устройства и способы для импульсного электротермического и теплоаккумулирующего отсоединения льда

Формула изобретения

1. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

по меньшей мере одну трубку для хладагента холодильного устройства;

охлаждающие ребра, находящиеся в тепловом контакте с трубками для хладагента, при этом трубки и/или ребра образуют резистивный нагреватель; и

по меньшей мере выключатель для подачи электроэнергии на резистивный нагреватель, генерирующей теплоту для отсоединения льда от трубок и/или ребер.

2. Устройство по п.1, где резистивный нагреватель содержит множество секций нагревателя, предусмотрено множество выключателей выполненных с возможностью подавать электроэнергию на секции нагревателя индивидуально.

3. Устройство по п.2, выполненное с возможностью подачи электроэнергии по меньшей мере на одну секцию нагревателя, тогда как хладагент продолжает течь по трубкам для хладагента другой секции нагревателя.

4. Устройство по п.1, где трубки и ребра электрически изолированы друг от друга.

5. Устройство по п.4, содержащее изолятор, образованный по меньшей мере одним из следующих элементов: полимерное покрытие, теплопроводный клей, оксид металла и пленка из композитного материала, при этом изолятор изолирует трубки и ребра друг от друга.

6. Устройство по п.1, где ребра образуют проводящую змеевидную конфигурацию.

7. Устройство по п.1, содержащее источник питания для подачи электроэнергии.

8. Устройство по п.7, где источник питания создает напряжение в диапазоне от 0,1 до 1000 В.

9. Устройство по п.8, где источник питания создает напряжение в диапазона от 6 до 70 В.

10. Устройство по п.7, где источник питания выдает переменное напряжение частотой от 15 Гц до 15 МГц.

11. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

по меньшей мере одну трубку для хладагента холодильного устройства, при этом трубка образует резистивный нагреватель; охлаждающие ребра, находящиеся в тепловом и электрическом контакте с по меньшей мере одной трубкой для хладагента, при этом по меньшей мере некоторые из охлаждающих ребер находятся в тепловом контакте с по меньшей мере одной трубкой для хладагента во множестве эквипотенциальных мест, и средство для подачи электроэнергии на нагреватель, генерируя теплоту для отсоединения льда от трубок.

12. Способ отсоединения льда от трубок для хладагента и/или охлаждающих ребер холодильного устройства, при котором:

накапливают лед на трубках для хладагента и/или на охлаждающих ребрах во время нормального режима охлаждения, и подают импульс электроэнергии на трубки для хладагента и/или ребра для отсоединения льда.

13. Способ по п.12, далее содержащий шаг, при котором перед шагом подачи импульса электроэнергии прерывают выполнение шага нормального охлаждения.

14. Способ по п.12, далее содержащий шаг, при котором перед шагом подачи импульса электроэнергии удаляют хладагент из трубки для хладагента.

15. Способ по п.12, при котором трубка для хладагента и охлаждающие ребра организованы в секции, при этом шаг подачи импульса электроэнергии повторяют для каждой секции.

16. Способ по п.15, при котором секции соответствуют последовательным участкам трубки для хладагента, по которым течет хладагент, при этом шаг подачи импульса электроэнергии содержит шаг, при котором импульсы электроэнергии подают на секции, соответствующие порядку, в котором хладагент течет по трубке для хладагента.

17. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

трубу ледогенератора, содержащую одну или более область нарастания льда;

по меньшей мере один хладопровод и трубку для хладагента для отвода теплоты от каждой области нарастания льда;

средство для подачи воды в трубу ледогенератора так, что по меньшей мере часть воды замерзает, образуя лед в областях нарастания льда, и источник питания, периодически подающий импульсы электроэнергии на трубу для таяния по меньшей мере граничного слоя льда для отсоединения льда от трубы.

18. Устройство по п.17, где труба ледогенератора выполнена по меньшей мере из одного из следующих материалов: металл, стекло, пластмасса, полимер, тефлон, керамика и углеродное волокно.

19. Устройство по п.17, содержащее по меньшей мере одно теплопроводное ребро для облегчения отвода теплоты от области нарастания льда.

20. Устройство по п.17, содержащее источник воды, управляемый подающим клапаном, и слив, управляемый сливным клапаном.

21. Устройство по п.20, содержащее:

резервуар для хранения воды из источника воды, и насос для прокачки воды сквозь средства введения.

22. Устройство по п.21, содержащее экран для отделения избытка воды, которая стекает из трубы ледогенератора, от льда.

23. Устройство по п.21, содержащее нагреватель, препятствующий замерзанию воды в резервуаре.

24. Устройство по п.17, содержащее устройство для определения момента сбора льда путем емкостного обнаружения льда, путем оптического обнаружения льда, путем определения веса льда, путем определения истекшего времени генерирования льда или путем определения наличия препятствия потоку воды, созданного льдом.

25. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

трубу ледогенератора, содержащую по меньшей мере одну область нарастания льда;

по меньшей мере один хладопровод и трубку для хладагента для отвода теплоты от каждой области нарастания льда;

средство для ввода воды в трубу ледогенератора так, чтобы по меньшей мере часть воды замерзала, образуя лед в областях нарастания льда, и источник питания для периодической подачи импульсов электроэнергии на нагреватель, находящийся в тепловом контакте с трубой для таяния по меньшей мере граничного слоя льда для отсоединения льда от трубы.

26. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

множество труб ледогенератора;

по меньшей мере один хладопровод и трубку для хладагента для отвода теплоты от областей нарастания льда каждой трубы ледогенератора, средство для ввода воды в каждую трубу ледогенератора так, чтобы по меньшей мере часть воды замерзала, образуя лед в областях нарастания льда, и

источник питания для периодической подачи импульсов электроэнергии на каждую трубу для таяния по меньшей мере граничного слоя льда для отсоединения льда от каждой трубы.

27. Устройство по п.26, где трубы ледогенератора образуют множество групп, и источник питания периодически подает импульс электроэнергии на одну группу за раз.

28. Устройство по п.27, содержащее устройство для определения момента сбора льда в каждой группе путем емкостного обнаружения льда в каждой группе, путем оптического обнаружения льда в каждой группе, путем определения веса льда в каждой группе, путем определения истекшего времени генерирования льда в каждой группе или путем определения наличия препятствия потоку воды, созданного льдом в каждой группе.

29. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

по меньшей мере одну трубку для хладагента, находящуюся в тепловом контакте с плитой испарителя;

по меньшей мере один нагреватель, расположенный рядом с плитой испарителя и между трубками для хладагента, при этом нагреватель выполнен с возможностью преобразования электрической энергии в теплоту так, что лед отсоединяется от плиты испарителя.

30. Устройство по п.29, где каждый испаритель содержит металлический слой.

31. Устройство по п.30, где каждый нагреватель далее содержит слой диэлектрика между металлическим слоем и плитой испарителя.

32. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

по меньшей мере одну трубку для хладагента, находящуюся в тепловом контакте с плитой испарителя, и

нагреватель, расположенный между трубками для хладагента и плитой испарителя, при этом нагреватель выполнен с возможностью преобразования электроэнергии в теплоту так, что лед отсоединяется от плиты испарителя.

33. Устройство по п.32, где каждый нагреватель содержит металлический слой.

34. Устройство по п.33, где каждый нагреватель далее содержит слой диэлектрика между металлическим слоем и плитой испарителя.

35. Устройство по п.33, далее содержащее слой диэлектрика между металлическим слоем и каждой из трубок для хладагента.

36. Морозильное устройство, выполненное как система теплоаккумулирующего ледогенератора, содержащее:

морозильное устройство, имеющее компрессор и конденсатор для рассеяния использованной теплоты;

хладагент, циркулирующий через компрессор, конденсатор и трубку для хладагента, при этом трубка для хладагента находится в тепловом контакте с плитой испарителя;

бак, установленный после компрессора и перед конденсатором, в котором теплота отбирается из хладагента в жидкий теплоноситель;

при этом жидкий теплоноситель периодически течет по нагревательной трубке, находящейся в тепловом контакте с плитой испарителя для отсоединения льда от плиты испарителя.

37. Устройство по п.36, где трубка для хладагента и нагревательная трубка соединены с плитой испарителя в чередующемся порядке.

38. Устройство по п.36, содержащее насос для прокачки жидкого теплоносителя.

39. Устройство по п.38, где плита испарителя расположена выше бака и жидкий теплоноситель сливается в бак, когда насос выключен.

40. Устройство по п.36, содержащий насос для прокачки жидкого теплоносителя из резервуара для жидкого теплоносителя в бак.

41. Устройство по п.40, где

бак расположен выше плиты испарителя, при этом жидкий теплоноситель стекает по нагревательной трубке при открывании клапана между баком и нагревательной трубкой; и

плита испарителя расположена выше резервуара, и жидкий теплоноситель сливается в резервуар после отсоединения льда.

42. Устройство по п.40, где:

бак изолирован впускным клапаном, установленным между насосом и баком, и выпускным клапаном, установленным между баком и нагревательной трубкой;

теплота повышает давление в баке, когда впускной и выпускной клапаны закрыты;

давление направляет жидкий теплоноситель в нагревательную трубку для отсоединения льда, когда выпускной клапан открывается; и после отсоединения льда выпускной клапан закрывается, и насос возвращает жидкий теплоноситель в бак.

43. Способ отсоединения льда от по меньшей мере одного из следующих элементов: от трубки для хладагента, от охлаждающих ребер и от плиты испарителя холодильного устройства, при котором:

переносят теплоту из хладагента в жидкий теплоноситель в режиме производства льда или охлаждения;

накапливают лед по меньшей мере на одном из следующих элементов: на трубке для хладагента, на охлаждающих ребрах и на плите испарителя в режиме производства льда или охлаждения;

и пропускают жидкий теплоноситель по нагревательным трубкам, находящимся в тепловом контакте с по меньшей мере одним из следующих элементов: с трубкой для хладагента, с охлаждающими ребрами и с плитой испарителя для отсоединения льда.

44. Способ по п.43, далее содержащий шаг, при котором приостанавливают режим производства льда или режим охлаждения на время выполнения шага пропускания жидкого теплоносителя.

45. Способ по п.43, далее содержащий шаг, при котором удаляют жидкий теплоноситель из нагревательных трубок по завершении шага пропускания жидкого теплоносителя.

46. Устройство для импульсного электротермического отсоединения льда, содержащее:

теплообменник, имеющий трубку для хладагента, находящуюся в тепловом контакте с теплообменными поверхностями, охлаждающие ребра, находящиеся в тепловом и электрическом контакте с по меньшей мере одной трубкой для хладагента в эквипотенциальных местах, при этом трубы или ребра образуют резистивный нагреватель, и источник питания, электрически подключенный к теплообменнику для импульсного нагрева.

47. Устройство по п.46, где по меньшей мере одна из теплообменных поверхностей содержит изоляцию, выполненную из анодированного алюминия или анодированного алюминиевого сплава, при этом источник питания электрически подключен к проводящей пленке, расположенной на изоляции.

48. Устройство по п.46, где проводящая пленка является металлическим слоем, нанесенным одним из следующих способов: химическим осаждением из газовой фазы, физическим осаждением из газовой фазы, электролитическим нанесением или окрашиванием.

