CN110404721A - 一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，包括机壳，设置在机壳表面的水雾喷口，放置在机壳内腔中的水箱，驱动、控制集成电路板及分别与之电连接的电化学水电解电极模组，超声波水、气混合雾化器，电池和磁性感应开关；电化学水电解电极模组进行电解反应产生的气体使得水箱内部持续增压，为超声波水、气混合雾化器持续提供水气混合物；超声波水、气混合雾化器对富含氢的液体及氢气进行超高频震荡，获得富含氢元素的极小颗粒雾化汽；并采用AD采样算法，对超声波水、气混合雾化器和电化学水电解电极模组进行输入功率的调节，达到清理超声波水、气混合雾化细微孔上堵塞物和保障系统稳定工作的目的。

Description

一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器

技术领域

本发明涉及一种微纳米氢气水雾发生器，尤其是一种通过超高频声波震荡方式制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，用于制取富含氢元素、ORP负电位特性、富含小分子团的雾气，应用于汽水、雾化器、加湿器、美容、皮肤护理等相关行业。

背景技术

氢气水雾发生器主要用于雾化器、加湿器、美容、皮肤护理、消毒杀菌、医疗卫生、农业科技化等技术领域，特别是随着经济的发展、科技的进步，人们生活水平日益提高，氢气水雾发生器进入了更多普通大众的家庭。

目前，现有的氢气水雾发生器主要存在以下技术缺点，1、气体的水溶存度不够理想；2、氢气与水在常温环境下的不能够充分混合；3、水气混合物的汽化率有待提升；4、水气混合雾化过程中没有缺水保护；5、电化学水电解电极模组的使用寿命不长；6、产品的生产成本、维护成本过高。尤其是在声波水、气混合雾化器持续工作过程中，水中的金属矿物质将对微孔进行持续的堆积进而造成对微孔的堵塞，最终影响产品使用效果。

故而研发设计一款新型的微纳米氢气水雾发生器，以适应市场的要求。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本发明提供一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，以通过超高频声波震荡方式使得水汽混合物充分的混合与雾化。

为实现上述目的，本发明提供一种通过超高频声波震荡方式制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，包括机壳，设置在机壳表面的水雾喷口，放置在机壳内腔中的水箱，驱动、控制集成电路板及分别与之电连接的电化学水电解电极模组，超声波水、气混合雾化器，电池和磁性感应开关；

所述的水箱包括水箱体和密封盖，水箱体底面开设有氧气输出口，其底部侧面开设氢水输出口；

所述的电化学水电解电极模组包括电解槽、将电解槽分隔为阴极室和阳极室的质子分离膜，分别紧贴质子分离膜两侧面的阴极板和阳极板，阴极板与水箱内的水体直接接触；电化学水电解电极模组以阴极板居上、阳极板居下的方式放置在水箱内底面，且电解槽进水口和氢水输出口与水箱连通，氧水输出口与水箱氧气输出口连通；

所述的超声波水、气混合雾化器包括均布有微孔的雾化片，雾化片两面分别紧密接触水箱氢水输出口和机壳水雾喷口。

上述技术方案的工作原理和工作过程如下：电化学水电解电极模组位于水箱内底面，以阴极板居上、质子分离膜居中、阳极板居下的方式放置，且电解槽的进水口和氢水输出口与水箱连通，氧水输出口与水箱底部的氧气输出口连通。工作时，阴极板和阳极板直接对水进行电化学水电解，进而产生氢气和氧气，主化学方程式为：2H₂0＝2H₂+O₂，并使用SPE质子分离膜对阴极板和阳极板分别产生的氢气和氧气进行分离，再分别从氢水输出口和氧水输出口排出。

具体来说，氧气通过SPE质子分离膜分离后，经水箱底部的氧气输出口排出水箱并排入大气；氢气通过SPE质子分离膜分离后进入水箱内与水体进行融合，制得富含氢气的水溶液，剩余未溶解于水的氢气则滞留于水箱容器中。由于阴极板和水箱中的水体接触，阴极板下面是质子分离膜，质子分离膜下面是阳极板，阳极板产生的氧气因为质子分离膜的作用以及周边密封件的绝对密封而不会进入到水箱内，所以水箱内有且只有水和氢气。

同时，电化学水电解电极模组对水箱内的水体电解后，由于水箱的密闭特性，不断释放于水箱内的气体增大了水箱内的气压，使得水箱内部压力大于大气环境压力，由于气体对于水介质的溶解度因溶解环境的温度、压力的变化而变化，故而本设计提升了溶液中氢的溶存度，为超声波水、气混合雾化器持续提供水气混合体提供了保障，有利于进行后续的雾化处理。

接着，水箱连同末端的超声波水、汽混合雾化器将富含H₂的水溶液及水箱内的氢气进行超高频率的震荡，即雾化片通过超高频率震荡对微孔内通过的气液混合物进行超高频震荡，以实现混合与雾化为微纳米级别的雾气的目的。并且，由于氢气在介质为水的溶解率与温度、压力存在比例关系，气液混合物通过超声波水、气混合雾化器进行超高频的震荡混合，也实现了水与氢气在有限空间环境下的超高频率混合，提升了水中的氢气溶存度。

进一步，本发明还包括安装在水箱外壁上的液位传感器，并与驱动、控制集成电路板连接。液位传感器对水箱内的液体存量进行实时监测，实时保护电化学水电解电极模组和超声波水、气混合雾化器。

