熊律，鐘睿杰

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650）

近年來(lái)隨著我國(guó)各種有關(guān)食品安全問題的揭露，食品安全問題在萬(wàn)眾矚目的情況下被提上了政府的議事日程。食品安全與全民的身體健康息息相關(guān)，它關(guān)系到一個(gè)民族的命運(yùn)和前途。可以說(shuō)食品安全是全體人民和中華民族的最基本要求。水是人體所需的最基本的食品，是人類賴以生存的不可或缺的重要物質(zhì)，人可一日無(wú)食不可一日無(wú)水。然而據(jù)調(diào)查，目前大多數(shù)中低收入家庭還無(wú)法喝上衛(wèi)生健康的水，問題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面[1-2]，一是千滾水的產(chǎn)生和水沒有燒開就被飲用；二是普通的飲水機(jī)存在很嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。而這些問題主要是由飲水機(jī)熱膽的設(shè)計(jì)不合理和進(jìn)出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的。

沒有被燒開的水中含有多種微生物、病原體以及大量的細(xì)菌，長(zhǎng)期喝這種水容易感染細(xì)菌，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)腥旧细窝住ＧL水中含有大量亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可使人中毒，因?yàn)閬喯跛猁}與人體血液作用形成高鐵血紅蛋白，從而使血液失去攜氧功能，使人缺氧中毒。當(dāng)千滾水中的亞硝酸鹽在人體達(dá)到一定的劑量時(shí)會(huì)形成致癌、致畸、致突變的物質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)危害人體健康?，F(xiàn)在市面上常見的飲水機(jī)每加熱一次就浪費(fèi)了約0.044 kWh，每年全國(guó)因此浪費(fèi)的電能驚人。

針對(duì)飲水機(jī)的設(shè)計(jì)研究，學(xué)者已經(jīng)做了大量實(shí)用且有意義的工作[3-4]。市面上飲水機(jī)熱水膽的容量大約為800 ml，普通飲水機(jī)在加熱時(shí)，這800 ml水全部會(huì)被加熱燒開，然而我們注意到，水杯的容量一般為500 ml左右，即使將水杯倒?jié)M也無(wú)法將熱水膽中全部的熱水倒完，這些剩余的熱水在被加熱的過程中消耗了大量電能，導(dǎo)致電能的浪費(fèi)。本項(xiàng)目通過設(shè)計(jì)一套控水開關(guān)和浮體，使熱水膽中每次只對(duì)固定容量（例如500 ml）的水進(jìn)行加熱，并通過在熱水膽出水口加裝互鎖開關(guān)，實(shí)現(xiàn)冷水無(wú)法摻雜在熱水中一同被放出。

1 問題分析

1.1 電能浪費(fèi)和千滾水問題

目前，作為加熱作用的飲水機(jī)，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致了加熱水出現(xiàn)水質(zhì)問題。不僅如此，剩余大量熱水不斷被加熱，從而導(dǎo)致千滾水的產(chǎn)生，千滾水中含有大量亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可使人直接中毒，因?yàn)閬喯跛猁}與人體血液作用形成高鐵血紅蛋白，從而使血液失去攜氧功能，使人缺氧中毒。當(dāng)千滾水中的亞硝酸鹽在人體達(dá)到一定的劑量時(shí)會(huì)形成致癌、致畸、致突變的物質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)危害人體健康。

普通飲水機(jī)熱水膽容積大，一次加熱后產(chǎn)生的熱水通常無(wú)法一次飲用完，這樣一次加熱產(chǎn)生的熱水就會(huì)遺留在熱水膽中而被再次加熱，這樣不僅浪費(fèi)電能還容易產(chǎn)生千滾水影響飲用者的身體健康[5]。

一般飲水機(jī)熱水膽容積為800 ml（0.8 kg），假設(shè)水被加熱后溫度由25℃上升至100℃，水的比熱容為4 200 J/kg，由熱量計(jì)算公式可知

Q=C·M·△T (1)

由此可算出水加熱一次所好電能為252 000 J約為0.07 kWh。實(shí)際上人一次飲用300 ml水為宜，所以現(xiàn)在市面上常見的飲水機(jī)每加熱一次就浪費(fèi)了約0.044 kWh，試想全國(guó)每年要因此浪費(fèi)多少電能。

解決思路：利用浮體的浮力，堵住熱水膽進(jìn)水口，從而每次加熱時(shí)只對(duì)熱水膽中固定容量的水進(jìn)行加熱，減少電能浪費(fèi)，也可減少千滾水的產(chǎn)生。如果需要加熱熱水膽中所有的水，可通過按下控水開關(guān)從而推開浮體，使得更多冷水進(jìn)入熱水膽。

