TW201300173A - 超音波振盪系統、氣體增濕裝置、及氣體增濕方法 - Google Patents

Abstract

超音波振盪系統包括一振盪器、一驅動電路、一第一感測器、及一控制模組。振盪器依據一共振頻率作振盪，驅動電路的輸出端耦接振盪器，第一感測器持續地感測驅動電路的輸出端的電壓與電流的相位差，該控制模組可根據相位差，自動地調整驅動電路的驅動頻率，使得驅動電路的驅動頻率符合於振盪器的共振頻率。

Description

超音波振盪系統、氣體增濕裝置、及氣體增濕方法

本發明有關於一種超音波振盪系統、氣體增濕裝置、及氣體增濕方法，尤指一種可自動地調整的超音波振盪系統、氣體增濕裝置、及氣體增濕方法。

目前產業界多半都採用一種氣泡增濕法(bubble type)來對燃料電池的反應氣體進行增濕。通常容量1公升的增濕瓶，最多可有效地對流量為8Lpm的反應氣體進行增濕，此外每1公升的反應氣體，至少要在增濕瓶中停留7.5秒，否則停留時間過短，將會降低增濕的效果。所以當欲增濕的反應氣體的流量增加時，相對必須加大增濕瓶的容量，如此一來會增加製造成本而且佔用空間。除此之外，氣泡增濕法的增濕效果決定於增濕瓶與燃料電池兩者的溫度關係，故屬於被動式的增濕方法，而且增濕瓶中的水溫降溫慢，所以濕度的控制不容易。此外，雜質經常會堵塞流道，導致維修不便。

有鑑於此，本發明提供一種可克服上述缺點，且具有較高增濕效率的氣體增濕裝置。

本發明的一目的，在於提供一種可自動地調整的超音波振盪系統、氣體增濕裝置、及氣體增濕方法，使得反應氣體的相對濕度能維持在一預設目標值。

依據本發明一實施例，提供一種超音波振盪系統，包括：一振盪器；一驅動電路，該驅動電路的輸出端耦接該振盪器；一第一感測器，該第一感測器持續地感測該驅動電路的輸出端的電壓與電流的相位差；以及一控制模組，該控制模組根據該相位差，自動地調整該驅動電路的驅動頻率，使得該驅動電路的驅動頻率符合於該振盪器的共振頻率。

依據本發明一實施例，提供一種氣體增濕裝置，包括：一氣體加溫器；一增濕瓶；以及一超音波振盪系統，其包含：一振盪器，該振盪器裝設於該增濕瓶內；一驅動電路，該驅動電路的輸出端耦接於該振盪器；一第一感測器，該第一感測器持續地感測該驅動電路的輸出端的電壓與電流的相位差；一第二感測器，該第二感測器持續地感測該增濕瓶內的反應氣體的相對濕度；以及一控制模組，該控制模組根據該相位差，自動地調整該驅動電路的驅動頻率，使得該驅動電路的驅動頻率符合於該振盪器的共振頻率；該控制模組根據該相對濕度，自動地調整該驅動電路的驅動電壓，使得增濕瓶內的反應氣體的相對濕度能維持在一預設目標值。

依據本發明一實施例，提供一種氣體增濕方法，其步驟包括：透過一氣體加溫器加熱一反應氣體；透過一振盪器使得一增濕瓶內產生一霧化液體；該霧化液體與加熱後的反應氣體於該增濕瓶內相混合，形成一增濕後的反應氣體；該振盪器耦接於一驅動電路的輸出端，持續地感測該驅動電路的輸出端的電壓及電流的相位差以及該增濕後的反應氣體的相對濕度；以及根據該相位差，自動地調整該驅動電路的驅動頻率，使得該驅動電路的驅動頻率符合於該振盪器的共振頻率，根據該增濕後的反應氣體的相對濕度，自動地調整該驅動電路的驅動電壓，使得該增濕後的反應氣體的相對濕度能維持在一預設目標值。

第1圖繪示本發明一實施例所提供的超音波振盪系統的方塊圖。如第1圖所示，該超音波振盪系統100包括一振盪器102、一驅動電路104、一第一感測器106、及一控制模組108，該控制模組108包含有一第一控制單元110及一第二控制單元112，驅動電路104的輸出端耦接於振盪器102以及第一感測器106，而驅動電路104的輸入端耦接於第二控制單元112。第一控制單元110的輸入端耦接於第一感測器106，而第一控制單元110的輸出端耦接於第二控制單元112。在本實施例中，振盪器102為壓電換能器，使用的壓電材料為鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate)，當壓電換能器的壓電片之間產生電壓差時，壓電換能器便可進行超音波振盪。

