鄒涵 耿其東 曹佳銘 馬宇 王旭

摘?要：為了迎合當(dāng)前家電市場“健康經(jīng)濟(jì)”“懶人經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)了一款結(jié)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(jī)。通過Fluent仿真計(jì)算出合理的自激振蕩脈沖射流結(jié)構(gòu)參數(shù)，并選用合適的超聲波發(fā)射器及超聲波換能器，最終設(shè)計(jì)出一款集多樣清洗、節(jié)能節(jié)水、家用環(huán)保、多功能儲(chǔ)物為一體的小型智能洗碗機(jī)。

關(guān)鍵詞：洗碗機(jī);自激振蕩脈沖噴淋;超聲波空化

1 家用洗碗機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

1.1 現(xiàn)狀

通常來說，洗碗機(jī)有傳統(tǒng)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(jī)實(shí)現(xiàn)方式為水流經(jīng)水泵加壓從噴淋臂出水孔噴出，噴淋臂本身受力可以實(shí)現(xiàn)注水自旋。第二種水槽式超聲波洗碗機(jī)則多為在內(nèi)腔注滿水，通過發(fā)射高頻超聲波使液體中產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)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(xiàn)因水流沖刷不到位、機(jī)器設(shè)計(jì)存在死角等，導(dǎo)致洗凈力差，洗滌效果不理想。當(dāng)前洗碗機(jī)洗滌方式單一，多為機(jī)械噴淋式清洗，內(nèi)部碗架結(jié)構(gòu)單一且無法盡可能利用內(nèi)部空間，甚至出現(xiàn)死角，為了達(dá)到清洗效果往往加入污染環(huán)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(tǒng)噴淋式洗碗機(jī)的缺點(diǎn)，超聲波洗碗機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。然而，目前超聲波洗碗機(jī)的應(yīng)用區(qū)域幾乎上還只是商用超聲波洗碗機(jī)，主要用在賓館、飯店、部隊(duì)、學(xué)校、機(jī)關(guān)、廠礦食堂等大型場合[2]。這些產(chǎn)品有著噪聲小、全方位清洗等優(yōu)點(diǎn)，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(fā)展方向

當(dāng)前我國廚衛(wèi)市場呈現(xiàn)整體增速放緩的趨勢，洗碗機(jī)作為“健康經(jīng)濟(jì)”“懶人經(jīng)濟(jì)”的代表性新興廚電產(chǎn)品，呈現(xiàn)出逆勢增長的態(tài)勢[3]。為了迎合該經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，迫切需要一款結(jié)合了傳統(tǒng)噴淋清洗以及超聲波清洗方式的小型智能洗碗機(jī)，從而可以達(dá)到像洗衣機(jī)、微波爐、空調(diào)等家電的高密度安裝到戶。只需要將碗筷放入洗碗機(jī)籃，經(jīng)一系列自動(dòng)處理碗筷可儲(chǔ)入其中下次使用時(shí)再拿出，真正實(shí)現(xiàn)了傻瓜式一鍵洗碗、儲(chǔ)碗。

2 總體設(shè)計(jì)

小型家用智能洗碗機(jī)，包括箱體、上蓋和控制面板，箱體內(nèi)設(shè)有工作槽和碗架，工作槽外側(cè)設(shè)有超聲波換能器，上蓋安裝有上噴淋臂，工作槽內(nèi)部底面設(shè)置有下噴淋臂，所述下噴淋臂內(nèi)部設(shè)有水流通路，水流通路末端為出水口。當(dāng)把碗筷放入對應(yīng)位置后，上下一對噴淋臂注水自旋產(chǎn)生全方位交叉熱水，使碗筷表層污漬膨化脫落并經(jīng)過粉碎槽及時(shí)排出。然后控制換能器通過空化效應(yīng)進(jìn)一步清洗污漬，一段時(shí)間后水位沒過加熱絲，加熱絲開始加熱。此時(shí)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(shí)現(xiàn)清洗槽的自清洗。一系列工作完成后，可活動(dòng)面板打開，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)，同時(shí)碗筷洗凈后直接置入其中以作儲(chǔ)物柜之用，可以最大限度利用空間。

