除霜装置、超低温存储箱及其除霜方法与流程

本发明涉及低温除霜技术，用于低温及超低温存储箱除霜，避免热除霜引起的箱体内温度波动。

背景技术：

在低温及超低温存储领域，频繁开门会引起箱体内壁结霜，增大贴管内制冷剂与箱体内空气间的换热热阻，使箱体很难达到存储物品时所需的低温工况，因此，必须对箱体内壁进行周期性除霜。

目前，低温存储领域除霜多为人工铲霜或电热容霜，因此在除霜过程不可避免的会引起箱体内温度的波动，从而影响箱体内存储物品的品质。如果箱体内存储的是医学标本、器官，则可能造成医学标本、器官的失效，造成不可挽回的损失。其次，融霜形成的水会在除霜完成后迅速形成二次结冰，提高了机组的启停比，甚至导致压缩机不停机直至损坏。

超声波在弹性介质中传播时，由于波速及边界条件的限制，会在两种介质界面处产生破碎、剥离两种界面应力。因此，可利用超声波进行超低温领域的除霜。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种利用超声波除霜从而避免除霜过程中产生温度波动的应用于超低温存储箱的除霜装置。

本发明的另一个目的是：提供一种利用超声波除霜从而避免除霜过程中产生温度波动的超低温存储箱及其除霜方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种除霜装置，安装在超低温存储箱中，包括憎水层、多个阵列布置的超声换能器、程序控制系统、超声波发生器；超低温存储箱包括箱体内板；憎水层覆盖箱体内板的朝向储存空间的一侧，产生超声振动的超声换能器安装于箱体内板的另一侧；多个超声换能器并联接入程序控制系统，程序控制系统与超声波发生器相接。

憎水层为憎水性涂层，粘附并完全覆盖箱体内板的一侧。

每侧箱体内板上安装三组上下依次排列的超声换能器；每组超声换能器中超声换能器的数量为四个，采用增大有效辐射声场面积的两两交错方式布置。

同组中，相邻超声换能器之间间距为15cm；相邻组之间，相邻超声换能器间距为22.5cm，该参数选择尤其适用于520L超低温存储箱。

为了提高超声波除霜效率，超声换能器的谐振频率为28kHz～60kHz；具有频率跟踪功能的超声波发生器的功率为1600W～2400W，频率为20kHz～60kHz。其中超声换能器的谐振频率优选为40kHz。

超声换能器为压电换能器，包括前盖板和后盖板；前盖板为圆台形，大端处设有安装耳；后盖板为圆柱形，外径同前盖板的大端的外径；前盖板和后盖板通过螺钉连接；超声换能器通过安装耳的螺纹孔与焊接在箱体内板上的紧固螺钉连接，且在安装界面处涂有换能器专用胶，后盖板通过紧固螺钉与粘结剂与前盖板相接，前、后盖板中间为环状压电片。

超低温存储箱，装有除霜装置，包括门、外壳、机械室、电缆管槽；箱体内板和门围成储存空间，机械室位于储存空间外；超声换能器与程序控制系统通过电缆连接，电缆位于电缆管槽内，电缆管槽通过填充的发泡材料固定在外壳和箱体内板之间；程序控制系统和超声波发生器位于机械室内。

储存空间的容积为500L～560L；三侧箱体内板均安装相同组数和个数的超声换能器，每侧箱体内板上的超声换能器的布置方式相同；三侧箱体内板上位于同一位置的超声换能器与程序控制系统的同一个接线端子相接，通过多个循环控制实现整个箱体的面控扫描，提高除霜效率。

超低温存储箱的除霜方法，每次取拿物品时清理堆积在储存空间底部的霜晶体，每次取拿物品关门的10分钟后启动超声波除霜，此时因开门进入箱体内空气中的水蒸气已完全凝结。

根据纵、横波波速与材料参数之间的关系：计算出超声传播的纵波、横波波速，根据超声换能器的振子与聚焦点距离确定每个振子的触发时间，采用多组程序控制实现超声波变焦，消除箱体内壁面除霜死角，其中，分别为纵波、横波波速，λ为Lame常数，μ＝G为剪切模量，E为弹性模量，ν为泊松比，ρ为材料密度。

对每个振子进行阻抗分析，得到超声振子系统的谐振频率，通过调节发生器电感实现振子系统与超声发生器之间的阻抗匹配，提高系统的机械品质因数。

本发明的原理是：憎水性涂层会降低霜层与内板表面的粘附应力，超声波发生器产生的高频交变电流信号输出至程序控制系统，通过控制每个压电换能器的触发时间改变超声波初始相角，实现导波波群间的可控叠加，消除箱体内的除霜死角；自行设计压电换能器前、后盖板，采用螺钉固定，并通过焊接在箱体内板上的紧固螺钉和粘结剂固定于箱体内壁，提高了压电晶体的抗张强度。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.通过超声波联合憎水层对超低温存储箱储存空间内壁上的结霜进行去除，降低箱体与贴壁铜管间的换热热阻，维持箱体内低温工况，在降低机组启停比及能耗的同时，提高机组的可靠性及使用寿命。

