便攜式燒水壺安全排氣技術(shù)研究＊

肖佑業(yè)，賀沅平

（1.美的生活電器有限公司，廣東 佛山 528311；2.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519082）

水是人身體重要的組成部分，飲用水的安全是消費者非常關(guān)注的問題，為了更加健康，國內(nèi)消費者大部分都有喝開水的習(xí)慣，因此燒水壺是最受消費者歡迎的電器之一[1]。外出旅游或商務(wù)出差的消費者，尤其是帶寶寶外出的家庭，考慮到公共水壺的衛(wèi)生問題，一般會攜帶燒水壺，因此小型的便攜式燒水壺應(yīng)運而生，目前市面上有各種形態(tài)的便攜式燒水壺產(chǎn)品[2]。便攜式燒水壺產(chǎn)品由于需要便攜，一般具備體積小、質(zhì)量輕、攜帶時不漏水等特點。便攜式燒水壺的使用場景與傳統(tǒng)的水壺完全不同，因此結(jié)構(gòu)上有了較大的差異。其中燒水過程中，水壺內(nèi)的水在加熱過程中會產(chǎn)生大量蒸汽，如果不能排出或者排出不順暢，會導(dǎo)致水壺內(nèi)部壓強急劇上升而產(chǎn)生危險。因此，對便攜式燒水壺排氣方式的研究非常重要。

1 當(dāng)前產(chǎn)品及技術(shù)的介紹

目前市面上的便攜式燒水壺雖然存在多種形態(tài)，但是綜合來看排氣方式主要分為3 種，即完全開蓋排氣、半開蓋排氣和不開蓋排氣燒水。

完全開蓋排氣方案。該方案要求在使用時，完全打開杯蓋，敞口式燒水，水蒸汽直接從杯口排出，如圖1（a）所示。在實際設(shè)計過程中，杯蓋與杯身之間一般會設(shè)計有磁控保護(hù)方案，即杯蓋上安裝磁鐵，杯身內(nèi)安裝磁感應(yīng)開關(guān)。杯蓋擰緊的情況下，杯身內(nèi)的磁感應(yīng)開關(guān)閉合，控制板檢測到以后，判斷屬于杯蓋處于擰緊狀態(tài)，樣機不工作無法燒水，實現(xiàn)保護(hù)。完全開蓋燒水方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、成本低；缺點是安全性不足，因為磁感應(yīng)開關(guān)只有在磁鐵在其感應(yīng)范圍內(nèi)才有效，在杯蓋未完全擰緊的情況下，磁控保護(hù)是失效的。此時，消費者如果忘記打開杯蓋，樣機也能啟動工作。燒水過程中，水蒸汽會出現(xiàn)排出不順暢，水壺內(nèi)壓強急劇上升而產(chǎn)生沸水溢出、沖蓋等現(xiàn)象，帶來消費者被燙傷的風(fēng)險。

半開蓋排氣方案。該方案的原理與完全開蓋燒水方案類似，一般是水壺杯蓋上局部設(shè)計有開口，如飲用吸管口、按鍵開關(guān)等，在使用時不需要打開杯蓋，但是需要打開局部開口，水蒸汽從局部開口排出，如圖1（b）所示。半開蓋燒水方案優(yōu)點和缺點與完全開蓋排氣方案相同，但是半開蓋燒水方案由于結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，大部分產(chǎn)品無法設(shè)計磁控保護(hù)方案，這部分產(chǎn)品的安全性更低。

不開蓋排氣方案。該方案一般是在杯蓋上設(shè)計有透氣閥，在使用時不需要打開杯蓋，水蒸氣從閥排出，如圖1（c）所示。其中透氣閥的核心部分是透氣膜，常用的透氣膜有PU（Polyurethane，聚氨基甲酸酯，簡稱“PU”）膜、TPU（Thermoplastic polyurethanes，熱可塑性聚氨酯，簡稱“T P U”）膜、P T F E（Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯，簡稱“PTFE”）膜、ePTFE（expended Polytetrafluoroethylene，膨體聚四氟乙烯，簡稱“ePTFE”）膜等[3-5]。透氣閥的優(yōu)點是透氣不透水，密封良好，燒水也不需要開蓋；缺點是透氣閥是多孔結(jié)構(gòu)，容易被果汁、豆?jié){以及外界異物等堵塞，一旦發(fā)生堵塞就會失效而引起水壺爆炸、沸水溢出等意外事故。

