專利名稱：復(fù)雜形狀的脈沖電熱除冰的制作方法
復(fù)雜形狀的脈沖電熱除水
相關(guān)申請
本申請要求于2006年5月22日提交的、共同所有和共同未決的 美國臨時(shí)專利申請第60/802,407號的優(yōu)先權(quán)。本申請還是于2006年1 月24日提交的、共同所有和共同未決的PCT/US2006/002283的部分 繼續(xù)申請，PCT/US2006/002283要求于2005年1月24日提交的美國 臨時(shí)專利申請第60/646,394號、于2005年1月25曰提交的美國臨時(shí) 專利申請第60/646,932號以及于2005年11月23日提交的美國臨時(shí)專 利申請第60/739,506號的優(yōu)先權(quán)。此申請還是于2006年12月22曰提 交的、共同所有和共同未決的美國專利申請第11/571,231號的部分繼 續(xù)申請，美國專利申請第11/571,231號要求于2005年6月22日提交 的PCT/US2005/022035的優(yōu)選權(quán)，PCT/US2005/022035要求于2004 年6月22日提交的美國臨時(shí)專利申請第60/581,912號、于2005年1 月24日提交的美國臨時(shí)專利申請第60/646,394號以及于2005年1月 25曰提交的美國臨時(shí)專利申請第60/646,932的優(yōu)先權(quán)號。此申請還是 于2006年1月24日提交的、共同所有和共同未決的美國專利申請第 11/338,239號的部分繼續(xù)申請，美國專利申請第11/338,239號要求于 2004年9月10日提交的美國專利申請第10/939,289號、現(xiàn)在為美國 專利第7,034,257號的優(yōu)先權(quán)，美國專利申請第10/939,289號是分案申 請，其要求于2003年2月11日提交的美國專利申請第10/364，438號、 現(xiàn)在為美國專利第6,870,139號的優(yōu)先權(quán)，美國專利申請第10/364,438 號要求于2002年2月11日提交的美國臨時(shí)專利申請第60/356，476號、 于2002年7月23日提交的美國臨時(shí)專利申請第60/398,004號以及于 2002年8月21日提交的美國臨時(shí)專利申請第60/404,872號的優(yōu)先權(quán)。 通過引用將所有前述專利申請并入本文。
背景技術(shù)：
通過用電產(chǎn)生熱(焦耳熱)融化或者分離水的除冰有很多應(yīng)用。 其中這些應(yīng)用中的某些受益于使施加到冰和/或冰附著的物體的能量 最小。例如，比融化或者至少分離冰所必需的熱量更多的熱量的產(chǎn)生 需要能量的過度消耗。在某些應(yīng)用中，例如，在致冷設(shè)備的制冰或者
除冰中，在分離冰時(shí)額外能量的消耗是尤其不利的；不僅融化冰消耗 能量，而且冷卻系統(tǒng)重新冷卻系統(tǒng)中已經(jīng)分離了冰的部分也可能消耗 更多的能量。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施方式中，脈沖電熱除水裝置包括由厚度分布表現(xiàn)其特 征的至少一種復(fù)雜形狀，其被配置為產(chǎn)生均勻的每單位面積功率以融 化水的界面層。
