DE112005001254T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Gefrierkeimbildung und -ausbreitung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Gefrierkeimbildung und -ausbreitung Download PDF

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Girish Cupertino Upadhya
Richard G. Newark Brewer
Mark Menlo Park Mc-Master
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/14—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing damage by freezing, e.g. for accommodating volume expansion

Abstract

Vorrichtung zum Steuern von Gefrierkeimbildung und -ausbreitung in einem flüssigen System, welche umfaßt:
a. ein Element mit einer Anfangszone, gekennzeichnet durch ein Anfangsverhältnis von Oberfläche zu Volumen; und
b. Mittel zum Initiieren eines Gefrierens eines Fluids aus der Anfangszone, um Volumenexpansion während des Gefrierens in einer Richtung zu ermöglichen, die durch eine Reihe von Unterzonen, jeweils gekennzeichnet durch ein berechnetes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, zu einer Schlußzone, gekennzeichnet durch ein Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen, voranschreitet.

Description

  • Verwandte Anmeldung
  • Diese Anmeldung beansprucht Priorität gemäß 35 U.S.C. § 119(e) der anhängigen provisorischen US-Anmeldung mit der Anmeldenummer 60/577,262, eingereicht am 4. Juni 2004 mit dem Titel „MULTIPLE COOLING TECHNIQUES". Die provisorische Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 60/577,262, eingereicht am 4. Juni 2004 mit dem Titel „MULTIPLE COOLING TECHNIQUES", ist hierin durch Bezugnahme eingeschlossen.
  • Gebiet der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Gefrierens in einem flüssigen System, wie es geeignet sein kann zum Überführen von Wärme aus elektronischen Vorrichtungen und Komponenten derselben. Insbesondere schützt die Erfindung vor einer Expansion eines Fluids während des Gefrierens durch Initiieren der Expansion von gefrorenem Fluid in die Richtung von Zonen mit stufenweise abnehmenden Verhältnissen von Oberfläche zu Volumen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gefrieren ist ein transientes Nicht-Gleichgewichtsverfahren, während dem eine Phasenänderung mit Freisetzung von latenter Wärme auftritt, wenn Flüssigkeit oder Fluid unter die Gefriertemperatur aufgrund von Umgebungskühlbedingungen abkühlt. Wenn Wasser oder einige Mischungen auf Wasserbasis unter Gefrieren abgekühlt werden, ändert sich das Material von einem flüssigen Zustand zu einem festen Zustand und unterliegt einer beträchtlichen Volumenexpansion, die so groß sein kann wie 10% oder mehr für Wasser oder Mischungen auf Wasserbasis. Wenn Wasser in einem Rohr oder anderen abgegrenzten Räumen gefriert, dehnt sich sein Volumen aus. Wasser, das in abgegrenzten Räumen eingefroren ist, verstopft mehr als leicht die Rohre und blockiert den Fluß. Wenn ein Gefrieren in einem abgegrenzten Raum wie einem Stahlrohr auftritt, wird sich das Eis ausdehnen und einen extremen Druck ausüben, der häufig zu einem Platzen des Rohres oder einer Trennung einer Verbindungsstelle führt und schweren Schaden verursacht. Dies Phänomen ist ein üblicher Versagensmodus in Heißwasserheizsystemen und Automobilkühlsystemen.
  • Eisbildung in einem abgegrenzten Raum bewirkt nicht immer ein Reißen, wo eine Eisblockade auftritt. Vielmehr kann, folgend einer vollständigen Eisblockade in einem abgegrenzten Raum, ein fortgeführtes Gefrieren und eine Expansion innerhalb des abgegrenzten Raums bewirken, daß Wasserdruck stromabwärts zunimmt, was zu einem Rohrversagen und/oder einem Reißen in diesen Bereichen führen kann. Stromaufwärts von der Eisblockade kann das Wasser sich zurück in Richtung auf seine Einlaßquelle zurückziehen, und es gibt einen geringen Druckaufbau, um ein Reißen zu bewirken. Im Verhältnis zu anderen Flüssigkeiten sind Mischungen auf Wasserbasis zur Verwendung in Flüssigkeitskühlsystemen aufgrund der Vorteile bezüglich der thermischen Eigenschaften und der Gesundheits- und Sicherheitsbedenken bevorzugt.
