1、目 录 摘要11 前言11.1 家用洗碗机简介11.2 国外发展现状21.3 国内发展现状 31.4 国内主流产品32 超声波清洗原理及方案42.1 超声波清洗原理42.1.1 概述42.1.2 超声波清洗的机制42.1.3 超声空化阀值62.2 超声波洗碗机方案设计63 超声波清洗参数73.1 声强73.2 频率83.3 清洗液84 超声场相对空化强度84.1 空化强度测量方法原理84.2 空化强度测量84.2.1 实验结果处理94.2.2 实验结论95 超声波重要参数确定105.1 温度，清洁时间，超声功率105.2 餐具合理摆放115.3 总结116 洗碗机整体结构设计126.1 整体方
2、案126.2 外壳和碗篮126.3 清洗槽136.4 进排水系统136.4.1 水位感应系统136.5 加热系统146.6 门开关电路146.7 喷臂系统146.8 超声清洗系统156.8.1 超声波发生器156.8.2 超声波换能器166.9 总结177 结论17参考文献18致谢191家用超声波洗碗机整体结构设计摘 要：超声波技术在洗碗机领域的应用，使洗碗机的发展更加多元。在洗碗机整体结构、清洗工艺和控制系统三个方面进行改良设计。结构方面，采用不锈钢清洗槽，合理布置超声波系统，喷臂冲水装置和进排水装置等，使结构更加紧凑合理，提升清洗效果。清洗工艺方面，分析洗涤槽内超声波空化强度的分布，选择合
3、适的参数，确定最优的清洗流程。 关键词：超声波；洗碗机；结构设计； The structural design of home ultrasonic dishwasherAbstract: The using of ultrasonic technology make the development of dishwasher more diversified. This paper has improved and redesigned the overall structure of the dishwasher, the cleaning process and control syst
4、em. The structure: the cleaning tank is made of stainless steel. The dishwasher consists of reasonable layout of the ultrasonic system, the spray arm flush device and the plumbing system, so that the structure is more compact and reasonable, to improve the cleaning effect. Cleaning process: figuring
5、 out the distribution of ultrasonic cavitations intensity and selecting appropriate parameters to determine the optimal cleaning process.Key words: ultrasonic; dishwasher; the design of overall structure ; 1 前言 1.1 家用洗碗机简介 洗碗机是用来自动清洗碗、筷、盘、碟、刀、叉等餐具的设备，在饭后清洁沾满2油污的餐具是人们日常生活中不得不面对的一大家务劳动，洗碗机的出现减轻了劳动强度，提
6、高了工作效率，并增进清洁卫生。早在 1850 年，Joel Houghton 就申请到了世界上第一个洗碗机专利，不过是一个手动设备；1893 年世界博览会上，蒸汽船发明人 John Fitch 的孙女 Josephine 展出了她设计的手动洗碗机，她也被称为现代洗碗机之母；1920 年德国米勒公司制造出世界上第一台电动洗碗机，只不过它当时的外形并不适合家庭使用；1954 年美国通用电气公司制造出一台电动洗碗机，这台机器不仅洗涤性能大幅改善，而且外形更适合家庭使用；1978 年德国米勒公司有制造出第一台微电脑电动洗碗机，使洗碗机开始进入寻常人家的厨房。现有的家用洗碗机种类繁多，按控制方式分为机电
