专利名称：脉冲系统以及用于分离冰的方法
相关申请的交叉引用本申请要求具有共同所有人的于2004年6月22日提交的待审美国临时专利申请60/581,912、于2005年1月24日提交的待审美国临时专利申请60/646,394以及于2005年1月25日提交的待审美国临时专利申请60/646,932的优先权。前述所有申请和专利都通过参引的方式包含在本申请中。
背景技术：
在诸如对固定设备或在户外使用的设备(例如航空器、电力线、公路、屋顶)进行除冰、对在操作过程中会积冰的设备(例如热交换器、制冷器)场合中以及在制冰设备中，从表面除冰是比较重要的。
在传统的民用和商用制冰器中，冰是由被冷板或隔栅冷却的水缓慢生成的。在冰生成完成之后，可以将冷板/隔栅缓慢加热到冰的熔点之上从而将该冰释放；该加热阶段既耗费能量又耗时，因此降低了制冰器的效率和生产率。而且，将制冰器的硬件和所生成的冰从冰生成温度加热到所述冰的熔点需要花费大量的热量。随后在新的冰开始生成之前又要花费更长的时间和更多的能量来重新冷却所述制冰器硬。
发明内容
在一个实施例中，一种制冰系统包括冷板；介电薄膜；薄金属箔，由所述冷板通过所述介电薄膜冷却，从而使得靠近所述金属箔的水就在其上形成冰；电源；以及转换器，用于将所述电源连接到所述薄金属箔。临近所述金属箔的水形成冰，该冰在转换器操作时从所述金属箔上被释放，所述转换器的操作使得来自所述电源的电流流过所述薄金属箔，产生加热脉冲从而融化所述冰的界面层。
在一个实施例中，一种制冰系统包括冷板；由所述冷板冷却的金属箔；电源；以及转换器，用于将所述电源连接到所述金属箔。临近所述金属箔的水形成冰，该冰在转换器操作时从所述金属箔上被释放，所述转换器的操作产生加热脉冲从而融化在所述金属箔处的所述冰的界面层。
在一个实施例中，一种制冰系统包括冰容器；位于所述冰容器的基部的毛细管；以及电源。所述冰容器在被冷却时将水转化为冰。所述电源用于向所述冰容器和所述毛细管施加脉冲加热能量。所述脉冲加热使得在所述冰容器中冰的界面层融化，并使得所述毛细管中的冰蒸发而将冰从所述冰容器中排出。
在一个实施例中，一种蒸发除冰系统包括布置在待除冰的对象上的电阻膜；毛细管阵列，每个毛细管都具有与所述对象的表面平齐的开口端；以及电源，用于向所述电阻膜供给能量以便在所述电阻膜中产生脉冲加热能量，以及向所述毛细管供给能量以便使得所述毛细管内的冰蒸发并从所述对象中将冰排出。
在一个实施例中，一种蒸发除冰系统具有布置在待除冰对象的表面上的电阻膜、多孔金属箔条带以及电源。所述电源用于向所述电阻膜和所述多孔金属条带供给能量。脉冲加热能量在所述电阻膜中生成，使得靠近所述电阻膜的冰的界面层融化。冰在所述多孔金属条带内蒸发，并且冰从所述对象中被排出。
在一个实施例中，一种为制冷器除冰的系统包括具有折叠式表面的热交换器、带有制冷剂的壁管以及电源，所述电源被电切换到所述热交换器，以便从所述热交换器中去除冰。
在一个实施例中，一种用于对热交换器除冰的系统包括基管、安装在所述基管上的多个翅片、电源以及将所述电源连接到所述基管的转换器。所述转换器操作将电流脉冲施加到所述基管。焦耳加热使得所述基管和所述翅片的温度上升，从而融化附着在其上的冰。
图1所示的是采用脉冲电热除冰(PETD)的制冰系统的一个示例性实施例。
图2所示的是图1中的制冰系统，表示出了采用脉冲电热除冰来分离冰。
图3所示的是采用脉冲电热除冰的制冰系统的一个示例性实施例。
图4所示的是图3中的制冰系统，表示出了采用脉冲电热除冰来分离冰。
图5所示的是采用脉冲电热除冰的制冰系统的一个示例性实施例。
图6所示的是图5中的制冰系统，表示出了采用脉冲电热除冰来分离冰。
图7所示的是采用脉冲电热除冰的制冰系统的一个示例性实施例。
图8所示的是图7中的制冰系统，表示出了采用脉冲电热除冰来分离冰。
图9所示的是采用脉冲电热除冰的制冰系统的一个示例性实施例。
图10所示的是图9中的制冰系统，表示出了采用脉冲电热除冰来分离冰。
图11所示的是采用脉冲电热除冰的制冰系统的一个示例性实施例。
图12所示的是图11中的制冰系统，表示出了采用脉冲电热除冰来分离冰。
图13表示出了对于图1中的制冰系统，环氧树脂的热扩散长度(Ld)和冰的热扩散长度(Li)与脉冲持续期之间的相关性。
图14表示出了对于图1中的制冰系统，总能量与功率之间的相关性。
图15表示出了对于图1中的制冰系统，清除速度与功率密度之间的相关性。
图16表示出了对于图1中的制冰系统，清除时间与功率密度之间的相关性。
图17表示出了对于图1中的具有0.2mm介电厚度的制冰系统，重新冻结时间与功率密度之间的相关性。
图18表示出了对于图1中的制冰系统，重新冻结时间与介电厚度d之间的相关性。
图19表示出了对于图1中的具有0.2mm介电厚度的制冰系统，重新冻结时间与融化层厚度之间的相关性。
图20表示出了对于图7中的制冰系统，Ld(t)和Li(t)与脉冲持续期t之间的相关性。
图21表示出了在图7中的气隙为0.2mm的制冰系统，每m2的总能量Q与功率密度W之间的相关性。
图22表示出了所述总清除时间T与加热功率密度W之间的相关性。
图23表示出了所述清除速度Ss与加热功率密度W之间的相关性。
图24表示出了所述重新冻结时间tr与功率密度W之间的相关性。
图25表示出了重新冻结时间tr与介电厚度d之间的相关性。
图26表示出了重新冻结时间tr与融化层厚度lm之间的相关性。
图27所示的是一个被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的热交换器的透视图。
图28所示的是图27中的所述热交换器的俯视图，该热交换器具有积累的冰并且与电源和转换器相连。
图29所示的是被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的热交换器。
图30所示的是图29中的所述热交换器的剖视图。
图31表示出了水蒸气的平衡压力与温度的相关性。
图32A示意性地表示了一种脉冲除冰系统。
图32B所示的是在加热脉冲被施加到加热元件上之后图32A中的所述脉冲除冰系统。
图33所示的是采用PETD和脉冲电蒸发除冰(PEED)的一个制冰系统的剖视图。
图34所示的是采用PETD和PEED的一个制冰系统的剖视图。
图35所示的是采用PETD和PEED除去机翼的前缘上的冰的一种脉冲除冰系统。
图36所示的是图35中的机翼的一部分的透视图。
图37A示意性地示出了一种脉冲电蒸发除冰系统。
图37B所示的是在加热脉冲被施加到加热元件上之后图37A中的所述脉冲除冰系统。
图38所示的是一种被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的折叠式热交换器。
图39所示的是一些连接起来形成一种制冷剂管的箔垫片(foilwasher)的剖视图。
图40所示的是连接在一直管上形成一种制冷剂管的一些箔垫片的剖视图。
图41所示的是另一种被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的折叠式热交换器。
图42所示的是另一种被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的折叠式热交换器。
图43所示的是一种采用脉冲除冰的方式来制冰的方法。
图44所示的是一种采用脉冲除冰的方式来制冰的方法。
图45所示的是一种采用脉冲电蒸发除冰的方式来制冰的方法。
图46所示的是一种采用脉冲电蒸发除冰的方式来制冰的方法。
图47所示的是具有安装在导管上的翅片阵列的热交换器的一个实施例。
