基于超聲波清洗裝置的多功能保溫杯設(shè)計(jì)

朱 悅， 邢 菲， 謝景衛(wèi)， 秦華珍

（1.大連大學(xué) 機(jī)械學(xué)院， 遼寧 大連116622； 2.大連大學(xué) 國際學(xué)院， 遼寧 大連116622；3.大連大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院， 遼寧 大連116622； 4.大連大學(xué) 生命學(xué)院 遼寧 大連 116622）

0 引言

我們的設(shè)計(jì)是將超聲波性能更好的應(yīng)用于保溫杯，打造能達(dá)到良好清洗效果的多功能保溫杯。 市面上大多數(shù)保溫杯效用單一，而當(dāng)涉及到其它的飲用液體（如茶、奶、果汁等），則會產(chǎn)生較難清洗的污垢。清洗的頻繁費(fèi)時費(fèi)力，也無法達(dá)到真正的健康清洗標(biāo)準(zhǔn)。為了讓人民的生活更加便利豐富，我們對保溫杯進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的是一款集智能清洗、養(yǎng)生、保溫多功能一體的智能養(yǎng)生杯。 利用麥飯石涂層及超聲波等技術(shù)將市場上多種養(yǎng)生杯的優(yōu)秀特性集于一體并進(jìn)行創(chuàng)新， 同時保證養(yǎng)生杯的便攜性和實(shí)用性[1]。 多功能水杯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)M足了人民對保溫杯的期望，符合當(dāng)今社會科技的發(fā)展。

超聲波清洗技術(shù)已經(jīng)廣泛的使用在人們生活之中，經(jīng)過長期的市場實(shí)踐和技術(shù)沉淀， 超聲波技術(shù)的應(yīng)用成本也越來越低；同時超聲波元器件的體積也不斷變小，這為超聲波應(yīng)用在更小的設(shè)備之中提供可能。 所以本產(chǎn)品的技術(shù)成本、生產(chǎn)成本都處于可控之中。 麥飯石是一種天然硅酸礦物鹽，在我國山東、燕山山脈、太行山脈、內(nèi)蒙、遼寧都有大量分布。 它對人體無毒無害，并具有一定的生物活性和藥用價(jià)值。 噴涂在保溫杯內(nèi)部杯壁上，在超聲波清洗時與飲用水接觸之下能夠分解出對人類有益的各種礦物質(zhì)。

1 設(shè)計(jì)原理

產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過超聲波震動和麥飯石相結(jié)合的螺旋內(nèi)壁增強(qiáng)了超聲波在內(nèi)壁清洗震動的頻率和幅度， 同時麥飯石本身對這些粘稠液體有很好的不粘性， 能夠在不沾和清洗中起到足夠的清洗和維護(hù)內(nèi)杯壁效果。 以往的超聲波清洗保溫杯往往只是通過簡單超聲波震動原理來進(jìn)行清洗內(nèi)壁， 而沒有通過改善內(nèi)壁架構(gòu)和內(nèi)壁本身材質(zhì)來做到不沾污垢和清洗污垢。 所以該產(chǎn)品通過改善內(nèi)壁結(jié)構(gòu)和內(nèi)壁材質(zhì)的方式解決以往超聲波清洗杯在根源上解決不到的痛點(diǎn)。 同時本產(chǎn)品進(jìn)一步利用了超聲波的特性，利用超聲波震動讓水分子進(jìn)行碰撞，從而通過動能產(chǎn)生熱， 而這一部分熱能加上保溫杯本身的保溫特性能夠足夠的讓杯內(nèi)水保持在人們所需要的溫度， 更加適用于人飲用。 相對于以往的超聲波清洗杯不僅在清洗程度上而且在保溫效果上更加具有優(yōu)勢。

同時，現(xiàn)有的超聲波清洗杯有的是外置電源，有的是杯體內(nèi)置一蓄電池。 外置電源會使使用者在外面使用過程中無法查看保溫杯內(nèi)水杯的實(shí)時溫度。 而內(nèi)置電池可能對杯體水質(zhì)產(chǎn)生一定的不良影響， 故本專利在杯底內(nèi)置了一塊儲能電容， 在不進(jìn)行清洗的過程中通過儲能電容中的電能足夠帶動水杯的感溫電阻和顯示屏進(jìn)行正常工作。不僅解決了飲水品質(zhì)問題，同時也解決了使用者對水溫的實(shí)時把控需求。

