CN102252474A - 采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，包括蒸发器，蒸发器包括液管，液管上连接有翅片，所述液管上连接有传振板，所述传振板包括有一受振面，所述受振面上固定连接有功率超声波换能器。功率超声波换能器的振动通过传振板和液管传递到翅片上，从而使得超声振动可分散到整个蒸发器。整个蒸发器上皆分布有功率超声波，就可以利用功率超声波的机械振动效应，依靠其巨大的加速度和低振幅作用力，干扰早期的霜晶体生长，将霜晶体折断、脱落于其所附着生长的翅片，从而保证翅片间无霜堵。本发明结构简单、能耗低、抑制结霜/除霜效果好，可以抑制和减少蒸发器结霜，并可实现蒸发器表面的除垢作用，保证蒸发器的正常换热。

Description

采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置

技术领域

本发明涉及制冷设备的除霜技术领域，尤其是涉及一种利用超声防止和减少制冷设备蒸发器结霜的装置。

背景技术

空气源热泵型的空调、风冷冰箱、冷风机等制冷设备的蒸发器结霜是困扰制冷行业的一个技术难题。热泵空气侧蒸发器表面结霜会堵塞蒸发器的空气通道，增加空气流动阻力和空气压降，减小空气流量并增加蒸发器传热热阻，从而降低了蒸发温度，降低了蒸发器的平均换热系数，使得蒸发器的换热效率严重下降。导热系数对比参考表1。

    蒸发器结霜严重时必须除霜。目前主要采用以热融霜的办法。化霜不仅消耗大量的热量，而且化霜完毕还需压缩机多做功，将蒸发器温度重新下降拉回到低温状态，仍需耗费大量的电能。如果频繁化霜，化霜不尽，霜层过厚，则压缩机和热泵将无法正常运行。对于空调来讲，冬季空调制热模式运行时，由于蒸发器的结霜导致蒸发器换热效率严重下降，无法向室内提供暖风，室内的舒适性严重下降；对于风冷冰箱，由于蒸发器的结霜和反复电热除霜，大量耗电，且冰箱的温度波动影响所存放食品的质量。

功率超声波是一种声波，它有如下的特点：1.具有较大的能量但无质量；2.比声波频率高，人耳听不到，对人不会造成声觉上的干扰；3.具有大的加速度和低振幅（3μm左右），功率超声波在固体中传播，具有明显的机械振动效应和热效应。功率超声波在固体中传播时，将超声的声能转化为机械振动，使固体介质会发生低振幅、高频率、大加速度的振动。超声波振动筛是超声振动的典型应用。它依靠在筛网上引入一个低振幅、高频率的超声振动波（机械波），使超微细粉体接受巨大的超声加速度，从而抑制粘附、摩擦等因素 ，提高筛分效益和效果。

1998年日本的学者进行了铝条上（20*92.6*1.9mm）施加超声振动对抑制结霜的影响的研究，将一个带有变幅杆的换能器引起的振动施加于该铝条，试验中发现，施加37KHz、3.1μm超声振动可以减少60%的结霜量。

2004年意大利学者提出了一种采用压电片进行商用蒸发器除霜的思想和试验，其定制了一个肋片间距很大，翅片很少的蒸发器，在每个翅片上粘贴一个压电片的方式进行抑制和减少结霜的试验。

2005年广州《空调用振动式热交换器》（专利号为ZL200520042900）专利提到了一种依靠超磁致伸缩的超声换能器驱动的热交换器，其目的是为空调蒸发器除垢，以增大热交换能力。

2007年上海交大《冰箱用超声波自动除霜装置》（专利号为ZL 200610028892）专利提到了采用探针作为触发条件，将换能器安装在制冷剂管路的一侧，依靠超声振动的方式除霜。

2007年广州《一种超声弯曲振动装置》（专利号为ZL 200720050040）专利提到了大幅度提升换能器功率的结构。

2007年东南大学《空气源热泵超声波除霜***》（专利号为ZL 200720043382）专利中提到了超声波除霜的思想，和2003年《冷风机超声波除霜技术》论文的思想一致。

经过文献调研，发现目前的超声除霜和抑制结霜主要停留在试验尝试阶段，虽有一定的专利和论文出现，但用于除霜时的结构、参数不明确或者无法商业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，保证蒸发器翅片间无霜堵塞，使蒸发器两侧空气能够持续正常流通，从而充分保证蒸发器的正常换热。

