技术探讨

防干烧过热保护技术在家用大功率燃气灶上的应用

海尔集团厨房电器本部燃气灶研究所     翁伍云  张鹏

引言
      随着中国经济持续、稳定、高速发展,居民生活水平、购买力也有显著提高,消费者在消费水平和消费意识上都发生了很大变化。消费者对厨房家电这一家居重要组成部分的安全、环保、节能、时尚、智能、人性化等各方面性能越发看重,相应对厨房家电生产厂商的技术能力也提出越来越高的要求。
      在这种大社会环境下,国内灶具厂家要想利用这一历史性机遇扩大市场份额,在激烈的竞争中必须不断进行技术创新,开发能满足用户需要的差异化产品,发展新技术、开发新功能、提高产品的附加值、提升产品的档次,满足不同层次的用户需求,才能竞争中取胜。
      目前电子技术、半导体技术和自动控制技术等前沿科技日新月异,其在家用电器上的应用也随之不断推陈出新。国内外各主要灶具制造商也在将前沿技术和传统的燃气灶具产品结合的应用上来,以求在激烈的市场竞争中找到占领市场的制高点以提高其品牌形象。防干烧过热保护技术就是在这一结合过程中,给用户带来全新的使用享受与切实安全保障的功能。本文拟通过对防干烧过热保护技术在家用大功率燃气灶上从应用现状、国内外对比、技术特点、设计难题的解决方案等方面进行全方位的阐述。

技术背景和国内外现状对比
      用户在进行蒸煮等长时间烹饪的过程中,常常需要离开厨房去忙于别的事情,这样就容易发生因忘记关火而造成烧干锅、进而引起起火的情况。尤其是发生在老年人身上的烧坏锅、过热烧油引起火灾等安全事故的新闻屡见报端。如何使烹饪更加安全,避免干烧造成的高温危险,一直是困扰着用户的一个难题。
      目前,国内燃气灶产品只能实现意外熄火后,自动切断燃气通路的熄火保护功能,而对于过热防护方面的还没有应用到产品上。国外产品中有过实现类似过热保护功能的燃气灶,且如日本等发达国家也是出于安全方面考虑,已经出台相应的法令法规或强制性标准,要求燃气灶必须具备相应的过热保护功能才能允许上市销售。
      但由于国内用户的饮食习惯、烹饪习惯差异巨大,要求火力必须强劲,但是大火力上实现防干烧的技术还有很大的难度。日本小功率的防干烧产品直接拿到国内销售时,不能满足中国人的爆炒习惯,不被消费者认可,也就没有带来很好的市场反响。
      因此,如何开发出一款适合中国用户烹饪需求的、具有防过热保护的燃气灶是摆在从业技术人员面前的巨大市场需求。海尔通过两年的研究,目前已经研发出具有自主知识产权的具备防干烧过热保护功能的燃气灶产品并上市销售,取得良好的市场效果。下面就这一技术对开发要点难点及其解决方案进行简要阐述。

防干烧过热保护技术的基本原理
如图1 所示,燃气灶防干烧过热保护功能通过以下三部分来实现:

温度检测模块—“温度传感器”;
信号处理模块—“电控板”;
信号执行模块—“燃气阀”。
      其工作过程为:在燃气灶对锅内食物加热的过程中,锅内食物的温度通过锅具反映在锅底上,和锅底紧密接触的温度传感器时时检测锅底温度,并将温度信号转化为相应的电信号反馈给电控板,电控板对反馈回的信号进行分析和判断。当锅具发生干烧,就是说当锅底温度出现超出设定的正常使用温度时,电控板判断出现过热危险情况,给燃气阀一个动作信号,关闭气路通道,实现过热保护的目的。

防干烧过热保护实现技术分析
      在开发实现这样技术含量相对较高的燃气灶产品时,是存在很多技术难点需要解决的。以下就从技术的角度论述设计中遇到的困难和相应解决方案。
      1.温度传感器设计问题的解决
在进行防干烧过热保护技术的项目可行性论证时,首先遇到的问题就是如何获得锅具的温度信号,如何将这一信号可靠地、准确地反映处理,并能够有效地提供给电控板来进行处理。我们就需要设计一款温度传感器用于完成这样的工作。
温度传感器就相当于人的眼耳,其内部感温芯片的优劣直接影响到信号处理的有效、准确和灵敏性。而对于应用于燃气灶的温度传感器,由于其需要布置在锅底,四周都是火焰,设计中需要:
      选择时间常数较小(热惯性小)、响应时间也很小的元件,这样保证保护动作的及时和灵敏;
      选择额定功耗小的元件以避免整机干电池供电时整体耗电量加大或在电量较低时无法驱动器件;
      电阻温度系数在保护动作设定温度要大,以便于在该温度段很好地捕捉保护动作信号;
      整体体积要小,以减小火焰对其影响,同时可以使燃烧系统的性能便于实现。
      如图2结构的负温度系数的NTC热敏电阻能满足以上要求。当然设计中也要注意,此型元件的温度测量范围小,不宜在高温下使用,一般测量范围应选择在-50℃到350℃,且温度曲线受材料成份影响,互换性较差。
      另外,在温度传感器设计中,充分考虑到燃气灶灶头上高温、高湿、有腐蚀气体的使用环境,这样就需要给感温芯片穿上一个导热性能良好的“盔甲”,不锈钢材质是个很好的材料,如图3为温度传感器的外观及其安装结构。
      在温度传感器的自身结构上应具有弹性伸缩机构,以确保在使用不同的锅具时,温度传感器都能和锅底保持接触,同时其头部需要具有柔性配合间隙,以减缓用户烹饪时安放锅具对传感器的机械冲击,如图4所示为传感器内部结构图。


