家用凈水機(jī)漏水問題的分析與研究

周夢(mèng)然 賀雷 施清清

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

隨著人們對(duì)健康品質(zhì)生活要求的不斷提高，以及工業(yè)化進(jìn)程下不斷惡化的水質(zhì)，凈水機(jī)逐漸成為人們家用電器中的必須品。凈水機(jī)可去除水中的鐵銹、膠體物質(zhì)、異味、余氯、細(xì)菌、病毒、有機(jī)污染物和重金屬等雜質(zhì)，并能夠保留水中的礦物質(zhì)元素。凈水機(jī)作為現(xiàn)在處理家庭用水的一種高效設(shè)備，已經(jīng)被大多數(shù)的消費(fèi)者認(rèn)可[1]。凈水機(jī)在改善生活品質(zhì)的同時(shí)，因凈水機(jī)涉及的水路及器件接駁較多，存在較多的漏水隱患點(diǎn)，且凈水機(jī)產(chǎn)品安裝位置及無人看管的特殊性，凈水機(jī)出現(xiàn)質(zhì)量異常時(shí)往往不會(huì)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，漏水的發(fā)生導(dǎo)致地板、家居等泡水后的修復(fù)工作，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)耗時(shí)耗力，給用戶造成惡劣影響，嚴(yán)重影響用戶使用滿意度。

1 凈水機(jī)原理

家用凈水機(jī)主要有超濾（UF）凈水機(jī)和反滲透（R0）凈水機(jī)，超濾凈水機(jī)核心濾芯為超濾膜，過濾精度0.01 μm，可以過濾大顆粒雜質(zhì)及大分子有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒[2,3]，適用于重金屬未超標(biāo)地區(qū)及生活用水；反滲透凈水機(jī)核心濾芯為反滲透膜，過濾精度為0.000 1 μm，可過濾大顆粒雜質(zhì)、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒、水堿、重金屬等，適用于重金屬超標(biāo)地區(qū)及直飲水。也有超濾膜與反滲透膜同時(shí)具備的雙膜凈水機(jī)，超濾膜置于反滲透膜前端作為預(yù)處理膜，為反滲透膜過濾過程提供優(yōu)良的進(jìn)水水質(zhì)，延長反滲透膜的使用壽命；雙膜凈水機(jī)多為雙出水模式，可提供生活用水及直飲水，滿足用戶不同的使用需求[4-6]。

反滲透凈水機(jī)由濾芯、接頭、水管、電磁閥、增壓泵、壓力開關(guān)、水龍頭、壓力桶等組成，系統(tǒng)示意圖如圖1[7]。凈水機(jī)以符合市政自來水或其他集中式供水為原水，以反滲透膜濾芯等為主要元件，通過控制電磁閥、增壓泵及廢水比沖洗閥等來完成制水，用于改善水質(zhì)、供家庭或類似場(chǎng)所使用。原理為：當(dāng)外部水壓正常時(shí)，用戶取水后壓力桶中的水量不足時(shí)，系統(tǒng)水壓降低，整機(jī)開始制水，直至壓力桶儲(chǔ)水量達(dá)到要求停止制水；通過廢水閥設(shè)置不同廢水比，將沖洗濾芯后含有雜質(zhì)的水通過凈水機(jī)濃水口排出；當(dāng)外部水壓不足時(shí)，整機(jī)關(guān)閉增壓泵和進(jìn)水電磁閥，防止系統(tǒng)空運(yùn)行進(jìn)而保護(hù)濾芯。

圖1 反滲透凈水機(jī)水質(zhì)凈化系統(tǒng)示意圖

2 一體化集成水路板方案

根據(jù)國內(nèi)及國際嚴(yán)峻疫情形勢(shì)下人們對(duì)健康的巨大需求現(xiàn)狀，凈水機(jī)逐步普及千家萬戶，隨之而來的漏水問題已成為困擾用戶和企業(yè)的痛點(diǎn)問題。市場(chǎng)上凈水機(jī)的管路設(shè)置主要有三種形式：①接頭PE管連接 ，②聯(lián)體組件， ③熱板焊集成水路板，如圖2所示。

圖2 凈水機(jī)行業(yè)常見管路設(shè)置

由圖2可知三種管路布置的優(yōu)劣點(diǎn)，傳統(tǒng)第1代水路系統(tǒng)是采用接頭、PE管將各元器件連接起來，存在較多的連接點(diǎn)，每個(gè)連接點(diǎn)均為漏水隱患點(diǎn)，同時(shí)接管全依靠人工，存在不可控風(fēng)險(xiǎn)；第2代聯(lián)體組件采用熱板焊工藝，將水路集成，但是元器件之間還是采用接頭、PE管連接，同樣存在連接漏水點(diǎn)，有較大的漏水隱患；第3代熱板焊集成水路板，將水路、元器件全部集成化，極大的減少了PE管和接頭的運(yùn)用，減少了漏水點(diǎn)，但熱板焊工藝的穩(wěn)定性存在瓶頸，體積大，溢膠會(huì)堵住水路流道。

