一種超聲波洗衣機(jī)的研發(fā)

于 釗

(東南大學(xué) 東南大學(xué)-蒙納士大學(xué)蘇州聯(lián)合研究生院，江蘇 蘇州 215123 )

一種超聲波洗衣機(jī)的研發(fā)

于 釗

(東南大學(xué) 東南大學(xué)-蒙納士大學(xué)蘇州聯(lián)合研究生院，江蘇 蘇州 215123 )

為解決目前市場(chǎng)上的超聲波洗衣機(jī)體積大、價(jià)格高、洗滌效果差、使用不方便等缺點(diǎn)，研制了一款新型超聲波洗衣機(jī)。該款超聲波洗衣機(jī)與傳統(tǒng)洗衣機(jī)在結(jié)構(gòu)、體積和功能上都有革命性改變，主要分為儲(chǔ)液裝置、清潔裝置和操作臺(tái)3部分，較重部件都裝在主機(jī)上，由手柄實(shí)現(xiàn)兩大功效——清潔和干燥，即用力擠壓衣物時(shí)利用超聲波的空化作用，向初步濕潤(rùn)的衣物局部發(fā)出高頻超聲波使油污在聲場(chǎng)的作用下乳化，達(dá)到固體粒子脫離衣物實(shí)現(xiàn)表面凈化的目的；輕觸衣物時(shí)利用高溫高速氣流實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物局部濕潤(rùn)面的熨燙干燥。在功能上與市面上的普通洗衣機(jī)相比毫不遜色，且集洗滌、熨燙和干燥等功能于一體，在細(xì)節(jié)處理上具有更多優(yōu)勢(shì)。

超聲波洗衣機(jī)；清洗；熨燙；干燥

2001年8月日本三洋電機(jī)宣布開(kāi)發(fā)出無(wú)需使用洗滌劑就可以洗干凈衣物的洗衣機(jī)——超聲波電解水洗衣機(jī)，并開(kāi)始銷售[1]。這一消息在國(guó)內(nèi)外洗衣機(jī)行業(yè)引起了不小的反響和沖擊。將超聲清洗用于洗衣機(jī)的研究在20多年前就已開(kāi)始，但由于種種原因一直未進(jìn)入實(shí)用化和商品化階段[2]，直到2001年8月日本三洋電機(jī)宣布開(kāi)發(fā)出超聲波洗衣機(jī)，但是十幾年來(lái)超聲波洗衣機(jī)由于自身的缺陷，消費(fèi)者認(rèn)可度不高，目前它的市場(chǎng)份額不大[3]。

雖然超聲波洗衣技術(shù)較純熟，但造型比較單一、不美觀，很多企業(yè)設(shè)計(jì)的超聲波洗衣機(jī)功能外形都大同小異[4]。一些超聲波洗衣機(jī)做工粗糙，不夠精致，不僅影響使用壽命且缺少美感。市面上的超聲波洗衣機(jī)缺乏成熟的人機(jī)交互體驗(yàn)，雖然易于操作，但是體型龐大[5]。國(guó)內(nèi)超聲波洗衣產(chǎn)品設(shè)計(jì)在視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)等方面不和諧或者難以融入環(huán)境,遺漏了設(shè)計(jì)中與人相關(guān)的因素的探討，忽視解決人-產(chǎn)品-環(huán)境-社會(huì)系統(tǒng)[6]。機(jī)械造型忽視了與人體工程學(xué)的結(jié)合，明顯與國(guó)外市場(chǎng)的需求不相適應(yīng)。為了使既環(huán)保又節(jié)能的超聲波洗衣機(jī)在市場(chǎng)上有所突破，本文這款超聲波洗衣機(jī)與傳統(tǒng)洗衣機(jī)在結(jié)構(gòu)、體積和功能上都做了革命性改變。

1 超聲波洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)

超聲波洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是盡量小巧，噪聲盡量低，使用方便，功能盡量多，當(dāng)然這是在不損害洗衣功能和效果的前提下需要達(dá)到的。它的誕生是為了服務(wù)廣大消費(fèi)者的，只有廣大消費(fèi)者認(rèn)可和接受，市場(chǎng)份額才能擴(kuò)大[7]。

筆者在考慮如何減小洗衣機(jī)的體積時(shí)，首先想到的是洗衣桶，傳統(tǒng)洗衣機(jī)中最占體積的非洗衣桶莫屬，它是儲(chǔ)水、漂洗的所在地，似乎是必不可少的[8]。但筆者大膽想象，是否能改造它，衣物能否不放在容器中，比如像熨燙衣服一樣。答案是肯定的，最終筆者設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)的外形和結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3所示。

