氷を剥がすためのパルスシステムおよび方法
氷を剥がすためのパルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）システムには、高出力の加熱パルスを、氷と物体（例えば製氷システムの冷却板、氷容器、熱交換器、冷蔵庫の表面、航空機の翼等）の接触面に印加するための電源装置（２２）が含まれる。パルス加熱は、除氷対象物の上に配置された金属ホイルまたは抵抗膜内、あるいは除氷対象物に隣接したキャピラリーチューブ内で発生する。氷の界面層が融解し、氷が対象物から解放される。重力、蒸発の圧力、機械的かき取り等の力が、氷を対象物から取り除く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、同一出願人による同時継続中の米国仮特許出願第６０／５８１，９１２（２００４年６月２２日出願）、同第６０／６４６，３９４号（２００５年１月２４日出願）、同第６０／６４６，９３２号（２００５年１月２５日出願）の優先権の利益を主張する。上記出願および特許はすべて、参考により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
氷を表面から剥がすことは、例えば、固定された、あるいは野外で使用される設備（航空機、送電線、道路、屋根等）の除氷、稼働中に氷が形成される設備（熱交換器、冷凍庫等）や製氷装置の除氷等のアプリケーションにおいて重要である。
【０００３】
従来の住宅用、業務用製氷機では、氷は冷却板あるいはグリッドによって冷却された水からゆっくりと成長してゆく。氷の成長が完了すると、冷却板／グリッドが氷の融点より上へゆっくりと加熱されて、氷を解放する。この加熱ステージでは、エネルギーと時間の両方が消費され、製氷機の効率と生産性が低減する。その上、製氷機ハードウェアおよび成長した氷を、氷の成長温度から氷の融点まで暖めるには、著しい熱流量が必要になる。そして、製氷機ハードウェアを再冷却して新たな氷が成長し始めるまでには、さらに多くの時間とエネルギーが必要になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、製氷システムは、冷却板、誘電体膜、誘電体膜を通して冷却板によって冷却される金属薄ホイル、電源装置、および電源装置を金属薄ホイルに接続するように動作可能なスイッチを含む。金属ホイルに隣接する水が氷を形成し、その氷はスイッチが作動すると金属ホイルから解放される。スイッチの作動により、電源装置からの電流が金属薄ホイルを通過し、加熱パルスが発生して氷の界面層を溶かす。
【０００５】
一実施形態では、製氷システムは、冷却板、冷却板によって冷却される金属ホイル、電源装置、および電源装置を金属ホイルに接続するように動作可能なスイッチを含む。金属ホイルに隣接する水が氷を形成し、その氷はスイッチが作動すると金属ホイルから解放される。スイッチの作動により、加熱パルスが発生して金属ホイル上の氷の界面層を溶かす。
【０００６】
一実施形態では、製氷システムは、氷容器（ｉｃｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）、氷容器の底部内に配置されたキャピラリーチューブ、電源装置を有する。氷容器は冷却されると水を氷に変換する。電源装置はパルス加熱エネルギーを氷容器とキャピラリーチューブに印加する。このパルス加熱が氷容器内の氷の界面層を溶かし、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させて、氷を氷容器から排出させる。
【０００７】
一実施形態では、蒸発除氷システムは、除氷対象物上に配置された抵抗膜、キャピラリーのアレイであって、それぞれが開口端を有しており、除氷対象物の表面と同一平面にある、キャピラリーチューブのアレイ、および電源装置を含む。電源装置はエネルギーを抵抗膜に供給してそこにパルス加熱エネルギーを発生させ、またエネルギーをキャピラリーチューブに供給してキャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、除氷対象物から氷を排出させる。
【０００８】
一実施形態では、蒸発除氷システムは、除氷対象物の表面に配置された抵抗膜、多孔質金属ホイルのストリップ、および電源装置を有する。電源装置はエネルギーを抵抗膜と多孔質金属のストリップに供給する。抵抗膜内にパルス加熱エネルギーが発生し、抵抗膜に隣接する氷の界面層が融解する。氷は多孔質金属のストリップ内で蒸発し、その氷は除氷対象から排出される。
【０００９】
一実施形態では、冷蔵庫の除氷システムは、アコーディオン型表面の熱交換器、流動冷却剤を有するウォールパイプ、および電源装置を有しており、電動装置のスイッチにより、熱交換器をパルス加熱し、熱交換器から氷を取り除く。
【００１０】
一実施形態では、熱交換器の除氷システムは、ベースチューブ、ベースチューブに取り付けられた複数のフィン、電源装置、および電源装置をベースチューブに接続するスイッチを含む。このスイッチは電流パルスをベースチューブに送る働きをする。ジュール加熱によりベースチューブとフィンの温度が上昇し、そこに付着している氷を溶かす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
米国特許出願第１０／３６４，４３８号は、パルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）について記載する。ＰＥＴＤは、例えば、物体と氷の間の接触面（本文書中では「氷−物体接触面」とも呼ばれる）の界面氷を熱変形させることにより、氷の除去を行う。加熱エネルギーをこの接触面に加え、氷の界面層を溶かすことができる。そのようなアプリケーションは、接触面に加えられる熱エネルギーの熱拡散距離が氷の界面層厚さ以下の氷の範囲に留まるようにするために、持続期間が限られ得る。
【００１２】
界面氷は、高出力の加熱パルスを氷と氷が付着している物体の接触面に加えることにより、ほとんどすぐに溶ける。一定の出力密度Ｗ（単位ワット／ｍ２）が接触面に加えられると、ΔＴ度でその接触面を加熱するために必要なエネルギーＱ（単位ジュール）は、出力密度Ｗにほぼ反比例する。従って、非常に高い出力密度Ｗを、除氷対象となる接触面へ加えることにより、エネルギーＱは従来の（低〜中出力の）電熱除氷装置が消費するエネルギーに比べて低減する。概して、非常に高い出力密度Ｗを使うことによって、最高９９％の加熱・再冷却エネルギーを節約することができる。
【００１３】
だが、このＱ∝１／Ｗによるエネルギー保存の法則を使用しても、Ｑが無限に低下するわけではない。というのは、Ｑが小さくなると接触面の再凍結にかかる時間が減少するからである。界面の再冷凍が早くなるため、氷の再捕集または再生成には役立つが、ＰＥＴＤを使用する場合は、重力、空気抵抗力、機械的かき取り等、何らかの力によって、氷を表面から迅速に取り除かなければならない。
【００１４】
氷を取り除かないと、接触面は、外気温、パルス幅、気質特性などに応じて、ミリ秒からおよそ３０秒の間に再凍結する。接触面が再凍結するため、例えば飛行機の翼のよどみ線、道路の水平表面、空港の滑走路、冷蔵庫の熱交換器、平屋根等、氷を除去する力がほとんど、あるいは、全くない場所でのアプリケーションにおいては、ＰＥＴＤの利用は制限される。
【００１５】
（ＰＥＴＤを利用した製氷システム）
氷の融解は製氷にも利用できる。すなわち、アイスキューブとそのアイスキューブが入っているアイストレーの間の氷の界面層を溶かすことにより、キューブをより簡単に取り除くことができる。ＰＥＴＤを用いて氷の採収を促進する製氷システムについて、次に記載する。
【００１６】
図１と図２は、パルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）を用いた典型的な製氷システム１０（１）を示している。システム１０（１）では、氷５（１）は、薄い誘電体膜１６（１）によって冷却板１２（１）に付けられたホイル１８（１）上に形成される。冷却板１２（１）は、例えば、コンジット１４を通る液体によって冷却される。氷５（１）は、ホイル１８（１）を通って上から下に流れる水（図示されていない）から成長する。ホイル１８（１）は例えば、金属薄ホイルである。ホイル１８（１）は、冷却板１２（１）によって、薄い誘電体膜１６（１）、例えば薄い誘電体層、を通して冷却される。氷５（１）は、例えば、冷却板１２（１）が水平位置にある場合は、ホイル１８（１）で作られた容器を満たす水から生成されることもある。十分な氷が生成されたら、電源２２をホイル１８（１）に接続するスイッチ２０を閉じることにより、加熱電流パルスがホイル１８（１）に印加される。このパルスは、ホイル１８（１）に隣接する界面氷を融解し、氷５（１）は、ホイル１８（１）から剥離することができる。氷５（１）は、例えば、製氷システム１０（１）の下にある容器（図示されていない）にたまり得る。
【００１７】
電源２２は、普通のＡＣ電源出力、あるいはＤＣ電源装置（電池、コンデンサ、ウルトラコンデンサ（ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ）等）であり得る。スイッチ２０は、半導体スイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等）、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいは上記のどれかの組合せであり得る。
【００１８】
一実施形態では、印加電圧および電流は、（ホイル１８（１）面積に対して）およそ１ｋｗ／ｍ２から５００ｋｗ／ｍ２の範囲の加熱出力密度を提供する。電源２２は、ホイル１８（１）の電気抵抗に応じて、約２．５Ｖから約１０００Ｖの電圧でＡＣあるいはＤＣを発生させ得る。ホイル１８（１）は、スパッタリング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、電解プロセス、および／または、薄い金属膜を作る他のプロセスによって形成され得る。
【００１９】
一実施形態では、ホイル１８（１）の厚さは、約０．５μｍから約１ｍｍの範囲であり得る。一部の実施形態では、ホイル１８（１）は、導電ペイント、導電性高分子フィルム、炭素繊維複合材、あるいはカーボンナノチューブ複合材などで形成され得る。
【００２０】
誘電体膜１６（１）は、ホイル１８（１）を冷却板１２（１）から電気的に絶縁する。誘電体膜１６（１）は、例えば、セラミック、ガラス、ゴム、ポリマー、複合材料などの誘電物質、および／または、その他の誘電物質で作られ得る。一般的に、誘電体薄膜１６（１）の厚さは、およそ１０μｍから２ｍｍの範囲である。加熱パルス幅は、一般的に、１ｍｓから３０ｓの範囲である。ただし、１ｍｓから１０ｓの範囲で十分であり得る。
【００２１】
システム１０（１）の稼働は、電力量消費を最低限にし得、氷５（１）とホイルの間の接触面が再凍結する前に、氷５（１）がホイル１８（１）と冷却板１２（１）から外れるための十分な時間が与えられるように最適化され得る。システム１０（１）の稼働のために最適化され得るパラメータは、例えば、
ａ） 冷却板１２（１）温度
ｂ） 誘電体膜１６（１） 厚さ、密度、熱容量、熱伝導率
ｃ） 金属ホイル／膜１８（１） 厚さ、密度、電気抵抗、熱容量
ｄ） 氷５（１） 密度、融解潜熱、熱容量、熱伝導率
ｅ） 融解層厚
ｆ） 融解層再凍結時間
ｇ） 加熱出力密度。
【００２２】
図３と図４は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（２）を示している。システム１０（２）は、冷却板１２（２）と誘電体膜１６（２）を有しており、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０は、システム１０（１）の中の、似た番号の項目と同じである。システム１０（２）では、アイス「キューブ」５（２）（幾何学的意味のキューブ（立方体）である場合とそうでない場合がある）は、アイスの生成のためのポケット１９（１）を形成するように加工されたホイル１８（２）の上に形成される。ポケット１９はホイル１８（２）の上から流れる水で満たされ得、あるいは、冷却板１２（２）が水平の場合は、ポケット１９は、静水で満たされ得る。水はまず冷却板との熱的接触が最善な各ポケットの表面で凍結し始め得る。ポケット１９（１）で十分な氷が形成されたら、加熱電流パルスがヒーターホイルを加熱して界面氷を融解し、アイス「キューブ」５（２）は、ポケット１９（１）から剥離することができる。そして、氷の凍結と解放の循環が繰り返される。
【００２３】
図５と図６は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（３）を示している。システム１０（３）は、冷却板１２（３）と誘電体膜１６（３）を有しており、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０は、システム１０（１）と１０（２）の中の、似た番号の項目と同じである。製氷システム１０（３）では、変厚の誘電体膜１６（３）が、ホイル１８（３）の上で成長する氷５（３）から冷却板１２（３）へと向かう熱流束を調節する。誘電体膜１６（３）は、熱伝導率が低く、そのため膜１６（３）が薄い部分（例えば氷５（３）がある場所）では熱流束は大きくなり、膜１６（３）が厚い部分（例えば場所１７）では減少する。氷の成長率は、冷却板１２（３）にしみ込む熱流束と、冷却板１２（３）の上から下へと流れる水からの熱流束の差に比例する。場所１７では膜１６（３）は厚く、流れる水がもたらす熱のほうが冷却板１２（３）にしみ込める熱より多く、氷の成長が妨げられる。氷５（３）が望ましい厚さに成長すると、図６に示されるように、加熱パルスが氷５（３）を解放する。
【００２４】
当然のことながら、誘電体膜の厚い部分は、冷却板の溝の中に形成され得る（図５と図６の場所１７のように）、あるいは隆起した誘電体の表面から形成され得る、あるいはそれらの組み合わせであり得る。誘電体の特定の形態に応じて、半球体、半円柱、長方形、棒状、星形等の氷形状を生成することが可能である。金属ホイル１６（３）が非常に薄いが熱伝導率が比較的低い場合（ステンレス鋼等）、横方向の熱流束（ホイル沿い等）は制限され、隣接する氷形状の間に氷の無い空間ができることになる。金属ホイルが厚く、および／または熱伝導率が高い場合は、横方向の熱流束は、ホイル部分全体の氷の成長率を均等化することができ、氷形状がまとまって凍結することになる。
【００２５】
製氷システム１０（１）、１０（２）、１０（３）には多くの利点があるが（例えば、可動部品がない、氷の解放が迅速、エネルギー消費量が低い、氷がほとんど絶え間なく成長する等）、欠点もいくつかある。欠点の一つは、冷却板を金属ホイルから電気的に分離する誘電体膜が、氷の成長に必要な熱交換をも妨げることである。一般的に、誘電体膜１６（１）、１６（２）、１６（３）のような誘電体膜の熱抵抗は、氷０．５ｍｍから２ｍｍの熱抵抗に等しい。従って、氷が成長する各サイクルにおいて、その誘電体膜の存在によって０．５ｍｍから２ｍｍの氷厚が失われることになる。また加熱パルスの間、少量の熱が誘電体膜を通って冷却板に逃げるため、総電力需要が増大する。製氷システム１０（１）、１０（２）、１０（３）のもう一つの欠点である可能性があるのが、ホイル１８の熱膨張係数（ＣＴＥ）と誘電体層１６のそれの差であり得る。これら二つのＣＴＥがつり合って、加熱パルスによる大きな界面応力の誘発を避けるか、誘電体層１６の弾性係数が低くなり、熱的に誘発される応力を制限しなければならない。
【００２６】
図７から図１２に示される製氷システムは、誘電体層１６を取り除くことにより、上記の欠点を除去している。例えば図７と図８は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（４）を示している。システム１０（４）は、冷却板１２（４）、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０を有しており、それらは、システム１０（１）、１０（２）、１０（３）の中の、似た番号の項目と同じである。製氷システム１０（４）は製氷システム１０（１）と似ているが、ただし、（ａ）システム１０（４）には誘電体膜がない、そして（ｂ）システム１０（４）には、冷却板１２（４）とホイル１８（４）の間に密閉された空間１５（１）がある。空間１５（１）は、交互に真空になったり、空気で満たされたりする。空間１５（１）が真空になると、大気圧によってホイル１８（４）が冷却板１２（４）に押し付けられ、熱接触が行われ、氷がホイル１８（４）の上に生成され得る。氷を採収するには、空間１５（１）にポンプで空気が注入され、冷却板１２（４）とホイル１８（４）の熱接触が分離・中断される。例えば、円筒内を移動し、電磁石によって駆動されるピストンをシステム１０（４）用のポンプとして使うことができる。他のポンプをこの用途に使ってもよい。空気によってホイル１８（４）が冷却板１２（４）から分離されるとき、図８の矢印Ａで示される空隙の寸法は、およそ１０μｍから２ｃｍの範囲であり得る。冷却板１２（４）とホイル１８（４）が分離された後、加熱パルスがホイル１８（４）に印加され、界面氷を溶かす。そのとき、氷５（４）が氷採集器に滑り落ちる。
【００２７】
図９と図１０は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（５）を示している。システム１０（５）は、冷却板１２（５）と隣接する空間１５（２）、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０を有する。それらは、システム１０（１）〜１０（４）の中の、似た番号の項目と同じである。システム１０（５）はシステム１０（４）と似ているが、ただし、ホイル１８（５）がアイス「キューブ」５（５）が成長するためのポケット１９（２）を形成している。ポケット１９（２）は、装置上部から流れる水で満たされ得るか、あるいは、冷却板１２（５）が水平な場合は、予め静水で満たされ得る。空間１５（２）にポンプで空気を注入・排出することで、ホイル１８（５）が冷却板１２（５）と熱接触したり、離れたりする。この熱接触が「オン」の時、システム１０（５）は氷を生成し、加熱パルスがホイル１８（５）に印加される直前に「オフ」になり、アイス「キューブ」５（５）が解放される。
【００２８】
図１１と図１２は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（６）を示している。システム１０（６）は、冷却板１２（６）と隣接する空間１５（３）、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０を有しており、それらは、システム１０（１）〜１０（５）の中の、似た番号の項目と同じである。システム１０（６）では、冷却板１２（６）とホイル１８（６）の間の熱交換は、冷却板１２（６）の中に作られている溝２４によって調節されている。溝２４は、システム１０（３）（図５と図６）の作用と似た方法で、その場所の氷の成長率を変える。図５と図６に関してすでに述べたように、熱交換を調節することによって、半球体、立方体、星形等、色々な形の氷を生成することができる。図７〜図９のシステムについて述べたのと同様の方法で、空気注入システム（図示されていない）を、電源２２、スイッチ２０、ホイル１８（６）によって形成されるパルス除氷システムと連携して作動させ、ホイル１８（６）を冷却板１２（６）から分離させてから加熱パルスでアイス「キューブ」５（６）を解放することができる。
【００２９】
（実例１：）
一実例から、図１と図２に示されたシステム１０（１）の具体的な（限定されない）仕様および性能パラメータを提供する。以下のパラメータがこの計算の入力に使われている。
【００３０】
【表１】
システム１０（１）の性能パラメータの計算には、以下の方程式が使われた。氷の熱拡散係数Ｄｉは以下のように計算する。
【００３１】
【数１】
エポキシ樹脂の熱拡散係数Ｄａは以下のように計算する。
【００３２】
【数２】
エポキシ樹脂の熱拡散距離Ｌｄ（ｔ）は以下のように計算する。
【００３３】
【数３】
氷の熱拡散距離Ｌｉ（ｔ）は以下のように計算する。
【００３４】
【数４】
図１３は、製氷システム１０（１）について、エポキシ樹脂における熱拡散距離Ｌｄ（ｔ）および氷における熱拡散距離Ｌｉ（ｔ）のパルス幅ｔへの依存性を示している。１〜３秒のパルス幅によって、エポキシと氷それぞれにおける熱拡散が２ｍｍ以内に制限されると思われる。パルスが短いほど、熱拡散の距離は短く制限される。
【００３５】
後に接触とヒーターを０Ｃに加熱し、氷の層を融解層厚ｌｍで融解するために使われる総エネルギー量Ｑは、エネルギー保存の法則を使って計算することができる。中間パラメータは以下のように定義できる。
【００３６】
【数５】
要求融解氷層厚ｌｍを達成するために必要な加熱パルスエネルギーＱは、以下のように計算する。
【００３７】
【数６】
パルスエネルギーＱを提供するために必要なパルス幅ｔは、以下のように計算する。
【００３８】
【数７】
氷が冷却板１２（１）から採収される時のクリーニングスピードＳｓは、以下のように計算される。
【００３９】
【数８】
氷が冷却板１２（１）から採収するために必要なクリーニング時間Ｔは、以下のように計算される。
【００４０】
【数９】
本実例に示されるように、加熱パルスエネルギーＱの５０％以上が界面氷の融解に使われており、それより少量のエネルギーが冷却板１２（１）、誘電体膜１６（１）、ホイル１８（１）の加熱と、氷５（１）の加熱（すなわち、隣接する氷５（１）の温度を初期値である−１８Ｃ以上に上げるが、融解させない）によって消費されている。
