小型家用智能洗碗機設計

鄒涵 耿其東 曹佳銘 馬宇 王旭

摘?要：為了迎合當前家電市場“健康經濟”“懶人經濟”的發展趨勢，設計了一款結合自激振蕩脈沖噴淋清洗以及超聲波空化清洗方式的小型家用超聲波洗碗機。通過Fluent仿真計算出合理的自激振蕩脈沖射流結構參數，并選用合適的超聲波發射器及超聲波換能器，最終設計出一款集多樣清洗、節能節水、家用環保、多功能儲物為一體的小型智能洗碗機。

關鍵詞：洗碗機;自激振蕩脈沖噴淋;超聲波空化

1 家用洗碗機現狀及發展方向

1.1 現狀

通常來說，洗碗機有傳統的噴淋式清洗和新型超聲波清洗兩大類。第一種噴淋式洗碗機實現方式為水流經水泵加壓從噴淋臂出水孔噴出，噴淋臂本身受力可以實現注水自旋。第二種水槽式超聲波洗碗機則多為在內腔注滿水，通過發射高頻超聲波使液體中產生劇烈運動的空化氣泡，從而使附著在碗筷表面的污漬脫離。

陳偉才，李東華[1]指出：中餐油膩重、烹飪手段豐富、多種食材混合烹飪，因此，容易出現因水流沖刷不到位、機器設計存在死角等，導致洗凈力差，洗滌效果不理想。當前洗碗機洗滌方式單一，多為機械噴淋式清洗，內部碗架結構單一且無法盡可能利用內部空間，甚至出現死角，為了達到清洗效果往往加入污染環境的洗滌劑，所以清洗效果往往不盡如人意。

考慮到以上傳統噴淋式洗碗機的缺點，超聲波洗碗機應運而生。然而，目前超聲波洗碗機的應用區域幾乎上還只是商用超聲波洗碗機，主要用在賓館、飯店、部隊、學校、機關、廠礦食堂等大型場合[2]。這些產品有著噪聲小、全方位清洗等優點，但是多為商用、占地面積大。由于是單一的超聲波清洗，耗水量亦極大。

1.2 發展方向

當前我國廚衛市場呈現整體增速放緩的趨勢，洗碗機作為“健康經濟”“懶人經濟”的代表性新興廚電產品，呈現出逆勢增長的態勢[3]。為了迎合該經濟發展趨勢，迫切需要一款結合了傳統噴淋清洗以及超聲波清洗方式的小型智能洗碗機，從而可以達到像洗衣機、微波爐、空調等家電的高密度安裝到戶。只需要將碗筷放入洗碗機籃，經一系列自動處理碗筷可儲入其中下次使用時再拿出，真正實現了傻瓜式一鍵洗碗、儲碗。

2 總體設計

小型家用智能洗碗機，包括箱體、上蓋和控制面板，箱體內設有工作槽和碗架，工作槽外側設有超聲波換能器，上蓋安裝有上噴淋臂，工作槽內部底面設置有下噴淋臂，所述下噴淋臂內部設有水流通路，水流通路末端為出水口。當把碗筷放入對應位置后，上下一對噴淋臂注水自旋產生全方位交叉熱水，使碗筷表層污漬膨化脫落并經過粉碎槽及時排出。然后控制換能器通過空化效應進一步清洗污漬，一段時間后水位沒過加熱絲，加熱絲開始加熱。此時再次排水，上下噴淋臂再次注水噴淋以作最后一次清洗，該過程亦可以實現清洗槽的自清洗。一系列工作完成后，可活動面板打開，實現通風，同時碗筷洗凈后直接置入其中以作儲物柜之用，可以最大限度利用空間。

3 噴淋臂設計

上下噴淋臂采用不同的設計，下噴淋臂設計了噴淋模塊，上噴淋臂設計了噴淋模塊和自激振蕩模塊如圖2所示。自激振蕩脈沖空化射流是一種具有很強空化作用的新型水射流技術，同時具有結構簡單、無附加驅動結構等優點，其沖擊效果優于連續射流[4]，所述自激振蕩模塊包括進上水道、振蕩腔和下水道。高速水流經上水道流入振蕩腔，在振蕩腔的諧振作用下可以產生上下各一對渦環。這些渦環在振蕩腔內反復沖擊碰撞、沖擊即可產生脈沖流，最后由下水道噴出的水流即為間歇性脈沖空化射流。

