（机械电子工程专业论文）全自动滚筒洗衣机内自洁及清洗度的若干研究.pdf

摘要 本文针对当前全自动滚筒洗衣机普遍存在的内部环境无法清洗的问题，运 用纳米技术及超声清洗技术，提出全自动滚筒洗衣机内部自洁的解决方案，对自 洁机理及清洗系统进行了研究。借鉴超声技术在工业清洗中的经验，利用对比试 验的方法，研究了影响清洗效果的各因素的关系，用清洗率来反映了自洁系统的 效果。 本文主要包括：超声清洗的物理机制及空化现象的理论分析，对超声清洗 的主要设备组成：超声发生器、换能器在滚筒洗衣机上的应用进行深入探讨；研 究纳米复合材料的制造机理及在外筒的涂敷工艺方法；以滚筒洗衣机的自洁为前 提，用试验的方法，研究主洗时间、用水量、洗衣粉用量、水温等多因素对洗衣 机清洗率的影响。 通过本文的研究，解决了全自动滚筒洗衣机的自洁，使洗衣机的性能得到 进一步的提高，真正实现了滚筒洗衣机的节能、环保。 关键词：全自动滚筒洗衣机、超声清洗、纳米复合材料、清洗率 a b s t r a c t d r u mc l e a n i n go ff u l l y - a u t o m a t i cf r o n tl o a d i n gw a s h i n gm a c h i n ei sag e n e r a l p r o b l e ma tp r e s e n t i nt h i sa r t i c l e ，t h es o l u t i o np l a nf o ri n t e r n a ls e l f - c l e a n i n go ft h e w a s h i n gm a c h i n e i s p u t f o r w a r d b yu t i l i z i n g t h e t e c h n o l o g y o fn a n o m e t e ra n d u l t r a s o n i c c l e a n i n g ，a n dt h es e l f - c l e a n i n g m e c h a n i s ma n dc l e a ns y s t e ma r ea l s o s t u d i e d u s i n gt h em e t h o do fc o m p a r i n ge x p e r i m e n ta n d t h ee x p e r i e n c eo fu l t r a s o n i c t e c h n o l o g y o nt h ei n d u s t r i a lc l e a n i n gf o rr e f e r e n c e t h er e l a t i o n so fa l lk i n d so ff a c t o r s w h i c ha f f e c tt h ec l e a n i n gr e s u l th a v eb e e ne x p l o r e da n dt h ec l e a n i n gr a t ei su s e dt o r e f l e c tt h er e s u l to f s e l f - c l e a n i n gs y s t e m m a i nc o n t e n to f t h i sa r t i c l ei n c l u d e s ： t h ep h y s i c a lm e c h a n i s ma n dc a v i t a t i o no fu l t r a s o n i cc l e a n i n gi s a n a l ，z e do n t h e o r y t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra n de n e r g yc o n v e r t e r w h i c ha r et h em a i n e q u i p m e n t s o fu l t r a s o n i c c l e a n i n ga p p l y i n gt o t h ew a s h i n gm a c h i n eh a v eb e e nm a d ed e e p l y e x p l o r e m a n u f a c t u r e m e c h a n i s mo fn a n o m e t e r c o m p o u n d m a t e r i a la n dt h e t e c h n o l o g i c a l m e t h o do fo u t e rd r u mp a i n t i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e d u n d e rt h e c o n d i t i o no fs e l f - c l e a n i n g ，m a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec l e a n i n gr a t ea r es t u d i e d b y d o i n ge x p e r i m e n t s ，s u c ha sm a i nw a s