脉冲电热和储热除冰装置及方法 相关申请
本申请是共同拥有的且同时待审的 2006 年 1 月 24 日提交的第 11/338,239 号美国 专利申请的部分继续申请， 第 11/338,239 号美国专利申请要求 2005 年 1 月 24 日提交的第 60/646,394 号美国临时专利申请、 2005 年 1 月 25 日提交的第 60/646,932 号美国临时专利 申请和 2005 年 11 月 23 日提交的第 60/739,506 号美国临时专利申请的优先权的权益。第 11/338,239 号美国专利申请还是共同拥有的 2005 年 6 月 22 日提交的第 PCT/US2005/22035 号 PCT 申请的部分继续申请， 第 PCT/US2005/22035 号 PCT 申请要求 2004 年 6 月 22 日提 交的第 60/581,912 号美国临时专利申请、 2005 年 1 月 24 日提交的第 60/646,394 号美国 临时专利申请和 2005 年 1 月 25 日提交的第 60/646,932 号美国临时专利申请的优先权的 权益。第 11/338,239 号美国专利申请还是共同拥有的且同时待审的 2004 年 9 月 10 提交 的第 10/939,289 号美国专利申请 ( 现在第 7,034,257 号美国专利 ) 的部分继续申请， 第 10/939,289 号美国专利申请是要求 2003 年 2 月 11 日提交的第 10/364,438 号美国专利申 请 ( 现在第 6,870,139 号美国专利 ) 的优先权的权益的分案申请， 第 10/364,438 号美国专 利申请要求 2002 年 2 月 11 日提交的 60/356,476 号美国临时专利申请、 2002 年 7 月 23 日 提交的 60/398,004 号美国临时专利中请和 2002 年 8 月 21 日提交的 60/404,872 号美国临 时专利申请的优先权的权益。
本申请还是 2007 年 5 月 22 日提交的第 PCT/US2007/069478 号 PCT 申请的部分 继续申请， 第 PCT/US2007/069478 号 PCT 申请要求共同拥有的 2006 年 5 月 22 日提交的 第 60/802,407 号美国临时专利申请的优先权的权益。第 PCT/US2007/069478 号 PCT 申 请还是共同拥有的 2006 年 1 月 24 日提交的 PCT/US2006/002283 的部分继续申请， PCT/ US2006/002283 要求 2005 年 1 月 24 日提交的第 60/646,394 号美国临时专利申请、 2005 年 1 月 25 日提交的 60/646,932 号美国临时专利申请和 2005 年 11 月 23 日提交的 60/739,506 号美国临时专利申请的优先权的权益。第 PCT/US2007/069478 号 PCT 申请还是共同拥有的 且同时待审的 2006 年 12 月 22 日提交的第 11/571,231 号美国专利申请的部分继续申请， 第 11/571,231 号美国专利申请要求 2005 年 6 月 22 日提交的 PCT/US2005/022035 的优先 权的权益， PCT/US2005/022035 要求 2004 年 6 月 22 日提交的第 60/581,912 号美国临时专 利申请、 2005 年 1 月 24 日提交的第 60/646,394 号美国临时专利申请和 2005 年 1 月 25 日 提交的 60/646,932 号美国临时专利申请的优先权的权益。第 PCT/US07/069478 号申请还 是共同拥有的且同时待审的 2006 年 1 月 24 日提交的第 11/338,239 号美国专利申请的部 分继续申请， 第 11/338,239 号美国专利申请要求 2005 年 1 月 24 日提交的第 60/646,394 号美国临时专利申请、 2005 年 1 月 25 日提交的 60/646,932 号美国临时专利申请和 2005 年 11 月 23 日提交的 60/739,506 号美国临时专利申请的优先权的权益。第 11/338,239 号美 国专利申请还是共同拥有的 2005 年 6 月 22 日提交的第 PCT/US2005/22035 号 PCT 申请的 部分继续申请， 第 PCT/US2005/22035 号 PCT 申请要求 2004 年 6 月 22 日提交的 60/581,912 号美国临时专利申请、 2005 年 1 月 24 日提交的 60/646,394 号美国临时专利申请和 2005 年 1 月 25 日提交的 60/646,932 号美国临时专利申请的优先权的权益。第 11/338,239 号美
国专利申请还是共同拥有的且同时待审的 2004 年 9 月 10 日提交的第 10/939,289 号美国 专利申请 ( 现在第 7,034,257 号美国专利 ) 的部分继续申请， 第 10/939,289 号美国专利申 请是要求 2003 年 2 月 11 日提交的第 10/364,438 号美国专利申请 ( 现在第 6,870,139 号 美国专利 ) 的优先权的权益的分案申请， 第 10/364,438 号美国专利申请要求 2002 年 2 月 11 日提交的第 60/356,476 号美国临时专利申请、 2002 年 7 月 23 日提交的 60/398,004 号 美国临时专利申请和 2002 年 8 月 21 日提交的 60/404,872 号美国临时专利申请的优先权 的权益。
通过引用将上面给出的全部专利申请并入本发明。 背景技术
在存在水蒸气或流体的情况下， 冰或霜可堆积在寒冷的表面上。为了保持表面的 清洁 ( 例如， 为了改善热传递性质、 摩擦性质或空气动力学性质 )， 需要将冰或霜除去或者 可获取表面的冰以作他用。消耗最小的能量清洁表面的冰， 这对于大多数制冷装置来说是 很有利的。 发明内容在一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括制冷单元的一个或更多的冷却剂管筒 和片。片与冷却剂管筒热接触， 并且管筒或片或其二者形成电阻加热器。一个或更多的开 关可向所述电阻加热器施加电功率， 从而产生热量以从所述管筒和 / 或片上除去冰。电阻 加热器可形成为多个加热器部分， 并且可配置开关， 从而独立地向所述加热器部分施加所 述电功率。
在另一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括制冷单元的一个或更多的冷却剂管 筒。所述一个或更多的冷却剂管筒形成电阻加热器。一个或更多的开关可向所述电阻加热 器施加电功率， 从而产生热量以从所述管筒上除去冰。
在另一个实施方式中， 一种方法可从制冷单元的冷却剂管筒和 / 或冷却片上将冰 除去。该方法包括以下步骤 ： 在常规制冷模式中在所述冷却剂管筒和 / 或所述冷却片上聚 集冰， 并且向所述管筒或所述片或其二者施加电功率脉冲， 从而除去冰。
在另一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括具有一个或更多的冰生长区域的造 冰管筒。一个或更多的指形冷冻器和 / 或冷却剂管筒将热量从每一个冰生长区域带走。将 水引入造冰管筒中， 从而在所述冰生长区域使至少部分水凝固为冰。电源周期性地向所述 管筒或与管筒热接触的加热器提供电功率脉冲， 以至少使冰的界面层融化， 从而从所述管 筒上将冰除去。
在另一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括多个造冰管筒。指形冷冻器和 / 或 冷却剂管筒将热量从每一个造冰管筒的冰生长区域带走。将水引入每一个造冰管筒内， 从 而在所述冰生长区域使至少部分水凝固为冰。电源周期性地向每一个管筒提供电功率脉 冲， 以至少使冰的界面层融化， 从而从所述管筒上将冰除去。
在另一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括与气化器板热接触的一个或更多的 冷却剂管筒。一个或更多的加热器设置为邻近于所述气化器板并处于所述冷却剂管筒之 间。所述加热器被配置为用于将电功率转化为热量， 从而使冰从所述气化器板上除去。
在另一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括与气化器板热接触的一个或更多的 冷却剂管筒。加热器设置在所述冷却剂管筒和所述气化器板之间。所述加热器被配置为用 于将电功率转化为热量， 从而使冰从所述气化器板上除去。
在另一个实施方式中， 冷冻单元被配置为储热造冰系统。冷冻单元具有压缩机和 用于分散多余热量的冷凝器以及通过所述压缩机、 冷凝器和冷却剂管筒流通的冷却剂。冷 却剂管筒与气化器板热接触。在所述压缩机之后并在所述冷凝器之前， 箱体由所述冷却剂 向加热流体传递热量。所述加热流体周期性地穿过与所述气化器板热接触的加热管筒流 动， 从而从所述气化器板上除去冰。
在另一个实施方式中， 一种方法可从制冷单元的冷却剂管筒、 冷却片和 / 或气化 器板上除冰。在造冰或制冷模式中， 从冷却剂向加热流体传递热量。在所述造冰或制冷模 式中， 在所述冷却剂管筒、 冷却片和 / 或气化器板上聚集冰。使所述加热流体穿过与所述冷 却剂管筒、 冷却片和气化器板中的至少一个热接触的加热管筒流动， 从而除去冰。
在另一个实施方式中， 脉冲电热除冰装置包括具有与热交换表面热接触的冷却剂 管筒的热交换器。电源对所述热交换器进行电开关， 以进行脉冲加热。 附图说明 图 1 示意性地示出了根据一个实施方式的一个脉冲电热除冰装置 ；
图 2 示意性地示出了可操作为向例如电热除冰装置的负载供电的电源 ；
图 3 示出电源的占空因数 ；
图 4 示意性地示出带有电池的图 2 的电源的实施方式 ；
图 5 示意性地示出表现为高频开关转换器的图 2 的电源的实施方式 ；
图 6 示意性地示出表现为线路频率变压器的图 2 的电源的实施方式 ；
图 7 示意地示出了变压器 ；
图 8A 和图 8B 示出了图 1 所示脉冲电热除冰装置的部分 A ；
图 9 示出了根据一个实施方式的一个脉冲电热除冰装置 ；
图 10 示出了根据一个实施方式的一个脉冲电热除冰装置 ；
图 11 示出了根据一个实施方式的一个脉冲电热除冰装置 ；
图 12 为根据一个实施方式用于从制冷单元的冷却剂管筒和 / 或冷却片上除冰的 方法的流程图 ；
图 13 示出了具有安装在管筒上的一排冷却片的热交换器的一个实施方式 ；
图 14 示出了一个管筒和冷却片组件的剖视图 ；
图 15 为示出了在室温下纯铝的热扩散长度关于时间的曲线图 ；
图 16 为示出了当 (a) 在操作期间由加热脉冲供电以及 (b) 由加热脉冲供电且冷 却泵和风扇关闭时， 铝的热交换器的温度关于时间的曲线图 ；
图 17 为一个透视图， 其示出了根据一个实施方式的一个配置为用于除冰的脉冲 系统的热交换器 ；
图 18 为积聚有冰并连接至电源和开关的、 图 17 所示的热交换器的俯视图 ；
图 19 示出了根据一个实施方式的一个配置为用于除冰的脉冲系统的热交换器 ；
图 20 示出了图 19 所示的热交换器的剖视图 ；
图 21 示出了根据一个实施方式的配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器； 图 22 为贴附片状衬垫以形成冷却剂管筒的剖视图 ；
图 23 为将片状衬垫贴附在直导管上以形成冷却剂管筒的剖视图 ；
图 24 示出了根据一个实施方式的另一种配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型 热交换器 ；
图 25 示出了根据一个实施方式的另一种配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型 热交换器 ；
图 26 示出了根据一个实施方式的一个配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置 ；
图 27 示出了根据一个实施方式的一个配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置 ；
图 28 示出了图 26 所示的管状造冰器的一部分 ；
图 29 示出了图 26 所示的管状造冰器的一部分 ；
图 30 为根据一个实施方式的一个配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置的侧面 剖视图 ；
