖视图。
具体实施方式
本发明所涉及水轮机动力抽吸式马桶，之所以优于传统马桶，是因为它能够充分利用自来水的能量，尽最大可能减少清水与大小便参混，从而实现高效节水。而实现这一切的关键不仅在于水轮机的科学使用，还在于对马桶主体的全方位革新。
本发明马桶主体的上部设有空心边框(41)，空心边框(41)朝向便盆内侧，沿周边设有均匀分布的细密注水孔。马桶后部便盆的外侧设有空心边框入水口(42)，空心边框入水口(42)不直接在马桶后部与空心边框(41)连通，而是连接着附着于马桶外壁的管腔(419)，左右对称地沿马桶外壁由后向前延伸至一合适位置后分成两个叉道，分别向上通向空心边框(41)，向下通向盆底注水孔(43)。所述的合适位置可以是指上述管腔(419)以及通向空心边框(41)的部位可以被隐蔽起来，不影响美观。在盆底注水孔(43)处设有盆底注水阀(415)和整流装置(412)，所述盆底注水阀(415)和所述整流装置(412)相对所述管腔(419)由里向外依次设置。所述整流装置(412)可以采用整流叶轮，例如一个固定不动的螺旋桨，用于将经由盆底注水阀(415)流出的水流扩散。
本发明马桶的下部设有不同于传统马桶的s弯，按照功能的不同，整个s弯被划分为：s弯入口段(44)，s弯螺旋桨位段(45)，s弯水平溢口段(46)，s弯壶腹承接体(47)，s弯接下水管网段(48)五个部分。
所述s弯螺旋桨位段(45)为上部大、下部小的圆锥管。s弯水平溢口段(46)为半边被削成水平溢口的倾斜圆管，水轮机顺时针转动削右半边，逆时针转动削左半边，使得被削的半边形成水平溢口(51)，未被削去的半边形成导流片(52)。水平溢口(51)的位置确定了封堵水的最高水位。
所述s弯壶腹承接体(47)的上下两端分别与s弯水平溢口段(46)的上下两端结合在一起。s弯壶腹承接体(47)的内径大于s弯水平溢口段(46)的外径，二者之间形成空腔，该空腔与水平溢口(51)相通，又与s弯接下水管网段(48)相通。
所述s弯壶腹承接体(47)的上部设有可以安装或拆下水轮机的构件，使该处成为s弯的可开启处。本发明所涉及水轮机如图1所示，水轮机的外壳包括容纳叶轮的蜗室(11，21)和支持叶轮转轴(18，31，413)的轴承保持体(12)，蜗室和轴承保持体二者固为一体。轴承保持体(12)的轴孔上端设有封顶螺头(19)和密封橡胶垫(110)，用于轴向限位叶轮转轴(18，31，413)和密封。
切向于蜗室(11，21)的侧壁设有自来水入射口(13，23，49)，在蜗室(11，21)的上部由轴承保持体(12)向一侧设有蜗室出水口(14，410)。
在蜗室(11，21)中自来水把大部分动能传递给了叶轮，蜗室出水口(14，410)处的流速v2远小于自来水入射口(13，23，49)处的流速v1。根据流动的连续性原理v1s1＝v2s2，蜗室出水口(14，410)的横截面积s2远大于自来水入射口(13，23，49)的横截面积s1。
水轮机的叶轮封闭于蜗室(11，21)内，固定于叶轮底盘(15)并与叶轮同步转动的叶轮转轴(18，31，413)上部伸入轴承保持体(12)，下部透过水轮机蜗室(11，21)，在其下端由上至下顺次安装有塞漏体(33，414)和螺旋桨(32，411)。塞漏体(33，414)与螺旋桨(32，411)二者固为一体。塞漏体(33，414)为上部大下部小、略有锥度的圆形套筒，在塞漏体(33，414)上部正对着s弯水平溢口段(46)的位置，沿周边均布三到四个条状橡胶蹼(34)。
所述叶轮包括叶轮底盘(15)，叶片(17，22)，叶片上盖(16)，三者固为一体。叶片(17，22)是母线垂直于叶轮底盘(15)的弯曲面。
所述叶片上盖(16)为圆锥面，可使相邻叶片所构成的过水通道的高度由外到内逐渐增大，这样可以弥补该通道由外到内的逐渐变窄，使其横截面积保持不变。
