智能自感應(yīng)蒸汽熱風(fēng)消毒坐便器的設(shè)計(jì)

1、    智能自感應(yīng)蒸汽熱風(fēng)消毒坐便器的設(shè)計(jì)    康社仁 趙大猛摘   要：本文闡述了一種能夠蒸汽清潔殺菌、熱風(fēng)烘干的智能坐便器。具有智能自感應(yīng)功能，采用高溫蒸汽有效殺死大腸桿菌、金葡萄菌等衛(wèi)生間的真菌與細(xì)菌，確保坐便器表面的殘留的細(xì)菌總數(shù)符合國(guó)家消毒標(biāo)準(zhǔn)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)傳統(tǒng)坐便器困擾使用者安全、衛(wèi)生、環(huán)保問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)烘干的功能，為使用者提供一個(gè)舒適的使用環(huán)境。關(guān)鍵詞：蒸汽清潔殺菌  熱風(fēng)烘干  智能  坐便器  設(shè)計(jì)：tu824         

2、0;                      ：a                        ：1674-098x（2019）08（a）-0078-041  背景及目的隨著社會(huì)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們既要安全衛(wèi)生又要舒適環(huán)保且更具人性化與智能化。座廁相對(duì)比較舒適，但入廁者的皮膚接觸座廁座便器表面會(huì)增大感染衛(wèi)生間細(xì)菌及疾病的風(fēng)險(xiǎn)。本文中所設(shè)計(jì)的具有智

3、能自感應(yīng)蒸汽殺菌、熱風(fēng)烘干的功能，經(jīng)過清潔消毒操作后可有效殺死大腸桿菌、金葡萄菌等真菌與細(xì)菌;確保坐便器表面的殘留的細(xì)菌總數(shù)300cfu/25c符合國(guó)家消毒標(biāo)準(zhǔn)，并能清除座便圈表面的污漬和水漬，為使用者提供一個(gè)更加愜意的使用環(huán)境。2  市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品研究當(dāng)前生產(chǎn)座便器的知名品牌：箭牌、toto、帝王、美標(biāo)、九牧、惠達(dá)、科勒、樂家、東鵬、四維等。智能座便器各家均在普通坐便器的基礎(chǔ)上加入了更加人性化、智能化、舒適、環(huán)保、衛(wèi)生的設(shè)計(jì)，提倡“洗”比“擦”更清潔有效的觀念。具有如下幾點(diǎn)基本功能：自動(dòng)翻蓋，臀部清洗，婦女專用，水流按摩，暖風(fēng)烘干，座圈加熱，水溫調(diào)節(jié)，遙控或按鍵操作，抗菌功能，漏電保

4、護(hù)。我們發(fā)現(xiàn)其大部分的功能主要是針對(duì)人體清潔而言的，對(duì)于坐便器自身主動(dòng)的殺菌消毒功能是空白的，單憑含有抗菌材料的座圈無(wú)法長(zhǎng)期有效地抵抗細(xì)菌的滋生和繁殖，彌補(bǔ)市場(chǎng)現(xiàn)有的弱項(xiàng)。3  蒸汽清潔、殺菌功能本功能通過座便器內(nèi)的蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生100°高溫蒸汽，并在巨大壓力下沖洗和溶解附著在座便圈上的頑固污垢，進(jìn)行殺菌消毒作用。蒸汽廣泛用于殺菌、滅微塵、去污、除油垢、去微生物和微小雜質(zhì)，此外，蒸汽對(duì)導(dǎo)致人體疾病的微小細(xì)菌殺滅力極強(qiáng)，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌均有良好的清除效果，一次性殺菌高達(dá)98%以上，是非常環(huán)保的殺菌材料。4  熱風(fēng)烘干功能采用大約50°

5、60°得熱風(fēng)，將坐便圈上的蒸汽清潔、消毒產(chǎn)生的水滴吹干，給后續(xù)的使用者提供一個(gè)舒適、干爽的坐便環(huán)境。5  自動(dòng)清潔、消毒坐便器的主要工作原理本新型的工作原理是：當(dāng)使用者走近座便器時(shí)，座便器上的紅外線感應(yīng)器感應(yīng)到使用者并將信號(hào)傳遞給主控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)座便器自動(dòng)啟閉裝置打開座便蓋等待使用者使用（上一使用者離開后座便器已清潔、消毒過）;待使用者使用完畢后離開，紅外線感應(yīng)器感將使用者離開的信號(hào)傳遞給主控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)座便器啟閉裝置關(guān)閉座便蓋;隨后主控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)座便器內(nèi)的蒸汽清潔殺菌裝置、熱風(fēng)烘干裝置分別依次交替產(chǎn)生蒸汽、熱風(fēng)并從噴出管道中噴出來(lái)對(duì)座便圈及馬桶便池空間

