专利名称：脉冲电热和储热除冰装置及方法
相关申请的交叉引用
本发明要求2005年1月24日提交的第60/646,394号美国临时专利、2005年1月25日提交的第60/646,932号美国临时专利和2005年11月23日提交的第60/739,506号美国临时专利的优先权。
背景技术：
在存在水蒸气或流体的情况下，冰或霜可堆积在寒冷的表面上。为了保持表面的清洁(例如，为了改善热传递性质、摩擦性质或空气动力学性质)，需要将冰或霜除去或者可获取表面的冰以作他用。消耗最小的能量清洁某些表面的冰，这对于大多数制冷装置来说是很有利的。
发明内容
在一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括制冷单元的一个或更多的冷却剂管筒和片。片与冷却剂管筒热接触，并且管筒或片或其二者形成电阻加热器。一个或更多的开关可向所述电阻加热器施加电功率，从而产生热量以从所述管筒和/或片上除去冰。电阻加热器可形成为多个加热器部分，并且可配置开关，从而单独向所述加热器部分施加所述电功率。
在另一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括制冷单元的一个或更多的冷却剂管筒。所述一个或更多的冷却剂管筒形成电阻加热器。一个或更多的开关可向所述电阻加热器施加电功率，从而产生热量以从所述管筒上除去冰。
在另一个实施方式中，一种方法可从制冷单元的冷却剂管筒和/或冷却片上将冰除去。该方法包括以下步骤，在常规制冷模式中在所述管筒和/或所述冷却片上聚集冰，并且向所述管筒或所述片或其二者施加电功率脉冲，从而除去所述冰。
在另一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括具有一个或更多的冰生长区域的造冰管筒。一个或更多的指形冷冻器和/或冷却剂管筒将热量从每一个冰生长区域带走。将水引入造冰管筒中，从而在所述冰生长区域使至少部分所述水凝固为冰。电源周期性地向所述管筒或与管筒热接触的加热器提供电功率脉冲，以至少使所述冰的界面层融化，从而从所述管筒上将所述冰除去。
在另一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括多个造冰管筒。指形冷冻器和/或冷却剂管筒将热量从每一个造冰管筒的冰生长区域带走。将水引入每一个造冰管筒内，从而在所述冰生长区域使至少部分所述水凝固为冰。电源周期性地向每一个管筒提供电功率脉冲，以至少使所述冰的界面层融化，从而从所述管筒上将所述冰除去。
在另一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括与气化器板热接触的一个或更多的冷却剂管筒。一个或更多的加热器设置为邻近所述气化器板、并处于所述冷却剂管筒之间。所述加热器被配置为用于将电功率转化为热量，从而使冰从所述气化器板上除去。
在另一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括与气化器板热接触的一个或更多的冷却剂管筒。加热器设置在所述冷却剂管筒和所述气化器板之间。所述加热器被配置为用于将电功率转化为热量，从而使冰从所述气化器板上除去。
在另一个实施方式中，冷冻单元被配置为储热造冰系统。冷冻单元具有压缩机和用于分散多余热量的冷凝器以及通过所述压缩机、冷凝器和冷却剂管筒流通的冷却剂。冷却剂管筒与气化器板热接触。在所述压缩机之后并在所述冷凝器之前，箱体由所述冷却剂向加热流体传递热量。所述加热流体周期性地穿过与所述气化器板热接触的加热管筒流动，从而从所述气化器板上除去冰。
在另一个实施方式中，一种方法可从制冷单元的冷却剂管筒、冷却片和/或气化器板上除冰。在造冰或制冷模式中，从冷却剂向加热流体传递热量。在所述造冰或制冷模式中，在所述冷却剂管筒、冷却片和/或气化器板上聚集冰。使所述加热流体穿过与所述冷却剂管筒、冷却片和气化器板中的至少一个热接触的加热管筒流动，从而除去所述冰。
在另一个实施方式中，脉冲电热除冰装置包括具有与热交换表面热接触的冷却剂管筒的热交换器。电源对所述热交换器进行电开关，以进行脉冲加热。
图1示意性地示出了根据一个实施方案的一个脉冲电热除冰装置； 图2A和图2B示出了图1所示脉冲电热除冰装置的部分A； 图3示出了根据一个实施方案的一个脉冲电热除冰装置； 图4示出了根据一个实施方案的一个脉冲电热除冰装置； 图5示出了根据一个实施方案的一个脉冲电热除冰装置； 图6为根据一个实施方案用于从制冷单元的冷却剂管筒和/或冷却片上除冰的方法的流程图； 图7示出了具有安装在管筒上的一排冷却片的热交换器的一个实施方案； 图8示出了一个管筒和冷却片组件的剖视图； 图9为示出了在室温下纯铝的热扩散长度关于时间的曲线图； 图10为示出了当(a)在操作期间由加热脉冲供电以及(b)由加热脉冲供电且冷却泵和风扇关闭时，铝的热交换器的温度关于时间的曲线图； 图11为一个透视图，其示出了根据一个实施方案的一个配置为用于除冰的脉冲系统的热交换器； 图12为积聚有冰并连接至电源和开关的、图11所示的热交换器的俯视图； 图13示出了根据一个实施方案的一个配置为用于除冰的脉冲系统的热交换器； 图14示出了图13所示的热交换器的剖视图； 图15示出了根据一个实施方案的配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器； 图16为贴附片状衬垫以形成冷却剂管筒的剖视图； 图17为将片状衬垫贴附在直导管上以形成冷却剂管筒的剖视图； 图18示出了根据一个实施方案的另一种配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器； 图19示出了根据一个实施方案的另一种配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器； 图20示出了根据一个实施方案的一个配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置； 图21示出了根据一个实施方案的一个配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置； 图22示出了图20所示的管状造冰器的一部分； 图23示出了图21所示的管状造冰器的一部分； 图24为根据一个实施方案的一个配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置的侧面剖视图； 图25更详细地示出了图24所示的管状造冰器的一部分的一个实施方案； 图26为图24所示的管状造冰器的俯视剖视图； 图27为根据一个实施方案的一个配置为造冰器的脉冲电热除冰装置的剖视图； 图28更详细地示出了图27所示的造冰器的一部分； 图29为根据一个实施方案的一个配置为造冰器的脉冲电热除冰装置的剖视图； 图30更详细地示出了图29所示的造冰器的一部分； 图31示意性地示出了根据一个实施方案的冷冻单元的元件，所述冷冻单元包括用于除冰的储热装置； 图32为图31所示的气化器板的剖视图； 图33示意性地示出了根据一个实施方案的冷冻单元的元件，所述冷冻单元包括用于除冰的储热装置； 图34示出了储热除冰装置； 图35为利用储热获取冰的冷冻单元的操作过程流程图。
具体实施例方式 热交换器用于在热质之间传递热量。在一种热交换器的结构中，气体在邻近热交换器表面处流通，热交换器表面由循环的冷却剂冷却，气体向冷却剂释放热量。当冷却剂的温度足够低时，在热交换器的表面上将形成冰，从而阻碍热交换器表面和气体之间的热交换。期望利用最小的附加热量除冰，因为被加热的表面必须再次冷却从而重新与气体进行热交换。
图1示意性地示出了脉冲电热除冰装置20。装置20包括加热器10和控制由电源14向加热器10供电的开关12。在其他实施方案中，电源14可成为装置20的一部分。装置20起到了从一个或更多的表面上除冰的作用，以下将对此进行详细说明。本文所提及的“除去”是指通过至少融化冰的界面层使冰从一个或更多的表面上松开，或者是指冰的完全融化和/或气化。
图2A示出了脉冲电热除冰装置20(参见图3和图4)的部分A。包含装置20的制冷单元(没有示出)使冷却剂8穿过管筒4流动。热量由制冷单元向冷却剂8传递。冷却片2与管筒4热接触，以促进热传递。冰6(1)可由水蒸气凝结在管筒4和/或冷却片2的表面上。冰6(1)阻碍了热量的传递。装置20定期地从管筒4和/或冷却片2的表面上除去冰6(1)，从而提高制冷效率。图2B示出了从管筒4和冷却片2上除去冰6(1)后的部分A。
