专利名称：冰储热控制装置的制作方法
本申请为美国专利申请系列号09/603400、申请日为2000年6月26日、发明名称为“冰储热控制装置”的部分继续申请，在这里，该申请的完全公开内容作为参考。
本发明关于冰储热系统、尤其教导了用以测量冰储热热交换器、如盘管组件中的冰量的一种改进的方法和装置。
在先有技术中，人们已经知道这种冰储热设备，它在非用电高峰期间制冰，然后使制成的冰用作供冷或提供空间空调的低温流体。这种冰储热设备可粗分为内融化系统和外融化系统。一种形式的储热设备和外融化系统传送制冷液、如盐水或乙二醇溶液，制冷液穿过沉浸在将冻结的储液的箱中的盘管组件，该储液可以是水。该盘管组件通常呈层叠在储箱和储液中的由多根管子弯曲而成的蛇形。多个盘管组件以平行方式堆放在储箱内。该盘管组件连接在入口和出口之间，用以接收和排放一个或多个热交换器或冷却装置的制冷液，从而在制冰循环中冷却制冷液。
虽然提到盐水溶液可作制冷液，应该看到制冷液可以是R-22或氨水之类的冷冻剂。
在制冷期间，在储液池中的储液的温度低于固化点，诸如盐水之类的冷却由热交换器中的机械制冷装置或其它装置连续地产生，这里的热交换器有时被称作冷却装置。低温冷却液送到入口接头、穿过盘管组件并从出口接头排出，以返回到冷却装置。储箱中的储液冷冻在管外壁上，包围管外壁，并逐渐发展成很厚层的冷冻的液体，这通常是冰。在储箱中具有一定体积的储液，它们仍保持为液体。在利用储热能量时，冷却的储液从储箱抽出并联通到下游的冷却盘管或热交换器中，以进行如空调或食品处理等冷却操作。此后，排出的或加热的储液返回到储箱中进行冷却、在下一次冷却操作中使用。
人们已作出努力来测量或测定储箱中液体的冷冻程度。要求测定冷冻后液体的量的主要理由是知道储箱中存在的已储存的冷却能量。一种结冰测量方法是将盘管放在弹簧上，用测力传感器来测出盘管的上升力，该盘管受到垂直移动的限制。这种装置是用上升力来测定盘管上的冰的量。在已公开的关于这种测力传感系统的文本中均未见到详细结构和附图。
用来测量和监视储液箱的池中在盘管组件上所结的冰，目前流行的方法包括目测表面上的冰，这不能认为是有效的或可测量的。另一种测量冰的方法采用流体高度监视器，它的工作原理是一磅冰所占的体积大于一磅水。在液压系统不是一个封闭的环路的情况下，这些装置是不适用的。另外，在外融化系统中用电探头来探测冰生长时管上导电率的变化来测量冰厚，然而已经证明，该方法中使用的探头很易损坏。
本发明提供一种方法，用以识别储箱中的结冰量，因此可得出冷却能量，并提供一种装置，它通过提供上升力的装置和位移传感装置来测量液体池中的结冰量。更特别的是要求测量冰储热系统的液体池中形成的冰的质量，该冰的质量作为盘管组件表面的垂直位移的函数而测出，而垂直位移可用电子或人工的方法测出。
测出冰的质量可在百分之百的设计值上或储箱中任何所要求的冰的质量上停止制冰或冷却循环，从而增强了储热系统的冷却操作性能。
在下面的附图中，同样的参照数字代表相同的零件，在这些附图中
图1是部分剖视的斜视图，它表示示例性的、先有技术的储热箱中的盘管组件；图2是堆积的盘管组件的端视图，具有弹簧组件的接头放在顶部的两个盘管之间；图3是冰储热系统的控制电路的示例图；图4是将弹簧组件放置在储箱的结冰盘管的支撑槽钢上的放大图；图5表示螺旋簧组件罩的分解直立视图；图6是图5的直立视图的内视图；图7是图5的螺旋簧组件的分解图；图8是具贝尔(Belleville)垫的图5的螺旋簧组件的部分分解图；图9是图8直立视图的内视图；图10是示例性冰储热装置的概略图；图11以曲线表示作为以英寸作单位作垂直的盘管移动函数的储箱中冰的百分比；图12是螺旋簧组件放置在单个螺旋簧组件之间的角部的支架之间的放大图。
图10所示的基本的或示例性的储热装置10具有储箱12的腔14，腔内装有储液、如水。盘管16叠放在腔14中，并连接到乙二醇冷却器或直接的制冷系统18上。在外融化系统中，冷的冷却液、如乙二醇通过盘管16联通，以冷却并冻结腔14中的储液。冰水泵26由管道28连到水池14上，使腔14中的冷的储液通过管道22联通到冷却盘管30中，在一个低温空气混合终端装置20上来利用储存的冷却能量。冷却盘管30的使用后的冷却液通过返回管道24再循环到腔14中。作为一个例子，冷却盘管30可以是空调器上的热交换装置。图10中的系统10仅作为储热装置的使用和操作情况的示例性的说明。