圖1 3 種常見的排氣方案

2 新的技術(shù)方案及工作原理

2.1 防誤操作系統(tǒng)方案

完全開蓋排氣和半完全開蓋排氣的缺點是如果用戶操作不當(dāng)，就有可能出現(xiàn)沸水溢出、沖蓋等安全事故，因此開蓋排氣方案的改善方向是如何防止用戶出現(xiàn)誤操作。本文提出一種防誤操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由觸發(fā)模塊、檢測模塊、處理模塊、執(zhí)行模塊、報警模塊組成[6]。具體到產(chǎn)品上，觸發(fā)模塊由杯蓋組件、磁鐵組成，檢測模塊由金屬件、磁感應(yīng)開關(guān)組成，處理模塊由主控板組成，執(zhí)行模塊由發(fā)熱盤組成，報警模塊包括顯示燈、蜂鳴器等，如圖2 所示。其中，檢測模塊中的金屬件，可以讓觸發(fā)模塊吸附在檢測模塊的指定區(qū)域內(nèi)，完全開蓋排氣方案和半開蓋排氣方案分別如圖3 和圖4 所示。

圖2 防誤操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 完全開蓋排氣防誤操作結(jié)構(gòu)

圖4 半開蓋排氣防誤操作結(jié)構(gòu)

防誤操作系統(tǒng)的工作原理如圖5 所示，具體如下：①產(chǎn)品通電后，檢測模塊開始檢測觸發(fā)模塊，產(chǎn)生一個信號傳輸給處理模塊。檢測模塊中的磁感應(yīng)開關(guān)在有無磁場下會有兩種狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)模塊在檢測范圍內(nèi)，檢測模塊中的磁感應(yīng)開關(guān)閉合（或斷開），此時給處理模塊的是磁感應(yīng)開關(guān)閉合（或斷開）信號；當(dāng)觸發(fā)模塊不在檢測范圍內(nèi)，磁感應(yīng)開關(guān)斷開（或閉合），此時給處理模塊的是磁感應(yīng)斷開（或閉合）信號。②處理模塊接收到檢測模塊的信號后，判斷觸發(fā)模塊是否在指定的區(qū)域（即檢測模塊的檢測范圍）。③當(dāng)處理模塊判斷觸發(fā)模塊在指定的區(qū)域，執(zhí)行模塊工作，此時機器表現(xiàn)為正常工作。④當(dāng)處理模塊判斷觸發(fā)模塊不在指定的區(qū)域，報警模塊工作，此時機器不工作。

圖5 半開蓋排氣防誤操作結(jié)構(gòu)

防誤操作系統(tǒng)技術(shù)方案的優(yōu)點如下：①防密封系統(tǒng)及工作原理為觸發(fā)模塊設(shè)置在杯蓋組件上，檢測模塊設(shè)置在杯蓋組件需取下的指定區(qū)域或位置，當(dāng)識別觸發(fā)模塊在指定區(qū)域或位置時，機器才會工作，避免用戶誤操作導(dǎo)致便攜式加熱容器在工作過程中完全密封而導(dǎo)致危險；②檢測模塊有金屬塊，可以讓觸發(fā)模塊在磁場力的作用下吸附在檢測模塊的指定區(qū)域內(nèi)，不容易弄丟；③觸發(fā)模塊可以直接設(shè)置在杯蓋組件上，產(chǎn)品不在需要配備單獨的杯蓋及杯組件，降低了成本，同時提升了安全性及便攜性。