7、式控制和电子式控制；按安装方式分为台式、独立式和嵌入式；按洗涤方式分为喷淋式和涡流式。虽然市场上有各式各样的洗碗机，但这些洗碗机基本都有机壳、机门、内胆、控制系统、清洗系统和餐具摆放架等重要部件。机壳有金属和塑料两种。金属机壳的好处是高档，机械强度高，结构牢固，但它也具有易锈蚀，成本高等缺点；塑料机壳的优点是制作成本低，重量轻，但它有易老化，耐热性差等缺点 1。机门通常使用冷轧钢板制成，有上开门式和前开门式两种。通常设置有意外开门保护装置，在儿童或其他使用者不小心在家用洗碗机工作过程中打开机门，洗碗机会马上停止工作，以保护人身安全。内胆是洗碗机工作的重要部件，市面上的洗碗机产品分为塑料内胆和金
8、属内胆两种。金属内胆具有耐用，耐高温，抗老化，易清洗等优点，缺点是易腐蚀，造价高；塑料内胆也具有上述大部分优点，且造价低，但是一个显著的缺点就是难清洗，易留异味。1.2 国外发展现状第一台家用洗碗机起源于德国，同时德国的现代家用洗碗机技术在整个欧洲也处于前列，拥有者 BOSCH，Miele，SIEMENS 等 20 多家洗碗机制造商，年产量高达 3 百万台，消费量也高达 1.71 百万台，拥有率高达 42%。美国是目前洗碗机普及率最高的3国家，早在 1996 年就已达 54.9%，同时也是洗碗机生产大国，年产量一直保持在 300万台以上，著名企业包括 GE 等。日本的起步比欧美国家晚了大约 3
9、0 年，并在发展过程中遭受坎坷，现在的普及率仍不及欧美大国，著名企业包括日立，松下，三菱，夏普等均有生产。国外很多家庭都拥有家用洗碗机，且传统的喷臂式洗碗机十分适合国外餐具的清洗，传统洗碗机是通过电机驱动洗涤泵使洗涤液在一定的压力下从喷臂喷出，形成密集的热水流；喷臂由于受到喷水的反作用而旋转，使洗涤液来回地喷射到各式餐具上，对餐具进行喷射冲洗和淋刷。喷射水流对碗碟表面起机械冲洗作用，洗碗机专用洗涤剂对碗碟表面油污起化学清洗作用，热水起浸泡软化作用。三者联合作用，使碗碟表面油污和残渍分解和脱落，从而达到清洁的目的,且造价低，性价比高，使国外的家用洗碗机的普及率还在不断的增大。良好的市场促进了企业
10、对新型洗碗机的研制和开发，且新型超声波家用洗碗机也开始在国外流行，这种良性循环使国外的洗碗机产业焕发出蓬勃的生机。1.3 国内发展现状我国在 80 年代有了第一台洗碗机，但是发展过程却不尽如人意。1998 年，第一台全自动柜式洗碗机在小天鹅诞生，之后，海尔，美的，澳柯玛，格兰仕等企业纷纷进军洗碗机领域。但是，令人遗憾的是，这些国产企业生产的产品主要外销，作为国产企业，却也没有对国内市场有足够的重视。究其原因，大致有以下几点：一台普通的洗碗机动辄几千元，多则上万元，这对普通消费者来说，是一笔不小的开支，其次是耗电量和耗水量大。一台洗碗机完成洗碗、消毒、烘干耗时长。且洗碗机的功率从600W 到 2
11、300W 不等，消费者将承受更多的电费。国内的洗碗机品牌，如海尔、小天鹅、美的等，最低价格都在 2000 元左右，加上专用的洗涤剂，不仅价格高，而且不环保；传统的洗碗机需要很大的室内空间，在房价寸土寸金的今天，显然是不经济的；另外，洗碗机工作需要采用专用的洗涤剂，并对餐具的形状有一定要求，不适合中式餐具，且中式菜肴油污较多，洗涤相对麻烦，国内洗碗机多为塑料内胆，长时间使用之后，内胆会变得有异味而且油腻难清洗，出现“洗碗机洗碗，人洗洗碗机”的问题。如此，都决定了传统洗碗机难以在中国快速普及 2 。1.4 国内主流产品4以美的（Midea）举例，目前在商城大致能见到的型号为 WQP6-3207-C
12、N，WQP8-9249A-CN，WQP12-9270-CN。三款洗碗机都针对中式餐具配套了碗篮，并配有消毒程序。其中，WQP6-3207-CN 体积小巧，外观时尚更适合家庭使用。它的洗涤过程为：预洗：对碗具进行强力冲刷，除去残渣;主洗：高温高压水柱，专用洗涤用品作用（2-4 个循环，40 分钟）;漂洗：对餐具进行清洁冲刷（一个循环，14 分钟）;清洗：最后清洁（一个循环，14 分钟）;烘干：冷凝式烘干（预热自然烘干）WQP12-9270-CN 与 WQP6-3207-CN 相比具有容积更大，可以同时清洗 12 套餐具的优点，且因其采用 360“水枪式”喷淋系统，且内胆采用圆形转角，使其洗涤效果