图10中的盘管16作为单根蛇形盘管或腔14中的流动通道，在相邻的水平运行的盘管之间有很宽的垂直间隙。然而，正如图1和2所示，典型的盘管16的示例性的管子32具有多个紧密的管32的阵列，它们延伸在横梁46和48之间。盘管16通常设计成具有冰块或考虑到设计或要求的结冰的体积。
在图1中，每个垂直的盘管16具有下管组40和上管组42，当然，人们已经知道垂直管组的数量可以大于两组。图1中的管组40和42每个均叠放在管架44上，管架具有上盘管横梁46、下盘管横梁48、垂直支架件50和52。具有横梁46和48、垂直支架件50和52的支架在储箱12的腔14内提供了有序阵列的管组的结构。在先有技术中已知的、但在图中示出的管子隔开件放置在每组内相邻管子32之间，从而保持管32在管组40和42内的水平和垂直位置。
图2中的盘管堆51和53每个均具有垂直堆放的三个管组40、42和43。更具体地说，盘管堆51和53的每对管组40、42和43用拼接板55和57相连。每个管组40、42或43具有第一垂直支撑件50和第二垂直支撑件52，以及上盘管横梁46和下盘管横梁48，这些横梁水平延伸在第一和第二垂直支撑件50和52之间。在该图中，螺旋弹簧组件70表示在第一盘管堆51的管组43的外角部，第二螺旋弹簧组件72表示在第二盘管堆53的管组43的外角部，螺旋弹簧组件70和72均在相应支撑件50和52的角部或角部支架上。螺旋弹簧组件70和72提供了使管组43垂直向上的力，至少在管组43的一端上，管组可作自由的垂直移动。
在具有螺旋弹簧和槽钢装置60的图4中更加清楚地示出了螺旋弹簧组件70和72的装置。在该图中，可提供槽钢或工字梁62作为螺旋弹簧组件70和72的支撑件，槽钢62具有上表面64、第一端66和第二端68。第一螺旋弹簧组件70放置在第一端66的上表面64上，第二弹簧组件72放置在第二端68的上表面64上。管组43的角部支架或垂直支架件50或52的下边缘放置在弹簧组件70和72的相应的上端74和76上。在该图中，槽钢62作为弹簧组件70和72的支撑件。在图2的情况下，可把这种设计用作盘管堆51和53基础上的支撑，在另一种设计中，则可能是储箱腔14的底。因此，很显然弹簧组件70和72的位置可定位成支撑盘管堆中任何数量的管组，在这些弹簧的上方这些管组均具有垂直的自由度。
在图5、6和7中示出弹簧组件70和72的特殊结构，它们以分解示图表示出弹簧组件70。由于弹簧组件70和72是相同的，因此仅描述弹簧组件70，但该描述亦适用于弹簧组件72。弹簧组件70是多个构件的堆积式设计。下罩78具有带通道81的第一金属管段84、具有通道89的第二金属管段82和一个在隔离芯83和85之间的隔离套80。隔离芯83与通道81匹配，第二隔离芯85与通道89匹配，使套80夹在上罩段82和下罩段84之间。具有孔91的圆盘87放置在具有通道95的第三罩段93和第二罩段82之间。第二隔离芯85具有与圆盘孔91对准的孔79。螺旋弹簧88放置在杆86的周围，并延伸到下罩78的通道95中。上罩90具有带通道94的上管段92和具有通道103的下管段101。隔离芯105具有通道107，第二上隔离芯109具有通道111，第二隔离套113放置在隔离芯105和109之间。隔离芯105与管段92的通道94匹配，下隔离芯109与下管段101的通道103匹配，套113固定在管段92和101之间。第二圆盘115具有与隔离芯孔111对准的孔117，它与杆86匹配。圆盘115固定到罩段101的底上，以支撑可在对准的孔111、117和107中移动的带有杆86的弹簧88。在图示的这种弹簧组件70中，下罩78和上罩90通常表示为具有圆形截面的圆柱形，然而该罩的形状不仅限于圆柱形。
图8和9示出弹簧组件70的上罩90和下罩78内的另一种弹簧设计100。在这种设计中，多个贝尔(Belleville)垫堆放在通道95杆86上，用以对盘115和上罩段90提供类似于螺旋弹簧88的向上升力的向上的升力，其它的向上升的装置、如气动、液动或弹性装置等均可用于为盘管组件16的管组提供向上的升力。
