专利名称：复杂形状的脉冲电热除冰的制作方法
复杂形状的脉冲电热除水
相关申请
本申请要求于2006年5月22日提交的、共同所有和共同未决的 美国临时专利申请第60/802,407号的优先权。本申请还是于2006年1 月24日提交的、共同所有和共同未决的PCT/US2006/002283的部分 继续申请，PCT/US2006/002283要求于2005年1月24日提交的美国 临时专利申请第60/646,394号、于2005年1月25曰提交的美国临时 专利申请第60/646,932号以及于2005年11月23日提交的美国临时专 利申请第60/739,506号的优先权。此申请还是于2006年12月22曰提 交的、共同所有和共同未决的美国专利申请第11/571,231号的部分继 续申请，美国专利申请第11/571,231号要求于2005年6月22日提交 的PCT/US2005/022035的优选权，PCT/US2005/022035要求于2004 年6月22日提交的美国临时专利申请第60/581,912号、于2005年1 月24日提交的美国临时专利申请第60/646,394号以及于2005年1月 25曰提交的美国临时专利申请第60/646,932的优先权号。此申请还是 于2006年1月24日提交的、共同所有和共同未决的美国专利申请第 11/338,239号的部分继续申请，美国专利申请第11/338,239号要求于 2004年9月10日提交的美国专利申请第10/939,289号、现在为美国 专利第7,034,257号的优先权，美国专利申请第10/939,289号是分案申 请，其要求于2003年2月11日提交的美国专利申请第10/364，438号、 现在为美国专利第6,870,139号的优先权，美国专利申请第10/364,438 号要求于2002年2月11日提交的美国临时专利申请第60/356，476号、 于2002年7月23日提交的美国临时专利申请第60/398,004号以及于 2002年8月21日提交的美国临时专利申请第60/404,872号的优先权。 通过引用将所有前述专利申请并入本文。
背景技术：
通过用电产生热(焦耳热)融化或者分离水的除冰有很多应用。 其中这些应用中的某些受益于使施加到冰和/或冰附着的物体的能量 最小。例如，比融化或者至少分离冰所必需的热量更多的热量的产生 需要能量的过度消耗。在某些应用中，例如，在致冷设备的制冰或者
除冰中，在分离冰时额外能量的消耗是尤其不利的；不仅融化冰消耗 能量，而且冷却系统重新冷却系统中已经分离了冰的部分也可能消耗 更多的能量。
发明内容
在一个实施方式中，脉沖电热除水装置包括由厚度分布表现其特 征的至少一种复杂形状，其被配置为产生均匀的每单位面积功率以融 化水的界面层。
在 一 个实施方式中， 一 种优化脉沖电热除水系统的复杂形状的厚 度的方法包括为脉冲电热除冰系统的每种形状指定尺寸和几何形状， 并且指定形状的连接性；为每种形状指定初始厚度；为除冰脉冲持续 时间指定初始估值；基于除冰脉冲持续时间和每种形状的厚度，对每 种形状的表面上的温度分布进行建模；确定施加除冰脉沖后每种形状 的再冻结时间；如果模型的温度分布不在期望公差内，则基于模型的 温度分布调节每种形状的厚度；如果所确定的再冻结时间不在限定的 界限内，则基于所确定的再冻结时间调节除水脉冲持续时间；以及重 复建模、确定和调节步骤，直到温度分布在期望公差内并且再冻结时 间在限定的界限内。
在一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括由厚度分布表现其特 征的至少一个轴向对称的复杂形状，其被配置为产生均匀的每单位面 积功率以融化水的界面层。
图1示出了根据一个实施方式、包括平板的一个示例性脉冲电热 除冰(PETD)装置；
图2示出根据一个实施方式、包括圆柱体的一个示例性PETD装图3示出根据一个实施方式、包括锥形体的一个示例性PETD装
置；
图4示出根据一个实施方式、包括球体的一个示例性PETD装置； 图5示出根据一个实施方式、包括月牙体的一个示例性PETD装
置；
图6示出具有轴向对称形状的家用制冰器的示例性冰槽的再现； 图7是图示了根据一个实施方式、在PETD系统设计中使复杂的 导电形状的厚度优化的 一 个示例性方法的流程图。
具体实施例方式