2.温度传感器保护和温度检测准确性问题的解决
      由于温度传感器是固定在燃烧系统中心,设计中遇到如下问题:
      如何确保传感器准确地检测到锅具温度,并且避免周围火焰的辐射热对检测精度的干扰;
      如何在温度传感器周围布置隔热层和相应的冷却措施;
      如何保证锅具安放对传感器的压缩不超出传感器部件的阈值,并最大限度地降低用户安放锅具时,对温度传感器磕碰等机械冲击。
      这就需要在设计时将对传感器的保护和用户适用性进行权衡。
      燃烧系统的内环火盖设计如图5所示的差异化结构可以有效地解决以上3个难题,这种设计获得了三项专利技术。

3.大功率、多环火燃烧系统设计问题的解决
      为了降低火焰对温度传感器的温度影响,国外类似产品采用降低燃烧功率的方式,或加大内环直径的方式解决。但是降低了燃烧功率不能满足中国人的爆炒等需要迅速加热的使用要求。而加大内环火直径又会存在加热时锅底中心不热、加热不均匀、检测锅底温度信号失真的问题,即便增加有温度传感器保护环,但会同样存在火焰影响形态的问题。
      因此,大火力、多环火尤其是比较集中的内环火或布置内环火中心的温度传感器的检测精确性和可靠性是一对矛盾。而且在保证这两者均衡、合理的同时,还需要保证燃烧系统的效率和燃烧充分(烟气中的CO含量)都需要满足GB 16410标准要求。
      这样矛盾的技术难题,就是如何解决燃气燃烧和防干烧电控模块结合的问题,也是这个产品的最大的难题,也是国外类似产品不能解决的问题。
      我们在燃烧系统的设计上是采用的三环火设计,有足够的火孔面积,提升燃烧面积和功率,中间内环或采用立体交叉技术,同时燃烧器采用八腔混合和八腔空气补充技术,这样保证了燃烧需要的空气,如上图5中的几个结构。内环火焰直径稍有增大,增加内环燃气流量,确保对内环火焰有充分的二次空气补充,进而使燃烧充分,确保了燃气燃烧性能,下附图9为整体燃烧情况。
4.电气控制设计
      4.1 电气控制设计——温度检测问题的解决
在进行电气控制设计时,首先需要做的就是如何获取温度信号,如何将温度传感器的阻值变化有效地反映出来,以便进行判断和控制。
      这个问题可以对温度传感器中热敏电阻通过的电流或电压模拟信号进行检测,也可以采取继电保护的方式来完成,更可以通过A/D转化来实现。但考虑到设计的最简化和控制的可靠性,我们采取了将温度传感器做为电桥一个臂的方式,只检测电桥电流信号变化来实现设计要求。同时,采用这样的设计方案只需更换一个和温度传感器相对的桥臂电阻就可以完成对保护动作温度设计值的调整。并且,通过这样的方式完全可以设定多个电阻来完成多个动作档位、不同烹饪方式设定不同动作温度的设计要求。


      4.2 电气控制设计——气路控制问题的解决
      在控制气路的手段上, 设计比较可靠、成熟的是热电式熄火保护装置。
      热电式熄火保护装置(如图6)由一个装配在燃气阀上控制气路通断的电磁阀和一个与电磁阀连接且金属头部固定在燃烧系统上感知火焰的热电偶组成。
      其工作过程和原理如图7中a)、b)所示,是:燃气灶手工点火后火焰对热电偶金属头部的两种金属进行加热,两种金属中自由电子受热后活跃程度不同,从而在两种金属间产生电子的定向移动,也就在整个热电偶中产生电流—吸合电流。在此电流作用下,电磁阀的线圈产生磁场,吸合衔铁,使气路自动保持导通。当燃烧系统意外熄火时,热电偶头部温度下降,吸合电流减小,电磁阀自动脱离,气路自动关断。
      了解到这些后,过热后自动切断气路的控制问题就很好解决了。如图7中c)所示,我们可以采取干扰或切断热电偶提供给电磁阀的吸合电流的方式,以及将热电偶接入电控板通过继电器实现熄火保护和过热保护的方式,都可以实现要求。
但由于燃气灶工作时热电偶产生的热电势只有几十、甚至十几毫伏,并且此信号是模拟信号,不便于判断,因此,热电偶上直接做文章的方式,可靠性难于保证。而采用继电器控制的方式又凭空增加了耗电量并降低了电路的可靠性,也是有诸多弊端。
      为了规避上述技术风险,我们采用了在双线圈电磁阀的副线圈中加入和吸合电流方向相反的保护动作电流的方案。通过这种方式,熄火保护的吸合电流和过热保护的干扰电流从电路上就完全独立,互不影响。其间是通过这两个电流在电磁阀的主线圈和副线圈产生的磁场建立关联,有效地解决了气路控制可靠性的问题。
这样的设计不但有效,关键是大大地降低了产品的成本。


