CN109154148A - 具有集成的控制和切换的防结冰走道 - Google Patents

Abstract

除冰盒包括面板，具有顶部和多个侧面，顶部和侧面限定盒的内部。顶部具有内表面和用作行走表面的外表面。此外，加热元件被固定成与面板的内表面热接触，并且集成控制系统被设置在面板的内部。集成控制系统包括：温度传感器，暴露于面板的外部；电力切换装置，电连接到加热元件，并电连接到用于向盒供给电力的电源；以及控制器，与温度传感器和电力切换装置电连通，控制器配置成操作电力切换装置以基于温度传感器读取的温度激活和去激活加热元件的电力。

Description

具有集成的控制和切换的防结冰走道

对相关申请的交叉引用

本专利申请是要求于2016年1月4日提交的、具有相同标题的美国临时专利申请序列No.62/274.691的优先权的非临时申请，并且该美国临时专利申请通过引用全部并入本文。

背景技术

在亚冰冻气候下，表面积雪和积冰会对人员和财产造成伤害，影响暴露在环境中的所有类型的结构。特别是道路、车道、人行道、建筑物的屋顶和排水沟存在损坏的风险，并且当被冰或雪覆盖时可能存在危险状况。此外，在某些工作场所也存在与工作相关联的很大风险，诸如石油平台和具有暴露的甲板的船以及在冰冻的极地地区的通道。存在用于向冰和雪或被覆盖的表面(在此称为“被加热的表面”)施加热的融雪和除冰系统。热能融化冰和雪，并减少相关联的危害。

存在几种用于产生必要热能的装置。虽然本公开的系统可以使用一些或所有已知的发热装置，但是它们特别适用于伴热电缆(heat tracing cable)的控制。伴热电缆具有一个或多个电导体或导体布置，当电流被施加到导体时，所述电导体或导体布置沿着电缆长度产生热。电缆被连接到管理向电缆的电力施加的一个或多个控制器。通常，控制器包括环境传感器或与环境传感器通信，环境传感器被设计用于检测何时存在冰或雪，并因此检测何时需要热。

目前用于走道除冰的伴热系统依赖于降水传感器，当降雪和/或在加热表面上形成冰时，该降水传感器感测一组电极之间的电阻率下降。这些系统是维护密集型的，因为感测电极的电流暴露会随着时间的推移而使电极劣化。

使用降水传感器的传统的雪感测系统可以有效地测量雪况的开始，但是这些系统通常无法检测何时不再需要热。这是因为传感器基于与传感器本身接触或接近的湿气的存在而操作。即使冰或雪从传感器周围的附近区域融化，但它仍然可以存在于其它区域中。此外，利用某些类型的目前使用的传感器，湿气仍将以水的形式存在一段时间，并且传感器将不会“关闭”，从而浪费能量。结果，现有系统通常被配置为基于对“最坏情况”冰雪条件所需的能量的保守估计来操作加热器持续固定的持续时间。在热不足的情况下，替代方案将面临不安全的条件，但缺点是几乎总是使用比所需更多的能量。需要一种能够检测冰或雪何时充分融化的系统。

最后，使用远程传感器很难控制船和石油平台上非绝缘通道上的融冰系统。与绝缘物体不同，走道的非绝缘表面的总传热系数高度依赖于局部风速，从而沿着单个通道产生显著的变化，这取决于暴露于风的每个特定表面。本公开提供了使用集成的感测、控制和切换系统的用于非绝缘表面的冰雪融化系统，以提供更好的温度控制。

发明内容

本公开的实施例通过提供包括除冰盒的系统和方法克服了先前系统和方法的缺点。除冰盒包括:面板，具有顶部和从所述顶部延伸的多个侧面。所述顶部和侧面限定盒的内部，顶部具有面向所述内部的内表面和与所述内表面相对并且作为行走表面的外表面。除冰盒包括固定成与面板内表面热接触的加热元件和设置在面板内部的集成控制系统。集成控制系统包括暴露于面板外部的温度传感器。集成控制系统还包括电力切换装置，该电力切换装置电连接到加热元件并电连接到电源以向盒提供电力。另外，集成控制系统包括与温度传感器和功率切换装置电连通的控制器。控制器操作电力切换装置，以基于温度传感器读取的温度来激活和去激活加热元件的电力。

