基本信息
- 项目名称：
- 立式饮水机的人机学评析与改进设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 运用人机工程学的相关知识对市场上的立式饮水机进行剖析，根据分析的结果和思路进行产品的人性化再设计；作品科学合理地提出了立式饮水机的改进设计和结构设想，创新性地提出了饮水机水桶倒置下置式结构以及构建了一整套合理的解决方案；如运用气压制动技术解决饮水机的供水问题等，还阐明了如何应用电子感应和控制技术。
- 详细介绍：
- 一：运用人机工程学的相关知识对市场上的立式饮水机进行剖析，根据分析的结果和思路进行产品的人性化再设计；通过人—机—环境之间的关系分析，利用理性思维方式，明确产品定位与设计本质，将人机工程学的诉求融进立式饮水机产品的创新设计过程中，体现“设计以人为本”的理念。使产品不仅体现物质功能，更关注人的精神需求，注重产品给人生理、心理方面的感受，让产品达致安全环保、美观舒适的系统优化。 二：本作品创新点在于针对市场现有立式饮水机产品的不足进行了整合性的再设计和结构改进方案，有效解决了现有饮水机存在的人机不协调等问题；并且创新性地提出了饮水机水桶倒置下置式结构并构建出了一整套便利节能的饮水机供水自动化处理系统，而这是基于现阶段市场上立式饮水机形式和功能难以有所改观的症结来进行设计探索的。 其一，本作品设计方案从根本上解决了传统立式饮水机整体高度过高导致换水难和出水口高度过低给使用者带来不便的难题，同时巧妙地解决了因饮用水下置所产生的一系列结构性难题。同时，该项技术的应用将为解决饮水机二次污染问题提供合理的途径和条件，将从水流、气流运动媒介以及通道上切断与污染源的接触，最大限度避免饮用水的二次污染。 其二，饮水机水桶倒置下置式结构的设计是对传统立式饮水机造型的一次革新，为饮水机外观设计和品牌形象规划提供了基础性条件，能够为传统饮水机产业带来新的设计价值和消费人群。因为设计方案将饮水机整体规划成“人机接触”和“运行系统”两大部分（也可以归结为饮水机外壳和内部结构两个部分），消费者可以在保持内部结构不便的前提下选择多种个性化的外观设计产品，满足不同消费者的审美需求。 三：设计产品技术关键在于解决桶装水倒置下置式结构的问题，设计中应用了市场上比较成熟的气压传动技术，而在控制饮用水的制动方面应用了相对合理的电子感应和电路控制系统，智能化的控制系统将会大大减少饮水机能源的消耗。而在进行饮水机结构自动化设计改进阶段,应用了斜面、承重轮和胶垫密封座等环保可行的结构设计。这样的设计方案在解决传统立式饮水机存在问题的同时，大大降低了设计方案生产实践所需的生产成本。 四：技术指标： 外观方面，改进设计的饮水机未开启状态时的高为1230mm，开启使用时可向上升高200mm；取水高度则为1050mm，最高高度达1430mm。相对于传统饮水机取水高度仅为570mm，饮水机基座高度达940mm，改进设计的立式饮水机高度可以保证绝大多数使用者能在不弯腰的情况下取用饮用水。 功率方面，该饮用水在结构和功能上与其他饮水机最大的区别在于其气压传动技术。因此，饮水机制动部分的功率便是改进设计产品与传统产品相比较所多消耗的功率。可简单计算评估，如下： 标准桶装水容量是18.9L，折合18.9kg；饮水机中，桶身中点离地高度为0.35m，而饮水机压水最高点是1.43m。则饮水机需外力做功：18.9*（1.43-0.35）*10=204.12焦耳。 一度电为一千瓦时，即3600000焦耳，这就表明消耗一度电可以输送3600000/204.12=17636.6桶水到饮水机指定位置。而民用的电费约为0.61元每度电(广州)，所以在理想状态下，17636.6桶饮用水的边际成本是0.61元。当然在现实情况下电机和气泵运作会产生热能的损耗，但这组理想状态转换的数据可以说明：即使在热能损耗极大的情况下，一千瓦时的电仍然能提升大量的水。 再以实际测量数据进行分析，因为目前市场上已经有发展比较成熟的氧气泵。而下面将引用“佳宝JEBO氧气泵”数据，这是市面上具有代表性的微型气泵，具体数据如下： 佳宝JEBO氧气泵 型号：108 电压：220V/240V 频率：50Hz/60Hz 功率：1.2W 排气量：1.5L/min 尺寸：87.5X53X38.5MM 根据该气泵的数据计算，该气泵在相对理想的情况下可以用一千瓦时提升3968桶水，减掉气泵的热能损耗，该气泵可以用一千瓦时的电提升2500至3000桶水（相当于一个家庭25年的饮用水量，按一家三天一桶来计算）。 