【００４１】
図１４は、製氷システム１０（１）について、１平方メートル当たりのＱとＷの
【００４２】
【数１０】
総エネルギー量Ｑの出力Ｗへの依存性を示している。方程式５と方程式６から、当然のことながら、Ｗの値が高いほど、Ｑの値が小さくなる。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが約２・１０４まで増大するとＱは劇的に低下する。図１５は、製氷システム１０（１）について、クリーニングスピードＳｓの出力Ｗへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ＳｓはＷとともに増大する。図１６は、製氷機１０（１）について、クリーニング時間Ｔの出力Ｗへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが約
【００４３】
【数１１】
まで増大するとＱは低下する。
【００４４】
製氷作業のためのもう一つのパラメータは、融解した氷接触面の再凍結時間である。再凍結時間は、融解した接触面が氷の採集を促進する期間を決定し得る（例えば、接触面の融解によって氷が落下することができるため）。再凍結時間ｔｒは、製氷システム１０（１）については、融解した部位の融解潜熱ｑｌａｔｅｎｔが、隣接する氷５（１）の中に吸い込まれ、ホイル１８（１）と誘電体層１６（１）を通って冷却板１２（１）へ消えてゆく時に再凍結が起こると仮定して計算できる。中間パラメータは以下のように定義できる。
【００４５】
【数１２】
再凍結時間ｔｒは、以下のように計算できる。
【００４６】
【数１３】
図１７は、製氷システム１０（１）について、誘電体厚ｄが０．２ｍｍの場合の、再凍結時間ｔｒの出力密度Ｗへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが増大するとｔｒは減少する（例えば、図１４で見られたように、所定の融解氷層厚ｌｍについて、Ｗの値が高いほど、Ｑの値が低下するので、Ｗの値が高いほど、再凍結時間も低下する）が、Ｗの値が約１０５ワット／ｍ２になるまでずっと、ｔｒは２秒以上の長さに留まっている。図１８は、製氷システム１０（１）について、再凍結時間ｔｒの誘電体厚ｄへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ｄが増大すると、ｔｒが増大する。図１９は、製氷システム１０（１）について、誘電体厚ｄが０．２ｍｍの場合の、再凍結時間ｔｒの融解層厚ｌｍへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ｌｍが増大すると、ｔｒが増大する。
【００４７】
実例１について最適化パラメータとして選ぶことができる、いくつかのパラメータは以下の通り。
【００４８】
【表２】
（実例２：）
一実例から、図７と図８に示されたシステム１０（４）の具体的な（限定されない）仕様および性能パラメータを提供する。以下のパラメータがこの計算の入力に使われている。
【００４９】
【表３】
氷と空気の熱拡散係数Ｄｉ、Ｄｄと熱拡散距離Ｌｉ（ｔ）、Ｌｄ（ｔ）は、表３に列記された定数および変数を使って、上記の方程式１〜方程式４の通り計算される（空気の特性は、下付き文字ｄで示される）。
【００５０】
図２０は、実例２について、Ｌｄ（ｔ）とＬｉ（ｔ）のパルス幅ｔへの依存性を示している。１〜３秒のパルス幅によって、熱拡散を２ｍｍ以内に制限されると思われる。パルスが短いほど、熱拡散の距離は短く制限される。
【００５１】
製氷中はホイル１８（４）が冷却板１２（４）に接触しているが、氷の採集中は空隙により冷却板１２（４）への熱伝達が減少するので、空隙を製氷システム１０（１）〜１０（３）の誘電体膜１６より広く設定することが可能である。そのような空隙は、例えばミリメートル程度である。接触面とヒーターを０Ｃに加熱し、氷の層を融解層厚ｌｍで融解するために使われる総エネルギー量Ｑ、パルス幅ｔ、クリーニング速度Ｓｓ、クリーニング時間Ｔは、上記方程式５〜方程式１０を使い、表３に列記された定数および変数を使って計算できる。
【００５２】
図２１は、製氷システム１０（４）において、空隙２ｍｍの場合の、総エネルギー量Ｑの出力密度Ｗへの依存性を示している。実例２で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが約２・１０４まで増大するとＱは低下する。
【００５３】
図２２は、総クリーニング時間Ｔの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【００５４】
図２３は、クリーニング速度Ｓｓの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【００５５】
再凍結時間ｔｒは、製氷システム１０（４）については、融解した部位の融解潜熱ｑｌａｔｅｎｔが、隣接する氷５（４）の中に吸い込まれ、ホイル１８（４）と空隙を通って冷却板１２（４）へ消えてゆく時に再凍結が起こると仮定して計算できる。中間パラメータと再凍結時間ｔｒは、上記方程式１１〜方程式１４を使い、表３に列記された定数および変数を使って計算できる。
【００５６】
図２４は、再冷凍時間ｔｒの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。実例２で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが増大するとｔｒは低下する。（例えば、図２１で見られたように、所定の融解氷層厚ｌｍについて、Ｗの値が高いほど、Ｑの値が低下するので、Ｗの値が高いほど、再凍結時間も低下する）が、Ｗの値が約１０５ワットになるまでずっと、ｔｒは２秒以上の長さに留まっている。図２５は、再冷凍時間ｔｒの誘電体厚ｄへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ｄが増大すると、ｔｒが増大する。図２６は、再冷凍時間ｔｒの融解層厚ｌｍへの依存性を示している。実例２で使われている定数の値を考慮すれば、ｌｍが増大すると、ｔｒが増大する。
【００５７】
実例２について最適化パラメータとして選ぶことができる、いくつかのパラメータは以下の通り。
【００５８】
【表４】
システム１０（１）（誘電体膜１６（１）を使用）とシステム１０（４）（空隙を使用）の予想性能を比較すると、システム１０（４）は、氷解放プロセス中は同量のエネルギーを消費するが、再凍結前の、氷が冷却板から滑り落ちる時間はより長い。それでもシステム１０（１）もシステム１０（４）も、氷解放プロセス中の平均消費電力は従来の製氷機のそれより少ない。例えば、図１から図４に示されるようなシステム（厚さ２．５ｃｍの氷と厚さ２．５ｃｍのアルミ製冷却板）は、氷の融点までゆっくり加熱されたとすると、冷却板と氷接触面を加熱して同量の氷融解を引き起こすために必要な最小エネルギーは、
【００５９】
【数１４】
、それに対して、システム１０（１）およびシステム１０（４）が使うのは
【００６０】
【数１５】
である。従って、氷を解放する際、システム１０（１）およびシステム１０（４）のほうが従来技術より約２０倍経済的であり得る。
【００６１】
図３および図４に描かれたデザインの製氷機の実験プロトタイプが作られた。試験では、加熱パルスが印加されると、ほとんど即座に氷が解放された。実験的に観察された他の特徴は、上記実例１に示されたものに非常に近かった。
【００６２】
従来の製氷機は、概して氷を採集した後、冷却板を再冷却しなければならず、従って、サイクル当たりの使用エネルギーがさらに多いが、システム１０（１）から１０（６）では、冷却板１２（１）〜１２（６）が採集中も冷えたままなので、氷の採集後、およそ数秒で氷の成長が再開できる。
【００６３】
（ＰＥＴＤを利用した熱交換器）
熱交換器は、熱質量間の熱を移転させる働きをする。ある熱交換器形態では、循環する冷却剤によって冷却される熱交換器表面の近くを空気が循環する。空気の熱は冷却剤に奪われる。冷却剤の温度が十分に低くなると、表面上に氷ができ、表面と空気の熱交換を妨げる。熱をできる限り加えずに、そのような氷を取り除くことが好ましい。空気との熱交換を再開するために、加熱された表面は再冷却される必要があるからである。
【００６４】
図２７は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器４０の斜視図である。熱交換器４０は、例えば、金属あるいは導電性・熱伝導性ポリマーで形成されている。面４４（１）と４４（２）は循環する冷却剤によって冷却されている。空気は矢印５２の方向に循環し、冷却面４２、４６（１）、４６（２）、そしてこの図では隠れている面４２と面４４（２）の反対側の対応する冷却面を通過する。熱は空気から熱交換器の冷却面へと伝わり、それから冷却剤へ伝わる。冷却面上に氷ができる。薄膜の凍結検知器４３が一つまたはそれ以上の冷却面、例えば冷却面４２に付いており、氷、および／または霜の存在を検知したり、氷または霜の厚さを測ったりし得る。上面４８と底面５０は、断熱されており、そこには氷が形成しないようになっている。
【００６５】
図２８は、熱交換器４０の上面図で、氷５（７）が堆積しており、電源５４とスイッチ５６に接続している。作動中、熱交換器４０は空気を冷却し、氷５（７）を堆積させ得る。それからスイッチ５６が閉じ得、加熱電流パルスを熱交換器４０に送る。加熱パルスの出力と幅は、パルスからの著しい熱が、氷５（７）および熱交換器４０の冷却面の中に消散してゆく前に、氷-物体接触面を融解するよう制御することができる。熱交換器４０が垂直方向を向いている場合は（例えば、図２７、２８の通り）、加熱パルスが印加された後、氷５（７）は重力によって熱交換器４０から滑り落ちる。
【００６６】
図２９は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器６０を示している。熱交換器６０は、熱が空気から冷却剤へと伝わる風洞６２を形成し、空気は入口６４で熱交換器６０に入り、出口６６で熱交換器６０から出る。破線３０−３０は、図３０にある断面の頂面を示している。
【００６７】
図３０は、熱交換器６０の断面図で、図２９中の破線３０−３０から真っすぐに下に伸びた平面を取り上げたものである。空気は熱交換器６０の中を通って、矢印６４の方向に流れる。冷却面６３は、風洞６２の側面を形成し、図のように断熱層６８が各風洞６２の上部と底部を断熱している。各冷却面６３は、スイッチ７４を通して電源装置７２と接続している（図では明瞭に説明するために、冷却面６３が一つだけ接続している）。
【００６８】
作動中、熱交換器６０は空気を冷却し、冷却面６３上に氷５（８）を堆積させ得る。それからスイッチ７４が閉じ得、加熱電流パルスを各冷却面６３に送る。加熱パルスの出力と幅は、パルスからの著しい熱が、氷５（８）、冷却剤、そして冷却面６３の中に消散してゆく前に、氷-物体接触面を融解するよう制御される。熱交換器６０が垂直方向を向いている場合は（例えば、図２９および３０の通り）、加熱パルスが印加された後、氷５（８）は重力によって冷却面６３から滑り落ち得る。
【００６９】
当然のことながら、熱交換器４０と６０の変更は、本開示の範囲内である。例えば、熱交換器４０の冷却面の形状は、図２７と２８に示される形状とは異なる形にできる。冷却剤は熱交換器４０のチューブあるいは導管を流れてもよい。冷却面を電源装置に接続する代わりに、加熱ホイルあるいは膜を、熱交換器４０あるいは６０の冷却面に隣接する誘電体層に配置することができる。加熱ホイルあるいは膜と冷却面との間の空間を密閉し、この空間は交互に、真空になって、加熱ホイルあるいは膜を冷却面と熱接触させたり、氷の剥離の際には、加圧されて、加熱ホイルあるいは膜と冷却面の間に空隙を作ったりすることができる。冷却面はセクションを形成し（以下の考察のとおり）、そのようなセクションがスイッチや電源装置への電気的接続を形成し、すべてのセクションが同一時間に加熱パルスを受信しないようにすることができる。
【００７０】
（瞬間パルス電力対有効電力）
システム１０（１）〜１０（６）では、氷を解放するパルスによって消費される平均出力は非常に低い（例えば、６０ｗ／ｍ２、または冷却板１０００インチ２につき３９ｗ）が、短い加熱パルスに求められる出力（例えば、冷却板１０００インチ２につき６．６ｋｗから６５ｋｗ）は、一部の電源装置については継続的な対応能力を超える可能性がある（例えば２ｋｗから３ｋｗ）。有効電力と求められるパルス電力を一致させるために、ヒーターホイル（または膜）を「セクション化」することができる。電源が入る時、個々のセクションが電源の容量に負荷をかけ過ぎることはないが、各セクションの徐氷がグリッド全体の徐氷の場合と同じ理論に従うため、総エネルギー需要は変わらない。セクションで氷が採集される時、総採集時間はパルス幅Ｘセクション数に等しい。エネルギー蓄積装置、例えば、ウルトラコンデンサ、スーパーコンデンサ、電解コンデンサ、電池等を使って、加熱パルス間の電気エネルギーを蓄積し、そのエネルギーを単一パルスとして再分配して、個々のセクションまたは冷却板全体の氷採集を促進することができる。
【００７１】
（パルス電気蒸発式徐氷）
システム１０（１）〜１０（６）では、ＰＥＴＤを有利に利用して、氷の採集に使われるエネルギー消費を減らしているが、パルス電気蒸発式徐氷（”ＰＥＥＤ”）は、エネルギー消費をさらに削減することができる。また、ＰＥＥＤにも氷の採集以外のアプリケーションがある。ＰＥＥＤシステムでは、氷−物体接触面の一部または全てが、水の沸点以上に急激に加熱される。その加熱により、接触面が融けるだけでなく、高圧の水蒸気が発生し、氷を物体から引き離す。加熱時間が非常に短いため、氷と基質での熱拡散が制限され、そのため総エネルギー需要が低減する。氷を集める面とヒーターの形状によっては、氷を蒸発させるのに必要な熱を少量で集中させることができ、氷の剥離に使われるエネルギーが削減される。理論計算と実験結果から、ＰＥＥＤシステムのほうがＰＥＴＤシステムより高い作業温度に達するにも関わらず、ＰＥＥＤを利用したシステムは、ＰＥＴＤを利用したシステムよりもエネルギー消費がさらに少なくなり得ることが証明されている。
【００７２】
図３１は、水蒸気の平衡圧の温度への依存性を示しており１００℃以上という中程度の水の過熱でも、水蒸気の圧力は非常に高くなる。例えば、Ｔ＝１２０℃、Ｐ＝２ａｔｍで、２ａｔｍの圧力が１ｃｍ厚さの氷を押すと、氷は
【００７３】
【数１６】
のレートで加速する。
【００７４】
以下はＰＥＥＤの理論である。ＰＥＥＤは、基質と薄い加熱素子を利用する。氷は加熱素子の上に成長し、システム全体は水の氷点下の大気温度である。過加熱素子に印加された熱電流パルスが、氷-物体接触面（例えば、金属ヒーターが氷と交わる所）を水の沸点以上に加熱し、蒸発した水が残りの氷を加熱素子から押し除く。加熱パルス幅が十分に短くあり得るため、熱が著しく基質および／または残りの氷に拡散することはない。
【００７５】
図３２Ａは、パルス除氷システム７５を図式的に示したものである。システム７５には、基質８０と加熱素子８２が含まれ、加熱素子８２に氷-物体接触面８４を形成する氷５（９）とともに示されている。図３２Ｂは、加熱パルスが加熱素子８２に印加された後のパルス除氷システム７５を示したものである。図３２Ａの氷-物体接触面８４で作られた水蒸気からの圧力が、加熱素子８２と氷５（９）の間に空間８６を作り出す。
【００７６】
ＰＥＥＤの加熱素子（例えば加熱素子８０）は、金属ホイル、金網、金属薄膜、ＩＴＯ膜、半導体膜、炭素繊維網、カーボンナノチューブ網、炭素繊維、カーボンナノチューブ伝導性複合材、多孔質導体ホイル、導電ペイント等でできている。ＰＥＥＤ加熱素子の厚さは、１０ｎｍから約１ｍｍ程度であり得る。加熱電流パルスの幅は、約１μｓから約１００ｓであり得、通常は１ｍｓから１ｓである。加熱出力密度は、約１０ｋＷ／ｍ２から約１０ＭＷ／ｍ２であり得、通常は１００ｋＷ／ｍ２から約１ＭＷ／ｍ２である。
【００７７】
（実例３：）
図３３は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用した、ある製氷システム１００（１）の断面図である。製氷システム１００（１）は、氷容器１０２（１）とキャピラリーチューブ１０４（１）を有しており、両方とも、例えばステンレス鋼製であり得る。氷容器１０２（１）とキャピラリーチューブ１０４（１）は水で満たされ、それが凍結して主要部分の氷５（１０）とキャピラリーチューブ部分の氷５（１１）を形成する。容器１０２（１）は、錐台のような形をしている。
【００７８】
製氷システム１００（１）は、二つの電源装置１０８と１１０によって作動し、それぞれ二つのスイッチ１１２と１１４によってオンオフされる。製氷システム１００（１）から氷が採集される時には、まずスイッチ１１４が閉じ、第一の加熱パルスを氷容器１０２（１）に供給し、それからスイッチ１１２が閉じ、第二の加熱パルスをキャピラリーチューブ１０４（１）に供給する。第一の加熱パルスには、少なくとも氷容器１０２（１）と氷部分５（１０）の間の界面氷層を融解するだけのエネルギーがある。第二の加熱パルスには、キャピラリーチューブ部分の氷５（１１）の一部または全てを蒸発させるだけのエネルギーがある。キャピラリーチューブ部分の氷５（１１）の一部または全ての蒸発によって生じる圧力は、氷部分５（１０）を氷容器１０２（１）から押し出す。第一と第二の加熱パルスの幅はともに、氷部分５（１０）が氷容器１０２（１）から押し出される前に、そこへ熱が著しく拡散しないよう、十分に短くなっている。電源装置１１２と１１４はそれぞれ、適切な加熱エネルギーをキャピラリーチューブ１０４（１）と氷容器１０２（１）へ提供するような形態になっており、氷容器１０２（１）へ供給された熱が、必要とされる熱を著しく超えることなく界面氷層を融解でき、また、キャピラリーチューブ１０４（１）へ供給された熱が、必要とされる熱を著しく超えることなく氷部分５（１０）を放出できるようになっている。
【００７９】
図３４は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用した、ある製氷システム１００（２）の断面図である。製氷システム１００（２）には、氷容器１０２（２）とキャピラリーチューブ１０４（２）がついており、両方とも、例えばステンレス鋼製であり得る。製氷システム１００（２）は、電源装置１１６によって作動し、スイッチ１１８によってオンオフされる。スイッチ１１８が閉じると、単一の加熱パルスが氷容器１０２（２）と氷部分５（１２）の間の界面氷を融解し、キャピラリーチューブ１０４（４）内の氷部分５（１３）の一部または全てを蒸発させる。キャピラリーチューブ部分の氷５（１３）の一部または全ての蒸発によって生じる圧力は、氷部分５（１２）を氷容器１０２（２）から押し出す。氷部分５（１２）が氷容器１０２（２）から押し出される前に、そこへ熱が著しく拡散しないよう、加熱パルスの幅は十分に短くなり得、また氷容器１０２（２）とキャピラリーチューブ１０４（２）の電気抵抗の平衡が保たれ得る。
【００８０】
電源１０８、１１０および／または１１６は、普通のＡＣ電源出力、あるいはＤＣ電源装置、例えば電池、コンデンサ、ウルトラコンデンサ等であり得る。スイッチ１１２、１１４、１１８は、半導体タイプのスイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等）、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいは上記のどれかの組合せであり得る。電子論理回路は、加熱パルスの相対幅およびタイミングを制御するために使われ得る（例えば、スイッチ１１４を特定の期間閉じ、特定の遅延時間待って、その後スイッチ１１２を特定の期間閉じる、など）。
【００８１】
システム１００（１）の記載に準じた製氷システムが作られ、試験された。氷容器は０．１ｍｍのステンレス鋼で作られ、上面径２３．９ｍｍの錐台形であった。容器長さは２５．４ｍｍであった。ステンレス鋼製のキャピラリーチューブは、長さ１７ｃｍで、内径１．４ｍｍ、外径２．４ｍｍであった。一例では、０．９５秒、２２９ジュールの電流パルスがまず氷容器に印加された（例えば、電源１１０とスイッチ１１４を使用）。０．２秒後、０．１２５秒、８５９ジュールのパルスが印加され（例えば、電源１０８とスイッチ１１２を使用）、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させた。主要部分の氷が氷容器から押し出された。もう一つの例では、単一のスイッチ（例えばスイッチ１１８）を使って単一の加熱パルスを氷容器とキャピラリーチューブに供給した。やはり主要部分の氷が押し出された。
【００８２】
図３５は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用して、飛行機の翼の前縁１２２を除氷するパルス除氷システム１２０（１）を示している。システム１２０（１）には電源装置１２６、スイッチ１２８、キャピラリーチューブ１２４（この図ではキャピラリーチューブ１２４が一本だけ示されている）が含まれている。航空機の運行により、氷５（１４）がキャピラリーチューブ１２４内に形成し得、氷５（１５）が翼１２２に堆積する。システム１２０（１）は、スイッチ１２８を閉じて、加熱電流パルスが電源装置１２６からキャピラリーチューブ１２４の側面を通り、翼１２２を通って流れることにより、翼１２２を除氷することができる。加熱パルスは、翼１２２と氷５（１５）の間に形成された氷−物体接触面を融かし、氷５（１４）の少なくとも一部を蒸発させる。蒸発した氷からの蒸気圧が氷５（１５）を割り、再凍結する前に翼１２２から滑り落ちることができる。
