基于超声波清洗装置的多功能保温杯设计

朱 悦， 邢 菲， 谢景卫， 秦华珍

（1.大连大学 机械学院， 辽宁 大连116622； 2.大连大学 国际学院， 辽宁 大连116622；3.大连大学 创新创业学院， 辽宁 大连116622； 4.大连大学 生命学院 辽宁 大连 116622）

0 引言

我们的设计是将超声波性能更好的应用于保温杯，打造能达到良好清洗效果的多功能保温杯。 市面上大多数保温杯效用单一，而当涉及到其它的饮用液体（如茶、奶、果汁等），则会产生较难清洗的污垢。清洗的频繁费时费力，也无法达到真正的健康清洗标准。为了让人民的生活更加便利丰富，我们对保温杯进行了创新设计。本产品设计的是一款集智能清洗、养生、保温多功能一体的智能养生杯。 利用麦饭石涂层及超声波等技术将市场上多种养生杯的优秀特性集于一体并进行创新， 同时保证养生杯的便携性和实用性[1]。 多功能水杯产业的发展满足了人民对保温杯的期望，符合当今社会科技的发展。

超声波清洗技术已经广泛的使用在人们生活之中，经过长期的市场实践和技术沉淀， 超声波技术的应用成本也越来越低；同时超声波元器件的体积也不断变小，这为超声波应用在更小的设备之中提供可能。 所以本产品的技术成本、生产成本都处于可控之中。 麦饭石是一种天然硅酸矿物盐，在我国山东、燕山山脉、太行山脉、内蒙、辽宁都有大量分布。 它对人体无毒无害，并具有一定的生物活性和药用价值。 喷涂在保温杯内部杯壁上，在超声波清洗时与饮用水接触之下能够分解出对人类有益的各种矿物质。

1 设计原理

产品设计通过超声波震动和麦饭石相结合的螺旋内壁增强了超声波在内壁清洗震动的频率和幅度， 同时麦饭石本身对这些粘稠液体有很好的不粘性， 能够在不沾和清洗中起到足够的清洗和维护内杯壁效果。 以往的超声波清洗保温杯往往只是通过简单超声波震动原理来进行清洗内壁， 而没有通过改善内壁架构和内壁本身材质来做到不沾污垢和清洗污垢。 所以该产品通过改善内壁结构和内壁材质的方式解决以往超声波清洗杯在根源上解决不到的痛点。 同时本产品进一步利用了超声波的特性，利用超声波震动让水分子进行碰撞，从而通过动能产生热， 而这一部分热能加上保温杯本身的保温特性能够足够的让杯内水保持在人们所需要的温度， 更加适用于人饮用。 相对于以往的超声波清洗杯不仅在清洗程度上而且在保温效果上更加具有优势。

同时，现有的超声波清洗杯有的是外置电源，有的是杯体内置一蓄电池。 外置电源会使使用者在外面使用过程中无法查看保温杯内水杯的实时温度。 而内置电池可能对杯体水质产生一定的不良影响， 故本专利在杯底内置了一块储能电容， 在不进行清洗的过程中通过储能电容中的电能足够带动水杯的感温电阻和显示屏进行正常工作。不仅解决了饮水品质问题，同时也解决了使用者对水温的实时把控需求。

2 技术方案及实施内容

产品设计提供了一种具有超声波清洗， 麦饭石涂层功能的保温杯，可以解决杯子使用过程中清洗不方便、不彻底的缺点， 利用超声波使液体中的空化作用和直流作用直接、间接地作用于液体和污染物，分散、乳化、剥离污染物层，达到清洗目的。另一方面保温层采用麦饭石不沾杯涂层，与超声波结合可极大增强清洗效果。且该保温杯外置有温度数字显示屏，可实时反映杯中的液体温度，保温杯具有体积小、方便携带、清洁污垢彻底、保温时间长等优点。

为实现上述目的，产品设计的技术方案为：一种带有超声波清洗装置的麦饭石螺旋内胆保温杯。 具体包括：杯盖、杯体，内麦饭石涂层内胆、底座。杯体中依次为：具有麦饭石涂层的氧化铝不锈钢内胆、中空保温层，杯部底座包含：超声波发生器及换能器、单片机、控制面板、储能电容。

2.1 温度传感器

在杯内胆底部内置了温度传感器——DS18B20 数字温度传感器，主要通过单片机进行驱动并读取温度值。这种温度传感器的精度在0.5℃左右，功耗低，并且电路简单，操作性强。同时，它是数字型的，可将实时温度导入单片机中， 并将温度数字信号显示在杯底座外侧的数字显示屏上， 储能电容内置于杯底座为单片机及数字显示器提供电能[2]。