2 技術(shù)方案及實(shí)施內(nèi)容

產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一種具有超聲波清洗， 麥飯石涂層功能的保溫杯，可以解決杯子使用過程中清洗不方便、不徹底的缺點(diǎn)， 利用超聲波使液體中的空化作用和直流作用直接、間接地作用于液體和污染物，分散、乳化、剝離污染物層，達(dá)到清洗目的。另一方面保溫層采用麥飯石不沾杯涂層，與超聲波結(jié)合可極大增強(qiáng)清洗效果。且該保溫杯外置有溫度數(shù)字顯示屏，可實(shí)時反映杯中的液體溫度，保溫杯具有體積小、方便攜帶、清潔污垢徹底、保溫時間長等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)方案為：一種帶有超聲波清洗裝置的麥飯石螺旋內(nèi)膽保溫杯。 具體包括：杯蓋、杯體，內(nèi)麥飯石涂層內(nèi)膽、底座。杯體中依次為：具有麥飯石涂層的氧化鋁不銹鋼內(nèi)膽、中空保溫層，杯部底座包含：超聲波發(fā)生器及換能器、單片機(jī)、控制面板、儲能電容。

2.1 溫度傳感器

在杯內(nèi)膽底部內(nèi)置了溫度傳感器——DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，主要通過單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動并讀取溫度值。這種溫度傳感器的精度在0.5℃左右，功耗低，并且電路簡單，操作性強(qiáng)。同時，它是數(shù)字型的，可將實(shí)時溫度導(dǎo)入單片機(jī)中， 并將溫度數(shù)字信號顯示在杯底座外側(cè)的數(shù)字顯示屏上， 儲能電容內(nèi)置于杯底座為單片機(jī)及數(shù)字顯示器提供電能[2]。

2.2 內(nèi)膽螺旋曲面形狀

保溫杯內(nèi)膽采用順時針螺旋曲面形狀， 加以提升超聲波清洗時能量的轉(zhuǎn)換效率， 并且內(nèi)膽內(nèi)部為麥飯石涂層， 利用其自身的不粘性輔助超聲波對保溫杯中難溶性物質(zhì)的清洗。

2.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

使用AT89S51 單片機(jī)，它的性能強(qiáng)大，有著完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲空間；其次，它價(jià)格低廉，適用于大批量的計(jì)量儀器進(jìn)行規(guī)?；脑欤繂纹瑑r(jià)格不超五元；使用此單片機(jī)可以直接與超聲波發(fā)生器、換能器、溫度傳感器、數(shù)字溫度顯示屏、BRP002R8L105FA（2.8V 1F）超級電容、超生波發(fā)生裝置控制開關(guān)、控制數(shù)字顯示的點(diǎn)觸開關(guān)連接。 如圖1 所示。

圖1 超聲波控制裝置及溫度顯示框圖

2.4 超聲波發(fā)生、換能裝置

保溫杯底座夾層置有超聲波發(fā)生、換能裝置。從效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，選用型號為50X26，頻率為42kHz，功率為30W，工作電壓為直流24V 的低電壓超聲波換能器，它的傳導(dǎo)效率高，功耗低，超聲波頻率較高，可以達(dá)到保溫杯良好的清洗效果， 換能器直接與內(nèi)膽底部接觸從而發(fā)揮超聲波清洗作用。

2.5 外壁設(shè)置

保溫杯底部杯外壁設(shè)置鑲嵌式超聲波按鍵控制開關(guān)，數(shù)字顯示屏和點(diǎn)觸開關(guān)及USB 充電接口[3]。

3 技術(shù)成果

保溫杯不僅能夠達(dá)到超聲波全方位無死角的清洗，使之無污垢殘留，無異味的效果，而且超聲波振動與麥飯石涂層結(jié)合產(chǎn)生的熱量可以極大延長保溫時間，提升保溫效果。 設(shè)計(jì)的溫度顯示可以提供杯中液體的實(shí)時溫度，完全消除了使用者飲水時對水中的溫度不明確的顧慮。 如圖2 所示為3D 打印的實(shí)物圖。

