RU2289892C2 - Systems and methods for thermal change of ice-to-object interface - Google Patents
Systems and methods for thermal change of ice-to-object interface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2289892C2 RU2289892C2 RU2004127250/09A RU2004127250A RU2289892C2 RU 2289892 C2 RU2289892 C2 RU 2289892C2 RU 2004127250/09 A RU2004127250/09 A RU 2004127250/09A RU 2004127250 A RU2004127250 A RU 2004127250A RU 2289892 C2 RU2289892 C2 RU 2289892C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- power
- heating element
- interface
- energy
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Resistance Heating (AREA)
Abstract
Description
Родственные заявкиRelated Applications
Данная заявка опирается на приоритет предварительной заявки на патент США №60/356476, поданной 11 февраля 2002 г., на приоритет предварительной заявки на патент США №60/398004, поданной 23 июля 2002 г., и на приоритет предварительной заявки на патент США №60/404872, поданной 21 августа 2002 г.This application is based on the priority of provisional application for US patent No. 60/356476, filed February 11, 2002, on the priority of provisional application for US patent No. 60/398004, filed July 23, 2002, and on the priority of provisional application for US patent No. 60/404872, filed August 21, 2002
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к системам и способам изменения границы раздела между льдом и объектом.The present invention relates to systems and methods for changing the interface between ice and an object.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Обледенение создает много проблем в различных областях промышленности. Такая проблема существует в авиационной промышленности, когда лед образуется на поверхности самолета. Лед на поверхности самолета, например крыле, может создавать опасные условия для самолета в полете. Другой пример можно привести для наземного транспорта, когда лед образуется на ветровом стекле автомобиля и может создавать опасные условия для водителя автомобиля. Удаление льда с таких поверхностей позволяет свести опасность к минимуму.Icing creates many problems in various fields of industry. Such a problem exists in the aviation industry when ice forms on the surface of an airplane. Ice on the surface of an airplane, such as a wing, can create dangerous conditions for an airplane in flight. Another example can be given for land transport, when ice forms on the windshield of the car and can create dangerous conditions for the driver of the car. Removing ice from such surfaces minimizes the risk.
Современные системы для удаления льда включают в себя электрические нагреватели, которые подают энергию на резистивные элементы для генерации тепла. Другие известные системы включают в себя химические растворы для реализации химических реакций для термического растворения льда. Электрические нагреватели подают определенную энергию на резистивный элемент, чтобы непосредственно и пропорционально растапливать весь лед с поверхности, контактирующей с электрическими нагревателями. Химические растворы могут термически растворять лед, но не действуют в течение длительного времени и создают нежелательные условия для окружающей среды. Эти системы неэффективны, поскольку стремятся растопить весь лед.Modern ice removal systems include electric heaters that supply energy to resistive elements to generate heat. Other known systems include chemical solutions for the implementation of chemical reactions for the thermal dissolution of ice. Electric heaters supply a certain energy to the resistive element in order to directly and proportionally melt all the ice from the surface in contact with the electric heaters. Chemical solutions can thermally dissolve ice, but do not work for a long time and create undesirable environmental conditions. These systems are inefficient because they seek to melt all the ice.
Способы удаления льда включают в себя использование механического скребка. Механические скребки часто используются для удаления прилипшего к поверхности объекта льда. Однако механические скребки часто бывают ручными и неудобны в использовании. Кроме того, механические скребки не всегда эффективно удаляют лед и могут повреждать поверхность, к которой прилип лед.Ice removal methods include the use of a mechanical scraper. Mechanical scrapers are often used to remove ice adhering to the surface of an object. However, mechanical scrapers are often manual and inconvenient to use. In addition, mechanical scrapers do not always effectively remove ice and can damage the surface to which ice has adhered.