图3示出了脉冲电热除冰装置20(1)。图3并不是按比例示出的。冷却剂8(参见图2A和图2B)穿过冷却剂管筒4(1)流动；与管筒4(1)热接触的冷却片2(1)促进了热量向冷却剂的传递。冷却剂管筒4(1)和冷却片2(1)可由例如铜、铝或它们的合金制成。标记A的地方代表了图2A和图2B所示的部分A。冰6(1)(参见图2A和图2B)可在冷却剂管筒4(1)和冷却片2(1)上形成或在两者中的一个上形成。在装置20(1)中，冷却片2(1)是图1的加热器10的一个示例。为了显示清楚，图3仅标出了少许冷却片2(1)。如图中所示，冷却片2(1)是导电的，并且在开关12(1)和12(2)以及地线16之间以蛇形的结构连接。管筒4(1)可由电绝缘体或导体形成；但是如果由导体形成，则管筒4(1)基本上与冷却片2(1)电绝缘。可通过在管筒4(1)和冷却片2(1)之间插入如金属氧化物(如阳极化涂层)、聚合物、复合材料和/或其他电介质材料，从而实现管筒4(1)和冷却片2(1)之间的电绝缘。冷却片2(1)形成加热器部分7(1)和7(2)。
当需要除冰时，分别闭合开关12(1)和/或12(2)，以向加热器部分7(1)和/或7(2)提供终端18(1)和18(2)处的有效电源。电源在冷却片2(1)上产生热量使冰6(1)被去除。在装置20(1)中管筒4(1)并不被直接加热(如电加热)，但因为管筒4(1)通过与冷却片2(1)热接触而被加热，所以将管筒4(1)上的冰去除。将冷却片2(1)构造为两个加热器部分7(1)和7(2)只是示例性的，可以理解，在其他实施方案中，可将冷却片构造为只有一个加热器部分或构造为两个以上加热器部分。
包括脉冲电热除冰装置20(1)的制冷单元可在除冰之前通过关闭连接至冷却剂源的阀但继续运行制冷压缩机而从管筒4(1)排放冷却剂8。在除冰之前从管筒4(1)排放冷却剂的优点在于在除冰的过程中产生的热量将只作用在管筒4(1)和冷却片2(1)的热质上，而不会浪费在加热冷却剂上。不对冷却剂加热加快了除冰的速度，并且降低了需要使用的总热量，从而降低了在恢复制冷时对冷却剂再次冷却所需的能量。
可以理解，利用装置20(1)的制冷或冷冻单元的其他工作过程可与除冰相协调。例如，如果制冷或冷冻单元利用多个鼓风机向装置20(1)传递热量，在除冰的过程中可关闭鼓风机。如果个别鼓风机被放置为邻近于进行除冰的部分(如，部分7(1)或7(2))，则可关闭邻近于进行除冰的部分的鼓风机，同时，邻近于其他部分的鼓风机继续工作。
图4示出了脉冲电热除冰装置20(2)。图4并不是按比例示出的。冷却剂8(参见图2A和图2B)穿过冷却剂管筒4(2)流动；与管筒4(2)热接触的冷却片2(2)促进了热量向冷却剂的传递。为了显示清楚，图4仅标出了少许冷却片2(2)。冷却剂管筒4(2)和冷却片2(2)可由例如铜、铝或它们的合金制成。标记A的地方代表了图2A和图2B所示的部分A。冰6(1)(参见图2A和图2B)可在冷却剂管筒4(2)和冷却片2(2)上形成或在两者中的一个上形成。在装置20(2)中，管筒4(2)是图1所示加热器10的一例。管筒4(2)在开关12(3)、12(4)和12(5)以及地线16之间连接。冷却片2(2)可由电绝缘体或导体形成；但是如果由导体形成，则冷却片2(2)基本上与管筒4(2)是电绝缘的。可通过在管筒4(2)和冷却片2(2)之间插入如金属氧化物(如阳极化涂层)、聚合物、复合材料和/或其他电介质材料，从而实现管筒4(2)和冷却片2(2)之间的电绝缘。管筒4(2)形成加热器部分7(3)、7(4)和7(5)。
当需要除冰时，分别闭合开关12(3)、12(4)和/或12(5)，以向加热器部分7(3)、7(4)和/或7(5)提供终端18(3)处的有效电源。电源在管筒4(2)上产生热量将冰6(1)去除。在装置20(2)中冷却片2(2)并不被直接加热(如电加热)，但因为冷却片2(2)通过与管筒4(2)热接触而被加热，所以将冷却片2(2)上的冰去除。将管筒4(2)构造为三个加热器部分7(3)、7(4)和7(5)只是示例性的，可以理解，在其他实施方案中，可将管筒构造为少于三个或多于三个加热器部分。
与上述装置20(1)类似，包括装置20(2)的制冷单元可在除冰之前排放冷却剂8，从而避免在加热冷却剂上浪费热量。一种选择是，由于部分7(3)、7(4)和7(5)被限定为管筒4(2)的部分，所以阀和管筒可被设置为允许冷却剂继续穿过未被解冻的部分流动，并且从正在被解冻的部分中隔离和/或排放。可以理解，在利用装置20(2)的制冷或冷冻单元中工作的其他部分(如与装置20(1)一同提及的鼓风机)可与除冰相协调。
另一种选择是，装置20(2)可在这样的部分中除冰，所述部分“跟随着”穿过管筒4(2)的冷却剂的移动。例如，在图4所示的实施方案中，冷却剂可依次穿过部分7(3)、7(4)和7(5)正常移动。冷却剂穿过管筒4(2)的移动速度可由包括装置20(2)的单元的制冷系统设计而决定。当冷却剂正常穿过管筒4(2)流动时，装置20(2)可向部分7(3)施加第一电功率脉冲；第一脉冲的持续时间足以从部分7(3)上将冰除去。部分7(3)中的冷却剂将吸收一些由第一脉冲产生的热量。在一个时间延迟之后，装置20(2)可接着向部分7(4)施加第二电功率脉冲，该时间延迟是由冷却剂穿过管筒4(2)的移动速度决定的，从而使在第一脉冲的过程中处于部分7(3)中的冷却剂在第二脉冲的过程中将处于部分7(4)中。在第一脉冲的过程中由冷却剂在部分7(3)中吸收的热量有助于在第二脉冲的过程中对部分7(4)进行加热，而且可减小将冰从部分7(4)上除去所需的第二脉冲的持续时间。在一个时间延迟之后，装置20(2)可接着向部分7(5)施加第三电功率脉冲，该时间延迟是由冷却剂穿过管筒4(2)的移动速度决定的，从而使在第二脉冲的过程中处于部分7(4)中的冷却剂在第三脉冲的过程中将处于部分7(5)中。在第一脉冲和第二脉冲的过程中由冷却剂在部分7(3)和7(4)中吸收的热量有助于在第三脉冲的过程中对部分7(5)进行加热，而且可减小将冰从部分7(5)上除去所需的第三脉冲的持续时间。可以理解，此处所描述的方法可对冷却剂顺序流过的任意数量的部分进行重复。
图5示出了脉冲电热除冰装置20(3)。图5并不是按比例示出的。冷却剂8(参见图2A和图2B)通过冷却剂管筒4(3)；与管筒4(3)热接触的冷却片2(3)促进了热量向冷却剂的传递。为了显示清楚，图5仅标出了少许冷却片2(3)。冷却剂管筒4(3)和冷却片2(3)可由例如铜、铝或它们的合金、或其他具有低热阻率的材料制成。标记A的地方代表了图2A和图2B所示的部分A。冰6(参见图2A和图2B)可在冷却剂管筒4(3)和冷却片2(3)上形成或在两者中的一个上形成。在装置20(3)中，管筒4(3)是图1所示的加热器10的一例。管筒4(3)在开关12(6)、12(7)和12(8)以及地线16之间连接，从而形成加热器部分7(6)、7(7)和7(8)。冷却片2(3)可由电绝缘体或导体形成；如果由导体形成，则冷却片2(3)可与管筒4(3)电连接，但是冷却片2(3)只能与公共的加热器部分连接，并因此基本定位于横跨加热器部分的等电位处。当需要除冰时，分别闭合开关12(6)、12(7)和/或12(8)，以向加热器部分7(6)、7(7)和/或7(8)提供终端18(4)处的有效电源。电源在管筒4(3)上产生热量使冰6去除。在装置20(3)中，可产生冷却片2(3)的电加热，但只是附带的，这是因为即便冷却片2(3)是导电的并与管筒4(3)连接，也只有很小的电流经过冷却片2(3)。在冷却片2(3)上的冰被除去(如以上结合图1所述，松开，或完全融化和/或气化)，这主要是因为冷却片2(3)通过与管筒4(3)热接触而被加热。将管筒4(3)构造为三个加热器部分7(6)、7(7)和7(8)只是示例性的，可以理解，在其他实施方案中，可将管筒构造为少于三个或多于三个加热器部分。
与上述包括装置20(1)和20(2)的制冷单元相同，包括装置20(3)的制冷单元可在除冰之前排放冷却剂8，从而避免在加热冷却剂上浪费热量。一种选择是，由于部分7(6)、7(7)和7(8)被限定为管筒4(2)的部分，所以阀和管筒可被设置为允许冷却剂继续穿过未被解冻的部分流动，并且从正在被解冻的部分中隔离和/或排放。在利用装置20(3)的制冷或冷冻单元中工作的其他部分(如与装置20(1)和20(2)一同提及的鼓风机)可与除冰相协调。冰的去除将按时间在各部分上顺序完成，从而使除冰“跟随着”冷却剂穿过多个部分，这一点正如上述对装置20(2)的描述。
