實現洗碗機水位信號延遲傳遞的技術改進研究

黎銘峰 張 震 王松波 鐘 毅 王豪杰

（華帝股份有限公司 中山 528415）

引言

近年來，家用洗碗機（下簡稱洗碗機）逐漸受到國內消費者的關注和青睞，近年來洗碗機在國內的銷量呈快速增長的趨勢。洗碗機的核心模塊是水流系統，具體描述如下：洗滌腔底部設有水杯，水杯之前為若干級的過濾系統；在水杯側壁的中部靠下位置開有吸水口，連向循環水泵，循環水泵將水輸送到各個噴臂處，形成對餐具的噴淋清洗。洗滌過程中，洗滌腔需要存有一定量的水，水量太多或太少都會產生不良影響，尤其是進水太多，水量超過一定程度之后會漫溢出到洗碗機之外，這將可能進一步造成更大的問題，因此高水位保護是洗碗機中必不可少的，已經成為了洗碗機常規技術之一。

目前，洗碗機普遍采用氣壓式水位檢測技術，并且通過壓力開關去觸發高水位保護措施，如圖1 所示，其工作原理是：洗滌腔底部設有一個氣室，氣室和水杯在最低位置連通，因而當洗滌腔進水后，一定量的空氣將被封住在氣室之中；氣室頂部設出氣口，通過軟管和壓力開關連接，從而壓力開關能夠實時地感應氣室里的氣壓；洗滌腔內水位越高，氣室里的氣壓越大，當氣壓達到壓力開關的設定值時，壓力開關就會被觸發，進而啟動高水位保護措施——停止進水和啟動排水，直到洗滌腔內水位降回合適范圍。

圖1 氣壓式水位檢測技術的示意圖

但是，在實際使用中，如果洗滌過程中開門后又快速關門，洗滌腔內就會形成一個瞬時的高氣壓增大，并且會通過水傳導到氣室，最終就可能誤觸發壓力開關，就會啟動排水。這樣的異常排水過后，洗碗機內部水量過少，雖然可以繼續洗滌程序，但水量不足就會影響洗凈效果，進而降低用戶使用體驗。由于氣壓式水位檢測技術在洗碗機中普遍采用，因此“洗滌過程中關門誤觸發高水位保護”的問題在各類型洗碗機產品中都有可能發生，尤其是對于前開門的洗碗機，壓力開關的觸發值不能設得很大，否則可能出現滿溢但還沒有觸發高水位信號，所以這類洗碗機更容易出現誤觸發問題。

1 問題分析

對于某個洗碗機，該機采用了氣壓式水位檢測系統。通過實驗測量，氣室里面的氣壓值以及壓力開關感應到的氣壓值保持一致，并且隨著洗滌腔內的水位增高而逐漸增大，這種變化過程是持續性的。

圖2 所示是水位對應氣壓值與洗滌腔進水量的關系圖。圖中可以看到，整體與線性關系接近，并且斜率逐漸輕微減小，這是由于從水杯底向上到平面濾網再到洗滌腔底面，水平截面積逐漸增大，所以相同進水量造成水位增幅逐漸減小。正常進水量3 L 左右，其對應性的氣壓值約為840 kPa；另一方面，根據洗滌腔最大進水量可設定高水位，本實驗測得9 L 為洗滌腔最大進水量，因此設定8.2 L 為高水位，此時的氣壓值約為1 040 kPa，與正常水位的氣壓值相差200 kPa 左右。當洗碗機發生進水異常，氣壓值就會隨不斷進水而持續上升，當進水量達到高水位時，對應氣壓就會觸發壓力開關，從而啟動排水等保護措施。

圖2 水位對應氣壓值與洗滌腔進水量的關系圖

在洗滌過程中的關門場景中，門體合上過程向內膽壓入空氣，使得內膽里的氣壓上升，門合上時內膽里氣壓達到最大值。關門速度越快，形成的氣壓上升的量就越大。之后，由于內膽開有與外部相通的通氣孔和結構間隙，內膽里的氣壓會迅速下降，最后恢復到原來水平。這個氣壓恢復過程是很短暫的，對于快速關門的情況也只有約2～3 s 的時間。進一步地，當關門速度達到一定速度，氣壓增幅可能超過200 kPa，疊加到水位對應的氣壓值就產生一個瞬時高氣壓，接著這個瞬時高氣壓將沿著管路傳遞到壓力開關處，傳遞過程可理解為一個擾動沿著絕熱等截面管道的傳播[1]，傳播速度即為聲速約340 m/s，估算可知瞬時高氣壓傳到壓力開關的時間不到0.001 s，進而觸發高水位保護。由于關門產生的氣壓增幅要2～3 s 才能消除，此時氣室里的氣壓值也會隨之恢復正常，因此如果能延遲氣壓變化向壓力開關的傳遞，壓力開關將不會接收到異常的“高水位信號”，從而就不會被誤觸發。

