一种超声波洗衣机的研发

２０１５年 ３月　 第 ４Ｊ４卷 第 ３期　 机械设计与制造工程　 Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５～５０９Ｘ．２０１５．０３．０１７　 Ｍ ａｒ．２Ｏ１５　 Ｖ０１．４４　Ｎｏ．３　 一 种 超 声 波 洗 衣 机 的研 发　 于　 钊　 （东南大学 东南大 学 一蒙 纳士 大学 苏州联 合研究 生 院 ，江苏 苏州 ２１５１２３）　 摘要 ：为解决 目前 市场上 的超 声 波洗 衣机 体 积 大 、价 格 高、洗 涤 效 果差 、使 用 不 方便 等 缺 点 ，研 制　 了一 款新 型超 声波 洗衣机 。该款超 声波 洗 衣机 与传 统 洗 衣机 在 结 构 、体积 和 功 能上 都 有 革命 性　 改变 ，主要 分 为储液 装置 、清洁装 置和操 作 台 ３部 分 ，较 重部 件都 装 在 主机 上 ，由手 柄 实现 两 大功　 效—— 清洁和 干燥 ，即用力挤 压 衣物 时利 用超 声波 的空化 作 用 ，向初 步 湿润 的衣 物局部 发 出高频　 超 声波使 油 污在 声场 的作 用下乳 化 ，达 到 固体 粒子 脱 离衣 物 实现 表 面 净化 的 目的 ；轻触 衣 物 时利　 用高温 高速 气流 实现 对 衣物局部 湿润 面的熨 烫干燥 。在 功 能上 与 市 面上 的普通 洗 衣机 相 比 毫不　 逊 色，且 集洗 涤 、熨 烫和 干燥等 功能 于一体 ，在 细 节处理 上具有 更 多优 势 。　 关键 词 ：超声 波洗 衣机 ；清洗 ；熨 烫 ；干燥　 中图分类 号 ：ＴＭ９２５．０２　 文献 标识码 ：Ｂ　 文章 编号 ：２０９５—５０９Ｘ（２０１５）０３—００７６—０３　 ２００１年 ８月 ３１本 三洋 电机宣 布 开发 出无需 使　 用 洗 涤剂就 可 以洗 干净 衣 物 的洗 衣 机—— 超 声 波　 电解水 洗 衣 机 ，并 开 始 销 售 ¨Ｊ。这 一 消 息 在 国 内　 外 洗衣 机行业 引起 了不 小 的反 响 和 冲击 。将 超 声　 清洗用 于洗 衣机 的研 究 在 ２０多 年 前 就 已开 始 ，但　 由 于 种 种 原 因 一 直 未 进 入 实 用 化 和 商 品 化 阶　 段　 ，直 到 ２００１年 ８月 １３本 三洋 电机 宣 布开 发 出　 超 声波 洗衣 机 ，但 是 十几 年来 超声 波洗衣 机 由于 自　 身 的缺陷 ，消费者 认 可 度 不 高 ，目前 它 的 市场 份 额　 不 大　 。　 虽 然超 声 波 洗 衣 技 术 较 纯 熟 ，但 造 型 比 较 单　 一 、 不美 观 ，很 多 企业 设 计 的超 声 波 洗 衣机 功 能 外　 形 都 大 同小 异　Ｊ。一 些 超 声 波 洗 衣 机 做 工 粗 糙 ，　 不 够精 致 ，不 仅影 响使 用寿命 且缺少 美感 。市 面上　 的超声 波洗 衣机 缺乏成 熟 的人机交互 体验 ，虽 然易　 于操作 ，但 是 体 型 庞 大 ｌ５］。 国 内超 声 波洗 衣 产 品　 设计 在视觉 传达设 计 、色彩设 计等方 面不 和谐 或者　 难 以融人环境 ，遗漏 了设计 中与人相 关 的因素 的探　 讨 ，忽视 解决 人 一产 品 一环 境 一社 会 系 统 ｌ６　Ｊ。机　 械造 型忽 视 了与人 体工程 学 的结 合 ，明显 与国外 市　 场 的需求 不相 适 应 。