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摘要
在科學(xué)技術(shù)不斷提升和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，各種各樣的新式電器開(kāi)始出現(xiàn)在人們的生活中，它們也在逐漸融入現(xiàn)代家庭，為人們帶來(lái)便利。相比于老式電器新型電器更高效，更節(jié)能，更環(huán)保。在這個(gè)大環(huán)境下，中國(guó)也在大力發(fā)展家用電器行業(yè)，在不斷的競(jìng)爭(zhēng)淘汰之后留下了一批具有國(guó)際影響力的企業(yè)。Haier就是其中的佼佼者?，F(xiàn)在中國(guó)的大部分家庭中都有一兩臺(tái)電視機(jī)、洗衣機(jī)或冰箱，但是人們對(duì)于家用洗碗機(jī)還是處于一種比較陌生的狀態(tài)。洗碗機(jī)在中國(guó)的家用電器行業(yè)可以說(shuō)是一片還沒(méi)開(kāi)發(fā)好的新領(lǐng)域。其實(shí)我們不難發(fā)現(xiàn)其中的原因，人們印象中的洗碗機(jī)都是用噴臂渦輪進(jìn)行水流沖洗，這對(duì)中式餐具的特殊結(jié)構(gòu)并不適用。這直接造成了洗碗機(jī)清洗效果差，效率低下，能耗較高，不受消費(fèi)者的歡迎。為了改變洗碗機(jī)人們腦海中的尷尬印象，提高洗碗機(jī)的清洗能力我們需要更好的清洗機(jī)構(gòu)，超聲波洗碗機(jī)的概念從此而生。超聲波洗碗機(jī)能在三個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)洗碗機(jī)進(jìn)行改良。在結(jié)構(gòu)上超聲波洗碗機(jī)的清洗槽選用不銹鋼等不易磨損產(chǎn)生異味的材料，而噴臂輔助清洗裝置，進(jìn)排水系統(tǒng)和超聲波清洗系統(tǒng)來(lái)提升清洗效果和優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)。在清洗工藝上，設(shè)定合理的的參數(shù)來(lái)保證清洗效果。
關(guān)鍵詞 超聲波；洗碗機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
Improve the science and technology and rapid economic development of modern society, all kinds of new electrical began to appear in people's life, they are gradually integrated into the modern family, bring convenience for people. It is more efficient, more energy efficient, and more environmentally friendly than the new electric appliances. In this environment, China is also vigorously developing the household appliance industry, leaving behind a batch of internationally influential enterprises after the continuous competition. Haier is one of the best. Most families in China now have one or two TV sets, washing machines or refrigerators, but people are still in a strange state about the household dishwasher. Dishwasher in China's household appliances industry is a new area that has not been developed. It is not hard to see why, as the impression of dishwashers is washed with the spray arm, which is not suitable for the special structure of Chinese tableware. This directly results in poor cleaning effect, low efficiency and high energy consumption, which is not popular with consumers. In order to change the embarrassing impression of the dishwasher, we need better cleaning mechanism and the concept of ultrasonic dishwasher is born. The ultrasonic dishwasher can improve the traditional dishwasher in three ways. On the structure of ultrasonic dishwasher cleaning trough selects produce peculiar smell not easy to wear and tear of material such as stainless steel, spray cleaning device for auxiliary arm, into the drainage system and ultrasonic cleaning system to improve the cleaning effect and optimize the whole structure. In the cleaning process, set reasonable parameters to ensure the cleaning effect.
Keywords ultrasonic dishwasher the design of overall structure ;
XI
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目 錄
摘要 I
Abstract II
1 前言 1
1.1 超聲波洗碗機(jī)簡(jiǎn)介 1
1.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品 3
2超聲波清洗原理及方案設(shè)計(jì) 4
2.1超聲波清洗原理 4
2.1.1概述 4
2.1.2超聲清洗的工作機(jī)制 4
2.1.3 超聲空化閥值 6
2.2 超聲波洗碗機(jī)方案設(shè)計(jì) 7
3超聲波清洗參數(shù) 9
3.1 聲強(qiáng) 9
3.2頻率 9
3.3 清洗液 9
4超聲場(chǎng)相對(duì)空化強(qiáng)度 10
4.1空化強(qiáng)度測(cè)量方法原理 10
4.2空化強(qiáng)度測(cè)量 10
4.2.1數(shù)據(jù)擬定 11
4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論 11
5超聲波重要參數(shù)確定 13
5.1 清洗溫度，超聲波換能器功率，清洗時(shí)間 13
5.2 餐具的合理擺放 15
5.3 總結(jié) 15
6洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
6.1 整體方案 16
6.2 外殼和碗籃 16
6.3 清洗槽 17
6.4 進(jìn)排水系統(tǒng) 17
6.4.1 水位感應(yīng)系統(tǒng) 18
6.5 加熱系統(tǒng) 18
6.6 門開(kāi)關(guān)電路 19
6.7 噴臂系統(tǒng) 19
6.8 超聲清洗系統(tǒng) 20
6.8.1 超聲波發(fā)生器 20
6.8.2 超聲波換能器 21
6.9 總結(jié) 22
結(jié)論 23
致謝 24
參考文獻(xiàn) 25
1 前言
1.1 超聲波洗碗機(jī)簡(jiǎn)介
餐后洗碗是大家每天都要做的一項(xiàng)家務(wù)，然而經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使餐桌上的食物越發(fā)豐富，洗碗似乎就成了一件必須做卻又讓人厭煩的事情。過(guò)多的油漬使得人們需要耗費(fèi)更多的時(shí)間，這在如今快節(jié)奏的生活中所不能接受的。洗碗機(jī)能夠解放人們的雙手，使日常的生活變得更加愉悅舒適。然而普通的洗碗機(jī)費(fèi)水又費(fèi)電且需要專業(yè)的洗滌劑，清洗的結(jié)果有時(shí)又不讓人特別滿意，這無(wú)形中加大了人們的生活負(fù)擔(dān)。這種洗滌方式難以被人們所接受。
超聲波其實(shí)也是一種聲波，只不過(guò)它的頻率比較高，一般都在2000赫茲以上。它具有良好的方向性能，能夠穿透固液體，能夠很容易的得到聚集在一起的聲能量。超聲波能夠在液體體中廣泛傳播，且能傳到很遠(yuǎn)的地方。這使它能在工農(nóng)業(yè)上用來(lái)做很多事情，像是測(cè)距離，測(cè)速度、清洗物品等。因?yàn)槌暡ň哂泻芎玫拇┩改芰Γ仪鍧崨](méi)有太大的污染，所以人們創(chuàng)新式的將超聲波作為洗碗機(jī)的清洗機(jī)構(gòu)。超聲波洗碗機(jī)的概念就這么來(lái)了。