49. Устройство по п.46, где теплообменник является гофрированным теплообменником.

Описание изобретения к патенту

Перекрестные ссылки на связанные заявки (РСТ)

В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительным заявкам на патент США № № 60/646394, поданной 24 января 2005 г., 60/646932, поданной 25 января 2005 г., № 60/739506, поданной 23 ноября 2005 г.

Предпосылки создания изобретения

На холодных поверхностях в присутствии водяных паров или жидкости может накапливаться лед и иней. Для поддержания поверхностей в чистоте, (например, для улучшения теплопереноса, тягового усилия или аэродинамических свойств) желательно удалять такой лед или иней или собирать их для дальнейшего использования. В большинстве задач, связанных с холодильной техникой, на удаление льда с поверхностей желательно затрачивать минимум энергии.

Сущность изобретения

Согласно одному варианту настоящего изобретения, устройство для импульсного электротермического отсоединения льда содержит одну или более трубку для хладагента и ребра холодильного устройства. Ребра находятся в тепловом контакте с трубками для хладагента. Трубки и/или ребра образуют резистивный нагреватель. Через один или более выключателей на резистивный нагреватель может подаваться электроэнергия, генерирующая теплоту для отсоединения льда от трубок и/или ребер. Резистивный нагреватель может быть сформирован из более чем одной секции нагревателя и выключатели можно сконфигурировать так, чтобы подавать электроэнергию на секции нагревателя индивидуально.

В другом варианте импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда содержит одну или более трубку хладагента холодильного устройства. Эта одна или более трубка образует резистивный нагреватель. Один или более выключатель может подавать электроэнергию на нагреватель для генерирования теплоты для отсоединения льда от трубок.

В другом варианте предлагается способ отсоединения льда от трубок хладагента и/или охлаждающих ребер холодильного устройства. Способ содержит шаги, при которых накапливают лед на трубках хладагента и/или охлаждающих ребрах во время нормального режима охлаждения и подают импульс электроэнергии на трубки и/или на ребра для отсоединения льда.

В другом варианте импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда содержит трубку ледогенератора с одной или более областью нарастания льда. Один или более палец и/или трубка хладагента отводят теплоту от каждой области нарастания льда. В трубку ледогенератора вводят воду так, что по меньшей мере часть воды замерзает, образуя лед в области нарастания льда. Источник питания периодически подает импульс электроэнергии на трубку или на нагреватель, находящийся в тепловом контакте с трубкой, растаивая по меньшей мере граничный слой льда для отсоединения льда от трубки.

В другом варианте импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда содержит более чем одну трубку ледогенератора. Хладопроводы и/или трубки хладагента отводят теплоту от областей нарастания льда в каждой трубке ледогенератора. В каждую трубку ледогенератора вводят воду так, что по меньшей мере часть воды замерзает, образуя лед в областях нарастания льда. Источник питания периодически подает импульс электроэнергии на каждую трубку, оттаивая по меньшей мере граничный слой льда для отсоединения льда от трубок.

В другом варианте импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда содержит одну или более трубку для хладагента, находящуюся в тепловом контакте с плитой испарителя. Один или более нагреватель расположен рядом с плитой испарителя и между трубками для хладагента. Нагреватели выполнены с возможностью преобразования электрической энергии в теплоту так, что лед отсоединяется от плиты испарителя.

В другом варианте импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда содержит одну или более трубку для хладагента, находящуюся в тепловом контакте с плитой испарителя. Нагреватель расположен между трубками для хладагента и плитой испарителя. Нагреватель выполнен с возможностью преобразования электрической энергии в теплоту так, что лед отсоединяется от плиты испарителя.

В другом варианте морозильная установка выполнена как теплоаккумулирующая система ледогенератора. Морозильная установка содержит компрессор и конденсатор для рассеивания отходящей теплоты и хладагент, циркулирующий через компрессор, конденсатор и трубку для хладагента. Трубка для хладагента находится в тепловом контакте с плитой испарителя. Бак, установленный после компрессора и перед конденсатором, переносит теплоту от хладагента в нагревающую жидкость. Нагревающая жидкость периодически протекает через нагревательную трубку, находящуюся в тепловом контакте с плитой испарителя, отсоединяя лед от плиты испарителя.

В другом варианте предлагается способ отсоединения льда от трубки для хладагента, охлаждающих ребер и/или плиты испарителя холодильной установки. Теплота переносится от хладагента в нагревающую жидкость во время режима генерирования льда или охлаждения. Нагревающая жидкость протекает через нагревательные трубки, находящиеся в тепловом контакте с по меньшей мере одним элементом из следующих: трубка для хладагента, охлаждающее ребро или плита испарителя для отсоединения льда.

В другом варианте импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда содержит теплообменник, имеющий трубку для хладагента, находящуюся в тепловом контакте с поверхностями теплообменника. Источник питания электрически подключается к теплообменнику для импульсного нагрева.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическое изображение варианта импульсного электротермического устройства для отсоединения льда по настоящему изобретению.

Фиг.2А и 2В - показывают участок А импульсного электротермического устройства для отсоединения льда по фиг.1.

Фиг.3 - схематическое изображение варианта импульсного электротермического устройства для отсоединения льда по настоящему изобретению.

Фиг.4 - схематическое изображение варианта импульсного электротермического устройства для отсоединения льда по настоящему изобретению.

Фиг.5 - схематическое изображение варианта импульсного электротермического устройства для отсоединения льда по настоящему изобретению.

Фиг.6 - блок-схема процесса отсоединения льда от трубок для хладагента по варианту настоящего изобретения.

Фиг.7 - вариант теплообменника с набором ребер, установленных на трубки.

Фиг.8 - поперечное сечение узла трубки и ребра.

Фиг.9 - график, иллюстрирующий длину рассеяния теплоты относительно времени для чистого алюминия при комнатной температуре.

Фиг.10 - график, иллюстрирующий изменение температуры во времени для алюминиевого теплообменника, на который (а) подается нагревающий импульс во время работы и (b) подается нагревающий импульс при выключенном охлаждающем насосе и вентиляторах.

Фиг.11 - вид в перспективе теплообменника, выполненного как импульсная система для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.12 - вид сверху теплообменника по фиг.11, с намерзшим льдом и с соединениями с источником питания и выключателем.

Фиг.13 - теплообменник, выполненный как импульсная система для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.14 - сечение теплообменника по фиг.13.

Фиг.15 - гофрированный теплообменник, выполненный в виде импульсной системы для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.16 - сечение шайб из фольги, скрепленных для образования трубки для хладагента.

Фиг.17 - сечение шайб из фольги, прикрепленных к прямой трубке для образования трубки для хладагента.

Фиг.18 - другой тип гофрированного теплообменника, выполненного как импульсная система для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.19 - другой тип гофрированного теплообменника, выполненного как импульсная система для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.20 - импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда, выполненное как трубчатый ледогенератор по варианту настоящего изобретения.

Фиг.21 - импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда, выполненное как трубчатый ледогенератор по варианту настоящего изобретения.

Фиг.22 - часть трубчатого ледогенератора по фиг.20.

Фиг.23 - часть трубчатого ледогенератора по фиг.21.

Фиг.24 - сечение импульсного электротермического устройства для отсоединения льда, выполненного как трубчатый ледогенератор по варианту настоящего изобретения.

Фиг.25 - более детальный вид варианта части трубчатого ледогенератора по фиг.24.

Фиг.26 - сечение трубчатого ледогенератора по фиг.24.

Фиг.27 - сечение иллюстративного импульсного электротермического устройства для отсоединения льда, выполненного как ледогенератор по варианту настоящего изобретения.

Фиг.28 - более детальный вид устройства по фиг.27.

Фиг.29 - сечение иллюстративного импульсного электротермического устройства для отсоединения льда, выполненного как ледогенератор по варианту настоящего изобретения.

Фиг.30 - более детальный вид устройства по фиг.29.

Фиг.31 - схематический вид элементов морозильной установки, содержащей аккумулятор теплоты для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.32 - сечение плиты испарителя, показанной на фиг.31.

Фиг.33 - схематический вид элементов морозильной установки, содержащей аккумулятор теплоты для отсоединения льда по варианту настоящего изобретения.

Фиг.34 - теплоаккумулирующее устройство для отсоединения льда.

Фиг.35 - блок-схема процесса эксплуатации морозильного устройства, в котором применяется сбор льда с аккумулированием теплоты.

Подробное описание чертежей.

Теплообменники служат для переноса теплоты между тепловыми массами. В теплообменниках одной конструкции рядом с поверхностями теплообменника циркулирует воздух, который охлаждается циркулирующим хладагентом; воздух отдает теплоту хладагенту. Когда температура хладагента достаточно низка, на поверхностях может образоваться лед, ухудшающий теплообмен между поверхностями и воздухом. Такой лед желательно удалить с минимумом дополнительной теплоты, поскольку нагреваемую поверхность вновь требуется охладить, чтобы возобновить теплообмен с воздухом.

На фиг.1 схематически показано импульсное электротермическое устройство 20 для отсоединения льда. Устройство 20 содержит нагреватель 10 и выключатель 12, который управляет подачей электроэнергии от источника 14 питания к нагревателю 10. В других вариантах источник питания может быть частью устройства 20. Устройство 20 предназначено для отсоединения льда от одной или более поверхности, как более подробно описано ниже. В настоящем описании термин "отсоединение" может означать отсоединение льда от одной или более поверхности путем таяния по меньшей мере граничного слоя льда или он может означать полное таяние и/или испарение льда.

На фиг.2А показана часть А импульсного электротермического устройства 20 (см. фиг.3, фиг.4) для отсоединения льда. Холодильное устройство (не показано), содержащее устройство 20, обеспечивает протекание хладагента 8 по трубке 4. Охлаждающее ребро 2 находится в тепловом контакте с трубкой 4 для содействия теплообмену. На поверхностях трубки 4 и/или ребра 2 из водяного пара может конденсироваться лед 6(1). Лед 6(1) ухудшает теплообмен. Устройство 20 периодически отсоединяет лед 6(1) от поверхностей трубки 4 и/или ребра 2, тем самым повышая эффективность охлаждения. На фиг.2В показана часть А после отсоединения льда от трубки 4 и ребра 2.

На фиг.3 показано импульсное электротермическое устройство 20(1) для отсоединения льда. Фиг.3 может быть не в масштабе. Хладагент 8 (см. фиг.2А, 2В) течет по трубкам 4(1) для хладагента; охлаждающие ребра 2(1), находящиеся в тепловом контакте с трубками 4(1), способствуют переносу теплоты в хладагент. Трубки 4(1) для хладагента и охлаждающие ребра 2(1) могут быть выполнены, например, из меди, алюминия и сплавов на их основе. Позицией А обозначена часть А, показанная на фиг.2А и 2В. Лед 6(1) (см. фиг.2А, 2В) может нарастать и на трубках 4(1) для хладагента и на охлаждающих ребрах 2(1). В устройстве 20(1) ребра 2(1) являются примером нагревателя 10 по фиг.1. На фиг.3 позицией 2(1) обозначены лишь несколько ребер для упрощения иллюстрации. Ребра 2(1) являются электропроводными и соединены змейкой, как показано на чертеже, между выключателями 12(1) и 12(2) и землей 16. Трубки 4(1) могут быть из изолирующего или электропроводного материала, но если трубки 4(1) выполнены из электропроводного материала, они по существу электрически изолированы от ребер 2(1). Электрическую изоляцию между трубками 4(1) и ребрами 2(1) можно обеспечить, например, поместив материал, например оксид металла (т.е., анодированное покрытие), полимер, композитный материал и/или другой диэлектрик, между трубками 4(1) и ребрами 2(1). Ребра 2(1) образуют секции 7(1) и 7(2) нагревателя.

