基于超聲波清洗裝置的多功能保溫杯設計

朱 悅， 邢 菲， 謝景衛， 秦華珍

（1.大連大學 機械學院， 遼寧 大連116622； 2.大連大學 國際學院， 遼寧 大連116622；3.大連大學 創新創業學院， 遼寧 大連116622； 4.大連大學 生命學院 遼寧 大連 116622）

0 引言

我們的設計是將超聲波性能更好的應用于保溫杯，打造能達到良好清洗效果的多功能保溫杯。 市面上大多數保溫杯效用單一，而當涉及到其它的飲用液體（如茶、奶、果汁等），則會產生較難清洗的污垢。清洗的頻繁費時費力，也無法達到真正的健康清洗標準。為了讓人民的生活更加便利豐富，我們對保溫杯進行了創新設計。本產品設計的是一款集智能清洗、養生、保溫多功能一體的智能養生杯。 利用麥飯石涂層及超聲波等技術將市場上多種養生杯的優秀特性集于一體并進行創新， 同時保證養生杯的便攜性和實用性[1]。 多功能水杯產業的發展滿足了人民對保溫杯的期望，符合當今社會科技的發展。

超聲波清洗技術已經廣泛的使用在人們生活之中，經過長期的市場實踐和技術沉淀， 超聲波技術的應用成本也越來越低；同時超聲波元器件的體積也不斷變小，這為超聲波應用在更小的設備之中提供可能。 所以本產品的技術成本、生產成本都處于可控之中。 麥飯石是一種天然硅酸礦物鹽，在我國山東、燕山山脈、太行山脈、內蒙、遼寧都有大量分布。 它對人體無毒無害，并具有一定的生物活性和藥用價值。 噴涂在保溫杯內部杯壁上，在超聲波清洗時與飲用水接觸之下能夠分解出對人類有益的各種礦物質。

1 設計原理

產品設計通過超聲波震動和麥飯石相結合的螺旋內壁增強了超聲波在內壁清洗震動的頻率和幅度， 同時麥飯石本身對這些粘稠液體有很好的不粘性， 能夠在不沾和清洗中起到足夠的清洗和維護內杯壁效果。 以往的超聲波清洗保溫杯往往只是通過簡單超聲波震動原理來進行清洗內壁， 而沒有通過改善內壁架構和內壁本身材質來做到不沾污垢和清洗污垢。 所以該產品通過改善內壁結構和內壁材質的方式解決以往超聲波清洗杯在根源上解決不到的痛點。 同時本產品進一步利用了超聲波的特性，利用超聲波震動讓水分子進行碰撞，從而通過動能產生熱， 而這一部分熱能加上保溫杯本身的保溫特性能夠足夠的讓杯內水保持在人們所需要的溫度， 更加適用于人飲用。 相對于以往的超聲波清洗杯不僅在清洗程度上而且在保溫效果上更加具有優勢。

同時，現有的超聲波清洗杯有的是外置電源，有的是杯體內置一蓄電池。 外置電源會使使用者在外面使用過程中無法查看保溫杯內水杯的實時溫度。 而內置電池可能對杯體水質產生一定的不良影響， 故本專利在杯底內置了一塊儲能電容， 在不進行清洗的過程中通過儲能電容中的電能足夠帶動水杯的感溫電阻和顯示屏進行正常工作。不僅解決了飲水品質問題，同時也解決了使用者對水溫的實時把控需求。

2 技術方案及實施內容

產品設計提供了一種具有超聲波清洗， 麥飯石涂層功能的保溫杯，可以解決杯子使用過程中清洗不方便、不徹底的缺點， 利用超聲波使液體中的空化作用和直流作用直接、間接地作用于液體和污染物，分散、乳化、剝離污染物層，達到清洗目的。另一方面保溫層采用麥飯石不沾杯涂層，與超聲波結合可極大增強清洗效果。且該保溫杯外置有溫度數字顯示屏，可實時反映杯中的液體溫度，保溫杯具有體積小、方便攜帶、清潔污垢徹底、保溫時間長等優點。

為實現上述目的，產品設計的技術方案為：一種帶有超聲波清洗裝置的麥飯石螺旋內膽保溫杯。 具體包括：杯蓋、杯體，內麥飯石涂層內膽、底座。杯體中依次為：具有麥飯石涂層的氧化鋁不銹鋼內膽、中空保溫層，杯部底座包含：超聲波發生器及換能器、單片機、控制面板、儲能電容。

2.1 溫度傳感器

在杯內膽底部內置了溫度傳感器——DS18B20 數字溫度傳感器，主要通過單片機進行驅動并讀取溫度值。這種溫度傳感器的精度在0.5℃左右，功耗低，并且電路簡單，操作性強。同時，它是數字型的，可將實時溫度導入單片機中， 并將溫度數字信號顯示在杯底座外側的數字顯示屏上， 儲能電容內置于杯底座為單片機及數字顯示器提供電能[2]。

