智能自感应蒸汽热风消毒坐便器的设计
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摘 要：本文阐述了一种能够蒸汽清洁杀菌、热风烘干的智能坐便器。具有智能自感应功能，采用高温蒸汽有效杀死大肠杆菌、金葡萄菌等卫生间的真菌与细菌，确保坐便器表面的残留的细菌总数符合国家消毒标准，解决了长期以来传统坐便器困扰使用者安全、卫生、环保问题，同时可以实现热风烘干的功能，为使用者提供一个舒适的使用环境。
关键词：蒸汽清洁杀菌 热风烘干 智能 坐便器 设计
中图分类号：TU824 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0078-04
1 背景及目的
随着社会的进步与科学技术的发展，人们既要安全卫生又要舒适环保且更具人性化与智能化。座厕相对比较舒适，但入厕者的皮肤接触座厕座便器表面会增大感染卫生间细菌及疾病的风险。本文中所设计的具有智能自感应蒸汽杀菌、热风烘干的功能，经过清洁消毒操作后可有效杀死大肠杆菌、金葡萄菌等真菌与细菌;确保坐便器表面的残留的细菌总数≤300CFU/25c㎡符合国家消毒标准，并能清除座便圈表面的污渍和水渍，为使用者提供一个更加惬意的使用环境。
2 市场现有产品研究
当前生产座便器的知名品牌：箭牌、TOTO、帝王、美标、九牧、惠达、科勒、乐家、东鹏、四维等。智能座便器各家均在普通坐便器的基础上加入了更加人性化、智能化、舒适、环保、卫生的设计，提倡“洗”比“擦”更清洁有效的观念。具有如下几点基本功能：自動翻盖，臀部清洗，妇女专用，水流按摩，暖风烘干，座圈加热，水温调节，遥控或按键操作，抗菌功能，漏电保护。我们发现其大部分的功能主要是针对人体清洁而言的，对于坐便器自身主动的杀菌消毒功能是空白的，单凭含有抗菌材料的座圈无法长期有效地抵抗细菌的滋生和繁殖，弥补市场现有的弱项。
3 蒸汽清洁、杀菌功能
本功能通过座便器内的蒸汽发生器产生100°高温蒸汽，并在巨大压力下冲洗和溶解附着在座便圈上的顽固污垢，进行杀菌消毒作用。蒸汽广泛用于杀菌、灭微尘、去污、除油垢、去微生物和微小杂质，此外，蒸汽对导致人体疾病的微小细菌杀灭力极强，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌均有良好的清除效果，一次性杀菌高达98%以上，是非常环保的杀菌材料。
4 热风烘干功能
采用大约50°～60°得热风，将坐便圈上的蒸汽清洁、消毒产生的水滴吹干，给后续的使用者提供一个舒适、干爽的坐便环境。
5 自动清洁、消毒坐便器的主要工作原理
本新型的工作原理是：当使用者走近座便器时，座便器上的红外线感应器感应到使用者并将信号传递给主控制系统，主控制系统驱动座便器自动启闭装置打开座便盖等待使用者使用（上一使用者离开后座便器已清洁、消毒过）;待使用者使用完毕后离开，红外线感应器感将使用者离开的信号传递给主控制系统，主控制系统驱动座便器启闭装置关闭座便盖;随后主控制系统驱动座便器内的蒸汽清洁杀菌装置、热风烘干装置分别依次交替产生蒸汽、热风并从喷出管道中喷出来对座便圈及马桶便池空间进行清洁、消毒、烘干;最后到达规定的清洁、消毒时间后控制系统关闭上述清洁、消毒装置，进入待机闭盖状态。
6 智能自感应清洁、消毒坐便器的整体设计方案