图 31 更详细地示出了图 30 所示的管状造冰器的一部分的一个实施方式 ；
图 32 为图 30 所示的管状造冰器的俯视剖视图 ；
图 33 为根据一个实施方式的一个配置为造冰器的脉冲电热除冰装置的剖视图 ；
图 34 更详细地示出了图 33 所示的造冰器的一部分 ；
图 35 为根据一个实施方式的一个配置为造冰器的脉冲电热除冰装置的剖视图 ；
图 36 更详细地示出了图 35 所示的造冰器的一部分 ；
图 37 示意性地示出了根据一个实施方式的冷冻单元的元件， 所述冷冻单元包括 用于除冰的储热装置 ；
图 38 为图 37 所示的气化器板的剖视图 ；
图 39 示意性地示出了根据一个实施方式的冷冻单元的元件， 所述冷冻单元包括 用于除冰的储热装置 ；
图 40 示出了储热除冰装置 ；
图 41 为利用储热获取冰的冷冻单元的操作过程流程图 ；
图 42 是具有为了除冰将加热电流磁性耦合到冷冻管的实施方式的示意图 ；
图 43 是具有为了除冰将加热电流磁性耦合到冷冻管的两个区域的实施方式的示 意图 ；
图 44 是用于防止对在实施方式上工作的服务人员造成伤害的互锁开关的部分示 意图 ；
图 45 示出了具有紧密间隔的卷绕的微通道气化器的实施方式 ；
图 46 示出了具有紧密间隔的螺旋卷绕的微通道气化器的实施方式。
具体实施方式
热交换器用于在热质之间传递热量。在一种热交换器的结构中， 气体在邻近热交 换器表面处流通， 热交换器表面由循环的冷却剂冷却， 气体向冷却剂释放热量。 当冷却剂的 温度足够低时， 在热交换器的表面上将形成冰， 从而阻碍热交换器表面和气体之间的热交换。期望利用最小的附加热量除冰， 这是因为被附加到制冷系统来对热交换表面除霜的热 量然后必须从系统中除去， 从而重新与气体进行热交换。频繁地用最少的热量除霜的热交 换器的鳍片间距 d 可以与通常间距相比显著地减小， 因而提高了热交换率 (W/m2K)。这样能 够降低热交换器的面积、 体积和质量。然后可以用更少的热量更容易地对更小的热交换器 除霜。对于空气层流， 对流热交换系数与 d 成反比。这能够使热交换器的体积降低 1/d2 的 因子。例如， d 从传统的 6mm 降低到 1mm 允许热交换器的体积降低了 1/62 ＝ 1/36 的因子。
图 1 示意性地示出了脉冲电热除冰装置 20。装置 20 包括加热器 10 和控制由电源 14 向加热器 10 供电的开关 12。在其他实施方式中， 电源 14 可成为装置 20 的一部分。虽 然将开关 12 示出为被布置在将电源 14 连接至加热器 10 的电路中， 但是并不是必须把开关 12 布置在这个电路中 ； 开关 12 可以与电源 14 的输入端串联布置 ( 在图 1 中没有示出这个 输入端 ) 或者被包含在电源 14 内。
装置 20 起到了从一个或更多的表面上除冰的作用， 以下将对此进行详细说明。本 文所提及的 “除去” 可以是指通过至少融化冰的界面层使冰从一个或更多的表面上松开， 或 者可以是指冰的完全融化和 / 或气化。在转向装置 20 的实施方式之前， 更详细地讨论电源 14。 图 2 示意性示出电源 14， 其可操作为向负载 ( 例如， 加热器 10) 供电。电源 14 可 以是交流 (“AC” ) 电源和 / 或直流 (“DC” ) 电源。
将电源 14 示出为具有输入端 1002(1) 和 1002(2) 和输出端 1004(1) 和 1004(2)。 输入端 1002 提供用于电源 14 从功率源 ( 例如， 建筑物或车辆的电功率分配系统 ) 接收电 功率的路径。 但是， 电源 14 的一些实施方式可以不具有输入端 1002， 如下面所讨论的， 包括 储能元件 ( 例如， 电池和 / 或电容 ) 并且将用于仅短期工作的电源 14 的实施方式不需要具 有输入端。虽然将电源 14 示出为具有两个输入端， 但是电源 14 可以具有大于两个输入端， 例如三相交流 (AC) 电。
输出端 1004 提供电源 14 向一个或更多负载 ( 例如， 加热器 10 的一个或更多实 例 ) 提供电流的路径。虽然示出电源 14 具有两个输出端 1004， 但是电源 14 可以具有多于 两个输出端 1004。每个输出端 1004 相对于其他输出端中的每一个均具有电压。每个电压 均具有频率， 这个频率可以是零。
电源 14 可以通过其全部输出端向一个或更多负载提供的电流总量被称为电源 14 的输出额定电流。电源 14 的额定电流可以在连续的和 / 或脉冲的工作条件下指定。电源 14 的连续额定电流是电源 14 可以向一个或更多负载连续提供的电流最大量。 电源 14 的脉 冲额定电流是在最小的时间周期中重新发生频率不多于一次的最大持续时间期间内电源 14 可以向一个或更多负载提供的电流的最大量。
通过参考图 3 可以更好地理解电源 14 的连续额定电流和脉冲额定电流， 图 3 是电 流幅度对时间的曲线图。竖直轴 1020 代表电源 14 向一个或更多负载提供的全部电流， 水 平轴 1022 代表时间。由虚线示出的曲线 1028 代表电源 14 的示例性连续额定电流。如可 以从曲线 1028 中确定的， 电源 14 具有关于时间不变的连续额定电流幅度 1024。 因此， 电源 14 可以连续地提供直到其连续额定电流 1024 的电流。
由实线表示的曲线 1030 代表电源 14 的示例性最大脉冲额定电流。应当注意， 最 大额定电流是时间的函数， 曲线 1030 限定电流脉冲 1032。每个电流脉冲 1032 均具有最大
持续时间 t 开， 并且在最小时间周期 t 周期期间仅可发生一次。因此， 电源 14 可以提供具有高 达 1026 的幅度的电流脉冲 1032， 但是， 电流脉冲 1032 不能超过持续时间 t 开并且在最小时 间周期 t 周期期间不能发生多于一次。
电流脉冲 1032 可以由其占空因数 D 确定特征， D 由下面公式给出 ：
公式 1 例如， 假设 t 开是一分钟， t 周期是十分钟。电流脉冲 1032 的占空因数由下面等式给 公式 2出：
应当注意， 在图 3 示出的实施例中示出了电流脉冲 1032 具有超出连续额定电流 1028 的幅度 1026。在脉冲额定电流超出连续额定电流的电源 14 的实施方式中， 可以认为 电源 14 是额定脉冲型的。额定脉冲电源是常见的， 这是因为电源的最大额定电流经常由电 源的热限制约束——电源的连续额定电流由电源内的某些元件不超过安全工作温度的要 求约束。如果电源的连续额定电流被热约束， 那么因为电源包括限制电源响应于其向负载 提供电流之后将多快变热的热质量， 所以电源经常可以提供具有超出连续额定电流幅度的 短电流脉冲。以另一方式表述， 具有热约束连续额定电流的电源经常可以提供比其连续额 定电流大的电流， 只要超出的电流的持续时间足够短， 以防止电源过热。 连续额定电流比脉冲额定电流更多地影响电源 14 的大小和 / 或成本。因此， 在电 源 14 的实施方式中， 通过使连续额定电流最小化以降低电源 14 的成本和 / 或大小。
如下面讨论的， 脉冲电热除冰装置的一些实施方式不要求电源 14 向加热器 10 连 续地提供电流——电源 14 仅需要向加热器 10 提供电流脉冲。如果电源 14 是额定脉冲型 的， 那么这样可以有利地允许使电源 14 的连续额定电流最小化 ； 可以设计电源 14， 使得仅 其脉冲额定电流满足加热器 10 的电流幅度要求——电源 14 的连续额定电流可以明显小于 加热器 10 的电流幅度要求。因此， 通过设计电源 14 使得其是额定脉冲型的并且仅其脉冲 额定电流满足加热器 10 的电流幅度要求， 从而使电源 14 可以被制造得更便宜和 / 或更小。
如上所述， 每个输出端 1004 关于每个其他输出端具有电压。如下面将讨论的， 至 少部分地考虑到负载电阻而可选择每一个输出端的电压。在直流电路中， 电阻性负载中消 耗的功率 P 由下面的公式给出 ：
公式 3其中， V 是负载两端的电压， R 是负载的电阻。在电阻性负载中， 负载产生的热量通 常与负载中消耗的功率量成正比。依照公式 3， 如果负载中将消耗给定的功率量， 那么当增 加负载电阻时， 必须增加负载两端的电压， 反之亦然。因此， 如果加热器 10 具有相对小的电 阻， 那么电源 14 的最小一个输出端可以仅需要相对小的电压， 以使加热器 10 产生一定量的 热量。相反， 如果加热器 10 具有相对大的电阻， 那么至少一个输出端需要具有相对大的电 压， 以使加热器 10 产生一定量的热量。
如上所述， 每个输出端 1004 的电压具有频率。可至少部分地考虑到负载的电阻而 选择频率。例如， 当加热器传导的电流的频率增加时， 加热器 10 的电阻可以增加 ； 这种电阻的增加可以是由于加热器 10 的电导体中的频率感应趋肤效应和 / 或邻近效应而导致的。 因此， 可以设计电源 14， 使得其输出端具有频率相对高的电压， 使得通过加热器 10 的电流 具有相应地较高频率， 导致加热器 10 的电阻增加和加热器 10 产生的热量增加。
电源 14 的实施方式可以包括电源 14(1)、 14(2)、 14(3) 或 14(4)， 下面更详细地讨 论它们。要理解的是， 电源 14 可以包括多个实例电源 14(1)、 14(2)、 14(3) 和 / 或 14(4)。
图 4 示意性地示出电源 14(1)， 其包括电池 1060 的至少一个实例。可选地， 可以 由一个或更多电容补充或者替换电池 1060。电池 1060 可操作为通过输出端 1004(3) 和 1004(4) 向负载 ( 例如， 加热器 10) 提供电流。 虽然示出电源 14(1) 仅具有两个输出端 1004， 但是电源 14(1) 可以具有不止两个输出端 1004。
电池 1060 可以是如在可充电电池的技术领域中公知的铅酸电池、 锂离子电池、 镍 镉电池或者镍金属氢化物电池。 电源 14(1) 可以可选地包括调节子系统 ( 没有示出 )， 以调 节电池 1060 的输出电压。调节子系统可以包括线性调节器和 / 或开关电源转换器。例如 图 4 的电池实施方式有利于避免来自电源输出端 1002(3) 和 1002(4) 的高瞬时耗用功率。 在这个实施方式中， 充电器 1062 仅需要提供平均负载， 因为充电器 1062 具有大量时间在功 率脉冲之间对电池 1060 重新充电。 充电器 1062 可以可选地被包含在电源 14(1) 中， 从而当电池 1060 的电量部分 或全部耗尽时对电池 1060 充电。充电器 1062 由输入端 1002( 例如， 输入端 1002(3) 和 1002(4)) 供电， 输入端 1002 可连接到功率源。 这样的功率源的实施例包括建筑物或车辆的 功率分配子系统。虽然在图 4 中示出的电源 14(1) 具有两个输入端 1002， 但是电源 14(1) 可以具有多于两个输入端 1002。而且， 如果电源 14(1) 不包括充电器 1062， 则电源 14(1) 不需要包括任何输入端 1002。
图 5 示意性地示出电源 14(2)， 电源 14(2) 是电子开关电源。 开关电源还可以被称 为 “电子变压器” 。电源 14(2) 包括开关元件 1064 和 / 或开关元件 1066 的至少一个实例。 电源 14(2) 还包括磁性元件 1068 的至少一个实例。虽然将磁性元件 1068 示出为图 5 的变 压器， 但是磁性元件 1068 还可以是感应器。结合磁性元件 1068 配置开关元件 1064 和 / 或 开关元件 1066， 从而实现开关电源拓扑， 包括但是不限于反激变换器、 正激变换器、 半桥式 变换器、 全桥式变换器、 降压变换器、 升压变换器和 / 或降压 / 升压变换器。 开关电源 14(2) 把输入电功率源 1002(5)、 1002(6)( 例如， 交流 (“AC” ) 功率源或直流 (“DC” ) 功率源 ) 转换成可操作为通过引线端 1004(5)、 1004(6) 向负载 ( 例如， 加热器 10) 提供电流的输出 功率源。
图 6 示意性地示出电源 14(4)， 其包括线路频率变压器 1070 的至少一个实例。线 路频率变压器 1070 具有典型地通过开关 1071 连接到线路频率功率源的输入端 1002(7)、 1002(8)， 线路频率功率源可以是建筑物的或者电设备的功率分配系统。开关 1071 可以是 包含一个或更多 MOSFET 的电子开关或其它半导体器件。线路频率变压器 1070 具有可以连 接到负载 ( 例如， 加热器 10) 的引线端 ； 因此电源 14(4) 可以从线路频率功率源向负载供 电。电源 14(4) 可以将来自于线路频率功率源的功率转换成与负载兼容的形式。线路频率 功率源是具有典型地低于 1,000 赫兹 ( “Hz” ) 频率的 AC 功率源。例如， 线路频率功率源可 以由电设备提供并且可具有 50Hz 或 60Hz 的频率。线路频率变压器经常直接连接到功率分 配系统。例如， 线路频率变压器可希望根据建筑物的 208 伏特 (“V” )、 60Hz 的功率分配系