Когда необходимо отсоединить лед, выключатели 12(1) и/или 12(2) закрывают, подавая электроэнергию, присутствующую на клеммах 18(1) и 18(2) соответственно на секции 7(1) и/или 7(2) нагревателя. Электроэнергия на ребрах 2(1) генерирует теплоту, отсоединяя лед 6(1). В устройстве 20(1) трубки 4(1) нагреваются не непосредственно (т.е. электричеством), но лед отсоединяется от трубок 4(1), поскольку трубки 4(1) нагреваются через тепловой контакт с ребрами 2(1). Расположение ребер 2(1) в виде двух секций 7(1) и 7(2) нагревателя приведено только для примера. Следует понимать, что в других вариантах ребра могут быть расположены в виде единственной секции нагревателя или в виде более чем двух секций нагревателя.

Холодильное устройство, содержащее импульсное электротермическое устройство 20(1) для отсоединения льда, может откачивать хладагент 8 из трубок 4(1) перед отсоединением льда путем перекрытия клапана, соединенного с источником хладагента, но оставляя включенным охлаждающий компрессор. Удаление хладагента из трубок 4(1) перед отсоединением льда может быть полезным, поскольку теплота, генерируемая во время отсоединения льда, воздействует только на тепловую массу трубок 4(1) и ребер 2(1) и теплота не теряется на нагрев хладагента. Отсутствие необходимости нагревать хладагент ускоряет отсоединение льда и уменьшает количество теплоты, которое нужно затратить на это, тем самым уменьшая мощность, необходимую для повторного охлаждения хладагента, когда охлаждение возобновится.

Понятно, что другие процессы, проходящие в холодильном или морозильном устройстве, использующем устройство 20(1), могут координироваться с отсоединением льда. Например, если в холодильном или морозильном устройстве используются вентиляторы для переноса теплоты на устройство 20(1), эти вентиляторы могут отключаться во время отсоединения льда. Если отдельные вентиляторы расположены рядом с секциями (например, секциями 7(1) или 7(2)), на которых производится отсоединение льда, то вентиляторы, расположенные рядом с секциями, на которых производится отсоединение льда, могут отключаться, а остальные вентиляторы могут продолжать работать.

На фиг.4 показано импульсное электротермическое устройство 20(2) для отсоединения льда. Фиг.4 может быть не в масштабе. Хладагент 8 (см. фиг.2А, 2В) течет по трубке 4(2) для хладагента; охлаждающие ребра 2(2), находящиеся в тепловом контакте с трубкой 4(1), способствуют переносу теплоты в хладагент. Для упрощения иллюстрации на фиг.4 лишь несколько ребер обозначено позицией 2(2). Трубка 4(2) для хладагента и охлаждающие ребра 2(2) могут быть выполнены, например, из меди, алюминия и сплавов на их основе. Позицией А обозначена часть А, показанная на фиг.2А и 2В. Лед 6(1) (см. фиг.2А, 2В) может нарастать и на трубке 4(2) для хладагента и на охлаждающих ребрах 2(2). В устройстве 20(2) примером нагревателя 10 по фиг.1 является трубка 4(2). Трубка 4(2) включена между выключателями 12(3), 12(4) и 12(5) и землей 16. Ребра 2(2) могут быть выполнены из изолирующего или электропроводного материала, но если они выполнены из электропроводного материала, ребра 2(2) по существу электрически изолированы от трубки 4(2). Электрическую изоляцию между трубкой 4(2) и ребрами 2(1) можно обеспечить, например, поместив материал, например оксид металла (т.е., анодированное покрытие), полимер, композитный материал и/или другой диэлектрик, между трубками 4(1) и ребрами 2(1). Трубка 4(2) образует секции 7(3), 7(4) и 7(5) нагревателя.

Когда необходимо отсоединить лед, выключатели 12(3), 12(4) и/или 12(5) закрывают, подавая электроэнергию, присутствующую на клемме 18(3), на секции 7(3), 7(4) и/или 7(5) нагревателя, соответственно. Электроэнергия генерирует теплоту в трубке 4(2), отсоединяя лед 6(1). В устройстве 20(2) ребра нагреваются не непосредственно (т.е. электричеством), но лед отсоединяется от ребер 2(2), поскольку ребра 2(2) находятся в тепловом контакте с трубкой 4(2). Конфигурация трубки 4(2) в виде трех секций 7(3), 7(4) и 7(5) нагревателя приведена лишь для примера, следует понимать, что в других вариантах трубка может иметь больше или меньше чем три секции нагревателя.

Как и в устройстве 20(1), описанном выше, холодильное устройство, которое содержит устройство 20(2), может откачивать хладагент 8 перед отсоединением льда, чтобы не тратить теплоту на нагрев хладагента. В одном варианте, поскольку трубка 4(2) разделена на секции 7(3), 7(4) и 7(5), можно установить клапаны и трубки, которые позволят хладагенту продолжать течь через те секции, которые не размораживаются, и изолировать размораживаемые секции и/или откачать из них хладагент. Понятно, что другие функции холодильного или морозильного устройства, в котором применяется устройство 20(2) (например, вентиляторы, описанные выше в связи с устройством 20(1)) могут быть скоординированы с отсоединением льда.

В другом варианте устройство 20(2) может отсоединять лед по секциям так, что порядок этих секций "следует" за движением хладагента по трубке 4(2). Например, в варианте по фиг.4, хладагент может нормально последовательно двигаться через секции 7(3), 7(4) и 7(5). Скорость, с которой хладагент движется по трубке 4(2) можно определить из конструкции холодильного устройства, которое содержит устройство 20(2). В то время как хладагент нормально течет по трубке 4(2), устройство 20(2) может подавать первый импульс электроэнергии на секцию 7(3). Длительность первого импульса достаточна для отсоединения льда от секции 7(3). Хладагент в секции 7(3) поглотит часть теплоты, сгенерированной первым импульсом. Затем, устройство 20(2) может подать второй импульс электроэнергии на секцию 7(4) после задержки, которая определяется исходя из известной скорости, с которой хладагент течет по трубке 4(2). Поэтому хладагент, который находился в секции 7(3) во время первого импульса, во время второго импульса находится в секции 7(4). Теплота, поглощенная хладагентом в секции 7(3) во время первого импульса, помогает нагреть секцию 7(4) во время второго импульса и может позволить сократить длительность второго импульса, которая необходима для отсоединения льда от секции 7(4). Устройство 20(2) может затем подать третий импульс электроэнергии на секцию 7(5) после задержки, определенной исходя из известной скорости движения хладагента по трубке 4(2). Поэтому хладагент, который находился в секции 7(4) во время второго импульса, во время третьего импульса находится в секции 7(5). Теплота, поглощенная хладагентом в секциях 7(3) и 7(4) во время первого и второго импульсов, помогает нагреть секцию 7(5) во время третьего импульса и может позволить сократить длительность второго импульса, которая необходима для отсоединения льда от секции 7(5). Понятно, что шаги описанного способа могут повторяться для любого количества секций, по которым последовательно течет хладагент.

На фиг.5 показано импульсное электротермическое устройство 20(3) для отсоединения льда. Фиг 5. может быть не в масштабе. Хладагент 8 (см. фиг.2А, фиг. 2В) проходит по трубке 4(3) для хладагента. Охлаждающие ребра 2(3), находящиеся в тепловом контакте с трубкой 4(3), способствуют переносу теплоты в хладагент. На фиг.5 лишь несколько ребер обозначены позицией 2(3) для упрощения иллюстрации. Трубка 4(3) для хладагента и охлаждающие ребра 2(3) могут быть выполнены, например, из меди, алюминия и сплавов на их основе. Позицией А обозначена часть А, показанная на фиг.2А и 2В. Лед 6(1) (см. фиг.2А, 2В) может нарастать и на трубке 4(3) для хладагента и на охлаждающих ребрах 2(3). В устройстве 20(3) примером нагревателя 10 по фиг.1 является трубка 4(3). Трубка 4(3) включена между выключателями 12(6), 12(7) и 12(8) и землей 16 для формирования секций 7(6), 7(7) и 7(8) нагревателя. Ребра 2(3) могут быть выполнены из изолирующего или электропроводного материала, но если они выполнены из электропроводного материала, ребра 2(3) могут быть электрически соединены с трубкой 4(3), но ребра 2(3) соединены только с общей секцией нагревателя и, следовательно расположены по существу в эквипотенциальных точках в секции нагревателя. При необходимости отсоединить лед выключатели 12(6), 12(7) и/или 12(8) закрывают, подавая электроэнергию, которая присутствует на клемме 18(4), соответственно на секции 7(6), 7(7) и/или 7(8) нагревателя. Электроэнергия генерирует теплоту в трубке 4(3), отсоединяя лед. В устройстве 20(3) электрическое нагревание ребер 2(3) может происходить лишь попутно, поскольку через ребра 2(3) проходит немного электроэнергии, даже если они выполнены из электропроводного материала и соединены с трубкой 4(3). Лед на ребрах 2(3) отсоединяется (т.е. или рыхлится, или полностью тает и/или испаряется, как описано со ссылками на фиг.1) в первую очередь потому, что ребра 2(3) нагреваются в результате теплового контакта с трубкой 4(3). Форма трубки 4(3) в виде трех секций 7(6), 7(7) и 7(8) приведена лишь для примера. Понятно, что в других вариантах трубка может иметь большее или меньшее количество секций нагревателя.

Как и холодильные устройства, содержащие устройства 20(1) и 20(2), холодильное устройство, содержащее устройство 20(3), может откачивать хладагент перед отсоединением льда во избежание потерь теплоты на нагрев хладагента. Альтернативно, поскольку секции 7(6), 7(7) и 7(8) образованы как секции трубки 4(3), можно использовать клапаны и трубки, позволяющие хладагенту течь по секциям, которые не подвергаются размораживанию и которые изолируют или откачивают хладагент из тех секций, которые подвергаются размораживанию. Другие функции, используемые в холодильном или морозильном устройстве, в котором применяется устройство 20(3) (такие как вентиляторы, описанные выше со ссылками на устройства 20(1) и 20(2)), могут координироваться с отсоединением льда. Отсоединение льда может выполняться на последовательных секциях так, что отсоединение льда "следует" за хладагентом по секциям, как описано выше со ссылками на устройство 20(2).