例1建立并测试包括单根一米管筒的脉冲电热除冰装置。管筒由铜制成，其外直径为1cm，电阻为1.4毫欧。该装置包括200片铝片，各铝片的厚度为0.19mm，面积为4cm×4cm；铝片在管筒上的间隔为4mm。T＝-1OC的低温乙二醇穿过管筒流动，从而使管筒冷却并导致在管筒和铝片上形成霜。电压为1.4V、电流为1000A、4秒至5秒长的DC电功率脉冲使所有已在该装置上形成的霜被去除(在本实施方案中，即为融化)。
图6为用于从制冷单元的冷却剂管筒和/或冷却片上除冰的方法30的流程图。例如，可通过任意脉冲电热除冰装置20(1)-20(3)实现方法30。在步骤32中，制冷单元在制冷模式下工作。处于低温的冷却剂穿过冷却剂管筒流通，从而冷却管筒和/或冷却片；热量(例如由被制冷物体所产生的热量或通过壁散发出的热量或通过单元的开口漏出的热量)从制冷单元传递至管筒和/或冷却片。来自于制冷单元内气体的水蒸气将在冷却剂管筒和/或冷却片上凝结为冰。在步骤34中，停止普通的制冷模式以进行除冰。步骤34是可选的，并且可能不会出现在某些制冷单元中；例如，在某些制冷单元中，当其他部分解冻时，某些部分需要继续制冷，在这些制冷单元中，不会出现步骤34。在被解冻的第一部分上，步骤36向冷却剂管筒和/或冷却片施加电功率脉冲，以除去(如松开、融化或气化)聚集在其上的冰。步骤36的一个示例是通过闭合相应的开关12(1)-12(8)除去积聚在任何部分7(1)至7(8)上的冰。步骤38为确定是否完成除冰或是否还有其他的冷却剂管筒和/或冷却片应被解冻。如果已完成除冰，则方法30重新开始步骤32中的普通制冷模式。如果还有其他部分需要被解冻，可选的延迟步骤38使已经在解冻一个部分时吸收了热量的冷却剂移动至下一个部分，并且步骤40解冻下一个部分，然后方法30返回至步骤38，从而再次确定是否已完成除冰。
图7示出了具有一系列管筒和冷却片组件620的热交换器600的一个实施方案，如图所示，每一个组件620均具有设置在管筒606上的冷却片604。在正常操作中，要被冷却的气体按照箭头614的方向流动，同时冷却剂穿过管筒606按照箭头612的方向流动。每一个管筒606均通过开关610连接至电源608，所以当开关610闭合时，电流通过管筒606流动，以产生热量；从而对热交换器600进行除冰操作。在图7中，为了显示清楚，仅有一个管筒606被示出为具有电连接。当短电流脉冲经过管筒606时，在管筒606的壁上产生焦耳热。由于管筒606和冷却片604之间的热阻很小，所以在冷却片604上将产生很高的热扩散率。因此，在管筒606上产生的焦耳热很快传递至冷却片604，从而使在热交换器600上形成的冰和/或霜融化。
图8示出了图7中一个管筒和冷却片组件620的剖视图，并示出了在热传递计算中所使用的确定的几何定义。以下的示例示出了热扩散率。在一些材料中的热扩散长度LD由下式给出 (式15) 其中(式16) 其中，t是时间，α是材料的热扩散系数，k是材料的导热系数，ρ是材料的密度，CP是材料的热容。
图9为示出了在室温下纯铝的热扩散长度(单位米)关于时间(单位秒)的曲线图。特别地，如图9所示，在1秒的时间内，在铝中的热扩散超过了1.8cm，并且在5秒的时间内超过了3.9cm。因此，当在管筒606内部产生热量时，该扩散长度足以在大约1秒的时间内对冷却片604(对于典型尺寸的冷却片)进行加热。
本实施方案促进了目前用于制冷工业中很广阔范围的热交换器的使用。例如，冷却片604的形状可以是以下之一或更多环形、方形、类似针形等。冷却片604和管筒606可由以下之一或更多铝、铜、不锈钢、导电聚合物或其他合金制成。例如，由于不锈钢具有相对较高的电阻，所以不锈钢管筒可用于促进电阻加热。当然，也可采用其他材料和合金。
电源608可以是任意可提供足够的功率的DC或AC电源；在某些实施方案中，电源608是低压大电流电源。例如，电源608可以是以下之一或更多电池、一组超级电容、降压变压器、电子降压变压器等。在一个实施方案中，电源608产生高频电流，因为管筒606的电阻将由于传输高频电流时的趋肤效应而增大，所以该高频电流是有利的。
为了产生更加均匀的电加热，冷却片604可与管筒606电绝缘，但与管筒606保持良好的热接触。例如，在铝表面上的较薄的阳极化层、聚合物的薄层或环氧粘合剂可形成较薄的电绝缘。
如上述实施方案所述，由于在基本管筒中流体制冷剂和热交换器外表面上的气体的对流热交换，使脉冲加热减少了热量损失。最小化热量损失减小了平均功率需求，并且使除冰和解冻能够在不关闭热交换器600的情况下进行(即不关闭冷冻器、冷却器或空气调节器)。通过使用具有足够频率的加热脉冲，将形成在冷却片和管筒外表面的冰或霜的薄层融化，从而维持热交换器表面实际上无冰和无霜。因此，该脉冲加热可改进热交换器的性能和可靠性(通过减少所需的启动和关闭循环)，该脉冲加热可进一步减小用于除冰的所需功率，并且可通过在除冰过程中使温度波动最小化从而增加储存在制冷室里面的食品的保存期限。
对于图7所示的、由铝制成的、具有典型尺寸的热交换器600管筒606的内直径为1cm，管筒606的壁的厚度为0.30mm，冷却片604的直径为36mm，冷却片604的厚度为0.5mm，各冷却片604之间的间隔为4mm。此热交换器的质量约为330g/m(在管筒606每米的长度上)，并且总表面面积(多个冷却片604加上管筒的外表面)为0.47m2/m(在管筒606每米的长度上的平方米数)。假设管筒606内制冷剂的温度为-18℃，在管筒606内表面上的对流热交换率为1000W/(m2·K)，周围的气体温度为+5℃，并且在气体和热交换器600外表面之间的对流热交换系数为65W/(m2·K)。
如图10所示，如果对管筒606施加3V/m的电场，则将铝的表面加热至0℃以上只需不到1.4秒。一旦铝的表面在0℃之上，则在铝的表面上形成的任何冰或霜将开始融化。
边界条件 电参数 当热交换器关闭时脉冲加热期间的热交换器温度由下式决定 并且，当热交换器工作并没有中断时脉冲加热期间的热交换器温度由下式决定 其中，C1(V)＝W(V)+hf·Ai·Tf+hair·A0·Tair 而且，C2＝hf·Ai+hair·A0 图10为一个曲线图，其示出了在工作期间由加热脉冲供热时、以及冷却泵和鼓风机关闭而由加热脉冲供热时，符合以上所列假定的热交换器600的模拟温度与时间的关系。特别地，如图10所示，由于在未中断工作的情况下中只需不到1.4秒就可开始融化霜，所以可顺利完成解冻而不关闭冷却剂泵或鼓风机。在本实施例中，在热交换管筒(如管筒606)的1米长的部分上施加3V的电压，产生1.671kW的加热功率。在3V电压下，管筒中的电流为557.004A。
图11为一个透视图，其示出了配置为用于除冰的脉冲系统的热交换器650。热交换器650可由例如金属或导电且导热的聚合物形成。表面654(1)和654(2)由流通的冷却剂冷却。气体经过冷却表面652、656(1)和656(2)以及在表面652和表面654(2)背面、在图11中被遮挡的相应的冷却表面，按箭头662的方向流通。热量由气体传向热交换器的冷却表面，然后传向冷却剂；冰可在冷却表面上形成。薄膜冰探测器653可放置在一个或更多的冷却表面上，例如冷却表面652，用于探测冰和/或霜，并可测量冰或霜的厚度。上表面658和下表面660是绝热的，所以冰不会在其上形成。
图12示出了积聚有冰6(2)并连接至电源664和开关666的热交换器650的俯视图。在操作中，热交换器650使气体冷却，并且使冰6(2)积聚。然后闭合开关666，通过热交换器650发送电流加热脉冲；可通过控制加热脉冲的功率和持续时间在由脉冲产生的大量热量浪费在冰6(2)和热交换器650的冷却表面之前使冰体的界面融化。如果热交换器650是垂直放置的(如图11和图12所示)，在施加加热脉冲后，重力将使冰6(2)滑离热交换器650。
图13示出了配置为用于除冰的脉冲系统的热交换器670。热交换器670成形有气体通道672，热量在该通道中由气体传向冷却剂，该冷却剂由入口674进入交换器670并由出口676排出交换器670。虚线F14-F14代表图14所示的剖面的上端。
