一种防气溶胶马桶座圈组件、座便器及冲水控制方法与流程

本发明涉及卫生洁具，具体涉及一种在座便器冲水期间将便池口封闭以抑制冲水气溶胶扩散的防气溶胶马桶座圈组件，以及包括该座圈组件的座便器和应用于该座圈组件的冲水控制方法。

背景技术：

1、座便器冲水时，水流冲击便池内壁与水面，会产生大量含有粪便和尿液成分的微小液滴与气溶胶，业内称为冲水羽流。2022年发表于《科学报告》的激光可视化实验测得，普通座便器每次冲水产生的气溶胶以约2 m/s的速度向上喷出，8 s内即可到达座圈上方1.5m的高度，并在随后数分钟内沉降在座圈、卫生纸、牙刷、洗手台等表面，成为诺如病毒、轮状病毒等肠道病原体以及部分呼吸道病原体的传播途径之一。2024年发表于《美国感染控制杂志》的现场实验进一步表明，即使在冲水前关闭普通马桶盖，卫生间各表面的病毒污染量也没有统计学意义上的显著下降，其原因在于马桶盖与座圈之间、座圈与陶瓷便池口沿之间存在数毫米的缝隙，气溶胶随冲水产生的压力波动从缝隙逸出。

2、针对上述问题，现有技术大致沿三条路线展开。第一条路线是在马桶盖与座圈之间增设密封结构，例如在盖的内侧设置与座圈贴合的密封圈，或在座圈下表面设置与便池口沿贴合的密封条，使盖、座圈、便池三者在关盖状态下形成封闭腔体；部分方案在盖上设置通风口并加装滤材，或在座圈上设置仅允许空气向内流动的膜片式单向阀，以缓解冲水时的压力变化。这类方案的共同缺点是：其一，仍以马桶盖作为隔板，依赖使用者在冲水前主动关盖，而公共卫生间的座便器普遍不设马桶盖，无法适用；其二，盖、座圈、便池三者围成的封闭体积大，冲水时的压力扰动相应更大；其三，多数方案只设向内的单向阀而没有向外的受控排气路径，注水阶段水面上升压缩空气所形成的正压无处释放，只能从密封处泄漏，而泄漏气流恰恰是未经过滤的气溶胶通道。第二条路线是在现有马桶盖上加装磁吸式或粘贴式密封条，属于对第一条路线的简化，缺点相同。第三条路线是将座圈与便池口沿密封后接入楼宇机械排风系统，在便池内形成持续负压，其缺点是需要预埋管道，无法应用于既有住宅。

3、另有一种设于座圈与便池之间的扇形刚性叶片屏障，无人时靠弹簧展开覆盖便池口、落座时被体重压缩而收拢到座圈下方，其目的是在无人时遮挡便池，不可卷绕、无收纳腔与导轨、无任何通气结构，也不与冲水动作联动。与本发明最接近的是一种电子座便盖，其在座圈后方的机体上设收纳盒，收纳盒前端设供片状隔离部件进出的横向长条口，隔离部件由电机驱动的卷轴卷起或展开，展开后位于座圈与座便器主体之间并覆盖便池口，长条口下沿设清洁隔离部件背面的毛刷，机体上还设可伸缩的喷杆对隔离部件背面冲洗，并设抽气模块将便池内的污浊空气抽走。该方案已经认识到用可收纳的片状隔离部件在冲水时遮挡便池口这一思路，但其隔离部件仅由卷轴卷放、两侧没有约束，在冲水正压下会被顶起、在负压下会被吸落，因而无法形成受控的封闭空间；更重要的是，其对隔离部件下方空气的处理方式是加装风机主动抽气，需要额外电源与风道，噪声与功耗均高，且抽气只能缓解负压、不能解决注水阶段水面上升所产生的正压。现有技术中还没有一种方案认识到：隔板下方封闭空间在注水阶段为正压、在虹吸阶段为负压，压力符号相反，因而必须分别设置只进不出的进气路径与只出不进且经过滤的排气路径，才能既把气溶胶挡在便池内、又不阻碍虹吸，且全程不需要风机。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提出一种防气溶胶马桶座圈组件，该座圈组件不依赖马桶盖、可替换加装于既有座便器，在冲水前自动封闭便池口，并在冲水全过程中通过分向设置的通气路径保持封闭空间的压力平衡，使冲水气溶胶被限制在便池内的同时不影响虹吸冲水的正常完成。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种防气溶胶马桶座圈组件，包括：座圈本体1，座圈本体1具有供排泄物通过的中央开口11；收纳腔2，设于座圈本体1的后部；卷帘隔板4，卷帘隔板4为可卷绕的片状体，其一端卷绕于设置在收纳腔2内的卷轴3上，另一端连接牵引杆5；两条相互平行的导轨6，设于座圈本体1的下表面并分别位于中央开口11的两侧，牵引杆5的两端分别沿两条导轨6滑动，使卷帘隔板4能够从收纳腔2向座圈本体1的前端展开并覆盖中央开口11的下方，或者收回至收纳腔2内；驱动机构8，与牵引杆5传动连接，用于驱动卷帘隔板4展开与收回；以及通气组件7，通气组件7包括进气单向阀71和过滤排气阀72，进气单向阀71仅允许外部空气进入封闭空间106，封闭空间106为卷帘隔板4展开后由其下表面、座圈本体1以及座便器的便池101与便池口沿102共同围成的空间，过滤排气阀72包括过滤件721和排气阀片722，仅允许封闭空间106内的空气经过滤件721过滤后排出。

