一种向空气释放物质的感应加热器

文档序号:1957282 发布日期:2021-12-10 浏览:16次 >En<

阅读说明:本技术 一种向空气释放物质的感应加热器 (Induction heater for releasing substance to air ) 是由 田镇源 叶静 于 2021-09-01 设计创作,主要内容包括:一种向空气释放物质的感应加热器,属于生活用品领域。其发热体有金属定位托盘、金属复合纸质吸附片、混合金属粉末纸质吸附片、粉末冶金铁基吸附片。发热体置于高频交变磁场中,感生涡流而发热。适用于驱蚊、薰香、蒸醋等。通过间断发送脉冲驱动讯号至逆变电路开关器件控制极来使感应加热器间歇工作,调整PWM信号的脉冲占空比来控制发热功率。优点有:节能,可以使用USB端口低压供电,便携,节省耗材,发热散热快,发热可控,容易得到间歇和阵发的向空气散发物质的效果。(An induction heater for releasing substances to air belongs to the field of articles for daily use. The heating body comprises a metal positioning tray, a metal composite paper adsorption sheet, a mixed metal powder paper adsorption sheet and a powder metallurgy iron-based adsorption sheet. The heating element is arranged in a high-frequency alternating magnetic field, and induces eddy current to generate heat. It is suitable for repelling mosquito, fumigating incense, steaming vinegar, etc. The induction heater is enabled to work intermittently by sending pulse driving signals to the control electrode of the inverter circuit switching device intermittently, and the pulse duty ratio of the PWM signals is adjusted to control the heating power. Has the advantages that: the energy-saving USB port low-voltage power supply device is energy-saving, portable, capable of saving consumables, fast in heating and heat dissipation, controllable in heating and capable of easily obtaining the effect of intermittent and burst emission of substances to air.)

一种向空气释放物质的感应加热器

技术领域

本发明属于生活用品领域,具体涉及一种向空气释放物质的感应加热器。

背景技术

本发明所述的“向空气释放物质”,其物质是指驱蚊剂、清新剂、醋、薰香等,还可以是这些物质的组合或混合物,这些物质可以是固体、液体、凝胶,被加热时,会挥发、升华向空气中扩散,得到我们所需要的效果。目前,广泛使用加热这类物质的是电加热器。用于驱蚊剂的,称之为电热蚊香加热器;用于其它的,一般称之为电热香薰器。

这两种电加热器,现在都是利用电热丝或PTC来发热,发出的热量先传到金属导热板,再传给驱蚊剂、清新剂等。因此,都有效率低、功耗大、一般只能用220V市电供电的问题。所以中国专利CN208692153U提出了《一种利用高频电磁加热蚊香液的加热器》来解决这些不足。

这两种电加热器的另一个缺点是输出功率固定,因而不能控制物质释放浓度。输出功率较低时,气体浓度达不到要求;输出功率较高时,气体浓度会让人觉得不适,对薰香、清新剂、驱蚊液等耗材的消耗也增加,缩短使用时间。所以中国专利CN102595663A公开了《一种功率可调的用于加热挥发物质的电加热器》,以期挥发浓度可适度调节。

第三个缺点是连续不停地加热,发热装置一旦开启便不能停止,药剂也就不停地挥发,直至耗尽或关掉电源为止。结果使得药剂排放过量,耗电增加。所以早在2014年8月10日就有人在《电子报》第32期上发表了《使用电蚊香节电实践》一文,提供了一个间隙开关蚊香加热器的电路。还根据蚊子习性和实验结果,确定了开通和间断停止的时间,达到节约的目的。

更需要注意的是连续加热释放药剂,使用效果反而难以令人满意。人们有这样的体验,新进密闭开有香薰器的空间,能明显闻到释放的香味,但时间一长,尽管香味依然存在,但已感觉不到刚才那么浓的气味了,这就是“嗅觉疲劳”。人们希望闻到的香气是如同自然状态那样的,是阵发的,是间断的,所谓香风习习朴鼻而来。而蚊子也有类似的特性,1~3分钟后,蚊子就对驱蚊剂的感觉迟钝,或者说适应了。这就是时常驱蚊效果不好的一个原因。另一方面,连续释放的驱蚊剂也不利于健康。所以中国专利CN104115817A公开了《便携式驱蚊/香薰器》,以脉冲电源来破解这个问题。

