專利名稱：脈沖系統(tǒng)以及用于分離冰的方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求具有共同所有人的于2004年6月22日提交的待審美國臨時專利申請60/581,912、于2005年1月24日提交的待審美國臨時專利申請60/646,394以及于2005年1月25日提交的待審美國臨時專利申請60/646,932的優(yōu)先權(quán)。前述所有申請和專利都通過參引的方式包含在本申請中。
背景技術(shù)：
在諸如對固定設(shè)備或在戶外使用的設(shè)備(例如航空器、電力線、公路、屋頂)進(jìn)行除冰、對在操作過程中會積冰的設(shè)備(例如熱交換器、制冷器)場合中以及在制冰設(shè)備中，從表面除冰是比較重要的。
在傳統(tǒng)的民用和商用制冰器中，冰是由被冷板或隔柵冷卻的水緩慢生成的。在冰生成完成之后，可以將冷板/隔柵緩慢加熱到冰的熔點之上從而將該冰釋放；該加熱階段既耗費能量又耗時，因此降低了制冰器的效率和生產(chǎn)率。而且，將制冰器的硬件和所生成的冰從冰生成溫度加熱到所述冰的熔點需要花費大量的熱量。隨后在新的冰開始生成之前又要花費更長的時間和更多的能量來重新冷卻所述制冰器硬。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，一種制冰系統(tǒng)包括冷板；介電薄膜；薄金屬箔，由所述冷板通過所述介電薄膜冷卻，從而使得靠近所述金屬箔的水就在其上形成冰；電源；以及轉(zhuǎn)換器，用于將所述電源連接到所述薄金屬箔。臨近所述金屬箔的水形成冰，該冰在轉(zhuǎn)換器操作時從所述金屬箔上被釋放，所述轉(zhuǎn)換器的操作使得來自所述電源的電流流過所述薄金屬箔，產(chǎn)生加熱脈沖從而融化所述冰的界面層。
在一個實施例中，一種制冰系統(tǒng)包括冷板；由所述冷板冷卻的金屬箔；電源；以及轉(zhuǎn)換器，用于將所述電源連接到所述金屬箔。臨近所述金屬箔的水形成冰，該冰在轉(zhuǎn)換器操作時從所述金屬箔上被釋放，所述轉(zhuǎn)換器的操作產(chǎn)生加熱脈沖從而融化在所述金屬箔處的所述冰的界面層。
在一個實施例中，一種制冰系統(tǒng)包括冰容器；位于所述冰容器的基部的毛細(xì)管；以及電源。所述冰容器在被冷卻時將水轉(zhuǎn)化為冰。所述電源用于向所述冰容器和所述毛細(xì)管施加脈沖加熱能量。所述脈沖加熱使得在所述冰容器中冰的界面層融化，并使得所述毛細(xì)管中的冰蒸發(fā)而將冰從所述冰容器中排出。
在一個實施例中，一種蒸發(fā)除冰系統(tǒng)包括布置在待除冰的對象上的電阻膜；毛細(xì)管陣列，每個毛細(xì)管都具有與所述對象的表面平齊的開口端；以及電源，用于向所述電阻膜供給能量以便在所述電阻膜中產(chǎn)生脈沖加熱能量，以及向所述毛細(xì)管供給能量以便使得所述毛細(xì)管內(nèi)的冰蒸發(fā)并從所述對象中將冰排出。
在一個實施例中，一種蒸發(fā)除冰系統(tǒng)具有布置在待除冰對象的表面上的電阻膜、多孔金屬箔條帶以及電源。所述電源用于向所述電阻膜和所述多孔金屬條帶供給能量。脈沖加熱能量在所述電阻膜中生成，使得靠近所述電阻膜的冰的界面層融化。冰在所述多孔金屬條帶內(nèi)蒸發(fā)，并且冰從所述對象中被排出。
在一個實施例中，一種為制冷器除冰的系統(tǒng)包括具有折疊式表面的熱交換器、帶有制冷劑的壁管以及電源，所述電源被電切換到所述熱交換器，以便從所述熱交換器中去除冰。
在一個實施例中，一種用于對熱交換器除冰的系統(tǒng)包括基管、安裝在所述基管上的多個翅片、電源以及將所述電源連接到所述基管的轉(zhuǎn)換器。所述轉(zhuǎn)換器操作將電流脈沖施加到所述基管。焦耳加熱使得所述基管和所述翅片的溫度上升，從而融化附著在其上的冰。


圖1所示的是采用脈沖電熱除冰(PETD)的制冰系統(tǒng)的一個示例性實施例。
圖2所示的是圖1中的制冰系統(tǒng)，表示出了采用脈沖電熱除冰來分離冰。
圖3所示的是采用脈沖電熱除冰的制冰系統(tǒng)的一個示例性實施例。
圖4所示的是圖3中的制冰系統(tǒng)，表示出了采用脈沖電熱除冰來分離冰。
圖5所示的是采用脈沖電熱除冰的制冰系統(tǒng)的一個示例性實施例。
圖6所示的是圖5中的制冰系統(tǒng)，表示出了采用脈沖電熱除冰來分離冰。
圖7所示的是采用脈沖電熱除冰的制冰系統(tǒng)的一個示例性實施例。
圖8所示的是圖7中的制冰系統(tǒng)，表示出了采用脈沖電熱除冰來分離冰。
圖9所示的是采用脈沖電熱除冰的制冰系統(tǒng)的一個示例性實施例。
圖10所示的是圖9中的制冰系統(tǒng)，表示出了采用脈沖電熱除冰來分離冰。
圖11所示的是采用脈沖電熱除冰的制冰系統(tǒng)的一個示例性實施例。
圖12所示的是圖11中的制冰系統(tǒng)，表示出了采用脈沖電熱除冰來分離冰。
圖13表示出了對于圖1中的制冰系統(tǒng)，環(huán)氧樹脂的熱擴散長度(Ld)和冰的熱擴散長度(Li)與脈沖持續(xù)期之間的相關(guān)性。
圖14表示出了對于圖1中的制冰系統(tǒng)，總能量與功率之間的相關(guān)性。
圖15表示出了對于圖1中的制冰系統(tǒng)，清除速度與功率密度之間的相關(guān)性。
圖16表示出了對于圖1中的制冰系統(tǒng)，清除時間與功率密度之間的相關(guān)性。
圖17表示出了對于圖1中的具有0.2mm介電厚度的制冰系統(tǒng)，重新凍結(jié)時間與功率密度之間的相關(guān)性。
圖18表示出了對于圖1中的制冰系統(tǒng)，重新凍結(jié)時間與介電厚度d之間的相關(guān)性。
圖19表示出了對于圖1中的具有0.2mm介電厚度的制冰系統(tǒng)，重新凍結(jié)時間與融化層厚度之間的相關(guān)性。
圖20表示出了對于圖7中的制冰系統(tǒng)，Ld(t)和Li(t)與脈沖持續(xù)期t之間的相關(guān)性。
圖21表示出了在圖7中的氣隙為0.2mm的制冰系統(tǒng)，每m2的總能量Q與功率密度W之間的相關(guān)性。
圖22表示出了所述總清除時間T與加熱功率密度W之間的相關(guān)性。
圖23表示出了所述清除速度Ss與加熱功率密度W之間的相關(guān)性。
圖24表示出了所述重新凍結(jié)時間tr與功率密度W之間的相關(guān)性。
圖25表示出了重新凍結(jié)時間tr與介電厚度d之間的相關(guān)性。
圖26表示出了重新凍結(jié)時間tr與融化層厚度lm之間的相關(guān)性。
圖27所示的是一個被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的熱交換器的透視圖。
圖28所示的是圖27中的所述熱交換器的俯視圖，該熱交換器具有積累的冰并且與電源和轉(zhuǎn)換器相連。
圖29所示的是被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的熱交換器。
圖30所示的是圖29中的所述熱交換器的剖視圖。
圖31表示出了水蒸氣的平衡壓力與溫度的相關(guān)性。
圖32A示意性地表示了一種脈沖除冰系統(tǒng)。
圖32B所示的是在加熱脈沖被施加到加熱元件上之后圖32A中的所述脈沖除冰系統(tǒng)。
圖33所示的是采用PETD和脈沖電蒸發(fā)除冰(PEED)的一個制冰系統(tǒng)的剖視圖。
圖34所示的是采用PETD和PEED的一個制冰系統(tǒng)的剖視圖。
圖35所示的是采用PETD和PEED除去機翼的前緣上的冰的一種脈沖除冰系統(tǒng)。
圖36所示的是圖35中的機翼的一部分的透視圖。
圖37A示意性地示出了一種脈沖電蒸發(fā)除冰系統(tǒng)。
圖37B所示的是在加熱脈沖被施加到加熱元件上之后圖37A中的所述脈沖除冰系統(tǒng)。
圖38所示的是一種被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的折疊式熱交換器。
圖39所示的是一些連接起來形成一種制冷劑管的箔墊片(foilwasher)的剖視圖。
圖40所示的是連接在一直管上形成一種制冷劑管的一些箔墊片的剖視圖。
圖41所示的是另一種被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的折疊式熱交換器。
圖42所示的是另一種被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的折疊式熱交換器。
圖43所示的是一種采用脈沖除冰的方式來制冰的方法。
圖44所示的是一種采用脈沖除冰的方式來制冰的方法。
圖45所示的是一種采用脈沖電蒸發(fā)除冰的方式來制冰的方法。
圖46所示的是一種采用脈沖電蒸發(fā)除冰的方式來制冰的方法。
圖47所示的是具有安裝在導(dǎo)管上的翅片陣列的熱交換器的一個實施例。
圖48所示的是穿過一個導(dǎo)管和翅片組件的剖面。
圖49所示的是表示純鋁在室溫下的熱擴散長度與時間之間曲線圖。
圖50所示的是表示鋁質(zhì)熱交換器在(a)操作過程中由加熱脈沖提供功率以及(b)在冷卻泵和風(fēng)扇停止的情況下由加熱脈沖提供功率時溫度與時間之間的曲線圖。
具體實施例方式
美國專利申請No.10/364,438描述了脈沖電熱除冰方法(PETD)。PETD提供了冰的去除方法，例如通過對熱改變在對象和冰之間的界面(在此也稱之為“冰-對象界面”)處的界面冰。加熱能量可以施加到所述界面以便融化冰的界面層；這種能量的施加在持續(xù)期方面會受到限制，使得施加在所述界面的加熱能在所述冰內(nèi)的熱擴散距離僅僅延伸穿過所述冰的界面層的厚度。