为 了使 既 环 保 又 节能 的超 声　 波洗 衣机 在市 场上 有所 突破 ，本 文这 款超声 波洗 衣　 机 与传统 洗衣机 在结 构 、体 积 和功能 上都做 了革命　 性改 变　 ｌ 超 声 波洗 衣 机 的结 构　 超声 波洗衣 机 的设 计 出发点 是尽量 小 巧 ，噪声　 尽量 低 ，使 用方 便 ，功 能尽 量多 ，当然这 是在 不损 害　 洗衣 功能 和效 果 的前 提 下 需要 达 到 的。它 的诞 生　 是 为 了服 务广 大消 费者 的 ，只有 广大 消费者 认可 和　 接 受 ，市 场份额 才 能扩大　 。　 笔者 在考 虑如何 减小 洗衣机 的体 积时 ，首先想　 到 的是洗 衣桶 ，传统洗 衣机 中最 占体 积 的非 洗衣桶　 莫 属 ，它 是 储 水 、漂洗 的所 在地 ，似 乎 是 必 不 可 少　 的　 。但 笔者 大胆想 象 ，是 否 能 改造 它 ，衣 物 能 否　 不 放在容 器 中 ，比如像熨烫 衣 服一样 。答 案是肯 定　 的 ，最终 笔者 设 计 的 洗 衣 机 的外 形 和结 构 如 图 １、　 图 ２、图 ３所 示 。　 图 １ 超 声 波 洗 衣 机 外 形　 收 稿 日期 ：２０１５—０２—０６　 作者简介 ：于钊 （１９９１一 ），男 ，河南汤阴人 ，东南大学硕士研究生 ，主要研究方向为工业设计 。　 ７６ 　 ２０１５年 第 ３期　 于钊 ：一种超声 波洗衣机的研发　 超 声 波 信 号线 　 供水 管　 储液杯　 小 管糟　 废液罐　 大 卡 槽　 手 柄　 手 柄 开 关　 手 柄 清 洁 器　 供 水 管 出 水 口　 吸 水 纤 维 垫　 吸水纤维垫垫槽　 超 声 波 振 子　 篦漏 网　 废 液 网 收 仓　 回 水 管　 操作面 板　 底座　 超声波发生器　 ＳＪ．６换 能 器 　 图 ２ 超 声波 洗 衣机 的 结 构 原 理 示 意 图　 污 物进 行空 化作 用 ，由于 能量 在 局 部 高 度 集 中 ，水　 同时也 升温 气化 ，这 样手 握手 柄清 洁器 用力 挤压 衣　 物 时 可对衣 物进 行 清洗 ，轻轻 接触 衣物 时可 对衣 物　 进 行熨 烫 干燥 。　 底 座 的上 表面 为斜平 面 ，斜 平 面上 有截 面为倒　 梯 形 的凸卡 ，储 液 杯 的底 面 为斜 平 面 ，斜 平 面 上 有　 截 面 为梯形 的 凹槽 ，凸 卡和 凹槽 咬合后 两斜 面贴 在　 一 起 ，储 液杯 质 量 大 ，在 重 力 作用 下 这 种 安 装 方 式　 更 为稳 定 ；废 液 罐也 使用 这种 方式 卡合 在储 液杯 下　 部 的底 座上 。超 声波 发 生器也 较 重 ，放 在底 座里偏　 向另一 侧 ，使 主机重 心不 偏离 ，保持 底座 平衡 稳定 。　 底 座正 面有 操作 板 可 以控 制 和调 整工作 状 态 ，两 侧　 为小 型清 洁柄 ，可 以快速 处理 一些 清洁 器难 以处 理　 的小 型污渍 。　 储 液 杯　 废液罐　 取 杯 开 关　 操作面板　 吸 水 纤 维 垫　 手柄清 洁器　 手柄 开 关　 合 管 线　 图 ３ 超 声波洗衣机的工程 图　 超 声波 洗衣 机 的结 构 分 为 ３部 分 ：储 液 装 置 、　 清 洁装 置和 操作 台 。储 液 装 置 由储 液杯 和废 液 罐　 组 成 。储 液 杯体 积 较 大 ，由卡 槽 固定 在底 座 上 ；废　 液 罐较 小 ，卡合 在储 液杯 下方 。　 清 洁装 置 由 ＳＪ一６换 能器 和 手柄 清 洁器 组 成 ，　 ＳＪ一６换 能器 由 超 声 波发 生 器 、超 声 波 信 号 线 和 ４　 个 振子 组成 ，其 中超 声 波 发 生 器 固定 在 底 座 内 ，超　 声 波发 生器 和 ４个 安 装 在 手 柄 清 洁 器 面 板上 的振　 子 通过 超声 波信 号线 相 连 。　 