所述叶轮转轴(18，31，413)下部安装的螺旋桨(32，411)位于s弯螺旋桨位段(45)的下部。螺旋浆所有桨叶的前方一侧具有锋利的刀刃，使其不仅具有推进功能，同时还具有切削功能。
所述水轮机蜗室出水口(14，410)通过软管或其他类似物与马桶空心边框入水口(42)相接。
其中，封顶螺头(19)不仅对叶轮转轴具有轴向限位作用，并且便于调整轴向间隙，使叶轮转轴轻松转动。密封橡胶垫可将叶轮转轴完全封闭于水系统之内。对水轮机的科学使用就在于：在所有动力机中水轮机不仅最经久耐用不易损坏，而且可以完全封闭于水系统之内，不存在泄露的顾虑，运行安全可靠。电动机则完全做不到。
本发明所涉及水轮机动力抽吸式马桶，之所以优于传统马桶，还因为它彻底改变了传统马桶s弯管道长且曲折的结构，使堵塞成为不可能。如图4所示，按照功能的不同，整个s弯被划分为：s弯入口段(44)，s弯螺旋桨位段(45)，s弯水平溢口段(46)，s弯壶腹承接体(47)，s弯接下水管网段(48)五个部分。为了更有利于大便的通过，将s弯螺旋桨位段(45)特意做成上部大、下部小的圆锥管。为了留住封堵水而又不增加螺旋桨(411)的推进距离(设定该推进距离为螺旋桨位段(45)的长度)，特意设置了s弯水平溢口段(46)。水平溢口(51)的位置决定了封堵水的最高水位，该水位的高低至关重要，因为封堵水具有三种作用：一是隔绝下水道臭气。二是对大便产生浮力，大便在水中几乎处于悬浮状态，足量的封堵水可使大便不至于上下叠压粘结，成为堵塞因素。三是对大便稀释，冲马桶时大便混同封堵水一同到达螺旋桨，经历被搅碎、稀释和推进的连续过程。s弯水平溢口段留住了封堵水，但并没有增加螺旋桨(411)的推进距离，因为在螺旋桨(411)的作用下，被推进的流体上升伴随旋转，越过s弯螺旋桨位段(45)立刻在橡胶蹼(34)以及导流片(52)的共同作用下，由水平溢口(51)甩入壶腹承接体(47)，其推进距离就是螺旋桨位段(45)的长度。进入s弯壶腹承接体(47)的大便已经被搅碎稀释，会自行落入下水道。所以堵塞成为不可能。
设置s弯水平溢口段(46)以及s弯壶腹承接体(47)这样的结构还具有如下效果：冲马桶结束时，螺旋桨(411)的上方已几乎没有水，所以不发生回流，这对充分节水更有利。与此相反，如果在螺旋桨(411)的上方具有完整的上行管道，那么当冲马桶结束时，上行管道中的水必然要退回到s弯封堵处，要想使退回来的完全是清水，就需要增加冲马桶的时间，这无疑要多用掉些水。
对马桶主体的全方位革新，除了对s弯的彻底改造，还有至关重要的改造就是在盆底注水孔(43)处设置盆底注水阀(415)和整流叶轮(412)。本发明马桶前方的下部设有脚踏阀柄(416)，由此阀柄同时向外侧伸出阀线a(417)和阀线b(418)，其中阀线a(417)连接着自来水供水阀(64)，阀线b(418)连接着盆底注水阀(415)。踏下脚踏阀柄(416)，在阀线a(417)、阀线b(418)的牵动下，自来水供水阀(64)和盆底注水阀(415)同时开启。需要说明的是，脚踏阀柄(416)并不限于设置在马桶前方的下部，也不限于采用脚踏阀柄的形式，可以采用手动按压或其他任何形式的控制阀柄，设置在马桶的任何适当位置，方便实现自来水供水阀(64)和盆底注水阀(415)的同步控制即可。如图4所示，踏下脚踏阀柄(416)，在阀线a(417)的牵动下，开启自来水供水阀(64)(未示出)，自来水经由水轮机自来水入射口(49)进入水轮机蜗室，将动能传递给叶轮后由蜗室出水口(410)流出，再经由空心边框入水口(42)到达空心边框(41)以及盆底注水孔(43)。