CN102435027B - 基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法 - Google Patents

Abstract

基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法，在蒸发器上加装超声波换能器，调整超声波换能器其处于谐振工作状态，谐振频率通过阻抗分析仪或者扫频激励方式测定，由超声电源驱动超声换能器按照间歇式加载方式进行超声除霜，本发明应用于空气源热泵结霜初期具有更好效果，通过优化周期和工作时间的间歇式超声振动的连续在线工作，具有良好的除霜和抑制结霜效果，可以保证蒸发器持续长时间的高效率换热，减少传统除霜方法所带来的能耗大、温度波动和有噪音等问题，提高超声***的可靠性，具有明显的节能作用。

Description

基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法

技术领域

本发明涉及空气源热泵蒸发器的除霜和抑制结霜技术领域，特别涉及基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法。

背景技术

蒸发器是基于空气源热泵构建的制冷***的一个关键部件，热泵***空气侧蒸发器的表面结霜会堵塞翅片间隙(蒸发器的空气通道)，减少翅片间的空气流量，增大蒸发器的热阻，降低了蒸发器的换热效率。

目前蒸发器主要采用加热融霜的除霜方法，包括四通阀逆向热气除霜和电加热除霜，当蒸发器上沉积的霜足够多时，才开启除霜功能。空调在冬季制热时，加热化霜阶段压缩机停止室内制热，造成温度下降，影响室内舒适度；而冷风机、冰箱在加热化霜时，储藏的物品因受到温度的反复波动影响，带来储藏质量的下降。

功率超声主要指高于15kHz、振幅小、能量大、人耳不易直接听到的一种声波。功率超声可以诱发机械振动效应、热效应和空化效应。功率超声波在固体中传播的速度和功率能力均远大于在空气中的传播能力，可以引起明显的机械振动效应，它将超声的声能转化为机械振动，使固体介质以及固体介质表面的微小物体发生低振幅、高频率的振动。此外，据相关的研究表明，功率超声波还具有加速解冻、影响结晶特性和过程等特殊的物理效应。

日本Adachi，K等学者通过换能器和变幅杆向铝条上(20mm*92.6mm*1.9mm)连续施加超声纵向振动的方式以研究抑制结霜效果，试验中发现，施加频率为37kHz、最大振幅为3.1μm的超声振动可以减少铝片上60％的结霜量。