超聲波的清洗會(huì)受到許多的方面的影響。超聲波清洗的條件之一就是清洗的聲波強(qiáng)度必須要比空化閥（液體產(chǎn)生空化反應(yīng)的最小聲壓）大，而且被清洗物品的材料也是影響清洗結(jié)果的一大因素。材料對(duì)聲強(qiáng)的反應(yīng)越強(qiáng)，聲波清洗的效果就會(huì)越好，像金屬、玻璃一類的物品就比較適合用超聲波進(jìn)行清洗。相對(duì)的，材料對(duì)聲強(qiáng)的反應(yīng)越弱，聲波清洗的效果就越差，像布料膠質(zhì)物品就不適合用超聲波進(jìn)行清洗。由于我們是將超聲波利用在洗碗這件事上，清洗的主要物品都是大家常用的餐具像碗、碟一類的的東西。多數(shù)碗碟都是陶瓷，金屬和塑料的，它們的材料都是對(duì)聲強(qiáng)反應(yīng)十分強(qiáng)烈的。用超聲波來(lái)對(duì)它們進(jìn)行清洗理論上是十分有效的，清洗的成果是能夠保證的。清洗的介質(zhì)也會(huì)對(duì)清洗成果造成影響。一般的清洗介質(zhì)為水和化學(xué)清洗劑。其中化學(xué)清洗劑清洗效果好但對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。水作為清洗劑有粘度小，利于清洗，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。在水溫達(dá)到45攝氏度的時(shí)候，水作為清洗介質(zhì)產(chǎn)生的空化作用最為強(qiáng)烈。
超聲波清洗將液體介質(zhì)的空化作用發(fā)揮到極致，液體空化產(chǎn)生的沖擊力會(huì)對(duì)清洗物品的外表污物進(jìn)行不斷撞擊，直至污物剝離。這樣的清洗過(guò)程十分快速，高效。更為重要的是超聲波清洗對(duì)于孔狀幾何形狀的物體的清洗效果也一樣出眾，清洗無(wú)死角。將超聲波應(yīng)用在洗碗機(jī)上的這一想法是十分有用的。它作為健康環(huán)保的新型家用電器能夠解放人們的雙手，幫助人們更好的適應(yīng)這個(gè)快節(jié)奏的社會(huì)。
超聲波洗碗機(jī)較常規(guī)洗碗機(jī)的幾大優(yōu)勢(shì)：
1、節(jié)約水電資源，低噪音。
2、清洗過(guò)程無(wú)死角，清洗過(guò)程快速高效。
3、無(wú)需專業(yè)的化學(xué)清洗劑，環(huán)保。
4、超聲波洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)耐用
1.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
“德國(guó)的米勒公司于1929年制造出歐洲的第一臺(tái)家用洗碗機(jī)。隨后美國(guó)GE公司在1954年研制出第一臺(tái)電動(dòng)洗碗機(jī)，其電動(dòng)式的工作模式有效的提高了洗碗機(jī)的清洗效果，而且它在整機(jī)結(jié)構(gòu)方面也有明顯提升，使得人機(jī)關(guān)系大為親密，更好的體現(xiàn)了洗碗機(jī)的實(shí)用性。洗碗機(jī)在西方開(kāi)始流行開(kāi)來(lái)。其中日本作為第一個(gè)研究洗碗機(jī)的亞洲國(guó)家，在經(jīng)歷了一系列的研究之后于90年代末成功研制出了全自動(dòng)洗碗機(jī)，進(jìn)一步推動(dòng)了洗碗機(jī)發(fā)展。在日本不斷研究提升洗碗機(jī)的性能的同時(shí)，歐洲的洗碗機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟，洗碗機(jī)正式成為歐美國(guó)家廚房的寵兒?！彪S著國(guó)外的洗碗機(jī)市場(chǎng)發(fā)展的不斷完善，洗碗機(jī)開(kāi)始成為國(guó)外家庭的必備廚房電器。日漸提高的市場(chǎng)需求使得企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)新型洗碗機(jī)的熱情越發(fā)高昂。市場(chǎng)氛圍好，企業(yè)之間的不斷相互競(jìng)爭(zhēng)使西方的洗碗機(jī)產(chǎn)業(yè)朝著好的方向持續(xù)前進(jìn)。
在國(guó)外市場(chǎng)大規(guī)模流行的洗碗機(jī)多數(shù)是噴臂和渦輪式的，這兩種洗碗機(jī)由于技術(shù)的不斷成熟以及市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)其生產(chǎn)成本比較穩(wěn)定，其售價(jià)也在大多數(shù)家庭所能接受的范圍內(nèi)，而且這兩種洗碗機(jī)很適合西方餐具的清洗，清洗效果也能得到保證。21世紀(jì)的人們開(kāi)始注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)以及資源的節(jié)約，在這種觀念的推動(dòng)下，西方國(guó)家已經(jīng)研制出了超聲波洗碗機(jī)。這種洗碗機(jī)較傳統(tǒng)洗碗機(jī)有許多新技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，其消耗資源少且清洗的效率很高，最重要的是它十分環(huán)保不會(huì)產(chǎn)生二次污染，對(duì)于資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)具有十分很遠(yuǎn)的影響。
1.3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)由于工業(yè)起步晚且底子較西方國(guó)家比較薄在80年代才開(kāi)始研究生產(chǎn)家用洗碗機(jī)，然而由于技術(shù)的不成熟加之產(chǎn)品的定位不準(zhǔn)確洗碗機(jī)沒(méi)能在國(guó)內(nèi)流行開(kāi)來(lái)。國(guó)內(nèi)洗碗機(jī)的普及率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他家用生活電器。這其中有著許多的原因，我們可以分析一下。首先，我們國(guó)家的一些企業(yè)只看到國(guó)外洗碗機(jī)的龐大市場(chǎng)和高額利潤(rùn)而盲目的將國(guó)外的品牌洗碗機(jī)的流水線引進(jìn)中國(guó)，短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)量達(dá)到了但是忽略了西方餐具與中國(guó)餐具的結(jié)構(gòu)差異。即使在洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)上做出了一些改進(jìn)，效果卻依然不明顯。其次是由于洗碗機(jī)的清洗效果達(dá)不到預(yù)期，效果差。為了達(dá)到清洗標(biāo)準(zhǔn)提高洗滌時(shí)間，這直接導(dǎo)致洗碗機(jī)的運(yùn)行成本激增，已經(jīng)不再是適合大眾家庭的經(jīng)濟(jì)型家電，不被市場(chǎng)所歡迎。最后，傳統(tǒng)洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其體積都比較大，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展房?jī)r(jià)日增的中國(guó)很難為其騰出安放空間。當(dāng)然我國(guó)現(xiàn)在還在生產(chǎn)洗碗機(jī)的企業(yè)還有許多，其中Haier的洗碗機(jī)已經(jīng)在市場(chǎng)上占據(jù)了一定份額。然而中國(guó)的電器市場(chǎng)是極為龐大的，這只是很少的一部分，大部分的洗碗機(jī)市場(chǎng)尚未被開(kāi)發(fā)，亟待發(fā)展[2]。
1.4國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品
在這里我們用Haier的洗碗機(jī)來(lái)作為代表進(jìn)行研究。既然是選擇代表那我們就應(yīng)該選擇在市場(chǎng)上相對(duì)來(lái)說(shuō)比較受歡迎的機(jī)型來(lái)講解，如Haier6和4系列。?
Haier4系列???Haier4系列包括了WQP4—2、WQP4—2000A和WQP4—3三個(gè)型號(hào)。這三種型號(hào)都采用了上下雙噴淋器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使餐具上下部清洗同步，噴臂能夠噴射出高速的水流對(duì)餐具進(jìn)行沖洗，這種設(shè)計(jì)在一定程度上能夠提高清洗效果，且因?yàn)槭菄姳鄣闹苯記_洗清洗時(shí)間也會(huì)變短。Haier4的這三種型號(hào)的洗碗機(jī)都采用了外置過(guò)濾網(wǎng)的新式結(jié)構(gòu)來(lái)方便使用者的操作。這種人性化的設(shè)計(jì)還額外加上了消毒功能。在安全性能上這三種型號(hào)的洗碗機(jī)也是很出色的，其警報(bào)系統(tǒng)會(huì)在運(yùn)行過(guò)程出問(wèn)題或是門存在異常的時(shí)候發(fā)出警報(bào)聲。?
Haier6系列???Haier6系列包括WQP6—3、WQP6—2B、WQP6—2三個(gè)型號(hào)。這三種型號(hào)的洗碗機(jī)的外形都比較大，其高度達(dá)到了800毫米。這三種型號(hào)的洗碗機(jī)均采用方形內(nèi)膽，噴臂系統(tǒng)在這種形狀的內(nèi)膽中能夠發(fā)揮很高的作用。三款洗碗機(jī)創(chuàng)新式地設(shè)計(jì)出分離式的上下餐具架，且兩個(gè)餐架可以獨(dú)立工作。其干燥系統(tǒng)采用的是內(nèi)循環(huán)式，通過(guò)空氣的不斷循環(huán)解決了餐具上冷凝水的殘留問(wèn)題。6系列洗碗機(jī)利用新型磁化技術(shù)，防止油污堆積，而且能夠清除污跡。且清洗槽頂部設(shè)有水位感知系統(tǒng)防止水流溢出，提高安全性能。
從我國(guó)市場(chǎng)上流行的幾款家用洗碗機(jī)的性能上來(lái)看，大部分的企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到了中式餐具與西方餐具在清洗上的不同。???????