2 方案探究

本節對氣壓式液位檢測系統的硬件結構進行深入研究，以實現對氣壓變化的傳遞形成緩沖延遲效應，并且能夠達到合適的延遲時間。

首先就緩沖器的實現方式設計了4 個技術方案，如圖3 所示，通過實驗驗證得出以下結論：①加長連接管路需要非常大的加長量，增加中間氣室也需要做到非常大，由于實際空間有限，難以滿足，并且過長或過大的零件造成成本上升較大，因此都不考慮；②增加小孔的方案，小孔的構建比較困難，并且只有若干個小孔產生的延遲效應很短，而如果構造巨大數量的小孔，管路將變得很復雜，可操作性低，因此也不考慮；③塞入海綿的方案可行，能夠產生延遲效應，并且通過調節海綿的通氣密度，可以達到合適的延遲時間。

圖3 不同緩沖實現形式的方案示意圖

確定了海綿作為緩沖器，進一步就緩沖器的安裝位置和可靠性再進行了細化設計，不同方案如圖4 所示，通過實驗驗證都有延遲效果，詳細分析如下：①海綿塞到氣室入口或當中，容易被水潤濕影響通氣性，并且海綿不好固定，因此不考慮；②海綿塞入連接管路不好操作，也難以控制海綿的松緊程度，即無法控制海綿的延遲時間，因此也不考慮；③管路中間增加緩沖器，緩沖器里面塞入海綿，并且可以控制海綿的量，從而可以比較準確而穩定地控制海綿的延遲效應，此外緩沖器對原有結構改動小，因此更加容易實施。

圖4 緩沖器設在不同位置的方案示意圖

3 緩沖器的研究

本文提出的緩沖器利用海綿透氣特性，使氣壓在緩沖器中的傳遞主要依靠滲透，傳遞時間顯著增加，從而實現了時間延遲效應，緩沖期間洗滌腔內的瞬時氣壓變化會迅速消失，從結果來看就是瞬時氣壓變化在傳遞過程中被過濾了，不會到達壓力開關就不會誤觸發高水位信號。另一方面，緩沖器的加入會使信號傳輸產生一定延遲，但由于隨水位變化的氣壓變化是持續性的，所以只要延遲時間很短，就不會影響壓力開關接收氣壓信號，并且緩沖器會過濾掉一些瞬時性的異常信號，從而還能提高水位信號檢測的準確性和穩定性。

進一步地，根據氣體在多孔介質中的滲流機理，介質滲透率越低，滲流速度越小，進而氣壓傳遞穿透所需的時間越長。緩沖器的構成如圖5 所示，將某一密度的海綿裁剪成統一20 mm 厚的圓柱狀塊體，作為填充緩沖器的單元，海綿的圓形輪廓與緩沖器的圓柱狀內腔相配。填充時，改變填充單元海綿塊的數量，就可改變內腔海綿段的密實度，從而改變緩沖器產生的延遲時間。最后，由于快速關門產生的瞬時高氣壓在約2～3 s 后恢復原值，因而當緩沖器產生的延遲時間設定為3～4 s 時，內膽瞬時高氣壓在傳到壓力開關前就會消失，從而就不會觸發“高水位信號”，能夠達成改進的目標。

圖5 緩沖器實物圖與內部結構示意圖

4 結論

本文針對洗碗機洗滌過程中快速關門可能誤觸發高水位信號的問題，對氣壓式水位檢測系統進行深入分析，提出對氣壓傳遞加入緩沖延遲的技術改進方向。通過不同方案的驗證對比，選定海綿作緩沖器的可行方案，之后再進行細化設計，出于可操作性、可調節性和效應穩定性的考慮，最終確定管路中增加海綿緩沖器的具體方案。進一步研究表明，緩沖器中的海綿越密實，產生的延遲效應越大，因此控制塞入適量海綿就能形成相對準確而穩定的延遲時間，本文采用3～4 s 的延遲時間，既可濾掉異常的瞬時氣壓波動，又不會影響原來水位檢測的功能，并且不會明顯延遲高水位信號的響應時間。綜上，本文對氣壓式水位檢測系統提出了可行可靠的改進方案，這對洗碗機的整機技術發展具有很高的促進作用。