本實(shí)用新型涉及低溫除霜技術(shù)，用于低溫及超低溫存儲(chǔ)箱除霜，避免熱除霜引起的箱體內(nèi)溫度波動(dòng)。

背景技術(shù)：

在低溫及超低溫存儲(chǔ)領(lǐng)域，頻繁開門會(huì)引起箱體內(nèi)壁結(jié)霜，增大貼管內(nèi)制冷劑與箱體內(nèi)空氣間的換熱熱阻，使箱體很難達(dá)到存儲(chǔ)物品時(shí)所需的低溫工況，因此，必須對(duì)箱體內(nèi)壁進(jìn)行周期性除霜。

目前，低溫存儲(chǔ)領(lǐng)域除霜多為人工鏟霜或電熱容霜，因此在除霜過程不可避免的會(huì)引起箱體內(nèi)溫度的波動(dòng)，從而影響箱體內(nèi)存儲(chǔ)物品的品質(zhì)。如果箱體內(nèi)存儲(chǔ)的是醫(yī)學(xué)標(biāo)本、器官，則可能造成醫(yī)學(xué)標(biāo)本、器官的失效，造成不可挽回的損失。其次，融霜形成的水會(huì)在除霜完成后迅速形成二次結(jié)冰，提高了機(jī)組的啟停比，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)不停機(jī)直至損壞。

超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，由于波速及邊界條件的限制，會(huì)在兩種介質(zhì)界面處產(chǎn)生破碎、剝離兩種界面應(yīng)力。因此，可利用超聲波進(jìn)行超低溫領(lǐng)域的除霜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是：提供一種利用超聲波除霜從而避免除霜過程中產(chǎn)生溫度波動(dòng)的應(yīng)用于超低溫存儲(chǔ)箱的除霜裝置。

本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是：提供一種利用超聲波除霜從而避免除霜過程中產(chǎn)生溫度波動(dòng)的超低溫存儲(chǔ)箱。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種除霜裝置，安裝在超低溫存儲(chǔ)箱中，包括憎水層、多個(gè)陣列布置的超聲換能器、程序控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器；超低溫存儲(chǔ)箱包括箱體內(nèi)板；憎水層覆蓋箱體內(nèi)板的朝向儲(chǔ)存空間的一側(cè)，產(chǎn)生超聲振動(dòng)的超聲換能器安裝于箱體內(nèi)板的另一側(cè)；多個(gè)超聲換能器并聯(lián)接入程序控制系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)與超聲波發(fā)生器相接。

憎水層為憎水性涂層，粘附并完全覆蓋箱體內(nèi)板的一側(cè)。

每側(cè)箱體內(nèi)板上安裝三組上下依次排列的超聲換能器；每組超聲換能器中超聲換能器的數(shù)量為四個(gè)，采用增大有效輻射聲場(chǎng)面積的兩兩交錯(cuò)方式布置。

同組中，相鄰超聲換能器之間間距為15cm；相鄰組之間，相鄰超聲換能器間距為22.5cm，該參數(shù)選擇尤其適用于520L超低溫存儲(chǔ)箱。

為了提高超聲波除霜效率，超聲換能器的諧振頻率為28kHz～60kHz；具有頻率跟蹤功能的超聲波發(fā)生器的功率為1600W～2400W，頻率為20kHz～60kHz。其中超聲換能器的諧振頻率優(yōu)選為40kHz。

超聲換能器為壓電換能器，包括前蓋板和后蓋板；前蓋板為圓臺(tái)形，大端處設(shè)有安裝耳；后蓋板為圓柱形，外徑同前蓋板的大端的外徑；前蓋板和后蓋板通過螺釘連接；超聲換能器通過安裝耳的螺紋孔與焊接在箱體內(nèi)板上的緊固螺釘連接，且在安裝界面處涂有換能器專用膠，后蓋板通過緊固螺釘與粘結(jié)劑與前蓋板相接，前、后蓋板中間為環(huán)狀壓電片。

超低溫存儲(chǔ)箱，裝有除霜裝置，包括門、外殼、機(jī)械室、電纜管槽；箱體內(nèi)板和門圍成儲(chǔ)存空間，機(jī)械室位于儲(chǔ)存空間外；超聲換能器與程序控制系統(tǒng)通過電纜連接，電纜位于電纜管槽內(nèi)，電纜管槽通過填充的發(fā)泡材料固定在外殼和箱體內(nèi)板之間；程序控制系統(tǒng)和超聲波發(fā)生器位于機(jī)械室內(nèi)。

儲(chǔ)存空間的容積為500L～560L；三側(cè)箱體內(nèi)板均安裝相同組數(shù)和個(gè)數(shù)的超聲換能器，每側(cè)箱體內(nèi)板上的超聲換能器的布置方式相同；三側(cè)箱體內(nèi)板上位于同一位置的超聲換能器與程序控制系統(tǒng)的同一個(gè)接線端子相接，通過多個(gè)循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)箱體的面控掃描，提高除霜效率。