手 柄清 洁 器通 过超 声波 信 号线 、供水 管 和 回水　 管 组成 的 合 管 线 与 主 机 相 连 ，形 状 像 一 个 气 体 熨　 斗 ，表 面有 一层 吸 水 纤 维 垫 ，吸 水 纤 维 垫 垫槽 连 接　 供 水管 ，靠 吸水 纤 维 垫 的 吸 力 和 大气 压 作 用 ，吸取　 储 液杯 的清 水 ，手柄 清 洁器底 部 有一个 小 的废 液 回　 收 仓 ，废 液 回 收仓 和 吸 水 纤 维 垫 之 间有 一 层 篦 漏　 网 ，在压 力 和重 力 作 用 下 ，吸 水 纤 维 垫 中的水 会 流　 到 废液 回收 仓 内 ，通 过 回水 管 把 废 水 排 到 废 液 罐　 里 。手 柄 清 洁 器 上有 开 关 ，打开 开 关 ，安 装 在 面板　 上 的 ４个 超 声波 振子 发 出超声 波 ，在手 柄 纤维 垫及　 接 触 的衣物 上局 部形 成 一个 超声 波共 振 场 ，对 水 和　 ２ 超声 波洗衣机 的工作原理　 超 声波 洗 衣机是 如 何完成 洗 衣 、熨 烫 和干燥 的　 呢？结 合 图 ２、图 ３可 知 ，这 种 超 声 波洗 衣 器 包 括　 将 电能转 化 为 高 频 电脉 冲 的 能 量 转 换 部 件 组 （主　 机 ）和 清洗 部件 组 （手 柄 清 洁器 ）。洗 衣 机 清 洗 衣　 物 ，首 次使 用 时先把 手柄 清 洁器放 到低 于储 液杯 的　 水 平 线 ，待 储 液杯 中的 水 充 满 吸水 纤 维 垫 ，在 主 机　 操 作 面板 上进 行 调试 ，开 动 机器 ，超 声 波发 生 器 把　 电能 转化 成超 声波 信号 ，通 过超声 波信 号线 传送 到　 手柄 上 的超声 波振 子 ，由振 子发 出超声 波 。 由于手　 柄纤 维垫及 接 触 的衣物 里 的水受 到超 声波 的辐 射 ，　 使液 体 中的微 气 泡 能够 在 超 声 波 的作 用 下 保 持 振　 动 ，当声 压或 者声 强 达 到 一 定 程度 时 ，气泡 就 会 迅　 速膨 胀 ，然 后 又 突然 闭合　』。在这 个 过 程 中 ，气 泡　 闭合 的瞬间产 生 冲击 波 ，使 气 泡 周 围 产 生 １　０１２～　 １　Ｏ１３Ｐａ的压力 ，这种 超 声 波 空 化所 产 生 的 巨大 压　 力能 破坏 不溶 性 污 物 而 使 它 们溶 解 于溶 液 中。蒸　 汽型 空化 对 污 垢 的直 接 反 复 冲 击　 ，一 方 面 破 坏　 污物 与 清洗件 表 面之 间 的吸附 ，另一 方面 能 引起污　 物层 的疲 劳破 坏 而被 驳 离 。气 体 型 气 泡 的 振 动对　 固体 表 面进行 擦 洗 ，污 层 一 旦 出现缝 隙 ，气 泡立 即　 “钻 人 ”使 污层 脱 落 ，由于 空 化作 用 ，两 种 液 体在 界　 面迅 速分 散 而乳 化 ，当 固体 粒子 被 油污裹 着 而粘 附　 在清 洗件 表 面 时 ，油 被 乳 化 后 固体 粒子 自行 脱 落 ，　 超声 波 在清洗 液 中传播 时会产 生正 负交 变 的声压 ，　 形成 射 流 ，冲击 清洗 物 ，同 时 由 于非 线 性 效 应会 产　 生声 流 和微声 流 ，而超 声 空化在 固体 和液 体 界面会　 产 生高 速 的微 射 流 ，所 有 这些作 用 ，能够破 坏 污物 ，　 除 去或 削弱边 界 污层 ，增 强搅拌 、扩 散作用 ，加 速 可　 ７７ 　 ２０１５年 第 ４４卷　 机械 设 计 与制 造 工 程　 溶 性污 物 的溶 解 …　。　 需要 加 水和倒 废水 时 ，只要 沿卡 槽方 向用力 把　 储 液杯 或 废 液 罐 从 卡 槽 取 出 即可 加 水 或 倒 废 水 。　 