国内阎勤劳等介绍了冷风机的超声波除霜，可以保证冷风机连续运行48小时无霜堵，肋片间仍有2-3mm的间隙，但论文中没有说明换能器的安装方式和超声波的加载方式。

意大利学者在一个大翅片间距的蒸发器的每个翅片上粘贴多个压电片，依靠压电片的连续超声振动进行除霜/抑制结霜。

韩国三星电子公司申请了冰箱蒸发器的除霜专利，依靠多个超声振动器的振动除霜(机械振动)，但没有说明超声振动的加载机制。

韩国LG电子公司提出了采用超声波反射的除霜装置专利，依靠超声波在空气中的传播、反射，向结霜物体辐射超声波，通过渗透热到物体内实现除霜。

上海交大陆志等在专利中提到了采用探针作为触发条件，在霜层达到1mm时启动超声，依靠超声振动的方式除霜，但没有说明超声振动的加载机制。

东南大学陈振乾介绍了在空气中传播超声波抑制结霜的方法，超声波加载为连续加载。

目前超声除霜和抑制结霜技术的研究主要通过两个途径，其一是依靠超声波在空气中传播，使得冷面附近的水蒸气形成紊流波动，干扰水蒸气在冷面的霜的形成；其二是依靠固体内传播超声波引发的机械振动效应。两种途径在用于除霜时的换能器选型原则、安装方法和工作机制参数不明确，而导致无法商业化。同时，超声波换能器在大功率下连续工作，会急剧发热，易引起换能器和超声波电源的损坏，并引起换能器的谐振频率大幅度漂移，功率输出效率下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法，采用功率超声波产生低振幅、高频、高加速度振动施加于蒸发器表面来除霜或抑制结霜，振动施加采用基于时间机制的间歇式工作方式，具体间歇周期和施振时间根据环境温度、湿度和工作状态确定，以保证超声波振动频率与生长的霜晶体的固有频率相一致，实现高效率的共振除霜，并具有良好的节能降耗效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法，在蒸发器上加装超声波换能器，调整超声波换能器处于谐振工作状态，谐振频率通过阻抗分析仪或者扫频激励方式测定，由超声电源驱动超声换能器按照间歇式加载方式进行超声除霜。

所述的超声波换能器包括压电片、夹心式压电换能器和磁致伸缩型的超声波换能器，超声振动的类型包括采用纵向振动和径向振动模式，纵向振动频率选用范围为15kHz-200kHz，径向振动频率选用范围为20kHz-4MHz。

所述的超声电源具有自动频率跟踪功能，以更好的保证超声谐振。

所述的间歇式加载方式为基于时间控制的间歇式工作机制，采用间歇连续式或间歇冲击式，间歇连续式指间隔一定时间T1后，连续振动时间T2，即间歇周期时间为T1，工作时间为T2，且T1≥T2；间歇冲击式指间隔一定时间后按照短时间内的间歇方法工作的模式，在对应的短时间段内T2工作时，间歇时间定义T1’，工作时间设定为T2’，且T1’≥T2’。

所述的基于时间控制的间歇式工作机制是根据霜晶体的自然生长规律，选择霜晶体自身的固有频率与超声波振动频率接近或吻合时间区域施加超声振动，利用共振效应实现蒸发器表面早期形成的霜晶体、霜枝和霜层折断并脱落，实现蒸发器表面无霜或者少霜，在结霜速度快的工况下即蒸发器周围空气温度＞-5℃，空气相对湿度＞50％的条件下，自然对流风速小于2m/s，蒸发器表面温度从初始环境温度降低到稳定之前，间歇时间T1和工作时间T2之比可设为：1≤T1/T2≤8，且T2＜1分钟；在结霜速度慢即蒸发器周围空气温度＜-5℃，空气相对湿度＞30％、强制对流风速大于2m/s的工况下，蒸发器表面温度相对稳定后，间歇时间T1和工作时间T2比设为：1≤T1/T2≤20，且T2＜1分钟。

所述的间歇冲击式在遵循以上间歇时间T1和工作时间T2设定原则下，需要保证在工作时间段内的每次冲击时间T2’应不超过10秒钟。

超声共振除霜***实际工作时，可设置湿度传感器检测蒸发器周围环境的空气湿度，设置温度传感器检测蒸发器表面和蒸发器周围的环境温度；从压缩机首次启动开始，即启动超声振动，超声振动方式采用间歇式的工作机制，每个周期的振动时间设置为[5，60]s，且超声间歇时间T1＝[10s，5min]；而当蒸发器表面温度降低到稳定后，超声振动的间歇时间T1＝[5，20]min；蒸发器周围环境的湿度大小作为超声介入的首要条件，蒸发器表面和蒸发器周围环境的温度差作为超声振动介入的第二条件。当蒸发器周围环境湿度小于设定值(如：30％)时，功率超声不工作；只有当环境湿度大于设定值时，功率超声才可引入；蒸发器周围的湿度越大、蒸发器和周围空气的温度差越大，蒸发器表面越容易结霜，此时，超声振动的间歇时间T1应缩短。

本发明采用功率超声所引发的低幅、高频、高加速度机械振动进行除霜，提出一种基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜技术，提高除霜/抑制结霜的效果，并降低除霜的能量消耗，并可保证超声波***的安全。