从物体上分离。如本申请使用的，术语"水"指任意具有或者没有混 合物的冰、雪、霜和其它形式的冰冻水。"冰的界面层"指水的、接近 物体的薄层。冰的界面层的融化一般足以将冰的主要部分(即，冰的 未融化部分)从物体上分离。水的界面层可以具有小于大约5厘米的 厚度，优选地具有小于大约3厘米的厚度，更优选地具有大约l厘米 至1微米之间的厚度，最优选地具有大约1毫米至1微米之间的厚度。 应该理解，施加用于加热界面冰的能量也加热了物体与界面冰接触的 部分。理想的是，热量扩散到物体和/或水内小于大约5厘米的距离， 优选地扩散到物体和/或冰内小于大约3厘米的距离，更优选地扩散到 物体和/或水内大约1厘米至1微米之间的距离，最优选地扩散到物体 和/或冰内大约1毫米至1孩i米之间的距离。
通过提供均匀融化的界面层，有利于使PETD期间消耗的能量最 少。特别厚的融化界面层对应于更高的除冰温度，并且表现为在除冰 过程中浪费能量；即，施加了比将冰的大部分从物体上分离所需的能 量更多的能量。例如，在制水器中，在除冰后，除水期间产生的"热 点"在该点能够恢复制水之前需要再冷却；由于融化了比必需更多的 指定产品而降低了制冰过程的效益。过度薄的融化界面层对应于冰的 大部分会在冰被去除之前重新冻结到物体上的风险。为了使除水的能量消耗最优，利用PETD的装置应该在界面冰层 的每一表面积上提供近似恒定密度的加热功率。然而，当将被除冰的 物体具有复杂形状时，难以实现每一表面积的恒定密度的加热功率。 如本申请使用的，"复杂形状"是指物体的一部分具有一个或多个不均 一厚度的壁。复杂形状可以由"厚度分布，，描述，其定义了在一定距 离上(例如，从物体的一点到物体的另一点)壁的厚度。
物体的加热层由电阻率p和厚度Z表现其特征。当施加每单位面 积的加热功率『(W/m2 )时，采用以下关系式
『=￡./s=^ = d 等式(l)
其中E是通过电流密度A ( A/m)的施加而产生穿过加热层的电场强 度(V/m)。为了在加热层的各个部分保持『恒定，还采用以下关系式
^"或者,=^^ 等式(2)
等式(2)是近似的，因为它没有考虑加热层的热容对物体厚度的 依赖性。然而，等式(2)很有用，因为与冰的热容、底层结构、以及 融化的界面冰层的潜热相比，热容在总的PETD能量需求中通常是很 小的项。
图1示出包括平板40 ( 1 )的一个示例性PETD装置10 ( 1 )。图 1可能未按照比例绘制。电源20 ( 1 )通过开关30 ( 1 )连接至平板40 (1),以向除水的板40 (1)供电。板40 (1)的长度丄和厚度f在图 1中示出。其中电源20 ( 1 )供给电压r，由电源20 ( 1 )供给的功率 PT可以用每单位面积的功率表示为
『=■^4 等式(3) P.丄
图2示出了包括圆柱体40 (2)的一个示例性PETD装置10(2)。 图2可能未按照比例绘制。电源20 (2)通过开关30 (2)连接至圆柱 体40(2)，以向除水的圓柱体40 (2)供电。圆柱体40 (2)的长度Z 和厚度Z在图2中示出。其中电源20 (2)供给电压r，电源20 (2) 供给的功率『可以用等式(3)所示的每单位面积的功率表示，其中， 等式(3)描述了具有恒定厚度的物体。
图3示出包括锥形体40 ( 3 )的一个示例性PETD装置10 ( 3 )。图3可能未按照比例绘制。电源20 (3)通过开关30 (3)连接，以向 除水的锥形体40 (3)供电。锥形体40 (3)的线性尺寸x、关于x轴 的角度S、以及厚度,在图3中示出。注意厚度？随着锥形体40 (3) 的x轴的位置而变化。其中电源20 (3)供给电压7和电流/。，需要 提供恒定的、每单位面积的功率『的厚度/可以表示为
P'/n 等式(4)
4, .;cz .tan，)-『
图4示出包括球体40 (4)的一个示例性PETD装置10 (4)的截 面。图4可能未按照比例绘制。电源20 (4)通过开关30 (4)连接到 球体40(4)，以向除冰的球体40 (4)供电。球体40 (4)的半径i 、 关于供电轴的角度e、以及厚度？在图4中示出。注意球体40(4)的 厚度/随着角度0变化。其中电源20 (4)供给电压F和电流/。，需要 提供恒定的、每单位面积的功率『的厚度Z可以表示为
,=2 f、—— 等式(5)