通過向冰和冰所粘附的對象之間的界面施加高功率的加熱脈沖，界面冰幾乎承受即時融化。當(dāng)向界面施加恒定功率密度W(單位為瓦/平方米)時，將所述界面加熱ΔT度所需的能量Q(單位為焦耳)與所述的功率密度W幾乎成反比。因此，與普通(低到中等功率)的電熱除冰器所消耗的能量相比，通過向待除冰的界面施加非常高的功率密度W，可以降低能量Q。通常，采用非常高的功率密度W可以節(jié)省高達(dá)99％的加熱和重新制冷的能量。
但是使用具有Q∝1/W這些能量節(jié)省原理不能無限地降低Q，因為較小的Q會縮短界面重新凍結(jié)所花的時間。由于在采用PETD時存在這種快速界面重新凍結(jié)(這種快速的重新凍結(jié)起到再次捕獲或重新產(chǎn)生冰的作用)，因此應(yīng)該通過某種力(重力、空氣阻力、機械刮削等等)迅速地將所述冰從所述表面去掉。
如果冰沒有被去掉，該界面會經(jīng)過一時間周期后重新凍結(jié)，依據(jù)外部溫度、脈沖持續(xù)期以及基片特性，該時間周期范圍從幾毫秒到大約三十秒。在去掉冰的力較小或沒有的場合下，例如機翼的停滯線、公路的水平面、機場跑道、冰箱的熱交換器以及平屋頂，界面的重新凍結(jié)則限制了PETD的使用。
采用PETD的制冰系統(tǒng)冰的融化也可以用于制冰中。也就是說，通過融化冰塊和盛放所述冰塊的冰盤之間的冰的界面層，隨后冰塊可以較為容易地被取走。下面將描述采用PETD以便于收獲冰的制冰系統(tǒng)。
圖1和2所示的是采用脈沖電熱除冰(“PETD”)的一種示例性制冰系統(tǒng)(10)。在系統(tǒng)10(1)中，冰(5)形成于箔18(1)上，所述箔通過薄介電薄膜16(1)附著在冷板12(1)上。冷板12(1)例如通過流過管道14的流體冷卻。冰5(1)由從頂部到底部流過箔18(1)的水(未示出)生成。箔18(1)例如是一種薄金屬箔。箔18(1)通過薄介電薄膜16(1)由冷板12(1)冷卻，該薄介電薄膜例如是一薄層介電材料。冰5(1)也可以例如在冷板12(1)定向于水平位置時由充滿由箔18(1)形成的容器的水生成。一旦已經(jīng)生成足夠多的冰，則通過閉合轉(zhuǎn)換器20使得電源22連接到箔18(1)而將電流加熱脈沖施加在箔18(1)上。所述脈沖融化靠近箔18(1)的界面冰，使得冰5(1)與箔18(1)分離。冰5(1)例如可以收集在位于制冰系統(tǒng)10(1)之下的一個容器(未示出)中。
電源22可以是常規(guī)的交流電插座或諸如電池、電容器或超電容器的直流電源。轉(zhuǎn)換器20可以是一種半導(dǎo)體開關(guān)(有源MOSFET、IGBT、晶閘管等等)、機械開關(guān)、電磁轉(zhuǎn)換器或上述轉(zhuǎn)換器的任何組合。
在一個實施例中，所施加的電壓和電流提供的加熱功率的密度(相對于箔18(1)的面積)在大約1kw/m2到500kw/m2的范圍內(nèi)。電源22根據(jù)箔18(1)的電阻的不同而產(chǎn)生電壓在大約2.5V到大約1000V的交流電或直流電。箔18(1)可以通過濺射、通過物理氣相沉積(PVD)、通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、通過電解處理和/或通過用于形成一種薄金屬薄膜的另一種工藝而形成。
在一個實施例中，箔18(1)的厚度可以在從大約0.5μm到大約1mm的范圍內(nèi)。在某些實施例中，箔18(1)可以有導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電聚合物薄膜、碳纖維復(fù)合材料、或碳微管復(fù)合材料形成。
介電薄膜16(1)與冷板12(1)電絕緣。介電薄膜16(1)可以由例如介電材料制成，諸如瓷、玻璃、橡膠、聚合物、復(fù)合材料和/或其他介電材料。通常，薄介電薄膜16(1)的厚度在大約10μm到大約2mm的范圍內(nèi)。加熱脈沖持續(xù)期通常在1ms到to30s的范圍內(nèi)；不過1ms到10s的范圍就足夠了。
系統(tǒng)10(1)的操作可以得到優(yōu)化而消耗最少的電能，并且在冰5(1)和箔之間的界面重新凍結(jié)之前為冰5(1)提供足夠的時間滑離箔18(1)和冷板12(1)。對于系統(tǒng)的操作可以優(yōu)化的參數(shù)例如為
a)冷板12(1)的溫度b)介電薄膜16(1)的厚度、密度、熱容量以及熱傳導(dǎo)性c)金屬箔/薄膜18(1)的厚度、密度、電阻和熱容量d)冰5(1)的密度、融化潛熱、熱容量以及熱傳導(dǎo)性e)融化層厚度f)融化層重新凍結(jié)時間g)加熱功率密度圖3和4所示的是另一個示例性制冰系統(tǒng)10(2)，該系統(tǒng)采用了PETD。系統(tǒng)10(2)具有冷板12(2)和介電薄膜16(2)，并且具有管道14、電源22以及轉(zhuǎn)換器20，這些和系統(tǒng)10(1)中的具有相同標(biāo)記的部件一樣。在系統(tǒng)10(2)中，冰“塊”5(2)(可能是或不是幾何意義上的“塊”)形成于與箔18(2)上，該箔的形狀形成用于冰生成的袋子19(1)。袋子19可以裝有從箔18(2)的頂部流來的水，或者在水平冷板12(2)的情況下，袋子19可以充滿有靜止的水。水起初開始凍結(jié)在每個袋子的表面，該表面與所述冷板具有最好的熱接觸。當(dāng)在袋子19(1)中形成足夠的冰時，電流加熱脈沖對該加熱器箔進(jìn)行加熱并使得界面冰融化，使得冰“塊”5(2)與袋子19(1)分離。隨后重復(fù)該凍結(jié)和釋放冰的循環(huán)。
圖5和6所示的是另一個示例性制冰系統(tǒng)10(3)，該系統(tǒng)采用了PETD。系統(tǒng)10(3)具有冷板12(3)和介電薄膜16(3)，并且具有管道14、電源22以及轉(zhuǎn)換器20，這些和系統(tǒng)10(1)和10(2)中的具有相同標(biāo)記的部件一樣。在系統(tǒng)10(3)中，介電薄膜16(3)的變化的厚度調(diào)節(jié)從形成于與箔18(3)上的冰5(3)指向冷板12(3)的熱通量。介電薄膜16(3)具有較低的熱傳導(dǎo)性，因此所述熱通量在薄膜16(3)比較薄的地方(例如所示的冰5(3)的位置)比較大而在薄膜16(3)比較厚的地方(例如位置17)則降低。冰的生成速率與滲入所述冷板12(3)的熱通量和來自水的熱通量之間的差成比例，所述水從冷板12(3)的頂部流向底部。在薄膜16(3)比較厚的位置17處，所述流動的水帶來的熱量比滲入冷板12(3)中的熱量多，因此可以防止冰的生成。當(dāng)冰5(3)生長到理想的厚度時，加熱脈沖釋放冰5(3)，如圖6所示。
值得推崇的是，厚電介質(zhì)的面積可以形成于冷板內(nèi)的槽道內(nèi)(例如圖5和6中的位置17)或由隆起的電介質(zhì)的表面形成，或者由其組合形成。根據(jù)特定的電介質(zhì)的圖案，可以使得冰型生長成為半球形、半圓柱形、方形冰、棒形冰、星形冰等等。當(dāng)金屬箔16(3)非常薄而具有相對較低的熱傳導(dǎo)性(例如不銹鋼)時，橫向(例如沿著箔的方向)熱通量則受到限制，導(dǎo)致在相鄰的冰型之間出現(xiàn)沒有冰的空間。當(dāng)金屬箔比較厚并且具有較高的熱傳導(dǎo)性時，橫向熱通量能夠使得整個箔面積上的冰的生長速率平均，導(dǎo)致形成凍結(jié)在一起的冰型。
盡管制冰系統(tǒng)10(1)、10(2)和10(3)具有多種優(yōu)點(諸如省去了移動部分、能夠快速釋放冰、能耗低以及冰的生長幾乎不間斷)，但是它們還是具有某些缺陷。一個缺陷就是使得所述冷板與所述金屬薄電隔離的介電薄膜也阻礙了冰的生長所需的熱交換。通常，諸如薄膜16(1)、16(2)或16(3)的介電薄膜的熱阻等于0.5mm到2mm的冰的熱阻。因此，在冰的生長循環(huán)過程中，由于那種介電薄膜的存在就會使得冰的厚度損失0.5mm到2mm。因此，在加熱脈沖期間，少量的熱就會通過所述介電薄膜逸出到所述冷板，因此增加了整個電能的需要。系統(tǒng)10(1)、10(2)和10(3)的另一個潛在的缺陷可能是在箔18的熱膨脹系統(tǒng)(CTE)以及介電層16的熱膨脹系統(tǒng)方面的差別。這兩個CTE應(yīng)該較好地匹配以避免由于加熱脈沖誘導(dǎo)的較大的界面應(yīng)力，或者介電層16的彈性模量應(yīng)該較低，以便限制熱誘導(dǎo)應(yīng)力。
圖7-12中所示的制冰系統(tǒng)通過去掉介電薄膜16而消除了上述缺陷。例如，圖7和8所示的是另一種采用PETD的示例性制冰系統(tǒng)10(4)。系統(tǒng)10(4)具有冷板12(4)并具有管道14、電源22以及轉(zhuǎn)換器20，這些和系統(tǒng)10(1)、10(2)以及10(3)中的具有相同標(biāo)記的部件一樣。系統(tǒng)10(4)和系統(tǒng)10(1)相似，不同之處在于(a)系統(tǒng)10(4)不具有介電薄膜以及(b)系統(tǒng)10(4)具有封于冷板12(4)和箔18(4)之間的空間15(1)?？臻g15(1)可以交替地被抽空或者充滿空氣。當(dāng)空間15(1)被抽空時，大氣壓將箔18(4)壓靠在冷板12(4)上，提供熱接觸，使得冰能夠在箔18(4)上生長。為了收獲冰，可以將空氣泵入空間15(1)，分離并中斷冷板12(4)與箔18(4)之間的熱接觸。例如一種在缸體內(nèi)移動并由電磁體驅(qū)動的活塞可以用作系統(tǒng)19(4)的泵；或者也可以使用其它泵用于此目的。當(dāng)空氣將箔18(4)與冷板12(4)分離時，圖8中的箭頭A所指示的氣隙尺寸可以在大約10μm到2cm大約的范圍內(nèi)。在冷板12(4)與箔18(4)分離后，就向箔18(4)施加加熱脈沖以便融化界面冰；此時，冰5(4)則向下滑到冰收集器中。