6、進(jìn)行清潔、消毒、烘干;最后到達(dá)規(guī)定的清潔、消毒時(shí)間后控制系統(tǒng)關(guān)閉上述清潔、消毒裝置，進(jìn)入待機(jī)閉蓋狀態(tài)。6  智能自感應(yīng)清潔、消毒坐便器的整體設(shè)計(jì)方案該智能自感應(yīng)清潔、消毒座便器的總體設(shè)計(jì)思路是，在普通座便器的基礎(chǔ)上以單片機(jī)控制的控制系統(tǒng)為核心，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的清潔消毒裝置、電子電器元件發(fā)生動(dòng)作，從而帶動(dòng)與其匹配的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成最總設(shè)定的功能。該自動(dòng)清潔、消毒座便器是希望在普通坐便器的基礎(chǔ)上增加所需的消毒裝置和輔助裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，故按主體結(jié)構(gòu)分為座便蓋、座便圈、主機(jī)箱、供水供電設(shè)施四部分，其中主機(jī)箱是核心部分，是普通坐便器所不具有的部分，所有的功能主要是由主機(jī)箱內(nèi)的各種功能裝置完成。座便圈的設(shè)計(jì)方

7、法與普通座便器的座便圈相同，只是在底部與座廁接觸的位置增加密封橡膠防止消毒材料外泄。座便蓋上也增加要布置蒸汽、熱風(fēng)噴嘴，可以對(duì)座便圈近距離的清潔、烘干。熱風(fēng)烘干裝置的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口應(yīng)預(yù)留足夠的進(jìn)風(fēng)空間，保證有足夠的空氣提供給風(fēng)機(jī)。蒸汽發(fā)生裝置的發(fā)熱體設(shè)置了雙重保護(hù)，在隔熱材料的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了較大的安全系數(shù)，充分保證用戶的人身安全。7  蒸汽、熱風(fēng)輸送管道和噴嘴的設(shè)計(jì)前文整體設(shè)計(jì)方案將蒸汽、熱風(fēng)兩種裝置設(shè)計(jì)于主機(jī)箱內(nèi)，這樣就需要在主機(jī)箱內(nèi)各消毒裝置與座便蓋上設(shè)立的噴嘴之間有相應(yīng)的連接管道，這樣才能實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能。對(duì)于輸送管道首先要保證坐便蓋在翻轉(zhuǎn)的過程中不能阻礙坐便蓋得翻轉(zhuǎn)而且自身

8、不能出現(xiàn)扭曲、絞死等管道不通的現(xiàn)象;其次輸出管道布置空間有限，要盡可能的簡(jiǎn)單、整潔布局于坐便蓋內(nèi)，不可外漏影響產(chǎn)品的美觀性。對(duì)于噴嘴而言，為了保證良好的清潔、消毒效果，其噴射的范圍應(yīng)盡可能的覆蓋坐便圈的表面，噴嘴形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)保證清潔、消毒材料有一定的沖擊力。（1）在對(duì)輸送管道設(shè)計(jì)之前務(wù)必將噴嘴的布局設(shè)計(jì)出，這樣才能根據(jù)噴嘴的布局形狀設(shè)計(jì)輸送管道?？紤]到上文在設(shè)計(jì)紫外線殺菌裝置時(shí)在固定蓋上已對(duì)噴嘴的位置做預(yù)留，可以將噴嘴設(shè)計(jì)與下固定蓋上，并根據(jù)噴嘴的布局形狀利用上、下固定蓋閉合組成的空間來(lái)設(shè)計(jì)成消毒材料輸送管道。噴嘴布局于固定蓋邊緣向內(nèi)側(cè)偏置10mm的中心線上，為了滿足制造工藝的要求噴嘴過水直徑

9、為1mm，且于管道相接的位置設(shè)計(jì)1mm的倒角增大沖擊力。對(duì)于噴嘴的個(gè)數(shù)應(yīng)根據(jù)管道的過水面積來(lái)設(shè)計(jì)。噴嘴的總過水面積應(yīng)不超過管道過水面積的2/3，已知管道的內(nèi)徑為8mm，噴嘴的直徑為1mm，根據(jù)面積公式：s=r2得出管道的過水面積為50mm2，單個(gè)噴嘴的過水面積為0.8mm2，所以：噴嘴個(gè)數(shù)=管道過水面積×2/3÷單各噴嘴過水（2）得出的值近似為40，所以只需將這40個(gè)噴嘴均勻分布于噴嘴布局中心線上即可?？紤]到蒸汽、熱風(fēng)兩種功能是分時(shí)間段、依次動(dòng)作完成的，所以可以將此三種裝置的輸送管道合并為一支管道，只要切換使用即可，這樣既能滿足產(chǎn)品功能的需求又能節(jié)省產(chǎn)品的設(shè)計(jì)空間和成本。此