在另一个实施例中，公开了用于对行走表面进行除冰的方法。该方法包括：将加热元件设置在盒的内部，所述盒具有顶部，所述顶部具有面向所述内部的内表面和形成所述行走表面的至少一部分的外表面。所述方法还包括将加热元件置于与所述盒的内表面热接触，并使用温度传感器监测温度，其中所述温度传感器暴露于盒的外部。所述方法还包括使用温度传感器确定当前温度值并将当前温度值传送到控制器。所述控制器与温度传感器和电力切换装置电连通。所述方法包括经由所述电力切换装置向所述加热元件和盒提供电力，并且所述电力切换装置电连接到总线。所述方法还包括基于所述当前温度值，经由所述控制器激活和去激活所述加热元件的电力。

附图说明

图1是根据实施例的一系列伴热走道盒(cassette)的透视图。

图2是根据本公开的伴热走道盒的透视图。

图3是图2的伴热走道盒的局部特写透视图。

图4是图2的伴热走道盒的下侧的透视图。

图5是根据本公开的伴热走道盒的实施例的顶部透视图，其示出了盒面板的顶部的局部剖视图。

图6是图5的伴热走道盒的局部特写透视图，其示出了盒面板的顶部的局部剖视图。

图7是示出了图5的伴热走道盒的内部部分的局部特写透视图。

图8是图2的伴热走道盒的局部特写透视图，其中盒面板的顶部的局部剖视图示出了图5中所示的内部部分。

图9是根据本公开的伴热走道盒的实施例的顶部透视图。

图10是根据本公开的伴热走道盒的实施例的示意图。

图11是根据本公开的伴热走道盒的实施例的示意图。

图12是根据本公开的伴热走道盒的实施例的示意图。

具体实施方式

在详细说明本发明的任何实施例之前，应该理解，本发明不将其应用限制于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的结构的细节和部件的布置。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或实施。而且，应该理解，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应该被认为是限制性的。本文中使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变型旨在涵盖其后列出的项目和等同物以及附加项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变型被广泛使用并且包括直接和间接安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。

呈现以下讨论以使得本领域技术人员能够进行和使用本发明的实施例。在不脱离本发明的实施例的情况下，对于本领域技术人员来说，对所示实施例的各种修改是清楚的，并且这里的一般原理可以应用于其它实施例和应用。因此，本发明的实施例不旨在限于所示的实施例，而是与符合本文公开的原理和特征的最宽范围相一致。下面的详细描述将参考附图来阅读，其中不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。不一定按比例绘制的附图描绘了所选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。技术人员将认识到，本文提供的实施例具有许多有用的替代方案并且落入本发明的实施方案的范围内。

本公开可以用于某些环境，例如船。在一个非限制性示例中，船包含各种非绝缘表面，诸如甲板、走道、楼梯和扶手或整个船中通常暴露于元件的其它表面。在船或石油平台上，即使在标称风力条件下，也可能存在许多不同的局部“小气候”，这些小气候是由于船的不同区域暴露于直接风而船的其它区域受到保护而不受风的影响而发生的。例如，船在其迎风暴露表面上可具有80W/m²·K的传热系数，并且在其背风侧暴露表面上具有5W/m²·K的传热系数。这些微气候可能导致各种非绝缘表面的传热特性急剧不同。因此，通常很难控制融冰系统，尤其是当表面是非绝缘的，温度传感器未附着到该表面，并且温度是全局控制而不是局部控制时。例如，如果迎风侧和背风侧都是由单点控制器控制的，则任何一侧都会过热，或者，可替代地，一侧将不会保持正确的设定点。工作环境(诸如，船或石油平台)遇到极端温度，其在走道和平台没有充分保持没有冰雪时会迅速变得危险。

