宋红亮
艾纶锐祈清洁设备（上海）有限公司 上海 201611
摘要：近些年来，越来越多的高压清洗机出现在普通家庭里，世面上关于家用高压清洗机的设计书籍较少；本文主要阐述家用型的高压清洗机的主流设计思路和关键点，希望能够对从事或者想了解高压清洗机领域人员能够起到一定的帮助。
关键词：高压清洗机，HPW，温升测试，喷淋测试
前言
高压清洗机（High pressure washer, 简称：HPW）是一种常用的清洁设备，其工作原理是使用泵把水加压，然后利用高压水冲击需要清洁的物品表面，从而达到去污效果（此处高压指的是家用的高压清洗机，其标准一般是指不低于2.5Mpa但不超过35Mpa）。大家经常接触到的就是洗车房里面洗车的机器，其一般为商用的高压清洗机；随着社会的发展，汽车持有量和人工成本呈现逐年上升趋势，家用的高压清洗机顺势走入千家万户。
1. 结构概况
相对于商用机器的钢铁框架外形，家用的高压清洗机外形就非常有亲和力，其典型的内部结构可以参考【图一】，分为两大部分：机壳部分+电机泵部分；本文针对机壳部分来阐述高压清洗机的设计关键点；由于高压清洗机是带水工作的，所以其防水性是必须要考虑的；另外，电机泵在运作的过程中，连续的高负荷工作，电机产生的热量需要尽快的散出去，这就务必要求机器上有足够面积的散热孔来散热。既要防水，又要通风，机壳的设计就是在这两个矛盾的需求中找到平衡，满足设计需求。
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2. 安规要求
国标26135中对于高压清洗机有约束，但是其适用范围为额定输出压力为10Mpa-300Mpa、额定输出功率为15kW-500kW；这个标准适用于工业的高压清洗机。针对输出压力在2.5MPa-12Mpa的家用市场，没有明确的条款来管控，行业里一般使用IEC的标准来进行设计和测试；IEC针对家用型的高压清洗机在防水等级和机器使用过程中电机的温度上升有明确的规定：非手持式的高压清洗机（强电部分非手持）的防水标准为IPX5；整机的温升一般根据电机的绝缘等级来确定，针对AC 220-240V 50/60Hz的机器，为了适配亚太和欧洲的绝大多数地区，温升等级常用F级（115K）；
IPX5,其具体操作大概如下：距离被测物品2.5-3m处，使用水流量在12.5L/Min的特定的喷嘴，连续喷洒至少3分钟。测试完成后，被测设备功能正常，水珠不能出现在带电体表面，机器整体的绝缘强度（耐压）符合设计要求。
温升F级对应的115K，通常使用电阻法进行测试；其原理是检测电机在1.06倍和0.94倍额定电压下，工作到稳定的状态，其电机绕组表面的温度与工作前的温度差，不能大于115。
3. 解决思路
针对高压清洗机的防水和散热特点，我们找到了一个典型的解决思路：在机壳内部形成一个热交换系统，把冷风区域和热风区域隔开，利用电机本身的风叶作为驱动力，源源不断的把热风排出，把冷风吸入，实现高效的热交换。
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如【图二】所示，在机器运行的时候，低压水从C处供给机器，在高压泵的作用下，把低压水转变成高压水，从D处输出，此为水的运行回路；同时，工作环境中的空气，从A处进入机器内部，在电机风叶负压的作用下，空气被吸入电机内部，带走电机绕组产生的热量，然后从B处回到大气中，此为空气的运行回路。
我们可以很明显的注意到，除了用户可以直接接触到的机壳以外，机器内部还有一层机壳，此机壳包裹在电机泵的外侧，此部件我们通常称为电机风罩，电机风罩在此处设计具有三个重要的功能：
3.1防水
我们日常中接触到的水，大多数情况下都不是纯水，因此是优良的导体；而在清洗机这种以水为媒介的工作器具中，防水是必须要考虑的。在电机泵设计层面，串激电机和泵本身链接有双绝缘防护；感应电机有单层绝缘保护加接地保护。在机壳设计层面，如果遭遇下雨环境，机壳外面的的水会通过通风口喷射到机器本身，由于电机风罩的保护，雨水就无法接触到带电体，从而实现电气安全。
3.2隔离
机器在运行过程中，电能一部分转换成机械能，另外一部分转换为热能；热能如果不能及时的散热出去，就会产生危险，最直接的风险就是起火。散热的主要方式，我们是通过在机壳上开散热孔，让机器的热量可以很容易散发出去；但是机器靠自然的热循环效率比较低，这个时候我们就要考虑提高散热的效率。