图12表示弹簧组件70的另一设计，其中上角支架162和下角支架164用于限制和支撑弹簧组件70。在该图中的支架件50具有前表面166和侧表面168。角形支架170做成包围上支架件50下端172上的下横梁48，角形支架174做成包围下支架件50上端176上的上横梁46。上角支架162具有垂直壁178和水平壁180，它们在接头182连在一起。垂直壁178用先有技术中公知的钎焊、焊接或铆接等固定到上支架件50的前表面166和角形支架170上。同样，下角形支架164具有垂直壁184和水平壁186，它们在接头188处连在一起。垂直壁184固定到下支架件50的角形支架174的附近的前表面166上。
在该图中，弹簧组件的下段84、隔离套80、第二段82、上段92、第二隔离件113和下段101与图5和6所示的圆形构件相比，均呈长方形。然而，这些构形并不会对弹簧组件70的各段的功能和操作构成限制。
在该替换设计中，螺旋弹簧组件70放置并工作在上支架水平壁180和下支架水平壁186之间，在弹簧组件72的横梁46和48的相对端上提供了类似的上、下支架设计，这与弹簧组件70相似，因此这里不作专门的描述。图12的组件类似于图4的组件，但它水平放置，以减少如图2所示组件那样的盘管组件的垂直高度。另外，还可以看出，下支架164可安装在储箱12的底或基部上的腔14内，在此情况下，在储箱12中仅有一个盘管组件。
在图1中，传感器130安装在储箱12上边缘132上。传感器130用来注视冰在管32上发展时盘管组件42向上的移动。该向上的移动是至少下面各种力的平衡的结果，这些力是(1)在弹簧组件70和72上方的盘管组件16的重量，这些盘管组件可以是一组或多组管组件；(2)在弹簧组件70和72上方的盘管组件的管32中冷却液的重量；(3)来自弹簧组件70和72的向上的力；(4)在弹簧组件70和72上方的盘管组件16的管32上形成的冰的重量；和(5)在盘管组件16的管32上形成的冰的浮力。可以看出这些力将与连续地覆盖盘管组件16的腔14中的储液有关，这些力产生的合力随着管32中流体的质量和形成在管32上的冰的量而变化。弹簧组件72和70上方的管组、或组40、42和43必须能垂直地自由移动，通过包括在顶梁46和48上柔性连接等各种方法、或考虑在管组单个端部上测量可以做到这一点。
传感器130在储热装置10中并不是一个工作元件，它仅监视盘管组件向上的移动或位移，该移动转换成储箱12中冰生长的百分比。特殊类型的传感器130是一种选择，这种传感器的例子是Trans-Tek公司的位移传感器系列240。另外，向上的位移可用人工测量，用计算图表、曲线图或图解说明来转换为腔14中结冰的百分比。
在图11中示出这种图表曲线的例子，其中与完全的设计能力相比较的结冰的百分比作为盘管组件16位移的函数。在图11中示出了作为理论的或设计的冰容积的百分比的、在盘管组件16的垂直移动和冰的生长之间相关特性。在该曲线图中，盘管组件16从0点或参照点向上移动0.35英寸，对应于盘管组件长成每英寸的冰的预计比率。在此情况下，自由浮动的盘管组件16从其参照位置或组装位置的位置变化受到传感器130监视。每种盘管设计或储箱结构的盘管位置的特殊变化量可以变化，但可进行校正。盘管组件垂直位置的变化反映了与腔14中储液的结冰量有关的浮力。
在图10的示例性的外融化系统的操作中，储热系统10具有结冰循环和利用储存热能的冰融化循环。如上所述，腔14的外融化循环的冷却液将由泵26送到下游的冷却盘管30、然后返回到腔14重新利用。在结冰循环期间，由于冰的密度小于水的密度，将有一个浮力作用在盘管组件16上。该浮力与弹簧联合作用，使盘管组件16产生垂直移动。
在此情况下，单个盘管组件16、特别是管组或组件40、42和43在水平方向的移动受到约束，然而它们座落在允许进行垂直移动的校正后的弹簧组件70、72上。在图1中，该垂直移动由校正的传感器130监视，传感器130通过线140将输出信号连到一信号接收器、如图3中的中央处理器CPU 142。CPU 142可接收来自传感器130的信号，并将该信号与箱12中结冰百分比的实验数据相比较。另外，CPU142可通过线146给控制器144提供一输出信号，从而通过线150对制冷系统18提供直接控制，在箱12结成所需要的冰后关闭制冷系统18或启动结冰。在此示例性的控制系统中，可以认为控制循环的实验数据是可以得到的，这些数据可以提供给控制装置142，用它们来进行计算或试验。
