KR20090024171A - Pulse electrothermal deicing of complex shapes - Google Patents

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KR20090024171A
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빅터 페트렌코
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더 트러스티즈 오브 다트마우스 칼리지
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Abstract

A pulse electrothermal deicing apparatus comprises at least one complex shape characterized by a thickness profile configured to generate uniform power per unit area to melt an interfacial layer of ice. A method of optimizing thicknesses of complex shapes for a pulse electrothermal deicing system includes assigning initial estimates of the pulse electrothermal deicing system parameters. A temperature distribution, a temperature range and a refreezing time produced by a deicing pulse are modeled. Shape thicknesses are adjusted according to the temperature range, deicing pulse parameters are adjusted according to the deicing pulse, and the modeling and adjusting is repeated until the temperature range and the refreezing time are within predetermined limits.

Description

복합 형상의 펄스 전열식 제빙{PULSE ELECTROTHERMAL DEICING OF COMPLEX SHAPES}PULSE ELECTROTHERMAL DEICING OF COMPLEX SHAPES

<관련 출원><Related application>

이 출원은 2006.05.22에 출원된, 공동 소유의 출원 계류중인 미국 임시 특허 출원번호 60/802,407에 대한 우선권의 지위를 주장한다. 이 출원은 또한, 미국 임시 특허 출원번호들, 2005.01.24에 출원된 60/646,394, 2005.01.25에 출원된 60/646,932, 2005.11.23에 출원된 60/739,506에 대한 우선권의 지위를 주장하는, 2006.01.24에 출원된 공동 소유의 출원 계류중인 PCT/US2006/002283의 일부 계속 출원이다. 이 출원은 또한, 2004.06.22에 출원된 출원번호 60/581,912, 2005.01.24에 출원된 출원번호 60/646,394, 2005.01.25에 출원된 출원번호 60/646,932의 미국 임시 특허 출원들에 대한 우선권의 지위를 주장하는, 2005.06.22에 출원된 PCT/US2005/022035에 대해 다시 우선권의 지위를 주장하는 2006.12.22에 출원된, 공동 소유의 출원 계류중인 미국 특허 출원번호 11/571,231의 일부 계속 출원이다. 이 출원은 또한, 2004.09.10에 출원된, 지금은 등록 특허 7,034,257이 된 미국 특허 출원번호 10/939,289에 대한 우선권의 지위를 주장하는 2006.01.24에 출원된, 공동 소유의 출원 계류중인 미국 특허 출원번호 11/338,239의 일부 계속 출원이다. 상기 등록 특허 7,034,257은 2002.02.11에 출원된 출원번호 60/646,394, 2002.07.23에 출원된 출원번호 60/398,004, 2002.08.21에 출원된 출원번호 60/404,872의 미국 임시 특허 출원들에 대한 우선권의 지위를 주장하는 2003.02.11에 출원된, 지금은 미국 특허 6,870,139이 된 미국 특허 출원번호 10/364,438에 대한 우선권의 지위를 주장하는 분할 출원이다. 상기 확인된 모든 특허 출원들은 여기에 참고로 삽입된다.This application claims the priority status of co-owned pending patent application US Provisional Patent Application No. 60 / 802,407, filed May 22, 2006. This application also claims priority to US Provisional Patent Application Nos. 60 / 646,394, filed Jan. 24, 2005, 60 / 646,932, filed Jan. 25, 2005, and 60 / 739,506, filed Nov. 23, 2005, Some ongoing applications of co-owned pending PCT / US2006 / 002283, filed Jan. 24, 2006. This application also claims priority to U.S. provisional patent applications filed on June 22, 2004, application number 60 / 581,912, filed on January 24, 2005, application number 60 / 646,394, filed on January 25, 2005. It is partly pending application of the co-owned pending US patent application Ser. No. 11 / 571,231, filed on December 22, 2006, which claims priority over PCT / US2005 / 022035, filed on June 22, 2005, claiming status. . This application is also a co-owned pending US patent application, filed on Jan. 24, 2006, filed on Sep. 10, 2004, now claiming priority status for US Patent Application No. 10 / 939,289, now registered patent 7,034,257. Part of the application of No. 11 / 338,239. The registered patent 7,034,257 is a priority for US provisional patent applications of application number 60 / 646,394, filed on Feb. 11, 2002, application number 60 / 398,004, filed on Aug. 21, 2002, and application no. 60 / 404,872, filed on Aug. 21, 2002. A split application filed on February 11, 2003, which claims priority, now claims priority to US Patent Application No. 10 / 364,438, which is now US Patent 6,870,139. All patent applications identified above are hereby incorporated by reference.

전기적으로 발생된 열(주울 열)로 얼음을 녹이거나 떼어내는 제빙(除氷)은 많은 응용 장치들을 갖는다. 이런 응용 장치들 중의 몇몇은 얼음 및/또는 그 얼음이 부착된 물체에 가해지는 에너지를 최소화하는 것으로부터 이익을 얻는다. 예를 들면, 얼음을 녹이거나 적어도 떼어내기 위해 필요한 것보다 더 많은 열을 생성하는 것은 과도한 에너지의 소비를 필요로 한다. 얼음 제조나 냉동 장비의 제빙(deicing)에 있어서와 같은 몇몇 장치들에서, 얼음을 떼어내는데 있어서의 여분의 에너지의 소비는 특히 불리하다; 얼음을 녹이는 에너지가 소비될뿐만 아니라, 그 얼음이 제거된 시스템의 일부분을 냉각 시스템으로 재냉각하기 위하여 더 많은 에너지가 소비될 수 있다.Ice making, which melts or tears ice with electrically generated heat (joule heat), has many applications. Some of these applications benefit from minimizing the energy applied to the ice and / or the object to which the ice is attached. For example, producing more heat than necessary to melt or at least tear off ice requires excessive energy consumption. In some devices, such as in ice making or deicing of refrigeration equipment, the consumption of extra energy in breaking ice is particularly disadvantageous; Not only is energy consumed to melt the ice, more energy may be consumed to recool the portion of the system from which the ice is removed to the cooling system.

