一种使用电池的预热式烟雾产生装置

技术领域

本发明涉及一种烟雾产生装置，尤其是一种使用电池的预热式烟雾产生装置。

背景技术

现有的低慢小飞行器使用的烟雾产生方法通常有两种。一种方法是利用内燃机燃烧产生的热量使烟雾油受热蒸发形成白色气态烟雾，该方法只能用在以内燃机为动力的飞行器上，重量高，体积大，适用范围狭窄。另一种方法是化学混合物剧烈燃烧生成烟雾，如烟雾弹，烟雾弹为一次性产品不能重复使用，燃烧过程也不能停止再重启。

发明内容

为了克服现有技术中烟雾产生装置或者体积大、重量高、或者消费者不易获得、烟雾产生不能受控终止再重启等缺陷的问题，使之能应用在对重量和体积都要求极严的航模和无人机上，本发明提供了一种使用电池的预热式烟雾产生装置，该装置使用电池将烟雾油提前加热至一个较高的温度，大大降低了产生烟雾所需要的瞬时功率，与非预热方式相比，在相同功率情况下，烟雾量可以增加到了原来的3倍左右；由于是电加热方式，因而烟雾的产生可以随时开始和停止；由于结构精简，重量比传统装置降低50%以上，体积也较小。

本发明解决现有技术中存在问题所采用的技术方案是：一种使用电池的预热式烟雾产生装置,包括金属油箱、金属发热管、耐高温油泵、通气硅胶软管、通油硅胶软管及金属重锤、带单片机的控制电路、电池组、绝缘导热材料以及外壳等。

该装置使用金属油箱存储烟雾油，金属油箱被一空心金属发热管以螺旋状紧密包裹，金属发热管和金属油箱之间有电绝缘热传导材料，防止金属发热管被金属油箱短路。烟雾油气化温度一般在320℃左右，本使用新型提前将油箱内的烟雾油加热至220℃左右，油箱内的烟雾油只需要从220℃基础上升高100℃进能产生大量烟雾，而非预热式却需要将烟雾油从20℃提升至320℃，升温300℃才能达到320℃的雾化温度。因而在加热功率相同的情况下，预热式比非预热式大大提升了烟雾产生量；在所需烟雾量一样的情况下，预热式与非预热式相比烟雾油雾化功率大大降低了。以上温度仅为方便描述所用，实际并非该温度。

电加热装置如下：使用一段空心的金属管道作为发热器件，金属发热管紧密缠绕在金属油箱外表面上，金属发热管外表面和金属油箱之间有一层绝缘导热材料，绝缘导热材料可以选用石英纸或石英砂涂层。在金属发热管的两端的外表面焊接2条导线，分别与电池组和MOSFET/金氧半场效晶体管的漏极相连。当MOSFET/金氧半场效晶体管的漏极和源极导通时，电池组的电压（十到数十伏特）将直接加载在金属发热管两端，金属发热管将发热。由于金属发热管的电阻在数十到数百毫欧之间，而电池组的电压又足够大，一般情况下瞬间发热功率将远大于所需功率，因而需要使用电子PWM功率控制技术来降低金属发热管的平均发热功率。

PWM功率控制技术原理：单片机输出周期固定的PWM信号，当PWM信号高电平时，MOSFET/金氧半场效晶体管被导通，此时电池正负极将直接加载在金属发热管两端，金属发热管发热；当PWM信号低电平时，MOSFET/金氧半场效晶体管则截止，此时金属发热管不发热。通过控制PWM信号的高电平占空比，就可以控制金属发热管的平均发热功率。另一方面单片机测量电池组的输出电压U，而由于金属发热管的电阻R在装置生产时已经确定，根据焦耳定律，瞬时发热功率Q=U^2/R，假设实际所需要的功率是Q’，则占空比D=Q’/Q=Q’R/U^2。单片机根据测量到的电池组输出电压U以及预设的金属发热管电阻值R，从而可以计算出占空比，进而输出PWM波形。

在预热阶段，油泵不工作，金属管道内没有流动的烟雾油，由于金属管道的外表面与金属油箱紧密贴合（中间有绝缘导热材料防止短路），金属发热管道外表面产生的热量主要被金属油箱以及油箱内的烟雾油所吸收，一般预热至220℃左右。

在烟雾油雾化阶段，油泵正向工作，将烟雾油从油箱中泵入金属发热管道，烟雾油在流动到达管道出口时被加热至雾化温度以上，从而产生大量烟雾。

金属油箱内有一通气硅胶软管，连通大气压；有一通油硅胶软管，连通耐高温油泵。通油硅胶软管油箱内的一端带有重锤，无论本装置以任何角度摆放，在重力作用下，带有重锤的硅胶管一端均能淹没于烟雾油之下，因而能顺利抽取烟雾油。