13、更高效，基本无死角。总的来说，国内洗碗机产品大体可以满足消费者日常需要，洗涤效果基本满意。但基本是传统洗碗机，超声波洗碗机目前仅主要商业使用，例如欧倍力，康洁仕，在家用领域几乎处于空白。2 超声波清洗原理及方案设计2.1 超声波清洗原理2.1.1 概述 声波是人耳能感受到的一种纵波，它的频率在 16 到 16000HZ 范围内。当频率超过 16000HZ 超出一般人耳听范围，就称为超声波。超声波和声波一样，可以在气体，液体和固体中传播 3。超声波的主要性质有：（1）超声波能传递很强的能量，超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力（声压） 。因此，有时可用这个压力的大小衡量超声波的强度，
14、传播的波动能量越强，则压力也越大。 （2）当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体介质质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域。由于液体基本上是不可压缩的，由此产生压力正，负交变的液压冲击和空化现象。由于这一时间极短，液体空腔和压力可达几十个大气压 ，并且产生巨大的液压冲击。这交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上回使其破坏，引起固体物质分散，破碎等效应。 （3）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射。5反射能量的大小，决定于两种介质的波阻抗（密度与波速的乘积 pc 称为波阻抗） ，介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时的反射率愈高。 （4）超声波在一定条
15、件下会产生波的干涉和共振现象。超声加工的应用有：型孔，型腔加工；切割加工；复合加工和超声清洗。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用更多 4。2.1.2 超声波清洗的机制：由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图曲线 A 所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图曲线 B 那样，并产生负的压力。空化作用：超 声 波 以 两 万 次 /秒 以 上 的 两 种 被 称 为 压 缩 力 和 减 压 力 交 互 性 的 高频 变 换 方 式 向 介 质 作 用
16、时 ， 在 减 压 力 作 用 时 ， 液 体 中 产 生 大 量 真 空 气 泡 ， 在 压 缩 力作 用 时 ， 真 空 气 泡 被 压 碎 时 产 生 强 大 的 冲 击 力 ， 局部压力能达到上千个大气压，图 1 液体内部压力图Fig.1 The graphic of inner liquid pressure6由 此 剥 离 被 清 洗 物 表 面 的 污 垢 ， 因空化现象产生如图 2(A)所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图 2(B)所示，小气泡再继续向前推进，
17、直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应 5。当声波达到一定强度时，空洞会发生剧烈爆炸，产生强烈碰撞，压力达 5-50 吨/平方厘米，具有很大的能量，使水分以超过 10000G 的加速度撞击被清洗物体的表面，将污物撞击下来，从而达到显著的清洗效果，并且这种效果可随液体到达被清洗物体的所有表面，这是手工洗刷，机械振动等常规手段所无法达到的。由于空化效应形成时会产生声波压力和热效应，故可对细菌，特别是链状细菌进行打击，达到杀菌消毒的作用，从 而 达 到 精 密 洗 涤 目 的 6。直 进 流 作 用 ： 超 声 波 在 液 体 中 沿 声 的 传 播 方 向 产 生 流 动 的 现 象 称 为 直