      4.3 电气控制设计——电源和耗电量问题的解决
解决了检测和控制两大问题后,防干烧过热保护燃气灶的电控设计还是存在一些难以逾越的障碍。
这些问题中首先需要解决的就是电源和耗电量的问题。
      目前,国内燃气灶的各项功能还基本以机械控制为主,还没有实现电气化。仅有的脉冲点火电路也只是通过1节1.5V的干电池来提供电源支持。而现在我们要完成电控电路的大量元件、芯片正常驱动,即便采用电池组作为电源的方式提高输入电压,暂时保证电子元件功能正常实现,但也无法保证长时间的正常工作。
      而如采用外加交流电源的方案,或增加电源适配器的方案来彻底解决控制的“动力”问题,从用户使用的安全上和燃气灶整机的成本上考虑,这两个方案都很难在家电应用上得到大范围推广。
      因此,在只能使用干电池作为电源的前提下,我们在电路设计的过程中,电路的耗电量、电子元件的功耗都是必须着重考虑的问题。上述,我们采用的电桥检测结构,就从一定程度上解决了耗电的问题。在防干烧过热保护功能没有启动时,电路除对于温度传感器及桥臂电阻的必要上电外,整个控制电路是不用上电维持的。并且,还独具特色地在燃气旋塞阀下增设了一个压板或凸轮结构的常闭开关。在用户使用燃气灶、转动燃气阀使气路打开时,电路也就保持接通,使传感器处于待机检测状态。而当用户关闭燃气阀时,电路也就自动关闭。通过这样的“气电联动”技术,很好地去除了燃气灶在不工作时传感器回路几个毫安的耗电。


      4.4 电气控制设计——高压电脉冲干扰问题的解决
      这里提到的高压电脉冲干扰并非来自外界,而是燃气灶电路本身——脉冲点火。
目前市面上燃气灶的点火方法分为“火石”压电点火方式和脉冲点火方式。前者不需要电源,实现简单,是一个很古老的技术,但受点火率不高、使用寿命短和故障率高等技术瓶颈影响,目前只应用于台式灶等低端产品上。
      广为应用的脉冲点火方式,在放电点火时,在点火瓷针尖端产生上万伏的电压,击穿空气,产生电弧,从而实现点燃燃气的目的。在这一过程中,大量的高压脉冲存在于放电电路中。而目前市面上的燃气灶基本都是点火瓷针对金属燃烧系统放电,通过灶体本身的各金属部分形成放电回路。这样只要电控板和燃气灶有电气连接(如接地),高压脉冲就会很“顺利”地进入电控电路中,干扰程序、电子元件实现正常功能,甚至造成元件损坏。这不仅是防干烧过热保护在电气设计中遇到的问题,也是燃气灶电控设计中普遍的问题。
      对应的解决措施除了尽量减少脉冲电路和电控电路的联系,以及合理设定电路公共端等方案外,采取将控制电路和脉冲点火器整合在一起,把保护电控电路的部分设计在脉冲器的点火电路部分和“接地”部分之间,使脉冲点火器本身“过滤”掉高压脉冲也是一个很好的方案。并且此种方案也很好解决了固定、耐高温、防湿热等一系列燃气灶电控板设计中难以回避的难题。
      当然,采取燃气热水器采用的双针点火方式,以及应用于汽车行业的热面点火方式都可以解决高压脉冲干扰的问题,但是受燃烧系统的结构空间限制和供电电源条件的限制等,此两种方案应用于家用燃气灶还有很多难题需要解决。

结束语
      综上所述,目前该技术已经成功地在海尔燃气灶上应用,具有国际领先水准,解决了用户对发生烧干锅、起火等安全事故的担心。在我国燃气灶产品的技术发展上是具有划时代意义的,在我国燃气灶的电气化进程中也是有里程碑作用的。
防干烧过热保护功能在给用户带来切身实惠的同时,组成此功能的各项专利技术大大提高了海尔燃气灶的技术含量,对推动行业发展起到很大的作用。
该技术不但获得了多项专利技术,而且同时在产品上市以来取得了很好的经济效益,目前具防干烧功能的燃气灶已经成为海尔的主力机型。


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