  • Flüssigkeitskühlsysteme für elektronische Vorrichtungen werden gelegentlich unter Umgebungen unterhalb des Gefrierens während Versand, Lagerung oder bei Verwendung unterworfen. Wenn die Flüssigkeit gefriert, muß das System so ausgelegt werden, um jegliche Volumenexpansion, die auftreten würde, zu tolerieren. Verwendete Additive, um den Gefrierpunkt abzusenken, wie Antigefriermittel, sind potentiell giftig und entzündbar und können mechanische Komponenten, empfindliche Sensoren und elektronische Teile beschädigen.
  • Daher wird, um reines Wasser oder im wesentlichen reines Wasser in einem solchen System zu verwenden, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Gefrierkeimbildung und der -ausbreitung benötigt, so daß das System die Volumenexpansion tolerieren kann, die durch das Gefrieren des vorgenannten Fluids verursacht wird, ohne Schädigung elektronischer Komponenten oder Beeinflussung der Systemleistung.
    •
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schützt Komponenten und Rohre eines Flüssigkeitskühlsystems gegenüber einem Reißen, das mit einer Volumenausdehnung aufgrund des Gefrierens des Fluids innerhalb des Systems in Verbindung steht. Insbesondere liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Gefrierkeimbildung und der -ausbreitung in einem flüssigen System mit einer oder mehreren angekoppelten Komponenten, das gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von Verhältnissen von Oberfläche zu Volumen, so daß, wenn ein Gefrieren auftritt, sich das Fluid von einer Anfangszone mit einem höchsten Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in Richtung auf eine oder mehrere Zonen mit stufenweise abnehmenden Verhältnissen von Oberfläche zu Volumen ausdehnt. Somit bewältigt und entwickelt die vorliegende Erfindung Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen von einer oder mehreren Komponenten ebenso wie von Bereichen innerhalb der Komponenten, einschließend Wärmetauscher, Einlaß- und Auslaßmündungen und röhrenförmige Elemente, so daß, wenn ein Gefrieren auftritt, sich das Volumen in der Richtung ausdehnt, die das ausgedehnte Volumen aufnehmen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern einer Gefrierkeimbildung und -ausbreitung in einem flüssigen System offenbart. Die Vorrichtung schließt einen Wärmetauscher mit mehreren Zonen ein, die durch ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet sind. Die Vorrichtung schließt ebenfalls Mittel zum Initiieren eines Gefrierens eines Fluids von einer Anfangszone ein, was in einer Volumenexpansion während des Gefrierens durch die mehreren Zonen mit stufenweise kleineren Verhältnissen von Oberfläche zu Volumen in der Richtung eines Elements mit einer Schlußzone, die durch ein Schlußverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist, resultiert. Alternativ kann der Wärmetauscher durch irgendein Element in einem flüssigen System ersetzt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Schlußzone bevorzugt kleiner als das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Anfangszone. Für ein System auf Wasserbasis kann die Schlußzone ein ausgedehntes Volumen von wenigstens 10% des gesamten Flüssigkeitsvolumen, das in jeder Zone vorhanden ist, einschließend die Schlußzone, aufnehmen, wenn das Fluid gefriert. Beispielsweise kann die Schlußzone ein röhrenförmiges Element sein. In einer Ausführungsform kann das röhrenförmige Element eine Elastizität aufweisen, die ausreichend ist, um sich nach außen auszudehnen, um die Volumenexpansion aufzunehmen, die durch das Gefrieren des Fluids verursacht wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ist die Anfangszone zu einem Wärmetauscher anlagenintern. Der Wärmetauscher kann eine Einlaßmündung einschließen, die sich durch eine erste Öffnung des Wärmetauschers zum Fördern des Fluids zu einer Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt, und eine Auslaßmündung, die sich durch eine zweite Öffnung zur Abgabe des Fluids aus der Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt. Die Vielzahl von Kanälen und Durchlässen kann in einem porösen Kupferschaum gebildet sein. Alternativ kann die Vielzahl von Kanälen und Durchlässen aus Mikrokanälen gebildet sein. Alternativ kann die Vielzahl von Kanälen und Durchlässen aus Mikrostiften oder einer geschichteten netzartigen Struktur gebildet sein.