일 실시예로서, 펄스 전열식 제빙(pulse electrothermal deicing) 장치는 얼음의 계면층을 녹이기 위하여 단위 면적당 일정한 전력을 생성하도록 구성되는 두께 프로파일(profile)에 의해 특징지워지는 적어도 하나의 복합 형상을 포함한다.In one embodiment, the pulse electrothermal deicing device comprises at least one composite shape characterized by a thickness profile configured to generate a constant power per unit area to melt the interfacial layer of ice. .

일 실시예로서, 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법은, 상기 펄스 전열식 제빙 시스템의 각 형상 및 상기 형상들의 연결성(connectivity)에 크기 및 기하학적 배열을 할당하는 단계; 각 형상에 초기 두께를 할당하는 단계; 제빙 펄스 지속 시간에 초기 추정치를 할당하는 단계; 상기 제빙 펄스 지속 시간 및 각 형상의 상기 두께에 근거하여 각 형상의 표면상의 온도 분포를 모델링하는 단계; 상기 제빙 펄스의 인가(application) 후에, 각 형상에 대한 재결빙 시간을 결정하는 단계; 만일 상기 모델링된 온도 분포가 요구되는 허용 오차 범위 내에 있지 않으면, 상기 모델링된 온도 분포에 근거하여 각 형상의 두께를 조정하는 단계; 상기 결정된 재결빙 시간에 근거하여 상기 제빙 펄스 지속 시간을 조정하는 단계; 및 만일 상기 결정된 재결빙 시간이 정해진 한계 내에 있지 않으면, 상기 온도 분포가 상기 요구되는 허용 오차 범위 내에 있고, 상기 재결빙 시간이 정해진 한계 내에 있게 될 때까지 상기 모델링, 결정, 조정단계를 반복하는 단계를 포함한다.In one embodiment, a composite shape thickness optimization method for a pulsed ice making system comprises the steps of: assigning a size and geometry to each shape and connectivity of the shapes; Assigning an initial thickness to each shape; Assigning an initial estimate to the ice making pulse duration; Modeling a temperature distribution on the surface of each shape based on the ice making pulse duration and the thickness of each shape; After application of the ice making pulse, determining a refreezing time for each shape; If the modeled temperature distribution is not within the required tolerance range, adjusting the thickness of each shape based on the modeled temperature distribution; Adjusting the ice making pulse duration based on the determined refreezing time; And if the determined re-freezing time is not within a defined limit, repeating the modeling, determining and adjusting steps until the temperature distribution is within the required tolerance range and the re-freezing time is within a defined limit. It includes.

일 실시예로서, 펄스 전열식 제빙 장치는 얼음의 계면층을 녹이기 위하여 단위 면적당 일정한 전력을 생성하도록 구성되는 두께 프로파일(profile)에 의해 특징지워지는 적어도 하나의 축방향 대칭 복합 형상을 포함한다.In one embodiment, the pulsed ice making device comprises at least one axially symmetric composite shape characterized by a thickness profile configured to produce a constant power per unit area to melt the interfacial layer of ice.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 평판을 포함하는 하나의 대표적인(exemplary) 펄스 전열식 제빙(pulse electrothermal deicing: PETD) 장치를 보여준다.1 shows one exemplary pulse electrothermal deicing (PET) device comprising a plate according to one embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실린더를 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치를 보여준다.2 shows one representative PETD device including a cylinder, according to one embodiment of the invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 원뿔(cone)을 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치를 보여준다.3 shows one representative PETD device including a cone, according to one embodiment of the invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 구(sphere)를 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치를 보여준다.4 shows one representative PETD device including a sphere, according to one embodiment of the invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 크레센트(crescent)를 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치를 보여준다.5 shows one representative PETD device comprising a crescent, in accordance with an embodiment of the present invention.

도 6은 축방향 대칭 형상을 가지는 대표적인 가정용(residential) 얼음 제조기(icemaker)용 아이스 트레이(ice tray)의 렌디션(rendition)을 보여준다. 6 shows the rendition of an ice tray for a representative residential icemaker having an axial symmetrical shape.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PETD 시스템 설계에 있어서, 전도성 복합 형상들의 두께를 최적화하는 대표적인 방법을 보여주는 흐름도이다.7 is a flow chart illustrating a representative method of optimizing the thickness of conductive composite shapes in a PETD system design in accordance with an embodiment of the present invention.

