一种小便池重力驱动空气清洗装置及其节水清洗方法与流程

本发明属于节水技术领域，涉及一种重力驱动空气清洗小便池。

背景技术：

随着人口数量增长，以及环境污染问题的加剧，如何有效的保护水资源、节约用水，是世界各国，特别是严重缺水国家需要积极解决的问题。对于严重缺水国家，随着城镇公共卫生设施的增加，其冲洗需水量大幅增长。目前公共卫生设施内部普遍采用红外感应小便池，此类小便池可以通过感应自身被占用情况自动启动清洗，但由于清洗采用的是水流冲洗方式，为了保证清洗效果，其通过感应触发冲洗后的延迟时间较长，而且利用红外感应控制容易出现对小便池进行误清洗(例如，非如厕人员无意经过小便池触发冲洗)的问题，导致耗水量较大，造成了水资源浪费。基于此，如何杜绝不必要的清洗及减少清洗用水量并满足清洗卫生要求是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种小便池重力驱动空气清洗装置及其节水清洗方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种小便池重力驱动空气清洗装置，包括小便池、储气囊、电源控制电路、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、起雾器以及位于小便池前侧的气箱；所述气箱包括可升降的踏板及与该踏板相连的气体压缩装置，气体压缩装置的进气端通过单向阀与外界大气相连通，气体压缩装置的排气端与储气囊相连；电源控制电路包括由电源、电容器及与所述踏板的升降动作偶联的开关构成的回路，第一电磁换向阀、第二电磁换向阀分别与电容器并联，第一电磁换向阀所在的并联支路上设置有延时继电器，第二电磁换向阀所在的并联支路上设置有电感器；第一电磁换向阀分别与小便池的进水管、小便池的清洗水通路及起雾器的进口相连，第二电磁换向阀分别与储气囊及起雾器的进口相连，起雾器的出口与小便池的清洗水通路相连。

优选的，所述起雾器选自内混式空气雾化喷嘴。

优选的，所述气箱还包括底板以及滑轨，滑轨设置在底板上，所述踏板设置在滑轨上，所述气体压缩装置的可伸缩部分分别与底板及踏板相连。

优选的，所述滑轨为柱状，滑轨的上端穿过所述踏板，滑轨上设置有与踏板及底板分别相连的弹簧。

优选的，所述小便池的上方设置有电子显示屏。

优选的，所述气箱上(例如，踏板上)设置有体重监测传感器。

优选的，所述电感器的电感值为100～150μH，电容器的容值为320～400μF。

上述小便池重力驱动空气清洗装置的节水清洗方法，包括以下步骤：

1)使用者站上所述气箱并使所述踏板下降，踏板下降过程中所述气体压缩装置将进入气箱的外界大气压缩并输送到所述储气囊中，当踏板下降至触发所述开关闭合时，所述小便池的进水管通过所述第一电磁换向阀将清洗用水输送到小便池的清洗水通路及所述起雾器内，并在所述延时继电器的控制下对小便池进行相应时间的冲洗润滑；

2)使用者离开所述气箱后，所述踏板开始升高并导致所述开关断开，同时，所述电容器由所述开关闭合时的充电状态转变为放电状态，使所述储气囊内的压缩空气通过所述第二电磁换向阀进入所述起雾器，并由该起雾器输出携带水雾的气流对所述小便池进行冲洗。

优选的，所述延时继电器控制的冲洗润滑时间为≤2s，所述小便池的进水管流速为50～80mL/s。

优选的，所述起雾器的进气压力>0.5MPa。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用使用者落位于小便池前时对气箱的连贯性踩踏动作触发对小便池的清洗程序，利用人体重力势能将外界空气转化为高速气流，并携带水雾对小便池进行自动冲洗，能够避免不必要的冲水造成的水资源的浪费，利用较低的水量就可以满足清洗要求，降低小便池清洗对水资源的消耗，显著提高水资源利用率，节约、环保、可靠，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中重力驱动空气清洗小便池的示意图；