图48所示的是穿过一个导管和翅片组件的剖面。
图49所示的是表示纯铝在室温下的热扩散长度与时间之间曲线图。
图50所示的是表示铝质热交换器在(a)操作过程中由加热脉冲提供功率以及(b)在冷却泵和风扇停止的情况下由加热脉冲提供功率时温度与时间之间的曲线图。
具体实施例方式
美国专利申请No.10/364,438描述了脉冲电热除冰方法(PETD)。PETD提供了冰的去除方法，例如通过对热改变在对象和冰之间的界面(在此也称之为“冰-对象界面”)处的界面冰。加热能量可以施加到所述界面以便融化冰的界面层；这种能量的施加在持续期方面会受到限制，使得施加在所述界面的加热能在所述冰内的热扩散距离仅仅延伸穿过所述冰的界面层的厚度。
通过向冰和冰所粘附的对象之间的界面施加高功率的加热脉冲，界面冰几乎承受即时融化。当向界面施加恒定功率密度W(单位为瓦/平方米)时，将所述界面加热ΔT度所需的能量Q(单位为焦耳)与所述的功率密度W几乎成反比。因此，与普通(低到中等功率)的电热除冰器所消耗的能量相比，通过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可以节省高达99％的加热和重新制冷的能量。
但是使用具有Q∝1/W这些能量节省原理不能无限地降低Q，因为较小的Q会缩短界面重新冻结所花的时间。由于在采用PETD时存在这种快速界面重新冻结(这种快速的重新冻结起到再次捕获或重新产生冰的作用)，因此应该通过某种力(重力、空气阻力、机械刮削等等)迅速地将所述冰从所述表面去掉。
如果冰没有被去掉，该界面会经过一时间周期后重新冻结，依据外部温度、脉冲持续期以及基片特性，该时间周期范围从几毫秒到大约三十秒。在去掉冰的力较小或没有的场合下，例如机翼的停滞线、公路的水平面、机场跑道、冰箱的热交换器以及平屋顶，界面的重新冻结则限制了PETD的使用。
采用PETD的制冰系统冰的融化也可以用于制冰中。也就是说，通过融化冰块和盛放所述冰块的冰盘之间的冰的界面层，随后冰块可以较为容易地被取走。下面将描述采用PETD以便于收获冰的制冰系统。
图1和2所示的是采用脉冲电热除冰(“PETD”)的一种示例性制冰系统(10)。在系统10(1)中，冰(5)形成于箔18(1)上，所述箔通过薄介电薄膜16(1)附着在冷板12(1)上。冷板12(1)例如通过流过管道14的流体冷却。冰5(1)由从顶部到底部流过箔18(1)的水(未示出)生成。箔18(1)例如是一种薄金属箔。箔18(1)通过薄介电薄膜16(1)由冷板12(1)冷却，该薄介电薄膜例如是一薄层介电材料。冰5(1)也可以例如在冷板12(1)定向于水平位置时由充满由箔18(1)形成的容器的水生成。一旦已经生成足够多的冰，则通过闭合转换器20使得电源22连接到箔18(1)而将电流加热脉冲施加在箔18(1)上。所述脉冲融化靠近箔18(1)的界面冰，使得冰5(1)与箔18(1)分离。冰5(1)例如可以收集在位于制冰系统10(1)之下的一个容器(未示出)中。
电源22可以是常规的交流电插座或诸如电池、电容器或超电容器的直流电源。转换器20可以是一种半导体开关(有源MOSFET、IGBT、晶闸管等等)、机械开关、电磁转换器或上述转换器的任何组合。
在一个实施例中，所施加的电压和电流提供的加热功率的密度(相对于箔18(1)的面积)在大约1kw/m2到500kw/m2的范围内。电源22根据箔18(1)的电阻的不同而产生电压在大约2.5V到大约1000V的交流电或直流电。箔18(1)可以通过溅射、通过物理气相沉积(PVD)、通过化学气相沉积(CVD)、通过电解处理和/或通过用于形成一种薄金属薄膜的另一种工艺而形成。
在一个实施例中，箔18(1)的厚度可以在从大约0.5μm到大约1mm的范围内。在某些实施例中，箔18(1)可以有导电涂料、导电聚合物薄膜、碳纤维复合材料、或碳微管复合材料形成。
介电薄膜16(1)与冷板12(1)电绝缘。介电薄膜16(1)可以由例如介电材料制成，诸如瓷、玻璃、橡胶、聚合物、复合材料和/或其他介电材料。通常，薄介电薄膜16(1)的厚度在大约10μm到大约2mm的范围内。加热脉冲持续期通常在1ms到to30s的范围内；不过1ms到10s的范围就足够了。
系统10(1)的操作可以得到优化而消耗最少的电能，并且在冰5(1)和箔之间的界面重新冻结之前为冰5(1)提供足够的时间滑离箔18(1)和冷板12(1)。对于系统的操作可以优化的参数例如为
a)冷板12(1)的温度b)介电薄膜16(1)的厚度、密度、热容量以及热传导性c)金属箔/薄膜18(1)的厚度、密度、电阻和热容量d)冰5(1)的密度、融化潜热、热容量以及热传导性e)融化层厚度f)融化层重新冻结时间g)加热功率密度图3和4所示的是另一个示例性制冰系统10(2)，该系统采用了PETD。系统10(2)具有冷板12(2)和介电薄膜16(2)，并且具有管道14、电源22以及转换器20，这些和系统10(1)中的具有相同标记的部件一样。在系统10(2)中，冰“块”5(2)(可能是或不是几何意义上的“块”)形成于与箔18(2)上，该箔的形状形成用于冰生成的袋子19(1)。袋子19可以装有从箔18(2)的顶部流来的水，或者在水平冷板12(2)的情况下，袋子19可以充满有静止的水。水起初开始冻结在每个袋子的表面，该表面与所述冷板具有最好的热接触。当在袋子19(1)中形成足够的冰时，电流加热脉冲对该加热器箔进行加热并使得界面冰融化，使得冰“块”5(2)与袋子19(1)分离。随后重复该冻结和释放冰的循环。
图5和6所示的是另一个示例性制冰系统10(3)，该系统采用了PETD。系统10(3)具有冷板12(3)和介电薄膜16(3)，并且具有管道14、电源22以及转换器20，这些和系统10(1)和10(2)中的具有相同标记的部件一样。在系统10(3)中，介电薄膜16(3)的变化的厚度调节从形成于与箔18(3)上的冰5(3)指向冷板12(3)的热通量。介电薄膜16(3)具有较低的热传导性，因此所述热通量在薄膜16(3)比较薄的地方(例如所示的冰5(3)的位置)比较大而在薄膜16(3)比较厚的地方(例如位置17)则降低。冰的生成速率与渗入所述冷板12(3)的热通量和来自水的热通量之间的差成比例，所述水从冷板12(3)的顶部流向底部。在薄膜16(3)比较厚的位置17处，所述流动的水带来的热量比渗入冷板12(3)中的热量多，因此可以防止冰的生成。当冰5(3)生长到理想的厚度时，加热脉冲释放冰5(3)，如图6所示。
值得推崇的是，厚电介质的面积可以形成于冷板内的槽道内(例如图5和6中的位置17)或由隆起的电介质的表面形成，或者由其组合形成。根据特定的电介质的图案，可以使得冰型生长成为半球形、半圆柱形、方形冰、棒形冰、星形冰等等。当金属箔16(3)非常薄而具有相对较低的热传导性(例如不锈钢)时，横向(例如沿着箔的方向)热通量则受到限制，导致在相邻的冰型之间出现没有冰的空间。当金属箔比较厚并且具有较高的热传导性时，横向热通量能够使得整个箔面积上的冰的生长速率平均，导致形成冻结在一起的冰型。
尽管制冰系统10(1)、10(2)和10(3)具有多种优点(诸如省去了移动部分、能够快速释放冰、能耗低以及冰的生长几乎不间断)，但是它们还是具有某些缺陷。一个缺陷就是使得所述冷板与所述金属薄电隔离的介电薄膜也阻碍了冰的生长所需的热交换。通常，诸如薄膜16(1)、16(2)或16(3)的介电薄膜的热阻等于0.5mm到2mm的冰的热阻。因此，在冰的生长循环过程中，由于那种介电薄膜的存在就会使得冰的厚度损失0.5mm到2mm。因此，在加热脉冲期间，少量的热就会通过所述介电薄膜逸出到所述冷板，因此增加了整个电能的需要。系统10(1)、10(2)和10(3)的另一个潜在的缺陷可能是在箔18的热膨胀系统(CTE)以及介电层16的热膨胀系统方面的差别。这两个CTE应该较好地匹配以避免由于加热脉冲诱导的较大的界面应力，或者介电层16的弹性模量应该较低，以便限制热诱导应力。