另一方面，根据市场调研数据显示，市场上氧气泵的官方报价为20-30元人民币，这类型的压气泵如果进行规模生产，一个气泵成本在10元左右。可见水泵类的结构产品生产成本较低。 然而根据调查分析市场上具有代表性的饮水机，其制热功率约为1500W-1800W左右，制冷功率约为75W左右。由此可知，饮水机冷热功率消耗是极大的，相比之下气泵功率占总功率的比例就会很小，但这并不意味着我们可以忽略这一部分能源消耗，而是会考虑在制冷和制热系统这一能源消耗过大的板块上降低饮水机的总功率，以达到节能环保的目的。 本作品设计的技术关键包括：饮水机下门支架的从动轮、饮水机下部斜面转轴、环状过渡性接口，双层胶垫设计、单孔双管的气液管道设计等。 设计构想将水桶下置于饮水机下门支架上并且保持出水口向下，将下门支架推入饮水机水桶中，该支架上的从动支撑轮便与饮水机斜面支架接触并将斜面转轴板顶置到合适的位置，水桶随着支架的运动经过斜面转轴板上的过渡性接口滑入位于过渡性接口中间的双环胶垫中。 水桶接口与双环胶垫中央的接口结合，水桶接口的橡胶塞被捅开，由于水桶自身和斜面转轴板给水桶以力的作用（即使水桶中水被用光了），水桶下部的力量能保证胶垫和水桶接口的密闭状态。 传统的气动技术固然可以将饮水机下置桶中的水压入上层结构，但是问题在于传统的气泵能耗大且不卫生，在使用过程中不能保证饮用水的卫生。另一方面传统的单向阀门是利用工业用油的封闭性来控制气流的方向的，而工业产品直接应用到生活类产品中是极其不健康亦不安全的。于是本团队根据工业气动机械原理设计了一套可用于饮水机的气压传动系统。 此次在这方面设计的技术关键包括：整合式气压泵，橡胶单向阀，电子感应及控制元件等。 这一系列的技术组件能够保证饮水机将水安全环保地压入饮水机上层。整合式气压泵是饮水机的心脏，是饮水机中水流的动力所在。它由玻璃汽缸、单向阀气口和电驱动活塞三部分组成，这种气泵的结构与市场上常见的气泵最大的差异性在于本项目中整合式汽缸是可以拆洗的，与空气直接作用的玻璃汽缸和电驱动活塞都可以定期拆洗，这样就大大降低了饮用水被空气污染的可能。而橡胶单向阀是利用水的流体压强原理和橡胶吸盘制作而成的轻型单向阀，这种单向阀不仅安全，而且也可以定期拆洗和更换，其作用是为了阻止管道中残余水在气泵停止工作的时候逆流。 该组技术另一大创新亮点在于电子感应和控制元件的使用，这套技术的使用可以控制气泵在运用时按实际需要进行操作，也可以控制饮水机在需求时进行制冷和加热。系统的应用可以大大节约饮水机的能耗，相比于现有的立式传统饮水机更加节能环保。 液气传动技术始于二十世纪初，但是这种技术最初是用于船舶等重工业领域，适合大功率，高转速的机械结构。这种技术具有很好的自适应能力，可以不间断地加于利用来驱动装置，也可以增加系统的稳定性。但是令人遗憾的是这种技术仍然没有很好地普及到轻工业产品中。究其原因，一是应用成本相对会比较高(如机械液压臂、千斤顶等)；二是大部分轻工业产品多是与人体直接作用的，而传统的液压气动技术本身就带着这样或那样不环保的因素（噪音、油污等等）；三是很多产品根本应用不了这类技术的核心——制动。但是本作品很好地规避了以上气动技术的薄弱环节，将气压制动技术科学合理地结合到设计作品之中，环保、节能并且健康。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一：运用人机工程学的相关知识对市场上的立式饮水机进行剖析，将人机工程学的诉求融进立式饮水机产品的创新设计过程中，让产品达致安全环保、美观舒适的系统优化。 二：本作品创新点在于针对市场现有立式饮水机产品的不足进行了整合性的再设计和结构改进方案，并且创新性地提出了饮水机水桶倒置下置式结构并构建出了一整套便利节能的饮水机供水自动化处理系统。 三：外观技术指标，改进设计的饮水机未开启状态时的高为1230mm，开启使用时可向上升高200mm；取水高度则为1050mm，最高高度达1430mm。
科学性、先进性
