吳圓歡　王巍　林煒文　王一龍　李瑞云　李泊凝

【摘要】

本文基于超聲波空化原理設(shè)計(jì)一款新型便攜式去漬筆，分析外出時(shí)如何對(duì)衣物污漬進(jìn)行有效清潔。重點(diǎn)討論了利用大氣壓原理設(shè)計(jì)的真空引水裝置，為衣物清潔提供便攜水源，以及能將驅(qū)動(dòng)電能轉(zhuǎn)換為超聲能量的超聲波輻射裝置，實(shí)現(xiàn)超聲波對(duì)衣物的清洗，同時(shí)研究雙腔推拉式結(jié)構(gòu)的污水回存裝置，將清洗完成后的污垢抽吸回存，完成自動(dòng)給水、超聲清潔、污水回收一體化的便攜式去漬筆設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】超聲波清潔，真空引水裝置，污水回存槽，便攜式

Design of a New Portable Ultrasonic Stain Removing Pen

WU Yuanhuan WANG Wei* LIN Weiwen WANG Yilong LI Ruiyun LI Boning

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China）

Abstract： In this paper， based on the principle of ultrasonic cavitation， a new type of portable stain removal pen is designed to analyze how to effectively clean clothes stains when going out. This paper focuses on the design of vacuum water diversion device based on atmospheric pressure principle， which provides portable water source for clothing cleaning， and the ultrasonic radiation device which can convert the driving electric energy into ultrasonic energy to realize the cleaning of clothing by ultrasonic. At the same time， the sewage recycling device with double cavity push-pull structure is studied， which can pump and store the dirt after cleaning， and complete the automatic water supply， ultrasonic cleaning and sewage recycling Design of portable stain removing pen integrated with water recovery.

Key Words： Ultrasonic cleaning; Vacuum water diversion device; Sewage storage tank; Portable

0. 引言

效率、清潔、干凈的生活，應(yīng)是我們每個(gè)人的日常追求。

然而日常生活中想要時(shí)刻保持清潔卻不是件容易的事，我們經(jīng)常會(huì)遇到如下尷尬場(chǎng)景：吃飯時(shí)衣物不慎沾上油污;寫字時(shí)袖口不慎留下筆痕;女士的領(lǐng)口不慎蹭染上化妝品等等。

大多情況下這些細(xì)小的污漬由于場(chǎng)所的限制無法得到及時(shí)的清潔，不僅影響我們形象的美觀，而且隨著時(shí)間的增加污漬會(huì)愈發(fā)難以清洗，為后續(xù)清洗帶來不便。

針對(duì)以上問題，為了做到在公共場(chǎng)合也能高效、及時(shí)地清洗衣物上的污漬，避免尷尬的處境，本項(xiàng)目研究一款能夠隨身攜帶、有效去漬的產(chǎn)品。

早在上世紀(jì)末，超聲波洗衣技術(shù)便已經(jīng)研發(fā)出來，但由于各種因素其并未得到實(shí)際的應(yīng)用，也并未得到商品化。^[1]

近年來，超聲波清衣技術(shù)逐漸完善，相比傳統(tǒng)洗衣技術(shù)，超聲波洗衣清潔質(zhì)量高，且不需使用過多清洗劑，環(huán)保經(jīng)濟(jì) ^[2]，開始廣泛應(yīng)用于衣物清潔領(lǐng)域。

成都覓瑞科技有限公司^[3]設(shè)計(jì)了一款便攜式清潔筆，包括清潔部和儲(chǔ)液部，工作時(shí)由儲(chǔ)液部提供清洗液，利用清潔部的刷頭進(jìn)行清潔。但是清潔速度慢，且機(jī)械式刷頭清潔對(duì)某些高級(jí)面料的衣物磨損率大，使用局限范圍大。

ViTUN公司^[4]設(shè)計(jì)了一款超聲波洗衣筆，能夠?qū)崿F(xiàn)極速清洗，但是在使用時(shí)需要脫下衣物，還需單獨(dú)準(zhǔn)備潔凈水與清洗液，并在衣物后墊附紙巾用以吸收污水。不僅較為繁瑣，具有一定的場(chǎng)地限制，不能真正做到在公共場(chǎng)合隨意使用;而且沉積的污物顆粒也會(huì)損傷衣物本身的材質(zhì)。

基于上述研究背景，本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一種能夠高效去漬、自動(dòng)給水，并實(shí)現(xiàn)將清洗污水與沉積污物吸收回存處理的新型超聲波去漬筆，真正實(shí)現(xiàn)“隨時(shí)隨地”使用、一體化快速精準(zhǔn)的清潔過程。

