便携式烧水壶安全排气技术研究＊

肖佑业，贺沅平

（1.美的生活电器有限公司，广东 佛山 528311；2.中山大学大气科学学院，广东 珠海 519082）

水是人身体重要的组成部分，饮用水的安全是消费者非常关注的问题，为了更加健康，国内消费者大部分都有喝开水的习惯，因此烧水壶是最受消费者欢迎的电器之一[1]。外出旅游或商务出差的消费者，尤其是带宝宝外出的家庭，考虑到公共水壶的卫生问题，一般会携带烧水壶，因此小型的便携式烧水壶应运而生，目前市面上有各种形态的便携式烧水壶产品[2]。便携式烧水壶产品由于需要便携，一般具备体积小、质量轻、携带时不漏水等特点。便携式烧水壶的使用场景与传统的水壶完全不同，因此结构上有了较大的差异。其中烧水过程中，水壶内的水在加热过程中会产生大量蒸汽，如果不能排出或者排出不顺畅，会导致水壶内部压强急剧上升而产生危险。因此，对便携式烧水壶排气方式的研究非常重要。

1 当前产品及技术的介绍

目前市面上的便携式烧水壶虽然存在多种形态，但是综合来看排气方式主要分为3 种，即完全开盖排气、半开盖排气和不开盖排气烧水。

完全开盖排气方案。该方案要求在使用时，完全打开杯盖，敞口式烧水，水蒸汽直接从杯口排出，如图1（a）所示。在实际设计过程中，杯盖与杯身之间一般会设计有磁控保护方案，即杯盖上安装磁铁，杯身内安装磁感应开关。杯盖拧紧的情况下，杯身内的磁感应开关闭合，控制板检测到以后，判断属于杯盖处于拧紧状态，样机不工作无法烧水，实现保护。完全开盖烧水方案的优点是结构设计简单、成本低；缺点是安全性不足，因为磁感应开关只有在磁铁在其感应范围内才有效，在杯盖未完全拧紧的情况下，磁控保护是失效的。此时，消费者如果忘记打开杯盖，样机也能启动工作。烧水过程中，水蒸汽会出现排出不顺畅，水壶内压强急剧上升而产生沸水溢出、冲盖等现象，带来消费者被烫伤的风险。

半开盖排气方案。该方案的原理与完全开盖烧水方案类似，一般是水壶杯盖上局部设计有开口，如饮用吸管口、按键开关等，在使用时不需要打开杯盖，但是需要打开局部开口，水蒸汽从局部开口排出，如图1（b）所示。半开盖烧水方案优点和缺点与完全开盖排气方案相同，但是半开盖烧水方案由于结构与尺寸的限制，大部分产品无法设计磁控保护方案，这部分产品的安全性更低。

不开盖排气方案。该方案一般是在杯盖上设计有透气阀，在使用时不需要打开杯盖，水蒸气从阀排出，如图1（c）所示。其中透气阀的核心部分是透气膜，常用的透气膜有PU（Polyurethane，聚氨基甲酸酯，简称“PU”）膜、TPU（Thermoplastic polyurethanes，热可塑性聚氨酯，简称“T P U”）膜、P T F E（Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯，简称“PTFE”）膜、ePTFE（expended Polytetrafluoroethylene，膨体聚四氟乙烯，简称“ePTFE”）膜等[3-5]。透气阀的优点是透气不透水，密封良好，烧水也不需要开盖；缺点是透气阀是多孔结构，容易被果汁、豆浆以及外界异物等堵塞，一旦发生堵塞就会失效而引起水壶爆炸、沸水溢出等意外事故。

图1 3 种常见的排气方案

2 新的技术方案及工作原理

2.1 防误操作系统方案

完全开盖排气和半完全开盖排气的缺点是如果用户操作不当，就有可能出现沸水溢出、冲盖等安全事故，因此开盖排气方案的改善方向是如何防止用户出现误操作。本文提出一种防误操作系统，该系统主要由触发模块、检测模块、处理模块、执行模块、报警模块组成[6]。具体到产品上，触发模块由杯盖组件、磁铁组成，检测模块由金属件、磁感应开关组成，处理模块由主控板组成，执行模块由发热盘组成，报警模块包括显示灯、蜂鸣器等，如图2 所示。其中，检测模块中的金属件，可以让触发模块吸附在检测模块的指定区域内，完全开盖排气方案和半开盖排气方案分别如图3 和图4 所示。

图2 防误操作系统结构示意图

图3 完全开盖排气防误操作结构

图4 半开盖排气防误操作结构

防误操作系统的工作原理如图5 所示，具体如下：①产品通电后，检测模块开始检测触发模块，产生一个信号传输给处理模块。检测模块中的磁感应开关在有无磁场下会有两种状态，当触发模块在检测范围内，检测模块中的磁感应开关闭合（或断开），此时给处理模块的是磁感应开关闭合（或断开）信号；当触发模块不在检测范围内，磁感应开关断开（或闭合），此时给处理模块的是磁感应断开（或闭合）信号。②处理模块接收到检测模块的信号后，判断触发模块是否在指定的区域（即检测模块的检测范围）。③当处理模块判断触发模块在指定的区域，执行模块工作，此时机器表现为正常工作。④当处理模块判断触发模块不在指定的区域，报警模块工作，此时机器不工作。

