CN102370999A - 使用脉宽调制的制冰机离子清洁器的功率控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了使用脉宽调制的制冰机离子清洁器的功率控制方法和系统。用于净化制冰机中的空气的方法包括：通过使用脉宽调制调制电压来控制从臭氧发生器输出的臭氧的水平；以及将所述空气与所述臭氧接触。

Description

使用脉宽调制的制冰机离子清洁器的功率控制方法和系统
技术领域
本公开一般地涉及一种用于通过输入电压脉宽调制基于机器容积改变制冰机中的离子清洁装置的输出的方法和系统。
背景技术
商业制冰机和饮料分配机容易受诸如细菌、酵母菌、真菌以及霉菌的微生物的污染。这种设备一旦被污染，这些微生物可能复制和建立兴盛的菌落，其能够在线路、管道、蒸发器表面、排水管或者机器的其它部件上形成规模的聚集。此外，这些微生物可能对摄入从制冰机或者饮料机分配的受污染的产品的人带来严重的健康威胁。
已知保持制冰和饮料分配设备长时间保持清洁的需要。因此，例如在制冰机中，制冰机的成冰蒸发器、流体线路和冰存储区域必须被周期地清洁。尽管用去污剂和灭菌化学物的人工清洁可能有效，但是清洁计划实际上不是总被坚持，或者这个任务就全部受污染的表面的彻底清洁和冲洗而言不总是令人满意地完成。因此，已经开发了包括电子控制的系统，以设定的周期自动执行消毒循环，其中清洁剂经由系统泵入，然后被冲掉。当然，自动系统也可能出故障，例如，清洁剂容器的清洁剂用光，或者设备简单地中止或者不能适当工作。
已知使用臭氧(O3)作为消毒/氧化剂，特别公知使用O3来杀灭水中的微生物。在美国专利6,153,105号中，Tadlock等人在制冰机的循环水路中放置文氏管，以使用循环水作为原动流体以将来自电晕放电处理的臭氧带入循环水。电晕放电处理以比制冰机的饮用水供水压力低的压力产生臭氧，由此要求使用文氏管。因此，用文氏管，循环水携带O3经过成冰蒸发器，带来一些杀菌或者抑菌效果。
臭氧还可以通过电解产生，其有利地能够以比制冰机中的循环水路的压力大的压力产生臭氧。因此，制冰机将不需要文氏管或者其它设备来将臭氧注入到水路中。臭氧的电解生产通过进行释放或者消耗电子的氧化还原反应在电化电池中发生。这些反应发生在电极/溶液界面上，其中电极必须是良好的电子导电体。在操作中，电池连接到外部负载或者外部电压源，并且电子通过外部电路在阳极和阴极之间传递电荷。为了完成经过电池的电气电路，必须存在额外的机构以便内部电荷传递。一个或者多个电解质通过离子导电提供内部电荷传递。这些相同的电解质必须是弱的电子导电体以防止电池短路。
质子交换膜(PEM)是一种类型的电解质，其特别适用在电化电池中结合生产臭氧。PEM通常具有附加了官能团的聚合物基体，能够交换阳离子或者阴离子。聚合物基体通常由诸如聚苯乙烯或者其它聚四氟乙烯(PTFE)类似物的有机聚合物组成。一般，PEM材料是酸性的，其中磺酸基并入到基体中。
电催化剂被设置与质子交换膜紧密接触。用于臭氧发生器的通常的电催化剂可以是位于阳极或者电池的臭氧产生侧的二氧化铅以及位于电化电池的阴极侧的铂黑。在很多的这种电池中，在阴极产生氢气作为在阳极产生臭氧的电解反应的副产品。
紫外光照射也已知可以用于杀灭水或者其它液体中的微生物。传统地，紫外光光源是水银蒸发型灯，主要在约254纳米波长产生辐射能量，该波长已知对于杀灭水中的微生物有效。灯可以浸入水或者液体中，或者灯可以布置在靠近在透明导管中流动的液体流，或者在具有可以透射紫外光照射的透明窗口的导管中。在美国专利6,153,105号中，Tadlock等人使用紫外光照射来处理制冰机中的循环水。
尽管Tadlock等人以及其它人已经在制冰和饮料机的水处理中有所进步，但是仍然存在需要解决的问题。因为水经由系统在制冰机中循环，由于水循环为微生物带来复制和建立菌落所需的停留时间，所以微生物具有生长和兴旺的机会。此外，每当补充水分按批次充入容器时，额外的微生物被引入系统。因此，当该批次以相当高的速率被带入容器时必须发生水处理，使得适当的处理更困难。因为臭氧的源必须能够与水重装速率成比例地改变臭氧生产速率，直至适于当发生容器的批次充入时能够处理很大流入量的水，所以臭氧处理更难。
所需要的是能够处理制冰和饮料分配机以保持没有微生物污染的设备。如果这种设备能够响应于容器的批次充入按照需要提供消毒的大量的杀菌剂则是有利的。如果这种设备能够充分地提供和分配杀菌剂以排除微生物在包括用于生产冰或者饮料的区域和用于分配冰和饮料的区域的整个系统中的生长则是更有利的。