1. 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)

超聲波去漬筆外殼設(shè)計(jì)成海豚流線型，外觀尺寸大小為155mm×75mm，符合人體工學(xué)結(jié)構(gòu)，便于手部抓握，且曲線設(shè)計(jì)貼合手部，使用時(shí)不會(huì)增加手部的疲勞感。產(chǎn)品外殼采用鋁合金屬材質(zhì)，體積小，重量輕，便于日常出門攜帶，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)初衷，同時(shí)在一定程度上起到防水耐腐蝕的作用，保證產(chǎn)品使用壽命，其整體外觀如圖1所示。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，殼體3為裝置主體，包括換水口1、指示燈2、按鈕4、霧化清潔頭5;內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，包括污水回存槽6、儲(chǔ)水箱7、集成電路板8、鋰電池9、充電接口10、真空引水裝置11、超聲波輻射裝置12。

2. 產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)

2.1 超聲波輻射裝置設(shè)計(jì)

清洗槽、換能器以及超聲波發(fā)生器是組成超聲波清洗機(jī)必不可少的一部分。^[5]本產(chǎn)品超聲波輻射裝置實(shí)質(zhì)為一個(gè)超聲波壓電換能裝置，由頻率發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電源、超聲波換能器三個(gè)基本元件構(gòu)成，如圖3所示。

頻率發(fā)生器

超聲波換能器

驅(qū)動(dòng)電源

圖3 超聲波換能裝置整體結(jié)構(gòu)

頻率發(fā)生器能夠產(chǎn)生固定頻率精度的信號(hào)源，為超聲波換能器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)提供一定頻率的信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)電源，可將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入超聲波換能器，通過對(duì)換能器施加高壓交流電，使其內(nèi)部電容處于充電和放電的反復(fù)狀態(tài)。

超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它能將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率，在頻率發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)電源的作用下，換能器中的壓電晶片在交變電場(chǎng)的作用下同步伸縮變形，從而形成大功率機(jī)械振動(dòng)，即超聲波能量。

超聲波接觸到水便會(huì)發(fā)生空化作用，在水中形成空化氣泡，空化氣泡數(shù)量越多，清潔效果越好。^[6]超聲波所釋放出的能量使空化氣泡產(chǎn)生振動(dòng)，與衣物表面發(fā)生摩擦，通過沖洗與擦洗使污垢松動(dòng)，然后鉆入污垢的縫隙中繼續(xù)振動(dòng)，直至污垢脫落;同時(shí)氣泡閉合的沖擊波會(huì)使不溶性污垢被擊碎，對(duì)于可溶性污垢，氣泡產(chǎn)生的高速微射流使清洗液滲入污垢內(nèi)部，加快其溶解。^[7]

信號(hào)頻率高于20Hz即為超聲波，在本產(chǎn)品中采用頻率為40 kHz的頻率發(fā)生器。頻率發(fā)生器與中低功率的驅(qū)動(dòng)電源連接，通過超聲波換能器，最后與霧化清潔頭的金屬振片元件連接，形成整個(gè)超聲波輻射裝置。超聲輻射裝置工作時(shí)，僅需由鋰電池提供電流，啟動(dòng)微型電機(jī)帶動(dòng)清潔頭部的環(huán)形振片產(chǎn)生有效機(jī)械功率，從而與水作用發(fā)生空化反應(yīng)，直接與衣物表面的污漬接觸，實(shí)現(xiàn)快速清潔，提高續(xù)航能力。

2. 2. 真空引水裝置設(shè)計(jì)

該去漬筆的創(chuàng)新之一在于增加自動(dòng)給水功能，即在使用產(chǎn)品進(jìn)行清潔時(shí)，不需要單獨(dú)準(zhǔn)備水源，而是由去漬筆內(nèi)部存儲(chǔ)的水源通過特定的裝置直接輸出，解決外出時(shí)清潔的不便。為實(shí)現(xiàn)去漬筆的自動(dòng)給水功能，本產(chǎn)品參照農(nóng)業(yè)引水裝置設(shè)計(jì)一種微型真空引水裝置，如圖4所示。