圖9和10所示的是另一種采用PETD的示例性制冰系統(tǒng)10(5)。系統(tǒng)10(5)具有冷板12(5)，該冷板具有相鄰的空間15(2)，并且該系統(tǒng)具有管道14、電源22以及轉(zhuǎn)換器20，這些和系統(tǒng)10(1-4)中的具有相同標(biāo)記的部件一樣。系統(tǒng)10(5)和系統(tǒng)10(4)相似，但是該系統(tǒng)的箔18(5)形成用于冰“塊”5(5)的袋子19(2)，冰在其中生長。袋子19(2)可以充滿從所述裝置的頂部流來的水或者在冷板12(5)處于水平的情況下可以預(yù)先充滿靜止的水。通過將空氣泵入或泵出空間15(2)，箔18(5)可以與冷板12(5)產(chǎn)生熱接觸或脫離熱接觸。這種熱接觸在系統(tǒng)10(5)生成冰時“進(jìn)行”而在加熱脈沖施加到薄膜18(5)上以便釋放冰“快”5(5)之前“停止”。
圖11和12所示的是另一種采用PETD的示例性制冰系統(tǒng)10(6)。系統(tǒng)10(6)具有冷板12(6)，該冷板帶有相鄰的空間15(3)，并且該系統(tǒng)具有管道14、電源22以及轉(zhuǎn)換器20，這些和系統(tǒng)10(1-5)中的具有相同標(biāo)記的部件一樣。在系統(tǒng)10(6)中，冷板12(6)與箔18(6)之間的熱交換可以通過形成于冷板12(6)中的槽24來調(diào)節(jié)。槽24以一種與系統(tǒng)10(3)(圖5和6)的操作相似的方式改變局部的冰生長速率。如前面參照圖5和6所述，熱交換的調(diào)節(jié)可以使得各種形狀的冰塊生成半球形、方形、星形等等。一種泵送系統(tǒng)(未示出)可以一種與針對圖7-9中的系統(tǒng)所描述的方式相似的方式與由電源22、轉(zhuǎn)換器20以及箔18(6)形成的脈沖除冰系統(tǒng)協(xié)同操作，以便在采用加熱脈沖釋放冰“塊”5(6)之前使得箔18(6)與冷板12(6)分離。
實例1一實例提供了圖1和2中所示的系統(tǒng)10(1)的例示性(非限定性)規(guī)格和性能參數(shù)。下面這些參數(shù)作為輸入用于這些計算表1用于實例1中的常數(shù)和變量


下面的方程用來計算系統(tǒng)10(1)的性能參數(shù)。冰的熱擴散系數(shù)Di計算如下Di=λiρi·Ci]]>方程1環(huán)氧樹脂的熱擴散系數(shù)Da計算如下Dd=λdρd·Cd]]>方程2環(huán)氧樹脂的熱擴散長度Ld(t)計算如下Ld(t)=Dd·t]]>方程3冰的熱擴散長度Li(t)計算如下Li(t)=Di·t]]>方程4圖13表示了用于制冰器10(1)的、環(huán)氧樹脂的熱擴散長度Ld(t)和冰的熱擴散長度Li(t)與脈沖持續(xù)期之間的相關(guān)性。一到三秒的脈沖持續(xù)期將環(huán)氧樹脂和冰中的每一個中的熱擴散限制在2mm內(nèi)；較短的脈沖將熱擴散限制到較短的距離。
用于隨后將界面和加熱器加熱到0C并使得融化層厚度lm的一層冰融化的總能量Q可以利用能量轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行計算。中間參數(shù)可以定義為b(W,d)=λi·ρi·CiW-ΔT·λd2D·ΔT·π2]]>方程5C(lm,d)=Ch·ρh·dh·ΔT+(ρw·lm·qlatent)+ΔT·ρd·d·Cd2]]>方程6獲得所述理想的融化層厚度lm所需的加熱脈沖能量Q計算如下Q(W,d,lm)=S·[b(W,d)2+b(W,d)24+c(lm,d)]2]]>方程7提供脈沖能量Q所需的脈沖持續(xù)期t計算如下t(W,d,lm)=Q(W,d,lm)S·W]]>方程8從冷板12(1)上收獲冰的清潔速度Ss計算如下Ss(W,d,lm)=St(W,d,lm)]]>方程9從冷板12(1)上收獲冰的清潔時間T計算如下T(W,d,lm)=SSs(W,d,lm)]]>方程10如在本實例中所示的那樣，超過加熱脈沖能量的50％消耗在融化界面冰中，而只有少量的能量消耗在加熱冷板12(1)、介電薄膜16(1)以及箔18(1)以及加熱冰5(1)(即，使得相鄰的冰5(1)的溫度上升到高于其初始溫度-18C而不是使其融化)中。
圖14表示出用于制冰系統(tǒng)10(1)的、總能量Q與功率W之間的相關(guān)性，其中Q和W按每平方米(1/m2)給出。根據(jù)方程5和6可以理解，W的值越高，將導(dǎo)致Q的值越小。已知實例1中使用的常量的值，Q隨著W增加到大約2·104而急劇下降。圖15表示出了用于制冰系統(tǒng)10(1)的清潔速度Ss和功率W之間的相關(guān)性。已知實例1種使用的常量的值，Ss隨著W而增加。圖16表示出了用于制冰系統(tǒng)10(1)的清潔時間T和功率W之間的相關(guān)性。已知實例1種使用的常量的值，Q隨著W增加到大約 而急劇下降。
用于制冰操作的另一個參數(shù)是融化冰界面的重新凍結(jié)時間；該重新凍結(jié)時間可以定義該融化界面便于冰的收獲的時間周期(例如由于該融化界面使得所述冰能夠自由滑動)。通過假設(shè)重新凍結(jié)發(fā)生在該融化區(qū)域中的融化潛熱qlatent分散入相鄰的冰5(1)中并通過箔18(1)和介電層16(1)而進(jìn)入冷板12(1)中時，可以計算制冰系統(tǒng)10(1)的重新凍結(jié)時間tr。中間參數(shù)可以計算如下b(d)=λddλi·ρi·Ci]]>方程11(W,d,lm)=Q(W,d,lm)S·W]]>方程12α(W,d,lm)=t(W,d,lm)+ρw·lm·qlatentΔT·λi·ρi·Ci]]>方程13重新凍結(jié)時間可以計算如下tr(W,d,lm)=α(W,d,lm)b(d)+12·b(d)2-[α(W,d,lm)b(d)+12·b(d)2]2+t(W,d,lm)b(d)2-α(W,d,lm)2b(d)2]]>方程14圖17表示出了具有0.2mm介電厚度的制冰系統(tǒng)10(1)的重新凍結(jié)時間tr與功率密度W之間的相關(guān)性。已知實例1種使用的常量的值，tr隨著W增加而降低(例如，由于對于給定的融化層厚度Im較高的W會降低Q，如圖14所示；較高的W也會縮短重新凍結(jié)時間)，但是對于高達(dá)105瓦/平方米的W的值，tr保持大于2s。圖18表示出了制冰系統(tǒng)10(1)的重新凍結(jié)時間tr與介電厚度d之間的相關(guān)性。已知實例1種使用的常量的值，tr隨著d降低而增加。圖19表示出了介電厚度d為0.2mm的制冰系統(tǒng)10(1)的重新凍結(jié)時間tr與融化層厚度Im之間的相關(guān)性。已知實例1種使用的常量的值，tr隨著Im增加而增加。
一組選擇作為實例1的優(yōu)化參數(shù)的參數(shù)為表2實例1的優(yōu)化參數(shù)


實例2一實例提供了圖7和8中所示的系統(tǒng)10(4)的例示性(非限定性)規(guī)格和性能參數(shù)。下面這些參數(shù)作為輸入用于這些計算表3用于實例2種的常數(shù)和變量

冰和空氣的熱擴散系數(shù)Dj、Dd以及熱擴散長度Li(t)、Ld(t)可以利用表3中所列出的常量和變量根據(jù)上面的方程1-4來計算(其中空氣的特性都標(biāo)有下標(biāo)d)。
圖20表示出了實例2的Ld(t)和Li(t)與脈沖持續(xù)期t之間的相關(guān)性。一到三秒的脈沖持續(xù)期將冰中的熱擴散限制在2mm內(nèi)；較短的脈沖將熱擴散限制到較短的距離。
由于箔18(4)在制冰期間與冷板12(4)接觸，但是氣隙降低了在冰收獲期間向冷板12(4)的熱傳遞，因此能夠?qū)⑺鰵庀杜渲瞥杀戎票到y(tǒng)10(1)-10(3)的介電薄膜16寬；這種氣隙例如可以在幾毫米的范圍內(nèi)。用于將界面和加熱器加熱到0C以及使得融化層厚度為lm、脈沖長度為t、清潔速率為Ss以及清潔時間為T的一層冰融化的總能量Q可以利用表3種所列的常量和變量通過上述方程5-10來計算得出。
圖21表示出了氣隙為0.2mm的制冰系統(tǒng)的總能量Q與功率密度W之間的相關(guān)性。
圖22表示出了所述總清除時間T與加熱功率密度W之間的相關(guān)性。
圖23表示出了所述清除速度Ss與加熱功率密度W之間的相關(guān)性。
通過假設(shè)重新凍結(jié)發(fā)生在該融化區(qū)域中存在的融化潛熱qlatent分散入相鄰的冰5(4)中并通過箔18(4)和氣隙而進(jìn)入冷板12(4)中時，可以計算制冰系統(tǒng)10(4)的重新凍結(jié)時間tr。中間參數(shù)以及重新凍結(jié)時間tr可以利用表3種所列的常量和變量通過上述方程11-14來計算得出。
圖24表示出了所述重新凍結(jié)時間tr與功率密度W之間的相關(guān)性。已知實例2種使用的常量的值，tr隨著W增加而降低(例如，對于給定的融化層厚度lm由于較高的W會降低Q，如圖21所示；較高的W也會降低重新凍結(jié)時間)，但是對于高達(dá)105瓦/平方米的W的值，tr保持大于2s。圖25表示出了重新凍結(jié)時間tr與介電厚度d之間的相關(guān)性。已知實例2中使用的常量的值，tr隨著d降低而增加。圖26表示出了重新凍結(jié)時間tr與融化層厚度lm之間的相關(guān)性。已知實例2中使用的常量的值，tr隨著lm增加而增加。
