论文部分内容阅读
【摘要】
本文基于超声波空化原理设计一款新型便携式去渍笔，分析外出时如何对衣物污渍进行有效清洁。重点讨论了利用大气压原理设计的真空引水装置，为衣物清洁提供便携水源，以及能将驱动电能转换为超声能量的超声波辐射装置，实现超声波对衣物的清洗，同时研究双腔推拉式结构的污水回存装置，将清洗完成后的污垢抽吸回存，完成自动给水、超声清洁、污水回收一体化的便携式去渍笔设计。
【关键词】超声波清洁，真空引水装置，污水回存槽，便携式
Design of a New Portable Ultrasonic Stain Removing Pen
效率、清潔、干净的生活，应是我们每个人的日常追求。
然而日常生活中想要时刻保持清洁却不是件容易的事，我们经常会遇到如下尴尬场景：吃饭时衣物不慎沾上油污;写字时袖口不慎留下笔痕;女士的领口不慎蹭染上化妆品等等。
大多情况下这些细小的污渍由于场所的限制无法得到及时的清洁，不仅影响我们形象的美观，而且随着时间的增加污渍会愈发难以清洗，为后续清洗带来不便。
针对以上问题，为了做到在公共场合也能高效、及时地清洗衣物上的污渍，避免尴尬的处境，本项目研究一款能够随身携带、有效去渍的产品。
早在上世纪末，超声波洗衣技术便已经研发出来，但由于各种因素其并未得到实际的应用，也并未得到商品化。[1]
近年来，超声波清衣技术逐渐完善，相比传统洗衣技术，超声波洗衣清洁质量高，且不需使用过多清洗剂，环保经济 [2]，开始广泛应用于衣物清洁领域。
成都觅瑞科技有限公司[3]设计了一款便携式清洁笔，包括清洁部和储液部，工作时由储液部提供清洗液，利用清洁部的刷头进行清洁。但是清洁速度慢，且机械式刷头清洁对某些高级面料的衣物磨损率大，使用局限范围大。
ViTUN公司[4]设计了一款超声波洗衣笔，能够实现极速清洗，但是在使用时需要脱下衣物，还需单独准备洁净水与清洗液，并在衣物后垫附纸巾用以吸收污水。不仅较为繁琐，具有一定的场地限制，不能真正做到在公共场合随意使用;而且沉积的污物颗粒也会损伤衣物本身的材质。
基于上述研究背景，本项目旨在设计一种能够高效去渍、自动给水，并实现将清洗污水与沉积污物吸收回存处理的新型超声波去渍笔，真正实现“随时随地”使用、一体化快速精准的清洁过程。
超声波去渍笔外壳设计成海豚流线型，外观尺寸大小为155mm×75mm，符合人体工学结构，便于手部抓握，且曲线设计贴合手部，使用时不会增加手部的疲劳感。产品外壳采用铝合金属材质，体积小，重量轻，便于日常出门携带，符合产品设计初衷，同时在一定程度上起到防水耐腐蚀的作用，保证产品使用寿命，其整体外观如图1所示。 内部结构如图2所示，壳体3为装置主体，包括换水口1、指示灯2、按钮4、雾化清洁头5;内部结构如图3-2所示，包括污水回存槽6、储水箱7、集成电路板8、锂电池9、充电接口10、真空引水装置11、超声波辐射装置12。
2.1 超声波辐射装置设计
清洗槽、换能器以及超声波发生器是组成超声波清洗机必不可少的一部分。[5]本产品超声波辐射装置实质为一个超声波压电换能装置，由频率发生器、驱动电源、超声波换能器三个基本元件构成，如图3所示。
频率发生器
超声波换能器
驱动电源
图3 超声波换能装置整体结构
频率发生器能够产生固定频率精度的信号源，为超声波换能器产生机械振动提供一定频率的信号。
驱动电源，可将驱动信号输入超声波换能器，通过对换能器施加高压交流电，使其内部电容处于充电和放电的反复状态。
超声波换能器是一种能量转换器件，它能将输入的电功率转换成机械功率，在频率发生器和驱动电源的作用下，换能器中的压电晶片在交变电场的作用下同步伸缩变形，从而形成大功率机械振动，即超声波能量。
超声波接触到水便会发生空化作用，在水中形成空化气泡，空化气泡数量越多，清洁效果越好。[6]超声波所释放出的能量使空化气泡产生振动，与衣物表面发生摩擦，通过冲洗与擦洗使污垢松动，然后钻入污垢的缝隙中继续振动，直至污垢脱落;同时气泡闭合的冲击波会使不溶性污垢被击碎，对于可溶性污垢，气泡产生的高速微射流使清洗液渗入污垢内部，加快其溶解。[7]