10、外要保證管道與坐便蓋之間不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，最好的方法就是將管道分為兩段并從座便蓋旋轉(zhuǎn)軸心中穿過。將座便蓋旋轉(zhuǎn)軸心一端設(shè)計(jì)成圓形固定接頭，固定于主機(jī)箱上不做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，而旋轉(zhuǎn)軸心的另一端設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)接頭，固定于坐便蓋上。上述兩處接頭圓心處孔徑設(shè)計(jì)為8mm，保證有足夠的過水量，固定接頭的兩端設(shè)有管狀接頭，其中套有o型圈的一端插入旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)，屆時(shí)旋轉(zhuǎn)接頭在座便蓋的帶動(dòng)下圍繞固定接頭旋轉(zhuǎn)，o型圈的作用是保證整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中兩處接頭處不會(huì)發(fā)生消毒材料泄漏和降低接頭旋轉(zhuǎn)的摩擦力。上文根據(jù)噴嘴的形狀布局在上、下固定蓋之間設(shè)計(jì)了輸送管道，但上下管道之間務(wù)必需要用硬度為70°的橡膠墊進(jìn)行密封，為了保證密封性，

11、上、下蓋輸送管道的周圍需要一圈的固定螺絲將其固定，并最終用螺絲固定于座便蓋上?？紤]到上、下固定蓋得輸送管道需要與旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行連接，可以在上固定蓋靠近旋轉(zhuǎn)接頭的斜角處設(shè)計(jì)一個(gè)帶倒鉤的管莊接頭，而旋轉(zhuǎn)接頭靠近上固定蓋得方向也要設(shè)計(jì)一個(gè)帶倒鉤的管莊接頭，這樣用一段直徑為8mm的橡膠管將兩者連接起來(lái)，再用管夾進(jìn)行固定即可。這樣消毒材料共用的輸送管道就設(shè)計(jì)完成了，屆時(shí)主機(jī)箱內(nèi)的各清潔、消毒裝置只需要與固定在主機(jī)箱上的固定接頭輸入端相連接就可實(shí)現(xiàn)消毒材料的輸送和噴出。8  蒸汽清潔、殺菌裝置的設(shè)計(jì)蒸汽清潔、殺菌裝置的設(shè)計(jì)思路是，將水箱中的水通過水泵輸送到發(fā)熱體中產(chǎn)生蒸汽，再通過輸送通道輸送到噴嘴

12、進(jìn)行清潔、殺菌。發(fā)熱體、水泵、水箱及相應(yīng)的管道設(shè)施是該裝置的核心部件。如圖2所示，水箱底部邊緣設(shè)計(jì)了一處出水口，該出水口設(shè)計(jì)成帶倒鉤的管狀，用內(nèi)徑為8mm的橡膠管連接與水泵的進(jìn)水口上，并用管夾固定。而水泵的出水端則用同樣的橡膠管連接到發(fā)熱體的進(jìn)水口上，也用管夾進(jìn)行固定，這樣整個(gè)蒸汽裝置的大體結(jié)構(gòu)就完成了。剩下的工作就需要將它們固定起來(lái)并進(jìn)行相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)。發(fā)熱體的加熱時(shí)的溫度將達(dá)到200°，無(wú)法直接固定在一般的工程塑料上，這樣就需要設(shè)計(jì)一個(gè)相對(duì)密封的隔熱箱來(lái)隔熱。目前隔熱領(lǐng)域石棉纖維、陶瓷纖維材料的隔熱效果最佳，可以隔離1000°的高溫，陶瓷纖維易于成型，所以發(fā)熱體隔熱材料

13、就選用陶瓷纖維。為了方便組裝，隔熱箱設(shè)計(jì)成上下兩部分組成，在發(fā)熱體電子元件線路與管道接口出留出相應(yīng)的組裝孔。在隔熱箱的底部需要一個(gè)固定座將其固定在主機(jī)箱內(nèi)，該裝置利用上文所介紹的臭氧發(fā)生器裝置的固定座和固定架，分別對(duì)隔熱箱和水泵進(jìn)行固定，這樣就達(dá)到節(jié)省空間和成本的目的。由于主機(jī)箱內(nèi)空間有限所以水箱的形狀務(wù)必根據(jù)水泵及其連接的橡膠管的設(shè)計(jì)相應(yīng)的避空位置。（1）對(duì)于發(fā)熱體的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)之初考慮了兩種方案，一種是用ptc陶瓷管來(lái)加熱，一種是把電熱管進(jìn)行鋁合金壓鑄成型制成發(fā)熱體進(jìn)行加熱。ptc陶瓷管加熱速度較快，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)密封的水箱將陶瓷管放入水箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，安全隱患較大。用電熱管壓鑄成型在工