我们的愿望是大小便与封堵水的混合物不断在前方被抽走，自来水即清水紧随其后，循序跟进，从而最大程度减少清水和大小便与封堵水的混合物的参混。而实现这一愿望所面对的情况却是很复杂的，由于同时要兼顾大便和小便，所以需要水轮机具有极强的抽吸力，于是水轮机的工作过程分为两个阶段：第一阶段水轮机的工作对象是全部的大小便与封堵水的混合物，由于工作对象量大，s弯入口(44)深没于液面之下，这就充分保证了水轮机大功率的发挥。具体过程是，开启自来水供水阀(64)，大小便与封堵水的混合物瞬间绝大部分被抽走(不可能全部被抽走，因为抽吸功能是依靠大气压来实现的，当液面下降至s弯入口(44)的上部边缘以下时，空气即刻进入，抽吸功能也即刻消失)。而这时推动水轮机然后才能注入便盆的自来水即清水还未能到达。第二阶段，自来水即清水连续注入便盆，使大小便与封堵水的残留部分得到补充之后水轮机的抽吸功能得到恢复。自来水即清水与大小便以及封堵水的参混只能发生在第二阶段，能否减少参混，关键在于第二阶段。由空心边框周边注水孔注入的自来水即清水到达s弯入口(44)时，其流动方向与由于水轮机的抽吸而在s弯入口(44)处所造成的流动方向很不一致，极易与大小便封堵水残留发生参混。尤其是从马桶后部空心边框注水孔注入的清水，不仅最先到达s弯入口(44)，而且到达时的流动方向几乎与由于水轮机的抽吸所造成的流动方向相反，更容易与大小便封堵水残留发生参混。因此设置空心边框入水口(42)不直接在马桶后部与空心边框(41)连通，而是连接着附着于马桶外壁的管腔(419)，左右对称地沿马桶外壁由后向前延伸至一合适位置后分为两个叉道，分别向上通向空心边框(41)，向下通向盆底注水孔(43)，正是为了分解这股水流，改善空心边框向马桶内的注水方式，以减小上述参混。此外，由盆底注水孔(43)注入的自来水即清水到达s弯入口(44)时，其流动方向虽然与由于水轮机的抽吸而在s弯入口(44)处所造成的流动方向一致，但它是细流且速度快，像利箭一样插入大小便封堵水残留，而不是循序跟进，参混仍然会发生。解决的办法是在盆底注水孔(43)处设置整流叶轮(412)。整流叶轮(412)可以采用一个固定不动的螺旋桨，细流通过整流叶轮(412)后会变为旋转流体，由于旋转具有离心作用，所以不再像利箭，而是速度变慢，铺展开来塞满通向s弯入口(44)的通道，不断对位于前方的大小便封堵水残留向前推进，于是上述循序跟进的效果就表现出来了。综上所述，经过水轮机之后的自来水即清水分两路进入马桶，它们的作用各不相同。一路由空心边框(41)周边的注水孔进入马桶，其作用是冲洗马桶内壁，极易与大小便封堵水残留相参混，但不能取消。另一路由盆底注水孔(43)进入马桶，其作用是以最小的参混将大小便封堵水残留送过螺旋桨(411)。对这两路自来水即清水合理分配也是充分节水的关键。
空心边框入水口(42)与盆底注水孔(43)之间附着于马桶外壁的管腔(419)与便盆的底部是相互连通的，连通器两边的液面总是相平的，在人的大便或小便过程中，大小便与封堵水的混合物会随时进入管腔(419)中，使其污染。该管腔(419)无法清洗，结垢无法清除，传统马桶使用年数越多品质越差，也与此有关。为了消除这一弊端，本发明在盆底注水孔(43)处设置盆底注水阀(415)，利用脚踏阀柄(416)以及阀线a(417)和阀线b(418)，可对自来水供水阀(64)和盆底注水阀(415)实现同步操控，即水轮机的工作与盆底注水阀(415)的打开是同步的，水轮机的停止与盆底注水阀(415)的关闭也是同步的。因此，盆底注水阀(415)起到了两种作用：一是杜绝大小便与封堵水的混合物进入上述管腔(419)，使该管腔(419)不污染、不结垢。二是每次冲马桶后上述管腔(419)里总是储满着清水，留给下次冲马桶使用，这就避免了当初所描述的大小便与封堵水的混合物被抽走与清水的跟进之间所出现的时间差，形成令人满意的循序跟进效果。