但是我們依然能夠發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上洗碗機(jī)存在的問(wèn)題。雖然企業(yè)在洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能上已經(jīng)進(jìn)行了一定的改良，但從總體上來(lái)說(shuō)這些洗碗機(jī)還是不符合中式餐具的清洗特點(diǎn)，其清洗的結(jié)果還是不能讓中國(guó)廣大的消費(fèi)者滿意。這就是國(guó)內(nèi)的洗碗機(jī)市場(chǎng)久久不能快速發(fā)展的原因。其次就是因?yàn)橄赐霗C(jī)的水耗和電耗比較高。洗碗機(jī)的一次標(biāo)準(zhǔn)清洗過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。洗碗機(jī)的功率也較其它家用電器來(lái)說(shuō)偏高，這種程度的能耗若長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行則不符合大多數(shù)家庭的消費(fèi)水平。而且由于市場(chǎng)的未開(kāi)發(fā)程度比較高各種品牌混雜，良莠不齊，消費(fèi)者難以決斷。洗碗機(jī)在中國(guó)作為家用電器的新星價(jià)格不太親民，而且利用洗碗機(jī)清洗需要配合使用其專用清潔劑這也在另一方面提高了使用成本。而且這些化學(xué)清洗劑不僅價(jià)格高，對(duì)環(huán)境污染巨大。洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和它的內(nèi)部材料也是其不受歡迎的一大原因。市場(chǎng)上的洗碗機(jī)的清洗內(nèi)膽多為塑料所制，這種材料的洗碗機(jī)若經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的使用后油污不斷積累會(huì)變得十分油膩，十分難以清洗。這直接導(dǎo)致了“洗碗機(jī)洗碗，人洗洗碗機(jī)”這種本末倒置的奇怪現(xiàn)象[1]。所以綜上所述，我們需要更好的清洗機(jī)構(gòu)。
2超聲波清洗原理及方案設(shè)計(jì)
2.1超聲波清洗原理
2.1.1概述
聲波是一種能夠被人耳聽(tīng)到的一種縱波。聲波的頻率一般會(huì)在16到16000HZ范圍內(nèi)。然而當(dāng)聲波的頻率超過(guò)16000HZ的時(shí)候，人耳就無(wú)法感受到了，它已經(jīng)超出一般人耳的聽(tīng)范圍，此時(shí)它就被稱為超聲波。超聲波和聲波擁有同樣的特質(zhì)，它們都可以在氣體，液體和固體中傳播[3]。
超聲波的主要特質(zhì)如：（1）我們可以利用超聲波將能量進(jìn)行運(yùn)輸，超聲波承載能量得同時(shí)會(huì)對(duì)它所路過(guò)的東西上產(chǎn)生壓力。產(chǎn)生的壓力的數(shù)值越大代表超聲波承載的能量越大，相應(yīng)的如果超聲波的頻率越高產(chǎn)生的壓力越大。（2）當(dāng)我們利用液體作為超聲波的傳播介質(zhì)時(shí)，由于超聲波承載能量它也會(huì)在傳播途徑中產(chǎn)生壓力，這種壓力會(huì)是液體介質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)。這樣就能夠在液體介質(zhì)中不斷地形成壓縮區(qū)域和稀疏區(qū)域。在壓力的作用下，所以液體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)壓力正，負(fù)交變所引起的空化現(xiàn)象。空化現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間是很短的，而這樣短的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的壓力是很大的。如果這種壓力作用在零件上足以使其遭到破壞。（3）超聲波在傳播的過(guò)程中可能會(huì)經(jīng)過(guò)不同的傳播介質(zhì)，而它在每種介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的所以在超聲波經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)時(shí)速度會(huì)突然變化，這種變化另一方面會(huì)對(duì)聲波的傳播造成影響，產(chǎn)生波的折射和反射現(xiàn)象。反射聲波所產(chǎn)生的能量大小是可以估算的，它是取決于兩種傳播介質(zhì)的波阻抗的差異的，當(dāng)差異越大的時(shí)候，能量也就越大。（4）超聲波在傳播的過(guò)程中會(huì)碰到阻礙，聲波會(huì)發(fā)生干涉和共振的現(xiàn)象。目前空化作用被廣泛的應(yīng)用于超聲波清洗機(jī)中[4]。
2.1.2超聲清洗的工作機(jī)制
超聲波和聲波是同一種東西，區(qū)別只在于頻率的大小，所以在超聲波通過(guò)傳播介質(zhì)時(shí)壓力也會(huì)不斷變化。在液體中找到一點(diǎn)并確定它的具體位置，我們持續(xù)的觀察這個(gè)已知點(diǎn)所受到的壓力。其壓力的變化曲線如圖A。以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為參考靜壓力，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它受到的壓力會(huì)產(chǎn)生增大和減小，在聲波強(qiáng)度的不斷增大后這個(gè)已知點(diǎn)的所受壓力值的變化會(huì)增大，甚至在幅值時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)的壓力。
空化作用：超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)若果調(diào)整頻率使液體介質(zhì)不斷地受到增壓和減壓兩種力的壓迫，在不斷的作用下液體中會(huì)產(chǎn)生數(shù)量眾多的真空氣泡。這些氣泡十分脆弱，若收到再次的壓力就會(huì)發(fā)生破裂。破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的壓力對(duì)液體介質(zhì)產(chǎn)生沖擊，密集的爆炸能夠產(chǎn)生很大的壓力。
圖1液體內(nèi)部壓力圖
介質(zhì)被爆炸壓力推動(dòng)對(duì)清洗物進(jìn)行沖擊將表面的油污沖落，發(fā)生爆炸的氣泡如圖2(A)。由于沖擊力的不斷作用物體表面的污垢層與物體不端產(chǎn)生間隙，眾多的小氣泡持續(xù)的爆炸使得表面的油污一直受到這種沖擊力，圖2(B)展示了這一現(xiàn)象，氣泡不斷爆炸推動(dòng)，油污最終被沖擊力將其從表面脫離。這就是空化二次效應(yīng)[5]。
聲波的強(qiáng)度決定了液體中的空化氣泡的爆炸力的強(qiáng)度，當(dāng)聲波的強(qiáng)度夠大時(shí)空化氣泡爆炸的同時(shí)彼此劇烈碰撞，極大的增強(qiáng)了爆炸的能量。液體介質(zhì)被巨大的能量不斷推動(dòng)沖擊清洗物的表面。油污在受力下不斷脫落，從而達(dá)到清洗的目的。而且這種爆炸力產(chǎn)生的沖擊力是遍布在液體內(nèi)部的，浸沒(méi)在液體中的清洗物的任何表面都會(huì)受到這種力的沖擊，清洗是沒(méi)有盲區(qū)的。空化效應(yīng)在清洗的同時(shí)也帶來(lái)了另一個(gè)好處，由于液體介質(zhì)不斷碰撞會(huì)對(duì)細(xì)菌造成很大的殺害，有很好的消毒的能力。[6]。