进一步，本发明还包括安装在水箱外壁上的液位传感器，与驱动、控制集成电路板连接。

进一步，本发明还包括安装在机壳表面的指示灯，与驱动、控制集成电路板连接。

进一步，本发明还包括安装在机壳上的按键，与磁性感应开关连接。

进一步，所述的驱动、控制集成电路板上还设有充电口，与机壳的充电线接口对应。

此外，超声波水、气混合雾化器对水气混合物的雾化效率与其工作频率、孔径大小、材料特性有必然关系，以上特性的发挥均以超声波水、气混合雾化器水路前端能够实现稳定流量的水供给为前提。超声波水、气混合雾化器每分钟消耗水气混合物量与微孔每分钟氢气产生量要对应，才能保证水箱内的压强持续稳定，也就是说一定数量微孔需要保持畅通，才能保障超声波水、气混合雾化器前端水供给量的稳定。但是在超声波水、气混合雾化器持续工作过程中，水中的金属矿物质将对微孔进行持续的堆积，当超声波水、气混合雾化器上出现较多沉积物时，将造成超声波水、气混合雾化器的重量增加，在震荡频率恒定的前提下，超声波水、气混合雾化器的负载增大，直接表现为超声波水、气混合雾化器工作时的功率需求产生了变化，进而造成微孔的堵塞，最终影响产品的使用效果。

为解决上述技术问题，本发明的驱动、控制集成电路板包括开关电路、电池充电管理电路、MCU主控电路和电解器供电电路；其中，开关电路用于控制整机的开关；电池充电管理电路用于管理电池的充电放电的过程，满足电池充电放电的电流电压调节需要；MCU主控电路用于管理整机的开关，以及超声波水、气混合雾化器和电化学水电解电极模组的电压电流的协调工作；电解器供电电路用于根据主MCU主控电路的指令分配给电化学水电解电极模组合适的电流，来满足电化学水电解电极模组的工作需要。

进一步，所述的MCU主控电路如下：核心处理芯片U1的型号为CA51F351P4，核心处理芯片U2的型号是MDD1653；连接器CON2的引脚2经电阻R7连接接口TX，引脚3经电阻R11连接接口RX；核心处理芯片U1的引脚1分别连接电容C5一端、电阻R1一端、连接器CON2的引脚1；核心处理芯片U1的引脚2经电容C4连接电容C5另一端后接地；电阻R1另一端连接接口VUSB；核心处理芯片U1的引脚3电阻R3一端，电阻R3另一端连接接口VBAT；核心处理芯片U1的引脚4、5分别连接接口TX、RX；核心处理芯片U1的引脚6、18、19为空；核心处理芯片U1的引脚7连接充电接口；核心处理芯片U1的引脚8连接接口EN；核心处理芯片U1的引脚10连接充满接口；核心处理芯片U1的引脚9连接电阻R5一端、电容C7一端，且电容C7另一端接地；电阻R5另一端分别连接电阻R6一端、电容C8一端；电阻R6另一端分别连接电阻R8的一端、核心处理芯片U2的源极S；核心处理芯片U1的引脚11连接发光二极管LED1正极，发光二极管LED1负极与开关接口的引脚2相连并接地；开关接口的引脚1通过接口OutA连接核心处理芯片U1的引脚12；且开关接口连接开关电路；核心处理芯片U1的引脚14连接引脚IoutB，引脚15连接引脚IoutA，引脚17经电阻R2连接触摸区TP；引脚16连接接口EN1；核心处理芯片U1的引脚13经电阻R4分别连接电容C9一端、电阻R10一端，核心处理芯片U2的栅极G；电阻R8另一端、电容C9另一端、电阻R10另一端、电容C8另一端相连后接地；核心处理芯片U1的引脚20接地，电容C1一端、电容C2一端并接地，且电容C1另一端、电容C2另一端相连后分别连接接口VUSB、电感L1的3端；电感L1的2端连接核心处理芯片U2的漏极D，电感L1的1端连接超声波水、气混合雾化器的引脚1、电容C6一端，且超声波水、气混合雾化器的引脚2、电容C6另一端相连后接地。

进一步，所述的电解器供电电路如下：核心处理芯片U3、U5的型号是FP8013；核心处理芯片U3的引脚1分别连接电阻R12一端、电阻R18一端，且电阻R12另一端连接接口EN；核心处理芯片U3的引脚2、3相连并分别连接接口VUSB、电容C12一端；核心处理芯片U3的引脚4分别连接电阻R16一端、电阻R17一端、电解极片负极；电阻R16另一端连接MOS管Q1的漏极D，MOS管Q1的栅极G分别连接电阻R27一端、电阻R28一端，电阻R27另一端连接接口IoutA，电阻R28另一端与MOS管Q1的源极S相连后接地；核心处理芯片U3的引脚6经电感L3分别连接电容C13一端、电容C14一端、电阻R13一端，电阻R13另一端连接电解极片正极；核心处理芯片U3的引脚5和引脚0、电阻R18另一端、电容C12另一端、电阻R17另一端、电容C13另一端、电容C14另一端相连后接地；核心处理芯片U3的引脚7、8为空；核心处理芯片U5的引脚1分别连接电阻R22一端、电阻R24一端，且电阻R22另一端连接接口EN1；核心处理芯片U5的引脚2、3相连并分别连接接口VUSB、电容C3一端；核心处理芯片U5的引脚4分别连接电阻R26一端、电阻R25一端、电解极片负极；电阻R26另一端连接MOS管Q2的漏极D，MOS管Q2的栅极G分别连接电阻R29一端、电阻R30一端，电阻R29另一端连接接口IoutA，电阻R30另一端与MOS管Q2的源极S相连后接地；核心处理芯片U5的引脚6经电感L4分别连接电容C17一端、电容C18一端、电阻R23一端，电阻R23另一端连接电解极片正极；核心处理芯片U5的引脚5和引脚0、电阻R24另一端、电容C3另一端、电阻R25另一端、电容C17另一端、电容C18另一端相连后接地；核心处理芯片U5的引脚7、8为空。