펄스 전열식 제빙(PETD)은 적어도 얼음의 계면층을 녹임으로써 물체로부터 얼음을 분리하기 위하여 이용될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, "얼음(ice)"이라는 용어는 혼합된 물질이 들어있거나 들어있지 않은, 얼음, 눈, 서리와 다른 형태의 얼어있는 물 중의 무엇이든지를 말한다. "얼음의 계면층"은 물체에 아주 근접한 얇은 층을 말한다. 얼음의 계면 층의 융해(melting)는 일반적으로 물체로부터 거대 얼음(bulk ice)(즉, 얼음의 녹지않은 부분)를 떼어놓는데 충분하다. 얼음의 계면층은 약 5cm 이하, 바람직하게는 약 3cm 이하, 더 바람직하게는 약 1cm에서 1μm사이, 가장 바람직하게는 1mm에서 1μm사이의 두께를 가질 수 있다. 계면 얼음 을 가열하기 위해 인가된 열이 그 계면 얼음과 접촉하는 물체의 일부를 또한 가열한다는 것을 이해할 것이다. 열이 물체 및/또는 얼음 내부 5cm 이하의 거리까지, 바람직하게는 물체 및/또는 얼음 내부 3cm 이하, 더 바람직하게는 물체 및/또는 얼음 내부 약 1cm에서 1μm사이, 가장 바람직하게는 물체 및/또는 얼음 내부 약 1mm에서 1μm사이의 거리까지 발산하는 것이 바람직하다.Pulsed ice making (PETD) can be used to separate ice from an object by melting at least the interfacial layer of ice. As used herein, the term "ice" refers to any of ice, snow, frost and other forms of frozen water, with or without mixed matter. "Interfacial layer of ice" refers to a thin layer in close proximity to an object. Melting of the interfacial layer of ice is generally sufficient to separate bulk ice (ie, the insoluble portion of the ice) from the object. The interfacial layer of ice may have a thickness of about 5 cm or less, preferably about 3 cm or less, more preferably between about 1 cm and 1 μm, most preferably between 1 mm and 1 μm. It will be appreciated that the heat applied to heat the interfacial ice also heats some of the objects in contact with the interfacial ice. Heat is to a distance of 5 cm or less inside the object and / or ice, preferably 3 cm or less inside the object and / or ice, more preferably between about 1 cm and 1 μm inside the object and / or ice, most preferably the object and / or It is desirable to diverge to a distance between about 1 mm and 1 μm in the ice.

PETD 중에 소비되는 에너지는 일정하게 녹은 계면층을 제공함으로써 유리하게 최소화된다. 과도하게 두꺼운 녹은 계면층들은 더 높은 제빙 온도에 대응하고, 그 제빙 프로세스에서 낭비된 에너지를 나타낸다. 즉, 물체로부터 거대 얼음을 분리하는데 필요한 것보다 더 많은 에너지가 인가된 것이다. 예를 들면, 얼음 제조기 (icemaker)에서, 제빙(deicing) 중에 생성된 "핫 스팟(hot spot)"은 제빙 후, 얼음 제조가 그 점(spot)에서 다시 시작되기 전에, 재냉각을 필요로 한다. 이것은 필요한 것보다 더 많은 의도된 산물들을 녹임으로써 얼음 제조 공정의 수율을 낮춘다. 너무 얇은 녹은 계면층은 얼음이 제거될 수 있기 전에 거대 얼음이 재결빙될 위험이 있다.The energy consumed in PETD is advantageously minimized by providing a constantly melted interfacial layer. Excessively thick molten interfacial layers correspond to higher ice making temperatures and represent energy wasted in the ice making process. That is, more energy is applied than is necessary to separate the large ice from the object. For example, in an icemaker, a "hot spot" created during deicing requires recooling after ice making, before ice production begins again at that spot. . This lowers the yield of the ice making process by melting more intended products than necessary. Too thin a molten interfacial layer risks re-freezing of the large ice before the ice can be removed.

제빙을 위한 에너지 소비를 최적화하기 위하여, PETD를 활용하는 장치는 계면 얼음 층의 표면적 당 대략 일정한 가열 전력(heating power) 밀도를 제공하여야 한다. 그러나, 표면적 당 일정한 가열 전력 밀도는 제빙될 물체가 복합 형상을 가지는 경우에는 목적을 이루기가 어려울 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, "복합 형상(complex shape)"은 하나 이상의 균일하지 않은 두께의 벽을 가지는 물체의 일부를 말한다. 복합 형상은 "두께 프로파일(thickness profile)"로 설명될 수 있고, 두께 프로파일은 거리를 넘어 벽의 두께를 정의한다(예를 들면, 물체 위의 한 점에서부터 물체 위의 다른 점까지). In order to optimize the energy consumption for ice making, devices utilizing PETD must provide approximately constant heating power density per surface area of the interfacial ice layer. However, a constant heating power density per surface area can be difficult to achieve when the object to be iced has a complex shape. As used herein, a "complex shape" refers to a portion of an object that has one or more walls of non-uniform thickness. The composite shape can be described as a "thickness profile", where the thickness profile defines the thickness of the wall over distance (eg from one point on the object to another point on the object).

물체의 가열층은 고유저항(electrical resistivity) ρ와 두께 t에 의해 특징 지워진다. 단위 면적당 가열 전력 W이 인가되면, 다음의 관계식이 적용된다.The heating layer of the object is characterized by electrical resistivity ρ and thickness t. When heating power W per unit area is applied, the following relation applies.

Figure 112008087488221-PCT00001
..............................식(1)
Figure 112008087488221-PCT00001
.............. Equation (1)

여기에서, E는 전류 밀도 Is(A/m)의 인가에 의하여 가열층을 통해 전개된 전기장의 세기(V/m)이다. 가열층의 다양한 부분에서 W를 일정하게 유지하기 위하여 다음의 관계식이 더 적용된다.Here, E is the intensity (V / m) of the electric field developed through the heating layer by application of the current density I s (A / m). In order to keep W constant at various parts of the heating layer, the following relation further applies.

Figure 112008087488221-PCT00002
...................................식(2)
Figure 112008087488221-PCT00002
Equation (2)

식(2)는 물체 두께에 의거한 가열층의 열용량의 의존 관계를 고려하지 않기 때문에 대략적이다. Equation (2) is approximate because it does not consider the dependence of the heat capacity of the heating layer based on the object thickness.