图5示出包括月牙体40 (5)的一个示例性PETD装置10 (5)。 图5可能未按照比例绘制。月牙体40 (5)可以通过关于旋转轴旋转 直线而产生。此形状可能非常有用，例如，在制冰器中，其中，(1) 用液态水填充形状，(2)冷却直到水冻成冰，(3)旋转使得水面向下， 和(4)用除冰脉冲加热以使冰从形状中释放。电源20 (5)通过开关 30(5)连接，以向除水的月牙体40 (5)供电。月牙体40(5)的线 性尺寸jc、作为x轴上的位置的函数的偏移值i f^)、以及厚度？在图5 中示出。注意形状40 (5)的厚度f随着/ W变化。可以示出如果电源 20 (5)供给电压r和电流/。，则需要提供恒定的、每单位面积的功率 『的厚度^可以表示为
,=~^~~ 等式(6)
可以利用几种技术制造上述任意形状40，这些技术包括但不限于 拉模铸造、喷射模塑、导电涂料或者其它涂料的连续应用、以及机械 加工。
图6示出了家用制冰器的水槽50的再现。利用水槽50的制水器可以由导热和导电的复合材料(例如，CoolPolymers公司的E5101 ) 制成。水槽50的内部形状40 (6)是轴向对称的。为了形成水，槽50 设置有面朝上的内部状40 ( 6 )。然后用水填充槽50。在水结成水之后， 槽50围绕其长轴旋转大约120° ,并且通过被设置在槽50的末端60 (1)、 60 (2)上的铜母线施加2秒的电功率脉冲。电功率均匀地加热 槽50至正好在冰的融点以上的温度，从而融化冰的界面层。然后水/人 槽50滑出而进入收集容器(未示出)。应该理解，槽50包括复杂的、 可变的厚度。可以利用等式(6)计算厚度，然后可以根据上述方法在 特定位置(例如，角落)对厚度进行调整。
图7是图示了在PETD系统设计中使复杂的导电形状的厚度优化 的一个示例性方法100的流程图。应该理解，图7示出的一些或者所 有步骤可以由计算机在软件指令的控制下执行；可选地，图7的一些 或者所有步骤可以由人执行。在步骤102中，方法100为除水系统的 每个形状指定尺寸和几何类型，并且指定形状之间的连接。在步骤104 中，方法100为每个形状指定初始厚度设置；这样的设置可以包括固 定厚度(例如，如图1、图2和等式(3)所示)，和/或随复杂形状的 位置和/或角度变化的厚度(例如，如图3至图5，以及等式(4)至等 式(6)所示)。在步骤106中，指定除冰脉沖参数(例如，供给的电 压或者电流)，以及除冰脉沖持续时间的初始估值。在步骤108中，确 定用特定除水脉沖为特定形状获得的温度分布、温度范围和再冻结时 间。例如，可以利用有限元方法建模来实现步骤108，其中，有限元 方法建模使用软件包(package )(例如，Comsol公司的FEMLAB3.1 )。 步骤110是判断，其判断温度范围是否在特定公差内。如果温度范围 在特定公差之外(即，大于由除水脉冲产生的最低温度和最高温度之 间的期望差值)，则根据形状的模型温度是否太高或者太低，分别在步 骤112和步骤114中对形状进行加厚或者去薄。步骤116是判断。在 步骤116中，将再冻结时间与特定的最小极值和最大极值进行比较。 如果再冻结时间太短(即，低于特定的最小极值)，则在步骤118加长 除冰脉冲；如果结冰时间太长(即，高于特定的最大极值)，则在步骤 120缩短除冰脉冲。应该理解，还可以对除冰脉冲的功率参数进行修改(例如提供更多或更少的功率)，来代替改变除水脉冲的持续时间或
者作为对改变除水脉冲的持续时间的补充。如果在步骤112、 114、 118 和/或120中改变了形状厚度或再冻结时间，则方法返回步骤108;否 则，方法完成并且在步骤122中输出一组优化的厚度和除冰脉冲参数。 在不背离本发明的前提下，可以在对本申请描述的脉冲电热除水 器的复杂形状和相关方法进行上述修改或其它修改。例如，可以通过 改变与复杂形状的厚度成反比的电阻率来提供加热的变化。本申请描 述的原理还适用于可能需要定期除冰的设置(例如，致冷系统或者空 调系统的蒸发板)。因此应该注意，包含在上述或者附图中所示的内容 应该解释为说明性的并且没有限制意义的。权利要求倾向于覆盖本申 请所述的所有通用和特定的特征，也可以说本方法和系统的范围的全 部说明落入权利要求中。
权利要求
1. 一种脉冲电热除冰装置，包括由厚度分布表现其特征的至少一种复杂形状，其被配置为产生均匀的每单位面积功率，以融化冰的界面层。
2. 如权利要求1所述的脉冲电热除冰装置，还包括电源和开关， 以可选地使所述复杂形状与所述电源接通和断开。
3. 如权利要求1所述的脉冲电热除冰装置，其中所述复杂形状包括锥形体，并且所述锥形体的厚度z根据等式,=…02-变4;r2 .x2 - tan2,,化，其中所述锥形体由沿x轴的线性尺寸x和相对于x轴的角度^表现 其特征，并且所述电源供给电流/。，以提供每单位面积的功率『。