图14示出了由图13中的虚线F14-F14垂直向下延伸的平面获取的热交换器670剖视图。气体以箭头680的方向穿过热交换器670流动。冷却表面673形成气体通道672的侧面，并且如图14所示，绝热层678使每个气体通道672的上端和下端隔离。各个冷却表面673通过开关684与电源682相连(为了图示清楚，只有一个冷却表面673被示出为与电源相连)。
在操作中，热交换器670使气体冷却，并将在冷却表面673上积聚冰6(3)。然后闭合开关684，通过每一个冷却表面673发送电流加热脉冲；可控制加热脉冲的功率和持续时间，从而在由脉冲产生的大量热量浪费在冰6(3)、冷却剂和冷却表面673之前使冰体的界面融化。如果热交换器670是垂直放置的(如图13和图14所示)，在施加加热脉冲后，重力将使冰6(3)滑离冷却表面673。
可以理解，对热交换器650和670进行的修改是属于本发明的公开范围的。例如，热交换器650的冷却表面可以与图11和图12所示的形状不同；冷却剂可穿过热交换器650的管筒或通道流动。可在邻近热交换器650或670的冷却表面的电介质层上设置加热片或加热膜，从而替代将冷却表面连接至电源。可以密封加热片或加热膜与冷却表面之间的间隔，并且可交替地取消间隔，从而使加热片或加热膜与冷却表面热接触，而且在除冰的过程中可通过加压使加热片或加热膜和冷却表面之间产生气体间隙。冷却表面可形成多个部分(如热交换器20(1)、20(2)和20(3))，这些部分可与开关和电源形成电连接，从而并非所有部分均在给定的时间内接收加热脉冲。
图15示出了配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器700的示意性剖视图。在热交换器700中，冷却剂706(氟利昂或其他流体)穿过具有形成热交换表面的冷却片704的冷却剂管筒702流动，从而与周围的气体交换热量。尽管示出的冷却剂管筒702在冷却片704内具有冷却剂，但某些实施方案中的冷却剂管筒可具有由直管筒或导管(例如，可参见图17)横向延伸的热交换表面。在其他实施方案中，可假设管筒或导管为蛇形或z字形，以形成热交换表面(例如，可参见图19)。可在冷却片704上形成的冰6(4)可通过脉冲除冰而除去。当开关708闭合时，电源710通过热交换器700发送电流加热脉冲；该加热脉冲至少使形成在冷却片704和冰6(4)之间的冰体界面融化；该加热脉冲也可使所有冰6(4)融化。每个单位面积的典型的加热密度可为约5KW/m2至约100KW/m2。电流大小和脉冲持续时间可根据温度、流速和冷却剂的性质(如密度、热容和导热系数)调节。典型的脉冲持续时间可为大约0.1s～10s。电源160可以是常规的AC电源出口，或DC电源(如电池、电容器或超级电容器)。开关708可以是半导体类型(功率MOSFET、IGBT、半导体闸流管等)、机械开关、电磁开关或它们的任意组合。然后，可通过重力(例如，冰6(4)可从冷却片704上滑脱)或通过机械动作(如对热交换器700进行刮、抖动或吹气)除去加热脉冲过后仍残留的固态冰6(4)。例如，抖动可由可选的小电动马达712和机轴714提供，或由可选的电磁振荡器716提供，或由在冷却剂706内产生压力振荡而提供。
图16示出了贴附片状衬垫722以形成冷却剂管筒720的剖视图。例如，冷却剂管筒720可作为冷却剂管筒702(参见图15)。例如，片状衬垫722可为内直径1英寸、外直径3英寸的4密耳(mil)不锈钢片状衬垫，并且在它们的外边缘724和内边缘726焊接或点焊。因此，每一个衬垫722均形成热交换表面(例如，如图15所示，一对衬垫形成一个冷却片704)。
图17示出了将片状衬垫732贴附在直导管734上以形成冷却剂管筒730的剖视图。例如，冷却剂管筒730可作为冷却剂管筒702(参见图15)。例如，片状衬垫732可为内直径1英寸、外直径3英寸的4密耳的不锈钢片状衬垫，并且在它们的外边缘736和内边缘738焊接或点焊；衬垫732还可被焊接或熔焊在导管734上。因此，每一对衬垫732均形成冷却片(例如，如图15所示的冷却片704)。导管734和衬垫732的相对的壁厚是可选的，从而使得当如图15所示，产生电流脉冲时，它们具有近似的加热功率(W)的密度。
图18示出了另一种配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器740。热交换器740具有冷却剂管筒742，冷却剂管筒742具有与周围气体交换热量的冷却片744。在冷却片744上形成的冰6(5)可通过脉冲电热除冰而除去，对于热交换器740的脉冲电热除冰是以与热交换器720相似的方式操作的。当开关748闭合时，电源746通过热交换器740传送电流加热脉冲；加热脉冲至少使形成在冷却片744和冰6(5)之间的冰体界面融化；该加热脉冲也可使所有冰6(5)融化或气化。
图19示出了另一种配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器760。热交换器760具有与周围气体交换热量的冷却剂管筒762；冷却剂管筒762是蛇形的，并且冷却剂穿过冷却剂管筒762的弯曲部764流动，从而使热交换面积最大。将在冷却剂管筒762上形成的冰(没有示出)可通过脉冲电热除冰而被除去。当开关768闭合时，电源766通过热交换器760传送电流加热脉冲；加热脉冲至少使形成在冷却片764和冰之间的冰体界面融化；该加热脉冲也可使所有冰融化。
可以理解，对热交换器730、740和760进行的修改是属于本发明的公开范围的。例如，热交换器730、740和760的热交换表面可成形为与图17、图18和图19所示不同的形状。可在邻近这些表面的电介质层上设置加热片或加热膜，而不是将管筒和/或冷却片与电源相连接。可以密封加热片或加热膜与热交换表面之间的间隔，并且可交替地取消间隔，从而使加热片或加热膜与冷却表面热接触，而且在除冰的过程中通过加压使加热片或加热膜和冷却表面之间产生气体间隙。热交换表面可形成多个如上所述的部分，所述部分可与开关和电源形成电连接以使得并非所有部分均在给定的时间内接收加热脉冲。
有利地，薄壁金属管筒和衬垫的脉冲加热可采用低压(1V至24V)大电流(几百或几千安培)。当优选地直接使用更高的电压(如120V交流电压或240V交流电压)时，更高的电阻是有利的。可通过将加热器传导膜与冷却管筒分离得到更高的电阻。例如，具有冷却片的热交换器可由阳极化铝制成，该阳极化铝在(绝缘的)阳极化层上具有很薄的高阻抗加热膜。该加热膜可通过CVD、PVD、电解涂覆或喷涂而设置。
图20示出了配置为管状造冰器100(1)的脉冲电热除冰装置。图20并不是按比例示出的。管状造冰器100(1)标记为B的一部分在图22中更详细地示出。以下将进一步描述造冰器100(1)产生利用脉冲电热除冰而获得的冰环6(6)。造冰管筒110(1)在冷冻室(没有示出)中垂直定位。在一个实施方案中，管筒110(1)约为3至5英寸长，其外直径约为1英寸，壁厚约为10密耳。管筒110(1)可由例如不锈钢、钛合金或复合材料(如遍布碳粒子和/或纤维的聚合物，以使材料导电)成形。喷头120向管筒110(1)上喷射水130。一组热传导片140通过指形冷冻器150向冷冻室传递热量，从而使管筒110(1)上冰的形成区域(没有在图20中标出，参见图22)达到水的凝固点以下的温度。图20只示出了两个热传导片140；可根据有效热传递的需要在管筒110(1)周围设置更少或更多的传导片140。指形冷冻器150和热传导片140可由例如铜、铝或它们的合金制成。
图22更详细地示出了管状造冰器100(1)的部分B。指形冷冻器150基本环绕着管筒110(1)，并且限定了在管筒110(1)内部的周围连续的、相应的冰生长位置112(1)。多个冰生长区域112(1)被多个冰分隔区域115(1)分隔开；冰不在区域115(1)内生长。冰分隔区域115(1)可被限定为不与指形冷冻器150邻近的区域，或者可设置温度控制单元118以提高管筒110(1)在区域115(1)的温度。例如，温度控制单元118可以是阻止热量由区域118向热传导片140流动的绝缘体。另一种选择是温度控制单元可以是提高冰分隔区域115(1)的温度的加热器。
再参照图20，当水130穿过管筒110(1)流动时，冰6(6)在邻近指形冷冻器150处形成。没有结冰的剩余的水155经过分隔屏障160进入储水池170，加入供应水190中。凝结为冰6(6)并且因此而不返回供应水190的水130由通过供水阀230控制的供水系统220补充。在储水池170中的泵200通过管筒205向喷头120抽取水190，从而开始上述过程。可以利用可选的加热器210保持水190不结冰。