图2为本发明实施例中重力驱动空气清洗小便池的清洗控制电路及管路原理图；

图3为图1中气箱的结构示意图；

图4为内混式空气雾化喷嘴结构示意图；

图中：1-开关，2-气箱，3-顺序阀，4-气囊，5-第一电磁换向阀，6-第二电磁换向阀，7-起雾器，8-电感器，9-电容器，10-电源，11-小便池，12-延时继电器，13-电子显示屏，14-进气管，15-下水管，16-底板，17-弹簧，18-滑轨，19-踏板，20-触点，21-气体压缩装置，22-固定架，23-进气口，24-进水口，25-混合室，26-进水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

(一)小便池重力驱动空气清洗装置模块功能介绍

参见图1，本发明在小便池11前侧使用者的站立位置处设置了气箱2，由使用者踩踏气箱2启动对小便池11的自动清洗程序，具体功能如下：

①重力驱动部分：使用者踩踏气箱2上部，利用人体重力势能的变化，使气箱2中的空气压缩后储存在端部伸入至小便池11后侧的进气管14中，从而可以利用起雾器7产生携带水雾的高速气流对小便池11进行冲洗。本发明的特点之一就在于利用气流与水雾的结合而达到清洗的效果，最大程度的节约水资源。

②电路控制部分：利用气箱上的开关1的开闭，对两路电磁换向阀开闭进行控制，从而完成对小便池11进行使用前水流冲洗润滑、使用后由高速气流携带水雾冲洗的清洗程序(小便池11采用与其底部相连的下水管15排水)。

③称重部分：在使用者所站立的气箱2上可附加一体重监测传感器。

④播放显示部分：利用小便池11上方安装的LED电子显示屏13，不仅可以显示使用者的体重，还能播放文字、图片等内容，例如，可利用人如厕的时间播放短时广告宣传，也可以显示必要的小便池11使用安全须知和提醒。LED电子显示屏13可由管理人员统一控制，方便管理。

(二)小便池重力驱动空气清洗装置的清洗控制电路及管路结构

参见图2，所述清洗控制电路包括第一电磁换向阀5、第二电磁换向阀6，电感器8、电容器9、电源10及延时继电器12，所述开关1与电源10及电容器(320μF)9组成电源控制主回路，第一电磁换向阀5并联在电容器9两侧，形成一控制支路，第二电磁换向阀6并联在电容器9两侧，形成另一控制支路，延时继电器12接在第一电磁换向阀5所在的控制支路中，电感器(100μH)8接在第二电磁换向阀6所在的控制支路中。

所述小便池11的进水管26与第一电磁换向阀5相连；所述进气管14上设置有顺序阀3，进气管3内设置有与顺序阀3相连的气囊4，气囊4与第二电磁换向阀6相连。

所述第一电磁换向阀5、第二电磁换向阀6，电感器8、电容器9、电源10、延时继电器12以及起雾器7均安装在小便池11后侧，起雾器7分别与第一电磁换向阀5、第二电磁换向阀6及小便池11的清洗水通路相连，第一电磁换向阀5还通过与起雾器7并列的旁路与小便池11的清洗水通路相连。

当使用者踩踏气箱2导致开关1闭合时，电源控制主回路即为通路状态，此时可利用延时继电器12及第一电磁阀5控制进水管26的出水时间(开关1闭合时，延时继电器12瞬间闭合，第一电磁换向阀5工作，进水管26开始排水，进水管26出水通过第一电磁换向阀5后，其中一部分进入小便池11的清洗水通路，另一部分进入起雾器7，延时继电器12根据设定时间断开，第一电磁换向阀5不再工作，进水管26停止排水)；在开关1闭合时，第二电磁换向阀6因为电感器8的存在不工作，电源10(可以采用交流电)只对电容器9进行充电。当使用者离开气箱2导致开关1断开时，电容器9开始放电，电流经过电感器8到达第二电磁换向阀6，第二电磁换向阀6工作，气囊4内的压缩空气进入起雾器7，起雾器7输出携带水雾的高速气流进入小便池11的清洗水通路，直至电容器9停止放电，第二电磁换向阀6停止工作。