2.1 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)怎么減少凈水機(jī)的漏水點(diǎn)隱患，采用親和圖進(jìn)行分類，總結(jié)主要解決的思路有三個(gè)方向：零部件優(yōu)化，生產(chǎn)管控和集成水路板（如圖3）。零部件優(yōu)化和生產(chǎn)管控都是在過程管控，但是不能從源頭上減少漏水隱患點(diǎn)。經(jīng)過研究最終決定從集成水路板方向出發(fā)，以更高的水路板集成度、更少的漏水隱患點(diǎn)為目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。

圖3 漏水隱患點(diǎn)解決方案討論

行業(yè)現(xiàn)使用的聯(lián)體組件主要是通過熱板焊工藝將兩個(gè)注塑件熱熔成一體，形成立體的水路流道，兩個(gè)注塑件為同屬性材料，按照精益設(shè)計(jì)的思想，可以進(jìn)行合并。考慮現(xiàn)狀的四聯(lián)體組件只能集成濾芯安裝，其他涉水零部件（如電磁閥、壓力開關(guān)、流量計(jì)、TDS探針等控制元件及監(jiān)控元件）仍需通過接頭和PE管與集成水路板進(jìn)行連接，根據(jù)精益設(shè)計(jì)的思想，為減少接頭、PE管等零件個(gè)數(shù)的使用，同步減少漏水隱患點(diǎn)，可以考慮通過立體水路集成設(shè)計(jì)，將水路系統(tǒng)的元器件直接插接集成在水路板上。為評(píng)估上述構(gòu)想能否在現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)，引入TRIZ原理，按照“金魚法”的創(chuàng)新思維進(jìn)行可行性分析，見圖4。

圖4 集成水路板創(chuàng)新思維可行性分析

經(jīng)過“金魚法”的分析，確定一體式免焊接集成水路板的方案是可以實(shí)施的，而元器件由于與水路板注塑件材料上不是同一種屬性，故暫不能進(jìn)一步集成，元器件與水路板的連接選用成熟的接頭密封結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新方案確定后，進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成一體式免焊接集成水路板三維模型如圖5所示。

圖5 免焊接集成水路板三維圖示

確定結(jié)構(gòu)方案后，針對(duì)3D模型用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析（仿真圖如圖6），結(jié)合水路板材料的許用應(yīng)力要求，并對(duì)水路板中的每一條水路進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度分析，通過仿真軟件初步確定現(xiàn)方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求的2.8 MPa爆破壓力，螺釘固定也在其安全許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。

圖6 集成水路板力學(xué)強(qiáng)度仿真分析

2.2 方案實(shí)施與驗(yàn)證

經(jīng)不斷的制樣及調(diào)整開發(fā)出高度集成的水路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)水路板水路無PE連接，整機(jī)只需2根PE管與泵連接。各電器件直接集成在水路板上，減少了接頭、PE管的使用；各出水口直接集成在水路板上，不使用隔板接頭；機(jī)頭組件與水路板螺釘固定，兩芯系統(tǒng)，濾芯集成化程度更高。集成水路板圖示及實(shí)物如圖7所示。

圖7 集成水路板圖示及實(shí)物

2.2.1 循環(huán)壓力測(cè)試

將水路板樣品組裝上濾芯，形成完備的水路系統(tǒng)，委托檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)壓力測(cè)試，如圖8所示，壓力1 s內(nèi)從0.014 MPa升壓到1.04 MPa，然后降壓至0.014 MPa，如此循環(huán)測(cè)試10萬次，無漏水現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)性能的要求。

圖8 循環(huán)壓力實(shí)物測(cè)試

2.2.2 耐壓測(cè)試

委托檢測(cè)機(jī)構(gòu)將上述水路系統(tǒng)連接到耐壓測(cè)試設(shè)備上，經(jīng)測(cè)試加壓至32.5 bar（3.25 MPa），未出現(xiàn)漏水問題，測(cè)試合格，滿足設(shè)計(jì)的耐壓2.8 MPa的技術(shù)要求。水路系統(tǒng)耐壓測(cè)試如圖9所示。

圖9 水路系統(tǒng)耐壓測(cè)試

2.3 驗(yàn)證結(jié)果

1）一體式免焊接設(shè)計(jì)，水路系統(tǒng)安全可靠。相對(duì)于 熱板焊工藝的焊接水路板，一體式免焊接集成水路板直接在模具上注塑成型，內(nèi)部水路通過抽芯、對(duì)插等工藝連通水路，各流道形成立體水路，極大的減少漏水隱患點(diǎn)，免焊接成型工藝，進(jìn)一步提高了整機(jī)耐壓強(qiáng)度。

