蒸微一体机双向水泵的研究

杨 均 姚 青 付远华 王武刚 郑 鑫

（1.宁波方太厨具有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室，浙江 宁波 315336）

0 引言

泵是我国三大机械产品之一，它是以液体为工作介质进行能量转换的通用机械，广泛应用于国民经济的各个领域。不同类型的泵都有其不同的性能特点，以满足不同场景的需要。目前市场上电蒸箱类的产品中使用的水泵基本为单向水泵，一个单向水泵只能将水箱中的水抽至蒸汽发生器中，无法实现将水路系统中的余水回抽至水箱，时间久了水路系统中的余水会腐坏变质，影响烹饪。随着技术的发展，双向水泵的应用日趋广泛，市场上的双向水泵一般用于水缸的供水和抽水，但是水缸上使用的双向水泵不仅噪声大，价格高，而且在吸程、水温、使用寿命、水垢等方面无法满足电蒸箱类产品的使用要求。该文结合这类产品的特点提出一种双向水泵，可达到一个水泵同时满足进水和回水的要求。

1 双向水泵系统的组成

在蒸微一体机中，双向水泵系统的主要作用是将水箱中的水供给到蒸汽发生器中，由蒸汽发生器产生蒸汽进行烹饪，并在烹饪结束后将蒸汽发生器、储水盒中残留的水抽回水箱，整个过程如图1所示。

图1 蒸微一体机水路系统

供水过程：用户往水箱中装满水，并放入水箱座中，水箱座的侧壁安装有水位检测板，可以检测水箱中的水位是否低于最低水位。然后点击机器控制面板开启烹饪，电磁阀通电，阀芯打开，双向水泵开始工作，水箱中的水被依次抽到双向水泵、电磁阀、储水盒、蒸汽发生器。当蒸微一体机烹饪结束，为了防止剩余的水在水路系统中腐坏变质，需要将残留水回抽至水箱。

回水过程：蒸汽发生器停止工作，电磁阀打开，双向水泵开始工作，水从蒸汽发生器中依次经过储水盒、双向水泵、电磁阀回收至水箱。

2 双向水泵的工作原理

双向水泵通过两个齿轮啮合过程中轮齿之间的空腔容积的动态变化实现吸水和出水功能。以齿轮外啮合为例，齿轮在啮合过程中，即将啮合的轮齿形成的空腔的容积减小，形成出水腔；退出啮合的轮齿形成的空腔的容积增大，形成吸水腔。轮齿在不断外啮合的过程中，水源源不断地由吸水腔流动到出水腔，形成水流，完成水的输送。改变齿轮外啮合的转向，前述的吸水腔的轮齿由退出啮合状态变为即将啮合状态，形成出水腔。同理，前述的出水腔变为吸水腔，水箱水流即反向输送。因此，双向水泵中的主动齿轮和从动齿轮互相外啮合，水泵电机工作时，主动轮带动从动轮高速旋转，此时水流输送的方向为进水方向；当要回水时，改变电流的方向，电机反向转动，主动轮即反向旋转，带动从动轮反向旋转，此时水流输送的方向为回水方向。