1.2 開水不開的問題

目前，作為加熱作用的飲水機(jī)，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在放出熱水的同時(shí)，待加熱的生水容易滲透到熱水膽中，生水指的是未經(jīng)煮沸的水，從而導(dǎo)致了生水摻雜在熱水中被一同放出，將導(dǎo)致煮沸后的熱水摻雜生水，影響水質(zhì)。

解決思路：通過在熱水出水口加裝一套機(jī)械互鎖開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在放熱水的時(shí)候，熱水膽進(jìn)水（冷水）口被堵住，從而保證在放出的熱水中不會(huì)摻雜生水。

2 技術(shù)路線

2.1 進(jìn)水口浮體控制開關(guān)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)熱水膽中的水量沒有達(dá)到保有水量（如圖1紅框所示）時(shí)，控水槽中的水在重力的作用下流入熱水膽。當(dāng)熱水膽中的水量達(dá)到保有水量時(shí)，空心浮體在浮力的作用下會(huì)頂住熱水膽進(jìn)水口而使控水槽中的水無(wú)法進(jìn)入熱水膽中；當(dāng)需要加熱更多熱水時(shí)，可通過按下控水開關(guān)將浮體推開從而使控水槽中的水可以繼續(xù)流入熱水膽中，直到松開控水開關(guān)時(shí)，浮體再一次頂住熱水膽進(jìn)水口從而使控水槽中的水無(wú)法進(jìn)入熱水膽。

圖1 保有水量示意圖

2.2 出水口機(jī)械互鎖開關(guān)設(shè)計(jì)

駐塞1打開時(shí)，駐塞2關(guān)閉；當(dāng)駐塞2打開時(shí)，駐塞1關(guān)閉。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)按下機(jī)械互鎖開關(guān)時(shí)，駐塞1上升堵住進(jìn)水口，駐塞2上升放出熱水，這樣可以防止放熱水時(shí)生水進(jìn)入熱水膽與熱水混合而使水無(wú)法真正燒開；當(dāng)機(jī)械互鎖開關(guān)處于自然狀態(tài)時(shí)，駐塞1不會(huì)堵住熱水膽進(jìn)水口，使儲(chǔ)水桶中的生水可以進(jìn)入熱水膽中，駐塞2堵住熱水膽出水口。

圖2 機(jī)械互鎖開關(guān)示意圖

2.3 本設(shè)計(jì)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果

①由于采用浮體控制開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可有效減少千滾水的產(chǎn)生和降低電能的浪費(fèi)。②由于采用機(jī)械互鎖開關(guān)，具有操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠的優(yōu)點(diǎn)，可有效避免在放熱水的時(shí)候生水流入熱水膽，從而保證放出的熱水中不會(huì)摻雜有生水，防止生水被飲用。

3 技術(shù)實(shí)施方案

3.1 進(jìn)水口浮體控制開關(guān)設(shè)計(jì)

阿基米德原理：浸入液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體受到的重力。

公式：F浮=G排=ρ水·g·V排。單位：F浮—N，ρ水—kg/m3，g—N/kg，V排—m3。浮力的有關(guān)因素：浮力只與ρ水，V排有關(guān)，與ρ物（G物），h深無(wú)關(guān)，與V物無(wú)直接關(guān)系。適用范圍：液體，氣體。

如圖3所示，本設(shè)計(jì)旨在通過浮體控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)固定容量（500 ml）的冷水進(jìn)行加熱，目的是避免每次加熱都對(duì)熱水膽全部容量（800 ml）的熱水進(jìn)行加熱導(dǎo)致的電能浪費(fèi)問題。

如圖4所示，進(jìn)水口浮體控制開關(guān)的設(shè)計(jì)，其特征在于：熱水膽（11）上方的控水槽（21），其底部通過進(jìn)水管（22）連接熱水膽（11）中部；以及位于熱水膽（11）內(nèi)的浮體（31），其頂部具有用于密封進(jìn)水管（22）出口的密封面，浮體（31）連接有一按壓組件（40），該按壓組件（40）具有控制所述浮體（31）向下移動(dòng)的按壓桿（41）。按壓桿（41）一端連接在所述浮體（31），按壓桿（41）另一端伸出所述熱水膽（11）后設(shè)置有按壓帽。

圖3 浮體控制開關(guān)a

浮體（31）為空心構(gòu)件，熱水膽（11）具有供按壓桿（41）穿過的密封孔。按壓組件（40）還包括套設(shè)在按壓桿（41）上的彈性件，彈性件一端抵壓在按壓帽上，另一端抵壓在所述熱水膽（11）外部。