统直接工作。除了线路频率变压器 1070 以外， 电源 14(4) 可以包含附加的功率调节和过滤 元件 1069。
将线路频率变压器 1070( 图 6) 与开关电源变压器 1068( 图 5) 对照。例如开关电 源 14(2)( 图 5) 的开关电源通常工作在几十 kHz 或更高的频率下 ； 因此， 开关电源变压器通 常希望工作在几十 kHz( 例如， 100kHz) 下， 而线路频率变压器希望工作在几十 Hz 下 ( 例如， 50Hz)。
现在讨论在电源 14(2) 和 14(4) 中使用的变压器的设计考虑。图 7 示意性地示出 了变压器 1072， 它可以代表线路频率变压器 1070( 图 6) 或者开关电源变压器 1068( 图 5)。 变压器 1072( 没有按比例绘出 ) 包括由铁芯 1078 磁性耦合的绕组 1074 和 1076。虽然将 变压器 1072 示出为仅具有两个绕组， 但是变压器 1072 可以包括不止两个绕组。而且， 铁芯 1078 可以具有与图 7 中示出的配置不同的配置， 并且可以由铁片或钢层压板制成或者由包 含铁粉的 “铁氧体” 复合物或陶瓷材料制成。
变压器 1072 的绕组 ( 例如， 绕组 1074 和 1076) 可以由呈现足够低电阻的任何电 导体制成并且可以被制成任何期望的形状 ( 例如， 绕组可以被卷绕在铁芯 1078 上 )。 例如， 绕组可以由铜或铝制成， 并且可以由实心的、 扭成股的或空心管状导体制成。 因为铜与铝相 比具有更低的电阻和更高的热导率， 因此在一些应用中铜对于铝是优选的， 如下面讨论的， 这允许给定大小的变压器 1072 支持更大的负载电流。 在一个实施方式中， 1072 的次级绕组 1076 由铜线制成， 在另一实施方式中， 1072 的次级绕组 1076 是通过直接围绕铁芯 1078 卷 绕合金制冷管筒而形成的。
变压器 1072 的绕组 ( 例如， 绕组 1074 和 1076) 是用绝缘材料电绝缘的， 为了帮助 图示清晰没有将其示出。绕组的绝缘材料可以由包括额定电压和额定温度的特征确定。额 定电压是在绝缘材料将失效的不可接受危险之前可以在绝缘材料两端施加的最大电压。 使 用具有高额定电压的绝缘材料的变压器可以有利地应用于可能向一个或更多绕组施加相 应的高电压的情况。
初级绕组 1074 连接到输入电源 ； 绕组 1074 中来自于输入电源的电流产生磁通 量。铁芯 1078 引导大量的磁通量， 使得磁通量与连接到负载 ( 例如， 加热器 10) 的次级绕 组 1076 耦合。磁通量在向负载供电的次级绕组 1076 中感应电流。
铁芯 1078 用于磁性耦合变压器 1072 的绕组 ( 例如， 绕组 1074 和 1076)。因此， 铁 芯 1078 具有相对低的磁阻， 并且可以由以下材料构成 ： 包括多块钢层压板或者一个或更多 铁粉末和 / 或铁氧体铁芯结构。
铁芯的大小通常在很大程度上由变压器的工作频率决定 ； 更高的工作频率通常允 许铁芯 1078 具有更小的尺寸。 变压器的大小严重地依赖于其铁芯的大小 ； 因此如果变压器 1072 用于低频下的工作， 其可以相对较大， 如果变压器 1072 用于高频下的工作， 其可以相 对较小。因此， 当线路频率变压器 1070 和开关电源变压器 1068 具有相等的额定电流和额 定电压时， 线路频率变压器 1070 的实例可以显著地比开关电源变压器 1068 的实例大。
变压器 1072 具有最大的额定电压和额定电流。最大额定电压 ( 它是可以在绕组 1074 和 / 或 1076 上施加的最大电压 ) 很大程度上由绕组 1074 和 / 或 1076 上的绝缘材料 击穿并且损坏时的电压 (“击穿电压” ) 决定。对变压器 1072 的最大额定电压进行选择， 以 保证绕组 1074 和 / 或 1076 不接近它们的击穿电压。变压器 1072 的最大额定电流很大程度上由变压器 1072 的最大安全工作温度确 定。最大安全工作温度是高出这个工作温度时存在绕组 1074 和 / 或 1076 上的绝缘材料将 击穿的不可接受危险的工作温度。由于在变压器 1072 中损失的能量， 变压器 1072 将在工 作期间变热 ； 这样损失的能量可以简单地称为损耗。 变压器 1072 的最大连续额定电流是在 包括环境温度的规范工作条件下变压器 1072 在不超出其最大安全工作温度的情况下可以 连续地提供的电流最大量。
损耗的一个成分是绕组损耗， 其来自于穿过绕组 1074 和 1076 流动的电流， 其中两 个绕组都具有大于零的电阻。绕组损耗可以通过电流 I 的平方乘以绕组的电阻 R 来估算 ； 但是， 应理解， 电阻 R 可以作为电流 I 的频率的函数而变化。如果优化变压器 1072 的设计， 特别是如果变压器 1072 在相对较低频率下工作， 则绕组损耗可能是主要损耗。
损耗的另一成分是铁芯损耗， 其来自于由于铁芯 1078 中变化的磁通量导致的在 铁芯 1078 中损失的能量。因此， 当变压器 1072 的工作频率增加时， 铁芯损耗通常增加。因 此， 如果变压器 1072 工作在低频下， 则铁芯损耗可以相对较小。铁芯损耗还随着构造铁芯 的材料变化， 并且在高频下用铁氧体铁芯的情况比用铁皮或钢层压的铁芯的情况铁芯损耗 通常更小。
返回图 6 的电源 14(4)， 如前面讨论的， 线路频率变压器 1070 可以比相应的开关电 源变压器大。 但是， 线路频率变压器 1070 的相对大尺寸本质上导致了线路频率变压器 1070 具有较大的热质量 ； 当具有较大热质量的线路频率变压器 1070 暴露于热源时， 其比起具有 较小热质量的变压器 ( 例如， 开关电源 14(2) 变压器 1068( 图 5)) 将更缓慢地变热。结果， 线路频率变压器 1070( 图 6) 能够比开关电源变压器 1068 更好地承受瞬变的加热。
如上面所述， 变压器的最大连续额定电流是在规定的工作条件下变压器在不超出 其最大安全工作温度的情况下可以连续提供的电流的最大幅度。 但是， 如上面所述， 线路频 率变压器 1070 具有相对大的热质量。因此， 在较短的时间周期内， 线路频率变压器 1070 能 够提供显著超出其最大连续额定电流的电流。因此， 电源 14(4) 可以有利地提供超出线路 频率变压器 1070 的最大连续额定电流的电流脉冲， 只要电源 14(4) 的流出电流和占空因数 足够低， 以防止线路频率变压器 1070 超出其最大安全工作温度。如上面所述的以及下面详 细讨论的， 许多脉冲电热除冰实施方式仅要求电源 14 提供持续几秒到几分钟的电流脉冲， 其中每个脉冲具有较小的占空因数。 因此， 在许多脉冲电热除冰实施方式中， 可以使用电源 14(4)， 其中， 电源 14(4) 提供的电流脉冲的幅度超出线路频率变压器 1070 的最大连续额定 电流。
再次参考图 5 的电源 14(2)， 开关电源变压器 1068 通常与线路频率变压器 ( 例如， 线路频率变压器 1070， 图 6) 相比相对较小。 因此， 开关电源变压器 1068 通常将具有比线路 频率变压器小的热质量， 并且开关电源变压器 1068 将不能支持像线路频率变压器一样大 的脉冲电流。 但是， 散热材料能够被应用于开关电源变压器 1068， 以增加其有效质量并允许 其支持具有更大幅度、 持续时间和 / 或占空因数的电流脉冲。
类似地， 开关电源中需要的开关元件 1064 和 1066 的功率电子设备 / 功率器件典 型地被安装在提供至少一些热质量的散热器上。对于开关元件 1064 和 1066 的额定有源电 子元件的主要考虑是要避免将有源器件的硅结暴露于过高的温度。
典型地， 开关元件 1064 和 1066 的硅晶体管、 三端双向可控硅开关、 硅控整流器(SCR) 和其它有源元件具有最大额定电流和最大额定功率耗散。最大额定电流代表元件的 短期功率处理能力， 而最大额定功率耗散依赖于器件封装、 附加的散热器和空气流， 并且最 大额定功率耗散代表长期功率处理能力。
散热器和风扇 ( 尤其是那些能够处理许多瓦特的 ) 是昂贵的、 笨重的和庞大的。 许 多有源器件具有指示短期功率能力的最大额定电流， 短期功率能力远超出由有源器件的最 大额定功率耗散指示的功率处理能力。如果将开关元件 1064 和 1066 的硅有源器件设计成 向负载提供短期脉冲而不是向负载提供连续功率， 那么因此可能节省器件封装、 散热器和 冷却扇。
返回图 7， 讨论了变压器 1072 的附加设计考虑。 如果变压器 1072 代表被操作为具 有较小占空因数的线路频率变压器 1070， 那么在高磁通密度 ( 但是低于饱和 ) 和高绕组电 流密度条件下操作变压器 1070 是有利的， 从而当电流脉冲具有较低占空因数时向负载 ( 例 如， 加热器 10) 提供电流脉冲。
绕组电流密度被定义为变压器 1072 的特定绕组中的峰值电流。绕组电流密度由 绕组在不发生过热从而不融化和 / 或不使变压器 1072 的温度上升超出其最大安全工作温 度的条件下可以承载的电流量限定。与连续的应用相比， 在低占空因数应用中允许增大的 绕组电流密度。 对于本文档， 能够提供大于其连续输出电流量至少两倍的脉冲输出电流的电源是 间歇工作电源。
图 8A 示出了脉冲电热除冰装置 20( 参见图 9 和图 10) 的部分 A。包含装置 20 的 制冷单元 ( 没有示出 ) 使冷却剂 8 穿过管筒 4 流动。热量由制冷单元向冷却剂 8 传递。冷 却片 2 与管筒 4 热接触， 以促进热传递。冰 6(1) 可由水蒸气凝结在管筒 4 和 / 或冷却片 2 的表面上。冰 6(1) 阻碍了热量的传递。装置 20 定期地从管筒 4 和 / 或冷却片 2 的表面上 除去冰 6(1)， 从而提高制冷效率。图 8B 示出了从管筒 4 和冷却片 2 上除去冰 6(1) 后的部 分 A。
图 9 示出了脉冲电热除冰装置 20(1)。图 9 并不是按比例示出的。冷却剂 8( 参见 图 8A 和图 8B) 穿过冷却剂管筒 4(1) 流动 ； 与管筒 4(1) 热接触的冷却片 2(1) 促进了热量 向冷却剂的传递。冷却剂管筒 4(1) 和冷却片 2(1) 可由例如铜、 铝或它们的合金制成。标 记 A 的地方代表了图 8A 和图 8B 所示的部分 A。冰 6(1)( 参见图 8A 和图 8B) 可在冷却剂 管筒 4(1) 和冷却片 2(1) 上形成或在两者中的一个上形成。在装置 20(1) 中， 冷却片 2(1) 是图 1 的加热器 10 的一个示例。为了显示清楚， 图 9 仅标出了少许冷却片 2(1)。如图中 所示， 冷却片 2(1) 是导电的， 并且在开关 12(1) 和 12(2) 以及地线 16 之间以蛇形的结构连 接。管筒 4(1) 可由电绝缘体或导体形成 ； 但是如果由导体形成， 则管筒 4(1) 基本上与冷却 片 2(1) 电绝缘。例如可通过在管筒 4(1) 和冷却片 2(1) 之间插入如金属氧化物 ( 如阳极 化涂层 )、 聚合物、 复合材料和 / 或其他电介质材料， 从而实现管筒 4(1) 和冷却片 2(1) 之间 的电绝缘。冷却片 2(1) 形成加热器部分 7(1) 和 7(2)。
当需要除冰时， 分别闭合开关 12(1) 和 / 或 12(2)， 以向加热器部分 7(1) 和 / 或 7(2) 提供终端 18(1) 和 18(2) 处的有效电源。开关 12(1) 和 12(2) 可以是机电继电器或者 可以是电子开关。电源在冷却片 2(1) 上产生热量使冰 6(1) 被去除。在装置 20(1) 中管筒 4(1) 不是被直接加热 ( 如电加热 )， 而是因为管筒 4(1) 通过与冷却片 2(1) 热接触而被加
热， 所以将管筒 4(1) 上的冰去除。将冷却片 2(1) 构造为两个加热器部分 7(1) 和 7(2) 只 是示例性的， 可以理解， 在其他实施方式中， 可将冷却片构造为仅一个加热器部分或构造为 两个以上加热器部分。
包括脉冲电热除冰装置 20(1) 的制冷单元可在除冰之前通过关闭连接至冷却剂 源的阀但继续运行制冷压缩机而从管筒 4(1) 排放冷却剂 8。在除冰之前从管筒 4(1) 排放 冷却剂的优点在于在除冰的过程中产生的热量将只作用在管筒 4(1) 和冷却片 2(1) 的热质 上， 而不会浪费在加热冷却剂上。 不对冷却剂加热加快了除冰的速度， 并且降低了需要使用 的总热量， 从而降低了在恢复制冷时对冷却剂再次冷却所需的能量。