图7-12中所示的制冰系统通过去掉介电薄膜16而消除了上述缺陷。例如，图7和8所示的是另一种采用PETD的示例性制冰系统10(4)。系统10(4)具有冷板12(4)并具有管道14、电源22以及转换器20，这些和系统10(1)、10(2)以及10(3)中的具有相同标记的部件一样。系统10(4)和系统10(1)相似，不同之处在于(a)系统10(4)不具有介电薄膜以及(b)系统10(4)具有封于冷板12(4)和箔18(4)之间的空间15(1)。空间15(1)可以交替地被抽空或者充满空气。当空间15(1)被抽空时，大气压将箔18(4)压靠在冷板12(4)上，提供热接触，使得冰能够在箔18(4)上生长。为了收获冰，可以将空气泵入空间15(1)，分离并中断冷板12(4)与箔18(4)之间的热接触。例如一种在缸体内移动并由电磁体驱动的活塞可以用作系统19(4)的泵；或者也可以使用其它泵用于此目的。当空气将箔18(4)与冷板12(4)分离时，图8中的箭头A所指示的气隙尺寸可以在大约10μm到2cm大约的范围内。在冷板12(4)与箔18(4)分离后，就向箔18(4)施加加热脉冲以便融化界面冰；此时，冰5(4)则向下滑到冰收集器中。
图9和10所示的是另一种采用PETD的示例性制冰系统10(5)。系统10(5)具有冷板12(5)，该冷板具有相邻的空间15(2)，并且该系统具有管道14、电源22以及转换器20，这些和系统10(1-4)中的具有相同标记的部件一样。系统10(5)和系统10(4)相似，但是该系统的箔18(5)形成用于冰“块”5(5)的袋子19(2)，冰在其中生长。袋子19(2)可以充满从所述装置的顶部流来的水或者在冷板12(5)处于水平的情况下可以预先充满静止的水。通过将空气泵入或泵出空间15(2)，箔18(5)可以与冷板12(5)产生热接触或脱离热接触。这种热接触在系统10(5)生成冰时“进行”而在加热脉冲施加到薄膜18(5)上以便释放冰“快”5(5)之前“停止”。
图11和12所示的是另一种采用PETD的示例性制冰系统10(6)。系统10(6)具有冷板12(6)，该冷板带有相邻的空间15(3)，并且该系统具有管道14、电源22以及转换器20，这些和系统10(1-5)中的具有相同标记的部件一样。在系统10(6)中，冷板12(6)与箔18(6)之间的热交换可以通过形成于冷板12(6)中的槽24来调节。槽24以一种与系统10(3)(图5和6)的操作相似的方式改变局部的冰生长速率。如前面参照图5和6所述，热交换的调节可以使得各种形状的冰块生成半球形、方形、星形等等。一种泵送系统(未示出)可以一种与针对图7-9中的系统所描述的方式相似的方式与由电源22、转换器20以及箔18(6)形成的脉冲除冰系统协同操作，以便在采用加热脉冲释放冰“块”5(6)之前使得箔18(6)与冷板12(6)分离。
实例1一实例提供了图1和2中所示的系统10(1)的例示性(非限定性)规格和性能参数。下面这些参数作为输入用于这些计算表1用于实例1中的常数和变量
下面的方程用来计算系统10(1)的性能参数。冰的热扩散系数Di计算如下Di=λiρi·Ci]]>方程1环氧树脂的热扩散系数Da计算如下Dd=λdρd·Cd]]>方程2环氧树脂的热扩散长度Ld(t)计算如下Ld(t)=Dd·t]]>方程3冰的热扩散长度Li(t)计算如下Li(t)=Di·t]]>方程4图13表示了用于制冰器10(1)的、环氧树脂的热扩散长度Ld(t)和冰的热扩散长度Li(t)与脉冲持续期之间的相关性。一到三秒的脉冲持续期将环氧树脂和冰中的每一个中的热扩散限制在2mm内；较短的脉冲将热扩散限制到较短的距离。
用于随后将界面和加热器加热到0C并使得融化层厚度lm的一层冰融化的总能量Q可以利用能量转换原理进行计算。中间参数可以定义为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获得所述理想的融化层厚度lm所需的加热脉冲能量Q计算如下Q(W,d,lm)=S·[b(W,d)2+b(W,d)24+c(lm,d)]2]]>方程7提供脉冲能量Q所需的脉冲持续期t计算如下t(W,d,lm)=Q(W,d,lm)S·W]]>方程8从冷板12(1)上收获冰的清洁速度Ss计算如下Ss(W,d,lm)=St(W,d,lm)]]>方程9从冷板12(1)上收获冰的清洁时间T计算如下T(W,d,lm)=SSs(W,d,lm)]]>方程10如在本实例中所示的那样，超过加热脉冲能量的50％消耗在融化界面冰中，而只有少量的能量消耗在加热冷板12(1)、介电薄膜16(1)以及箔18(1)以及加热冰5(1)(即，使得相邻的冰5(1)的温度上升到高于其初始温度-18C而不是使其融化)中。
图14表示出用于制冰系统10(1)的、总能量Q与功率W之间的相关性，其中Q和W按每平方米(1/m2)给出。根据方程5和6可以理解，W的值越高，将导致Q的值越小。已知实例1中使用的常量的值，Q随着W增加到大约2·104而急剧下降。图15表示出了用于制冰系统10(1)的清洁速度Ss和功率W之间的相关性。已知实例1种使用的常量的值，Ss随着W而增加。图16表示出了用于制冰系统10(1)的清洁时间T和功率W之间的相关性。已知实例1种使用的常量的值，Q随着W增加到大约 而急剧下降。
用于制冰操作的另一个参数是融化冰界面的重新冻结时间；该重新冻结时间可以定义该融化界面便于冰的收获的时间周期(例如由于该融化界面使得所述冰能够自由滑动)。通过假设重新冻结发生在该融化区域中的融化潜热qlatent分散入相邻的冰5(1)中并通过箔18(1)和介电层16(1)而进入冷板12(1)中时，可以计算制冰系统10(1)的重新冻结时间tr。中间参数可以计算如下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重新冻结时间可以计算如下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图17表示出了具有0.2mm介电厚度的制冰系统10(1)的重新冻结时间tr与功率密度W之间的相关性。已知实例1种使用的常量的值，tr随着W增加而降低(例如，由于对于给定的融化层厚度Im较高的W会降低Q，如图14所示；较高的W也会缩短重新冻结时间)，但是对于高达105瓦/平方米的W的值，tr保持大于2s。图18表示出了制冰系统10(1)的重新冻结时间tr与介电厚度d之间的相关性。已知实例1种使用的常量的值，tr随着d降低而增加。图19表示出了介电厚度d为0.2mm的制冰系统10(1)的重新冻结时间tr与融化层厚度Im之间的相关性。已知实例1种使用的常量的值，tr随着Im增加而增加。
一组选择作为实例1的优化参数的参数为表2实例1的优化参数
实例2一实例提供了图7和8中所示的系统10(4)的例示性(非限定性)规格和性能参数。下面这些参数作为输入用于这些计算表3用于实例2种的常数和变量
冰和空气的热扩散系数Dj、Dd以及热扩散长度Li(t)、Ld(t)可以利用表3中所列出的常量和变量根据上面的方程1-4来计算(其中空气的特性都标有下标d)。
图20表示出了实例2的Ld(t)和Li(t)与脉冲持续期t之间的相关性。一到三秒的脉冲持续期将冰中的热扩散限制在2mm内；较短的脉冲将热扩散限制到较短的距离。