附图说明

图1是超声振动间歇式加载模式的工作示意图，其中图1a是超声振动间歇连续式工作示意图，图1b是超声振动间歇冲击式工作示意图。

图2是超声波换能器安装示意图。

图3是不同间歇比的超声振动作用下蒸发器翅片上的结霜变化过程，图3a为自然结霜过程，图3b为连续超声振动的效果，图3c为间歇4分钟连续振动1分钟的过程，图3d为间歇8分钟连续振动1分钟的过程，其中每个图的横坐标表示了压缩机的工作时间。

图4是不同间歇比的超声振动作用下翅片两侧的霜厚随时间变化的对比曲线。

图5显示了采用了超声振动1分钟前后翅片上的结霜变化，其中5a为振动前翅片上的结霜，图5b为振动一分钟后翅片上的结霜，图5c为除掉的霜晶体图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细叙述。

基于间歇式加载工作的空气源热泵超声波共振除霜方法，参照图2，在蒸发器上加装超声波换能器，调整超声波换能器其处于谐振工作状态，谐振频率通过阻抗分析仪或者扫频激励方式测定，由超声电源驱动超声换能器按照间歇式加载方式进行超声除霜。

所述的超声波换能器包括压电片、夹心式压电换能器和磁致伸缩型的超声波换能器，超声振动的类型包括采用纵向振动和径向振动模式，纵向振动频率选用范围为15kHz-200kHz，径向振动频率选用范围为20kHz-4MHz。

所述的超声电源具有自动频率跟踪功能，以更好的保证超声谐振。

具体实施为：压缩机采用R600a冷媒，蒸发器为铜管铝制翅片型结构，由单排铜管构成，大小为30cm*30cm，翅片平均间距为1.55mm。在蒸发器的一侧金属护板的顶端处通过螺栓和超声专用胶安装了一个纵向振动的夹心式压电换能器，金属护板的宽度为1.5cm。换能器的中心频率为28kHz、功率为60W，其辐射面为喇叭形、前端面直径60mm。环境温度和蒸发器表面温度的测定采用了热电偶温度计，空气湿度的测定采用了便携式温湿度计。换能器工作的间歇时间和工作时间调节采用了单片机的定时器配合继电器控制超声电源工作实现。图2中设置了显微摄像***以记录翅片上结霜的动态显微变化。

所述的间歇式加载方式为基于时间控制的间歇式工作机制，采用间歇连续式或间歇冲击式，间歇连续式指间隔一定时间T1后，连续振动时间T2，即间歇周期时间为T1，工作时间为T2，且T1≥T2；间歇冲击式指间隔一定时间后按照短时间内的间歇方法工作的模式，在对应的短时间段内T2工作时，间歇时间定义T1’，工作时间设定为T2’，且T1’≥T2’。

所述的基于时间控制的间歇式工作机制是根据霜晶体的自然生长规律，选择霜晶体自身的固有频率与超声波振动频率接近或吻合时间区域施加超声振动，利用共振效应实现蒸发器表面早期形成的霜晶体、霜枝和霜层折断并脱落，实现蒸发器表面无霜或者少霜，在结霜速度快的工况下即蒸发器周围空气温度＞-5℃，空气相对湿度＞50％的条件下，自然对流风速小于2m/s，蒸发器表面温度从初始环境温度降低到稳定之前，间歇时间T1和工作时间T2之比可设为：1≤T1/T2≤8，且T2＜1分钟；在结霜速度慢即蒸发器周围空气温度＜-5℃，空气相对湿度＞30％、强制对流风速大于2m/s的工况下，蒸发器表面温度相对稳定后，间歇时间T1和工作时间T2比设为：1≤T1/T2≤20，且T2＜1分钟。

参考图2所示，显示了一个超声振动除霜试验***实施的示意图，图中器件描述如下：1-传送冷媒的铜管，2-压缩机，3-毛细管，4-冷凝器，5-节流阀，6-蒸发器，7-温度计，8-空气相对湿度计，9-空气温度计，10-温湿度调理模块，11-微控制器，12-超声波电源，13-压电式超声换能器，14-显微镜，15-CCD摄像头，16-计算机