可以理解， 利用装置 20(1) 的制冷或冷冻单元的其他工作过程可与除冰相协调。 例如， 如果制冷或冷冻单元利用多个鼓风机向装置 20(1) 传递热量， 在除冰的过程中可关 闭鼓风机。 如果个别鼓风机被放置为邻近于进行除冰的部分 ( 例如， 部分 7(1) 或 7(2))， 则 可关闭邻近于进行除冰的部分的鼓风机， 同时， 邻近于其他部分的鼓风机继续工作。
图 10 示出了脉冲电热除冰装置 20(2)。图 10 并不是按比例示出的。冷却剂 8( 参 见图 8A 和图 8B) 穿过冷却剂管筒 4(2) 流动 ； 与管筒 4(2) 热接触的冷却片 2(2) 促进了热 量向冷却剂的传递。为了显示清楚， 图 10 仅标出了少许冷却片 2(2)。冷却剂管筒 4(2) 和 冷却片 2(2) 可由例如铜、 铝或它们的合金制成。标记 A 的地方代表了图 8A 和图 8B 所示的 部分 A。冰 6(1)( 参见图 8A 和图 8B) 可在冷却剂管筒 4(2) 和冷却片 2(2) 上形成或在两 者中的一个上形成。在装置 20(2) 中， 管筒 4(2) 是图 1 所示加热器 10 的一例。管筒 4(2) 在开关 12(3)、 12(4) 和 12(5) 以及地线 16 之间连接。冷却片 2(2) 可由电绝缘体或导体形 成； 但是如果由导体形成， 则冷却片 2(2) 基本上与管筒 4(2) 是电绝缘的。例如， 可通过在 管筒 4(2) 和冷却片 2(2) 之间插入如金属氧化物 ( 例如， 阳极化涂层 )、 聚合物、 复合材料和 / 或其他电介质材料， 从而实现管筒 4(2) 和冷却片 2(2) 之间的电绝缘。管筒 4(2) 形成加 热器部分 7(3)、 7(4) 和 7(5)。
当需要除冰时， 分别闭合开关 12(3)、 12(4) 和 / 或 12(5)， 以向加热器部分 7(3)、 7(4) 和 / 或 7(5) 提供终端 18(3) 处的有效电源。电源在管筒 4(2) 上产生热量将冰 6(1) 去除。 在装置 20(2) 中冷却片 2(2) 不是被直接加热 ( 例如， 电加热 )， 而是因为冷却片 2(2) 通过与管筒 4(2) 热接触而被加热， 所以将冷却片 2(2) 上的冰去除。将管筒 4(2) 构造为三 个加热器部分 7(3)、 7(4) 和 7(5) 只是示例性的， 可以理解， 在其他实施方式中， 可将管筒构 造为少于三个或多于三个加热器部分。
与上述装置 20(1) 类似， 包括装置 20(2) 的制冷单元可在除冰之前排放冷却剂 8， 从而避免在加热冷却剂上浪费热量。一种选择是， 由于部分 7(3)、 7(4) 和 7(5) 被限定为管 筒 4(2) 的部分， 所以阀和管筒可被设置为允许冷却剂继续穿过未被除霜的部分流动， 并且 从正在被除霜的部分中隔离和 / 或排放。可以理解， 在利用装置 20(2) 的制冷或冷冻单元 中工作的其他部分 ( 例如， 与装置 20(1) 一同提及的鼓风机 ) 可与除冰相协调。
另一种选择是， 装置 20(2) 可在这样的部分中除冰， 所述部分 “跟随着” 穿过管筒 4(2) 的冷却剂的移动。 例如， 在图 10 所示的实施方式中， 冷却剂可依次穿过部分 7(3)、 7(4) 和 7(5) 正常移动。冷却剂穿过管筒 4(2) 的移动速度可由包括装置 20(2) 的单元的制冷系 统设计而决定。 当冷却剂正常穿过管筒 4(2) 流动时， 装置 20(2) 可向部分 7(3) 施加第一电 功率脉冲 ； 第一脉冲的持续时间足以从部分 7(3) 上将冰除去。部分 7(3) 中的冷却剂将吸收一些由第一脉冲产生的热量。在一个时间延迟之后， 装置 20(2) 可接着向部分 7(4) 施加 第二电功率脉冲， 该时间延迟是由冷却剂穿过管筒 4(2) 的移动速度决定的， 从而使在第一 脉冲期间处于部分 7(3) 中的冷却剂在第二脉冲期间处于部分 7(4) 中。在第一脉冲期间由 冷却剂在部分 7(3) 中吸收的热量有助于在第二脉冲期间对部分 7(4) 进行加热， 而且可减 小将冰从部分 7(4) 上除去所需的第二脉冲的持续时间。在一个时间延迟之后， 装置 20(2) 可接着向部分 7(5) 施加第三电功率脉冲， 该时间延迟是由冷却剂穿过管筒 4(2) 的移动速 度决定的， 从而使在第二脉冲的期间处于部分 7(4) 中的冷却剂在第三脉冲期间处于部分 7(5) 中。 在第一脉冲和第二脉冲期间由冷却剂在部分 7(3) 和 7(4) 中吸收的热量有助于在 第三脉冲期间对部分 7(5) 进行加热， 而且可减小将冰从部分 7(5) 上除去所需的第三脉冲 的持续时间。可以理解， 此处所描述的方法可对冷却剂顺序流过的任意数量的部分进行重 复。
图 11 示出了脉冲电热除冰装置 20(3)。图 11 并不是按比例示出的。冷却剂 8( 参 见图 8A 和图 8B) 通过冷却剂管筒 4(3) ； 与管筒 4(3) 热接触的冷却片 2(3) 促进了热量向 冷却剂的传递。为了显示清楚， 图 11 仅标出了少许冷却片 2(3)。冷却剂管筒 4(3) 和冷却 片 2(3) 可由例如铜、 铝或它们的合金、 或其他具有低热阻率的材料制成。标记 A 的地方代 表了图 8A 和图 8B 所示的部分 A。冰 6( 参见图 8A 和图 8B) 可在冷却剂管筒 4(3) 和冷却 片 2(3) 上形成或在两者中的一个上形成。在装置 20(3) 中， 管筒 4(3) 是图 1 所示的加热 器 10 的一例。管筒 4(3) 在开关 12(6)、 12(7) 和 12(8) 以及地线 16 之间连接， 从而形成加 热器部分 7(6)、 7(7) 和 7(8)。冷却片 2(3) 可由电绝缘体或导体形成 ； 如果由导体形成， 则 冷却片 2(3) 可与管筒 4(3) 电连接， 但是冷却片 2(3) 只能与公共的加热器部分连接， 并因 此基本定位于横跨加热器部分的等电位处。 当需要除冰时， 分别闭合开关 12(6)、 12(7) 和 / 或 12(8)， 以向加热器部分 7(6)、 7(7) 和 / 或 7(8) 提供终端 18(4) 处的有效电源。电源在 管筒 4(3) 上产生热量使冰 6 去除。在装置 20(3) 中， 可产生冷却片 2(3) 的电加热， 但只是 附带的， 这是因为即便冷却片 2(3) 是导电的并与管筒 4(3) 连接， 也只有很小的电流经过冷 却片 2(3)。在冷却片 2(3) 上的冰被除去 ( 即， 如以上结合图 1 所述， 松开， 或完全融化和 / 或气化 )， 这主要是因为冷却片 2(3) 通过与管筒 4(3) 热接触而被加热。将管筒 4(3) 构造 为三个加热器部分 7(6)、 7(7) 和 7(8) 只是示例性的， 可以理解， 在其他实施方式中， 可将管 筒构造为少于三个或多于三个加热器部分。
与上述包括装置 20(1) 和 20(2) 的制冷单元类似， 包括装置 20(3) 的制冷单元 可在除冰之前排放冷却剂 8， 从而避免在加热冷却剂上浪费热量。一种选择是， 由于部分 7(6)、 7(7) 和 7(8) 被限定为管筒 4(2) 的部分， 所以可以提供阀和管筒， 以允许冷却剂继续 穿过未被除霜的部分流动， 以及从正在被除霜的部分中隔离和 / 或排放冷却剂。在利用装 置 20(3) 的制冷或冷冻单元中工作的其他部分 ( 例如与装置 20(1) 和 20(2) 一同提及的鼓 风机 ) 可与除冰相配合。冰的去除可按时间在各部分上顺序完成， 从而使除冰 “跟随着” 冷 却剂穿过多个部分， 这一点正如上述对装置 20(2) 的描述。
例1： 建立并测试包括单根一米长管筒的脉冲电热除冰装置。管筒由铜制成， 其外 直径为 1cm， 电阻为 1.4 毫欧姆。该装置包括 200 片铝片， 各铝片的厚度为 0.19mm， 面积为 4cm×4cm ； 铝片在管筒上的间隔为 4mm。T ＝ -10C 的低温乙二醇穿过管筒流动， 从而使管筒 冷却并导致在管筒和铝片上形成霜。电压为 1.4V、 电流为 1000A、 4 秒至 5 秒长的 DC 电功率脉冲使所有已在该装置上形成的霜被去除 ( 在本实施方式中， 即为融化 )。
图 12 为用于从制冷单元的冷却剂管筒和 / 或冷却片上除冰的方法 30 的流程图。 例如， 可通过脉冲电热除冰装置 20(1)-20(3) 中任意一种实现方法 30。在步骤 32 中， 制冷 单元在制冷模式下工作。处于低温的冷却剂穿过冷却剂管筒流通， 从而冷却管筒和 / 或冷 却片 ； 热量 ( 例如， 由被制冷物体所产生的热量或通过壁散发出的热量或通过单元的开口 漏出的热量 ) 从制冷单元传递至管筒和 / 或冷却片。来自于制冷单元内气体的水蒸气将在 冷却剂管筒和 / 或冷却片上凝结为冰。在步骤 34 中， 停止普通的制冷模式， 主要为了在除 冰时节约能量。 步骤 34 是可选的， 并且可能不会出现在某些制冷单元中 ； 例如， 在某些部分 需要继续制冷而其它部分除霜的制冷单元中， 不会出现步骤 34。在被解冻除霜的第一部分 上， 步骤 36 施加电功率脉冲通过冷却剂管筒和 / 或冷却片， 以除去 ( 例如， 松开、 融化或气 化 ) 聚集在其上的冰。步骤 36 的一个示例是通过闭合相应的开关 12(1)-12(8) 除去积聚 在部分 7(1) 至 7(8) 中任何一个上的冰。步骤 38 确定是否完成除冰或者是否应对其他的 冷却剂管筒和 / 或冷却片除霜。如果已完成除冰， 则方法 30 重新开始步骤 32 中的普通制 冷模式。如果需要除霜其他部分， 可选的延迟步骤 39 使已经在解冻除霜一个部分时吸收了 热量的冷却剂移动至下一个部分， 并且步骤 40 解冻除霜下一个部分， 然后方法 30 返回步骤 38， 从而再次确定是否已完成除冰。
在例如图 11 的具有 N 个部分的实施方式中， N 个部分中的每一个均以旋转计划安 排通过开关 12(1-8) 每 P 秒一次接收持续达 M 秒的用于除冰的功率， 对于电源的结果占空 因数要求是 N*M/P。例如， 具有三个部分的、 每 15 分钟对每一个部分除冰持续 30 秒的实施 方式要求电源能够支持 10％的负载占空因数。
可选地， 每一个部分可以设置有单独的专用电源 ( 没有示出 )。在这个实施方式 中， 每一个专用电源必须能够支持 M/P 的负载占空因数。在示例中， 实施方式具有三个部 分， 每 15 分钟对三个部分中的每一个除冰持续 30 秒并且三个部分中的每一个均设置有专 用电源， 每一个电源仅需要支持 1/30 的负载占空因数。图 13 示出了具有一系列管筒和冷 却片组件 620 的热交换器 600 的一个实施方式， 如图所示， 每一个组件 620 均具有设置在管 筒 606 上的冷却片 604。在正常操作中， 要被冷却的气体按照箭头 614 的方向流动， 同时冷 却剂穿过管筒 606 按照箭头 612 的方向流动。每一个管筒 606 均通过开关 610 连接至功率 源 608， 所以当开关 610 闭合时， 电流通过管筒 606 流动， 以产生热量 ； 从而对热交换器 600 进行除冰操作。在图 13 中， 为了显示清楚， 仅有一个管筒 606 被示出为具有电连接。当短 电流脉冲经过管筒 606 时， 在管筒 606 的壁上产生焦耳热。由于管筒 606 和冷却片 604 之 间的热阻很小， 所以在冷却片 604 上产生很高的热扩散率。因此， 在管筒 606 上产生的焦耳 热很快传递至冷却片 604， 从而使在热交换器 600 上形成的冰和 / 或霜融化。
图 14 示出了图 13 中一个管筒和冷却片组件 620 的剖视图， 并示出了在热传递计 算中所使用的确定的几何定义。以下的示例示出了热扩散率。在一些材料中的热扩散长度 LD 由下式给出 ：
公式 4 其中 公式 5其中， t 是时间， α 是材料的热扩散系数， k 是材料的导热系数， ρ 是材料的密度，CP 是材料的热容。
图 15 为示出了在室温下纯铝的热扩散长度 ( 单位 ： 米 ) 关于时间 ( 单位 ： 秒)的 曲线图。特别地， 如图 15 所示， 在 1 秒的时间内， 在铝中的热扩散超过了 1.8cm， 并且在 5 秒 的时间内超过了 3.9cm。因此， 当在管筒 606 内部产生热量时， 该扩散长度足以在大约 1 秒 的时间内对冷却片 604( 其中， 冷却片 604 具有典型的尺寸 ) 进行加热。
本实施方式促进了在目前制冷工业中采用的很广阔范围的热交换器中的使用。 例 如， 冷却片 604 的形状可以是以下之一或更多 ： 环形、 方形、 类似针形等。冷却片 604 和管筒 606 可由以下之一或更多制成 ： 铝、 铜、 不锈钢、 导电聚合物或其他合金。例如， 由于不锈钢 具有相对较高的电阻， 所以不锈钢管筒可用于促进电阻加热。 当然， 也可采用其他金属和合 金。