第2圖繪示第1圖的驅動電路104的細部架構的方塊圖。如第1圖及第2圖所示，驅動電路104包含有提供驅動電壓S1的一電壓供應器114、提供驅動訊號S2的一訊號產生器116、以及一功率放大器118。電壓供應器114的輸出端及訊號產生器116的輸出端與功率放大器118相耦接，功率放大器118的輸出端與振盪器102以及第一感測器106相耦接。在本實施例中，電壓供應器114為直流電壓供應器，其輸出的驅動電壓S1可以調整。訊號產生器116為方波訊號產生器，其輸出的驅動訊號S2的驅動頻率可以調整，至於功率放大器118則為全橋式功率放大電路。

如第1圖及第2圖所示，超音波振盪系統100的最佳化狀態在於驅動訊號S2的驅動頻率符合於壓電換能器的共振頻率。然而，當壓電換能器進行超音波振盪的同時，會伴隨熱能的產生，而當熱能使得壓電換能器升溫至攝氏30度以上時，壓電換能器的共振頻率會發生飄移而不穩定，如此一來，驅動訊號S2的驅動頻率難以符合於壓電換能器的共振頻率。為了解決共振頻率飄移的問題，透過第一感測器106持續地感測功率放大器118的輸出端的電壓與電流的相位差，而第一控制單元110包含有一鎖相迴路電路120，第一感測器106可將數位格式的相位差回授至鎖相迴路電路120，而鎖相迴路電路120可將數位格式的相位差轉換為類比格式的相位差，第二控制單元112根據類比格式的相位差，自動地調整驅動訊號S2的驅動頻率，使得驅動訊號S2的驅動頻率符合於振盪器102的共振頻率，達到最佳化狀態。

第3圖繪示本發明一實施例所提供的氣體增濕裝置的方塊圖。如第3圖所示，氣體增濕裝置200包括一氣體加溫器202、一增濕瓶204、及一超音波振盪系統206，一反應氣體灌入氣體加溫器202的輸入端，而氣體加溫器202的輸出端連接於增濕瓶204，而氣體加溫器202可輸出一加熱後的反應氣體至增濕瓶204內。該超音波振盪系統206包含一振盪器208、一驅動電路210、一第一感測器212、一第二感測器214、及一控制模組216。振盪器208裝設於增濕瓶204內，而增濕瓶204內裝有液體(例如水)，當該振盪器208於增濕瓶204內作振盪時，可使得增濕瓶204內產生一霧化液體，該加熱後的反應氣體可於增濕瓶204內與該霧化液體相混合，形成一增濕後的反應氣體。在本實施例中，振盪器208為壓電換能器，使用的壓電材料為鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate)，當壓電換能器的壓電片之間產生電壓差時，壓電換能器便可進行超音波振盪。

第4圖繪示第3圖的驅動電路210的細部架構的方塊圖。如第3圖及第4圖所示，驅動電路210包含有提供驅動電壓S3的一電壓供應器218、提供驅動訊號S4的一訊號產生器220、以及一功率放大器222。電壓供應器218的輸出端及訊號產生器220的輸出端與功率放大器222相耦接，功率放大器222的輸出端與振盪器208以及第一感測器212相耦接。在本實施例中，電壓供應器218為直流電壓供應器，其輸出的驅動電壓S3可以調整。訊號產生器220為方波訊號產生器，其輸出的驅動訊號S4的驅動頻率可以調整，至於功率放大器222則為全橋式功率放大電路。

如第3圖及第4圖所示，控制模組216包含有一第一控制單元224及一第二控制單元226，驅動電路210的輸出端耦接於振盪器208以及第一感測器212，而驅動電路210的輸入端耦接於第二控制單元226。第一控制單元224的輸入端耦接於第一感測器212及第二感測器214，而第一控制單元224的輸出端耦接於第二控制單元226。氣體增濕裝置200可在最佳化的基準下來調整霧化液體的量的條件在於驅動訊號S4的驅動頻率符合於壓電換能器的共振頻率。然而，當壓電換能器進行超音波振盪的同時，會伴隨熱能的產生，而當熱能使得壓電換能器升溫至攝氏30度以上時，壓電換能器的共振頻率會發生飄移而不穩定，如此一來，驅動訊號S4的驅動頻率難以符合於壓電換能器的共振頻率。為了解決共振頻率飄移的問題，透過第一感測器212持續地感測功率放大器222的輸出端的電壓與電流的相位差，而該第二感測器214感測該增濕後的反應氣體的相對濕度。第一控制單元224包含有一單晶片控制電路228及一鎖相迴路電路230，該單晶片處理電路228用以將該相對濕度進行數位/類比轉換，而該第二控制單元220根據類比格式的相對濕度，自動地調整驅動電壓S3，達到調整霧化液體的量的目標而來使得該增濕後的反應氣體的相對濕度可維持在一預設目標值；鎖相迴路電路230用以將該相位差進行數位/類比轉換，而第二控制單元226根據類比格式的相位差，自動地調整驅動訊號S4的驅動頻率，來使得驅動訊號S4的驅動頻率符合於振盪器208的共振頻率，達到在最佳化的基準下去調整霧化液體的量的目標。