为实现上述目的，本发明的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置包括蒸发器，蒸发器包括液管，液管上连接有翅片，所述液管上连接有传振板，所述传振板包括有一受振面，所述受振面上固定连接有功率超声波换能器。

功率超声波换能器的振动通过传振板和液管传递到翅片上，从而使得超声振动可分散到整个蒸发器。蒸发器工作时，翅片处会存在一定的霜球现象（一定的节点效应），但霜球和翅片接触力不强；随着***工作的时间变长，霜球变大，并在重力和振动的联合作用下脱落，使得蒸发器上的霜球个数减少、而使整个蒸发器表面无明显的积霜，从而无需热除霜，这样就减少了因反复热除霜所带来的能耗和相关问题。整个蒸发器上皆分布有功率超声波，就可以利用功率超声波的机械振动效应，依靠其巨大的加速度和低振幅作用力，干扰早期的霜晶体生长，将霜晶体折断、脱落于其所附着生长的翅片，从而保证翅片间无霜堵。超声振动频率高，振幅极小（3μm左右），对液管和蒸发器的结构不会造成损害（据统计：振幅超过1mm后，对结构易造成损害）。总之，本发明结构简单、能耗低、抑制结霜/除霜效果好，可以抑制和减少蒸发器结霜，并可实现蒸发器表面的除垢作用，保证蒸发器的正常换热。

所述功率超声波换能器以螺接或粘接的方式固定连接在所述受振面上。

功率超声波换能器以螺接或粘接的方式固定连接在所述受振面上，连接方式简单可靠，便于制造。

所述功率超声波换能器采用工作频率15~120kHz(宜优先选用20~60kHz)且单个工作功率不大于100W的压电换能器或磁致伸缩换能器。

所述功率超声波换能器的具体选型非常适合抑制蒸发器结霜使用。

所述受振面焊接或粘接在所述液管上，这种所述受振面与所述液管连接牢靠，同时便于制造。

所述传振板还包括有一与所述受振面一体设置或连接在一起的传振面，所述传振面与所述受振面相垂直；所述传振面上设有安装孔用以插设在所述液管上，所述液管通过所述安装孔与所述传振面固定连接。

所述液管通过所述安装孔与所述传振面固定连接，使液管与传振面的连接稳定可靠，能够使超声振动稳定、均匀地传递给液管。

所述功率超声波换能器连接有超声波电源。

功率超声波换能器连接有超声波电源，这样就提高了本发明的集成度，在安装使用时也就省去了另外连接超声波电源的步骤。

在所述液管和所述翅片的下方设有积霜处理装置，积霜处理装置用于接收由液管及所述翅片上脱落的霜。

积霜处理装置的设置便于收集从蒸发器上脱落（振）落的霜。风冷冰箱蒸发器下方最好设置一个积霜处理装置，空调蒸发器下无需设置该积霜处理装置。

所述传振板的受振面和传振面构成T型或倒L型，所述受振面和传振面的厚度均为1~4mm，受振面和功率超声波换能器辐射面接触的宽度是20~50mm。

传振板的截面为T型或倒L型，既便于与液管间通过胀管的形式固定连接、从而可靠、稳定、均匀地传递振动，又便于制造和安装。

所述传振板在所述液管上均匀设有N个，其中N≥1，传振板将蒸发器等分为N+1份；每个传振板的受振面上沿长度方向均匀固定连接有M个功率超声波换能器，其中M≥1，将传振板沿长度方向等分为M+1段。在每个传振板上只安装一个换能器的情况下（M=1），换能器的安装位置可适当向上偏移，可安装在沿传振板长度方向上的上1/4~1/2处。

传振板和功率超声波换能器的设置，便于超声波振动更加均匀地分布在整个蒸发器上。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是传振板与蒸发器液管焊接连接的结构示意图；