  • Mehrere Fluiddurchlässe, die aus der Anfangszone entstammen, können eine Identifikation von mehreren Zonen notwendig machen. In einer Ausführungsform schließt die Vorrichtung eine Vielzahl von Zonen ein, die zwischen den Anfangs- und Schlußzonen angeordnet sind, wobei ein Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen für jede Zone berechnet wird. Bevorzugt nimmt das Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen jeder Zone stufenweise von der Anfangszone in Richtung auf die Schlußzone ab.
  • Die Vorrichtung kann ein oder mehrere zusammendrückbare Objekte einschließen, die innerhalb der Schlußzone angekoppelt sind, wobei Druck, der auf das zusammendrückbare Objekt durch das gefrierende Fluid ausgeübt wird, ein Volumen der Schlußzone erhöht. Die zusammendrückbaren Objekte sind bevorzugt innerhalb der Schlußzone abgegrenzt. Die zusammendrückbaren Objekte können hergestellt sein aus einem der folgenden: Schwamm, Schaum, luftgefüllten Blasen und Ballons. Bevorzugt sind der Schwamm und der Schaum hydrophob.
  • Die Vorrichtung kann ebenfalls wenigstens eine Lufttasche einschließen, die in der Schlußzone angeordnet ist, wobei die Lufttasche die Expansion durch das gefrierende Fluid aufnimmt. Alternativ kann die Vorrichtung wenigstens ein flexibles Objekt einschließen, das an der Schlußzone angekoppelt ist, wobei Druck, der auf das flexible Objekt durch das gefrierende Fluid ausgeübt wird, ein Volumen der Schlußzone erhöht.
  • Bevorzugt ist das flexible Objekt innerhalb der Schlußzone befestigt. Das flexible Objekt kann hergestellt sein aus einem der folgenden: Kautschuk, Kunststoff und Schaum.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Gefrierkeimbildung und -ausbreitung in einem flüssigen System offenbart. Das Verfahren umfaßt die Schritte eines Initiierens eines Gefrierens eines Fluids aus einer Anfangszone eines Wärmetauschers, und gekennzeichnet durch ein Anfangsverhältnis von Oberfläche zu Volumen; und eines Lenkens des gefrorenen Fluids zu einer Schlußzone, die ein röhrenförmiges Element ist, das gekennzeichnet ist durch ein Schlußverhältnis von Oberfläche zu Volumen.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Fluidsystems mit geschlossenem Kreislauf zur Implementierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Wärmetauschers, der in folgerichtige Zonen unterteilt ist, die durch Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform:
  • Bezug wird nun im Detail genommen auf bevorzugte und alternative Ausführungsformen der Erfindung, von der Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Während die Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, wird verstanden, daß sie nicht beabsichtigt sind, um die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu begrenzen. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung beabsichtigt, um Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, die innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, eingeschlossen sein können. Ferner werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Jedoch sollte erwähnt werden, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Verfahren, Vorgehensweisen und Komponenten im Detail beschrieben worden, um Erscheinungen der vorliegenden Erfindung nicht unnötigerweise zu verdecken.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Fluidsystems 100 mit geschlossenem Kreislauf zur Implementierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das System 100 schließt einen Wärmetauscher 20 ein, der an einer Wärmeerzeugungsvorrichtung 55 (gezeigt als ein integrierter Schaltkreis angefügt an eine Schaltplatte, was jedoch ebenfalls eine Schaltplatte oder eine andere Wärmeerzeugungsvorrichtung sein könnte), einer Pumpe 30 zur Zirkulation von Fluid, einem Wärmerückweiser (heat rejector) 40, der eine Vielzahl von Flügeln 46 zur weiteren Unterstützung beim Leiten von Wärme aus dem System 100, und einer Steuervorrichtung 50 für eine Pumpeneingabespannung, basierend auf einer Temperatur gemessen am Wärmetauscher 20, angefügt ist.