그러나 열용량은 하부 구조인 얼음의 열용량, 및 녹은 계면 얼음층의 잠열과 비교하여 총 PETD 에너지 요구(requirement)에 있어서 대개 매우 작은 조항이기 때문에 식(2)는 매우 유용하다.However, equation (2) is very useful because the heat capacity is usually a very small provision in the total PETD energy requirement compared to the heat capacity of the underlying ice, and the latent heat of the melted interfacial ice layer.

도 1은 평판(40(1))을 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치(10(1))를 보여준다. 도 1은 일정한 비율로 도시되지 않았을 수 있다. 전력 공급 장치(20(1))는 제빙을 위한 전력을 플레이트(40(1))에 공급하기 위하여 스위치(30(1))를 통해 평 판(40(1))에 연결된다. 평판(40(1))의 길이 L과 두께 t는 도 1에 나타나 있다. 전력 공급 장치(20(1))가 전압 V를 공급하는 경우, 전력 공급 장치(20(1))에 의해 공급된 전력 W는 단위 면적당 전력의 식으로 다음과 같이 표현될 수 있다.1 shows one representative PETD device 10 (1) comprising a plate 40 (1). 1 may not be drawn to scale. The power supply 20 (1) is connected to the flat plate 40 (1) via a switch 30 (1) to supply power for the ice making to the plate 40 (1). The length L and the thickness t of the flat plate 40 (1) are shown in FIG. When the power supply device 20 (1) supplies the voltage V, the power W supplied by the power supply device 20 (1) may be expressed as follows in terms of power per unit area.

Figure 112008087488221-PCT00003
..................................................식(3)
Figure 112008087488221-PCT00003
........................................ Formula (3)

도 2는 실린더(40(2))를 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치(10(2))를 보여준다. 도 2는 일정한 비율로 도시되지 않았을 수 있다. 전력 공급 장치(20(2))는 제빙을 위한 전력을 실린더(40(2))에 공급하기 위하여 스위치(30(2))를 통해 실린더(40(2))에 연결된다. 실린더(40(2))의 길이 L과 두께 t는 도 2에 나타나 있다. 전력 공급 장치(20(2))가 전압 V를 공급하는 경우, 전력 공급 장치(20(2))에 의해 공급된 전력 W는 식(3)에 나타난 바와 같은 단위 면적당 전력에 의하여 표현될 수 있고 그것은 일정한 두께를 가지는 물체를 설명한다.2 shows one representative PETD device 10 (2) comprising a cylinder 40 (2). 2 may not be drawn to scale. The power supply 20 (2) is connected to the cylinder 40 (2) via a switch 30 (2) to supply power to the cylinder 40 (2) for ice making. The length L and the thickness t of the cylinder 40 (2) are shown in FIG. When the power supply 20 (2) supplies a voltage V, the power W supplied by the power supply 20 (2) can be expressed by power per unit area as shown in equation (3) It describes an object with a certain thickness.

도 3은 원뿔(cone)(40(3))을 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치(10(3))의 단면을 보여준다. 도 3은 일정한 비율로 도시되지 않았을 수 있다. 전력 공급 장치(20(3))는 제빙을 위한 전력을 원뿔(40(3))에 공급하기 위하여 스위치(30(3))를 통해 연결된다. 선형 치수 x, x축에 대한 각도 θ, 및 원뿔(40(3))의 두께 t는 도 3에 나타나 있다. 두께 t는 원뿔(40(3))의 x축에 따른 위치에 따라 변한다는 것을 유의해야 한다. 전력 공급 장치(20(3))가 전압 V 및 전류 I0를 공급하는 경우, 단위 면적당 일정한 전력 W를 제공하기 위해 요구되는 두께 t는 다음과 같이 표현될 수 있다.3 shows a cross section of one representative PETD device 10 (3) comprising a cone 40 (3). 3 may not be drawn to scale. The power supply 20 (3) is connected via a switch 30 (3) to supply power for the ice making to the cone 40 (3). The linear dimension x, the angle [theta] with respect to the x-axis, and the thickness t of the cone 40 (3) are shown in FIG. Note that the thickness t varies with the position along the x axis of the cone 40 (3). When the power supply device 20 (3) supplies a voltage V and a current I 0 , the thickness t required to provide a constant power W per unit area can be expressed as follows.

Figure 112008087488221-PCT00004
................................식(4)
Figure 112008087488221-PCT00004
Equation (4)

도 4는 구(sphere)(40(4))를 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치(10(3))의 단면을 보여준다. 도 4는 일정한 비율로 도시되지 않았을 수 있다. 전력 공급 장치(20(4))는 제빙을 위한 전력을 구(40(4))에 공급하기 위하여 스위치(30(4))를 통해 구(40(4))에 연결된다. 반지름 R, 그것을 따라 전력이 공급되는 축에 대한 각도 θ, 및 구(40(4))의 두께 t는 도 4에 나타나 있다. 구(40(4))의 두께 t는 각도 θ에 따라 변한다는 것을 유의해야 한다. 전력 공급 장치(20(4))가 전압 V 및 전류 I0를 공급하는 경우, 단위 면적당 일정한 전력 W를 제공하기 위해 요구되는 두께 t는 다음과 같이 표현될 수 있다.4 shows a cross section of one representative PETD device 10 (3) comprising a sphere 40 (4). 4 may not be drawn to scale. The power supply 20 (4) is connected to the sphere 40 (4) via a switch 30 (4) to supply the sphere 40 (4) with power for ice making. The radius R, the angle θ relative to the axis along which power is supplied, and the thickness t of the sphere 40 (4) are shown in FIG. It should be noted that the thickness t of the sphere 40 (4) varies with the angle θ. When the power supply device 20 (4) supplies a voltage V and a current I 0 , the thickness t required to provide a constant power W per unit area can be expressed as follows.