在 一 個(gè)實(shí)施方式中， 一 種優(yōu)化脈沖電熱除水系統(tǒng)的復(fù)雜形狀的厚 度的方法包括為脈沖電熱除冰系統(tǒng)的每種形狀指定尺寸和幾何形狀， 并且指定形狀的連接性；為每種形狀指定初始厚度；為除冰脈沖持續(xù) 時(shí)間指定初始估值；基于除冰脈沖持續(xù)時(shí)間和每種形狀的厚度，對每 種形狀的表面上的溫度分布進(jìn)行建模；確定施加除冰脈沖后每種形狀 的再凍結(jié)時(shí)間；如果模型的溫度分布不在期望公差內(nèi)，則基于模型的 溫度分布調(diào)節(jié)每種形狀的厚度；如果所確定的再凍結(jié)時(shí)間不在限定的 界限內(nèi)，則基于所確定的再凍結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)除水脈沖持續(xù)時(shí)間；以及重 復(fù)建模、確定和調(diào)節(jié)步驟，直到溫度分布在期望公差內(nèi)并且再凍結(jié)時(shí) 間在限定的界限內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，脈沖電熱除冰裝置包括由厚度分布表現(xiàn)其特 征的至少一個(gè)軸向?qū)ΨQ的復(fù)雜形狀，其被配置為產(chǎn)生均勻的每單位面 積功率以融化水的界面層。


圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式、包括平板的一個(gè)示例性脈沖電熱 除冰(PETD)裝置；
圖2示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式、包括圓柱體的一個(gè)示例性PETD裝圖3示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式、包括錐形體的一個(gè)示例性PETD裝
置；
圖4示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式、包括球體的一個(gè)示例性PETD裝置； 圖5示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式、包括月牙體的一個(gè)示例性PETD裝
置；
圖6示出具有軸向?qū)ΨQ形狀的家用制冰器的示例性冰槽的再現(xiàn)； 圖7是圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式、在PETD系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使復(fù)雜的 導(dǎo)電形狀的厚度優(yōu)化的 一 個(gè)示例性方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
從物體上分離。如本申請使用的，術(shù)語"水"指任意具有或者沒有混 合物的冰、雪、霜和其它形式的冰凍水。"冰的界面層"指水的、接近 物體的薄層。冰的界面層的融化一般足以將冰的主要部分(即，冰的 未融化部分)從物體上分離。水的界面層可以具有小于大約5厘米的 厚度，優(yōu)選地具有小于大約3厘米的厚度，更優(yōu)選地具有大約l厘米 至1微米之間的厚度，最優(yōu)選地具有大約1毫米至1微米之間的厚度。 應(yīng)該理解，施加用于加熱界面冰的能量也加熱了物體與界面冰接觸的 部分。理想的是，熱量擴(kuò)散到物體和/或水內(nèi)小于大約5厘米的距離， 優(yōu)選地?cái)U(kuò)散到物體和/或冰內(nèi)小于大約3厘米的距離，更優(yōu)選地?cái)U(kuò)散到 物體和/或水內(nèi)大約1厘米至1微米之間的距離，最優(yōu)選地?cái)U(kuò)散到物體 和/或冰內(nèi)大約1毫米至1孩i米之間的距離。