2.2 内胆螺旋曲面形状

保温杯内胆采用顺时针螺旋曲面形状， 加以提升超声波清洗时能量的转换效率， 并且内胆内部为麦饭石涂层， 利用其自身的不粘性辅助超声波对保温杯中难溶性物质的清洗。

2.3 单片机控制系统

使用AT89S51 单片机，它的性能强大，有着完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间；其次，它价格低廉，适用于大批量的计量仪器进行规模化改造，每单片价格不超五元；使用此单片机可以直接与超声波发生器、换能器、温度传感器、数字温度显示屏、BRP002R8L105FA（2.8V 1F）超级电容、超生波发生装置控制开关、控制数字显示的点触开关连接。 如图1 所示。

图1 超声波控制装置及温度显示框图

2.4 超声波发生、换能装置

保温杯底座夹层置有超声波发生、换能装置。从效果和经济性考虑，选用型号为50X26，频率为42kHz，功率为30W，工作电压为直流24V 的低电压超声波换能器，它的传导效率高，功耗低，超声波频率较高，可以达到保温杯良好的清洗效果， 换能器直接与内胆底部接触从而发挥超声波清洗作用。

2.5 外壁设置

保温杯底部杯外壁设置镶嵌式超声波按键控制开关，数字显示屏和点触开关及USB 充电接口[3]。

3 技术成果

保温杯不仅能够达到超声波全方位无死角的清洗，使之无污垢残留，无异味的效果，而且超声波振动与麦饭石涂层结合产生的热量可以极大延长保温时间，提升保温效果。 设计的温度显示可以提供杯中液体的实时温度，完全消除了使用者饮水时对水中的温度不明确的顾虑。 如图2 所示为3D 打印的实物图。

图2 3D 打印实物图

4 具体实施方式

4.1 整体结构布局

设计提供一种带有超声波清洗装置的保温杯，具体包括：杯体，超声波自动清洗器，杯盖，多功能底座，USB 充电装置，温度显示器。杯体中依次设置：超声波发生器及换能器，麦饭石螺旋内胆，感温传感器；所述底座安装在杯体底座部，清洗时将底座安装上；所述杯体装有温度显示器，采用USB 充电方式和大电容电池，可反复充电。 在不充电情况下，为杯子进行加热、清洗[4]提供电能。 如图3 所示。

图3 超声波保温杯结构图

在清洗过程中，首先将杯中灌入清水，盖上杯盖，将杯子原本底座卸下装上接收器底座， 插上电源， 打开开关，即可达到清洗目的。

在搅拌过程中，将需要搅拌的液体加入到杯子内，插入电源，打开开关，即可达到搅拌目的。 超声波与麦饭石涂层结合，在超声波的震动下，不仅能对水造成一定程度上的加热，还能加速涂层矿物质的分离，从而达到增加水中对人体有益的矿物质含量。

4.2 超声波发生器和换能器结构

设计中提供超声波清洗功能，在杯底夹层放置超声波发生器，发生器镶嵌在螺旋内胆底部，达到超声波震动清洗效果。 如图4 所示。

图4 超声波发生器与转换器结构图

4.3 实施例3

本实施例采用一种麦饭石涂层，达到不粘杯效果。麦饭石涂层涂在螺旋型杯内壁，结合超声波可以达到保温效果，增强清洗效果[5]。

4.4 杯底座设计

设计采用外置USB 接口充电方式，用中型电容器存储电能，延长续航时间，便于户外携带使用。 使用时打开USB 接口盖子， 接入电源线即可充电同时可以看到指示灯亮起。 在内胆底部，设置一个感温电阻，通过单片机处理后将温度显示在外杯显示器上，触碰点触开关，即可在显示屏上显示温度。 结构布局如图5 所示。

图5 底座内部结构图

4.5 杯体曲面结构图

杯体结构设计是最大的亮点，杯体采用曲面设计，增大杯体与杯中液体的受热接触面积， 更快更便捷的达到加热的目的[6]。这款加热功能还同时保证使水温接近人体正常温度。 杯体曲面结构如图6 所示。

图6 杯体结构图

5 结束语

通过设计与测试， 该保温杯在保温时可将温度控制在35 摄氏度左右，符合人最佳饮水温度； 同时检测发现使用超声波清洗时能有效洗去杯内污垢，并且在搅拌时，超声波引起的“水爆”现象能够使水充分搅拌，搅拌效率可达80%；另外，杯子底座有温度显示器，可实时监测当前水温。

设计旨在解决市场上保温杯单一功能的弊端， 打造了集保温、搅拌、养生、清洗、温控为一体的多功能保温杯，实现一杯多用的目的，极大的满足了现代人的使用需求，具有广阔的市场前景。