一組選擇作為實例2的優(yōu)化參數(shù)的參數(shù)為


對(采用介電薄膜16(1)的)系統(tǒng)10(1)和(采用氣隙的)系統(tǒng)10(4)的預(yù)期的性能進(jìn)行比較表面，系統(tǒng)10(4)在冰釋放過程期間消耗了相同的能量，而提供了更多的時間用于冰在其重新凍結(jié)之前從冷板上滑落。不過，系統(tǒng)10(1)和系統(tǒng)10(4)在冰釋放過程期間消耗的平均電功率比傳統(tǒng)的制冰器要小。例如，如果圖1-4所示的那些系統(tǒng)(具有2.5cm厚的冰和2.5cm厚的冷板)中被緩慢加熱到冰的融點，加熱冷板以及冰界面以產(chǎn)生同樣數(shù)量的冰融化所需的最小能量將為1160w/m2，而采用系統(tǒng)10(1)和10(4)則為60w/m2。因此，在釋放冰時，系統(tǒng)10(1)和10(4)可以比現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟大約20倍。
建造一種圖3和4所示的設(shè)計的制冰器的實驗原型。測試顯示在施加熱脈沖時幾乎立即進(jìn)行冰的釋放。其它的實驗觀察特性都非常接近上述實例1所示的特性。
一種傳統(tǒng)的制冰器通常需要在收獲所述冰之后重新冷卻冷板，因此每個循環(huán)使用更多個的能量，但是在系統(tǒng)10(1)到10(6)中，在收獲冰之后，冰的生長以秒級重新開始，因為在冷板12(1)到12(6)在冰的收獲期間保持較低的溫度。
采用PETD的熱交換器熱交換器用于在熱質(zhì)量之間傳遞熱量。在一種熱交換器結(jié)構(gòu)中，空氣靠近熱交換器的表面流通，以便被循環(huán)的制冷劑所冷卻；該空氣將熱量釋放給該制冷劑。當(dāng)所述制冷劑的溫度足夠低時，就在該表面上形成冰，阻礙所述表面和所述空氣之間的熱交換。理想的是以最小的附加熱量來除去所述冰，因為被加熱的該表面必須被重新冷卻以便與所述空氣恢復(fù)熱交換。
圖27所示的是一個被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的熱交換器40的透視圖。熱交換器40可以例如由金屬或一種導(dǎo)電和導(dǎo)熱的聚合物制成。表面44(1)和44(2)由循環(huán)的制冷劑冷卻。空氣沿著箭頭52的方向流通經(jīng)過制冷表面42、46(1)以及46(2)，并且在該視圖中，與表面42以及表面44(2)相對的相應(yīng)制冷表面看不見。熱量從空氣傳遞到熱交換器的制冷表面，隨后傳遞到制冷劑；并形成在該制冷表面上。薄膜冰檢測器43用于檢測是否存在冰和/或霜，并測量所述冰或霜的厚度。頂表面48和底面50熱絕緣，因此不會在其上形成冰。
圖28所示的是所述熱交換器40的俯視圖，該熱交換器具有積累的冰5(7)并且與電源54和轉(zhuǎn)換器56相連。在操作中，熱交換器40冷卻空氣并可以積累冰5(7)。轉(zhuǎn)換器56隨后閉合，送電流加熱脈沖經(jīng)過熱交換器40；該加熱脈沖的功率和持續(xù)期可以進(jìn)行控制以便使的冰-對象界面在來自該脈沖的大量熱量散入冰5(7)和熱交換器40的制冷表面之前融化。如果熱交換器40垂直定向(例如，如圖27和28所示)，重力能夠使得冰5(7)在施加加熱脈沖之后從熱交換器40上滑落。
圖29所示的是被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的熱交換器60。熱交換器60形成空氣槽道62，在該槽道中，熱量從空氣傳遞到制冷劑，制冷劑從入口64進(jìn)入交換器60從出口66排出交換器60。虛線30-30指明了圖30中所示的剖視平面的頂部。
圖30所示的是所述熱交換器60沿途29中的虛線30-30垂直向下延伸的平面所作的剖視圖。空氣沿著箭頭64的方向流經(jīng)熱交換器60。制冷表面63形成空氣槽道62的側(cè)面，并且絕熱層68使得每個空氣槽道62的頂部和底部絕緣，如圖所示。每個制冷表面63都通過轉(zhuǎn)換器74與電源72相連(為了清楚起見，僅僅一個制冷表面63表示出了這種連接)。
在操作時，熱交換器60冷卻空氣并可以在制冷表面63上積累冰5(8)。轉(zhuǎn)換器74隨后可以閉合，傳送電流加熱脈沖穿過每個制冷表面63；加熱脈沖的功率和持續(xù)期受到控制以便使的冰-對象界面在來自該脈沖的大量熱散入冰5(8)進(jìn)入制冷劑和制冷表面63之前融化。如果熱交換器40垂直定向(例如，如圖29和30所示)，重力能夠使得冰5(8)在施加加熱脈沖之后從制冷表面63上滑落。
將可以理解的是，熱交換器40和60的變化形式都在本公開的范圍之內(nèi)。例如，熱交換器40的制冷表面可以成形為不同于圖27和28中所示的形狀；制冷劑可以穿過熱交換器40的管子和槽道。與將制冷表面連接到電源不同，加熱箔或薄膜可以布置在靠近熱交換器40或60的制冷表面的介電層上。可以在加熱箔或薄膜和制冷表面之間封有空間，并且該空間可以交替地被抽空以便使得加熱箔或薄膜與制冷表面進(jìn)行熱接觸以及在分離冰的過程中被加壓以便在該加熱箔或薄膜和制冷表面之間展開成氣隙。制冷表面可以形成一些分區(qū)(如下面所述)，這些分區(qū)可以形成到轉(zhuǎn)換器和電源的電連接，以便在規(guī)定的時間并不是所有的分區(qū)都接收加熱脈沖。
即時脈沖功率與可用電功率在系統(tǒng)10(1)到10(6)中，盡管釋放冰的脈沖所消耗的平均功率是非常低的(例如，60w/m2、或?qū)τ?000平方英寸的冷板大約為39w)，短加熱脈沖所需的功率(例如，對于1000平方英寸的冷板大約為6.6kw到65kw)可能比所能連續(xù)支持的某些電源(例如，2kw到3kw)要多。為了使得可用功率與所需的脈沖功率匹配，加熱箔可以被“分區(qū)”。在供電時，各個分區(qū)不會使得電源容量超載；也由于每個分區(qū)的除冰都遵循與在對整個隔柵進(jìn)行除冰情況下的理論相同的理論，因此總的能量需求保持相同。當(dāng)在分區(qū)中收獲冰時，總的收獲時間則等于脈沖持續(xù)期乘以分區(qū)的數(shù)量。能量存儲裝置，諸如超電容器、超級電容器、電解電容器以及電池都可以用來累積加熱脈沖之間的電能，將該能量重新分配為單個脈沖，以便于各個分區(qū)或整個冷板收獲冰。
脈沖電蒸發(fā)除冰盡管系統(tǒng)10(1)到10(6)有利地采用PETD來降低與收獲冰相關(guān)的能量消耗，但是脈沖電蒸發(fā)除冰(“PEED”)能夠進(jìn)一步減少能量消耗；PEED也可以具有除收獲冰之外的其他應(yīng)用場合。在PEED系統(tǒng)中，冰-對象界面的一些或全部能夠迅速地被加熱到水的沸點之上。這種加熱不僅融化該界面，而且產(chǎn)生高壓蒸汽從而將冰推離所述對象。這種非常短的加熱時間將熱擴散限制在冰和基片(substrate)內(nèi)，因此減少了總的能量需求。具有冰收集表面和加熱器的某些配置可以集中蒸發(fā)小容積內(nèi)的冰所需的熱量，減少用于分離冰的能量。理論計算和實驗結(jié)果表明，與采用PETD的系統(tǒng)相比，采用PEED的系統(tǒng)能夠消耗更少的能量，盡管PEED系統(tǒng)達(dá)到比PETD系統(tǒng)更高的溫度。
圖31表示出了水蒸氣的平衡壓力與溫度的相關(guān)性，顯示高于100℃的水的平均中等過熱導(dǎo)致非常高的水蒸氣壓力。例如，在T＝120℃、P＝2大氣壓時，推壓在1cm厚的冰上的2個大氣壓的壓力以a≈104m/s2的等級使得所述冰加速。
PEED的理論如下。PEED采用基片和薄加熱元件。冰生長在所述加熱元件上，整個系統(tǒng)處于低于水的凝固點的環(huán)境溫度下。施加到所述加熱元件上的電流加熱脈沖將冰-對象界面(例如，金屬加熱其余冰的相交處)加熱到水的沸點之上使得蒸發(fā)的水將剩下的冰推離所述加熱元件。該加熱脈沖可以具有足夠短的持續(xù)期，使得大量的熱量不會擴散到基片和/或剩余的冰。
圖32A示意性地表示了一種脈沖除冰系統(tǒng)75。系統(tǒng)75包括基片80以及加熱元件82，并且其中顯示了有在加熱元件處形成冰-對象界面84的冰5(9)。圖32B所示的是在加熱脈沖被施加到加熱元件82上之后的脈沖除冰系統(tǒng)75。在圖32A的冰-對象界面84處產(chǎn)生的水蒸氣的壓力在加熱元件82和冰5(9)之間產(chǎn)生空間86。
PEED加熱元件(例如，加熱元件80)可以由金屬箔、金屬網(wǎng)、薄金屬薄膜、ITO薄膜、半導(dǎo)體薄膜、碳纖維網(wǎng)、碳微管網(wǎng)、碳纖維、碳微管導(dǎo)電復(fù)合材料、多孔導(dǎo)體箔或?qū)щ娡苛现瞥?。PEED加熱元件的厚度可以在大約10nm到大約1mm的范圍內(nèi)。電流加熱脈沖的持續(xù)期為大約1μs到大約100s，通常為1ms到大約1s。加熱功率密度為大約10kW/m2到大約10MW/m2，通常為100kW/m2到1MW/m2。
實例3圖33所示的是采用PETD和PEED的一個制冰系統(tǒng)100(1)的剖面。制冰系統(tǒng)100(1)具有冰容器102(1)以及毛細(xì)管104(1)，兩者都可由例如不銹鋼制成。容器102(1)以及毛細(xì)管104(1)都充滿有水，水凝固形成主冰部分5(10)和毛細(xì)管冰部分5(11)。容器102(1)可以成形成一種截錐形。