圖2 3D 打印實(shí)物圖

4 具體實(shí)施方式

4.1 整體結(jié)構(gòu)布局

設(shè)計(jì)提供一種帶有超聲波清洗裝置的保溫杯，具體包括：杯體，超聲波自動清洗器，杯蓋，多功能底座，USB 充電裝置，溫度顯示器。杯體中依次設(shè)置：超聲波發(fā)生器及換能器，麥飯石螺旋內(nèi)膽，感溫傳感器；所述底座安裝在杯體底座部，清洗時將底座安裝上；所述杯體裝有溫度顯示器，采用USB 充電方式和大電容電池，可反復(fù)充電。 在不充電情況下，為杯子進(jìn)行加熱、清洗[4]提供電能。 如圖3 所示。

圖3 超聲波保溫杯結(jié)構(gòu)圖

在清洗過程中，首先將杯中灌入清水，蓋上杯蓋，將杯子原本底座卸下裝上接收器底座， 插上電源， 打開開關(guān)，即可達(dá)到清洗目的。

在攪拌過程中，將需要攪拌的液體加入到杯子內(nèi)，插入電源，打開開關(guān)，即可達(dá)到攪拌目的。 超聲波與麥飯石涂層結(jié)合，在超聲波的震動下，不僅能對水造成一定程度上的加熱，還能加速涂層礦物質(zhì)的分離，從而達(dá)到增加水中對人體有益的礦物質(zhì)含量。

4.2 超聲波發(fā)生器和換能器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)中提供超聲波清洗功能，在杯底夾層放置超聲波發(fā)生器，發(fā)生器鑲嵌在螺旋內(nèi)膽底部，達(dá)到超聲波震動清洗效果。 如圖4 所示。

圖4 超聲波發(fā)生器與轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

4.3 實(shí)施例3

本實(shí)施例采用一種麥飯石涂層，達(dá)到不粘杯效果。麥飯石涂層涂在螺旋型杯內(nèi)壁，結(jié)合超聲波可以達(dá)到保溫效果，增強(qiáng)清洗效果[5]。

4.4 杯底座設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用外置USB 接口充電方式，用中型電容器存儲電能，延長續(xù)航時間，便于戶外攜帶使用。 使用時打開USB 接口蓋子， 接入電源線即可充電同時可以看到指示燈亮起。 在內(nèi)膽底部，設(shè)置一個感溫電阻，通過單片機(jī)處理后將溫度顯示在外杯顯示器上，觸碰點(diǎn)觸開關(guān)，即可在顯示屏上顯示溫度。 結(jié)構(gòu)布局如圖5 所示。

圖5 底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.5 杯體曲面結(jié)構(gòu)圖

杯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最大的亮點(diǎn)，杯體采用曲面設(shè)計(jì)，增大杯體與杯中液體的受熱接觸面積， 更快更便捷的達(dá)到加熱的目的[6]。這款加熱功能還同時保證使水溫接近人體正常溫度。 杯體曲面結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 杯體結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)與測試， 該保溫杯在保溫時可將溫度控制在35 攝氏度左右，符合人最佳飲水溫度； 同時檢測發(fā)現(xiàn)使用超聲波清洗時能有效洗去杯內(nèi)污垢，并且在攪拌時，超聲波引起的“水爆”現(xiàn)象能夠使水充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢栊士蛇_(dá)80%；另外，杯子底座有溫度顯示器，可實(shí)時監(jiān)測當(dāng)前水溫。

設(shè)計(jì)旨在解決市場上保溫杯單一功能的弊端， 打造了集保溫、攪拌、養(yǎng)生、清洗、溫控為一體的多功能保溫杯，實(shí)現(xiàn)一杯多用的目的，極大的滿足了現(xiàn)代人的使用需求，具有廣闊的市場前景。