弹簧组件70、72的类型可采用如图5、6和7所示的螺旋弹簧或图8和9所示的贝尔垫，但用于CPU的输出信号将要求对这类弹簧组件、特殊的传感器130组件和盘管组件16的预计的位移量进行校正。该特殊的信号接收器和控制电路可进行变化，以适应可得到的设备，图3的电路仅作示例用，并无限制的意思。另外垂直位移量可用人工测出，可将腔14中的结冰量直接与从图表、曲线中的实验数据和读数相比较。
在用图示和描述的方法说明了本发明的特殊的实施例的同时，很显然还可作出各种变化和修改。因此，所附的权利要求中的本发明覆盖了这些修改和变化，它们均可落入本发明的范围和精神之内。
权利要求
1.一种测量储热装置中结冰量的组件，上述装置具有保持储液的装置、在上述保持装置中的可冷冻的储液、冷冻上述保持装置中的储液的装置，上述冷冻装置可垂直移动，上述测量装置包括为上述冷冻装置提供向上升力的装置；上述冷冻装置具有顶和底，上述向上升力的装置位于上述冷冻装置的底上，用以提供垂直移动上述冷冻装置的上述向上的升力；在上述冷冻装置上的上述冷冻的储液对上述冷冻装置提供浮力；在上述保持装置中测量上述冷冻装置的垂直位移的装置；和读出相对于上述冷冻装置的位移的、在上述保持装置中的结冰量的装置，将上述保持装置中的上述冰量记作设计容量和上述冷冻储液量的百分比。
2.如权利要求1的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述冷冻装置是具有顶和底的盘管组件，上述的向上升力装置位于上述盘管组件的底上，为上述冷冻装置提供垂直移动的上述向的升力。
3.如权利要求1的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述向上升力装置是至少一个提供向上升力的弹簧组件。
4.如权利要求3的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述弹簧组件具有至少一个提供向上升力的螺旋弹簧。
5.如权利要求3的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述弹簧组件具有至少一个提供上述向上升力的贝尔(Belleville)垫。
6.如权利要求1的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述测量上述冷冻装置的垂直位移的装置是一个传感器组件。
7.如权利要求6的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述传感器组件提供一个信号，上述装置还包括接收信号的装置，和联通装置，上述联通装置连接上述传感器组件和上述信号接收装置；表明输出信号的装置，上述联通装置将上述信号接收装置连接到上述表明输出信号的装置上；上述信号接收装置工作以对表明在上述保持装置中结冰量的上述装置提供一输出信号，该信号是上述传感器信号和冷冻装置垂直位移的函数。
8.如权利要求1的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述测量上述冷冻装置垂直位移的上述装置是测量上述冷冻装置垂直位移的人工装置。
9.如权利要求1的一种测量储热装置中结冰量的组件，还包括冷却装置、冷却液和传导装置，上述冷却装置工作以将上述冷却液的温度降到所需要的温度上，上述冷冻装置是一盘管组件，上述盘管组件由上述传导装置连到上述冷却装置上，用以将上述冷却装置联通到上述盘管组件上，上述盘管组件具有至少一个管组，该管组具有多个用以联通上述冷却液的回路，上述冷却液送到上述管组，从而冷冻上述保持装置中的上述储液。
10.如权利要求9的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述盘管组件具有多个管组，每个管组具有顶和底，上述盘管组件的上述管组垂直安置，在上述管组的一个底上提供上述向上升力装置，上述向上升力装置上方的上述管组，在上述保持装置中结冰时可垂直移动。
11.如权利要求10的一种测量储热装置中结冰量的组件，其中上述保持装置具有一个基部，上述向上升力装置放置在上述保持装置的基部上，上述向上升力装置上方的上述盘管组件在上述保持装置中和上述盘管组件上结冰时可垂直移动。