直進(jìn)流作用：超聲波在液體介質(zhì)中傳播的過(guò)程中會(huì)在其傳播的路徑上造成液體的流動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象我們稱之為直進(jìn)流。這種水流也能在一定程度上對(duì)清洗物進(jìn)行沖洗，且清洗劑不斷溶解污物，對(duì)提高清洗效果十分有用。
乳化作用：在空化作用下清洗物上的油污分子會(huì)受到巨大的沖擊力，在水流的沖洗下被乳化。
空化作用可以被利用在很多的領(lǐng)域。而且洗碗機(jī)的主要工作對(duì)象是餐具，餐具的材料多為對(duì)聲強(qiáng)反應(yīng)很強(qiáng)烈的材料再配合上合理的清洗劑，可以充分發(fā)揮空化效應(yīng)的能力。本洗碗機(jī)就是利用空化效應(yīng)的清洗能力[3]。
圖2 空化二次效應(yīng)
2.1.3 超聲空化閥值
了使清洗液中產(chǎn)生空化效應(yīng)我們需要調(diào)整超聲波的聲強(qiáng)，而能夠使其產(chǎn)生空化效應(yīng)的最小聲強(qiáng)就叫空化閥值[4]。
空化閥Pc表示為：
（1-1）
式中Po——表示液體的靜壓力；
Pv——表示蒸汽壓，
Ro——表示空氣核半徑，
——表示液體的表面張力系數(shù)
我們由上式不難發(fā)現(xiàn)影響空化閥值的因素有很多。其中靜壓力很程度的決定了空化閥的大小，空化閥和靜壓力同增同減。而且空化閥的數(shù)值是不固定的，在不同情況下空化閥值也會(huì)發(fā)生變化[7]。
此外，經(jīng)驗(yàn)公式
（1-2）
式中μ——表示沾滯系數(shù)
超聲波的頻率在某種關(guān)系上決定了空化閥的大小。當(dāng)超聲波頻率變大時(shí)空化閥也會(huì)變大，而當(dāng)超聲波頻率越小的時(shí)候液體就比較容易產(chǎn)生空化效應(yīng)。而且數(shù)據(jù)表名超聲波清洗在低頻的狀態(tài)下的清洗效果比較好，因?yàn)檩^低的頻率使得液體內(nèi)產(chǎn)生的空化氣泡可以維持較長(zhǎng)的時(shí)間，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)氣泡體積越大，當(dāng)氣泡爆炸時(shí)產(chǎn)生的威力就越大。但是低頻清洗時(shí)容易產(chǎn)生噪音，如果我們需要兼顧清效果和環(huán)境保護(hù)的話，選擇合適的超聲波頻率是十分重要的。
2.2 超聲波洗碗機(jī)方案設(shè)計(jì)
利用超聲波的清洗能力對(duì)普通的餐具進(jìn)行清洗[8]。因?yàn)槌暡ǖ那逑茨芰κ殖霰?，中式餐具上的油污面?duì)空化效應(yīng)閑的微不足道，超聲清洗結(jié)束后已經(jīng)沒(méi)有多少油污殘留，這時(shí)再對(duì)餐具進(jìn)行水流清洗，將殘留的污漬完全帶走。而且超聲波洗碗機(jī)將噴臂和超聲波結(jié)合起來(lái)大大加強(qiáng)了清洗的能力。這種組合進(jìn)一步優(yōu)化了清洗過(guò)程，提高了資源的利用效率。我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波洗碗機(jī)應(yīng)該具備的有點(diǎn)有：體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；清洗的效果好；清洗的效率高，清洗進(jìn)程快；資源損耗少，造價(jià)合理。
清洗過(guò)程:電源接通，控制程序控制進(jìn)水電磁閥接通，自來(lái)水經(jīng)空心軸后從噴臂中噴出。水流從噴臂噴出時(shí)由于自身存在的反力矩會(huì)推動(dòng)噴臂圍繞空心軸旋轉(zhuǎn)。餐具經(jīng)噴臂的不斷沖洗后初步去除油污。噴臂沖洗進(jìn)程結(jié)束后，控制程序關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，然后接通排水電磁閥，污水被排出，關(guān)閉排水電磁閥。接著，進(jìn)水電磁閥接通，噴洗餐具直至達(dá)到固定水位后水位感知系統(tǒng)控制進(jìn)水電磁閥關(guān)閉。接著加熱器啟動(dòng)，在其工作一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉。此時(shí)超聲波換能器啟動(dòng)，在超聲波的空化作用下餐具上殘留的油污完全從餐具上脫離。在超聲清洗進(jìn)行一定的時(shí)間后，超聲波換能器停止工作。排水電磁閥接通，污水被排出。在污水排盡之后，進(jìn)水電磁閥開(kāi)啟，噴臂再次對(duì)餐具進(jìn)行沖洗，將餐具完全清潔。沖洗一定時(shí)間后進(jìn)水電磁閥關(guān)閉，污水由排水電磁閥排出。
這種方案下的餐具清洗方式十分合理，將噴臂的水流清洗和超聲波的空化作用有機(jī)的結(jié)合起來(lái)使用，清洗效果達(dá)到了最好。這種模式可以有效的節(jié)約水電，而且清洗過(guò)程中不用添加化學(xué)清洗劑，十分環(huán)保。
圖3清洗方案系統(tǒng)圖
1：超聲波換能器； 2：加熱器； 3：水位感知系統(tǒng)； 4：排水電磁閥； 5：進(jìn)水電磁閥；6：噴臂
3超聲波清洗參數(shù)
3.1 聲強(qiáng)
聲場(chǎng)的強(qiáng)度和均勻度是評(píng)價(jià)超聲清洗的效果的可靠依據(jù)9]。聲強(qiáng)的大小影響清洗的效果，太弱的話不能達(dá)到清洗效果，如果太強(qiáng)的則會(huì)達(dá)到反效果，過(guò)高的聲強(qiáng)會(huì)不斷地破壞清洗物的表面結(jié)構(gòu)，其反射折射的聲波極易在清洗表面形成聲障，阻礙聲波的繼續(xù)傳播。如果不能選擇合適的聲強(qiáng)大小那么清洗的結(jié)果就無(wú)法保障了。此外由于清洗槽的空間限制，超聲波在狹小的空間里傳播，會(huì)碰到很多阻礙，碰到阻礙之后聲波反射，不斷的積累就會(huì)產(chǎn)生駐波。它會(huì)使自己所處的地區(qū)的聲壓減小，影響空化作用，從而影響清洗效果。因此我們選擇的聲強(qiáng)大小應(yīng)該在 之間。在面對(duì)不同的清洗物品的時(shí)候我們可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整聲壓的大小，如面對(duì)表面附著很頑固的清洗物的時(shí)候我們應(yīng)選擇比較大的聲強(qiáng)
3.2頻率
超聲波換能器在低頻工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音，且換能器的工作頻率越低它產(chǎn)生的噪聲就越大，一旦換能器的頻率低于20kHz，人耳就無(wú)法承受其發(fā)出的高分貝的噪聲了。低頻率會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，空化作用的發(fā)生條件就是要求聲波頻率達(dá)到空化閥值，低頻聲波可能達(dá)不到，這在很大程度上影響清洗結(jié)果。從知網(wǎng)上的許多專利論文中我們不難發(fā)現(xiàn)選擇超聲波頻率的規(guī)律。滿足工業(yè)要求的精密零件由于其表面附著的金屬氧化層十分難以清理且金屬本身不易被聲波破壞結(jié)構(gòu)，我們需要用較高的頻率對(duì)其進(jìn)行清洗。而生活用的餐具雖說(shuō)其材料中有金屬，但大多數(shù)的還是陶瓷塑料一類的，而且餐具上的附著污垢沒(méi)有金屬膜那么難以去除，所以在這里我們會(huì)選用頻率低的超聲波。前面我們也提到了，低頻的超聲波在產(chǎn)生空化作用的時(shí)候空化氣泡存在時(shí)間較長(zhǎng)爆炸的威力也較大，這對(duì)提高清洗效果十分有利。頻率在20Khz-40Khz之間的超聲波比較適合于普通的家用餐具的清洗。設(shè)想洗碗槽的大小為500*500*500MM，此時(shí)我們應(yīng)選擇的超聲波的頻率應(yīng)該是28或者27Khz.