Figure 112008087488221-PCT00005
................................식(5)
Figure 112008087488221-PCT00005
Equation (5)

도 5는 크레센트(crescent)(40(5))를 포함하는 하나의 대표적인 PETD 장치(10(3))를 보여준다. 도 5는 일정한 비율로 도시되지 않았을 수 있다. 크레센트(40(5))는 회전축에 대한 선의 회전에 의해 생성될 수 있다. 이러한 형상들은 예를 들면, 형상이 (1)액체 상태의 물로 가득차거나, (2)물이 얼어서 얼음을 형성할 때까지 냉각되거나, (3)얼음이 아래쪽으로 대면하도록 회전하거나, (4)그 형상으로 부터 얼음을 분리시키기 위하여 제빙 펄스로 가열되는 얼음 제조기에 유용할 수 있다. 전력 공급 장치(20(5))는 제빙을 위한 전력을 크레센트(40(5))에 공급하기 위하여 스위치(30(3))를 통해 연결된다. 선형 치수 x, x축 상의 위치 함수인 오프셋 값R(x), 및 크레센트(40(5))의 두께 t는 도 5에 나타나 있다. 형상의 두께 t는 R(x)에 따라 변한다는 것을 유의해야 한다. 만일 전력 공급 장치(20(5))가 전압 V 및 전류 I0를 공급하면, 단위 면적당 일정한 전력 W를 제공하기 위해 요구되는 두께 t는 다음과 같이 표현될 수 있다고 설명될 수 있다.5 shows one representative PETD device 10 (3) comprising a crescent 40 (5). 5 may not be drawn to scale. Crescent 40 (5) may be produced by the rotation of the line about the axis of rotation. These shapes can be, for example, (1) filled with liquid water, (2) cooled until water freezes to form ice, (3) rotates to face ice downwards, or (4) It may be useful for ice makers that are heated with an ice making pulse to separate the ice from the shape. The power supply 20 (5) is connected via a switch 30 (3) to supply the crescent 40 (5) with power for ice making. The linear dimension x, the offset value R (x) as a function of position on the x-axis, and the thickness t of the crescent 40 (5) are shown in FIG. Note that the thickness t of the shape varies with R (x). If the power supply device 20 (5) supplies a voltage V and a current I 0 , it can be explained that the thickness t required to provide a constant power W per unit area can be expressed as follows.

Figure 112008087488221-PCT00006
................................식(6)
Figure 112008087488221-PCT00006
Equation (6)

상기 설명된 형상들(40) 중의 어느 것이든지 제조하기 위하여, 제한되지는 않지만, 다이 캐스팅(die casting), 사출 성형(injection molding), 전도성 페인트(conductive paint)나 다른 코팅(coating)재의 연속적 어플리케이션(application), 기계 가공(machining) 등을 포함하는 여러기술들이 활용될 수 있다.For manufacturing any of the shapes 40 described above, but not limited to, continuous application of die casting, injection molding, conductive paint or other coating materials. Various techniques may be utilized including application, machining and the like.

도 6은 가정용(residential) 얼음 제조기의 아이스 트레이(ice tray)의 렌디션(rendition)을 보여준다. 아이스 트레이(50)를 이용하는 얼음 제조기는 CoolPolymers사의 E5101과 같은 열 전도성 및 전기 전도성 복합 재료로 만들어질 수 있다. 아이스 트레이(50)의 내부 형상(40(6))은 축 방향으로 대칭이다. 얼음을 형성하기 위하여, 트레이(50)는 내부 형상(40(6))이 위로 향한 상태로 배치된다. 그리고나서 트레이(50)는 물로 채워진다. 물이 얼음으로 언 후에, 트레이(50)는 그것의 장축에 대해 약 120°회전되며, 전력의 2초 펄스(two second pulse)가 트레이(50)의 단자 양단 60(1), 60(2)상에 배치된 구리 버스 바(copper bus bars)들을 거쳐 인가된다. 전력(electrical power)은 얼음의 녹는점 바로 위의 온도까지 트레이(50)를 균일하게 가열하여, 얼음의 계면층을 녹인다. 그러면 얼음은 트레이(50)에서 미끄러져 떨어져 나와 수집통(미도시) 속으로 들어간다. 트레이(50)는 복합, 가변 두께를 포함한다는 것이 이해된다. 두께는 식(6)을 이용하여 계산될 수 있으며, 그 두께는 이하에 설명되는 방법에 따라서, 코너와 같은 일정한 위치에서 조정될 수 있다.Figure 6 shows the rendition of an ice tray of a residential ice maker. Ice makers using the ice tray 50 may be made of a thermally conductive and electrically conductive composite material, such as E5101 from CoolPolymers. The inner shape 40 (6) of the ice tray 50 is symmetric in the axial direction. To form ice, the tray 50 is arranged with the interior shape 40 (6) facing up. The tray 50 is then filled with water. After the water freezes on ice, the tray 50 is rotated about 120 ° about its long axis, with two second pulses of power 60 (1) and 60 (2) across the terminals of the tray 50. It is applied via copper bus bars disposed on it. Electrical power uniformly heats the tray 50 to a temperature just above the melting point of the ice, melting the interfacial layer of ice. The ice then slides off the tray 50 and enters into a collecting vessel (not shown). It is understood that the tray 50 includes a compound, variable thickness. The thickness can be calculated using equation (6), and the thickness can be adjusted at a constant position such as a corner, according to the method described below.