图1示出了由多个伴热走道盒18形成的走道的可能布局。在非限制性示出的实施例中，盒18的相对便携尺寸(测量在约一平方米和约三平方米之间)允许在现有走道中定制放置。该定制包括将走道盒18定位在各种不同配置中的能力，如图1所示。特别地，盒18可以以任何合适的邻接配置放置，形成在盒18之间没有间隙的走道。例如，盒18可以被布置成使得每个盒18的至少一侧的全部或一部分邻接相邻的盒18。走道中的盒18可具有均匀或变化的尺寸，以及均匀或变化的一般形状。示例性走道盒18具有大致矩形的周边，但是可以想到圆形、梯形、不规则和其它的形状。

参考图2，在一些实施例中，伴热走道盒18可以包括成形面板20，通常但不必由成形金属板或挤压型材制成。成形面板20可包括侧面21。盒18的成形面板20的顶部(其可用作行走表面)可包括纹理化表面22，以为走道盒18提供额外的防滑特性。例如，图3示出了盒18的成形面板20的纹理化表面22的特写图。在某些实施例中，如图3所示，具有包括“金刚石板”的纹理化表面可能是有益的。在某些实施例中，操纵纹理化表面22的粗糙度以控制对流传热的水平可能是有益的。

参见图4和图5，伴热电缆24可以被安装成与面板20的下侧26(即，与纹理化表面22相对的一侧)热接触。可以使用伴热电缆24的各种定位，并且可以取决于期望的传热量、诸如加热器类型之类的电缆特性(例如，自调节、恒定功率、危险环境等级等)、直径和弯曲半径、电源附件的类型以及盒18的尺寸和材料。如图所示，一个有利的布置可以是伴热电缆24的蛇形布局。该布置可用于在盒18的整个区域内提供均匀加热。圆形和方形螺旋是合适布置的其它示例。

在一些实施例中，伴热电缆24可以用胶带固定就位。胶带可以是任何合适的粘接胶带，但是有利地可以包括改善从伴热缆线24到盒18的传热的性质，诸如高导热性。在一个实施例中，胶带可以是铝带，其有助于改善传热并使温度梯度最小化。铝带可以成为盒18的接地方案的一部分，这可以允许使用未屏蔽的加热电缆作为伴热电缆24。使用未屏蔽的加热电缆将导致若干改进，包括：改进的传热特性，盒18的更轻的重量，以及降低的制造费用。可以使用用于将伴热电缆24粘接或非粘接地固定到盒18的其它机构。在一个实施例中，如图6所示，伴热电缆24可以以蛇形方式安装成与面板20的顶部的下侧热接触(即，与图4的内表面26接触)，并且与夹子(clip)28紧固就位。

伴热电缆24可以是任何合适的加热器电缆，用于在极端环境中加热金属或其它耐腐蚀的走道面板。因此，可以使用在地板下加热中具有已知应用的任何伴热电缆24，只要这种伴热电缆24具有耐候性。类似地，可以使用工业伴热应用中使用的伴热电缆24，只要它们具有合适的直径、弯曲半径和用于盒18的电力要求。如上所述，当铝带或其它部件使盒18接地时，可以使用未屏蔽的伴热电缆24。可替代地，伴热电缆24可以从现有的屏蔽加热电缆中选择，并且可以是自调节的(例如，Raychem BTV、Raychem QTVR或类似的)、恒定瓦数(例如，Raychem XP1或类似物)或其它合适类型的电缆。可替代地，代替使用伴热电缆24作为加热元件，可以使用预制的加热垫(例如，硅树脂加热垫或类似物)。预制的加热垫可以具有优于自调节电缆的一些优点，即涌入电流较小，并且发热更靠近需要热的表面(即，盒18的顶表面)。