ht i m e ，w a t e rs u p p l y , t h eq u a n t i t yo fw a s h i n g p o w d e r , t h ew a t e rt e m p e r a t u r ea n ds oo n w i t ht h eh e l po fs t u d y , t h ep r o b l e mo fs e l f - c l e a n i n go ff u l l y - a u t o m a t i cf r o n t l o a d i n gw a s h i n gm a c h i n eh a sb e e ns o l v e d t h ep e r f o r m a n c eo fw a s h i n gm a c h i n ei s m a d ef u r t h e ri m p r o v e m e n ta n dt h ee n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no fi t a r e b e c o m i n g r e a l i s t i c k e y w o r d s ： f u l l ya u t o m a t i c f r o n tl o a d i n gw a s h i n gm a c h i n e ； n a n o m e t e r c o m p o u n dm a t e r i a l ； u l t r a s o n i cc l e a n i n g c l e a n i n gr a t e ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夕k 易鹭 签字日期：矽年7 月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用奉授权说明) 学位删储繇磊z 碑 鼢羽：矽年7 j “j 公 导师箍名：力 r 褂期：0 2 一脚7 第一章引论 1 1 课题的提出 第一章引论 随着技术的发展，洗衣机的技术含量不断提高，功能也越来越强。 目前，我国的家用电动洗衣机产品的发展已进入了成熟期，成为洗衣 机的生产大国。在洗衣机的三大品种：波轮式、搅拌式、滚筒式洗衣 机中，滚筒洗衣机以及优秀的性能价格比在我国已取得很大的发展， 我国已有小鸭、海尔、小天鹅、荣事达、春兰等著名家电企业进行全 自动滚筒洗衣机的生产。这些企业紧跟滚筒洗衣机的传统洗衣机生产 大国意大利、日本之后，随着自身自主开发能力的加强，生产的洗衣 机品种多、功能多、外观新颖、磨损低、噪音小。为了方便用户操作， 目前已有机电复合式、电子式、模糊控制型以及快洗功能的洗衣机； 为了降低洗衣机能耗，现已有变频式、直驱式全自动滚筒洗衣机面世。 随着人们生活质量的提高，具有除菌功能的健康型家电也成为各 大公司的开发方向。在这方面，世界各家电生产国都做了大量的研究， 并且取得一定成效。在上世纪9 0 年代后期出现了杀菌、抗菌功能的产 品：小鸭集团推出了一款具有杀菌功能的臭氧型洗衣机，该洗衣机对 细菌及病毒具有杀菌速度快的优点，但也存在臭氧的浓度不易控制， 橡胶件受臭氧作用已老化的缺点；国内外出现了抗菌家电：如抗菌冰 箱，抗菌塑料玩具，抗菌洗衣机等，这些抗菌家电，主要是在冰箱的 内胆、抽屉、门封条，洗衣机的内桶和波轮等塑料及橡胶制品，抗菌 成分的加入仅局限于塑料及橡胶材料中。为解决日益严重的用水紧张 及水源污染等问题，据报道日本三洋公司已利用超声清洗技术进行洗 衣机的开发，但至今未有产品问世。 综观国内外的现状我们发现，滚筒洗衣机的研究主要在外观造 型、控制方式等方面。而关于全自动滚筒洗衣机性能的研究，主要局 限于对衣物洗净率的提高，减小工作噪音，降低磨损率等方面。为了 缓解人类所面临的日益严重的用水紧张、水源污染及能源短缺等紧迫 的问题，各国纷纷采取措施，欧洲已制订了a a a 级的家电标准。我 国对电动洗衣机的标准进行了重新修订，在新标准中已将用电量、用 水量指标列入了其考核的主要指标，另外，为了引导消费和指导洗农 机制造企业的设计和制造，新标准将洗净比、用电量、用水量、噪声、 含水率、寿命等六个主要性能指标进行分等分级考核。随着人们生活 第一章引论 质量的提高，具有除菌功能的健康型家电也受到人们的青睐。出此可 见，节水、节电、环保、健康型将是今后家用洗衣机发展的主流。 因全自动滚筒洗衣机在衣物的洗涤过程中，盛水的外简内壁、滚 动的内筒外壁会附着有污渍、水垢等不溶性物质，与内外简相连的橡 胶件因长期使用，其表面也会出现霉斑等现象。洗衣机内部洗涤环境 的恶化，将会影响对衣物的洗涤效果，对人体的健康产生不良影响， 不符合环保要求。因此，全自动滚筒洗衣机内部洗涤环境的自洁，是 拯待解决的一项课题。对该课题的研究，在国内外还是空白。 本论文主要研究采用超声波清洗技术，纳米材料在洗衣机外简的 应用，来对洗衣机内部自洁进行研究，并对超声清洗技术对洗衣机的 洗涤效果进行试验验证。 1 2超声波清洗技术的发展历史及现状 人类第一次发出人造超声是在18 3 0 年，一位名叫s a v a r t 的科学 家用一个大齿轮产生了超声波。1 9 18 年，另一名叫l a n g e v i n 的科学 家利用石英的压电效应发明了石英换能器，第一次设计出了声波频率 和声强都可以加以控制的超声装置。