由于该双向水泵将用于家庭用蒸微一体机，因此根据整机的结构布局以及相关使用场景，该双向水泵需要满足以下条件：

扬程≥250mm； 吸程≥200mm；流量450mL/min；使用温度5℃～80℃；噪声≤50dB；寿命≥500h。

3 双向水泵的结构

如图2、图3所示，该双向水泵由12V直流电机驱动，直流电机输出轴上安装有主动磁轮，由图4可知，主动齿轮上有4个圆形孔，圆形孔上安装有4个磁铁，主动磁轮上磁铁的N极朝上，与之对应的从动磁轮上的4个磁铁的S极朝下。主动磁轮通过磁铁间的吸力带动从动磁轮同向旋转，为了保证密封效果，齿轮支架固定在双向水泵上部，在主动齿轮和带动主动齿轮的输出轴支架上安装有密封圈，将传动机构和储水区域完全隔绝，保证了水泵的密封性能。该文中的双向水泵适用于家用电蒸箱、蒸微一体机等烹饪器具，对吸程、流量、噪声等参数有一定的要求。由于双向水泵的吸程、扬程和传动齿轮的大小、电机的转速、进出水口直径等相关，为满足家用电蒸箱、蒸微一体机的使用要求，直流电机采用12V直流驱动，启动电压6V，同时初始转向时的引线以红色正极、黑色负极进行区分。双向水泵外形不宜过大，进出水口的内径设计为2mm，为保证较好的输水效果，进水口和出水口位于一条直线上。主动齿轮和从动齿轮的大小和轮齿数量一致，轮齿数量设计为12个，模数为0.65mm，可使整水泵的整体尺寸和噪声较小，同时直流电机的转速设计为4000r/min，主动齿轮、从动齿轮可保证双向水泵整体尺寸不大的基础上，保持足够的流量。

图2 双向泵爆炸图

图3 双向泵剖视图

图4 双向泵主动磁轮和从动磁轮

双向水泵安装在家用电蒸箱、蒸微一体机上时，通过电源板输出12V直流电，接入双向水泵引出线，直流电机开始工作，直流电机的输出轴开始转动，输出轴与主动磁轮的中心孔为过盈配合，带动主动磁轮转动，进而带动从动磁轮开始转动。从动磁轮中心轴连接上方的主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮转动，实现将水从水箱吸入蒸汽发生器中；反之，当电源板切换12V直流电的方向时，主动齿轮和从动齿轮均反向转动，实现将水从蒸汽发生器吸入水箱，防止蒸汽发生器中残余水变质，保证水路系统的清洁。

4 双向泵的主要特点

普通的双向水泵基本是通过电机输出轴直接带动齿轮转动实现双向进出水，但是该结构容易造成水漏进电机而失效。该双向水泵电机并不直接带动齿轮，而是通过电机带动主动磁轮、主动磁轮带动从动磁轮转动从动磁轮带动齿轮转动来实现进出水的，主动磁轮腔体与从动磁轮腔体完全隔开，从而完全避免了电机漏水的问题。主动磁轮上的4个圆柱形的磁铁与从动磁轮上的1个圆柱形磁铁形成互相吸引的磁场，从而实现由主动磁轮转动带动从动磁轮转动。

由于该双向泵在家庭电蒸箱上使用，因此从顾客使用舒适度的角度来考虑，噪声必须要低。然而市场上大部分双向泵的噪声较高，其主要原因是其齿轮使用了金属不锈钢材质，相互啮合时金属与金属碰撞就会产生较大的噪声，并且转速越高、噪声越大。该文双向泵齿轮控制噪声的措施主要有如下几点。1）主动齿轮、从动齿轮、密封盖均为塑料PPS材质，相比金属与金属之间的碰撞，塑料材质之间的碰撞产生的噪声会低很多。2）主动齿轮、从动齿轮、密封盖采用精密模具制作，主动齿轮与从动齿轮之间、齿轮与密封盖之间的配合间隙公差控制在0.05mm以内，从而只需要较低转速即可满足水泵吸程和扬程的要求，转速低，噪声也就相应较低。3）如图1所示，在水箱座侧面设置有水位检测板，当水箱中的水低于最低水位时，蒸微一体机显示屏上会提示顾客“请加水”，从而避免双向水泵空抽，而一般水泵空抽时的噪声会比正常抽水时的噪声要大。

由于齿轮以及密封盖均由PPS塑胶制作，具有良好的耐磨性，保证了该双向水泵500h以上的使用寿命；，其具有良好的耐温性，保证了该双向水泵5℃～80℃的使用环境；具有良好的尺寸精度和稳定性，保证了该双向水泵的吸程和扬程能够满足要求。

5 试验验证双向水泵的可靠性

结合双向水泵在蒸微一体机中的应用场景，需考虑水垢、油污、高温以及低温对其的影响，同时在满足功能的基础上需考虑用户实际体验感，因此需测量水泵在实际工作过程中的噪声大小。