2）零部件高度集成化，漏水風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)顯著減少。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，將脈沖計(jì)數(shù)器、壓力開關(guān)、進(jìn)水電磁閥、廢水電磁閥、TDS探針、機(jī)頭組件等零部件全部集成在水路板上，整個(gè)水路板系統(tǒng)水路無PE管、接頭連接，而整機(jī)也只需2根PE管與泵連接，由接頭、PE管連接帶來的漏水隱患點(diǎn)顯著減少。

3）多段短流道設(shè)計(jì)，水路壓力損失更小，工藝穩(wěn)定性更高。一體式免焊接集成水路板的水路通道主要是通過模具上的抽芯動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)，水路的通道越長，模具上抽芯的行程就越長，對(duì)模具及生產(chǎn)的管控要求就越高。為解決模具上長距離抽芯的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合水路系統(tǒng)的流道，將長距離的抽芯分成多段短距離抽芯，最長水路行程128 mm，模具加工及生產(chǎn)更加可控，可靠性更高，如圖10所示。同時(shí)越短的流道，其水路沿程壓力損失越小。

圖10 多段短流道設(shè)計(jì)圖示

經(jīng)過一體式免焊接集成水路板方案設(shè)計(jì)，水路系統(tǒng)的漏水隱患點(diǎn)由原來的37個(gè)降低至16個(gè)，大大減少；且因集成水路板取消原本的熱板焊工藝，改為一體式免焊接注塑，水路板的耐壓強(qiáng)度也大大提升，整機(jī)水路系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

3 漏水自動(dòng)檢測(cè)并阻斷方案

固有測(cè)試性設(shè)計(jì)是指僅取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不受測(cè)試激勵(lì)數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù)影響的測(cè)試性設(shè)計(jì)，是產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)的重要組成部分，主要是使產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)能方便進(jìn)行故障檢查和故障隔離[8]。調(diào)研分析前期所有漏水事故，發(fā)現(xiàn)凈水機(jī)漏水后進(jìn)水管仍源源不斷有水進(jìn)入凈水機(jī)并從漏水位置泄露，導(dǎo)致大量水進(jìn)入用戶家中造成財(cái)產(chǎn)損失。為解決此問題，本文采用固有測(cè)試性設(shè)計(jì)的方法，以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障和正確地隔離故障為目標(biāo)，提出漏水自動(dòng)檢測(cè)并阻斷創(chuàng)新方案，有效提高產(chǎn)品測(cè)試性，具體如下：

3.1 基于測(cè)試性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的劃分是固有測(cè)試性設(shè)計(jì)的重要組成部分。對(duì)漏水自動(dòng)檢測(cè)并阻斷方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的劃分。電動(dòng)球閥：通過電信號(hào)控制閥心的通斷進(jìn)而控制整機(jī)開啟或者關(guān)閉。流量計(jì)：檢測(cè)管道中水的流量大小。高壓開關(guān)：檢測(cè)水系統(tǒng)中進(jìn)水側(cè)及出水側(cè)的水壓控制整機(jī)啟停。當(dāng)檢測(cè)到進(jìn)水側(cè)水壓不足時(shí)，高壓開關(guān)輸出信號(hào)關(guān)閉增壓泵和進(jìn)水電磁閥使整機(jī)停止制水，保護(hù)濾芯等元器件；當(dāng)檢測(cè)到進(jìn)水側(cè)水壓正常時(shí)，高壓開關(guān)輸出信號(hào)使整機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)用戶不用水，出水端的水壓高于設(shè)定值時(shí)，高壓開關(guān)輸出信號(hào)使整機(jī)停止制水；當(dāng)用戶用水導(dǎo)致出水端的水壓低于設(shè)定值時(shí)，高壓開關(guān)輸出信號(hào)使系統(tǒng)開始制水。

帶信號(hào)控制龍頭與電動(dòng)球閥組成一個(gè)結(jié)構(gòu)控制單元。管線機(jī)與流量計(jì)、高壓開關(guān)、電動(dòng)球閥組成一個(gè)控制單元。在自來水進(jìn)水管路上增加一個(gè)電動(dòng)球閥，與帶信號(hào)的控制龍頭、高壓開關(guān)組成控制系統(tǒng)，以滿足測(cè)試的可控性。凈水機(jī)漏水阻斷方案從自來水進(jìn)水管端開始故障隔離，滿足初始化設(shè)計(jì)的要求。且選用具有良好測(cè)試性的元器件，如電動(dòng)閥、高壓開關(guān)、鵝頸龍頭等。

3.2 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合凈水機(jī)的實(shí)際工作原理及使用環(huán)境，采用電動(dòng)閥、流量計(jì)及帶信號(hào)控制龍頭及高壓開關(guān)的搭配，增加控制邏輯，可保證非正常狀態(tài)下關(guān)閉電動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)漏水故障的檢測(cè)與隔離。 水系統(tǒng)圖如圖11所示。具體控制邏輯如圖12所示。