超聲波洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)分為3部分：儲(chǔ)液裝置、清潔裝置和操作臺(tái)。儲(chǔ)液裝置由儲(chǔ)液杯和廢液罐組成。儲(chǔ)液杯體積較大，由卡槽固定在底座上；廢液罐較小，卡合在儲(chǔ)液杯下方。

清潔裝置由SJ-6換能器和手柄清潔器組成，SJ-6換能器由超聲波發(fā)生器、超聲波信號(hào)線和4個(gè)振子組成，其中超聲波發(fā)生器固定在底座內(nèi)，超聲波發(fā)生器和4個(gè)安裝在手柄清潔器面板上的振子通過(guò)超聲波信號(hào)線相連。

手柄清潔器通過(guò)超聲波信號(hào)線、供水管和回水管組成的合管線與主機(jī)相連，形狀像一個(gè)氣體熨斗，表面有一層吸水纖維墊，吸水纖維墊墊槽連接供水管，靠吸水纖維墊的吸力和大氣壓作用，吸取儲(chǔ)液杯的清水，手柄清潔器底部有一個(gè)小的廢液回收倉(cāng)，廢液回收倉(cāng)和吸水纖維墊之間有一層篦漏網(wǎng)，在壓力和重力作用下，吸水纖維墊中的水會(huì)流到廢液回收倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)回水管把廢水排到廢液罐里。手柄清潔器上有開(kāi)關(guān)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，安裝在面板上的4個(gè)超聲波振子發(fā)出超聲波，在手柄纖維墊及接觸的衣物上局部形成一個(gè)超聲波共振場(chǎng)，對(duì)水和污物進(jìn)行空化作用，由于能量在局部高度集中，水同時(shí)也升溫氣化,這樣手握手柄清潔器用力擠壓衣物時(shí)可對(duì)衣物進(jìn)行清洗，輕輕接觸衣物時(shí)可對(duì)衣物進(jìn)行熨燙干燥。

底座的上表面為斜平面，斜平面上有截面為倒梯形的凸卡，儲(chǔ)液杯的底面為斜平面，斜平面上有截面為梯形的凹槽，凸卡和凹槽咬合后兩斜面貼在一起，儲(chǔ)液杯質(zhì)量大，在重力作用下這種安裝方式更為穩(wěn)定；廢液罐也使用這種方式卡合在儲(chǔ)液杯下部的底座上。超聲波發(fā)生器也較重，放在底座里偏向另一側(cè)，使主機(jī)重心不偏離，保持底座平衡穩(wěn)定。底座正面有操作板可以控制和調(diào)整工作狀態(tài)，兩側(cè)為小型清潔柄，可以快速處理一些清潔器難以處理的小型污漬。

2 超聲波洗衣機(jī)的工作原理

超聲波洗衣機(jī)是如何完成洗衣、熨燙和干燥的呢？結(jié)合圖2、圖3可知,這種超聲波洗衣器包括將電能轉(zhuǎn)化為高頻電脈沖的能量轉(zhuǎn)換部件組(主機(jī))和清洗部件組(手柄清潔器)。洗衣機(jī)清洗衣物，首次使用時(shí)先把手柄清潔器放到低于儲(chǔ)液杯的水平線，待儲(chǔ)液杯中的水充滿吸水纖維墊，在主機(jī)操作面板上進(jìn)行調(diào)試，開(kāi)動(dòng)機(jī)器，超聲波發(fā)生器把電能轉(zhuǎn)化成超聲波信號(hào)，通過(guò)超聲波信號(hào)線傳送到手柄上的超聲波振子，由振子發(fā)出超聲波。由于手柄纖維墊及接觸的衣物里的水受到超聲波的輻射，使液體中的微氣泡能夠在超聲波的作用下保持振動(dòng)，當(dāng)聲壓或者聲強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，氣泡就會(huì)迅速膨脹，然后又突然閉合[9]。在這個(gè)過(guò)程中，氣泡閉合的瞬間產(chǎn)生沖擊波，使氣泡周?chē)a(chǎn)生1 012～1 013Pa的壓力，這種超聲波空化所產(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們?nèi)芙庥谌芤褐?。蒸汽型空化?duì)污垢的直接反復(fù)沖擊[10]，一方面破壞污物與清洗件表面之間的吸附，另一方面能引起污物層的疲勞破壞而被駁離。氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗，污層一旦出現(xiàn)縫隙，氣泡立即“鉆入”使污層脫落，由于空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化后固體粒子自行脫落，超聲波在清洗液中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，形成射流，沖擊清洗物，同時(shí)由于非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會(huì)產(chǎn)生高速的微射流，所有這些作用，能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增強(qiáng)攪拌、擴(kuò)散作用，加速可溶性污物的溶解[11]。