以上缺点都可以利用电磁感应加热技术获得解决。

感应加热是相对于传统电阻的电流热效应加热及火焰加热而言的一种新型加热方式,它是一种高效、节能、节材、环保、安全的先进加热技术。

所谓感应加热,就是将被加热物质置于高频交变磁场(如通以交变电流的环形线圈)中,构成磁场的磁力线切割处于磁场中的被加热物质,在垂直于磁力线的截面上,根据法拉第电磁感应定律,产生涡流,感生涡流在导电物质呈现的交流阻抗上依据焦耳热效应定律产生热能对工件进行加热。这种利用电磁感应原理产生高频感应涡流热效应进行加热的方式,简称为感应加热。

驱蚊剂、清新剂等被加热物质导电性能极差,置于高频交变磁场中,並不能发热。就需要用导体作发热体,利用其在高频交变磁场中发出的热量间接加热非导电体。

发明内容

本发明是为了解决现有电热香熏器和电热蚊香加热器效率低、功耗大、药剂消耗多、使用效果不太滿意等缺点。造成这些缺点的主要原因,是采用了电热丝或PTC持续加热且功率不能调整。

本发明针对以上问题,采用的技术是电磁感应加热。它主要包括电源电路(高压电源和辅助电源)、逆变电路、谐振电路、控制驱动保护电路、给定与显示电路,以及发热体。

电源通常由220伏交流电网供电,也可使用USB接口输入直流低压供电。

当使用220伏交流电时,分为两路。一路经整流滤波后的直流高压送入逆变电路;另一路经降压整流滤波后作为辅助电源供给控制驱动保护等电路。

直流低压供电同样分为两路。一路经升压整流滤波后得到的直流高压送入逆变电路;另一路作辅助电源。

逆变电路是将直流电压变换成高频交流电压(或电流),完成DC/AC的转换。DC/AC变换电路采用单管、半桥或全桥结构。开关器件采用MOSFET、IGBT,当加热器发热功率很小时,也可用功率三极管。对开关器件的控制极输入驱动讯号,实现导通控制,逆变电路就能输出高频方波。

谐振电路是感应加热电源的重要组成功能单元,也是逆变器的负载。有多种型式,主要为串联谐振型、并联谐振型和串并联谐振型。无论是电压型逆变器还是电流型逆变器,其输出都是以电感和电容构成的谐振电路。在本发明中,电感为扁平空心盘状的线圈,发热体为整体呈扁平状的金属导体,两者成平行配置。并设有定位装置,使两者相对位置固定。来自逆变器的高频交流加在电感上,由此产生了高频交变磁场。其磁力线作用于金属发热体,在金属发热体内因电磁感应就有涡流产生,涡流克服金属发热体的内阻流动时,完成电能向热能的转换,所产生的焦耳热便是加热器的热源。

控制驱动保护电路包括驱动逆变器开关器件电路和控制系统。

驱动方式一般可分为:直接驱动、光耦隔离驱动、脉冲变压器隔离驱动及专用集成电路驱动。

控制系统一方面应保证主电路的正常工作,同时还应完成各种保护和监控功能。可以用单片机控制。

功率控制调节采用逆变侧调功的控制电路。常用的有调频调功(PFM)、移相调功(PSM)、脉宽调制恒频调功(PWM)、调宽调制加调频调功(PWM+PFM)等。

本发明使用的是脉宽调制(PWM)技术,通过调制脉冲宽度来控制输出功率。在脉冲宽度调制中一个很重要的概念就是脉冲的占空比,用于表示工作时间和整个周期的比值。在一定范围内,占空比越大,输出功率越大,反之输出功率就越小。

脉冲占空比的大小可用单片机控制。

为了稳定可靠地输出功率,还利用反馈的方法。即从电压、电流检测电路获得电压、电流信号取样,通过A/D转换将其变成单片机数字信号并相乘即可获得功率大小,这样单片机就可以及时作出判断,由此增加或者减少PWM值,从而达到准确控制消耗功率的目的。

采用以上技术措施后:

提高了效率,降低了功耗,可以使用USB接口低压供电;

减少药剂消耗;

可以不连续输出功率。换句话说,采用断续输出脉冲信号到逆变电路开关器件的控制极,达到间隙加热的目的。而且,磁力线直接作用于金属负载发热,热容量小,升热快速,散热也快,更容易得到间隙和阵发的向空气中释放物质的效果;

使用脉宽调制技术,很容易改变占空比的大小来调整输出功率;

磁力线能穿透非金属物体(如感应加热器的塑料壳体),作用于金属负载加热,可以适用于各种物理状态的加热后能“向空气释放物质”,只要这些物质中含有一定量的金属,或者置于金属托盘之中。

附图说明

图1本发明的感应加热器剖视示意图

图2本发明的感应加热器俯视示意图(去除罩壳)