2.通过程序控制系统控制超声换能器组各振子的触发时间，实现导波波群间的可控叠加及聚焦扫描，消除箱体内的除霜死角，提高除霜效率。

3.自行设计压电换能器的前、后盖板，并通过焊接于箱体内板背面的紧固螺钉和粘结剂进行固定，提高超声换能器的抗张强度。

4.憎水性涂层会降低霜层与内板表面的粘附应力，促使独立霜晶体的形成，使其在超声振动激励下产生共振及根部应力集中，以实现高效、低能耗除霜。

5.通过控制各个压电换能器的触发时间改变超声波初始相角，实现导波波群间的可控叠加及可控变焦，消除箱体内的除霜死角。

6.经试验验证，本发明能实时、在线除去超低温存储箱内壁上的霜晶体，实现-86℃超低温存储箱的无霜运行。

附图说明

图1是除霜装置的结构示意图。

图2是超声换能器的结构示意图。

图3为图2的超声换能器的俯视图。

其中，1为箱体内板，2为超声换能器，3为接线端，4为电缆管槽，5为接线端子，6为各超声换能器的控制器，7为程序控制系统，8为开关，9为功率调节开关，10为频率调节开关，11为超声波发生器，12为前盖板，13为后盖板，14为环状压电片，15为正极接线柱，16为负极接线柱。

A1-A4，B1-B4，C1-C4为标号，显示超声换能器与程序控制系统的接线端子对应。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

一种除霜装置，包括憎水层、多个阵列排布的超声换能器、程序控制系统、超声波发生器。憎水层覆盖箱体内板的朝向储存空间的一侧，产生超声振动的超声换能器安装于箱体内板的另一侧；多个超声换能器并联的接入程序控制系统，程序控制系统与超声波发生器相接。

本实施例中，超声波发生器具有频率跟踪功能以及频率、功率可调功能。憎水层为憎水性涂层，材料为纳米二氧化硅材料，粘附并完全覆盖箱体内板的一侧。程序控制系统的作用是控制每个振子的启振时间，实现导波波群的可控叠加。超声换能器采用现有的压电换能器，包括两片压电晶片、电极片、前盖板和后盖板，对前盖板和后盖板的形状进行再设计，使其便于安装和产生振动。前盖板为圆台形，大端的中心设有安装耳；后盖板为圆柱形，外径同前盖板的大端的外径；前盖板和后盖板通过螺钉连接；超声换能器通过安装耳的螺纹孔与焊接在箱体内板上的紧固螺钉连接，且在安装界面处涂有换能器专用胶，后盖板通过紧固螺钉与粘结剂与前盖板相接，前、后盖板中间为环状压电片。

优选的排布方式见图1：每侧箱体内板上安装三组上下依次排列的超声换能器，A1-A4为一组，B1-B4为一组，C1-C4为一组；每组超声换能器中超声换能器的数量为四个，采用增大有效辐射声场面积的两两交错方式布置。同组中，相邻超声换能器之间间距为15cm，例如A1和A2、A3、A4之间的间距均为15cm；相邻组之间，相邻超声换能器间距为22.5cm，例如A2和B1、B3的间距为22.5cm。三组超声换能器排成两列。

优选的系统参数是：超声换能器的谐振频率为28kHz～60kHz；具有频率跟踪功能的超声波发生器的功率为1600W～2400W，频率为20kHz～60kHz。

超低温存储箱，包括箱体内板、门、外壳、机械室、电缆管槽、除霜装置，以及未提及的现有的超低温存储箱的其他零部件，储存空间的容积为520L，制冷温度为-86℃。箱体内板和门围成储存空间，机械室位于储存空间以外，箱体内板和外壳之间填充发泡材料，电缆管槽位于发泡材料中，由发泡材料固定在箱体内板和外壳之间。憎水层覆盖在箱体内板的朝向储存空间的一侧，超声换能器安装在箱体内板的另一侧，超声换能器和程序控制系统的连接电缆位于电缆管槽内。程序控制系统和超声波发生器位于机械室内。

本实施例中，三侧箱体内板的超声换能器的布置方式均同图1，组数、个数、间距、标号均相同。三侧箱体内板上位于同一位置的超声换能器与程序控制系统的同一个接线端子相接，例如三个标号为A1的超声换能器均与标号为A1的接线端子相接。

首先，超声波发生器输出高频交变电流信号至程序控制系统；其次，程序控制系统根据聚焦位置各接线端子的触发时间，并通过多个循环实现整个壁面的聚焦扫描；最后，触发信号通过电缆传递至超声换能器，通过逆压电效应产生机械振动，在霜层与内壁界面产生破碎和剥离应力，除去箱体内表面的结霜，实现箱体的无霜运行。

首先，对每个超声振子及整个系统进行阻抗分析，根据分析结果调节超声波发生器电感以实现超声振子系统与超声发生器之间的阻抗匹配，提高系统的机械品质因数；其次，根据纵波波速、横波波速与材料参数间的关系计算出超声波在各弹性介质中传播的纵波波速、横波波速，然后，根据振子与聚焦点距离确定每个振子触发的时间差；最后，完成整个系统的连接，各超声振子按标号接于程序控制系统对应的端子上，在每次打开箱门十分钟后进行超声波除霜，同时清理堆积在箱体底部的霜晶体。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。