制冰系統(tǒng)100(1)由分別通過兩個轉(zhuǎn)換器112、114切換的兩個電源108、110供電。當(dāng)從制冰系統(tǒng)100(1)上收獲冰時，轉(zhuǎn)換器114首先閉合，將一第一加熱脈沖供給冰容器102(1)，隨后轉(zhuǎn)換器112閉合，將一第二加熱脈沖供給毛細(xì)管104(1)。該第一加熱脈沖的能量足以融化至少容器102(1)和所述冰部分5(10)之間的界面冰層；該第二加熱脈沖的能量足以使毛細(xì)管冰部分5(11)的部分或全部蒸發(fā)。毛細(xì)管冰部分5(11)的部分或全部的蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力將冰部分5(10)排出冰容器102(1)。該第一和第二加熱脈沖兩者都具有足夠短的持續(xù)期，使得大量的熱量在冰部分5(10)被排出冰容器102(1)之前不會擴散到該冰部分5(10)。每個電源112和114都被配置成能夠向毛細(xì)管104(1)和冰容器102(1)提供適當(dāng)?shù)募訜崮芰?，使得提供給冰容器102(1)的熱量在不顯著超過所需熱量的情況下足以融化所述界面冰層，并且使得提供給毛細(xì)管104(1)的熱量在不顯著超過所需熱量的情況下足以驅(qū)逐冰部分5(10)。
圖34所示的是采用PETD和PEED的一個制冰系統(tǒng)100(2)的剖面。制冰系統(tǒng)100(2)具有冰容器102(2)以及毛細(xì)管104(2)，兩者都可由例如不銹鋼制成。制冰系統(tǒng)100(2)由通過轉(zhuǎn)換器118切換的電源116供電。當(dāng)轉(zhuǎn)換器118閉合時，單一加熱脈沖使得容器102(2)和所述冰部分5(12)之間的界面冰融化，并且使得毛細(xì)管104(2)內(nèi)的冰部分5(13)的部分或全部蒸發(fā)。毛細(xì)管冰部分5(13)的部分或全部的蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力將冰部分5(12)排出冰容器102(2)。該加熱脈沖可具有足夠短的持續(xù)期，冰容器102(2)和毛細(xì)管104(2)的電阻可以進(jìn)行平衡使得大量的熱量在冰部分5(12)被排出冰容器102(2)之前不會擴散到該冰部分5(12)。
電源108、110和/或116可以時常規(guī)的交流電插座、諸如電池、電容器或超電容器的直流電源。轉(zhuǎn)換器112、114以及118可以是半導(dǎo)體開關(guān)(有源MOSFET、IGBT、晶閘管等等)、機械開關(guān)、電磁轉(zhuǎn)換器或上述轉(zhuǎn)換器的任何組合。電子邏輯電路可以用來控制加熱脈沖的相對持續(xù)期和定時(例如，閉合轉(zhuǎn)換器114一段特定的期間，等待一段特定的延遲時間，隨后閉合轉(zhuǎn)換器112一段特定的期間)。
建造并測試根據(jù)系統(tǒng)100(1)的描述的制冰系統(tǒng)。該制冰容器由0.1mm的不銹鋼制成并且是一種頂部直徑為23.9mm的截錐形。該容器的長度為25.4mm。不銹鋼的毛細(xì)管長17cm，內(nèi)徑為1.4mm，外徑為2.4mm。在一種情況下，首先將0.95秒、229焦耳的電流脈沖施加到該冰容器(例如，利用電源110和轉(zhuǎn)換器114)上；0.2秒后，施加0.125秒、859焦耳的脈沖(例如，采用電源108和轉(zhuǎn)換器112)以便使得毛細(xì)管內(nèi)的冰蒸發(fā)。該主冰部分從該冰容器中排出。在另一種情況中，單個轉(zhuǎn)換器(例如，轉(zhuǎn)換器118)被用來將單一加熱脈沖供應(yīng)到冰容器和毛細(xì)管，主冰部分再次被排出。
圖35所示的是采用PETD和PEED除去機翼122的前緣上的冰的一種脈沖除冰系統(tǒng)120(1)。系統(tǒng)120(1)包括電源126、轉(zhuǎn)換器128以及毛細(xì)管124(在該視圖中僅僅表示出了一個毛細(xì)管124)。飛機的工作會導(dǎo)致在毛細(xì)管123內(nèi)形成冰5(14)，并且在機翼122上積累冰5(15)。系統(tǒng)120(1)可以通過閉合轉(zhuǎn)換器128使得電流加熱脈沖從電源126流過毛細(xì)管124的側(cè)面以及流過機翼122從而除掉機翼122上的冰；加熱脈沖融化形成于機翼122和冰5(15)之間的冰-對象界面。蒸發(fā)的冰的蒸汽壓力使得冰5(15)斷裂從而冰能夠在重新凍結(jié)之前從機翼上滑落。
圖36所示的是機翼122的一部分的透視圖。一排毛細(xì)管呈現(xiàn)在機翼122的停滯線上。相鄰毛細(xì)管之間的間隔可以進(jìn)行優(yōu)化，以便在所有毛細(xì)管124同時接收加熱脈沖時，冰5(15)沿著機翼122的整個長度斷裂。
與制冰系統(tǒng)100(2)相似，毛細(xì)管124以及機翼122的相對電阻以及電源126和轉(zhuǎn)換器128所供給的加熱脈沖的功率及持續(xù)期都可以進(jìn)行優(yōu)化，以便在能量浪費最小的情況下融化冰-對象界面以及使得冰斷裂。可選擇地，可以使用一個轉(zhuǎn)換器和電源來融化冰5(15)和機翼122之間的冰-對象界面，并且利用一第二轉(zhuǎn)換器和電源來蒸發(fā)一個或多個毛細(xì)管124中的冰(例如，當(dāng)制冰系統(tǒng)100(1)利用兩個電源和轉(zhuǎn)換器，而制冰系統(tǒng)100(2)只利用一個電源和轉(zhuǎn)換器)。此外，毛細(xì)管和機翼122可以分成多個分區(qū)，因此可以一次只對一個分區(qū)進(jìn)行除冰，以便利用低容量電源126。機翼122的金屬可以用作加熱元件，或者也可以采用分離的加熱元件。例如分離的加熱元件可以在有或沒有底層介電層的情況下貼到機翼上(例如，如果機翼的傳導(dǎo)性太高或太低而不能有效地起到一種加熱元件的作用的話)。
在另一個實施例中，小毛細(xì)管陣列可以由一種多孔的金屬箔條帶替代。該多孔箔中飽含空氣中的水，因此該多孔箔中充滿了水。當(dāng)電流加熱脈沖施加到該多孔箔時，該電流將該箔加熱到水的沸點之上，而在冰和機翼之間產(chǎn)生高壓水蒸氣。
實例4圖37A示意性地示出了一種脈沖電蒸發(fā)除冰系統(tǒng)130。該系統(tǒng)130包括基片132以及加熱元件134，并且其中顯示了有在加熱元件134處形成冰-對象界面136的冰5(16)。圖37B所示的是在加熱脈沖被施加到加熱元件134上之后的所述脈沖除冰系統(tǒng)130。在圖37A的冰-對象界面136處產(chǎn)生的水蒸氣的壓力，并且尤其是在小孔138中蒸發(fā)的水的壓力，在加熱元件134和冰5(16)之間產(chǎn)生空間140。
建造和測試根據(jù)系統(tǒng)130的描述的脈沖除冰系統(tǒng)。0.32mm厚的多孔不銹鋼箔由53μm到75μm的顆粒燒結(jié)而成；該箔的小孔為大約10μm。水布置在該箔上并隨后在T＝-10℃下被凍結(jié)，其中部分水穿透并凍結(jié)在所述箔的小孔中。施加一個20ms、密度為1.7×107W/m2的加熱脈沖。小孔內(nèi)的冰蒸發(fā)并將該冰片推離該箔。
采用加熱電脈沖對熱交換翅片進(jìn)行除冰圖38所示的是一種被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的折疊式熱交換器150。在熱交換器150中，制冷劑(氟利昂或其它液體)156流經(jīng)制冷劑管152，該制冷劑管具有制冷翅片154，該制冷翅片形成熱交換表面并與周圍的空氣進(jìn)行熱交換。盡管所示的制冷劑管152的翅片154內(nèi)有制冷劑，但是某些實施例可以使得制冷劑管具有一些從筆直管或?qū)Ч軝M向延伸的熱交換表面(例如，圖40)；在其它實施例中，管子或?qū)Ч芸梢猿尸F(xiàn)為一種蛇形或鋸齒形，以便形成熱交換表面(例如，圖42)?？梢酝ㄟ^脈沖除冰方法去掉形成在制冷翅片154上的冰5(17)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器158閉合時，電源160將電流加熱脈沖輸送穿過熱交換器150；該加熱脈沖至少融化翅片154和冰5(17)之間的冰-對象界面；該加熱脈沖還可融化所有的冰5(17)。每個單位面積的通常的加熱密度為大約5KW/m2到大約100KW/m2。電流幅值和脈沖持續(xù)期可以根據(jù)溫度、流量以及制冷劑特性(例如密度、熱容量以及熱傳導(dǎo)性)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常的脈沖持續(xù)期為大約0.1s到大約10s。電源160可以時常規(guī)的交流電插座、諸如電池、電容器或超電容器的直流電源。轉(zhuǎn)換器158可以是半導(dǎo)體開關(guān)(有源MOSFET、IGBT、晶閘管等等)、機械開關(guān)、電磁轉(zhuǎn)換器或上述轉(zhuǎn)換器的任何組合。在加熱脈沖之后剩下的固體冰5(17)隨后通過重力(例如，冰5(17)可以從翅片154上滑落)或通過諸如刮削、振動、吹氣等作用在熱交換器150上的機械作用被去掉。振動可以例如通過小的電馬達(dá)和曲柄、通過電磁振子或通過在制冷劑156中誘導(dǎo)壓力振動來提供。
圖39所示的是一些連接起來形成一種制冷劑管170的箔墊片172的剖視圖。制冷劑管170可以用作例如制冷劑管152(參見圖38)。箔墊片172可以是例如4密耳的不銹鋼箔墊片，該箔墊片的內(nèi)徑為1英寸而外徑為3英寸，并且在其外邊緣174和其內(nèi)邊緣176都進(jìn)行了焊接或點焊。每個墊片172因此形成熱交換表面(例如，一對墊片形成一個制冷翅片154，圖38)。
