馬桶漏水的終極救星一虹吸式馬桶水箱
馬瑪宣*梅佳龍梅珍鳳
薑北市私立復興實驗高中 你知道一座馬桶一年內可漏掉 63000 公升 的水，而使用人卻完全沒成覺嗎? 馬桶漏水是日常生活上的小問題，漏 水量看起來並不大，但日積月累下來總量 也十分可觀。事實上，看得見的漏水其實 並不嚴重，看不見的「不可停止的無廠漏 水 J' 才是真正的問題。一座馬桶一年內可 漏掉 63000 公升的水，而使用人卻完全沒 戚覺!其中的關鍵一水箱「止水器」因橡 膠材質用久了難免老舊疲乏，造成接縫不 密合而漏水。我們的新發明「虹吸式馬桶 水箱」利用虹吸管原理以「虹吸式落水器」取代傳統的水箱「止水器 J' 並利用浮球來
控制水面的高低以敢動「虹吸作用 J' 構造 簡單可靠，材料便宜可得，可謂是馬桶漏 水問題的終結者。壹、神奇的虹吸作用
虹吸現象發生必須有一邊高和一邊 低的水管，軟管或硬管皆可，管內需裝滿 水，高的那端一定要和高處的水面接觸， 低的那喘一定要和低處的水面接觸，只要 有一端離開水面，虹吸現象就會立刻把管 內的水流光而失效。 *為本文通訊作者 為何會發生虹吸現象呢?讓我們用 圖片來說明。圖 l 中可見 A 、 B 兩端各有 一水杯 'A 端比 B 端高，中間有一充滿水 的 U 形管連接。對 C 點而言，來自左方的 壓力二 latm-hA; 來自右方的壓力=latm
-hB 。因為 hA<hB' 故來自 C 點左方的 壓力>來自右方的壓力，U 型管內的水不 斷從 C 點左端流向右端，直到A 端水杯的 水面降至虛線為止。 今日，虹吸管的使用廣泛見於你我日 常生活中，舉凡清理魚缸中的髒水，清除 高處的積水，只要一根充滿水的管子，不 用抽水機就可將積水抽掉喔!本文中介紹 的「虹吸式馬桶水箱」便是利用虹吸管原 理設計而成。貳、傳統馬桶水箱之基本研究
水箱內部構造可分為二個類型，一般 坐式馬桶水箱為其中一個類型，其內部的 構造有浮球、溢水管、進水器、止水器與 拉桿，拉桿以繩索牽引止水器;另一種類 型為蹲式高掛馬桶水箱，其內部的構造有 浮球、進水器、落水管、落水器與拉桿， 拉桿以繩索牽引止水器，如圖3 所示。Tlh|
上
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B 端 圈 l 、虹吸作用原理示意圖拉桿
進水器
國 2 、虹吸作用運用於生活實例溫水管
浮球
止水器
圖 3 、一般坐式馬桶水箱示意圖(紅色虛線部分為傳統水箱易漏水之處)馬桶漏水的終拯救星 --h吸式馬桶水箱 進水器 落水管
拉桿
浮球
止水器
落水器
圖 4 、蹲式高掛馬桶水箱示意(紅色虛線部分為傳統水箱易滿處) 二、馬桶水箱運作原理l
一般坐式馬桶水箱運作原理如下:其中，因為止水器橡膠容易老化變形，因此會產 生馬桶漏水問題。"
(I) 滿水位的狀態 (2) 拉桿拉起止水器，開始沖水 .-一~ (3) 拉桿放鬆但止水器保持開敘並繼續 銜水，浮球因水面降低而下況，進 水器因而開屆主補水。 圖 5 、一般坐式馬桶水箱運作原理示意圖 (4) 止水器關閉停止沖水，進水器持續 補水，直到回復滿水位的狀態。 (紅色虛線部分為易漏水之處)2. 蹲式高掛馬桶水箱的運作原理如下:因蹲式高掛馬桶水箱的浮球、補水器與一般坐 恥馬桶水箱作用相同，為使圖面簡潔，故省略不畫。此型水箱與一般坐式馬桶水箱 同樣有止水器橡膠老化變形產生的漏水問題。 停永綠
...
