KR20070048166A

KR20070048166A - 제빙(除氷)용 펄스 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20070048166A
Application number: KR1020077001352A
Authority: KR
Inventors: 빅토 페트렌코
Original assignee: 더 트러스티즈 오브 다트마우스 칼리지
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-05-08
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: JP2008503710A; WO2006002224A2; US7703300B2; BRPI0512380A; US20090199569A1; CA2570986A1; CA2570986C; CA2735341A1; EP2221561A2; KR101021342B1; EP1789319A2; KR100906037B1; WO2006002224A3; KR20090039850A

Abstract

제빙용 펄스 시스템은 고전력 가열 펄스를 얼음 및 얼음 제조 시스템의 콜드 플레이트, 얼음 컨테이너, 열교환기, 냉장고 표면 또는 비행기 날개와 같은 물체 사이에 인가하는 파워 서플라이를 포함한다. 펄스 가열은 제빙될 물체 위에 배치된 금속 포일 또는 절연 필름, 또는 제빙될 물체에 가까운 모세관 튜브의 내부에서 발생될 수 있다. 얼음의 접촉 레이어는 용융되고 얼음이 물체로부터 분리된다. 중력, 증기압 또는 기계적 긁음과 같은 힘이 얼음을 물체로부터 제거한다.

얼음 분리, 얼음 제조, 제빙

Description

제빙(除氷)용 펄스 시스템 및 방법 {Pulse Systems and Methods for Detaching Ice}

표면으로부터 얼음을 제거하는 것은 고정적으로 또는 실외(예를 들어 비행기, 전력선, 도로, 지붕)에서 사용되는 장비의 제빙(除氷, deicing), 작동 중에 얼음을 형성하는 장비(열교환기, 냉동고)의 제빙 그리고 얼음제조 장비와 같은 사용처에서 중요하다.

본 출원은 공동출원하여 다같이 출원계속 중에 있는 미국 임시특허출원 60/581,912(2005. 6. 22 출원); 60/646,394(2005. 1. 24 출원) 및 60/646,932(2005. 1. 25 출원)의 우선권의 이익을 주장하며 본 인용에 의해 이들 출원 및 특허는 본 명세서에 합체된다.

일반적인 주거용 및 상업용 얼음 제조기에서, 얼음은 콜드 플레이트(cold plate) 또는 그리드에 의해서 물에서 서서히 성장된다. 얼음의 성장이 완료된 후에, 콜드 플레이트/그리드는 얼음을 분리시키기 위해 얼음 용융점보다 높은 온도로 천천히 가열된다; 이러한 가열 단계는 에너지와 시간을 소비하고, 따라서 얼음 제조기 효율과 생산성을 감소시킨다. 더욱이 얼음 제조기 하드웨어와 성장한 얼음을 얼음 성장 온도로부터 얼음 용융점까지 가열하기 위해 상당한 열 흐름이 필요하다. 또한 새로운 얼음이 성장하기 전에 얼음 제조기 장비를 다시 냉각하기 위해 더 많은 시간과 에너지가 요구된다.

실시예에서, 얼음 제조 시스템은 콜드 플레이트(cold plate), 절연 필름, 절연 필름을 통해 콜드 플레이트에 의해 냉각되는 얇은 금속 포일, 파워 서플라이, 그리고 파워 서플라이를 얇은 금속 포일에 연결하도록 작동할 수 있는 스위치를 포함한다. 금속 포일에 인접한 물은 얼음을 형성하고 스위치가 작동하면 얼음이 금속 포일로부터 분리된다. 여기서 스위치의 작동은 파워 서플라이로부터의 전류가 얇은 금속 포일을 통해 통과할 수 있게 하고, 얼음의 접촉(interfacial) 레이어를 용해시키기 위한 가열 펄스를 발생시킨다.

실시예에서, 얼음 제조 시스템은 콜드 플레이트, 콜드 플레이트에 의해서 냉각되는 금속 포일, 파워 서플라이, 그리고 파워 서플라이를 금속 포일에 연결하도록 작동할 수 있는 스위치를 포함한다. 금속 포일에 인접한 물은 얼음을 형성하고 스위치가 작동하면 얼음이 금속 포일로부터 분리된다. 여기서 스위치의 작동은 금속 포일에서 얼음의 접촉 레이어(layer)를 용해시키기 위한 가열 펄스를 발생시킨다.

실시예에서, 얼음 제조 시스템은 얼음 컨테이너, 얼음 컨테이너의 베이스 내부에 위치한 모세관 튜브 그리고 파워 서플라이를 구비한다. 얼음 컨테이너는 냉각 시 물을 얼음으로 변환시킨다. 파워 서플라이는 얼음 컨테이너와 모세관 튜브에 펄스 가열 에너지를 공급한다. 펄스 가열은 얼음 컨테이너 내 얼음의 접촉 레이어를 용해시키고 모세관 튜브 내의 얼음을 증발시켜 얼음 컨테이너로부터 얼음을 배출시킨다.

실시예에서, 증발식 제빙 시스템은 제빙될 물체 위에 배치되는 레지스트 필름, 각각 물체 표면에 개방 말단 플러쉬(flush)를 구비하는 모세관 어레이, 그리고 파워 서플라이를 포함한다. 파워 서플라이는 레지스트 필름에 에너지를 공급하여, 그 내부에 펄스 가열 에너지를 발생시키며, 모세관에 에너지를 공급하여, 모세관 내의 얼음을 증발시켜 얼음이 물체로부터 배출되도록 한다.

실시예에서, 증발식 제빙(除氷) 시스템은 제빙될 물체 위에 배치되는 레지스트 필름, 다공성 금속 포일의 스트립(strip), 그리고 파워 서플라이를 포함한다. 파워 서플라이는 레지스트 필름과 다공성 금속 포일의 스트립에 에너지를 공급한다. 펄스 가열 에너지는 레지스트 필름의 내부에서 발생되어 레지스트 필름에 인접한 얼음의 접촉 레이어가 용해된다. 얼음은 다공성 금속의 스트립 내에서 증발되고, 물체로부터 배출된다.

실시예에서, 냉장고용 제빙 시스템은 아코디언 형태의 표면을 구비한 열교환기, 흐르는 냉각수가 있는 벽 파이프, 그리고 열교환기로부터 얼음을 제거하기 위해 열교환기를 가열하는 펄스를 위해 열교환기에 전기적으로 스위치된 파워 서플라이를 포함한다.

실시예에서, 열교환기용 제빙 시스템은 베이스 튜브, 베이스 튜브에 부착된 다수의 핀, 파워 서플라이 그리고 파워 서플라이를 베이스 튜브에 연결하는 스위치를 포함한다. 스위치는 전기 전류의 펄스를 베이스 튜브에 인가하도록 작동한다. 줄(Joule) 가열은 베이스 튜브와 핀의 온도를 상승시켜 거기에 부착된 얼음을 용해시킨다.

도 1은 펄스 전열식 제빙(PETD)을 사용하는 얼음 제조 시스템의 대표적인 실시예를 도시한다.

도 2는 도 1의 얼음 제조 시스템이 펄스 전열식 제빙을 사용하여 얼음을 분리하는 것을 묘사한다.

도 3은 펄스 전열식 제빙을 사용하는 얼음 제조 시스템의 대표적인 실시예를 도시한다.

도 4는 도 3의 얼음 제조 시스템이 펄스 전열식 제빙을 사용하여 얼음을 분리하는 것을 묘사한다.

도 5는 펄스 전열식 제빙을 사용하는 얼음 제조 시스템의 대표적인 실시예를 도시한다.

도 6은 도 5의 얼음 제조 시스템이 펄스 전열식 제빙을 사용하여 얼음을 분리하는 것을 묘사한다.

도 7은 펄스 전열식 제빙을 사용하는 얼음 제조 시스템의 대표적인 실시예를 도시한다.

도 8은 도 7의 얼음 제조 시스템이 펄스 전열식 제빙을 사용하여 얼음을 분리하는 것을 묘사한다.

도 9는 펄스 전열식 제빙을 사용하는 얼음 제조 시스템의 대표적인 실시예를 도시한다.

도 10은 도 9의 얼음 제조 시스템이 펄스 전열식 제빙을 사용하여 얼음을 분리하는 것을 묘사한다.

도 11은 펄스 전열식 제빙을 사용하는 얼음 제조 시스템의 대표적인 실시예를 도시한다.

도 12는 도 11의 얼음 제조 시스템이 펄스 전열식 제빙을 사용하여 얼음을 분리하는 것을 묘사한다.

도 13은 도 1의 얼음 제조 시스템에서 펄스 지속시간에 대한 에폭시 수지의 열확산 길이(L_d), 그리고 얼음의 열확산 길이(L_i)의 종속성을 묘사한다.

도 14는 도 1의 얼음 제조 시스템에서 전력에 대한 총 에너지의 종속성을 묘사한다.

도 15는 도 1의 얼음 제조 시스템에서 전력밀도에 대한 세척 속도의 종속성을 묘사한다.

도 16은 도 1의 얼음 제조 시스템에서 전력밀도에 대한 세척 시간의 종속성을 묘사한다.

도 17은 0.2 mm의 절연 두께를 가지는 도 1의 얼음 제조 시스템에서 전력밀도에 대한 재냉각 시간(s)의 종속성을 묘사한다.

도 18은 도 1의 얼음 제조 시스템에서 절연 두께 d(m)에 대한 재냉각 시간의 종속성을 묘사한다.

도 19는 0.2 mm의 절연 두께를 가지는 도 1의 얼음 제조 시스템에서 용해된 레이어 두께 d에 대한 재냉각 시간의 종속성을 묘사한다.

도 20은 도 7의 얼음 제조 시스템에서 펄스 지속시간에 대한 L_d(t)와 L_i(t)의 종속성을 묘사한다.

도 21은 2 mm의 공기 간극을 가지는 도 7의 얼음 제조 시스템에서 전력밀도 W에 대한 단위면적당 총 에너지 Q의 종속성을 묘사한다.

도 22는 가열 전력밀도 W에 대한 총 세척 시간 T의 종속성을 묘사한다.

도 23은 가열 전력밀도 W에 대한 세척 속도 S_s의 종속성을 묘사한다.

도 24는 가열 전력밀도 W에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다.

도 25는 절연 두께 d에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다.

도 26은 용해된 레이어의 두께 l_m에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다.

도 27은 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 열교환기의 투시하여 도시한다.

도 28은 축적된 얼음과 파워 서플라이와 스위치에 대한 커넥션을 구비한 도 27의 열교환기의 평면을 도시한다.

도 29는 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 열교환기를 도시한다.

도 30은 도 29의 열교환기의 단면을 도시한다.

도 31은 온도에 대한 평형 증기압의 종속성을 도시한다.

도 32A는 펄스 제빙 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 32B는 가열부에 가열 펄스가 인가된 후의 도 32A의 펄스 제빙 시스템을 도시한다.

도 33은 PETD와 펄스 전기증발식 제빙(PEED)을 모두 이용하는 하나의 얼음 제조 시스템의 단면을 도시한다.

도 34는 PETD와 PEED를 모두 이용하는 하나의 얼음 제조 시스템의 단면을 도시한다.

도 35는 비행기 날개의 리딩 에지(leading edge)를 제빙하기 위한 PETD와 PEED를 모두 이용하는 펄스 제빙 시스템을 도시한다.

도 36은 도 35의 비행기 날개의 일부 단면을 도시한다.

도 37A는 펄스 전기증발 제빙 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 37B는 가열부에 가열 펄스가 인가된 후의 도 37A의 펄스 제빙 시스템을 도시한다.

