CN110401332B - 一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，用于产生净化油烟用的电晕区，所述电源包括：电路结构、电源控制器、功率器件和散热器，所述电路结构与所述功率器件电性连接，所述电路结构用于将输入的交流电转化为高频直流电，以供应所述功率器件产生高频电压，并形成电晕区；所述电源控制器与所述电路结构电性连接，当所述电源处于待机状态时，所述电源控制器控制所述电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式；所述散热器贴附于所述功率器件，用于散去所述功率器件产生的多余热量。本发明通过散热器对功率器件进行散热处理，确保功率器件能够稳定运行，本发明还能有效降低电源待机状态时的功耗，进一步节省油烟净化器的运行成本。

Description

一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源

技术领域

本发明涉及油烟净化技术领域，尤其涉及一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源。

背景技术

近年来，随着我国国民经济水平的不断发展和提高，饮食行业油烟污染已经成为城市环境污染的一大问题，其排放的大气污染物主要为气溶胶，其中含有食用油及食品在高温下的挥发物，由食用油及食品的氧化、裂解、水解而形成的醛类、酮类、链烷类和链烯类、多环芳烃等产物，成分极为复杂。研究表明，食用油在加热至270度-280度时，收集的冷凝物中有上百个化合物，从状态上看，油烟废气中包括气体、液体、固体三相，其中液固相颗粒物的粒径一般小于10um，液固相颗粒混合物粘着性强，大部分污染物不溶于水，极性小。随着各研究机构对厨房油烟研究的深入，厨房油烟对人体的危害越来越引起人们的广泛关注，各类媒体上有关厨房油烟危害的报道层出不穷。

目前采用的油烟净化方式主要包括三种类型：水处理方式；吸附、过滤材料方式；高压静电方式。水处理方式又包括水幕、水雾化或水过滤两种主要形式，由于水雾或水过滤形式将烟气通过水洗后，水油接触的面积增大，水对油雾的吸收能力增强，因而吸收油烟效果更佳。水处理方式具有造价低，结构简单，易于维护，可去除一些可溶于水的有害气体，实现火烟和油烟同时处理，可阻断火烟窜出等优点。但是，常规水处理方式存在很难克服的缺陷，废水处理不好会造成二次污染，特别是对小颗粒气溶胶去除效率抵，油水分离不好会喷出大量水雾。吸附、过滤材料方式有助于吸附油烟中的小颗粒气溶胶，但是随着油雾的附着饱和，吸附能力会逐渐减弱，必须经常更换再生吸附材料，运行成本较高，而且一些吸附材料会导致烟囱风阻过大不利于排烟；特殊设计结构吸附、过滤材料除油装置配合水处理设备使用，能够克服一般吸附材料的缺点，但也存在部分水汽喷出的缺点。高压静电方式虽然具有小颗粒气溶胶去除能力强，不会造成二次污染的优点，但其耗电量大，运行成本高，且电源在产生高压静电的过程中会发出大量的热量，一旦热量散发不出去，则会影响电源的工作状态。

发明内容

为了解决上述至少一个技术问题，本发明提出了一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，用于产生净化油烟用的电晕区。

所述电源包括：电路结构、电源控制器、功率器件和散热器，所述电路结构与所述功率器件电性连接，所述电路结构用于将输入的交流电转化为高频直流电，以供应所述功率器件产生高频电压，并形成电晕区；所述电源控制器与所述电路结构电性连接，当所述电源处于待机状态时，所述电源控制器控制所述电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式；所述散热器贴附于所述功率器件，用于散去所述功率器件产生的多余热量。

进一步的，所述电路结构包括：

整流滤波电路，用于将输入的交流电变为平滑的直流电；

保护电路，包括过电压保护电路和过电流保护电路，所述过电压保护电路用于防止因电压故障而导致电压过高的现象，所述过电流保护电路用于防止因电流故障而导致电流过高的现象；

高频变压器电路：用于实现电压的变换；

开关变换电路，用于将整流后的直流电变成高频方波电流；

反馈电压电路，用于保证输出电压的稳定。

进一步的，所述电源控制器采用PWM控制电路，通过调节脉冲宽度改变占空比，以达到对输出电压的调节功能。

进一步的，所述PWM控制电路包括：

误差放大器，用于比较输出反馈信号与基准电压，将误差电压信号放大处理；

PWM比较器，用于将误差电压信号与锯齿波信号比较，通过脉冲宽度调制原理，得到适当的脉冲宽度；

PWM逻辑模块，用于输出驱动脉冲，并控制所述电源的开启和关断。

进一步的，当所述电源处于重载时，辅助绕组电压大，辅助准谐振信号构成的延时电路到达FB端，内部比较器对该信号进行比较，所述电路结构工作在准谐振模式，当电源处于轻载或待机时，辅助绕组电压小，辅助准谐振信号不能传输至FB端，且FB端的电压小于预设的一个门限电压，不能触发准谐振模式，所述电路结构工作在低频的脉宽调制控制模式。

