CN110004631A - 利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及衣物清洗领域，具体公开了一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，包括洗涤桶、设于所述洗涤桶的外桶壁的超声波换能器和电控系统，所述超声波换能器包括A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片，所述A相压电陶瓷片和所述B相压电陶瓷片设于所述洗涤桶桶壁的同一高度上，所述电控系统适于向A相压电陶瓷片和所述B相压电陶瓷片提供相位差为π/2的高频激励电压。其能够产生较好的清洗效果，可有效减少清洗过程对衣物的磨损，适用于各类衣物清洗。

Description

利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统

技术领域

本发明涉及衣物清洗技术领域，特别是涉及一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统。

背景技术

当前，大部分家庭都选择使用洗衣机清洗衣物。家用洗衣机总体上可以分为波轮式和滚筒式等类型。其中，波轮洗衣机是在波轮的带动下，衣物跟着水流旋转、翻滚，使衣物之间、衣物与桶壁之间不断发生摩擦，实现去污清洗。滚筒洗衣机的洗衣方法是模仿棒锤击打衣物原理设计，衣物在旋转的滚筒中不断地被提升然后摔下，再提升再摔下，做重复运动而达到清洗效果。这两种洗衣机都是通过机械传动的方式带动水和衣物的运动，在水冲击衣物和洗涤剂的作用下达到除污的目的。但是，衣物被来回搅拌形成缠绕会磨损衣物，而且水流对衣物的冲击力量小，难以穿透衣物纤维的缝隙，故洗涤效果不佳。另外，若使用普通洗衣机清洗婴儿衣物或成人贴身内衣裤，衣物会被缠绕拉长变形，而且卫生也难以保证，若采用手洗的方式则带来额外的工作量。为解决上述问题，目前市面上出现了超声波洗衣机，但对超声波的运用相对简单，去污效果不尽如人意。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明的目的是提供一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，其能够产生较好的清洗效果，可有效减少清洗过程对衣物的磨损，适用于各类衣物清洗。

基于此，本发明提供了一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，包括洗涤桶、设于所述洗涤桶的外桶壁的超声波换能器和电控系统；

所述超声波换能器包括A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片，所述A相压电陶瓷片和所述B相压电陶瓷片设于所述洗涤桶桶壁的同一高度上；

所述电控系统适于向A相压电陶瓷片和所述B相压电陶瓷片提供相位差为π/2的高频激励电压。

作为优选方案，所述超声波换能器的数量至少为两个且均匀周向设置在所述洗涤桶的外桶壁上。

作为优选方案，沿所述洗涤桶的外桶壁轴向设置有至少两层所述超声波换能器，每相邻两层的所述超声波换能器的极化方向相反。

作为优选方案，所述电控系统包括传感器、超声波发生器、移相器和放大器，所述传感器、超声波发生器、移相器、放大器和超声波换能器通过电缆连接。

作为优选方案，所述洗涤桶的外桶壁设置有用于将超声波换能器包围住的密封装置。

作为优选方案，所述超声波换能器产生的振动频率大于20kHz。

作为优选方案，所述洗涤桶呈圆筒状。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，通过在洗涤桶的外桶壁上设置超声波换能器，超声波换能器包括A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片，且将A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片位于洗涤桶桶壁的同一高度上，当A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片接收到电控系统提供的相位差为π/2的高频激励电压时，A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片分别发出时间和空间上相差四分之一个波长的驻波，两驻波叠加后可合成一列周向的行波，行波中能量可随波的传播而不断向前传递，先传递至洗涤桶进而再传导至洗涤桶中的清洗液，清洗液中的气泡受到声波中的负压作用时会发生超声空化效应，膨胀空化成为较大的气泡，与衣物表面发生摩擦，空化气泡在超声波压缩下爆炸，气泡爆炸的冲击波对衣物表面有巨大的冲击作用，形成高速射流使污垢从衣物表面脱落分散到清洗液中，从而在保证衣物不形成缠绕的情况下达到对衣物清洗的效果，降低对衣物的磨损。另外，清洗液在行波型超声波的驱动下，会沿着行波型超声波的运动方向运动，清洗液在运动中对衣物中的污垢进行冲击，使其脱落并被清洗液带走，进一步提高超声波洗涤效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统的主视剖面图；