Пример 1

Было построено и испытано импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда, содержащее единственную трубку длиной один метр. Трубка была выполнена из меди, имела внешний диаметр 1 см и электрическое сопротивление 1,4 мОм. Устройство содержало 200 алюминиевых ребер, каждое из которых имело толщину 0,19 мм и площадь 4×4 см. Ребра были разнесены по трубке на расстояние 4 мм друг от друга. Холодный гликоль при температуре Т=-10°С пропускался по трубке, охлаждая ее и вызывая образование инея на трубке и ребрах. Импульс электрического тока с напряжением 1,2 В и с током 1000 А длительностью 4-5 секунды отсоединил (в данном случае оттаял) весь иней, который сформировался на устройстве.

На фиг.6 показана блок-схема процесса 30 по отсоединению льда от трубок для хладагента и/или ребер холодильного устройства. Процесс 30 может выполняться, например, любым из импульсных электротермических устройств 20(1)-20(3) для отсоединения льда. На шаге 32 холодильное устройство работает в режиме охлаждения. Хладагент при низкой температуре циркулирует по трубкам для хладагента, охлаждая трубки и/или ребра. Теплота (например, теплота от охлаждаемых предметов или теплота, которая диффундирует сквозь стенки или протекает сквозь отверстия в устройстве) переносится из холодильного устройства на трубки и/или ребра. Водяной пар из воздуха, находящегося в холодильном устройстве, может конденсироваться на трубках для хладагента и/или на ребрах в форме льда. На шаге 34 нормальный охлаждающий режим прерывают для отсоединения льда. Шаг 34 является предпочтительным и в некоторых холодильных устройствах может не применяться. Например, шаг 34 может быть опущен в устройствах, в которых желательно продолжать охлаждение некоторых секций, пока другие секции размораживаются. На шаге 36 на первую секцию, подлежащую размораживанию, подают импульс электроэнергии через трубки для хладагента и/или охлаждающие ребра для отсоединения (например, рыхления, таяния или испарения) скопившегося на них льда. Примером шага 36 является отсоединение льда, скопившегося на любой из секций 7(1)-7(8) включительно, путем закрывания соответствующих выключателей 12(1)-12(8). На шаге 38 определяют, завершено ли отсоединение льда или нужно разморозить дополнительные секции трубок для хладагента и/или ребер. Если отсоединение льда завершено, способ 30 возобновляется в нормальном режиме работы на шаге 32. Если нужно разморозить дополнительные секции, на предпочтительном шаге 38 вводят задержку, позволяющую хладагенту, который поглотил теплоту при размораживании одной секции, перетечь в следующую секцию и на шаге 40 размораживают следующую секцию, после чего способ 30 возвращается на шаг 38 для повторения определения завершения отсоединения льда.

На фиг.7 показан вариант теплообменника 600, содержащего набор узлов 620, состоящих из трубки и ребер, при этом каждый узел 620 состоит из ребер 604 установленных на трубку 606, как показано на чертеже. При нормальной работе охлаждаемый газ течет в направлении, показанном стрелкой 614, а хладагент течет по трубкам 606 в направлении, показанном стрелками 612. Каждая трубка соединена с источником питания 608 через выключатель 610 так, что когда выключатель 610 закрыт, ток течет по трубке 606 для генерирования теплоты, тем самым удаляя лед с теплообменника 600. На фиг.7 для упрощения иллюстрации электрическое соединение показано только для одной трубки 606. Когда по трубкам 606 проходит короткий импульс тока, в стенках трубок 606 возникает джоулева теплота. Поскольку тепловое сопротивление между трубкой 606 и ребрами 604 очень мало, теплота с высокой скоростью диффундирует в ребра 604. Таким образом, джоулева теплота, генерируемая в трубках 606, быстро распространяется в ребра 604, вызывая таяние льда и/или инея, наросшего на теплообменнике 600.

На фиг.8 показано сечение одного узла 620 по фиг.7, состоящего из трубки и ребер. Нижеследующий пример иллюстрирует скорость диффузии теплоты. Длина L_D диффузии теплоты в некотором материале составляет:

(равенство 15)

где

(равенство 16)

где t - время, - коэффициент термодиффузии материала, k - коэффициент теплопроводности материала, - плотность материала, а C_P - теплоемкость материала.

На фиг.9 приведена диаграмма, иллюстрирующая длину рассеяния теплоты (м) во времени (с) для чистого алюминия при комнатной температуре. В частности, на фиг.9 показано, что теплота распространяется в алюминии на 1,8 см за одну секунду и на 3,9 см за пять секунд. Таким образом, эта длина рассеяния достаточна для того, чтобы теплота, генерируемая внутри трубки 606, могла нагреть ребро 604 (если ребро имеет типичный размер) примерно за одну секунду.

Этот вариант может использоваться с различными теплообменниками, применяемыми в настоящее время в холодильной технике. Например, форма ребер 604 может быть одной или более из следующих: кольцевая, квадратная, штыревая и пр. Ребра 604 и трубки 606 могут быть выполнены из одного или более из следующих материалов: алюминий, медь, нержавеющая сталь, электропроводные полимеры или другие сплавы. Трубки из нержавеющей стали, например, можно использовать для улучшения резистивного нагрева, поскольку нержавеющая сталь имеет относительно высокое электрическое сопротивление. Можно использовать и другие металлы и сплавы.

Источником 608 питания может быть любой источник постоянного или переменного тока достаточной мощности. В некоторых вариантах источник 608 питания является низковольтным, с большой силой тока. Например, источником 608 питания может быть один или более из следующих: аккумулятор, батарея конденсаторов сверхвысокой емкости, понижающий трансформатор, электронный понижающий трансформатор и пр. В одном варианте источник 608 питания производит ток высокой частоты, что дает преимущества, поскольку электрическое сопротивление трубок 606 при пропускании тока высокой частоты может расти из-за скин-эффекта.

Для более равномерного электрического нагревания ребра 604 могут быть электрически изолированы от трубок 606, в то же время сохраняя хороший тепловой контакт с этими трубками 606. Например, тонкий поверхностный слой анодированного алюминия, тонкий слой полимера или эпоксидный клей могут обеспечить такую тонкую электрическую изоляцию.

Как показано в вышеприведенном примере, такой импульсный нагрев ограничивает потери теплоты из-за конвективного теплообмена с жидким хладагентом в основной трубке и с воздухом на внешней поверхности теплообменника. Минимизация таких потерь теплоты сокращает потребности в средней мощности и позволяет производить удаление льда и размораживание без отключения теплообменника 600 (т.е. без отключения морозильной камеры, холодильника или кондиционера воздуха). При достаточно частой подаче нагревающего импульса тонкие слои льда или инея, нарастающие на ребрах и внешних поверхностях трубки, тают, поддерживая поверхности теплообменника по существу свободными ото льда и инея.

Рассмотрим теплообменник 600 по фиг.7, выполненный из алюминия и имеющий типовые размеры: трубка 606 с внутренним диаметром 1 см, толщина стенки трубки 0,30 см, диаметр ребер 604-36 мм, толщина ребра 604-0,5 мм и расстояние между ребрами 4 мм. Такой теплообменник имеет массу приблизительно 330 г/м (на метр длины трубки 606) и общую площадь поверхности (ребра 604 + внешняя поверхность трубки) 0,47 м²/м (квадратных метров на метр длины трубки). Предположим, что температура хладагента внутри трубки составляет -18°С, скорость конвективного теплообмена на внешней поверхности трубки 606 составляет 1000

Вт/(м²·K), температура окружающего воздуха равна +5°С и коэффициент конвективного теплообмена между воздухом и внешней поверхностью теплообменника 600 составляет 65 Вт/(м ²·K).

Как показано на фиг.10, если к трубке 606 приложить электрическое поле 3 В/м, поверхность алюминия нагреется до температуры выше 0°С менее чем за 1,4 с. Когда температура алюминия превышает 0^оС, любой лед или иней, образовавшиеся на алюминии, начинают таять.

Поз.	Символ	Величина
Длина трубки	L	1 м
Внутренний диаметр трубки	ri	4,85 мм
Внешний диаметр трубки	ro	5 мм
Внешний диаметр ребра	rt	36 мм
Толщина ребра	r f	500 мкм
Расстояние между ребрами		4 мм
Площадь внутренней поверхности трубки	Ai	0,03 м2
Площадь контакта с воздухом	Ao	0,47 м2
Объем алюминия	V Al	1,221·10 -4м3
Теплопроводность алюминия	kAl	200 Вт/(м2·K)
Плотность алюминия	Al	2700 кг/м3
Теплоемкость алюминия	CAl	0,95·103 Дж/(кг·К)
Температуропроводность алюминия	DAl	k Al/( Al·CAl)
Общая теплоемкость теплообменника	Ct	Al·CAl·VAl

Граничные условия

Поз.	Символ	Величина
Коэффициент конвективного теплопереноса на внутренней поверхности трубки	hf	1000 Вт/(м2·K)
Средний коэффициент конвективного теплообмена на внешней поверхности теплообменника	h air	65 Вт/(м 2·K)
Температура хладагента	Tf	-18°C
Температура воздуха	Tair	5°C
Число Био в задаче	Bi	hf(rt-ri)/kAl=0,066
Средняя начальная температура алюминия	TAl	-6,488°C

Электрические параметры

Поз.	Символ	Величина
Удельное сопротивление алюминия	e	2,5·10-8Ом·м
Электрическое сопротивление трубки	Re	5,386·10 -3Ом·м
Диапазон напряжений, приложенных к трубке	V	Переменный
Скорость резистивного генерирования теплоты	W(V)	V2 /Re Вт
Временной диапазон	t	Переменный
Температура теплообменника во время импульсного нагревания при отключенном теплообменнике	T shutdown (V,t)
Температура теплообменника во время импульсного нагревания при работающем теплообменнике	Tuninterrupted(V,t)

Температура теплообменника во время импульсного нагревания при отключенном теплообменнике определяется равенством:

а температура теплообменника во время импульсного нагревания при работающем без перерывов теплообменнике определяется равенством:

где

и

На фиг.10 показана диаграмма, иллюстрирующая смоделированное отношение температуры и времени для теплообменника 600 по приведенным выше исходным данным, при подаче нагревающего импульса во время работы и при подаче нагревающего импульса при выключенных насосе хладагента и вентиляторах. В частности, на фиг. 10 показано, что размораживание можно успешно проводить без отключения насоса хладагента или вентиляторов, поскольку при непрерывающейся работе иней начинает таять менее чем через 1,4 с. В этом примере подавалось напряжение 3 В на однометровую секцию трубки теплообменника (например, трубки 606), генерируя 1,671 кВт нагревающей мощности. При напряжении 3 В трубка проводит ток 557,004 А.

На фиг.11 приведен вид в перспективе теплообменника 650, выполненного как импульсная система для отсоединения льда. Теплообменник 650 может быть выполнен, например, из металла или электро- и теплопроводного полимера. Поверхности 654(1) и 654(2) охлаждаются циркулирующим хладагентом. Воздух циркулирует в направлении, показанном стрелками 662, огибая охлаждающие поверхности 562, 656(1) и 656(2) и соответствующие охлаждающие поверхности, расположенные напротив поверхности 652 и поверхности 654(2), которые на этом виде скрыты. Теплота переходит из воздуха в охлаждающие поверхности теплообменника, а затем переходит в хладагент. На охлаждающих поверхностях может образовываться лед. К одной или более из охлаждающих поверхностей, например, к поверхности 652, может быть прикреплен тонкопленочный детектор льда для определения наличия льда и/или инея, который может измерять толщину льда или инея. Верхняя поверхность 658 и нижняя поверхность 660 имеют теплоизоляцию, поэтому на них лед не образуется.