如前面关于图 1、 图 2、 图 4、 图 5、 图 6 和图 7 所述的， 电源 608 可以是能够提供足 够功率的 DC 或 AC 电源 ； 在某些实施方式中， 电源 608 是低压大电流电源。例如， 电源 608 可以是以下之一或更多 ： 如在图 4 中示出的电池、 一组超级电容、 如在图 6 中示出的降压变 压器电源、 如在图 5 中示出的电子降压变压器等。在一个实施方式中， 电源 608 产生高频电 流， 因为管筒 606 的电阻可能由于传输高频电流时的趋肤效应而增大， 所以该高频电流是 有利的。
为了产生更加均匀的电加热， 冷却片 604 可与管筒 606 电绝缘， 但与管筒 606 保持 良好的热接触。 例如， 在铝表面上的较薄的阳极化层、 聚合物的薄层或环氧粘合剂可形成较 薄的电绝缘层。
如上述实施方式所述， 由于在基础管筒中与流体制冷剂的对流热交换并由于热交 换器外表面上的空气， 使脉冲加热限制了热量损失。 最小化热量损失减小了平均功率需求， 并且使除冰和除霜能够在不关闭热交换器 600 的情况下进行 ( 即， 不关闭冷冻器、 冷却器或 空气调节器 )。 通过施加具有足够频率的加热脉冲， 融化了形成在冷却片和管筒外表面的冰 或霜的薄层， 从而维持热交换器表面实际上无冰和无霜。 因此， 该脉冲加热可改进热交换器 的性能和可靠性 ( 通过减少所需的启动和关闭循环 )， 该脉冲加热可进一步减小用于除冰 的所需功率， 并且可通过在除冰期间使温度波动最小化从而增加储存在制冷室里面的食品 的保存期限。
考虑图 13 所示的、 由铝制成的、 具有典型尺寸的热交换器 600 ： 管筒 606 的内直 径为 1cm， 管筒 606 的壁的厚度为 0.30mm， 冷却片 604 的直径为 36mm， 冷却片 604 的厚度为 0.5mm， 冷却片 604 之间的间隔为 4mm。这种热交换器的质量约为 330g/m( 在管筒 606 的每 米长度上 )， 并且总表面面积 ( 冷却片 604 加上管筒的外表面 ) 为 0.47m2/m( 在管筒 606 的 每米长度上的平方米数 )。假设管筒 606 内制冷剂的温度为 -18℃， 在管筒 606 内表面上的 对流热交换率为 1000W/(m2· K)， 周围的空气温度为 +5℃， 并且在空气和热交换器 600 外表 2 面之间的对流热交换系数为 65W/(m ·K)。
如在图 16 所示， 如果对管筒 606 施加 3V/m 的电场， 则加热铝的表面至 0℃以上将 需不到 1.4 秒。一旦铝的表面在 0℃之上， 则在铝的表面上形成的任何冰或霜将开始融化。
条目符号数值19101919305 A CN 101919306说L ri ro rt明书1m 4.85mm 5mm 36mm15/27 页管筒长度 管筒内直径 管筒外直径 冷却片外直径冷却片厚度 冷却片之间的间隔 管筒内表面面积 与空气接触的面积 铝的体积 铝的导热系数 铝的密度 铝的热容 铝的热扩散系数 热交换器的总热容
tf δ Ai A0 VAl kAl ρAl CAl DAl Ct500μm 4mm 0.03m2 0.47m2 1.221·10-4m3 200W/(m·K) 2700kg/m3 0.95·103J/(kg·K) kAl/(ρAl·CAl) ρAl·CAl·VAl边界条件 条目 在管筒内表面上的对流热 交换系数 在热交换器外表面上的平 均对流热交换系数 冷却剂温度 符号 hf 数值 1000W/(m2·K)hair65W/(m2·K)Tf20-18℃101919305 A CN 101919306说Tair Bi TAl明书5℃16/27 页空气温度 该问题中的毕奥数 铝的平均初始温度
hf·(rt-ri)/kAl ＝ 0.066 -6.488℃电参数 符号 ρe Re V W(V) t Tshutdown(V， t) 数值 2.5·10-8 欧姆·米 5.386·10-3 欧姆 可变的 V2/Re 瓦 可变的条目 铝电阻率 管筒电阻 施加至管筒的电压范围 电阻的热量产生率 时间范围 当热交换器关闭时脉冲加 热期间的热交换器温度 当热交换器工作时脉冲加 热期间的热交换器温度
Tuninterrupted(V， t)当热交换器关闭时脉冲加热期间的热交换器温度由下式决定 ： 公式 6 并且， 当热交换器工作在没有中断条件下时脉冲加热期间的热交换器温度由下式决定 ：
公式 7其中， C1(V) ＝ W(V)+hf·Ai·Tf+hair·A0·Tair 公式 8
以及， C2 ＝ hf·Ai+hair·A0 公式 9
图 16 为一个曲线图， 其示出了当在工作期间由加热脉冲供电时以及当在冷却泵 和鼓风机关闭条件下由加热脉冲供电时， 根据以上所列出的假定， 热交换器 600 的模拟温 度与时间的关系。特别地， 如图 16 所示， 由于在无中断工作期间只需不到 1.4 秒就可开始 融化霜， 所以在不关闭冷却剂泵或鼓风机的情况下可顺利完成除霜。 在本实施例中， 在热交 换管筒 ( 例如， 管筒 606) 的 1 米长的部分上施加 3V 的电压， 产生 1.671kW 的加热功率。在施加 3V 电压的条件下， 管筒中的电流为 557.004A。 图 17 为一个透视图， 其示出了被配置为 用于除冰的脉冲系统的热交换器 650。热交换器 650 可由例如金属或导电且导热的聚合物 形成。表面 654(1) 和 654(2) 由流通的冷却剂冷却。空气按箭头 662 的方向流通经过冷却 表面 652、 656(1) 和 656(2) 以及在表面 652 和表面 654(2) 背面、 在图 17 中被遮挡的相应 的冷却表面。 热量由空气传给热交换器的冷却表面， 然后传给冷却剂 ； 冰可在冷却表面上形 成。薄膜冰探测器 653 可贴附在一个或更多的冷却表面上， 例如冷却表面 652， 用于探测冰 和 / 或霜的存在， 并可测量冰或霜的厚度。上表面 658 和下表面 660 是绝热的， 所以冰不会 在其上形成。
图 18 示出了积聚有冰 6(2) 并连接至电源 14 和开关 666 的热交换器 650 的俯视 图。在操作中， 热交换器 650 使空气冷却， 并且可使冰 6(2) 积聚。然后闭合开关 666， 通过 热交换器 650 发送电流加热脉冲 ； 可通过控制加热脉冲的功率和持续时间在由脉冲产生的 大量热量浪费在冰 6(2) 和热交换器 650 的冷却表面之前使冰体的界面融化。如果热交换 器 650 是竖直放置的 ( 如图 17 和图 18 所示 )， 在施加加热脉冲后， 重力将使冰 6(2) 滑离热 交换器 650。
图 19 示出了被配置为用于除冰的脉冲系统的热交换器 670。 热交换器 670 形成有 空气通道 672， 热量在该通道中从空气传给冷却剂， 该冷却剂由入口 674 进入交换器 670 并 由出口 676 排出交换器 670。虚线 F14-F14 代表图 20 所示的剖面的上端。 图 20 示出了由图 19 中的虚线 F14-F14 竖直向下延伸的平面获取的热交换器 670 剖视图。空气以箭头 680 的方向穿过热交换器 670 流动。冷却表面 673 形成空气通道 672 的侧面， 并且如图 20 所示， 绝热层 678 使每个空气通道 672 的上端和下端隔离。各个冷却 表面 673 通过开关 684 与电源 14 相连 ( 为了图示清楚， 只有一个冷却表面 673 被示出为与 电源相连 )。
在操作中， 热交换器 670 使空气冷却， 并可以在冷却表面 673 上积聚冰 6(3)。 然后 可闭合开关 684， 通过每一个冷却表面 673 发送电流加热脉冲 ； 在由脉冲产生的大量热量消 耗在冰 6(3)、 冷却剂和冷却表面 673 之前， 可控制加热脉冲的功率和持续时间使冰体的界 面融化。如果热交换器 670 是垂直放置的 ( 如图 19 和图 20 所示 )， 则在施加加热脉冲后， 重力可以使冰 6(3) 滑离冷却表面 673。
可以理解， 对热交换器 650 和 670 进行的修改是属于本发明的公开范围的。例如， 热交换器 650 的冷却表面可以与图 17 和图 18 所示的形状不同 ； 冷却剂可穿过热交换器 650 的管筒或通道流动。可在邻近热交换器 650 或 670 的冷却表面的电介质层上设置加热片或 加热膜， 从而替代将冷却表面连接至电源。可以密封加热片或加热膜与冷却表面之间的间 隔， 并且可交替地取消间隔， 从而使加热片或加热膜与冷却表面热接触， 而且在除冰期间可 通过加压使加热片或加热膜和冷却表面之间产生气体间隙。冷却表面可形成多个部分 ( 如 热交换器 20(1)、 20(2) 和 20(3))， 这些部分可与开关和电源形成电连接， 从而并非所有部 分均在给定的时间内接收加热脉冲。
图 21 示出了被配置为用于除冰的脉冲系统的可折叠型热交换器 700 的示意性剖 视图。在热交换器 700 中， 冷却剂 706( 氟利昂或其他流体 ) 穿过具有形成热交换表面的冷 却片 704 的冷却剂管筒 702 流动， 从而与周围空气交换热量。尽管示出的冷却剂管筒 702 在冷却片 704 内具有冷却剂， 但某些实施方式中的冷却剂管筒可具有由直管筒或导管 ( 例
如， 参见图 23) 横向延伸的热交换表面。在其他实施方式中， 可假设管筒或导管为蛇形或 z 字形， 以形成热交换表面 ( 例如， 参见图 25)。在冷却片 704 上可能形成的冰 6(4) 可通过 脉冲除冰而除去。当开关 708 闭合时， 电源 14 通过热交换器 700 发送电流加热脉冲 ； 该加 热脉冲至少使形成在冷却片 704 和冰 6(4) 之间的冰体界面融化 ； 该加热脉冲也可使所有冰 2 6(4) 融化。每个单位面积的典型的加热密度可为约 5KW/m 至约 100KW/m2。电流大小和脉 冲持续时间可根据温度、 流速和冷却剂的性质 ( 例如， 密度、 热容和导热系数 ) 调节。典型 的脉冲持续时间可为大约 0.1s ～ 10s。
电源 14 可以是如在图 1 中所示的。特别地， 电源 14 可以包括如在图 4 中所示的 电池、 如在图 6 中所示的线路频率变压器或者如在图 5 中所示的电子变压器。开关 708 可 以是半导体类型 ( 功率 MOSFET、 IGBT、 半导体闸流管等 )、 机械开关、 电磁开关或它们的任意 组合。然后， 可通过重力 ( 例如， 冰 6(4) 可从冷却片 704 上滑脱 ) 或通过机械动作 ( 例如， 对热交换器 700 进行刮、 抖动或吹气 ) 除去加热脉冲过后仍残留的固态冰 6(4)。 例如， 抖动 可由可选的小电动马达 712 和机轴 714 提供， 或由可选的电磁振荡器 716 提供， 或由在冷却 剂 706 内引起压力振荡而提供。
图 22 示出了贴附片状衬垫 722 以形成冷却剂管筒 720 的剖视图。例如， 冷却剂管 筒 720 可用作冷却剂管筒 702( 参见图 21)。例如， 片状衬垫 722 可为内直径 1 英寸、 外直 径 3 英寸的 4 密耳 (mil) 不锈钢片状衬垫， 并且在它们的外边缘 724 和内边缘 726 焊接或 点焊。因此， 每一个衬垫 722 均形成热交换表面 ( 例如， 图 21 的一对衬垫形成一个冷却片 704)。
图 23 示出了将片状衬垫 732 贴附在直导管 734 上以形成冷却剂管筒 730 的剖视 图。例如， 冷却剂管筒 730 可用作冷却剂管筒 702( 参见图 21)。例如， 片状衬垫 732 可为内 直径 1 英寸、 外直径 3 英寸的 4 密耳的不锈钢片状衬垫， 并且在它们的外边缘 736 和内边缘 738 焊接或点焊 ； 衬垫 732 还可被焊接或熔焊在导管 734 上。因此， 每一对衬垫 732 均形成 冷却片 ( 例如， 图 21 的冷却片 704)。导管 734 和衬垫 732 的相对的壁厚是可选的， 从而使 得当如图 21 所示， 引起电流脉冲时， 它们具有相似的加热功率 (W) 的密度。
图 24 示出了被配置为用于除冰的脉冲系统的另一种可折叠型热交换器 740。 热交 换器 740 具有冷却剂管筒 742， 冷却剂管筒 742 具有与周围空气交换热量的冷却片 744。在 冷却片 744 上形成的冰 6(5) 可通过脉冲电热除冰而除去， 对于热交换器 740， 脉冲电热除冰 以与对于热交换器 720 相似的方式工作。当开关 748 闭合时， 电源 14 通过热交换器 740 传 送电流加热脉冲 ； 加热脉冲至少使形成在冷却片 744 和冰 6(5) 之间的冰体界面融化 ； 该加 热脉冲也可使所有冰 6(5) 融化或气化。