- 和市场上传统的立式饮水机产品相比较，本作品创造性地将气压传动技术引入饮水机供水处理系统中，并且巧妙地结合饮水机水桶下置的物理结构特性完成饮水机、储水桶的一体化设计。本次设计探索从细节入手，从结构和使用流程上解决了水桶下置所带来的一系列难题。 本作品设计的技术关键包括：饮水机下门支架的从动轮、饮水机下部斜面转轴、环状过渡性接口，双层胶垫设计、单孔双管的气液管道设计等。
获奖情况及鉴定结果
- 课题作品“立式饮水机的人机学评析与改进设计”于2011年3月在中山大学工学院现代设计技术中心进行了改进设计的饮水机的结构论证和工程可行性论证，初步鉴定整体设计结构科学合理可行。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 允许出口或国内转让
作品可展示的形式
- 模型、图纸、磁盘、现场演示、图片、视频录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 作品科学合理地提出了立式饮水机的改进设计和结构设想，创新性地提出了饮水机水桶倒置下置式结构以及构建了一整套合理的解决方案；如运用气压制动技术解决饮水机的供水问题等，还阐明了如何应用电子感应和控制技术。 推广前景的技术说明： 该作品与市场上传统的饮水机最直观的差异便是饮水机的外观造型和人机尺寸，而这也是本作品的核心竞争力。 市场分析和经济效益预测： 本作品是针对立式饮水机而设计的，因为在现阶段，冷热型的饮水机立式占90.4%，台式9.5%；单冷型饮水机立式占据全部份额；单热型饮水机立式占74.2%，台式占25.8%；电子制冷型的饮水机立式占88.2%，台式占11.8%。总体来说，在各类型的饮水机中，以立式产品为主，超过了86%的市场份额。由此可见在现有的饮水机市场中立式饮水机占了极高的市场份额，本作品是有巨大的应用前景和能够产生巨大的经济与社会效益的。
同类课题研究水平概述
- 从1994年初，珠海永隆加林饮水机有限公司在我国生产销售第一台饮水机以来，我国饮水机市场规模迅速膨胀。在2008年之前，饮水机在市场上流通有10多年了，但执行的行业标准是1999年开始实行的，家电产业观察家刘步尘认为饮水机行业缺乏一个适应市场健康要求的标准。 2007年4月，冷热饮水机的新行业标准GB/T22090-2008开始由相关部门和企业进行起草，并于2008年10月份正式出台，2009年5月1号正式实施。 “二次污染”是困扰饮水机产业的另一个难题。参与制定饮水机国家标准的国内权威技术专家、宁波博强电器有限公司总工程师管锦春告诉记者：“饮水机的‘二次污染’问题，国内企业包括美的、沁园、安吉尔在内，还没有有效的技术解决方案，这是饮水机行业面临的主要障碍。” 目前市场上针对“二次污染”的解决办法，主要是臭氧消毒、饮水机内胆改用抑菌的铜材料，以及加装净水器等，但是各有利弊，很难达到理想效果。沁园集团全球首创“无热胆节能速热型饮水机”，该饮水机采用了独特的快速加热系统，取消了传统饮水机的热胆结构。 所以，国内主要的结构和技术应用改进都是基于传统立式饮水机聪明座结构的，没有考虑到聪明座结构本身容易藏污纳垢，从而导致产生二次污染，滋生细菌。因为即使完全合格的桶装水在饮水机上使用时，灰尘细菌等依然会进入饮水机聪明座内部并在贮水箱及冷水管道内壁孳生繁殖，而大部分饮水机的贮水箱温度在30摄氏度左右，是培养细菌的温床，20分钟左右就能繁殖一代；继续使用聪明座结构而改进内胆等的技术也没能解决换用桶装水时的耗力问题。 已申请专利，专利号为：ZL002422654的水瓶下置式新型饮水机，其提出将水瓶下置于饮水机底部，以解决立式饮水机换水操作不便和耗力的问题。但这个专利只是提出了局部的结构改变，并没有对立式饮水机进行整体的再设计和提出与改进相适应的内部结构，使得立式饮水机出水口等地方的二次污染依然存在，而且该专利提出的下置式改进又新增了换插管操作不便和易污染的问题。因此，并没有进行完善的该进。 于是我们提出了符合人机工程学原理的立式饮水机整体再设计，抛弃原有的聪明座结构，提出水瓶倒置下放于饮水机底部，并提出适用于该结构改变的内部换水装置结构和动力操作系统，并将饮水机上部空间设计为相对封闭状态，尽量减少灰尘和空气悬浮颗粒物的污染，保证饮用水的卫生健康和安全使用。