通過提供均勻融化的界面層，有利于使PETD期間消耗的能量最 少。特別厚的融化界面層對應(yīng)于更高的除冰溫度，并且表現(xiàn)為在除冰 過程中浪費(fèi)能量；即，施加了比將冰的大部分從物體上分離所需的能 量更多的能量。例如，在制水器中，在除冰后，除水期間產(chǎn)生的"熱 點(diǎn)"在該點(diǎn)能夠恢復(fù)制水之前需要再冷卻；由于融化了比必需更多的 指定產(chǎn)品而降低了制冰過程的效益。過度薄的融化界面層對應(yīng)于冰的 大部分會在冰被去除之前重新凍結(jié)到物體上的風(fēng)險(xiǎn)。為了使除水的能量消耗最優(yōu)，利用PETD的裝置應(yīng)該在界面冰層 的每一表面積上提供近似恒定密度的加熱功率。然而，當(dāng)將被除冰的 物體具有復(fù)雜形狀時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)每一表面積的恒定密度的加熱功率。 如本申請使用的，"復(fù)雜形狀"是指物體的一部分具有一個(gè)或多個(gè)不均 一厚度的壁。復(fù)雜形狀可以由"厚度分布，，描述，其定義了在一定距 離上(例如，從物體的一點(diǎn)到物體的另一點(diǎn))壁的厚度。
物體的加熱層由電阻率p和厚度Z表現(xiàn)其特征。當(dāng)施加每單位面 積的加熱功率『(W/m2 )時(shí)，采用以下關(guān)系式
『=￡./s=^ = d 等式(l)
其中E是通過電流密度A ( A/m)的施加而產(chǎn)生穿過加熱層的電場強(qiáng) 度(V/m)。為了在加熱層的各個(gè)部分保持『恒定，還采用以下關(guān)系式
^"或者,=^^ 等式(2)
等式(2)是近似的，因?yàn)樗鼪]有考慮加熱層的熱容對物體厚度的 依賴性。然而，等式(2)很有用，因?yàn)榕c冰的熱容、底層結(jié)構(gòu)、以及 融化的界面冰層的潛熱相比，熱容在總的PETD能量需求中通常是很 小的項(xiàng)。
圖1示出包括平板40 ( 1 )的一個(gè)示例性PETD裝置10 ( 1 )。圖 1可能未按照比例繪制。電源20 ( 1 )通過開關(guān)30 ( 1 )連接至平板40 (1),以向除水的板40 (1)供電。板40 (1)的長度丄和厚度f在圖 1中示出。其中電源20 ( 1 )供給電壓r，由電源20 ( 1 )供給的功率 PT可以用每單位面積的功率表示為
『=■^4 等式(3) P.丄
圖2示出了包括圓柱體40 (2)的一個(gè)示例性PETD裝置10(2)。 圖2可能未按照比例繪制。電源20 (2)通過開關(guān)30 (2)連接至圓柱 體40(2)，以向除水的圓柱體40 (2)供電。圓柱體40 (2)的長度Z 和厚度Z在圖2中示出。其中電源20 (2)供給電壓r，電源20 (2) 供給的功率『可以用等式(3)所示的每單位面積的功率表示，其中， 等式(3)描述了具有恒定厚度的物體。
圖3示出包括錐形體40 ( 3 )的一個(gè)示例性PETD裝置10 ( 3 )。圖3可能未按照比例繪制。電源20 (3)通過開關(guān)30 (3)連接，以向 除水的錐形體40 (3)供電。錐形體40 (3)的線性尺寸x、關(guān)于x軸 的角度S、以及厚度,在圖3中示出。注意厚度？隨著錐形體40 (3) 的x軸的位置而變化。其中電源20 (3)供給電壓7和電流/。，需要 提供恒定的、每單位面積的功率『的厚度/可以表示為
P'/n 等式(4)
4, .;cz .tan，)-『
圖4示出包括球體40 (4)的一個(gè)示例性PETD裝置10 (4)的截 面。圖4可能未按照比例繪制。電源20 (4)通過開關(guān)30 (4)連接到 球體40(4)，以向除冰的球體40 (4)供電。球體40 (4)的半徑i 、 關(guān)于供電軸的角度e、以及厚度？在圖4中示出。注意球體40(4)的 厚度/隨著角度0變化。其中電源20 (4)供給電壓F和電流/。，需要 提供恒定的、每單位面積的功率『的厚度Z可以表示為
,=2 f、—— 等式(5)