金属油箱设有温度感应器，用于检测油箱内烟雾油的温度。单油箱内烟雾油温度超过上限则停止金属发热管的加热，防止油箱内的烟雾油过热而雾化。

本发明的有益效果：首先是产生烟雾所需要的最大功率大大降低，由于烟雾油被预热至移一个较高的温度，烟雾油雾化所需吸收的热量大大降低。由于烟雾油的预发热器件和烟雾油的加热器件分别为金属管道的外表面和内表面，仅为一段金属管道，且紧密贴合在金属油箱外，因而具有结构简单、体积小、重量低的优点。避免了传统舞台烟雾产生装置需要厚重的石英砂作为绝缘导热材料而导致的重量高体积大的缺点，满足了飞行器对体积和重量的要求。与传统化学燃烧方式（烟雾弹）相比，该装置采用电加热可随时产生大量烟雾，也可随时停止，同时还可反复添加烟雾油重复使用，降低了单次使用成本，有效地避免了烟雾弹点燃后无法停止的缺陷，在表演时更加灵活。与传统内燃机加热烟雾油生成烟雾方法相比，脱离了内燃机，适用范围更广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明示意图；

图2为金属发热管与电路的结合示意图

图3为N型MOSFET/金氧半场效晶体管的驱动电路图；

图4为油泵的驱动电路图；

图5为10V电源、3.3V电源、LED指示灯、感温热敏电阻以及单片机STM8S003F3P6的电路图；

图中1.最外层外壳，2.金属发热管，3.绝缘导热垫片，4.金属油箱，5.热敏电阻或温度探头，6.烟雾油，7.通气导管，8.第一通油导管，9.导管口及重锤，10.第二通油导管，11.耐高温油泵，12.发热金属管入口，13.发热金属管出口，14.导电连接环,15.导线。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

【实施例1】

金属油箱4内含烟雾油6，金属油箱4外表面被一螺旋状的空心金属发热管2紧密包裹，有绝缘导热材料3（如石英纸）将金属发热管2和金属油箱4分隔，防止金属发热管2被金属油箱4短路。空心金属发热管2的两端分别是入口12和出口13，入口和出口的外表面通过导线15连接到电路部分。金属发热管2两端通电后将产生热量。金属油箱4内有一通气导管7，连通大气压；金属油箱内有第一通油导管8，抽油管末端上带有重锤9，无论装置以任何角度摆放，在重力作用下，带有重锤的导管口9均能淹没于烟雾油6之下，另一端则与耐高温油泵11相连。单片机通过全桥芯片U3驱动油泵11正转或反转，油泵11正转时可将烟雾油6从金属油箱4中抽出并输送进金属发热管2；油泵11反转时，油泵11反转，通过金属发热管的出口13，吸取外部的烟雾油补充到金属油箱4中。

【实施例2】

在烟雾油雾化阶段，假设传到金属油箱内烟雾油的热量与传到加热管内烟雾油的热量的比值为1:X，以下内容分析并计算出X的取值范围，X的取值范围可以给生产制造提供指导。

假设M是已经雾化的烟雾油质量，忽略金属油箱和其他材料的热吸收以及热耗散，假设质量Δm的烟雾油从油箱中抽取，并被金属发热管加热雾化了，温度增加了Δt，根据比热容公式C=Q/（M*Δt），被雾化了的烟雾油吸收了C*Δm*Δt的热量，而油箱内的烟雾油则吸收了C*Δm*Δt/X热量，假设初始时油箱内有100单位的烟雾油，吸收的热量除以油箱内烟雾油的质量，则等于每雾化Δm质量的烟雾油，油箱内烟雾油的温度上升值，即

因此假设油箱初始容量是100单位，当剩余20单位的烟雾油时，油箱内烟雾油升温

。雾化温度假设是320℃，烟雾油保温温度是220℃，则Δt是100℃,带入上式后，结果为100*1.6/X。

从上式结果中可以看出，只要比值X大于1.6，就可以避免烟雾油直接在油箱内被雾化。同时由于油箱内烟雾油的温度会不断上升，所以上式中的Δt实际值会小于100，加上还有金属油箱以及其他物体也会吸收热量，因此上式中的分子将降低，X也将可以比1.6更小。

【实施例3】

烟雾油雾化过程：油泵11工作，金属发热管2通电发热。油泵11将烟雾油6输进金属发热管2，烟雾油6在金属发热管2的管内流动时，在金属发热管出口处达到最高温度--即雾化温度，形成大量烟雾。烟雾油预热过程：油泵11不工作，金属发热管2通电发热。金属发热管2产生的热量主要被金属油箱4和烟雾油6所吸收，使得金属油箱4中的烟雾油6预热后保持在一个较高的温度--如220℃，降低烟雾油雾化时所需的功率。