由于箔18(4)在制冰期间与冷板12(4)接触，但是气隙降低了在冰收获期间向冷板12(4)的热传递，因此能够将所述气隙配制成比制冰系统10(1)-10(3)的介电薄膜16宽；这种气隙例如可以在几毫米的范围内。用于将界面和加热器加热到0C以及使得融化层厚度为lm、脉冲长度为t、清洁速率为Ss以及清洁时间为T的一层冰融化的总能量Q可以利用表3种所列的常量和变量通过上述方程5-10来计算得出。
图21表示出了气隙为0.2mm的制冰系统的总能量Q与功率密度W之间的相关性。
图22表示出了所述总清除时间T与加热功率密度W之间的相关性。
图23表示出了所述清除速度Ss与加热功率密度W之间的相关性。
通过假设重新冻结发生在该融化区域中存在的融化潜热qlatent分散入相邻的冰5(4)中并通过箔18(4)和气隙而进入冷板12(4)中时，可以计算制冰系统10(4)的重新冻结时间tr。中间参数以及重新冻结时间tr可以利用表3种所列的常量和变量通过上述方程11-14来计算得出。
图24表示出了所述重新冻结时间tr与功率密度W之间的相关性。已知实例2种使用的常量的值，tr随着W增加而降低(例如，对于给定的融化层厚度lm由于较高的W会降低Q，如图21所示；较高的W也会降低重新冻结时间)，但是对于高达105瓦/平方米的W的值，tr保持大于2s。图25表示出了重新冻结时间tr与介电厚度d之间的相关性。已知实例2中使用的常量的值，tr随着d降低而增加。图26表示出了重新冻结时间tr与融化层厚度lm之间的相关性。已知实例2中使用的常量的值，tr随着lm增加而增加。
一组选择作为实例2的优化参数的参数为
对(采用介电薄膜16(1)的)系统10(1)和(采用气隙的)系统10(4)的预期的性能进行比较表面，系统10(4)在冰释放过程期间消耗了相同的能量，而提供了更多的时间用于冰在其重新冻结之前从冷板上滑落。不过，系统10(1)和系统10(4)在冰释放过程期间消耗的平均电功率比传统的制冰器要小。例如，如果图1-4所示的那些系统(具有2.5cm厚的冰和2.5cm厚的冷板)中被缓慢加热到冰的融点，加热冷板以及冰界面以产生同样数量的冰融化所需的最小能量将为1160w/m2，而采用系统10(1)和10(4)则为60w/m2。因此，在释放冰时，系统10(1)和10(4)可以比现有技术经济大约20倍。
建造一种图3和4所示的设计的制冰器的实验原型。测试显示在施加热脉冲时几乎立即进行冰的释放。其它的实验观察特性都非常接近上述实例1所示的特性。
一种传统的制冰器通常需要在收获所述冰之后重新冷却冷板，因此每个循环使用更多个的能量，但是在系统10(1)到10(6)中，在收获冰之后，冰的生长以秒级重新开始，因为在冷板12(1)到12(6)在冰的收获期间保持较低的温度。
采用PETD的热交换器热交换器用于在热质量之间传递热量。在一种热交换器结构中，空气靠近热交换器的表面流通，以便被循环的制冷剂所冷却；该空气将热量释放给该制冷剂。当所述制冷剂的温度足够低时，就在该表面上形成冰，阻碍所述表面和所述空气之间的热交换。理想的是以最小的附加热量来除去所述冰，因为被加热的该表面必须被重新冷却以便与所述空气恢复热交换。
图27所示的是一个被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的热交换器40的透视图。热交换器40可以例如由金属或一种导电和导热的聚合物制成。表面44(1)和44(2)由循环的制冷剂冷却。空气沿着箭头52的方向流通经过制冷表面42、46(1)以及46(2)，并且在该视图中，与表面42以及表面44(2)相对的相应制冷表面看不见。热量从空气传递到热交换器的制冷表面，随后传递到制冷剂；并形成在该制冷表面上。薄膜冰检测器43用于检测是否存在冰和/或霜，并测量所述冰或霜的厚度。顶表面48和底面50热绝缘，因此不会在其上形成冰。
图28所示的是所述热交换器40的俯视图，该热交换器具有积累的冰5(7)并且与电源54和转换器56相连。在操作中，热交换器40冷却空气并可以积累冰5(7)。转换器56随后闭合，送电流加热脉冲经过热交换器40；该加热脉冲的功率和持续期可以进行控制以便使的冰-对象界面在来自该脉冲的大量热量散入冰5(7)和热交换器40的制冷表面之前融化。如果热交换器40垂直定向(例如，如图27和28所示)，重力能够使得冰5(7)在施加加热脉冲之后从热交换器40上滑落。
图29所示的是被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的热交换器60。热交换器60形成空气槽道62，在该槽道中，热量从空气传递到制冷剂，制冷剂从入口64进入交换器60从出口66排出交换器60。虚线30-30指明了图30中所示的剖视平面的顶部。
图30所示的是所述热交换器60沿途29中的虚线30-30垂直向下延伸的平面所作的剖视图。空气沿着箭头64的方向流经热交换器60。制冷表面63形成空气槽道62的侧面，并且绝热层68使得每个空气槽道62的顶部和底部绝缘，如图所示。每个制冷表面63都通过转换器74与电源72相连(为了清楚起见，仅仅一个制冷表面63表示出了这种连接)。
在操作时，热交换器60冷却空气并可以在制冷表面63上积累冰5(8)。转换器74随后可以闭合，传送电流加热脉冲穿过每个制冷表面63；加热脉冲的功率和持续期受到控制以便使的冰-对象界面在来自该脉冲的大量热散入冰5(8)进入制冷剂和制冷表面63之前融化。如果热交换器40垂直定向(例如，如图29和30所示)，重力能够使得冰5(8)在施加加热脉冲之后从制冷表面63上滑落。
将可以理解的是，热交换器40和60的变化形式都在本公开的范围之内。例如，热交换器40的制冷表面可以成形为不同于图27和28中所示的形状；制冷剂可以穿过热交换器40的管子和槽道。与将制冷表面连接到电源不同，加热箔或薄膜可以布置在靠近热交换器40或60的制冷表面的介电层上。可以在加热箔或薄膜和制冷表面之间封有空间，并且该空间可以交替地被抽空以便使得加热箔或薄膜与制冷表面进行热接触以及在分离冰的过程中被加压以便在该加热箔或薄膜和制冷表面之间展开成气隙。制冷表面可以形成一些分区(如下面所述)，这些分区可以形成到转换器和电源的电连接，以便在规定的时间并不是所有的分区都接收加热脉冲。
即时脉冲功率与可用电功率在系统10(1)到10(6)中，尽管释放冰的脉冲所消耗的平均功率是非常低的(例如，60w/m2、或对于1000平方英寸的冷板大约为39w)，短加热脉冲所需的功率(例如，对于1000平方英寸的冷板大约为6.6kw到65kw)可能比所能连续支持的某些电源(例如，2kw到3kw)要多。为了使得可用功率与所需的脉冲功率匹配，加热箔可以被“分区”。在供电时，各个分区不会使得电源容量超载；也由于每个分区的除冰都遵循与在对整个隔栅进行除冰情况下的理论相同的理论，因此总的能量需求保持相同。当在分区中收获冰时，总的收获时间则等于脉冲持续期乘以分区的数量。能量存储装置，诸如超电容器、超级电容器、电解电容器以及电池都可以用来累积加热脉冲之间的电能，将该能量重新分配为单个脉冲，以便于各个分区或整个冷板收获冰。
脉冲电蒸发除冰尽管系统10(1)到10(6)有利地采用PETD来降低与收获冰相关的能量消耗，但是脉冲电蒸发除冰(“PEED”)能够进一步减少能量消耗；PEED也可以具有除收获冰之外的其他应用场合。在PEED系统中，冰-对象界面的一些或全部能够迅速地被加热到水的沸点之上。这种加热不仅融化该界面，而且产生高压蒸汽从而将冰推离所述对象。这种非常短的加热时间将热扩散限制在冰和基片(substrate)内，因此减少了总的能量需求。具有冰收集表面和加热器的某些配置可以集中蒸发小容积内的冰所需的热量，减少用于分离冰的能量。理论计算和实验结果表明，与采用PETD的系统相比，采用PEED的系统能够消耗更少的能量，尽管PEED系统达到比PETD系统更高的温度。