3、上述方案中，卷帘隔板4位于座圈本体1的下方、便池口沿102的上方，展开后与座圈本体1、便池101共同围成封闭空间106，该空间只包含便池上部的空气，体积最小；卷帘隔板4的展开与收回均在座圈内部完成，不依赖马桶盖；进气单向阀71与过滤排气阀72方向相反、阻力要求相反，分别对应虹吸阶段的负压与注水阶段的正压。

4、进一步地，座圈本体1的下表面在中央开口11的外侧周向设有弹性的密封唇12，密封唇12的下端与展开后的卷帘隔板4的上表面接触；座圈本体1的下表面外周设有弹性的裙边14，裙边14的下端与座便器的便池口沿102接触。密封唇12封闭卷帘隔板4与座圈本体1之间的间隙，裙边14封闭座圈本体1与便池口沿102之间的间隙，两者均为弹性体，能够吸收不同座便器口沿的形状与高度差异。

5、进一步地，卷帘隔板4包括多片相互平行排列的帘片41和连接各帘片41的柔性背层42，帘片41为金属帘片，每片帘片41的两端设有凸缘43；导轨6具有开口朝向中央开口11的c形槽61，c形槽61的底部设有向内翻折的底唇62，凸缘43伸入c形槽61内并由底唇62托住。帘片41承受封闭空间106的正负压力，柔性背层42使相邻帘片41之间可以相对弯折从而整体卷绕，底唇62防止帘片41在负压作用下向下脱出导轨6。

6、进一步地，帘片41为铝合金帘片，宽度为6–10 mm、厚度为1.5–2.5 mm，相邻帘片41的节距为7–11 mm；柔性背层42为厚度0.3–0.8 mm的热塑性聚氨酯薄膜，贴合于各帘片41朝向座圈本体1的一面。优选帘片41宽7.4 mm、厚2 mm、节距8 mm，柔性背层42厚0.5 mm。经计算，在300 pa的设计压力下，跨度310 mm的2 mm厚铝合金帘片的最大挠度为0.85 mm，而同尺寸的聚丙烯帘片挠度达39 mm，会从8 mm高的导轨中脱出，因此帘片41必须采用金属材料。

7、进一步地，座圈本体1的外轮廓为超椭圆形，超椭圆形的指数为4–6，优选为5，使两条导轨6在其整个长度上均位于座圈本体1的下表面范围之内。以中央开口11为280 mm×380 mm、两条导轨6的中心距为320 mm为例，普通椭圆外轮廓的座圈在导轨位置的前端仅延伸至开口中心前方123 mm处，而导轨6的前端需要延伸至开口中心前方约194 mm处才能使卷帘隔板4连同牵引杆5完全覆盖中央开口11；采用指数为5的超椭圆外轮廓后，座圈在导轨位置的前端延伸至开口中心前方207 mm处，恰好包住导轨6的前端。