进一步，所述的电池充电管理电路如下：核心处理芯片U4的型号是ETA9742；核心处理芯片U4的引脚1经电感L2分别连接接口VBAT、核心处理芯片U4的引脚6、电容C10一端，电容C11一端，且电容C10另一端、电容C11另一端、核心处理芯片U4的引脚8相连后接地；核心处理芯片U4的引脚2为空；核心处理芯片U4的引脚3分别连接电阻R21一端、电阻R20一端，且电阻R21另一端连接接口VUSB，电阻R20另一端连接充电接口；核心处理芯片U4的引脚4分别连接电阻R14一端、电阻R19一端，且电阻R14另一端连接充满接口；电阻R19另一端与核心处理芯片U4的引脚0相连后接地；核心处理芯片U4的引脚7分别连接接口VUSB、电容C15一端、电容C16一端；核心处理芯片U4的引脚5连接电阻R15一端，且电阻R15另一端、电容C15另一端、电容C16另一端相连后接地。

进一步，所述的开关电路如下：电池接口的引脚1接地，引脚2连接接口VBAT；USB充电接口CON1的引脚1连接接口VUSB，引脚2、3为空，引脚4、5相连并接地；干簧管引脚1、2分别连接接线焊盘的引脚1、2。

更进一步，利用上述电路，所述的驱动、控制集成电路板实时监测超声波水、气混合雾化器的工作电流，通过调节电化学水电解电极模组前端电流的方式实现对氢气产生量的调节。

具体的，设：超声波水、气混合雾化器的额定工作电流为A值，预设工作电流为B值，且B值＞A值；电化学水电解电极模组的额定输入电流为a值，预设输入电流为b值，且b值＞a值；

当超声波水、气混合雾化器的实时工作电流到达B值时，驱动、控制集成电路板将电化学水电解电极模组的实时输入电流调整到预设输入电流b值，使得单位时间内氢气产生量的增大；

当超声波水、气混合雾化器的实时工作电流回到A值时，驱动、控制集成电路板将电化学水电解电极模组的实时输入电流调整回额定输入电流a值，使得单位时间内氢气产生量的减少。

上述技术方案的原理在于：一方面，溶解度是指一定温度下，100克溶剂中达到饱和时所能溶解的溶质的克数。定义式：m(溶质)/m(溶剂)＝s(溶解度)/100g(溶剂)，饱和溶液中溶质质量分数＝[s/(100g+s)]*100％，且溶解度与温度有关，会因温度而变化。在同等温度环境下，当箱体内液体质量(溶剂)一定时，氢气(溶质)的参与量及参与的速度决定了溶液达到饱和值所需的时间的长短既速度的快慢。通过调节电解槽前端电流大小的方式实现了电化学反应时产生氢气(溶质)量的变化，进而实现调节制取饱和氢溶液时间的目的。在水电解反应过程中，每向提供1A的电流所产生的氢气约为7毫升/分钟(ml/min)，则电化学水电解电极模组前端电流越大，其产生的氢气量越大，制取饱和氢溶液时间就越短。

另一方面，气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比关系，由于水箱顶部为气密结构设计，所以当水箱内水(溶剂)的质量不变，温度一定时，电解器持续产生氢气(溶质)未及时溶解于水中的氢气在水箱内堆积产生气压，进而提升溶液中氢的溶存度，此为加压溶解法。则电化学水电解电极模组产生的氢气量越大，溶液中氢的溶存度越高。

因此，本发明采用驱动、控制集成电路板对超声波水、气混合雾化器的工作功率进行实时监测。当超声波水、气混合雾化器的工作功率出现较大变化时，驱动、控制集成电路板通过软件算法对电化学水电解电极模组的输入功率进行对应的调整，通过增大氢气的产生量，改变水箱内的气压值，实现对超声波水、气混合雾化器前端水路压力的增大，也就实现了对细微通孔前端压力的增大，最终通过增大压力的方式迫使微通孔上堵塞物受压排出，保障了系统的稳定性和使用寿命。解决微孔堵塞的问题后，当超声波水、气混合雾化器的工作功率回归到一定值时，驱动、控制集成电路板自动对电化学水电解电极模组的输入功率进行调整，通过降低氢气的产生量，使得水箱内的压力回归正常，以实现系统水路压力环境的平衡。

综上，相比现有技术，本发明的技术优点在于：

1、电化学水电解采用模块化的包含有阴极板、质子分离膜、阳极板、密封件的电化学水电解电极模组，而不是直接采用电极棒，且不需要单独的氢气收集器、加水管、气体分离器(质子膜实现)、氢气收集管，也不需要气量调节阀、喷雾盘、无量调节阀等部件。

2、电化学水电解电极模组进行电解反应产生的气体使得水箱内部持续增压，能够为超声波水、气混合雾化器持续提供水气混合物。

3、采用超声波水、气混合雾化器对富含氢的液体及氢气进行超高频震荡，提升了气体的水溶存度和水气混合物的汽化率，实现了氢气与水在常温环境下的微纳米级混合雾化，获得了富含氢元素的极小颗粒雾化汽，且气液混合雾化效率高。