【００８３】
図３６は、航空機の翼１２２の一部の斜視図である。一列に並んだキャピラリーチューブ１２４が翼１２２のよどみ線上に存在する。隣接するキャピラリーチューブ１２４同士の間隔は、全てのキャピラリーチューブ１２４が同時に加熱パルスを受け取った時、翼１２２全体に沿って氷５（１５）が割れるよう最適化され得る。
【００８４】
製氷システム１００（２）のように、キャピラリーチューブ１２４と翼１２２の相対的電気抵抗、また、電源装置１２６とスイッチ１２８によって供給される加熱パルスの出力と幅は、エネルギーの浪費を最低限にして氷-物体接触面を融かし、氷を割るように最適化することができる。あるいは、一つ目のスイッチと電源装置を利用して、氷５（１５）と翼１２２の間の氷-物体接触面が融解され得る。そして二つ目のスイッチと電源装置を利用して、一本またはそれ以上のキャピラリーチューブ１２４内の氷を蒸発させることができる（例えば、製氷システム１００（２）では電源とスイッチが一つだけ使われているが、製氷システム１００（１）では二つの電源装置とスイッチが使われているのと同じ）。さらに、小容量の電源装置１２６を利用するために、キャピラリーチューブと翼１２２をセクションに分け、一回に一つのセクションだけが除氷されるようにすることができる。翼１２２の金属を加熱素子として利用してもよいし、独立した加熱素子を利用してもよい。例えば、独立した加熱素子を、下に誘電体層をつけて、またはつけないで、航空機の翼に貼付けることができる（例えば、航空機の翼の伝導性が高すぎる、または低すぎて、加熱素子としての役割を効果的に果たさない場合）。
【００８５】
もう一つの実施形態では、一連のキャピラリーチューブの代わりに多孔質金属ホイル片が使われる。多孔質金属ホイルに空気中の水が染み込むため、孔は水で満たされる。加熱電流パルスが多孔質金属ホイルに印加されると、電流がホイルを水の沸点以上に加熱し、氷と翼の間に高圧の水蒸気が発生する。
【００８６】
（実例４：）
図３７Ａは、パルス電気蒸発式除氷システム１３０を図式的に示したものである。システム１３０には、基質１３２と加熱素子１３４が含まれ、加熱素子１３４に氷-物体接触面１３６を形成する氷５（１６）とともに示されている。加熱素子１３４には孔１３８がついており、それは氷５（１６）で満たされる。図３７Ｂは、加熱パルスが加熱素子１３４に印加された後のパルス電気蒸発式除氷システム１３０を示したものである。図３７Ａの氷-物体接触面１３６で作られた水蒸気からの圧力、そして特に孔１３８内で蒸発した水からの圧力が、加熱素子１３４と氷５（１６）の間に空間１４０を作り出す。
【００８７】
システム１３０の記載に準じたパルス除氷システムが作られ、試験された。厚さ０．３２ｍｍの多孔質ステンレス鋼ホイルが５３μｍから７５μｍの粒子で焼結された。ホイルには約１０μｍの孔がついていた。水がホイルの上に置かれ、Ｔ＝−１０℃で凍結され、その水の一部はホイルの孔の中に浸透し、凍結した。加熱密度１．７ｘ１０７Ｗ／ｍ２の２０ｍｓパルスが印加された。孔の中の氷は蒸発し、氷のシートをホイルから押し離した。
【００８８】
（加熱電気パルスによる熱交換フィンの除氷）
図３８は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器１５０を示している。熱交換器１５０では、冷却剤１５６（フロン、またはその他の液体）が冷却フィン１５４のついた冷却剤ダクト１５２内を流れ、それが熱交換面を形成し、熱を周囲の空気と交換する。冷却剤ダクト１５２はフィン１５４内に冷却剤が入っているように示されているが、一部の実施形態では、熱交換面が直管（チューブまたはパイプ）から横方向に伸びる冷却剤ダクトを持つものもある（例えば図４０を参照）。他の実施形態では、チューブまたはパイプが蛇行、またはジグザグ形状をとり、熱交換面を形成している（例えば図４２を参照）。冷却フィン１５４に形成される氷５（１７）は、パルス除氷で除去することができる。スイッチ１５８が閉じると、電源装置１６０は熱交換器１５０を通して加熱電流パルスを送る。加熱パルスは少なくともフィン１５４と氷５（１７）の間に形成された氷−物体接触面を融解する。この加熱パルスはまた氷５（１７）を全て融かすかもしれない。通常の単位面積当たり加熱密度は、約５ＫＷ／ｍ２から約１００ＫＷ／ｍ２である。電流量およびパルス幅は温度、流量、冷却剤特性等（例えば、密度、熱容量、熱伝導率等）に基づき調整される。通常のパルス幅は約０．１ｓから１０ｓである。電源装置１６０は普通のＡＣ電源出力、あるいはＤＣ電源装置、例えば電池、コンデンサ、ウルトラコンデンサ等である。スイッチ１５８は、半導体タイプのスイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等）、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいは上記のどれかの組合せである。加熱パルスの後も残っている固い氷５（１７）は、重力によって（例えば、氷５（１７）はフィン１５４から滑り落ちる）、あるいは、かき取り、振動、熱交換器１５０への送風などの機械的動作によって除去される。振動は、例えば、小型のモーターとクランクシャフト、電磁バイブレータ、または冷却剤１５６に圧力振動を誘発する等によって与えられる。
【００８９】
図３９は、冷却剤ダクト１７０を形成するために取り付けられるホイルワッシャ１７２の断面図である。冷却剤ダクト１７０は、例えば、冷却剤ダクト１５２として使うことができる（図３８参照）。ホイルワッシャ１７２は、例えば、４ミルのステンレス鋼ホイルワッシャで、内径１インチ、外径３インチ、そして外縁１７４と内端１７６で、はんだ付け、またはスポット溶接され得る。こうして各ワッシャ１７２が熱交換面を形成する（例えば、二枚のワッシャが一枚の冷却フィン１５４（図３８）を形成する）。
【００９０】
図４０は、冷却剤ダクト１８０を形成するために直管１８４に取り付けられるホイルワッシャ１８２の断面図である。冷却剤ダクト１８０は、例えば、冷却剤ダクト１５２として使うことができる（図３８参照）。ホイルワッシャ１８２は、例えば、４ミルのステンレス鋼ホイルワッシャで、内径１インチ、外径３インチ、そして外縁１８６と内端１８８で、はんだ付け、またはスポット溶接されて得る。ワッシャ１８２はパイプ１８４にもはんだ付け、または溶接され得る。こうして二枚のワッシャ１８２が一枚の冷却フィン（例えば、冷却フィン１５４（図３８））を形成する。パイプ１８４とワッシャ１８２の相対的肉厚は、図３８に示されるように、電流のパルスが誘導される時、それらが同じような加熱出力密度Ｗを持つように選択され得る。
【００９１】
図４１は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器１９０を示している。熱交換器１９０には、冷却フィン１９４のついた冷却剤ダクト１９２があり、それが熱を周囲の空気と交換する。冷却フィン１９４に形成される氷５（１８）は、パルス除氷で除去することができる。熱交換器１９０のＰＥＴＤ除氷は、熱交換器１７０と同じような仕組みである。スイッチ１９８が閉じると、電源装置１９６は熱交換器１９０を通して加熱電流パルスを送る。加熱パルスは少なくともフィン１９４と氷５（１８）の間に形成された氷−物体接触面を融解する。この加熱パルスはまた氷５（１８）を全て融かすかもしれない。
【００９２】
図４２は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器２００を示している。熱交換器２００には、冷却剤ダクト２０２があり、それが熱を周囲の空気と交換する。冷却剤ダクト２０２は蛇行型で、冷却剤が冷却剤ダクト２０２の湾曲部２０４を通って流れることで、熱交換面積を最大化する。冷却剤ダクト２０２に形成される氷（示されていない）は、ＰＥＴＤ除氷で除去することができる。スイッチ２０８が閉じると、電源装置２０６は熱交換器２００を通して加熱電流パルスを送る。加熱パルスは少なくともフィン２０４と氷の間に形成された氷−物体接触面を融解する。この加熱パルスはまた氷を全て融かすかもしれない。
【００９３】
当然のことながら、熱交換器１５０、１９０、２００の変更は、本開示の範囲内である。例えば、熱交換器１５０、１９０、２００の熱交換面は、図３８、図４１、図４２に示される形状とは異なる形にできる。ダクトおよび／または冷却フィンを電源装置に接続する代わりに、加熱ホイルまたは膜を、そのような面に隣接する誘電体層に配置することができる。加熱ホイルまたは膜と熱交換面との間の空間を密閉し、この空間は交互に、真空になって、加熱ホイルまたは膜を冷却面と熱接触させたり、氷の剥離の際には、加圧されて、加熱ホイルまたは膜と冷却面の間に空隙を作ったりすることができる。上記のとおり、熱交換面はセクションを形成し、そのようなセクションがスイッチや電源装置への電気的接続を形成し、すべてのセクションが同一時間に加熱パルスを受信しないようにすることができる。
【００９４】
薄肉の金属チューブやホイルのパルス加熱には、大電流（数百または数千アンペア）の場合を除き、低電圧（１Ｖから２４Ｖ）を有利に利用することができる。高電圧（例えば１２０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣ）の直接使用が好ましい時は、より高い電気抵抗が有利である。より高い電気抵抗は、ヒーター導電膜と冷却ダクトを分離することによって得られる。例えば、フィン付き熱交換器を陽極酸化アルミで作り、その（絶縁）陽極酸化層の上に、薄い、高抵抗性の加熱膜を塗布してもよい。加熱膜はＣＶＤ、ＰＶＤ、電解塗膜、または塗装により塗布することができる。
【００９５】
図４３は、パルス除氷を利用した製氷方法３００を示している。方法３００は、例えば、前述の製氷システム１０（１）から１０（３）の、いずれのシステムによっても、システムに付随するマイクロプロセッサの制御および作動などを通して実行され得る。方法３００のステップ３０２は、冷却板を冷やす（例えば、冷却板１２（１）〜１２（３）のいずれか）。ステップ３０６は、発熱素子（例えば、ホイル１８（１）〜１８（３）のいずれか）上に氷を凍結する。ステップ３１０は、加熱パルスを印加し、氷を解放する。方法３００は、ステップ３０６の結果、氷が目的の場所に到達したら（例えば、氷が容器に落ちるなどして）、ステップ３０６の後、再びステップ３０２へ戻ることができる。あるいは、方法３００は、機械的な力を加えて氷を除去するステップ３１２へ進むこともできる（例えば、氷をかき取る、氷を拾い上げる、風をあてて氷を動かす、など）。ステップ３１２は、例えば、システム中のマイクロプロセッサの制御下にある電気機械装置（送風機、スクレーパー）によって実行される。氷が目的の場所に到達したら、方法３００はステップ３０２へ戻り、再開する。
【００９６】
図４４は、パルス除氷を利用した製氷方法３２０を示している。方法３２０は、例えば、前述の製氷システム１０（４）から１０（６）の、いずれのシステムによっても、システムに付随するマイクロプロセッサ（および、必要に応じて、機械的アクチュエータ）の制御および作動などを通して実行され得る。方法３２０のステップ３０２は、冷却板を冷やす（例えば、冷却板１２（４）〜１２（６）のいずれか）。ステップ３０４は、冷却板と発熱素子（例えば、ホイル１８（４）〜１８（６）のいずれか）の間の空間（例えば、空間１５（１）〜１５（３）のいずれか）を真空にし、冷却板と発熱素子を熱接触させる。ステップ３０６は、発熱素子上に氷を凍結する。ステップ３０８は、その空間を加圧して、発熱素子と冷却板の間に空隙を作り出す。ステップ３１０は、加熱パルスを印加し、氷を解放する。方法３２０は、ステップ３６０の結果、氷が目的の場所に到達したら（例えば、氷が容器に落ちるなどして）、この時点で再びステップ３０２へ戻ることができる。あるいは、方法３２０は、機械的な力を加えて氷を除去するステップ３１２へ進むこともできる（例えば、氷をかき取る、氷を拾い上げる、風をあてて氷を動かす、など）。氷が目的の場所に到達したら、方法３２０はステップ３０２へ戻り、再開する。
【００９７】
図４５は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法３５０を示している。方法３５０は、例えば、前述の製氷システム１００（２）によって、システムに付随するマイクロプロセッサ（および、必要に応じて送風機、スクレーパー等の電気機械装置）の制御および作動などを通して実行され得る。方法３５０のステップ３５２は、氷容器およびキャピラリーチューブを冷やす（例えば、氷容器１０２（２）とキャピラリーチューブ１０４（２））。ステップ３５４は、氷容器およびキャピラリーチューブ内に氷を凍結する。ステップ３５６は、（例えば、スイッチ１１８を閉じることにより）加熱パルスを印加して、氷を解放し、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、それによって、氷を押し出す。ステップ３５６の後、方法３５０はステップ３５２へ戻り、再開する。
【００９８】
図４６は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法３６０を示している。方法３６０は、例えば、前述の製氷システム１００（１）によって、システムに付随するマイクロプロセッサ（および、必要に応じて送風機、スクレーパー等の電気機械装置）の制御および作動などを通して実行され得る。方法３６０のステップ３６２は、氷容器およびキャピラリーチューブを冷やす（例えば、氷容器１０２（１）とキャピラリーチューブ１０４（１））。ステップ３６４は、氷容器およびキャピラリーチューブ内に氷を凍結する。ステップ３６６は、（例えば、スイッチ１１４を閉じることにより）第一の加熱パルスを印加して、氷容器内の氷を解放する。ステップ３６８は、（例えば、スイッチ１１２を閉じることにより）第二の加熱パルスを印加して、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、それによって、氷を押し出す。ステップ３６８の後、方法３６０はステップ３６２へ戻り、再開する。
【００９９】
図４７は、一連のフィン４０４がチューブ４０６に取り付けられた熱交換器４０２の一実例を示している。図４８は、一つのチューブとフィンのアセンブリの横断面図である。各チューブ４０６は、スイッチ４１０を通して、電源４０８に接続されており、スイッチが閉じられると、電流がチューブ４０６を流れ、発熱するようになっている。除氷熱交換器４０２はこうして稼働している。図４７では、明瞭に説明するために、チューブ４０６が一本だけ電気接続している。短い電流パルスがチューブ４０６を通ると、ジュール熱がチューブ４０６の壁内に発生する。チューブ４０６とフィン４０４の間の接触熱抵抗は非常に低く、また金属フィンにおける熱拡散速度が非常に速いため、チューブ４０６内で発生するジュール加熱は、急速にフィン４０４へと伝播し、熱交換器４０２上に成長した氷および／または霜を融解する。
【０１００】
以下の例は熱拡散速度を説明している。ある材料の熱拡散距離を得るには、
【０１０１】
【数１７】
ここでｔは時間、αはこの物質の熱拡散率、ｋはこの物質の熱伝導率、ρはこの物質の密度、そしてＣｐはこの物質の熱容量である。
【０１０２】
図４９は、純アルミニウムの室温での熱拡散距離（ｍ）対時間（ｓ）を示すチャートである。特に図４９は、熱が１．８ｃｍ以上のアルミは１秒、３．９ｃｍ以上は５秒で拡散することを示している。従って、この拡散距離は、チューブ４０６の中で熱が発生するとき、フィン４０４（フィン４０４が一般的なサイズの場合）を約１秒で加熱するに十分である。
【０１０３】
本実施形態は、現在低温産業で採用されている広範な熱交換器内での使用を促進するものである。例えば、フィン４０４の形状は、環状、正方形、ピン状等のうちの一つまたはいくつかである。フィン４０４とチューブ４０６の材料は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、導電性ポリマー、その他の合金等のうちの一つまたはいくつかである。例えば、ステンレス鋼チューブは抵抗加熱を促進するために使用できる。ステンレス鋼は電気抵抗が高いためである。その他の金属や合金も使用できる。
【０１０４】
電源装置４０８は、低電圧、大電流のＤＣあるいはＡＣ電源装置で、十分な出力を持つものある。例えば、電源装置４０８は、電池、スーパーコンデンサ一式、降圧変圧器、電子降圧変圧器等のうちの一つまたはいくつかであり得る。一実施形態では、電源装置４０８は高周波電流を発生させ、そのことは、高周波電流を運ぶ時の表皮効果によりチューブ４０６の電気抵抗が増大し得るため、有益である。
【０１０５】
より均一な電気加熱を起こすために、フィン４０４はチューブ４０６から電気的に絶縁されつつ、チューブ４０６との良好な熱接触を維持することができる。例えば、アルミ面上の薄い陽極酸化層、薄いポリマー層、またはエポキシ接着剤等がそういった薄い電気絶縁を形成し得る。
【０１０６】
上記の例で説明されたように、そのようなパルス加熱は、ベースチューブ内の液状冷媒との対流熱交換による、また、熱交換器の外面にある空気による熱損失を抑える。それによって、平均所要電力を低減し、熱交換器４０２を停止することなく（すなわち、冷凍庫、冷却器、または空調機器を停止することなく）、除氷および除霜を遂行することが可能になる。十分な周波数を持つ加熱パルスを印加することにより、フィンおよびチューブ外面上に成長する氷または霜の薄層が融解し、熱交換面は氷や霜がほとんどない状態に保たれる。これにより、熱交換器の性能が向上し、所要電力が減少し、冷蔵庫に貯蔵される食料が長もちし得る。
【０１０７】
図４７の熱交換器４０２がアルミ製で、非常に一般的な寸法、チューブ内径１ｃｍ、チューブ肉厚０．３０ｍｍ、フィン径３６ｍｍ、フィン厚０．５ｍｍそしてフィンとフィンの隙間は４ｍｍであると考えよう。
【０１０８】
そのような熱交換器の質量は約３３０ｇ／ｍ（チューブ長さ１メートル当たり）、総表面積（フィン＋チューブ外面）は０．４７ｍ２／ｍ（チューブ長さ１メートル当たり平方メートル）である。チューブ内の冷媒の温度は−１８℃、チューブ４０６内側の対流熱交換速度は１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、気温は＋５℃、そして空気と熱交換器４０２外面との間の対流熱交換係数は６５Ｗ／（ｍ２・Ｋ）であると仮定しよう。
【０１０９】
図５０で示されるように、３Ｖ／ｍの電界がチューブ４０６に印加されると、１．４秒以下で、アルミニウムの表面が０℃以上まで加熱される。アルミニウムの表面が０℃以上になると、薄い霜の層がアルミニウム表面に形成されている場合は、融解し始める。
【０１１０】
【表５】
熱交換器停止時、パルス加熱中の熱交換器温度は以下によって決定される。
【０１１１】
【数１８】
そして、熱交換器継続稼働時、パルス加熱中の熱交換器温度は以下によって決定される。
【０１１２】
【数１９】
図５０は、アルミニウム製熱交換器について、稼働中、加熱パルスによって作動する場合と、冷却ポンプとファンをオフにした状態で加熱パルスによって作動する場合の、温度対時間を示すチャートである。特に、図５０は、継続稼働中には１．４秒以下で霜が融け始めるため、冷却剤ポンプやファンを停止させることなく除霜がうまく行われることを示している。この実施形態では、３Ｖが熱交換チューブ（例えば、チューブ４０６）の１メートルのセクションに印加され、１．６７１ｋＷの発熱量が発生する。このチューブは、３Ｖの印加で、５５７．００４Ａを伝導する。
【０１１３】
本開示の範囲から逸脱することなく、上記の方法およびシステムに変更を加えることができる。従って、上記の明細書に含まれ、あるいは、添付図面に示される事柄は、限定的な意味ではなく、説明的なものとして解釈されるべきである、ということに留意しなければならない。以下の特許請求は、ここに記載された全一般的および特定の機能を全て、また、現行の方法およびシステムの範囲の明示を全て網羅することを目的としており、言語的には、その範囲に収まるものであると言えよう。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１は、パルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図２】図２は、図１の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図３】図３は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図４】図４は、図３の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図５】図５は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図６】図６は、図５の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図７】図７は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図８】図８は、図７の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図９】図９は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図１０】図１０は、図９の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図１１】図１１は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図１２】図１２は、図１１の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図１３】図１３は、図１の製氷システムについて、エポキシ樹脂における熱拡散距離（Ｌｄ）および氷における熱拡散距離（Ｌｉ）のパルス幅への依存性を示している。