信号频率高于20Hz即为超声波，在本产品中采用频率为40 kHz的频率发生器。频率发生器与中低功率的驱动电源连接，通过超声波换能器，最后与雾化清洁头的金属振片元件连接，形成整个超声波辐射装置。超声辐射装置工作时，仅需由锂电池提供电流，启动微型电机带动清洁头部的环形振片产生有效机械功率，从而与水作用发生空化反应，直接与衣物表面的污渍接触，实现快速清洁，提高续航能力。
该去渍笔的创新之一在于增加自动给水功能，即在使用产品进行清洁时，不需要单独准备水源，而是由去渍笔内部存储的水源通过特定的装置直接输出，解决外出时清洁的不便。为实现去渍笔的自动给水功能，本产品参照农业引水装置设计一种微型真空引水装置，如图4所示。
传统真空引水罐一般由灌水阀、排气阀、水箱、进水管、出水管等组成，其进水管连接吸水管道， 出水管连接水泵。其工作原理是在水泵启动前， 首先打开灌水閥和排气阀， 再通过灌水阀向水箱内灌水，当水箱灌满水后再启动水泵，水泵会先抽取水箱内的水，水箱内液位下降，管内便会形成负压，在大气压的作用下，水就会沿着进水管进入水箱，当水泵的排液和水泵吸水管的进液达到平衡，水箱内的液位就不会再下降，从而达到稳定工作状态，水泵也就达到了额定工作状态，持续不断完成输送水源的工作。[8]
该真空罐只设计两根导管，取消灌水阀这一零件，同时在排气管与出水管之间增设一根吸气管，目的是将由水中分离出来的小气泡及时随水流排走，不会积留于罐体内，使罐体处于真空状态，从而保持水泵长期稳定运行。 [9]
由于排气管、吸气管、出水管上都带有排气阀，从而在日常使用中有利于罐体中的气体排出，从而使罐体保持气压平衡状态，能够长期稳定运行，增加产品寿命。真空引水装置的进水管与储水箱相连，水泵排液管与雾化清洁头相连，当水泵正常运行时，储水箱内的水会沿着进水管进入真空罐，再从出水罐流向雾化清洁头，为超声波清洁提供水环境。
本产品内部设计一种特殊结构的污水回存槽，使其能够实现清洗污水与沉积污物的吸收回存处理。
污水回存槽外形为一长条形的双层空腔结构，外层即矩形环装空槽，外腔与换水口连接，内层腔内置有推拉式活塞，内腔槽顶引出一根吸水管与雾化清洁头相连，如图5所示。当启用去渍笔的吸水功能时，首先将雾化清洁头处的环形金属振片与污渍处相触，同时内腔的推拉式活塞以极快的速度向下移动，挤压腔内空气，形成负压，在大气压的作用下，金属振片处的清洗污水及沉积污物会被压入吸水管中，从而进入污水回存槽的内腔。当推拉式活塞运动到内腔底部后，内腔槽顶吸水管的止水阀打开，同时内外空腔的接口打开，污水及污物从内腔流入外腔，当污水全部进入外腔以后，内外腔接口关闭，吸水管止水阀关闭，推拉式活塞回到内腔顶部，一次吸水运动完成。
同时在去渍笔外壳上设计污水回存槽的外腔可视化容量刻度线，让使用者可以准确得知回存槽当前的储液量，若储液量达到一定高度，则需要由换水口将污水回存槽中的污水及时排出，避免影响后续污水吸收回存功能的使用。
本产品将雾化清洁头装置设计成圆台状，圆台底面是附有孔洞的圆形平面，在大气压作用下从真空引水装置中排出的液体，再经过雾化清洁头的孔洞，形成均匀细小的雾化水珠，为超声波的空化反应提供水环境，又不会打湿衣物的其他地方;圆台外轮廓是一圈突出的金属振片，用以产生机械振动，与水作用发生空化反应，从而实现超声波清洁。
本产品工作过程：在进行衣物清洁时，首先第一步先选择出水功能档位，去渍笔内部真空引水装置和雾化清洁头装置同时工作，储水箱内的清洗液被吸入真空泵，真空泵内的水又有水泵排出，在高压作用下从雾化清洁头喷射而出，形成均匀细微的水珠，打湿衣物上污渍沾染处。第二步选择清洗功能档位，去渍笔内部超声波换能装置开始工作，超声波换能器接收到振荡发生器的频率信号和驱动器中的驱动电能后，使雾化清洁头上的金属振片产生机械振动，同时与水作用发生空化反应，使衣物上的污渍被震碎脱落，从而实现清洁。第三步是选择吸水功能档位，使去渍笔内部污水回存槽装置开始工作，金属振片与清洗后的污渍接触，通过推拉式活塞向下运动，使清洗污水及污物由吸水管被吸入污水回存槽内腔中，最后再流入外腔，实现污水的回收处理。当以上功能完成以后，选择关机功能档位，使去渍笔停止工作。