之后随着科学技术的发展，人们 逐渐可以利用各种各样的手段发出可调可控的超声。但利用压电效应 制成的超声换能器产生超声波，仍是目前最有效最广泛应用的手段之一。 现代超声技术是在材料科学和工艺技术水平不断提高的基础上， 综合应用超声学、电子技术、控制技术、计算机技术、计量技术、频 谱分析技术等多种新知识的产物，它在国防和国民经济中发挥了重要 作用。超声技术正在不断地深入到许多科学领域和生产应用领域，不 断的发展渗透，已经解决了大量的日常生活和生产技术的难题。 超声在大型工业上的应用十分广泛。由于超声波可以穿透多种固 体、液体和气体，同时又能在不同的物体的交界面上反射、折射，从 而产生了声纳系统，如超声探鱼仪，超声物位计，超声无损检测仪等。 又由于各种物体内部结构不同，对超声的衰减不同，从而可以区分物 体内部的各种缺陷，评价材料性质已形成了超声无损探伤技术。超声 在家用电器和医疗技术行业也有十分广泛的应用。由于超声波能够使 液体产生空化作用，能把液体雾化成为很细的雾滴所以，医用、家 用加湿器大多都使用超声雾化手段。超声手术刀在手术中的应用也已 经进入实践阶段。 通常将超声技术分为检测超声和功率超声两类。检测超声是超声 的被动应用，用于采集信息，特别是材料内部的信息，主要是利用超 第一章引论 声的波动特性。如超声无损探伤技术就是检测超声的应用。而功率超 声，就是超声的主动应用，主要利用超声的能量效应来改变材料的某 些性质和状态。超声清洗就是功率超声的一种，也是目前功率超声中 应用最为广泛的一种。 从1 9 5 1 年世界上的第一台超声波清洗机问世以来，超声波清洗已 经成为很多工业产品必不可少的清洗工艺环节，其应用范围极其广泛。 进入7 0 年代，先进国家已将超声波清洗用于电子线路板、电子零件、 精密机械、硅片、磁头、轴承、发动机、液压气动元件、光学元件、 饰品等。 进入9 0 年代，科学技术的巨大变革也使超声波清洗技术快速发 展，其性能和应用领域获得前所未有的突破；大型的、连续化的超声 波清洗设备改变了传统的小型设备形象；化学合成技术极大地丰富了 传统的超声波清洗工艺软件；新的应用领域不断扩展：超声波带来更 多有利于环境保护的清洗手段超声波清洗技术需要重新被人们认识。 在国内，超声波清洗主要应用于工业清洗，几乎涉及所有的制造 领域，汽车制造，电子行业，航空航天医疗，建材等行业。在家用 洗衣机行业，日本正在进行超声波洗衣机的研究，但目前未有产品问 世。 超声清洗的特点： 超声清洗的特点是速度快、质量高、易于实现自动化。它特别适 用于表面形状复杂的工作，如对精密工件上的空穴、狭缝、凹槽、微 孔及暗洞等处，通常的洗刷方法难以奏效，利用超声却可以得到良好 的效果。 超声清洗的另一个特点就是对质地较硬、声反射强的材料，如金 属、玻璃、塑料等，其清洗效果较好；而另一方面，对质地较软、声 吸收较大的材料如橡胶、布料等洗涤效果就要差一点。 1 3 纳米材料的发展历史及应用现状 纳米科学技术( n a n o s t ) 是2 0 世纪8 0 年代末期刚刚诞生并正 在崛起的新科技，纳米科技主要包括：纳米体系物理学；纳米化 学；纳米材料学；纳米生物学；纳米电子学：纳米加工学； 纳米力学。 1 3 1 纳米材料的发展历史 作为纳米技术的重要分支的纳米材料的发展历史，大致可以划分 第一章引论 为三个阶段： 第一阶段( 1 9 9 0 年以前) 主要是在实验室探索用各种手段制备各 种材料的纳米颗粒粉体，合成块体( 包括薄膜) ，研究评估表征的方法， 探索纳米材料不同于常规材料的特殊特性。 第二阶段( 1 9 9 4 年前) 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖 掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用 纳米微粒与纳米微粒复合( 0 0 复合) 。纳米微粒与常规块体复合( 0 3 复合) 及发展复合纳米薄膜( 0 2 复合) ，国际上通常把这类材料称 为纳米复合材料。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成 为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段( 从1 9 9 4 年到现在) 纳米组装体系、人工组装合成的 纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注。 1 3 2 纳米材料的应用 最早把纳米这个术语用到技术上是日本。科学家发现，当材料颗 粒小到纳米尺寸范围时，比表面大和量子尺寸效应，使其具有不同常 规固体的新特性，表现出特殊的光学特性、磁学特性、敏感特性、催 化和光活性等，这些特性向人们展示了纳米材料在应用上的良好前景。 今天，纳米技术已从最早的纳米材料学拓展到了纳米电子学、纳米生 物学、纳米化学、纳米物理学、纳米测量学等多种学科，而且已开始 在许许多多的领域中得到应用。 目前，科学家们的热情由最初探索纳米颗粒制备方法和其不同于 常规材料的特殊性能，转向了如何利用它的奇特物理、化学和力学性 能，设计纳米复合材料、设计纳米组装体系和纳米结构材料并应用到 各个领域中去。 纳米半导体粒子的高比表面、高活性、特殊的特性等使之成为应 用于传感器方面最有前途的材料。纳米微粒颗粒小、比表面大并有高 的扩散速率在轻工领域纳米材料的应用。