3.3 清洗液
由前面所述的空化閥值的計(jì)算公式我們不難看出清洗液的粘度和空化閥的關(guān)系，在清洗液的粘度較大的時(shí)候，液體的空化閥值相應(yīng)的也很大。這就導(dǎo)致在相同的超聲波頻率工作下，液體內(nèi)部發(fā)生空化反應(yīng)的幾率降低，直接影響清洗結(jié)果。另一方面如果清洗液表面張力大，液體內(nèi)部的空化反應(yīng)就越劇烈氣泡產(chǎn)生的沖擊威力也就越大，這也直接的提高了清洗能力。綜上兩點(diǎn)我們可以得出結(jié)論，只有低粘度且表面張力比較大的清洗液才適合用于超聲波的清洗。這樣的清洗液其實(shí)我們可以在生活中很輕易的找到，就比如生活中的自來(lái)水，水是一種常見(jiàn)且應(yīng)用廣泛的清洗液，它就具有低粘度，表面張力大特點(diǎn)而且它的獲取難度低無(wú)環(huán)境污染。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們選擇自來(lái)水作為超聲波洗碗機(jī)的清洗液。
4超聲場(chǎng)相對(duì)空化強(qiáng)度
4.1空化強(qiáng)度測(cè)量方法原理
超聲場(chǎng)的空化強(qiáng)度對(duì)于超聲波清洗設(shè)備來(lái)說(shuō)是其最重要的性能指標(biāo)。由于技術(shù)上的不成熟我們暫時(shí)還沒(méi)能找到能夠準(zhǔn)確測(cè)量出聲場(chǎng)絕對(duì)空化強(qiáng)度的方法，但是，我們可以利用鋁箔腐蝕法，染色法和統(tǒng)計(jì)平均法等的方法來(lái)測(cè)出聲場(chǎng)的相對(duì)空話強(qiáng)度。因?yàn)闂l件的限制我們就只能參考知網(wǎng)的專利論文利用鋁箔腐蝕分析法來(lái)測(cè)量相對(duì)空化強(qiáng)度[7] 。
將面積合適的鋁箔置于清洗液中從而觀察其面對(duì)空化作用時(shí)所產(chǎn)生的變化，這種方法叫做鋁箔腐蝕分析法。實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程：把厚度均勻且面積固定的鋁箔分別置于不同的頻率工作下的超聲波清洗機(jī)中。開(kāi)啟超聲波換能器，過(guò)一段時(shí)間將其拿出，觀察鋁箔被腐蝕的情況。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有個(gè)注意點(diǎn)，鋁箔試驗(yàn)的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，鋁箔在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中會(huì)慢慢剝壞。通過(guò)對(duì)鋁箔的觀察我們來(lái)判斷不同條件下的空化效果。
4.2空化強(qiáng)度測(cè)量
由于本文設(shè)計(jì)的洗碗機(jī)是要能夠符合大眾需求的洗碗機(jī)，所以其主要參數(shù)要和人們的生活水平相匹配。我們根據(jù)當(dāng)前中國(guó)普通家庭的組成來(lái)看，洗碗機(jī)清洗槽的大小應(yīng)該在420*400*400左右。相應(yīng)的我們?cè)谶M(jìn)行鋁箔分析時(shí)要利用這個(gè)信息，測(cè)試水槽的大小為420*400*400。清洗液我們選擇普通的自來(lái)水，超聲波的頻率選擇28Hz。整個(gè)試驗(yàn)處在常溫的狀態(tài)下進(jìn)行，清洗過(guò)程中水面的高度保持一致，且與清洗槽的頂部保持70MM的距離。洗碗機(jī)的整機(jī)功率為300瓦特，其中超聲波的掃頻為15-30千赫茲，超聲波清洗的時(shí)長(zhǎng)為3分鐘。
圖4清洗方案系統(tǒng)圖
4.2.1數(shù)據(jù)擬定
主要實(shí)驗(yàn)為超聲作用（B面）、單面超聲掃頻作用（B面）、雙面超聲作用（B和D）、雙面超聲掃頻作用（B和D）。我們將這四個(gè)實(shí)驗(yàn)的得出的數(shù)據(jù)匯總并進(jìn)行比對(duì)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量相對(duì)的空化強(qiáng)度，我們可以把鋁箔的腐蝕面積所占的百分比大小作為相對(duì)空化強(qiáng)度的大小。實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容：首先處理鋁箔，將鋁箔分成大小相等的塊，其中每塊的大小為邊長(zhǎng)60毫米的正方形。其次，在每次試驗(yàn)結(jié)束之后用相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用圖像處理軟件將鋁箔被腐蝕的部分涂黑，未被腐蝕的地方涂白。最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用直方圖表現(xiàn)出來(lái)，并把腐蝕部分的百分比分別計(jì)算出來(lái)。
4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以得知：
超聲波的空化強(qiáng)度呈現(xiàn)出一種類似于拋物線式的分布，強(qiáng)度在距離聲源較近的地方逐漸增大，然后在中部的時(shí)候達(dá)到最高，達(dá)到最高值后會(huì)隨著距離的增加而衰弱，與拋物線不同的是空化強(qiáng)度的增大減小不是線性的，呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的上下波動(dòng)。這是因?yàn)槌暡ǖ穆曊献饔茫曊献钃趿瞬ǖ膫鞑ヅc反射。所以距離聲源越遠(yuǎn)空化強(qiáng)度會(huì)減弱。
要想保證清洗效率，超聲波的掃頻作用必不可少。超聲波在碰到阻礙時(shí)會(huì)發(fā)生反射折射影響傳播，而清洗槽內(nèi)的空間是有限的，這會(huì)造成聲壓的不均勻分布，清洗不均勻。在聲波頻率合理的變化區(qū)域內(nèi)，掃頻可以有效地避免駐波的形成與干擾，保證清洗質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超聲波換能器單面作用時(shí)效果比較好。超聲波換能器在雙面作用的時(shí)候聲波會(huì)相互干擾形成干涉，影響空化作用。
表1 平行A面的相對(duì)空化強(qiáng)度
表2 平行C面的相對(duì)空化強(qiáng)度
我們根據(jù)上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)利用單面掃頻的超聲波清洗機(jī)效果最好。
5超聲波重要參數(shù)確定
5.1 清洗溫度，超聲波換能器功率，清洗時(shí)間
超聲波洗碗機(jī)要進(jìn)行一次完整的清洗進(jìn)程需要確定幾個(gè)重要的參數(shù)。我們必須要設(shè)定洗碗機(jī)的清洗時(shí)間，而且為了保證清洗效果需要設(shè)置合理的水溫，最重要的是需要計(jì)算出適合餐具清洗的超聲波換能器功率。這里受到條件的限制我們無(wú)法直接的做實(shí)驗(yàn)，可以參考知網(wǎng)的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)找出適合我們的最佳組合[6]。
實(shí)驗(yàn)對(duì)象：三個(gè)陶瓷制的碗，三個(gè)玻璃制的杯子，兩個(gè)陶瓷制碟子，三個(gè)塑料制勺子，三雙塑料筷子，實(shí)驗(yàn)前將所有的被實(shí)驗(yàn)品上都刷上油污。
評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：餐具表層油污完全清潔，觸摸無(wú)殘留。
清洗溫度：A1（35℃）、A2（45℃）、A3（55℃）。
清洗時(shí)間：B1（6min）、B2（9min）、B3（12min）。
超聲波換能器功率：C1（400w）、C2（300w）、C3（200w）。
實(shí)驗(yàn)方法：因?yàn)槭嵌嘁蛩卣粚?shí)驗(yàn)，所以我們需用正交表。綜合各個(gè)因素，設(shè)置9個(gè)實(shí)驗(yàn)組，見(jiàn)表3
表中參數(shù)因素主次：A-C-B
其中表格里Gf與A/B/C正交的數(shù)據(jù)是該列中所有包含Af/Bf/Cf的和, f的取值為1，2，3；
Kf與A/B/C正交的數(shù)值為Gf/該列中f號(hào)碼重復(fù)的次數(shù), f取1，2，3
根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)A2-B3-C1是最佳的組合。即本文設(shè)計(jì)的超聲波洗碗機(jī)的最合適的清洗溫度為45攝氏度，單次的清洗時(shí)間為12分鐘，超聲波換能器的額定功率為400瓦。
參數(shù)試驗(yàn)號(hào)
A（℃）B（min）C（w）
結(jié)果
1
1 1 1
10
2
1 2 2
10
3
1 3 3
10
4
2 1 2
11
5
2 2 3
12
6
2 3 1
10
7
3 1 3
9
8
3 2 2
9
9
3 3 1
12
G1
30 30 32
G2
33 31 30
G3
30 32 31
K1
10 10 10.67
K2
11 10.33 10
K3
10 10.67 10.33
R
1.0 0.67 0.67
表3 多因素正交試驗(yàn)結(jié)果表
5.2 餐具的合理擺放
由于超聲波是一種短波，所以當(dāng)超聲波遇到障礙時(shí)會(huì)被削弱甚至被阻礙，故需要合理的擺放餐具以達(dá)到清洗效果。我們可以利用上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繼續(xù)測(cè)試餐具擺放位置不同對(duì)清洗結(jié)果的影響。測(cè)試結(jié)果我們可以看圖表4。測(cè)試的結(jié)果表明將餐具朝著B(niǎo)面擺放清洗的效果最好[10]。
5.3 總結(jié)
經(jīng)過(guò)上面的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的超聲洗碗機(jī)主要的幾個(gè)參數(shù)都已經(jīng)可以確定下來(lái)了。這臺(tái)超聲波洗碗機(jī)的單次清洗時(shí)間定為12分鐘，餐具進(jìn)行超聲波清洗時(shí)的水溫為45攝氏度，超聲波的發(fā)射頻率定為28千赫茲且采用單面掃頻的工作模式，整個(gè)洗碗機(jī)的額定功率為500瓦，且清洗的時(shí)候餐具的擺放位置朝著聲波發(fā)射面B面。
洗碗機(jī)清洗流程：進(jìn)水電磁閥進(jìn)水—噴臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗（1min）—排水電磁閥排水—進(jìn)水電磁閥進(jìn)水—陶瓷加熱器加熱清洗液直至工作溫度（45℃）—超聲波清洗（12min）—噴臂最后作輔助清洗（1min）.