  • Fluid fließt aus einem Einlaß der Pumpe 30, gelangt durch eine poröse Struktur (nicht gezeigt) innerhalb der Pumpe 30 durch elektroosmotische Kräfte und entweicht durch einen Auslaß der Pumpe 30. Während diese Ausführungsform eine elektroosmotische Pumpe verwendet, wird es verstanden, daß die vorliegende Erfindung in einem System implementiert werden kann unter Verwendung anderer Pumpenarten, wie einer mechanischen Pumpe. Das Fluid gelangt durch Mikrokanäle 24 des Wärmetauschers 20, den Wärmerückweiser 40 und durch Rohrleitungslängen 114, 112 und 110, bevor es zum Einlaß der Pumpe 30 zurückgeführt wird. Ein Spreitzer (nicht gezeigt) ist bevorzugt zwischen der Wärmeerzeugungsvorrichtung 55 und den Mikrokanälen 24 angekoppelt. Die Steuervorrichtung 50 ist so zu verstehen, um ein elektronischer Schaltkreis zu sein, der Eingabesignale von Thermometern im Wärmetauscher 20 oder von Thermometern in der Vorrichtung 55, die gekühlt wird, aufnehmen kann, durch welche Signale entlang Signalleitungen 120 übertragen werden können. Die Steuervorrichtung 50, basierend auf den Eingabesignalen, kann Fluß durch die Pumpe 30 durch Beaufschlagen von Signalen an eine Energiequelle (nicht gezeigt), die mit der Pumpe 30 über Signalleitungen 122 in Verbindung steht, regulieren, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Während diese Ausführungsform eine Flußrichtung spezifiziert, wird es verstanden, daß die vorliegende Erfindung mit der umgekehrten Flußrichtung implementiert werden kann.
  • Wenn Fluidtemperatur unter ein Gefrieren abfällt, beginnt sich Eis zu bilden. Die Geschwindigkeit, mit der Eis gebildet wird, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der das Fluid sich abkühlt, was abhängt von einem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Fortgesetztes Eiswachstum in Bereichen des Systems 100 kann zu übermäßigem Fluiddruck führen. Der resultierende Druck kann einzelne Elemente zerreißen oder beschädigen, wie die Mikrokanäle 24, einschließend Wände 22 der Mikrokanäle 24, im Wärmetauscher 20 und den röhrenförmigen Elementen 110, 112 und 114. Wie im weiteren Detail unten erklärt und verstanden wird, sind diese Elemente in einer Weise ausgelegt, die eine Expansion des Fluids während des Gefrierens toleriert.
