一種新型便攜式超聲波去漬筆的設計

吳圓歡　王巍　林煒文　王一龍　李瑞云　李泊凝

【摘要】

本文基于超聲波空化原理設計一款新型便攜式去漬筆，分析外出時如何對衣物污漬進行有效清潔。重點討論了利用大氣壓原理設計的真空引水裝置，為衣物清潔提供便攜水源，以及能將驅動電能轉換為超聲能量的超聲波輻射裝置，實現超聲波對衣物的清洗，同時研究雙腔推拉式結構的污水回存裝置，將清洗完成后的污垢抽吸回存，完成自動給水、超聲清潔、污水回收一體化的便攜式去漬筆設計。

【關鍵詞】超聲波清潔，真空引水裝置，污水回存槽，便攜式

Design of a New Portable Ultrasonic Stain Removing Pen

WU Yuanhuan WANG Wei* LIN Weiwen WANG Yilong LI Ruiyun LI Boning

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China）

Abstract： In this paper， based on the principle of ultrasonic cavitation， a new type of portable stain removal pen is designed to analyze how to effectively clean clothes stains when going out. This paper focuses on the design of vacuum water diversion device based on atmospheric pressure principle， which provides portable water source for clothing cleaning， and the ultrasonic radiation device which can convert the driving electric energy into ultrasonic energy to realize the cleaning of clothing by ultrasonic. At the same time， the sewage recycling device with double cavity push-pull structure is studied， which can pump and store the dirt after cleaning， and complete the automatic water supply， ultrasonic cleaning and sewage recycling Design of portable stain removing pen integrated with water recovery.

Key Words： Ultrasonic cleaning; Vacuum water diversion device; Sewage storage tank; Portable

0. 引言

效率、清潔、干凈的生活，應是我們每個人的日常追求。

然而日常生活中想要時刻保持清潔卻不是件容易的事，我們經常會遇到如下尷尬場景：吃飯時衣物不慎沾上油污;寫字時袖口不慎留下筆痕;女士的領口不慎蹭染上化妝品等等。

大多情況下這些細小的污漬由于場所的限制無法得到及時的清潔，不僅影響我們形象的美觀，而且隨著時間的增加污漬會愈發難以清洗，為后續清洗帶來不便。

針對以上問題，為了做到在公共場合也能高效、及時地清洗衣物上的污漬，避免尷尬的處境，本項目研究一款能夠隨身攜帶、有效去漬的產品。

早在上世紀末，超聲波洗衣技術便已經研發出來，但由于各種因素其并未得到實際的應用，也并未得到商品化。^[1]

近年來，超聲波清衣技術逐漸完善，相比傳統洗衣技術，超聲波洗衣清潔質量高，且不需使用過多清洗劑，環保經濟 ^[2]，開始廣泛應用于衣物清潔領域。

成都覓瑞科技有限公司^[3]設計了一款便攜式清潔筆，包括清潔部和儲液部，工作時由儲液部提供清洗液，利用清潔部的刷頭進行清潔。但是清潔速度慢，且機械式刷頭清潔對某些高級面料的衣物磨損率大，使用局限范圍大。

ViTUN公司^[4]設計了一款超聲波洗衣筆，能夠實現極速清洗，但是在使用時需要脫下衣物，還需單獨準備潔凈水與清洗液，并在衣物后墊附紙巾用以吸收污水。不僅較為繁瑣，具有一定的場地限制，不能真正做到在公共場合隨意使用;而且沉積的污物顆粒也會損傷衣物本身的材質。

基于上述研究背景，本項目旨在設計一種能夠高效去漬、自動給水，并實現將清洗污水與沉積污物吸收回存處理的新型超聲波去漬筆，真正實現“隨時隨地”使用、一體化快速精準的清潔過程。

1. 產品整體設計

超聲波去漬筆外殼設計成海豚流線型，外觀尺寸大小為155mm×75mm，符合人體工學結構，便于手部抓握，且曲線設計貼合手部，使用時不會增加手部的疲勞感。產品外殼采用鋁合金屬材質，體積小，重量輕，便于日常出門攜帶，符合產品設計初衷，同時在一定程度上起到防水耐腐蝕的作用，保證產品使用壽命，其整體外觀如圖1所示。

內部結構如圖2所示，殼體3為裝置主體，包括換水口1、指示燈2、按鈕4、霧化清潔頭5;內部結構如圖3-2所示，包括污水回存槽6、儲水箱7、集成電路板8、鋰電池9、充電接口10、真空引水裝置11、超聲波輻射裝置12。

2. 產品具體設計

2.1 超聲波輻射裝置設計

清洗槽、換能器以及超聲波發生器是組成超聲波清洗機必不可少的一部分。^[5]本產品超聲波輻射裝置實質為一個超聲波壓電換能裝置，由頻率發生器、驅動電源、超聲波換能器三個基本元件構成，如圖3所示。