圖5示出包括月牙體40 (5)的一個(gè)示例性PETD裝置10 (5)。 圖5可能未按照比例繪制。月牙體40 (5)可以通過關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 直線而產(chǎn)生。此形狀可能非常有用，例如，在制冰器中，其中，(1) 用液態(tài)水填充形狀，(2)冷卻直到水凍成冰，(3)旋轉(zhuǎn)使得水面向下， 和(4)用除冰脈沖加熱以使冰從形狀中釋放。電源20 (5)通過開關(guān) 30(5)連接，以向除水的月牙體40 (5)供電。月牙體40(5)的線 性尺寸jc、作為x軸上的位置的函數(shù)的偏移值i f^)、以及厚度？在圖5 中示出。注意形狀40 (5)的厚度f隨著/ W變化?？梢允境鋈绻娫?20 (5)供給電壓r和電流/。，則需要提供恒定的、每單位面積的功率 『的厚度^可以表示為
,=~^~~ 等式(6)
可以利用幾種技術(shù)制造上述任意形狀40，這些技術(shù)包括但不限于 拉模鑄造、噴射模塑、導(dǎo)電涂料或者其它涂料的連續(xù)應(yīng)用、以及機(jī)械 加工。
圖6示出了家用制冰器的水槽50的再現(xiàn)。利用水槽50的制水器可以由導(dǎo)熱和導(dǎo)電的復(fù)合材料(例如，CoolPolymers公司的E5101 ) 制成。水槽50的內(nèi)部形狀40 (6)是軸向?qū)ΨQ的。為了形成水，槽50 設(shè)置有面朝上的內(nèi)部狀40 ( 6 )。然后用水填充槽50。在水結(jié)成水之后， 槽50圍繞其長軸旋轉(zhuǎn)大約120° ,并且通過被設(shè)置在槽50的末端60 (1)、 60 (2)上的銅母線施加2秒的電功率脈沖。電功率均勻地加熱 槽50至正好在冰的融點(diǎn)以上的溫度，從而融化冰的界面層。然后水/人 槽50滑出而進(jìn)入收集容器(未示出)。應(yīng)該理解，槽50包括復(fù)雜的、 可變的厚度?？梢岳玫仁?6)計(jì)算厚度，然后可以根據(jù)上述方法在 特定位置(例如，角落)對厚度進(jìn)行調(diào)整。
圖7是圖示了在PETD系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使復(fù)雜的導(dǎo)電形狀的厚度優(yōu)化 的一個(gè)示例性方法100的流程圖。應(yīng)該理解，圖7示出的一些或者所 有步驟可以由計(jì)算機(jī)在軟件指令的控制下執(zhí)行；可選地，圖7的一些 或者所有步驟可以由人執(zhí)行。在步驟102中，方法100為除水系統(tǒng)的 每個(gè)形狀指定尺寸和幾何類型，并且指定形狀之間的連接。在步驟104 中，方法100為每個(gè)形狀指定初始厚度設(shè)置；這樣的設(shè)置可以包括固 定厚度(例如，如圖1、圖2和等式(3)所示)，和/或隨復(fù)雜形狀的 位置和/或角度變化的厚度(例如，如圖3至圖5，以及等式(4)至等 式(6)所示)。在步驟106中，指定除冰脈沖參數(shù)(例如，供給的電 壓或者電流)，以及除冰脈沖持續(xù)時(shí)間的初始估值。在步驟108中，確 定用特定除水脈沖為特定形狀獲得的溫度分布、溫度范圍和再凍結(jié)時(shí) 間。例如，可以利用有限元方法建模來實(shí)現(xiàn)步驟108，其中，有限元 方法建模使用軟件包(package )(例如，Comsol公司的FEMLAB3.1 )。 步驟110是判斷，其判斷溫度范圍是否在特定公差內(nèi)。如果溫度范圍 在特定公差之外(即，大于由除水脈沖產(chǎn)生的最低溫度和最高溫度之 間的期望差值)，則根據(jù)形狀的模型溫度是否太高或者太低，分別在步 驟112和步驟114中對形狀進(jìn)行加厚或者去薄。步驟116是判斷。在 步驟116中，將再凍結(jié)時(shí)間與特定的最小極值和最大極值進(jìn)行比較。 如果再凍結(jié)時(shí)間太短(即，低于特定的最小極值)，則在步驟118加長 除冰脈沖；如果結(jié)冰時(shí)間太長(即，高于特定的最大極值)，則在步驟 120縮短除冰脈沖。應(yīng)該理解，還可以對除冰脈沖的功率參數(shù)進(jìn)行修改(例如提供更多或更少的功率)，來代替改變除水脈沖的持續(xù)時(shí)間或