上述小便池11的清洗水通路，其进水端位于小便池11后侧，出水端均匀排布在小便池11的内壁上方。根据清洗水通路的不同排布方式，可以选择配置一至多个起雾器7。

(三)气箱、起雾器的结构

参见图3，所述气箱2包括一个底板16、四根圆柱滑轨18、一块踏板19、四个轻质弹簧17，以及气体压缩装置21。气体压缩装置21采用可伸缩的软管制成，位于踏板19与底板16中间，上、下两端与踏板19、底板16对应粘合，确保在这两处粘合位置不会发生漏气的情况，保证气密性。在气体压缩装置21的后侧连接有一根导气管(即图1中的进气管14)。在气体压缩装置21的侧面还连接有一个单向阀，保证气体只能从外界进入气体压缩装置21，而不能从气体压缩装置21里面进入外界大气。四根圆柱滑轨18安装固定在底板16四角，每个圆柱滑轨18上套设一个轻质弹簧17以平稳支撑踏板19于底板16上方，各圆柱滑轨18穿透踏板19，并与位于踏板19上方的固定架22相连。踏板19与底板16上分别布置有所述开关1的动触头与静触头(各触头连接着导线，导线延伸至小便池11后侧，布置位置例如位于图3中所示触点20处)。

当使用者站立在气箱2上之后，踏板19因人体施加的压力而下降(向底板16靠近)，弹簧17被压缩，气体亦被压缩，压缩后气体通过顺序阀3进入气囊4，此时的气体压缩装置21的压缩量达到正常状态下的四分之三，开关1因踏板19、底板16上动、静触头接触而闭合。当人离开气箱2后，踏板19因弹簧17的弹力回到初始位置(气体压缩装置21恢复正常状态)，开关1因动静、触头脱离而断开，气体压缩装置21通过其侧面的单向阀进行气体(外界空气)补充。

上述起雾器7的作用是将之前储存好的水雾化并与高速气流混合，形成用于对小便池内壁进行冲洗的携带水雾的高速气流。为此，起雾器7可采用内混式空气雾化喷嘴(简称喷嘴)来实现。如图4所示，内混式空气雾化喷嘴的顶部具有水气混合进入口(包括进水口24和进气口23)，底部具有混合室25，混合室25的径向设置有圆孔作为高速气流及水雾出口(水气内部出口)，混合室25外侧通过螺纹连接有顶盖，顶盖端面的圆孔为水气混合出口(水气外部出口)。内混式空气雾化喷嘴内部储水装置带有压力感应传感器，一旦感应到高压气流(例如，气囊中的压缩空气)流入引起喷嘴压力值变大，那么内部储水装置就会释放存储的水，让其与高压气流混合并撞击前壁进行初次雾化，在气液混合时，设计其气液通路夹角为20°，此夹角对应的雾化锥角最大，液滴索特尔平均直径最小，雾化效果最好。在喷嘴内部撞击雾化后，液体和气体在混合室25内做了第一次能量交换，气体压力降低，使其内部的势能转化为气液混合流的动能和液体的表面能，并且撞击喷嘴顶盖内壁进行再次雾化，可通过双向斜槽(位于与顶盖端面相对的圆盘上，圆盘位于混合室25底部，圆盘边缘具有圆环挡壁，两个斜槽自圆盘内部非圆心处向外延伸并贯穿圆环挡壁一侧，且其中一个斜槽在所述圆环挡壁上的开口与上述混合室25的径向圆孔朝向相同，另一个斜槽在所述圆环挡壁上的开口与上述混合室25的径向圆孔朝向相反)增加流速、扩大喷射范围，从顶盖上的水气混合出口喷出(二次喷射)。在二次喷射中气液混合流与外界空气进行接触，混合流中气泡进一步扩张破裂，使液体破碎成液滴并增加了混合流的整体流速，并且与空气的碰撞使液滴进一步破碎成小液滴，液体表面能进一步增加，这有利于清洗到更大面积的小便池内壁，使得冲洗效果更好。

喷嘴的进气压力和进水压力是影响雾化液滴粒径的关键。在喷雾稳定范围内，气压越大，液滴索特尔平均直径越小，水压越大，液滴索特尔平均直径越大，气压超过0.5Mpa时，液滴索特尔平均直径保持在一定范围，不受较低水压变化的影响。所以说，在喷嘴内部储水装置中的水依靠自重而与高压气流混合时，雾化效果不会受到其低水压的影响。

参考文献：

[1]张奎，刘荣华，王鹏飞，王健，石佚捷，裴叶.《内混式空气雾化喷嘴内部流动状况对喷雾效果的影响》.采矿技术.