傳統(tǒng)真空引水罐一般由灌水閥、排氣閥、水箱、進(jìn)水管、出水管等組成，其進(jìn)水管連接吸水管道， 出水管連接水泵。其工作原理是在水泵啟動(dòng)前， 首先打開灌水閥和排氣閥， 再通過灌水閥向水箱內(nèi)灌水，當(dāng)水箱灌滿水后再啟動(dòng)水泵，水泵會(huì)先抽取水箱內(nèi)的水，水箱內(nèi)液位下降，管內(nèi)便會(huì)形成負(fù)壓，在大氣壓的作用下，水就會(huì)沿著進(jìn)水管進(jìn)入水箱，當(dāng)水泵的排液和水泵吸水管的進(jìn)液達(dá)到平衡，水箱內(nèi)的液位就不會(huì)再下降，從而達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，水泵也就達(dá)到了額定工作狀態(tài)，持續(xù)不斷完成輸送水源的工作。^[8]

該真空罐只設(shè)計(jì)兩根導(dǎo)管，取消灌水閥這一零件，同時(shí)在排氣管與出水管之間增設(shè)一根吸氣管，目的是將由水中分離出來的小氣泡及時(shí)隨水流排走，不會(huì)積留于罐體內(nèi)，使罐體處于真空狀態(tài)，從而保持水泵長期穩(wěn)定運(yùn)行。 ^[9]

由于排氣管、吸氣管、出水管上都帶有排氣閥，從而在日常使用中有利于罐體中的氣體排出，從而使罐體保持氣壓平衡狀態(tài)，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，增加產(chǎn)品壽命。真空引水裝置的進(jìn)水管與儲(chǔ)水箱相連，水泵排液管與霧化清潔頭相連，當(dāng)水泵正常運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)水箱內(nèi)的水會(huì)沿著進(jìn)水管進(jìn)入真空罐，再從出水罐流向霧化清潔頭，為超聲波清潔提供水環(huán)境。

2. 2. 污水回收裝置設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計(jì)一種特殊結(jié)構(gòu)的污水回存槽，使其能夠?qū)崿F(xiàn)清洗污水與沉積污物的吸收回存處理。

污水回存槽外形為一長條形的雙層空腔結(jié)構(gòu)，外層即矩形環(huán)裝空槽，外腔與換水口連接，內(nèi)層腔內(nèi)置有推拉式活塞，內(nèi)腔槽頂引出一根吸水管與霧化清潔頭相連，如圖5所示。當(dāng)啟用去漬筆的吸水功能時(shí)，首先將霧化清潔頭處的環(huán)形金屬振片與污漬處相觸，同時(shí)內(nèi)腔的推拉式活塞以極快的速度向下移動(dòng)，擠壓腔內(nèi)空氣，形成負(fù)壓，在大氣壓的作用下，金屬振片處的清洗污水及沉積污物會(huì)被壓入吸水管中，從而進(jìn)入污水回存槽的內(nèi)腔。當(dāng)推拉式活塞運(yùn)動(dòng)到內(nèi)腔底部后，內(nèi)腔槽頂吸水管的止水閥打開，同時(shí)內(nèi)外空腔的接口打開，污水及污物從內(nèi)腔流入外腔，當(dāng)污水全部進(jìn)入外腔以后，內(nèi)外腔接口關(guān)閉，吸水管止水閥關(guān)閉，推拉式活塞回到內(nèi)腔頂部，一次吸水運(yùn)動(dòng)完成。

同時(shí)在去漬筆外殼上設(shè)計(jì)污水回存槽的外腔可視化容量刻度線，讓使用者可以準(zhǔn)確得知回存槽當(dāng)前的儲(chǔ)液量，若儲(chǔ)液量達(dá)到一定高度，則需要由換水口將污水回存槽中的污水及時(shí)排出，避免影響后續(xù)污水吸收回存功能的使用。

2. 2. 霧化清潔頭裝置設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品將霧化清潔頭裝置設(shè)計(jì)成圓臺(tái)狀，圓臺(tái)底面是附有孔洞的圓形平面，在大氣壓作用下從真空引水裝置中排出的液體，再經(jīng)過霧化清潔頭的孔洞，形成均勻細(xì)小的霧化水珠，為超聲波的空化反應(yīng)提供水環(huán)境，又不會(huì)打濕衣物的其他地方;圓臺(tái)外輪廓是一圈突出的金屬振片，用以產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，與水作用發(fā)生空化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波清潔。

2. 2. 其他局部設(shè)計(jì)

1. 功能按鈕設(shè)計(jì)：共有四擋功能操作，分別為開/關(guān)、清洗、出水、吸水，通過集成電路板的設(shè)計(jì)，正確選擇系統(tǒng)配置、電路形式、器件結(jié)構(gòu)和工藝方案，使用戶實(shí)現(xiàn)一鍵化操作。