餐具朝向
合格率
A
0.77
B
0.94
C
0.73
D
0.75
表4 餐具洗滌結(jié)果
6洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6.1 整體方案
在整個(gè)洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有幾個(gè)問(wèn)題我們需要特別的注意：1、洗碗機(jī)的安全問(wèn)題，選用零部件是否合適會(huì)不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。2、作為洗碗機(jī)清洗容器的水槽會(huì)不會(huì)發(fā)生漏水以及進(jìn)排水管道的密封性問(wèn)題3、為了達(dá)到清洗效果，應(yīng)該選用什么型號(hào)多大功率的超聲波換能器，加熱器，電磁閥等器件。
整個(gè)超聲波洗碗機(jī)的主要組成分為以下幾個(gè)部分：第一部分是進(jìn)排水系統(tǒng)，它控制這洗碗機(jī)的進(jìn)水機(jī)構(gòu)和排水機(jī)構(gòu)；第二部分是超聲波清洗系統(tǒng)，它是進(jìn)行超聲波清洗的主要工作系統(tǒng)；第三部分是噴臂輔助清洗系統(tǒng)，它幫助超聲波進(jìn)行清洗起著查漏補(bǔ)缺的作用；第四部分是加熱系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將清洗液加熱到清洗溫度，提高清洗的效果。
進(jìn)排水系統(tǒng)：進(jìn)水系統(tǒng)是由進(jìn)排水電磁閥，水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)，過(guò)濾芯等器件組成的。
噴臂系統(tǒng)：噴臂系統(tǒng)由電磁閥和噴臂組成的。
加熱系統(tǒng)：陶瓷電阻加熱器。
超聲清洗系統(tǒng)：超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成。
其他：整機(jī)外殼、金屬清洗槽、金屬碗籃、金屬碗籃支架，整機(jī)底座等。
6.2 外殼和碗籃
本文所設(shè)計(jì)的超聲波洗碗機(jī)主要是是面向眾多的普通消費(fèi)者的，作為一般的家用電器它體積小巧整機(jī)外形為540*500*540的長(zhǎng)方體，十分適合空間資源緊缺的當(dāng)代中國(guó)家庭。在選材上也是貫徹了既實(shí)用又好看的原則，外殼采用不拉絲工藝處理的不銹鋼，簡(jiǎn)約大方且不易變形。洗碗機(jī)內(nèi)的金屬部分經(jīng)過(guò)丙烯的特殊處理，不容易留下印記而且看起來(lái)干凈整潔。由于加工誤差的存在，難免會(huì)有些小的瑕疵，因此我們將整個(gè)控制面板進(jìn)行PET絲印貼膜，美觀的同時(shí)也大大延長(zhǎng)了面板的使用壽命避免了水漬油污的侵蝕。11]。
本洗碗機(jī)采用了當(dāng)前比較流行的前開(kāi)門的設(shè)計(jì)，門柜上的觀察窗采用的是高透鋼化玻璃，外形美觀而且方便了使用者，令其能夠隨時(shí)觀察機(jī)器內(nèi)的清洗情況。為了提升洗碗機(jī)的外觀等級(jí)滿足現(xiàn)在人的審美體驗(yàn)，我們還需在外殼上加涂新型UV固化涂料。它能夠形成漂亮的裝飾層且具有高硬度，高耐磨等優(yōu)點(diǎn)[7]；而且的新型鍍層工藝更為可靠，能夠極大地美化表層，一般的塑料材質(zhì)經(jīng)過(guò)鍍層之后能夠整體呈現(xiàn)出更為細(xì)致美觀的金屬質(zhì)感[12]。
本洗碗機(jī)的碗籃外形如圖5所示。整個(gè)碗籃由不銹鋼制成，因?yàn)橥牖@作為餐具承載工具需長(zhǎng)時(shí)間的暴露在水、油和超聲波的空化作用下極易受到侵蝕，為了解決這一問(wèn)題，我們可以在碗籃的外層涂上強(qiáng)度高的疏水涂料從而加快水分蒸發(fā)延長(zhǎng)碗籃的使用壽命而且水分蒸發(fā)的迅速還能夠節(jié)約電能。碗籃容量足以將一家人所需的餐具放入，而像筷子勺子一類的的細(xì)小餐具可以裝入筷籠中在放入。碗籃采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以自由的取出放入，使用者只需根據(jù)需求將餐具放去其中即可。
圖5 碗籃的三維圖
6.3 清洗槽
考慮到本設(shè)計(jì)的洗碗機(jī)的體積小巧，但是為了能夠盡可能多的容納餐具清洗，充分利用洗碗機(jī)內(nèi)的空間清洗槽的大小為360*400*360mm。因?yàn)樗鄣氖褂眯再|(zhì)，其材料應(yīng)具有防水，安全，抗腐蝕等特點(diǎn)。201不銹鋼板由于具有抗腐蝕不易磨損等優(yōu)點(diǎn)成為制作清洗槽的最佳材料。清洗槽作為清洗的容器長(zhǎng)時(shí)間的被水，油侵蝕，而且超聲波在清洗餐具的同時(shí)，空化作用也在時(shí)刻侵蝕洗碗槽。為了讓洗碗槽能夠擁有較長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命，我們需要提高它的耐腐蝕性和耐磨性，提高槽壁的厚度可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。而3mm厚度的鋼板足以保證清洗槽的使用要求[12]。清洗槽內(nèi)排水口有攔網(wǎng)，清洗殘留物可手工清理。
6.4 進(jìn)排水系統(tǒng)
進(jìn)排水系統(tǒng)是超聲波洗碗機(jī)的基本組成機(jī)構(gòu)，在清洗過(guò)程中是極其重要的環(huán)節(jié)，可以說(shuō)進(jìn)排水系統(tǒng)的好壞直接影響洗碗機(jī)的整體性能。本文設(shè)計(jì)的超聲波洗碗機(jī)的進(jìn)排水系統(tǒng)主要是由進(jìn)排水管，進(jìn)排水電磁閥，過(guò)濾芯和水位感知系統(tǒng)等組成[8]。電源接通，洗碗機(jī)的主控制電路接通后進(jìn)水電磁閥打開(kāi)，自來(lái)水經(jīng)噴臂噴送到清洗槽中。水位感應(yīng)系統(tǒng)在清洗槽內(nèi)的水位達(dá)到一定高度后自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水電磁閥。超聲波清洗結(jié)束后污水經(jīng)排水電磁閥從排水口流出。選用PVC管作為進(jìn)水管材料。
6.4.1 水位感應(yīng)系統(tǒng)
選用連桿式浮球液位開(kāi)關(guān)作為液面感應(yīng)開(kāi)關(guān)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。連桿式浮球液位開(kāi)關(guān)是將具有磁性系統(tǒng)的小球放置在一個(gè)封閉的管中，小球會(huì)隨著液面浮動(dòng)，當(dāng)其觸碰到管內(nèi)預(yù)設(shè)的磁簧開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)使開(kāi)關(guān)閉合或打開(kāi)從而控制液面的高低。利用干簧管作為開(kāi)關(guān)。干簧管是一種利用磁場(chǎng)控制的特殊的常開(kāi)開(kāi)關(guān)，它能夠感知帶有磁性系統(tǒng)的小球從而控制開(kāi)關(guān)。
帶有磁性的小球在膠管中會(huì)跟著水面的起落在一定范圍內(nèi)上下的浮動(dòng)。水面的變化由干簧管（如圖6）來(lái)傳達(dá)，當(dāng)槽內(nèi)水面高度達(dá)標(biāo)時(shí)，磁球上浮高位上干簧管受到磁球的影響而閉合閉合，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)待水溫達(dá)標(biāo)開(kāi)始超聲波清洗。當(dāng)水槽內(nèi)的水面高度比較低的時(shí)候，磁球位置下降，處在低位上的干簧管受到磁球的影響而閉合，進(jìn)水電磁閥開(kāi)啟，噴臂的水流沖洗進(jìn)程開(kāi)始。
圖6 干簧管
6.5 加熱系統(tǒng)
加熱器位于清洗槽的中下位置，這樣便于加熱從使水溫達(dá)到清洗標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)噴臂進(jìn)水后，水面達(dá)到清洗高度，水位感應(yīng)系統(tǒng)關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，控制程序啟動(dòng)加熱器，當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后自動(dòng)關(guān)閉。