【図１４】図１４は、図１の製氷システムについて、総エネルギー量の出力への依存性を示している。
【図１５】図１５は、図１の製氷システムについて、クリーニングスピードの出力密度への依存性を示している。
【図１６】図１６は、図１の製氷システムについて、クリーニング時間の出力密度への依存性を示している。
【図１７】図１７は、図１の製氷システムについて、誘電体厚が０．２ｍｍの場合の、再凍結時間の出力密度への依存性を示している。
【図１８】図１８は、図１の製氷システムについて、再凍結時間の誘電体厚ｄ（ｍ）への依存性を示している。
【図１９】図１９は、図１の製氷システムについて、誘電体厚ｄが０．２ｍｍの場合の、再凍結時間の融解層厚への依存性を示している。
【図２０】図２０は、図７の製氷システムについて、Ｌｄ（ｔ）とＬｉ（ｔ）のパルス幅ｔへの依存性を示している。
【図２１】図２１は、図７の製氷システムにおいて、空隙２ｍｍの場合の、ｍ２当り総エネルギー量Ｑの出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２２】図２２は、総クリーニング時間Ｔの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２３】図２３は、クリーニング速度Ｓｓの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２４】図２４は、再冷凍時間ｔｒの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２５】図２５は、再冷凍時間ｔｒの誘電体厚ｄへの依存性を示している。
【図２６】図２６は、再冷凍時間ｔｒの融解層厚ｌｍへの依存性を示している。
【図２７】図２７は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器の斜視図である。
【図２８】図２８は、図２７の熱交換器の上面図で、氷が堆積しており、電源とスイッチに接続している。
【図２９】図２９は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器を示している。
【図３０】図３０は、図２９の熱交換器の断面図である。
【図３１】図３１は、水蒸気の平衡圧の温度への依存性を示している。
【図３２】図３２Ａは、パルス除氷システムを図式的に示したものである。図３２Ｂは、図３２Ａのパルス除氷システムで、加熱パルスが加熱素子に印加された後を示したものである。
【図３３】図３３は、ＰＥＴＤとパルス電気蒸発式除氷（「ＰＥＥＤ」）の両方を利用した、ある製氷システムの断面図である。
【図３４】図３４は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用した、ある製氷システムの断面図である。
【図３５】図３５は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用して、飛行機の翼の前縁を除氷するパルス除氷システムを示している。
【図３６】図３６は、図３５の航空機の翼の一部の斜視図である。
【図３７】図３７Ａは、パルス電気蒸発式除氷システムを図式的に示したものである。図３７Ｂは、図３７Ａのパルス電気蒸発式除氷システムで、加熱パルスが加熱素子に印加された後を示したものである。
【図３８】図３８は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器を示している。
【図３９】図３９は、冷却剤ダクトを形成するために取り付けられるホイルワッシャの断面図である。
【図４０】図４０は、冷却剤ダクトを形成するために直管に取り付けられるホイルワッシャの断面図である。
【図４１】図４１は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器を示している。
【図４２】図４２は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器を示している。
【図４３】図４３は、パルス除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４４】図４４は、パルス除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４５】図４５は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４６】図４６は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４７】図４７は、フィンのアレイがチューブに取り付けられた熱交換器の一例示的な実施形態を示している。
【図４８】図４８は、一つのチューブとフィンのアセンブリの横断面図である。
【図４９】図４９は、純アルミニウムの室温での熱拡散距離対時間を示すチャートである。
【図５０】図５０は、アルミニウム製熱交換器について、（ａ）稼働中、加熱パルスによって作動する場合と、（ｂ）冷却ポンプとファンをオフにした状態で加熱パルスによって作動する場合の、温度対時間を示すチャートである。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、同一出願人による同時継続中の米国仮特許出願第６０／５８１，９１２（２００４年６月２２日出願）、同第６０／６４６，３９４号（２００５年１月２４日出願）、同第６０／６４６，９３２号（２００５年１月２５日出願）の優先権の利益を主張する。上記出願および特許はすべて、参考により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
氷を表面から剥がすことは、例えば、固定された、あるいは野外で使用される設備（航空機、送電線、道路、屋根等）の除氷、稼働中に氷が形成される設備（熱交換器、冷凍庫等）や製氷装置の除氷等のアプリケーションにおいて重要である。
【０００３】
従来の住宅用、業務用製氷機では、氷は冷却板あるいはグリッドによって冷却された水からゆっくりと成長してゆく。氷の成長が完了すると、冷却板／グリッドが氷の融点より上へゆっくりと加熱されて、氷を解放する。この加熱ステージでは、エネルギーと時間の両方が消費され、製氷機の効率と生産性が低減する。その上、製氷機ハードウェアおよび成長した氷を、氷の成長温度から氷の融点まで暖めるには、著しい熱流量が必要になる。そして、製氷機ハードウェアを再冷却して新たな氷が成長し始めるまでには、さらに多くの時間とエネルギーが必要になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、製氷システムは、冷却板、誘電体膜、誘電体膜を通して冷却板によって冷却される金属薄ホイル、電源装置、および電源装置を金属薄ホイルに接続するように動作可能なスイッチを含む。金属ホイルに隣接する水が氷を形成し、その氷はスイッチが作動すると金属ホイルから解放される。スイッチの作動により、電源装置からの電流が金属薄ホイルを通過し、加熱パルスが発生して氷の界面層を溶かす。
【０００５】
一実施形態では、製氷システムは、冷却板、冷却板によって冷却される金属ホイル、電源装置、および電源装置を金属ホイルに接続するように動作可能なスイッチを含む。金属ホイルに隣接する水が氷を形成し、その氷はスイッチが作動すると金属ホイルから解放される。スイッチの作動により、加熱パルスが発生して金属ホイル上の氷の界面層を溶かす。
【０００６】
一実施形態では、製氷システムは、氷容器（ｉｃｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）、氷容器の底部内に配置されたキャピラリーチューブ、電源装置を有する。氷容器は冷却されると水を氷に変換する。電源装置はパルス加熱エネルギーを氷容器とキャピラリーチューブに印加する。このパルス加熱が氷容器内の氷の界面層を溶かし、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させて、氷を氷容器から排出させる。
【０００７】
一実施形態では、蒸発除氷システムは、除氷対象物上に配置された抵抗膜、キャピラリーのアレイであって、それぞれが開口端を有しており、除氷対象物の表面と同一平面にある、キャピラリーチューブのアレイ、および電源装置を含む。電源装置はエネルギーを抵抗膜に供給してそこにパルス加熱エネルギーを発生させ、またエネルギーをキャピラリーチューブに供給してキャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、除氷対象物から氷を排出させる。
【０００８】
一実施形態では、蒸発除氷システムは、除氷対象物の表面に配置された抵抗膜、多孔質金属ホイルのストリップ、および電源装置を有する。電源装置はエネルギーを抵抗膜と多孔質金属のストリップに供給する。抵抗膜内にパルス加熱エネルギーが発生し、抵抗膜に隣接する氷の界面層が融解する。氷は多孔質金属のストリップ内で蒸発し、その氷は除氷対象から排出される。
【０００９】
一実施形態では、冷蔵庫の除氷システムは、アコーディオン型表面の熱交換器、流動冷却剤を有するウォールパイプ、および電源装置を有しており、電動装置のスイッチにより、熱交換器をパルス加熱し、熱交換器から氷を取り除く。
【００１０】
一実施形態では、熱交換器の除氷システムは、ベースチューブ、ベースチューブに取り付けられた複数のフィン、電源装置、および電源装置をベースチューブに接続するスイッチを含む。このスイッチは電流パルスをベースチューブに送る働きをする。ジュール加熱によりベースチューブとフィンの温度が上昇し、そこに付着している氷を溶かす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
米国特許出願第１０／３６４，４３８号は、パルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）について記載する。ＰＥＴＤは、例えば、物体と氷の間の接触面（本文書中では「氷−物体接触面」とも呼ばれる）の界面氷を熱変形させることにより、氷の除去を行う。加熱エネルギーをこの接触面に加え、氷の界面層を溶かすことができる。そのようなアプリケーションは、接触面に加えられる熱エネルギーの熱拡散距離が氷の界面層厚さ以下の氷の範囲に留まるようにするために、持続期間が限られ得る。
【００１２】
界面氷は、高出力の加熱パルスを氷と氷が付着している物体の接触面に加えることにより、ほとんどすぐに溶ける。一定の出力密度Ｗ（単位ワット／ｍ２）が接触面に加えられると、ΔＴ度でその接触面を加熱するために必要なエネルギーＱ（単位ジュール）は、出力密度Ｗにほぼ反比例する。従って、非常に高い出力密度Ｗを、除氷対象となる接触面へ加えることにより、エネルギーＱは従来の（低〜中出力の）電熱除氷装置が消費するエネルギーに比べて低減する。概して、非常に高い出力密度Ｗを使うことによって、最高９９％の加熱・再冷却エネルギーを節約することができる。
【００１３】
だが、このＱ∝１／Ｗによるエネルギー保存の法則を使用しても、Ｑが無限に低下するわけではない。というのは、Ｑが小さくなると接触面の再凍結にかかる時間が減少するからである。界面の再冷凍が早くなるため、氷の再捕集または再生成には役立つが、ＰＥＴＤを使用する場合は、重力、空気抵抗力、機械的かき取り等、何らかの力によって、氷を表面から迅速に取り除かなければならない。
【００１４】
氷を取り除かないと、接触面は、外気温、パルス幅、気質特性などに応じて、ミリ秒からおよそ３０秒の間に再凍結する。接触面が再凍結するため、例えば飛行機の翼のよどみ線、道路の水平表面、空港の滑走路、冷蔵庫の熱交換器、平屋根等、氷を除去する力がほとんど、あるいは、全くない場所でのアプリケーションにおいては、ＰＥＴＤの利用は制限される。
【００１５】
（ＰＥＴＤを利用した製氷システム）
氷の融解は製氷にも利用できる。すなわち、アイスキューブとそのアイスキューブが入っているアイストレーの間の氷の界面層を溶かすことにより、キューブをより簡単に取り除くことができる。ＰＥＴＤを用いて氷の採収を促進する製氷システムについて、次に記載する。
【００１６】
図１と図２は、パルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）を用いた典型的な製氷システム１０（１）を示している。システム１０（１）では、氷５（１）は、薄い誘電体膜１６（１）によって冷却板１２（１）に付けられたホイル１８（１）上に形成される。冷却板１２（１）は、例えば、コンジット１４を通る液体によって冷却される。氷５（１）は、ホイル１８（１）を通って上から下に流れる水（図示されていない）から成長する。ホイル１８（１）は例えば、金属薄ホイルである。ホイル１８（１）は、冷却板１２（１）によって、薄い誘電体膜１６（１）、例えば薄い誘電体層、を通して冷却される。氷５（１）は、例えば、冷却板１２（１）が水平位置にある場合は、ホイル１８（１）で作られた容器を満たす水から生成されることもある。十分な氷が生成されたら、電源２２をホイル１８（１）に接続するスイッチ２０を閉じることにより、加熱電流パルスがホイル１８（１）に印加される。このパルスは、ホイル１８（１）に隣接する界面氷を融解し、氷５（１）は、ホイル１８（１）から剥離することができる。氷５（１）は、例えば、製氷システム１０（１）の下にある容器（図示されていない）にたまり得る。
【００１７】
電源２２は、普通のＡＣ電源出力、あるいはＤＣ電源装置（電池、コンデンサ、ウルトラコンデンサ（ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ）等）であり得る。スイッチ２０は、半導体スイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等）、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいは上記のどれかの組合せであり得る。
【００１８】
一実施形態では、印加電圧および電流は、（ホイル１８（１）面積に対して）およそ１ｋｗ／ｍ２から５００ｋｗ／ｍ２の範囲の加熱出力密度を提供する。電源２２は、ホイル１８（１）の電気抵抗に応じて、約２．５Ｖから約１０００Ｖの電圧でＡＣあるいはＤＣを発生させ得る。ホイル１８（１）は、スパッタリング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、電解プロセス、および／または、薄い金属膜を作る他のプロセスによって形成され得る。
【００１９】
一実施形態では、ホイル１８（１）の厚さは、約０．５μｍから約１ｍｍの範囲であり得る。一部の実施形態では、ホイル１８（１）は、導電ペイント、導電性高分子フィルム、炭素繊維複合材、あるいはカーボンナノチューブ複合材などで形成され得る。
【００２０】
誘電体膜１６（１）は、ホイル１８（１）を冷却板１２（１）から電気的に絶縁する。誘電体膜１６（１）は、例えば、セラミック、ガラス、ゴム、ポリマー、複合材料などの誘電物質、および／または、その他の誘電物質で作られ得る。一般的に、誘電体薄膜１６（１）の厚さは、およそ１０μｍから２ｍｍの範囲である。加熱パルス幅は、一般的に、１ｍｓから３０ｓの範囲である。ただし、１ｍｓから１０ｓの範囲で十分であり得る。
【００２１】
システム１０（１）の稼働は、電力量消費を最低限にし得、氷５（１）とホイルの間の接触面が再凍結する前に、氷５（１）がホイル１８（１）と冷却板１２（１）から外れるための十分な時間が与えられるように最適化され得る。システム１０（１）の稼働のために最適化され得るパラメータは、例えば、
ａ） 冷却板１２（１）温度
ｂ） 誘電体膜１６（１） 厚さ、密度、熱容量、熱伝導率
ｃ） 金属ホイル／膜１８（１） 厚さ、密度、電気抵抗、熱容量
ｄ） 氷５（１） 密度、融解潜熱、熱容量、熱伝導率
ｅ） 融解層厚
ｆ） 融解層再凍結時間
ｇ） 加熱出力密度。
【００２２】
図３と図４は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（２）を示している。システム１０（２）は、冷却板１２（２）と誘電体膜１６（２）を有しており、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０は、システム１０（１）の中の、似た番号の項目と同じである。システム１０（２）では、アイス「キューブ」５（２）（幾何学的意味のキューブ（立方体）である場合とそうでない場合がある）は、アイスの生成のためのポケット１９（１）を形成するように加工されたホイル１８（２）の上に形成される。ポケット１９はホイル１８（２）の上から流れる水で満たされ得、あるいは、冷却板１２（２）が水平の場合は、ポケット１９は、静水で満たされ得る。水はまず冷却板との熱的接触が最善な各ポケットの表面で凍結し始め得る。ポケット１９（１）で十分な氷が形成されたら、加熱電流パルスがヒーターホイルを加熱して界面氷を融解し、アイス「キューブ」５（２）は、ポケット１９（１）から剥離することができる。そして、氷の凍結と解放の循環が繰り返される。
【００２３】
図５と図６は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（３）を示している。システム１０（３）は、冷却板１２（３）と誘電体膜１６（３）を有しており、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０は、システム１０（１）と１０（２）の中の、似た番号の項目と同じである。製氷システム１０（３）では、変厚の誘電体膜１６（３）が、ホイル１８（３）の上で成長する氷５（３）から冷却板１２（３）へと向かう熱流束を調節する。誘電体膜１６（３）は、熱伝導率が低く、そのため膜１６（３）が薄い部分（例えば氷５（３）がある場所）では熱流束は大きくなり、膜１６（３）が厚い部分（例えば場所１７）では減少する。氷の成長率は、冷却板１２（３）にしみ込む熱流束と、冷却板１２（３）の上から下へと流れる水からの熱流束の差に比例する。場所１７では膜１６（３）は厚く、流れる水がもたらす熱のほうが冷却板１２（３）にしみ込める熱より多く、氷の成長が妨げられる。氷５（３）が望ましい厚さに成長すると、図６に示されるように、加熱パルスが氷５（３）を解放する。
【００２４】
当然のことながら、誘電体膜の厚い部分は、冷却板の溝の中に形成され得る（図５と図６の場所１７のように）、あるいは隆起した誘電体の表面から形成され得る、あるいはそれらの組み合わせであり得る。誘電体の特定の形態に応じて、半球体、半円柱、長方形、棒状、星形等の氷形状を生成することが可能である。金属ホイル１６（３）が非常に薄いが熱伝導率が比較的低い場合（ステンレス鋼等）、横方向の熱流束（ホイル沿い等）は制限され、隣接する氷形状の間に氷の無い空間ができることになる。金属ホイルが厚く、および／または熱伝導率が高い場合は、横方向の熱流束は、ホイル部分全体の氷の成長率を均等化することができ、氷形状がまとまって凍結することになる。
【００２５】
製氷システム１０（１）、１０（２）、１０（３）には多くの利点があるが（例えば、可動部品がない、氷の解放が迅速、エネルギー消費量が低い、氷がほとんど絶え間なく成長する等）、欠点もいくつかある。欠点の一つは、冷却板を金属ホイルから電気的に分離する誘電体膜が、氷の成長に必要な熱交換をも妨げることである。一般的に、誘電体膜１６（１）、１６（２）、１６（３）のような誘電体膜の熱抵抗は、氷０．５ｍｍから２ｍｍの熱抵抗に等しい。従って、氷が成長する各サイクルにおいて、その誘電体膜の存在によって０．５ｍｍから２ｍｍの氷厚が失われることになる。また加熱パルスの間、少量の熱が誘電体膜を通って冷却板に逃げるため、総電力需要が増大する。製氷システム１０（１）、１０（２）、１０（３）のもう一つの欠点である可能性があるのが、ホイル１８の熱膨張係数（ＣＴＥ）と誘電体層１６のそれの差であり得る。これら二つのＣＴＥがつり合って、加熱パルスによる大きな界面応力の誘発を避けるか、誘電体層１６の弾性係数が低くなり、熱的に誘発される応力を制限しなければならない。
【００２６】
図７から図１２に示される製氷システムは、誘電体層１６を取り除くことにより、上記の欠点を除去している。例えば図７と図８は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（４）を示している。システム１０（４）は、冷却板１２（４）、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０を有しており、それらは、システム１０（１）、１０（２）、１０（３）の中の、似た番号の項目と同じである。製氷システム１０（４）は製氷システム１０（１）と似ているが、ただし、（ａ）システム１０（４）には誘電体膜がない、そして（ｂ）システム１０（４）には、冷却板１２（４）とホイル１８（４）の間に密閉された空間１５（１）がある。空間１５（１）は、交互に真空になったり、空気で満たされたりする。空間１５（１）が真空になると、大気圧によってホイル１８（４）が冷却板１２（４）に押し付けられ、熱接触が行われ、氷がホイル１８（４）の上に生成され得る。氷を採収するには、空間１５（１）にポンプで空気が注入され、冷却板１２（４）とホイル１８（４）の熱接触が分離・中断される。例えば、円筒内を移動し、電磁石によって駆動されるピストンをシステム１０（４）用のポンプとして使うことができる。他のポンプをこの用途に使ってもよい。空気によってホイル１８（４）が冷却板１２（４）から分離されるとき、図８の矢印Ａで示される空隙の寸法は、およそ１０μｍから２ｃｍの範囲であり得る。冷却板１２（４）とホイル１８（４）が分離された後、加熱パルスがホイル１８（４）に印加され、界面氷を溶かす。そのとき、氷５（４）が氷採集器に滑り落ちる。