图31表示出了水蒸气的平衡压力与温度的相关性，显示高于100℃的水的平均中等过热导致非常高的水蒸气压力。例如，在T＝120℃、P＝2大气压时，推压在1cm厚的冰上的2个大气压的压力以a≈104m/s2的等级使得所述冰加速。
PEED的理论如下。PEED采用基片和薄加热元件。冰生长在所述加热元件上，整个系统处于低于水的凝固点的环境温度下。施加到所述加热元件上的电流加热脉冲将冰-对象界面(例如，金属加热其余冰的相交处)加热到水的沸点之上使得蒸发的水将剩下的冰推离所述加热元件。该加热脉冲可以具有足够短的持续期，使得大量的热量不会扩散到基片和/或剩余的冰。
图32A示意性地表示了一种脉冲除冰系统75。系统75包括基片80以及加热元件82，并且其中显示了有在加热元件处形成冰-对象界面84的冰5(9)。图32B所示的是在加热脉冲被施加到加热元件82上之后的脉冲除冰系统75。在图32A的冰-对象界面84处产生的水蒸气的压力在加热元件82和冰5(9)之间产生空间86。
PEED加热元件(例如，加热元件80)可以由金属箔、金属网、薄金属薄膜、ITO薄膜、半导体薄膜、碳纤维网、碳微管网、碳纤维、碳微管导电复合材料、多孔导体箔或导电涂料制成。PEED加热元件的厚度可以在大约10nm到大约1mm的范围内。电流加热脉冲的持续期为大约1μs到大约100s，通常为1ms到大约1s。加热功率密度为大约10kW/m2到大约10MW/m2，通常为100kW/m2到1MW/m2。
实例3图33所示的是采用PETD和PEED的一个制冰系统100(1)的剖面。制冰系统100(1)具有冰容器102(1)以及毛细管104(1)，两者都可由例如不锈钢制成。容器102(1)以及毛细管104(1)都充满有水，水凝固形成主冰部分5(10)和毛细管冰部分5(11)。容器102(1)可以成形成一种截锥形。
制冰系统100(1)由分别通过两个转换器112、114切换的两个电源108、110供电。当从制冰系统100(1)上收获冰时，转换器114首先闭合，将一第一加热脉冲供给冰容器102(1)，随后转换器112闭合，将一第二加热脉冲供给毛细管104(1)。该第一加热脉冲的能量足以融化至少容器102(1)和所述冰部分5(10)之间的界面冰层；该第二加热脉冲的能量足以使毛细管冰部分5(11)的部分或全部蒸发。毛细管冰部分5(11)的部分或全部的蒸发产生的压力将冰部分5(10)排出冰容器102(1)。该第一和第二加热脉冲两者都具有足够短的持续期，使得大量的热量在冰部分5(10)被排出冰容器102(1)之前不会扩散到该冰部分5(10)。每个电源112和114都被配置成能够向毛细管104(1)和冰容器102(1)提供适当的加热能量，使得提供给冰容器102(1)的热量在不显著超过所需热量的情况下足以融化所述界面冰层，并且使得提供给毛细管104(1)的热量在不显著超过所需热量的情况下足以驱逐冰部分5(10)。
图34所示的是采用PETD和PEED的一个制冰系统100(2)的剖面。制冰系统100(2)具有冰容器102(2)以及毛细管104(2)，两者都可由例如不锈钢制成。制冰系统100(2)由通过转换器118切换的电源116供电。当转换器118闭合时，单一加热脉冲使得容器102(2)和所述冰部分5(12)之间的界面冰融化，并且使得毛细管104(2)内的冰部分5(13)的部分或全部蒸发。毛细管冰部分5(13)的部分或全部的蒸发产生的压力将冰部分5(12)排出冰容器102(2)。该加热脉冲可具有足够短的持续期，冰容器102(2)和毛细管104(2)的电阻可以进行平衡使得大量的热量在冰部分5(12)被排出冰容器102(2)之前不会扩散到该冰部分5(12)。
电源108、110和/或116可以时常规的交流电插座、诸如电池、电容器或超电容器的直流电源。转换器112、114以及118可以是半导体开关(有源MOSFET、IGBT、晶闸管等等)、机械开关、电磁转换器或上述转换器的任何组合。电子逻辑电路可以用来控制加热脉冲的相对持续期和定时(例如，闭合转换器114一段特定的期间，等待一段特定的延迟时间，随后闭合转换器112一段特定的期间)。
建造并测试根据系统100(1)的描述的制冰系统。该制冰容器由0.1mm的不锈钢制成并且是一种顶部直径为23.9mm的截锥形。该容器的长度为25.4mm。不锈钢的毛细管长17cm，内径为1.4mm，外径为2.4mm。在一种情况下，首先将0.95秒、229焦耳的电流脉冲施加到该冰容器(例如，利用电源110和转换器114)上；0.2秒后，施加0.125秒、859焦耳的脉冲(例如，采用电源108和转换器112)以便使得毛细管内的冰蒸发。该主冰部分从该冰容器中排出。在另一种情况中，单个转换器(例如，转换器118)被用来将单一加热脉冲供应到冰容器和毛细管，主冰部分再次被排出。
图35所示的是采用PETD和PEED除去机翼122的前缘上的冰的一种脉冲除冰系统120(1)。系统120(1)包括电源126、转换器128以及毛细管124(在该视图中仅仅表示出了一个毛细管124)。飞机的工作会导致在毛细管123内形成冰5(14)，并且在机翼122上积累冰5(15)。系统120(1)可以通过闭合转换器128使得电流加热脉冲从电源126流过毛细管124的侧面以及流过机翼122从而除掉机翼122上的冰；加热脉冲融化形成于机翼122和冰5(15)之间的冰-对象界面。蒸发的冰的蒸汽压力使得冰5(15)断裂从而冰能够在重新冻结之前从机翼上滑落。
图36所示的是机翼122的一部分的透视图。一排毛细管呈现在机翼122的停滞线上。相邻毛细管之间的间隔可以进行优化，以便在所有毛细管124同时接收加热脉冲时，冰5(15)沿着机翼122的整个长度断裂。
与制冰系统100(2)相似，毛细管124以及机翼122的相对电阻以及电源126和转换器128所供给的加热脉冲的功率及持续期都可以进行优化，以便在能量浪费最小的情况下融化冰-对象界面以及使得冰断裂。可选择地，可以使用一个转换器和电源来融化冰5(15)和机翼122之间的冰-对象界面，并且利用一第二转换器和电源来蒸发一个或多个毛细管124中的冰(例如，当制冰系统100(1)利用两个电源和转换器，而制冰系统100(2)只利用一个电源和转换器)。此外，毛细管和机翼122可以分成多个分区，因此可以一次只对一个分区进行除冰，以便利用低容量电源126。机翼122的金属可以用作加热元件，或者也可以采用分离的加热元件。例如分离的加热元件可以在有或没有底层介电层的情况下贴到机翼上(例如，如果机翼的传导性太高或太低而不能有效地起到一种加热元件的作用的话)。
在另一个实施例中，小毛细管阵列可以由一种多孔的金属箔条带替代。该多孔箔中饱含空气中的水，因此该多孔箔中充满了水。当电流加热脉冲施加到该多孔箔时，该电流将该箔加热到水的沸点之上，而在冰和机翼之间产生高压水蒸气。
实例4图37A示意性地示出了一种脉冲电蒸发除冰系统130。该系统130包括基片132以及加热元件134，并且其中显示了有在加热元件134处形成冰-对象界面136的冰5(16)。图37B所示的是在加热脉冲被施加到加热元件134上之后的所述脉冲除冰系统130。在图37A的冰-对象界面136处产生的水蒸气的压力，并且尤其是在小孔138中蒸发的水的压力，在加热元件134和冰5(16)之间产生空间140。