도 7은 PETD 시스템 설계에 있어서, 전도성 복합 형상의 두께를 최적화하는 하나의 대표적인 방법(100)을 나타내는 흐름도이다. 도 7에 도시된 몇몇 혹은 모든 단계는 소프트웨어 명령의 제어하에 컴퓨터로 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또는 선택적으로, 도 7의 몇몇 혹은 모든 단계는 인간에 의해 수행될 수 있다. 단계 102에서, 방법(100)은 제빙 시스템의 각 형상, 및 그 형상들 간의 연결에 크기 및 기하학적 배열(geometry) 타입을 할당한다. 단계 104에서, 방법(100)은 각 형상에 초기 두께 설정(initial thickness configuration)을 할당한다. 이러한 설정은 고정 두께(예를 들면, 도 1 과 도 2, 및 식 (3)에 나타내어진 바와 같은) 및/또는 형상이 복합적인 경우에 위치 및/또는 각도(도 3-5 및 식 (4)-(6)에 나타내어진 바와 같은)의 함수로서 변하는 두께를 포함할 수 있다. 단계 106에서, 공급되는 전압이나 전류, 제빙 펄스 지속시간(deicing pulse duration)의 초기 추정 치(initial estimate)와 같은 제빙 펄스 파라미터(deicing pulse parameters)들이 할당된다. 단계 108에서, 특정 제빙 펄스를 통해 특정 형상에 대하여 얻은 온도 분포, 온도 범위 및 재결빙 시간이 결정된다. 예를 들면, 단계 108은 Comsol사의 FEMLAB 3.1과 같은 패키지(package)를 사용하는 유한요소법(finite element method) 모델링을 활용하여 수행될 수 있다. 단계 110은 온도 범위(temperature range)가 특정 허용 오차 범위(tolerance) 내에 있는지 여부를 판별하는 판별 단계이다. 온도 범위가 특정 허용 오차 범위 바깥이라면(즉, 제빙 펄스에 의해 생성되는 최저 온도와 최고 온도 간의 요구되는 차이보다 더 큰 차이가 있다.), 형상들은 그 형상의 모델링된 온도가 너무 높거나 너무 낮은지에 따라서 단계 112 및 114에서 각각 두꺼워지거나 얇아진다. 단계 116은 판별 단계이다. 단계 116에서, 재결빙 시간은 특정 최소 및 최대 한계에 비교된다. 재결빙 시간이 너무 짧으면(즉, 특정 최소 한계 이하), 단계 118에서 제빙 펄스는 연장된다. 재결빙 시간이 너무 길면, 단계 120에서 제빙 펄스는 단축된다. 제빙 펄스의 전력 파라미터들은 제빙 펄스의 지속 시간을 변화시키는 것 대신에 또는 제빙 펄스의 지속 시간을 변화시키는 것에 더하여, 더 많은 혹은 더 적은 전력을 제공하도록 하는 것과 같이, 수정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 만약 형상 두께와 재결빙 시간 중의 어느 하나가 단계 112, 114, 118 및/또는 120에서 변하면 방법은 단계 108로 돌아간다. 그렇지 않다면, 방법은 단계 122에서 종료되며 한 세트의 최적화된 두께와 제빙 펄스 파라미터를 산출한다. 7 is a flow diagram illustrating one representative method 100 for optimizing the thickness of a conductive composite shape in a PETD system design. It will be appreciated that some or all of the steps shown in FIG. 7 may be performed by a computer under the control of software instructions. Or alternatively, some or all of the steps in FIG. 7 may be performed by a human. In step 102, the method 100 assigns a size and geometry type to each shape of the ice making system and the connections between the shapes. In step 104, the method 100 assigns an initial thickness configuration to each shape. Such a setting may be determined by the position and / or angle (Figs. 3-5 and Equation (4) in the case where the fixed thickness (e.g., as shown in Figs. May vary in thickness as a function of)-(6). In step 106, deicing pulse parameters are assigned, such as the voltage or current supplied, and an initial estimate of the deicing pulse duration. In step 108, the temperature distribution, temperature range and refreezing time obtained for a particular shape via a particular ice making pulse is determined. For example, step 108 may be performed utilizing finite element method modeling using a package such as Comsol's FEMLAB 3.1. Step 110 is a determination step of determining whether the temperature range is within a certain tolerance. If the temperature range is outside a certain tolerance range (i.e. there is a greater difference than the required difference between the lowest and highest temperatures produced by the de-icing pulse), the shapes may be too high or too low for the modeled temperature of the shape. Depending on the thickness or thickness, respectively, in steps 112 and 114, respectively. Step 116 is a determination step. In step 116, the refreezing time is compared to a specific minimum and maximum limit. If the refreezing time is too short (ie, below a certain minimum limit), the deicing pulse is extended in step 118. If the refreezing time is too long, the deicing pulse is shortened in step 120. It will be appreciated that the power parameters of the ice making pulse can be modified, such as to provide more or less power instead of changing the duration of the ice making pulse or in addition to changing the duration of the ice making pulse. . If either of the shape thickness and the refreezing time changes in steps 112, 114, 118 and / or 120 the method returns to step 108. If not, the method ends at 122 and yields a set of optimized thickness and ice making pulse parameters.