4、采用AD采样算法，对超声波水、气混合雾化器和电化学水电解电极模组进行输入功率的调节，达到调节系统水路系统的压力，清理超声波水、气混合雾化细微孔上堵塞物，以及保障系统稳定工作的目的。

5、采用液位传感器对水箱内的水位进行监测，保障系统在液体处于安全值内能够有效的工作，实现在水气混合雾化过程中的缺水保护，并对系统和使用者的安全保护。

6、产品的体积小巧，方便携带使用。电能量使用效率高，水的消耗量小，可用时效长。同时，降低了产品的使用难度，节约了生产成本和维护成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理示意图；

图3a为本发明的开关电路图；

图3b为本发明的电池充电管理电路图；

图3c为本发明的MCU主控电路图；

图3d为本发明的电极片供电电路图；

图4为本发明驱动、控制集成电路板主程序工作流程图；

图5为本发明超声波水、气混合雾化器所处水箱水量检测子程序流程图；

图6为本发明超声波水、气混合雾化器启动子程序流程图；

图7为本发明电池电压检测子程序流程图；

图8为本发明超声波水、气混合雾化器堵塞监测子程序流程图；

图9为本发明超声波水、气混合雾化器防堵塞处理子程序流程图；

图中：1、电化学水电解电极模组，2、液位传感器，3、水箱，31、水箱体，32、密封盖，4、磁性感应开关，5、超声波水、气混合雾化器，6、电池，7、驱动、控制集成电路板，8、充电口，9、按键，10、指示灯。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

本发明的结构如图1、2所示，包括机壳，设置在机壳表面的水雾喷口、按键9和指示灯10，放置在机壳内腔中的支架，安装在支架上的水箱3，驱动、控制集成电路板7及分别与之电连接的电化学水电解电极模组1，超声波水、气混合雾化器5，安装在水箱3外壁的液位传感器2，电池6，充电口，与按键9对应的磁性感应开关4和指示灯10。

其中，水箱3为密封结构，包括水箱体31和密封盖32，水箱体31底面开设有氧气输出口，其底部侧面开设氢水输出口。如图2所示，氧气输出口与电解槽氧水输出口连通，以便于水箱3内的电解槽向外排出氧气。氢水输出口与超声波水、气混合雾化器5连通，以向超声波水、气混合雾化器5持续输出水气混合物。并且，液位传感器2对水箱3内的水位进行监测，保障系统在液体处于安全值内有效工作。

电化学水电解电极模组1包括半密封的电解槽、将电解槽分隔为阴极室和阳极室的质子分离膜，分别位于阴极室和阳极室的阴极板和阳极板，且阴极板与水箱内的水体直接接触并紧贴质子分离膜一侧面，阳极板紧贴质子分离膜另一侧面。如图2所示，电化学水电解电极模组1以阴极板居上、阳极居板下的方式放置在水箱内底面，且电解槽进水口和氢水输出口与水箱连通，氧水输出口与水箱氧气输出口连通，因此电化学水电解电极模组1进行电解反应产生的氧气自水箱3氧气输出口排出，氢气则排进水箱3内，使得密封的水箱3内部持续增压，在压力的作用下，水箱3内的水气混合物持续供予为超声波水、气混合雾化器5。

超声波水、气混合雾化器5包括均布有微孔的雾化片，雾化片两面分别紧密接触水箱3氢水输出口和机壳水雾喷口。雾化片用于对富含氢的液体及氢气进行超高频震荡，以获得富含氢元素的极小颗粒雾化汽。

本发明的内部控制电路如图3a-3d所示，包括开关电路、电池充电管理电路、MCU主控电路和电解器供电电路。其中，电池充电管理电路主要管理电池的充电放电的过程，满足电池充电放电的电流电压调节需要；MCU主控电路主要用于管理整机的开关，以及雾化片和电解器的电压电流的协调工作；电解器供电电路用于利用主MCU给的指令分配给电解器合适的电流来满足电解器的工作需要。

其中，开关电路如图3a所示，电池接口的引脚1接地，引脚2连接接口VBAT，即连接到电池的正极。USB充电接口CON1的引脚1连接接口VUSB，即连接+5V供电；引脚2、3为空，引脚4、5相连并接地。开关电路的干簧管引脚1、2分别连接接线焊盘的引脚1、2。

电池充电管理电路如图3b所示，核心处理芯片U4在电池充电管理电路的功能是电池充电和升压管理电路，目前用的型号是ETA9742；核心处理芯片U4的引脚1经电感L2分别连接接口VBAT(电池的正极)、核心处理芯片U4的引脚6、电容C10的一端，电容C11的一端，且电容C10另一端、电容C11另一端、核心处理芯片U4的引脚8相连后接地；核心处理芯片U4的引脚2为空；核心处理芯片U4的引脚3分别连接电阻R21一端、电阻R20一端，且电阻R21另一端连接接口VUSB(5V正电)，电阻R20另一端连接充电检测电路，用于检测电池是不是在充电状态；核心处理芯片U4的引脚4分别连接电阻R14一端、电阻R19一端，且电阻R14另一端连接电池充满检测电路；电阻R19另一端与核心处理芯片U4的引脚0连接后接地；核心处理芯片U4的引脚7分别连接接口VUSB(5V正电)、电容C15的一端、电容C16的一端；核心处理芯片U4的引脚5连接电阻R15一端，且电阻R15另一端、电容C15另一端、电容C16另一端相连后接地。