【００２７】
図９と図１０は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（５）を示している。システム１０（５）は、冷却板１２（５）と隣接する空間１５（２）、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０を有する。それらは、システム１０（１）〜１０（４）の中の、似た番号の項目と同じである。システム１０（５）はシステム１０（４）と似ているが、ただし、ホイル１８（５）がアイス「キューブ」５（５）が成長するためのポケット１９（２）を形成している。ポケット１９（２）は、装置上部から流れる水で満たされ得るか、あるいは、冷却板１２（５）が水平な場合は、予め静水で満たされ得る。空間１５（２）にポンプで空気を注入・排出することで、ホイル１８（５）が冷却板１２（５）と熱接触したり、離れたりする。この熱接触が「オン」の時、システム１０（５）は氷を生成し、加熱パルスがホイル１８（５）に印加される直前に「オフ」になり、アイス「キューブ」５（５）が解放される。
【００２８】
図１１と図１２は、ＰＥＴＤを用いたもう一つの典型的な製氷システム１０（６）を示している。システム１０（６）は、冷却板１２（６）と隣接する空間１５（３）、そしてコンジット１４、電源２２、スイッチ２０を有しており、それらは、システム１０（１）〜１０（５）の中の、似た番号の項目と同じである。システム１０（６）では、冷却板１２（６）とホイル１８（６）の間の熱交換は、冷却板１２（６）の中に作られている溝２４によって調節されている。溝２４は、システム１０（３）（図５と図６）の作用と似た方法で、その場所の氷の成長率を変える。図５と図６に関してすでに述べたように、熱交換を調節することによって、半球体、立方体、星形等、色々な形の氷を生成することができる。図７〜図９のシステムについて述べたのと同様の方法で、空気注入システム（図示されていない）を、電源２２、スイッチ２０、ホイル１８（６）によって形成されるパルス除氷システムと連携して作動させ、ホイル１８（６）を冷却板１２（６）から分離させてから加熱パルスでアイス「キューブ」５（６）を解放することができる。
【００２９】
（実例１：）
一実例から、図１と図２に示されたシステム１０（１）の具体的な（限定されない）仕様および性能パラメータを提供する。以下のパラメータがこの計算の入力に使われている。
【００３０】
【表１】
システム１０（１）の性能パラメータの計算には、以下の方程式が使われた。氷の熱拡散係数Ｄｉは以下のように計算する。
【００３１】
【数１】
エポキシ樹脂の熱拡散係数Ｄａは以下のように計算する。
【００３２】
【数２】
エポキシ樹脂の熱拡散距離Ｌｄ（ｔ）は以下のように計算する。
【００３３】
【数３】
氷の熱拡散距離Ｌｉ（ｔ）は以下のように計算する。
【００３４】
【数４】
図１３は、製氷システム１０（１）について、エポキシ樹脂における熱拡散距離Ｌｄ（ｔ）および氷における熱拡散距離Ｌｉ（ｔ）のパルス幅ｔへの依存性を示している。１〜３秒のパルス幅によって、エポキシと氷それぞれにおける熱拡散が２ｍｍ以内に制限されると思われる。パルスが短いほど、熱拡散の距離は短く制限される。
【００３５】
後に接触とヒーターを０Ｃに加熱し、氷の層を融解層厚ｌｍで融解するために使われる総エネルギー量Ｑは、エネルギー保存の法則を使って計算することができる。中間パラメータは以下のように定義できる。
【００３６】
【数５】
要求融解氷層厚ｌｍを達成するために必要な加熱パルスエネルギーＱは、以下のように計算する。
【００３７】
【数６】
パルスエネルギーＱを提供するために必要なパルス幅ｔは、以下のように計算する。
【００３８】
【数７】
氷が冷却板１２（１）から採収される時のクリーニングスピードＳｓは、以下のように計算される。
【００３９】
【数８】
氷が冷却板１２（１）から採収するために必要なクリーニング時間Ｔは、以下のように計算される。
【００４０】
【数９】
本実例に示されるように、加熱パルスエネルギーＱの５０％以上が界面氷の融解に使われており、それより少量のエネルギーが冷却板１２（１）、誘電体膜１６（１）、ホイル１８（１）の加熱と、氷５（１）の加熱（すなわち、隣接する氷５（１）の温度を初期値である−１８Ｃ以上に上げるが、融解させない）によって消費されている。
【００４１】
図１４は、製氷システム１０（１）について、１平方メートル当たりのＱとＷの
【００４２】
【数１０】
総エネルギー量Ｑの出力Ｗへの依存性を示している。方程式５と方程式６から、当然のことながら、Ｗの値が高いほど、Ｑの値が小さくなる。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが約２・１０４まで増大するとＱは劇的に低下する。図１５は、製氷システム１０（１）について、クリーニングスピードＳｓの出力Ｗへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ＳｓはＷとともに増大する。図１６は、製氷機１０（１）について、クリーニング時間Ｔの出力Ｗへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが約
【００４３】
【数１１】
まで増大するとＱは低下する。
【００４４】
製氷作業のためのもう一つのパラメータは、融解した氷接触面の再凍結時間である。再凍結時間は、融解した接触面が氷の採集を促進する期間を決定し得る（例えば、接触面の融解によって氷が落下することができるため）。再凍結時間ｔｒは、製氷システム１０（１）については、融解した部位の融解潜熱ｑｌａｔｅｎｔが、隣接する氷５（１）の中に吸い込まれ、ホイル１８（１）と誘電体層１６（１）を通って冷却板１２（１）へ消えてゆく時に再凍結が起こると仮定して計算できる。中間パラメータは以下のように定義できる。
【００４５】
【数１２】
再凍結時間ｔｒは、以下のように計算できる。
【００４６】
【数１３】
図１７は、製氷システム１０（１）について、誘電体厚ｄが０．２ｍｍの場合の、再凍結時間ｔｒの出力密度Ｗへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが増大するとｔｒは減少する（例えば、図１４で見られたように、所定の融解氷層厚ｌｍについて、Ｗの値が高いほど、Ｑの値が低下するので、Ｗの値が高いほど、再凍結時間も低下する）が、Ｗの値が約１０５ワット／ｍ２になるまでずっと、ｔｒは２秒以上の長さに留まっている。図１８は、製氷システム１０（１）について、再凍結時間ｔｒの誘電体厚ｄへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ｄが増大すると、ｔｒが増大する。図１９は、製氷システム１０（１）について、誘電体厚ｄが０．２ｍｍの場合の、再凍結時間ｔｒの融解層厚ｌｍへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ｌｍが増大すると、ｔｒが増大する。
【００４７】
実例１について最適化パラメータとして選ぶことができる、いくつかのパラメータは以下の通り。
【００４８】
【表２】
（実例２：）
一実例から、図７と図８に示されたシステム１０（４）の具体的な（限定されない）仕様および性能パラメータを提供する。以下のパラメータがこの計算の入力に使われている。
【００４９】
【表３】
氷と空気の熱拡散係数Ｄｉ、Ｄｄと熱拡散距離Ｌｉ（ｔ）、Ｌｄ（ｔ）は、表３に列記された定数および変数を使って、上記の方程式１〜方程式４の通り計算される（空気の特性は、下付き文字ｄで示される）。
【００５０】
図２０は、実例２について、Ｌｄ（ｔ）とＬｉ（ｔ）のパルス幅ｔへの依存性を示している。１〜３秒のパルス幅によって、熱拡散を２ｍｍ以内に制限されると思われる。パルスが短いほど、熱拡散の距離は短く制限される。
【００５１】
製氷中はホイル１８（４）が冷却板１２（４）に接触しているが、氷の採集中は空隙により冷却板１２（４）への熱伝達が減少するので、空隙を製氷システム１０（１）〜１０（３）の誘電体膜１６より広く設定することが可能である。そのような空隙は、例えばミリメートル程度である。接触面とヒーターを０Ｃに加熱し、氷の層を融解層厚ｌｍで融解するために使われる総エネルギー量Ｑ、パルス幅ｔ、クリーニング速度Ｓｓ、クリーニング時間Ｔは、上記方程式５〜方程式１０を使い、表３に列記された定数および変数を使って計算できる。
【００５２】
図２１は、製氷システム１０（４）において、空隙２ｍｍの場合の、総エネルギー量Ｑの出力密度Ｗへの依存性を示している。実例２で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが約２・１０４まで増大するとＱは低下する。
【００５３】
図２２は、総クリーニング時間Ｔの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【００５４】
図２３は、クリーニング速度Ｓｓの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【００５５】
再凍結時間ｔｒは、製氷システム１０（４）については、融解した部位の融解潜熱ｑｌａｔｅｎｔが、隣接する氷５（４）の中に吸い込まれ、ホイル１８（４）と空隙を通って冷却板１２（４）へ消えてゆく時に再凍結が起こると仮定して計算できる。中間パラメータと再凍結時間ｔｒは、上記方程式１１〜方程式１４を使い、表３に列記された定数および変数を使って計算できる。
【００５６】
図２４は、再冷凍時間ｔｒの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。実例２で使われている定数の値を考慮すれば、Ｗが増大するとｔｒは低下する。（例えば、図２１で見られたように、所定の融解氷層厚ｌｍについて、Ｗの値が高いほど、Ｑの値が低下するので、Ｗの値が高いほど、再凍結時間も低下する）が、Ｗの値が約１０５ワットになるまでずっと、ｔｒは２秒以上の長さに留まっている。図２５は、再冷凍時間ｔｒの誘電体厚ｄへの依存性を示している。実例１で使われている定数の値を考慮すれば、ｄが増大すると、ｔｒが増大する。図２６は、再冷凍時間ｔｒの融解層厚ｌｍへの依存性を示している。実例２で使われている定数の値を考慮すれば、ｌｍが増大すると、ｔｒが増大する。
【００５７】
実例２について最適化パラメータとして選ぶことができる、いくつかのパラメータは以下の通り。
【００５８】
【表４】
システム１０（１）（誘電体膜１６（１）を使用）とシステム１０（４）（空隙を使用）の予想性能を比較すると、システム１０（４）は、氷解放プロセス中は同量のエネルギーを消費するが、再凍結前の、氷が冷却板から滑り落ちる時間はより長い。それでもシステム１０（１）もシステム１０（４）も、氷解放プロセス中の平均消費電力は従来の製氷機のそれより少ない。例えば、図１から図４に示されるようなシステム（厚さ２．５ｃｍの氷と厚さ２．５ｃｍのアルミ製冷却板）は、氷の融点までゆっくり加熱されたとすると、冷却板と氷接触面を加熱して同量の氷融解を引き起こすために必要な最小エネルギーは、
【００５９】
【数１４】
、それに対して、システム１０（１）およびシステム１０（４）が使うのは
【００６０】
【数１５】
である。従って、氷を解放する際、システム１０（１）およびシステム１０（４）のほうが従来技術より約２０倍経済的であり得る。
【００６１】
図３および図４に描かれたデザインの製氷機の実験プロトタイプが作られた。試験では、加熱パルスが印加されると、ほとんど即座に氷が解放された。実験的に観察された他の特徴は、上記実例１に示されたものに非常に近かった。
【００６２】
従来の製氷機は、概して氷を採集した後、冷却板を再冷却しなければならず、従って、サイクル当たりの使用エネルギーがさらに多いが、システム１０（１）から１０（６）では、冷却板１２（１）〜１２（６）が採集中も冷えたままなので、氷の採集後、およそ数秒で氷の成長が再開できる。
【００６３】
（ＰＥＴＤを利用した熱交換器）
熱交換器は、熱質量間の熱を移転させる働きをする。ある熱交換器形態では、循環する冷却剤によって冷却される熱交換器表面の近くを空気が循環する。空気の熱は冷却剤に奪われる。冷却剤の温度が十分に低くなると、表面上に氷ができ、表面と空気の熱交換を妨げる。熱をできる限り加えずに、そのような氷を取り除くことが好ましい。空気との熱交換を再開するために、加熱された表面は再冷却される必要があるからである。
【００６４】
図２７は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器４０の斜視図である。熱交換器４０は、例えば、金属あるいは導電性・熱伝導性ポリマーで形成されている。面４４（１）と４４（２）は循環する冷却剤によって冷却されている。空気は矢印５２の方向に循環し、冷却面４２、４６（１）、４６（２）、そしてこの図では隠れている面４２と面４４（２）の反対側の対応する冷却面を通過する。熱は空気から熱交換器の冷却面へと伝わり、それから冷却剤へ伝わる。冷却面上に氷ができる。薄膜の凍結検知器４３が一つまたはそれ以上の冷却面、例えば冷却面４２に付いており、氷、および／または霜の存在を検知したり、氷または霜の厚さを測ったりし得る。上面４８と底面５０は、断熱されており、そこには氷が形成しないようになっている。
【００６５】
図２８は、熱交換器４０の上面図で、氷５（７）が堆積しており、電源５４とスイッチ５６に接続している。作動中、熱交換器４０は空気を冷却し、氷５（７）を堆積させ得る。それからスイッチ５６が閉じ得、加熱電流パルスを熱交換器４０に送る。加熱パルスの出力と幅は、パルスからの著しい熱が、氷５（７）および熱交換器４０の冷却面の中に消散してゆく前に、氷-物体接触面を融解するよう制御することができる。熱交換器４０が垂直方向を向いている場合は（例えば、図２７、２８の通り）、加熱パルスが印加された後、氷５（７）は重力によって熱交換器４０から滑り落ちる。
【００６６】
図２９は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器６０を示している。熱交換器６０は、熱が空気から冷却剤へと伝わる風洞６２を形成し、空気は入口６４で熱交換器６０に入り、出口６６で熱交換器６０から出る。破線３０−３０は、図３０にある断面の頂面を示している。
【００６７】
図３０は、熱交換器６０の断面図で、図２９中の破線３０−３０から真っすぐに下に伸びた平面を取り上げたものである。空気は熱交換器６０の中を通って、矢印６４の方向に流れる。冷却面６３は、風洞６２の側面を形成し、図のように断熱層６８が各風洞６２の上部と底部を断熱している。各冷却面６３は、スイッチ７４を通して電源装置７２と接続している（図では明瞭に説明するために、冷却面６３が一つだけ接続している）。
【００６８】
作動中、熱交換器６０は空気を冷却し、冷却面６３上に氷５（８）を堆積させ得る。それからスイッチ７４が閉じ得、加熱電流パルスを各冷却面６３に送る。加熱パルスの出力と幅は、パルスからの著しい熱が、氷５（８）、冷却剤、そして冷却面６３の中に消散してゆく前に、氷-物体接触面を融解するよう制御される。熱交換器６０が垂直方向を向いている場合は（例えば、図２９および３０の通り）、加熱パルスが印加された後、氷５（８）は重力によって冷却面６３から滑り落ち得る。
【００６９】
当然のことながら、熱交換器４０と６０の変更は、本開示の範囲内である。例えば、熱交換器４０の冷却面の形状は、図２７と２８に示される形状とは異なる形にできる。冷却剤は熱交換器４０のチューブあるいは導管を流れてもよい。冷却面を電源装置に接続する代わりに、加熱ホイルあるいは膜を、熱交換器４０あるいは６０の冷却面に隣接する誘電体層に配置することができる。加熱ホイルあるいは膜と冷却面との間の空間を密閉し、この空間は交互に、真空になって、加熱ホイルあるいは膜を冷却面と熱接触させたり、氷の剥離の際には、加圧されて、加熱ホイルあるいは膜と冷却面の間に空隙を作ったりすることができる。冷却面はセクションを形成し（以下の考察のとおり）、そのようなセクションがスイッチや電源装置への電気的接続を形成し、すべてのセクションが同一時間に加熱パルスを受信しないようにすることができる。
【００７０】
（瞬間パルス電力対有効電力）
システム１０（１）〜１０（６）では、氷を解放するパルスによって消費される平均出力は非常に低い（例えば、６０ｗ／ｍ２、または冷却板１０００インチ２につき３９ｗ）が、短い加熱パルスに求められる出力（例えば、冷却板１０００インチ２につき６．６ｋｗから６５ｋｗ）は、一部の電源装置については継続的な対応能力を超える可能性がある（例えば２ｋｗから３ｋｗ）。有効電力と求められるパルス電力を一致させるために、ヒーターホイル（または膜）を「セクション化」することができる。電源が入る時、個々のセクションが電源の容量に負荷をかけ過ぎることはないが、各セクションの徐氷がグリッド全体の徐氷の場合と同じ理論に従うため、総エネルギー需要は変わらない。セクションで氷が採集される時、総採集時間はパルス幅Ｘセクション数に等しい。エネルギー蓄積装置、例えば、ウルトラコンデンサ、スーパーコンデンサ、電解コンデンサ、電池等を使って、加熱パルス間の電気エネルギーを蓄積し、そのエネルギーを単一パルスとして再分配して、個々のセクションまたは冷却板全体の氷採集を促進することができる。
【００７１】
（パルス電気蒸発式徐氷）
システム１０（１）〜１０（６）では、ＰＥＴＤを有利に利用して、氷の採集に使われるエネルギー消費を減らしているが、パルス電気蒸発式徐氷（”ＰＥＥＤ”）は、エネルギー消費をさらに削減することができる。また、ＰＥＥＤにも氷の採集以外のアプリケーションがある。ＰＥＥＤシステムでは、氷−物体接触面の一部または全てが、水の沸点以上に急激に加熱される。その加熱により、接触面が融けるだけでなく、高圧の水蒸気が発生し、氷を物体から引き離す。加熱時間が非常に短いため、氷と基質での熱拡散が制限され、そのため総エネルギー需要が低減する。氷を集める面とヒーターの形状によっては、氷を蒸発させるのに必要な熱を少量で集中させることができ、氷の剥離に使われるエネルギーが削減される。理論計算と実験結果から、ＰＥＥＤシステムのほうがＰＥＴＤシステムより高い作業温度に達するにも関わらず、ＰＥＥＤを利用したシステムは、ＰＥＴＤを利用したシステムよりもエネルギー消費がさらに少なくなり得ることが証明されている。
【００７２】
図３１は、水蒸気の平衡圧の温度への依存性を示しており１００℃以上という中程度の水の過熱でも、水蒸気の圧力は非常に高くなる。例えば、Ｔ＝１２０℃、Ｐ＝２ａｔｍで、２ａｔｍの圧力が１ｃｍ厚さの氷を押すと、氷は
【００７３】
【数１６】
のレートで加速する。
【００７４】
以下はＰＥＥＤの理論である。ＰＥＥＤは、基質と薄い加熱素子を利用する。氷は加熱素子の上に成長し、システム全体は水の氷点下の大気温度である。過加熱素子に印加された熱電流パルスが、氷-物体接触面（例えば、金属ヒーターが氷と交わる所）を水の沸点以上に加熱し、蒸発した水が残りの氷を加熱素子から押し除く。加熱パルス幅が十分に短くあり得るため、熱が著しく基質および／または残りの氷に拡散することはない。
【００７５】
図３２Ａは、パルス除氷システム７５を図式的に示したものである。システム７５には、基質８０と加熱素子８２が含まれ、加熱素子８２に氷-物体接触面８４を形成する氷５（９）とともに示されている。図３２Ｂは、加熱パルスが加熱素子８２に印加された後のパルス除氷システム７５を示したものである。図３２Ａの氷-物体接触面８４で作られた水蒸気からの圧力が、加熱素子８２と氷５（９）の間に空間８６を作り出す。
【００７６】
ＰＥＥＤの加熱素子（例えば加熱素子８０）は、金属ホイル、金網、金属薄膜、ＩＴＯ膜、半導体膜、炭素繊維網、カーボンナノチューブ網、炭素繊維、カーボンナノチューブ伝導性複合材、多孔質導体ホイル、導電ペイント等でできている。ＰＥＥＤ加熱素子の厚さは、１０ｎｍから約１ｍｍ程度であり得る。加熱電流パルスの幅は、約１μｓから約１００ｓであり得、通常は１ｍｓから１ｓである。加熱出力密度は、約１０ｋＷ／ｍ２から約１０ＭＷ／ｍ２であり得、通常は１００ｋＷ／ｍ２から約１ＭＷ／ｍ２である。
【００７７】
（実例３：）
図３３は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用した、ある製氷システム１００（１）の断面図である。製氷システム１００（１）は、氷容器１０２（１）とキャピラリーチューブ１０４（１）を有しており、両方とも、例えばステンレス鋼製であり得る。氷容器１０２（１）とキャピラリーチューブ１０４（１）は水で満たされ、それが凍結して主要部分の氷５（１０）とキャピラリーチューブ部分の氷５（１１）を形成する。容器１０２（１）は、錐台のような形をしている。
【００７８】