进一步的，所述散热器的热阻与所述功率器件的功耗之间的关系为

其中，Δt_h为功率器件壳温与散热器周边温度之间的温差，P为功率器件的功耗。

进一步的，所述散热器包括底板和多个散热片，所述功率器件贴附于所述底板的一面，多个散热片分别固定于所述底板的另一面；多个散热片包括三部分，第一部分由所述功率器件所覆盖，其包括n₁个散热片，第二部分和第三部分分别位于所述功率器件的两边，第二部分包括n₂个散热片，第三部分包括n₃个散热片，通过计算散热器的热阻来确定所述散热器的规格。

进一步的，第一部分的热阻的计算公式为：

其中，

W_m为功率器件的宽度，L为散热器的长度，a散热片的高度，b为底板的厚度，d为散热片的厚度，k为散热器材料的热传导系数，h为散热片与空气的对流传热系数；

第二部分的热阻的计算公式为：

其中，

第三部分的热阻与第二部分的热阻计算公式相同；

散热器的总热阻表示为R_{qs_a}＝R_{qs_a1}//R_{qs_a2}//R_{qs_a3}。

进一步的，所述散热器还包括风机，其用于将流经所述功率器件的热空气抽出，其中，风量、总耗散热量级空气温升之间的关系式为：

其中，q_m为空气的质量流量，Q为功率器件的总发热量，C_p为空气的定压比热容，Δt为风机出、进风口的空气温差，根据预设的总发热量和空气温差，推算出所需要空气的质量流量，并根据所述空气质量流量选定出对应的风机。

进一步的，所述油烟净化器还包括电晕极和两个集油板，两个集油板分别位于所述电晕极的相对两侧，所述电源电性连接于所述电晕极，两个集油板接地；当所述电源的高压电流流经所述电晕极时，所述电晕极产生分布不均匀的强电场，使电晕极周围的气体被电离，电离的粒子附在油烟粒子上，油烟粒子因带有电荷而受到电场作用，移动至两侧的集油板。

本发明的油烟净化器用易散热低功耗智能电源用于净化油烟，其通过散热器对功率器件进行散热处理，确保功率器件能够稳定运行。另外，当所述电源处于待机状态时，本发明还通过电源控制器控制电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式，从而有效降低了电源的功耗，进一步节省了油烟净化器的运行成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1示出了本发明一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源的框图；

图2示出了本发明一种开关变换电路图；

图3示出了本发明一种PWM调制模式工作波形图；

图4示出了本发明一种油烟浓度检测方法的流程图；

图5示出了本发明一种散热器的结构示意图；

图6示出了图5所示的散热器的等效热阻模型图；

图7示出了本发明一种油烟净化器的工作原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了本发明一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源的框图。

如图1所示，所述电源，用于产生净化油烟用的电晕区，所述电源包括：电路结构、电源控制器、功率器件和散热器，所述电路结构与所述功率器件电性连接，所述电路结构用于将输入的交流电转化为高频直流电，以供应所述功率器件产生高频电压，并形成电晕区；所述电源控制器与所述电路结构电性连接，当所述电源处于待机状态时，所述电源控制器控制所述电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式；所述散热器贴附于所述功率器件，用于散去所述功率器件产生的多余热量。

根据本发明的实施例，所述电路结构包括：

整流滤波电路，用于将输入的交流电变为平滑的直流电；

保护电路，包括过电压保护电路和过电流保护电路，所述过电压保护电路用于防止因电压故障而导致电压过高的现象，所述过电流保护电路用于防止因电流故障而导致电流过高的现象；

高频变压器电路：用于实现电压的变换；

开关变换电路，用于将整流后的直流电变成高频方波电流；

反馈电压电路，用于保证输出电压的稳定。

根据本发明的实施例，所述电路结构还包括高频变换器，所述高频变换器在所述电源控制器的作用下，将高频电流变换为低频电流，以使所述电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式，进而降低了电源待机状态时的功耗。

需要说明的是，所述电源的输入端接入的是交流电，首先通过输入级的整流电路，本发明优选采用桥式整流电路，具体的，桥式整流电路由四个二极管构成，当交流电通过各个二极管的整流桥时，两个二极管两两交替导通与关闭，因为二极管具有单向导通性，输入的交流电变为脉动直流电，在经过滤波电容变为较为平滑的直流电。滤波电路优选采用电磁抗干扰滤波，所述电磁抗干扰滤波在消除电网干扰的同时还能防止高压电源产生的谐波分量污染电源。