彈性件為彈簧（42），浮體（31）設(shè)置有限位器，進(jìn)水管（22）具有豎直布置的垂直段，限位器包括伸入所述進(jìn)水管（22）內(nèi)的限位桿（32），限位桿（32）底端連接于所述浮體（31）頂部。熱水膽（11）頂部設(shè)置有氣孔（14），熱水膽（11）下部連接有出水管（13），出水管（13）設(shè)置有熱水開關(guān)。

圖4 浮體控制開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

3.2 出水口機(jī)械互鎖開關(guān)設(shè)計(jì)

如圖5所示，當(dāng)駐塞1放開進(jìn)水口時(shí)，駐塞2堵住出水口，從而保證儲(chǔ)水桶中的生水進(jìn)入熱水膽時(shí)，熱水不會(huì)往外放；當(dāng)駐塞2放開出水口時(shí)，駐塞1堵住進(jìn)水口，從而保證熱水在被飲用者放出時(shí)，儲(chǔ)水桶中的生水無(wú)法流入熱水膽，從而保證飲用者放出的熱水中不會(huì)摻雜生水。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)按下機(jī)械互鎖開關(guān)時(shí)，駐塞1上升堵住進(jìn)水口，駐塞2上升，出水口打開從而放出熱水，這樣可以防止放熱水時(shí)生水進(jìn)入熱水膽與熱水混合而使水無(wú)法真正燒開；當(dāng)機(jī)械互鎖開關(guān)處于自然狀態(tài)時(shí)，駐塞1不會(huì)堵住熱水膽進(jìn)水口，使儲(chǔ)水桶中的生水可以進(jìn)入熱水膽中，駐塞2堵住熱水膽出水口使熱水無(wú)法放出。

圖5 機(jī)械互鎖開關(guān)

綜上利用控水開關(guān)來(lái)控制熱水膽中被加熱水量，從而減少千滾水的產(chǎn)生和減少電能的浪費(fèi)。利用機(jī)械互鎖開關(guān)實(shí)現(xiàn)在放熱水的時(shí)候，儲(chǔ)水桶中的生水無(wú)法進(jìn)入熱水膽，從而實(shí)現(xiàn)放出的熱水中不會(huì)摻雜任何生水，防止生水被飲用。

如圖6和圖7所示，出水口機(jī)械互鎖開關(guān)的設(shè)計(jì)，其特征在于：熱水膽（11）上方的儲(chǔ)水桶（21），其底部通過進(jìn)水管連接熱水膽（11），進(jìn)水管包括與儲(chǔ)水桶（21）連接的進(jìn)水段（22）以及與熱水膽（11）連接的水平段（23），水平段（23）位于出水管（13）上方。

互鎖開關(guān)組件（50），其包括第一柱塞（51）、第二柱塞（52）以及連接桿（53），第一柱塞（51）設(shè)置在水平段（23）內(nèi)，第一柱塞（51）具有用于密封進(jìn)水段（22）出口的密封端面，第二柱塞（52）設(shè)置在所述出水管（13）內(nèi)，第二柱塞（52）具有用于密封出水管（13）的密封側(cè)面，連接桿（53）上端連接第一柱塞（51），連接桿（53）下端連接第二柱塞（52）。

密封端面設(shè)置在第一柱塞（51）頂部，密封端面與進(jìn)水段（22）之間具有間隙，上移連接桿（53）后，密封端面抵壓進(jìn)水段（22）出口。

出水管（13）水平布置，上移連接桿（53）后，第二柱塞（52）底部遠(yuǎn)離出水管（13）底部?jī)?nèi)側(cè)。

連接桿（53）連接有擋塊（54），擋塊（54）設(shè)置有提手部（55），互鎖開關(guān)組件（50）還包括擋塊（54）置放的定位板（56）。熱水膽（11）頂部設(shè)置有氣孔（14）。

圖6 機(jī)械互鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖7 機(jī)械互鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)詳圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過浮體控制開關(guān)可以控制熱水膽中被加熱水量，克服了普通飲水機(jī)每次加熱時(shí)都將熱水膽中所有容量的水都加熱的問題，從而有效解決電能浪費(fèi)的問題和減少千滾水的產(chǎn)生。機(jī)械互鎖開關(guān)可以有效防止放出熱水中摻雜生水，有效克服了開水不開的問題。通過解決以上兩個(gè)問題，可為飲水機(jī)生產(chǎn)企業(yè)制造健康節(jié)能飲水機(jī)提供技術(shù)解決方案。