一種基于新風的智能洗干系統研究

徐靜 左翼 熊明 周存玲 蔣黎 付玉葉

無錫小天鵝電器有限公司 江蘇無錫 214028

0 引言

洗干一體機是一臺能同時滿足用戶洗滌和烘干需求的家用電器，可以節省用戶采購成本以及使用空間。根據市場調研報告顯示，洗衣機產品發展由最開始的波輪式雙桶洗衣機轉向波輪式全自動洗衣機，而后發展為滾筒式全自動洗衣機，如今升級為滾筒式洗衣干衣一體機，亦稱洗干一體機。從市場份額來看，滾筒洗衣機成為了洗衣機市場的主力軍，同時隨著用戶在“干衣”上的需求愈演愈烈，洗干一體機成為滾筒洗衣機的主要上升動力。而目前現有的洗烘一體機用戶的主要痛點集中在洗烘效果不好、洗烘時間長和洗烘后衣物有異味三個方面。

從烘干冷凝方式來看市場上的洗干一體機的烘干系統主要包括水冷式烘干系統和熱泵式烘干系統。其中水冷式烘干系統采用自來水作為冷卻介質，烘干過程中需要消耗大量的水，造成水資源的浪費。熱泵式烘干系統是通過壓縮機等設備進行冷凝，雖然其冷凝效率較高，但該系統的結構復雜并且成本較高[1-2]。從控制方式來看，目前市場上大多數為自動控制的干衣機，其常見的算法有接觸電阻法、空氣濕度法、近紅外光譜法、微波法、溫度法等[3-4]。

因此本文研究了一種帶新風的智能烘干系統，從烘干原理入手，通過分析系統的阻力對烘冷結構進行優化，提升系統風量，提高烘干效率。引入MEMS溫濕度傳感器對系統實時溫度濕度監控，通過風門機構實現對系統溫度濕度的閉環控制，達到精準控制烘干系統的溫度濕度，提升系統的烘干溫度范圍，提高負載的判干精度。該系統滿足用戶快速、節能、低溫、健康的需求，實現真正意義上的衣干即停，并且能夠完成高檔衣物的烘干與呵護，使得洗干一體機的性能與體驗有明顯的突破。并且該系統不使用冷凝水進行冷卻，能夠實現無水烘干，為社會綠色環保作出巨大貢獻。

1 基于新風的烘干系統

1.1 水冷式烘干系統

水冷式烘干系統的冷凝烘干原理如圖1所示。風扇驅動筒內的空氣形成內循環，加熱管將空氣加熱成干燥熱空氣，進入滾筒內與潮濕的衣物進行熱交換，衣物中的水分蒸發為水蒸氣與空氣混合形成濕熱空氣，緊接著濕熱空氣進入冷凝器，與冷凝器中的冷卻水交換熱量，將濕熱空氣中水蒸氣冷凝成水，然后經排水管道排出，濕熱空氣被冷凝后又變為相對干燥的冷空氣，經風扇驅動再次進入加熱管，完成一個空氣循環。由此可見，冷凝器的效率決定了烘干系統的效率，并且冷凝介質也是自來水，可能會為系統帶來額外的水汽，降低烘干效率，因此水冷式烘干效率一般較低。

圖1 冷凝式烘干系統

1.2 基于新風的烘干系統烘干原理

新風技術即在傳統的烘干系統基礎上引入新風，通過烘干系統內外循環的切換達到高效環保的烘干效果。對于烘干系統來說，烘干速度可按公式（1）計算，其中，V為烘干速度，C為水的比熱容，Q為吸收的熱量，ΔT為溫度變化，Δt為單位時間，η為除濕效率。在洗衣機筒容積以及加熱器不變的情況下，單位時間內吸收的熱量、溫度變化是一致的，因此烘干速度與除濕效率為正比。

對于烘干系統來說除濕效率如公式（2）所示，其中，W2為進風口濕度，W1為出風口濕度，ma為風量值。在風量保持一致的前提下，除濕效率只與進出風口濕度差成正比。對于本文提出的新風系統來說，W1為零，能夠大幅度提高除濕效率。

1.3 基于新風的烘干系統設計

為了把新風技術引入烘干系統中，設計了一個全新的風門機構，該機構可以完成烘干系統內外循環的切換。當風門關閉時，在風扇的作用下把內筒中低溫空氣通過加熱器循環加熱，形成內循環（如圖2中虛線路徑所示），提升蒸發效率。當風門打開時，在風扇的作用下把系統外的低溫新風通過風道引入內筒中，把內筒中的濕熱空氣從出風口帶走，達到烘干目的（如圖2中實線路徑所示）。

圖2 帶新風烘干系統內外循環示意圖

風門機構的引入使得原烘干系統可以在內外循環中自由切換，通過控制風門機構的動作可以調節系統中蒸發和除濕的速率，并利用出風口處溫濕度傳感器實時監測筒內溫濕度。通過風門機構實現不同的烘干模式，使得烘干模式有了更好的適用性，能夠滿足用戶快速、節能、低溫等差異化烘干需求。

1.4 烘干系統阻力對比

在傳統的水冷烘干系統中決定烘干效率的是冷凝器效率，其影響因子為系統整體風量、冷凝器換熱面積、水汽混合程度。為了提升冷凝器的效率，水冷烘干的系統阻力主要集中在冷凝器中，造成系統風量的損失。而本文所研究的基于新風的烘干系統由于烘干機理不同，重新設計系統結構后，系統阻力將大大減少，兩種系統能耗損失圖如圖3所示，基于新風的烘干系統的阻力可以相較于傳統水冷烘干系統下降45%。利用風量測試臺對兩種系統進行整機風量測試，傳統水冷烘干系統整機風量為50 CMH，而基于新風的烘干系統整機風量為75 CMH，系統風量提升50%。