可以在工厂安装热绝缘材料，以使盒与船或平台的甲板表面以及天气热绝缘。参考图7，可以添加绝缘片50(例如，泡沫或类似物)以使盒18的下侧热绝缘。图8示出了盒18内部的绝缘片50，其围绕伴热电缆24。另外，可以内置在盒18的端部中的结构支座52也可以用于将盒18与船的下面的钢甲板隔离。结构支座52可以例如由玻璃纤维材料(例如，玻璃纤维管或类似物)或任何足够刚性的绝缘材料制成，使得当用户在盒18上行走时绝缘片50不会被损坏。结构支座52可以被胶合或螺栓连接到船的下面的钢甲板上，以便将盒18固定就位。盒18可以以几种方式之一形成。在一个实施例中，整个盒18可以由弯曲和/或模制成形的片金属形成。可以添加结构支座52以获得结构强度。在另一个实施例中，可以通过从盒18的顶部件向下折叠四个侧面然后焊接垂直边缘以在五个侧面密封盒子来形成盒子。在另一个实施例中，可以提供底部以在六个侧面上密封盒子。在又一个实施例中，盒18的形状可以具有成角度的侧面60，以便减少用户在边缘上绊倒的可能性，如图9所示。

参考图10，不管使用何种类型的加热元件，例如伴热电缆24或预制加热垫，加热元件被电连接到感测盒18的温度的电子子系统，并基于温度设定点控制加热电缆24或预制加热垫的供电。除了上述诸如成形面板20和伴热电缆24之类的元件之外，伴热走道盒18还可以包括独立温度控制器30、集成温度传感器32和电力切换装置34。独立温度控制器30可以包括印刷电路板组件(PCBA)，其基于集成温度传感器32的状态或者使电力切换装置向伴热电缆24提供电力或者切断电力。例如，如果期望的温度设置点被设置为3摄氏度(+3℃)，则在低于+3℃的温度下，集成温度传感器32将与温度控制器30通信应该向伴热电缆供电24供给电力。温度控制器30又将使电力切换装置34从电力线36向伴热电缆24供给电力。另外，独立温度控制器30可以包括集成的过温保护。例如，温度控制器30可以包括单独的温度传感器、闭锁双金属过热切换、热熔丝等。这些过热保护装置可以防止盒18过热并造成潜在的损坏。

如上所述，船或石油平台可能具有许多微气候，这可能导致各种非绝缘表面明显不同的传热特性。例如，船在其迎风暴露表面上可具有80W/m²·K的传热系数，并且在其背风侧暴露表面上具有5W/m²·K的传热系数。因此，在上述情况下，迎风侧可能需要1600W/m²以保持在规定温度，并且在背风侧仅需要100W/m²。如果两侧均由单点控制器控制，则任何一侧都会过热，或者另一侧将不会保持正确的设定点。因为集成的温度传感器32直接位于盒18上，所以可以实现优异的温度控制。每个不同区域或微气候中的盒18可以各自独立地控制。可以节省能量，并且整个船上的盒18在正确的设定点下操作，而不是某些盒是热的并且浪费能量，而其它盒子是冷的，这导致防结冰意图的失效。

电力切换装置34可以是任何合适的电流开关，诸如固态继电器(SSR)。SSR响应适当的输入控制信号并切换到负载电路的电力。在这种情况下，如果电力切换装置34是SSR，它从温度控制器30接收输入控制信号，并将电力从大规格高电流总线36切换到伴热电缆24或其它加热元件。用于高电流切换的SSR可能导致发热形式的电流/电压损失。在一个实施例中，用作电力切换装置34的SSR可以散热到盒18本身。在这种配置中，SSR中的电流/电压损失实际上有助于盒18的防结冰能力。