На фиг.12 оказан вид сверху теплообменника 650 с наросшим льдом 6(2) и с соединениями с источником 664 питания и выключателем 666. При работе теплообменник охлаждает воздух и может накапливать лед 6(2). Затем выключатель 666 закрывается, посылая нагревающий импульс электрического тока через теплообменник 650. Мощностью и длительностью импульса можно управлять для оттаивания поверхности раздела лед/объект, пока существенное количество теплоты не распространится в лед 6(2) и в охлаждающие поверхности теплообменника 650. Если теплообменник 650 ориентирован вертикально (например, как показано на фиг.11 и 12), сила тяжести заставит лед 6(2) соскользнуть с теплообменника 650 после подачи нагревающего импульса.

На фиг.13 показан теплообменник 670, выполненный как импульсная система для отсоединения льда. Теплообменник 670 образует воздушные каналы 672, в которых теплота переходит из воздуха, который входит в теплообменник через впускное отверстие 674 и выходит из теплообменника через выпускное отверстие 676. Штриховыми линиями F14-F14 показана верхняя сторона поперечной плоскости, сечение которой показано на фиг.14.

На фиг.14 приведено сечение теплообменника 670 в плоскости, проходящей вертикально вниз от штриховой линии F14-F14 на фиг.13. Воздух течет через теплообменник 670 в направлении, показанном стрелками 680. Охлаждающие поверхности 673 образуют стороны воздушных каналов 672, а слой теплоизоляции изолирует верхнюю и нижнюю части каждого воздушного канала 672, как показано на чертеже. Каждая охлаждающая поверхность 673 соединена с источником 682 питания через выключатель 684 (для упрощения иллюстрации подключенной показана только одна охлаждающая поверхность 673).

При работе теплообменник 670 охлаждает воздух и может накапливать лед 6(3) на охлаждающих поверхностях 673. Затем можно закрыть выключатель 684, посылая нагревающий импульс электрического тока через каждую охлаждающую поверхность 673, управляя мощностью и продолжительностью этого импульса для оттаивания поверхности раздела лед/объект, пока существенное количество теплоты не распространится в лед 6(3), в хладагент и в охлаждающие поверхности 673. Если теплообменник 670 ориентирован вертикально (например, как показано на фиг.13 и 14), то сила тяжести заставит лед 6(3) соскользнуть с охлаждающей поверхности 673 после подачи нагревающего импульса.

Следует понимать, что в объем настоящего изобретения входят модификации теплообменников 650 и 670. Например, охлаждающие поверхности теплообменника 650 могут иметь форму, отличающуюся от показанной на фиг.11 и 12. Хладагент может течь по трубкам или каналам теплообменника 650. Вместо подсоединения охлаждающих поверхностей к источнику питания на диэлектрическом слое, примыкающем к охлаждающим поверхностям теплообменников 650 и 670, можно установить нагревательную фольгу или пленку. Пространства между нагревающей фольгой или пленкой и охлаждающей поверхностью могут быть уплотнены, и эти пространства могут поочередно вакуумироваться, чтобы привести нагревающую фольгу или пленку в тепловой контакт с охлаждающей поверхностью, и вновь заполняться средой под давлением, чтобы создать воздушный зазор между нагревающей фольгой или пленкой и охлаждающей поверхностью во время отсоединения льда. Охлаждающие поверхности могут формировать секции (например, как теплообменники 20(1), 20(2), 20(3)), которые могут образовывать электрические соединения с выключателями и источниками питания так, чтобы не все секции получали нагревающий импульс в данное время.

На фиг.15 показано схематическое сечение гофрированного теплообменника 700, выполненного как импульсная система для отсоединения льда. В теплообменнике 700 хладагент 706 (фреон или другая жидкость) протекает по трубке 702, имеющей охлаждающие ребра 704, которые образуют теплообменные поверхности, осуществляя теплообмен с окружающим воздухом. Хотя трубка 702 показана содержащей хладагент внутри ребер 704, в некоторых вариантах теплообменные поверхности трубки для хладагента могут отходить вбок от прямой трубки или трубы (см. например, фиг.17). В других вариантах трубка или труба может иметь форму змейки или зигзага для образования теплообменных поверхностей (см. например, фиг.19). Лед 6(4), который может образоваться на охлаждающих ребрах 704, можно удалить импульсным противообледенительным воздействием. Источник 710 питания посылает нагревающий импульс электрического тока через теплообменник 700, когда выключатель 708 закрывается. Нагревающий импульс приводит к таянию по меньшей мере граничной области лед/объект, сформировавшейся между ребрами 704 и льдом 6(4). Кроме того, нагревающий импульс может вызвать таяние всего льда 6(4). Типичная плотность нагревания на единицу площади может составлять от приблизительно 5 кВт/м ² до приблизительно 100 кВт/м². Величина тока и длительность импульса могут регулироваться в зависимости от температуры, расхода и свойств хладагента (например, плотности, теплоемкости и теплопроводности). Типичная длительность импульса может составлять от 0,1 до 10 с. Источником 710 питания может быть обычная сетевая розетка или источник питания постоянного тока, например, аккумулятор, конденсатор или конденсатор сверхвысокой емкости. Выключателем 708 может быть выключатель полупроводникового типа (например, силовой канальный полевой униполярный МОП-транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором, тиристор и пр.), механический выключатель, электромагнитный выключатель или любая комбинация вышеперечисленных выключателей. Твердый лед 6(4), остающийся после подачи нагревающего импульса, можно удалить под воздействием силы тяжести (например, лед 6(4) может соскользнуть с ребер 704) или механическим воздействием, например, соскабливанием встряхиванием или обдувом воздухом теплообменника 700. Встряхивание может обеспечить факультативный небольшой дополнительный электродвигатель 712 и коленчатый вал 714, факультативный электромагнитный вибратор 716 или, например, колебания давления хладагента 706.

На фиг.16 показано сечение шайб 722 из фольги, скрепленных в форме трубки 720 для хладагента. Трубка 720 может использоваться, например, как трубка 702 для хладагента (см. фиг.15). Шайбы 722 из фольги могут, например, быть выполнены из нержавеющей стали толщиной 4 мил, иметь внутренний диаметр 1 дюйм и внешний диаметр 3 дюйма и спаяны или сварены точечной сваркой по внешним кромкам 724 и внутренним кромкам 726. Каждая шайба 722, таким образом, образует теплообменную поверхность (т.е. пара шайб образует одно охлаждающее ребро 704, фиг.15).

На фиг.17 показано сечение шайб 732 из фольги прикрепленных к прямой трубе 734 для формирования трубки 730 для хладагента. Трубка 730 для хладагента может использоваться, например, как трубка 702 для хладагента (см. фиг.15) Шайбы 732 из фольги могут, например, быть выполнены из нержавеющей стали толщиной 4 мил, иметь внутренний диаметр 1 дюйм и внешний диаметр 3 дюйма и спаяны или сварены точечной сваркой по внешним кромкам 736 и внутренним кромкам 738. Шайбы 732 также могут быть приварены или припаяны к трубке 734. Каждая пара шайб 732, таким образом, образует охлаждающее ребро (например, охлаждающее ребро 704, фиг.15). Относительную толщину стенок трубки 734 и шайб 732 можно подбирать так, чтобы они имели одинаковую плотность нагревающей мощности W при подаче импульса тока, как показано на фиг.15.

На фиг.18 показан другой тип гофрированного теплообменника 740, выполненного как импульсная система для отсоединения льда. Теплообменник 740 имеет трубку 742 для хладагента с охлаждающими ребрами 744, через которые осуществляется теплообмен с окружающим воздухом. Лед 6(5), который может формироваться на охлаждающих ребрах 744, можно удалять импульсным электротермическим отсоединением, которое для теплообменника 740 работает так же, как и для теплообменника 720. Источник питания 746 посылает нагревающий импульс электрического тока, когда выключатель 748 закрыт. Нагревающий импульс приводит к оттаиванию по меньшей мере граничной области лед/объект, сформированной между ребрами 744 и льдом 6(5), при этом нагревающий импульс может привести к полному таянию или испарению льда 6(5).

На фиг.19 показан другой гофрированный теплообменник 760, выполненный как импульсная система для отсоединения льда. Теплообменник 760 имеет трубку 762 для хладагента, через которую осуществляется теплообмен с окружающим воздухом. Трубка 762 проходит змеевидно, и хладагент течет через изгибы 764 трубки 762 для увеличения площади поверхности, через которую осуществляется теплообмен. Лед (не показан), который может образоваться на трубке 762 для хладагента, можно удалить импульсным электротермическим отсоединением. Источник 766 питания посылает нагревающий импульс электрического тока через теплообменник 760, когда выключатель 768 закрыт. Нагревающий импульс приводит к оттаиванию по меньшей мере граничной области лед/объект, сформированной между ребрами 764 и льдом. Нагревающий импульс также может привести к таянию всего льда.

Следует понимать, что модификации теплообменников 730, 740 и 760 входят в объем настоящего изобретения. Например, формы теплообменных поверхностей теплообменников 730, 740 и 760 могут отличаться от показанных на фиг.17, 18 и 19. Вместо подсоединения трубок охлаждающих ребер к источнику питания на диэлектрическом слое, примыкающем к таким поверхностям, можно установить нагревательную фольгу или пленку. Пространства между нагревающей фольгой или пленкой и охлаждающей поверхностью могут быть уплотнены, и эти пространства могут поочередно вакуумироваться, чтобы привести нагревающую фольгу или пленку в тепловой контакт с охлаждающей поверхностью, и вновь заполняться средой под давлением, чтобы создать воздушный зазор между нагревающей фольгой или пленкой и охлаждающей поверхностью во время отсоединения льда. Охлаждающие поверхности могут формировать секции, описанные выше, которые могут образовывать электрические соединения с выключателями и источниками питания так, чтобы не все секции получали нагревающий импульс в данное время.

При импульсном нагревании тонкостенных металлических трубок и фольги можно преимущественно использовать низкое напряжение (1-24 В) и большие токи (сотни и тысячи ампер). Когда предпочтительно использовать непосредственно более высокое напряжение (например, 120 В или 240 В переменного тока), преимущества дает более высокое электрическое сопротивление. Более высокое сопротивление можно получить, отделив проводящую пленку нагревателя от охлаждающей трубки. Например, теплообменник с ребрами можно выполнить из анодированного алюминия и поверх (изолирующего) анодированного слоя нанести нагревательную пленку, имеющую высокое сопротивление. Такая нагревательная пленка может наноситься химическим осаждением из паровой газовой фазы, физическим осаждением из паровой газовой фазы, методом электролитического нанесения или окрашиванием.

