小型家用智能洗碗机设计
邹涵 耿其东 曹佳铭 马宇 王旭
摘?要：为了迎合当前家电市场“健康经济”“懒人经济”的发展趋势，设计了一款结合自激振荡脉冲喷淋清洗以及超声波空化清洗方式的小型家用超声波洗碗机。通过Fluent仿真计算出合理的自激振荡脉冲射流结构参数，并选用合适的超声波发射器及超声波换能器，最终设计出一款集多样清洗、节能节水、家用环保、多功能储物为一体的小型智能洗碗机。
关键词：洗碗机;自激振荡脉冲喷淋;超声波空化
1 家用洗碗机现状及发展方向
1.1 现状
通常来说，洗碗機有传统的喷淋式清洗和新型超声波清洗两大类。第一种喷淋式洗碗机实现方式为水流经水泵加压从喷淋臂出水孔喷出，喷淋臂本身受力可以实现注水自旋。第二种水槽式超声波洗碗机则多为在内腔注满水，通过发射高频超声波使液体中产生剧烈运动的空化气泡，从而使附着在碗筷表面的污渍脱离。
陈伟才，李东华[1]指出：中餐油腻重、烹饪手段丰富、多种食材混合烹饪，因此，容易出现因水流冲刷不到位、机器设计存在死角等，导致洗净力差，洗涤效果不理想。当前洗碗机洗涤方式单一，多为机械喷淋式清洗，内部碗架结构单一且无法尽可能利用内部空间，甚至出现死角，为了达到清洗效果往往加入污染环境的洗涤剂，所以清洗效果往往不尽如人意。
考虑到以上传统喷淋式洗碗机的缺点，超声波洗碗机应运而生。然而，目前超声波洗碗机的应用区域几乎上还只是商用超声波洗碗机，主要用在宾馆、饭店、部队、学校、机关、厂矿食堂等大型场合[2]。这些产品有着噪声小、全方位清洗等优点，但是多为商用、占地面积大。由于是单一的超声波清洗，耗水量亦极大。
1.2 发展方向
当前我国厨卫市场呈现整体增速放缓的趋势，洗碗机作为“健康经济”“懒人经济”的代表性新兴厨电产品，呈现出逆势增长的态势[3]。为了迎合该经济发展趋势，迫切需要一款结合了传统喷淋清洗以及超声波清洗方式的小型智能洗碗机，从而可以达到像洗衣机、微波炉、空调等家电的高密度安装到户。只需要将碗筷放入洗碗机篮，经一系列自动处理碗筷可储入其中下次使用时再拿出，真正实现了傻瓜式一键洗碗、储碗。
2 总体设计
小型家用智能洗碗机，包括箱体、上盖和控制面板，箱体内设有工作槽和碗架，工作槽外侧设有超声波换能器，上盖安装有上喷淋臂，工作槽内部底面设置有下喷淋臂，所述下喷淋臂内部设有水流通路，水流通路末端为出水口。当把碗筷放入对应位置后，上下一对喷淋臂注水自旋产生全方位交叉热水，使碗筷表层污渍膨化脱落并经过粉碎槽及时排出。然后控制换能器通过空化效应进一步清洗污渍，一段时间后水位没过加热丝，加热丝开始加热。此时再次排水，上下喷淋臂再次注水喷淋以作最后一次清洗，该过程亦可以实现清洗槽的自清洗。一系列工作完成后，可活动面板打开，实现通风，同时碗筷洗净后直接置入其中以作储物柜之用，可以最大限度利用空间。
3 喷淋臂设计
上下喷淋臂采用不同的设计，下喷淋臂设计了喷淋模块，上喷淋臂设计了喷淋模块和自激振荡模块如图2所示。自激振荡脉冲空化射流是一种具有很强空化作用的新型水射流技术，同时具有结构简单、无附加驱动结构等优点，其冲击效果优于连续射流[4]，所述自激振荡模块包括进上水道、振荡腔和下水道。高速水流经上水道流入振荡腔，在振荡腔的谐振作用下可以产生上下各一对涡环。这些涡环在振荡腔内反复冲击碰撞、冲击即可产生脉冲流，最后由下水道喷出的水流即为间歇性脉冲空化射流。
3.1 结构参数
影响水流在自激腔内涡环形成效果的参数有上水道直径d1、下水道直径d2、振动腔直径Dc、自激腔长度Lc、和碰撞壁中心角。下面采用无量纲分析法对确定d1=1.25mm、d2=1.5mm，以及最优碰撞壁角度为120°两个条件的情况下，分析Lc/Dc比值不同所形成的不同涡环效果。其详细结构参数见下表。
3.2 流场仿真
下面通过Fluent选用湍流模型并进行二维仿真。初期射流阶段，激振发生产生涡环，在自激腔体内形成“8”字形的负压腔，同时高速射流遇到下游的碰撞壁向四周扩散引发一个以射流轴线为轴心的速度涡环[5]。由图3可知高速水流进入振动腔内形成的涡环随着腔长的变化而变化。如果高速水流在自激腔内仿真出的压力云图、速度大小&速度矢量云图可以形成一对简单、均匀的涡环，则说明此时自激腔内的激振效果较好。所以在LC/DC=0.3 5～ 0.5时自激腔内激振效果较好，其有序振荡的输出动能亦最大。
4 超声波设计
超声清洗是一项应用广泛的功率超声方法和应用技术。当超声波传播到液体中时会产生无数气泡，这些气泡迅速胀大和闭合，使液体粒子之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强，对零件表面的污物反复冲击[6]。超声清洗设备主要由两部分组成：超声波发生器和超声换能器。
4.1 超声波发生器
超声波发生器原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率。一般是采用给信号发生器通电，将交流电转换成高频信号，20KHz、25KHz或者更高的频率，然后通过换能器将信号转换成超声波。
4.2 超声波换能器
超声波换能器为一种将机械能、高频电能转化为声能的装置。超声波发生器产生的高频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，向介质中辐射声波。本机选用QHQ-4GL-5028型超声波换能器，谐振频率为280.5，绝缘阻抗为1000MΩ，功率为100W。
5 结语
小型家用智能洗碗机结合了自激振荡脉冲喷淋清洗以及超声波清洗的方式，通过适当的清洗顺序、以较小的耗水量和无污染的方式达到洗涤效果，实现了清洗方法上创新。另一方面，该洗碗机实现了结构上创新，体积小、可通风、可储物，具有广泛的市场前景。
参考文献：
[1]陈伟才，李东华.中国家用自动洗碗机及其专用洗涤剂的现状及其趋势[J].中国洗涤用品工业，2017（05）：24-31.
[2]孙嘉燕，李保红，王述洋.洗碗机现状及实现中国洗碗机普及新探索[J].现代科学仪器，2012（01）：137-141.
[3]2019年中国家电行业一季度报告[J].家用电器，2019（07）：55+58+56-57+59-73.
[4]戚美，王立夫，陈庆光，赵见龙，鞠永恒，付琪琪.双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟[J].排灌机械工程学报，2020，38（05）：457-461.
[5]弓永军，郭臣，侯交义，张增猛.基于Fluent的脉冲射流喷嘴的全尺寸结构优化[J].液压与气动，2014（11）：32-35.
[6]赫亮. 航空发动机低涡轴超声波清洗技术研究[D].大连理工大学，2016.
项目支持：盐城工学院大学生创新就业训练计划项目校级项目——小型家用超声洗碗机设计（设计编号：2019-177）
作者简介：邹涵（1999—?），男，汉族，江苏常州人，本科在读学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。