製氷システム１００（１）は、二つの電源装置１０８と１１０によって作動し、それぞれ二つのスイッチ１１２と１１４によってオンオフされる。製氷システム１００（１）から氷が採集される時には、まずスイッチ１１４が閉じ、第一の加熱パルスを氷容器１０２（１）に供給し、それからスイッチ１１２が閉じ、第二の加熱パルスをキャピラリーチューブ１０４（１）に供給する。第一の加熱パルスには、少なくとも氷容器１０２（１）と氷部分５（１０）の間の界面氷層を融解するだけのエネルギーがある。第二の加熱パルスには、キャピラリーチューブ部分の氷５（１１）の一部または全てを蒸発させるだけのエネルギーがある。キャピラリーチューブ部分の氷５（１１）の一部または全ての蒸発によって生じる圧力は、氷部分５（１０）を氷容器１０２（１）から押し出す。第一と第二の加熱パルスの幅はともに、氷部分５（１０）が氷容器１０２（１）から押し出される前に、そこへ熱が著しく拡散しないよう、十分に短くなっている。電源装置１１２と１１４はそれぞれ、適切な加熱エネルギーをキャピラリーチューブ１０４（１）と氷容器１０２（１）へ提供するような形態になっており、氷容器１０２（１）へ供給された熱が、必要とされる熱を著しく超えることなく界面氷層を融解でき、また、キャピラリーチューブ１０４（１）へ供給された熱が、必要とされる熱を著しく超えることなく氷部分５（１０）を放出できるようになっている。
【００７９】
図３４は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用した、ある製氷システム１００（２）の断面図である。製氷システム１００（２）には、氷容器１０２（２）とキャピラリーチューブ１０４（２）がついており、両方とも、例えばステンレス鋼製であり得る。製氷システム１００（２）は、電源装置１１６によって作動し、スイッチ１１８によってオンオフされる。スイッチ１１８が閉じると、単一の加熱パルスが氷容器１０２（２）と氷部分５（１２）の間の界面氷を融解し、キャピラリーチューブ１０４（４）内の氷部分５（１３）の一部または全てを蒸発させる。キャピラリーチューブ部分の氷５（１３）の一部または全ての蒸発によって生じる圧力は、氷部分５（１２）を氷容器１０２（２）から押し出す。氷部分５（１２）が氷容器１０２（２）から押し出される前に、そこへ熱が著しく拡散しないよう、加熱パルスの幅は十分に短くなり得、また氷容器１０２（２）とキャピラリーチューブ１０４（２）の電気抵抗の平衡が保たれ得る。
【００８０】
電源１０８、１１０および／または１１６は、普通のＡＣ電源出力、あるいはＤＣ電源装置、例えば電池、コンデンサ、ウルトラコンデンサ等であり得る。スイッチ１１２、１１４、１１８は、半導体タイプのスイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等）、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいは上記のどれかの組合せであり得る。電子論理回路は、加熱パルスの相対幅およびタイミングを制御するために使われ得る（例えば、スイッチ１１４を特定の期間閉じ、特定の遅延時間待って、その後スイッチ１１２を特定の期間閉じる、など）。
【００８１】
システム１００（１）の記載に準じた製氷システムが作られ、試験された。氷容器は０．１ｍｍのステンレス鋼で作られ、上面径２３．９ｍｍの錐台形であった。容器長さは２５．４ｍｍであった。ステンレス鋼製のキャピラリーチューブは、長さ１７ｃｍで、内径１．４ｍｍ、外径２．４ｍｍであった。一例では、０．９５秒、２２９ジュールの電流パルスがまず氷容器に印加された（例えば、電源１１０とスイッチ１１４を使用）。０．２秒後、０．１２５秒、８５９ジュールのパルスが印加され（例えば、電源１０８とスイッチ１１２を使用）、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させた。主要部分の氷が氷容器から押し出された。もう一つの例では、単一のスイッチ（例えばスイッチ１１８）を使って単一の加熱パルスを氷容器とキャピラリーチューブに供給した。やはり主要部分の氷が押し出された。
【００８２】
図３５は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用して、飛行機の翼の前縁１２２を除氷するパルス除氷システム１２０（１）を示している。システム１２０（１）には電源装置１２６、スイッチ１２８、キャピラリーチューブ１２４（この図ではキャピラリーチューブ１２４が一本だけ示されている）が含まれている。航空機の運行により、氷５（１４）がキャピラリーチューブ１２４内に形成し得、氷５（１５）が翼１２２に堆積する。システム１２０（１）は、スイッチ１２８を閉じて、加熱電流パルスが電源装置１２６からキャピラリーチューブ１２４の側面を通り、翼１２２を通って流れることにより、翼１２２を除氷することができる。加熱パルスは、翼１２２と氷５（１５）の間に形成された氷−物体接触面を融かし、氷５（１４）の少なくとも一部を蒸発させる。蒸発した氷からの蒸気圧が氷５（１５）を割り、再凍結する前に翼１２２から滑り落ちることができる。
【００８３】
図３６は、航空機の翼１２２の一部の斜視図である。一列に並んだキャピラリーチューブ１２４が翼１２２のよどみ線上に存在する。隣接するキャピラリーチューブ１２４同士の間隔は、全てのキャピラリーチューブ１２４が同時に加熱パルスを受け取った時、翼１２２全体に沿って氷５（１５）が割れるよう最適化され得る。
【００８４】
製氷システム１００（２）のように、キャピラリーチューブ１２４と翼１２２の相対的電気抵抗、また、電源装置１２６とスイッチ１２８によって供給される加熱パルスの出力と幅は、エネルギーの浪費を最低限にして氷-物体接触面を融かし、氷を割るように最適化することができる。あるいは、一つ目のスイッチと電源装置を利用して、氷５（１５）と翼１２２の間の氷-物体接触面が融解され得る。そして二つ目のスイッチと電源装置を利用して、一本またはそれ以上のキャピラリーチューブ１２４内の氷を蒸発させることができる（例えば、製氷システム１００（２）では電源とスイッチが一つだけ使われているが、製氷システム１００（１）では二つの電源装置とスイッチが使われているのと同じ）。さらに、小容量の電源装置１２６を利用するために、キャピラリーチューブと翼１２２をセクションに分け、一回に一つのセクションだけが除氷されるようにすることができる。翼１２２の金属を加熱素子として利用してもよいし、独立した加熱素子を利用してもよい。例えば、独立した加熱素子を、下に誘電体層をつけて、またはつけないで、航空機の翼に貼付けることができる（例えば、航空機の翼の伝導性が高すぎる、または低すぎて、加熱素子としての役割を効果的に果たさない場合）。
【００８５】
もう一つの実施形態では、一連のキャピラリーチューブの代わりに多孔質金属ホイル片が使われる。多孔質金属ホイルに空気中の水が染み込むため、孔は水で満たされる。加熱電流パルスが多孔質金属ホイルに印加されると、電流がホイルを水の沸点以上に加熱し、氷と翼の間に高圧の水蒸気が発生する。
【００８６】
（実例４：）
図３７Ａは、パルス電気蒸発式除氷システム１３０を図式的に示したものである。システム１３０には、基質１３２と加熱素子１３４が含まれ、加熱素子１３４に氷-物体接触面１３６を形成する氷５（１６）とともに示されている。加熱素子１３４には孔１３８がついており、それは氷５（１６）で満たされる。図３７Ｂは、加熱パルスが加熱素子１３４に印加された後のパルス電気蒸発式除氷システム１３０を示したものである。図３７Ａの氷-物体接触面１３６で作られた水蒸気からの圧力、そして特に孔１３８内で蒸発した水からの圧力が、加熱素子１３４と氷５（１６）の間に空間１４０を作り出す。
【００８７】
システム１３０の記載に準じたパルス除氷システムが作られ、試験された。厚さ０．３２ｍｍの多孔質ステンレス鋼ホイルが５３μｍから７５μｍの粒子で焼結された。ホイルには約１０μｍの孔がついていた。水がホイルの上に置かれ、Ｔ＝−１０℃で凍結され、その水の一部はホイルの孔の中に浸透し、凍結した。加熱密度１．７ｘ１０７Ｗ／ｍ２の２０ｍｓパルスが印加された。孔の中の氷は蒸発し、氷のシートをホイルから押し離した。
【００８８】
（加熱電気パルスによる熱交換フィンの除氷）
図３８は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器１５０を示している。熱交換器１５０では、冷却剤１５６（フロン、またはその他の液体）が冷却フィン１５４のついた冷却剤ダクト１５２内を流れ、それが熱交換面を形成し、熱を周囲の空気と交換する。冷却剤ダクト１５２はフィン１５４内に冷却剤が入っているように示されているが、一部の実施形態では、熱交換面が直管（チューブまたはパイプ）から横方向に伸びる冷却剤ダクトを持つものもある（例えば図４０を参照）。他の実施形態では、チューブまたはパイプが蛇行、またはジグザグ形状をとり、熱交換面を形成している（例えば図４２を参照）。冷却フィン１５４に形成される氷５（１７）は、パルス除氷で除去することができる。スイッチ１５８が閉じると、電源装置１６０は熱交換器１５０を通して加熱電流パルスを送る。加熱パルスは少なくともフィン１５４と氷５（１７）の間に形成された氷−物体接触面を融解する。この加熱パルスはまた氷５（１７）を全て融かすかもしれない。通常の単位面積当たり加熱密度は、約５ＫＷ／ｍ２から約１００ＫＷ／ｍ２である。電流量およびパルス幅は温度、流量、冷却剤特性等（例えば、密度、熱容量、熱伝導率等）に基づき調整される。通常のパルス幅は約０．１ｓから１０ｓである。電源装置１６０は普通のＡＣ電源出力、あるいはＤＣ電源装置、例えば電池、コンデンサ、ウルトラコンデンサ等である。スイッチ１５８は、半導体タイプのスイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等）、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいは上記のどれかの組合せである。加熱パルスの後も残っている固い氷５（１７）は、重力によって（例えば、氷５（１７）はフィン１５４から滑り落ちる）、あるいは、かき取り、振動、熱交換器１５０への送風などの機械的動作によって除去される。振動は、例えば、小型のモーターとクランクシャフト、電磁バイブレータ、または冷却剤１５６に圧力振動を誘発する等によって与えられる。
【００８９】
図３９は、冷却剤ダクト１７０を形成するために取り付けられるホイルワッシャ１７２の断面図である。冷却剤ダクト１７０は、例えば、冷却剤ダクト１５２として使うことができる（図３８参照）。ホイルワッシャ１７２は、例えば、４ミルのステンレス鋼ホイルワッシャで、内径１インチ、外径３インチ、そして外縁１７４と内端１７６で、はんだ付け、またはスポット溶接され得る。こうして各ワッシャ１７２が熱交換面を形成する（例えば、二枚のワッシャが一枚の冷却フィン１５４（図３８）を形成する）。
【００９０】
図４０は、冷却剤ダクト１８０を形成するために直管１８４に取り付けられるホイルワッシャ１８２の断面図である。冷却剤ダクト１８０は、例えば、冷却剤ダクト１５２として使うことができる（図３８参照）。ホイルワッシャ１８２は、例えば、４ミルのステンレス鋼ホイルワッシャで、内径１インチ、外径３インチ、そして外縁１８６と内端１８８で、はんだ付け、またはスポット溶接されて得る。ワッシャ１８２はパイプ１８４にもはんだ付け、または溶接され得る。こうして二枚のワッシャ１８２が一枚の冷却フィン（例えば、冷却フィン１５４（図３８））を形成する。パイプ１８４とワッシャ１８２の相対的肉厚は、図３８に示されるように、電流のパルスが誘導される時、それらが同じような加熱出力密度Ｗを持つように選択され得る。
【００９１】
図４１は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器１９０を示している。熱交換器１９０には、冷却フィン１９４のついた冷却剤ダクト１９２があり、それが熱を周囲の空気と交換する。冷却フィン１９４に形成される氷５（１８）は、パルス除氷で除去することができる。熱交換器１９０のＰＥＴＤ除氷は、熱交換器１７０と同じような仕組みである。スイッチ１９８が閉じると、電源装置１９６は熱交換器１９０を通して加熱電流パルスを送る。加熱パルスは少なくともフィン１９４と氷５（１８）の間に形成された氷−物体接触面を融解する。この加熱パルスはまた氷５（１８）を全て融かすかもしれない。
【００９２】
図４２は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器２００を示している。熱交換器２００には、冷却剤ダクト２０２があり、それが熱を周囲の空気と交換する。冷却剤ダクト２０２は蛇行型で、冷却剤が冷却剤ダクト２０２の湾曲部２０４を通って流れることで、熱交換面積を最大化する。冷却剤ダクト２０２に形成される氷（示されていない）は、ＰＥＴＤ除氷で除去することができる。スイッチ２０８が閉じると、電源装置２０６は熱交換器２００を通して加熱電流パルスを送る。加熱パルスは少なくともフィン２０４と氷の間に形成された氷−物体接触面を融解する。この加熱パルスはまた氷を全て融かすかもしれない。
【００９３】
当然のことながら、熱交換器１５０、１９０、２００の変更は、本開示の範囲内である。例えば、熱交換器１５０、１９０、２００の熱交換面は、図３８、図４１、図４２に示される形状とは異なる形にできる。ダクトおよび／または冷却フィンを電源装置に接続する代わりに、加熱ホイルまたは膜を、そのような面に隣接する誘電体層に配置することができる。加熱ホイルまたは膜と熱交換面との間の空間を密閉し、この空間は交互に、真空になって、加熱ホイルまたは膜を冷却面と熱接触させたり、氷の剥離の際には、加圧されて、加熱ホイルまたは膜と冷却面の間に空隙を作ったりすることができる。上記のとおり、熱交換面はセクションを形成し、そのようなセクションがスイッチや電源装置への電気的接続を形成し、すべてのセクションが同一時間に加熱パルスを受信しないようにすることができる。
【００９４】
薄肉の金属チューブやホイルのパルス加熱には、大電流（数百または数千アンペア）の場合を除き、低電圧（１Ｖから２４Ｖ）を有利に利用することができる。高電圧（例えば１２０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣ）の直接使用が好ましい時は、より高い電気抵抗が有利である。より高い電気抵抗は、ヒーター導電膜と冷却ダクトを分離することによって得られる。例えば、フィン付き熱交換器を陽極酸化アルミで作り、その（絶縁）陽極酸化層の上に、薄い、高抵抗性の加熱膜を塗布してもよい。加熱膜はＣＶＤ、ＰＶＤ、電解塗膜、または塗装により塗布することができる。
【００９５】
図４３は、パルス除氷を利用した製氷方法３００を示している。方法３００は、例えば、前述の製氷システム１０（１）から１０（３）の、いずれのシステムによっても、システムに付随するマイクロプロセッサの制御および作動などを通して実行され得る。方法３００のステップ３０２は、冷却板を冷やす（例えば、冷却板１２（１）〜１２（３）のいずれか）。ステップ３０６は、発熱素子（例えば、ホイル１８（１）〜１８（３）のいずれか）上に氷を凍結する。ステップ３１０は、加熱パルスを印加し、氷を解放する。方法３００は、ステップ３０６の結果、氷が目的の場所に到達したら（例えば、氷が容器に落ちるなどして）、ステップ３０６の後、再びステップ３０２へ戻ることができる。あるいは、方法３００は、機械的な力を加えて氷を除去するステップ３１２へ進むこともできる（例えば、氷をかき取る、氷を拾い上げる、風をあてて氷を動かす、など）。ステップ３１２は、例えば、システム中のマイクロプロセッサの制御下にある電気機械装置（送風機、スクレーパー）によって実行される。氷が目的の場所に到達したら、方法３００はステップ３０２へ戻り、再開する。
【００９６】
図４４は、パルス除氷を利用した製氷方法３２０を示している。方法３２０は、例えば、前述の製氷システム１０（４）から１０（６）の、いずれのシステムによっても、システムに付随するマイクロプロセッサ（および、必要に応じて、機械的アクチュエータ）の制御および作動などを通して実行され得る。方法３２０のステップ３０２は、冷却板を冷やす（例えば、冷却板１２（４）〜１２（６）のいずれか）。ステップ３０４は、冷却板と発熱素子（例えば、ホイル１８（４）〜１８（６）のいずれか）の間の空間（例えば、空間１５（１）〜１５（３）のいずれか）を真空にし、冷却板と発熱素子を熱接触させる。ステップ３０６は、発熱素子上に氷を凍結する。ステップ３０８は、その空間を加圧して、発熱素子と冷却板の間に空隙を作り出す。ステップ３１０は、加熱パルスを印加し、氷を解放する。方法３２０は、ステップ３６０の結果、氷が目的の場所に到達したら（例えば、氷が容器に落ちるなどして）、この時点で再びステップ３０２へ戻ることができる。あるいは、方法３２０は、機械的な力を加えて氷を除去するステップ３１２へ進むこともできる（例えば、氷をかき取る、氷を拾い上げる、風をあてて氷を動かす、など）。氷が目的の場所に到達したら、方法３２０はステップ３０２へ戻り、再開する。
【００９７】
図４５は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法３５０を示している。方法３５０は、例えば、前述の製氷システム１００（２）によって、システムに付随するマイクロプロセッサ（および、必要に応じて送風機、スクレーパー等の電気機械装置）の制御および作動などを通して実行され得る。方法３５０のステップ３５２は、氷容器およびキャピラリーチューブを冷やす（例えば、氷容器１０２（２）とキャピラリーチューブ１０４（２））。ステップ３５４は、氷容器およびキャピラリーチューブ内に氷を凍結する。ステップ３５６は、（例えば、スイッチ１１８を閉じることにより）加熱パルスを印加して、氷を解放し、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、それによって、氷を押し出す。ステップ３５６の後、方法３５０はステップ３５２へ戻り、再開する。
【００９８】
図４６は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法３６０を示している。方法３６０は、例えば、前述の製氷システム１００（１）によって、システムに付随するマイクロプロセッサ（および、必要に応じて送風機、スクレーパー等の電気機械装置）の制御および作動などを通して実行され得る。方法３６０のステップ３６２は、氷容器およびキャピラリーチューブを冷やす（例えば、氷容器１０２（１）とキャピラリーチューブ１０４（１））。ステップ３６４は、氷容器およびキャピラリーチューブ内に氷を凍結する。ステップ３６６は、（例えば、スイッチ１１４を閉じることにより）第一の加熱パルスを印加して、氷容器内の氷を解放する。ステップ３６８は、（例えば、スイッチ１１２を閉じることにより）第二の加熱パルスを印加して、キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、それによって、氷を押し出す。ステップ３６８の後、方法３６０はステップ３６２へ戻り、再開する。
【００９９】
図４７は、一連のフィン４０４がチューブ４０６に取り付けられた熱交換器４０２の一実例を示している。図４８は、一つのチューブとフィンのアセンブリの横断面図である。各チューブ４０６は、スイッチ４１０を通して、電源４０８に接続されており、スイッチが閉じられると、電流がチューブ４０６を流れ、発熱するようになっている。除氷熱交換器４０２はこうして稼働している。図４７では、明瞭に説明するために、チューブ４０６が一本だけ電気接続している。短い電流パルスがチューブ４０６を通ると、ジュール熱がチューブ４０６の壁内に発生する。チューブ４０６とフィン４０４の間の接触熱抵抗は非常に低く、また金属フィンにおける熱拡散速度が非常に速いため、チューブ４０６内で発生するジュール加熱は、急速にフィン４０４へと伝播し、熱交換器４０２上に成長した氷および／または霜を融解する。
【０１００】
以下の例は熱拡散速度を説明している。ある材料の熱拡散距離を得るには、
【０１０１】
【数１７】
ここでｔは時間、αはこの物質の熱拡散率、ｋはこの物質の熱伝導率、ρはこの物質の密度、そしてＣｐはこの物質の熱容量である。
【０１０２】
図４９は、純アルミニウムの室温での熱拡散距離（ｍ）対時間（ｓ）を示すチャートである。特に図４９は、熱が１．８ｃｍ以上のアルミは１秒、３．９ｃｍ以上は５秒で拡散することを示している。従って、この拡散距離は、チューブ４０６の中で熱が発生するとき、フィン４０４（フィン４０４が一般的なサイズの場合）を約１秒で加熱するに十分である。
【０１０３】
本実施形態は、現在低温産業で採用されている広範な熱交換器内での使用を促進するものである。例えば、フィン４０４の形状は、環状、正方形、ピン状等のうちの一つまたはいくつかである。フィン４０４とチューブ４０６の材料は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、導電性ポリマー、その他の合金等のうちの一つまたはいくつかである。例えば、ステンレス鋼チューブは抵抗加熱を促進するために使用できる。ステンレス鋼は電気抵抗が高いためである。その他の金属や合金も使用できる。
【０１０４】
電源装置４０８は、低電圧、大電流のＤＣあるいはＡＣ電源装置で、十分な出力を持つものある。例えば、電源装置４０８は、電池、スーパーコンデンサ一式、降圧変圧器、電子降圧変圧器等のうちの一つまたはいくつかであり得る。一実施形態では、電源装置４０８は高周波電流を発生させ、そのことは、高周波電流を運ぶ時の表皮効果によりチューブ４０６の電気抵抗が増大し得るため、有益である。
【０１０５】
より均一な電気加熱を起こすために、フィン４０４はチューブ４０６から電気的に絶縁されつつ、チューブ４０６との良好な熱接触を維持することができる。例えば、アルミ面上の薄い陽極酸化層、薄いポリマー層、またはエポキシ接着剤等がそういった薄い電気絶縁を形成し得る。
【０１０６】