图 25 示出了被配置为用于除冰的脉冲系统的另一种可折叠型热交换器 760。 热交 换器 760 具有与周围空气交换热量的冷却剂管筒 762 ； 冷却剂管筒 762 是蛇形的， 冷却剂穿 过冷却剂管筒 762 的弯曲部 764 流动， 从而使热交换表面积最大。在冷却剂管筒 762 上可 能形成的冰 ( 没有示出 ) 可通过脉冲电热除冰被除去。当开关 768 闭合时， 电源 14 通过热 交换器 760 发送电流加热脉冲 ； 加热脉冲至少使形成在冷却片 764 和冰之间的冰体界面融 化； 该加热脉冲也可使所有冰融化。
可以理解， 对热交换器 730、 740 和 760 进行的修改是属于本发明的公开范围的。 例 如， 热交换器 730、 740 和 760 的热交换表面可被形成为与图 23、 图 24 和图 25 所示的形状不同的形状。可在邻近这些表面的电介质层上设置加热片或加热膜， 而不是将管筒和 / 或冷 却片与电源相连接。可以密封加热片或加热膜与热交换表面之间的间隔， 并且可交替地取 消间隔， 从而使加热片或加热膜与冷却表面热接触， 而且在除冰期间通过加压使加热片或 加热膜和冷却表面之间产生空气间隙。热交换表面可形成多个如上所述的部分， 所述部分 可与开关和电源形成电连接以使得并非所有部分均在给定的时间内接收加热脉冲。
有利地， 薄壁金属管筒和衬垫的脉冲加热可采用低压 (1V 至 24V) 大电流 ( 几百或 几千安培 )。当优选地直接使用更高的电压 ( 例如， 120V 交流电压或 240V 交流电压 ) 时， 更高的电阻是有利的。可通过将加热器传导膜与冷却管筒分离得到更高的电阻。例如， 具 有冷却片的热交换器可由阳极化铝制成， 在 ( 绝缘的 ) 阳极化层的顶部上涂敷薄的高电阻 加热膜。可通过 CVD、 PVD、 电解涂覆或喷涂涂敷该加热膜。
图 26 示出了被配置为管状造冰器 100(1) 的脉冲电热除冰装置。 图 26 并不是按比 例示出的。管状造冰器 100(1) 标记为 B 的一部分在图 28 中更详细地示出。如下面进一步 描述的， 造冰器 100(1) 产生利用脉冲电热除冰而获得的冰环 6(6)。造冰管筒 110(1) 在冷 冻室 ( 没有示出 ) 中垂直定位。在一个实施方式中， 管筒 110(1) 约为 3 至 5 英寸长， 其外 直径约为 1 英寸， 壁厚约为 10 密耳。管筒 110(1) 可由例如不锈钢、 钛合金或复合材料 ( 例 如， 充有碳粒子和 / 或纤维的聚合物， 以使材料导电 ) 形成。喷头 120 向管筒 110(1) 上喷 射水 130。一组热传导片 140 从指形冷冻器 150 向冷冻室传递热量， 从而使管筒 110(1) 的 冰形成区域 ( 没有在图 26 中标出， 参见图 28) 达到水的凝固点以下的温度。图 26 示出了 两个热传导片 140 ； 可根据有效热传递的需要在管筒 110(1) 周围设置更少或更多的传导片 140。指形冷冻器 150 和热传导片 140 可由例如铜、 铝或它们的合金制成。
图 28 更详细地示出了管状造冰器 100(1) 的部分 B。指形冷冻器 150 基本环绕管 筒 110(1)， 并且限定了在管筒 110(1) 内部的周围连续的、 相应的冰生长位置 112(1)。多个 冰生长区域 112(1) 被多个冰分隔区域 115(1) 分隔开 ； 冰不在区域 115(1) 内生长。冰分隔 区域 115(1) 可被限定为不与指形冷冻器 150 邻近的区域， 或者可设置温度控制单元 118 以 提高管筒 110(1) 在区域 115(1) 的温度。例如， 温度控制单元 118 可以是阻止热量由区域 118 向热传导片 140 流动的绝缘体。另一种选择是温度控制单元 118 可以是提高冰分隔区 域 115(1) 的温度的加热器。
再参照图 26， 当水 130 穿过管筒 110(1) 流动时， 冰 6(6) 在邻近指形冷冻器 150 处 生长。没有结冰的剩余的水 155 经过分隔屏障 160 进入储水池 170， 在储水池 170 内加入供 应水 190。凝结为冰 6(6) 并且因此而不返回供应水 190 的水 130 由通过供水阀 230 控制的 供水系统 220 补充。在储水池 170 中的泵 200 通过管筒 205 向喷头 120 抽取水 190， 从而开 始上述过程。可以利用可选的加热器 210 保持水 190 不结冰。
通过闭合开关 12(9) 以由电源 14 向管筒 110(1) 提供电功率， 得到冰环 6(6)。图 26 示出了汇流条 (busbar)125， 汇流条 125 将管筒 110(1) 的上端通过开关 12(9) 连接至电 源 14 的一侧， 并将管筒 110(1) 的下端连接至地线 16 ； 然而， 可以理解， 与电源和地线的连 接是可以调换的。在一个实施方式中， 管筒 110(1) 由厚度约为 10 密耳的不锈钢形成， 开关 12(9) 闭合大约 1 秒， 以提供约 1V 至 6V 和约 300 安培的交流电功率脉冲。在管筒 110(1) 中消耗的电功率使管筒 110(1) 的温度升高至水的凝固点之上， 从而至少使冰环 6(6) 的界 面层融化， 冰环 6(6) 与管筒 110(1) 分离 ( 在此例中， 即松开 )， 并且重力使冰环 6(6) 从管筒 110(1) 上向下脱落。
可以理解， 为了与电源 14 和开关 12(9) 的电压和电流容量兼容， 可以选择管筒 110(1) 的电阻。例如， 小电阻的管筒 110(1) 可使用大电流低压电源 14 和开关 12(9)， 但 具有更大电阻的造冰管筒 110(1) 可使用为更高的电压和更小的电流配置的电源 14 和开关 12(9)。在一个实施方式中， 使管筒 110 的电阻最优化， 从而市场上可获得的线路电压 ( 例 如， 110-120V 交流电或 220-240V 交流电 ) 可作为电源 14。
因此， 管筒 110(1) 是图 1 所示加热器 10 的一个实施例。 分隔屏障 160 使冰环 6(6) 进入收集箱 180， 成为获得的冰环 6(7)。
如此处所描述生长的冰 6(6) 将拒绝已溶解的空气和污染物进入从管筒 110(1) 滴 下的剩余的水 155 中。 因此， 冰环 6(6)( 和得到的冰环 6(7)) 可具有高的纯度和透明度。 溶 解的空气和污染物将在水 190 中积累 ； 因此， 造冰器 100(1) 可包括由排水阀 250 控制的排 水管 240， 从而定期地排出至少一部分水 190。被排出的水由来自供水系统 220 的水更换。 在可选的实施方式中 ( 没有示出 )， 省略掉储水池 170 和泵 200 ； 供水系统 220 直接向喷头 120 供水， 并且剩余的水 155 简单地排走。
图 27 示出了被配置为管状造冰器 100(2) 的脉冲电热除冰装置。 图 27 并不是按比 例示出的。管状造冰器 100(2) 标记为 C 的一部分在图 29 中更详细地示出。造冰器 100(2) 包括某些与管状造冰器 100(1) 中的对应元件相同的元件， 因此， 用相同的标号表示。管状 造冰器 100(2) 利用冷却剂管筒 260(1) 冷却冰的生长区域 ( 参见图 29)。 冷却剂管筒 260(1) 可由例如铜、 铝或它们的合金制成。介电层 270 使管筒 110(2) 和冷却剂管筒 260(1) 电隔 离， 且对于由管筒 110(2) 向管筒 260(1) 传递热量具有最小影响。 介电层 270 可由例如聚酰 亚胺或填充有导热纤维或粉末、 氧化铝纤维或粉末、 玻璃纤维或氮化硼粉末的聚合物形成。 当水 130 穿过管筒 110(2) 流动时， 冰 6(8) 在邻近管筒 260(1) 处生长 ； 通过闭合开关 12(9) 以由电源 14 向管筒 110(2) 提供电功率， 得到冰环 6(8) ； 并且以与在造冰系统 100(1) 中冰 的生长和获得类似的方式， 分隔屏障 160 使冰环 6(8) 进入收集箱 180 中， 成为获得的冰环 6(9)。
图 29 更详细地示出了管状造冰器 100(2) 的部分 C。冷却剂 290 在每一个冷却剂 管筒 260(1) 中流动， 而且每一个冷却剂管筒 260(1) 具有限定了相应的冰生长位置 112(2) 的指形冷冻器 280。多个冰生长区域 112(2) 被多个冰分隔区域 115(2) 分隔开 ； 冰不在区 域 115(2) 内生长。在图 29 中， 冰分隔区域 115(2) 被限定为不与指形冷冻器 280 邻近的区 域； 然而， 可以理解， 可设置温度控制元件 118， 以与图 28 所示的相同方式提高管筒 110(2) 在区域 115(2) 处的温度。
图 30 是被配置为管状造冰器 100(3) 的脉冲电热除冰装置的剖面侧视图。图 30 并不是按比例示出的。管状造冰器 100(3) 标记为 D 的一部分在图 31 中更详细地示出。图 32 示出了沿图 30 的虚线 F26-F26 获取的造冰器 100(3) 的剖面俯视图。造冰器 100(3) 包 括某些与管状造冰器 100(1) 和 100(2) 中的对应元件相同的元件， 因此， 用相同的标号表 示。造冰器 100(3) 在安装有热传递板 280 的几个造冰管筒 110(3) 中的每一个内产生冰环 6(10)( 为了图示清楚， 图 30 中只标出了一些热传递板 280 和冰 6(10))。管筒 110(3) 可由 例如不锈钢或钛合金形成。热传递板 280 可由例如铜、 铝或它们的合金制成。冷却剂管筒 260(2) 使冷却剂循环， 冷却剂从热传递板 280 和管筒 110(3) 带走热量。管筒 205 提供喷头 120， 喷头 120 向每一个管筒 110(3) 的内表面上喷射水 130。当冰环 6(10) 已制好待取 时， 开关 12(10) 将来自于电源 14 的电功率脉冲连接到每一个汇流条 125， 然后依次通过每 一个管筒 110(3) 到达地线 16。 在每一个管筒 110(3) 中由电功率产生的热量至少使每一个 冰环 6(10) 的界面层融化， 使冰环分离， 从而冰环由管筒 110(3) 上落下。可以理解， 用于从 得到的冰上分离未凝结的水、 在储水池得到未凝结的水、 对储水池进行排水和充水、 将水抽 至喷头 120 以及判断冰何时制好待取的装置可与图 26 和图 27 所示的装置相同。
图 31 更详细地示出了管状造冰器 100(3) 的部分 D 的一个实施方式。冰 6(10) 在 紧密邻近造冰管筒 110(3) 处生长。在管筒 110(3) 和热传递板 280 之间设置介电层 295， 以 使管筒 110(3) 和板 280 电隔离。介电层 295 可以是例如由 DuPont 公司生产的贴附在铜层 290 之间的聚酰亚胺膜。可选择地， 介电层 295 可包括填充有导热纤维或粉末、 氧化铝纤维 或粉末、 玻璃纤维或氮化硼粉末的聚合物。铜层 290 可通过焊料层 285 附着在管筒 110(3) 和热传递板 280 上。 例如， 可通过以下步骤制作管筒 110(3)， 即， 首先在其上覆盖焊料箔， 然 后在其上覆盖贴附在铜层 290 之间的聚酰亚胺膜 295， 然后再覆盖焊料箔。 以此方式制作的 复式管筒 110(3) 可被插入热传递板 280 的孔中， 继而可将整个组件置入加热炉中， 从而使 焊料 285 回流至管筒 110(3)、 铜层 290 和热传递板 280。
在另一个实施方式中， 可将热传递板 280 分割为多个部分， 所述部分通过介电的 导热的黏合剂组装至管筒 110(3)， 而不是通过焊接至介电膜上的方式。
图 32 为沿图 30 所示的线 F26-F26 获取的管状造冰器 100(3) 的剖面俯视图。图 32 并不是按比例示出的。 每一个造冰管筒 110(3) 和冷却剂管筒 260(2) 穿过一个或更多的 热传递板 280。虽然图 32 示出了 19 个造冰管筒 110(3) 和 54 个冷却剂管筒 260(2) 的六边 形排列方式， 但是为了达到预期的造冰产量或为了适应预期的位置， 可采用其他数量或排 列方式的造冰管筒 110(3)、 冷却剂管筒 260(2) 和热传递板 280。因此， 造冰器 100(3) 构成 了造冰管筒 110(3) 的排列， 其中冰 6(10) 在造冰管筒 110(3) 和热传递板 280 的每一个交 叉部位生长， 如图 30 所示 ( 图 30 示出了沿图 32 所示的线 F24-F24 获取的造冰器 100(3) 的剖视图 )。