建造和测试根据系统130的描述的脉冲除冰系统。0.32mm厚的多孔不锈钢箔由53μm到75μm的颗粒烧结而成；该箔的小孔为大约10μm。水布置在该箔上并随后在T＝-10℃下被冻结，其中部分水穿透并冻结在所述箔的小孔中。施加一个20ms、密度为1.7×107W/m2的加热脉冲。小孔内的冰蒸发并将该冰片推离该箔。
采用加热电脉冲对热交换翅片进行除冰图38所示的是一种被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的折叠式热交换器150。在热交换器150中，制冷剂(氟利昂或其它液体)156流经制冷剂管152，该制冷剂管具有制冷翅片154，该制冷翅片形成热交换表面并与周围的空气进行热交换。尽管所示的制冷剂管152的翅片154内有制冷剂，但是某些实施例可以使得制冷剂管具有一些从笔直管或导管横向延伸的热交换表面(例如，图40)；在其它实施例中，管子或导管可以呈现为一种蛇形或锯齿形，以便形成热交换表面(例如，图42)。可以通过脉冲除冰方法去掉形成在制冷翅片154上的冰5(17)。当转换器158闭合时，电源160将电流加热脉冲输送穿过热交换器150；该加热脉冲至少融化翅片154和冰5(17)之间的冰-对象界面；该加热脉冲还可融化所有的冰5(17)。每个单位面积的通常的加热密度为大约5KW/m2到大约100KW/m2。电流幅值和脉冲持续期可以根据温度、流量以及制冷剂特性(例如密度、热容量以及热传导性)进行调节。通常的脉冲持续期为大约0.1s到大约10s。电源160可以时常规的交流电插座、诸如电池、电容器或超电容器的直流电源。转换器158可以是半导体开关(有源MOSFET、IGBT、晶闸管等等)、机械开关、电磁转换器或上述转换器的任何组合。在加热脉冲之后剩下的固体冰5(17)随后通过重力(例如，冰5(17)可以从翅片154上滑落)或通过诸如刮削、振动、吹气等作用在热交换器150上的机械作用被去掉。振动可以例如通过小的电马达和曲柄、通过电磁振子或通过在制冷剂156中诱导压力振动来提供。
图39所示的是一些连接起来形成一种制冷剂管170的箔垫片172的剖视图。制冷剂管170可以用作例如制冷剂管152(参见图38)。箔垫片172可以是例如4密耳的不锈钢箔垫片，该箔垫片的内径为1英寸而外径为3英寸，并且在其外边缘174和其内边缘176都进行了焊接或点焊。每个垫片172因此形成热交换表面(例如，一对垫片形成一个制冷翅片154，图38)。
图40所示的是连接在一直管上形成一种制冷剂管180的一些箔垫片182的剖视图。制冷剂管180可以用作例如制冷剂管152(参见图38)。箔垫片182可以是例如4密耳的不锈钢箔垫片，该箔垫片的内径为1英寸而外径为3英寸，并且在其外边缘1864和其内边缘188都进行了焊接或点焊。垫片18也可以被焊接或点焊到导管184上。每对垫片182因此形成制冷翅片例如，制冷翅片154，图38)。导管180和垫片182的相对壁厚可以选择使得它们在如图38所示诱导电流脉冲时具有相同的加热功率密度W。
图41所示的是另一种被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的折叠式热交换器190。热交换器190具有制冷剂管192，该制冷剂管具有与周围的空气进行热交换的制冷翅片194。可以通过脉冲除冰方法去掉形成在制冷翅片194上的冰5(18)。热交换器190的PETD除冰方法与用于热交换器170中的方式相同当转换器198闭合时，电源196将电流加热脉冲输送穿过热交换器190；该加热脉冲至少融化翅片194和冰5(18)之间的冰-对象界面；该加热脉冲还可融化所有的冰5(18)。
图42所示的是另一种被配置成为一种用于分离冰的脉冲系统的折叠式热交换器200。热交换器200具有能够与周围空气进行热交换的制冷剂管202；制冷剂管202为蛇形，制冷剂流经该制冷剂管202的弯曲204处以便使得热交换面积最大化。形成于制冷剂管202上的冰(未示出)可以通过PETD除冰方式被去掉。当转换器208闭合时，电源206将电流加热脉冲输送穿过热交换器200；该加热脉冲至少融化翅片204和冰之间的冰-对象界面；该加热脉冲还可融化所有的冰。
需要理解的是，热交换器150、190和200的变化形式都在该公开的范围内。例如，热交换器150、190和200的的热交换表面可以形成不同于图38、41以及42中所示的形状。与使管子和/或制冷翅片连接到电源不同，可以在与所述表面临近的介电层上布置加热箔或薄膜。可以在加热箔或薄膜和制冷表面之间封有空间，并且该空间可以交替地被抽空以便使得加热箔或薄膜与制冷表面进行热接触以及在分离冰的过程中被加压以便在该加热箔或薄膜和制冷表面之间展开成气隙。热交换表面可以形成一些分区(如上面所述)，这些分区可以形成到转换器和电源的电连接，以便在规定的时间并不是所有的分区都接收加热脉冲。
脉冲加热薄壁金属管和箔可以有利地采用较低的电压(1V到24V)和高电流(成百上千安培)。当直接使用较高的电压(例如120V的交流电或240V的交流电)为优选时，较高的电阻是比较有利的。通过将加热器的导电薄膜与制冷管分离可以获得较高的电阻。例如，具有翅片的热交换器可以由阳极化铝制成，具有施加在阳极化层的顶部的高电阻加热薄膜。该加热薄膜可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电解涂敷或通过刷涂料来施加。
图43所示的是一种采用脉冲除冰的方式来制冰的方法300。该方法300可以由例如如上所述的制冰系统10(1)到10(3)中的任何一种通过与该系统相关联的微处理器的控制和操作来执行。该方法300的步骤302冷却冷板(例如冷板12(1)到12(3)中的任何一个)。步骤306在加热器元件(例如箔18(1)到18(3)中的任何一种)上冻结冰。步骤310施加加热脉冲以便使得所述冰松动。如果步骤306导致所述冰处于理想的位置(例如，由于所述冰下落到一接收器中)，方法300可以在步骤306之后回复到步骤302。或者，方法300可以继续到步骤312，该步骤施加机械力(例如刮削所述冰、捡拾冰、以及吹空气使其移动等等)来去掉所述冰。步骤312例如可以在该系统中的微处理器的控制下通过电机械装置(吹风机、刮削器)来进行。当冰处于其理想位置时，方法300回复到步骤302而重新开始。
图44所示的是一种采用脉冲除冰的方式来制冰的方法320。该方法320可以由例如如上所述的制冰系统10(4)到10(6)中的任何一种通过与该系统相关联的微处理器(以及，根据需要，机械致动器)的控制和操作来执行。该方法320的步骤302冷却冷板(例如冷板12(4)到12(6)中的任何一个)。步骤304将冷板和加热器元件(例如，箔18(4)到18(6)中的任何一种)之间的空间抽空，使得该冷板和加热器元件处于热接触。步骤306在加热器元件(例如箔18(1)到18(3)中的任何一种)上冻结冰。步骤308对所述空间进行加压以便在所述加热器元件和冷板之间产生气隙。步骤310施加加热脉冲以便使得所述冰松动。如果步骤306导致所述冰处于理想的位置(例如，由于所述冰下落到一接收器中)，方法320可以在步骤306之后回复到步骤302。或者，方法320可以继续到步骤312，该步骤施加机械力(例如刮削所述冰、捡拾冰、以及吹空气使其移动等等)来去掉所述冰。当冰处于其理想位置时，方法320回复到步骤302而重新开始。
图45所示的是一种采用脉冲电蒸发除冰的方式来制冰的方法350。该方法350可以由例如如上所述的制冰系统10(2)通过与该系统相关联的微处理器(以及根据需要的电-机械装置，诸如吹风机和刮削器)的控制和操作来执行。该方法350的步骤352冷却冰容器和毛细管(例如，冰容器102(2)和毛细管104(2))。步骤354在冰容器和毛细管中冻结冰。步骤356施加加热脉冲(例如通过闭合转换器118)以便使得所述冰松动并使得毛细管内的冰蒸发，由此将冰排出。在步骤356之后，方法350则回复到步骤352以便重新开始。