На фиг.20 показано импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда, выполненное как трубчатый ледогенератор 100(1). Фиг.20 может быть не в масштабе. Часть трубчатого ледогенератора 100(1), обозначенная позицией В, более подробно показана на фиг.22. Ледогенератор 100(1) производит кольца льда 6(6), которые собирают импульсным электротермическим отсоединением, как будет дополнительно описано ниже. Труба 110(1) ледогенератора ориентирована вертикально в морозильном отделении (не показано). В одном варианте труба 110(1) имеет длину приблизительно 3-5 дюймов и внешний диаметр приблизительно 1 дюйм и толщину стенок приблизительно 10 мил. Труба 110(1) может быть выполнена, например, из нержавеющей стали, титанового сплава или композитного материала, например полимера, заполненного частицами и/или волокнами углерода, что придает материалу электропроводность. Распылительная головка 120 распыляет воду 130 на трубу 110(1). Набор теплопроводных ребер 140 отводит теплоту от трубы 130 через хладопроводы 150 в морозильное отделение, поэтому области нарастания льда (не обозначены на фиг.20, см. фиг.22) трубы 110(1) достигают температуры ниже точки замерзания воды. На фиг.20 показаны только два отводящих теплоту ребра 140, но вокруг трубы 110(1) может быть расположено больше или меньше ребер 140 для осуществления эффективного отвода теплоты. Хладопроводы 150 и отводящие теплоту ребра могут быть выполнены, например, из меди, алюминия или их сплавов.

На фиг.22 более подробно показана часть В трубчатого ледогенератора 100(1). Хладопроводы 150 по существу окружают трубу 110(1) и определяют соответствующие места 112(1) нарастания льда, которые проходят непрерывно вокруг внутренней поверхности трубы 110(1). Области 112(1) нарастания льда разделены участками 115(1) разделения льда. В областях 115(1) лед не нарастает. Области 115(1) разделения льда можно определить как участки, которые не примыкают к хладопроводам 150, или можно установить элементы 118, регулирующие температуру, которые повышают температуру в областях 115(1). Например, элементом 118, регулирующим температуру может быть изоляция, которая препятствует отводу теплоты от участков 118 к теплопроводным ребрам 140. Альтернативно, элементами, регулирующими температуру, могут быть нагреватели, которые повышают температуру в областях 115(1) разделения льда.

Возвращаясь к фиг.20, по мере того, как вода 130 течет по трубе 110(1), лед 6(6) нарастает рядом с хладопроводами 150. Лишняя вода 155, которая не замерзла, проходит через разделительный экран 160 в резервуар 170, где она добавляется к запасу имеющейся воды 190. Вода 130, которая замерзла, образуя лед 6(6), и не вернулась в резервуар 170, возмещается источником 220 воды через подающий клапан 230. Насос 200 в резервуаре 170 прокачивает воду 190 через трубу 205 к распылительной головке 120, чтобы начать описанный выше процесс. Можно использовать факультативный нагреватель 210, чтобы не дать воде 190 замерзнуть.

Кольца льда 6(6) собирают, закрыв выключатель 12(9) для подачи электроэнергии от источника 14(1) питания на трубу 110(1). На фиг. 20 показана шина 125, соединяющая верхний конец трубы 110(1) через выключатель 12(9) с одной стороной источника 14(1) питания, а нижний конец трубы 110(1) соединен с землей 16. Однако, понятно, что соединения с землей и источником питания могут быть реверсированы. В одном варианте, где труба 110(1) выполнена из нержавеющей стали толщиной приблизительно 10 мил, выключатель 12(9) замыкается приблизительно на одну секунду, подавая импульс электроэнергии от 1 до 6 В переменного тока с силой тока приблизительно 300 ампер. Электроэнергия, рассеивающаяся в трубе 110(1), повышает температуру трубы 110(1) выше точки замерзания воды так, что по меньшей мере граничный слой ледяных колец 6(6) тает и ледяные кольца отсоединяются (в данном случае, освобождаются) от трубы 110(1) и под воздействием силы тяжести смещаются вниз по трубе 110(1).

Следует понимать, что электрическое сопротивление трубы 110(1) можно выбрать таким, чтобы оно было совместимо с напряжением и отдаваемым током источника питания 14(1) и выключателя 12(9). Например, труба 110(1), которая имеет низкое электрическое сопротивление, может потребовать использования источника 14(1) питания и выключателя 12(9), рассчитанных на низкое напряжение и большой ток. В одном варианте электрическое сопротивление трубы 110 оптимизировано так, что источником 14(1) питания может служить коммерческая сеть напряжением 110-120 В или 220-240 В переменного тока.

Таким образом, труба 110(1) является примером нагревателя 10 по фиг.1. Разделительный экран 160 направляет ледяные кольца 6(6) в собирающий поддон 180, как готовые ледяные кольца 6(7).

Лед 6(6), наросший как описано выше, может выделять растворенный воздух и загрязнения в лишнюю воду 155, которая капает из трубы 110(1). Соответственно, ледяные кольца 6(6) и готовые ледяные кольца 6(7) могут иметь высокое качество и прозрачность. Растворенный воздух и загрязнения могут скапливаться в воде 190. Таким образом, ледогенератор 100(1) может иметь дренажное отверстие 240 и дренажный клапан 250 для периодического сливания по меньшей мере части воды 190. Слитая вода заменяется из источника 200. В альтернативном варианте (не показан) резервуар 170 и насос 200 отсутствуют. Источник 220 подает воду непосредственно на головку 120, а избыток воды просто сливается.

На фиг.21 показано импульсное электротермическое устройство для отсоединения льда, выполненное как трубчатый ледогенератор 100(2). Фиг.21 может быть не в масштабе. Часть трубчатого ледогенератора 100(2), обозначенная позицией С, более подробно показана на фиг.23. Ледогенератор 100(2) содержит некоторые элементы, которые идентичны соответствующим элементам ледогенератора 100(1) и поэтому обозначены теми же позициями. В трубчатом ледогенераторе 100(2) для охлаждения областей нарастания льда используются трубки 260(1) для хладагента (см. фиг.23). Трубки 260(1) для хладагента могут быть выполнены, например, из меди, алюминия или их сплавов. Слой 270 диэлектрика электрически изолирует трубу 110(2) от трубок 260(1) для хладагента, но оказывает минимальное влияние на перенос теплоты от трубы 110(2) на трубки 260(1). Слой 270 диэлектрика может быть сформирован, например, из полиимида или полимера, наполненного теплопроводными волокнами или порошком, волокнами или порошком окиси алюминия, стекловолокном или порошком нитрида бора. Когда вода 130 течет по трубе 110(2), рядом с трубками 260(1) нарастает лед 6(8). Ледяные кольца 6(8) собираются замыканием выключателя 12(9) для подачи электроэнергии от источника 14(1) питания на трубу 110(2), и разделительный экран 160 направляет ледяные кольца 6(8) как готовые ледяные кольца 6(9) так же, как и в системе ледогенератора 110(1).

На фиг.23 более подробно показана часть С трубчатого ледогенератора 100(2). По каждой трубке 260(1) для хладагента течет хладагент 290 и каждая трубка 260(1) имеет охлаждающий палец 280, который определяет соответствующую область 112(2) нарастания льда. Области 112(2) нарастания льда разделены разделительными областями 115(2), в которых лед не нарастает. Разделительные области 115(2) определены на фиг.23 как участки, которые не примыкают к хладопроводам 280. Однако следует понимать, что для повышения температуры трубы 110(2) в областях 115(2) можно использовать элементы 118, регулирующие температуру, так же, как показано на фиг.22.

На фиг.24 представлено сечение импульсного электротермического устройства для отсоединения льда, выполненного как трубчатый ледогенератор 100(3). Фиг.24 может быть не в масштабе. Часть D ледогенератора 100(3) более подробно показана на фиг.25. Поперечное сечение ледогенератора по штриховой линии F26-F26 на фиг.24, показано на фиг.26. Ледогенератор 100(3) содержит определенные элементы, которые идентичны соответствующим элементам трубчатых ледогенераторов 100(1) и 100(2) и поэтому обозначены теми же позициями. Ледогенератор 100(3) производит кольца льда 6(10) в каждой из множества производящих лед труб 110(3), установленных с теплопроводными ребрами 280 (для упрощения иллюстрации на фиг.24 позициями обозначена лишь часть теплопроводных ребер 280 и льда 6(10)). Трубы 110(3) могут быть сформированы из меди, алюминия или их сплавов. По трубкам 260(2) для хладагента циркулирует хладагент, который отводит теплоту от теплопроводных ребер 280 и от труб 110(3). Трубы 205 могут подавать воду 130 на распылительные головки 120, которые распыляют воду 130 на внутреннюю поверхность каждой трубы 110(3). Когда кольца льда 6(10) готовы для снятия, выключатель 12(10) подает импульс электроэнергии от источника 14(2) питания на каждую из шин 125 и, в свою очередь, через трубы 110(3) на землю 16. Теплота, генерируемая в каждой из труб 110(3) электроэнергией, приводит к таянию по меньшей мере граничного слой каждого ледяного кольца 6(10), отсоединяя ледяные кольца так, что они падают из труб 110(3). Понятно, что разделение незамерзшей воды от готового льда, сбор незамерзшей воды в резервуар, слив и пополнение резервуара, прокачка воды на распылительные головки 120 и определение готовности льда для сбора могут осуществляться так, как показано на фиг.20 и 21.

На фиг.25 более подробно показан один вариант части D трубчатого ледогенератора 100(3). Лед 6(10) нарастает, непосредственно примыкая к производящей лед трубе 110(3). Слой 295 диэлектрика расположен между трубой 110(3) и теплопроводным ребром 280. Слой 295 диэлектрика может быть выполнен, например, из полиимидной пленки, уложенной между слоями меди 290, которая выпускается фирмой DuPont. Альтернативно, слой 295 диэлектрика может содержать полимер, заполненный теплопроводными волокнами или порошком, например, волокнами или порошком окиси алюминия, стекловолокном или порошком нитрида бора. Медные слои 290 могут крепиться к трубе 110(3) и теплопроводному ребру 280 слоями 285 припоя. Например, труба 110(3) может быть подготовлена путем оборачивания ее фольгой припоя, затем оборачиванием ее полиимидной пленкой 295, которая уложена между двумя слоями 290 меди, затем вновь оборачиванием ее фольгой припоя. Множество труб, подготовленных таким образом, можно вставить в отверстия в теплопроводных ребрах 280, затем всю сборку поместить в печь для растекания припоя 285 по трубам 110(3), медным слоям 290 и теплопроводным ребрам 280.

В другом варианте теплопроводные ребра 280 могут быть разделены на секции, которые соединены с трубами 110(3) диэлектрическим теплопроводным клеем, а не припоем с диэлектрической пленкой.

На фиг.26 представлен вид сверху в сечении по линии F26-F26 на фиг. 24 трубчатого ледогенератора 100(3). Фиг.26 может быть не в масштабе. Каждая производящая лед труба 110(3) и трубки 260(2) для хладагента проходят через одно или более теплопроводящее ребро 280. Хотя на фиг.26 показана шестиугольная матрица из девятнадцати производящих лед труб 110(3) и пятидесяти четырех трубок 260(2) для хладагента, для достижения нужной производительности при генерировании льда или для установки в нужное место можно использовать другое количество и расположение производящих лед труб 110(3), трубок 260(2) и теплопроводных ребер 280. Ледогенератор 110(3), таким образом, образует матрицу из производящих лед труб 110(3), где лед 6(10) нарастает на каждом пересечении производящей лед трубы 110(3) и теплопроводного ребра 280, как показано на фиг.24 (где представлен вид ледогенератора 100(3) в сечении по линии F24-F24 на фиг.26).