本产品通过超声波清洁技术、真空引水装置的自动给水功能、污水回存槽的废水回收处理以及集成控制系统的调节实现在各种场合及时高效清洁衣物的目的。且创新设计原理简单，实用性强，符合当前社会人们对于便携式衣物清洁产品的需求，易被广大消费者接受，为投入市场使用创造良好基础。
参考文献
本文基于超声波空化原理设计一款新型便携式去渍笔，分析外出时如何对衣物污渍进行有效清洁。重点讨论了利用大气压原理设计的真空引水装置，为衣物清洁提供便携水源，以及能将驱动电能转换为超声能量的超声波辐射装置，实现超声波对衣物的清洗，同时研究双腔推拉式结构的污水回存装置，将清洗完成后的污垢抽吸回存，完成自动给水、超声清洁、污水回收一体化的便携式去渍笔设计。
【关键词】超声波清洁，真空引水装置，污水回存槽，便携式
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
-
引言
效率、清潔、干净的生活，应是我们每个人的日常追求。
然而日常生活中想要时刻保持清洁却不是件容易的事，我们经常会遇到如下尴尬场景：吃饭时衣物不慎沾上油污;写字时袖口不慎留下笔痕;女士的领口不慎蹭染上化妆品等等。
大多情况下这些细小的污渍由于场所的限制无法得到及时的清洁，不仅影响我们形象的美观，而且随着时间的增加污渍会愈发难以清洗，为后续清洗带来不便。
针对以上问题，为了做到在公共场合也能高效、及时地清洗衣物上的污渍，避免尴尬的处境，本项目研究一款能够随身携带、有效去渍的产品。
早在上世纪末，超声波洗衣技术便已经研发出来，但由于各种因素其并未得到实际的应用，也并未得到商品化。[1]
近年来，超声波清衣技术逐渐完善，相比传统洗衣技术，超声波洗衣清洁质量高，且不需使用过多清洗剂，环保经济 [2]，开始广泛应用于衣物清洁领域。
成都觅瑞科技有限公司[3]设计了一款便携式清洁笔，包括清洁部和储液部，工作时由储液部提供清洗液，利用清洁部的刷头进行清洁。但是清洁速度慢，且机械式刷头清洁对某些高级面料的衣物磨损率大，使用局限范围大。
ViTUN公司[4]设计了一款超声波洗衣笔，能够实现极速清洗，但是在使用时需要脱下衣物，还需单独准备洁净水与清洗液，并在衣物后垫附纸巾用以吸收污水。不仅较为繁琐，具有一定的场地限制，不能真正做到在公共场合随意使用;而且沉积的污物颗粒也会损伤衣物本身的材质。
基于上述研究背景，本项目旨在设计一种能够高效去渍、自动给水，并实现将清洗污水与沉积污物吸收回存处理的新型超声波去渍笔，真正实现“随时随地”使用、一体化快速精准的清洁过程。
-
产品整体设计
超声波去渍笔外壳设计成海豚流线型，外观尺寸大小为155mm×75mm，符合人体工学结构，便于手部抓握，且曲线设计贴合手部，使用时不会增加手部的疲劳感。产品外壳采用铝合金属材质，体积小，重量轻，便于日常出门携带，符合产品设计初衷，同时在一定程度上起到防水耐腐蚀的作用，保证产品使用寿命，其整体外观如图1所示。 内部结构如图2所示，壳体3为装置主体，包括换水口1、指示灯2、按钮4、雾化清洁头5;内部结构如图3-2所示，包括污水回存槽6、储水箱7、集成电路板8、锂电池9、充电接口10、真空引水装置11、超声波辐射装置12。
-
产品具体设计
2.1 超声波辐射装置设计
清洗槽、换能器以及超声波发生器是组成超声波清洗机必不可少的一部分。[5]本产品超声波辐射装置实质为一个超声波压电换能装置，由频率发生器、驱动电源、超声波换能器三个基本元件构成，如图3所示。
频率发生器
超声波换能器
驱动电源