상기 설명된 변경들이나 다른 변경들이 본 발명의 범위를 넘지 않는다면 여 기에 설명된 복합 형상에 대한 펄스 전열식 제빙기와 관련 방법들로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 복합 형상의, 두께에 대립하는 것으로서, 가열에 있어서의 변화는 전기 저항률을 변경시킴으로써 제공될 수 있다. 여기에 설명된 원리들은 냉각용 증발기 플레이트나 주기적인 제빙을 필요로 하는 냉방 시스템(air conditioning system)과 같은 구성에도 응용 가능하다. 따라서, 상기 설명에 포함되거나 첨부된 도면에 도시된 사항들은 예시적인 것으로 해석되어야 하고, 제한하는 의미로 해석되어서는 아니된다는 것을 유의해야 한다. 다음의 청구항들은, 그것들이 언어상 그 사이에 속하는 것으로 일컬어질 수 있는 본 방법 및 시스템의 범위의 모든 진술들뿐만 아니라 여기에 설명된 모든 일반적이고 특수한 특징들을 망라하도록 의도된다.The above described or other modifications may be made to the pulsed electrothermal ice maker and associated methods for the complex shape described herein without departing from the scope of the present invention. For example, as opposed to the thickness of a composite shape, a change in heating can be provided by changing the electrical resistivity. The principles described herein are also applicable to configurations such as cooling evaporator plates or air conditioning systems that require periodic deicing. Accordingly, it should be noted that the matter included in the above description or illustrated in the accompanying drawings should be interpreted as illustrative and not in a limiting sense. The following claims are intended to cover all the general and specific features described herein as well as all the statements of the scope of the present method and system in which they can be referred to as belonging between them.

Claims (18)