图46所示的是一种采用脉冲电蒸发除冰的方式来制冰的方法360。该方法360可以由例如如上所述的制冰系统10(1)通过与该系统相关联的微处理器(以及根据需要的电-机械装置，诸如吹风机和刮削器)的控制和操作来执行。该方法360的步骤362冷却冰容器和毛细管(例如，冰容器102(1)和毛细管104(1))。步骤364在冰容器和毛细管中冻结冰。步骤366施加一第一加热脉冲(例如通过闭合转换器114)以便使得冰容器内的冰松动。步骤368施加一第二加热脉冲(例如通过闭合转换器112)并使得毛细管内的冰蒸发，由此将冰排出。在步骤368之后，方法360则回复到步骤362以便重新开始。
图47所示的是具有安装在管子406上的翅片阵列的热交换器402的一个实施例。图48所示的是穿过一个管子和翅片组件的剖面。每个管子406都通过转换器410与电源408相连，因此，当该转换器闭合时，电流流经管子406而产生热量；由此起作用而除掉热交换器402商的冰。在图47中，仅仅表示出了一个管子406，目的是为了清楚表示出电连接。当短电流脉冲流经管子406时，在管子406的壁中产生焦耳热量。由于管子406和翅片404之间的接触热阻非常低，并且由于金属翅片中的热扩散速率较高，因此在管子406种产生的焦耳加热快速地传播到翅片404，融化热交换器402上的冰和/或霜。
下面的实例说明了该热扩散速率。一些材料中的热扩散长度LD由以下方程给出LD(t)≈2α·t]]>方程15其中α=kρ·CP]]>方程16其中t是时间，是α材料的热扩散性，k是材料的热传导性，是ρ材料的密度，以及CP是材料的热容量。
图49所示的是表示纯铝在室温下的热扩散长度与时间之间曲线图。尤其是，图49表示出在一秒内热在铝内扩散超过1.8cm而在五秒内超过3.9cm。因此，当热量在管子406内产生时，该扩散长度足以在大约一秒内将翅片404(在翅片404具有通常的尺寸的情况下)加热。
该是实例便于当前用于制冷工业中的广泛的热交换器中使用。例如翅片404的形状可以是以下形状中的一种或多种环形、方形、销形等等。翅片404和管子406可以采用以下材料中的一种或多种制成铝、铜、不锈钢、导电聚合物、或其他合金。例如不锈钢管子可以用于进行电阻加热，因为不锈钢具有较高的电阻。也可以使用其他金属和合金。
电源408可以使任何具有足够功率的低压高电流直流或交流电源。例如，电源408可以是以下电源中的一种或多种电池、一组超级电容器、降压变压器、电子降压变压器等等。在一个实施例中，因为在传送高频电流时管子406的电阻可以由于集肤效应而增加，因此电源408产生有利的高频电流。
为了产生更一致的电加热，翅片404可以与管子406电绝缘，同时与管子406保持良好的热接触。例如，在铝的表面上的薄阳极化层、薄层聚合物或环氧树脂粘合剂可以形成这种薄的电绝缘。
如上述实例所述，这种脉冲加热由于与基管中的液体制冷剂的对流热交换而限制了热损失并且热交换器的外表面上的空气，由此降低了平均功率需求并且能够在不关闭交换器402(即，在不关闭冷冻器、冷却器或空调器)的情况下进行除冰和除霜。通过以足够频率施加加热脉冲，生长在翅片和管子的外表面上的薄层冰或霜就会融化，因此实际上保持该热交换器表面没有冰或霜。这因此改进了该热交换器的性能，降低了功率需求，并且可以增加储存在冰箱中的食品的保质期。
假设图47中的热交换器402由铝制成，并且具有通常的尺寸管子内径1cm、管子壁厚0.30mm、翅片直径36mm、翅片厚度0.5mm，并且翅片之间的间距为4mm。
这种热交换器的质量为大约330g/m(每米管子的长度)并且总表面积(翅片+管子的外表面)为0.47m2/m(平方米每米管子长度)。假设管子中的制冷剂的温度为-18℃、在管子406的内表面处的对流热交换速率为1000W/(m2·K)、空气温度为+5℃，并且空气与热交换器402的外表面之间的对流热交换系数为65W/(m2·K)。
如图50所示，当3V/m的电场施加到管子406上时，将该铝的表面加热到0℃以上需要花费不到1.4秒。一旦该铝的表面高于0℃，如果再该铝的表面上形成有的薄层霜话，该薄层霜就开始融化。
边界条件
电学参数
当热交换器关闭时，热交换器在脉冲加热期间的温度计算如下Tshutdown(V,t)=TA1·Ct+t·(W(V))Ct]]>而当热交换器不间断地运行时，热交换器在脉冲加热期间的温度计算如下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图50表示铝质热交换器在运行过程中由加热脉冲提供功率以及在冷却泵和风扇停止的情况下由加热脉冲提供功率时温度与时间之间的曲线图。尤其是图50表示出了除霜可以在不关闭制冷剂泵或风扇的情况下连续地进行，因为在不间断的运行过程中，花费不到1.4秒就开始霜的融化。在实例中，将3V施加到热交换管子(例如，管子406)的1米分区产生1.671kW的加热功率。管子在所施加的3V电压下传导557.004A的电流。
在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述方法和系统进行改变。因此需要指出的是，上述描述中所包含的内容以及附图中所显示的内容都应该解释为说明性的而非限制性的了。后面的权利要求是为了涉及在此所描述的所有上位和具体的特征，以及本方法和系统的范围的全部声明，为了方便记述，他们都可能位于其中。
权利要求
1.一种制冰系统，包括冷板；介电薄膜；薄金属箔，由所述冷板通过所述介电薄膜冷却，从而使得靠近所述金属箔的水在其上形成冰；电源；以及转换器，用于将来自所述电源的电流连接到所述薄金属箔，从而生成融化在所述薄金属箔处的所述冰的界面层的加热脉冲，并释放所述的冰。
2.如权利要求1所述的系统，所述电源包括交流电源或直流电源。
3.如权利要求1所述的系统，所述电源包括电池、电容器或超电容器。
4.如权利要求1所述的系统，所述转换器包括有源MOSFET、IGBT、晶闸管、机械开关、电磁转换器、或其组合。
5.如权利要求1所述的系统，所述加热脉冲的所施加的电压和电流提供了在大约1kw/m2到500kw/m2的范围内的充足的热功率密度。
6.如权利要求5所述的系统，所述电压根据所述金属箔的电阻的不同而为2.5V到1000V。
7.如权利要求1所述的系统，所述金属箔的厚度为0.5μm到1mm。
8.如权利要求1所述的系统，所述金属箔包括导电涂料、导电聚合物薄膜、碳纤维复合材料、或碳微管复合材料。
9.如权利要求1所述的系统，所述介电薄膜使得所述金属箔与所述冷板电绝缘，并且包括以下材料中的一种或多种瓷、玻璃、橡胶、聚合物以及复合材料。
10.如权利要求9所述的系统，所述介电薄膜的厚度范围为10μm到2mm。
11.如权利要求1所述的系统，所述转换器工作使得所述加热脉冲的持续期为1ms到30s。
12.如权利要求1所述的系统，所述金属箔形成用于所述冰的一个或多个袋子。
13.如权利要求12所述的系统，在所述加热脉冲之后从所述金属箔上释放出来的冰包括冰块。
14.如权利要求1所述的系统，所述介电薄膜包括变化的厚度，使得所述冰在所述介电薄膜比较厚的地方比较薄。
15.如权利要求14所述的系统，所述变化的厚度被构造并安排成使得所述冰形成一种形状。
16.如权利要求16所述的系统，所述形状是半球形、半圆柱形、矩形、条状以及星形中的一种。