18、 进 流 ，通 过 此 直 进 流 使 被 清 洗 物 表 面 的 污 垢 被 搅 拌 ， 污 垢 表 面 的 清 洗 液 也 产 生 对 流 ， 溶 解污 物 的 溶 解 液 与 新 液 混 合 ， 使 溶 解 速 度 加 快 ， 对 污 物 的 搬 运 起 着 很 大 的 作 用 。 辐射扭力：空化核在运动时发生的二阶现象。在均匀洗涤液中作用于洗涤液本身，使洗涤液产生环流，叫做声流，它能使振动气泡表面产生高达 90Mpa 的粘滞应力。乳化作用：在超声空化作用下，有油污包裹住的固体粒子，在两种液体的分界面迅速分散而乳化，固体粒子自动脱落。空 化 作 用 广 泛 应 用 。 另 外 ， 超 声
19、 波 清 洗 对 声 反 射 强 烈 的 材 料 ， 如 陶 瓷 ， 金 属 ，玻 璃 等 ， 清 洗 效 果 尤 其 好 ， 再 利 用 40 摄 氏 度 左 右 的 水 作 为 清 洗 剂 ， 可 以 将 空 化效 应 发 挥 到 最 大 值 。 因 此 空 化 效 应 为 本 洗 碗 机 主 要 应 用 原 理 3。7图 2 空化二次效应Fig.2 The theory of second-order effect cavitation2.1.3 超声空化阀值使清洗液达到空化作用的最小声强或者声压幅值称为空化阀值 4。空化阀 Pc 表示为：（1）其中 Po 为液体的静压力 , Pv 是蒸
20、汽压，Ro 是空气核半径， 是表面张力系数可以看出液体含气量越少，空化阀越高，静压力越大，空化阀越高，液体的沾度越大，空化阀也越高。可见，不同液体的空化阀不同，同一液体在温度、压力和含气量等不同的情况下，空化阀值也不同 7。此外，由经验公式（2）可以得出空化阀8与沾滞系数的关系，为沾滞系数，并且声波的频率越高空化阀也越高。当9声波频率超过4.8MHZ的时候，空化阀接近10Mpa。空化阀值与超声波的频率有密切关系。频率越高，阀值越高；频率越低，越容易发生空化。在低频情况下液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔，使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸，增大空化强度，有利于清洗作用，但是低频工作时易产生
21、噪声。为了经济性和清洗效率考虑，正确选择频率十分重要。2.2 超声波洗碗机方案设计10此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩3 超声波清洗参数3.1 声强在超声清洗中，声场强度和声场均匀度都是判断清洗效果的重要指标 9。声强太弱不能有效将污物洗去，太强又会对清洗件表面造成损坏，甚至在辐射面形成声障，使声能不能完全辐射到整个空间，影响清洗效果。在有限的清洗空间内，超声波易在声源，液面和空气交界处来回反射，形成驻波，使波节处声压过小，无法发生空化，造成清洗盲区。声强一般选在 ，对于一些金
22、属表面氧化膜难221/Wcm于清洗的污垢，则应采用较高的声强。3.2 频率当工作频率很低（在人的听觉范围内）就会产生噪音。当频率低于 20kHz 时，工作噪音将变得很大，而且超出人耳安全所可承受的值，易引起对人的伤害，而且过低的频率不能产生空化作用。高频率的超声波，空化作用阀值越高，适于工业上清洗较小，较精密的零件；低频率的超声波，空化作用阀值较低，且液体受到的压缩和稀疏作用时间间隔较长，使空化气泡在破裂前有较长的长大时间，使其长到较大的体积，从而在破裂后释放更强的能量，产生更好的清洁效果。通常选择 20Khz-40Khz，通常，在清洗表面光洁度不高，清洗槽大小在 500x500x500mm
23、的情况下，选择 28Khz。3.3 清洗液11在家用超声波洗碗机工作时，清洗液的粘度越大，空化阀值越大，空化作用越难发生。表面张力越大，空化的强度越大，清洗效果越好。所以，选择的清洗液最好有粘度小。表面张力大的特点，由于水的污染小，粘度小，表面张力大，且安全卫生，适合用于餐具，综合考虑后，选取通常家庭里极易取得的自来水为清洗液。4 超声场相对空化强度4.1 空化强度测量方法原理对超声清洗设备而言，最重要的性能指标就是超声场的空化强度。现在，我们尚无一种可靠的方法测量绝对空化强度，但是，可以通过铝箔腐蚀法，染色法，声致自由基和实时谱分析法，统计平均法等方法测量相对空化强度。在这里，我们选用较为简