更优选地，由于自来水的压力会随着楼层的升高而降低，为了充分提高自来水能源的利用效率，使本发明水轮机动力抽吸式马桶在所有楼层以及供水环境不太好的地方仍能正常使用，本发明在自来水管网与水轮机的结合处设有压力继能装置。所述压力继能装置包括压力罐(61)、水口罩(62)及自来水管网接口(63)；所述压力罐(61)连接在所述自来水管网接口(63)与所述自来水供水阀(64)之间；所述自来水管网接口(63)与自来水管网相接，所述自来水供水阀(64)的阀体出水口(65)与水轮机自来水入射口(13，23，49)相接。所述压力罐(61)为顶部封闭、底部开口的竖直罐体。所述水口罩(62)是上部封闭、侧壁向四周开窗的小圆筒，其下部开口与所述压力罐(61)的入口相连通，设置于所述压力罐(61)的下方入口处，如图6所示。工作时，关闭自来水供水阀(64)，自来水不断由自来水管网接口(63)涌入压力罐(61)，将压力罐中的空气向上压缩，直至压力罐(61)上方压缩空气的压力与自来水的压力相等为止。这时压力罐(61)中已储存了大量的能量，于是水轮机就同时具备了两个能量来源：一个是直接来源于自来水管网，另一个是来源于压力罐(61)。这两个能量来源各具特点，自来水管网管道长，自来水的流出会牵动整个自来水管网，存在供水阻力，而压力罐却不存在这种阻力。打开自来水供水阀(64)，两种能源并列互补，同时向水轮机供水，可以产生意想不到的效果，使水轮机的动力成倍增加。
本发明所涉及的压力继能装置，如图6和图7所示，在压力罐(61)的入口处设置水口罩(62)，目的是防止进水时水柱向上冲出水面再返回水中，将空气带入水中，使水中出现大量气泡，如果进水与放水连续交替发生，这些气泡会来不及升出水面而随着水流被放掉。压力罐(61)内空气越来越少，其储能效果也就越来越差。
此外，如图4所示，在本发明水轮机动力抽吸式马桶的水轮机结构中，塞漏体的设置也很有必要。这是因为，位于螺旋桨(411)上方的上行管道很短，当螺旋桨(411)转动时，其上方上行管道中的水会因旋转而形成漏斗面。该漏斗面锥尖的下探深度与螺旋桨(411)下方流体的进给快慢有关，进给越慢，水经过螺旋桨时被螺旋桨作用的时间就越长，转速就越高，漏斗面锥尖下探就越深。青壮年人大便的排出量较大，会将s弯入口塞满，冲马桶时螺旋桨(411)下方流体的进给阻力会异常大，其上方上行管道的漏斗面锥尖会因过度下探而洞穿螺旋桨(411)，使螺旋桨下方的负压不复存在，因而完全失去抽吸力。为避免上述情况的发生，可行的办法就是在漏斗面出现的地方设置塞漏体(33，414)。塞漏体(33，414)为略有锥度，上部大下部小，下部有底的圆形套筒，圆形套筒上部正对着s弯水平溢口段(46)的位置，沿周边均布着三到四个条状橡胶蹼(34)。塞漏体(33，414)的下部与螺旋桨(32，411)相结合，成为一体，共同旋转。塞漏体(33，414)同时具有三种作用：一是维持螺旋桨(411)下方的负压；二是避免纤维性大便残渣的缠绕。近年来流行火锅，食材不经截断整株下锅，大便中会出现很长的这类食物残渣。尽管螺旋桨(411)具有切削作用，但仍会有这类残渣越过螺旋桨(411)缠绕在其上方的水轮机轴上。有了塞漏体(33，414)后，该部位变得很粗，这类残渣再也无法缠绕上去；三是位于塞漏体(33，414)上部的橡胶蹼(34)可增大到达s弯水平溢口段(46)的大小便与封堵水的混合物的离心力，尽快地将其甩入壶腹承接体(47)。
本发明不局限于此实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
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