도 38은 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 아코디언 형식의 열교환기를 도시한다.

도 39는 냉각수 덕트를 형성하기 위해 부착되는 포일 와셔의 단면을 도시한다.

도 40은 냉각수 덕트를 형성하기 위해 직선 파이프에 부착되는 포일 와셔의 단면을 도시한다.

도 41은 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 또 다른 아코디언 형식의 열교 환기를 도시한다.

도 42는 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 또 다른 아코디언 형식의 열교환기를 도시한다.

도 43은 펄스 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법을 도시한다.

도 44는 펄스 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법을 도시한다.

도 45는 펄스 전기증발 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법을 도시한다.

도 46은 펄스 전기증발 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법을 도시한다.

도 47은 튜브에 장착된 핀 어레이를 구비하는 열교환기의 일 실시예를 도시한다.

도 48은 하나의 튜브 및 핀 어셈블리의 단면을 도시한다.

도 49는 상온에서 순수 알루미늄에 대한 열확산 길이 대 시간을 도시한다.

도 50은 (a) 작동 중 가열 펄스에 의해 전력이 공급될 때 그리고 (b) 냉각 펌프 및 팬 오프와 함께 가열 펄스에 의해 전력이 공급될 때, 알루미늄 열교환기에 대한 온도 대 시간을 도시한다.

미국특허출원 10/364,438은 펄스 전열식 제빙(Pulse Electrothemal deicing: PETD)을 개시하고 있다. PETD는 얼음을 제거하는데, 예를 들어 물체와 얼음 사이의 접촉면(여기서 "얼음-물체 접촉면")에서 접촉되는 얼음을 열적으로 변형시킴으로써 얼음을 제거한다. 가열 에너지가 접촉면에 인가되어 얼음의 접촉 레이어를 용해시킬 수 있다; 이러한 응용은 접촉면에 인가된 에너지가 얼음 내부에서 얼음의 접촉 레이어 두께를 통해 더 확장되지 않는 열확산 길이를 가지도록 지속시간에서 제한될 수 있다.

얼음과 얼음에 부착된 물체 사이의 접촉면에 고전력 가열 펄스를 인가함으로써 접촉 얼음은 거의 순간적으로 용해된다. 일정한 전력밀도 W(watt/m²⁾)가 접촉면에 인가될 때, ΔT 정도에 의해 접촉면을 가열하기 위해 필요한 에너지 Q(joule)가 대략적으로 전력밀도 W에 반비례한다. 따라서 매우 높은 전력밀도 W를 접촉면에 인가함으로써, 일반적인(낮거나 평범한 전력) 전열식 제빙기에 의해 소비되는 것에 비해, 에너지가 감소된다. 일반적으로 가열과 재냉각 에너지의 99 %는 매우 높은 전력밀도 W를 사용하여 절약할 수 있다.

하지만 이러한 에너지 절약 원리(Q ∝ 1/W)는 무한정 Q를 감소시킬 수 없는데, 이것은 더 작은 Q가 접촉면을 재냉각하는 데 걸리는 시간을 감소시키기 때문이다. 이러한 빠른 접촉면 재냉각(얼음을 다시 발생시키는 것)때문에, PETD가 사용될 때, 얼음은 어떤 힘(중력, 공기 마찰력, 기계적 긁음 등)에 의해 표면으로부터 즉시 제거되어야 한다.

얼음이 제거되면, 외부 온도, 펄스 지속시간 그리고 기판 특성에 따라, 수 밀리초에서 대략 30초 범위의 시간 사이에 걸쳐 접촉면이 재냉각될 것이다. 접촉면 재냉각은 비행기 날개의 스태그네이션 라인(stagnation line), 도로의 수평면, 공항 활주로, 냉장고 열교환기 그리고 평평한 지붕과 같은 얼음 제거 힘이 없거나 거의 없는 곳에서는 PETD의 사용을 제한한다.

PETD 를 이용한 얼음 제조 시스템

얼음 용해는 얼음 제조에 사용될 수도 있다; 즉, 얼음 입방체와 얼음 입방체를 담는 얼음 트레이 사이의 얼음의 접촉 레이어를 용해시킴으로써, 얼음 입방체는 더 쉽게 제거될 수 있다. 얼음을 쉽게 수확하도록 하는 얼음 제조 시스템이 이하 설명된다.

도 1과 도 2는 펄스 전열식 제빙(PETD)를 채용한 대표적인 얼음 제조 시스템을 도시한다. 시스템(10(1))에서 얼음(5(1))은 얇은 절연 필름(16(1))에 의해 콜드 플레이트(12(1))에 부착된 포일(18(1)) 위에 형성된다. 예를 들어 콜드 플레이트(12(1))는 도관(conduit)(14)를 통과하는 액체에 의해 냉각된다. 얼음(5(1))은 포일(18(1))을 가로질러 위에서 아래로 흐르는 물(미도시)로부터 형성된다. 예를 들어 포일(18(1))은 얇은 금속 포일(18(1))이다. 예를 들어 절연 재료의 얇은 레이어인 절연 필름(16(1))을 통해 콜드 플레이트(12(1))에 의해서 포일(18(1))이 냉각된다. 예를 들어 콜드 플레이트(12(1))가 수평으로 위치할 때 포일(18(1))이 형성된 컨테이너를 채우는 물로부터 얼음(5(1))이 성장할 수도 있다. 일단 충분한 얼음(5(1))이 성장하면 파워 서플라이(22)를 포일(18(1))에 연결하는 스위치(20)를 닫음으로써 전류의 가열 펄스가 포일(18(1))을 가로질러 인가될 수 있다. 펄스는 포일(18(1))에 인접한 접촉 얼음(5(1))을 용해시키고, 얼음(5(1))이 포일(18(1))로부터 분리되도록 한다. 예를 들어 얼음(5(1))은 얼음(5(1)) 제조 시스템(10(1)) 아래의 컨테이너(미도시) 내로 수집된다.

파워 서플라이(22)는 규칙적인 AC 파워 서플라이 또는 배터리, 커패시터 또는 울트라커패시터와 같은 DC 파워 서플라이일 수 있다. 스위치(20)는 반도체 스위치(파워-MOSFET, IGBT, 사이리스터 등), 기계적 스위치, 전자기적 스위치 또는 이들의 조합일 수 있다.

실시예에서, 인가된 전압과 전류는 (포일(18(1))의 면적에 상대적으로) 대략 1 kw/m² 에서 500 kw/m²에 이르는 가열 전력밀도를 제공한다. 파워 서플라이(22)는 전기 저항에 따라, 대략 2.5 V에서 1000V에 이르는 AC 또는 DC를 발생시킬 수 있다. 포일(18(1))은 스퍼터링, 물리적 증기 증착(PVD), 화학적 증기 증착(CVD), 전해 처리 및 또는 얇은 금속 필름을 형성하는 다른 공정에 의해 형성될 수 있다.

실시예에서, 포일(18(1))의 두께는 대략 0.5 μm에서 1 mm에 이를 수 있다. 어떤 실시예에서는 포일(18(1))은 전도성 페인트, 전도성 폴리머 필름, 탄소섬유 복합재료 또는 탄소 나노튜브 복합재료로 형성될 수 있다.

절연 필름(16(1))은 포일(18(1))을 콜드 플레이트(12(1))로부터 전기적으로 격리시킨다. 예를 들어 절연 필름(16(1))은 세라믹, 유리, 고무, 폴리머, 복합재료 및/또는 다른 절연 재료와 같은 절연 재료로 만들어진다. 일반적으로 얇은 절연 필름은 대략 10 μm에서 2 mm이다. 가열 펄스 지속시간은 일반적으로 1 ms에서 30 s이다; 하지만. 1 ms에서 10 s면 충분하다.

시스템(10(1))의 작동은 최소한의 전기 에너지를 소비하고, 얼음(5(1))과 포일(18(1)) 사이의 접촉면이 재냉각되기 전에 포일(18(1))과 콜드 플레이트(12(1)) 가 미끄러지도록 얼음(5(1))에 충분한 시간을 제공하도록 최적화될 수 있다. 시스템(10(1))의 작동이 최적화되도록 하는 파라미터는 예를 들어 다음과 같다:

a) 콜드 플레이트(12(1)) 온도

b) 절연 필름 두께, 밀도, 열용량, 그리고 열전도도

c) 금속 포일(18(1)) 두께, 밀도, 전기저항 그리고 열용량

d) 얼음(5(1)) 밀도, 잠열, 열용량, 그리고 열전도도

e) 용해된 레이어 두께

f) 용해된 레이어 재냉각 시간

g) 가열 전력밀도

도 3과 도 4는 PETD를 채용한 다른 대표적인 얼음 제조 시스템(10(2))를 도시한다. 얼음 제조 시스템(10(2))은 콜드 플레이트, 절연 필름(16(2)), 도관(14), 파워 서플라이(22) 그리고 얼음 제조 시스템(10(1)) 내의 스위치와 동일한 스위치(20)를 구비한다. 얼음 제조 시스템(10(2))에서 얼음 입방체(기하학적 관점에서 입방체일 수도 있고 아닐 수도 있다)는 얼음 성장을 위한 포켓(19(1))을 형성하기 위한 형태의 포일(18(2)) 위에 형성된다. 포켓(19(1))은 포켓(19(1))의 윗면으로부터 흐르는 물로 채워질 수 있고, 수평식 콜드 플레이트인 경우 포켓(19(1))은 정지한 물로 채워질 수 있다. 물은 콜드 플레이트와 열적으로 접촉한 각 포켓(19(1))의 표면에서 먼저 얼기 시작한다. 포켓(19(1))에 충분한 얼음이 형성될 때, 전류의 가열 펄스가 히터 포일(18(2))을 가열시키고 접촉 얼음을 해동시켜 얼음 입방체가 포 켓(19(1))으로부터 분리되도록 한다. 얼음의 냉동 및 해동 사이클이 반복된다.

도 5와 도 6은 PETD를 채용한 다른 대표적인 얼음 제조 시스템(10(2))를 도시한다. 얼음 제조 시스템(10(2))은 콜드 플레이트(12(3)), 절연 필름(16(3)), 도관(14), 파워 서플라이(22) 그리고 얼음 제조 시스템(10(1)) 내의 스위치와 동일한 스위치(20)를 구비한다. 얼음 제조 시스템(10(2))에서 절연 필름(16(3))의 가변 두께는 포일(18(3))에서 자라는 얼음(5(3))으로부터 콜드 플레이트(12(3))로 향하는 열유동을 조절한다. 절연 필름(16(3))은 낮은 열전도도를 가지고 따라서 열유동은 필름(16(3))이 얇은 곳(예를 들어 얼음(5(3))이 보이는 곳)에서 더 크며 필름(16(3))이 두꺼운 곳(예를 들어 구획(17))에서 감소된다. 얼음(5(3)) 성장 속도는 콜드 플레이트(12(3))로 침투하는 열유동과 콜드 플레이트(12(3))의 윗면에서 바닥으로 흐르는 물로부터의 열유동 사이의 차이에 비례한다. 필름(16(3))이 두꺼운 구획(17)에서 흐르는 물은 콜드 플레이트(12(3))로 침투하는 것보다 더 많은 열을 수반하고 따라서 얼음(5(3)) 성장을 방해한다. 도 6에서 도시된 것과 같이 얼음(5(3))이 바람직한 두께로 성장할 때, 가열 펄스는 얼음을 분리시킨다.