把金属的纳米颗粒放入常规 陶瓷中，可大大改善材料的力学性能；纳米s i 2 0 3 和s i 0 2 粒子放入橡 胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性，放入金属或合金中可以便晶粒细 化，大大改善力学性能；美国成功地把纳米粒子用于磁制冷上；纳米 氧化铝的悬浮液被用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光； 纳米微粒加入油墨中可改善油墨的流动性，美国已出现了纳米微粒生 产颜料的专利。 目前，由于需要树脂加碳黑来进行静电屏蔽，一般彩电只能是黑 4 第一章引论 色，被称为是黑色家电。日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽 作用的纳米涂料，可以通过控制纳米微粒的种类来复合控制涂料的颜色。 金属纳米微粒为解决化纤制品静电问题提供了一条新途径。日本 和德国已出现了相应的产品。在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还 有除味杀菌作用，把银纳米微粒加入到袜子中去，可以清除脚臭味， 医用纱布中放入纳米a g 粒子有消毒杀菌作用。 纳米技术也引起了我国政府、科学界及社会各界的重视和关注。 8 0 年代末，我国政府把纳米技术列入国家“攀登计划”和国家“重大 攻关项目”，并委托科学院等一些科研机构、大专院校通过召开纳米技 术专门会议，制定计划、布署方案、调拨资金等大规模进行纳米技术 研制工作。我国从9 0 年代初开始申请纳米材料的专利，9 0 年代中期 形成了高潮。目前有纳米材料的专利有几十个，大部分都集中在研究 所和大学。1 9 9 7 年以来，我国纳米材料应用出现可喜势头，大的集团 公司已经介入纳米材料和纳米技术的开发。据不完全统计，全国已有 七条纳米材料的生产线已经投产或正在开发中。目前，纳米材料还被 列入s 一8 6 3 计划范围，围绕纳米材料进一步在研究和应用正蓬勃展 开。 让许多企业更感兴趣的是，通过纳米技术对传统产品改性并不见 得非常昂贵，往往价格只是略有上升，但性能却要好的多。这意味着 这样的产品更具有市场竞争力。许多企业的成熟产品已推向了市场： 不少国产的无菌冰箱上用了纳米材料制成的塑料；深圳一公司推出了 包括无菌餐具、无菌扑克牌在内的一系列纳米材料制作的产品；合肥 纳米保健食品公司生产的纳米硒产品已通过鉴定。不难预见，纳 米技术将会被越来越多的企业所接受，引起新一轮产品创新的革命。 1 4 本文的内容 本文试图通过引用超声清洗技术及纳米材料技术，来研究全自动 滚筒洗衣机内部环境的自洁及对衣物的清洗度，使洗衣机成为真正的 节电、节水、清洗效果良好的环保型洗衣机。 目的： 提出一种用超声技术及纳米材料解决全自动滚筒洗衣机自洁 的新思路，并研究其特性。 基于超声技术的清沈效果研究，对其设备组成进行了探讨。 基于纳米技术的全自动洗衣机自洁的基本原理和设计方法。 试验综合分析。分析各因素对清洗效果的影响。 第二章洗衣机内部环境分析 第二章洗衣机内部环境分析 2 1 清洗原理及内部环境分析 2 1 1 衣物污垢成份分析 1 、衣物污垢的来源 衣物上的污垢一部分来自人体皮肤的分泌物，主要是人体皮脂腺 分泌的皮脂和汗腺分泌的汗液。特别是与人体直接接触的内衣上皮肤 分泌物较多，这些污垢可以成为病菌滋生的营养源，所以内衣经常清 洗保持卫生才有利于人的身体健康。而另一部分污垢来自于外在环境 在生产和生活实践中与外部环境接触而沾染上土壤、尘埃、矿物油、 寄生虫、微生物等菌类污垢，也有从食物中沾染上的油脂、菜汤、果 汁、茶、咖啡等污垢：这些污垢除因特殊工作污染上反射性污垢之外， 通常用肥皂或合成洗涤剂即可去处，但是那些顽固附着在衣物上的污 垢，如粒径在o 2 2 0um 的细微粘土颗粒钻入纤维内部丽很难被去 除。 这些污垢中，有些是有机污垢( 主要是由碳水化台物，脂肪，蛋 白质，有机高分子化合物或其他类型的有机化合物组成) ，如衣物上沾 染的食物中的淀粉、糖、奶渍、肉汁、动植物油迹、及血污、色素、 矿物油等：有些是无机污垢( 主要是由金属或非金属的氧化物及水化 物或无机盐类组成) ，如水垢、锈垢、泥垢等。 2 、污垢成分分类 污染在衣物上的污垢，成分是很复杂的，既含有无机物也含有有 机物，而且是亲水性污垢与亲油性污垢混为一体。这种混合污垢通常 含有以下成分： 油性污垢：如人体分泌的皮脂成分的油脂污垢以及来自环境 中的矿物油、炒菜的油污、乳汁、化装品。 颗粒状污垢：主要是空气中尘埃以及来自环境中的煤烟、泥沙、 粘土、金属粉末等，通常将这一类污垢称为固体污垢。 其他污垢：指能在衣物表面形成各种污垢斑点的物质。特定环 境污染的特定物质，如化学药品、放射性物质以及日常生活中污染到 衣物上的生活污垢如牛奶、血迹等蛋白质污垢、果汁、颜粒、色素等 有色物质形成的色斑污垢，以及霉菌等微生物形成的霉斑污垢a 2 1 2 清洗原理 第二章洗衣机内部环境分析 水、洗涤剂、机械力是家用洗衣机洗涤过程的三要素。在洗衣机 洗衣物的过程中，机械力来源于洗衣机滚筒的转动。影响洗涤效果的 主要因素是洗涤剂的物理化学作用，洗衣机的机械作用，洗涤时间， 洗涤液的温度等。衣物上的污垢主要来源于人体的分泌物，排泄物和 周围环境的污染。根据污垢的性质可将其分为固体微粒，油脂和溶于 水的物质。污垢以表面附着、机械附着、引力附着和化学附着与纤维 结合。洗涤就是在水，洗涤剂，机械力的作用下，破坏污垢与衣物纤 维结合，使污垢从衣物上脱落下来。