얼음의 계면층을 녹이기 위하여 단위 면적당 일정한 전력을 생성하도록 구성되는 두께 프로파일(profile)에 의해 특징지워지는 적어도 하나의 복합 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙(deicing) 장치.And at least one compound shape characterized by a thickness profile configured to produce a constant power per unit area to melt the interfacial layer of ice. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전력 공급 장치와, 상기 복합 형상으로부터 상기 전력 공급 장치를 선택적으로 연결 및 차단하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.And an electric power supply and a switch for selectively connecting and disconnecting the electric power supply from the complex shape. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복합 형상은 하나의 원뿔(cone)을 포함하고, 상기 원뿔의 두께(t)는 다음의 식에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.The composite shape includes one cone, and the thickness t of the cone varies according to the following equation.
Figure 112008087488221-PCT00007
Figure 112008087488221-PCT00007
(여기에서, 상기 원뿔은 x축에 따른 선형 치수 x와 x축에 대한 각도 θ에 의해 특징지워지며, 상기 전력 공급 장치는 단위 면적당 전력 W를 제공하기 위하여 전류 I0를 공급한다.)(Here, the cone is characterized by a linear dimension x along the x axis and an angle θ with respect to the x axis, the power supply supplying a current I 0 to provide power W per unit area.)
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복합 형상은 하나의 구(sphere)를 포함하고, 상기 구의 두께(t)는 다음의 식에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.The complex shape includes one sphere, and the thickness t of the sphere varies according to the following equation.
Figure 112008087488221-PCT00008
Figure 112008087488221-PCT00008
(여기에서, 상기 구는 반지름 R과 그것을 따라 전원이 공급되는 축에 대한 각도 θ에 의해 특징지워지며, 상기 전력 공급 장치는 단위 면적당 전력 W를 제공하기 위하여 전류 I0를 공급한다.)(Here, the sphere is characterized by the radius R and the angle θ with respect to the axis powered by it, the power supply supplying a current I 0 to provide power W per unit area.)
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복합 형상은 하나의 크레센트(crescent)를 포함하고, 상기 크레센트의 두께(t)는 다음의 식에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.The complex shape includes one crescent, and the thickness t of the crescent varies according to the following equation.
Figure 112008087488221-PCT00009
Figure 112008087488221-PCT00009
(여기에서, 상기 크레센트는 선형 치수 x와 오프셋 값 R(x)에 의해 특징지워지며, 상기 전력 공급 장치는 단위 면적당 전력 W를 제공하기 위하여 전류 I0를 공급한다.)(Here, the crescent is characterized by a linear dimension x and an offset value R (x), wherein the power supply supplies current I 0 to provide power W per unit area.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복합 형상은 다이 캐스팅(die casting), 사출 성형(injection molding), 기계 가공(machining), 및 전도층의 연속 어플리케이션(application) 중의 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.Wherein said complex shape is formed by one of die casting, injection molding, machining, and continuous application of a conductive layer. 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법으로서, A method of optimizing the thickness of a complex shape for a pulsed ice making system, 상기 펄스 전열식 제빙 시스템의 각 형상 및 상기 형상들의 연결성(connectivity)에 크기 및 기하학적 배열(geometry)을 할당하는 단계;Assigning size and geometry to each shape and connectivity of said shapes; 각 형상에 초기 두께를 할당하는 단계;Assigning an initial thickness to each shape; 제빙 펄스 지속 시간에 초기 추정치를 할당하는 단계;Assigning an initial estimate to the ice making pulse duration; 상기 제빙 펄스 지속 시간 및 각 형상의 상기 두께에 근거하여 각 형상의 표면상의 온도 분포를 모델링하는 단계;Modeling a temperature distribution on the surface of each shape based on the ice making pulse duration and the thickness of each shape; 상기 제빙 펄스의 인가(application) 후에, 각 형상에 대한 재결빙 시간을 결정하는 단계;After application of the ice making pulse, determining a refreezing time for each shape; 만일 상기 모델링된 온도 분포가 요구되는 허용 오차 범위 내에 있지 않으면, 상기 모델링된 온도 분포에 근거하여 각 형상의 두께를 조정하는 단계;If the modeled temperature distribution is not within the required tolerance range, adjusting the thickness of each shape based on the modeled temperature distribution; 상기 결정된 재결빙 시간에 근거하여 상기 제빙 펄스 지속 시간을 조정하는 단계; 및Adjusting the ice making pulse duration based on the determined refreezing time; And 만일 상기 결정된 재결빙 시간이 정해진 한계 내에 있지 않으면, 상기 온도 분포가 상기 요구되는 허용 오차 범위 내에 있고, 상기 재결빙 시간이 정해진 한계 내에 있게 될 때까지 상기 모델링, 결정, 조정단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법.If the determined re-freezing time is not within a defined limit, repeating the modeling, determining and adjusting steps until the temperature distribution is within the required tolerance range and the re-freezing time is within a defined limit. Method for optimizing the thickness of the complex shape for a pulsed electrothermal ice making system comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 두께를 조정하는 단계는,Adjusting the thickness is, 상기 온도 분포가 상기 요구되는 허용 오차 범위보다 높은 곳의 상기 형상의 상기 두께를 증가시키는 단계; 및Increasing the thickness of the shape where the temperature distribution is above the required tolerance range; And 상기 온도 분포가 상기 요구되는 허용 오차 범위보다 낮은 곳의 상기 형상의 상기 두께를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법.Reducing the thickness of the shape where the temperature distribution is below the required tolerance range. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 각 형상에 초기 두께를 할당하는 단계는 각 형상에 고정 두께를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법.And assigning an initial thickness to each shape comprises assigning a fixed thickness to each shape. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 각 형상에 초기 두께를 할당하는 단계는 각 형상에 가변 두께를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형 상의 두께 최적화 방법.The step of assigning the initial thickness to each shape comprises the step of assigning a variable thickness to each shape thickness optimization method for a complex shape for a pulsed ice making system. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제빙 펄스 지속 시간을 조정하는 단계는, 상기 결정된 재결빙 시간이 정해진 한계 이상인 경우에는 상기 지속 시간을 단축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법.And adjusting the ice making pulse duration, shortening the duration if the determined re-icing time is greater than or equal to a predetermined limit. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제빙 펄스 지속 시간을 조정하는 단계는, 상기 결정된 재결빙 시간이 정해진 한계 이하인 경우에는 상기 지속 시간을 연장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 시스템을 위한 복합 형상의 두께 최적화 방법.And adjusting the ice making pulse duration, extending the duration if the determined re-icing time is less than or equal to a predetermined limit. 얼음의 계면층을 녹이기 위하여 단위 면적당 일정한 전력을 생성하도록 구성되는 두께 프로파일(profile)에 의해 특징지워지는 적어도 하나의 축방향 대칭 복합 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.And at least one axially symmetric composite shape characterized by a thickness profile configured to produce a constant power per unit area to melt the interfacial layer of ice. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 전력 공급 장치와, 상기 축방향 대칭 복합 형상으로부터 상기 전력 공급 장치를 선택적으로 연결 및 차단하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.And a switch for selectively connecting and disconnecting the power supply from the power supply device and the axially symmetrical composite shape. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 축방향 대칭 복합 형상은 하나의 원뿔(cone)을 포함하고, 상기 원뿔의 두께(t)는 다음의 식에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.Wherein said axially symmetric composite shape comprises one cone, and wherein the thickness t of said cone varies according to the following equation.
Figure 112008087488221-PCT00010
Figure 112008087488221-PCT00010
(여기에서, 상기 원뿔은 x축에 따른 선형 치수 x와 x축에 대한 각도 θ에 의해 특징지워지며, 상기 전력 공급 장치는 단위 면적당 전력 W를 제공하기 위하여 전류 I0를 공급한다.)(Here, the cone is characterized by a linear dimension x along the x axis and an angle θ with respect to the x axis, the power supply supplying a current I 0 to provide power W per unit area.)
제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 축방향 대칭 복합 형상은 하나의 구(sphere)를 포함하고, 상기 구의 두께(t)는 다음의 식에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.Wherein said axially symmetric composite shape comprises one sphere, and said thickness t of said sphere varies according to the following equation.
Figure 112008087488221-PCT00011
Figure 112008087488221-PCT00011
(여기에서, 상기 구는 반지름 R과 그것을 따라 전원이 공급되는 축에 대한 각도 θ에 의해 특징지워지며, 상기 전력 공급 장치는 단위 면적당 전력 W를 제공하기 위하여 전류 I0를 공급한다.)(Here, the sphere is characterized by the radius R and the angle θ with respect to the axis powered by it, the power supply supplying a current I 0 to provide power W per unit area.)
제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 축방향 대칭 복합 형상은 하나의 크레센트(crescent)를 포함하고, 상기 크레센트의 두께(t)는 다음의 식에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.Wherein said axially symmetrical composite shape comprises one crescent, and wherein said thickness of said crescent is varied according to the following equation.
Figure 112008087488221-PCT00012
Figure 112008087488221-PCT00012
(여기에서, 상기 크레센트는 선형 치수 x와 오프셋 값 R(x)에 의해 특징지워지며, 상기 전력 공급 장치는 단위 면적당 전력 W를 제공하기 위하여 전류 I0를 공급한다.)(Here, the crescent is characterized by a linear dimension x and an offset value R (x), wherein the power supply supplies current I 0 to provide power W per unit area.
제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 축방향 대칭 복합 형상은 다이 캐스팅(die casting), 사출 성형(injection molding), 기계 가공(machining), 및 전도층의 연속 어플리케이션 중의 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스 전열식 제빙 장치.Wherein said axially symmetric composite shape is formed in one of die casting, injection molding, machining, and continuous application of a conductive layer.
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