3.1 結構參數

影響水流在自激腔內渦環形成效果的參數有上水道直徑d1、下水道直徑d2、振動腔直徑Dc、自激腔長度Lc、和碰撞壁中心角。下面采用無量綱分析法對確定d1=1.25mm、d2=1.5mm，以及最優碰撞壁角度為120°兩個條件的情況下，分析Lc/Dc比值不同所形成的不同渦環效果。其詳細結構參數見下表。

3.2 流場仿真

下面通過Fluent選用湍流模型并進行二維仿真。初期射流階段，激振發生產生渦環，在自激腔體內形成“8”字形的負壓腔，同時高速射流遇到下游的碰撞壁向四周擴散引發一個以射流軸線為軸心的速度渦環[5]。由圖3可知高速水流進入振動腔內形成的渦環隨著腔長的變化而變化。如果高速水流在自激腔內仿真出的壓力云圖、速度大小&速度矢量云圖可以形成一對簡單、均勻的渦環，則說明此時自激腔內的激振效果較好。所以在LC/DC=0.3 5～ 0.5時自激腔內激振效果較好，其有序振蕩的輸出動能亦最大。

4 超聲波設計

超聲清洗是一項應用廣泛的功率超聲方法和應用技術。當超聲波傳播到液體中時會產生無數氣泡，這些氣泡迅速脹大和閉合，使液體粒子之間發生猛烈的撞擊作用，從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強，對零件表面的污物反復沖擊[6]。超聲清洗設備主要由兩部分組成：超聲波發生器和超聲換能器。

4.1 超聲波發生器

超聲波發生器原理是首先由信號發生器來產生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個特定頻率就是換能器的頻率。一般是采用給信號發生器通電，將交流電轉換成高頻信號，20KHz、25KHz或者更高的頻率，然后通過換能器將信號轉換成超聲波。

4.2 超聲波換能器

超聲波換能器為一種將機械能、高頻電能轉化為聲能的裝置。超聲波發生器產生的高頻信號引起換能器內換能材料中電磁場的變化，對換能器的機械振動部分產生一個推動力，使之進入振動狀態，接著導致與機械振動系統相連的介質振動，向介質中輻射聲波。本機選用QHQ-4GL-5028型超聲波換能器，諧振頻率為280.5，絕緣阻抗為1000MΩ，功率為100W。

5 結語

小型家用智能洗碗機結合了自激振蕩脈沖噴淋清洗以及超聲波清洗的方式，通過適當的清洗順序、以較小的耗水量和無污染的方式達到洗滌效果，實現了清洗方法上創新。另一方面，該洗碗機實現了結構上創新，體積小、可通風、可儲物，具有廣泛的市場前景。

參考文獻：

[1]陳偉才，李東華.中國家用自動洗碗機及其專用洗滌劑的現狀及其趨勢[J].中國洗滌用品工業，2017（05）：24-31.

[2]孫嘉燕，李保紅，王述洋.洗碗機現狀及實現中國洗碗機普及新探索[J].現代科學儀器，2012（01）：137-141.

[3]2019年中國家電行業一季度報告[J].家用電器，2019（07）：55+58+56-57+59-73.

[4]戚美，王立夫，陳慶光，趙見龍，鞠永恒，付琪琪.雙腔室自激振蕩脈沖噴嘴空化射流的數值模擬[J].排灌機械工程學報，2020，38（05）：457-461.

[5]弓永軍，郭臣，侯交義，張增猛.基于Fluent的脈沖射流噴嘴的全尺寸結構優化[J].液壓與氣動，2014（11）：32-35.

[6]赫亮. 航空發動機低渦軸超聲波清洗技術研究[D].大連理工大學，2016.

項目支持：鹽城工學院大學生創新就業訓練計劃項目校級項目——小型家用超聲洗碗機設計（設計編號：2019-177）

作者簡介：鄒涵（1999—?），男，漢族，江蘇常州人，本科在讀學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。