停水線 (I) 滿水位的狀態。 (2) 拉起止水~開始沖水，依白勢和j 定律排水管因水流動產生低壓﹒故將起$水 管內的水吸出，形成虹吸管﹒r"-"l
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停水線司~
停水線 (4) 水面到這停水線，結束:中水進水 話給水益回到滿水位的狀態﹒ (3) 止水~鬧鬧但虹吸At未停止，放繼續沖永﹒ 國 6 、蹲式高掛馬桶水箱的運作示意圖(紅色虛線部分為易漏水之處)馬桶漏水的終極救星一直工吸式馬桶水箱 圖 7 、止 7)(. 器橡膠老化變形照片
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I 一一-一一一止水
器
橡
膠
老
化
變
形
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圖 8 、止水器橡膠老化變形示意圖 水箱體有裂縫、 7]( 管連接處漏水與水箱內零件鬆動等問題由外觀即可看出來，並且 形成的原因很單純問題易解決。然而，馬桶水箱在使用時間拉長後，止水器的橡膠老化 變形的機率增高，水箱「無感漏水」的問題乃是造成多數馬桶漏水而使用者卻毫不知覺 的最大元兇'本發明「虹吸式馬桶水箱」就是針對此問題所形成的漏水做徹底的改善。參、虹吸式落水器的設計
為了要改善傳統馬桶水箱止水器漏水的問題，我們利用「虹吸式落水器」取代傳統 的「止水器 J '它最大的不同點在於沒有頂蓋，主要以高低水位變化所引發的虹吸作用 毆動沖水，因此沒有止水器老化變形的漏水問題。虹吸式
落*器
N
高水線 一f一『 低水線
Ll..-停水線 虹吸管 圖 9 、虹吸式馬桶水箱內部設計圖(為了使圖面簡潔，只繪出7 虹吸管及虹吸式落7j(.器) 經過實驗測試，水箱內水面高度若超過「高水線J' 虹吸作用確實會發生，水面會降至「停水線」為止。
圖 ， A.未使用峙的狀態‘.
D. 水面降低至停水線，虹 吱作用停止 B. 拉桿拉動浮球下況使水面 土升並后主動虹吸作用 C. 水面降低虹吸作用持續 圖 10 、紅吸式馬桶水箱運作示意圖肆、第一代虹吸式馬桶水箱
目前新型馬桶 7.K.箱為了達成省水的 目的，紛紛走向兩段式沖水的設計，第一 段大約沖出 4 公升的水，第二段大約沖出 6 公升的水，為了使「虹吸式馬桶水箱」 也能具有這樣的功能，我們做了以下的修 正: 位水管停水. . _*w.萬水. 圓圓間可---高水管 高水管停水.. 馬桶漏水的終極救星一虹吸式馬桶水箱 2. 水面上升至低水管高水線時，低水管 發生虹吸作用。水面降至低水管停水 線時，虹吸作用結束。此時「高水管」 不會發生虹吸作用，只會漏出少許的 水， r 低水管」沖出的水等於「低水 管停水線」到「低水管高水線」之間 的水量，沖水量約等於4公升，相當於 新型省水馬桶水箱的第一段沖水。 3. 水面上升至高水管高水線時，高、低 水管同時發生虹吸作用，水面降至高 水管停水線時，虹吸作用結束。此時， 「高水管」沖出的水等於「高水管停 水線」到「高水管高水線」之間的水 '沖水量約等於 6 公升，那麼這項 動作便相當於新型省水馬桶7.K.箱的第 二段沖水。 圖 11 、兩段式沖水虹吸水箱設計圖 高水管 低水管 圖 12 、兩段式沖水虹吸水箱虹吸式落水器 套組成品圖【說明】
I.未開始使用時，水面停留在低水線。 但在實際使用上，壓下浮球使水面上 升必須克服浮球的浮力，一顆浮球體積約等於 1250 mL 的水，壓下浮球使之沒人水
面可以敢動第一段沖水(施力約1. 25 公 斤) ;壓下浮球必須再外加 700mL
7.K.才能 順利歐動第二段沖水(施力約1. 95 公 斤)。此外，拉桿設計原理為拉桿的施力臂 約為浮球抗力臂的 1/3 '壓下沖水的力道 必須是浮球浮力的 3 倍 (4 公斤)。為了要 突破此施力瓶頸，我們做了接下來的實驗與改良。
伍、你看過一胖一瘦的虹吸管嗎?