美国专利7,029,587号，其整个内容通过引用并入，提供一种用于净化空气的制冰机和方法。此发明的制冰机包括包含一个或者多个紫外光透射表面和一个或者多个臭氧注入端口的补充水导管、以及包含一个或者多个紫外光透射表面和一个或者多个臭氧注入端口的循环水导管。通常，水通过循环泵从水容器循环到蒸发板。制冰机还包括靠近紫外光透射表面的一个或者多个紫外光照射源和与一个或者多个臭氧注入端口流体导通的臭氧发生器。紫外光照射源可以是在约254纳米波长产生其主要紫外光照射的紫外光灯。另外，制冰机包括一个或者多个控制器，其中控制器启动和停止一个或者多个紫外光照射源、臭氧发生器或者其组合。
通常，臭氧注入端口定位在一个或者多个紫外光照射源的每一个或者其组合的上游或者下游。臭氧照射端口可以定位在一个或者多个紫外光照射源的下游的少于一个导管直径处，或者，一个或者多个紫外光照射源的下游的少于三个导管直径处。
臭氧发生器通常包括电解器。臭氧以气体、臭氧水或者其组合的形式离开臭氧发生器。当臭氧发生器产生气态臭氧时，发生器还可以包括至少一个吸湿隔膜，其中，气态臭氧可以通过隔膜而水不能通过隔膜。
臭氧发生器可以与每个臭氧注入端口流体导通。用于启动和停止臭氧发生的一个或者多个控制器与诸如冰箱压缩机、冷凝风扇和/或循环泵的装置传递电信号、机械信号或者其组合。
控制臭氧生产的步骤可以还包括从控制器接收通信信号以推动阳极靠近质子交换膜，其中来自控制器的通信可以是电信号、机械信号或者其组合。控制器可以是电气装置、机械装置、或者其组合。控制器可以是波登管、一组摺箱或者液压活塞。用于移动控制器的原动流体可以是来自压缩机排出线路的制冷剂或者来自循环泵排放或者饮用水供水的加压水。臭氧发生器通常与一个或者多个臭氧注入端口的每一个流体连通。
用于制冰机的传统的臭氧发生器清洁器的缺点是通常臭氧与水的接触不能够充分地禁止细菌在制冰机中生长。其它技术已经使用臭氧来处理空气，然而，这种已经使用来在制冰机中处理空气的现有的臭氧发生器是用DC电压连续供电(即12伏600毫安)以激励紫外光(UV)灯泡，依次将空气电离(通过臭氧或者其它离子)并帮助制冰机中的食品区的消毒。电离的量取决于对装置施加的平均功率。
本发明人未预料到地发现了通过改变离子清洁装置的输出电平能够避免过量产生臭氧。也就是，如果引入到制冰机的臭氧浓度对操作者暴露超过约0.1ppm，则能够存在潜在的涉及健康的问题。因此，期望将操作者在操作期间暴露的臭氧浓度保持在低于0.1ppm。本公开提供通过使用向装置输入的DC电压的脉宽调制(PWM)控制或者操纵从制冰机中布置的离子清洁器输出的臭氧浓度的量的方法。也就是，本公开通过控制或者操纵每小时的从离子清洁器引入到制冰机的臭氧克数调整引入到制冰机的臭氧的量。
本公开还提供很多额外的优点，其将从以下的描述中变得明显。
发明内容
一种用于在制冰机中净化空气的方法，包括：通过使用脉宽调制调制电压来控制从臭氧发生器输出的臭氧的水平；以及将所述空气与所述臭氧接触。优选地，臭氧的水平是约小于0.1ppm。
脉宽调制通过控制或者操纵每小时从所述臭氧发生器引入到所述制冰机的臭氧的克数来控制所述臭氧的水平。
该方法还包括：将所述制冰机的模型与查找表比较；以及通过基于所述模型计算脉宽调制驱动晶体管的“导通”时间和频率来确定控制所述电压所要求的所述脉宽调制的百分比。
通过来自处理器模块和脉宽调制电路的臭氧控制信号来生成从所述脉宽调制产生的所述调制电压。所述脉宽调制电路包括至少一个驱动电阻器和场效应晶体管。优选地，所述场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
本公开的其它目的、特征和优点将通过参照下面的附图和详细描述得到理解。
附图说明
图1是根据本公开使用的离子清洁器功率控制的框图；
图2是与通过PWM对用于在离子清洁器中产生臭氧的功率进行的控制有关的逻辑图；
图3描绘根据本公开的PWM驱动器电路；
图4是展示电流和电压随PWM％变化而变化的示波器记录；以及
图5是根据本公开的微处理器的框图。
具体实施方式
本公开包括在制冰机内安装离子清洁器设备以向制冰机的食物区域释放离子/臭氧放电以有助于该机器的持久的卫生。优选地，该离子清洁器设备使用直流电压功率输入。为了操纵离子清洁器设备的离子/臭氧输出，并因此操纵在制冰机内部形成的离子/臭氧浓度，本公开提供对脉宽调制的使用，以基于制冰机和仓附件的内部体积来控制离子清洁器设备具有多大的输出。