在洗涤过程中，机械力直接起着 使污垢脱落的作用，而洗涤剂则是通过吸附、渗透、膨胀、乳化作用 使污垢与衣物纤维结合力减弱，更有效地发挥机械力地作用。 全自动滚筒洗衣机结构可分为：洗涤部分，传动部分，操作部分， 电器部分及给排水部分。 全自动滚筒洗衣机的工作原理： 卧式外筒( 洗涤容器) 内的不锈钢内筒在电机的带动下有规律的 正、反向旋转，洗涤物在简内翻转揉搓。通过加热选择，可使洗涤液 的温度升高，热洗时可充分发挥洗涤剂的作用，并具有一定的杀毒作 用。 2 1 3 洗衣机内部环境分析 全自动洗衣机按固定程序对衣物进行洗涤、软化、漂洗、脱水的 全过程。我们发现，在衣物清洗完成后，有部分的洗衣粉残渣，不溶 性污渍及水垢等污物附着在洗衣机的内简外壁、外筒内壁，及门密封 圈等橡胶连接件的缝隙中得不到彻底的清洗，由于洗衣机内部清洗环 境长期处于密封，潮湿的环境，残余污垢的存在，会造成微生物的滋 生，病菌的繁殖，橡胶连接件表面出现霉斑。此外，洗衣机使用一段 时间后，内简外壁会结有大面积的水垢。在这种环境下进行衣物的清 洗，洗衣机经长期使用后，因洗涤环境的恶化，会对衣物造成二次污 染，影响人体的健康。 因此，对全自动滚筒洗衣机内部环境的自洁的研究，具有非常重 要的现实意义。 2 2 自洁机理研究分析 全自动滚筒洗衣机的内部洗涤环境主要由以下各部分组成：内筒 ( 洗涤筒) 、外筒、门密封圈及波纹管等橡胶连接件。内筒为衣物的盛 第二章洗衣机内部环境分析 放筒，在洗涤过程中，内筒上的提升筋带动衣物上下移动；外简为水 基清洗剂的盛放筒。在整个洗涤程序中，内筒带动农物在外筒的清洗 液中运动，在此过程中。内筒的外壁外筒内壁，门密封圈及波纹管 始终与清洗液相接触，在衣物经软化、漂洗、脱水后，会有部分的不 溶性污渍、水垢等附着在内筒外壁的数千个小孔周围及门封、波纹管 的折皱处得不到完全的清洗。全自动滚简洗衣机的内部洗涤环境是一 个相对密封、潮湿的环境，洗衣机经过长期的使用，残余的污渍、水 垢等会造成微生物的繁殖，病菌的滋生，对衣物造成二次污染。同时， 门密封圈，波纹管等橡胶件表面会出现霉斑现象，洗涤环境进一步恶 化。 由上述可知，全自动滚筒洗衣机现有的清洗方式无法解决内部环境 的自清洁。由于滚筒洗衣机外简壁光滑，涂料易附着，而内筒壁数千 个小孔的存在，在筒壁采用涂敷工艺时，涂料不能均匀、牢固的附着， 而利用超声清洗技术及纳米技术可使清洗环境得到根本的改善。超声 清洗在清洗液中主要表现为超声空化作用，利用超声波产生的超声空 化作用可使内简外壁、门密封圈、波纹管等得到彻底的清洗。研究在 外筒的内壁均匀的涂上一层纳米复合银粉体材料，利用纳米复合银粉 体的抗菌、杀菌作用，使洗衣机外筒内缺少微生物、细菌的生存环境。 全自动滚筒洗衣机内部环境自洁的主体思路：洗衣机外筒表面采 用纳米涂敷材料处理；在滚筒洗衣机的整个洗涤程序过程中，在不影 响衣物清洗效果的前提下，利用超声波进行洗衣机内筒壁及相关橡胶 连接件的清洗。在下面章节的叙述中，我们把本文运用超声清洗技术 及纳米技术制成的具有自洁功能的洗衣机暂称为自沽型全自动滚筒洗 衣机。 第三章超声清洗技术 3 1 概论 第三章超声清洗技术 把液体放入清洗槽内，槽内作用超声波。由于超声波和声波一样 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，这点的压力以静压( 一般一个标准大气压) 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。 并产生负压力。所谓负压，实际上负的压力是不存在的，这在区域液 体中产生撕裂的力，且形成真空的气泡，并被后面的压缩力压挤而破 灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速增 长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大 的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是平常所说的 “超声空化”。 3 1 1 基本概念 1 声压： 通常用声压来描述声波的一些性质。设体积元受声扰动后压强由 原来的p o 变成p ，则由声扰动产生的愈量压强p 即为声压。如下式： p = p p o ( 3 1 ) 声压的大小反映了声波的强弱大小。 2 声强： 单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积上的平均声能。 声强与声压幅值成正比，声强还与介质的阻抗特性成正比。 3 1 2 超声波清洗的物理机制 超声清洗工作主要是由位于清洗工件表面或附近的空化气泡来 完成的。具体的清洗过程则因为工件上污染物的性质不同而不同，例 如看污染物是可溶解性质的还是不可溶解性质的。稳态空化和微声流 可以在工件表面处提供一种溶解机制而使污染物溶解，在污染层与工 件表面之间的稳态空化气泡可以使污层脱落。稳态空化和微声流有助 于水溶液中的油脂乳化，瞬态空化也有可能将污物层击碎而将其剥落。 9 第三章超声清洗技术 如上所述，超声清洗的主要作用机理是超声空化作用。 超声空化作用主要表现在以下几个方面： ( i ) 存在于液体中的微气泡( 空化核) 在声场的作用下振动，当 声压达到一定值时，气泡将迅速变大，然后突然闭合，在气泡闭合时 产生的冲击水波能在其周围产生上千个大气压的压力，破坏不溶性污 物而使它们分散在清洗液中。 ( 2 ) 蒸汽型空气对污物层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清 洗物表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而与清洗面表 面脱离。 ( 3 ) 气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污物一旦有缝可钻， 气泡就可以“钻入”裂缝中作振动，使污层脱落。例如工件上的氧化层 就可以比较轻易被气泡剥离。 ( 4 ) 对于有油污包裹住的固体离子，由于超声空化的作用，两种 液体的的界面迅速分散而乳化，固体粒子进行脱落。 ( 5 ) 空化气泡本身在振荡过程中，将伴随着一系列二阶现象发生， 如辐射扭力。辐射扭力在均匀液体中作用于液体本身，从而导致液体 本身的环流，即称之为声流( s t r e a m i n g ) 。这个声流可以作用于量级 较大的范围，也可限于um 量级较小的范围，后者被称为微声流它 可以使振动气泡表面处在很高的速度梯度和粘滞应力，这种应力有时 高达1 0 0p a 以上，足以使工件表面污物造成破物造成破坏而使其脱落。 ( 6 ) 超声空化在固体和液体界面上所产生的高速微射流( m i c r o j e t ) 能够除去或削弱边界污层，曾加搅拌作用，加快可溶性污物的溶解， 强化化学清洗剂的清洗作用。 超声清洗主要作用机理是超声空化作用、超声空化二阶效应产生 的微射流的洗刷作用以及超声空化在固体和液体界面所产生的高速微 射流的冲击作用。 进一步讨论空化的理论，以便利用超声技术获取更好的清洗效 果，并指导如何选取清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性 质。 3 1 3 超声空化现象的理论分析 l 、空化阈： 使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈。 设液体的静压力为p o ，交变声压幅值为p r o , 则只有p m p o 时才能出 现负压，负压超过液体结构强度时才能形成空化。空化阈可由下式表 示： 1 0 第三章超声淌洗技术 最= 执一热+ 甭2 ( 3 - 2 ) 式中，p o 为静水压，p ，为蒸汽压6 为裁面张力系数，r o 为空化 核的开始举径。 由上式可觅，空诧溺随不同液体简不同：对予阋一种液体，不同 的激废、压力、空化核半径及食气量，空化阀值也不一样。液体食气 量越少，窳纯阖越高。空纯阈述随液体静静蘧力罐船雨蹭翱。 此外，空化闽还与液体的粘滞系数有关，液体的粘度太，空化闽 遣离。翔下式； p c 一0 8 ( i nn + 5 )( 3 - 3 ) 式中；每为耱海系数。 同时，空化闽和声波的频率也有密切关系。频率越高，空化阚也 越蕊； 2 、气泡的运动 气泡程声场瓣俸震下将进行振动，毽不一定会发生气涎内塌，夯 称为崩溃和闭合。当声波的频率小于气泡的谐振频率时才可能使气泡 内塌，磊当声波频率大予气泡的谐摄频率慰，气泡燎发生笺杂的掇翡， 一般不发生气泡内塌。 气泡的谐振频率决定予气泡原始半径粕及液体的静压力p e 以及 其他一些物理参数。谐振频率 如下式所示： 矗= 壶彦( ”等 4 ， 式中：y 为比热容，口为液体的袭蕊张力系数，一是液体的密度。 由诧可见，气泡振动和声波频率有关。对一定强度静越声波，熊够 产擞空化的气泡，其半径必须肖一个煅小临界值，半径小予这个临界 氆的气泡不可能 塑开；半径不胃能太大，否簧| j 其谮髹频率，j 、予声波频 率时就只会被撒开，假不能闭合。 3 、气沲翅含辩嚣产生静狰赘波匏强度 在气泡闭合时能产生巨大的冲击波，它的强度怒难以想象的。可 遗避戮下瓣睡翻褥凄： 设液体不可压缩，忽略气泡中得气体，则气泡收缩遽艘v 为： 第三章超声清洗技术 v = ( 3 - 5 ) 式中，r 。为气泡膨胀到最大时的半径。f l 式近似可见：随着气泡 半径r 静减小，收缩速度懿藏小越来越侠。 r e y l e i g h 曾经做过简化计算，求得气泡闭合所需耍的时间约为： t 糯0 。9 1 5 r m ( p po ) “。 在大气压力下，一赢径为0 1 m m 的气泡的闭愉时间为5us 。 r e y t e i g h 糖逛，在气逡祓压缨捌r 阙台时，在踅舞气途中，洛 1 5 8 7 r 处产生的最太压力可达 f m l x2 p 0 4 4 ”( r m r ) 。 根据上式估髯，局部压力可以达到上千个大气聪，由此足可以看 出空他霹以产生瓣巨大像耀。 如果考虑气泡内含有气体鼠内压强为q ( 包括蒸汽及扩散进去的 气体的总联强) ，则毒气泡牧缩速度为： v 一黜钒 - 耥扑一旷6 ， 其中y 为气体的比热容。 在气溆溺会建程孛，在气滋戮逐弱压强搬n 兔 时鲰咕争隅4 ) + ( z 一溉 俘7 、 一专争p ( z - 0 一暑l z ) l 式中，z = 征。r ) 3 。由上式可见，气泡崧闭合过程中，在气泡压 缝裂最枣立l 皇径嚣梦耋魏嚣强最大，气滋纛寒麴半径瓣大，溺会半缆越 小，则冲街波压力越强。 实骣上气逛举经瓣最大蓬歉。决定予声波振幅p 。积叛攀。爝期较 大时，气泡可能会膨胀到相当犬再闭裔，于怒产生的冲击波更强。反 之，当声波频率魄气泡的谐振频窭赢时，则气泡难予阙会。 4 、固体表面附近的宅化现象 当空化作用发生在液体中的固体表面跗避时，气泡的闭合与宅在 各向同性液体中的球形对称闭含不同。