2.2 安全杯蓋組件方案

不開蓋排氣的缺點是如果用戶操作不當(dāng)，就有可能出現(xiàn)透氣閥堵塞，從而產(chǎn)生沸水溢出、沖蓋等安全事故，因此不開蓋排氣方案的改善方向是如何防止透氣閥堵塞。常規(guī)的燒水壺主要由杯蓋組件和壺身組件組成，如圖6 所示。本文提出一種安全杯蓋組件方案，該安全杯蓋組件主要由透氣閥組件、安全閥、杯蓋、防渣網(wǎng)組成[7]，如圖7 所示。透氣閥組件是上下兩端進(jìn)行進(jìn)氣與出氣，其內(nèi)部有透氣膜，氣體可以通過，液體將被阻隔。安全閥類似傘形閥，材料為硅膠，中間的安裝孔是用于安裝透氣閥組件。安全閥的唇邊在氣壓的作用下可以頂開排氣，實現(xiàn)泄壓的目的。不同的唇邊厚度對應(yīng)著不同的氣壓值，可以通過設(shè)計不同的唇邊厚度來控制泄壓值，稱為安全閾值。杯蓋上設(shè)置有一個安裝孔與若干個泄壓孔，如圖8 所示。防渣網(wǎng)為側(cè)壁與底部帶有若干個孔的結(jié)構(gòu)，可以通過設(shè)計孔的直徑調(diào)整過濾效果。本方案中的透氣閥組件中的透氣膜推薦使用為ePTFE 膜，ePTFE 膜與PU 膜、TPU膜、PTFE 膜相比，防水和透氣性能均為最好[5]，ePTFE膜雖然具有優(yōu)異的防水性能，但當(dāng)水壓足夠高時，水仍然可以透過防水膜。因此透氣閥的防水性能可以通過拉普拉斯方程進(jìn)行估算[5]：

圖6 安全杯整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖7 安全杯蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖8 安全杯蓋排氣路徑

式（1）中：△ρ為防水透氣膜所能承受的最大水壓；γ為水的表面張力；r為彎曲液面的曲率半徑；θ為水在聚四氟乙烯表面的接觸角，約130°；d為防水透氣膜的微孔孔徑，1～1.5 μm 不等。

安全杯蓋組件的工作原理如圖9 所示，具體如下：①產(chǎn)品啟動后，杯內(nèi)液體在發(fā)熱盤的加熱下開始汽化，杯內(nèi)壓強也逐漸上升；②正常情況下，杯內(nèi)氣體通過透氣閥組件正常排出，氣體流向如圖8 中的實線箭頭所示，此時杯內(nèi)壓強與外界大氣壓基本一致，保持動態(tài)平衡（正常工作模式）；③當(dāng)出現(xiàn)異常時，如杯內(nèi)某些食材瞬間釋放大量氣體、透氣閥組件堵塞等，透氣閥組件排氣不及時或不順暢時，杯內(nèi)氣壓會急劇上升，當(dāng)出現(xiàn)杯內(nèi)氣壓值超過安全閾值，即氣壓值大于安全閾值時，安全閥唇邊打開，氣體流向如圖8 中的虛線箭頭所示，實現(xiàn)安全泄壓（異常工作模式）。

圖9 工作原理

安全杯蓋組件技術(shù)方案的優(yōu)點如下：①安全杯蓋原理為自動泄壓，實現(xiàn)免開蓋。設(shè)置有單向排氣結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計不同厚度的唇邊，控制安全閾值。當(dāng)杯內(nèi)氣壓小于閾值時，安全閥不工作；當(dāng)杯內(nèi)氣壓超過閾值時，安全閥開始排氣泄壓，防止杯內(nèi)壓力過高。②安全閥雙重泄壓保護(hù)結(jié)構(gòu)。安全閥正常工作狀態(tài)是通過壓力抬升唇邊（E端）進(jìn)行排氣泄壓，當(dāng)杯蓋氣壓過大或排氣孔堵塞時，杯內(nèi)氣壓達(dá)到安全閾值時，安全閥頂部（F端）打開進(jìn)行輔助排氣。③防堵塞結(jié)構(gòu)。攪打過程中，杯內(nèi)液體中不斷撞擊杯蓋，杯蓋排氣孔容易被液體的食物顆粒堵塞，通過設(shè)置防護(hù)蓋，阻擋沖擊，防止顆粒堵塞排氣閥。

3 總結(jié)

針對目前便攜式燒水壺存在的問題，本文提出防誤操作系統(tǒng)和安全杯蓋組件2 種新的技術(shù)方案，可以改善用戶誤操作和透氣閥堵塞的情況，與目前傳統(tǒng)的方案對比，安全可靠性有大幅提升。這2 種技術(shù)方案成本低、安全性高，在市場中都具備較好的推廣前景。解決和改善方案當(dāng)然不局限于本文提到的2 種方案，在后續(xù)的研究中，還應(yīng)繼續(xù)思考和嘗試其他解決方案。