콜드 플레이트(12(3))의 채널 내부에 두꺼운 절연체의 영역이 형성되거나 또는 세워진 절연체로부터 형성되거나 또는 그 둘의 조합이 형성되는 것이 바람직하다. 절연체의 특별한 패턴에 따라, 반구, 반원기둥, 사각형, 바, 별 등의 모양인 얼음을 성장시킬 수 있다. 금속 포일(18(3))이 매우 얇지만 상대적으로 낮은 열전도도를 가질 때(예을 들어 스테인레스 스틸), 측면 열유동(예를 들어 포일을 따라가는)이 제한되며, 인접한 얼음 모양 사이의 빈 공간을 형성한다. 금속 포일이 두 껍거나 높은 열전도도를 가질 때, 측면 열유동은 전체 포일 영역에 걸쳐 얼음이 성장하는 속도를 만들며, 얼음이 함께 냉동되도록 한다.

얼음 제조 시스템(10(1), 10(2), 10(3))이 많은 장점(예를 들어 이동부품의 부재, 빠른 얼음 분리, 적은 에너지 소비 및 거의 방해받지 않는 얼음 성장과 같은)을 가지고 있는 반면에, 어떤 단점을 가질 수도 있다. 하나의 단점은 금속 포일로부터 콜드 플레이트를 분리시키는 절연 필름이 얼음 성장에 필수적인 열교환을 방해한다는 것이다. 일반적으로 필름((16(1), 16(2), 16(3))과 같은 절연 필름의 열저항은 0.5 내지 2 mm 두께 얼음의 열저항과 동등하다. 따라서, 절연 필름의 존재로 인하여 각 얼음 성장 사이클 동안 0.5 내지 2 mm 두께 얼음이 손실된다. 마찬가지로, 가열 펄스 중에, 절연 필름을 통해 작은 양의 열이 콜드 플레이트로 빠져나가고, 따라서 전체 전기 에너지 요구량이 증가된다. 얼음 제조 시스템(10(1), 10(2), 10(3))의 다른 단점은 포일(18)과 절연 필름(16)의 열팽창 계수(CTE)의 차이일 것이다. 이 둘의 열팽창 계수는 가열 펄스에 의해 유도된 큰 접촉 응력을 피하기 위해 잘 조화되거나 또는 절연 필름(16)의 탄성 계수가 열에 의해 유도된 응력을 제한하기 위해 작아야 한다.

도 7 내지 도 12는 절연 필름(16)을 제거함으로써 상기의 단점을 제거하는 얼음 제조시스템을 도시한다. 예를 들어 도 7과 도 8은 PETD를 채용한 다른 대표적인 얼음 제조 시스템(10(4))를 도시한다. 얼음 제조 시스템(10(4))은 콜드 플레이트(12(4)), 도관(14), 파워 서플라이(22) 그리고 얼음 제조 시스템(10(1)) 내의 스위치와 동일한 스위치(20)를 구비한다. 얼음 제조 시스템(10(4))은 (a) 절연 필름 을 구비하지 않고, (b) 콜드 플레이트(12(4))와 포일(18(4)) 사이에 봉인된 공간(15(1))을 구비한다는 점을 제외하고는 얼음 제조 시스템(10(1))과 유사하다. 공간(15(1))은 대신에 비워지거나 공기로 채워진다. 공간(15(1))이 진공이면 기압이 콜드 플레이트(12(4))에 대항하여 포일(18(4))을 누르고, 열 접촉을 제공하여 얼음(5(4))이 포일(18(4)) 위에 성장하도록 한다. 얼음(5(4))을 수확하기 위해 공기는 공간(15(1))으로 주입되어 콜드 플레이트(12(4))와 포일(18(4)) 사이의 열 접촉을 방해한다. 실린더 내부에서 움직이며 전자기적으로 구동되는 피스톤이 얼음 제조 시스템(10(4))의 펌프로서 사용될 수 있다. 이 목적을 위해 다른 펌프가 사용될 수도 있다. 공기가 포일(18(4))을 콜드 플레이트(12(4))로부터 분리시킬 때, 도 8의 화살표로 표시된 공기 간극 수치는 약 10 μm 에서 2 cm의 범위일 수 있다. 콜드 플레이트(12(4))와 포일(18(4))이 분리된 후, 가열 펄스가 포일(18(4))에 인가되어 접촉 얼음(5(4))을 녹인다. 이때 얼음(5(4))은 얼음 수집기로 미끄려져 내려간다.

도 9와 도 10은 PETD를 채용한 다른 대표적인 얼음 제조 시스템(10(5))를 도시한다. 얼음 제조 시스템(10(5))은 인접한 공간(15(2))을 가지는 콜드 플레이트(12(5)), 도관(14), 파워 서플라이(22) 그리고 얼음 제조 시스템(10(1)) 내의 스위치와 동일한 스위치(20)를 구비한다. 얼음 제조 시스템(10(5))은 얼음 제조 시스템(10(4))와 유사하지만, 얼음 입방체(5(5))가 그 안에서 성장하게 하기 위한 포켓(19(2))을 형성하는 포일을 구비한다. 포켓(19(2))은 기구의 윗면으로부터 흐르는 물로 채워지거나, 콜드 플레이트(12(5))가 수평식인 경우 정지된 물로 미리 채 워진다. 공간(15(2))의 내부 또는 외부에 공기를 주입함으로써 포일(18(5))은 콜드 플레이트(12(5)) 내부 또는 외부와 열 접촉될 수 있다. 이러한 접촉은 얼음 제조 시스템(10(5))이 얼음을 성장시킬 때 "On"되고, 얼음 입방체(5(5))를 분리하는 필름(18(5))에 가열 펄스가 인가되기 직전에 "Off"된다.

도 11과 도 12는 PETD를 채용한 다른 대표적인 얼음 제조 시스템(10(6))을 도시한다. 얼음 제조 시스템(10(6))은 인접한 공간(15(3))을 가지는 콜드 플레이트(12(6)), 도관(14), 파워 서플라이(22) 그리고 얼음 제조 시스템(10(1)) 내의 스위치와 동일한 스위치(20)를 구비한다. 얼음 제조 시스템(10(6))에서, 콜드 플레이트(12(6))와 포일(18(6)) 사이의 열교환은 콜드 플레이트(12(6))에 형성된 홈(24)에 의해서 조절된다. 홈(24)은 얼음 제조 시스템(10(3))과 유사한 방식으로 국부적 얼음 성장 속도를 변화시킨다(도 5와 도 6 참조). 도 5와 도6에서 논의된 바와 같이, 열교환의 조절은 반구 입방체 별과 같은 다양한 모양의 얼음 조각이 성장하도록 한다. 에어 펌프 시스템(미도시)은 도 7 내지 도 9에서 기술된 것과 유사한 방식으로 파워 서플라이(22), 스위치(20) 그리고 포일(18(6))에 의해 형성된 펄스 제빙 시스템과 정합하여 작동하여, 가열 펄스와 함께 얼음 입방체(5(6))를 분리시키기 전에 콜드 플레이트(12(6))로부터 포일(18(6))을 분리한다.

실시예 1:

도 1과 도2에서 도시된 시스템(10(1))의 예시적인(그러나 비제한적인) 세부사항과 수행 파라미터가 이하 설명된다. 다음의 파라미터는 이러한 계산을 위해 입 력으로서 사용된다.

표 1은 실시예 1에서 사용되는 상수와 변수들이다.

다음의 식은 시스템(10(1))의 수행 파라미터을 계산하기 위해 사용되는 것이다. 얼음의 열확산 계수 D_i는 다음과 같이 계산된다:

에폭시 수지의 열확산 계수 D_a는 다음과 같이 계산된다:

에폭시 수지의 열확산 길이L_d(t)는 다음과 같이 계산된다:

얼음의 열확산 길이 L_i(t)는 다음과 같이 계산된다:

도 13은 얼음 제조 시스템(10(1))에서 펄스 지속시간에 대한 에폭시 수지의 열확산 길이L_d(t)와 얼음의 열확산 길이 L_i(t)의 종속성을 묘사한다. 1 내지 3초의 펄스 지속시간이 각 에폭시 수지와 얼음의 2 mm 내의 열확산을 제한하는 것으로 보 인다. 더 짧은 펄스는 더 짧은 거리의 열확산을 제한한다.

접촉 레이어와 히터를 O℃까지 가열하고 용해된 레이어 두께 l_m를 가지는 얼음의 레이어를 용해시키기 위해 사용되는 총 에너지 Q는 에너지 보존 법칙을 사용하여 계산된다. 중간 파라미터가 다음과 같이 정의될 수 있다.

바람직한 용해된 레이어 두께 l_m을 구현하기 위해 필요한 가열 펄스 에너지 Q는 다음과 같이 계산된다.

펄스 에너지 Q를 제공하기 위해 필요한 펄스 지속시간 t는 다음과 같이 계산된다.

콜드 플레이트(12(1))로부터 수확된 얼음의 세척속도 S_s는 다음과 같이 계산된다.

콜드 플레이트(12(1))로부터 얼음을 수확하는 데 필요한 세척시간 T는 다음과 같이 계산된다.

이 실시예에서 나타난 것과 같이, 가열 펄스 에너지 Q의 50 % 이상이 접촉 얼음을 용해시키는데 소비되고, 더 적은 에너지가 콜드 플레이트(12(1)), 절연 필름(16(1))을 가열하는데 그리고 얼음(5(1))을 가열(최초 온도 -18℃보다 높지만 얼음이 녹지 않는 온도로 인접한 얼음(5(1))의 온도를 올리는 것)하는데 사용된다.

도 14는 얼음 제조 시스템(10(1))에서 전력 W에 대한 총 에너지 Q의 종속성 을 묘사하고 여기서 Q와 W는 단위면적당(1/m²) 수치이다. 식 5와 식 6으로부터 더 높은 W값이 더 작은 Q값을 도출한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, W가 2X10⁴까지 증가함에 따라 Q가 급격하게 감소한다. 도 15는 얼음 제조 시스템(10(1))에서 전력 W에 대한 세척 속도 S_s의 종속성을 묘사한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, W가 증가함에 따라 S_s가 증가한다. 도 16은 얼음 제조 시스템(10(1))에서 전력 W에 대한 세척시간 T의 종속성을 묘사한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, W가 약 2X10⁴ Watts/m²까지 증가함에 따라 Q가 감소한다.

얼음 제조에서 또 다른 파라미터는 용해된 얼음 접촉면의 재냉각 시간이다; 재냉각 시간은 용해된 접촉면이 얼음 수확할 수 있도록 하는 시간 주기를 정의할 수 있다(예를 들어, 용해된 레이어는 얼음이 자유롭게 미끄러지도록 하기 때문이다.). 재냉각 시간 t_r은 얼음 제조 시스템(10(1))에서 용해된 구역 내의 잠열(q_latent)이 인접한 얼음(5(1))으로 그리고 포일(18(1))과 절연 필름(16(1))을 통해 콜드 플레이트(12(1))로 발산될 때 재냉각이 이루어진다고 가정함으로써 계산될 수 있다. 중간 파라미터는 다음과 같이 정의될 수 있다.