图3 超声波换能装置整体结构
频率发生器能够产生固定频率精度的信号源，为超声波换能器产生机械振动提供一定频率的信号。
驱动电源，可将驱动信号输入超声波换能器，通过对换能器施加高压交流电，使其内部电容处于充电和放电的反复状态。
超声波换能器是一种能量转换器件，它能将输入的电功率转换成机械功率，在频率发生器和驱动电源的作用下，换能器中的压电晶片在交变电场的作用下同步伸缩变形，从而形成大功率机械振动，即超声波能量。
超声波接触到水便会发生空化作用，在水中形成空化气泡，空化气泡数量越多，清洁效果越好。[6]超声波所释放出的能量使空化气泡产生振动，与衣物表面发生摩擦，通过冲洗与擦洗使污垢松动，然后钻入污垢的缝隙中继续振动，直至污垢脱落;同时气泡闭合的冲击波会使不溶性污垢被击碎，对于可溶性污垢，气泡产生的高速微射流使清洗液渗入污垢内部，加快其溶解。[7]
信号频率高于20Hz即为超声波，在本产品中采用频率为40 kHz的频率发生器。频率发生器与中低功率的驱动电源连接，通过超声波换能器，最后与雾化清洁头的金属振片元件连接，形成整个超声波辐射装置。超声辐射装置工作时，仅需由锂电池提供电流，启动微型电机带动清洁头部的环形振片产生有效机械功率，从而与水作用发生空化反应，直接与衣物表面的污渍接触，实现快速清洁，提高续航能力。
-
-
真空引水装置设计
-
该去渍笔的创新之一在于增加自动给水功能，即在使用产品进行清洁时，不需要单独准备水源，而是由去渍笔内部存储的水源通过特定的装置直接输出，解决外出时清洁的不便。为实现去渍笔的自动给水功能，本产品参照农业引水装置设计一种微型真空引水装置，如图4所示。
传统真空引水罐一般由灌水阀、排气阀、水箱、进水管、出水管等组成，其进水管连接吸水管道， 出水管连接水泵。其工作原理是在水泵启动前， 首先打开灌水閥和排气阀， 再通过灌水阀向水箱内灌水，当水箱灌满水后再启动水泵，水泵会先抽取水箱内的水，水箱内液位下降，管内便会形成负压，在大气压的作用下，水就会沿着进水管进入水箱，当水泵的排液和水泵吸水管的进液达到平衡，水箱内的液位就不会再下降，从而达到稳定工作状态，水泵也就达到了额定工作状态，持续不断完成输送水源的工作。[8]
该真空罐只设计两根导管，取消灌水阀这一零件，同时在排气管与出水管之间增设一根吸气管，目的是将由水中分离出来的小气泡及时随水流排走，不会积留于罐体内，使罐体处于真空状态，从而保持水泵长期稳定运行。 [9]
由于排气管、吸气管、出水管上都带有排气阀，从而在日常使用中有利于罐体中的气体排出，从而使罐体保持气压平衡状态，能够长期稳定运行，增加产品寿命。真空引水装置的进水管与储水箱相连，水泵排液管与雾化清洁头相连，当水泵正常运行时，储水箱内的水会沿着进水管进入真空罐，再从出水罐流向雾化清洁头，为超声波清洁提供水环境。
-
-
污水回收装置设计
-
本产品内部设计一种特殊结构的污水回存槽，使其能够实现清洗污水与沉积污物的吸收回存处理。
污水回存槽外形为一长条形的双层空腔结构，外层即矩形环装空槽，外腔与换水口连接，内层腔内置有推拉式活塞，内腔槽顶引出一根吸水管与雾化清洁头相连，如图5所示。当启用去渍笔的吸水功能时，首先将雾化清洁头处的环形金属振片与污渍处相触，同时内腔的推拉式活塞以极快的速度向下移动，挤压腔内空气，形成负压，在大气压的作用下，金属振片处的清洗污水及沉积污物会被压入吸水管中，从而进入污水回存槽的内腔。当推拉式活塞运动到内腔底部后，内腔槽顶吸水管的止水阀打开，同时内外空腔的接口打开，污水及污物从内腔流入外腔，当污水全部进入外腔以后，内外腔接口关闭，吸水管止水阀关闭，推拉式活塞回到内腔顶部，一次吸水运动完成。
同时在去渍笔外壳上设计污水回存槽的外腔可视化容量刻度线，让使用者可以准确得知回存槽当前的储液量，若储液量达到一定高度，则需要由换水口将污水回存槽中的污水及时排出，避免影响后续污水吸收回存功能的使用。
-
-
雾化清洁头装置设计