圖40所示的是連接在一直管上形成一種制冷劑管180的一些箔墊片182的剖視圖。制冷劑管180可以用作例如制冷劑管152(參見圖38)。箔墊片182可以是例如4密耳的不銹鋼箔墊片，該箔墊片的內(nèi)徑為1英寸而外徑為3英寸，并且在其外邊緣1864和其內(nèi)邊緣188都進(jìn)行了焊接或點焊。墊片18也可以被焊接或點焊到導(dǎo)管184上。每對墊片182因此形成制冷翅片例如，制冷翅片154，圖38)。導(dǎo)管180和墊片182的相對壁厚可以選擇使得它們在如圖38所示誘導(dǎo)電流脈沖時具有相同的加熱功率密度W。
圖41所示的是另一種被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的折疊式熱交換器190。熱交換器190具有制冷劑管192，該制冷劑管具有與周圍的空氣進(jìn)行熱交換的制冷翅片194。可以通過脈沖除冰方法去掉形成在制冷翅片194上的冰5(18)。熱交換器190的PETD除冰方法與用于熱交換器170中的方式相同當(dāng)轉(zhuǎn)換器198閉合時，電源196將電流加熱脈沖輸送穿過熱交換器190；該加熱脈沖至少融化翅片194和冰5(18)之間的冰-對象界面；該加熱脈沖還可融化所有的冰5(18)。
圖42所示的是另一種被配置成為一種用于分離冰的脈沖系統(tǒng)的折疊式熱交換器200。熱交換器200具有能夠與周圍空氣進(jìn)行熱交換的制冷劑管202；制冷劑管202為蛇形，制冷劑流經(jīng)該制冷劑管202的彎曲204處以便使得熱交換面積最大化。形成于制冷劑管202上的冰(未示出)可以通過PETD除冰方式被去掉。當(dāng)轉(zhuǎn)換器208閉合時，電源206將電流加熱脈沖輸送穿過熱交換器200；該加熱脈沖至少融化翅片204和冰之間的冰-對象界面；該加熱脈沖還可融化所有的冰。
需要理解的是，熱交換器150、190和200的變化形式都在該公開的范圍內(nèi)。例如，熱交換器150、190和200的的熱交換表面可以形成不同于圖38、41以及42中所示的形狀。與使管子和/或制冷翅片連接到電源不同，可以在與所述表面臨近的介電層上布置加熱箔或薄膜?？梢栽诩訜岵虮∧ず椭评浔砻嬷g封有空間，并且該空間可以交替地被抽空以便使得加熱箔或薄膜與制冷表面進(jìn)行熱接觸以及在分離冰的過程中被加壓以便在該加熱箔或薄膜和制冷表面之間展開成氣隙。熱交換表面可以形成一些分區(qū)(如上面所述)，這些分區(qū)可以形成到轉(zhuǎn)換器和電源的電連接，以便在規(guī)定的時間并不是所有的分區(qū)都接收加熱脈沖。
脈沖加熱薄壁金屬管和箔可以有利地采用較低的電壓(1V到24V)和高電流(成百上千安培)。當(dāng)直接使用較高的電壓(例如120V的交流電或240V的交流電)為優(yōu)選時，較高的電阻是比較有利的。通過將加熱器的導(dǎo)電薄膜與制冷管分離可以獲得較高的電阻。例如，具有翅片的熱交換器可以由陽極化鋁制成，具有施加在陽極化層的頂部的高電阻加熱薄膜。該加熱薄膜可以通過物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電解涂敷或通過刷涂料來施加。
圖43所示的是一種采用脈沖除冰的方式來制冰的方法300。該方法300可以由例如如上所述的制冰系統(tǒng)10(1)到10(3)中的任何一種通過與該系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的微處理器的控制和操作來執(zhí)行。該方法300的步驟302冷卻冷板(例如冷板12(1)到12(3)中的任何一個)。步驟306在加熱器元件(例如箔18(1)到18(3)中的任何一種)上凍結(jié)冰。步驟310施加加熱脈沖以便使得所述冰松動。如果步驟306導(dǎo)致所述冰處于理想的位置(例如，由于所述冰下落到一接收器中)，方法300可以在步驟306之后回復(fù)到步驟302?；蛘?，方法300可以繼續(xù)到步驟312，該步驟施加機械力(例如刮削所述冰、撿拾冰、以及吹空氣使其移動等等)來去掉所述冰。步驟312例如可以在該系統(tǒng)中的微處理器的控制下通過電機械裝置(吹風(fēng)機、刮削器)來進(jìn)行。當(dāng)冰處于其理想位置時，方法300回復(fù)到步驟302而重新開始。
圖44所示的是一種采用脈沖除冰的方式來制冰的方法320。該方法320可以由例如如上所述的制冰系統(tǒng)10(4)到10(6)中的任何一種通過與該系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的微處理器(以及，根據(jù)需要，機械致動器)的控制和操作來執(zhí)行。該方法320的步驟302冷卻冷板(例如冷板12(4)到12(6)中的任何一個)。步驟304將冷板和加熱器元件(例如，箔18(4)到18(6)中的任何一種)之間的空間抽空，使得該冷板和加熱器元件處于熱接觸。步驟306在加熱器元件(例如箔18(1)到18(3)中的任何一種)上凍結(jié)冰。步驟308對所述空間進(jìn)行加壓以便在所述加熱器元件和冷板之間產(chǎn)生氣隙。步驟310施加加熱脈沖以便使得所述冰松動。如果步驟306導(dǎo)致所述冰處于理想的位置(例如，由于所述冰下落到一接收器中)，方法320可以在步驟306之后回復(fù)到步驟302?；蛘?，方法320可以繼續(xù)到步驟312，該步驟施加機械力(例如刮削所述冰、撿拾冰、以及吹空氣使其移動等等)來去掉所述冰。當(dāng)冰處于其理想位置時，方法320回復(fù)到步驟302而重新開始。
圖45所示的是一種采用脈沖電蒸發(fā)除冰的方式來制冰的方法350。該方法350可以由例如如上所述的制冰系統(tǒng)10(2)通過與該系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的微處理器(以及根據(jù)需要的電-機械裝置，諸如吹風(fēng)機和刮削器)的控制和操作來執(zhí)行。該方法350的步驟352冷卻冰容器和毛細(xì)管(例如，冰容器102(2)和毛細(xì)管104(2))。步驟354在冰容器和毛細(xì)管中凍結(jié)冰。步驟356施加加熱脈沖(例如通過閉合轉(zhuǎn)換器118)以便使得所述冰松動并使得毛細(xì)管內(nèi)的冰蒸發(fā)，由此將冰排出。在步驟356之后，方法350則回復(fù)到步驟352以便重新開始。
圖46所示的是一種采用脈沖電蒸發(fā)除冰的方式來制冰的方法360。該方法360可以由例如如上所述的制冰系統(tǒng)10(1)通過與該系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的微處理器(以及根據(jù)需要的電-機械裝置，諸如吹風(fēng)機和刮削器)的控制和操作來執(zhí)行。該方法360的步驟362冷卻冰容器和毛細(xì)管(例如，冰容器102(1)和毛細(xì)管104(1))。步驟364在冰容器和毛細(xì)管中凍結(jié)冰。步驟366施加一第一加熱脈沖(例如通過閉合轉(zhuǎn)換器114)以便使得冰容器內(nèi)的冰松動。步驟368施加一第二加熱脈沖(例如通過閉合轉(zhuǎn)換器112)并使得毛細(xì)管內(nèi)的冰蒸發(fā)，由此將冰排出。在步驟368之后，方法360則回復(fù)到步驟362以便重新開始。
圖47所示的是具有安裝在管子406上的翅片陣列的熱交換器402的一個實施例。圖48所示的是穿過一個管子和翅片組件的剖面。每個管子406都通過轉(zhuǎn)換器410與電源408相連，因此，當(dāng)該轉(zhuǎn)換器閉合時，電流流經(jīng)管子406而產(chǎn)生熱量；由此起作用而除掉熱交換器402商的冰。在圖47中，僅僅表示出了一個管子406，目的是為了清楚表示出電連接。當(dāng)短電流脈沖流經(jīng)管子406時，在管子406的壁中產(chǎn)生焦耳熱量。由于管子406和翅片404之間的接觸熱阻非常低，并且由于金屬翅片中的熱擴散速率較高，因此在管子406種產(chǎn)生的焦耳加熱快速地傳播到翅片404，融化熱交換器402上的冰和/或霜。
下面的實例說明了該熱擴散速率。一些材料中的熱擴散長度LD由以下方程給出LD(t)≈2α·t]]>方程15其中α=kρ·CP]]>方程16其中t是時間，是α材料的熱擴散性，k是材料的熱傳導(dǎo)性，是ρ材料的密度，以及CP是材料的熱容量。
圖49所示的是表示純鋁在室溫下的熱擴散長度與時間之間曲線圖。尤其是，圖49表示出在一秒內(nèi)熱在鋁內(nèi)擴散超過1.8cm而在五秒內(nèi)超過3.9cm。因此，當(dāng)熱量在管子406內(nèi)產(chǎn)生時，該擴散長度足以在大約一秒內(nèi)將翅片404(在翅片404具有通常的尺寸的情況下)加熱。
該是實例便于當(dāng)前用于制冷工業(yè)中的廣泛的熱交換器中使用。例如翅片404的形狀可以是以下形狀中的一種或多種環(huán)形、方形、銷形等等。翅片404和管子406可以采用以下材料中的一種或多種制成鋁、銅、不銹鋼、導(dǎo)電聚合物、或其他合金。例如不銹鋼管子可以用于進(jìn)行電阻加熱，因為不銹鋼具有較高的電阻。也可以使用其他金屬和合金。
電源408可以使任何具有足夠功率的低壓高電流直流或交流電源。例如，電源408可以是以下電源中的一種或多種電池、一組超級電容器、降壓變壓器、電子降壓變壓器等等。在一個實施例中，因為在傳送高頻電流時管子406的電阻可以由于集膚效應(yīng)而增加，因此電源408產(chǎn)生有利的高頻電流。