伴热走道盒18可以由具有并联布线而不是串联布线的大规格高电流总线36供电。盒18的并联布线减小了如果盒18串联供电将会发生的压降，并且导致更少的电力点。此外，作为并联布线的结果，进一步远离电力点连接的盒18将与靠近电力点连接的盒18一样好地操作。另外，盒18的数量不受在串联布线时发生的在加热电缆总线布线下方发生的压降的限制，但是盒18的数量将受到与大规格高电流总线36相关的适用的断路器尺寸的限制。虽然高电流总线36是有利的，但是如果应用保证，也可以使用典型的串联电力线。

在另一个实施例中，盒18的控制系统可以电连接到没有集成控制或切换的伴热走道盒38，如图10所示。盒18的控制系统还可以控制没有集成控制的盒38。具有集成控制和切换的盒18可以借助于防风雨插头25以头对尾的方式连接到没有集成控制或切换的盒38，如图5所示。可替代地，还可以设想，各自包含集成控制和切换的盒18可以借助于防风雨插头25以头对尾的方式连接。

在又一个实施例中，如图11所示，可以使用具有集成的温度感测和电力切换的伴热走道盒40。该盒40可以不具有集成的温度控制，而是可以借助于多电路电子控制、监视和配电系统42(例如，Raychem NGC-30-“先进伴热控制系统”或类似物)来控制。盒40可以包括集成温度传感器32和电力切换装置34。与参考图10描述的实施例一样，盒40仍然可以独立控制，因为温度传感器32将与多电路电子控制、监视和配电系统42通信，以指示何时应该向伴热电缆24供给电力。多电路电子控制、监视和配电系统42又将使电力切换装置34向伴热电缆24提供电力。自调节加热电缆由于增加的电缆长度而经历压降的增加。图10示出了使每个盒40具有单独的并联电路的附加益处。使用这种配置，在使用自调节加热电缆时，可以最大限度地减少产生大的压降的问题。

温度传感器32和多电路电子控制、监视和配电系统42之间的通信可以通过远程监视模块44(例如，Raychem RMM2或类似物)进行。远程监视模块44的使用将聚合来自多个不同的温度传感器32的输入，并将信息传送到多电路电子控制、监视和配电系统42。这简化了当代替独立温度控制30使用多电路电子控制、监视和配电系统42时所需的布线。

如上所述，盒18可以以头对尾的方式连接，如图12所示。在一个实施例中，“主”盒46可以具有集成的温度感测和电力切换。“从”盒48可以不具有集成的温度感测或电力切换。相反，主盒46可以包括输出，诸如像能够接收插头的隔板安装插座。因此，从盒48可以包括输入，诸如像能够连接到主盒46的隔板安装插座的插头。为了便于安装和使用，可以将绳索耦合到插头。从盒48还可以包括隔板安装插座，其能够从另一个从盒48接收插头。因此，多个从盒48可以从单个主盒46供电。在该实施例中，可以在安装之前完成所有内部盒布线。头对尾插入功能可以导致更快的安装时间。在一些情况下，具有由单个主盒48供电的多达五个从盒48可能是有益的。重要的是要注意，将主盒46连接到从盒48的输出将不会产生相同的功能。实际上，这仅仅使主盒46依赖于从盒48的电力状态。

前面描述的盒18的切换和控制元件需要非常好地与环境密封(例如，用树脂灌封)以确保环境中的长期耐久性。预计整个盒18将暴露于水，因此任何电连接必须充分密封以在不损害控制的情况下浸没在水中，例如，控制连接和伴热电缆可以以IP67或IP6S密封(或近似NEMA等同物)连接。类似地，系统上使用的任何其它插头或插座也需要IP68级(或近似NEMA等效值)，

在本公开中，参考走道盒给出了多个示例实施例。然而，应当理解，本文公开的集成控制、温度感测和电力切换配置可以适用并且包括到其它类型的暴露非绝缘表面，诸如甲板、楼梯、扶手等。

本领域技术人员将理解，虽然以上结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明不一定限于此，并且许多其它实施例、示例、用例和从实施例、示例、用例的修改和偏离也旨在由所附权利要求包含。所附权利要求阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种除冰盒，包括：