图5 半开盖排气防误操作结构

防误操作系统技术方案的优点如下：①防密封系统及工作原理为触发模块设置在杯盖组件上，检测模块设置在杯盖组件需取下的指定区域或位置，当识别触发模块在指定区域或位置时，机器才会工作，避免用户误操作导致便携式加热容器在工作过程中完全密封而导致危险；②检测模块有金属块，可以让触发模块在磁场力的作用下吸附在检测模块的指定区域内，不容易弄丢；③触发模块可以直接设置在杯盖组件上，产品不在需要配备单独的杯盖及杯组件，降低了成本，同时提升了安全性及便携性。

2.2 安全杯盖组件方案

不开盖排气的缺点是如果用户操作不当，就有可能出现透气阀堵塞，从而产生沸水溢出、冲盖等安全事故，因此不开盖排气方案的改善方向是如何防止透气阀堵塞。常规的烧水壶主要由杯盖组件和壶身组件组成，如图6 所示。本文提出一种安全杯盖组件方案，该安全杯盖组件主要由透气阀组件、安全阀、杯盖、防渣网组成[7]，如图7 所示。透气阀组件是上下两端进行进气与出气，其内部有透气膜，气体可以通过，液体将被阻隔。安全阀类似伞形阀，材料为硅胶，中间的安装孔是用于安装透气阀组件。安全阀的唇边在气压的作用下可以顶开排气，实现泄压的目的。不同的唇边厚度对应着不同的气压值，可以通过设计不同的唇边厚度来控制泄压值，称为安全阈值。杯盖上设置有一个安装孔与若干个泄压孔，如图8 所示。防渣网为侧壁与底部带有若干个孔的结构，可以通过设计孔的直径调整过滤效果。本方案中的透气阀组件中的透气膜推荐使用为ePTFE 膜，ePTFE 膜与PU 膜、TPU膜、PTFE 膜相比，防水和透气性能均为最好[5]，ePTFE膜虽然具有优异的防水性能，但当水压足够高时，水仍然可以透过防水膜。因此透气阀的防水性能可以通过拉普拉斯方程进行估算[5]：

图6 安全杯整体结构设计图

图7 安全杯盖结构设计图

图8 安全杯盖排气路径

式（1）中：△ρ为防水透气膜所能承受的最大水压；γ为水的表面张力；r为弯曲液面的曲率半径；θ为水在聚四氟乙烯表面的接触角，约130°；d为防水透气膜的微孔孔径，1～1.5 μm 不等。

安全杯盖组件的工作原理如图9 所示，具体如下：①产品启动后，杯内液体在发热盘的加热下开始汽化，杯内压强也逐渐上升；②正常情况下，杯内气体通过透气阀组件正常排出，气体流向如图8 中的实线箭头所示，此时杯内压强与外界大气压基本一致，保持动态平衡（正常工作模式）；③当出现异常时，如杯内某些食材瞬间释放大量气体、透气阀组件堵塞等，透气阀组件排气不及时或不顺畅时，杯内气压会急剧上升，当出现杯内气压值超过安全阈值，即气压值大于安全阈值时，安全阀唇边打开，气体流向如图8 中的虚线箭头所示，实现安全泄压（异常工作模式）。

图9 工作原理

安全杯盖组件技术方案的优点如下：①安全杯盖原理为自动泄压，实现免开盖。设置有单向排气结构，通过设计不同厚度的唇边，控制安全阈值。当杯内气压小于阈值时，安全阀不工作；当杯内气压超过阈值时，安全阀开始排气泄压，防止杯内压力过高。②安全阀双重泄压保护结构。安全阀正常工作状态是通过压力抬升唇边（E端）进行排气泄压，当杯盖气压过大或排气孔堵塞时，杯内气压达到安全阈值时，安全阀顶部（F端）打开进行辅助排气。③防堵塞结构。搅打过程中，杯内液体中不断撞击杯盖，杯盖排气孔容易被液体的食物颗粒堵塞，通过设置防护盖，阻挡冲击，防止颗粒堵塞排气阀。

3 总结

针对目前便携式烧水壶存在的问题，本文提出防误操作系统和安全杯盖组件2 种新的技术方案，可以改善用户误操作和透气阀堵塞的情况，与目前传统的方案对比，安全可靠性有大幅提升。这2 种技术方案成本低、安全性高，在市场中都具备较好的推广前景。解决和改善方案当然不局限于本文提到的2 种方案，在后续的研究中，还应继续思考和尝试其他解决方案。