该智能自感应清洁、消毒座便器的总体设计思路是，在普通座便器的基础上以单片机控制的控制系统为核心，驱动相应的清洁消毒装置、电子电器元件发生动作，从而带动与其匹配的机械结构完成最总设定的功能。该自动清洁、消毒座便器是希望在普通坐便器的基础上增加所需的消毒装置和辅助装置来实现，故按主体结构分为座便盖、座便圈、主机箱、供水供电设施四部分，其中主机箱是核心部分，是普通坐便器所不具有的部分，所有的功能主要是由主机箱内的各种功能装置完成。座便圈的设计方法与普通座便器的座便圈相同，只是在底部与座厕接触的位置增加密封橡胶防止消毒材料外泄。座便盖上也增加要布置蒸汽、热风喷嘴，可以对座便圈近距离的清洁、烘干。热风烘干装置的风机进风口应预留足够的进风空间，保证有足够的空气提供给风机。蒸汽发生装置的发热体设置了双重保护，在隔热材料的选型和结构设计上采用了较大的安全系数，充分保证用户的人身安全。
7 蒸汽、热风输送管道和喷嘴的设计
前文整体设计方案将蒸汽、热风两种装置设计于主机箱内，这样就需要在主机箱内各消毒装置与座便盖上设立的喷嘴之间有相应的连接管道，这样才能实现预想的功能。对于输送管道首先要保证坐便盖在翻转的过程中不能阻碍坐便盖得翻转而且自身不能出现扭曲、绞死等管道不通的现象;其次输出管道布置空间有限，要尽可能的简单、整洁布局于坐便盖内，不可外漏影响产品的美观性。对于喷嘴而言，为了保证良好的清洁、消毒效果，其喷射的范围应尽可能的覆盖坐便圈的表面，喷嘴形状的设计应保证清洁、消毒材料有一定的冲击力。
（1）在对输送管道设计之前务必将喷嘴的布局设计出，这样才能根据喷嘴的布局形状设计输送管道。考虑到上文在设计紫外线杀菌装置时在固定盖上已对喷嘴的位置做预留，可以将喷嘴设计与下固定盖上，并根据喷嘴的布局形状利用上、下固定盖闭合组成的空间来设计成消毒材料输送管道。喷嘴布局于固定盖边缘向内侧偏置10mm的中心线上，为了满足制造工艺的要求喷嘴过水直径为1mm，且于管道相接的位置设计1mm的倒角增大冲击力。对于喷嘴的个数应根据管道的过水面积来设计。喷嘴的总过水面积应不超过管道过水面积的2/3，已知管道的内径为8mm，喷嘴的直径为1mm，根据面积公式：S=πr2
得出管道的过水面积为50mm2，单个喷嘴的过水面积为0.8mm2，所以：
喷嘴个数=管道过水面积×2/3÷单各喷嘴过水
（2）得出的值近似为40，所以只需将这40个喷嘴均匀分布于喷嘴布局中心线上即可。考虑到蒸汽、热风两种功能是分时间段、依次动作完成的，所以可以将此三种装置的输送管道合并为一支管道，只要切换使用即可，这样既能满足产品功能的需求又能节省产品的设计空间和成本。此外要保证管道与坐便盖之间不产生运动干涉，最好的方法就是将管道分为两段并从座便盖旋转轴心中穿过。将座便盖旋转轴心一端设计成圆形固定接头，固定于主机箱上不做旋转动作，而旋转轴心的另一端设计成旋转接头，固定于坐便盖上。上述两处接头圆心处孔径设计为8mm，保证有足够的过水量，固定接头的两端设有管状接头，其中套有O型圈的一端插入旋转接头内，届时旋转接头在座便盖的带动下围绕固定接头旋转，O型圈的作用是保证整个旋转过程中两处接头处不会发生消毒材料泄漏和降低接头旋转的摩擦力。上文根据喷嘴的形状布局在上、下固定盖之间设计了输送管道，但上下管道之间务必需要用硬度为70°的橡胶垫进行密封，为了保证密封性，上、下盖输送管道的周围需要一圈的固定螺丝将其固定，并最终用螺丝固定于座便盖上。考虑到上、下固定盖得输送管道需要与旋转接头进行连接，可以在上固定盖靠近旋转接头的斜角处设计一个带倒钩的管庄接头，而旋转接头靠近上固定盖得方向也要设计一个带倒钩的管庄接头，这样用一段直径为8mm的橡胶管将两者连接起来，再用管夹进行固定即可。这样消毒材料共用的输送管道就设计完成了，届时主机箱内的各清洁、消毒装置只需要与固定在主机箱上的固定接头输入端相连接就可实现消毒材料的输送和喷出。