Несвоевременное удаление льда с поверхности объекта может, в принципе, иметь катастрофические последствия. Например, перегруз за счет льда на самолете в полете может опасно снизить подъемную силу самолета и нарушить правильную работу некоторых узлов самолета. Другой пример включает нарастание льда на ветровом стекле автомобиля, если лед не удалить, видимость для водителя может ухудшиться настолько, что он не сможет вести машину.Untimely removal of ice from the surface of an object can, in principle, have disastrous consequences. For example, overload due to ice on an airplane in flight can dangerously reduce the lift of an airplane and disrupt the proper operation of some components of the airplane. Another example involves the buildup of ice on the windshield of a car, if the ice is not removed, visibility for the driver may deteriorate so much that he will not be able to drive.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Следующие патенты и патентные заявки обеспечивают полезную информацию и поэтому включены в описании посредством ссылки: патент США №6027075; патент США №6427946; заявка РСТ PCT/US/25124, поданная 26 октября 1999 г.; заявка РСТ PCT/US/28330, поданная 30 ноября 1999 г.; заявка РСТ PCT/US/01858, поданная 22 января 2002 г.; заявка РСТ PCT/US00/35529, поданная 28 декабря 2000 г.; заявка на патент США №09/971287, поданная 4 октября 2001 г.; и заявка на патент США №09/970555, поданная 4 октября 2001 г.The following patents and patent applications provide useful information and are therefore included in the description by reference: US patent No. 6027075; U.S. Patent No. 6,427,946; PCT Application PCT / US / 25124, filed October 26, 1999; PCT Application PCT / US / 28330, filed November 30, 1999; PCT Application PCT / US / 01858, filed January 22, 2002; PCT Application PCT / US00 / 35529, filed December 28, 2000; US Patent Application Serial No. 09/971287, filed October 4, 2001; and US Patent Application No. 09/970555, filed October 4, 2001.
Согласно одному аспекту импульсная антиобледенительная система нагревает границу раздела лед-поверхность объекта, нарушая прилипание льда и/или снега (или просто лед) к поверхности. Для снижения энергопотребления, в одном варианте осуществления предусмотрено, что импульсный антиобледенитель использует очень малую скорость распространения тепла в неметаллических твердых материалах, включая лед и снег, и подает энергию нагрева на поверхность в течение достаточно короткого времени, чтобы тепло не уходило далеко от границы раздела. Соответственно, большая часть тепла используется для нагрева и растапливания только очень тонкого слоя льда (далее именуемого «граничный лед»). Система содержит источник питания, способный генерировать определенную мощность. В одном случае мощность обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания льда на границе раздела. Импульсная антиобледенительная система может также включать в себя контроллер для ограничения времени, в течение которого источник питания генерирует определенную величину мощности. Длительность, по существу, обратно пропорциональна квадрату величины мощности. Источник питания может также включать в себя переключаемый источник питания, способный выдавать импульсное напряжение. Импульсное напряжение может выдаваться накопительным устройством, например батареей или конденсатором. Таким образом, батарею или конденсатор можно использовать для подачи мощности на нагревательный элемент, который термически связан с границей раздела. В некоторых случаях импульсное напряжение можно непосредственно подавать на нагревательный элемент, чтобы нарушать прилипание льда к поверхности. Согласно другому аспекту нагревательный элемент включает в себя тонкую пленку из проводящего материала или тонкую пленку, содержащую полупроводниковый материал. Полупроводниковый материал не затрудняет обзор через тонкую пленку, что позволяет использовать его с таким «объектом», как ветровое стекло машины. Источник питания может модулировать мощность, подаваемую на полупроводниковый материал, для преобразования мощности в тепловую энергию. Модулированная мощность переносит определенную величину тепловой энергии, которая может нарушать прилипание льда к поверхности.According to one aspect, a pulsed de-icing system heats the ice-surface interface of an object, disrupting the adhesion of ice and / or snow (or just ice) to the surface. To reduce energy consumption, in one embodiment, the pulse defroster uses a very low heat propagation rate in non-metallic solid materials, including ice and snow, and delivers heating energy to the surface for a sufficiently short time so that the heat does not go far from the interface. Accordingly, most of the heat is used to heat and melt only a very thin layer of ice (hereinafter referred to as “boundary ice”). The system contains a power source capable of generating a certain power. In one case, the power is inversely proportional to the amount of energy used to melt the ice at the interface. The pulse de-icing system may also include a controller to limit the time during which the power source generates a certain amount of power. Duration is essentially inversely proportional to the square of the power value. The power supply may also include a switched power supply capable of delivering a surge voltage. The surge voltage may be generated by a storage device, such as a battery or capacitor. Thus, a battery or capacitor can be used to supply power to the heating element, which is thermally connected to the interface. In some cases, a pulsed voltage can be directly applied to the heating element in order to disrupt the adhesion of ice to the surface. According to another aspect, the heating element includes a thin film of a conductive material or a thin film containing a semiconductor material. The semiconductor material does not make it difficult to view through a thin film, which allows it to be used with such an “object” as the windshield of the machine. The power source can modulate the power supplied to the semiconductor material to convert power into thermal energy. Modulated power transfers a certain amount of thermal energy, which can interfere with the adhesion of ice to the surface.