8、进一步地，还包括控制器9和用于触发座便器冲水的按压执行器93，控制器9与驱动机构8和按压执行器93电连接，控制器9被配置为：在接收到冲水指令后，先控制驱动机构8使卷帘隔板4展开到位，再控制按压执行器93触发冲水，并在冲水结束后保持卷帘隔板4展开预定时间，然后控制驱动机构8使卷帘隔板4收回；预定时间为15–60 s，优选30 s。按压执行器93贴附于座便器既有的冲水按钮104上，使本座圈组件无需改动座便器的水路即可加装。

9、进一步地，还包括设于座圈本体1的座圈占位传感器92和设于牵引杆5行程末端的行程开关85，座圈占位传感器92和行程开关85均与控制器9电连接，控制器9在座圈占位传感器92检测到座圈有人时不控制卷帘隔板4展开，并在行程开关85闭合后才控制按压执行器93触发冲水；驱动机构8包括电机81，控制器9还被配置为在卷帘隔板4展开过程中监测电机81的电流，当该电流超过预设阈值时停止展开并使卷帘隔板4收回。电机电流与牵引力成正比，预设阈值对应约25 n的牵引力，展开过程中若手指、衣物或异物被夹在卷帘隔板4与座圈本体1之间，阻力增大即触发保护，实现防夹。

10、进一步地，收纳腔2的底板上设有供卷帘隔板4进出的出口缝21，卷帘隔板4自中央开口11的后缘之后向上倾斜穿过出口缝21卷绕于卷轴3；出口缝21的前沿设有与卷帘隔板4的上表面接触的前上刮唇221，出口缝21的后沿设有相对布置的下刮唇222与后上刮唇224，下刮唇222与卷帘隔板4的下表面接触，后上刮唇224与卷帘隔板4的上表面接触；收纳腔2的下方设有位于出口缝21下方的清洗托盘27，清洗托盘27的前缘设有与卷帘隔板4的下表面接触的前挡唇223，清洗托盘27的底部设有向前伸出并开口于座便器的便池口沿102内缘之内的排水嘴271，清洗托盘27的内腔经排水嘴271与座便器的便池101连通，卷帘隔板4收回时从其下表面刮下的水经清洗托盘27和排水嘴271排入便池101；卷轴3、设于卷轴3两端的支座与卷绕于其上的卷帘隔板4构成能够整体从收纳腔2中抽出的卷帘盒，前上刮唇221、下刮唇222与后上刮唇224分别嵌装于收纳腔2底板上的安装槽内，不随卷帘盒抽出；排水嘴271为自清洗托盘27的前壁底部向前下方倾斜伸出的斜槽，其出口的下缘设有滴水檐，清洗托盘27的内腔中设有前后贯通的走线管，驱动机构8的牵引绳83自走线管内穿过而与清洗托盘27的内腔隔开。卷帘隔板4收回时其上升段在穿过出口缝21的过程中自下方暴露于清洗托盘27的内腔，下刮唇222与后上刮唇224在出口缝21的后沿相对布置，同时刮除帘面上下两面残留的水，刮下的水垂直落入清洗托盘27并经排水嘴271排入便池101，不会落在便池口沿102的顶面或其后的陶瓷台面上；前挡唇223封住清洗托盘27的前口，四个刮水唇均位于卷帘隔板4进入收纳腔2内腔之前，进入收纳腔2的水量可以忽略；卷帘盒可拆下水洗或整体更换。把刮水与清洗安排在出口缝21下方、以清洗托盘27承接并集中排水，是同时做到整幅覆盖、水不落到陶瓷面上、水不进入收纳腔2的布置，依据见实施例8。

11、进一步地，进气单向阀71和过滤排气阀72均设于收纳腔2上，收纳腔2的底板上设有位于导轨6外侧并向下开口于座圈本体1下表面的通气孔24，收纳腔2经通气孔24和座圈本体1下方的空间与封闭空间106连通。座圈本体1下方、裙边14围合的周边空腔位于导轨6的外侧，该空腔经导轨6下方与便池口沿102之间的间隙与便池101相通，因而属于封闭空间106的一部分；通气孔24向下开口于该空腔，使收纳腔2成为封闭空间106的延伸，收纳腔2顶上的两个阀即构成封闭空间106唯一的受控通气路径。进气单向阀71的开启压差为100–300pa、通流面积不小于2 cm2，优选开启压差150 pa、通流面积3 cm2；过滤件721为过滤效率不低于h11级的褶式滤芯，其迎风面积为60–240 cm2，优选120 cm2，在3 l/s的空气流量下压降不大于300 pa；排气阀片722的开启压差为20–100 pa，优选50 pa；通气孔24的通流面积每侧不小于3 cm2，在150 pa压差下可通过约6 l/s的空气，远大于两个阀的流量，不构成附加阻力。