24、便快捷的铝箔腐蚀分析法来测量相对空化强度 7，并分析洗涤对超声波的要求。铝箔腐蚀法是利用超声空化效应对铝箔的腐蚀和冲击作用使其产生小孔的方法。具体操作方法：取表面光滑平整，厚度仅有几十微米的铝箔，将其固定在架上，并浸入清洗液中，开机一段时间拿出，观察被腐蚀情况。值得注意的是，试验时间不宜过长，否则铝箔会一块块腐蚀脱落。这种方法十分直观地展示了空化作用在不同条件下的强度。4.2 空化强度测量本文研究的新型家用超声波洗碗机主要面向中国的普通家庭，根据实际情况，每家大概有 3-5 口人，选择 420400400（长宽高）的清洗槽。根据铝箔腐蚀法，在容积为 420400400 的清洗槽内测量空化分布情
25、况。清洗液为软化后的自来水，声波频率为 28KHz，室温 25C 的环境中，液面离槽顶大约 70mm 扫频范围设置为15KHz-30KHz，功率设置为 300W，超声工作时间 3 min。12图 4 清洗方案系统图Fig.4 The system of cleaning scheme4.2.1 实验结果处理根据实际情况，在此采用：单面超声作用（B 面） 、单面超声扫频作用（B 面） 、双面超声作用（B 和 D） 、双面超声扫频作用（B 和 D）四种方式进行实验。为了更直观的观察洗涤槽内空化强度的分布，便于建立可靠的实验数据，便于下一步的设计计算，在此把腐蚀面积与铝箔面积的百分比规定为相对强度值
26、。处理方法：以 6cm 为边长，把铝箔均分为若干区域。把每一次实验后的每一块铝箔纸照相，然后操作平面图像处理软件，使腐蚀部分颜色为黑，没有被腐蚀的部分颜色为白，最后通过直方图功能，计算出每一块的腐蚀面积与每一块铝箔面积的百分比。把宽为 300mm 长为420mm 的铝箔用木框固定后再固定在水中，铝箔平行于 A 面，铝箔长的一条边在洗涤槽底面上。4.2.2 实验结论根据试验数据可知，超声波空化强度从靠近声源处开始逐步增强，当离声源一定距离，大致为中心位置时，空化强度开始下降。其原因是过多的空化气泡会形成声波屏障，影响声波的传递，所以在远的地方，空化强度减弱。无扫频作用的清洗效果差。因为在清洗槽的
27、有限空间内，超声波在交界面或者洗涤槽壁的时候反射形成驻波，造成某些地方声压小某些地方声压大，从而使清洗不均。通过将清洗槽形状不规则化或扫频可以让声压最小点来回移动，不固定在一个地方从而带动清洗液来回流动，提高清洁效率。同种实验条件下，双面作用强度比单面作用低。因为双面的时候超声波会发生干13涉，影响清洗效果。表 1 平行 A 面的相对空化强度Table 1 Relative cavitation intensity of surface A表 2 平行 C 面的相对空化强度Table 1 Relative cavitation intensity of surface C单面扫频的清洗效果最好
28、。5 超声波重要参数确定5.1 温度，清洗时间，超声功率温度，清洗时间，超声功率为家用超声波洗碗机的重要参数，需要设置实验来找出最佳参数组合 6。实验对象：三只碗，三把勺，两个碟子，三个玻璃杯，三双筷子，所有实验对象均被涂抹上食物油污。14评判指标：经清洗后，表面无油污，手摸不油腻。温度：A1 为 35、A2 为 45、A3 为 55。清洗时间：B1 为 6min、B2 为 9min、B3 为 12min。超声功率：C1 为 400w、C2 为 300w、C3 为 200w。实验方法：采用多因素正交实验，需用 正交表，将各因素综合，设置 9 个实验组，见表 3表中参数因素主次：A-C-B其中表