者作為對改變除水脈沖的持續(xù)時(shí)間的補(bǔ)充。如果在步驟112、 114、 118 和/或120中改變了形狀厚度或再凍結(jié)時(shí)間，則方法返回步驟108;否 則，方法完成并且在步驟122中輸出一組優(yōu)化的厚度和除冰脈沖參數(shù)。 在不背離本發(fā)明的前提下，可以在對本申請描述的脈沖電熱除水 器的復(fù)雜形狀和相關(guān)方法進(jìn)行上述修改或其它修改。例如，可以通過 改變與復(fù)雜形狀的厚度成反比的電阻率來提供加熱的變化。本申請描 述的原理還適用于可能需要定期除冰的設(shè)置(例如，致冷系統(tǒng)或者空 調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)板)。因此應(yīng)該注意，包含在上述或者附圖中所示的內(nèi)容 應(yīng)該解釋為說明性的并且沒有限制意義的。權(quán)利要求傾向于覆蓋本申 請所述的所有通用和特定的特征，也可以說本方法和系統(tǒng)的范圍的全 部說明落入權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1. 一種脈沖電熱除冰裝置，包括由厚度分布表現(xiàn)其特征的至少一種復(fù)雜形狀，其被配置為產(chǎn)生均勻的每單位面積功率，以融化冰的界面層。
2. 如權(quán)利要求1所述的脈沖電熱除冰裝置，還包括電源和開關(guān)， 以可選地使所述復(fù)雜形狀與所述電源接通和斷開。
3. 如權(quán)利要求1所述的脈沖電熱除冰裝置，其中所述復(fù)雜形狀包括錐形體，并且所述錐形體的厚度z根據(jù)等式,=…02-變4;r2 .x2 - tan2,,化，其中所述錐形體由沿x軸的線性尺寸x和相對于x軸的角度^表現(xiàn) 其特征，并且所述電源供給電流/。，以提供每單位面積的功率『。
4. 如權(quán)利要求1所述的脈沖電熱除冰裝置，其中所述復(fù)雜形狀包括球體，并且所述球體的厚度"艮據(jù)等式^ 2 r —變化，其中所述球體由半徑7 和相對于供電的軸線的角度0表現(xiàn)其特征，并 且所述電源供給電流/。，以提供每單位面積的功率『。
5. 如權(quán)利要求1所述的脈沖電熱除水裝置，其中所述復(fù)雜形狀包括月牙體，并且所述月牙體的厚度？根據(jù)等式^ /.2?！兓渲兴鲈卵荔w由線性尺寸x和偏移值i 6cJ表現(xiàn)其特征，并且所述 電源供給電流/。，以提供每單位面積的功率『。
6. 如權(quán)利要求1所述的脈沖電熱除水裝置，所述復(fù)雜形狀通過拉 模鑄造、噴射模塑、機(jī)械加工、以及導(dǎo)電層的連續(xù)應(yīng)用的其中之一形成。
7. —種優(yōu)化脈沖電熱除冰系統(tǒng)的復(fù)雜形狀的厚度的方法，包括 為脈沖電熱除冰系統(tǒng)的每種形狀指定尺寸和幾何形狀，并且指定所述形狀的連接性；為每種形狀指定初始厚度； 為除冰脈沖持續(xù)時(shí)間指定初始估值；基于所述除水脈沖持續(xù)時(shí)間和每種形狀的厚度，對每種形狀的表 面上的溫度分布進(jìn)行建模；確定施加除水脈沖后每種形狀的再凍結(jié)時(shí)間；如果模型的溫度分布不在期望公差內(nèi)，則基于所述模型的溫度分 布調(diào)節(jié)每種形狀的厚度；如果所確定的再凍結(jié)時(shí)間不在限定的界限內(nèi)，則基于所確定的再 凍結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)所述除冰脈沖持續(xù)時(shí)間；以及重復(fù)建模、確定和調(diào)節(jié)步驟，直到溫度分布在期望公差內(nèi)并且再 凍結(jié)時(shí)間在限定的界限內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，調(diào)整厚度的步驟包括 如果所述溫度分布高于期望公差，則增加所述形狀的厚度；以及 如果所述溫度分布低于期望公差，則減少所述形狀的厚度。