第5圖繪示本發明一實施例所提供的氣體增濕方法的步驟流程圖。如第5圖所示，在步驟S501中，首先透過氣體加溫器202加熱反應氣體，其中氣體加溫器202包含有銅管，而銅管上纏繞有線圈，反應氣體導入於銅管內，為了精準地控制反應氣體的溫度，設定線圈的加熱功率為80W，而銅管的長度為50cm。當反應氣體導入於銅管內，只需加熱線圈便可使得銅管的溫度上升，進而加熱反應氣體；在步驟S502中，接著振盪器208進行振盪而使得增濕瓶204內產生霧化液體；在步驟S503中，將加熱後的反應氣體導入增濕瓶204內與霧化液體相混合，來形成增濕後的反應氣體。由於導入的反應氣體的流量不同時，如果要達到相同的相對濕度，所需要霧化液體的量也不同，一般來說當反應氣體的流量越大時，如果要達到相同的相對濕度，所需要的霧化液體的量也越大。如果要改變霧化液體的量，可透過調整驅動電壓S3來實現，因為當驅動電路210的驅動電壓S3越大時，振盪器208的振幅也越大，同時也使得增濕瓶204內產生霧化液體的量也越大。所以在步驟S504中，透過第一感測器212及第二感測器214分別持續地感測驅動電路210的輸出端的電壓及電流的相位差以及增濕後的反應氣體的相對濕度；以及在步驟S505中，根據相位差，自動地調整驅動電路210的驅動訊號S4的驅動頻率，使得驅動頻率符合於振盪器208的共振頻率，達到在最佳化的基準下去調整霧化液體的量的目標；以及根據增濕後的反應氣體的相對濕度，自動地調整驅動電路210的驅動電壓S3，達到調整霧化液體的量的目的；藉此，使得增濕後的反應氣體的相對濕度能維持在一預設目標值。

此外，值得一提的是，本發明所提供的氣體加濕裝置200，也可耦接於一燃料電池，但不局限於氣體加濕裝置200僅能應用於燃料電池，亦可應用於其他需要增濕氣體的設備。增濕後的反應氣體經由增濕瓶204的輸出端導入燃料電池內之後，可使得燃料電池中的高分子電解質膜維持在適當程度的濕潤狀態，讓燃料電池的效能表現維持在較佳及穩定的狀態。

本發明所提供的超音波振盪系統、氣體增濕裝置、及氣體增濕方法，至少具有下列優點：

1、採用超音波增濕方法的氣體增濕裝置，其設備體積小，因此較不佔空間；

2、霧化液體的霧滴粒徑更小，更加緻密，因而具有較高的增濕效率；

3、不論高流量或低流量的反應氣體，增濕效果都很均勻，不需使用很大的增濕瓶，所以成本較低；

4、沒有雜質堵塞住流道的問題，所以易補水於增濕瓶；以及

5、可自動地改變驅動電壓及驅動頻率，使得驅動頻率能符合於壓電換能器的共振頻率，達到在最佳化的基準下去調整霧化液體的量的目標。

100．．．超音波振盪系統

102．．．振盪器

104．．．驅動電路

106．．．第一感測器

108．．．控制模組

110．．．第一控制單元

112．．．第二控制單元

114．．．電壓供應器

116．．．訊號產生器

118．．．功率放大器

120．．．鎖相迴路電路

200．．．氣體增濕裝置

202．．．氣體加溫器

204．．．增濕瓶

206．．．超音波振盪系統

208．．．振盪器

210．．．驅動電路

212．．．第一感測器

214．．．第二感測器

216．．．控制模組

218．．．電壓供應器

220．．．訊號產生器

222．．．功率放大器

224．．．第一控制單元

226．．．第二控制單元

228．．．單晶片控制電路

230．．．鎖相迴路電路

S1、S3．．．驅動電壓

S2、S4．．．驅動訊號

第1圖繪示本發明一實施例所提供的超音波振盪系統的方塊圖；

第2圖繪示第1圖的驅動電路的細部架構的方塊圖；

第3圖繪示本發明一實施例所提供的氣體增濕裝置的方塊圖；

第4圖繪示第3圖的驅動電路的細部架構的方塊圖；以及

第5圖繪示本發明一實施例所提供的氣體增濕方法的步驟流程圖。

100．．．超音波振盪系統

102．．．振盪器

104．．．驅動電路

106．．．第一感測器

108．．．控制模組

110．．．第一控制單元

112．．．第二控制單元

120．．．鎖相迴路電路

Claims (12)