2.2 內膽螺旋曲面形狀

保溫杯內膽采用順時針螺旋曲面形狀， 加以提升超聲波清洗時能量的轉換效率， 并且內膽內部為麥飯石涂層， 利用其自身的不粘性輔助超聲波對保溫杯中難溶性物質的清洗。

2.3 單片機控制系統

使用AT89S51 單片機，它的性能強大，有著完整的輸入輸出、控制端口、以及內部程序存儲空間；其次，它價格低廉，適用于大批量的計量儀器進行規?；脑?，每單片價格不超五元；使用此單片機可以直接與超聲波發生器、換能器、溫度傳感器、數字溫度顯示屏、BRP002R8L105FA（2.8V 1F）超級電容、超生波發生裝置控制開關、控制數字顯示的點觸開關連接。 如圖1 所示。

圖1 超聲波控制裝置及溫度顯示框圖

2.4 超聲波發生、換能裝置

保溫杯底座夾層置有超聲波發生、換能裝置。從效果和經濟性考慮，選用型號為50X26，頻率為42kHz，功率為30W，工作電壓為直流24V 的低電壓超聲波換能器，它的傳導效率高，功耗低，超聲波頻率較高，可以達到保溫杯良好的清洗效果， 換能器直接與內膽底部接觸從而發揮超聲波清洗作用。

2.5 外壁設置

保溫杯底部杯外壁設置鑲嵌式超聲波按鍵控制開關，數字顯示屏和點觸開關及USB 充電接口[3]。

3 技術成果

保溫杯不僅能夠達到超聲波全方位無死角的清洗，使之無污垢殘留，無異味的效果，而且超聲波振動與麥飯石涂層結合產生的熱量可以極大延長保溫時間，提升保溫效果。 設計的溫度顯示可以提供杯中液體的實時溫度，完全消除了使用者飲水時對水中的溫度不明確的顧慮。 如圖2 所示為3D 打印的實物圖。

圖2 3D 打印實物圖

4 具體實施方式

4.1 整體結構布局

設計提供一種帶有超聲波清洗裝置的保溫杯，具體包括：杯體，超聲波自動清洗器，杯蓋，多功能底座，USB 充電裝置，溫度顯示器。杯體中依次設置：超聲波發生器及換能器，麥飯石螺旋內膽，感溫傳感器；所述底座安裝在杯體底座部，清洗時將底座安裝上；所述杯體裝有溫度顯示器，采用USB 充電方式和大電容電池，可反復充電。 在不充電情況下，為杯子進行加熱、清洗[4]提供電能。 如圖3 所示。

圖3 超聲波保溫杯結構圖

在清洗過程中，首先將杯中灌入清水，蓋上杯蓋，將杯子原本底座卸下裝上接收器底座， 插上電源， 打開開關，即可達到清洗目的。

在攪拌過程中，將需要攪拌的液體加入到杯子內，插入電源，打開開關，即可達到攪拌目的。 超聲波與麥飯石涂層結合，在超聲波的震動下，不僅能對水造成一定程度上的加熱，還能加速涂層礦物質的分離，從而達到增加水中對人體有益的礦物質含量。

4.2 超聲波發生器和換能器結構

設計中提供超聲波清洗功能，在杯底夾層放置超聲波發生器，發生器鑲嵌在螺旋內膽底部，達到超聲波震動清洗效果。 如圖4 所示。

圖4 超聲波發生器與轉換器結構圖

4.3 實施例3

本實施例采用一種麥飯石涂層，達到不粘杯效果。麥飯石涂層涂在螺旋型杯內壁，結合超聲波可以達到保溫效果，增強清洗效果[5]。

4.4 杯底座設計

設計采用外置USB 接口充電方式，用中型電容器存儲電能，延長續航時間，便于戶外攜帶使用。 使用時打開USB 接口蓋子， 接入電源線即可充電同時可以看到指示燈亮起。 在內膽底部，設置一個感溫電阻，通過單片機處理后將溫度顯示在外杯顯示器上，觸碰點觸開關，即可在顯示屏上顯示溫度。 結構布局如圖5 所示。

圖5 底座內部結構圖

4.5 杯體曲面結構圖

杯體結構設計是最大的亮點，杯體采用曲面設計，增大杯體與杯中液體的受熱接觸面積， 更快更便捷的達到加熱的目的[6]。這款加熱功能還同時保證使水溫接近人體正常溫度。 杯體曲面結構如圖6 所示。

圖6 杯體結構圖

5 結束語

通過設計與測試， 該保溫杯在保溫時可將溫度控制在35 攝氏度左右，符合人最佳飲水溫度； 同時檢測發現使用超聲波清洗時能有效洗去杯內污垢，并且在攪拌時，超聲波引起的“水爆”現象能夠使水充分攪拌，攪拌效率可達80%；另外，杯子底座有溫度顯示器，可實時監測當前水溫。

設計旨在解決市場上保溫杯單一功能的弊端， 打造了集保溫、攪拌、養生、清洗、溫控為一體的多功能保溫杯，實現一杯多用的目的，極大的滿足了現代人的使用需求，具有廣闊的市場前景。