图2是本发明实施例提供的一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统的俯视剖面图；

图3是本发明实施例的超声波换能器的逆压电效应示意图。

其中，1、洗涤桶；2、超声波换能器；21、A相压电陶瓷片；22、B相压电陶瓷片；3、电控系统；31、传感器；32、超声波发生器；33、移相器；34、放大器；35、电缆；4、密封装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参见图1和图3所示，示意性地示出了本发明的利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，包括洗涤桶1、超声波换能器2和电控系统3。其中，超声波换能器2设置于洗涤桶1的外周壁上，电控系统3用于给超声波换能器2提供电源。具体地，超声波换能器2包括A相压电陶瓷片21和B相压电陶瓷片22，A相压电陶瓷片21和B相压电陶瓷片22的固有频率相同，利用逆压电效应，在A相压电陶瓷片21的上下表面施加正向电压时，A相压电陶瓷片21会在长度方向伸张、厚度方向收缩，在B相压电陶瓷片22的上下表面施加反向电压时，B相压电陶瓷片22会在长度方向收缩、厚度方向伸张。电控系统3适于向A相压电陶瓷片21和所述B相压电陶瓷片22提供相位差为π/2的高频激励电压。

基于上述技术特征的利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，通过电控系统3向A相压电陶瓷片21和所述B相压电陶瓷片22表面施加交变电场，两个压电陶瓷片就会激发出弹性振动，A相压电陶瓷片21在在长度方向伸张、厚度方向收缩，B相压电陶瓷片22会在长度方向收缩、厚度方向伸张，在本实施例中，A相压电陶瓷片21和所述B相压电陶瓷片22表面施加的是同频率、等幅值的交变电压，如电控系统3提供的交流电频率和A相压电陶瓷片21、B相压电陶瓷片22固有频率接近(优选地，超声波换能器2产生的振动频率大于20kHz，处于人耳听不见的频率范围，避免造成噪音)，超声波换能器2和洗涤桶1将发生一定规律的机械共振，A相压电陶瓷片21和B相压电陶瓷片22表面分别激发出一列驻波，由于电控系统3向A相压电陶瓷片21和所述B相压电陶瓷片22提供的高频激励电压相位差为π/2，因此两列驻波的时间和空间上相差四分之一个波长，这样的两列驻波合并成一列周向的行波，行波中能量可随波的传播而不断向前传递，并进入到洗涤桶1内的清洗液，清洗液受到超声振动后,液体单位体积的密度稠密和稀疏交替变化，稠密时液体受正压作用，稀疏时液体受负压作用，而在清洗中存在有溶解的微气泡以及由于热度不均匀或其他物理原因造成的一些小蒸汽泡，这些小气泡当受到声波中的负压作用时会发生超声空化效应，膨胀空化成为较大的气泡，空化气泡将以超声波频率振动，与衣物表面发生摩擦，衣物表面与污垢一旦有缝隙，气泡就“钻入”缝隙中进行振动，空化气泡本身具有一定的谐振频率，当声波的频率小于气泡的谐振频率时，空化气泡在声波压缩下发生崩溃爆炸，瞬间产生冲击波，冲击波带来的巨大压力周边的衣物表面有巨大的冲击作用，形成高速射流并增大清洗液的渗透作用，使污垢从衣物表面脱落分散到清洗液中。对于衣物上的油脂性污垢，由于它与衣物表面附着不太牢，并且与水溶液的化学作用很弱，在空化气泡的作用下容易被乳化而脱落，对于衣物上的油污包裹着的固体粒子，在超声空化作用下，两种液体在界面被迅速分散而乳化，固体粒子即行脱落。这样，实现了对衣物上各种污垢的清理，同时避免了传统洗衣机导致的衣物缠绕变形的问题，降低对衣物的磨损。此外，行波先传递到洗涤桶1，由于洗涤桶1中的清洗液对洗涤桶1有一定的压力，通过洗涤桶1与清洗液的摩擦作用，洗涤桶1内壁表面质点因超声振动做出椭圆周期运动就会转换为清洗液的旋转运动，清洗液在运动中对衣物中的污垢进行冲击，使其脱落并被清洗液带走，可进一步提高超声波洗涤效果。