  • 2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Wärmetauschers 200, aufgeteilt in Zonen 1, 2, 3A und 3B, und gekennzeichnet durch Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen. Der Wärmetauscher 200 ist mit röhrenförmigen Elementen 210 und 260, angeordnet in Zone 4A bzw. 4B, und ebenfalls gekennzeichnet durch Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen, gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist Zone 1 die Anfangszone und die röhrenförmigen Elemente stellen eine Schlußzone oder Schlußzonen bereit. Zone 1 ist bevorzugt ein oder mehre re Mikrokanäle (nicht gezeigt) oder eine poröse Struktur (nicht gezeigt). Alternativ kann Zone 1 ein oder mehrere Mikrostifte (nicht gezeigt) sein. Oberflächen werden für jede Zone berechnet, bevorzugt basierend direkt auf einer Modellgeometrie. Eine Zone kann aus einer oder mehreren Strukturen konstruiert sein, wie einem Kupferschaum, um ein gewünschtes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen im gesamten Wärmetauscher 200 aufzuweisen. Volumen werden für jede Zone berechnet, bevorzugt basierend direkt auf einer Modellgeometrie. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen jeder Zone wird berechnet durch Teilen der Oberfläche jeder Zone durch das Volumen jeder Zone. Die resultierenden Verhältniswerte von Oberfläche zu Volumen von benachbarten Zonen werden verglichen. Gefrierfortschritt wird als günstig erachtet, wenn das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Wärmetauschers 200 stufenweise von Zone 1 zu den röhrenförmigen Elementen zu Beginn des Gefrierens abnimmt. Insbesondere ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von Zone 1 verhältnismäßig hoch, und die Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen der röhrenförmigen Elemente (Zonen 4A, 4B) sind verhältnismäßig gering.
  • Während des Gefrierens dehnt sich Fluid aus einer Zone mit dem höchsten Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in die Richtung auf eine oder mehrere Zonen mit stufenweise abnehmenden Verhältnissen von Oberfläche zu Volumen aus. Es wird erkannt, daß der Wärmetauscher 200, einschließend die röhrenförmigen Elemente 210 und 260, viele Zonen einschließen kann, jeweils mit einem unterschiedlichen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von benachbarten Zonen nimmt stufenweise vom Wärmetauscher 200 in die Richtung auf die röhrenförmigen Elemente 210 und 260 ab; das Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen nimmt in der folgenden Reihenfolge der Zonen ab:
    1 > 2 > 3B > 4B und 1 > 2 > 3A > 4A. In dieser Ausführungsform sind die röhrenförmigen Elemente 210 und 260 ausgelegt, um die notwendige Volumenexpansion aufzunehmen.
  • Die röhrenförmigen Elemente 210 und 260 schließen bevorzugt nachgebende Materialien ein, um ein expandiertes Volumen von wenigstens 10% aufzunehmen, wenn das Fluid gefriert.
  • Bevorzugt weisen die röhrenförmigen Elemente 210 und 260 eine Elastizität auf, die ausreichend ist, um sich nach außen auszudehnen, um die Volumenexpansion aufzunehmen, die durch das Gefrieren des Fluids verursacht wird. Alternativ können das eine oder die mehreren zusammendrückbaren Objekte (nicht gezeigt) mit dem röhrenförmigen Element 210 und 260 gekoppelt sein, wobei Druck, der auf das zusammendrückbare Objekt durch das gefrierende Fluid ausgeübt wird, ein Volumen der röhrenförmigen Elemente 210 und 260 erhöht. Bevorzugt sind die zusammendrückbaren Objekte (nicht gezeigt) innerhalb des röhrenförmigen Elements abgegrenzt und hergestellt aus einem der folgenden: Schwamm, Schaum, luftgefüllte Blasen, versiegelte Röhrchen und Ballons. Andere Arten von zusammendrückbaren Objekten können verwendet werden. Der Schwamm und der Schaum können hydrophob sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann wenigstens eine Lufttasche (nicht gezeigt) in den röhrenförmigen Elementen 210 und 260 angeordnet sein, wobei die Lufttasche (nicht gezeigt) die Expansion durch das gefrierende Fluid aufnimmt. Alternativ ist wenigstens ein flexibles Objekt (nicht gezeigt) mit den röhrenförmigen Elementen 210 und 260 gekoppelt, wobei Druck, der auf das flexible Objekt (nicht gezeigt) durch das gefrierende Fluid ausgeübt wird, ein Volumen der röhrenförmigen Elemente 210 und 260 erhöht. Das flexible Objekt (nicht gezeigt) ist bevorzugt innerhalb des röhrenförmigen Elements befestigt und hergestellt aus einem der folgenden: Kautschuk, Kunststoff und Schaum. Es wird erkannt, daß zusätzliche nachgebende Materialien ebenfalls eingesetzt werden können, um der Expansion des gefrierenden Fluids standzuhalten.