頻率發生器

超聲波換能器

驅動電源

圖3 超聲波換能裝置整體結構

頻率發生器能夠產生固定頻率精度的信號源，為超聲波換能器產生機械振動提供一定頻率的信號。

驅動電源，可將驅動信號輸入超聲波換能器，通過對換能器施加高壓交流電，使其內部電容處于充電和放電的反復狀態。

超聲波換能器是一種能量轉換器件，它能將輸入的電功率轉換成機械功率，在頻率發生器和驅動電源的作用下，換能器中的壓電晶片在交變電場的作用下同步伸縮變形，從而形成大功率機械振動，即超聲波能量。

超聲波接觸到水便會發生空化作用，在水中形成空化氣泡，空化氣泡數量越多，清潔效果越好。^[6]超聲波所釋放出的能量使空化氣泡產生振動，與衣物表面發生摩擦，通過沖洗與擦洗使污垢松動，然后鉆入污垢的縫隙中繼續振動，直至污垢脫落;同時氣泡閉合的沖擊波會使不溶性污垢被擊碎，對于可溶性污垢，氣泡產生的高速微射流使清洗液滲入污垢內部，加快其溶解。^[7]

信號頻率高于20Hz即為超聲波，在本產品中采用頻率為40 kHz的頻率發生器。頻率發生器與中低功率的驅動電源連接，通過超聲波換能器，最后與霧化清潔頭的金屬振片元件連接，形成整個超聲波輻射裝置。超聲輻射裝置工作時，僅需由鋰電池提供電流，啟動微型電機帶動清潔頭部的環形振片產生有效機械功率，從而與水作用發生空化反應，直接與衣物表面的污漬接觸，實現快速清潔，提高續航能力。

2. 2. 真空引水裝置設計

該去漬筆的創新之一在于增加自動給水功能，即在使用產品進行清潔時，不需要單獨準備水源，而是由去漬筆內部存儲的水源通過特定的裝置直接輸出，解決外出時清潔的不便。為實現去漬筆的自動給水功能，本產品參照農業引水裝置設計一種微型真空引水裝置，如圖4所示。

傳統真空引水罐一般由灌水閥、排氣閥、水箱、進水管、出水管等組成，其進水管連接吸水管道， 出水管連接水泵。其工作原理是在水泵啟動前， 首先打開灌水閥和排氣閥， 再通過灌水閥向水箱內灌水，當水箱灌滿水后再啟動水泵，水泵會先抽取水箱內的水，水箱內液位下降，管內便會形成負壓，在大氣壓的作用下，水就會沿著進水管進入水箱，當水泵的排液和水泵吸水管的進液達到平衡，水箱內的液位就不會再下降，從而達到穩定工作狀態，水泵也就達到了額定工作狀態，持續不斷完成輸送水源的工作。^[8]

該真空罐只設計兩根導管，取消灌水閥這一零件，同時在排氣管與出水管之間增設一根吸氣管，目的是將由水中分離出來的小氣泡及時隨水流排走，不會積留于罐體內，使罐體處于真空狀態，從而保持水泵長期穩定運行。 ^[9]

由于排氣管、吸氣管、出水管上都帶有排氣閥，從而在日常使用中有利于罐體中的氣體排出，從而使罐體保持氣壓平衡狀態，能夠長期穩定運行，增加產品壽命。真空引水裝置的進水管與儲水箱相連，水泵排液管與霧化清潔頭相連，當水泵正常運行時，儲水箱內的水會沿著進水管進入真空罐，再從出水罐流向霧化清潔頭，為超聲波清潔提供水環境。

2. 2. 污水回收裝置設計

本產品內部設計一種特殊結構的污水回存槽，使其能夠實現清洗污水與沉積污物的吸收回存處理。

污水回存槽外形為一長條形的雙層空腔結構，外層即矩形環裝空槽，外腔與換水口連接，內層腔內置有推拉式活塞，內腔槽頂引出一根吸水管與霧化清潔頭相連，如圖5所示。當啟用去漬筆的吸水功能時，首先將霧化清潔頭處的環形金屬振片與污漬處相觸，同時內腔的推拉式活塞以極快的速度向下移動，擠壓腔內空氣，形成負壓，在大氣壓的作用下，金屬振片處的清洗污水及沉積污物會被壓入吸水管中，從而進入污水回存槽的內腔。當推拉式活塞運動到內腔底部后，內腔槽頂吸水管的止水閥打開，同時內外空腔的接口打開，污水及污物從內腔流入外腔，當污水全部進入外腔以后，內外腔接口關閉，吸水管止水閥關閉，推拉式活塞回到內腔頂部，一次吸水運動完成。