圖11 增加電動(dòng)閥和高壓開關(guān)的漏水檢測(cè)方案

圖12 水龍頭取水和管線機(jī)取水的漏水控制邏輯

1）水龍頭打開，制水信號(hào)發(fā)出，電動(dòng)閥打開，啟動(dòng)制水。龍頭關(guān)閉，并且檢測(cè)到流量計(jì)停止及高壓開關(guān)閉合時(shí)，停止制水并且關(guān)閉電動(dòng)閥。

2）管線機(jī)缺水時(shí)，檢測(cè)到流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)及高壓開關(guān)斷開時(shí)，電動(dòng)閥打開，啟動(dòng)制水。管線機(jī)水滿時(shí)，檢測(cè)到流量計(jì)停止而高壓閉合時(shí)，20 s內(nèi)如高壓開關(guān)不斷開，停止制水并且電動(dòng)閥關(guān)閉。

3.3 方案實(shí)施與驗(yàn)證

3.3.1 凈水機(jī)驗(yàn)證

將電動(dòng)閥安裝在某品牌凈水機(jī)WTE-PT63-2023上驗(yàn)證（如圖13所示），當(dāng)水龍頭打開時(shí)，電動(dòng)閥可正常打開，整機(jī)啟動(dòng)制水。水龍頭關(guān)閉時(shí)停止制水，電動(dòng)閥也同步關(guān)閉，此時(shí)在整機(jī)某一段水管上扎一個(gè)漏水孔，因未檢測(cè)到水龍頭打開信號(hào)，電動(dòng)閥不開啟，僅有整機(jī)內(nèi)殘留的部分水漏出，不會(huì)源源不斷地產(chǎn)生漏水。

圖13 電磁閥在水路中的安裝

3.3.2 管線機(jī)驗(yàn)證

將電動(dòng)閥安裝在某品牌管線機(jī)WTE-XB-031-R上驗(yàn)證，當(dāng)打開管線機(jī)取水時(shí)，電動(dòng)閥開啟，整機(jī)啟動(dòng)制水。當(dāng)取水結(jié)束后，電動(dòng)閥關(guān)閉后，在前置濾芯和RO膜之間的水管扎一個(gè)漏水孔，因未檢測(cè)到流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)閥不開啟，僅有整機(jī)內(nèi)殘留的部分水漏出，不會(huì)源源不斷地產(chǎn)生漏水。

使用此控制系統(tǒng)，可使凈水機(jī)或管線機(jī)水滿時(shí)自來水通過電動(dòng)閥關(guān)閉，切斷進(jìn)水源頭，使凈水機(jī)減少漏水，不會(huì)源源不斷產(chǎn)生漏水造成財(cái)產(chǎn)損失，大大提高凈水機(jī)測(cè)試性、安全性。

3.4 驗(yàn)證結(jié)果

通過采用固有測(cè)試性設(shè)計(jì)的方法，以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障和正確地隔離故障為目標(biāo)，提出漏水自動(dòng)檢測(cè)并阻斷邏輯：在自來水進(jìn)水管路上增加一個(gè)電動(dòng)球閥，與帶信號(hào)的控制龍頭、高壓開關(guān)等組成控制系統(tǒng)，保證非正常狀態(tài)下關(guān)閉電動(dòng)閥，切斷進(jìn)水源頭，從自來水進(jìn)水管端開始故障隔離，使凈水機(jī)減少漏水。

4 總結(jié)

1）采用一體化集成水路板設(shè)計(jì)，從減少凈水機(jī)漏水隱患點(diǎn)、提高整機(jī)耐壓強(qiáng)度著手，將傳統(tǒng)凈水機(jī)零部件裝配復(fù)雜、管路數(shù)量多、走管復(fù)雜、售后維修漏插管及插管不到位等易導(dǎo)致漏水的問題進(jìn)行規(guī)避，實(shí)現(xiàn)水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加立體集成、更加可靠的水路結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)源頭提升凈水機(jī)可靠性，使消費(fèi)者能用水無憂。

2）采用漏水自動(dòng)檢測(cè)并阻斷方案設(shè)計(jì)，可以從水系統(tǒng)前端進(jìn)行漏水故障檢測(cè)并阻斷，有效控制漏水問題的發(fā)生，減少用戶損失。此項(xiàng)技術(shù)方案可提高凈水機(jī)測(cè)試性、安全性。

本文通過研究凈水機(jī)漏水問題，從結(jié)構(gòu)、水系統(tǒng)等方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析，提出一體化集成水路板方案及漏水自動(dòng)檢測(cè)并阻斷方案，為凈水機(jī)漏水問題解決提供參考借鑒。