其中1-6构成了压缩机制冷结霜装置，7-11构成了温湿度的测量装置，11-13构成了超声振动的发生和控制装置，14-16构成了显微摄像装置。

其中，蒸发器6为常见得商用翅-管式蒸发器(空调、冰箱等用)，其两侧设置有金属端板。2，4，5，6通过1和3的串联连接，构成了一个基于压缩机的小型制冷***，在蒸发器6的一侧的金属端板顶端安装了一个压电式的超声换能器13，蒸发器6上设置有温度传感器7，另设置有空气温度计8和空气相对湿度计9，温度和湿度信号通过温湿度调理模块10转换为电压信号，送入微控制器11进行A/D转换和数值运算，并按照预先设定的间歇式工作机制，控制超声波电源12驱动超声换能器13实现间歇式的高频振动。结霜时的图像通过显微镜14放大后送入CCD摄像头15，之后放大的结霜图像可以在计算机16进行显示和保存。

参考图3所示，在环境温度为6℃、空气相对湿度为80％左右低温、高湿的易结霜的情况下(空调结霜工况)进行不同间歇机制的超声波除霜试验，对比在工作时间相同情况下、不同间歇时间的超声波除霜效果。测试中采用了间歇连续式的超声振动模式，间歇时间分别设置为0分钟(连续振动)、4分钟、5分钟和8分钟，每种模式下超声振动的工作时间设定为1分钟。压缩机启动时，根据预定机制，开启超声振动，获得了试验中结霜的显微观察过程图。

参考图4所示，基于试验的结霜厚度对比统计，显示了不同间歇比的超声振动作用下的蒸发器翅片两侧的结霜厚度随时间的变化曲线，表明了超声振动作用可以明显的减少翅片结霜，且合适的间隙比的超声振动优于连续振动和较大间歇时间的除霜效果。

参考图5所示，采用图像处理的方法显示了超声连续振动一分钟前后翅片上的积霜的变化情况。图5a显示了振动前翅片上的结霜，图5b显示了振动后的翅片上结霜情况，图5c表明了在超声振动一分钟时间内振落的霜晶体。

所述的间歇冲击式在遵循以上间歇时间T1和工作时间T2设定原则下，需要保证在工作时间段内的每次冲击时间T2’应不超过10秒钟。

综上所述，图1显示了间歇连续式和间歇冲击式的超声振动加载的特点，超声换能器在谐振时的工作电压曲线近似为正弦波，图中的正弦波表示了换能器两个电极上加载的交变电压。

参照图1a所示，间歇连续式的超声振动模式指从压缩机启动运行开始计算，间隔T1时间后，启动超声，连续运行T2时间后停止超声；再等待T1时间后，启动超声，连续运行T2……如此循环。实际运行中，T1的范围为：1-8分钟；T2的范围为：10秒-1分钟；且T1≥2T2；可选择：T1＝4分钟；T2＝30-60秒；

参照图1b所示，间歇冲击式的超声振动指从压缩机启动运行开始计算，间隔T1时间后，开始进入一个小循环工作时间段T2：启动超声工作T2’时间后，停止超声T1’时间；然后再让超声工作T2’时间…...如此工作的小循环时间总和等于T2时，停止超声，进入下一轮循环。实际运行中，可设置T1的范围：2-8分钟；T2的范围为：10秒-1分钟；且T1≥2T2；T3的时间范围为：3-10秒钟；T4的时间范围为：3-10秒钟；且T4≥T3；T2≥2T3。可选用：T1＝4分钟；T2＝1分钟；T3＝5秒钟；T4＝5秒钟。或者：T1＝3分钟；T2＝1分钟；T3＝5秒钟；T4＝5秒钟。