超低溫存儲(chǔ)箱的除霜方法，每次取拿物品時(shí)清理堆積在儲(chǔ)存空間底部的霜晶體，每次取拿物品關(guān)門的10分鐘后啟動(dòng)超聲波除霜，此時(shí)因開門進(jìn)入箱體內(nèi)空氣中的水蒸氣已完全凝結(jié)。

根據(jù)縱、橫波波速與材料參數(shù)之間的關(guān)系：計(jì)算出超聲傳播的縱波、橫波波速，根據(jù)超聲換能器的振子與聚焦點(diǎn)距離確定每個(gè)振子的觸發(fā)時(shí)間，采用多組程序控制實(shí)現(xiàn)超聲波變焦，消除箱體內(nèi)壁面除霜死角，其中，分別為縱波、橫波波速，λ為L(zhǎng)ame常數(shù)，μ＝G為剪切模量，E為彈性模量，ν為泊松比，ρ為材料密度。

對(duì)每個(gè)振子進(jìn)行阻抗分析，得到超聲振子系統(tǒng)的諧振頻率，通過調(diào)節(jié)發(fā)生器電感實(shí)現(xiàn)振子系統(tǒng)與超聲發(fā)生器之間的阻抗匹配，提高系統(tǒng)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

本實(shí)用新型的原理是：憎水性涂層會(huì)降低霜層與內(nèi)板表面的粘附應(yīng)力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻交變電流信號(hào)輸出至程序控制系統(tǒng)，通過控制每個(gè)壓電換能器的觸發(fā)時(shí)間改變超聲波初始相角，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波波群間的可控疊加，消除箱體內(nèi)的除霜死角；自行設(shè)計(jì)壓電換能器前、后蓋板，采用螺釘固定，并通過焊接在箱體內(nèi)板上的緊固螺釘和粘結(jié)劑固定于箱體內(nèi)壁，提高了壓電晶體的抗張強(qiáng)度。

總的說來，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.通過超聲波聯(lián)合憎水層對(duì)超低溫存儲(chǔ)箱儲(chǔ)存空間內(nèi)壁上的結(jié)霜進(jìn)行去除，降低箱體與貼壁銅管間的換熱熱阻，維持箱體內(nèi)低溫工況，在降低機(jī)組啟停比及能耗的同時(shí)，提高機(jī)組的可靠性及使用壽命。

2.通過程序控制系統(tǒng)控制超聲換能器組各振子的觸發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波波群間的可控疊加及聚焦掃描，消除箱體內(nèi)的除霜死角，提高除霜效率。

3.自行設(shè)計(jì)壓電換能器的前、后蓋板，并通過焊接于箱體內(nèi)板背面的緊固螺釘和粘結(jié)劑進(jìn)行固定，提高超聲換能器的抗張強(qiáng)度。

4.憎水性涂層會(huì)降低霜層與內(nèi)板表面的粘附應(yīng)力，促使獨(dú)立霜晶體的形成，使其在超聲振動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生共振及根部應(yīng)力集中，以實(shí)現(xiàn)高效、低能耗除霜。

5.通過控制各個(gè)壓電換能器的觸發(fā)時(shí)間改變超聲波初始相角，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波波群間的可控疊加及可控變焦，消除箱體內(nèi)的除霜死角。

6.經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)用新型能實(shí)時(shí)、在線除去超低溫存儲(chǔ)箱內(nèi)壁上的霜晶體，實(shí)現(xiàn)-86℃超低溫存儲(chǔ)箱的無霜運(yùn)行。

附圖說明

圖1是除霜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的超聲換能器的俯視圖。

其中，1為箱體內(nèi)板，2為超聲換能器，3為接線端，4為電纜管槽，5為接線端子，6為各超聲換能器的控制器，7為程序控制系統(tǒng)，8為開關(guān)，9為功率調(diào)節(jié)開關(guān)，10為頻率調(diào)節(jié)開關(guān)，11為超聲波發(fā)生器，12為前蓋板，13為后蓋板，14為環(huán)狀壓電片，15為正極接線柱，16為負(fù)極接線柱。

A1-A4，B1-B4，C1-C4為標(biāo)號(hào)，顯示超聲換能器與程序控制系統(tǒng)的接線端子對(duì)應(yīng)。

具體實(shí)施方式

下面來對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

一種除霜裝置，包括憎水層、多個(gè)陣列排布的超聲換能器、程序控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器。憎水層覆蓋箱體內(nèi)板的朝向儲(chǔ)存空間的一側(cè)，產(chǎn)生超聲振動(dòng)的超聲換能器安裝于箱體內(nèi)板的另一側(cè)；多個(gè)超聲換能器并聯(lián)的接入程序控制系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)與超聲波發(fā)生器相接。