1. 一種超音波振盪系統，包括：一振盪器；一驅動電路，該驅動電路的輸出端耦接該振盪器；一第一感測器，該第一感測器持續地感測該驅動電路的輸出端的電壓與電流的相位差；以及一控制模組，該控制模組根據該相位差，自動地調整該驅動電路的驅動頻率，使得該驅動電路的驅動頻率符合於該振盪器的共振頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振盪系統，其中該振盪器為壓電換能器，而壓電材料使用鋯鈦酸鉛。
3. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振盪系統，其中該驅動電路包含有一電壓供應器、一訊號產生器、及一功率放大器，該電壓供應器及該訊號產生器分別與該功率放大器相耦接，該功率放大器更與該振盪器以及該第一感測器相耦接，該電壓供應器提供一驅動電壓，該訊號產生器提供一具有該驅動頻率的驅動訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述的超音波振盪系統，其中該功率放大器為全橋式功率放大電路。
5. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振盪系統，其中該控制模組包含一第一控制單元及一第二控制單元，該第一控制單元耦接於該第一感測器以及該第二控制單元，該第二控制單元耦接於該第一控制單元及該驅動電路，該第一控制單元包含有一鎖相迴路電路，該鎖相迴路電路用以將該相位差進行數位/類比轉換，該第二控制單元根據類比格式的相位差來調整該驅動頻率。
6. 一種氣體增濕裝置，包括：一氣體加溫器；一增濕瓶；以及一超音波振盪系統，其包含：一振盪器，該振盪器裝設於該增濕瓶內；一驅動電路，該驅動電路的輸出端耦接於該振盪器；一第一感測器，該第一感測器持續地感測該驅動電路的輸出端的電壓與電流的相位差；一第二感測器，該第二感測器持續地感測該增濕瓶內的反應氣體的相對濕度；以及一控制模組，該控制模組根據該相位差，自動地調整該驅動電路的驅動頻率，使得該驅動電路的驅動頻率符合於該振盪器的共振頻率；該控制模組根據該相對濕度，自動地調整該驅動電路的驅動電壓，使得該相對濕度能維持在一預設目標值。
7. 如申請專利範圍第6項所述的氣體增濕裝置，其中該振盪器為壓電換能器，而壓電材料使用鋯鈦酸鉛。
8. 如申請專利範圍第6項所述的氣體增濕裝置，其中該驅動電路包含有一電壓供應器、一訊號產生器、及一功率放大器，該電壓供應器及該訊號產生器分別與該功率放大器相耦接，該功率放大器更與該振盪器以及該第一感測器相耦接，該電壓供應器用以提供該驅動電壓，該訊號產生器提供一具有該驅動頻率的驅動訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述的氣體增濕裝置，其中該功率放大器為全橋式功率放大電路。
10. 如申請專利範圍第6項所述的氣體增濕裝置，其中該控制模組包含一第一控制單元及一第二控制單元，該第一控制單元耦接於該第一感測器、該第二感測器、以及該第二控制單元，該第二控制單元耦接於該第一控制單元及該驅動電路，該第一控制單元包含有一單晶片控制電路及一鎖相迴路電路，該單晶片處理電路用以將該相對濕度進行數位/類比轉換，該第二控制單元根據類比格式的相對濕度來調整該驅動電壓；該鎖相迴路電路用以將該相位差進行數位/類比轉換，該第二控制單元根據類比格式的相位差來調整該驅動頻率。
11. 如申請專利範圍第6項所述的氣體增濕裝置，該氣體加濕裝置可耦接一燃料電池。
12. 一種氣體增濕方法，其步驟包括：透過一氣體加溫器加熱一反應氣體；透過一振盪器使得一增濕瓶內產生一霧化液體；該霧化液體與加熱後的反應氣體於該增濕瓶內相混合，形成一增濕後的反應氣體；該振盪器耦接於一驅動電路的輸出端，持續地感測該驅動電路的輸出端的電壓及電流的相位差以及該增濕後的反應氣體的相對濕度；以及根據該相位差，自動地調整該驅動電路的驅動頻率，使得該驅動電路的驅動頻率符合於該振盪器的共振頻率，根據該增濕後的反應氣體的相對濕度，自動地調整該驅動電路的驅動電壓，使得該增濕後的反應氣體的相對濕度能維持在一預設目標值。