Альтернативные варианты ледогенераторов 100 (т.е. любого трубчатого ледогенератора 100(1), 100(2), 100(3)), раскрытых в настоящем описании, будут очевидны после полного ознакомления с настоящим документом, и входят в объем настоящего изобретения. Например, труба 110 (т.е. любая из труб 110(1), 110(2), 110(3)) может быть круглой в сечении или иметь другую форму сечения и может производить лед соответствующей формы, например ледяные квадраты, прямоугольники, эллипсы, треугольники или звездочки. Распылительную головку 120 можно заменить одним или более пульверизатором для распыления воды 130 или одним или более элементом для заливки или введения другим способом воды 130 на внутреннюю поверхность трубы 110. Шина 125 может быть расположена вне окружности трубы 110, как показано на фиг.20 и 21, или может находиться внутри окружности трубы 110, как показано на фиг.24. Хладопроводы 150 могут быть достаточны для отвода теплоты от областей 112(1) нарастания льда, поэтому теплопроводные ребра 140 могут не потребоваться. Могут устанавливаться устройства, обнаруживающие формирование льда и определяющие, когда лед 6(6), 6(8) и 6(10) пора собирать, например, через емкостные датчики, оптические датчики, определяя вес льда, определяя истекшее время образования льда или определяя, что лед препятствует потоку воды. Можно установить устройство, определяющее уровень заполнения льдом сборного поддона (например, поддона 180) и останавливающее генерирование, когда в поддоне достаточно льда. Разделяющий экран 160 можно заменить подвижным элементом, который захватывает кольца льда, когда они собираются, но перемещается из-под труб(ы) 110 в другое время. Разделительный экран 160 может нагреваться, чтобы избежать нежелательного накопления льда, который может заблокировать сбор воды. Насос 200, нагреватель 210, питающий клапан 220, сливной клапан 250, элементы 118, регулирующие температуру, и/или выключатель 12(9) могут управляться контроллером (т.е. микропроцессором, например микропроцессором, который управляет морозильным устройством, в которое встроен ледогенератор 100). Можно использовать датчики температуры, собирающие данные, чтобы микропроцессор мог оптимизировать работу элементов ледогенератора 100 и/или морозильника или другого устройства, в котором расположен ледогенератор 100. Трубки 100(3) ледогенератора 100(3) могут быть электрически подключены индивидуально или группами, чтобы лед 6(10) можно было собирать с одной трубы или с группы труб одновременно. Сбор льда 6(10) не со всех труб 110(3) одновременно может позволить снизить электрическую мощность, на которую рассчитаны компоненты, связанные с генерированием и переключением тока для сбора льда, а следовательно, понизит их габариты, массу и/или стоимость.

В других вариантах импульсного электротермического устройство для отсоединения льда, выполненного как трубчатый ледогенератор, используется нагреватель, находящийся в тепловом контакте с одной или более из производящих лед труб 110. В таких вариантах могут преимущество использоваться любые из разнообразных материалов для производящей лед трубы 110. Например, в одном варианте трубчатый ледогенератор содержит производящую лед трубу 110, выполненную из нержавеющей стали, другого металла, стекла, пластика, полимера, тефлона, керамики или углеродного волокна или композита или из их комбинаций. Производящая лед труба может нагреваться гибким нагревательным элементом, обернутым вокруг трубы для отсоединения льда, формируемого внутри нее. Соответствующие нагревательные элементы могут включать ламинаты, состоящие из металла и диэлектрика, такие, как например, ламинат Kapton с наложенным слоем Inconel. Применение нагревательного элемента, обернутого вокруг производящей лед трубы 110, расширяет возможности конструктивных решений, например позволяет оптимизировать характеристики материала трубы (например, устойчивость к коррозии, противомикробные свойства), независимо от характеристик нагревателя (т.е. более высокого электрического сопротивления, чтобы избежать применения сильноточных дорогих источников питания). Если используется электропроводная труба 110, в ее конструкции может быть предусмотрено решение, при котором электропроводность трубы учитывается в конструкции источника 14 питания и выключателей 12, либо решение, при котором труба электрически изолирована от нагревательного элемента. Тепловое сопротивление между нагревателем и производящей лед трубой 110 и тепловое сопротивление между трубкой 260 для хладагента или теплопроводными ребрами 140, нагревателем и производящей лед трубой 110 преимущественно является низким, поэтому эффективность генерирования льда является высокой, а затраты энергии низкими.

На фиг.27 представлено продольное сечение импульсного электротермического устройства для отсоединения льда, выполненного как ледогенератор 300(1). Фиг.27 может быть не в масштабе. Часть Е ледогенератора 300(1) более подробно показана на фиг.28. Ледогенератор 300(1) содержит плиту 310(1) испарителя и ребра 330, охлаждаемые хладагентом (не показан), который течет по трубкам 320 для хладагента. Ребра определяют карманы 335 ледогенератора, как показано на чертеже. Вода подается рядом с плитой 310(1) и/или ребрами 330 и замерзает, образуя лед 6(11) (на фиг.27 для упрощения иллюстрации позициями обозначена лишь часть трубок 320, ребер 330, карманов 335 и льда 6(11)). Плита 310(1) испарителя, трубки 320 для хладагента и/или ребра 330 могут быть выполнены, например, из меди, алюминия или из их сплавов. Ледогенератор 300(1) также содержит один или более нагреватель 340(1) для сбора льда 6(11) импульсным электротермическим отсоединением, как будет более подробно описано ниже. Нагреватели 310(1), таким образом, являются примером нагревателя 10 по фиг.1.

На фиг.28 более подробно показана часть Е ледогенератора 300(1). Относительная толщина слоев на фиг.28 может быть не в масштабе. Нагреватель 310(1) содержит резистивный нагревательный слой 344(1) и слой 342(1) диэлектрика. Нагревательный слой 344(1) может быть сформирован, например, из слоя умеренно резистивного материала, например, нержавеющей стали или титанового сплава, или из более тонкого слоя хорошего электрического проводника, например меди. Слой 342(1) диэлектрика преимущественно сформирован из материала, который является электрическим изолятором, но обладает высокой теплопроводностью и, следовательно, электрически изолирует нагревательный слой 344(1) от плиты 310(1), в то же время обеспечивая перенос теплоты к ней. В одном варианте нагревателем 340(1) является печатная плата с диэлектрическим слоем 342(1), например, из эпоксидного стекла, полиимида, полиимидного стекла или тефлона, при этом нагревающий слой 344(1) является электрическим проводником, например медью.

При работе ледогенератор 300(1) наращивает лед, пока не потребуется его извлечь, после чего подает электроэнергию на нагревательный слой 344(1). Теплота, генерируемая слоем 344(1), быстро нагревает плиту 310(1) и ребра 330, отсоединяя от них лед 6(11). После того как лед собран, подача электроэнергии на нагревательный слой 344(1) прекращается, чтобы вновь начать генерирование льда.

На фиг.29 представлено сечение импульсного электротермического устройства для отсоединения льда, выполненного как ледогенератор 300(2). Фиг.29 может быть не в масштабе. Часть F ледогенератора 300(2) более подробно показана на фиг.30. Ледогенератор 300(2) содержит некоторые элементы, идентичные подобным элементам ледогенератора 2300(1), и поэтому они обозначены теми же позициями (на фиг.29 для упрощения иллюстрации позициями обозначена лишь часть трубок 320, ребер 330, карманов 335 и льда 6(12)). Ледогенератор 300(2) имеет единый нагреватель 340(2), который по существу покрывает поверхность 315 (см. фиг.30) плиты 310(2) испарителя. Нагреватель 340(2) расположен между плитой 310(2) и трубками 320 для хладагента. Такое размещение нагревателя 340(2) повышает эффективность отсоединения льда, поскольку теплота подается в каждую точку поверхности 315. Плита 310(2) испарителя, трубки 320 для хладагента и/или ребра 330 могут быть выполнены, например, из меди, алюминия или их сплавов.

На фиг.30 более подробно показана часть F ледогенератора 300(2). Фиг.30 может быть не в масштабе. Нагреватель 340(2) содержит резистивный нагревательный слой 344(2) и слой 342(2) диэлектрика. Слой 342(2) диэлектрика преимущественно сформирован из материала, являющегося электрическим изолятором, но обладающего высокой теплопроводностью, и который, таким образом, электрически изолирует нагревательный слой 344(2) от плиты 310(2), в то же время обеспечивая перенос теплоты на нее. Например, диэлектрический слой 342(2) может содержать полиимид, полимер, заполненный теплопроводными волокнами или порошком, волокнами или порошком окиси алюминия, стекловолокном, или порошком нитрила бора. На фиг.30 также показан факультативный слой 342(3) диэлектрика, расположенный между нагревающим слоем 344(2) и трубкой 320. Слой 344(3) диэлектрика может использоваться для электрической изоляции нагревательного слоя 344(2) от трубки 320 для управления электрическим сопротивлением слоя 344(2). Альтернативно, слой 342(3) диэлектрика можно не использовать, так что трубка 320 будет электрически соединена со слоем 344(2).

При работе ледогенератор 300(2) наращивает лед 6(12) пока не потребуется его извлечь, после чего подает электроэнергию на нагревательный слой 344(2). Теплота, генерируемая слоем 344(2), быстро нагревает плиту 310(2) и ребра 330, отсоединяя лед 6(12). После сбора льда 6(12), подача электроэнергии на нагревательный слой 344(2) прекращается и производство льда возобновляется.

На фиг.31 схематически показаны элементы морозильного устройства 400(1), которое содержит аккумулятор теплоты для отсоединения льда. Фиг.31 может быть не в масштабе. Морозильное устройство 400(1) имеет компрессор 410 для сжатия хладагента. При выходе из компрессора 410 хладагент имеет высокую температуру и проходит по трубке 412 в бак 440, где отдает теплоту в жидкий теплоноситель 445 (те элементы морозильного устройства 400(1), которые переносят только жидкий теплоноситель 455, на фиг.31 показаны заштрихованными). Жидкий теплоноситель 445 предпочтительно является жидкостью с точкой замерзания ниже -20°С и точкой кипения выше 60°С, например спиртом, смесью воды и гликоля или соляным раствором. Хладагент выходит из бака 440 по трубке 415 и дополнительно отдает теплоту в конденсаторе 420. Трубка 415 проходит далее до расширительного клапана 420, где хладагент быстро расширяется, охлаждаясь до температуры ниже точки замерзания. После расширительного клапана 420 хладагент проходит по трубкам 430 в морозильное отделение, показанное на фиг.31 штриховой линией 405. Трубки 430 для хладагента находятся в тепловом контакте с плитой 435 испарителя, которая является частью ледогенератора, отводят от нее теплоту. Штриховая линия F32-F32 обозначает плоскость в плите 435 испарителя, показанную в сечении на фиг.32. Пройдя по трубкам 430, хладагент возвращается в компрессор 410 и цикл сжатия хладагента, охлаждения хладагента и охлаждения плиты испарителя повторяется.