3 噴淋臂設(shè)計(jì)

上下噴淋臂采用不同的設(shè)計(jì)，下噴淋臂設(shè)計(jì)了噴淋模塊，上噴淋臂設(shè)計(jì)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(qiáng)空化作用的新型水射流技術(shù)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單、無附加驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，其沖擊效果優(yōu)于連續(xù)射流[4]，所述自激振蕩模塊包括進(jìn)上水道、振蕩腔和下水道。高速水流經(jīng)上水道流入振蕩腔，在振蕩腔的諧振作用下可以產(chǎn)生上下各一對渦環(huán)。這些渦環(huán)在振蕩腔內(nèi)反復(fù)沖擊碰撞、沖擊即可產(chǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)

影響水流在自激腔內(nèi)渦環(huán)形成效果的參數(shù)有上水道直徑d1、下水道直徑d2、振動(dòng)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(yōu)碰撞壁角度為120°兩個(gè)條件的情況下，分析Lc/Dc比值不同所形成的不同渦環(huán)效果。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見下表。

3.2 流場仿真

下面通過Fluent選用湍流模型并進(jìn)行二維仿真。初期射流階段，激振發(fā)生產(chǎn)生渦環(huán)，在自激腔體內(nèi)形成“8”字形的負(fù)壓腔，同時(shí)高速射流遇到下游的碰撞壁向四周擴(kuò)散引發(fā)一個(gè)以射流軸線為軸心的速度渦環(huán)[5]。由圖3可知高速水流進(jìn)入振動(dòng)腔內(nèi)形成的渦環(huán)隨著腔長的變化而變化。如果高速水流在自激腔內(nèi)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(huán)，則說明此時(shí)自激腔內(nèi)的激振效果較好。所以在LC/DC=0.3 5～ 0.5時(shí)自激腔內(nèi)激振效果較好，其有序振蕩的輸出動(dòng)能亦最大。

4 超聲波設(shè)計(jì)

超聲清洗是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的功率超聲方法和應(yīng)用技術(shù)。當(dāng)超聲波傳播到液體中時(shí)會(huì)產(chǎn)生無數(shù)氣泡，這些氣泡迅速脹大和閉合，使液體粒子之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，對零件表面的污物反復(fù)沖擊[6]。超聲清洗設(shè)備主要由兩部分組成：超聲波發(fā)生器和超聲換能器。

4.1 超聲波發(fā)生器

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

4.2 超聲波換能器

超聲波換能器為一種將機(jī)械能、高頻電能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號(hào)引起換能器內(nèi)換能材料中電磁場的變化，對換能器的機(jī)械振動(dòng)部分產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，使之進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，接著導(dǎo)致與機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相連的介質(zhì)振動(dòng)，向介質(zhì)中輻射聲波。本機(jī)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(jié)語

小型家用智能洗碗機(jī)結(jié)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(dāng)?shù)那逑错樞?、以較小的耗水量和無污染的方式達(dá)到洗滌效果，實(shí)現(xiàn)了清洗方法上創(chuàng)新。另一方面，該洗碗機(jī)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新，體積小、可通風(fēng)、可儲(chǔ)物，具有廣泛的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]孫嘉燕，李保紅，王述洋.洗碗機(jī)現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)中國洗碗機(jī)普及新探索[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012（01）：137-141.

[3]2019年中國家電行業(yè)一季度報(bào)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(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，38（05）：457-461.

[5]弓永軍，郭臣，侯交義，張?jiān)雒?基于Fluent的脈沖射流噴嘴的全尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].液壓與氣動(dòng)，2014（11）：32-35.

[6]赫亮. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低渦軸超聲波清洗技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué)，2016.

項(xiàng)目支持：鹽城工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新就業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目校級(jí)項(xiàng)目——小型家用超聲洗碗機(jī)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)編號(hào)：2019-177）

作者簡介：鄒涵（1999—?），男，漢族，江蘇常州人，本科在讀學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。