-
本产品将雾化清洁头装置设计成圆台状，圆台底面是附有孔洞的圆形平面，在大气压作用下从真空引水装置中排出的液体，再经过雾化清洁头的孔洞，形成均匀细小的雾化水珠，为超声波的空化反应提供水环境，又不会打湿衣物的其他地方;圆台外轮廓是一圈突出的金属振片，用以产生机械振动，与水作用发生空化反应，从而实现超声波清洁。
-
-
其他局部设计
-
-
功能按钮设计：共有四挡功能操作，分别为开/关、清洗、出水、吸水，通过集成电路板的设计，正确选择系统配置、电路形式、器件结构和工艺方案，使用户实现一键化操作。 -
滑移按钮：按钮位于产品外壳中部，与大多数人抓握本产品时大拇指的位置相近，伸出手指就能轻松就能触碰到按钮，使用方便。按钮旁附带不同功能对应的控制编码提示，从而使不同操作者快速掌握本產品功能使用。 -
指示灯：作为本产品显示器，位于产品外壳头部，符合人类眼睛从上到下的视觉运动规律，可觉察性好，同时向使用者传达产品当前的电量信息，绿光代表产品电量充足，红光则表示产品当前电量不足，辨别性好，且符合人群日常使用习惯。 -
换水口：换水口分为两部分，一部分与储水箱连接，实现洁净水与清洗液的补充;另一部分与污水回存槽外腔连接，实现清洗污水的排放处理。在不使用时应将这两个阀门同时关闭，需要加水和倒废水时，只需打开换水阀门即可加水或倒废水。[10] -
USB充电：外部通过接入充电接口对锂电池进行充电，保证产品的续航能力，实用性强。
-
产品工作过程
本产品工作过程：在进行衣物清洁时，首先第一步先选择出水功能档位，去渍笔内部真空引水装置和雾化清洁头装置同时工作，储水箱内的清洗液被吸入真空泵，真空泵内的水又有水泵排出，在高压作用下从雾化清洁头喷射而出，形成均匀细微的水珠，打湿衣物上污渍沾染处。第二步选择清洗功能档位，去渍笔内部超声波换能装置开始工作，超声波换能器接收到振荡发生器的频率信号和驱动器中的驱动电能后，使雾化清洁头上的金属振片产生机械振动，同时与水作用发生空化反应，使衣物上的污渍被震碎脱落，从而实现清洁。第三步是选择吸水功能档位，使去渍笔内部污水回存槽装置开始工作，金属振片与清洗后的污渍接触，通过推拉式活塞向下运动，使清洗污水及污物由吸水管被吸入污水回存槽内腔中，最后再流入外腔，实现污水的回收处理。当以上功能完成以后，选择关机功能档位，使去渍笔停止工作。
-
结语
本产品通过超声波清洁技术、真空引水装置的自动给水功能、污水回存槽的废水回收处理以及集成控制系统的调节实现在各种场合及时高效清洁衣物的目的。且创新设计原理简单，实用性强，符合当前社会人们对于便携式衣物清洁产品的需求，易被广大消费者接受，为投入市场使用创造良好基础。
参考文献
-
史雅琪.新型超声波洗衣机结构原理分析[J].科技创新与应用，2016（16）：69. -
颜秋艳. 超声波洗衣与传统洗衣技术的探讨[J]. 现代工业经济和信息化，2016（14）：23-2. -
任家乐. 便携式清洁笔：中国， 201920346145.5 [P]. 2019.11.19. -
Emma. 超声波极速洗衣笔[J]. 设计，2017（10）：18. -
黄志超，涂林鹏，刘举平，黄薇，韩志利.超声波清洗技术及设备研究进展.华东交通大学学报，2020，37（3）：1-9. -
陈志栋，叶香美. 超声波洗衣技术去污性能研究[J]. 物联网技术，2017（03）：71-72. -
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（06）：72-76. -
卢珍，周小波，曾文明，李玉玲，李光辉.真空引水装置的设计计算[J].四川农业与农机，2019（03）：25-26. -
冯林豹，高友好.真空罐引水装置设计选用及设置要点[J].青岛建筑工程学院学报，1999（01）：3-5. -
于钊.一种超声波洗衣机的研发[J].机械设计与制造工程，2015，44（03）：76-78.