29、中 Gf 与 A/B/C 正交的数值为该列中所有包含 Af/Bf/Cf 的和, f 取1，2，3，表 3 多因素正交试验结果表Table 3 The result of multi-factor orthogonal experiment参数试验号 A（ ）B（ min）C（w） 结果1 1 1 1 102 1 2 2 103 1 3 3 104 2 1 2 115 2 2 3 126 2 3 1 107 3 1 3 98 3 2 2 99 3 3 1 1215G1 30 30 32G2 33 31 30G3 30 32 31K1 10 10 10.67K2 11 10.33 10K3 10
30、10.67 10.33R 1.0 0.67 0.67Kf 与 A/B/C 正交的数值为 Gf/该列中 f 号码重复的次数, f 取 1，2，3由实验结果可得知最佳组合为 A2-B3-C1，即使用 45，清洗时间为 12min，功率为 400w，并设置另一档位 A2-B2-C3 为经济档，供餐具较少时使用。5.2 餐具的合理摆放超声波属于短波，易被障碍物阻挡并造成衰减，故餐具的摆放方法就显得尤为重要，根据上面确定的三项参数，进行摆放位置最优化实验，得结果如表 4，所以餐具朝向 B 面最佳 10。5.3 总结经上述对超声空化强度及对基本参数设计计算，该家用超声波洗碗机的基本参数被确定为工作温度为
31、45，清洗时间为 12min，功率为 500w，频率为 28Khz，超声单面（B ）放射，采用扫频，餐具朝向 B 面。主要流程为进水喷臂清洗 1min进水加热至工作水温超声清洗 12min喷表 4 餐具洗涤结果Table 1 The result of dishwasing16餐具朝向 合格率A 0.77B 0.94C 0.73D 0.75臂清洗 1min。6 洗碗机整体结构设计6.1 整体方案在设计中需要重点考虑几方面的问题，首先是清洗槽及管路的密封问题，再有就是超声波振子的、电磁阀、加热器等元器件的选型。家用超声波洗碗机主要有进排水系统、喷臂系统、超声清洗系统、加热系统组成。进排水系统：电
32、磁阀，水位感应开关，过滤芯，泵等组成。喷臂系统：喷臂，压力泵等组成。加热系统：水槽加热管等。超声清洗系统：超声波发生器，超声波换能器等组成。其他：清洗槽，外壳，碗篮，底座等。6.2 外壳和碗篮该家用超声波洗碗机外形为一边长大致为 540x500x540mm 的矩形，外壳材料采用不锈钢和有机材料有机结合。金属部分采用流行的不锈钢拉丝工艺，经丙烯特殊处理，不易留指纹，清洁高贵。控制面板采用 PET 丝印贴膜，可掩盖模具加工留下的瑕疵，整合好，价钱低，封闭好，易清洁 11。17柜门采用前开门，钢化玻璃透明柜门，便于使用者观察内部清洁情况。外壳采用新型的 UV 固化涂料，通过先进的光固化喷涂工艺，在产
33、品外观表面形成装饰涂层，其涂膜硬度高，耐磨性好，手感细腻，可具有金属或其他材质效果 7；另外，采用特殊镀层工艺技术，可使普通的塑料面镀成闪亮的金属质感 12。碗篮,见下图，采用不锈钢制成，表面喷涂高强度无毒疏水涂层，使清洁后的残余水滴能迅速蒸发，减少对碗篮的腐蚀，同时还能节省电能，可以装下一家人正常一餐的餐具量，筷子，调羹等细小餐具可以用筷子筒等装好后放置洗涤。碗篮可取出，在装好碗筷后将其直接放入清洗槽中即可，使用者做的只是放入和取出餐具。图 5 碗篮三维图Fig.5 The graphic model of basket6.3 清洗槽清洗槽尺寸为 360x400x360（mm） 。材质均采用
34、防水，安全，耐酸碱的 201 不锈钢板，并冲压而成，选择材料为 1Cr17Ni7。为保证在超声作用下，清洗槽内壁发生损耗的条件下，能长期使机器保持稳定的清洗参数，故采用 3mm 厚度的不锈钢板 12。清洗槽底部与壳体有一定距离，用于安装洗碗机电源等其他部件。清洗完成的残余手18工清理。6.4 进排水系统进排水系统主要由电磁阀，软水装置，过滤芯，水位感应系统,进水管等等组成 8。打开二位二通阀后，自来水流入清洗槽，在达到一定水位后，水位感应开关启动，清洗完毕后，废水经过滤芯，排水口排出。进水管材料选 PVC 管。6.4.1 水位感应系统在液面控制方面，选择采用连杆式浮球液位开关，见图 7。这种开