재냉각 시간 t_r은 다음과 같이 계산될 수 있다:

도 17은 0.2 mm의 절연 두께 d를 가지는 얼음 제조 시스템(10(1))에서 전력밀도 W에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, W가 증가함에 따라 T_r가 감소하지만(예를 들어 도 14에 보이는 용해된 레이어 두께 l_m에 대하여 더 높은 W가 Q를 감소시키고, 더 높은 Q는 재냉각 시간도 역시 감소시킨다)T_r는 W가 10⁵ watts/m²에 도달하기 전까지는 2s보다 크게 유지된다. 도 18은 얼음 제조 시스템(10(1))에서 절연 두께 d에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, d가 증가함에 따라 T_r가 증가한다. 도 19는 0.2 mm의 절연 두께 d를 가지는 얼음 제조 시스템(10(1))에서 용해된 레이어 두께 l_m에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, l_m가 증가함에 따라 t_r가 증가한다.

실시예 1에서 최적화된 파라미터로 한 세트의 파라미터가 선택될 수 있다. 표 2는 실시예 1에서 최적화된 파라미터이다.

실시예 2:

도 7과 도 8에서 도시된 시스템(10(4))의 예시적인 세부사항과 수행 파라미터가 제공된다. 다음의 파라미터는 이러한 계산을 위해 입력으로서 사용된다.

표 3은 실시예 2에서 사용되는 상수와 변수들이다,

얼음과 공기에 대한 열확산 계수 D_i, D_d와 열확산 길이 L_i(t), L_d(t) 는 표 3의 상수와 변수를 사용하여(공기의 특성은 아래첨자 d를 사용하여 표시된다.) 상기 식 1 내지 식 4에서와 같이 계산된다.

도 20은 실시예 3에서 펄스 지속시간 t에 대한 L_d(t)와 L_i(t)의 종속성을 묘사한다. 1 내지 3초의 펄스 지속시간 얼음의 2 mm 내의 열확산을 제한하는 것으로 보인다. 더 짧은 펄스는 더 짧은 거리의 열확산을 제한한다. 얼음의 제조 중에 포일(18(4))이 콜드 플레이트(12(4))와 접촉하지만 얼음의 수확 중에 공기가 콜드 플레이트(12(4))로 전달되는 열을 감소시키기 때문에, 얼음 제조 시스템(10(1)-10(3))의 절연 필름(16)보다 더 넓은 공기 간극을 형성할 수 있다; 이러한 공기 간극은 예를 들어 수 mm의 범위일 수 있다. 접촉면과 히터를 0℃까지 가열하고 용해된 레이어 두께 l_m을 가지는 얼음의 레이어를 용해시키는데 사용되는 총 에너지 Q, 펄스 길이 t, 세척속도 S_s 및 세척시간 T는 표 3에서 예시된 상수와 변수 그리고 상기 식 5 내지 식 10을 사용하여 계산될 수 있다.

도 21은 2 mm의 공기 간극을 가지는 얼음 제조 시스템(10(4))에서 전력밀도 W에 대한 총 에너지 Q의 종속성을 묘사한다. 실시예 2에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, W가 약 2X10⁴까지 증가함에 따라 Q가 급격하게 감소한다.

얼음 제조 시스템(10(4))에 대하여 재냉각 시간 t_r는 용해된 영역에 존재하는 잠열 q_latent가 인접한 얼음(5(4))로 발산되고 포일(18(4))과 공기를 통해 콜드 플레이트(12(4))로 발산된다고 가정하면 계산될 수 있다. 중간 파라미터와 재냉각 시간 t_r은 표 3에서 예시된 상수와 변수 그리고 상기 식 11 내지 식 14를 사용하여 계산될 수 있다.

도 24는 가열 전력밀도 W에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다. 실시예 2에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, W가 증가함에 따라 t_r가 급격하게 감소하지만(예를 들어 도 21에서 보이는 것과 같이 주어진 용해된 레이어 두께 l_m에 대해 더 높은 W는 Q를 감소시킨다), t_r는 W가 10⁵ watts가 되기 전까지 2s보다 크게 유지된다. 도 25는 절연 두께 d에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다. 실시예 1에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, d가 증가함에 따라 t_r가 감소한다. 도 26은 용해된 레이어의 두께 l_m에 대한 재냉각 시간 t_r의 종속성을 묘사한다. 실시예 2에서 사용된 상수 값이 주어지는 경우, l_m가 증가함에 따라 t_r가 증가한다.

실시예 2에서 최적화된 파라미터로 한 세트의 파라미터가 선택된 것을 표 4에 나타내었다.

시스템(10(1))(절연 필름(16(1)을 사용)과 시스템(10(4))(공기 간극을 사용)에 대한 예상되는 성능은 시스템(10(4))이 얼음 분리 처리에 중에 동일한 양의 에너지를 소비하지만, 얼음이 재냉각되기 전에 콜드 플레이트로부터 미끄러져 떨어지는데 더 많은 시간을 소비하는 것을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 시스템(10(1))과 시스템(10(4)) 모두 일반적인 얼음 제조기보다는 더 적은 평균 전력을 얼음 분리 처리 중에 소비한다. 예를 들어 도 1 내지 도 4에서 보이는 것과 같은 시스템(2.5 cm 얼음 두께 및 2.5 cm 알루미늄 콜드 플레이트)이 얼음 용융점까지 천천히 가열된다면, 콜드 플레이트와 얼음 접촉면을 가열하여 동일한 양의 얼음을 용융하는데 필요한 최소한의 에너지는 1160 watt/m²이고, 그에 비해 시스템(10(1))과 시스템(10(4))에 의해 사용되는 에너지는 60 watt/m²이다. 따라서, 얼음을 분리하는데 있어, 시스템(10(1), 10(4))은 선행 기술에 비해 20배 경제적일 수 있다.

도 3과 도 4에서 묘사된 설계의 얼음 제조기의 실험 견본이 제작되었다. 시험은 가열 펄스가 인가될 때 거의 순간적인 얼음 분리를 보여준다. 다른 실험적으로 관찰된 특성은 상기 실시예 1의 특성과 과 매우 유사하다.

일반적인 얼음 제조기는 얼음을 수확한 후에 콜드 플레이트를 다시 냉각시켜야하고, 따라서 사이클 당 더 많은 에너지를 소비하지만, 시스템(10(1)-10(6))에서는 콜드 플레이트(12(1)-12(6))가 수확 중에 냉각되어 있기 때문에 얼음 성장이 얼음 수확 후 수 초 후에 시작된다.

PETD 를 사용한 열교환기

열교환기는 열적 질량 사이에서 열 전달을 수행한다. 열교환기 형성에서, 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 열교환기 표면에 인접하여 공기가 순환한다; 공기는 냉각수를 가열할 수 없다. 냉각수의 온도가 충분히 낮으면, 얼음이 표면에 형성될 수 있고, 표면과 공기 사이의 열교환을 방해한다. 최소한의 부가된 열로 이러한 얼음을 제거하는 것이 바람직한데, 이것은 공기와 함께 열교환을 재개하기 위하여 가열된 표면이 재냉각되어야 하기 때문이다.

도 27은 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 열교환기(40)의 투시하여 도시한다. 열교환기(40)는 예를 들어 금속, 또는 전기적 및 열적 전도성 폴리머로 형성될 수 있다. 표면은 순환하는 냉각수에 의해 냉각된다. 공기는 화살표(52)의 방향으로 순환하여 표면(44(1)과 44(2))을 냉각하면서 지나가고, 표면(42과 44(2))에 반대되는 냉각 표면(여기서 미도시)에 대응한다. 열은 공기로부터 열교환기의 냉각 표면으로 지나가고, 냉각수로 움직인다; 얼음이 냉각 표면에 형성될 수 있다. 얼음 또는 서리의 존재를 탐지하고 얼음 또는 서리의 두께를 측정하기 위하여, 얇은 필름 탐지기(43)가 냉각 표면, 예를 들어 냉각 표면(42)의 하나 이상에 부착될 수 있다. 표면(50)의 상부 표면과 하부 표면은 열적으로 절연되어 얼음이 그 위에 형성되지 않는다.

도 28은 축적된 얼음(5(7))과 파워 서플라이(54)와 스위치(56)에 대한 커넥션을 구비한 도 27의 열교환기(40)의 평면을 도시한다. 작동시에, 열교환기(40)는 공기를 냉각하고 얼음(5(7))을 축적할 수 있다. 스위치(56)가 닫히고, 열교환기(40)를 통해 전류의 펄스가 전송된다; 상당한 열이 펄스로부터 얼음(5(7)) 및 열교환기(40)의 냉각표면으로 발산되기 전에 얼음과 물체의 접촉면을 녹이기 위해 전력 그리고 가열 펄스의 지속시간이 제어될 수 있다. 열교환기(40)가 수직으로 세워지면(예를 들어 도 27과 도28에 도시된 것과 같이) 펄스가 인가된 후에 중력이 얼음(5(7))을 열교환기(40)로부터 미끄러지게 할 수 있다.

도 29는 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 열교환기(60)를 도시한다. 열교환기(60)는 열이 공기로부터 냉각수로 흐르는 공기 채널(62)을 형성하고, 여기서 냉각수는 열은 공기로부터 입구(64)에서 열교환기(60)로 들어가고 출구(66)에서 열교환기로부터 나간다. 점선(30-30)은 도 30에서 보이는 단면의 윗면을 표시한다.

도 30은 도 29의 점선(30-30)으로부터 수직으로 아래로 확장된 평면에서 바라본 열교환기(60)의 단면을 도시한다. 공기는 화살표(64) 방향으로 열교환기(60)를 통해 흐른다. 공기 채널(62)의 측면에 냉각 표면(63)이 형성되고, 단열 레이어(68)는 각 공기 채널(62)의 상부 및 하부를 단열시킨다. 각 냉각 표면(63)은 스위치(74)(묘사를 명확하게 하기 위해 단지 하나의 냉각 표면(63)만 연결된 것으로 보인다)를 통해 파워 서플라이(72)에 연결된다.

작동 시에 열교환기(60)는 공기를 냉각하고 얼음(5(8))을 축적할 수 있다. 스위치(74)가 닫히고, 냉각 표면(63)을 통해 전류의 펄스가 전송된다; 상당한 열이 펄스로부터 얼음(5(8)) 및 냉각 표면(63)으로 발산되기 전에 얼음과 물체의 접촉면을 녹이기 위해 전력 그리고 가열 펄스의 지속시간이 제어될 수 있다. 열교환기(60)가 수직으로 세워지면(예를 들어 도 29와 도30에 도시된 것과 같이) 펄스가 인가된 후에 중력이 얼음(5(7))을 열교환기(40)로부터 미끄러지게 할 수 있다.

열교환기(40과 60)는 여기에 개시된 범위 내에서 변형될 수 있을 것이다. 예를 들어 열교환기(40)의 냉각 표면은 도 27과 도 28에서 보이는 모양과 다를 수 있다; 냉각수는 열교환기(40)의 튜브 또는 채널을 통해 흐를 수 있다. 냉각 표면을 파워 서플라이에 연결하는 대신에, 가열 포일 또는 필름이 열교환기(40 또는 60)의 냉각 표면에 인접한 절연 레이어에 배치될 수 있다. 가열 포일 또는 필름과 냉각 표면 사이에 공간이 봉인될 수 있고, 그 공간은 대신에 가열 포일 또는 필름이 냉각 표면과 열적으로 접촉할 수 있게 비워지게 되고, 얼음 분리 중에 가열 포일 또는 필름과 냉각 표면 사이에 공기 간극을 발달시키기 위해 가압될 수 있다. 냉각 표면은 구획을 형성할 수 있고(다음의 논의에 따라), 그러한 구획은 스위치와 파워 서플라이에 대한 전기적 연결을 형성하여 일부 구획이 주어진 시각에 가열 펄스를 수용한다.