保护电路包括输入保护电路和输出保护电路。输入保护电路采用的是慢速熔丝管与压敏电阻器构成的保护电路。慢速熔丝管能在出现非故障性脉冲电流时正常工作，并对长时间的过载提供保护。慢速熔丝管采用特殊工艺制成的熔体，具有吸收能量的作用，适当调节能量吸收比，可使它既能抗浪涌电流，又能对过载进行有效保护。可以理解，所选熔丝管的额定电压应大于被保护回路的输入电压。压敏电阻器是以氧化锌或碳化硅为主要材料而制成的金属-氧化物-半导体陶瓷元件，其电阻值随端电压而变化。

上述过电压保护电路和过电流保护电路属于输出保护电路，过电压保护电路由晶闸管(SCR)构成，一旦出现电压故障，由过电压检测电路产生的信号就立即触发晶闸管使之导通，与此同时输出电容器进行放电，使输出电压迅速降低，从而起到过电压保护的作用。所述过电流保护电路通过外部MOSFET的通态电阻来检测负载电流，不需要检测电阻，这样不仅能降低功耗，而且可降低成本，简化电路设计。

根据本发明的实施例，所述高频变压器电路包括高频变压器，所述高频变压器的低压绕组的导线采用的是漆包线，通过薄电缆纸实现了导线层间的绝缘，厚度在0.02mm左右。高频变压器磁芯材料可以采用软磁材料，优选的，所述软磁材料为铁氧体材料、坡墨合金材料或纳米晶材料等。所述高频变压器的导线线圈的线经范围为0.4～0.6mm，优选为0.4mm。

根据本发明的实施例，开关变换电路是通过变压隔离型全桥变换来实现，如图2所示，四个MOSFET管分别和由电容、电阻、二极管组成的缓冲器并联在一起，这样可以在电路瞬间断开的时候有一个导通通道，漏极承受的电压不至于太大，以保护电路。开关变换电路的工作原理具体分析如下：全桥电路的两臂由MOSFET管Q1、Q4，Q2、Q3构成，当驱动信号由PWM控制电路产生时，生成的V1、V2两个驱动信号分别来控制全桥电路的两臂，假定V1驱动Q1、Q4这个桥臂，V2驱动Q2、Q4这个桥臂，V1、V2互补且占空比不超过0.5，即两个信号不会同时为高电平。V1经过时，Q1、Q4导通，电流由Q1到达变压器原边，V2经过时，电流由Q3到达原边，因此在变压器的原边会形成与PWM驱动信号频率相同的方波的正弦信号。

根据本发明的实施例，所述电源控制器采用PWM控制电路，通过调节脉冲宽度改变占空比，以达到对输出电压的调节功能。

可以理解，当外部环境以及内部器件相关参数变化的情况下，通过对反馈信号以及基准信号差值的闭环控制，调节开关脉冲宽度，调整占空比，使得输出电压趋于稳定。

进一步的，所述PWM控制电路包括：

误差放大器，用于比较输出反馈信号与基准电压，将误差电压信号放大处理；

PWM比较器，用于将误差电压信号与锯齿波信号比较，通过脉冲宽度调制原理，得到适当的脉冲宽度；

PWM逻辑模块，用于输出驱动脉冲，并控制所述电源的开启和关断。

如图3所示，在误差放大器中输出端分压电阻的反馈电压同基准电压的差值得到放大，然后PWM比较器一端接误差放大信号，另一输入端接锯齿波信号，当误差放大器的输出值小于锯齿波电压时，PWM输出高电压使得电源的功率开关管导通，反之当误差放大器的输出值大于锯齿波电压时，PWM输出低电压使得电源的功率开关管关断。

对于工作在高频工作模式的电源，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如，对于准谐振式电源(工作频率为几百kHz到几MHz)，可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM(几十kHz)。

如图4所示，当所述电源处于重载时，辅助绕组电压大，R1分压大于0.6V，Q1导通，辅助准谐振信号经过D1，D2，R3，C2构成的延时电路到达FB脚，内部比较器对该信号进行比较，所述电路结构工作在准谐振模式。当电源处于轻载或待机时，辅助绕组电压小，Q1关断，辅助准谐振信号不能传输至FB端，且FB端的电压小于芯片内部的一个门限电压，不能触发准谐振模式，所述电路结构工作在低频的脉宽调制控制模式。