在全面地阅读和理解本发明内容的基础上， 此处所公开的管状造冰器 100 的多个 可选的实施方式 ( 例如， 管状造冰器 100(1)、 100(2) 和 100(3) 中的任何一个 ) 是显而易见 的， 并且属于本发明范围内。 例如， 管筒 110( 例如， 管筒 110(1)、 110(2) 或 110(3) 中的任何 一个 ) 的剖面可为圆形或其他形状， 并且可制造出相应形状的冰， 如正方形、 矩形、 椭圆形、 三角形或星形。 喷头 120 可被用于喷射水 130 的一个或多个喷嘴替代， 或者被用于注入或以 其他方式向管筒 110 的内表面引入水 130 的一个或多个元件替代。如图 26 和图 27 所示， 汇流条 125 可被置于管筒 110 的圆周之外， 或者如图 30 所示， 被置于管筒 110 的圆周之内。 多个指形冷冻器 150 可足以从冰的生长区域 112(1) 带走热量， 从而无需热传导片 140。可 设置探测冰的形成和确定何时获取冰 6(6)、 6(8) 或 6(10) 的装置 ； 例如通过电容方法检测 冰、 通过光学方法检测冰、 通过确定冰的重量、 通过确定逝去的造冰时间或通过确定水流被 冰阻碍。可设置具有以下功能的装置， 该装置探测在收集箱 ( 例如， 箱 180) 内得到的冰的 高度， 并且当收集箱内已具有足够的冰时， 停止造冰。分隔屏障 160 可由可移动元件替代， 当获取冰环时， 该可移动元件收集冰环， 但是在其他时间， 其从管筒 110 下移开。可对分隔 屏障 160 进行加热以避免造成将阻碍水收集的冰的堆积。可通过控制器 ( 例如， 微处理器 ；例如， 使具有造冰器 100 的冷冻器运转的微处理器 ) 使泵 200、 加热器 210、 供水阀 230、 排水 阀 250、 温度控制元件 118 和 / 或开关 12(9) 运转。可利用温度传感器提供数据， 从而使微 处理器能够优化造冰器 100 和 / 或冷冻器或其他具有造冰器 100 的设备中元件的运转。造 冰器 100(3) 的管筒 110(3) 可单个地或分组地电连接， 从而每次可从一个管筒 110(3) 或一 组管筒 110(3) 得到冰 6(10)。同时从少于所有的管筒 110(3) 中得到冰 6(10) 将减小当前 的处理量， 并因此减小与产生和转换用于冰获得所需的电流相关联的元件的尺寸、 重量和 / 或成本。
还有其他被配置为管状造冰器的脉冲电热除冰装置的实施方式利用与一个或 更多造冰管筒 110 热接触的加热器。有利地， 这些实施方式可利用用于造冰管筒 110 的 多种材料中的任何一种。例如， 在一个实施方式中， 管状造冰器包括造冰管筒 110， 该造 冰管筒由不锈钢或其他金属、 玻璃、 塑料、 聚合物、 陶瓷或碳纤 维材料、 或它们的合成物或组合物形成。可通过围绕管筒包裹的柔性加热器元件对造冰 管筒 110 进行加热， 从而除去在其内形成的冰。适合的加热器元件可包括金属电介质 (metal-to-dielectric) 层压片， 例如贴附有聚酰亚胺 (Kapton) 的铬镍铁合金 (Inconel) 层压片。利用围绕造冰管筒 110 包裹的加热器元件可提供多种设计选择， 例如优化管筒的 材料特性 ( 例如， 耐腐蚀性、 抗菌性 ) 而不依赖于加热器特性 ( 例如， 更高的电阻， 从而无需 使用大电流和昂贵的电源 )。当使用传导性管筒 110 时， 在设计上要小心， 以保证在电源 14 和开关 12 的设计中解决管筒的传导率， 或者保证管筒与加热器元件之间的电隔离。加热器 和造冰管筒 110 之间的热阻， 冷却剂管筒 260 或导热片 140、 加热器以及造冰管筒 110 之间 的热阻有利地小， 从而使造冰效率高， 并使获得冰所需的功率低。 图 33 是被配置为造冰器 300(1) 的脉冲电热除冰装置的剖视图。图 33 并不是按 比例示出的。造冰器 300(1) 的部分 E 在图 34 中更详细地示出。造冰器 300(1) 包括由穿 过冷却剂管筒 320 流动的冷却剂 ( 没有示出 ) 冷却的气化器板 310(1) 和气化器片 330。如 图 33 所示， 气化器片 330 将多个造冰室 335 分隔开。将水引至邻近板 310(1) 和 / 或片 330 处， 并且结为冰 6(11)( 为了图示清楚， 图 33 中只标出了一些管筒 320、 片 330、 造冰室 335 和冰 6(11))。气化器板 310(1)、 冷却剂管筒 320 和 / 或气化器片 330 可由例如铜、 铝或它 们的合金制成。造冰器 300(1) 还包括利用脉冲电热除冰方法得到冰 6(11) 的一个或更多 的加热器 340(1)， 这将在以下作进一步描述。因此， 加热器 340(1) 是图 1 所示加热器 10 的 实施例。
图 34 更详细地示出了造冰器 300(1) 的部分 E。图 34 并没有按比例示出各层的 相对厚度。加热器 340(1) 包括电阻加热层 344(1) 和介电层 342(1)。加热层 344(1) 可由 例如阻抗适中的金属层 ( 例如， 不锈钢或钛合金 ) 或更薄的良性电导体 ( 例如， 铜 ) 层形 成。有利地， 介电层 342(1) 由电绝缘材料形成， 但该材料具有较高的热导率， 因此作为板 310(1) 的电绝缘加热层 344(1)， 同时促进了向板 310(1) 的热传递。在一个实施方式中， 加 热器 340(1) 为印刷电路板， 其中介电层 342(1) 为例如环氧玻璃、 聚酰亚胺、 聚酰亚胺玻璃
或
的介电层， 加热层 344(1) 为导电体 ( 例如， 铜 )。在工作中， 造冰器 300(1) 造冰， 直至希望收获时， 然后将电功率连接至加热层 344(1)。由加热层 344(1) 产生的热量很快对板 310(1) 和片 330 进行加热， 从而使冰 6(11) 分离。一旦得到冰 6(11)， 将电功率与加热层 344(1) 断开， 从而再次开始造冰。图 35 是被配置为造冰器 300(2) 的脉冲电热除冰装置的剖视图。图 35 并不是按 比例示出的。造冰器 300(2) 的部分 F 在图 36 中更详细地示出。造冰器 300(2) 包括某些 与造冰器 300(1) 的对应元件相同的元件， 因此， 用相同的标号表示 ( 为了图示清楚， 图 35 中只标出了一些管筒 320、 片 330、 造冰室 335 和冰 6(12))。造冰器 300(2) 具有基本覆盖 气化器板 310(2) 的表面 315( 参见图 36) 的单个加热器 340(2) ； 加热器 340(2) 被设置在 板 310(2) 和冷却剂管筒 320 之间。加热器 340(2) 的设置通过在表面 315 的每一个点处提 供热量而促进了冰的获得效率。气化器板 310(2)、 冷却剂管筒 320 和 / 或片 330 可由例如 铜、 铝或它们的合金制成。
图 36 更详细地示出了造冰器 300(2) 的部分 F。图 36 并不是按比例示出的。加热 器 340(2) 包括电阻加热层 344(2) 和介电层 342(2)。有利地， 介电层 342(2) 由电绝缘材 料形成， 但该材料具有高的热导率， 因此使加热层 344(2) 与板 310(2) 电绝缘， 同时促进了 向板 310(2) 的热传递。例如， 介电层 342(2) 可包括聚酰亚胺、 填充有导热纤维或粉末的聚 合物、 氧化铝纤维或粉末、 玻璃纤维或氮化硼粉末。图 36 还示出了设置在加热层 344(2) 和 管筒 320 之间的可选的介电层 342(3)。为了控制加热层 344(2) 的电阻， 介电层 342(3) 可 用于使加热层 344(2) 和管筒 320 电绝缘。可选择地， 也可除去介电层 342(3)， 从而使管筒 320 和加热层 344(2) 电连接。
在工作中， 造冰器 300(2) 造冰 6(12) 直至希望收获时， 然后将电功率连接至加热 层 344(2)。由加热层 344(2) 产生的热量很快对板 310(2) 和片 330 进行加热， 从而使冰 6(12) 分离。一旦得到了冰 6(12)， 将电功率与加热层 344(2) 断开， 从而再次开始造冰。
图 37 示意性地示出了包括用于除冰的储热装置的冷冻单元 400(1) 的元件。 图 37 并不是按比例示出的。冷冻单元 400(1) 具有用于压缩冷却剂的压缩机 410。冷却剂在从压 缩机 410 中流出时具有较高的温度， 然后经过箱体 440 中的管筒 412， 在箱体 440 中， 冷却剂 向加热流体 445 传递热量 ( 图 37 中的阴影部分示出了冷冻单元 400(1) 中仅传递加热流体 445 的多个元件 )。 加热流体 445 优选为具有低于 -20C 的凝固点， 并且具有高于 60C 的沸点 的流体， 如酒精、 水 / 乙二醇的混合物或盐水。冷却剂离开箱体 440， 从管筒 415 中流出， 并 且在冷凝器 420 中传递更多的热量。管筒 415 延伸至膨胀阀 420， 在膨胀阀 420 中， 冷却剂 快速膨胀并冷却至冰点以下的温度。在通过膨胀阀 420 之后， 冷却剂进入管筒 430 并进入 图 37 中虚线 405 所示的冷冻箱。冷却剂管筒 430 与作为造冰器一部分的气化器板 435 热 接触并从其上吸收热量。虚线 F32-F32 表示图 38 的剖视图所示的气化器板 435 中的平面。 在通过冷却剂管筒 430 之后， 冷却剂流回压缩机 410， 从而重复压缩冷却剂、 冷却冷却剂、 冷 却气化器板的循环。
当冷冻单元 400(1) 造冰时， 加热流体 445 从箱体 440 中的冷却剂聚集并保持多 余的热量。排出阀 450 和泵 455 控制了加热流体 445 由箱体 440 向加热管筒 460(1) 的传 送。与管筒 430 相同， 加热管筒 460(1) 也与气化器板 435 热接触。当需要获取冰时， 冷冻 单元 400(1) 打开排出阀 450， 并启动泵 455， 从而抽取加热流体 445 并使其流经加热管筒 460(1)， 并因此产生从气化器板 435 上除冰并得到冰的热脉冲。
图 38 是沿图 37 中的虚线 F32-F32 获取的剖视图。如图 38 所示， 气化器板 435 与 交替排列的冷却剂管筒 430 和加热管筒 460(1) 相连。为了与图 37 保持一致， 图 38 中的阴 影部分为加热流体 445 经过的加热管筒 460(1) 的通道。在气化器板 435 相反的一侧是在造冰的过程中从冰 6(13) 带走热量的气化器片 330。
图 37 示出了在冷冻箱 405 内设置为歧管 432 的冷却剂管筒 430， 从而使冷却剂管 筒 430 和加热管筒 460(1) 能够交替横跨在气化器板 435 上。在一个可选的实施方式中， 冷 却剂管筒和加热流体管筒像一个蛇形对横跨在气化器板 435 上， 但是此实施方式可具有内 部弯曲， 其中冷却剂管筒或加热流体管筒或者二者均成形为 “背对背 (back toback)” 排列。 此排列方式可形成 “热” 或 “冷” 的区域， 其中， 造冰或得到冰分别需要更多的时间和 / 或能 量。可以理解， 加热管筒 460(1) 也可形成歧管， 或者单个的管筒 430 和 460(1) 可横跨在气 化器板的每一端， 从而避免形成 “背对背” 排列。
以下将模拟图 37 和图 38 所示的冷冻单元 400(1) 的性能。假设气化器板的尺寸 为 457mm×432mm。假设加热管筒 460(1) 为铜管筒， 其内直径为 16mm， 长度为 7.7 米。假设 加热流体 445 由等比的水和乙二醇混合而成。假设箱体 440 中的加热流体 445 达到了 60C 的温度。此模拟表明， 通过在泵 455 上消耗 10 瓦的功率， 抽取 0.9 升水 / 乙二醇混合物， 并 且水 / 乙二醇混合物达到 0.223 巴的压力， 将在 2 秒内得到冰。相对于在 60 至 300 秒的时 间内消耗 1 至 2 千瓦功率的商品化的造冰器而言， 这可以节省为了得到冰所需的能量。在 得到冰的过程中消耗能量的减少将使造冰速度更快， 并使能量成本更低。
图 39 示意性地示出了包括用于除冰的储热装置的冷冻单元 400(2) 的元件。 图 39 并不是按比例示出的。 造冰器 400(2) 包括某些与造冰器 400(1) 中的对应元件相同的元件， 因此， 用相同的标号表示。在造冰器 400(2) 中， 箱体 440 可相对于气化器板 435 位于更高 的水平面， 从而当排出阀 450 打开时， 重力将使加热流体 445 流入加热管筒 460(1) 以使冰 从气化器板 435 上松脱。 有利地， 加热管筒 460(1) 可具有较大的直径， 以促进加热流体 445 在加热管筒 460(1) 中的快速流动 ； 快速流动使板 435 快速升温， 从而使冰从板 435 上快速 松脱。造冰器 400(2) 包括加热流体储液器 465， 加热流体储液器 465 相对于气化器板 435 位于更低的水平面， 从而使加热流体 445 在经过加热管筒 460(1) 后排至储液器 465 中。泵 470 抽取加热流体 445， 使其经过管筒 475 和可选的入口阀 452 返回箱体 440， 进行再利用。 由于在另一个获取冰的过程发生之前， 不需要完全将加热流体 445 传送至箱体 440， 所以泵 470 不需要具有很高的容量。