12.一种测量冰储热装置中结冰的方法，该装置具有一个保持箱、上述保持箱内的储液、在上述储液中用以冷冻上述储液的、具有顶和底的盘管组件，冷却液，冷却上述冷却液的系统、将上述冷却系统连接到上述盘管组件上、以将上述冷却液联通到上述盘管组件和上述储箱上、以冷冻上述箱中的储液的管道，上述方法包括提供可作垂直移动的上述盘管组件，提供产生向上升力的装置，将上述向上升力装置放置在上述盘管组件的底部，从而垂直移动上述盘管组件，提供位移传感装置，上述位移传感装置测量上述盘管组件的上述垂直位移，提供与上述箱中结冰有关的盘管垂直位移的装置，和使上述测出的盘管位移与上述箱中的结冰发生关系，以指示出上述箱中的结冰量。
13.一种在冰储热系统中提供向上升力以垂直移动盘管组件的弹簧组件，上述系统具有一个储箱、上述储箱中的流体和上述储箱和流体中的盘管组件；上述弹簧组件包括一个具有上部和下部的罩，上述下部具有一个下段和一个上段，每个上、下段具有一个腔和外壁，一个上隔离芯和一个下隔离芯；一个分隔套具有外边缘，上述套放置在上述上隔离芯和上述下隔离芯之间，且其上述外边缘伸出上述下段的外壁，上述上隔离芯套在上述上段腔内，上述下隔离芯套在上述下段腔内，上述套的边缘伸出上述外壁，一个具有第三腔的第三罩段，一个分隔器具有与上述上隔离芯的通孔对准的孔，一根具有上端和下端的杆，一个具有中间通道的弹簧，上述弹簧放在上述杆上，上述杆和上述弹簧位于上述第三腔内，杆的下端伸出上述分隔器的孔，上述上罩部具有第二上段和第二下段，每个上述第二上、下段具有腔和外壁，一个第二上隔离芯和第二下隔离芯，每个上述隔离芯具有一个通孔，一个第二分离套具有第二外边缘，上述第二套位于上述第二上隔离芯和上第二下隔离芯之间，并具有伸出上述上段外壁的外边缘，上述上隔离芯套在上述上段的腔中，上述下隔离芯套在上述下段的腔中，上述套的边缘伸出上述外壁，一个第二分隔器具有与上述上段下隔离芯通孔对准的孔，上述杆的上端穿过上述第二分隔器的孔并进入上述上段下隔离芯中，上述弹簧具有使上述上段从下罩段垂直移动的力，上述分隔器保持上述上、下段对准。
14.如权利要求13的在冰储热系统中提供向上升力以垂直移动盘管组件的弹簧组件，其中上述弹簧是提供上述向上升力的螺旋弹簧。
15.如权利要求13的在冰储热系统中提供向上升力以垂直移动盘管组件的弹簧组件，其中上述弹簧是提供上述向上升力的至少一个贝尔垫。
16.一种在如权利要求9的冰储热装置中测量结冰量的组件，其中上述冷冻装置具有至少一个盘管组件，每个上述盘管组件具有多个管组，每个上述管组具有至少一个顶部和一个底部，一个第一侧和一个第二侧，上述保持装置具有一个底部，用于每个上述盘管组件的支架，每个上述支架具有多个垂直支撑件和水平支撑件，上述盘管组件的上述管组垂直安置在上述相应的支架和支撑件上，夹持上述向上升力装置的装置，多个上述夹持装置，上述夹持装置具有第一构件和第二构件，上述第一和第二构件中的一个装在支架支撑件(垂直或水平)上的一个上述盘管组件底部附近，并水平移离上述盘管组件的管组，上述夹持装置的第一和第二构件中的另一个安装在一个上述保持装置的基部上和一个上述第二盘管组件顶部附近的第二盘管组件支架支撑件上，上述另一构件水平地移离上述第二盘管组件的管组，上述向上升力装置装在上述夹持装置的第一和第二构件之间，在上述向上升力装置上方的上述管组在上述保持装置中结冰时可作垂直移动。
17.如权利要求16的测量储热装置中结冰量的组件，其中上述夹持装置的第一和第二构件每个均安装在上述垂直支撑件和垂直地邻近盘管组件的水平支撑件上。
全文摘要
一种测量冰储热系统中的结冰量的装置,该系统具有一带储液的储箱和装在其中的冷却盘管组件。还有一种测量结冰量的方法,它所用的装置包括对盘管组件提供向上升力的装置,测量储箱中盘管垂直位移的装置和使冷却盘管组件上结冰量与冷却盘管组件的垂直位移发生关系的装置,还提出了用在这种储箱中的特殊的向上升力的组件。
文档编号E01B7/00GK1332349SQ0112122
公开日2002年1月23日 申请日期2001年6月6日 优先权日2000年6月26日
发明者威廉·T·奥斯本, 加里·D·史密斯 申请人:巴尔的摩汽圈公司