上記の例で説明されたように、そのようなパルス加熱は、ベースチューブ内の液状冷媒との対流熱交換による、また、熱交換器の外面にある空気による熱損失を抑える。それによって、平均所要電力を低減し、熱交換器４０２を停止することなく（すなわち、冷凍庫、冷却器、または空調機器を停止することなく）、除氷および除霜を遂行することが可能になる。十分な周波数を持つ加熱パルスを印加することにより、フィンおよびチューブ外面上に成長する氷または霜の薄層が融解し、熱交換面は氷や霜がほとんどない状態に保たれる。これにより、熱交換器の性能が向上し、所要電力が減少し、冷蔵庫に貯蔵される食料が長もちし得る。
【０１０７】
図４７の熱交換器４０２がアルミ製で、非常に一般的な寸法、チューブ内径１ｃｍ、チューブ肉厚０．３０ｍｍ、フィン径３６ｍｍ、フィン厚０．５ｍｍそしてフィンとフィンの隙間は４ｍｍであると考えよう。
【０１０８】
そのような熱交換器の質量は約３３０ｇ／ｍ（チューブ長さ１メートル当たり）、総表面積（フィン＋チューブ外面）は０．４７ｍ２／ｍ（チューブ長さ１メートル当たり平方メートル）である。チューブ内の冷媒の温度は−１８℃、チューブ４０６内側の対流熱交換速度は１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、気温は＋５℃、そして空気と熱交換器４０２外面との間の対流熱交換係数は６５Ｗ／（ｍ２・Ｋ）であると仮定しよう。
【０１０９】
図５０で示されるように、３Ｖ／ｍの電界がチューブ４０６に印加されると、１．４秒以下で、アルミニウムの表面が０℃以上まで加熱される。アルミニウムの表面が０℃以上になると、薄い霜の層がアルミニウム表面に形成されている場合は、融解し始める。
【０１１０】
【表５】
熱交換器停止時、パルス加熱中の熱交換器温度は以下によって決定される。
【０１１１】
【数１８】
そして、熱交換器継続稼働時、パルス加熱中の熱交換器温度は以下によって決定される。
【０１１２】
【数１９】
図５０は、アルミニウム製熱交換器について、稼働中、加熱パルスによって作動する場合と、冷却ポンプとファンをオフにした状態で加熱パルスによって作動する場合の、温度対時間を示すチャートである。特に、図５０は、継続稼働中には１．４秒以下で霜が融け始めるため、冷却剤ポンプやファンを停止させることなく除霜がうまく行われることを示している。この実施形態では、３Ｖが熱交換チューブ（例えば、チューブ４０６）の１メートルのセクションに印加され、１．６７１ｋＷの発熱量が発生する。このチューブは、３Ｖの印加で、５５７．００４Ａを伝導する。
【０１１３】
本開示の範囲から逸脱することなく、上記の方法およびシステムに変更を加えることができる。従って、上記の明細書に含まれ、あるいは、添付図面に示される事柄は、限定的な意味ではなく、説明的なものとして解釈されるべきである、ということに留意しなければならない。以下の特許請求は、ここに記載された全一般的および特定の機能を全て、また、現行の方法およびシステムの範囲の明示を全て網羅することを目的としており、言語的には、その範囲に収まるものであると言えよう。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１は、パルス電熱式除氷（「ＰＥＴＤ」）を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図２】図２は、図１の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図３】図３は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図４】図４は、図３の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図５】図５は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図６】図６は、図５の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図７】図７は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図８】図８は、図７の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図９】図９は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図１０】図１０は、図９の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図１１】図１１は、パルス電熱式除氷を使った製氷システムの一例示的な実施形態を示している。
【図１２】図１２は、図１１の製氷システムを示し、パルス電熱式除氷を利用した氷の剥離を示している。
【図１３】図１３は、図１の製氷システムについて、エポキシ樹脂における熱拡散距離（Ｌｄ）および氷における熱拡散距離（Ｌｉ）のパルス幅への依存性を示している。
【図１４】図１４は、図１の製氷システムについて、総エネルギー量の出力への依存性を示している。
【図１５】図１５は、図１の製氷システムについて、クリーニングスピードの出力密度への依存性を示している。
【図１６】図１６は、図１の製氷システムについて、クリーニング時間の出力密度への依存性を示している。
【図１７】図１７は、図１の製氷システムについて、誘電体厚が０．２ｍｍの場合の、再凍結時間の出力密度への依存性を示している。
【図１８】図１８は、図１の製氷システムについて、再凍結時間の誘電体厚ｄ（ｍ）への依存性を示している。
【図１９】図１９は、図１の製氷システムについて、誘電体厚ｄが０．２ｍｍの場合の、再凍結時間の融解層厚への依存性を示している。
【図２０】図２０は、図７の製氷システムについて、Ｌｄ（ｔ）とＬｉ（ｔ）のパルス幅ｔへの依存性を示している。
【図２１】図２１は、図７の製氷システムにおいて、空隙２ｍｍの場合の、ｍ２当り総エネルギー量Ｑの出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２２】図２２は、総クリーニング時間Ｔの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２３】図２３は、クリーニング速度Ｓｓの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２４】図２４は、再冷凍時間ｔｒの加熱出力密度Ｗへの依存性を示している。
【図２５】図２５は、再冷凍時間ｔｒの誘電体厚ｄへの依存性を示している。
【図２６】図２６は、再冷凍時間ｔｒの融解層厚ｌｍへの依存性を示している。
【図２７】図２７は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器の斜視図である。
【図２８】図２８は、図２７の熱交換器の上面図で、氷が堆積しており、電源とスイッチに接続している。
【図２９】図２９は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の熱交換器を示している。
【図３０】図３０は、図２９の熱交換器の断面図である。
【図３１】図３１は、水蒸気の平衡圧の温度への依存性を示している。
【図３２】図３２Ａは、パルス除氷システムを図式的に示したものである。図３２Ｂは、図３２Ａのパルス除氷システムで、加熱パルスが加熱素子に印加された後を示したものである。
【図３３】図３３は、ＰＥＴＤとパルス電気蒸発式除氷（「ＰＥＥＤ」）の両方を利用した、ある製氷システムの断面図である。
【図３４】図３４は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用した、ある製氷システムの断面図である。
【図３５】図３５は、ＰＥＴＤとＰＥＥＤの両方を利用して、飛行機の翼の前縁を除氷するパルス除氷システムを示している。
【図３６】図３６は、図３５の航空機の翼の一部の斜視図である。
【図３７】図３７Ａは、パルス電気蒸発式除氷システムを図式的に示したものである。図３７Ｂは、図３７Ａのパルス電気蒸発式除氷システムで、加熱パルスが加熱素子に印加された後を示したものである。
【図３８】図３８は、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器を示している。
【図３９】図３９は、冷却剤ダクトを形成するために取り付けられるホイルワッシャの断面図である。
【図４０】図４０は、冷却剤ダクトを形成するために直管に取り付けられるホイルワッシャの断面図である。
【図４１】図４１は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器を示している。
【図４２】図４２は、また別の、パルスシステムで氷を剥離させる構造の、アコーデオン型熱交換器を示している。
【図４３】図４３は、パルス除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４４】図４４は、パルス除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４５】図４５は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４６】図４６は、パルス電気蒸発式除氷を利用した製氷方法を示している。
【図４７】図４７は、フィンのアレイがチューブに取り付けられた熱交換器の一例示的な実施形態を示している。
【図４８】図４８は、一つのチューブとフィンのアセンブリの横断面図である。
【図４９】図４９は、純アルミニウムの室温での熱拡散距離対時間を示すチャートである。
【図５０】図５０は、アルミニウム製熱交換器について、（ａ）稼働中、加熱パルスによって作動する場合と、（ｂ）冷却ポンプとファンをオフにした状態で加熱パルスによって作動する場合の、温度対時間を示すチャートである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却板と、
誘電体膜と、
該誘電体膜を介して該冷却板によって冷却される薄い金属ホイルであって、該金属ホイルに隣接する水が、該金属ホイル上に氷を形成するような、薄い金属ホイルと、
電源装置と、
該電源装置からの電流を該薄い金属ホイルに結合するように動作可能であり、該薄い金属ホイルの該氷の界面層を融解する加熱パルスを生成し該氷を解放するように動作可能である、スイッチと
を備える、製氷システム。
【請求項２】
前記電源装置がＡＣ電源装置またはＤＣ電源装置を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電源装置が、電池、コンデンサ、またはウルトラコンデンサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記スイッチが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記加熱パルスの印加された電圧および電流が、約１ｋｗ／ｍ２から５００ｋｗ／ｍ２の範囲の十分な加熱出力密度を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電圧が、前記金属ホイルの電気抵抗に応じて２．５Ｖから１０００Ｖである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記金属ホイルが０．５μｍから１ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記金属ホイルが、導電ペイント、導電性ポリマー膜、炭素繊維複合材、またはカーボンナノチューブ複合材を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記誘電体膜が、前記金属ホイルを前記冷却板から電気的に絶縁し、かつ、セラミックと、ガラスと、ゴムと、ポリマーと、複合材とのうちの一つ以上を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記誘電体膜が、１０μｍから２ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記スイッチが、前記加熱パルスが１ｍｓから３０ｓまでの幅を有するように動作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記金属ホイルが、前記氷のための一つ以上のポケットを形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記加熱パルスの後、前記ホイルから解放される氷が、アイスキューブを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記誘電体膜は、該誘電体膜が厚いほど前記氷が薄くなるように、変動する厚さを含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記変動する厚さが、前記氷が一形状を形成するように構成および配置されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記形状が、半球体、半円柱、長方形、棒状、星形のうちの一つである、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１７】
冷却板と、
該冷却板によって冷却される金属ホイルであって、該金属ホイルに隣接する水が該金属ホイル上に氷を形成するような、金属ホイルと、
電源装置と、
該電源装置からの電流を該金属ホイルに接続するように動作可能であり、該金属ホイルの該氷の界面層を融解する加熱パルスを生成し該氷を開放するように動作可能である、スイッチと
を備える、製氷システム。
【請求項１８】
前記冷却板と前記金属ホイルとの間の空間に空気を注入または排出するためのポンプをさらに備えており、該空気を注入することは、該冷却板を該金属ホイルから離し、該空気を排出することは、該空間から空気を除去し、該金属ホイルを該冷却板に押し付ける、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記空間がおよそ１０μｍから２ｃｍである、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記金属ホイルが、前記氷のための一以上のポケットを形成する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
前記冷却板が、前記金属ホイルに成長する氷を成形するために、一つ以上の溝を形成する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
前記加熱パルスの印加された電圧および電流が、約１ｋｗ／ｍ２から５００ｋｗ／ｍ２の範囲の十分な加熱出力密度を提供する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２３】
前記電圧が、前記金属ホイルの電気抵抗に応じて、２．５Ｖからおよそ１０００Ｖまでである、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２４】
前記金属ホイルが、およそ０．５μｍから１ｍｍの厚さを有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２５】
前記金属ホイルが、導電性ポリマー膜と、炭素繊維複合材と、カーボンナノチューブ複合材とのうちの一つを含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２６】
冷却時、水を氷に変換する氷容器と、
該氷容器の底部内に配置されているキャピラリーチューブと、
パルス加熱エネルギーを該氷容器と該キャピラリーチューブとに印加するように動作可能な電源装置と
を備える、製氷システムであって、
該パルス加熱が、該氷容器内の氷の界面層を融解し、該キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、氷を該氷容器から押し出す、システム。
【請求項２７】
前記氷容器内にパルス加熱エネルギーを生成するために前記電源装置を該氷容器に接続するように動作可能であるスイッチをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記キャピラリーチューブ内にパルス加熱を生成し、氷を蒸発させるために前記電源装置を該キャピラリーチューブに接続するように動作可能であるスイッチをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記氷容器が、ステンレス鋼製である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ホイルが、厚さ約０．１ｍｍである、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記キャピラリーチューブが、ステンレス鋼製である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記氷容器が錐台様形状を形成する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３３】
前記電源装置が、ＡＣ電源装置またはＤＣ電源装置を含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３４】
前記電源装置が、電池、コンデンサ、またはウルトラコンデンサを含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３５】
前記パルス加熱エネルギーを前記氷容器と前記キャピラリーチューブとに選択的に印加するために使用される少なくとも一つのスイッチをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３６】
前記スイッチが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、機械スイッチ、電磁スイッチ、またはそれらの組合せを含む、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
パルス加熱が、約１秒以内印加され、約２３０ジュールの電流パルスを前記氷容器に生成して前記界面層を融かす、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記キャピラリーのパルス加熱が、約０．１２５秒以内印加され、約８６０ジュールの電流パルスを生成して該キャピラリーチューブ内部の氷を蒸発させる、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３９】
除氷対象物上に配置されている抵抗膜と、
該対象物に配置されたキャピラリーのアレイであって、該キャピラリーのそれぞれの開口端が該対象物の表面と同一平面にあるような、キャピラリーのアレイと、
（ａ）該抵抗膜に隣接する氷の界面層を融かすように、該抵抗膜にエネルギーを供給し、該抵抗膜内にパルス加熱エネルギーを生成するように動作可能であり、（ｂ）該キャピラリーにエネルギーを供給し、該キャピラリー内の氷を蒸発させ、該氷を対象物から押し出すように動作可能である、電源装置と
を備える、蒸発式除氷システム。
【請求項４０】
前記キャピラリーが、航空機の翼のよどみ線上に設置されている、請求項３９に記載の蒸発式除氷システム。
【請求項４１】
除氷対象物の表面上に配置される抵抗膜と、
多孔質金属ホイルのストリップと、
電源装置と、
（ａ）該抵抗膜に隣接する氷の界面層を融かすように、該抵抗膜にエネルギーを供給し、該抵抗膜内にパルス加熱エネルギーを生成するように動作可能であり、（ｂ）該多孔質金属のストリップにエネルギーを供給し、該多孔質金属のストリップ内の氷を蒸発させ、氷を該対象物から押し出すように動作可能である、電源装置と
を備える、蒸発式除氷システム。
【請求項４２】
前記多孔質金属ホイルが、航空機の翼のよどみ線上に設置されている、請求項４１に記載の蒸発式除氷システム。
【請求項４３】
アコーディオン型表面を有する熱交換器と、
冷却剤が流れるためのウォールパイプと、
パルス加熱出力を該熱交換器に印加し、氷を除去するために、該熱交換器へと電気的にスイッチ切り替えされる電源装置と
を備える、冷蔵庫除氷システム。
【請求項４４】
前記熱交換器の上部に位置する絶縁膜をさらに備えており、該絶縁膜は陽極酸化アルミ製または陽極酸化アルミ合金製である、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記絶縁膜の上部に位置する導電膜をさらに備えており、該導電膜は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、電解塗膜、または塗装によって適用される薄い金属層である、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
ベースチューブと、取り付けられた複数のフィンとを有する熱交換器除氷システムであって、該システムは、
電源装置と、
該電源装置を該ベースチューブに接続するためのスイッチと
を備えており、
該スイッチは、ジュール加熱が該ベースチューブと該フィンとの温度を上昇させるように電流のパルスを該ベースチューブに印加するように動作し、かつ付着している氷を融かすように動作する、システム。
【請求項４７】
前記ベースチューブと前記フィンとが、同一の連続した金属片から作製される、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