가용 전력에 대한 순간 펄스 전력

시스템(10(1)-10(6))에서, 얼음 분리 펄스에 의해 소비되는 평균 전력이 매우 낮더라도(예를 들어 60 w/m² 또는 약 1000 inch² 콜드 플레이트당 39w), 짧은 가열 펄스에 요구되는 전력(예를 들어 1000 inch² 콜드 플레이트당 6.6 kw 내지 65 kw)이 어떤 전력 공급기가 연속적으로 지원할 수 있는 (예를 들어 2 kw 또는 3 kw)것보다 클 수 있다. 필요한 펄스 전력에 전력을 부합시키기 위해, 히터 포일 또는 필름이 구획될 수 있다. 전원이 들어오면, 개개의 구획은 파워 서플라이 용량에 과부하를 걸지 않는다; 하지만 각 구획의 제빙이 전체 그리드 제빙의 경우와 같은 이론을 따르기 때문에 총 에너지 요구량은 동일하다. 얼음이 구획에서 수확될 때, 총 수확 시간은 펄스 지속시간과 구획의 수를 곱한 것과 동일하다. 울트라커패시터, 수퍼커패시터, 전해커패시터 그리고 배터리와 같은 에너지 저장소자가 가열 펄스 사이에 전기 에너지를 축적하는데 사용될 수 있고, 하나의 펄스로서의 에너지를 재분배하여 개개의 구획 또는 전체 콜드 플레이트의 얼음 수확을 수행한다.

펄스 전기증발 제빙

시스템(10(1)-10(6))이 얼음 수확과 관련한 에너지 소비를 감소시키기 위해 PETD를 유익하게 채용하더라도, 펄스 전기증발 제빙(Pulse Electro-Evaporative Deicing, PEED)는 에너지 소비를 더 감소시킬 수 있다; PEED는 얼음 수확뿐만 아니라 다른 사용처도 가진다. PEED 시스템에서, 일부 또는 전부의 얼음과 물체 접촉면은 물의 비등점보다 높게 빨리 신속하게 가열된다. 그러한 가열은 접촉면을 용융시킬 뿐만 아니라 물체로부터 얼음을 밀어 떨어지도록 하는 고압의 증기를 생산하기도 한다. 매우 짧은 가열시간은 기판과 얼음 내 열확산을 제한하고, 따라서 총 에너지 요구량을 감소시킨다. 얼음 수집 표면과 히터의 어떤 형상은 작은 부피에서 얼음을 증발시키는 데 필요한 열을 집중시킬 수 있고, 얼음 분리에 사용되는 에너지를 감소시킨다. 이론적인 계산과 실험 결과는, PEED 시스템이 PETD 시스템보다 작동 온도가 더 높음에도 불구하고, PEED를 이용한 시스템이 PETD를 이용한 시스템보다 더 적은 에너지를 소비하는 것을 보여준다.

도 31은 온도에 대한 평형 증기압의 종속성을 도시하고, 100 ℃ 이상의 적당한 과가열이 매우 높은 증기압을 도출하는 것을 보여준다. 예를 들어 T = 120 ℃, T = 2 atm에서, 1 cm 두께의 얼음을 미는 2 atm의 압력은 a = 10⁴ m/s²의 속도로 얼음을 가속시킨다.

PEED의 이론이 설명된다. PEED는 기판과 얇은 가열부를 이용한다. 얼음은 가열부에서 성장하고, 전체 시스템은 물의 빙점 이하의 외부 온도를 갖는다. 가열부에 인가되는 전류의 가열 펄스는 얼음과 물체 접촉면(예를 들어 금속 히터와 얼음이 만나는 곳)을 물의 비등점보다 높게 가열하여 증기가 남은 얼음을 밀어 가열부로부터 떨어지도록 한다. 가열 펄스는 상당한 열이 기판 또는 남은 얼음으로 확산되지 않도록 충분히 짧을 수 있다.

도 32A는 펄스 제빙 시스템(75)을 개략적으로 도시한다. 시스템(75)은 기판(80)과 가열부(82)를 포함하고, 가열부(82)에서 얼음과 물체 접촉면(84)을 형성하는 얼음(5(9))이 도시된다. 도 32B는 가열부(82)에 가열 펄스가 인가된 후의 펄스 제빙 시스템(75)을 도시한다. 도 32A의 얼음과 물체 접촉면(84)에서 생성된 증기로부터의 압력이 가열부(82)과 얼음(5(9)) 사이에 공간(86)을 생성한다.

PEED 가열 시스템(예를 들어 가열부(80)는 금속 포일, 금속 메시, 얇은 금속 필름, ITO 필름, 반도체 필름, 탄소섬유 메시, 탄소 나노튜브 메시, 탄소섬유, 산소 나노튜브 전도성 복합재료, 다공성 전도성 포일 또는 전도성 페인트로 제작될 수 있다. PEED 가열부의 두께는 약 10 nm 내지 1 mm의 범위일 수 있다. 전류의 가열 펄스는 약 1 μs 내지 100 s 범위의 지속시간을 가질 수 있으며, 일반적으로 1 ms 내지 1 s이다. 가열 전력밀도는 약 10 kW/m² 내지 10 MW/m²일 수 있으며, 일반적으로 100 kW/m² 내지 1 MW/m²이다.

실시예 3

도 33은 PETD와 PEED를 모두 이용하는 하나의 얼음 제조 시스템(100(1))의 단면을 도시한다. 얼음 제조 시스템(100(1))은 얼음 컨테이너(102(1))와 모세관(104(1))을 구비하고 둘 다 예를 들어 스테인레스 스틸로 만들어질 수 있다. 컨테이너(102(1))와 모세관(104(1))은 중심 얼음(5(10))부와 모세관 얼음부(5(11))를 형성하도록 냉각되는 물로 채워진다. 컨테이너(102(1))는 절두체(frustum)와 같이 형성될 수 있다.

얼음 제조 시스템(100(1))은 각각 두 개의 스위치(112, 114)로 스위치되는 두 개의 파워 소스(108, 110)에 의해 전력이 공급된다. 얼음이 얼음 제조 시스템(100(1))으로부터 수확될 때, 스위치(114)가 먼저 닫히고 컨테이너(102(1))에 제1 가열 펄스를 공급하며, 그 후 스위치(112)가 닫히고 컨테이너(102(1))에 제2 가열 펄스를 공급한다. 제1 가열 펄스는 최소한 컨테이너(102(1))와 중심 얼음부 사이의 접촉 얼음 레이어를 용융시키기 위한 충분한 에너지를 가진다; 제2 가열 펄스는 일부 또는 전부의 모세관 얼음부(5(11))를 증발시키기 위한 충분한 에너지를 가진다. 일부 또는 전부의 모세관 얼음부(5(11))의 증발에 의해 야기된 압력은 중심 얼음부(5(10))를 컨테이너(102(1))로부터 배출되도록 한다. 제1 및 제2 가열 펄스는 모두 중심 얼음부(5(10))가 컨테이터로부터 배출되기 전에 열이 중심 얼음부(5(10))로 확산되지 않는 지속시간이 충분히 짧을 수 있다. 각 파워 소스(112와 114)는 모세관(104(1))과 컨테이너(102(1))에 대한 적절한 가열 에너지를 공급하도록 설정될 수 있고, 요구량보다 과도하지 않고 접촉 얼음 레이어를 용해시키도록 컨테이너(102(1))에 열이 충분히 공급될 수 있고, 요구량보다 과도하지 않고 중심 얼음부(5(10))를 밀어내기 위해 모세관(104(1))에 열이 충분히 공급될 수 있다.

도 34는 PETD와 PEED를 모두 이용하는 하나의 얼음 제조 시스템(100(2)의 단면을 도시한다. 얼음 제조 시스템(100(2))은 얼음 컨테이너(102(2))와 모세관(104(2))을 구비하고 둘 다 예를 들어 스테인레스 스틸로 만들어질 수 있다. 얼음 제조 시스템(100(2))은 스위치(118)로 스위치되는 파워 소스(116)에 의해 전력이 공급된다. 스위치(118)가 닫힐 때 단일 가열 펄스가 얼음 컨테이너(102(2))와 얼음부(5(12)) 사이의 접촉 얼음을 용융시키고, 모세관(104(2)) 내부의 일부 또는 전부의 얼음부(5(13))를 증발시킨다. 일부 또는 전부의 모세관 얼음부(5(13))의 증발에 의해 야기된 압력은 중심 얼음부(5(12))를 컨테이너(102(1))로부터 배출되도록 한다. 가열 펄스는 모두 얼음부(5(12))가 컨테이터로부터 배출되기 전에 열이 얼음부(5(12))로 확산되지 않도록 지속시간이 충분히 짧을 수 있고, 모세관(104(2))과 컨테이너(102(2))의 전기저항이 조절될 수 있다.

파워 소스(108, 100 및 116)는 일반적인 AC 전력, 배터리와 같은 DC 파워 서플라이, 커패시터 또는 울트라커패시터일 수 있다. 스위치(112, 114 및 118)는 반도체 스위치(파워-모스펫, IGBTs, 사이리스터 등), 기계적 스위치, 전자기적 스위치 또는 이들의 조합일 수 있다. 전기 논리회로가 가열 펄스의 상대적인 지속시간과 타이밍을 제어하기 위해 사용될 수 있다(예를 들어 특정 지속시간을 위해 스위치(114)를 닫고, 특정 지연시간을 위해 대기하고, 특정 지속시간을 위해 스위치(112)를 닫는다).

얼음 제조 시스템(100(1))에 따른 시스템이 제작되고 시험되었다. 얼음 컨테이너는 0.1 mm 스테인레스 스틸로 만들어지고 23.9 mm의 상부 지름을 가지는 절두체 모양이다. 컨테이너의 길이는 25.4 mm이다. 스테인레스 스틸 모세관 튜브는 내부 지름 1.4 mm 및 외부 지름 2.4 mm를 가지고 길이는 17 cm이다. 이러한 경우에, 0.95초, 229 J의 전류 펄스가 우선 얼음 컨테이너에 인가될 수 있다(예를 들어 파워 소스(110)과 스위치(114)를 사용); 0.2초 후에 0.125초, 859 J의 펄스가 모세관 내부의 얼음을 증발시키기 위해 인가될 수 있다(예를 들어 파워 소스(108)과 스위치(112)를 사용). 또 다른 경우에, 단일 스위치(예를 들어 스위치(118))가 얼음 컨테이너와 모세관에 단일 가열 펄스를 공급하기 위해 사용될 수 있다; 중심 얼음부가 다시 배출된다.

도 35는 비행기 날개의 리딩 에지(leading edge)(122)를 제빙하기 위한 PETD와 PEED를 모두 이용하는 펄스 제빙 시스템(120(1))을 도시한다. 시스템(120(1))은 파워 서플라이(126), 스위치(128) 및 모세관(124)(여기서는 하나의 모세관만이 도시됨)을 포함한다. 비행기의 운전은 모세관(124) 내부에 얼음(5(14))을 형성시키고 날개(122)에 얼음(5(15))를 형성시킨다. 시스템(120(1))은 스위치(128)을 닫음으로써 날개(122)를 제빙할 수 있고 그리하여 모세관(124)의 측면과 날개(122)를 통해 파워 서플라이(126)로부터 전류의 가열 펄스가 흐를 수 있다; 가열 펄스는 날개(122)과 얼음(5(15) 사이에 형성된 얼음과 물체 접촉면을 해동시키고, 적어도 얼음(5(14))의 일부를 증발시킨다. 증발된 얼음의 증기로부터 발생한 압력이 얼음(5(15))을 깨어 재냉각되기 전에 얼음이 날개(122)로부터 미끄러져 떨어질 수 있다.