圖3 基于新風的烘干系統與水冷烘干系統能耗損失圖

1.5 智能烘干控制

MEMS溫濕度傳感器通過檢測空氣中水分子引起的電容值變化來感知當前空氣中的濕度。如圖4所示，這種三明治電容式濕度傳感器的上電極由透氣電極Au/Cr構成，下電極PI作為敏感材料，重摻雜硅作為襯底。當空氣中的水分透過電容板擴散到敏感介質中時，隨著敏感介質中水分子含量的變化，電容的介電常數也會隨著變化，因此電容值也會變化。而傳感器中的信號處理電路能夠根據電容值變化計算出當前空氣的相對濕度值，如圖4所示。

圖4 電容式濕度傳感器結構及MEMS溫濕度傳感器內部架構

由于洗衣機所處的環境比較復雜，為了驗證傳感器在不同溫度濕度環境下的穩定性，選取5個溫濕度傳感器置于環境箱中，將環境箱溫度設定為25℃、50℃、75℃三個溫度條件，并且相對濕度從25%升高至80%，以驗證溫濕度傳感器在極端溫度和濕度條件下傳感器的一致性以及穩定性，其實驗結果如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器在極端環境下的驗證

濕度傳感器安裝在出風口，當風門開啟時，筒內高溫高濕氣體經過排風口排出，如圖6、圖7所示。

圖6 通過溫濕度傳感器監控筒內濕度原理

圖7 溫濕度傳感器監控出風口溫度濕度仿真圖

濕度傳感器感知排出氣體的濕度值和溫度值，當濕度降低到一定閾值并且溫度上升到一定閾值時，即可認為筒內衣物已不存在水分，即衣物已經烘干?？梢詫崿F真正意義的衣干即停，在衣物烘干時即停止烘干，在保證衣物烘干的同時，呵護衣物。為了驗證該系統在不同材質、不同負載量下的烘干效果，選取GB/T 23118-2008《家用和類似用途滾筒式洗衣干衣機技術要求》[5]中規定的標準負載進行烘干后含水率測試，其中混合負載為50%棉負載和50%的混合負載混合而成。分別選取1 kg、3 kg、5 kg和7 kg的純棉、化纖、混合三種材質負載進行自動烘干測試，其中負載烘干前含水率為60%。測試結果如圖8所示，當機器停止運行時，衣物含水率均控制在3%以內，能夠達到精準判干的要求。

圖8 不同負載類型和負載重量下的烘干結果匯總

當傳感器感知到筒內溫度過高時，通過風門電機打開風門，切換為外循環模式，高速風機吸入外部干冷空氣與筒內濕熱空氣混合，并將內筒的高溫高濕空氣通過排氣口排出，迅速降低筒溫。當傳感器感知到筒內溫度過低時，通過風門電機關閉風門，變更為內循環模式，減少熱量排出，筒內熱風自循環，提升筒溫。因此該系統能夠更快速響應溫度變化，風門開關對筒內溫度變化影響如圖9所示。綜上所述，該系統可以在提升衣物烘干速率的同時實現精準控制筒內溫度。由于不同材質的織物對烘干溫度的耐受性是不一樣的[6-7]，為了滿足用戶不同烘干場景的需求，通過采集系統中三處NTC的溫度以及出風口處溫濕度傳感器的溫度值，對負載上的溫度進行閉環智能控制。在確保烘干的前提下，負載上的烘干溫度范圍可以達到30℃～80℃，能夠滿足各類高端衣物以及高溫殺菌等 運用場景的需求。

圖9 風門開關與筒內溫度關系

3 實驗分析

為了驗證基于新風的智能洗干系統的烘干效果，使用GB/T 23118-2008《家用和類似用途滾筒式洗衣干衣機技術要求》[5]中規定的標準棉負載進行測試，具體實驗條件如下：

（1）在整個實驗過程中，實驗室的環境溫度應該保持在（23±2）℃，環境濕度應該保持（55±5）%條件下；

（2）測試電壓應該滿足電壓220 V（1±2%）、頻率50 Hz（1±1%）的要求；

（3）進行5次有效的干衣周期測試，各測試項目的測試結果為全部有效的干衣周期的算術平均值。滾筒式干衣機的干衣周期實驗按照GB/T 20292-2006《家用滾筒干衣機性能測試方法》[8]的第9章進行，對實驗結果的評估與計算按照該標準中的第10章進行。

按照上述實驗方法，為對比水冷烘干系統和基于新風的烘干系統的效果差異，兩個系統均以10 kg為例，并進行5次烘干測試，其算術平均值如表1所示。

表1 水冷烘干系統與基于新風的智能烘干系統對比

綜上所示，基于新風的洗干系統烘干速率較水冷系統提升70%，單次烘干節水70 L，以每周進行干衣兩次的頻率來測算，每年每個家庭可以節水7280 L。該技術能夠為環保節水作出貢獻。

4 總結

本文研究了一種基于新風的智能洗干系統，該系統在傳統的烘干系統中引入了新風并進行系統結構設計，大大降低了烘干系統的系統阻力，提升系統風量。通過智能系統進行精準溫濕度控制，烘干溫度范圍可以達到30℃～80℃，滿足用戶不同烘干溫度的需求。結合溫濕度傳感器實時監控系統內部情況，利用風門閉環精準控制溫度，實現智能烘干，達到衣干即停的效果，提升用戶體驗。該系統與傳統的水冷烘干系統相比，不但其烘干效率提升70%，并且烘干過程中不需要水作為冷凝介質，大大節省了干衣過程的用水量，為綠色環保作出了貢獻。