  • Diese Erfindung ist in bezug auf eine spezifische Ausführungsform bezüglich integrierender Details beschrieben worden, um das Verständnis der Prinzipien der Konstruktion und des Betriebs der Erfindung zu verstehen. Ein solcher Verweis hierin auf spezifische Ausführungsformen und die Details derselben ist nicht beabsichtigt, um den Umfang der Ansprüche zu begrenzen. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, daß Modifikationen in der zur Veranschaulichung ausgewählten Ausführungsform ohne Abweichung vom Geist und Um fang der Erfindung durchgeführt werden können. Insbesondere werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, daß eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in mehreren unterschiedlichen Wegen implementiert werden kann, und daß die oben offenbarte Vorrichtung lediglich veranschaulichend für die Ausführungsform der Erfindung und in keiner Weise begrenzend ist.
  • Zusammenfassung
  • Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Gefrierens in einem flüssigen System wird offenbart. Die Vorrichtung schließt einen Wärmetauscher mit einer Anfangszone, die durch ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist, ein. Die Vorrichtung schließt ebenfalls Mittel zum Initiieren eines Gefrierens eines Fluids aus der Anfangszone ein, um eine Volumenexpansion während des Gefrierens in die Richtung einer Schlußzone, die durch ein Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist, zu ermöglichen. Die Vorrichtung kann ferner eine Vielzahl von Zonen einschließen, die zwischen der Anfangszone und der Schlußzone angeordnet sind, wobei ein Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen für jede Zone berechnet wird. Bevorzugt nimmt das Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen jeder Zone stufenweise von der Anfangszone in Richtung auf die Schlußzone ab. Bevorzugt weist die Schlußgefrierzone das kleinste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auf und weist eine ausreichende Elastizität auf, um die Volumenexpansion des gesamten Fluids aufzunehmen, das aus der Anfangszone gefroren ist.

Claims (50)

  1. Vorrichtung zum Steuern von Gefrierkeimbildung und -ausbreitung in einem flüssigen System, welche umfaßt: a. ein Element mit einer Anfangszone, gekennzeichnet durch ein Anfangsverhältnis von Oberfläche zu Volumen; und b. Mittel zum Initiieren eines Gefrierens eines Fluids aus der Anfangszone, um Volumenexpansion während des Gefrierens in einer Richtung zu ermöglichen, die durch eine Reihe von Unterzonen, jeweils gekennzeichnet durch ein berechnetes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, zu einer Schlußzone, gekennzeichnet durch ein Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen, voranschreitet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Element einen Wärmetauscher umfaßt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen kleiner ist als das Anfangsverhältnis von Oberfläche zu Volumen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schlußzone ein ausgedehntes Volumen aufnimmt, wenn das Fluid gefriert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schlußzone sich elastisch ausdehnt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Unterzonen aus einer Struktur konstruiert ist, um ein vorgegebenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhalten.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Struktur ein Kupferschaum ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Zonen aus einer Struktur konstruiert ist, um ein vorgegebenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhalten.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Struktur ein Kupferschaum ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Wärmetauscher eine Einlaßmündung, die sich durch eine erste Öffnung des Wärmetauschers zum Fördern des Fluids zu einer Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt, und eine Auslaßmündung, die sich durch eine zweite Öffnung zur Abgabe des Fluids aus der Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt, einschließt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher mehrere Einlaßmündungen und mehrere Auslaßmündungen einschließt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich das berechnete Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen jeder Unterzone stufenweise von der Anfangszone in Richtung auf die Schlußzone absenkt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter einschließend ein oder mehrere zusammendrückbare Objekte, die mit der Schlußzone gekoppelt sind, wobei Druck, der auf das zusammendrückbare Objekt durch das gefrierende Fluid ausgeübt wird, ein Volumen der Schlußzone erhöht.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die zusammendrückbaren Objekte innerhalb der Schlußzone abgegrenzt sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die zusammendrückbaren Objekte hergestellt sind aus einem der folgenden: Schwamm, Schaum, luftgefüllte Blasen, versiegelte Röhren und Ballons.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schwamm hydrophob ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schaum hydrophob ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter einschließend wenigstens eine Lufttasche, die in der Schlußzone angeordnet ist, wobei die Lufttasche die Expansion durch das gefrierende Fluid aufnimmt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter einschließend wenigstens eine Lufttasche, die entlang eines Gefrierweges in wenigstens einer der Zonen und Unterzonen angeordnet ist.