本實(shí)施例中，超聲波發(fā)生器具有頻率跟蹤功能以及頻率、功率可調(diào)功能。憎水層為憎水性涂層，材料為納米二氧化硅材料，粘附并完全覆蓋箱體內(nèi)板的一側(cè)。程序控制系統(tǒng)的作用是控制每個(gè)振子的啟振時(shí)間，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波波群的可控疊加。超聲換能器采用現(xiàn)有的壓電換能器，包括兩片壓電晶片、電極片、前蓋板和后蓋板，對(duì)前蓋板和后蓋板的形狀進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使其便于安裝和產(chǎn)生振動(dòng)。前蓋板為圓臺(tái)形，大端的中心設(shè)有安裝耳；后蓋板為圓柱形，外徑同前蓋板的大端的外徑；前蓋板和后蓋板通過螺釘連接；超聲換能器通過安裝耳的螺紋孔與焊接在箱體內(nèi)板上的緊固螺釘連接，且在安裝界面處涂有換能器專用膠，后蓋板通過緊固螺釘與粘結(jié)劑與前蓋板相接，前、后蓋板中間為環(huán)狀壓電片。

優(yōu)選的排布方式見圖1：每側(cè)箱體內(nèi)板上安裝三組上下依次排列的超聲換能器，A1-A4為一組，B1-B4為一組，C1-C4為一組；每組超聲換能器中超聲換能器的數(shù)量為四個(gè)，采用增大有效輻射聲場(chǎng)面積的兩兩交錯(cuò)方式布置。同組中，相鄰超聲換能器之間間距為15cm，例如A1和A2、A3、A4之間的間距均為15cm；相鄰組之間，相鄰超聲換能器間距為22.5cm，例如A2和B1、B3的間距為22.5cm。三組超聲換能器排成兩列。

優(yōu)選的系統(tǒng)參數(shù)是：超聲換能器的諧振頻率為28kHz～60kHz；具有頻率跟蹤功能的超聲波發(fā)生器的功率為1600W～2400W，頻率為20kHz～60kHz。

超低溫存儲(chǔ)箱，包括箱體內(nèi)板、門、外殼、機(jī)械室、電纜管槽、除霜裝置，以及未提及的現(xiàn)有的超低溫存儲(chǔ)箱的其他零部件，儲(chǔ)存空間的容積為520L，制冷溫度為-86℃。箱體內(nèi)板和門圍成儲(chǔ)存空間，機(jī)械室位于儲(chǔ)存空間以外，箱體內(nèi)板和外殼之間填充發(fā)泡材料，電纜管槽位于發(fā)泡材料中，由發(fā)泡材料固定在箱體內(nèi)板和外殼之間。憎水層覆蓋在箱體內(nèi)板的朝向儲(chǔ)存空間的一側(cè)，超聲換能器安裝在箱體內(nèi)板的另一側(cè)，超聲換能器和程序控制系統(tǒng)的連接電纜位于電纜管槽內(nèi)。程序控制系統(tǒng)和超聲波發(fā)生器位于機(jī)械室內(nèi)。

本實(shí)施例中，三側(cè)箱體內(nèi)板的超聲換能器的布置方式均同圖1，組數(shù)、個(gè)數(shù)、間距、標(biāo)號(hào)均相同。三側(cè)箱體內(nèi)板上位于同一位置的超聲換能器與程序控制系統(tǒng)的同一個(gè)接線端子相接，例如三個(gè)標(biāo)號(hào)為A1的超聲換能器均與標(biāo)號(hào)為A1的接線端子相接。

首先，超聲波發(fā)生器輸出高頻交變電流信號(hào)至程序控制系統(tǒng)；其次，程序控制系統(tǒng)根據(jù)聚焦位置各接線端子的觸發(fā)時(shí)間，并通過多個(gè)循環(huán)實(shí)現(xiàn)整個(gè)壁面的聚焦掃描；最后，觸發(fā)信號(hào)通過電纜傳遞至超聲換能器，通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，在霜層與內(nèi)壁界面產(chǎn)生破碎和剝離應(yīng)力，除去箱體內(nèi)表面的結(jié)霜，實(shí)現(xiàn)箱體的無霜運(yùn)行。

首先，對(duì)每個(gè)超聲振子及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗分析，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器電感以實(shí)現(xiàn)超聲振子系統(tǒng)與超聲發(fā)生器之間的阻抗匹配，提高系統(tǒng)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)；其次，根據(jù)縱波波速、橫波波速與材料參數(shù)間的關(guān)系計(jì)算出超聲波在各彈性介質(zhì)中傳播的縱波波速、橫波波速，然后，根據(jù)振子與聚焦點(diǎn)距離確定每個(gè)振子觸發(fā)的時(shí)間差；最后，完成整個(gè)系統(tǒng)的連接，各超聲振子按標(biāo)號(hào)接于程序控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的端子上，在每次打開箱門十分鐘后進(jìn)行超聲波除霜，同時(shí)清理堆積在箱體底部的霜晶體。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。