需要加水和倒廢水時(shí)，只要沿卡槽方向用力把儲(chǔ)液杯或廢液罐從卡槽取出即可加水或倒廢水。從最終清洗的衣物可以發(fā)現(xiàn)，這款洗衣機(jī)不僅洗衣效果不錯(cuò)，而且洗滌熨燙干燥一次完成，衣物沒(méi)有磨損，還變得松軟。

3 超聲波洗衣機(jī)的特點(diǎn)

a.分體式設(shè)計(jì)。為方便人們使用，采用分體設(shè)計(jì)，較重部件安裝在主機(jī)上，人們清洗衣物時(shí)，只要拿手柄清潔器就可以完成清洗干燥的工作。

b.換能器分體安裝。將普通換能器分成超聲波發(fā)生器、超聲波信號(hào)線和振子3部分，超聲波發(fā)生器和振子分別安裝在主機(jī)和手柄上，通過(guò)超聲波信號(hào)線相連達(dá)到分體的目的。

c.手柄清潔器。手柄清潔器形狀像一個(gè)氣體熨斗，拿起手柄就能完成洗滌、熨燙和干燥的操作，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

d.廢液罐可裝卸。廢液罐卡合固定在儲(chǔ)液杯下方，用于儲(chǔ)存清潔后的廢棄液體，廢液罐可以從卡槽上取下倒去廢水。

e.穩(wěn)定咬合設(shè)計(jì)。底座采用四足結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定大方，上部沒(méi)有采用螺釘固定儲(chǔ)液杯，而是選擇咬合式固定儲(chǔ)液杯和其他設(shè)備。

f.超小體積。該款清潔器旨在改變洗衣機(jī)笨重的洗衣方式，清潔器采用適合人手持的尺寸，在不影響使用效果的基礎(chǔ)上，盡量減小尺寸，機(jī)體高29cm，長(zhǎng)和寬為19cm，可以根據(jù)需要放在酒店前臺(tái)和家庭的客廳使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

這款超聲波洗衣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)不僅在于洗滌效率高，還可節(jié)省洗滌劑和漂洗用水,間接地節(jié)省了生產(chǎn)洗衣粉所用的原材料、人工、水電等，更重要的是保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，社會(huì)效益明顯。因此這是一個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展方向。

[1] 阮建林. 步進(jìn)式超聲波清洗設(shè)備[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2008.

[2] 曹其福. 超聲波的職業(yè)損害與預(yù)防[C]//2007年全國(guó)醫(yī)學(xué)影像(重慶)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文匯編.重慶:中華醫(yī)學(xué)會(huì)繼續(xù)教育部,2008.

[3] 王梅.國(guó)產(chǎn)“超聲波洗衣機(jī)”問(wèn)世[J]. 家庭電子，2002(10)：25-28.

[4] 尚寶.超聲波家電形形色色[J].全國(guó)商情：綜合版，2001(22)：8.

[5] 郭青山.人機(jī)工程設(shè)計(jì)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2006.

[6] 程能林.工業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[7] 劉國(guó)余. 產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意與表達(dá)[M]. 上海：上海人民美術(shù)出版社，2004.

[8] 于慧.創(chuàng)意配色實(shí)戰(zhàn)技巧[M]. 北京：中國(guó)青年出版社，2007.

[9] 張玉華.簡(jiǎn)析全自動(dòng)洗衣機(jī)中的物理技術(shù)[J].濰坊教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(4)：32-33.

[10] 周德麟.超聲波洗衣機(jī)清洗的機(jī)理和結(jié)構(gòu)的探討[J].家用電器科技，2002(6)：72-76.

[11] Keiko Gotoh.超聲波在紡織品水溶液洗滌中的應(yīng)用[J].工業(yè)與公共設(shè)施清潔,2013(7):54-59.

Development of an ultrasonic washing machine

YU Zhao

(Southeast University, Southeast University-Monash University Joint Graduate School, Jiangsu Suzhou, 215123, China)

The traditional washing machine has a revolutionary change in the structure, size and function. It designs an ultrasonic washing machine such as the liquid storage device, cleaning device and operating platform of the three components. Using ultrasonic cavitation, the preliminary wet clothes emit high frequency ultrasonic vibration to local oil in the sound field under the action of the oil, solid particles from the surface achieve the purpose of clothing stains cleaning. This machine uses high-temperature and high-speed airflow wet clothes to ironing local surface. Comparing with ordinary washing machine on the market on the function, this new machine has more advantages.

ultrasonic washing machine; cleaning; ironing; drying

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.017

2015-02-06

于釗(1991—)，男，河南湯陰人，東南大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)。

TM925.02

B

2095-509X(2015)03-0076-03