В то время как морозильное устройство 400(1) производит лед, жидкий теплоноситель 445 принимает и сохраняет отбираемую от хладагента в баке 440 теплоту. Выпускной клапан 450 и насос 455 управляют переносом жидкого теплоносителя 445 из бака 440 в нагревательную трубку 460(1). Как и трубки 430, нагревательная трубка 460(1) находится в тепловом контакте с плитой 435 испарителя. Когда необходимо собрать лед, морозильное устройство 400 открывает клапан 450 и включает насос 455, прокачивая жидкий теплоноситель 445 через нагревательную трубку 460(1) и, тем самым, генерируя тепловой импульс, который отсоединяет лед от плиты 435 испарителя для сбора.

На фиг.32 приведено сечение по линии F32-F32 на фиг.31. Плита 435 испарителя соединена с трубками 430 для хладагента и с нагревательной трубкой 460(1) в чередующемся порядке, как показано на чертеже. Канал внутри нагревательной трубки 460(1), по которому проходит жидкий теплоноситель 445, на фиг.32 заштрихован для соответствия с фиг.31. На противоположной стороне плиты 435 испарителя расположены ребра 330, которые отводят теплоту от льда 6(13) во время его производства.

На фиг.31 показаны трубки 430 для хладагента, расположенные как разветвленный трубопровод 432, расположенный в морозильном отделении 405 так, что трубки 430 для хладагента и нагревательные трубки 460(1) могут чередоваться на плите 435 испарителя. В альтернативных вариантах трубки для хладагента и нагревательные трубки пересекают плиту 435 испарителя змеевидной парой, но такая конфигурация может образовать внутренние кривые, на которых трубки для хладагента, или нагревательные трубки, или и те и другие проходят "спина к спине" Такие конфигурации могут создавать "горячие" или "холодные" области, где производство или сбор льда, соответственно, потребует больше времени и/или энергии. Следует понимать, что нагревательные трубки 460(1) также могут образовать разветвленный трубопровод либо одиночные трубки 430 и 460(1) могут пересекаться на каждом конце плиты испарителя, чтобы не допустить расположения "спина к спине".

Была смоделирована работа морозильного устройства 400(1), показанного на фиг.31 и 32. Предполагалось, что размер плиты испарителя составляет 457×432 мм. Предполагалось, что нагревательная трубка 460(1) выполнена из меди и имеет внутренний диаметр 16 мм и длину 7,7 м. Предполагалось, что жидким теплоносителем 445 является смесь равных частей воды и гликоля. Предполагалось, что жидкий теплоноситель 445 в баке 440 достигает температуры 60°С. Моделирование показало, что лед можно собрать за 2 секунды, прокачивая 0,9 литра смеси воды и гликоля, затрачивая мощность 10 Вт на насос 455, при этом давление смеси воды и гликоля достигает 0,223 бар. Это весьма выгодно отличается от количества энергии, необходимой для коммерческого ледогенератора, который может затрачивать 1-2 кВт мощности в течение 60-300 секунд. Снижение потребления энергии, затраченной на сбор льда, позволяет повысить производительность генерирования льда и сократить затраты на энергию.

На фиг.33 схематически показаны элементы морозильного устройства 400(2), который содержит аккумулятор теплоты для отсоединения льда. Фиг.33 может быть не в масштабе. Ледогенератор 400(2) содержит определенные элементы, идентичные подобным элементам ледогенератора 400(1) и поэтому обозначенные теми же позициями. В ледогенераторе 400(2) бак 440 может быть расположен на большей высоте, чем плита 435 испарителя, поэтому, когда выпускной клапан 450 открывается, сила тяжести заставляет жидкий теплоноситель 445 течь в нагревательную трубку 460(1) для освобождения льда от плиты 435 испарителя. Нагревательная трубка 460(1) преимущественно может иметь большой диаметр, чтобы обеспечить быстрое течение жидкого теплоносителя 445 по нагревательной трубке 460(1). Такой быстрый поток приводит к быстрому нагреванию плиты 435 и быстрое отсоединение льда от плиты 435. Ледогенератор 400(2) содержит резервуар 465 для жидкого теплоносителя, расположенный ниже плиты 435 испарителя, поэтому жидкий теплоноситель 445, пройдя через нагревательную трубку 460(1), сливается в резервуар 465. Насос 470 прокачивает жидкий теплоноситель 445 по трубке 475 и факультативный впускной клапан 452 в бак 440 для повторного использования. Насос 470 не должен иметь высокую производительность, поскольку транспортировка теплоносителя 445 в бак 440 может происходить до тех пор, пока не настанет время следующего сбора льда.

Альтернативные варианты морозильных устройств 400 (т.е., морозильного устройства 400(1) или морозильного устройства 400(2), раскрытых выше), будут очевидны после полного прочтения и понимания настоящего документа и входят в объем настоящего изобретения. Например, в некоторых вариантах морозильное устройство 400 может отключать компрессор 410, пока производится сбор льда. Однако, поскольку теплота по существу подается для сбора льда всего на несколько секунд, в некоторых вариантах компрессор во время сбора льда продолжает работать, чтобы уменьшить износ компрессора во время циклов пуска/остановки и чтобы ускорить тепловое восстановление плиты 435 испарителя, чтобы производство льда после сбора могло начаться быстрее. Для слива жидкого теплоносителя 445 из нагревающей трубки 460(1) на все время, кроме периода сбора льда, можно установить клапаны и насосы, чтобы не тратить энергию, которая затрачивалась бы на охлаждение теплоносителя в трубке 460(1) во время производства льда и на нагрев такого же количества среды 445, которая возвращается в бак 440 во время сбора льда. В одном варианте, где применяются компоненты, показанные на фиг.31, бак 440 установлен ниже, чем плита 435 испарителя, поэтому жидкий теплоноситель сливается в бак 440 под действием силы тяжести кроме периодов, когда работает насос 455. В другом варианте, где используются компоненты, показанные на фиг.33, бак 440 и клапаны 450 и 452 выполнены с возможностью содержать жидкий теплоноситель 445 и его пар под давлением. Когда хладагент в трубке 412 нагревает жидкий теплоноситель 445 и его пар в баке 440, давление поднимается так, что когда выпускной клапан 450 открывается, давление пара заставляет жидкий теплоноситель 445 быстро течь по трубке 460 для отсоединения и сбора льда. После того как достаточное количество жидкого теплоносителя пройдет по трубке 460, выпускной клапан 450 закрывается, впускной клапан 452 открывается и насос 470 может начать возврат жидкого теплоносителя из резервуара 465 в бак 440.

На фиг.43 показано устройство 500 для отсоединения льда с аккумулятором теплоты. Устройство 500 содержит трубки 4(4) для хладагента, по которым течет хладагент 8 (см. фиг.2А и 2В), охлаждающие ребра 2(4) и нагревательные трубки 460(2), по которым для отсоединения льда, как описано выше, течет жидкий теплоноситель 445 (см. фиг.31, 33). На фиг.34 позициями обозначено лишь несколько ребер 2(4) для упрощения иллюстрации. Трубки 4(4) для хладагента, охлаждающие ребра 2(4) и/или нагревательные трубки 460(2) могут быть выполнены, например, из меди, алюминия или их сплавов, или из других материалов, имеющих низкое тепловое сопротивление. Участок, обозначенный позицией А, более подробно показан на фиг.2А и 2В.

Как и импульсное электротермическое устройство 20(1) (см. фиг.3) для отсоединения льда, устройство 500 при нормальной работе переносит теплоту в хладагент и, соответственно, на трубках 4(4), ребрах 2(4) и/или нагревательных трубках 460(2) может нарастать лед (см. фиг.2А и 2В). Когда необходимо отсоединить лед, жидкий теплоноситель 445 (см. фиг.31, 33) течет по нагревательной трубке 460(2), нагревая устройство 500 и отсоединяя лед. Следует понимать, что показанные на фиг.34 три трубки 4(4) и две нагревательные трубки 460(2) приведены лишь для примера и в устройстве для отсоединения льда может содержаться любое количество трубок 4(4) и 460(2). Специалисты в этой области отметят схожесть между устройством 500 для отсоединения льда, содержащим аккумулятор теплоты по фиг.34, и плитой 465 испарителя с трубками 430 и 460 морозильных устройств 400(1) и 400(2) по фиг.31 и 33.

На фиг.35 представлена блок-схема процесса 550 работы морозильного устройства, в котором применяется сбор льда с использованием аккумулятора теплоты. Процесс 550 может быть реализован, например, на любом из морозильных устройств 400(1) и 400(2). На шаге 560 морозильное устройство работает в режиме производства льда. Компрессор прокачивает хладагент, хладагент переносит теплоту в жидкий теплоноситель, переносит теплоту в конденсатор, проходит через расширительный клапан и циркулирует по трубкам для хладагента ледогенератора, заставляя воду замерзать, образуя лед. Примером шага 560 является компрессор 410, прокачивающий хладагент, который (1) проходит по трубке 412, отдавая теплоту для нагревания жидкого теплоносителя 445 в баке 440, (2) отдает теплоту в конденсаторе 420, (3) проходит через расширительный клапан 420 и (4) циркулирует по трубкам 430, заставляя воду замерзать, образуя лед. На шаге 565 морозильное устройство определяет, не подошло ли время сбора льда. Когда подошло время сбора льда, процесс 550 переходит на шаг 570, в противном случае, производство льда продолжается на шаге 560. На шаге 570 компрессор останавливается на время процесса сбора льда. Примером шага 570 является остановка компрессора 410. Шаг 570 является факультативным и в некоторых морозильных устройствах может не применяться, поскольку приводит к повышенному износу компрессора из-за повторяющихся пусков и остановок. Затем следует шаг 575, на котором жидкий теплоноситель течет по нагревательной трубке для отсоединения льда (т.е. для разрыхления, таяния или испарения льда). Примерами шага 576 являются срабатывание выпускного клапана 450 или включение насоса 455 для прокачки жидкого теплоносителя 445 по трубке 460. Жидкий теплоноситель оттаивает по меньшей мере граничный слой льда для его отсоединения. На шаге 580 жидкий теплоноситель сливается или откачивается из нагревательной трубки. Примерами шага 580 являются (1) остановка насоса 455 так, чтобы жидкий теплоноситель 455 стек в бак 440 под действием силы тяжести (фиг.31), и (2) закрывание выпускного клапана 450, чтобы жидкий теплоноситель 445 стек в бак 465 под действием силы тяжести (фиг.33). После окончания отсоединения льда процесс 550 возобновляет нормальное производство льда на шаге 560.

В описанные выше устройства для импульсного электротермического и теплоаккумулирующего отсоединения льда могут быть внесены изменения, не выходя за пределы объема настоящего изобретения. Таким образом, следует отметить, что содержание вышеприведенного описания или приложенных чертежей следует толковать как иллюстративное и не ограничивающее. Все родовые и конкретные признаки настоящего изобретения приведены в приложенной формуле, которая определяет объем представленного способа и системы.