在這里我們選用陶瓷加熱器作為超聲波洗碗機(jī)的加熱元件。陶瓷加熱器具有的優(yōu)點(diǎn)有：熱傳導(dǎo)快加熱效率高，陶瓷材質(zhì)抗腐蝕能力強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單是由陶瓷包裹電阻絲形成。
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圖7 水位感應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖
6.6 門開(kāi)關(guān)電路
超聲波洗碗機(jī)作為家用生活的電器拋開(kāi)它的使用性能不說(shuō)，其安全性能是極其重要的，在其運(yùn)行的過(guò)程中必須有安全保障措施[13]，所以洗碗機(jī)必須要有童鎖功能即開(kāi)門保護(hù)措施。它的原理我們可以參照家用電表中的保險(xiǎn)絲，將保護(hù)電路置于主電路中并與其串聯(lián)，當(dāng)保護(hù)電路感應(yīng)斷開(kāi)時(shí)主電路也被切斷。
6.7 噴臂系統(tǒng)
洗碗機(jī)的噴臂系統(tǒng)（見(jiàn)圖7）選用聚丙烯制的PP管。PP管具有：安全，耐腐蝕，耐熱性能好。為了提高噴臂系統(tǒng)的密封性能我們需要利用PVC膠來(lái)連接管道，使其完全密封不漏液。而且PVC作為一種粘合劑價(jià)格低廉且安全衛(wèi)生。洗碗機(jī)的進(jìn)排水系統(tǒng)由二位二通電磁閥來(lái)控制。電磁閥是一種利用電磁控制從而來(lái)控制流體的自動(dòng)化零件。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定所以在工業(yè)上它的運(yùn)用十分廣泛。電磁閥應(yīng)用最廣的途徑就是用來(lái)控制液體的速度大小和流量大小而且它還可以用來(lái)調(diào)節(jié)液體的流向。而且電磁閥適用性能好，在不同的電路中可以搭配相應(yīng)的輔助電路達(dá)到控制效果，十分方便靈活。其中最常用的電磁閥有方向控制閥、安全閥、速度調(diào)節(jié)閥等。
洗碗機(jī)的工作性質(zhì)決定了選用的電磁閥的種類，而且電磁閥在洗碗機(jī)內(nèi)的工作條件遠(yuǎn)低于工業(yè)制造，所以只需要選用能夠控制水的接通與切斷的簡(jiǎn)單電磁閥就好。綜上，上海承信自動(dòng)閥門有限公司的2W-200-20是理想的電磁閥的選擇。
為了超聲波的清洗效果更好，餐具經(jīng)超聲波清洗之前必須先經(jīng)由噴臂系統(tǒng)的清洗。利用高速水流的沖擊力先將餐具表較容易清洗的污跡沖洗干凈，然后再進(jìn)行超聲清洗，清洗效果可明顯提升。噴臂清洗時(shí)，水從噴臂出水孔以較高的速度噴出，高速水流的射出使得水流本身存在的反力矩推動(dòng)噴臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，噴臂在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下能夠?qū)Σ途哌M(jìn)行更為強(qiáng)力的清洗。為使噴臂能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)且因?yàn)橄赐霗C(jī)的進(jìn)水管與噴臂相連接，所以我們采用噴臂與進(jìn)水管間隙配合的方案，這樣的話噴臂旋轉(zhuǎn)的同時(shí)就不影響進(jìn)水。為了防止噴臂在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中脫落，在其上方加上一個(gè)螺母來(lái)穩(wěn)定它從而限制它的自由度。同時(shí)為了防止噴臂在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中向下滑落，我們?cè)趪姳酃艿郎显O(shè)置了一個(gè)凸臺(tái)。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和優(yōu)化清洗過(guò)程進(jìn)水管和整個(gè)上蓋板之間我們選擇采用螺栓作為連接裝置。
圖8噴臂
6.8 超聲清洗系統(tǒng)
超聲波洗碗機(jī)我們可以直接從字面上來(lái)進(jìn)行理解這個(gè)定義，那就是利用超聲波來(lái)進(jìn)行洗碗這個(gè)工作。既然是利用超聲波進(jìn)行洗碗的機(jī)器，那么超聲波清洗系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)的就是整個(gè)機(jī)器的核心了[10]。我們不難發(fā)現(xiàn)一臺(tái)超聲波洗碗機(jī)是否具有高性能有很大的程度上是取決于其配置的超聲波清洗系統(tǒng)的優(yōu)劣的，清洗系統(tǒng)是評(píng)價(jià)洗碗機(jī)能力的重要指標(biāo)。超聲波洗碗機(jī)的超聲清洗系統(tǒng)一般是由兩個(gè)部分組成的，它們分別是超聲波發(fā)生器和超聲波換能器。超聲波發(fā)生器顧名思義就是發(fā)出超聲波的機(jī)器，它的原理也是十分簡(jiǎn)單的，通過(guò)機(jī)器的運(yùn)行把普通的居民用電變成一種穩(wěn)定的頻率信號(hào)。而超聲波換能器就是一種與超聲波發(fā)生器相配合使用的電器件。它倆是超聲波清洗必不可少器件，相互依存密不可分。換能器與發(fā)生器不同的是，它不是把電能轉(zhuǎn)為信號(hào)而是把電力轉(zhuǎn)為聲能。兩臺(tái)機(jī)器獨(dú)立工作，當(dāng)二者的工作頻率同步的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生共鳴，發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生聲波。
6.8.1 超聲波發(fā)生器
要提高超聲波發(fā)生器的最大頻率從而提高其工作的效率我們可以從幾個(gè)方面來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題[14]：（1）發(fā)生器頻率的配合調(diào)節(jié)過(guò)問(wèn)題，由于發(fā)生器和換能器是協(xié)同工作的二者需要時(shí)時(shí)刻刻一起配合，換能器由于其工作的特質(zhì)其諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，這就要求發(fā)生器能夠察覺(jué)這種變化并自動(dòng)的調(diào)節(jié)自身的頻率來(lái)與之配合。（2）超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)是比較微小的，而微小的電信號(hào)不容易被電器所察覺(jué)。所以超聲波發(fā)生器需要末級(jí)放大器從而將微弱的電信號(hào)放大。（3）當(dāng)信號(hào)的強(qiáng)度過(guò)小的時(shí)候，單單只用一個(gè)信號(hào)放大器是難以起到作用的，所以這時(shí)候我們就需要將單個(gè)放大信號(hào)疊加起來(lái)達(dá)到使用要求，這就叫做功率的合成。（4）因?yàn)樘砑恿诵盘?hào)放大器這這種比較脆弱的元器件，電路的保護(hù)就顯得尤其重要，電路中必須加入過(guò)載和短路保護(hù)。（5）超聲波發(fā)生器要與換能器相適應(yīng)，二者要能夠很好的配對(duì)。一、超聲波發(fā)生器的頻率輸出在不與換能器配對(duì)時(shí)是不穩(wěn)定的，為了能夠向換能器輸出穩(wěn)定的電功率。而若要輸出額定的功率超聲波發(fā)生器需要最佳的負(fù)載，同時(shí)也將換能器阻抗選為最佳負(fù)載。而這種相互聯(lián)系相互穩(wěn)定的作用就是阻抗變換作用;二、一旦二者達(dá)成匹配這就意味著超聲波發(fā)生器已經(jīng)能夠達(dá)到其最大的工作效率。因?yàn)槌暡〒Q能器存在靜阻抗的干擾它的輸出電壓和電流都會(huì)被減小，進(jìn)而影響其整個(gè)的工作效率。為了減小這種靜阻抗帶來(lái)的影響，我們可以在發(fā)生器的端口上并或串上一個(gè)與換能器相反的阻抗，可以在一定程度上進(jìn)行抵消。我們可以把這個(gè)方法稱之為諧調(diào)作用[4]。我們可以發(fā)現(xiàn)超聲源的的功率大小質(zhì)量高低有很大程度上是取決于發(fā)生器和換能器的匹配優(yōu)劣上的[15]。
超聲波洗碗機(jī)對(duì)超聲波發(fā)生器的功能要求：（1）其輸出頻率具有自我調(diào)節(jié)能力：換能器諧振頻率變化的時(shí)候發(fā)生器也能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率與之匹配（2）發(fā)生器的額定功率：800w。（3）掃頻：為了避免在有限空間內(nèi)形成駐波影響清洗效果。（4）電路保護(hù)功能：當(dāng)電路發(fā)生過(guò)載短路時(shí)能夠立即切斷電源保護(hù)元器件。