前記ベースチューブと前記フィンとの間に配置された誘電体材の薄い層をさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４９】
前記ベースチューブと前記フィンとが、銅と、アルミニウムと、ステンレス鋼と、金属合金と、導電性ポリマーと、導電性および熱伝導性複合材とのうちの一つ以上から作製される、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５０】
前記ベースチューブに印加される加熱出力の密度が、０．５ｋＷ／ｋｇから５０ｋＷ／ｋｇの範囲であり、該重量は前記熱交換器の重量を示す、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５１】
前記スイッチが、およそ０．１ｓから３０ｓの範囲の幅を有する電流のパルスを印加するように動作する、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５２】
前記電源装置がＤＣ電源装置である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５３】
前記電源装置が、前記ベースチューブ内に、該ベースチューブ材の電気抵抗に応じて、およそ０．５Ｖ／ｍから５０Ｖ／ｍの範囲の電界強度を生成する、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記電源装置がＡＣ電源装置である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５５】
前記ＡＣ電源装置が、前記ベースチューブ内に、該ベースチューブ材の電気抵抗に応じて、およそ０．５Ｖ／ｍから５０Ｖ／ｍの範囲の電界強度を生成する、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記ＡＣ電源装置が、およそ５０Ｈｚから１０ＭＨｚの範囲の周波数で動作する、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５７】
前記ＡＣ電源装置の周波数が、表皮効果により前記ベースチューブの所望の電気抵抗が得られるように、調整される、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５８】
前記電気パルスのエネルギーが、前記熱交換器に付着した霜または氷の薄い層を融かすのに十分である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５９】
前記電気パルスのエネルギーが、霜または氷の厚い層を融かすのに十分である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項６０】
前記スイッチが、前記熱交換器の表面を氷および霜がない状態に保つのに十分な周波数と幅とで複数の電気パルスを供給するように動作する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６１】
氷および／または霜の存在を検知するために前記熱交換器の外面に取り付けられた薄膜氷検知器をさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
【請求項６２】
前記氷検知器が前記氷および霜の厚さを測定する、請求項６１に記載のシステム。
【請求項６３】
前記氷および霜の厚さを監視するように前記氷検知器を利用する制御電子回路をさらに備える、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
氷の厚さが設定値に達した場合において、前記制御電子回路が前記スイッチを作動させる、請求項６３に記載のシステム。
【請求項６５】
前記熱交換器上の氷および／または霜の全てが融けた場合において、前記制御電子回路が前記スイッチを切る、請求項６３に記載のシステム。
【請求項１】
冷却板と、
誘電体膜と、
該誘電体膜を介して該冷却板によって冷却される薄い金属ホイルであって、該金属ホイルに隣接する水が、該金属ホイル上に氷を形成するような、薄い金属ホイルと、
電源装置と、
該電源装置からの電流を該薄い金属ホイルに結合するように動作可能であり、該薄い金属ホイルの該氷の界面層を融解する加熱パルスを生成し該氷を解放するように動作可能である、スイッチと
を備える、製氷システム。
【請求項２】
前記電源装置がＡＣ電源装置またはＤＣ電源装置を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電源装置が、電池、コンデンサ、またはウルトラコンデンサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記スイッチが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、機械スイッチ、電磁スイッチ、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記加熱パルスの印加された電圧および電流が、約１ｋｗ／ｍ２から５００ｋｗ／ｍ２の範囲の十分な加熱出力密度を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電圧が、前記金属ホイルの電気抵抗に応じて２．５Ｖから１０００Ｖである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記金属ホイルが０．５μｍから１ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記金属ホイルが、導電ペイント、導電性ポリマー膜、炭素繊維複合材、またはカーボンナノチューブ複合材を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記誘電体膜が、前記金属ホイルを前記冷却板から電気的に絶縁し、かつ、セラミックと、ガラスと、ゴムと、ポリマーと、複合材とのうちの一つ以上を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記誘電体膜が、１０μｍから２ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記スイッチが、前記加熱パルスが１ｍｓから３０ｓまでの幅を有するように動作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記金属ホイルが、前記氷のための一つ以上のポケットを形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記加熱パルスの後、前記ホイルから解放される氷が、アイスキューブを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記誘電体膜は、該誘電体膜が厚いほど前記氷が薄くなるように、変動する厚さを含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記変動する厚さが、前記氷が一形状を形成するように構成および配置されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記形状が、半球体、半円柱、長方形、棒状、星形のうちの一つである、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１７】
冷却板と、
該冷却板によって冷却される金属ホイルであって、該金属ホイルに隣接する水が該金属ホイル上に氷を形成するような、金属ホイルと、
電源装置と、
該電源装置からの電流を該金属ホイルに接続するように動作可能であり、該金属ホイルの該氷の界面層を融解する加熱パルスを生成し該氷を開放するように動作可能である、スイッチと
を備える、製氷システム。
【請求項１８】
前記冷却板と前記金属ホイルとの間の空間に空気を注入または排出するためのポンプをさらに備えており、該空気を注入することは、該冷却板を該金属ホイルから離し、該空気を排出することは、該空間から空気を除去し、該金属ホイルを該冷却板に押し付ける、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記空間がおよそ１０μｍから２ｃｍである、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記金属ホイルが、前記氷のための一以上のポケットを形成する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
前記冷却板が、前記金属ホイルに成長する氷を成形するために、一つ以上の溝を形成する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
前記加熱パルスの印加された電圧および電流が、約１ｋｗ／ｍ２から５００ｋｗ／ｍ２の範囲の十分な加熱出力密度を提供する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２３】
前記電圧が、前記金属ホイルの電気抵抗に応じて、２．５Ｖからおよそ１０００Ｖまでである、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２４】
前記金属ホイルが、およそ０．５μｍから１ｍｍの厚さを有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２５】
前記金属ホイルが、導電性ポリマー膜と、炭素繊維複合材と、カーボンナノチューブ複合材とのうちの一つを含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２６】
冷却時、水を氷に変換する氷容器と、
該氷容器の底部内に配置されているキャピラリーチューブと、
パルス加熱エネルギーを該氷容器と該キャピラリーチューブとに印加するように動作可能な電源装置と
を備える、製氷システムであって、
該パルス加熱が、該氷容器内の氷の界面層を融解し、該キャピラリーチューブ内の氷を蒸発させ、氷を該氷容器から押し出す、システム。
【請求項２７】
前記氷容器内にパルス加熱エネルギーを生成するために前記電源装置を該氷容器に接続するように動作可能であるスイッチをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記キャピラリーチューブ内にパルス加熱を生成し、氷を蒸発させるために前記電源装置を該キャピラリーチューブに接続するように動作可能であるスイッチをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記氷容器が、ステンレス鋼製である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ホイルが、厚さ約０．１ｍｍである、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記キャピラリーチューブが、ステンレス鋼製である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記氷容器が錐台様形状を形成する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３３】
前記電源装置が、ＡＣ電源装置またはＤＣ電源装置を含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３４】
前記電源装置が、電池、コンデンサ、またはウルトラコンデンサを含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３５】
前記パルス加熱エネルギーを前記氷容器と前記キャピラリーチューブとに選択的に印加するために使用される少なくとも一つのスイッチをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３６】
前記スイッチが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、機械スイッチ、電磁スイッチ、またはそれらの組合せを含む、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
パルス加熱が、約１秒以内印加され、約２３０ジュールの電流パルスを前記氷容器に生成して前記界面層を融かす、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記キャピラリーのパルス加熱が、約０．１２５秒以内印加され、約８６０ジュールの電流パルスを生成して該キャピラリーチューブ内部の氷を蒸発させる、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３９】
除氷対象物上に配置されている抵抗膜と、
該対象物に配置されたキャピラリーのアレイであって、該キャピラリーのそれぞれの開口端が該対象物の表面と同一平面にあるような、キャピラリーのアレイと、
（ａ）該抵抗膜に隣接する氷の界面層を融かすように、該抵抗膜にエネルギーを供給し、該抵抗膜内にパルス加熱エネルギーを生成するように動作可能であり、（ｂ）該キャピラリーにエネルギーを供給し、該キャピラリー内の氷を蒸発させ、該氷を対象物から押し出すように動作可能である、電源装置と
を備える、蒸発式除氷システム。
【請求項４０】
前記キャピラリーが、航空機の翼のよどみ線上に設置されている、請求項３９に記載の蒸発式除氷システム。
【請求項４１】
除氷対象物の表面上に配置される抵抗膜と、
多孔質金属ホイルのストリップと、
電源装置と、
（ａ）該抵抗膜に隣接する氷の界面層を融かすように、該抵抗膜にエネルギーを供給し、該抵抗膜内にパルス加熱エネルギーを生成するように動作可能であり、（ｂ）該多孔質金属のストリップにエネルギーを供給し、該多孔質金属のストリップ内の氷を蒸発させ、氷を該対象物から押し出すように動作可能である、電源装置と
を備える、蒸発式除氷システム。
【請求項４２】
前記多孔質金属ホイルが、航空機の翼のよどみ線上に設置されている、請求項４１に記載の蒸発式除氷システム。
【請求項４３】
アコーディオン型表面を有する熱交換器と、
冷却剤が流れるためのウォールパイプと、
パルス加熱出力を該熱交換器に印加し、氷を除去するために、該熱交換器へと電気的にスイッチ切り替えされる電源装置と
を備える、冷蔵庫除氷システム。
【請求項４４】
前記熱交換器の上部に位置する絶縁膜をさらに備えており、該絶縁膜は陽極酸化アルミ製または陽極酸化アルミ合金製である、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記絶縁膜の上部に位置する導電膜をさらに備えており、該導電膜は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、電解塗膜、または塗装によって適用される薄い金属層である、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
ベースチューブと、取り付けられた複数のフィンとを有する熱交換器除氷システムであって、該システムは、
電源装置と、
該電源装置を該ベースチューブに接続するためのスイッチと
を備えており、
該スイッチは、ジュール加熱が該ベースチューブと該フィンとの温度を上昇させるように電流のパルスを該ベースチューブに印加するように動作し、かつ付着している氷を融かすように動作する、システム。
【請求項４７】
前記ベースチューブと前記フィンとが、同一の連続した金属片から作製される、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
前記ベースチューブと前記フィンとの間に配置された誘電体材の薄い層をさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４９】
前記ベースチューブと前記フィンとが、銅と、アルミニウムと、ステンレス鋼と、金属合金と、導電性ポリマーと、導電性および熱伝導性複合材とのうちの一つ以上から作製される、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５０】
前記ベースチューブに印加される加熱出力の密度が、０．５ｋＷ／ｋｇから５０ｋＷ／ｋｇの範囲であり、該重量は前記熱交換器の重量を示す、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５１】
前記スイッチが、およそ０．１ｓから３０ｓの範囲の幅を有する電流のパルスを印加するように動作する、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５２】
前記電源装置がＤＣ電源装置である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５３】
前記電源装置が、前記ベースチューブ内に、該ベースチューブ材の電気抵抗に応じて、およそ０．５Ｖ／ｍから５０Ｖ／ｍの範囲の電界強度を生成する、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記電源装置がＡＣ電源装置である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５５】
前記ＡＣ電源装置が、前記ベースチューブ内に、該ベースチューブ材の電気抵抗に応じて、およそ０．５Ｖ／ｍから５０Ｖ／ｍの範囲の電界強度を生成する、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記ＡＣ電源装置が、およそ５０Ｈｚから１０ＭＨｚの範囲の周波数で動作する、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５７】
前記ＡＣ電源装置の周波数が、表皮効果により前記ベースチューブの所望の電気抵抗が得られるように、調整される、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５８】
前記電気パルスのエネルギーが、前記熱交換器に付着した霜または氷の薄い層を融かすのに十分である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５９】
前記電気パルスのエネルギーが、霜または氷の厚い層を融かすのに十分である、請求項４６に記載のシステム。
【請求項６０】
前記スイッチが、前記熱交換器の表面を氷および霜がない状態に保つのに十分な周波数と幅とで複数の電気パルスを供給するように動作する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６１】
氷および／または霜の存在を検知するために前記熱交換器の外面に取り付けられた薄膜氷検知器をさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
【請求項６２】
前記氷検知器が前記氷および霜の厚さを測定する、請求項６１に記載のシステム。
【請求項６３】
前記氷および霜の厚さを監視するように前記氷検知器を利用する制御電子回路をさらに備える、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
氷の厚さが設定値に達した場合において、前記制御電子回路が前記スイッチを作動させる、請求項６３に記載のシステム。
【請求項６５】
前記熱交換器上の氷および／または霜の全てが融けた場合において、前記制御電子回路が前記スイッチを切る、請求項６３に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７Ａ】
【図３７Ｂ】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７Ａ】
【図３７Ｂ】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【公表番号】特表２００８−５０３７１０（Ｐ２００８−５０３７１０Ａ）
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１８２２９（Ｐ２００７−５１８２２９）
【出願日】平成１７年６月２２日（２００５．６．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２２０３５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００２２２４
【国際公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願人】（５０４３０３７１３）ザ トラスティーズ オブ ダートマウス カレッジ (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２２日（２００５．６．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２２０３５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００２２２４
【国際公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願人】（５０４３０３７１３）ザ トラスティーズ オブ ダートマウス カレッジ (12)
【Ｆターム（参考）】
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