在設計完「第一代虹吸式馬桶水箱」 後我們發現，若使用出人水管管徑相同的 虹吸管，必須要非常用力按下浮球才能使區主》
水面上升至足夠高度以做動虹吸作用。我 們的新發明「虹吸式馬桶水箱」特色之一， 也是申請專利的第二個項目，就是一胖一 瘦的虹吸管:出水管(小管〉、人水管(大 管)以及連接出、入水管的彎管(如圖 14 所示)。經由買了驗證實，如此的設計能有效 減少敢動虹吸作用所需的上升水量(表 卜圓 17-19) ，也就是說，以較小的力量 按下浮球，便可使水面上升足夠的高度， 進而引發虹吸作用以順利沖水。此設計的 構想及原理如下:我們拿實驗室中不同管 徑的量筒作示範(圖 15) ，明顯可見同體 積的液體在管徑較小的量筒液面高度較 高。人水管的管徑比出水管管徑大，如此 一來，輕按浮球，水面上升的高度便能使 出水管(小管)被填滿，虹吸作用即能發 生(圖 16 )。注意此時連接兩端水管的總 管內尚有空氣，並不用整個被填滿，可說 是虹吸管設計的一大突破。由此可知，虹 吸管頂端真空並非是敢動虹吸作用的必要 條件，有空氣也能有虹吸現象喔! 圖 13 、大小管徑虹吸管的設計 圍 14 、同體積的液體( 10mL) 在不同管 徑的量筒液面高度比較 人水管(大管) 出水管(小管) 彎管 圖的、大小管徑虹吸管虹吸作用屆主動示意圖 (注意:此時彎管內尚有空氣，不用完全被水填滿便能屆主動虹吸作用)馬桶漏水的終極救星一虹吸式馬桶水箱 表卜大小管徑虹吸管管徑比與其每秒沖水量的關條 人水管管徑 出水管管徑 管徑比值 歐動虹吸作
質驗序號
(人水管管徑÷ 每秒沖水量 (公分) (公分) 出水管管徑) 用的注水量1.8
1.
6
1.
12
1350mL
180mL
2
3
.4
1.
6
2.12
400mL
190mL
3
3
.4
2.0
1.70
650mL
270mL
4
4.2
2.0
2.10
450mL
290mL
5
4.2
2.6
1.
61
1I00mL
470mL
6
6.0
2.6
2.30
350mL
500mL
實驗序號 l 實驗序號 2賞驗序號 3
實驗序號 4實驗序號 5
實驗序號 6em
=1.8
=3.4
=6.0
=4.2
入水管管經
圖 16 、不同管經比值的虹吸管ωm
∞
mNωmNωmNω
呵。
'、 -A 峙 A 且可 1d 而 JqL 呵，BTi--每秒沖水量
門1出水管管經
em
2.6
2
1.
6
圖 17 、出水管管徑與每秒沖水量的關條【說明】
卜因市售彎管管徑種類有限，我們僅能就 買得到的尺寸來做實驗，管徑大於 2.6 公分的水管，已無法安裝在落水器上， 故本實驗出水管管徑上限為 2.6 公分。 2 、浮球的體積等於 1250ml 的水，為求實 驗結果的精確，質驗中我們以注人水代 替壓人浮球的動作，一開始水箱內的水 位高度在低水線(圖 18 )。3 、以實驗序號(
I '
2) 、(3
,
4) 、 (5
' 6)
來看，出水管管徑不變，人水管管徑越 大「管徑比值」會也變大，虹吸歐動注 水量則隨之減少，但每秒沖水量會微幅 增加(表 2 、圖 19 )。4 、以實驗序號 (2
'
3) 、 (4
'
5) 來看，人
水管管徑不變，出水管管徑越大「管徑 比值」會變小，虹吸歐動注水量則隨之 增加，但每秒沖水量會大幅增加。 5 、以整體數據來看，出水管管徑變大，每 秒沖水量會大幅增加(閩 19 )。 6 、傳統馬桶水箱每秒沖水量大約是 700ml ，以我們的「二段式虹吸水箱」 而言，使用「管徑比值 2.1 J (第二段虹 吸管)及「管徑比值 2.3J (第一段虹吸 管〉各 l 支併列，利用不同的「水面上 升高度」來達成二段式沖水的目的。其 中，第一段沖水的每秒沖水量為 320 mL ，第二段沖水的每秒沖水量可達 680 mL' 近似於傳統馬桶水箱的每秒沖水1i!
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圓 J 8 、兩段式沖水虹吸馬桶水箱模型 表 2 、傳統馬桶水箱與虹吸式馬桶水箱的比較 傳統式馬桶水箱 虹吸式馬桶水箱 無段氏 2 段式第 1 段 2 段式第 2 段第 1 段
第 2 段 每秒沖水量690mL
360mL
690mL
320mL
680mL
總沖水量7100mL
4700mL
7200mL
4500mL
7300mL
馬桶漏水的終極救星一虹吸式馬桶水箱 第二段虹吸管 第一段虹吸管 圍內、大小管徑虹吸式落水器套組成品圓