14、藝上較容易實(shí)現(xiàn)，且只需要在發(fā)熱體中心做出一個(gè)過水的水腔，兩端接上防水接頭及，只要向水腔內(nèi)通水即可實(shí)現(xiàn)功能，但相對(duì)于ptc而言加熱時(shí)間較慢。綜合各方面的因素后，本發(fā)熱體采用電熱管壓鑄的方式，電熱管的形狀設(shè)計(jì)成u型，管徑使用8mm的大管型增大加熱面積，同時(shí)選用220v/1500w較大功率的規(guī)格，經(jīng)過試驗(yàn)2s表面溫度可達(dá)200度以上。發(fā)熱體的材料使用熱傳導(dǎo)效率高的鋁合金，且鋁合金也易于壓鑄成型，最終使發(fā)熱體溫度達(dá)到200°所需要的時(shí)間應(yīng)該在5s左右，符合產(chǎn)品的要求。發(fā)熱體水腔的直徑設(shè)計(jì)為8mm，進(jìn)水接頭的直徑則應(yīng)為4mm，這樣水流就會(huì)以較大的壓力進(jìn)水水腔內(nèi)，發(fā)熱體的水腔面積大于進(jìn)水面積就可

15、以瞬間加熱產(chǎn)生蒸汽。而蒸汽出口的接頭直徑也應(yīng)設(shè)計(jì)成4mm，在進(jìn)水水泵的壓力下，蒸汽能夠保證有持續(xù)的較大壓力進(jìn)入輸送管道，繼而噴出。（2）此外考慮到下文中的熱風(fēng)烘干裝置需共用此發(fā)熱體，所以如圖3所示，發(fā)熱體的另一端設(shè)計(jì)了進(jìn)氣的接頭和相應(yīng)氣腔來(lái)加熱空氣，熱風(fēng)出口接頭與蒸汽出口接頭并排布置于發(fā)熱體上，兩者的設(shè)計(jì)原理相同。所有的進(jìn)、出接頭都要與相應(yīng)輸送管道的橡膠管相接，所以接頭的連接處設(shè)計(jì)成帶倒鉤的管狀，屆時(shí)只需套上相應(yīng)的管夾即可牢固安裝。而接頭的另一端設(shè)計(jì)成管狀螺紋，安裝時(shí)旋入發(fā)熱體即可，同時(shí)螺紋的尾段的直面段套上與其匹配的o型圈，這樣就可以與發(fā)熱體接口處起密封的作用。對(duì)于發(fā)熱體固定的設(shè)計(jì)，除裝入到

16、隔熱箱相應(yīng)的卡槽之外，還設(shè)計(jì)了六處螺絲固定裝置將其固定在隔熱箱上。為了防止震動(dòng)在發(fā)熱體的下底邊緣設(shè)計(jì)了四處圓柱，并套上相應(yīng)的耐高溫橡膠圈來(lái)起防震緩沖的作用。最后在安全保護(hù)方面，發(fā)熱體需要用單溫開關(guān)來(lái)控制溫度，用溫度保險(xiǎn)絲來(lái)做高溫保護(hù)，所以發(fā)熱體的頂面與底面分別設(shè)計(jì)出固定單溫開關(guān)和溫度保險(xiǎn)絲的槽位，并配置相應(yīng)的固定片用螺絲來(lái)固定，這樣發(fā)熱體的設(shè)計(jì)工作就完成了。9  熱風(fēng)烘干裝置的設(shè)計(jì)熱風(fēng)烘干裝置的設(shè)計(jì)思路是圍繞字面的意思展開的，首先要有風(fēng)，使用風(fēng)機(jī)就可以提供風(fēng)能。其次把風(fēng)進(jìn)行加熱才能變成熱風(fēng)，這就需要一個(gè)加熱體?？紤]到上文中產(chǎn)生蒸汽有使用到加熱體，且蒸汽的作用時(shí)間段先于熱風(fēng)，所以如果能