通过闭合开关12(9)，从而由电源14(1)向管筒110(1)提供电力，得到冰环6(6)。图20示出了汇流条(busbar)125，汇流条125将管筒110(1)的上端通过开关12(9)连接至电源14(1)的一端，并将管筒110(1)的下端连接至地线16；然而，可以理解，与电源和地线的连接是可以调换的。在一个实施方案中，管筒110(1)由厚度约为10密耳的不锈钢成形，开关12(9)闭合大约1秒，以提供约1V至6V、约300安培的交流电功率脉冲。施加到管筒110(1)的电功率使管筒110(1)的温度升高至水的凝固点之上，从而至少使冰环6(6)的界面层融化，冰环6(6)与管筒110(1)分离(在此例中，即松开)，并且重力使冰环6(6)从管筒110(1)上向下脱落。
可以理解，为了与电源14(1)和开关12(9)的电压和电流容量兼容，管筒110(1)的电阻是可以选择的。例如，小电阻的管筒110(1)可使用大电流低压电源14(1)和开关12(9)，但具有更大电阻的造冰管筒110(1)可使用为更高的电压和更小的电流配置的电源14(1)和开关12(9)。在一个实施方案中，使管筒110的电阻最优化，从而市场上可获得的线电压(如110-120V交流电或220-240V交流电)可作为电源14(1)。
因此，管筒110(1)是图1所示加热器10的一个实施例。分隔屏障160使冰环6(6)进入收集箱180，成为冰环6(7)。
此处所描述的冰6(6)将排斥已溶解的气体和污染物，使它们进入从管筒110(1)滴下的剩余的水155中。因此，冰环6(6)(和得到的冰环6(7))可具有较高的纯度和透明度。溶解的气体和污染物将在水190中堆积；因此，造冰器100(1)可包括由排水阀250控制的排水管240，从而定期地将至少一部分水190排出。被排出的水由来自供水系统220的水替代。在一个可选的实施方案中(没有示出)，省略掉储水池170和泵200；供水系统220直接向喷头120供水，并且将剩余的水155完全排走。
图21示出了配置为管状造冰器100(2)的脉冲电热除冰装置。图21并不是按比例示出的。管状造冰器100(2)标记为C的一部分在图23中更详细地示出。造冰器100(2)包括某些与管状造冰器100(1)中的对应元件相同的元件，因此，用相同的标号表示。管状造冰器100(2)利用冷却剂管筒260(1)冷却冰的生长区域(参见图23)。冷却剂管筒260(1)可由例如铜、铝或它们的合金制成。介电层270使管筒110(2)和冷却剂管筒260(1)电绝缘，但具有最小的由管筒110(2)向管筒260(1)传递热量的效应。介电层270可由例如聚酰亚胺或填充有导热纤维或粉末、氧化铝纤维或粉末、玻璃纤维或氮化硼粉末的聚合物成形。当水130穿过管筒110(2)流动时，冰6(8)在邻近管筒260(1)处生长；通过闭合开关12(9)，从而由电源14(1)向管筒110(2)提供电功率而得到冰环6(8)；并且以与造冰系统100(1)中冰的生长和获得相类似的方式，分隔屏障160使冰环6(8)进入收集箱180中，成为冰环6(9)。
图23更详细地示出了管状造冰器100(2)的部分C。冷却剂290在每一个冷却剂管筒260(1)中流动，而且各冷却剂管筒260(1)具有限定了相应的冰生长位置112(2)的指形冷冻器280。多个冰生长区域112(2)被多个冰分隔区域115(2)分隔开；冰不在区域115(2)内形成。在图23中，冰分隔区域115(2)被限定为不与指形冷冻器280邻近的区域；然而，可以理解，可设置温度控制元件118，从而以图22所示的相同方式提高管筒110(2)在区域115(2)的温度。
图24是配置为管状造冰器100(3)的脉冲电热除冰装置的侧面剖视图。图24并不是按比例示出的。管状造冰器100(3)标记为D的一部分在图25中更详细地示出。图26示出了沿图24中虚线F26-F26获取的造冰器100(3)的俯视剖视图。造冰器100(3)包括某些与管状造冰器100(1)和100(2)中的对应元件相同的元件，因此，用相同的标号表示。造冰器100(3)在每一个安装有热传递板280的造冰管筒110(3)中产生冰环6(10)(为了图示清楚，图24中只标出了部分热传递板280和冰6(10))。管筒110(3)可由例如不锈钢或钛合金成形。热传递板280可由例如铜、铝或它们的合金制成。冷却剂管筒260(2)使从热传递板280和管筒110(3)带走热量的冷却剂流通。管筒205提供向每一个管筒110(3)的内表面上喷射水130的喷头120。当冰环6(10)已制好待取时，开关12(10)从电源14(2)向每一个汇流条125施加电功率脉冲，然后电功率脉冲依次通过每一个管筒110(3)到达地线16。在每一个管筒110(3)中由电功率产生的热量至少使每一个冰环6(10)的界面层融化，使冰环与管筒110(3)分离，从而由其上落下。可以理解，用于从得到的冰上分离未凝结的水、用储水池得到未凝结的水、对储水池进行排水和充水、将水抽至喷头120以及判断冰何时制好待取的装置可与图20和图21所示的装置相同。
图25更详细地示出了管状造冰器100(3)的部分D的一个实施方案。冰6(10)直接在邻近造冰管筒110(3)处形成。在管筒110(3)和热传递板280之间设置介电层295，以使管筒110(3)和板280电绝缘。介电层295可以是例如由DuPont公司生产的附着在铜层290之间的聚酰亚胺膜。可选择地，介电层295可包括填充有导热纤维或粉末、氧化铝纤维或粉末、玻璃纤维或氮化硼粉末的聚合物。铜层290可通过焊料285附着在管筒110(3)和热传递板280上。例如，可通过以下步骤制作管筒110(3)，即，首先在其上覆盖焊料箔，然后在其上覆盖附着在铜层290之间的聚酰亚胺膜295，然后再覆盖焊料箔。以此方式制作的复式管筒110(3)可被插入热传递板280的孔中，继而可将整个组件置入加热炉中，从而使焊料285回流至管筒110(3)、铜层290和热传递板280。
在另一个实施方案中，可将热传递板280分割为多个部分，所述部分通过导热的粘性电介质组装至管筒110(3)，从而替代焊接至介电膜上的方式。
图26为沿图24所示的线F26-F26获取的管状造冰器100(3)的俯视剖视图。图26并不是按比例示出的。每一个造冰管筒110(3)和冷却剂管筒260(2)穿过一个或更多的热传递板280。虽然图26示出了19个造冰管筒110(3)和54个冷却剂管筒260(2)的六边形排列方式，但是为了达到预期的造冰产量或为了适应预期的位置，可采用其他数量或排列方式的造冰管筒110(3)、冷却剂管筒260(2)和热传递板280。因此，造冰器100(3)构成了造冰管筒110(3)的队列，其中冰6(10)在造冰管筒110(3)和热传递板208的每一个交叉部位形成，如图24所示(图24示出了沿图26所示的线F24-F24获取的造冰器100(3)的剖视图)。
在全面地阅读和理解本发明内容的基础上，此处所公开的管状造冰器100的多个可选的实施方案(如管状造冰器100(1)、100(2)和100(3))是显而易见的，并且属于本发明范围内。例如，管筒110(如管筒110(1)、110(2)或110(3))的剖面可为圆形或其他形状，并且可制造出相应形状的冰，如正方形、矩形、椭圆形、三角形或星形。喷头120可被用于喷射水130的一个或多个喷嘴替代，或者被用于注入或以其他方式向管筒110的内表面引入水130的一个或多个元件替代。如图20和图21所示，汇流条125可被置于管筒110的圆周之外，或者如图24所示，被置于管筒110的圆周之内。多个指形冷冻器150可能足以从冰的生长区域112(1)带走热量，从而无需热传导片140。可设置探测冰的形成和确定何时获取冰6(6)、6(8)或6(10)的装置；例如通过电容方法检测冰、通过光学方法检测冰、通过确定冰的重量、通过确定造冰的持续时间或通过确定水流被冰阻碍。可设置具有以下功能的装置，该装置探测在收集箱(例如箱180)内已得到的冰的高度，并且当收集箱内已具有足够的冰时，停止造冰。分隔屏障160可由可移动元件替代，当获取冰环时，该可移动元件收集冰环，但是在其他时间，其从管筒110下移开。可对分隔屏障160进行加热以免造成冰的堆积，堆积的冰将阻碍水的收集。可通过控制器(如微处理器，例如使具有造冰器100的冷冻器运转的微处理器)使泵200、加热器210、供水阀230、排水阀250、温度控制元件118和/或开关12(9)运转。可利用温度传感器提供数据，从而使微处理器能够优化造冰器100和/或冷冻器或其他具有造冰器100的设备中元件的运转。造冰器100(3)的管筒110(3)可单个地或分组地电连接，从而一次可从一个管筒110(3)或一组管筒110(3)得到冰6(10)。每次只从少于所有的管筒110(3)中得到冰6(10)，这将减小当前的处理量，并因此减小与产生和闭合用于得到冰的电流需求相关联的元件的尺寸、重量和/或成本。