同時在去漬筆外殼上設計污水回存槽的外腔可視化容量刻度線，讓使用者可以準確得知回存槽當前的儲液量，若儲液量達到一定高度，則需要由換水口將污水回存槽中的污水及時排出，避免影響后續污水吸收回存功能的使用。

2. 2. 霧化清潔頭裝置設計

本產品將霧化清潔頭裝置設計成圓臺狀，圓臺底面是附有孔洞的圓形平面，在大氣壓作用下從真空引水裝置中排出的液體，再經過霧化清潔頭的孔洞，形成均勻細小的霧化水珠，為超聲波的空化反應提供水環境，又不會打濕衣物的其他地方;圓臺外輪廓是一圈突出的金屬振片，用以產生機械振動，與水作用發生空化反應，從而實現超聲波清潔。

2. 2. 其他局部設計

1. 功能按鈕設計：共有四擋功能操作，分別為開/關、清洗、出水、吸水，通過集成電路板的設計，正確選擇系統配置、電路形式、器件結構和工藝方案，使用戶實現一鍵化操作。

2. 滑移按鈕：按鈕位于產品外殼中部，與大多數人抓握本產品時大拇指的位置相近，伸出手指就能輕松就能觸碰到按鈕，使用方便。按鈕旁附帶不同功能對應的控制編碼提示，從而使不同操作者快速掌握本產品功能使用。

3. 指示燈：作為本產品顯示器，位于產品外殼頭部，符合人類眼睛從上到下的視覺運動規律，可覺察性好，同時向使用者傳達產品當前的電量信息，綠光代表產品電量充足，紅光則表示產品當前電量不足，辨別性好，且符合人群日常使用習慣。

4. 換水口：換水口分為兩部分，一部分與儲水箱連接，實現潔凈水與清洗液的補充;另一部分與污水回存槽外腔連接，實現清洗污水的排放處理。在不使用時應將這兩個閥門同時關閉，需要加水和倒廢水時，只需打開換水閥門即可加水或倒廢水。^[10]

5. USB充電：外部通過接入充電接口對鋰電池進行充電，保證產品的續航能力，實用性強。

2. 產品工作過程

本產品工作過程：在進行衣物清潔時，首先第一步先選擇出水功能檔位，去漬筆內部真空引水裝置和霧化清潔頭裝置同時工作，儲水箱內的清洗液被吸入真空泵，真空泵內的水又有水泵排出，在高壓作用下從霧化清潔頭噴射而出，形成均勻細微的水珠，打濕衣物上污漬沾染處。第二步選擇清洗功能檔位，去漬筆內部超聲波換能裝置開始工作，超聲波換能器接收到振蕩發生器的頻率信號和驅動器中的驅動電能后，使霧化清潔頭上的金屬振片產生機械振動，同時與水作用發生空化反應，使衣物上的污漬被震碎脫落，從而實現清潔。第三步是選擇吸水功能檔位，使去漬筆內部污水回存槽裝置開始工作，金屬振片與清洗后的污漬接觸，通過推拉式活塞向下運動，使清洗污水及污物由吸水管被吸入污水回存槽內腔中，最后再流入外腔，實現污水的回收處理。當以上功能完成以后，選擇關機功能檔位，使去漬筆停止工作。

2. 結語

本產品通過超聲波清潔技術、真空引水裝置的自動給水功能、污水回存槽的廢水回收處理以及集成控制系統的調節實現在各種場合及時高效清潔衣物的目的。且創新設計原理簡單，實用性強，符合當前社會人們對于便攜式衣物清潔產品的需求，易被廣大消費者接受，為投入市場使用創造良好基礎。

參考文獻

1. 史雅琪.新型超聲波洗衣機結構原理分析[J].科技創新與應用，2016（16）：69.

2. 顏秋艷. 超聲波洗衣與傳統洗衣技術的探討[J]. 現代工業經濟和信息化，2016（14）：23-2.

3. 任家樂. 便攜式清潔筆：中國， 201920346145.5 [P]. 2019.11.19.

4. Emma. 超聲波極速洗衣筆[J]. 設計，2017（10）：18.

5. 黃志超，涂林鵬，劉舉平，黃薇，韓志利.超聲波清洗技術及設備研究進展.華東交通大學學報，2020，37（3）：1-9.

6. 陳志棟，葉香美. 超聲波洗衣技術去污性能研究[J]. 物聯網技術，2017（03）：71-72.

7. 周德麟.超聲波洗衣機清洗的機理和結構的探討[J].家用電器科技，2002（06）：72-76.

8. 盧珍，周小波，曾文明，李玉玲，李光輝.真空引水裝置的設計計算[J].四川農業與農機，2019（03）：25-26.

9. 馮林豹，高友好.真空罐引水裝置設計選用及設置要點[J].青島建筑工程學院學報，1999（01）：3-5.

10. 于釗.一種超聲波洗衣機的研發[J].機械設計與制造工程，2015，44（03）：76-78.