水龍頭的故事 第一部分：起泡器（1）
水龍頭的故事
第一部分：起泡器（1）
The story of faucets Part I: Aerators(1)
You can either travel or read,but either your body or soul must be on the way
要麼旅行，要麼讀書，身體和靈魂必須有一個在路上
——《羅馬假日》
今天，咱們聊聊水龍頭的流量調節器（見下圖），它通常安裝於水龍頭的出水口處，俗稱起泡器、水口（以下統稱起泡器），關於這個產品，我計劃做三期內容。
起泡器
一、發展
起泡器是家庭供水管路終端產品的重要配件之一，但其功能往往被用戶忽視，最初的水龍頭是沒有配備起泡器的，如下圖所示。
早期的水龍頭
早期人們用水的狀態是這樣的：當水龍頭打開時，水會一下衝出出口，流速大、初速度方向沒有約束，水流不是直線的而是近似於圓錐狀且表面無規則的，水時常噴到不必要的地方甚至濺到用戶身上。雖然不帶起泡器的龍頭用起來流量大、出水痛快，但也存在一些問題，第一是浪廢水，一般居民家中的供水壓力在0.3MPa左右，龍頭一打開出水就已經處於最大流速，調節範圍有限，水流沒有約束，這導致部分水流沒有得到有效的利用，比如洗菜，一個流量大且沒有約束的水流既浪費了水還沒有把菜洗乾淨；第二是龍頭的出水形狀不穩定，水很容易濺到用戶身上；第三是出水有雜質，供水管路中的雜質會隨水流流出，帶有雜質的水會被放掉，這也造成了水資源的浪費；第四是出水壓力沒有限制，出水壓力大，水打到人皮膚上會有疼痛的感覺。
為了解決水龍頭出水時水花飛濺的問題，偉大的發明家們在水龍頭出水口處車出螺紋，將配套的內壁光滑的金屬環擰在出水口上，形成了龍頭的束流器，如下圖所示，這也是早期水龍頭出水口被叫做Flow regulator（束流器）的原因。
束流器（類似於洗衣機龍頭的出水口）
為了過濾水中的雜質，人們又在束流器上面加了不鏽鋼絲網，如下圖所示，這樣起泡器的雛形便形成了，通過適當增加不鏽鋼絲網層數和孔眼密度（目數）還可以達到限流的目的。
不鏽鋼絲網起泡器
在實際使用中，人們發現金屬結構的絲網表面容易與水和空氣發生反應，出現結垢或生鏽現象，這會導致水龍頭出水不暢，另外，鋼絲網起泡器對供水壓力沒有調節作用，供水壓力越大龍頭出水流量越大，這影響了人們的使用舒適度。
起泡器產品的研發起步於歐洲，企業通過數十年的實踐和研究發現塑料材質在精密加工、產品性能提升等方面有更大的空間，如今有更多的生產企業選用POM塑料作為起泡器產品的主材，如下圖所示。
五顏六色的起泡器
目前，市場上的大部分水龍頭都配備起泡器，下面這張圖覆蓋了起泡器的基本功能。
起泡器基本功能圖
二、原理、結構
起泡器是如何工作的?
起泡器的出現給水龍頭的發展帶來了質的飛躍，在我們的生活中，很多產品發明和創造的原理都會蘊含著很（看）深（不）奧（懂）的科學道理，起泡器產品也是如此。
我查閱了WIKIPEDIA中對於Aerators 的介紹後得知，起泡器的基本工作原理是物理學中的「伯努利原理「，百度百科解釋：伯努利原理往往被表述為：
p+1/2ρv2+ρgh=C....................................伯努利方程
式中: p為流體中某點的壓強；
v為流體該點的流速；
ρ為流體密度；
g為重力加速度；
h為該點所在高度；
C是一個常量
「伯努利原理」是流體物理中很重要的原理，很多現象都能用它解釋，比如飛機起飛的原理等。
此處敲黑板，劃重點，「伯努利原理」的推論是：等高流動時，流速大，壓力就小。為了方便大家理解「伯努利原理」，我用俗語解釋下，那就是：起泡器讓「打臉」變得不疼了。
什麼這麼說呢？ 因為起泡器通過提高出水速度（水流速的單位m/s 而不是L/s，單位很重要）而降低了水打在身體的體感壓力。這個試驗其實很好驗證，當您在Shower的時候把淋浴器的頂噴花灑取下來，直接在管子下沐浴，皮膚會被水砸的生疼，淋浴器裝上頂噴花灑後出水就柔和很多，花灑起到提高出水速度，降低體感壓力的作用，這裡花灑的功能就類似於起泡器。
起泡器是如果混氣的？
起泡器的混氣過程如下圖所示：
混氣過程
第一步：空氣進入起泡網（如下圖白片所示），水流被打散與空氣混合；
第二步：通過下一層或者兩層濾網格柵，水、氣混合後均勻噴出形成水流。
起泡網
混氣結果如圖所示：
好多泡泡
起泡器的基本結構
起泡器的基本結構如圖所示：
起泡器結構圖
起泡器實物拆解如圖所示：
第一排左起： 白色格柵，灰色格柵，白色起泡網；
第二排左起： 粉色限流片，透明濾網，外殼。
實物拆解圖
三、分類
常見的起泡器分為恆流型和限流型兩種。在北美、澳洲地區，水龍頭使用恆流型的起泡器才能符合當地節水標準的要求。從使用效果上說，在不同的供水壓力下，恆流型的起泡器相較於限流型起泡器流量波動更小。
限流型起泡器
限流型的起泡器核心工作原理是這樣的：濾片（如下兩圖所示）進水端孔大，出水端孔小（下面兩圖是等距拍攝的限流片進、出水兩面），通過這個設計來限制水龍頭出水流量。
限流片出水端
限流片進水端
恆流型的起泡器
恆流型起泡器工作原理我見過的有兩種，一種是通過水壓橡膠圈變形（水壓越大，橡膠被壓縮的越厲害）來達到恆流的效果，如圖所示。
另外一種是採用水壓金屬墊片變形的原理來控制水流量，如圖所示，這個點就要說下國貨了，這個設計還是挺令我驚訝的，也許用金屬片來做限流的效果要好於橡膠。
這裡我用也許是因為目前可查的標準中對於限流裝置的壽命要求是1萬周期，雖然採用橡膠圈限流結構和金屬墊片限流結構的產品都能符合標準要求，但在更長使用周期下，金屬材料做為起泡器的核心部件也許會更優秀，因為供水水壓強度遠低於金屬的疲勞強度，還有在冷、熱水交替使用的環境中下，橡膠的老化速度也會高於金屬, 雖然這個產品的認知程度可能還不高，但是值得為這種突破打電話。
Em。。。。。字數夠了 M/。
下期見！！！
最後，感謝下圖中這九個小夥伴，反反覆復的被我拆裝。在後續的相關內容中，我會展示拆解圖和一些必要的小視頻，謝謝你們，長得這麼結實。
文章中用到的樣品
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