17.一种制冰系统，包括冷板；金属箔，该金属箔由所述冷板冷却，从而使得靠近所述金属箔的水在其上形成冰；电源；以及转换器，用于将来自所述电源的电流连接到所述金属箔，从而生成融化在所述金属箔处的所述冰的界面层的加热脉冲，并释放所述的冰。
18.如权利要求17所述的系统，还包括泵，所述泵用于将空气泵入或泵出所述冷板和所述金属箔之间的空间，其中将空气泵入使得所述冷板与所述金属箔分开，而将空气泵出使得空气从所述空间中排出并将所述金属箔压到冷板。
19.如权利要求17所述的系统，所述空间大约为10μm到2cm。
20.如权利要求17所述的系统，所述金属箔形成用于所述冰的一个或多个袋子。
21.如权利要求17所述的系统，所述冷板形成一个或多个槽以便使得在所述金属箔上生成的冰成形。
22.如权利要求17所述的系统，所述加热脉冲的所施加的电压和电流提供了在大约1kw/m2到500kw/m2的范围内的充足的热功率密度。
23.如权利要求17所述的系统，所述电压根据所述金属箔的电阻的不同而为2.5V到大约1000V。
24.如权利要求17所述的系统，所述金属箔的厚度为大约0.5μm到1mm。
25.如权利要求17所述的系统，所述金属箔包括导电聚合物薄膜、碳纤维复合材料以及碳微管复合材料中的一种。
26.一种制冰系统，包括冰容器，用于在被冷却时将水转化为冰；毛细管，位于所述冰容器的基部；电源，用于向所述冰容器和所述毛细管施加脉冲加热能量；其中，所述脉冲加热使得在所述冰容器中的界面层冰融化，并使得冰在所述毛细管中蒸发而将冰从所述冰容器中排出。
27.如权利要求26所述的系统，还包括转换器，所述转换器用于将所述电源连接到所述冰容器以便在所述冰容器中产生脉冲加热能量。
28.如权利要求26所述的系统，还包括转换器，所述转换器用于将所述电源连接到所述毛细管以便在所述毛细管中产生脉冲加热，从而使其中的冰蒸发。
29.如权利要求26所述的系统，所述冰容器由不锈钢制造。
30.如权利要求29所述的系统，所述箔的厚度大约为0.1mm。
31.如权利要求26所述的系统，所述毛细管由不锈钢制造。
32.如权利要求26所述的系统，所述冰容器形成一种类似截头锥的形状。
33.如权利要求26所述的系统，所述电源包括交流电源或直流电源。
34.如权利要求26所述的系统，所述电源包括电池、电容器或超电容器。
35.如权利要求26所述的系统，还包括至少一个转换器，用于选择性地将所述脉冲加热能量施加到所述冰容器和所述毛细管。
36.如权利要求35所述的系统，所述转换器包括有源MOSFET、IGBT、晶闸管、机械开关、电磁转换器、或其组合
37.如权利要求26所述的系统，其中脉冲加热在大约1秒钟内施加，并向所述容器产生大约230焦耳的电流脉冲，从而融化所述界面层。
38.如权利要求26所述的系统，所述毛细管的脉冲加热在大约0.125秒钟内施加，并产生大约860焦耳的电流脉冲，以便蒸发所述毛细管内的冰。
39.一种蒸发除冰系统，包括电阻膜，其布置在待除冰的对象上；毛细管阵列，与所述对象布置成使得每个所述毛细管的开口端与所述对象的表面平齐；以及电源，用于(a)向所述电阻膜供给能量，以便在所述电阻膜中生成脉冲加热能量，使得靠近所述电阻膜的冰的界面层融化，以及(b)向所述毛细管供给能量，以便使得所述毛细管内的冰蒸发并从所述对象中将冰排出。
40.如权利要求39所述的蒸发除冰系统，所述毛细管被布置在机翼的停滞线上。
41.一种蒸发除冰系统，包括电阻膜，其布置在待除冰对象的表面上；多孔金属箔条带；以及电源；电源，用于(a)向所述电阻膜供给能量，以便在所述电阻膜中生成脉冲加热能量，使得靠近所述电阻膜的冰的界面层融化，以及(b)向所述多孔金属条带供给能量，以便使得所述多孔金属条带内的冰蒸发并从所述对象中将冰排出。
42.如权利要求41所述的蒸发除冰系统，所述多孔金属箔被布置在机翼的停滞线上。
43.一种为制冷器除冰的系统，包括热交换器，具有折叠式表面；壁管，其中有制冷剂流动；以及电源，其被电切换到所述热交换器，以便向所述热交换器施加脉冲加热功率并将冰从其中去除。
44.如权利要求43所述的系统，还包括绝缘薄膜，该绝缘薄膜布置在所述热交换器的顶部，并且采用阳极氧化铝或阳极氧化铝合金制成。
45.如权利要求44所述的系统，还包括导电薄膜，该导电薄膜布置在所述绝缘薄膜的顶部，其中所述导电薄膜是通过CVD、PVD、电解涂镀或涂抹而涂敷的薄金属层。
46.一种为热交换器除冰的系统，该热交换器具有基管以及多个安装在其上的翅片，包括电源；转换器，用于将所述电源连接到所述基管；其中所述转换器操作将电流脉冲施加到所述基管，以便焦耳加热使得所述基管和所述翅片的温度上升，从而融化附着在其上的冰。
47.如权利要求46所述的系统，所述基管和所述翅片由同一连续金属片构成。
48.如权利要求46所述的系统，还包括薄介电材料层，被布置在所述基管和所述翅片之间。
49.如权利要求46所述的系统，所述基管和所述翅片由铜、铝、不锈钢、金属合金、导电聚合物以及导电和导热复合材料中的一种或多种制成。
50.如权利要求46所述的系统，其中施加在所述基管上的加热功率密度在0.5kW/kg到50kW/kg的范围内，其中该重量指的是所述热交换器的重量。
51.如权利要求46所述的系统，所述转换器工作而供给电流脉冲，所述电流脉冲的持续期大约在0.1s到30s的范围内。
52.如权利要求46所述的系统，所述电源为直流电源。
53.如权利要求52所述的系统，所述电源在所述基管中产生的电场强度根据所述基管材料的电阻的不同而大约在0.5V/m到50V/m的范围内。
54.如权利要求46所述的系统，所述电源为交流电源。
55.如权利要求54所述的系统，所述交流电源在所述基管中产生的电场强度根据所述基管材料的电阻的不同而大约在0.5V/m到50V/m的范围内。
56.如权利要求54所述的系统，所述交流电源的工作频率在大约50Hz到10MHz的范围内。
57.如权利要求54所述的系统，所述交流电源的频率可调节而使所述基管由于集肤效应而达到理想的电阻。
58.如权利要求46所述的系统，所述电脉冲的能量足以融化附着在所述热交换器上的薄霜层或薄冰层。
59.如权利要求46所述的系统，所述电脉冲的能量足以融化厚霜层或冰层
60.如权利要求59所述的系统，所述转换器工作而以足以保持所述热交换器的表面不结霜或结冰的频率和持续期提供多个电脉冲。
61.如权利要求46所述的系统，还包括附接在所述热交换器的外表面上的薄膜冰检测器，用于检测是否存在冰和/或霜。
62.如权利要求61所述的系统，其中，所述冰检测器测量所述冰和霜的厚度。
63.如权利要求62所述的系统，还包括控制电子装置，其利用所述冰检测器来监测所述冰和霜的厚度。
64.如权利要求63所述的系统，其中所述控制电子装置在冰的厚度达到预定的值时激活所述转换器。
65.如权利要求63所述的系统，其中所述控制电子装置在所述热交换器上的所有冰和/或霜融化时使得所述转换器失活。
全文摘要
本发明涉及一种用于分离冰的脉冲电热除冰系统，该系统包括电源(22)，用于将高功率的加热脉冲施加在冰和诸如制冰系统的冷板的对象之间的界面上；冰容器；热交换器；制冷器表面或机翼。脉冲加热可以在位于待除冰的对象上的金属箔或电阻薄膜中产生，或者在待除冰的对象附近的毛细管中产生。界面层冰被融化而所述冰从对象上被释放。一种力，例如重力、蒸汽压力或机械刮削可以将所述冰从对象上去掉。
文档编号F25C5/08GK1997552SQ200580020898
公开日2007年7月11日 申请日期2005年6月22日 优先权日2004年6月22日
发明者维多利亚·彼得连科 申请人:达特默斯大学托管会