MCU主控电路如图3c所示，核心处理芯片U1为MCU主控电路的主控芯片MCU(单片机)，目前使用的型号为CA51F351P4，也可选用其他51系列单片机；核心处理芯片U2在MCU主控电路中主要起开关作用，目前使用的型号是MDD1653，也可选用其他N沟通道场效应管。作为烧录/升级接口的连接器CON2的引脚2经电阻R7连接接口TX，引脚3经电阻R11连接接口RX；核心处理芯片U1的引脚1分别连接电容C5一端、电阻R1一端、连接器CON2的引脚1。核心处理芯片U1的引脚2经电容C4连接电容C5另一端后接地；电阻R1另一端连接接口VUSB(+5V供电)。核心处理芯片U1的引脚3电阻R3一端，电阻R3另一端连接接口VBAT，即连接到电池的正极。核心处理芯片U1的引脚4、5分别连接接口TX、RX；核心处理芯片U1的引脚6、18、19为空。核心处理芯片U1的引脚7连接充电检测电路，用于检测电池是不是在充电状态。核心处理芯片U1的引脚8连接接口EN(即电化学水电解电极模组1使能端)，用于根据整机功能的需要适时输出使能电压，配合电化学水电解电极模组1完成不同的气体能量。核心处理芯片U1的引脚10连接电池充满检测电路,当电池充电充满时，充电电路给此脚电平,核心处理芯片U1根据此脚的电平变化从引脚11输出充满的提示。核心处理芯片U1的引脚9连接电阻R5一端、电容C7一端，且电容C7另一端接地；电阻R5另一端分别连接电阻R6一端、电容C8一端；电阻R6另一端分别连接电阻R8的一端、核心处理芯片U2的引脚3(源极S)。核心处理芯片U1的引脚11连接发光二极管LED1的正极，发光二极管LED1的负极与开关接口的引脚2相连并接地；开关接口的引脚1通过接口OutA连接核心处理芯片U1的引脚12，用于控制信号开关机；且开关接口通过连线连接到开关电路的接线焊盘1、2两脚。核心处理芯片U1的引脚14连接引脚IoutB(电极片电流控制脚B)，引脚15连接引脚IoutA(电极片电流控制脚A)，引脚17经电阻R2连接触摸区TP；引脚16连接接口EN1(即电化学水电解电极模组1使能端)。核心处理芯片U1的引脚13经电阻R4分别连接电容C9一端、电阻R10的一端，核心处理芯片U2的引脚1(栅极G)；电阻R8另一端、电容C9另一端、电阻R10另一端、电容C8另一端相连后接地。核心处理芯片U1的引脚20接地，电容C1一端、电容C2一端并接地，且电容C1另一端、电容C2另一端相连后分别连接接口VUSB(5V正极)、电感L1的3端；电感L1的2端连接核心处理芯片U2的引脚2(漏极D)，电感L1的1端是升压后的脉冲电压，分别连接雾化片的引脚1、电容C6的一端，且雾化片的引脚2、电容C6的另一端相连后接地。

电解器供电电路如图3d所示，核心处理芯片U3、U5在电解器供电电路中的功能是恒流电源控制，目前用的型号是FP8013，也可采用其它同样功能的芯片；核心处理芯片U3的引脚1分别连接电阻R12的一端、电阻R18的一端，且电阻R12另一端连接接口EN(即电化学水电解电极模组1使能端),用于根据整机功能的需要适时输出使能电压配合电解器完成不同的气体能量。核心处理芯片U3的引脚2、3相连并分别连接接口VUSB(5V正极)、电容C12的一端。核心处理芯片U3的引脚4分别连接电阻R16的一端、电阻R17的一端、电解极片负极；电阻R16另一端连接MOS管Q1的漏极(D)，MOS管Q1的栅极(G)分别连接电阻R27的一端、电阻R28的一端，电阻R27另一端连接IoutA，电阻R28另一端与MOS管Q1的源极(S)相连后接地；核心处理芯片U3的引脚6经电感L3分别连接电容C13一端、电容C14一端、电阻R13一端，电阻R13另一端连接电解极片正极。核心处理芯片U3的引脚5和引脚0、电阻R18另一端、电容C12另一端、电阻R17另一端、电容C13另一端、电容C14另一端相连后接地。核心处理芯片U3的引脚7、8为空。核心处理芯片U5的引脚1分别连接电阻R22的一端、电阻R24的一端，且电阻R22另一端连接接口EN1(即电化学水电解电极模组1使能端)。核心处理芯片U5的引脚2、3相连并分别连接接口VUSB(5V正极)、电容C3的一端。核心处理芯片U5的引脚4分别连接电阻R26的一端、电阻R25的一端、电解极片负极；电阻R26另一端连接MOS管Q2的漏极(D)，MOS管Q2的栅极(G)分别连接电阻R29的一端、电阻R30的一端，电阻R29另一端连接接口IoutA，用于电流调节，电阻R30另一端与MOS管Q2的源极(S)相连后接地。核心处理芯片U5的引脚6经电感L4分别连接电容C17一端、电容C18一端、电阻R23一端，电阻R23另一端连接电解极片正极。核心处理芯片U5的引脚5和引脚0、电阻R24另一端、电容C3另一端、电阻R25另一端、电容C17另一端、电容C18另一端相连后接地。核心处理芯片U5的引脚7、8为空。