从 最终 清洗 的衣物 可 以发现 ，这款洗 衣机不 仅洗 衣　 效 果不 错 ，而且洗 涤 熨 烫 干燥 一 次 完 成 ，衣 物没 有　 磨 损 ，还变得 松软 。　 ３ 超声 波洗衣 机的特点　 ａ．分体 式设 计 。为方便 人们使 用 ，采 用分 体设　 计 ，较 重部 件安装 在 主机上 ，人们 清洗衣 物时 ，只要　 拿手柄 清洁器就 可 以完成清 洗干燥 的工作 。　 ｂ．换 能 器分体 安 装 。将 普 通换 能 器 分 成超 声　 波发 生器 、超声 波信 号 线 和振 子 ３部 分 ，超 声 波 发　 生器 和振 子分别 安装在 主机 和手柄 上 ，通 过超 声波　 信号 线相 连达 到分体 的 目的 。　 ｃ．手柄 清洁 器 。手 柄 清洁 器 形 状像 一 个 气 体　 熨斗 ，拿起 手柄 就能完 成洗 涤 、熨烫 和干燥 的操 作 ，　 减轻 了劳 动强度 。　 ｄ．废 液 罐可装 卸 。废 液 罐 卡合 固定在 储 液 杯　 下方 ，用 于储存 清 洁后 的废弃 液 体 ，废 液 罐 可 以从　 卡槽 上取 下倒去 废水 。　 ｅ．稳 定 咬合设 计 。底 座采 用 四足结构 ，稳定 大　 方 ，上 部没 有采用 螺 钉 固定储 液 杯 ，而 是选 择 咬合　 式 固定 储液 杯和其 他设 备 。　 ｆ．超小体 积 。该 款 清 洁 器 旨在 改 变 洗 衣 机 笨　 重 的洗衣 方式 ，清 洁器 采 用适 合 人 手 持 的尺 寸 ，在　 不影 响使用 效果 的基 础上 ，尽 量 减 小 尺寸 ，机 体 高　 ２９ｃｍ，长 和宽 为 １９ｃｍ，可 以根 据需要 放在酒 店 前 台　 和家庭 的客厅使 用 。　 ４ 结束语　 这 款超 声 波洗 衣 机 的优 点 不仅 在 于洗 涤效 率　 高 ，还可 节省洗 涤 剂 和漂 洗 用 水 ，间接 地 节 省 了生　 产洗 衣粉 所用 的原材 料 、人 工 、水 电等 ，更重 要 的是　 保护 了生态环境 ，社会 效益 明显 。 因此 这是 一个值　 得关 注 的发展方 向。　 参 考文 献 ：　 ［１］　 阮建林．步进式超声波清洗设 备 ［Ｍ］．北京 ：北京 大学出版　 社 ，２００８．　 ［２］ 曹其福．超声 波的职业损 害与预 防 ［Ｃ］／／２００７年全 国医学　 影 像 （重 庆 ）学 术 交 流 会 论 文 汇 编 ．重 庆 ：中 华 医学 会 继 续 教　 育 部 ，２００８．　 ［３］ 王梅 ．国产“超声 波洗衣机”问世 ［Ｊ］．家庭 电子 ，２００２（１０）：　 ２５ — ２８．　 ［４］　 尚宝．超声 波 家 电形 形 色色 ［Ｊ］．全 国商情 ：综 合 版 ，２００１　 （２２）：８．　 ［５］ 郭青 山．人机工程设计 ［Ｍ］．天津 ：天津大学出版社，２００６．　 ［６］　 程能林．工业设计手册 ［Ｍ］．北京 ：化学工业出版社 ，２００８．　 ［７］ 刘 国余，产品形态创意与表 达［Ｍ］．上海 ：上海 人民美术 出　 版 社 ，２００４．　 ［８］　 于 慧 ．创 意 配 色 实 战 技 巧 ［Ｍ］． 北 京 ：中 国 青 午 出 版 社 ，　 ２００７．　 ［９］　 张玉华．简析全 自动洗衣机 中的物理技术［Ｊ］．潍坊教育学 院　 学 报 ，２００２（４）：３２—３３．　 ［１０］周德麟．超声波洗衣机清洗的机理和结 构的探讨 ［Ｊ］．家用 电　 器 科 技 ，２００２（６）：７２—７６．　 ［¨］Ｋｅｉｋｏ　Ｇｏｔｏｈ．超声波在纺织品水溶液洗 涤中的应用 ［Ｊ］．工业　 与公共设施清洁 ，２０１３（７）：５４—５９．　 