还有其他配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置的实施方案利用与一个或更多造冰管筒110热接触的加热器。有利地，这些实施方案可利用用于造冰管筒110的多种材料。例如，在一个实施方案中，管状造冰器包括造冰管筒110，该造冰管筒由不锈钢或其他金属、玻璃、塑料、聚合物、特氟纶(Teflon)、陶瓷或碳化纤维材料、或他们的组合物或化合物形成。可通过围绕管筒覆盖的柔性加热器元件对造冰管筒110进行加热，从而除去在其内形成的冰。适合的加热器元件可包括金属绝缘体(metal-to-dielectric)层压片，例如附着有聚酰亚胺(Kapton)的铬镍铁合金(Inconel)层压片。利用围绕造冰管筒110覆盖的加热器元件可提供多种设计选择，如优化管筒的材料特性(如耐腐蚀性、抗菌性)、独立的加热器特性(如更高的电阻，从而无需使用大电流和昂贵的电源)。当使用传导性管筒110时，在设计上将遇到困难，难以在电源14和开关12的设计上保证管筒的传导率，或者难以保证管筒与加热器元件之间的电绝缘。有利地，加热器和造冰管筒110之间的热阻，冷却剂管筒260或导热片140、加热器以及造冰管筒110之间的热阻较小，从而使造冰效率较高，并使得到冰所需的功率较低。
图27是配置为造冰器300(1)的脉冲电热除冰装置的剖视图。图27并不是按比例示出的。造冰器300(1)的部分E在图28中更详细地示出。造冰器300(1)包括由穿过冷却剂管筒320流动的冷却剂(没有示出)冷却的气化器板310(1)和气化器片330。如图27所示，气化器片330将多个造冰室335分隔开。将水引至邻近板310(1)和/或片330处，并且结为冰6(11)(为了图示清楚，图27中只标出了部分管筒320、片330、造冰室335和冰6(11))。气化器板310(1)、冷却剂管筒320和/或气化器片330可由例如铜、铝或它们的合金制成。造冰器300(1)还包括一个或更多的利用脉冲电热除冰方法得到冰6(11)的加热器340(1)，这将在以下作进一步描述。因此，加热器340(1)是图1所示加热器10的实施方案。
图28更详细地示出了造冰器300(1)的部分E。图28并没有按比例示出各层的相对厚度。加热器340(1)包括电阻加热层344(1)和介电层342(1)。加热层344(1)可由例如阻抗适中的金属层(例如不锈钢或钛合金)或更薄的良导体(例如铜)层形成。有利地，介电层342(1)由电绝缘材料成形，但该材料具有较高的热导率，因此作为板310(1)的电绝缘加热层344(1)，同时促进了对板310(1)的热传递。在一个实施方案中，加热器340(1)为印刷电路板，其中介电层342(1)为例如环氧玻璃、聚酰亚胺、聚酰亚胺玻璃或特氟纶介电层，加热层344(1)为导电体(例如铜)。
在运转过程中，造冰器300(1)持续造冰，直至达到所需的量，然后将电功率施加到加热层344(1)。由加热层344(1)产生的热量很快对板310(1)和片330进行加热，从而使冰6(11)分离。一旦得到了冰6(11)，将从加热层344(1)断开电功率，从而继续开始造冰。
图29是配置为造冰器300(2)的脉冲电热除冰装置的剖视图。图29并不是按比例示出的。造冰器300(2)的部分F在图30中更详细地示出。造冰器300(2)包括某些与造冰器300(1)中的对应元件相同的元件，因此，用相同的标号表示(为了图示清楚，图29中只标出了部分管筒320、片330、造冰室335和冰6(12))。造冰器300(2)具有基本覆盖气化器板310(2)的表面315(参见图30)的单个加热器340(2)；加热器340(2)被设置在板310(2)和冷却剂管筒320之间。加热器340(2)的设置通过对表面315的每一个点提供热量而促进了冰的获得效率。气化器板310(2)、冷却剂管筒320和/或片330可由例如铜、铝或它们的合金制成。
图30更详细地示出了造冰器300(2)的部分F。图30并不是按比例示出的。加热器340(2)包括电阻加热层344(2)和介电层342(2)。有利地，介电层342(2)由电绝缘材料形成，但该材料具有较高的热导率，因此使加热层344(2)与板310(2)电绝缘，同时促进了对板310(2)的热传递。例如，介电层342(2)可包括聚酰亚胺、填充有导热纤维或粉末的聚合物、氧化铝纤维或粉末、玻璃纤维或氮化硼粉末。图30还示出了设置在加热层344(2)和管筒320之间的可选的介电层342(3)。为了控制加热层344(2)的电阻，介电层342(3)可用于使加热层344(2)和管筒320电绝缘。可选择地，也可省去介电层342(3)，从而使管筒320和加热层344(2)电连接。
在运转过程中，造冰器300(2)持续造冰6(12)，直至达到所需的量，然后将电功率施加到加热层344(2)。由加热层344(2)产生的热量很快对板310(2)和片330进行加热，从而使冰6(12)分离。一旦得到了冰6(12)，将从加热层344(2)断开电功率，从而继续开始造冰。
图31示意性地示出了包括用于除冰的储热装置的冷冻单元400(1)的元件。图31并不是按比例示出的。冷冻单元400(1)具有用于压缩冷却剂的压缩机410。冷却剂在从压缩机410中流出时具有较高的温度，然后经过箱体440中的管筒412，在箱体440中，冷却剂向加热流体445传递热量(图31中的阴影部分示出了冷冻单元400(1)中仅传递加热流体445的多个元件)。加热流体445优选为具有低于-20C的凝固点，并且具有高于60C的沸点的流体，如酒精、水/乙二醇的混合物或盐水。冷却剂离开箱体440，从管筒415中流出，并且在冷凝器420中传递更多的热量。管筒415延伸至膨胀阀420，在膨胀阀420中，冷却剂快速膨胀并冷却至冰点以下的温度。在通过膨胀阀420之后，冷却剂进入管筒430并进入图31中虚线405所示的冷冻箱。冷却剂管筒430与作为造冰器一部分的气化器板435热接触并从其上吸收热量。虚线F32-F32表示图32的剖视图所示的气化器板435中的平面。在通过冷却剂管筒430之后，冷却剂流回压缩机410，从而重复压缩冷却剂、冷却冷却剂、冷却气化器板的循环。
当冷冻单元400(1)造冰时，加热流体445从箱体440中的冷却剂聚集并保持多余的热量。排出阀450和泵455控制了加热流体445由箱体440向加热管筒460(1)的传送。与管筒430相同，加热管筒460(1)也与气化器板435热接触。当需要获取冰时，冷冻单元400(1)打开排出阀450，并启动泵455，从而抽取加热流体445并使其流经加热管筒460(1)，并因此产生从气化器板435上除冰并得到冰的热脉冲。
图32是沿图31中的虚线F32-F32获取的剖视图。如图32所示，气化器板435与交替排列的冷却剂管筒430和加热管筒460(1)相连。为了与图31保持一致，图32中的阴影部分为冷却流体445经过的加热管筒460(1)的通道。在气化器板435相反的一侧是在造冰的过程中从冰6(13)带走热量的气化器片330。
图31示出了在冷冻箱405内设置为歧管432的冷却剂管筒430，从而使冷却剂管筒430和加热管筒460(1)能够交替横跨在气化器板435上。在一个可选的实施方案中，冷却剂管筒和加热流体管筒像一个蛇形对横跨在气化器板435上，但是此实施方案可具有内部弯曲，其中冷却剂管筒或加热流体管筒或者二者均成形为“背对背(back toback)”排列。此排列方式可分别形成造冰或得到冰的“热”或“冷”的区域，并需要更多的时间和/或能量。可以理解，加热管筒460(1)也可形成歧管，或者单个的管筒430和460(1)可横跨在气化器板的每一端，从而避免形成“背对背”排列。