  20. Wärmetauscher, welcher umfaßt: a. eine Anfangszone, die durch ein Anfangsverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist; und b. Mittel zum Initiieren eines Gefrierens eines Fluids aus der Anfangszone, um Volumenexpansion während des Gefrierens in der Richtung einer Schlußzone, die durch ein Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist, aufzunehmen.
  21. Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei das Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen kleiner ist als das Anfangsverhältnis von Oberfläche zu Volumen.
  22. Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei die Schlußzone ein expandiertes Volumen aufnimmt, wenn das Fluid gefriert.
  23. Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei der Wärmetauscher eine Einlaßmündung, die sich durch eine erste Öffnung des Wärmetauschers zum Fördern des Fluids zu einer Vielzahl von Mikrostrukturen erstreckt, und eine Auslaßmündung, die sich durch eine zweite Öffnung zum Abgeben des Fluids aus der Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt, einschließt.
  24. Wärmetauscher nach Anspruch 23, wobei der Wärmetauscher mehrere Einlaßmündungen und mehrere Auslaßmündungen einschließt.
  25. Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei die Schlußzonenelastizität ausreichend ist, um sich nach außen auszudehnen, um die Volumenexpansion aufzunehmen, die durch das Gefrieren des Fluids verursacht wird.
  26. Wärmetauscher nach Anspruch 20, weiter einschließend eine Vielzahl von Unterzonen, die zwischen der Anfangszone und der Schlußzone stufenweise von der Anfangszone in Richtung auf die Schlußzone abnimmt.
  27. Wärmetauscher nach Anspruch 26, wobei wenigstens eine der Unterzonen aus einer Struktur konstruiert ist, um ein vorgegebenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhalten.
  28. Wärmetauscher nach Anspruch 27, wobei die Struktur ein Kupferschaum ist.
  29. Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei wenigstens eine der Zonen aus einer Struktur konstruiert ist, um ein vorgegebenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhalten.
  30. Wärmetauscher nach Anspruch 29, wobei die Struktur ein Kupferschaum ist.
  31. Wärmetauscher nach Anspruch 20, weiter einschließend ein oder mehrere zusammendrückbare Objekte, die mit dem röhrenförmigen Element gekoppelt sind, wobei Druck, der auf das zusammendrückbare Objekt durch das gefrierende Fluid ausgeübt wird, ein Volumen der Schlußzone erhöht.
  32. Wärmetauscher nach Anspruch 31, wobei die zusammendrückbaren Objekte hergestellt sind aus einem der folgenden: Schwamm, Schaum, luftgefüllte Blasen, versiegelte Röhren und Ballons.
  33. Wärmetauscher nach Anspruch 32, wobei der Schwamm hydrophob ist.
  34. Wärmetauscher nach Anspruch 32, wobei der Schaum hydrophob ist.
  35. Wärmetauscher nach Anspruch 20, weiter einschließend wenigstens eine Lufttasche, die in der Schlußzone angeordnet ist, wobei die Lufttasche die Expansion durch das gefrierende Fluid aufnimmt.