脉宽调制(PWM)是用来提供电力的完全导通和完全关断之间的中间量的非常有效的方式。简单的电力开关和典型的电源只在开关导通时提供总功率。PWM是相对较新的技术。
基本上，PWM可变功率方案能够在完全导通和完全关断之间快速切换功率。在任何情况下，切换速率比会影响负载(即，使用电力的设备)的速率快得多。实际上，在部分时间施加总功率不会导致任何问题。
术语占空比描述导通时间与规律间隔或时间段的比；低占空比对应于低功率，因为绝大多数时间电力关断。占空比以百分比表示，100％为完全导通。利用数字控制良好地进行PWM，由于数字控制的导通/关断性质，其能够容易地设置所需要的占空比。
信号或电源的PWM涉及对其占空比的调制，以便在通信通道上传递信息或控制发送到负载的功率的大小。
许多数字电路能够产生PWM信号(例如许多具有PWM输出的微控制器)。它们通常使用计数器，该计数器周期性地(其直接或间接连接到电路的时钟)递增，并在PWM的每个周期的终点被重置。当计数器值大于参考值时，PWM输出将状态从高变为低(或从低变为高)。该技术被称为时间比例，具体称为时间比例控制，即固定周期中多大比例处于高状态。增大并周期性地被重置的计数器是相交法(intersecting method)的锯齿的离散形式。相交法的模拟比较器成为当前计数器值和数字(或者数字化的)参考值之间的简单的整数比较。占空比只能够根据计数器分辨率以离散阶梯变化。然而，高分辨率计数器能够提供相当令人满意的性能。
可以有四类脉宽调制(PWM)：
1.脉冲中心可以被固定在时间窗的中心，并且移动脉冲的边缘以压缩或扩展宽度。
2.可以将前缘保持在窗的前缘并调制后缘。
3.可以将后缘固定并调制前缘。
4.可以通过信号改变脉冲重复频率，并且脉宽可以恒定。然而，与其它三个方法相比，此方法具有更为受限制的平均输出范围。
PWM可以被用于降低传递给负载的功率的总量而不会出现在通过电阻装置限制电源的情况下发生的损耗。这是因为所传递的平均功率与调制占空比成比例。通过足够高的调制率，可以使用无源电子滤波器来平滑脉冲序列以及恢复平均模拟波形。
利用半导体开关能够容易地实现高频PWM功率控制系统。使用调制的离散导通/关断状态来控制开关的状态，该开关相应地控制负载上的电压或流经负载的电流。该系统的主要优点是开关要么关断而不传导任何电流，要么导通并且其上(理想地)没有电压降。电流和电压在任意给定时刻的乘积定义由该开关消耗的功率，因此(理想地)该开关不消耗功率。实际上，诸如MOSFET或双极结晶体管(BJT)的半导体开关是非理想开关，但是仍然能够建立高效的控制器。
当在导通和关断之间进行转换的过程中，在开关中消耗相当多的功率。然而，在完全导通和完全关断之间的状态改变相对于通常的导通或关断时间而言是非常快速的，因此与所传递的功率相比，平均功率消耗相当低。
本公开利用PWM作为在从离子生成器清洁器产生臭氧的过程中的高效的电压调节器。通过以适当的占空比切换对负载的电压，输出将使电压接近于期望水平。通常使用电感器和电容器过滤开关噪声。一个方法测量输出电压。当其低于期望电压时，其导通开关。当输出电压在期望电压以上时，其关断开关。
本公开通过对电压波形进行脉宽调制，通过改变施加到离子清洁器设备的平均电压来改变平均功率。优选地，控制器软件基于制冰机的类型(例如，制冰机的尺寸或容量)自动地决定PWM的量。也就是说，制冰机的容量越小，其平均功率越低，因此PWM设置越低。可替选地，可以经由作为控制器显示器上的菜单项的用户接口来手动选择PWM设置。
通过参照附图能够很好地理解本公开，其中，图1和图5描绘对与制冰机一起使用的离子清洁器进行的控制中所涉及的不同元件/部件。即，处理器模块115优选地包含微控制器105、固件或程序125，固件或程序125具有逻辑以产生控制信号，并且还基于经由用户接口110输入到控制器105中的数据来识别制冰机的机型并将该机型与存储在非易失性存储器120中的机型进行比较。
控制器105包括用户接口110、处理器115和存储器120。控制器105可以被实现在通用微计算机上。虽然控制器105在此被表示为独立设备，但其不限于此，如果认为需要则可以将其经由网络130耦合到其它设备(未示出)。
处理器115被配置为逻辑电路，其响应于指令并执行指令。
存储器120存储数据和用于控制处理器115操作的指令。存储器120可以被实现为随机存取存储器(RAM)、硬盘、只读存储器(ROM)或其组合。存储器120的部件之一是程序模块125。