為了產(chǎn)生更一致的電加熱，翅片404可以與管子406電絕緣，同時與管子406保持良好的熱接觸。例如，在鋁的表面上的薄陽極化層、薄層聚合物或環(huán)氧樹脂粘合劑可以形成這種薄的電絕緣。
如上述實例所述，這種脈沖加熱由于與基管中的液體制冷劑的對流熱交換而限制了熱損失并且熱交換器的外表面上的空氣，由此降低了平均功率需求并且能夠在不關(guān)閉交換器402(即，在不關(guān)閉冷凍器、冷卻器或空調(diào)器)的情況下進(jìn)行除冰和除霜。通過以足夠頻率施加加熱脈沖，生長在翅片和管子的外表面上的薄層冰或霜就會融化，因此實際上保持該熱交換器表面沒有冰或霜。這因此改進(jìn)了該熱交換器的性能，降低了功率需求，并且可以增加儲存在冰箱中的食品的保質(zhì)期。
假設(shè)圖47中的熱交換器402由鋁制成，并且具有通常的尺寸管子內(nèi)徑1cm、管子壁厚0.30mm、翅片直徑36mm、翅片厚度0.5mm，并且翅片之間的間距為4mm。
這種熱交換器的質(zhì)量為大約330g/m(每米管子的長度)并且總表面積(翅片+管子的外表面)為0.47m2/m(平方米每米管子長度)。假設(shè)管子中的制冷劑的溫度為-18℃、在管子406的內(nèi)表面處的對流熱交換速率為1000W/(m2·K)、空氣溫度為+5℃，并且空氣與熱交換器402的外表面之間的對流熱交換系數(shù)為65W/(m2·K)。
如圖50所示，當(dāng)3V/m的電場施加到管子406上時，將該鋁的表面加熱到0℃以上需要花費不到1.4秒。一旦該鋁的表面高于0℃，如果再該鋁的表面上形成有的薄層霜話，該薄層霜就開始融化。

邊界條件

電學(xué)參數(shù)

當(dāng)熱交換器關(guān)閉時，熱交換器在脈沖加熱期間的溫度計算如下Tshutdown(V,t)=TA1·Ct+t·(W(V))Ct]]>而當(dāng)熱交換器不間斷地運行時，熱交換器在脈沖加熱期間的溫度計算如下Tuninterrupted(V,t)=C1(V)C2-[C1(V)C2-TA1]·exp[-C2C1·t]]]>其中，C1(V)＝W(V)+hf·Ai·Tf+hair·AO·Tair以及C2＝hf·Ai+hair·AO圖50表示鋁質(zhì)熱交換器在運行過程中由加熱脈沖提供功率以及在冷卻泵和風(fēng)扇停止的情況下由加熱脈沖提供功率時溫度與時間之間的曲線圖。尤其是圖50表示出了除霜可以在不關(guān)閉制冷劑泵或風(fēng)扇的情況下連續(xù)地進(jìn)行，因為在不間斷的運行過程中，花費不到1.4秒就開始霜的融化。在實例中，將3V施加到熱交換管子(例如，管子406)的1米分區(qū)產(chǎn)生1.671kW的加熱功率。管子在所施加的3V電壓下傳導(dǎo)557.004A的電流。
在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以對上述方法和系統(tǒng)進(jìn)行改變。因此需要指出的是，上述描述中所包含的內(nèi)容以及附圖中所顯示的內(nèi)容都應(yīng)該解釋為說明性的而非限制性的了。后面的權(quán)利要求是為了涉及在此所描述的所有上位和具體的特征，以及本方法和系統(tǒng)的范圍的全部聲明，為了方便記述，他們都可能位于其中。
權(quán)利要求
1.一種制冰系統(tǒng)，包括冷板；介電薄膜；薄金屬箔，由所述冷板通過所述介電薄膜冷卻，從而使得靠近所述金屬箔的水在其上形成冰；電源；以及轉(zhuǎn)換器，用于將來自所述電源的電流連接到所述薄金屬箔，從而生成融化在所述薄金屬箔處的所述冰的界面層的加熱脈沖，并釋放所述的冰。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述電源包括交流電源或直流電源。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述電源包括電池、電容器或超電容器。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器包括有源MOSFET、IGBT、晶閘管、機械開關(guān)、電磁轉(zhuǎn)換器、或其組合。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述加熱脈沖的所施加的電壓和電流提供了在大約1kw/m2到500kw/m2的范圍內(nèi)的充足的熱功率密度。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，所述電壓根據(jù)所述金屬箔的電阻的不同而為2.5V到1000V。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述金屬箔的厚度為0.5μm到1mm。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述金屬箔包括導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電聚合物薄膜、碳纖維復(fù)合材料、或碳微管復(fù)合材料。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述介電薄膜使得所述金屬箔與所述冷板電絕緣，并且包括以下材料中的一種或多種瓷、玻璃、橡膠、聚合物以及復(fù)合材料。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，所述介電薄膜的厚度范圍為10μm到2mm。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器工作使得所述加熱脈沖的持續(xù)期為1ms到30s。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述金屬箔形成用于所述冰的一個或多個袋子。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，在所述加熱脈沖之后從所述金屬箔上釋放出來的冰包括冰塊。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述介電薄膜包括變化的厚度，使得所述冰在所述介電薄膜比較厚的地方比較薄。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，所述變化的厚度被構(gòu)造并安排成使得所述冰形成一種形狀。
16.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，所述形狀是半球形、半圓柱形、矩形、條狀以及星形中的一種。
17.一種制冰系統(tǒng)，包括冷板；金屬箔，該金屬箔由所述冷板冷卻，從而使得靠近所述金屬箔的水在其上形成冰；電源；以及轉(zhuǎn)換器，用于將來自所述電源的電流連接到所述金屬箔，從而生成融化在所述金屬箔處的所述冰的界面層的加熱脈沖，并釋放所述的冰。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括泵，所述泵用于將空氣泵入或泵出所述冷板和所述金屬箔之間的空間，其中將空氣泵入使得所述冷板與所述金屬箔分開，而將空氣泵出使得空氣從所述空間中排出并將所述金屬箔壓到冷板。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述空間大約為10μm到2cm。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述金屬箔形成用于所述冰的一個或多個袋子。
21.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述冷板形成一個或多個槽以便使得在所述金屬箔上生成的冰成形。
22.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述加熱脈沖的所施加的電壓和電流提供了在大約1kw/m2到500kw/m2的范圍內(nèi)的充足的熱功率密度。
23.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述電壓根據(jù)所述金屬箔的電阻的不同而為2.5V到大約1000V。
24.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述金屬箔的厚度為大約0.5μm到1mm。
25.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述金屬箔包括導(dǎo)電聚合物薄膜、碳纖維復(fù)合材料以及碳微管復(fù)合材料中的一種。
26.一種制冰系統(tǒng)，包括冰容器，用于在被冷卻時將水轉(zhuǎn)化為冰；毛細(xì)管，位于所述冰容器的基部；電源，用于向所述冰容器和所述毛細(xì)管施加脈沖加熱能量；其中，所述脈沖加熱使得在所述冰容器中的界面層冰融化，并使得冰在所述毛細(xì)管中蒸發(fā)而將冰從所述冰容器中排出。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器用于將所述電源連接到所述冰容器以便在所述冰容器中產(chǎn)生脈沖加熱能量。
28.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器用于將所述電源連接到所述毛細(xì)管以便在所述毛細(xì)管中產(chǎn)生脈沖加熱，從而使其中的冰蒸發(fā)。