Ｄ ｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｗ ａｓｈｉｎｇ　ｍ ａｃｈｉｎｅ　 ＹＵ　Ｚｈａｏ　 （Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ—Ｍｏｎａｓｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　 Ｊｏｉｎｔ　Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｓｕｚｈｏｕ，２１５１２３，Ｃｈｉｎａ）　 Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗａｓｈｉｎｇ　ｍ ａｃｈｉｎｅ　ｈａｓ　ａ　ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｉｔ　ｄｅ—　 ｓｉｇｎｓ　ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｗａｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｄｅｖｉｃｅ，ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　 ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｕｓｉｎｇ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｔｈｅ　ｐｒｅｌｉｍ ｉｎａｒｙ 　ｗｅｔ　ｃｌｏｔｈｅｓ　ｅｍ ｉｔ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉ—　 ， ｂｒａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｌｏｃａｌ　ｏｉｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｉｆｅｌｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ，ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｒｆｏｍ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒ－　 ｐｏｓｅ　ｏｆ　ｃｌｏｔｈｉｎｇ　ｓｔａｉｎｓ　ｃｌｅａｎｉｎｇ． Ｔｈｉｓ　ｍ ａｃｈｉｎｅ　ｕｓｅｓ　ｈｉｇｈ —ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ — ｓｐｅｅｄ　ａｉｒｌｆｏｗ　ｗｅｔ　ｃｌｏｔｈｅｓ　ｔｏ　ｉ‘　 ｒｏｎｉｎｇ　ｌｏｃａｌ　ｓｕＦｆａｃｅ． Ｃｏｍｐａｉｒｎｇ　ｗｉｔｈ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｗａｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｍａｃｈｉｎｅ　 ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．　 Ｋ ｅｙ　ｗ ｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｗａｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｃｌｅａｎｉｎｇ； ｉｒｏｎｉｎｇ；ｄｙｒ ｉｎｇ　 ７８