如图2所示，优选地，具体地，超声波换能器2的数量至少为两个且均匀周向设置在洗涤桶1的外桶壁上，如此，在工作时，绕着洗涤桶1外周壁的一圈超声波换能器2，通过周向行波的能量传递，能使附近的清洗液往同一方向(如顺时针)转动，以提高洗涤效果。

在上述结构的基础上，沿洗涤桶1的外桶壁轴向设置有至少两层超声波换能器2，每层超声波环能器可由多个沿洗涤桶1外周壁周向设置的超声波环能器组成，每相邻两层的超声波换能器2的极化方向相反，工作时相邻两侧超声波换能器2产生的行波的运动方向相反，使得与之相对的上下清洗液的运动趋势相反，处于两层超声波换能器2中间的清洗液将产生剪切力，产生高速微射流，进而提高了洗涤效果。

作为优选的实施方式，电控系统3包括传感器31、超声波发生器32、移相器33和放大器34，传感器31、超声波发生器32、移相器33、放大器34和超声波换能器2通过电缆35连接，超声波换能器2通过电缆35与传感器31连接形成反馈电路并作用于超声发生器上，超声波发生器32通过电缆35与移相器33连接，电源电压在移相器33中进行相位调整，使得两相驱动电源形成π/2相位差，然后经过放大器34放大后输入超声波换能器2，向A相压电陶瓷片21和所述B相压电陶瓷片22表面提供相位差为π/2的高频激励电压，使得A相压电陶瓷片21和所述B相压电陶瓷片22表面激发出时间和空间上相差四分之一个波长的驻波，然后合并为行波。在本实施例中，传感器31、超声波发生器32、移相器33、放大器34均安装于洗涤桶1的下方。

优选地，洗涤桶1的外桶壁设置有密封装置4，密封装置4将超声波换能器2包围住，以免空化泡在崩溃时产生频率较低的分频谐波进入人耳听见的频率范围之内，减少空化噪声的传出。

进一步地，洗涤桶1呈圆筒状，以使超声波声场在清洗液中比较均匀的分布，能有效的形成行波，并使洗涤桶1的各个角落都能产生较好的洗涤效果。在本实施例中，洗涤桶1的洗涤容量不大于5公斤，适用于清洗婴儿衣物或成人贴身内衣裤，在避免卫生问题的同时还节约水电。当然，在其他实施例中，洗涤桶1的洗涤容量也可以为其他值，以适应不同衣物的洗涤需要，在此不再赘述。

综上所述，本发明的利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，通过在洗涤桶的外桶壁上设置超声波换能器，超声波换能器中的A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片可以产生时间和空间上相差四分之一个波长的驻波，合并形成行波并传递到清洗液中，利用气泡爆炸产生的冲击力和驱动清洗液运动来洗涤衣物，能够产生较好的清洗效果，可有效减少清洗过程对衣物的磨损，适用于各类衣物清洗，具有较高的推广应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用压电陶瓷产生行波型超声波的清洗及污物分离系统，其特征在于，包括洗涤桶、设于所述洗涤桶的外桶壁的超声波换能器和电控系统；

所述超声波换能器包括A相压电陶瓷片和B相压电陶瓷片，所述A相压电陶瓷片和所述B相压电陶瓷片设于所述洗涤桶桶壁的同一高度上；

所述电控系统适于向A相压电陶瓷片和所述B相压电陶瓷片提供相位差为π/2的高频激励电压。

2.根据权利要求1所述的清洗及污物分离系统，其特征在于，所述超声波换能器的数量至少为两个且均匀周向设置在所述洗涤桶的外桶壁上。

3.根据权利要求2所述的清洗及污物分离系统，其特征在于，沿所述洗涤桶的外桶壁轴向设置有至少两层所述超声波换能器，每相邻两层的所述超声波换能器的极化方向相反。

4.根据权利要求1所述的清洗及污物分离系统，其特征在于，所述电控系统包括传感器、超声波发生器、移相器和放大器，所述传感器、超声波发生器、移相器、放大器和超声波换能器通过电缆连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的清洗及污物分离系统，其特征在于，所述洗涤桶的外桶壁设置有用于将超声波换能器包围住的密封装置。

6.根据权利要求1至4任一项所述的清洗及污物分离系统，其特征在于，所述超声波换能器产生的振动频率大于20kHz。

7.根据权利要求1至4任一项所述的清洗及污物分离系统，其特征在于，所述洗涤桶呈圆筒状。