本发明主要工作过程如下：首先，电化学水电解电极模组1水电解产生氢气和氧气，并使用SPE质子膜对阴极板和阳极板所产生的氢气和氧气进行分离。并且，驱动、控制集成电路板7通过设定调节电化学水电解电极模组1前端电流的方式实现对氢气产生量的调节。如当系统判定超声波水、气混合雾化器5表面微孔出现堵塞现象时，驱动、控制集成电路板7增大电化学水电解电极模1的前端电流，以提升单位时间内电化学反应氢气产生量。

其次，由于阳极室周边密封件的绝对密封，氧气通过SPE质子分离膜分离后，经氧水输出口与水箱3氧气输出口排入大气，氢气则通过SPE质子分离膜分离后进入水箱3内，一部分制得富含氢的水溶液，剩余未溶解于水的氢气滞留于水箱3容器中。

接着，由于水箱3的密闭特性，水箱3内的气体增大了水箱内的气压，使得水箱3中的水汽混合物经过氢水输出口向超声波水、气混合雾化器5持续输送。

再者，超声波水、汽混合雾化器5将富含H₂的水溶液及水箱1内的氢气进行超高频率的震荡，雾化混合为微纳米级别的雾气，通过机壳的喷雾口向外输出。

同时，驱动、控制集成电路板7对超声波水、气混合雾化器供电电路进行AD采样，实时监测其工作功率变化情况。当超声波水、气混合雾化器5的工作功率出现较大变化时，驱动、控制集成电路板7对电化学水电解电极模组的输入功率进行对应调整，增大超声波水、气混合雾化器5前端水路的压力，压迫细微孔上堵塞物排出。当超声波水、气混合雾化器5的工作功率回归到一定值后，驱动、控制集成电路板7自动对电化学水电解电极模组1进行输入功率调节，降低超声波水、气混合雾化器5前端水路的压力，实现系统水路压力环境的平衡。

如图4所示，本发明的主要操作流程如下：

开始使用时，先给本机通电，当纳米氢气水雾发生器在电池电量大于1％时，接着判断本机是否插入充电线，若插入充电线，则本机进入充电状态，且在充电状态下，超声波水、汽混合雾化器5停止工作，并且由指示灯10显示充电电量，如：常亮表示满电；闪烁4下表示电量大于75％，闪烁3下表示电量大于50％，闪烁2下表示电量大于25％，闪烁1下表示电量大于25％；若此时拔出充电线则本机进入待机状态。若插入充电线，则本机进入待机状态，然后判断设备是否开机，若没有开机则返回判断本机是否插入充电线这步；若通过触发启动按键开机，则电化学水电解电极模组1开始工作，本机进入制氢状态。

其次，在制氢状态下，本机会一直检测触摸按键9是否按下，若否，则本机保持制氢状态，电化学水电解电极模组1的阴极片和阳极片工作，开始产生氢气；若是，则本机由制氢状态变为制氢+喷雾状态，此时，超声波水、气混合雾化器5的雾化片通过超高频率震荡对微孔内通过的气液混合物进行超高频震荡，实现混合与雾化的目的。

接着，在制氢+喷雾状态下，本机会一直检测触摸按键9是否松开，若触摸按键9松开，本机由制氢+喷雾状态转变为制备氢气状态。若触摸按键9没有松开，则判断30s极限喷雾时间是否结束，本机在制氢+喷雾状态下持续工作30s后会直接结束喷雾进入制备氢气状态，再次按下触摸按键9，本机再次进入制氢+喷雾状态。

并且，驱动、控制集成电路板7上包含了许多算法，使得本机具有更多的功能，提升客户的使用感受，具体介绍如下：

一、当防止超声波水、气混合雾化器5缺水时，为了防止雾化片干烧，延长雾化片的工作时间，驱动、控制集成电路板7上加入了雾化片缺水检测算法，如图5所示，一旦检测到雾化片缺水时就停止雾化片的工作，否则本机继续保持制氢+喷雾状态。

二、驱动、控制集成电路板7上还加入了雾化片启动子程序，在制氢+喷雾状态下，一旦雾化片停止工作需要在启动时，如图6所示，雾化片频率选择算法会判断雾化片是否为第一次启动，若不是则本机继续保持制氢+喷雾状态，若是则雾化片频率选择算法会进行雾化片最佳工作频率的选择，然后再启动雾化片，使得雾化片处于最佳工作频率，此时雾化量最大。

三、只要本机工作时，无论本机处于制氢状态或制氢+喷雾状态，后台检测电池电压子程序都会启动，如图7所示，持续判断本机电池电压是否大于5％，若是，则正常工作指示灯闪烁，且每隔三秒闪烁一次；若否，则低电量指示灯闪烁，且每隔三秒连续闪烁三次。

四、在超声波水、气混合雾化器5工作时，雾化片上的微孔会存在容易堵塞出气孔的情况，为了防止出现此情况，本驱动、控制集成电路板7上加入了堵塞监测子程序。如图8所示，在制氢+喷雾状态下，该堵塞监测算法持续判断微孔是否存在堵塞，若是则进入堵塞情况处理子程序，通过驱动、控制集成电路板7改变电化学水电解电极模组1的功率，若否，则持续监测。

五、雾化器放堵塞处理子程序的运行流程如图9所示，首先通过AD检测得出当前雾化器的电流，判断雾化器电流是否超过额定电流，并计算当前电流与额定电流的百分比差值；其次根据当前电流与额定电流的百分比差值，通过调节PWM的来调节电化学水电解电极模组1的电流，百分比差值越大，PWM占空比越高，电化学水电解电极模组1的电流越大；再者再次判断雾化器电流是否超过额定电流，若是则返回计算当前电流与额定电流的百分比差值这步，若否则调节PWM回到正常工作占空比，降低电化学水电解电极模组1的电流输出，然后返回判断雾化器电流是否超过额定电流这步继续进行。