[2]郭荆璞，安士杰，刘振明，王小川，陈佳豪.《内混式空气雾化喷嘴喷雾性能试验研究》.武汉理工大学学报.

[3]吴恩启，顾自明，赵兵，徐智保.《空气雾化喷嘴的设计与实验研究》.热能动力工程.

(四)小便池重力驱动空气清洗装置的节水清洗原理

当使用者靠近小便池11并站在气箱2上后，气箱2的踏板19下降，将气箱2中的空气压缩转化为高压气体，利用人体重力势能而获得空气势能。高压气体经过顺序阀3(保证气体只进入气囊而不会倒流)而进入气囊4储存。当开关1闭合后，延时继电器12打开，第一电磁换向阀5工作，进水管26开始排水，延时继电器12工作两秒后断开，进水管26停止排水，这期间的排水管出水，一部分起到润滑小便池11池壁的作用，同时另一部分进入起雾器7，即为空气清洗所需的雾化水量。

当使用者离开小便池11并不再站立在气箱2上时，气箱2的踏板19升高，外界空气吸入气体压缩装置21内，为小便池的下一次使用作准备，即作为待压缩气体。当开关1断开后，电容器9开始放电，第二电磁换向阀6工作，使得与其连接的气囊4可以将高压气体沿连接管路送至起雾器7，形成携带水雾的高速气流对小便池11的池壁进行冲洗。

(五)小便池重力驱动空气清洗装置的小便池清洗流程

1)当使用者站上气箱2(使开关1闭合)即开始冲水润滑小便池11池壁，利用气箱2将人体重力势能转化为高压气体的空气势能，气体压缩后经过顺序阀3而进入气囊4储存；

2)使用者离开后开始利用携带水雾的高速气流冲洗小便池11池壁，并自动停止。

(六)效果验证

1)压力的理论计算

气体压缩装置：直径D＝0.25m，高度H＝0.2m；压缩后高度：h＝0.05m

压缩气体体积：V1＝∏×(D/2)²×(H-h)＝0.00736m³

气囊体积为：V2＝0.3L＝0.0003m³

根据克拉伯龙方程：PV＝nRT，且气体压缩装置中气压：P1＝1.01×10⁵pa，设气囊中气压为P2，则由P1V1＝P2V2，得

P2＝2.48×10⁷pa＝24.78Mpa

2)节水效果的计算与验证

因为延时继电器12可以准确的控制第一电磁换向阀5的开闭时间(打开时间为2秒，进水管流速控制为50mL/s)，所以其清洗用水量为100mL，即理论用水量为100mL。

而通过调查与查阅资料，现有的红外感应冲洗小便池每次清洗的平均用水量为800～1500mL。考虑到误差以及其他因素，则以此数据可算得本发明的节水量约为80％～90％左右。

由以上数据可得出气囊的理论气压值，此气压值足以满足喷嘴的高压水气混合气压值要求以及小便池的清洗(100mL)要求。

(七)小便池重力驱动空气清洗装置的优点

(1)高效节水：本发明采用了重力势能转化为空气势能的方法，利用上述方法而得到的携带水雾的高速气流进行小便池清洗，可以节水80％～90％。

(2)可靠性：本发明采用重力驱动，即只有人站上气箱时才会启动清洗，克服了现有的红外感应技术存在误冲水的问题。

(3)便于清洁：本发明中，气箱位置靠近小便池，由LED电子显示屏提示就位的正确方式(即就位时会感觉到下降)，固定架对于就位也有提示作用，极大程度避免了人在小便时不靠近便池而发生的污损地面的现象。

(4)干净、卫生：本发明利用携带水雾的高速气流冲洗小便池的内壁，可以确保全方位无死角的清洗到小便池的壁面，确保小便池的干净、卫生。

(5)方便：使用者只需站立在气箱上即可，在离开后小便池会自动清洗，不用人进行按钮操作。

(6)功能丰富：LED显示屏不仅可以用于显示使用者的体重(根据附加在气箱上的体重监测传感器检测数据)，还能播放一些文字或图片内容(如广告等)，利用人如厕的时间进行短时宣传，给公共卫生设施带来一定的附加收入，也可以为使用者在如厕时提供更丰富的信息，促进使用者文明如厕，使得公共卫生设施达到更好的卫生条件。