도 36은 도 35의 비행기 날개(122)의 일부 단면을 도시한다. 모세관(124)의 선은 날개(122)의 스테그네이션 라인 위에 존재한다. 인접한 모세관(124) 사이에 공간이 최적화되어 모든 모세관(124)이 동시에 가열 펄스를 수용하고 얼음(5(15))이 날개(122)의 전체 길이를 따라 깨질 수 있다.

얼음 제조 시스템(100(2))과 같이, 모세관(124)과 날개(122)의 상대적인 전기저항 그리고 파워 서플라이(126)와 스위치(128)에 의해 공급되는 가열 펄스의 전력과 지속시간은 최적화되어 최소한의 에너지를 사용하여 얼음과 물체 접촉면을 녹여 얼음을 떨어지게 할 수 있다. 대신에, 하나의 스위치와 파워 서플라이는 얼음(5(15))과 날개(122) 사이의 얼음과 물체 접촉면을 녹이는데 이용되고, 다른 스위치와 파워 서플라이는 하나 이상의 모세관(124) 내의 얼음을 증발시키는데 이용될 수 있다(예를 들어 얼음 제조 시스템(100(2))이 하나의 스위치와 파워 서플라이를 이용하는 반면에 얼음 제조 시스템(100(1))이 두 개의 스위치와 파워 서플라이를 이용하는 것과 같이). 부가적으로 모세관과 날개는 구획으로 나뉘어서 더 낮은 커패시티 파워 서플라이(126)를 이용하기 위해 어떤 시각에 하나의 구획만이 제빙될 수 있다. 날개(122)의 금속이 가열부로서 이용되거나, 분리된 가열부가 이용될 수 있다. 예를 들어. 분리된 가열부는 기초 레이어를 구비하거나 구비하지 않고 비행기 날개에 부착될 수 있다(예를 들어 가열부로서 효과적으로 작동하기에 비행기 날개의 전도도가 너무 높거나 낮은 경우).

다른 실시예에서는, 작은 모세관의 어레이가 다공성 금속 포일의 스트립으로 대체될 수 있다. 가공성 포일은 공기로부터 물로 포화되고, 따라서 세공(pores)은 물로 채워진다. 전류의 가열 펄스가 다공성 포일에 인가될 때, 포일은 물의 비등점보다 높게 가열되어 얼음과 날개 사이의 높은 증기압을 생성한다.

실시예 4:

도 37A는 펄스 전기증발 제빙 시스템(130)을 개략적으로 도시한다. 시스템(130)은 기판(132)과 가열부(134)를 포함하고, 가열부(134)에서 얼음과 물체 접촉면(136)을 형성하는 얼음(5(16))이 도시된다. 가열부(134)는 얼음(5(16))으로 채워진 세공(138)을 구비한다. 도 37B는 가열부에 가열 펄스가 인가된 후의 펄스 제빙 시스템(130)을 도시한다. 도 37A의 얼음과 물체 접촉면(136)에서 생성된 증기, 특히 세공(138) 내부에서 증발한 증기로부터의 압력이 가열부(134)과 얼음(5(16)) 사이에 공간(140)을 생성한다.

얼음 제빙 시스템(130))에 따른 시스템이 제작되고 시험되었다. 두께 0.32 mm 다공성 스테인레스 스틸 포일이 53 μm 내지 75 μm 입자로 소결된다. 포일은 약 10 μm의 세공을 가진다. 물이 포일 위에 배치되고 -10 ℃에서 냉각되며, 물의 일부는 포일의 세공에 침투하여 냉각된다. 가열밀도 1.7 x 10⁷ W/m²의 20 ms 펄스가 인가된다. 세공 내부의 얼음이 증발되고 얼음 시트를 포일로부터 밀어낸다.

가열 전기 펄스를 구비한 열교환기 핀의 제빙

도 38은 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 아코디언 형식의 열교환기(150)를 도시한다. 열교환기(150)에서 냉각수(156)(프레온 또는 다른 액체)는 열교환표면을 형성하는 냉각 핀(154)을 구비하는 냉각수 덕트(152)를 통해 흐르며, 주위 공기와 열을 교환한다. 냉각수 덕트(152)가 냉각 핀(154) 내부에 냉각수를 가지는 것처럼 보일지라도, 어떤 실시예는 직선 튜브 또는 파이프(도 40 참조)로부터 측면으로 확장되는 열교환표면을 가지는 냉각수 덕트를 구비할 수 있다; 다른 실시예에서는 튜브 또는 파이프는 열교환표면을 형성하는 뱀 모양(serpentine) 또는 지그재그 모양을 가정할 수 있다(도 42 참조). 냉각 핀(154) 위에 형성될 수 있는 얼음(5(17))은 펄스 제빙을 통해 제거될 수 있다. 스위치(158)가 닫힐 때 파워 서플라이(160)는 전류의 가열 펄스를 열교환기(150)를 통해 전송할 수 있다; 가열 펄스는 적어도 핀(154)과 얼음(5(17)) 사이에 형성된 얼음과 물체 접촉면을 용융시킨다. 가열 펄스는 얼음(5(17)) 전부를 용융시킬 수도 있다. 일반적인 단위면적당 가열밀도는 약 5 KW/m² 내지100 KW/m²일 수 있다. 전류 크기와 펄스 지속시간은 온도, 흐름 속도 및 냉각수 특성(예를 들어 밀도, 열용량 및 열전도도)에 기초하여 조절될 수 있다. 일반적인 펄스 지속시간은 0.1 s 내지 10 s가 될 수 있다. 파워 서플라이(160)는 일반적인 AC 전력, 배터리와 같은 DC 파워 서플라이, 커패시터 또는 울트라커패시터일 수 있다. 스위치(158)는 반도체 스위치(파워-모스펫, IGBTs, 사이리스터 등), 기계적 스위치, 전자기적 스위치 또는 이들의 조합일 수 있다. 가열 펄스 후에 남은 고체 얼음(5(17)) 중력에 의해 제거되거나(예를 들어 얼음(5(17))이 핀(154)에서 미끄러져 떨어진다) 긁기, 흔들기 또는 열교환기(150)에 대항하여 바람 불기와 같은 기게적인 작용에 의해 제거될 수 있다. 흔들기는 작은 전기 모터와 크랭크축, 전자기 진동자 또는 냉각수(156)로 압력 진동을 야기함으로써 제공될 수 있다.

도 39는 냉각수 덕트(170)를 형성하기 위해 부착되는 포일 와셔(172)의 단면을 도시한다. 냉각수 덕트(170)는 예를 들어 냉각수 덕트(152)(도 38 참조)로서 사용될 수 있다. 포일 와셔(172)는 예를 들어 내부 지름 1 inch 및 외부 지름 3 inch의 4 mm 스테인레스 스틸 포일 와셔일 수 있고, 외부 모서리(176)와 내부 모서리(178)에서 납땜 또는 점 용접된다; 각 와셔(172)는 따라서 열교환표면을 형성한다(예를 들어 와셔 한 쌍이 하나의 냉각 핀(154)을 형성한다, 도 38 참조).

도 40은 냉각수 덕트(180)를 형성하기 위해 직선 파이프(184)에 부착되는 포일 와셔(182)의 단면을 도시한다. 냉각수 덕트(170)는 예를 들어 냉각수 덕트(152)(도 38 참조)로서 사용될 수 있다. 포일 와셔(182)는 예를 들어 내부 지름 1 inch 및 외부 지름 3 inch의 4 mm 스테인레스 스틸 포일 와셔일 수 있고, 외부 모서리(186)와 내부 모서리(188)에서 납땜 또는 점 용접된다; 와셔(182)는 파이프(184)에 납땜되거나 용접될 수도 있다. 와셔 한 쌍이 하나의 냉각 핀(154)을 형성한다(예를 들어 냉각 핀(154), 도 38 참조). 파이프(184)의 대응 벽 두께와 와셔(182)는 도 38에서 보이는 바와 같이 전류 펄스가 야기될 때 유사한 가열 전력밀도 W를 가지도록 선택된다.

도 41은 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 또 다른 아코디언 형식의 열교환기(190)를 도시한다. 열교환기(190)는 주위 공기과 열을 교환하는 냉각 핀(194)를 구비하는 냉각수 덕트(192)를 구비한다. 냉각 핀(194) 위에 형성될 수 있는 얼음(5(18))은 펄스 제빙을 통해 제거될 수 있다. 열교환기(190)의 PETD 제빙은 열교환기(170)와 같은 방식으로 작동한다. 스위치(198)가 닫힐 때 파워 서플라이(196)는 전류의 가열 펄스를 열교환기(190)를 통해 전송할 수 있다; 가열 펄스는 적어도 핀(194)과 얼음(5(18)) 사이에 형성된 얼음과 물체 접촉면을 용융시킨다. 가열 펄스는 얼음(5(18)) 전부를 용융시킬 수도 있다.

도 42는 제빙용 펄스 시스템으로서 설정되는 또 다른 아코디언 형식의 열교환기(200)를 도시한다. 열교환기(200)는 주위 공기과 열을 교환하는 냉각수 덕트(202)를 구비한다; 냉각수 덕트(202)는 뱀 모양이고, 냉각수는 열교환표면 면적을 최대화하기 위해 냉각수 덕트(202)의 벤드(204)를 통해 흐른다. 냉각수 덕트(202) 위에 형성될 수 있는 얼음(미도시)은 펄스 제빙을 통해 제거될 수 있다. 스위치(208)가 닫힐 때 파워 서플라이(206)는 전류의 가열 펄스를 열교환기(200)를 통해 전송할 수 있다; 가열 펄스는 적어도 핀(204)과 얼음 사이에 형성된 얼음과 물체 접촉면을 용융시킨다. 가열 펄스는 얼음 전부를 용융시킬 수도 있다.

여기에서 개시된 범위 내에서 열교환기(150, 190 및 200)가 변형될 수 있을 것이다. 예를 들어, 열교환기(150, 190 및 200)의 열교환표면은 도 38, 도 41 및 도 42에서 보이는 것과 다른 모양일 수 있다. 파워 서플라이에 연결되는 덕트 또는 냉각 핀 대신에, 가열 포일 또는 필름이 열교환표면에 인접한 절연 레이어 위에 배치될 수 있다. 가열 포일 또는 필름과 열교환표면 사이에서 공간이 봉일될 수 있으며, 대신에 그 공간이 가열 포일 또는 필름이 냉각표면과 열 접촉하도록 비워지고, 얼음 분리 중에 가열 포일 또는 필름과 냉각표면 사이의 공기 간극을 발달시키도록 가압될 수 있다. 열교환표면은 상기에서 논의한 바와 같이 구획을 형성할 수 있다; 구획은 스위치와 파워 서플라이에 대한 전기적 연결을 형성하여 일부 구획이 주어진 시각에 가열 펄스를 수신하게 할 수 있다.

얇은 벽 금속 튜브와 포일의 펄스 가열은 낮은 전압(1 V 내지 24 V)이지만 높은 전류(수잭 내지 수천 A)를 이용하는 것이 유익하다. 더 높은 전압(예를 들어 120 V 내지240 V)을 직접 사용하는 것이 바람직한 때는 더 높은 전기 저항이 유익하다. 더 높은 저항은 히터 전도성 필름을 냉각 덕트로부터 분리시킴으로써 구현된다. 예를 들면 핀을 구비한 열교환기는 양극처리된 알루미늄으로 제작될 수 있고, 얇은 고저항 가열 필름이 양극처리된(절연된) 레이어의 상부에 적용된다. 가열 필름은 CVD, PVD, 전해도금 또는 페인팅에 의해 구현될 수 있다.