尤其是，驱动、控制集成电路板7通过调节电解槽前端电流，使单位时间内氢气产生量得到提高，保证水汽混合物对雾化片的稳定供给，最终实现通过增大压力的方式加速堵塞物的排出。进一步的，由AD采样电路监测到超声波水、气混合雾化器5需要进行电解槽前端电流调节的电流阈值后，MCU主控电路对电化学水电解电极模组1前端供电电路进行输出电流的调节，使氢气的产生量增大，水箱3内的气压增大，进而通过增大压力的方式加速堵塞物的排出。接着再次调用堵塞监测子程序实时监测，当监测到堵塞物已经不存在了，超声波水、气混合雾化器5工作功率回归到一定值后，驱动、控制集成电路板7再次调节电化学水电解电极模组1前端电流，对电化学水电解电极模组1进行输入功率调节，使之回到正常工作状态，否则继续调用堵塞监测子程序实施监测。如此，便能达到调节系统水路系统的压力，清理超声波水、气混合雾化器5细微孔上的堵塞物，并保障系统的稳定工作的目的。

具体方法是：超声波水、气混合雾化器的额定工作电流为A值，电化学水电解电极模组的额定输入电流为a值，当超声波水、气混合雾化器的实时工作电流出现非额定值，并上升变化时到预设工作电流B值(B值＞A值)或更大值时，驱动、控制集成电路板系统通过程序控制，对电化学水电解电极模组的实时输入电流进行调整，使之从额定输入电流由a值调整到b值(b值＞a值)或更大值，由此实现调节单位时间内氢气产生量的增大。当超声波水、气混合雾化器的实时工作电流恢复到A值时，驱动、控制集成电路板对电化学水电解电极模组的输入电流进行调整，将电化学水电解电极模组的实时工作电流由b值或更大值调整回a值，由此实现调节单位时间内氢气产生量恢复到额定值。

具体实施例如下：预设超声波水、气混合雾化器5的额定工作电流为200mA，电化学水电解电极模组1的额定输入电流为100mA。当超声波水、气混合雾化器5的实时工作电流超出200mA以外并呈上升变化，如达到260mA时，驱动、控制集成电路板7通过程序控制，对电化学水电解电极模组1前端电流进行调整，使之由100mA增加到130mA。由此实现调节单位时间内氢气产生量的增大。

当超声波水、气混合雾化器5的工作电流恢复到200mA时，驱动、控制集成电路板7通过程序控制，对电化学水电解电极模组1的实时输入电流进行调整，使之由130mA或最大值调整回100mA。由此实现调节单位时间内氢气产生量恢复到额定值。

Claims (10)

1.一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，包括机壳，设置在机壳表面的水雾喷口，放置在机壳内腔中的水箱，驱动、控制集成电路板及分别与之电连接的电化学水电解电极模组，超声波水、气混合雾化器，电池和磁性感应开关；

所述的水箱包括水箱体和密封盖，水箱体底面开设有氧气输出口，其底部侧面开设氢水输出口；

所述的电化学水电解电极模组包括电解槽、将电解槽分隔为阴极室和阳极室的质子分离膜，分别紧贴质子分离膜两侧面的阴极板和阳极板；电化学水电解电极模组以阳极板居上、阴极居板下的方式放置在水箱内底面，且电解槽进水口和氢水输出口与水箱连通，氧水输出口与水箱氧气输出口连通；

所述的超声波水、气混合雾化器包括均布有微孔的雾化片，雾化片两面分别紧密接触水箱氢水输出口和机壳水雾喷口。

2.根据权利要求1所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，还包括安装在水箱外壁上的液位传感器，与驱动、控制集成电路板连接。

3.根据权利要求1所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，还包括安装在机壳表面的指示灯，与驱动、控制集成电路板连接。

4.根据权利要求1所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，还包括安装在机壳上的按键，与磁性感应开关连接。

5.根据权利要求1所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，所述的驱动、控制集成电路板包括开关电路、电池充电管理电路、MCU主控电路和电解器供电电路；其中，开关电路用于控制整机的开关；电池充电管理电路用于管理电池的充电放电的过程，满足电池充电放电的电流电压调节需要；MCU主控电路用于管理整机的开关，以及超声波水、气混合雾化器和电化学水电解电极模组的电压电流的协调工作；电解器供电电路用于根据主MCU主控电路的指令分配给电化学水电解电极模组合适的电流，来满足电化学水电解电极模组的工作需要。

