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


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