程序模块125包含用于控制处理器115执行这里所描述的方法的指令。例如，作为程序模块125和处理器115的执行结果。术语“模块”在这里用于表示功能操作，该功能操作可以被实现为独立部件或者多个附属部件的集成构造。因此，程序模块125可以被实现为单个模块或者相互合作的多个模块。此外，虽然程序模块125在这里被描述为被安装在存储器120中，并且因此以软件实现，然而其能够以任何硬件(例如电子电路)、固件、软件或其组合实现。
用户接口110包括输入设备，诸如触摸屏、键盘或语音识别子系统，用于使得用户能够向处理器115传递信息和命令选择。
处理器115向用户接口110输出这里所描述的方法的执行结果。可替选地，处理器115可以经由网络130将输出传递到远程设备(未示出)，使得发送适当的PWM信号以控制PWM电路(例如晶体管电路)113的电压，从而调制施加到离子清洁器设备114的电压。
虽然程序模块125被表示为已经被装载到存储器120中，可以将其配置在存储介质135上，以便随后装载到存储器120。存储介质135可以是任意常规存储介质，其以有形形式在其上存储程序模块125。存储介质135的示例包括软盘、光盘、磁带、只读存储器、光学存储介质、通用串行总线(USB)闪存驱动器、数字通用光盘或zip驱动器。可替选地，存储介质135可以是随机存取存储器或其它类型的电子存储器，其位于远程存储系统并经由网络130耦合到控制器105。
处理器模块115还具有输入/输出端口(未示出)，以将控制信号传输到位于控制板(未示出)上的驱动电路113。驱动电路113继而对发送给离子清洁器设备114的电压进行调制。处理器模块115产生具有变化的导通/关断时间(保持总的持续时间相同)的低电压(3.3V)频率信号(1kHz)，其被称为脉宽调制(PWM)。
图2示出与通过根据本公开的PWM对用于在离子清洁器中产生臭氧的功率进行的控制有关的逻辑图，其中离子清洁器模块被初始化或建立200，即建立输出端口配置和机型表协议。此后，离子设备114变为“导通”202，随后将通过用户接口输入的型号与存储在存储器120中的模型表进行比较204，并且基于所输入的模型，通过计算驱动器晶体管113的“导通”时间和频率来设置PWM％206。此后，该过程结束208，或者返回到步骤202以导通离子设备。
图3描绘根据本公开的PWM驱动电路，其中在这里被称为PWM电路的驱动电路包括驱动电阻器302和金属氧化物半导体场效应晶体管304，其接收来自处理器模块115的控制信号并将其转换到较高功率水平(例如600mA下12伏)并将其传送到离子清洁器设备114。
图4是展示电流和电压随PWM％改变而改变，即电压从12伏直流的100％到75％以离散阶梯改变的示波器记录。这是通过在保持信号总时长恒定(即，在1kHz下为1ms)的情况下改变该电压信号的“导通”时间而实现的。
虽然已经示出并描述了根据本发明的若干实施例，可以清楚地理解可以对其进行对于本领域技术人员而言显而易见的许多改变。因此，不希望限制在所示出的和所描述的细节，而是旨在使全部改变和修改都包含在所附权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种用于净化制冰机中的空气的方法，包括：
通过使用脉宽调制调制电压，来控制从臭氧发生器输出的臭氧的水平；以及
将所述空气与所述臭氧接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述臭氧的水平约小于0.1ppm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉宽调制通过控制或者操纵每小时从所述臭氧发生器引入到所述制冰机的臭氧的克数来控制所述臭氧的水平。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述制冰机的模型与查找表比较；以及通过基于所述模型计算脉宽调制驱动晶体管的“导通”时间和频率，来确定控制所述电压所要求的所述脉宽调制的百分比。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过来自处理器模块和脉宽调制电路的臭氧控制信号生成根据所述脉宽调制产生的所述调制电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述脉宽调制电路包括至少一个驱动电阻器和场效应晶体管。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
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