29.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，所述冰容器由不銹鋼制造。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，所述箔的厚度大約為0.1mm。
31.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，所述毛細(xì)管由不銹鋼制造。
32.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，所述冰容器形成一種類似截頭錐的形狀。
33.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，所述電源包括交流電源或直流電源。
34.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，所述電源包括電池、電容器或超電容器。
35.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括至少一個轉(zhuǎn)換器，用于選擇性地將所述脈沖加熱能量施加到所述冰容器和所述毛細(xì)管。
36.如權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器包括有源MOSFET、IGBT、晶閘管、機械開關(guān)、電磁轉(zhuǎn)換器、或其組合
37.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中脈沖加熱在大約1秒鐘內(nèi)施加，并向所述容器產(chǎn)生大約230焦耳的電流脈沖，從而融化所述界面層。
38.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，所述毛細(xì)管的脈沖加熱在大約0.125秒鐘內(nèi)施加，并產(chǎn)生大約860焦耳的電流脈沖，以便蒸發(fā)所述毛細(xì)管內(nèi)的冰。
39.一種蒸發(fā)除冰系統(tǒng)，包括電阻膜，其布置在待除冰的對象上；毛細(xì)管陣列，與所述對象布置成使得每個所述毛細(xì)管的開口端與所述對象的表面平齊；以及電源，用于(a)向所述電阻膜供給能量，以便在所述電阻膜中生成脈沖加熱能量，使得靠近所述電阻膜的冰的界面層融化，以及(b)向所述毛細(xì)管供給能量，以便使得所述毛細(xì)管內(nèi)的冰蒸發(fā)并從所述對象中將冰排出。
40.如權(quán)利要求39所述的蒸發(fā)除冰系統(tǒng)，所述毛細(xì)管被布置在機翼的停滯線上。
41.一種蒸發(fā)除冰系統(tǒng)，包括電阻膜，其布置在待除冰對象的表面上；多孔金屬箔條帶；以及電源；電源，用于(a)向所述電阻膜供給能量，以便在所述電阻膜中生成脈沖加熱能量，使得靠近所述電阻膜的冰的界面層融化，以及(b)向所述多孔金屬條帶供給能量，以便使得所述多孔金屬條帶內(nèi)的冰蒸發(fā)并從所述對象中將冰排出。
42.如權(quán)利要求41所述的蒸發(fā)除冰系統(tǒng)，所述多孔金屬箔被布置在機翼的停滯線上。
43.一種為制冷器除冰的系統(tǒng)，包括熱交換器，具有折疊式表面；壁管，其中有制冷劑流動；以及電源，其被電切換到所述熱交換器，以便向所述熱交換器施加脈沖加熱功率并將冰從其中去除。
44.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，還包括絕緣薄膜，該絕緣薄膜布置在所述熱交換器的頂部，并且采用陽極氧化鋁或陽極氧化鋁合金制成。
45.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，還包括導(dǎo)電薄膜，該導(dǎo)電薄膜布置在所述絕緣薄膜的頂部，其中所述導(dǎo)電薄膜是通過CVD、PVD、電解涂鍍或涂抹而涂敷的薄金屬層。
46.一種為熱交換器除冰的系統(tǒng)，該熱交換器具有基管以及多個安裝在其上的翅片，包括電源；轉(zhuǎn)換器，用于將所述電源連接到所述基管；其中所述轉(zhuǎn)換器操作將電流脈沖施加到所述基管，以便焦耳加熱使得所述基管和所述翅片的溫度上升，從而融化附著在其上的冰。
47.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述基管和所述翅片由同一連續(xù)金屬片構(gòu)成。
48.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，還包括薄介電材料層，被布置在所述基管和所述翅片之間。
49.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述基管和所述翅片由銅、鋁、不銹鋼、金屬合金、導(dǎo)電聚合物以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱復(fù)合材料中的一種或多種制成。
50.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其中施加在所述基管上的加熱功率密度在0.5kW/kg到50kW/kg的范圍內(nèi)，其中該重量指的是所述熱交換器的重量。
51.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器工作而供給電流脈沖，所述電流脈沖的持續(xù)期大約在0.1s到30s的范圍內(nèi)。
52.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述電源為直流電源。
53.如權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，所述電源在所述基管中產(chǎn)生的電場強度根據(jù)所述基管材料的電阻的不同而大約在0.5V/m到50V/m的范圍內(nèi)。
54.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述電源為交流電源。
55.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，所述交流電源在所述基管中產(chǎn)生的電場強度根據(jù)所述基管材料的電阻的不同而大約在0.5V/m到50V/m的范圍內(nèi)。
56.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，所述交流電源的工作頻率在大約50Hz到10MHz的范圍內(nèi)。
57.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，所述交流電源的頻率可調(diào)節(jié)而使所述基管由于集膚效應(yīng)而達(dá)到理想的電阻。
58.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述電脈沖的能量足以融化附著在所述熱交換器上的薄霜層或薄冰層。
59.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，所述電脈沖的能量足以融化厚霜層或冰層
60.如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器工作而以足以保持所述熱交換器的表面不結(jié)霜或結(jié)冰的頻率和持續(xù)期提供多個電脈沖。
61.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，還包括附接在所述熱交換器的外表面上的薄膜冰檢測器，用于檢測是否存在冰和/或霜。
62.如權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其中，所述冰檢測器測量所述冰和霜的厚度。
63.如權(quán)利要求62所述的系統(tǒng)，還包括控制電子裝置，其利用所述冰檢測器來監(jiān)測所述冰和霜的厚度。
64.如權(quán)利要求63所述的系統(tǒng)，其中所述控制電子裝置在冰的厚度達(dá)到預(yù)定的值時激活所述轉(zhuǎn)換器。
65.如權(quán)利要求63所述的系統(tǒng)，其中所述控制電子裝置在所述熱交換器上的所有冰和/或霜融化時使得所述轉(zhuǎn)換器失活。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分離冰的脈沖電熱除冰系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電源(22)，用于將高功率的加熱脈沖施加在冰和諸如制冰系統(tǒng)的冷板的對象之間的界面上；冰容器；熱交換器；制冷器表面或機翼。脈沖加熱可以在位于待除冰的對象上的金屬箔或電阻薄膜中產(chǎn)生，或者在待除冰的對象附近的毛細(xì)管中產(chǎn)生。界面層冰被融化而所述冰從對象上被釋放。一種力，例如重力、蒸汽壓力或機械刮削可以將所述冰從對象上去掉。
文檔編號F25C5/08GK1997552SQ200580020898
公開日2007年7月11日 申請日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月22日
發(fā)明者維多利亞·彼得連科 申請人:達(dá)特默斯大學(xué)托管會