도 43은 펄스 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법(300)을 도시한다. 방법(300)은 예를 들어, 시스템과 관련된 마이크로프로세서의 제어와 작동을 통해, 상기 설명된 얼음 제조 시스템(10(1)-10(3)) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 단계(302)는 콜드 플레이트(예를 들어 콜드 플레이트(12(1)-12(3)) 중 하나)를 냉경(chill)시킨다. 단계(306)는 히터부(예를 들어 포일(12(1)-12(3)) 중 하나)를 냉동시킨다. 단계(310)는 얼음을 녹이기 위해 가열 펄스를 인가한다. 단계(306)에서 얼음이 원하는 위치에 있으면(예를 들어 얼음이 그릇에 떨어졌기 때문에), 방법(300)은 단계(306) 후에 단계(302)로 복귀할 수 있다; 대신에 방법(300)은 얼음을 제거하기 위해 기계적 힘을 인가하는 단계(312)를 계속한다(예를 들어 얼음 긁기, 집어내기, 바람불기 등). 단계(312)는 예를 들어 시스템 내의 마이크로프로세서의 제어 하에 전자기계소자(송풍기, 스크레이퍼)에 의해 수행될 수 있다. 얼음이 원하는 위치에 있을 때, 방법(300)은 다시 시작하기 위해 단계(302)로 복귀한다.

도 44는 펄스 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법(320)을 도시한다. 방법(320)은 예를 들어, 시스템과 관련된 마이크로프로세서(필요하다면, 기계적 액추에이터)의 제어와 작동을 통해, 상기 설명된 얼음 제조 시스템(10(4)-10(6)) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 단계(302)는 콜드 플레이트(예를 들어 콜드 플레이트(12(4)-12(6)) 중 하나)를 냉경(chill)시킨다. 단계(304)는 콜드 플레이트와 히터부(예를 들어 포일(18(4)-18(6)) 중 하나) 사이의 공간(예를 들어 공간(15(1)-15(3)) 중 하나)를 비우고, 그러므로써 콜드 플레이트와 히터부는 열적으로 접촉한다. 단계(306)는 히터부를 냉동시킨다. 단계(308)는 히터부와 콜드 플레이트 사이에 공기 간극을 생성하기 위해 공간을 가압한다. 단계(310)는 얼음을 녹이기 위해 가열 펄스를 인가한다. 단계(306)에서 얼음이 원하는 위치에 있으면(예를 들어 얼음이 그릇에 떨어졌기 때문에), 방법(320)은 단계(306) 후에 단계(302)로 복귀할 수 있다; 대신에 방법(300)은 얼음을 제거하기 위해 기계적 힘을 인가하는 단계(312)를 계속한다(예를 들어 얼음 긁기, 집어내기, 바람불기 등). 단계(312)는 예를 들어 시스템 내의 마이크로프로세서의 제어 하에 전자기계소자(송풍기, 스크레이퍼)에 의해 수행될 수 있다. 얼음이 원하는 위치에 있을 때, 방법(320)은 다시 시작하기 위해 단계(302)로 복귀한다.

도 45는 펄스 전기증발 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법(350)을 도시한다. 방법(350)은 예를 들어, 시스템과 관련된 마이크로프로세서(적절히 송풍기와 스크레이퍼 같은 전자기계소자)의 제어와 작동을 통해, 상기 설명된 얼음 제조 시스템(100(2))에 의해 수행될 수 있다. 단계(352)는 얼음 컨테이너와 모세관(예를 들어 얼음 컨테이너(102(2))와 모세관(104(2)))을 냉동시킨다. 단계(354)는 얼음컨테이너와 모세관 내부의 얼음을 냉동시킨다. 단계(356)는 얼음을 녹이고 모세관 내부에서 얼음을 증발시키며, 그러므로써 얼음을 배출하기 위해 가열 펄스를 인가한다(예를 들어 스위치(118)를 닫음으로써). 단계(356) 후에 방법(350)은 다시 시작하기 위해 단계(352)로 복귀한다.

도 46은 펄스 전기증발 제빙을 이용하여 얼음을 제조하는 방법(360)을 도시한다. 방법(360)은 예를 들어, 시스템과 관련된 마이크로프로세서(적절히 송풍기와 스크레이퍼 같은 전자기계소자)의 제어와 작동을 통해, 상기 설명된 얼음 제조 시스템(100(1))에 의해 수행될 수 있다. 단계(362)는 얼음 컨테이너와 모세관(예를 들어 얼음 컨테이너(102(1))와 모세관(104(1)))을 냉경시킨다. 단계(364)는 얼음컨테이너와 모세관 내부의 얼음을 냉동시킨다. 단계(366)는 얼음 컨테이너 내부의 얼음을 녹이기 위해 가열 펄스를 인가한다(예를 들어 스위치(114)를 닫음으로써). 단계(368)는 모세관 내부에서 얼음을 증발시키며, 그러므로써 얼음을 배출하기 위해 가열 펄스를 인가한다(예를 들어 스위치(112)를 닫음으로써). 단계(358) 후에 방법(360)은 다시 시작하기 위해 단계(352)로 복귀한다.

도 47은 튜브(406)에 장착된 핀 어레이(404)를 구비하는 열교환기(402)의 일 실시예를 도시한다. 도 48은 하나의 튜브 및 핀 어셈블리의 단면을 도시한다. 각 튜브(406)는 스위치(410)을 통해 파워 소스(408)에 연결됨으로써 스위치가 닫히면 열을 발생하기 위해 튜브(406)를 통해 전류가 흐른다; 그러므로써 제빙 열교환기(402)를 작동시킨다. 도 47에서 묘사를 명확히 하기 위해 단지 하나의 튜브(406)만이 도시된다. 짧은 펄스가 튜브(406)를 통과할 때, 튜브(406)의 벽 내부에서 줄 열이 발생된다. 튜브(406)와 핀(404) 사이에는 매우 작은 접촉 열저항이 있기 때문에, 그리고 금속 핀 내의 높은 열확산 속도 때문에, 튜브(406) 내에서 발생된 줄 열은 핀(404)으로 급속히 퍼져, 열교환기(402) 위에서 성장한 얼음과 서리를 녹인다.

다음의 예는 열확산 속도를 설명한다. 어떤 재료의 열확산 길이 L_D는 다음과 같이 주어진다:

여기서

여기서 t는 시간, α는 재료의 열확산율, k는 재료의 열전도도, ρ는 재료의 밀도, 그리고 C_p는 재료의 열용량이다.

도 49는 상온에서 순수 알루미늄에 대한 열확산 길이(m) 대 시간(s)을 도시한다. 특히 도 49는 1초 내에 열이 알루미늄에서 1.8 cm까지 확산되고, 5초 내에 3.9 cm까지 확산되는 것을 보여준다. 따라서, 이러한 확산 길이는 열이 튜브(406) 의 내부에서 발생될 때 약 1초 내에 핀(404)(핀이 일반적인 크기일 때)을 가열하는데 충분하다.

냉동산업 내에서 현재 채용된 열교환기의 범위 내에서 실시예를 구현할 수 있다. 예를 들면 핀(404)의 모양은 다음 중 어느 하나 이상일 수 있다: 원형, 사각형, 바늘 등. 핀(404)과 튜브(406)는 다음 중 어느 하나 이상으로 제작될 수 있다: 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, 전도성 폴리머 또는 다른 합금. 스테인레스 스틸 튜브는 예를 들어 스테인레스 스틸이 높은 전기저항을 가지기 때문에 저항가열을 구현하는데 사용될 수 있다. 다른 금속과 합금이 사용될 수도 있다.

파워 서플라이(408)는 충분한 전력을 가지는 어떤 저전압 고전류 DC 또는 AC 파워 서플라이일 수 있다. 예를 들면 파워 서플라이(408)은 다음 중 하나일 수 있다: 배터리, 수퍼커배시터 뱅크, 스텝다운 변환기, 전자 스텝다운 변환기 등. 한 실시예에서 파워 서플라이(408)은 고주파 전류를 인가할 수 있는데, 이것은 고주파 전류가 흐를 때 표피효과 때문에 튜브(406)의 전기저항이 증가될 수 있기 때문에 유익하다.

좀더 균일한 전기가열을 발생하기 위해, 핀(404)은 튜브(406)로부터 절연될 수 있는 반면에 튜브(406)와는 열적으로 잘 접촉한다. 예를 들면 알루미늄 표면 위의 얇은 양극처리된 레이어, 얇은 폴리머 레이어 또는 에폭시 접착제가 그러한 얇은 전기 절연체가 될 수 있다.

상기 실시예에서 설명된 바와 같이, 그러한 펄스 가열은 베이스 튜브 내의 액체 냉매와의 대류 열교환 그리고 열교환기 외부표면 위의 공기 때문에 열손실을 제한하고, 그러므로써 평균 전력 요구량을 감소시키고 열교환기(402)의 휴식(shutdown) 없이 제빙을 수행할 수 있게 한다. 충분한 주파수의 가열 펄스를 인가함으로써 핀과 튜브의 외부표면에서 성장한 얼음 또는 서리의 얇은 레이어가 용해되고, 따라서 열교환기 표면을 가상적으로 얼음과 서리가 없는 상태로 유지할 수 있다. 이것은 열교환기의 성능을 향상시키고 전력 요구량을 감소시키며, 또한 냉장고 내에 저장된 음식의 저장수명을 증가시킬 수 있다.

도 47의 열교환기(402)가 알루미늄으로 제작되고 매우 일반적인 크기를 가진다고 가정한다: 내부 지름 1 cm 튜브, 튜브 벽 두께 0.30 mm, 핀 지름 36 mm, 핀 두께 0.5 mm, 그리고 핀 사이의 공간 4 mm.

그러한 열교환기는 약 330 g/m(튜브의 미터 길이 당)의 질량과 0.47 m²/m(튜브의 미터 길이 당 제곱 미터)의 총 표면적(핀 + 튜브의 외부표면)을 가진다. 튜브 내의 냉매 온도가 -18 ℃이고, 공기 온도는 5 ℃, 공기와 열교환기(402)의 외부표면 사이의 대류 열교환 계수는 65 W/m²K라고 가정한다.

도 50에서 나타난 것과 같이, 튜브(406)에 3 V/m의 전기장이 인가될 때, 알루미늄 표면을 0 ℃ 이상으로 가열하는데 1.4초 이하의 시간이 걸린다. 알루미늄의 표면이 0 ℃ 이상이 되면, 서리의 얇은 레이어는, 알루미늄 표면 위에 형성되었다면, 녹기 시작한다.

표 5는 열교환기의 특성, 표 6은 경계조건, 표 7은 전기적 파라미터에 관한 것이다.

열교환기가 휴식 중일 때 펄스 가열 중의 열교환기 온도는 다음에 의해 계산된다:

그리고 열교환기가 방해 없이 작동 중일 때 펄스 가열 중의 열교환기 온도는 다음에 의해 계산된다:

여기서

도 50은 작동 중 가열 펄스에 의해 전력이 공급될 때 그리고 냉각 펌프 및 팬 오프와 함께 가열 펄스에 의해 전력이 공급될 때, 알루미늄 열교환기에 대한 온도 대 시간을 도시한다. 특히 도 50은 서리제거가 냉각수 펌프 또는 팬을 끄지 않을 때 성공적으로 수행될 수 있는 것을 보여주는데 이것은 작동이 멈추지 않으면 서리를 녹이기 시작하는데 1.4초 이하의 시간이 걸리기 때문이다. 이러한 실시예에 서, 3 V가 열교환기 튜브(예를 들어 튜브(406))의 1 m 구획에 인가되어 1.671 kW의 가열 전력을 발생시킨다. 튜브는 인가된 3 V와 557.004 A를 전달한다.