表面的存在改变了来自声场的 送力，从而使表颟附近的空化泡闭合明显受到影响。这样的不对称空 纯泡溺合弼醺使泡内气体温度商这5 5 0 0 。 1 2 第三章超声清洗技术 由于空化是发生在固体表面处，所以空化泡闭合时是不对称的， 它开始时是球形，继而迅速地不对称收缩，形成一个指向固体表面的 液体射流，流的速度大于1 1 0 m s ，这种射流能对固体表面形成巨大的 冲击作用，并能产生局部表面破坏。射流是空化腐蚀、表面致凹和超 声清洗的一个主要机理。 超声空化在金属表面的物理效应已有大量的研究。这种空化可由 湍流或超声产生。超声对金属表面的腐蚀作用主要来源于在表面附近 空化形成的微射流。这种微射流的冲击使表面形成凹痕。此外，对金 属表面的腐蚀不仅来自空化的物理效应，还可能来自空化的化学效验。 微声流在冲击物体表面时会产生一个局部的瞬时热点。当然，这种次 级的化学腐蚀主要依赖于当时表面的化学环境。 从以上对超声空化理论的几点讨论可知： 并不是声强越高，清洗效果越好。声强过高会产生大量的气 泡，在声强表面会形成一道屏障，声波不容易辐射到整个液体空间， 因而在远离声源的地方清洗效果减弱。此外，在过高声强下，气泡可 能膨胀过大以至在声波压缩相内无法完全闭合。 产生空化作用的空化闽与液体的温度、压力、空化核的半径 及含气量、声波频率相关。声波频率越高，空化阈越大，即要产生超 声空化要更商的声强。一般来说，频率在1 0 k h z 左右空化较强，但空 化噪声大，因此从清洗效果和经济核算考虑，频率一般选在2 0 4 0 k h z 范围，而声强为2 w e r a 2 。 液体中气泡的振动与声波频率有关，液体中气泡的半径与声 波的振幅和频率有关。 超声空化作用过强会造成金属表面有一定的蚀点。 3 2 超声清洗技术在滚筒洗衣机上的应用研究 3 2 1 超声波组成及各主要部件的作用 1 、超声波总成的组成框图； 第三章超声清洗技术 图3 1 超声波总成的原理图 2 、各主要部件原理简介及清洗要求； ( 1 ) 超声波发生器 超声发生器是产生电磁振荡信号并提供能量的工作部分。简而言之， 超声发生器就是一个大功率的信号发生器，它的作用就是给超声换能器 一个一定频率的电磁振荡能量，如果这个频率刚好是超声换能器本身的 谐振频率，就可以让超声换能器产生最有效的超声振动，即产生了共振。 超声波发生器分为机械型和电声型两种。其中，电声型应用比较 广。它是利用电磁能量转换成机械波能量。这种能量的转换是通过电 声换能器来完成的。另外，超声波发生器按其激励方式可分两种：自 激式和他激式。本文采用他激式。 超声清洗用的超声发生器，其特点如下： 随着清洗液深度不同，换能器共振频率和阻抗变化很大。但槽 内一旦放进清洗物后，基本上就可以稳定在某一定数值上。 一般来说，由于清洗负载变动较小，所以不要求复杂的频率自 动跟踪电路。 实用清洗发生器，大多采用大功率自激式反馈振荡器。其振荡 器频率取决于末级换能器的谐振频率。 为降低成本，减轻重量，大功率清洗常采用无电源变压器。它 是直接用外电源整流滤波进行浮动的直流供电。 ( 2 ) 超声波换能器 超声波换能器的组成：超声换能器由两部分组成，一部分为换能材 料部分；另一部分为机械振动放大部分，又叫变幅杆。变幅杆部分是超 声振幅的机械放大级，用以提高超声的功效，进一步增大换能器前断面 4 第三章超声清洗技术 的振幅。按换能材料部分的不同，目前主要应用的换能器一般是磁致伸 缩式和压电式，本文采用了压电陶瓷换能器。当陶瓷材料受外电场作用 时，会发生形变；相反，当外力作用时，其表面会产生电荷。这种物理 现象叫压电效应或电致伸缩效应。 压电式换能器示意图3 2 如下： 图3 2 中，1 为预应力紧固螺栓，2 为尾块，3 为负极4 为压电晶 块，5 为正极，6 为压电晶片，7 为发射块 图3 - 2 压电式换能器 超声换能器的主要作用是把超声发生器所产生的电磁振动信号转化 为换能器本身的一种超声振动。当超声波换能器工作时，从超声波发生 器送过来的电磁振荡信号引起换能材料中电场或磁场的变化，这种变化 借助于某种物理效应对换能器的机械部分产生一个推动力，使其进入振 动状态。进而推动与机械振动系统相连接的介质振动。向介质中辐射声 波。 ( 3 ) 清洗槽 由于超声波的作用区域主要就是在清洗槽内，所以超声清洗槽的几 何形状将会影响到超声波声场在其中的分布。如果槽的形状合适，能使 超声声场在其中分布得比较均匀，能有效的形成驻波场，使清洗槽的各 个角落都能取得较好的清洗效果。所以，通常的清洗槽都是对称的几何 形状，如圆形、长方形、正方形、正多边形等。本文是以全自动滚筒洗 衣机为对象来研究超声清洗的效果，因此，滚筒洗衣机的外简作为清洗 槽，圆形的滚筒洗衣机外筒，从理论上已满足超声清洗的形状要求。 3 2 2 超声波换能器的安装位置 第三章超声清洗技术 超声波在滚筒洗衣机的清洗过程中，由于超声波的作用区域主要是 在外筒内的水清洗液中，超声波换能器在外筒壁的安装位置将直接影响 到超声波声场在其中的分布，如果安装位置适当，超声波声场在清洗液 中的分布就比较均匀，能有效的形成驻波场，使清洗液中各位真的衣物 得到较好的清洗。因此，我们对换能器的安装位置进行计算，使四个超 声换能器均匀的按装在洗衣机外筒底部，以达到超声波能够辐射到清洗 液的没个角落。 3 2 3 超声波换能器功率及频率的选择 1 、功率选择 超声清洗效果不一定与( 功率清洗时间) 成正比，有时用小功率， 花费很长时间也没有清除污垢。