进一步的，所述散热器包括风机，其用于将流经所述功率器件的热空气抽出，其中，风量、总耗散热量级空气温升之间的关系式为：

其中，q_m为空气的质量流量，Q为功率器件的总发热量，C_p为空气的定压比热容，Δt为风机出、进风口的空气温差，根据预设的总发热量和空气温差，推算出所需要空气的质量流量，并根据所述空气质量流量选定出对应的风机。

另外，空气的体积流量与其质量、流量的关系为：

q_v＝60q_mγ^-1 (式2)，

其中，q_v为空气的体积流量，γ为空气密度，且常温下，γ＝1.23kg/m³。

在实际应用中，功率器件的总发热量测得为1131W，风机进口空气温度为环境温度25度，出口空气温度低于功率器件工作温度，且功率器件工作温度为50度，可得到Δt＝25度，由式1和式2可以计算出功率器件所需要的分量q_v。

根据风量q_v可以算得电源内部风速v_ch的大小为：

上述式3中，v_ch为风速，S为风口面积，设定风机的直径D＝200mm，风机可提供的最大风速为v_{ch_max}＝6.9m/s。

根据本发明的实施例，所述散热器的热阻与所述功率器件的功耗之间的关系为：

其中，Δt_h为功率器件壳温与散热器周边温度之间的温差，P为功率器件的功耗。

假设风机进出口空气温度的平均值为散热器的环境温度，即38度，为了把功率器件壳温(壳体的温度)控制在70度以下(此温度下功率器件能够正常运行)，可得Δt_h＝32度，由上述式4可以得到散热器的热阻R_h＝0.028度/W。

如图5和6所示，所述散热器还包括底板和多个散热片，所述功率器件贴附于所述底板的一面，多个散热片分别固定于所述底板的另一面；多个散热片包括三部分，第一部分由所述功率器件所覆盖，其包括n₁个散热片，第二部分和第三部分分别位于所述功率器件的两边，第二部分包括n₂个散热片，第三部分包括n₃个散热片，通过计算散热器的热阻来确定所述散热器的规格。

第一部分的热阻的计算公式为：

其中，

W_m为功率器件的宽度，L为散热器的长度，a散热片的高度，b为底板的厚度，d为散热片的厚度，k为散热器材料的热传导系数，h为散热片与空气的对流传热系数；

其中，s为散热器的散热片间距，k_f为空气流体的导热系数，常温常压下k_f＝0.027W/m.k，N_u为Nusselt系数。

其中，P_r为普朗特系数，对于空气而言，P_r＝0.7，

为风道修正雷诺数，其值为：

其中，R_es为雷诺数，v_ch为风道的平均风速，v为空气动力粘度，常温常压下v＝1.86×10^-5Pa.s，L为散热器长度。

第二部分的热阻的计算公式为：

其中，

第三部分的热阻与第二部分的热阻计算公式相同；

散热器的总热阻表示为：

R_qs-a＝R_qs-a1//R_{qs_a2}//R_{qs_a3} (式10)。

根据所选用功率器件的尺寸可以初步确定散热器规格范围，假设功率器件宽度W_m＝176mm，则散热器宽度应该满足W≥180mm。

优选的，所述散热器为铝材，其热传导系数k＝225W/m.k，其规格为长度L＝420mm，底板厚度b＝15mm，散热片厚度d＝1mm，散热片间隔s＝2mm，散热片高度a＝90mm，故n₁＝35；为满足W≥180mm，设n₃＝25，而第二部分的散热片数作为优化变量，即n₂≥0，对应的散热器宽度为W＝180+3n₂。

设所需的风量全部通过散热器，故最下风速v_{ch_min}对应的风口面积为散热器的风道总面积S_hs。设定S_hs＝(n₁+n₃)as，由式3可求得最小风速v_{ch_min}＝2.5m/s。

根据最小风速v_{ch_min}和最大风速v_{ch_max}，可知平均风速为v_ch＝4.9m/s。根据上述式5～式10，可以得出在平均风速下，当n₂＝10时，即散热器宽度为210mm时，总热阻接近0.028度/W。

如图7所示，所述油烟净化器还包括电晕极和两个集油板，两个集油板分别位于所述电晕极的相对两侧，所述电源电性连接于所述电晕极，两个集油板接地；当所述电源的高压电流流经所述电晕极时，所述电晕极产生分布不均匀的强电场，使电晕极周围的气体被电离，电离的粒子附在油烟粒子上，油烟粒子因带有电荷而受到电场作用，移动至两侧的集油板，达到静电油烟净化的目的。