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，為每種形狀指定初始厚度的步驟包 括為每種形狀指定固定的厚度。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，為每種形狀指定初始厚度的步驟 包括為每種形狀指定可變的厚度。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，調(diào)節(jié)所述除冰脈沖持續(xù)時(shí)間的步 驟包括如果所確定的再凍結(jié)時(shí)間高于限定的極值，則縮短所述持續(xù) 時(shí)間。
12. 如權(quán)利要求7所述的方法，調(diào)節(jié)所述除冰脈沖持續(xù)時(shí)間的步 驟包括如果所確定的再凍結(jié)時(shí)間低于限定的極值，則延長所述持續(xù) 時(shí)間。
13. —種脈沖電熱除冰裝置，包括由厚度分布表現(xiàn)其特征的至少一個(gè)軸向?qū)ΨQ的復(fù)雜形狀，其被配置為產(chǎn)生均勻的每單位面積功率， 以融化冰的界面層。
14. 如權(quán)利要求13所述的脈沖電熱除冰裝置，還包括電源和開關(guān)， 以可選地使所述軸向?qū)ΨQ的復(fù)雜形狀與所述電源接通和斷開。
15. 如權(quán)利要求13所述的脈沖電熱除冰裝置，其中所述軸向?qū)ΨQ 的復(fù)雜形狀包括錐形體，并且所述錐形體的厚度？根據(jù)等式,-， P. o，-變化，其中所述錐形體由沿x軸的線性尺寸；c和相4 .x2 .tan2(6 )-『對于x軸的角度^表現(xiàn)其特征，并且所述電源供給電流/。，以提供每單 位面積的功率『。
16. 如權(quán)利要求13所述的脈沖電熱除冰裝置，其中所述軸向復(fù)雜 形狀包括球體，并且所述球體的厚度Z根據(jù)等式h ， ， o，-變化，其中所述球體由半徑i 和相對于供電的軸線4 -i 2'sin2(60.『的角度e表現(xiàn)其特征，并且所述電源供給電流/。，以提供每單位面積 的功率『。
17. 如權(quán)利要求13所述的脈沖電熱除水裝置，其中所述軸向?qū)ΨQ 的復(fù)雜形狀包括月牙體，并且所述月牙體的厚度Z根據(jù)等式^7 /——變化，其中所述月牙體由線性尺寸x和偏移值i 6cJ表現(xiàn)其特征，并且所述電源供給電流/。，以提供每單位面積的功率『。
18. 如權(quán)利要求13所述的脈沖電熱除冰裝置，所述軸向?qū)ΨQ的復(fù) 雜形狀通過拉模鑄造、噴射模塑、機(jī)械加工、以及導(dǎo)電層的連續(xù)應(yīng)用 的其中之一形成。
全文摘要
一種脈沖電熱除冰裝置，包括由厚度分布表現(xiàn)其特征的至少一種復(fù)雜形狀(40(2)、40(3)、40(4))，其被配置為產(chǎn)生均勻的每單位面積功率以融化冰的界面層。一種優(yōu)化脈沖電熱除冰系統(tǒng)的復(fù)雜形狀的厚度的方法，該方法包括為脈沖電熱除冰系統(tǒng)參數(shù)指定初始估值。對由除冰脈沖產(chǎn)生的溫度分布、溫度范圍和再凍結(jié)時(shí)間進(jìn)行建模。根據(jù)溫度范圍調(diào)節(jié)形狀厚度，根據(jù)除冰脈沖調(diào)節(jié)除冰脈沖參數(shù)，以及重復(fù)建模和調(diào)節(jié)直到溫度范圍和再凍結(jié)時(shí)間在預(yù)定的界限內(nèi)。
文檔編號F25C5/08GK101484763SQ200780025089
公開日2009年7月15日 申請日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者維克托·彼得連科 申請人:達(dá)特默斯大學(xué)托管會