以下将模拟图31和图32所示的冷冻单元400(1)的行为。假设气化器板的尺寸为457mm×432mm。假设加热管筒460(1)为铜管筒，其内直径为16mm，长度为7.7米。假设加热流体445由等比的水和乙二醇混合而成。假设箱体440中的加热流体445达到了60C的温度。此模拟表明，通过在泵455上消耗10瓦的功率，抽取0.9升水/乙二醇混合物，并且水/乙二醇混合物达到0.223巴的压力，将在2秒内得到冰。相对于在60至300秒的时间内消耗1至2千瓦功率的商品化的造冰器而言，这可以节省为了得到冰所需的能量。在得到冰的过程中消耗能量的减少将使造冰速度更快，并使能量成本更低。
图33示意性地示出了包括用于除冰的储热装置的冷冻单元400(2)的元件。图33并不是按比例示出的。造冰器400(2)包括某些与造冰器400(1)中的对应元件相同的元件，因此，用相同的标号表示。在造冰器400(2)中，箱体440可相对于气化器板435位于更高的水平面，从而当排出阀450打开时，重力将使加热流体445流入加热管筒460(1)以使冰从气化器板435上松脱。有利地，加热管筒460(1)可具有较大的直径，以促进加热流体445在加热管筒460(1)中的快速流动；快速流动使板435快速升温，从而使冰从板435上快速松脱。造冰器400(2)包括加热流体储液器465，加热流体储液器465相对于气化器板435位于更低的水平面，从而使加热流体445在经过加热管筒460(1)后排至储液器465中。泵470抽取加热流体445，使其经过管筒475和可选的入口阀452返回箱体440，进行再利用。由于在另一个获取冰的过程发生之前，不需要完全将加热流体445传送至箱体440，所以泵470不需要具有很高的容量。
在全面地阅读和理解本发明内容的基础上，此处所公开的冷冻单元400的多个可选的实施方案(如冷冻单元400(1)或400(2)中的任一个)是显而易见的，并且属于本发明范围内。例如，在某些实施方案中，冷冻单元400可在获取冰的过程中将压缩机410关闭。然而，由于用于得到冰的热量通常只应用数秒，所以在某些实施方案中，在获取冰的过程中也使压缩机410保持运行状态，从而减小在开始/停止的循环过程中由压缩机410所产生的磨损，并促进气化器板435的热还原，以使造冰过程可在得到冰后迅速重新开始。为了节省能量，可设置阀或泵，从而除了获取冰的过程之外将加热流体445从加热管筒460(1)中排出，否则将在造冰过程中在加热管筒460(1)内冷却加热流体445时消耗能量，并在获取冰的过程中冷却返回箱体440的相同量的流体445时消耗能量。在一个实施方案中，利用图31所示的各元件，并将箱体440设置为低于气化器板435，可使得除泵455运转的时间之外，重力使加热流体445排回箱体440。在另一个实施方案中，利用图33所示的各元件，当被加压时，箱体440以及阀450和452适于容纳加热流体445和其蒸汽。当管筒412内的冷却剂对箱体440中的加热流体445和其蒸汽进行加热时，将产生压力，从而当排出阀450打开时，蒸汽压力促使加热流体445快速通过管筒460，以进行除冰和得到冰。当足够的加热流体445被压入管筒460后，关闭排出阀450，打开入口阀452，然后泵470将开始使加热流体从储液器465返回至箱体440。
图34示出了储热除冰装置500。如以下所述，装置500包括冷却剂管筒4(4)，冷却剂8(参见图2A和图2B)穿过冷却剂管筒4(4)流动，装置500还包括冷却片2(4)和加热管筒460(2)，加热流体445(参见图31和图33)穿过加热管筒460(2)流动以进行除冰。为了图示清楚，图34中只标出了部分冷却片2(4)。冷却剂管筒4(4)、冷却片2(4)和/或加热管筒460(2)可由例如铜、铝、或它们的合金、或者其他具有低热阻的材料制成。标记A的位置为图2A和图2B所示的代表性的部分A。
与脉冲电热除冰装置20(1)(参见图3)相同，装置500在正常运行的过程中向冷却剂传递热量，因此，冰6可在管筒4(4)、冷却片2(4)和/或加热管筒460(2)(参见图2A和图2B)上形成。当需要除冰时，加热流体445(参见图31和图33)流过加热管筒460(2)和加热装置500，从而除冰。可以理解，图34所示的三个管筒4(4)和两个加热管筒460(2)只是示意性的，在除冰装置中，可包括任意数量的管筒4(4)和460(2)。本领域技术人员将会注意到图34所示的储热除冰装置500与图31、图33所示的冷冻单元400(1)、400(2)的气化器板435和管筒430、460之间的相似之处。
图35为操作利用了储热获取冰的冷冻单元的过程550的流程图。过程550可由例如冷冻单元400(1)或400(2)完成。在步骤560中，冷冻单元以造冰模式工作。压缩机压缩冷却剂，冷却剂向加热流体和冷凝器传递热量，并经过膨胀阀、通过造冰器的冷却剂管筒流通，从而使水凝固，形成冰。步骤560的一个实施例为压缩机410压缩冷却剂，使其(1)经过管筒412，向箱体440中的加热流体445传递热量，(2)向冷凝器420传递热量，(3)经过膨胀阀420，以及(4)在管筒430中流通，从而使水凝固，形成冰。在步骤565中，该冷冻单元决定何时开始获取冰。当达到获取冰的时间，执行过程550中的步骤570，否则在步骤560中继续造冰。在步骤570中，在获取冰的过程中，压缩机停止工作。步骤570的一个实施例是压缩机410停止。步骤570是可选的，并且在某些制冷单元中不出现此步骤；例如，在由于重复启动和停止而将导致压缩机额外的损耗和磨损的单元中，将不出现步骤570。步骤575使加热流体穿过加热管筒流动，以达到除冰的目的(例如，使冰松开、融化和/或气化)。步骤575的实施例是操作排出阀450或操作泵455，以使加热流体445穿过管筒460流动。加热流体至少使冰的界面层融化，以达到除冰的目的。步骤580使加热流体从加热管筒中排出或排干。步骤580的实施例是(1)停止泵455，以使加热流体445通过重力作用流回箱体440(参见图31)，(2)关闭排出阀450，以使加热流体455通过重力作用排至箱体465(参见图33)。一旦完成除冰过程，则过程550重新开始步骤560中的常规造冰模式。
在不脱离本发明范围的情况下，可对本文所描述的脉冲电热和储热除冰装置进行上述改变和其他改变。因此，应当指出，以上描述的或附图中所示的内容只是示例性的，并且不能作为对本发明的限制。本发明的权利要求将涵盖本文所描述的所有一般的和特定的特征，以及对本发明方法和系统所作的所有声明，这些特征和声明可能由于语言的问题而被误认为落在本发明权利要求的范围之外。
权利要求
1.脉冲电热除冰装置，包括
制冷单元的一个或更多的冷却剂管筒；
冷却片，与所述冷却剂管筒热接触，所述冷却剂管筒或所述冷却片或其二者形成电阻加热器；以及
一个或更多的开关，用于向所述电阻加热器施加电功率，从而产生热量以从所述冷却剂管筒和所述冷却片中的至少一个上除去冰。
2.如权利要求1所述的装置，其中
所述电阻加热器包括多个加热器部分，
所述一个或更多的开关包括多个开关，并且
所述开关被配置为单独地向所述加热器部分施加所述电功率。
3.如权利要求2所述的装置，其被配置为将所述电功率施加到至少一个所述加热器部分上，同时冷却剂穿过另一个加热器部分的冷却剂管筒继续流动。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述冷却剂管筒和所述冷却片彼此电绝缘。
5.如权利要求4所述的装置，包括由聚合物涂层、导热粘合剂、金属氧化物和复合材料膜中的至少一种形成的绝缘体，所述绝缘体使所述冷却剂管筒和所述冷却片彼此绝缘。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述冷却片形成为传导性的蛇形结构。
7.如权利要求1所述的装置，包括用于提供所述电功率的电源。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述电源提供范围在0.1V至1000V的电压。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述电源提供范围在6V至70V的电压。
10.如权利要求7所述的装置，其中所述电源提供频率范围在15Hz至15MHz的交流电压。
11.脉冲电热除冰装置，包括
制冷单元的一个或更多的冷却剂管筒，所述一个或更多的冷却剂管筒形成电阻加热器；以及
一个或更多的开关，用于向所述电阻加热器施加电功率，从而产生热量以从所述冷却剂管筒上除去冰。
12.一种用于从制冷单元的冷却剂管筒和/或冷却片上除冰的方法，包括
在常规制冷模式中在所述冷却剂管筒或所述冷却片或其二者上聚集冰，并且