在全面地阅读和理解本发明内容的基础上， 此处所公开的冷冻单元 400 的多个可 选的实施方式 ( 如冷冻单元 400(1) 或 400(2) 中的任一个 ) 是显而易见的， 并且属于本发 明范围内。例如， 在某些实施方式中， 冷冻单元 400 可在获取冰的过程中将压缩机 410 关 闭。然而， 由于用于得到冰施加的热量通常只持续数秒， 所以在某些实施方式中， 在获取冰 的过程中也使压缩机 410 保持运行状态， 从而减小在开始 / 停止的循环过程中由压缩机 410 所产生的磨损， 并促进气化器板 435 的热还原， 以使造冰过程可在得到冰后迅速重新开 始。为了节省能量， 可设置阀或泵， 从而除了获取冰的过程之外将加热流体 445 从加热管筒 460(1) 中排出， 否则将在造冰过程中在加热管筒 460(1) 内冷却加热流体 445 时消耗能量， 并在获取冰的过程中冷却返回箱体 440 的相同量的流体 445 时消耗能量。在一个实施方式 中， 利用图 37 所示的各元件， 并将箱体 440 设置为低于气化器板 435， 可使得除泵 455 运转 的时间之外， 重力使加热流体 445 排回箱体 440。在另一个实施方式中， 利用图 39 所示的 各元件， 当被加压时， 箱体 440 以及阀 450 和 452 适于容纳加热流体 445 和其蒸汽。当管筒 412 内的冷却剂对箱体 440 中的加热流体 445 和其蒸汽进行加热时， 将产生压力， 从而当排出阀 450 打开时， 蒸汽压力促使加热流体 445 快速通过管筒 460， 以进行除冰和得到冰。当 足够的加热流体 445 被压入管筒 460 后， 关闭排出阀 450， 打开入口阀 452， 然后泵 470 将开 始使加热流体从储液器 465 返回至箱体 440。
图 40 示出了储热除冰装置 500。如以下所述， 装置 500 包括冷却剂管筒 4(4)， 冷 却剂 8( 参见图 8A 和图 8B) 穿过冷却剂管筒 4(4) 流动， 装置 500 还包括冷却片 2(4) 和加 热管筒 460(2)， 加热流体 445( 参见图 37 和图 39) 穿过加热管筒 460(2) 流动以进行除冰。 为了图示清楚， 图 40 中只标出了几个冷却片 2(4)。冷却剂管筒 4(4)、 冷却片 2(4) 和 / 或 加热管筒 460(2) 可由例如铜、 铝、 或它们的合金、 或者其他具有低热阻的材料制成。标记 A 的位置为图 8A 和图 8B 所示的代表性的部分 A。
与脉冲电热除冰装置 20(1)( 参见图 3) 相同， 装置 500 在正常运行的过程中向冷 却剂传递热量， 因此， 冰 6 可在管筒 4(4)、 冷却片 2(4) 和 / 或加热管筒 460(2)( 参见图 8A 和图 8B) 上形成。当需要除冰时， 加热流体 445( 参见图 37 和图 39) 流过加热管筒 460(2) 和加热装置 500， 从而除冰。可以理解， 图 40 所示的三个管筒 4(4) 和两个加热管筒 460(2) 只是示意性的， 在除冰装置中， 可包括任意数量的管筒 4(4) 和 460(2)。本领域技术人员将 会注意到图 40 所示的储热除冰装置 500 与图 37、 图 39 所示的冷冻单元 400(1)、 400(2) 的 带有管筒 430、 460 的气化器板 435 之间的相似之处。
图 41 为操作利用了储热获取冰的冷冻单元的过程 550 的流程图。过程 550 可由 例如冷冻单元 400(1) 或 400(2) 中任一个完成。在步骤 560 中， 冷冻单元以造冰模式工作。 压缩机压缩冷却剂， 冷却剂向加热流体和冷凝器传递热量， 并经过膨胀阀， 并且通过造冰器 的冷却剂管筒流通， 从而使水凝固， 形成冰。步骤 560 的一个实施例为压缩机 410 压缩冷 却剂， 使其 ： (1) 经过管筒 412， 向箱体 440 中的加热流体 445 传递热量， (2) 向冷凝器 420 传递热量， (3) 经过膨胀阀 420， 以及 (4) 在管筒 430 中流通， 从而使水凝固， 形成冰。在步 骤 565 中， 该冷冻单元决定何时开始获取冰。当达到获取冰的时间， 执行过程 550 中的步骤 570， 否则在步骤 560 中继续造冰。在步骤 570 中， 在获取冰的过程中， 压缩机停止工作。步 骤 570 的一个实施例是压缩机 410 停止。步骤 570 是可选的， 并且在某些制冷单元中不出 现此步骤 ； 例如， 在由于重复启动和停止而将导致压缩机额外的损耗和磨损的单元中， 将不 出现步骤 570。步骤 575 使加热流体穿过加热管筒流动， 以达到除冰的目的 ( 例如， 使冰松 开、 融化和 / 或气化 )。步骤 575 的实施例是操作排出阀 450 或操作泵 455， 以使加热流体 445 穿过管筒 460 流动。加热流体至少使冰的界面层融化， 以达到除冰的目的。步骤 580 使 加热流体从加热管筒中排出或排干。步骤 580 的实施例是 ： (1) 停止泵 455， 以使加热流体 445 通过重力作用流回箱体 440( 参见图 37)， (2) 关闭排出阀 450， 以使加热流体 455 通过 重力作用排至箱体 465( 参见图 39)。一旦完成除冰过程， 则过程 550 重新开始步骤 560 中 的常规造冰模式。
图 42 示出了磁性耦合实施方式。在这个实施方式中， 冷却片 2(5) 附接于冷却管 筒 4(5)。冷却管筒 4(5) 是热绝缘和电绝缘的， 并且围绕变压器 1072(2) 的铁芯 1078(2) 被 缠绕数匝， 并且用作变压器 1072(2) 的低电压次级绕组。电连接 1090 存在于区域的远端， 使得电流可以在冷却管筒 4(5) 中流动。
在图 42 的实施方式中， 当希望加热冷却管筒 4(5) 和冷却片 2(5) 时， 向变压器 1072(2) 的初级绕组 1074(2) 施加优选地工作在显著高于电源线频率的频率处的交替频率电流源。这样在冷却管筒 4(5) 中感应出电流， 从而加热冷却管筒 4(5)。
图 43 示出了具有几个磁性耦合加热区的实施方式。在这个实施方式中， 在制造期 间将管筒 4(6) 穿过环形铁芯 1080。初级绕组 1082 也被卷绕在每一个环形铁芯 1080 上。 在加热区的末端， 将管筒 4(6) 接合在一起 1086， 优选地接至地线 16， 从而完成了电路， 该电 路包括穿过环形铁芯 1080 的管筒 4(6) 的环路 1084。
当希望除去在管筒 4(6) 的第一区域 1094 中附着的冰时， 闭合开关 1088， 从而将高 频交流电流源 1092 连接至初级绕组 1082。这样在管筒 4(6) 的区域 1094 中感应出电流， 从 而加热管筒并且如此前所述那样除冰。
当希望除去在管筒 4(6) 的第二区域 1096 中附着的冰时， 闭合第二开关 1090， 从而 将高频交流电流源 1092 连接至围绕环形铁芯卷绕的第二初级绕组 1098， 其中管筒 4(6) 的 第二区域 1099 的管穿过环形铁芯。
借助图 43 的实施方式， 如此前所述那样， 高频电源 1092 可能是能够支持占空因数 的间歇负载电源， 该占空因数等于区域的数量乘以每一个区域的除冰脉冲时间除以对每个 区域除冰的速率， 即 N*M/P。
优选的是， 电源能够为要除冰的管筒和片提供每平方米不少于一千瓦的功率。在 管筒和 / 或片上具有导电膜涂层的实施方式中， 电源应当能够为导电膜提供每平方米至少 一千瓦的功率。 因为期望除霜花费不到两分钟， 而在实施方式中花费一分钟， 所以需要这些 高功率。
图 44 示出包含在本发明的实施方式 ( 例如图 11 的实施方式 ) 内的一些安全部件。 安装安全互锁开关 1001、 1003， 使得打开或移除造冰系统的每一个罩板 ( 没有示出 ) 将断开 互锁开关 1001、 1003 中的一个或多个。互锁开关 1001、 1003 是串联的， 因而断开这些开关 中的任何一个将断开电路。因此为了维护或其它目的打开机器将取消来自于电源 14 中的 功率。因而电源 14 关闭， 从而取消来自于开关 12(10)、 12(11) 和 12(12) 中的功率 ； 并从而 从管筒 4(7) 中移除任何电功率。
此外， 系统的带电金属部分的外表面 ( 例如， 冷却剂管筒 4(7) 的外表面或者冷却 剂管筒 4(7) 上的导电膜 ) 被涂有电绝缘涂层。在可能的地方， 这个绝缘涂层由抗划伤的、 耐用的、 一个毫米厚的材料制成， 使得该涂层具有显著的耐磨性。
在其它实施方式中安装了类似的安全部件， 包括保护罩上的电绝缘材料和安全互 锁开关。
图 45 示出了具有螺管卷绕的微通道制冷气化器 1102 的实施方式。所卷绕的微通 道气化器具有穿过微通道管筒 1106 在长度方向伸展的多个制冷通道 1104。卷绕微通道管 筒 1106， 使得存在用于在微通道管筒的多匝的更宽表面之间的气流的在小空间 1108， 小空 间 1108 典型地不到两个毫米宽并且在一个实施方式中是一个厘米宽。在一些实施方式中， 围绕微通道管筒卷绕介电纤维， 或者提供隔离器， 以在各线圈匝之间保持恒定间距， 而不显 著妨碍空气流。在其它实施方式中， 介电隔离器用来保持期望间距。当工作时， 空气或者其 它气体通过空间 1108 进入气化器并且与通路 1104 中限定的管筒和冷却剂交换热量， 并且 卷绕的线圈所围绕的轴线 ( 与空气离开所沿着的轴线相同 ) 优选地是水平的， 使得融化的 水可以滴下。在可选实施方式中， 气流的方向与图 45 中示出的方向相反。
尽管比典型的气化器更小巧和高效， 现有设备已经避免了紧密间隔的线圈， 例如，因为这些线圈非常倾向于在空间 1108 中积聚冰， 其结果是阻碍了气流。
冰的积聚导致通过空间 1108 的气流减小， 并且导致从制冷剂通路 1104 中的制冷 剂传递的热量减少。因此， 通过以下手段检测冰的积聚， 即， 测量跨越线圈的压力下降和 / 或穿过线圈的气流量、 电流变化、 电压变化或者由于气流阻碍原因由电机上的负载更替产 生的鼓风机电机或风扇的转速变化， 或者通过测量向线圈输入的制冷剂和从线圈中输出的 制冷剂之间的温度差。
在一个实施方式中， 通过由热敏电阻 1110 测量的线圈输入处的温度和由第二热 敏电阻 1112 测量的线圈输出处的温度之间减少的差值， 来检测冰的积聚。这些温度由控制 器 1114 读取。当控制器 1114 确定线圈已经结冰结束时， 其在除冰期间关闭制冷剂泵， 然后 如先前讨论的通过连接到线圈的中央匝的连接线 1116 施加高加热电流。电流通过附加线 路 1118 返回控制器 1114。
在图 46 中示出的可选实施方式中， 气化器由与图 45 的实施方式类似的微通道管 筒 1150 制成， 但是被卷绕成螺旋。螺旋的匝之间的空间 1152 不到两个毫米宽， 优选地大约 一个毫米宽。 空气沿螺旋的轴线进入， 该轴线优选地在垂直方向上， 使得融化的水将从螺旋 上流走。在螺旋的中央， 使管 1150 向后延伸 ( 没有示出 ) 以将制冷剂注入管内。如图 45 的实施方式一样， 围绕微通道管筒卷绕的较小介电插入物或介电纤维 ( 没有示出 ) 帮助保 持适当间距。为了施加用于除冰的高加热电流， 螺旋的中央和螺旋的外部也连接到与控制 器 1114 类似的控制器。为了确定何时气流被阻挡并且需要对螺旋进行除冰， 螺旋配备有与 图 45 的实施方式中的那些传感器类似的传感器。 在图 45 和图 46 的实施方式中， 控制器 1114 能够向卷绕的微通道热交换器提供每 平方米热交换表面不少于一千瓦的电加热功率， 并且期望除霜花费不到两分钟， 在一个实 施方式中是一分钟。在可选实施方式中， 管筒 1106 是单个方形管。
在不脱离本发明范围的情况下， 可对本文所描述的脉冲电热和储热除冰装置进行 上述改变和其他改变。因此， 应当指出， 以上描述的或附图中所示的内容只是示例性的， 并 且不能作为对本发明的限制。 本发明的权利要求将涵盖本文所描述的所有一般的和特定的 特征， 以及对本发明方法和系统所作的所有声明， 这些特征和声明可能由于语言的问题而 被误认为落在本发明权利要求的范围之外。