8 蒸汽清洁、杀菌装置的设计
蒸汽清洁、杀菌装置的设计思路是，将水箱中的水通过水泵输送到发热体中产生蒸汽，再通过输送通道输送到喷嘴进行清洁、杀菌。发热体、水泵、水箱及相应的管道设施是该装置的核心部件。如图2所示，水箱底部边缘设计了一处出水口，该出水口设计成带倒钩的管状，用内径为8mm的橡胶管连接与水泵的进水口上，并用管夹固定。而水泵的出水端则用同样的橡胶管连接到发热体的进水口上，也用管夹进行固定，这样整个蒸汽装置的大体结构就完成了。剩下的工作就需要将它们固定起来并进行相应的辅助设计。发热体的加热时的温度将达到200°，无法直接固定在一般的工程塑料上，这样就需要设计一个相对密封的隔热箱来隔热。目前隔热领域石棉纤维、陶瓷纤维材料的隔热效果最佳，可以隔离1000°的高温，陶瓷纤维易于成型，所以发热体隔热材料就选用陶瓷纤维。为了方便组装，隔热箱设计成上下两部分组成，在发热体电子元件线路与管道接口出留出相应的组装孔。在隔热箱的底部需要一个固定座将其固定在主机箱内，该装置利用上文所介绍的臭氧发生器装置的固定座和固定架，分别对隔热箱和水泵进行固定，这样就达到节省空间和成本的目的。由于主机箱内空间有限所以水箱的形状务必根据水泵及其连接的橡胶管的设计相应的避空位置。
（1）对于发热体的设计，设计之初考虑了两种方案，一种是用PTC陶瓷管来加热，一种是把电热管进行铝合金压铸成型制成发热体进行加热。PTC陶瓷管加热速度较快，但需要设计一个密封的水箱将陶瓷管放入水箱内，结构比较复杂，安全隐患较大。用电热管压铸成型在工艺上较容易实现，且只需要在发热体中心做出一个过水的水腔，两端接上防水接头及，只要向水腔内通水即可实现功能，但相对于PTC而言加热时间较慢。综合各方面的因素后，本發热体采用电热管压铸的方式，电热管的形状设计成U型，管径使用8mm的大管型增大加热面积，同时选用220V/1500W较大功率的规格，经过试验2s表面温度可达200度以上。发热体的材料使用热传导效率高的铝合金，且铝合金也易于压铸成型，最终使发热体温度达到200°所需要的时间应该在5s左右，符合产品的要求。发热体水腔的直径设计为8mm，进水接头的直径则应为4mm，这样水流就会以较大的压力进水水腔内，发热体的水腔面积大于进水面积就可以瞬间加热产生蒸汽。而蒸汽出口的接头直径也应设计成4mm，在进水水泵的压力下，蒸汽能够保证有持续的较大压力进入输送管道，继而喷出。
（2）此外考虑到下文中的热风烘干装置需共用此发热体，所以如图3所示，发热体的另一端设计了进气的接头和相应气腔来加热空气，热风出口接头与蒸汽出口接头并排布置于发热体上，两者的设计原理相同。所有的进、出接头都要与相应输送管道的橡胶管相接，所以接头的连接处设计成带倒钩的管状，届时只需套上相应的管夹即可牢固安装。而接头的另一端设计成管状螺纹，安装时旋入发热体即可，同时螺纹的尾段的直面段套上与其匹配的O型圈，这样就可以与发热体接口处起密封的作用。对于发热体固定的设计，除装入到隔热箱相应的卡槽之外，还设计了六处螺丝固定装置将其固定在隔热箱上。为了防止震动在发热体的下底边缘设计了四处圆柱，并套上相应的耐高温橡胶圈来起防震缓冲的作用。最后在安全保护方面，发热体需要用单温开关来控制温度，用温度保险丝来做高温保护，所以发热体的顶面与底面分别设计出固定单温开关和温度保险丝的槽位，并配置相应的固定片用螺丝来固定，这样发热体的设计工作就完成了。