6.根据权利要求5所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，所述的MCU主控电路如下：核心处理芯片U1的型号为CA51F351P4，核心处理芯片U2的型号是MDD1653；连接器CON2的引脚2经电阻R7连接接口TX，引脚3经电阻R11连接接口RX；核心处理芯片U1的引脚1分别连接电容C5一端、电阻R1一端、连接器CON2的引脚1；核心处理芯片U1的引脚2经电容C4连接电容C5另一端后接地；电阻R1另一端连接接口VUSB；核心处理芯片U1的引脚3电阻R3一端，电阻R3另一端连接接口VBAT；核心处理芯片U1的引脚4、5分别连接接口TX、RX；核心处理芯片U1的引脚6、18、19为空；核心处理芯片U1的引脚7连接充电接口；核心处理芯片U1的引脚8连接接口EN；核心处理芯片U1的引脚10连接充满接口；核心处理芯片U1的引脚9连接电阻R5一端、电容C7一端，且电容C7另一端接地；电阻R5另一端分别连接电阻R6一端、电容C8一端；电阻R6另一端分别连接电阻R8的一端、核心处理芯片U2的源极S；核心处理芯片U1的引脚11连接发光二极管LED1正极，发光二极管LED1负极与开关接口的引脚2相连并接地；开关接口的引脚1通过接口OutA连接核心处理芯片U1的引脚12；且开关接口连接开关电路；核心处理芯片U1的引脚14连接引脚IoutB，引脚15连接引脚IoutA，引脚17经电阻R2连接触摸区TP；引脚16连接接口EN1；核心处理芯片U1的引脚13经电阻R4分别连接电容C9一端、电阻R10一端，核心处理芯片U2的栅极G；电阻R8另一端、电容C9另一端、电阻R10另一端、电容C8另一端相连后接地；核心处理芯片U1的引脚20接地，电容C1一端、电容C2一端并接地，且电容C1另一端、电容C2另一端相连后分别连接接口VUSB、电感L1的3端；电感L1的2端连接核心处理芯片U2的漏极D，电感L1的1端连接超声波水、气混合雾化器的引脚1、电容C6一端，且超声波水、气混合雾化器的引脚2、电容C6另一端相连后接地。

7.根据权利要求6所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，所述的电解器供电电路如下：核心处理芯片U3、U5的型号是FP8013；核心处理芯片U3的引脚1分别连接电阻R12一端、电阻R18一端，且电阻R12另一端连接接口EN；核心处理芯片U3的引脚2、3相连并分别连接接口VUSB、电容C12一端；核心处理芯片U3的引脚4分别连接电阻R16一端、电阻R17一端、电解极片负极；电阻R16另一端连接MOS管Q1的漏极D，MOS管Q1的栅极G分别连接电阻R27一端、电阻R28一端，电阻R27另一端连接接口IoutA，电阻R28另一端与MOS管Q1的源极S相连后接地；核心处理芯片U3的引脚6经电感L3分别连接电容C13一端、电容C14一端、电阻R13一端，电阻R13另一端连接电解极片正极；核心处理芯片U3的引脚5和引脚0、电阻R18另一端、电容C12另一端、电阻R17另一端、电容C13另一端、电容C14另一端相连后接地；核心处理芯片U3的引脚7、8为空；核心处理芯片U5的引脚1分别连接电阻R22一端、电阻R24一端，且电阻R22另一端连接接口EN1；核心处理芯片U5的引脚2、3相连并分别连接接口VUSB、电容C3一端；核心处理芯片U5的引脚4分别连接电阻R26一端、电阻R25一端、电解极片负极；电阻R26另一端连接MOS管Q2的漏极D，MOS管Q2的栅极G分别连接电阻R29一端、电阻R30一端，电阻R29另一端连接接口IoutA，电阻R30另一端与MOS管Q2的源极S相连后接地；核心处理芯片U5的引脚6经电感L4分别连接电容C17一端、电容C18一端、电阻R23一端，电阻R23另一端连接电解极片正极；核心处理芯片U5的引脚5和引脚0、电阻R24另一端、电容C3另一端、电阻R25另一端、电容C17另一端、电容C18另一端相连后接地；核心处理芯片U5的引脚7、8为空。

8.根据权利要求7所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，所述的电池充电管理电路如下：核心处理芯片U4的型号是ETA9742；核心处理芯片U4的引脚1经电感L2分别连接接口VBAT、核心处理芯片U4的引脚6、电容C10一端，电容C11一端，且电容C10另一端、电容C11另一端、核心处理芯片U4的引脚8相连后接地；核心处理芯片U4的引脚2为空；核心处理芯片U4的引脚3分别连接电阻R21一端、电阻R20一端，且电阻R21另一端连接接口VUSB，电阻R20另一端连接充电接口；核心处理芯片U4的引脚4分别连接电阻R14一端、电阻R19一端，且电阻R14另一端连接充满接口；电阻R19另一端与核心处理芯片U4的引脚0相连后接地；核心处理芯片U4的引脚7分别连接接口VUSB、电容C15一端、电容C16一端；核心处理芯片U4的引脚5连接电阻R15一端，且电阻R15另一端、电容C15另一端、电容C16另一端相连后接地。

9.根据权利要求8所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，所述的开关电路如下：电池接口的引脚1接地，引脚2连接接口VBAT；USB充电接口CON1的引脚1连接接口VUSB，引脚2、3为空，引脚4、5相连并接地；干簧管引脚1、2分别连接接线焊盘的引脚1、2。

10.根据权利要求5-9任一项所述的一种制备高溶氢气量的微纳米氢气水雾发生器，其特征在于，所述的驱动、控制集成电路板实时监测超声波水、气混合雾化器的工作电流，通过调节电化学水电解电极模组前端电流的方式实现对氢气产生量的调节；

设：超声波水、气混合雾化器的额定工作电流为A值，预设工作电流为B值，且B值＞A值；电化学水电解电极模组的额定输入电流为a值，预设输入电流为b值，且b值＞a值；

当超声波水、气混合雾化器的实时工作电流到达B值时，驱动、控制集成电路板将电化学水电解电极模组的实时输入电流调整到预设输入电流b值，使得单位时间内氢气产生量的增大；

当超声波水、气混合雾化器的实时工作电流回到A值时，驱动、控制集成电路板将电化学水电解电极模组的实时输入电流调整回额定输入电流a值，使得单位时间内氢气产生量的减少。