图3是截面为T型的传振板的结构示意图；

图4是截面为倒L型的传振板的结构示意图；

图5是蒸发器中间设置一个传振板的结构示意图；

图6是蒸发器中间设置两个传振板的结构示意图；

图7是蒸发器中间设置一个传振板且该传振板上设置两个功率超声波换能器的结构示意图；

图8是蒸发器中间均匀设置3个传振板的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2、图5至图8所示，本发明的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置包括蒸发器，蒸发器包括液管3（液管3为铜管或者铝管），液管3上通过胀管的形式连接有翅片2（胀管的连接方式可保证穿孔处为过盈配合），所述液管3上连接有传振板，传振板最好采用铜、铝或者其它金属合金，主要用于传递超声波以及超声机械效应引起的高频机械振动。传振板包括一个受振面1A，受振面1A焊接或粘接在所述液管3上，所述受振面1A上垂直固定连接有功率超声波换能器4。所述功率超声波换能器4可以是螺接在所述受振面1A上，也可以使用超声专用胶粘接在所述受振面1A上。所述功率超声波换能器4采用工作频率15~120kHz（宜优先选用20~60kHz）且单个工作功率不大于100W的压电换能器或磁致伸缩换能器。所述功率超声波换能器4连接有超声波电源5（超声波电源5为现有技术）。在所述液管3和所述翅片2的下方设有积霜处理装置6，积霜处理装置6用于接收由液管3及所述翅片2上脱落的霜。当然，对于风冷冰箱来说，在其蒸发器下方最好设置一个积霜处理装置6，而对于空调来说，空调蒸发器下无需设置该积霜处理装置6。

图2是传振板与蒸发器液管3焊接连接的结构示意图，在蒸发器的液管3上直接焊接或者粘结N个（N≥1）金属板（金属板采用铜、铝或者合金等材料）作为传振板，将蒸发器等分为N+1份，每根液管3和传振板都能很好的接触。功率超声换能器4在传振板的受振面1A上进行安装固定。

 

根据不同设备蒸发器的不同大小，所述传振板在所述液管3上均匀设有N个，其中N≥1，传振板将蒸发器等分为N+1份；每个传振板的受振面1A上沿长度方向均匀固定连接有M个（M≥1）功率超声波换能器4，将传振板沿长度方向等分为M+1段，一般情况下M的取值范围是1~4个。在每个传振板上只安装一个换能器的情况下（M=1），换能器的安装位置可适当向上偏移，可安装在沿传振板长度方向上的上1/4~1/2处，以重点解决蒸发器易于结霜和结霜严重的上方区域。传振板的厚度为1~4mm。

如图5所示，蒸发器中间设置有一个传振板，将蒸发器等分为两份。在沿传振板受振面1A长度方向上的中间位置安装一个功率超声波换能器4进行超声振动，由于超声振动可沿着液管3向四周辐射，因此传振板、液管3和翅片2上都能分布有超声波。

如图6所示，在蒸发器上中间均匀设置了两个传振板，将蒸发器等分为三份。在每个传振板受振面1A的沿传振板受振面1A长度方向上的中间位置各安装一个超声波换能器4；两个传振板上的超声波换能器4标称频率可以不同，也可以相同。当频率相同时，采用同时工作，以增强超声强度和辐射的均匀性；若两个超声换能器4的频率不同，可采用分时协同工作，以消除振动的节点效应引起的铜管对应上方翅片2的部分区域积霜的现象。

如图7所示，在蒸发器中间安装了一个传振板，将蒸发器等分为两份。在传振板受振面1A上沿长度方向安装两个功率超声波换能器4，将传振板沿长度方向上等分为三份。传振板上的两个超声波换能器4标称频率可不同，也可相同。当频率相同时，采用同时工作，以增强超声强度和辐射的均匀性；若两个超声换能器4的频率不同，可采用分时协同工作，以消除振动的节点效应引起的铜管对应上方翅片2的部分区域积霜现象。

如图8所示，在蒸发器上中间均匀设置了三个传振板，将蒸发器等分为四份。在每个传振板上沿传振板长度方向的中间位置各安装一个功率超声波换能器4；三个传振板上的功率超声波换能器4标称频率可不同，也可相同。当频率相同时，采用同时工作，以增强超声强度和辐射的均匀性；若三个功率超声换能器4的频率不同，可采用分时协同工作，以消除振动的节点效应引起的铜管对应上方翅片2的部分区域积霜。

在上述图5至图8的设置中，可以在所述蒸发器的两侧也设置传振板1和功率超声波换能器4以增强振动效果。

本实施例中的功率超声波换能器4最好安装在沿受振面1A长度方向上的中间位置（设置一个时）或者等分位置（设置有两个以上时）以保证超声振动的覆盖范围。传振板可以安装在蒸发器的中间，也可以安装在蒸发器的两侧，当然也可以既安装在蒸发器的中间又安装在蒸发器的两侧。

工作时，功率超声波换能器4将超声波电源5输出的电信号转换为高频、低振幅的纵向机械振动，传振板把纵向振动转换为弯曲振动，并将超声弯曲振动传递到输送冷媒的液管3上，液管3将超声振动进一步传递到蒸发器的翅片2上，使得蒸发器上分布有高频的超声振动。