从图中你可以注意到，电机风罩和机壳内部的筋位进行配合，把机器内部隔离成为两个区域：进风区和出风区；进风区进去的是等同环境温度的冷风；出风区吹出的是带走电机热量的热风，热风在机器内部不能扩散到进风区域，从而最大限度的带走机器内部电机产生的热量，使电机工作在一个合适的工作环境。
3.3支撑
清洗机作为一种清洁工具，肯定要满足日常使用中的设计强度。
电机风罩结合机壳上的螺丝柱和筋位结构，实现固定和保护电机泵的功能，防止在日常使用和运输过程中偶尔发生跌落后，产品性能和电气强度发生变化。
4. 设计要点
4.1 有效的通风面积
首先根据电机的风叶形式判断整机的风循环方向【图三】；电机的风叶一般有两种设计，一种是把热风从电机本身吸出来；另外一种是把外界的空气吹入电机本身。针对一般的中型机器(功率在1600-2100w)来说，进风面积要在4000左右，而出风面积也要在4000左右；进风面积的要求没有出风面积的要求严苛，所以要优先保证出风面积；出风口可以更有效地带走热量（我们做过实验对比，一台1700w功率的机器，进风面积由4000增加到5000，温升只降低2-3K；如果出风面积由4000增加5000，温升可以降低8-10k）。
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另外，计算通风面积的时候，要考虑到实际的产品形状：比如，有没有筋位遮挡，筋位遮挡对通风效率也是有很大影响的；有没有形状影响，不同的机壳外形，开同样的通风孔，其通风面积也是不一致的。
4.2 风道的设计
利用热空气密度小，容易上升的自然规律，我们尽量设计为从下进风，从上出风，防止冷热风的混合。【图四】所示，左侧的通风设计要优于右侧的通风设计。
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很多时候，机器的设计不允许我们从下进风从上出风，我们的进风和出风口尽量错位，水平方向上尽量错位或者位于不同的设计面，尤其对于功率超过2kw的机器，比如进风在侧面，出风在后面；可以有效的防止从出风口吹出的热风升腾后又被进风口吸进去造成热循环的效率降低。
机壳表面的通风口设计，常规有两种方式，横向，纵向；有时为配合整体外形，也会有不规则图形的出现；无论通风口的分布是何种方向，有一点需要特别考虑，就是外界水柱喷射在通风口上的时候，通风口会将水柱导向到那个方向，常规的就是那个位置开孔就往那个方向。我们的目的是让外界水柱通过通风口后，方向改变，喷射到远离带电体零部件的位置；这样才能配合我们的内部电机风罩等，更高效的实现防水。
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机壳通风口设计如【图五】所示，左图通风口为横向分布；在这种情况下，水柱喷射到通风口后，在机壳内部一般会朝向上下两个方向散射。如果此时，机壳内部上下的部分容易触及到带电体，就可以考虑更改设计为竖向（中图），这样，水柱喷射到通风口后，会散射到左右两个方向。很多时候我们也会碰到类似【图五】右图的复核形式的通风口，原理是一致的，我们根据我们最佳的水柱散射方向，在相应的边开孔，把水柱引导到我们需要的方向。
此处需要强调一点：所有抛开成本来讨论结构设计的方式都是不现实的。商业世界中，我们面对市场竞争，成本都是绕不开的话题；用尽量少的成本来实现设计需求是我们追寻的目标。一如本文所述的防水和散热的问题，确实可以通过增加更多零部件，如散热片，防水透风滤网等来实现，这个主要是看产品的定位和成本空间，本文就不再赘述。
结束语
设计不是一蹴而就的，家用高压清洗机的设计，除了本文所述的几个注意点以外，还有很多需要注意的地方，需要不断的进行测试，总结，分析，改进，来不断的提升。希望未来有越来越方便的清洗机走入千家万户，也希望国内的高压清洗机行业有更好的发展，立足中国，走向世界。
参考文献
1.GB/T 26135-2010
2.GB/T 4208-2017
3.IEC60335-1:2010
4.IEC60335-2-79:2016
5.IEC60529:2013
6.成大先 化学工业出版社 《机械设计手册 （第六版）》