图3本发明另一种定位装置的感应加热器俯视示意图(去除罩壳)

图4为图3的A-A剖视示意图

图5谐振线圈盘俯视示意图

图6定位托盘剖视示意图

图7定位托盘俯视示意图

图8金属复合纸质吸附片剖视示意图

图9金属复合纸质吸附片俯视示意图

图10为图8局部放大图

图11另一种金属复合纸质吸附片剖视示意图

图12粉末冶金铁基吸附片剖视示意图

图13本发明的感应加热电路组成框图

图14本发明的感应加热主电路原理图

具体实施方式

下面结合附图,对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图13所示:

壳体1包括下壳体11、上壳体12和罩壳13,材质为塑料。上壳体12上开有多个散热孔121,下壳体11也有。上下壳体之间设置了电源电路单元2、控制驱动保护电路单元3、逆变电路单元4、谐振电容5、谐振线圈盘6、给定与显示电路单元8。定位托盘7位于上壳体12上。

罩壳13是防止人体接触到发热部分受伤所设,其上开设散气孔。

电源电路单元2包括高压电源电路和辅助电源电路。

这里介绍的供电是以USB接口接入的低压直流电源。供电如采用220伏交流电网输入,基本类似。前面发明内容部份己经说明。

下壳体11设有USB接口21。低压直流电经此输入到电源电路单元2。再分为二路,一路经升压整流滤波后得到直流高压送入逆变电路单元4;另一路为辅助电源,对采样、控制驱动保护电路等供电。

逆变电路单元4受控制驱动保护电路单元3控制驱动。控制驱动保护单元3根据给定与显示电路单元8的设定,发出脉冲信号到逆变电路单元4的开关器件控制极,控制其导通,逆变电路单元4就将直流高压变为高频交流高压,输出到谐振电路。

谐振电路主要由谐振电容5和谐振线圈盘6上的谐振线圈构成。是感应加热电源中工作状态和影响因素较为复杂的电路。

如图1和图5所示,谐振线圈盘6由谐振线圈61和支架62组成。谐振线圈61采用多股漆包线绞合成束后绕制,以减少集肤效应,降低线圈的自身损耗。绕成扁平空心盘状,成圆形,也可根据发热体外形绕成方形或长方形。大小与发热体的受热面积相对应。绕制方法如图5所示,密绕若干圈后,空出一二圈位置后再密绕,再空出一二圈位置后密绕。以留出空隙,便于上升气流通过散热。也可以连续密绕。

谐振线圈61靠环氧树脂耐热胶粘剂固定在支架62上。

支架62由环氧玻璃布层压板制成。中间开园孔,四周开若干散热孔。运行时,气流自下而上通过支架62散热孔和上壳体12上的散热孔121对谐振线圈61等冷却。

支架62还可以用聚脂树脂压制而成,内中可含铁氧体粉未。

如图1所示,谐振线圈盘6不是用金属螺钉而是用卡扣机构固定在上壳体12上。

上壳体12上设有3至4个卡扣122。卡扣122端部设计成斜坡,斜坡的上方设有凹槽作为卡槽。如图5所示的支架62,在周边相应也开有3至4个定位缺口621,其宽度和深度与卡扣122相配合。装配时,只要将缺口621对准卡扣122,将谐振线圈盘6推入,卡扣122因端部斜坡受力而后退,直至谐振线圈盘6落入卡扣122上卡槽后复位,谐振线圈盘6上缺口621嵌入卡扣122上卡槽,谐振线圈盘6就此固定在上壳体12上。

谐振线圈61是感应加热装置唯一输出功率的地方,和发热体的相对位置十分重要。可以这样来看,感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式,等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的结果,其电感、电阻值受感应线圈与负载耦合程度的影响。进而影响频率、输出功率等。所以本发明布置扁平盘状的谐振线圈61和金属发热体的下平面成平行,还设置了定位装置,使其相对位置固定。以稳定工作状态,减轻保护电路的工作压力。

定位装置由壳体1上的定位结构和定位托盘7构成,两者互相配合,固定了相对位置。

壳体1上的定位结构有多种形式,但作用目的都是定位和限制发热体移动。

这里介绍二种。

如图1和图2所示,上壳体12上设有6个限位用凸块123。凸块123凸出于上壳体12沉槽124四壁,以限止定位托盘7及发热体移动。凸块123可以高于沉槽124深度。当沉槽124深度为零的情况下,凸块123实际上全部凸起上壳体12的上平面。