本发明的油烟净化器用易散热低功耗智能电源用于净化油烟，其通过散热器对功率器件进行散热处理，确保功率器件能够稳定运行。另外，当所述电源处于待机状态时，本发明还通过电源控制器控制电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式，从而有效降低了电源的功耗，进一步节省了油烟净化器的运行成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，用于产生净化油烟用的电晕区，其特征在于，所述电源包括：电路结构、电源控制器、功率器件和散热器，所述电路结构与所述功率器件电性连接，所述电路结构用于将输入的交流电转化为高频直流电，以供应所述功率器件产生高频电压，并形成电晕区；所述电源控制器与所述电路结构电性连接，当所述电源处于待机状态时，所述电源控制器控制所述电路结构由高频工作模式切换至低频工作模式；所述散热器贴附于所述功率器件，用于散去所述功率器件产生的多余热量；所述散热器的热阻与所述功率器件的功耗之间的关系为

其中，Δt_h为功率器件壳温与散热器周边温度之间的温差，P为功率器件的功耗。

2.根据权利要求1所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，所述电路结构包括：

整流滤波电路，用于将输入的交流电变为平滑的直流电；

保护电路，包括过电压保护电路和过电流保护电路，所述过电压保护电路用于防止因电压故障而导致电压过高的现象，所述过电流保护电路用于防止因电流故障而导致电流过高的现象；

高频变压器电路：用于实现电压的变换；

开关变换电路，用于将整流后的直流电变成高频方波电流；

反馈电压电路，用于保证输出电压的稳定。

3.根据权利要求1所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，所述电源控制器采用PWM控制电路，通过调节脉冲宽度改变占空比，以达到对输出电压的调节功能。

4.根据权利要求3所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，所述PWM控制电路包括：

误差放大器，用于比较输出反馈信号与基准电压，将误差电压信号放大处理；

PWM比较器，用于将误差电压信号与锯齿波信号比较，通过脉冲宽度调制原理，得到适当的脉冲宽度；

PWM逻辑模块，用于输出驱动脉冲，并控制所述电源的开启和关断。

5.根据权利要求1所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，当所述电源处于重载时，辅助绕组R1电压大，辅助准谐振信号构成的延时电路到达电源控制器的芯片FB端，内部比较器对该信号进行比较，所述电路结构工作在准谐振模式，当电源处于轻载或待机时，辅助绕组R1电压小，辅助准谐振信号不能传输至FB端，且FB端的电压小于预设的一个门限电压，不能触发准谐振模式，所述电路结构工作在低频的脉宽调制控制模式。

6.根据权利要求1所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，所述散热器包括底板和多个散热片，所述功率器件贴附于所述底板的一面，多个散热片分别固定于所述底板的另一面；多个散热片包括三部分，第一部分由所述功率器件所覆盖，其包括n₁个散热片，第二部分和第三部分分别位于所述功率器件的两边，第二部分包括n₂个散热片，第三部分包括n₃个散热片，通过计算散热器的热阻来确定所述散热器的规格。

7.根据权利要求6所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，第一部分的热阻的计算公式为：

其中，

W_m为功率器件的宽度，L为散热器的长度，a散热片的高度，b为底板的厚度，d为散热片的厚度，k为散热器材料的热传导系数，h为散热片与空气的对流传热系数；

第二部分的热阻的计算公式为：

其中，

s为散热器的两个散热片间距；

第三部分的热阻与第二部分的热阻计算公式相同；

散热器的总热阻表示为R_{qs_a}＝R_{qs_a1}//R_{qs_a2}//R_{qs_a3}，R_{qs_a1}//R_{qs_a2}//R_{qs_a3}表示R_{qs_a1}，R_{qs_a3}，R_{qs_a3}并联后的等效电阻，其中符号//表示并联。

8.根据权利要求1所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，所述散热器还包括风机，其用于将流经所述功率器件的热空气抽出，其中，风量、总耗散热量级空气温升之间的关系式为：

其中，q_m为空气的质量流量，Q为功率器件的总发热量，C_p为空气的定压比热容，Δt为风机出、进风口的空气温差，根据预设的总发热量和空气温差，推算出所需要空气的质量流量，并根据所述空气质量流量选定出对应的风机。

9.根据权利要求1所述的一种油烟净化器用易散热低功耗智能电源，其特征在于，所述油烟净化器还包括电晕极和两个集油板，两个集油板分别位于所述电晕极的相对两侧，所述电源电性连接于所述电晕极，两个集油板接地；当所述电源的高压电流流经所述电晕极时，所述电晕极产生分布不均匀的强电场，使电晕极周围的气体被电离，电离的粒子附在油烟粒子上，油烟粒子因带有电荷而受到电场作用，移动至两侧的集油板。

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