12、进一步地，卷轴3内设有回卷弹簧31，卷轴3的一端设有限制回卷速度的旋转阻尼器32；驱动机构8包括电机81、电磁离合器821、绳轮82、牵引绳83和设于座圈本体1前端两侧的导向轮84，电机81经电磁离合器821驱动绳轮82，电磁离合器821通电时传动、断电时分离，牵引绳83的一端固定于绳轮82，另一端绕过导向轮84后连接牵引杆5，电机81仅在展开方向做功，收回由回卷弹簧31完成；收纳腔2的侧壁设有手动释放钮822，手动释放钮822与电磁离合器821机械联动以分离电磁离合器821。这一设计使卷帘隔板4的收回不依赖电力：停电、电机损坏或控制器故障时电磁离合器821自动分离，卷帘隔板4在回卷弹簧31作用下收回，座便器恢复可用；旋转阻尼器32将回卷速度限制在0.3 m/s以内，避免冲击与噪声；手动释放钮822供使用者在任何情况下手动收回卷帘隔板4。

13、进一步地，还包括清洗喷嘴17，清洗喷嘴17设于清洗托盘27上并位于出口缝21的下方，包括沿卷帘隔板4的宽度方向延伸的喷管和沿喷管的长度方向分布的多个扇形喷嘴，各扇形喷嘴的出水口朝向穿过出口缝21的卷帘隔板4的下表面，扇形喷嘴的喷射区在卷帘隔板4的收回方向上位于前上刮唇221之后、下刮唇222与后上刮唇224之前，且在卷帘隔板4的宽度方向上位于卷帘隔板4的两端端面之间；清洗喷嘴17通过清洗水管18与清洗电磁阀19连接，清洗水管18的水源取自座便器水箱进水角阀上的三通，并在清洗电磁阀19的下游设有由两只止回阀串联且在其间设有泄压口的防回流器，以防止供水管路出现负压时清洗托盘27内的水被回吸而与生活饮用水形成交叉连接；卷帘隔板4的下表面设有疏水层44，疏水层44的水接触角不小于110°，优选为含氟或硅氧烷类易洁涂层。卷帘隔板4收回时其下表面的每一部分都依次经过清洗喷嘴17的喷射区，射流以冲击方式清除帘面上的液滴与污物，随后立即经过出口缝21后沿相对布置的下刮唇222与后上刮唇224，上下两面同时被刮净，射流水、被冲下的污物与刮下的水全部落入清洗托盘27并经排水嘴271排入便池101。固定喷管让整幅帘面主动通过喷射区，覆盖完整、耗水少，每次收回约0.11 l。

14、进一步地，收纳腔2内设有紫外灯25，紫外灯25朝向卷绕于卷轴3上的卷帘隔板4，紫外灯25为波长260–285 nm的紫外发光二极管，在卷帘隔板4每次收回后点亮60–120 s，对收纳状态的卷帘隔板4进行消毒；收纳腔2的顶部设有可拆卸的腔盖23，腔盖23上设有腔盖开关26，腔盖开关26串接于紫外灯25的供电回路中，腔盖23打开时切断紫外灯25的供电，避免紫外线照射人体。