另一种是不设限位凸块,如图3和图4所示。在上壳体12上设置导槽125,直接用导槽两侧槽壁作为限位,同时在另二个方向的槽底各设凸缘126一条,宽约1毫米,凸起呈园弧,略高出槽底。当定位托盘7或发热体沿槽插入时,能妨碍其进出,但不能阻止其进入或退出,起到定位作用。

定位托盘7如图6和图7所示。长宽尺寸一般与市售电热蚊香片配合,深度比蚊香片厚度稍大,约2.5毫米或以上。当然也可是其它形状和尺寸。

被加热物就放在定位托盘7中。

在这里,被加热物指的是加热后“向空气中释放的物质”,如驱蚊剂、清新剂、醋、薰香等。其物理形态可以是固体、液体、凝胶等。可以包含在吸附片<如蚊香片>等之中。

定位托盘7按所用材质可分为二种:金属定位托盘和塑料定位托盘。

金属定位托盘采用0.25~0.50毫米的铁、铝或铁合金板材冲压而成。外周表面涂覆一厚层耐热非金属材料,所耐温度一般要高于壳体1所用的塑料,例如聚四氟乙烯等涂料。或直接用耐热塑料复合钢板制成。

金属定位托盘实际上还是个发热体。使用时,装入蚊香片,将其放入上壳体12相应位置。运行时,交变的磁力线穿透金属定位盘形成回路,在其截面产生感应电流,进而产生热能。蚊香片受热就释放出驱蚊气体。

金属定位托盘还能加热熏蒸其它物质,如香料、醋等。将使用过的蚊香片放入金属定位托盘内,再在片上滴上醋或其它需要熏蒸的药液,即可实施。也可直接将欲加热释放的物质置于金属定位托盘中加热。

壳体1用的塑料一般耐温不高,所以金属定位托盘外周涂布一厚层耐热物质作隔离保护。这样加热温度可以相应提高。

塑料定位托盘采用比壳体1更耐热的塑料制成。除了定位以外,还起到使上壳体12和被加热物体的隔离作用。这样,一方面使耐热较低的上壳体12得到保护,另一方面也便于清洁保养。但其不能成为发热体,不可能对被加热物加热。所以,被加热物必须自带发热体,即带有金属。

下面介绍三种带有金属发热体的被加热物,都称之为吸附片。这是因为它们的形状和市售电热蚊香片相似,呈片状,而且内部均匀布滿细微小孔,可以把驱蚊剂、清新剂等吸附在内。加热器工作时,磁力线作用于其中的金属,产生热能,就能释放出我们所需要的气体。

吸附片可以有各种形状,较为合适的为扁平片状,因其加热面积大,传热均匀快速,且有利于向空气中释放药剂。大小厚度亦可和市售电热蚊香片相当。

图8、图9和图10所示为金属复合纸质吸附片9。

二片纤维质制成的纸片91中间复合了一片铝箔92。如图9中虚线所示,铝箔92布满了小孔,以利加热后气体释放,这是一种形式。另一种如图11所示,在一片纤维质纸片91的单面喷涂一层金属93,喷涂的金属为铁、铝或铁合金。也可覆贴上一片铝箔,此时箔上不需开孔。使用时,金属面向下。

复合的金属作为发热体。其和纤维质纸片紧密结合,传热均匀高效,使纤维质纸片中吸附的有效成份充分且均匀地释放出来。

第二种是混合金属粉末纸质吸附片。

就是在制作电热蚊香原纸片的过程中,在其植物纤维为主的原料中添加金属粉末制成。粉末一般为铁粉及铁合金粉,也可为铝粉,或这些粉末的混合物。粉末的粒度稍大。这种纸质吸附片,除了可作蚊香片外,也可滴加或浸渍清新剂和醋等使用。

由于金属粉末均匀地分布在植物纤维中,加热时,吸附片的内外温度均匀一致,更有利于药液挥发,减少药液殘留。

第三种为粉末冶金铁基吸附片,如图12所示。

粉末冶金铁基吸附片是以粉末冶金工艺制成的。

粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混和物)作原料,经过成型和烧结,制成各种金属零件或成品。由于没有熔化过程,粉末颗粒之间的孔隙不会消失,而且均匀分布。控制粉末粒度、成型压力和烧结工艺,就可控制孔隙大小及材料的孔隙度,得到各种多孔材料。由此,在毛细现象作用下,孔隙中可贮存一定量的液体。就可以制得粉末冶金金属吸附片。尺寸大小可参照市售电热蚊香片。根据感应加热技术的要求,原料最好采用铁或铁合金粉末,故称之为粉末冶金铁基吸附片。在其上滴加或浸渍驱蚊剂等药料后,就能在感应加热器上使用。