35、关的工作原理是将密封的非磁性金属或工程塑胶管内根据需要设置一点或多点磁簧开关，再将带有内置磁性系统的浮球固定在本体管内磁簧开关相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁性系统透过本体管去触发磁簧开关的闭合或断开，以产生开关动作，达到控制液位的目的。开关采用干簧管，这是一种磁敏的特殊开关，簧片触点被封闭在一个充满惰性气体的或真空的玻璃管内，簧片端部重叠，并留有一定间隙，保持常开状态,磁簧端面触点镀有一层贵金属铑或钌，使开关性能稳定并延长使用寿命。当水位上升或下降时，磁性浮力小球随水平面高低上下浮动。当水位到达最高水位时，位于高水位开关的干簧管闭合，超声清洗开始。当水位下降到低水位开关
36、时，低水位开关干簧管闭合，喷臂清洗流程开始。图 6 干簧管Fig.6 The reed pipe6.5 加热系统19在清洗槽底部均匀布置加热器，在自来水进入清洗槽后，控制面板控制加热器启动，并在达到预设温度后停止。加热器采用陶瓷加热器。这种产品具有防腐蚀，升温快，效率高，清洁卫生的优点。主要结构是耐热的陶瓷外壳加上内部的电阻丝。图 7 水位感应器结构图Fig.7 The diagram of waterlevel inductor6.6 门开关电路为了保障该洗碗机在工作时人的安全 13，以及考虑到现今家庭通常都有一个或多个小孩，所以洗碗机的开门保护电路十分重要，其原理类似于洗衣机的门开关电路，
37、即将门开关作为主电路的保护开关，将其串联在主电路中，在洗涤过程中，如果柜门被打开，则主电路及时切断。6.7 喷臂系统喷臂系统采用 PP 导管，即聚丙烯。PP 的优点是稳定，安全，不易被酸碱腐蚀，耐热性好。管件连接处用 PVC 胶进行密封，PVC 即聚氯乙烯，具有造价低，可回收，20强度高，性能稳定，安全卫生等优点。根据设计要求，选用二位二通电磁阀作为洗碗机的进水及排水控制系统。电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够
38、保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。因为在超声波洗碗机中，电磁阀的工作环境普通，不存在恶劣的环境条件，所做工作仅是控制水的接通与切断，所以我们选择上海承信自动阀门有限公司的 2W-200-20 型号。在超声清洗之前，必须先用高压水将餐具表面较大的污物洗去；在超声清洗之后，可以起到彻底清洁的作用。水从喷臂孔里高速喷出，因为反力矩的作用，推动喷臂旋转。喷臂管和进水管采用间隙配合，采用挡水环进行保护，上方用螺母限制喷臂向上的自由度。喷臂管上有凸台，防止喷臂下滑，上盖板和进水管之间用螺栓连接。图 8 喷臂结构图Fig.8
39、The structure of boom6.8 超声清洗系统家用超声波洗碗机最重要的就是超声清洗系统 10。超声清洗系统的好坏，直接决21定这整台设备的性能。超声清洗系统又分为超声波发生器和超声波换能器。超声波发生器原理是由信号发生器将市电转化为一个特定频率的信号，这个频率就是超声波换能器的频率。超声波换能器是一种将电能转化为声能的仪器，它的谐振频率与发生器产生的频率相同时，就会发生共振，从而产生声波。6.8.1 超声波发生器为了使超声波发生器发挥最大效能，需注意以下几个问题 14：（1）频率自动跟踪问题：因为换能器的谐振频率会随着工作过程发生变化，所以发生器的输出电信号的频率必须具有跟随其
40、变化而变化的特点，这就要求发生器具有频率自动跟踪功能。（2）配备末级放大器，将微小的信号转化为大功率的信号。 （3）功率合成器：单个放大器不足以满足需要时，利用功率合成器将单一的放大信号相加，获得远远大于单个的功率输出。 （4）功率放大器的保护：由于受电源电压、外界干扰脉冲及换能器负载、回路参数等影响，末级功率放大器电路往往会失效。针对不同的故障原因，末级功放保护措施有:过压保护，过流保护，负载开路，短路保护，双管导通保护，激励信号源的误触发保护等。 （5）与换能器匹配：一是通过匹配使超声发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成