2. 滑移按鈕：按鈕位于產(chǎn)品外殼中部，與大多數(shù)人抓握本產(chǎn)品時(shí)大拇指的位置相近，伸出手指就能輕松就能觸碰到按鈕，使用方便。按鈕旁附帶不同功能對(duì)應(yīng)的控制編碼提示，從而使不同操作者快速掌握本產(chǎn)品功能使用。

3. 指示燈：作為本產(chǎn)品顯示器，位于產(chǎn)品外殼頭部，符合人類眼睛從上到下的視覺運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可覺察性好，同時(shí)向使用者傳達(dá)產(chǎn)品當(dāng)前的電量信息，綠光代表產(chǎn)品電量充足，紅光則表示產(chǎn)品當(dāng)前電量不足，辨別性好，且符合人群日常使用習(xí)慣。

4. 換水口：換水口分為兩部分，一部分與儲(chǔ)水箱連接，實(shí)現(xiàn)潔凈水與清洗液的補(bǔ)充;另一部分與污水回存槽外腔連接，實(shí)現(xiàn)清洗污水的排放處理。在不使用時(shí)應(yīng)將這兩個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉，需要加水和倒廢水時(shí)，只需打開換水閥門即可加水或倒廢水。^[10]

5. USB充電：外部通過接入充電接口對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，保證產(chǎn)品的續(xù)航能力，實(shí)用性強(qiáng)。

2. 產(chǎn)品工作過程

本產(chǎn)品工作過程：在進(jìn)行衣物清潔時(shí)，首先第一步先選擇出水功能檔位，去漬筆內(nèi)部真空引水裝置和霧化清潔頭裝置同時(shí)工作，儲(chǔ)水箱內(nèi)的清洗液被吸入真空泵，真空泵內(nèi)的水又有水泵排出，在高壓作用下從霧化清潔頭噴射而出，形成均勻細(xì)微的水珠，打濕衣物上污漬沾染處。第二步選擇清洗功能檔位，去漬筆內(nèi)部超聲波換能裝置開始工作，超聲波換能器接收到振蕩發(fā)生器的頻率信號(hào)和驅(qū)動(dòng)器中的驅(qū)動(dòng)電能后，使霧化清潔頭上的金屬振片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)與水作用發(fā)生空化反應(yīng)，使衣物上的污漬被震碎脫落，從而實(shí)現(xiàn)清潔。第三步是選擇吸水功能檔位，使去漬筆內(nèi)部污水回存槽裝置開始工作，金屬振片與清洗后的污漬接觸，通過推拉式活塞向下運(yùn)動(dòng)，使清洗污水及污物由吸水管被吸入污水回存槽內(nèi)腔中，最后再流入外腔，實(shí)現(xiàn)污水的回收處理。當(dāng)以上功能完成以后，選擇關(guān)機(jī)功能檔位，使去漬筆停止工作。

2. 結(jié)語

本產(chǎn)品通過超聲波清潔技術(shù)、真空引水裝置的自動(dòng)給水功能、污水回存槽的廢水回收處理以及集成控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)在各種場(chǎng)合及時(shí)高效清潔衣物的目的。且創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，符合當(dāng)前社會(huì)人們對(duì)于便攜式衣物清潔產(chǎn)品的需求，易被廣大消費(fèi)者接受，為投入市場(chǎng)使用創(chuàng)造良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1. 史雅琪.新型超聲波洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)原理分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（16）：69.

2. 顏秋艷. 超聲波洗衣與傳統(tǒng)洗衣技術(shù)的探討[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016（14）：23-2.

3. 任家樂. 便攜式清潔筆：中國， 201920346145.5 [P]. 2019.11.19.

4. Emma. 超聲波極速洗衣筆[J]. 設(shè)計(jì)，2017（10）：18.

5. 黃志超，涂林鵬，劉舉平，黃薇，韓志利.超聲波清洗技術(shù)及設(shè)備研究進(jìn)展.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，37（3）：1-9.

6. 陳志棟，葉香美. 超聲波洗衣技術(shù)去污性能研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017（03）：71-72.

7. 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（06）：72-76.

8. 盧珍，周小波，曾文明，李玉玲，李光輝.真空引水裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].四川農(nóng)業(yè)與農(nóng)機(jī)，2019（03）：25-26.

9. 馮林豹，高友好.真空罐引水裝置設(shè)計(jì)選用及設(shè)置要點(diǎn)[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（01）：3-5.

10. 于釗.一種超聲波洗衣機(jī)的研發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015，44（03）：76-78.