9 热风烘干装置的设计
热风烘干装置的设计思路是围绕字面的意思展开的，首先要有风，使用风机就可以提供风能。其次把风进行加热才能变成热风，这就需要一个加热体。考虑到上文中产生蒸汽有使用到加热体，且蒸汽的作用时间段先于热风，所以如果能够共用一个发热体交替工作的话就可以节约产品成本，节约机构空间。当水经过发热体时产生蒸汽，反之切断水流开通风机就会有热风从发热体中产生。由于该装置需要较强的风力，所以电机的功率务必达到20W左右，电压使用统一匹配的直流24V。经过在电子市场分析比较，DELTA公司型号为BFB1224HH的风机参数适合本装置。由于该风机的出风口是方形的，而发热体的接口是圆形的，就需要制作一个风嘴转接于两者之间，考虑到发热体加热时温度达到200°左右，普通的工程塑料会受热变形，所以在风嘴与发热体之间需用可耐温250°的橡胶管连接，并用管夹固定橡胶管两端。橡胶管的管径设计为8mm，可以保持足够的通风量，管壁为2mm。风嘴设计成喇叭型，一段设计成方形插入风机内，另一端为管状并设计三个阶梯的的倒钩，增大与橡胶管的摩擦力。对于风机的固定应充分考虑进风口得因素，所以该装置将风机的无进风口的一面贴于主机箱盖得侧壁上，有进风口的一端面向主机箱内空间。在主机箱盖的底部设计两处加强筋卡住风机底部边缘，风机顶部有一螺丝孔，根据螺丝孔的位置在主机箱盖上设计相应的螺丝柱用螺丝来固定。此外由于插入风机口部的风嘴有可能在风机启动吹风时脱落，所以本装置在主机箱盖内靠近风嘴插入部位的边缘设计了两处加强筋卡住风嘴。对于该装置中所用到的发热体，需在发热体内设计一条热风通道，通道两端增加两处管状接头，进风端与风机方向耐高温的橡胶管连接，另一端与上文所设计的输出通道相连即可。
10 智能自感应控制系统
在对智能自感应清洁、消毒座便器的自动控制系统设计之前，须根据该座便器具体所要实现的功能列出输入输出分配表，然后再依据分配表进行系统结构设计。有了上述的输入输出分配图后，再布置控制系统具体的硬件结构，该智能自感应清洁、消毒座便器控制系统以AT MAEG16单片机为核心，配合相应的外围驱动电路，通过实时采集各种传感器信號为输入信号，在单片机程序驱动下实现对外围电子、电气设备的控制，具体包括电机、水气泵、风机、电热管、电磁阀等。最后只需要根据控制系统硬件结构图编写相应的控制程序，并将控制程序输入到单片机ATMAEG16当中即可完成控制系统的设计工作。
11 结语
本文设计了一种能够对自身及座厕便池空间进行智能自感应清洁、消毒的座便器，该座便器具有蒸汽清洁杀菌、热风烘干等功能，能够解决长期以来传统座便器困扰使用者安全、卫生的问题，具有非常大的优越性，同时满足了该类产品智能化、人性化、安全、舒适、方便、卫生的要求。文中先确定了智能自感应清洁、消毒座便器的整体设计方案，并着重对座便盖自动启闭、密封、紫外线杀菌、输送管道、蒸汽清洁杀菌、臭氧清洁杀菌、热风烘干、排臭除臭、座便盖自动锁止八个主要装置进行较详细具体的设计。通过模拟分析、实验、计算、比较等方法确定了各主要装置的重要设计参数、设计方法和设计思路，为相关部分的设计提供了主要依据。同时还设计了自动清洁、消毒座便器的控制系统结构和相关的硬件电路，为软件的编制打下了基础。
参考文献
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