向所述冷却剂管筒或所述冷却片或其二者施加电功率脉冲，从而除去所述冰。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括在所述实施步骤前，停止所述常规制冷模式。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括在所述实施步骤前，从所述一个或更多的冷却剂管筒中排出冷却剂。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述一个或更多的冷却剂管筒和冷却片中的至少一个被组装为多个部分，对每一个所述部分重复所述实施步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述多个部分与冷却剂管筒的、冷却剂由其中顺序流动的多个部分相对应，所述实施步骤包括向所述与所述冷却剂流经所述冷却剂管筒的次序相对应的多个部分施加电功率脉冲。
17.脉冲电热除冰装置，包括
造冰管筒，其包括一个或更多的冰生长区域；
一个或更多的指形冷冻器和冷却剂管筒，用于从每个冰生长区域带走热量；
用于向所述造冰管筒内引入水的装置，从而在所述冰生长区域使至少部分所述水凝固为冰；以及
电源，用于周期性地向所述造冰管筒提供电功率脉冲，以至少使所述冰的界面层融化，从而从所述造冰管筒上将所述冰除去。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述造冰管筒包括一个或更多的金属、玻璃、塑料、聚合物、特氟纶、陶瓷和碳化纤维。
19.如权利要求17所述的装置，包括一个或更多的热传导片，从而促进所述一个或更多的冰生长区域的热量传递。
20.如权利要求17所述的装置，包括由供水阀控制的供水系统和由排水阀控制的排水设备。
21.如权利要求20所述的装置，包括
储水池，用于保存来自所述供水系统的水；以及
泵，用于通过所述装置抽取所述水，从而将所述水引入。
22.如权利要求21所述的装置，包括用于将所述造冰管筒排出的剩余的水与所述冰分离的屏障。
23.如权利要求21所述的装置，包括加热器，从而防止水在所述储水池中冻结。
24.如权利要求17所述的装置，包括用于通过电容检测所述冰、光学检测所述冰、确定所述冰的重量、确定已经过的造冰时间或确定水流被冰阻碍，来确定何时获取所述冰的装置。
25.脉冲电热除冰装置，包括
造冰管筒，其包括一个或更多的冰生长区域；
一个或更多的指形冷冻器和冷却剂管筒，用于将热量从每一个所述冰生长区域带走；
用于向所述造冰管筒内引入水的装置，从而在所述冰生长区域使至少部分所述水凝固为冰；以及
电源，用于周期性地向与所述造冰管筒热接触的加热器提供电功率脉冲，以至少使所述冰的界面层融化，从而从所述造冰管筒上将所述冰除去。
26.脉冲电热除冰装置，包括
多个造冰管筒；
一个或更多的指形冷冻器和冷却剂管筒，用于将热量从每一个所述造冰管筒的冰生长区域带走；
用于向各个所述造冰管筒内引入水的装置，从而在所述冰生长区域使至少部分所述水凝固为冰；以及
电源，用于周期性地向每一个所述造冰管筒提供电功率脉冲，以至少使所述冰的界面层融化，从而从每一个所述造冰管筒上将所述冰除去。
27.如权利要求26所述的装置，其中所述造冰管筒形成为多个组，并且所述电源周期性地每次向一组提供电功率脉冲。
28.如权利要求27所述的装置，包括用于通过电容检测每组的所述冰、光学检测每组的所述冰、确定每组的所述冰的重量、确定每组的已经过的造冰时间或确定水流被每组的冰阻碍，来确定何时在每组中获取所述冰的装置。
29.脉冲电热除冰装置，包括
一个或更多的冷却剂管筒，与气化器板热接触；以及
一个或更多的加热器，邻近所述气化器板、并在所述冷却剂管筒之间设置，所述一个或更多的加热器被配置为用于将电功率转化为热量，从而使冰从所述气化器板上除去。
30.如权利要求29所述的装置，其中所述一个或更多的加热器中的每一个包括金属层。
31.如权利要求30所述的装置，其中所述一个或更多的加热器中的每一个在所述金属层和所述气化器板之间进一步包括介电层。
32.脉冲电热除冰装置，包括
一个或更多的冷却剂管筒，与气化器板热接触；以及
加热器，设置在所述冷却剂管筒和所述气化器板之间，所述加热器被配置为用于将电功率转化为热量，从而使冰从所述气化器板上除去。
33.如权利要求32所述的装置，其中所述一个或更多的加热器中的每一个包括金属层。
34.如权利要求33所述的装置，其中所述一个或更多的加热器中的每一个在所述金属层和所述气化器板之间进一步包括介电层。
35.如权利要求33所述的装置，在所述金属层和所述一个或更多的冷却剂管筒中的每一个之间进一步包括介电层。
36.配置为储热造冰系统的冷冻单元，包括
冷冻单元，具有压缩机和用于分散多余热量的冷凝器；
冷却剂，通过所述压缩机、所述冷凝器和冷却剂管筒流通，所述冷却剂管筒与气化器板热接触；
箱体，在所述压缩机之后并在所述冷凝器之前，由所述冷却剂向加热流体传递热量；
其中所述加热流体周期性地穿过与所述气化器板热接触的加热管筒流动，从而从所述气化器板上除去冰。
37.如权利要求36所述的冷冻单元，其中所述冷却剂管筒和所述加热管筒以交替的顺序与所述气化器板连接。
38.如权利要求36所述的冷冻单元，包括用于抽取所述加热流体的泵。
39.如权利要求38所述的冷冻单元，其中所述气化器板设置在高于所述箱体的水平面上，并且当所述泵不工作时，将所述加热流体排至所述箱体。
40.如权利要求36所述的冷冻单元，包括用于从加热流体储液器向所述箱体抽取所述加热流体的泵。
41.如权利要求40所述的冷冻单元，其中
所述箱体设置在高于所述气化器板的水平面上，当在所述箱体和所述加热管筒之间的阀打开时，所述加热流体穿过所述加热管筒流动；并且
所述气化器板设置在高于所述储液器的水平面上，在所述冰被除去后，将所述加热流体排至所述储液器。
42.如权利要求40所述的冷冻单元，其中
所述箱体被所述泵与所述箱体之间的入口阀以及所述箱体与所述加热管筒之间的排出阀隔离；
当关闭所述入口阀和所述排出阀时，所述热量使所述箱体内的压力增大；
当打开所述排出阀时，所述压力促使所述加热流体进入所述加热管筒内，从而除去所述冰；并且
在所述冰被除去后，关闭所述排出阀，打开所述入口阀，并且所述泵使所述加热流体返回至所述箱体内。
43.用于从制冷单元的冷却剂管筒、冷却片和气化器板中的至少一个上除冰的方法，包括
在造冰或制冷模式中，从冷却剂向加热流体传递热量；
在所述造冰或制冷模式中，在所述冷却剂管筒、所述冷却片和所述气化器板中的至少一个上聚集冰；以及
使所述加热流体穿过与所述冷却剂管筒、所述冷却片和所述气化器板中的至少一个热接触的加热管筒流动，从而除去所述冰。
44.如权利要求43所述的方法，进一步包括在所述流动步骤中停止所述造冰或制冷模式。
45.如权利要求43所述的方法，进一步包括当所述流动步骤完成时，从所述加热管筒中排出所述加热流体。
46.脉冲电热除冰装置，包括
热交换器，具有与热交换表面热接触的冷却剂管筒；以及
电源，对所述热交换器进行电开关，以进行脉冲加热。
47.如权利要求46所述的系统，其中至少一个所述热交换表面包括由阳极化铝或阳极化铝合金成形的绝缘材料，所述电源对设置在所述绝缘材料上的传导膜进行电开关。
48.如权利要求46所述的系统，其中所述传导膜为通过CVD、PVD、非电镀涂覆和覆盖中的一种制成的金属层。
49.如权利要求46所述的系统，其中所述热交换器为可折叠型热交换器。
全文摘要
用于脉冲电热和储热除冰的系统和方法。脉冲电热除冰装置包括一个或更多的冷却剂管筒(4)，可选地，还包括与该冷却剂管筒热接触的片(2)。该管筒和/或片形成电阻加热器(10)。一个或更多的开关(12)可向该电阻加热器施加电功率，从而产生热量以从该管筒和/或该片上除去冰。冷冻单元(400)形成具有压缩机(410)和用于分散多余热量的冷凝器(420)以及穿过该压缩机、冷凝器和冷却剂管筒(430)流通的冷却剂的储热造冰系统。该冷却剂管筒与气化器板(435)热接触。在该压缩机前和该冷凝器后，箱体(440)从该冷却剂向加热流体(445)传递热量。该加热流体周期性地流经与该气化器板热接触的加热管筒，从而从该气化器板上除去冰。
文档编号F25C5/00GK101120217SQ200680003031
公开日2008年2月6日 申请日期2006年1月24日 优先权日2005年1月24日
发明者维多利亚·彼得连科 申请人:达特默斯大学托管会