4. 如权利要求1所述的脉冲电热除冰装置，其中所述复杂形状包括球体，并且所述球体的厚度"艮据等式^ 2 r —变化，其中所述球体由半径7 和相对于供电的轴线的角度0表现其特征，并 且所述电源供给电流/。，以提供每单位面积的功率『。
5. 如权利要求1所述的脉沖电热除水装置，其中所述复杂形状包括月牙体，并且所述月牙体的厚度？根据等式^ /.2。——变化，其中所述月牙体由线性尺寸x和偏移值i 6cJ表现其特征，并且所述 电源供给电流/。，以提供每单位面积的功率『。
6. 如权利要求1所述的脉冲电热除水装置，所述复杂形状通过拉 模铸造、喷射模塑、机械加工、以及导电层的连续应用的其中之一形成。
7. —种优化脉沖电热除冰系统的复杂形状的厚度的方法，包括 为脉冲电热除冰系统的每种形状指定尺寸和几何形状，并且指定所述形状的连接性；为每种形状指定初始厚度； 为除冰脉冲持续时间指定初始估值；基于所述除水脉冲持续时间和每种形状的厚度，对每种形状的表 面上的温度分布进行建模；确定施加除水脉冲后每种形状的再冻结时间；如果模型的温度分布不在期望公差内，则基于所述模型的温度分 布调节每种形状的厚度；如果所确定的再冻结时间不在限定的界限内，则基于所确定的再 冻结时间调节所述除冰脉冲持续时间；以及重复建模、确定和调节步骤，直到温度分布在期望公差内并且再 冻结时间在限定的界限内。
8. 如权利要求7所述的方法，调整厚度的步骤包括 如果所述温度分布高于期望公差，则增加所述形状的厚度；以及 如果所述温度分布低于期望公差，则减少所述形状的厚度。
9. 如权利要求7所述的方法，为每种形状指定初始厚度的步骤包 括为每种形状指定固定的厚度。
10. 如权利要求7所述的方法，为每种形状指定初始厚度的步骤 包括为每种形状指定可变的厚度。
11. 如权利要求7所述的方法，调节所述除冰脉冲持续时间的步 骤包括如果所确定的再冻结时间高于限定的极值，则缩短所述持续 时间。
12. 如权利要求7所述的方法，调节所述除冰脉冲持续时间的步 骤包括如果所确定的再冻结时间低于限定的极值，则延长所述持续 时间。
13. —种脉冲电热除冰装置，包括由厚度分布表现其特征的至少一个轴向对称的复杂形状，其被配置为产生均匀的每单位面积功率， 以融化冰的界面层。
14. 如权利要求13所述的脉冲电热除冰装置，还包括电源和开关， 以可选地使所述轴向对称的复杂形状与所述电源接通和断开。
15. 如权利要求13所述的脉冲电热除冰装置，其中所述轴向对称 的复杂形状包括锥形体，并且所述锥形体的厚度？根据等式,-， P. o，-变化，其中所述锥形体由沿x轴的线性尺寸；c和相4 .x2 .tan2(6 )-『对于x轴的角度^表现其特征，并且所述电源供给电流/。，以提供每单 位面积的功率『。
16. 如权利要求13所述的脉冲电热除冰装置，其中所述轴向复杂 形状包括球体，并且所述球体的厚度Z根据等式h ， ， o，-变化，其中所述球体由半径i 和相对于供电的轴线4 -i 2'sin2(60.『的角度e表现其特征，并且所述电源供给电流/。，以提供每单位面积 的功率『。
17. 如权利要求13所述的脉冲电热除水装置，其中所述轴向对称 的复杂形状包括月牙体，并且所述月牙体的厚度Z根据等式^7 /——变化，其中所述月牙体由线性尺寸x和偏移值i 6cJ表现其特征，并且所述电源供给电流/。，以提供每单位面积的功率『。
18. 如权利要求13所述的脉冲电热除冰装置，所述轴向对称的复 杂形状通过拉模铸造、喷射模塑、机械加工、以及导电层的连续应用 的其中之一形成。
全文摘要
一种脉冲电热除冰装置，包括由厚度分布表现其特征的至少一种复杂形状(40(2)、40(3)、40(4))，其被配置为产生均匀的每单位面积功率以融化冰的界面层。一种优化脉冲电热除冰系统的复杂形状的厚度的方法，该方法包括为脉冲电热除冰系统参数指定初始估值。对由除冰脉冲产生的温度分布、温度范围和再冻结时间进行建模。根据温度范围调节形状厚度，根据除冰脉冲调节除冰脉冲参数，以及重复建模和调节直到温度范围和再冻结时间在预定的界限内。
文档编号F25C5/08GK101484763SQ200780025089
公开日2009年7月15日 申请日期2007年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者维克托·彼得连科 申请人:达特默斯大学托管会