面板，具有顶部和从所述顶部延伸的多个侧面，所述顶部和侧面限定盒的内部，所述顶部具有面向所述内部的内表面和与所述内表面相对并且作为行走表面的外表面；

加热元件，被固定成与所述面板的内表面热接触；以及

集成控制系统，被设置在所述面板的内部并且包括：

温度传感器，暴露于所述面板的外部；

电力切换装置，电连接到所述加热元件，并且电连接到用于向所述盒提供电力的电源；以及

控制器，与所述温度传感器和电力切换装置电连通，所述控制器被配置成操作所述电力切换装置以基于所述温度传感器读取的温度激活和去激活所述加热元件的电力。

2.根据权利要求1所述的除冰盒，还包括热绝缘部，以使所述盒与下面的表面热绝缘，所述盒放置在所述下面的表面上以形成走道。

3.根据权利要求2所述的除冰盒，其中所述热绝缘部包括一个或多个结构支座，所述结构支座耦合到所述面板并能独立地耦合到所述下面的表面以形成走道。

4.根据权利要求1所述的除冰盒，其中所述外表面是纹理化的，并且所述多个侧面中的一个或多个侧面从所述顶部以与所述外表面成斜角的方式延伸。

5.根据权利要求1所述的除冰盒，其中所述加热元件是伴热电缆。

6.根据权利要求5所述的除冰盒，其中所述伴热电缆是自调节伴热电缆。

7.根据权利要求5所述的除冰盒，其中所述伴热电缆是未屏蔽的并且使用导电粘接胶带固定成与所述面板的内表面热接触，所述导电粘接胶带有助于使所述伴热电缆接地。

8.根据权利要求5所述的除冰盒，其中所述伴热电缆使用夹子固定成与壳体的内表面热接触。

9.根据权利要求1所述的除冰盒，其中所述加热元件是预制的加热垫。

10.根据权利要求1所述的除冰盒，其中所述电力切换装置被耦合到所述面板并用作散热器。

11.根据权利要求1所述的除冰盒，还包括：

输入插头，用于将所述盒电连接到电源；以及

输出端口，与所述输入插头电连接。

12.根据权利要求11所述的除冰盒，其中所述输入插头被配置为连接到第一相邻除冰盒的相应输出端口，并且所述输出端口被配置为连接到第二相邻除冰盒的相应输入插头，所述除冰盒电连接到第一相邻除冰盒和第二相邻除冰盒以形成走道。

13.根据权利要求12所述的除冰盒，其中所述除冰盒从所述第一相邻除冰盒接收电力，并向所述第二相邻除冰盒提供电力。

14.根据权利要求12所述的除冰盒，其中所述控制器控制第二相邻除冰盒的电力切换。

15.根据权利要求1所述的除冰盒，还包括防止盒子过热的过温保护装置。

16.一种用于对行走表面进行除冰的方法，所述方法包括：

将加热元件设置在盒的内部，所述盒具有顶部，所述顶部具有面向所述内部的内表面和形成所述行走表面的至少一部分的外表面；

将加热元件置于与所述盒的内表面热接触；

使用温度传感器监测温度，所述温度传感器暴露于盒的外部；

使用温度传感器确定当前温度值；

将当前温度值传送到控制器，所述控制器与温度传感器和电力切换装置电连通；

经由所述电力切换装置向所述加热元件和盒提供电力，所述电力切换装置电连接到总线；以及

基于所述当前温度值，经由所述控制器激活和去激活所述加热元件的电力。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述控制器、所述电力切换装置和所述温度传感器被设置在盒的内部。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括经由远程监视模块将所述当前温度值传送到所述控制器，所述远程监视模块被配置为聚合来自多个温度传感器的当前温度值。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括所述远程监视模块将当前温度值传送到多电路电子控制、监视和配电系统。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括在当前温度值小于预定温度设定点时，所述控制器激活所述加热元件的电力。