5.1 试验一（水垢试验）

试验步骤如下。1） 取双向水泵3只，测量双向水泵的流量大小并记录（在设计高度下测量）。2） 搭建测试系统（水泵工作设计：供水8s，回水8s）。3） 水路回路中加入“水垢”。4） 通电，直到双向水泵工作≥163h。5） 测量双向水泵的流量，对比前后流量，无明显差异，为合格。

试验数据见表1。

表1 双向泵水垢试验前后流量对比

试验分析：通过试验测量数据可以看出，试验前后水泵的流量基本没有发生变化。水泵存在以下三种情况：1） 双向水泵里没有水垢形成。2） 双向水泵里有水垢产生，但产生的水垢积累到一定程度后，经过后续的供给水，水垢会被排出，水流量又恢复原先水平。3） 双向水泵里有水垢产生，但产生的水垢在要求的时间内对水泵流量没有影响。

试验结论：在规定的时间内，水垢对双向水泵的流量并无较大影响，双泵能满足相关要求。

5.2 试验二（油污试验）

试验步骤如下。1） 取双向水泵3只，测量双向水泵的流量大小并记录（在设计高度下测量）。2） 搭建测试系统（水泵工作设计：供水8s，回水8s）。3） 水路回路中加入“动物油”。4） 通电，直到双向水泵工作≥163h。5） 测量双向水泵的流量，对比前后流量，无明显差异，为合格。

试验数据见表2。

表2 双向泵油污试验前后流量对比

试验分析：从3只水泵试验前后流量的对比可以看出，油污对水泵流量产生了一定的影响，但影响不大，双向水泵能满足功能要求。

试验结论：在规定的时间内，油污对双向水泵的流量无较大影响，双向水泵能满足相关要求。

5.3 试验三（高温老化试验）

试验步骤如下。1） 取双向水泵12只，分别检测双向水泵的流量（在设计高度下测量）。2） 搭建测试平台。3） 供水 20s，停10s；回水20s，停10s（供回水都为80℃）。4） 163h后，测量双向水泵的流量，对比前后流量，无明显差异，为合格。试验数据见表3。

表3 双向泵高温老化试验前后流量对比

试验分析：从12只水泵试验前后流量的对比可以看出，高温对水泵流量基本没有影响。

试验结论：12个水泵测试前后流量无差异，水泵耐高温80℃。

5.4 试验四（低温老化试验）

试验步骤如下。1） 取双向水泵12只，分别检测双向水泵的流量（在设计高度下测量）。2） 搭建测试平台。3） 供水 20s，停10s；回水20s，停10s（供回水都为5℃）。4） 163h后，测量双向水泵的流量，对比前后流量，无明显差异，为合格。

试验数据见表4。

表4 双向泵高温老化试验前后流量对比

试验分析：从12只水泵实验前后流量的对比可以看出，低温对水泵流量基本没有影响。

试验结论：12个水泵测试前后流量无差异，水泵耐低温5℃。

5.5 试验五（噪声试验）

试验步骤如下。1） 双向水泵3只，分别检测双向水泵的空抽和正常抽水时的噪声。2） 在静音室搭建测试平台，噪声探头距离水泵30cm。3） 空抽3min之后再正常抽水3min，检测过程中的最大噪声值，要求≤55dB为合格。

试验数据见表5。

表5 双向泵噪声试验前后噪声大小对比

试验分析：3只水泵空抽时的噪声均比正常抽水时噪声大，但都满足≤55dB的要求。

试验结论：水泵不同工况下（空抽、正常抽水）的噪声均满足相关要求。

6 结论

该文通过主动磁轮和从动磁轮的磁铁将双向水泵的电机部分和进出水齿轮部分分开，杜绝了电机部分进水的可能。经过水垢试验、油污试验、高低温老化试验验证了该双向水泵的可靠性。该双向水泵应用于蒸微一体机，不但可降低产品的成本，还可满足该产品水路系统对进水、回水以及噪声的要求。