而如果功率达到一定数值，有时很快便 将污垢去除。若选择功率太大空化强度将大大增加，清洗效果是提高了， 但这时衣物纤维也容易受到破坏，而且清洗缸底部振动板处空化严重， 水点腐蚀也增大。如果振动板表面已受到伤痕，强功率下水底产生空化 腐蚀更严重，因此要按实际使用情况选择超声波功率。本文选用的超声 功率为额定值为2 0 0 w ，由4 个额定输出功率为5 0 w 的超声换能器来提 供。经试验实测功率为1 6 0 w 2 5 0 w 之间。我们认为，换能器的实际输 出与电网电压不稳定有关，经测试在此功率范围内，洗衣机内简及外筒 壁均未受到超声空化腐蚀的影响。 2 、频率选择 超声清洗频率从十几k h z 到1 0 0 k h z 之间，在使用水或水清洗剂时 由空化作用引起的物力清洗力显然对低频有利，一般使用1 5 3 0 k h z 左 右的超声波。空化的强烈作用有时会使清洗物损伤，性能变坏。频率越 低的超声波空化作用强度越大，因此用超声波清洗时要慎重选择清洗频 率。 研究超声频率的选择与噪音的关系； 使用超声波清洗的缺点是噪声比较大。在使用超声波清洗时，超 声波在清洗液中引起超声空化，空化产生的空化泡在崩溃时会产生基 频谐波( 与超声频率，o 一致) 和分频谐波( 1 ，2 ，o 、l ，3 ，o 、) ，这 些谐波迭加在一起就组成了空化噪声。超声波的频率越低，空化噪声 越大。因此，应慎重选择超声波频率，以降低超声空化噪声对滚筒洗 衣机噪声的影响。在试验中，我们分别选用了四种频率的超声波： 2 0 k h z ，3 3 k h z ，4 0 k h z ，6 0 k h z 。经试验对比，我们选用了3 3 k h z 的超声波。试验结果如表3 一l ： 1 6 第三章超声清洗技术 表3 1 超声频率与噪音关系 l 2 0 k h z3 3 k h z4 0 k h z6 0 k h z i 噪音( d a ) 8 05 84 0 听不见 清洗效果( 目测)优良好良好差 i 由表3 1 知：2 0 k h z 的超声波噪音超标，而6 0 k h z 的超声波洗涤 效果差，3 3 k h z ，4 0 k h z 超声波效果较好。 第四章采用纳米材料的内自洁技术 第四章，采用纳米材料的内自洁技术 4 1 纳米技术及纳米材料 最早把纳米这个术语用到技术上是日本。科学家发现，当材料颗 粒小到纳米尺寸范围时，比表面大和量子尺寸效应，使其具有不同常 规固体的新特性，表现出特殊的光学特性、磁学特性、敏感特性、催 化和光活性等，这些特性向人们展示了纳米材料在应用上的良好前景。 今天，纳米技术已从最早的纳米材料学拓展到了纳米电子学、纳米生 物学、纳米化学、纳米物理学、纳米测量学等多种学科，而且已开始 在许许多多的领域中得到应用。 4 1 1 基本概念 l 、纳米：是一个长度计量单位，一纳米( n m ) 是一米的十亿分之 一，即1 0 。9 米。 2 、纳米技术：是指在纳米尺度范围内( 1 n m - 1 0 0 n m ) 通过直接操 纵原子、分子、原子团或分子团使其重新排列从而组成新物质的技术。 3 、纳米材料：运用纳米技术研制出来的物质。纳米材料：运用纳 米技术研制出来的物质称为纳米材料。 4 1 2 纳米材料的基本特性 当小离子尺寸进入纳米量级( 1 1 0 0 n m ) 时，其本身具有量子尺 寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许 多特有的性质在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方 面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。 l 、小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干 长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将 被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、 光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著增 加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态转变：超导 相向正常相的转变；声子谱发生改变。纳米粒子的这些小尺寸效应为 实用技术开拓了新领域。纳米微粒的熔点可远低于块状金属。例如2 n m 的金属粒熔点为6 0 0 k ，随粒径增大，熔点迅速上升，块状金为1 3 3 7 k ； 1 8 第四章采用纳米材料的内自洁技术 纳米银粉可降低到3 7 3 k ，此特性为粉末冶金工艺提供了新工艺。 2 、表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒 子尺寸的减小而大幅度的增加，离子的表面能及表面张力也随着增加， 从而引起纳米粒子性质的变化。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环 境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性 质，因而极易与其它原予相结合而趋于稳定，所以具有很高的化学活 性。 球型颗粒的表面积与直径平