여기서 개시한 범위를 벗어나지 않고 상기 방법과 시스템에 대해 변형할 수 있다. 상기 설명에서 포함된 문제와 수반되는 도면은 예시적이며 제한적이지 않다. 다음의 청구범위는 여기서 설명된 일반적 그리고 구체적 특징을 모두 포함하도록 의도되었으며, 본 방법과 시스템의 범위를 모두 진술하도록 의도되었다.

Claims

콜드 플레이트;

절연 필름;

절연 필름을 통해 콜드 플레이트에 의해 냉각되어, 인접한 물이 그 위에 얼음을 형성하는 얇은 금속 포일;

파워 서플라이; 및

파워 서플라이를 얇은 금속 포일에 연결하도록 하고, 얇은 금속 포일에서 얼음의 접촉 레이어가 용해되어 얼음을 분리시키는 가열 펄스를 발생시키도록 작동할 수 있는 스위치를 포함하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

파워 서플라이는 AC 또는 DC 파워 서플라이를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

파워 서플라이는 배터리, 커패시터 또는 울트라커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

스위치는 파워-MOSFET, IGBT, 사이리스터, 기계적 스위치, 전자기적 스위치 또는 그들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

인가된 가열 펄스의 전압과 전류는 1 kw/m² 내지 500 kw/m²의 범위에서 충분한 가열 전력밀도를 제공하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제5항에 있어서,

전압은, 금속 포일의 전기저항에 따라, 2.5 V 내지 1000 V인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

금속 포일의 두께는 0.5 μm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

금속 포일은 전도성 페인트, 전도성 폴리머 필름, 탄소섬유 복합재료 또는 탄소 나노튜브 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

절연 필름은 금속 포일을 콜드 플레이트로부터 절연시키고 세라믹, 유리, 고무, 폴리머 그리고 복합재료 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제9항에 있어서,

절연 필름의 두께는 10 μm 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

스위치는 가열 펄스 지속시간이 1 ms 내지 30 s가 되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

금속 포일은 얼음을 수용하기 위한 하나 이상의 포켓을 형성하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제12항에 있어서,

가열 펄스 후에 포일로부터 분리되는 얼음이 얼음 입방체를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제1항에 있어서,

절연 필름은 다양한 두께로 구성되어 절연 필름이 더 두꺼운 곳에서 얼음이 더 얇게 되는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제14항에 있어서,

상기 다양한 두께는 얼음이 소정의 모양을 가지도록 구성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제15항에 있어서,

상기 모양은 반구, 반원기둥, 사각형, 바, 별 중 하나인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
콜드 플레이트;

콜드 플레이트에 의해서 냉각되고, 인접한 물이 그 위에 얼음을 형성하는 금속 포일;

파워 서플라이; 및

파워 서플라이를 금속 포일에 연결하도록 하고, 얇은 금속 포일에서 얼음의 접촉 레이어가 용해되어 얼음을 분리시키는 가열 펄스를 발생시키도록 작동할 수 있는 스위치를 포함하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

콜드 플레이트와 금속 포일 사이의 공간에 내부 또는 외부로 공기를 주입하기 위한 펌프를 더 구비하고,

공기의 내부 주입은 콜드 플레이트를 금속 포일로부터 분리시키고 또한 공기의 외부 주입은 공기를 공간으로부터 제거하고 금속 포일을 콜드 플레이트로 가압하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

상기 공간은 10 μm 내지 2 cm인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

금속 포일은 얼음을 수용하기 위한 하나 이상의 포켓을 형성하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

콜드 플레이트는 금속 포일에서 성장한 얼음을 형성하는 하나 이상의 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

인가된 가열 펄스의 전압과 전류는 1 kw/m² 내지 500 kw/m² 의 범위가 되도록 충분한 가열 전력밀도를 제공하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

전압은, 금속 포일의 전기저항에 따라, 2.5 V 내지 1000 V인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

금속 포일의 두께는 0.5 μm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제17항에 있어서,

금속 포일은 전도성 페인트, 전도성 폴리머 필름, 탄소섬유 복합재료 또는 탄소 나노튜브 복합재료 중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
냉각 시 물을 얼음으로 변환시키는 얼음 컨테이너;

얼음 컨테이너의 베이스에 위치한 모세관 튜브; 및

얼음 컨테이너와 모세관 튜브에 펄스 가열 에너지를 공급하도록 작동할 수 있는 파워 서플라이를 구비하고,

펄스 가열이 얼음 컨테이너 내 얼음의 접촉 레이어를 용해시키고 모세관 튜브 내의 얼음을 증발시켜 얼음 컨테이너로부터 얼음을 배출시키는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

파워 서플라이를 얼음 컨테이너에 연결하여 얼음 컨테이너 내부에서 펄스 가열 에너지를 발생시키도록 작동할 수 있는 스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

파워 서플라이를 모세관 튜브에 연결하여 모세관 튜브 내부에서 펄스 가열 에너지를 발생시켜 그 안에서 얼음이 증발하도록 작동할 수 있는 스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

얼음 컨테이너는 스테인레스 스틸로 제작되는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제29항에 있어서,

포일의 두께는 약 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

모세관 튜브는 스테인레스 스틸로 제작되는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

얼음 컨테이너는 절두체 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

파워 서플라이는 AC 또는 DC 파워 서플라이를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

파워 서플라이는 배터리, 커패시터 또는 울트라커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

펄스 가열 에너지를 얼음 컨테이너와 모세관에 선택적으로 인가하는데 사용 되는 적어도 하나 이상의 스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제35항에 있어서,

스위치는 파워-MOSFET, IGBT, 사이리스터, 기계적 스위치, 전자기적 스위치 또는 그들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

펄스 가열은 약 1초 이내에 인가되고 약 230 J 전류 펄스를 발생시켜 접촉 레이어를 용해시키기는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제26항에 있어서,

펄스 가열은 약 0.125초 이내에 인가되고 약 860 J 전류 펄스를 발생시켜 모세관 내부의 얼음을 증발시키는 것을 특징으로 하는 얼음 제조 시스템.
제빙될 물체 위에 배치되는 레지스트 필름;

물체에 배치되어 각 개방 말단이 물체의 표면에 가득차는 모세관 어레이; 및

(a) 레지스트 필름의 내부에 에너지를 공급하여, 그 내부에 펄스 가열 에너지를 발생시켜 레지스트 필름에 인접한 얼음의 접촉 레이어가 용융되도록 하고,

(b) 모세관에 에너지를 공급하여, 모세관 내의 얼음을 증발시켜 얼음이 물체 로부터 배출되도록 하도록 작동할 수 있는 파워 서플라이를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
제39항에 있어서,

모세관은 비행기 날개의 스테그네이션 라인에 위치하는 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
제빙될 물체 위에 배치되는 레지스트 필름;

다공성 금속 포일의 스트립(strip); 및

(a) 레지스트 필름의 내부에 에너지를 공급하여, 그 내부에 펄스 가열 에너지를 발생시켜 레지스트 필름에 인접한 얼음의 접촉 레이어가 용융되도록 하고,

(b) 모세관에 에너지를 공급하여, 모세관 내의 얼음을 증발시켜 얼음이 물체로부터 배출되도록 작동할 수 있는 파워 서플라이를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
제41항에 있어서,

다공성 금속 포일은 비행기 날개의 스테그네이션 라인에 위치하는 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
냉장고용 제빙 시스템은

아코디언 형식 표면을 구비한 열교환기;

흐르는 냉각수가 있는 벽 파이프; 및

열교환기에 전기적으로 스위치되어 열교환기에 펄스 가열전력을 공급하여 그로부터 얼음을 제거하는 파워 서플라이를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
제43항에 있어서,

열교환기의 상부에 위치되는 절연 필름을 더 구비하고,

절연 필름은 양극처리된 알루미늄 또는 양극처리된 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
제44항에 있어서,

절연 필름의 상부에 위치되는 전도성 필름을 더 구비하고,

전도성 필름은 CVD, PVD, 전해도금 또는 페인팅에 의해 구현된 얇은 금속 레이어인 것을 특징으로 하는 증발식 제빙 시스템.
베이스 튜브, 베이스 튜브에 부착된 다수의 핀을 구비하는 열교환기 제빙 시스템에 있어서,

파워 서플라이; 및

파워 서플라이를 베이스 튜브에 연결하는 스위치를 포함하고,

스위치는 전기 전류의 펄스를 베이스 튜브에 인가하도록 작동하여 줄(Joule) 가열은 베이스 튜브와 핀의 온도를 상승시켜 거기에 부착된 얼음을 용해시키는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

베이스 튜브와 핀은 금속의 동일한 조각으로 제작되는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

베이스 튜브와 핀 사이에 배치된 절연 물체의 얇은 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

베이스 튜브와 핀은 구리, 스테인레스 스틸, 금속 합금, 전도성 폴리머 그리고 전기적 및 열적으로 전도성 있는 복합재료 중 하나 이상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

베이스 튜브에 인가되는 가열 전력밀도는 0.5 kW/kg 내지 50 kW/kg의 범위이고, 무게는 열교환기의 무게를 참조하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스 템.
제46항에 있어서,

스위치는 0.1 s 내지 30 s 범위의 지속시간을 가지는 전류 펄스를 인가하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

파워 소스는 DC 파워 소스인 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제52항에 있어서,

파워 소스는, 베이스 튜브 재료의 전기저항에 따라, 0.5 V/m 내지 50 V/m 범위의 베이스 내 전기장 강도를 발생시키는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

파워 소스는 AC 파워 소스인 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제54항에 있어서,

AC 파워 소스는, 베이스 튜브 재료의 전기저항에 따라, 0.5 V/m 내지 50 V/m 범위의 베이스 내 전기장 강도를 발생시키는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시 스템.
제54항에 있어서,

AC 파워 소스는 50 Hz 내지 10 MHz 범위의 주파수에서 작동하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제54항에 있어서,

AC 파워 소스의 주파수는 베이스 튜브의 바람직한 전기저항이 표면효과 때문에 구현되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

전기 펄스의 에너지는 열교환기에 부착된 서리 또는 얼음의 두꺼운 레이어를 녹일 수 있도록 충분한 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

전기 펄스의 에너지는 서리 또는 얼음의 두꺼운 레이어를 녹일 수 있도록 충분한 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제59항에 있어서,

스위치는 열교환기의 표면에 얼음과 서리 없이 유지되도록 충분한 주파수와 지속시간에서 다수의 전기 펄스를 공급하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제46항에 있어서,

열교환기의 외부표면에 부착되어 얼음 또는 서리의 존재를 탐지하는 얇은 필름 얼음 탐지기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제61항에 있어서,

얼음 탐지기는 얼음과 서리의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제62항에 있어서,

얼음 또는 서리의 두께를 감시하기 위한 얼음 탐지기를 이용하는 제어 전자기기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제63항에 있어서,

제어 전자기기는 얼음 두께가 설정된 값에 도달하면 스위치를 키는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.
제63항에 있어서,

제어 전자기기는 열교환기 위의 모든 얼음과 서리가 녹으면 스위치를 끄는 것을 특징으로 하는 열교환기 제빙 시스템.