17、夠共用一個(gè)發(fā)熱體交替工作的話就可以節(jié)約產(chǎn)品成本，節(jié)約機(jī)構(gòu)空間。當(dāng)水經(jīng)過發(fā)熱體時(shí)產(chǎn)生蒸汽，反之切斷水流開通風(fēng)機(jī)就會(huì)有熱風(fēng)從發(fā)熱體中產(chǎn)生。由于該裝置需要較強(qiáng)的風(fēng)力，所以電機(jī)的功率務(wù)必達(dá)到20w左右，電壓使用統(tǒng)一匹配的直流24v。經(jīng)過在電子市場(chǎng)分析比較，delta公司型號(hào)為bfb1224hh的風(fēng)機(jī)參數(shù)適合本裝置。由于該風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口是方形的，而發(fā)熱體的接口是圓形的，就需要制作一個(gè)風(fēng)嘴轉(zhuǎn)接于兩者之間，考慮到發(fā)熱體加熱時(shí)溫度達(dá)到200°左右，普通的工程塑料會(huì)受熱變形，所以在風(fēng)嘴與發(fā)熱體之間需用可耐溫250°的橡膠管連接，并用管夾固定橡膠管兩端。橡膠管的管徑設(shè)計(jì)為8mm，可以保持足夠的通

18、風(fēng)量，管壁為2mm。風(fēng)嘴設(shè)計(jì)成喇叭型，一段設(shè)計(jì)成方形插入風(fēng)機(jī)內(nèi)，另一端為管狀并設(shè)計(jì)三個(gè)階梯的的倒鉤，增大與橡膠管的摩擦力。對(duì)于風(fēng)機(jī)的固定應(yīng)充分考慮進(jìn)風(fēng)口得因素，所以該裝置將風(fēng)機(jī)的無(wú)進(jìn)風(fēng)口的一面貼于主機(jī)箱蓋得側(cè)壁上，有進(jìn)風(fēng)口的一端面向主機(jī)箱內(nèi)空間。在主機(jī)箱蓋的底部設(shè)計(jì)兩處加強(qiáng)筋卡住風(fēng)機(jī)底部邊緣，風(fēng)機(jī)頂部有一螺絲孔，根據(jù)螺絲孔的位置在主機(jī)箱蓋上設(shè)計(jì)相應(yīng)的螺絲柱用螺絲來(lái)固定。此外由于插入風(fēng)機(jī)口部的風(fēng)嘴有可能在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)吹風(fēng)時(shí)脫落，所以本裝置在主機(jī)箱蓋內(nèi)靠近風(fēng)嘴插入部位的邊緣設(shè)計(jì)了兩處加強(qiáng)筋卡住風(fēng)嘴。對(duì)于該裝置中所用到的發(fā)熱體，需在發(fā)熱體內(nèi)設(shè)計(jì)一條熱風(fēng)通道，通道兩端增加兩處管狀接頭，進(jìn)風(fēng)端與風(fēng)機(jī)方向耐高

19、溫的橡膠管連接，另一端與上文所設(shè)計(jì)的輸出通道相連即可。10  智能自感應(yīng)控制系統(tǒng)在對(duì)智能自感應(yīng)清潔、消毒座便器的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，須根據(jù)該座便器具體所要實(shí)現(xiàn)的功能列出輸入輸出分配表，然后再依據(jù)分配表進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有了上述的輸入輸出分配圖后，再布置控制系統(tǒng)具體的硬件結(jié)構(gòu)，該智能自感應(yīng)清潔、消毒座便器控制系統(tǒng)以at maeg16單片機(jī)為核心，配合相應(yīng)的外圍驅(qū)動(dòng)電路，通過實(shí)時(shí)采集各種傳感器信號(hào)為輸入信號(hào)，在單片機(jī)程序驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電子、電氣設(shè)備的控制，具體包括電機(jī)、水氣泵、風(fēng)機(jī)、電熱管、電磁閥等。最后只需要根據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖編寫相應(yīng)的控制程序，并將控制程序輸入到單片機(jī)atmaeg16當(dāng)中即可完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。11  結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)ψ陨砑白鶐愠乜臻g進(jìn)行智能自感應(yīng)清潔、消毒的座便器，該座便器具有蒸汽清潔殺菌、熱風(fēng)烘干等功能，能夠解決長(zhǎng)期以來(lái)傳統(tǒng)座便器困擾使用者安全、衛(wèi)生的問題，具有非常大的優(yōu)越性，同時(shí)滿足了該類產(chǎn)品智能化、人性化、安全、舒適、方便、衛(wèi)生的要求。文中先確定了智能自感應(yīng)清潔、消毒座便器的整體設(shè)計(jì)方案，并著重對(duì)座便蓋自動(dòng)啟閉、密封、紫外線殺菌、輸送管道、蒸汽清潔殺菌