单片机引脚TIM1_CH1捕捉外部的PWM控制信号，根据不同的信号完成不同的动作。信号有两种，烟雾油加热雾化信号、补充烟雾油-油泵反转信号。单片机一旦上电后，TIM1_CH1引脚只要没有捕获到烟雾油加热雾化信号和补充烟雾油-油泵反转信号，则进入烟雾油预热过程，此过程使得金属油箱4中的烟雾油6保持在一个较高的温度。当单片机TIM1_CH1引脚捕获到补充烟雾油-油泵反转信号时，油泵11反转，通过金属发热管2的出口13，从外部吸取烟雾油到金属油箱4中。当单片机TIM1_CH1引脚捕获到烟雾油加热雾化信号时，进入烟雾油雾化过程，产生大量烟雾。

【实施例4】

单片机AD测量金属油箱上不同位置热敏电阻的温度，当任一热敏电阻的温度大于设定值时，如280℃，金属发热管停止加热，以防止油箱内的烟雾油过热而雾化。

【实施例5】

单片机ADC引脚，如AIN2/AIN5/AIN6引脚，测量电池组输出电压U、热敏电阻1/2的电压U1和U2。单片机可以根据感温电路的分压比和热敏电阻的温度电阻特性计算出热敏电阻的温度，也就是金属油箱4内烟雾油6的温度。

【实施例6】

由于金属发热管2等效于一热电阻，发热功率的大小通过单片机控制MOSFET/金氧半场效晶体管的通断占空比来实现调节。假设金属发热管2在烟雾产生期间温度保持稳定，则金属发热管2的等效电阻阻值保持稳定。单片机AD测量出电池组的输出电压，同时控制MOSFET/金氧半场效晶体管的导通占空比，使得金属发热管2发热功率保持恒定。

PWM功率控制技术原理：单片机输出周期固定的PWM信号，当PWM信号高电平时，MOSFET/金氧半场效晶体管被导通，此时电池正负极将直接加载在金属发热管两端，金属发热管发热；当PWM信号低电平时，MOSFET/金氧半场效晶体管则截止，此时金属发热管不发热。通过控制PWM信号的高电平占空比，就可以控制金属发热管的平均发热功率。另一方面单片机测量电池组的输出电压U，而由于金属发热管的电阻R在装置生产制造时已经确定，根据焦耳定律，瞬时发热功率Q=U^2/R，假设实际所需要的功率是Q’，则占空比D=Q’/Q=Q’R/U^2。单片机根据测量到的电池组输出电压U以及预设的金属发热管电阻值R，从而可以计算出占空比，进而输出PWM波形。

单片机AD，如AIN2测量电池组的输出电压。金属发热管2的材料一般较为固定，通常是镍铬合金，我们假设该合金具有较为稳定的温度-电阻率特性，即合金制备成金属发热管2后，在不同温度下有不同的电阻，且较为稳定，从而金属发热管的电阻值在生产制造出来后确定不变。稳定工作状态的定义是：油泵11以恒定泵油速度工作，金属发热管2以稳定的功率产生热量，金属发热管2各处将保持在较为稳定的温度。假设此时金属发热管2的电阻为R，电池组的输出电压为U，根据焦耳定律，发热功率为

P=U^2/R公式（1）

假设烟雾油6气化实际所需要的发热功率是P’，且有关系P’

周期T=t1+t2公式（2）

占空比D=t1/T=P’/P公式（3）

金属发热管2一端与MOSFET/金氧半场效晶体管以及电源地串联，另一端与电池组正极相连。多个MOSFET/金氧半场效晶体管并联后的电阻远小于金属发热管的电阻。控制电路有一单片机/MCU，为方便描述，单片机以STM8S003F3P6为例描述。单片机的TIM2_CH2引脚输出占空比可变的PWM波形信号，U1是MOSFET/金氧半场效晶体管的驱动芯片，U1以UCC37321为例。U1的作用是将单片机输出引脚的电压和电流抬升，使得MOSFET/金氧半场效晶体管能充分、快速地导通和关闭。每一个PWM周期，MOSFET/金氧半场效晶体管导通t1时长，关闭t2时长。单片机引脚TIM2_CH2以1~50KHz的频率输出占空比可调的PWM信号，信号经过U1抬升电压和电流后，输出到MOSFET/金氧半场效晶体管的G极，控制MOSFET/金氧半场效晶体管快速导通和关闭，从而通过调节PWM信号的占空比来控制金属发热管2的发热功率。

综合公式（1）和（3）可计算出占空比D

D=P’*R/U^2公式（4）

P’和R预先通过实验测量确定，找到一个较合适的值，能产生足够的烟雾，功率又不至于太高。U是电池组的输出电压，可以由单片机实时检测。根据公式（4）计算出占空比，单片机TIM2_CH2引脚输出占空比可变的PWM波形，从而使金属发热管2的发热功率控制在我们需要的值。