15、本发明还提供一种座便器，包括便池101和上述任一防气溶胶马桶座圈组件，座圈本体1安装于便池101的便池口沿102上。

16、本发明还提供一种座便器冲水控制方法，应用于上述防气溶胶马桶座圈组件，该防气溶胶马桶座圈组件还包括控制器9、与控制器9电连接的座圈占位传感器92、设于牵引杆5行程末端的行程开关85、用于触发座便器冲水的按压执行器93、设于收纳腔2底板的出口缝21下方的清洗托盘27、设于清洗托盘27上并朝向穿过出口缝21的卷帘隔板4的下表面的清洗喷嘴17、控制清洗喷嘴17供水的清洗电磁阀19、设于清洗托盘27底部并开口于座便器的便池101之内的排水嘴271、设于卷轴3内的回卷弹簧31、设于驱动机构8中的电机81、串接于电机81与牵引杆5之间且通电时传动、断电时分离的电磁离合器821以及设于收纳腔2内的紫外灯25，方法包括以下步骤：s1、接收冲水指令；s2、通过座圈占位传感器92检测座圈占位状态，若座圈有人则结束并提示，否则进入步骤s3；s3、控制驱动机构8使卷帘隔板4沿导轨6展开以覆盖中央开口11的下方，展开过程中监测电机81的电流，电流超过预设阈值时停止展开并使卷帘隔板4收回；s4、检测行程开关85是否闭合以确认卷帘隔板4到位，若在预定时限内未到位则报警并结束；s5、控制按压执行器93触发座便器冲水，冲水期间外部空气经进气单向阀71进入封闭空间106，封闭空间106内的空气仅经过滤排气阀72排出；s6、冲水结束后保持卷帘隔板4展开预定时间，预定时间为15–60 s；s7、开启清洗电磁阀19并使电磁离合器821断电分离以释放牵引杆5，使卷帘隔板4在回卷弹簧31作用下收回至收纳腔2内，收回过程中卷帘隔板4的下表面在穿过出口缝21时依次经过清洗喷嘴17的喷射区，清洗水经清洗托盘27与排水嘴271排入便池101，收回完成后关闭清洗电磁阀19并使紫外灯25点亮60–120 s。

17、与现有技术相比本发明达到了如下技术效果：

18、1、不依赖马桶盖，适用范围广。卷帘隔板4收纳于座圈本体1后部的收纳腔2内，展开后位于座圈下方、便池口沿上方，封闭动作与马桶盖无关，无盖的公共座便器同样适用；座圈本体1采用标准铰链孔距安装，可直接替换既有座圈，不需改动陶瓷件与水路。

19、2、封闭体积最小，压力扰动最小。卷帘隔板4贴近座圈本体1的下表面，封闭空间106仅为便池上部约6–10 l的空气，比以马桶盖为隔板的方案小一半以上，同样的水面升降引起的压力变化更小。

20、3、进气与排气分向设置，虹吸不受影响且气溶胶不外泄。经集中参数仿真，6 l虹吸式座便器一次冲水中，完全密封方案的封闭空间正压峰值达33 kpa、负压峰值达20 kpa，隔板受力超过2700 n，任何座圈级密封都无法承受；仅设向内单向阀的方案正压峰值仍达10.5 kpa；而本发明方案的正压峰值为348 pa、负压峰值为334 pa，隔板受力29 n，虹吸正常断开，且全部向外排出的空气均经过过滤件721。

21、4、金属帘片刚度足够，卷起体积小。2 mm厚铝合金帘片在300 pa下的挠度仅0.85mm，不脱轨；卷帘隔板4的总长约460 mm时卷起外径约42 mm，可容纳于净高51 mm的收纳腔2内。

22、5、超椭圆外轮廓使平行直导轨得以实现。直导轨结构简单、可注塑成型、运动阻力小，超椭圆座圈外轮廓使其完整落在座圈平面内，外观上与市售方形智能座圈一致。

23、6、帘面自清洁，不因卷帘隔板4沾污而失去使用意义。卷帘隔板4收回时整幅帘面在穿过出口缝21的过程中依次通过前挡唇223、前上刮唇221、清洗喷嘴17的喷射区以及相对布置的下刮唇222与后上刮唇224构成的清洗室，射流水与刮下的水由清洗托盘27承接并经排水嘴271排入便池101，帘面进入收纳腔2时已基本干燥，再在收纳腔2内接受紫外灯25照射；疏水层44使帘面不留水膜，每次耗水约0.11 l，卷帘盒可整体抽出清洗。五层对策使卷帘隔板4在长期使用中保持清洁，这是本发明相对于任何以盖或板封闭便池口的方案都必须解决、而现有技术均未涉及的问题。

24、7、控制时序保证封闭先于冲水、保持长于羽流。卷帘隔板4先展开到位再触发冲水，冲水后保持15–60 s；按斯托克斯沉降计算，保持30 s可使18 μm以上的液滴从0.3 m高度全部回落水面，冲水羽流的定向喷射动量在此期间耗尽。