  36. Wärmetauscher nach Anspruch 20, weiter einschließend wenigstens eine Lufttasche, die entlang eines Gefrierweges in wenigstens einer der Zonen und Unterzonen angeordnet ist.
  37. Wärmetauscher, welcher umfaßt: a. eine Einlaßmündung, die sich durch eine erste Öffnung des Wärmetauschers zum Fördern eines Fluids zu einer Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt; b. eine Auslaßmündung, die sich durch eine zweite Öffnung zur Abgabe des Fluids aus der Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt; und c. Mittel zum Initiieren eines Gefrierens von einer Anfangszone des Wärmetauschers, die durch ein Anfangszonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist, um Volumenexpansion während des Gefrierens in der Richtung der Einlaß- und Auslaßmündungen zu einem röhrenförmigen Element mit einer Schlußzone, die durch ein Schlußzonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist, das kleiner ist als das Anfangszonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen, zu ermöglichen.
  38. Wärmetauscher nach Anspruch 37, wobei die Schlußzonenelastizität ausreichend ist, um sich nach außen auszudehnen, um die Volumenexpansion aufzunehmen, die durch das Gefrieren des Fluids verursacht wird.
  39. Wärmetauscher nach Anspruch 37, weiter einschließend eine Vielzahl von Unterzonen, die zwischen der Anfangszone und der Schlußzone angeordnet sind, wobei ein Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen jeder Unterzone stufenweise von der Anfangszone in Richtung zur Schlußzone abnimmt.
  40. Wärmetauscher nach Anspruch 39, wobei wenigstens eine der Unterzonen aus einer Struktur konstruiert ist, um ein vorgegebenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhalten.
  41. Wärmetauscher nach Anspruch 40, wobei die Struktur ein Kupferschaum ist.
  42. Wärmetauscher nach Anspruch 37, wobei wenigstens eine der Zonen aus einer Struktur konstruiert ist, um ein vorgegebenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhalten.
  43. Wärmetauscher nach Anspruch 42, wobei die Struktur ein Kupferschaum ist.
  44. Wärmetauscher nach Anspruch 37, wobei der Wärmetauscher mehrere Einlaßmündungen und mehrere Auslaßmündungen einschließt.
  45. Verfahren zum Steuern einer Gefrierkeimbildung und -ausbreitung in einem flüssigen System, welches die Schritte umfaßt: a. Initiieren eines Gefrierens eines Fluids von einer Anfangszone eines Wärmetauschers und gekennzeichnet durch ein Anfangszonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen; und b. Lenken des gefrorenen Fluids zu einer Schlußzone, die durch ein niedrigeres Schlußverhältnis von Oberfläche zu Volumen gekennzeichnet ist.
  46. Verfahren nach Anspruch 45, wobei die Schlußzone ein expandiertes Volumen aufnimmt, wenn das Fluid gefriert.
  47. Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Wärmetauscher eine Einlaßmündung, die sich durch eine erste Öffnung des Wärmetauschers zum Fördern des Fluids zu einer Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt, und eine Auslaßmündung, die sich durch eine zweite Öffnung zur Abgabe des Fluids aus der Vielzahl von Kanälen und Durchlässen erstreckt, einschließt.
  48. Verfahren nach Anspruch 47, wobei der Wärmetauscher mehrere Einlaßmündungen und mehrere Auslaßmündungen einschließt.
  49. Verfahren nach Anspruch 45, wobei die Schlußzonenelastizität ausreichend ist, um sich nach außen auszudehnen, um die Volumenexpansion aufzunehmen, die durch das Gefrieren des Fluids verursacht wird.
  50. Verfahren nach Anspruch 45, wobei eine Vielzahl von Unterzonen zwischen der Anfangszone und der Schlußzone angeordnet ist, und wobei ein Zonenverhältnis von Oberfläche zu Volumen jeder Unterzone stufenweise von der Anfangszone in Richtung auf die Schlußzone abnimmt.
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