其优点是使用温度高,升降温快。特别是能反复使用,药剂释放完了,只需再滴加或浸渍一下药剂就可以再用了。

至此,己介绍了本发明的几种发热体,即:金属定位托盘、金属复合纸质吸附片、混合金属粉末纸质吸附片、粉末冶金铁基吸附片。都有一个共同特点,发热体总体呈片状(金属定位托盘的高度和其长宽尺寸相比,显得微不足道),底部基本是平面,即使是混合金属粉末纸质吸附片,其中金属粉末均匀分布,亦可视为平面片状。

所以,将内置上述含有金属吸附片的塑料定位托盘或金属定位托盘放入上壳体12上定位位置时,都能保证谐振线圈61和发热体的相对位置固定,确保感应加热系统稳定运行。

如果吸附片的尺寸大小和壳体12上的定位位置相配,也可不用塑料定位托盘。

如图1和图2,壳体1还设有给定与显示电路单元8,该单元实际上是一个使用者与感应加热器对话的一个平台,上设按键81和功能显示部分82。控制驱动保护电路单元3可以从按键81选择上知道使用者想要完成什么样的任务,而使用者可以从功能显示部分82了解感应加热器的各种工作状态(如故障显示)等信息。显示部分采用LED发光二极管或数码管、液晶显示来制作。

图1中电源电路单元2、控制驱动保护单元3、逆变电路单元4、谐振电容5、谐振线圈盘6上谐振线圈61、给定与显示电路单元8和发热体的电气关系如图13“本发明的感应加热电路组成框图”所示。

给定与显示电路可以设定感应加热器的工况。控制驱动保护电路根据给定的工况向逆变电路发出控制信号。逆变电路就将来自高压电源电路的直流高压变换成高频交流电压(或电流),完成DC/AC的转换,输出到以电感(谐振线圈61)和电容(谐振电容5)构成的谐振电路,由此产生高频交变磁场。磁力线作用于发热体,产生热能。

控制驱动保护电路根据采样电路反馈来的电压电流等数据,调整发出的控制信号,使系统安全稳定地运行。

感应加热器主电路原理图如图14所示。

这是个半桥谐振逆变电路。其中一个桥臂由两个特性相同、容量相等的电容器C1、C2承担,其电容量很大;另一桥臂由功率开关管VT1、VT2承担。由控制驱动保护电路输出的脉冲,通过脉冲变压器T1耦合到次级两个相位相反的线圈W21、W22,通过电阻R1、R2分别驱动VT1、VT2两个MOSFET。图中反串联稳压管VS1、VS2、VS3、VS4用于限制驱动脉冲最大正负幅值。VT1、VT2相互轮流工作,将直流电逆变为交流电。

并接于VT1、VT2上的二极管VD1、VD2用于电感电流续流,为能量恢复通路,消除部分瞬时过电压。

电容器C4、C5用于电路缓冲,抑制VT1、VT2关断瞬间产生的过电压,保护功率开关管免受冲击损坏。

在半桥逆变器的两桥臂中点接负载。图14中接入了谐振电路的加热绕组L(即图1中谐振线圈盘6上的谐振线圈62)及谐振电容C3(即图1中谐振电容5)。谐振频率视发热体而定,一般30~100kHz。

C6、C7、R6~R11、RP、VD3、VD4组成采样电路,其中二极管VD3、VD4作为整流,得到直流采样信号,信号电压大小可以通过电位器RP调节。经滤波放大后,送到控制驱动保护电路。

R5是采样电阻,用来捡测电流信号,经过处理后送入控制驱动保护电路。

控制驱动保护电路根据反馈信号,调整输出到脉冲变压器T1的脉冲信号,以保证系统安全稳定运行。

控制驱动保护电路生成和送至脉冲变压器T1的脉冲信号有多种形式,一种是普通方波,另一是现在常用的PWM信号。PWM信号可以用单片机编程产生,也可采用专用的集成电路。

近年耒,电力电子技术快速发展。逆变电路中开关器件的开关速度得到提高,开关损耗有所减少,这就使得我们很容易控制其导通和关断。

向脉冲变压器T1的绕组W1输入脉冲信号,瞬间加热绕组L就产生交变磁场,发热体即发出热量。而一断开输入的脉冲信号,交变磁场立刻消失。所以只要输入间断的脉冲驱动信号,就能使感应加热器如愿断续工作。由于脉冲信号、开关器件的工作频率都很高,所以这种间歇输出功率的方法并不会影响感应加热器正常工作。

同样,调整输入到T1绕组W1上的PWM信号的脉冲占空比的大小,就可以有效地控制输出功率大小。

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