經(jīng)過(guò)綜合考慮之后我們可以選擇深圳好時(shí)代科技有限公司的HSD-A型作為本洗碗機(jī)的超聲波發(fā)生器。
6.8.2 超聲波換能器
超聲波換能器作為聲能的轉(zhuǎn)換裝置是極其重要的。超聲波發(fā)生器在其工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率很高的電信號(hào)，這種高頻率的電信號(hào)能夠影響磁場(chǎng)。超聲波換能器中的磁場(chǎng)受到影響后會(huì)不斷變化從而引起換能器中的機(jī)械振動(dòng)部分開(kāi)始振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)的同時(shí)會(huì)連帶著接觸介質(zhì)振動(dòng)。在二者振動(dòng)的同時(shí)聲波由此產(chǎn)生。換能器一般由換能器材料部分和機(jī)械振動(dòng)放大部分這兩大部分組成。其中機(jī)械振動(dòng)部分又叫做變幅桿，它能夠把機(jī)械振動(dòng)幅度放大使小的機(jī)械振動(dòng)幅度變大。因此它能夠大大提高換能器的振速比，而且變幅桿的存在還能夠降低換能器的諧振阻抗，而諧振阻抗的降低減少了換能器在輸出電壓電流上的相位差這也直接的提高了整體的工作效率。重要的是變幅桿保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定并且使得換能器能夠免受外界環(huán)境的干擾。
換能器的種類和規(guī)格有很多，像有電磁式、電動(dòng)式和電容式等。其中應(yīng)用最為廣泛的是壓電式超聲波換能器，因?yàn)樗哂休^高的電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率，容量大及結(jié)構(gòu)形狀能夠自選等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)的是體積較小的超聲波洗碗機(jī)所以其換能器的功率不用太大，在這里我們可以選用北京晴暉世創(chuàng)科技發(fā)展中心的QHQ-4GL-5028型超聲波換能器。這款超聲波換能器的諧振頻率為28±0.5大小適中，它的絕緣阻抗為1000MΩ，整機(jī)的功率為100w。本洗碗機(jī)的的整機(jī)大小為540*500*540（mm）清洗槽底面積為360*400（mm）=144000mm2=1440cm2,超聲波振子功率為100w*4=400w；則功率密度應(yīng)為400/1440=0.28W/ cm2
本文所設(shè)計(jì)的超聲波洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)是適合普通家庭的，所以它的振動(dòng)系數(shù)不大且根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們最終將換能器安置在清洗槽的B面，數(shù)量4個(gè)。
6.9 總結(jié)
超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)：進(jìn)排水系統(tǒng)、噴臂系統(tǒng)、超聲波清洗系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)。以上結(jié)構(gòu)均已設(shè)計(jì)完成。本文設(shè)計(jì)的家用超聲波洗碗機(jī)具有體積小，效率高，健康環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大多數(shù)家庭的洗碗需求。
結(jié)論
本文的研究課題為超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)代的中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展飛速，而且生活節(jié)奏不斷加快，人們需要更方便快捷的家用電器。洗碗機(jī)由于其方便，快捷，省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)在了現(xiàn)代家庭的廚房。洗碗機(jī)在西方的家庭已經(jīng)十分常見(jiàn)。而由于中式餐具與西式餐具的不同，傳統(tǒng)的噴臂式和渦輪式洗碗機(jī)難以應(yīng)對(duì)中式餐具大而深的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。而且中式菜肴油膩重，需要專用的清洗劑，再加上清洗效果的不穩(wěn)定性所以洗碗機(jī)在中國(guó)并未很好的普及開(kāi)來(lái)。市場(chǎng)處于新生的狀態(tài)，十分具有前景。如果將傳統(tǒng)洗碗機(jī)進(jìn)行改造，使其適應(yīng)中國(guó)人的清洗特點(diǎn)，就能讓它走進(jìn)更多數(shù)人的家庭。超聲波清洗技術(shù)的出現(xiàn)給了當(dāng)前的尷尬局面一條光明的道路，我們可以將超聲波清洗技術(shù)應(yīng)用在洗碗機(jī)上。新型的超聲波洗碗機(jī)具有清洗效率高，清洗無(wú)死角，無(wú)需專用清洗劑節(jié)，能環(huán)保等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)就是研究超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理清洗效果好的新型超聲波洗碗機(jī)。
本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）本文所設(shè)計(jì)的洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)固，成品不占用很大空間，方式使用。其具有的門電路保護(hù)系統(tǒng)能夠在意外開(kāi)門時(shí)快速切斷電源，大大加強(qiáng)了洗碗機(jī)工作時(shí)的安全性能。
（2）噴臂的位置選擇，本超聲波洗碗機(jī)的噴臂位于底部，這能夠全面的進(jìn)行清洗，提高清洗效率，避免沖洗時(shí)的死角。
（3）選材新穎。采用不銹鋼作為清洗槽的材料，不會(huì)產(chǎn)生異味且使用壽命長(zhǎng)。
本設(shè)計(jì)的不足：
（1）由于洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所以整機(jī)的運(yùn)行模式比較單一，無(wú)法滿足使用者的個(gè)性化清洗需求。
（2）洗碗機(jī)清洗結(jié)束后留下的食物殘?jiān)枰褂谜呤謩?dòng)清理，并未能夠?qū)崿F(xiàn)完全的自動(dòng)化。
（3）洗碗機(jī)沒(méi)有配置相應(yīng)的消毒烘干機(jī)構(gòu)。
洗碗機(jī)作為家用電器如果不能被大多數(shù)的消費(fèi)者所認(rèn)可就不能走進(jìn)大家的廚房。中國(guó)的洗碗機(jī)市場(chǎng)很大，且又具有很好的前景。消費(fèi)者在觀望的同時(shí)也在期待洗碗機(jī)能夠擁有更好的清洗效果，更好的操作體驗(yàn)和更親民的價(jià)格。新穎的結(jié)構(gòu)加上高效的清洗方式無(wú)疑使超聲波洗碗機(jī)具有更好的前景。
致謝
本設(shè)計(jì)是在毛瑞卿老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，毛瑞卿老師在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)寫(xiě)作過(guò)程中，嚴(yán)格要求，精心指導(dǎo)，對(duì)我不清楚的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真的解答，并為我指出更正了設(shè)計(jì)中的不當(dāng)之處，使我在整個(gè)過(guò)程中少走了很多彎路，在這里，對(duì)毛瑞卿老師表示特別感謝。另外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)寫(xiě)作過(guò)程中，各位同學(xué)也給予了我很大的幫助，使我感受到了合作和信息共享的重要性。還要感謝的是家用電器商城的工作人員，銷售人員們，他們對(duì)我的熱情介紹，使我充分地了解了市面上的傳統(tǒng)洗碗機(jī)的優(yōu)劣之處，對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成有很大的幫助，其余未提到的對(duì)我有幫助的人員，在此一并感謝。
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