本发明能够依靠蒸发器上分布的高频超声振动实现蒸发器表面无霜或者少霜，减少因加热除霜所带来的一系列耗能和温度波动问题。

研发说明：

本发明为了研究蒸发器的超声抑制结霜的实际效果，首先通过激光测振仪研究了超声振动时蒸发器的振动情况，当超声换能器振动时，传振板以及蒸发器的翅片、液管上将以换能器工作时的高频频率振动，虽然振幅很小，但振动加速度很大。在此基础上，搭建了超声抑制结霜的制冷***并开展试验研究，发现依靠此高频超声振动，可以将霜晶体折断脱落于翅片表面，减少蒸发器表面霜的沉积量。本发明调整了目前商业用的蒸发器结构，设计了不同于前人研究的一种利于传递超声振动的装置，并明确给出了功率超声波换能器的具体选型和安装方法，以保证功率超声和蒸发器结构的耦合效率，有效地利用高频超声振动促进冷媒在液管中更好的传输，相应的提高冷媒的换热效率；同时利用超声振动去除空调室外机蒸发器表面上的积垢，更好地保障正常的热交换。

 

实施例二：

如图3和图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：

所述受振面1A不与所述液管3焊接或粘接在一起，所述传振板还包括有一与所述受振面1A一体设置或连接在一起的传振面1B，所述传振面1B与所述受振面1A相垂直并插设在翅片2之间；所述传振面1B上设有安装孔1C用以插设在所述液管3上，所述液管3通过所述安装孔以胀管的形式与所述传振面1B固定连接。

其中，如图3和图4所示，所述传振板的受振面1A和传振面1B构成T型或倒L型，所述受振面1A和传振面1B的厚度均为1~4mm，受振面1A和功率超声波换能器4辐射面接触的宽度是20~50mm。传振板为金属板，材料为铜、铝或者合金。传振面1B上冲压有安装孔1C，可供液管3穿过；传振面1B和液管3依靠胀管的形式实现连接、固定。受振面1A和蒸发器表面形成平行状态，受振面1A平面沿长度方向的中心位置安装功率超声换能器4，功率超声波换能器4和传振板采用螺丝固定或者胶接固定。图4为一个T型的传振板，其在蒸发器上的安装及换能器4在传振板上的固定方式类似图3中所示的倒L型传振板。蒸发器上需设置N个（N≥1）传振板，将蒸发器等分为N+1份。每个传振板上安装M（M≥1）个换能器4，将传振板沿长度方向等分为M+1段。在每个传振板上只安装一个换能器的情况下（M=1），换能器的安装位置可适当向上偏移，可安装在沿传振板长度方向上的上1/4~1/2处。

本实施例中的液管3通过所述安装孔1C以胀管的形式与所述传振面1B固定连接，使液管3与传振面1B的连接稳定可靠，能够使超声振动更加稳定、均匀地传递给液管3。

Claims (9)

1.采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，包括蒸发器，蒸发器包括液管，液管上连接有翅片，其特征在于：所述液管上连接有传振板，所述传振板包括有一受振面，所述受振面上固定连接有功率超声波换能器。

2.根据权利要求1所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述功率超声波换能器以螺接或粘接的方式固定连接在所述受振面上。

3.根据权利要求2所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述功率超声波换能器采用工作频率15~120kHz且单个工作功率不大于100W的压电换能器或磁致伸缩换能器。

4.根据权利要求1、2或3所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述受振面焊接或粘接在所述液管上。

5.根据权利要求1、2或3所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述传振板还包括有一与所述受振面一体设置或连接在一起的传振面，所述传振面与所述受振面相垂直；所述传振面上设有安装孔用以插设在所述液管上，所述液管通过所述安装孔与所述传振面固定连接。

6.根据权利要求1、2或3所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述功率超声波换能器连接有超声波电源。

7.根据权利要求6所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：在所述液管和所述翅片的下方设有积霜处理装置，积霜处理装置用于接收由液管及所述翅片上脱落的霜。

8.根据权利要求5所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述传振板的受振面和传振面构成T型或倒L型，所述受振面和传振面的厚度均为1~4mm，受振面和功率超声波换能器辐射面接触的宽度是20~50mm。

9.根据权利要求1、2或3所述的采用超声振动抑制蒸发器结霜的装置，其特征在于：所述传振板在所述液管上均匀设有N个，其中N≥1，传振板将蒸发器等分为N+1份；每个传振板的受振面上沿长度方向均匀固定连接有M个功率超声波换能器，其中M≥1，将传振板沿长度方向等分为M+1段。

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