研发说明：

蒸发器翅片在结霜初期，霜晶体呈现横向生长模式，垂直于翅片平面的霜晶体表现为单端悬臂梁结果，其应力集中点在霜晶体根部区域。本发明通过有限元分析，获得了结论：微小的霜晶体的特征频率处于高频超声范围，在底面半径大小一定的情况下，霜晶体越长，特征频率越低；霜晶体越短，其特征频率越大，越不容易发生共振。因此，翅片表面的基础冰层不易去除，且霜晶体很小时也不易去除。另外，超声***工作时，翅片上分布有和振动频率一致的超声振动，霜在该频率下发生共振时，霜晶体的振动位移放大，超声波在翅片、基础冰层、霜晶体所形成的界面间产生一定的界面剪切力，当该剪切力大于霜在翅片的粘附力时，即立即在短时间3秒钟内内发生折断，并在重力作用下脱落，且当霜晶体较大时，形成的剪切力越大，余下的霜晶体受高频疲劳效应，呈现边生长边逐渐脱落的现象，但由于霜生长后期霜晶体相互交叉甚至发生表面结冰，使得粘附力增大，不易去除。因此，本发明将超声振动在结霜初期开始介入，并采用间歇式工作方式以保证抑制结霜效果、减少换能器发热、减少能耗和增强蒸发器的换热效率。为了研究超声振动的介入机制和工作机制的效果，进行了大量的超声波除霜试验，试验结果具有重复性，表明间歇式的超声振动可有效的抑制蒸发器结霜，且具有明显的节能意义。

Claims (4)

1.基于间歇式加载机制工作的空气源热泵超声波共振除霜方法，其特征在于，调整在蒸发器上加装的超声波换能器，通过阻抗分析仪或者扫频激励方式测定谐振频率，使其处于谐振工作状态，同时，超声波换能器以诱发动态生长霜晶体产生共振为原则优化间歇工作机制，从而实现高效低耗的超声共振除霜，具体是根据霜晶体的自然生长规律，选择霜晶体自身的固有频率与超声波振动频率一致/相近时，施加超声振动，利用共振效应实现蒸发器表面早期形成的霜晶体、霜枝和霜层折断并脱落，实现蒸发器表面无霜或者少霜，间歇周期取决于结霜工况：在结霜速度快的工况下即蒸发器周围空气温度>-5℃，空气相对湿度＞50%的条件下，自然对流风速小于2m/s，蒸发器表面温度从初始环境温度降低到稳定之前，间歇时间T1和冲击时间T2之比设为：1≦T1/T2≦8，且T2<1分钟；在结霜速度慢即蒸发器周围空气温度<-5℃,空气相对湿度>30%、强制对流风速大于2m/s的工况下，蒸发器表面温度相对稳定后，间歇时间T1和冲击时间T2比设为：1≦T1/T2≦20，且T2<1分钟。

2.根据权利要求1所述的除霜方法，其特征在于，所述的超声波换能器包括压电片、夹心式压电换能器和磁致伸缩型的超声波换能器，超声振动的类型包括采用纵向振动和径向振动模式，纵向振动频率选用范围为15kHz-200kHz，径向振动频率选用范围为20kHz-4MHz。

3.根据权利要求1所述的除霜方法，其特征在于，所述的间歇式加载机制为基于时间控制的间歇式工作机制，采用间歇连续式或间歇冲击式，间歇连续式指间隔一定时间T1后，连续振动时间T2，即间歇时间为T1，冲击时间为T2，且T1≥T2；间歇冲击式指间隔一定时间后按照短时间内的间歇方法工作的模式，在对应的短时间段T2内工作时，间歇时间定义T1’,冲击时间设定为T2’，且T1’≥T2’。

4.根据权利要求3所述的除霜方法，其特征在于，所述的间歇冲击式在遵循以上间歇时间T1和冲击时间T2设定原则下，需要保证在工作时间段内的每次冲击时间T2’应不超过10秒钟。