41、最佳负载，也就是阻抗变换作用;二是通过匹配使发生器功率效率最高，这是由于换能器静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定的相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器的输出效率降低。因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也就是谐调作用 4。所以匹配的好坏直接影响到功率超声源的产生和效率 15。超声波发生器应满足的功能要求为：（1）频率调节功能：在不同工作状况下，可以根据换能器的实际情况，调节输出频率，使换能器始终保持最佳工作状态，提高效率。 （2）额定功率：根据清洗槽大小，设定为 800w。 （3）扫频：在清洗槽的有限空间内，超声波在交界面或者洗涤槽壁
42、的时候反射形成驻波，造成某些地方声压小某些地方声压大，从而使清洗不均。扫频就是将超声频率在合理范围内来回扫动，使清洗液来回流动，大大提高清洗效率。 （4）保险功能：在输出过载或者超声波换能器发生异常时，立即断开电源，保护发生器。 （5）分控功能：可分别控制不同的换能器。综上，选择深圳好时代科技有限公司的 HSD-A 型，具有频率 0-100%可调等优点。226.8.2 超声波换能器超声波换能器是一种将机械能，高频电能转化为声能的装置。超声发生器产生的的高频电信号引起换能器内换能材料中电磁场的变化，对换能器的机械振动部分产生一个推动力，使之进入振动状态，接着导致与机械振动系统相连的介质振动，向介
43、质中辐射声波。换能器一般分成两个部分，第一部分是换能器材料部分，第二部分是机械振动放大部分，又叫变幅杆。变幅杆的作用是将比较小的机械振动幅度转化为较大的振幅，提高振速比，减少换能器的谐振阻抗，有效地提高效率，降低发热量，延长换能器寿命，可固定整个机械系统从而尽可能的减少机械能量的损失，能使换能器和工作媒质之间获得热学和化学上的隔绝。换能器有电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式等，其中，压电式因其转换效率高，功率容量大以及结构形状等可以根据实际要求自行设计等优点而广泛使用。这里，选用北京晴晖世创科技发展中心的 QHQ-4GL-5028 型，谐振频率为280.5，绝缘阻抗为 1000M，功率
44、为 100w。清洗槽底面面积为 360*400（mm）=144000mm=1440cm,超声波振子功率为 100w*4=400w；则功率密度应为400/1440=0.28W/ cm由于此次设计的超声波洗碗机是小功率洗碗机，且振动系数小，所以采用两组分高强度胶粘剂将其安装在清洗槽 B 面,个数为 4，要求固定平稳，并有一定强度。6.9 总结至此，家用超声波洗碗机的整体结构包括进排水系统、喷臂系统、超声清洗系统、加热系统等全部设计完成，该家用超声波洗碗机具有体积小，安静，环保，效率高，能满足普通一家人的餐后洗碗需求，美中不足的是可选择的洗涤模式较少。7 结论本文的研究课题是家用超声波洗碗机的整体结
45、构设计。在我国全面实现小康社会的今天，人民生活水平得到了很大的提高，传统的餐后人工洗碗的方式已渐渐被更加便捷，省时，卫生的家用洗碗机替代，但是，传统意思上的家用洗碗机发源于国外，它的设计依据来自西方餐具，对西式的盆，碟等餐具具有很好的清洁效果，我国在引23进后，虽然大大解放了人们的双手，但是其真实工作效果却远没有达到人们预期的那样好。主要原因是中国餐具多碗，且碗较深，中式菜肴油腻重，不利于洗碗机工作。我国人口基数大，家用洗碗机有很广阔的市场空间，只要将其改进的适宜中国特色，便能为我国家电市场带来新气象。超声波家用洗碗机的出现，为解决这个问题提供了良方。但是，令人遗憾的是，因为我们熟知的超声波清洗应用主要广泛应用在工业上，为工业加工过程中清洗各种零部件，其在家电行业尚属一个新兴事物，有关国内企业对国内市场投入不足。加上人们对超声波清洗这项技术比较陌生，以著名企业美的，海尔为例，其生产的家用洗碗机主要面向欧美市场。本设计具有的优点：（1）该款家用超声波洗碗机，体积小巧，使用者可以将其摆在台面上，同时它的大小又十分适合将其放置在壁柜中使用，同时具有儿童安全锁，在工作过程中，如遇意外开启柜门的情况，可以迅速切断电源，保