В некоторых аспектах, конденсатор является либо суперконденсатором, либо ультраконденсатором. Источником питания является маховик и/или высоковольтный источник питания. Мощность от источника питания может преобразовываться в тепловую энергию, чтобы нарушать прилипание льда к поверхности объекта. Например, система может использовать источник питания для удаления льда и снега с поверхности самолета, шины, ветрового стекла автомобиля, лодки, дороги, моста, тротуара, морозильника, холодильника, здания, беговой дорожки или окна. Специалистам в данной области техники ясно, что с помощью импульсной антиобледенительной системы можно удалять лед и с других объектов.In some aspects, the capacitor is either a supercapacitor or an ultracapacitor. The power source is a flywheel and / or a high voltage power source. Power from the power source can be converted into thermal energy in order to break the adhesion of ice to the surface of the object. For example, a system can use a power source to remove ice and snow from the surface of an airplane, tire, windshield of a car, boat, road, bridge, sidewalk, freezer, refrigerator, building, treadmill, or window. It is clear to those skilled in the art that ice can also be removed from other objects using a pulsed de-icing system.
Согласно еще одному аспекту система теплопередачи использует подсистему аккумуляции тепла, подключенную к нагревательному элементу. Нагревательный элемент может включать в себя теплопроводящий материал, например металл. Нагревательный элемент может включать в себя мембрану, присоединенную к нагревательному элементу. Мембрана, например, может быть надувной, что препятствует переносу тепла к поверхности объекта, с которого надлежит удалять лед. Когда мембрана сдувается, нагревательный элемент переносит тепловую энергию к поверхности, что нарушает прилипание льда к поверхности. Мембрану можно часто надувать и сдувать, чтобы модулировать перенос тепловой энергии к поверхности.According to another aspect, the heat transfer system uses a heat storage subsystem connected to the heating element. The heating element may include a heat-conducting material, such as metal. The heating element may include a membrane attached to the heating element. The membrane, for example, can be inflatable, which prevents the transfer of heat to the surface of the object from which it is necessary to remove ice. When the membrane is blown off, the heating element transfers thermal energy to the surface, which disrupts the adhesion of ice to the surface. The membrane can often be inflated and deflated to modulate the transfer of thermal energy to the surface.
Согласно другому аспекту нагревательный элемент содержит два участка теплопроводящего материала, разделенные теплоизолятором. По меньшей мере один из участков теплопроводящего материала присоединен к теплоизолятору с возможностью перемещения, так что когда участки располагаются определенным образом, два участка физически контактируют друг с другом. Перемещение по меньшей мере одного из участков можно модулировать с определенной частотой, в результате чего один участок теплопроводящего материала переносит на другой участок надлежащую величину тепловой энергии. Перенос тепловой энергии нарушает прилипание льда к поверхности другого участка.According to another aspect, the heating element comprises two sections of heat-conducting material separated by a heat insulator. At least one of the sections of the heat-conducting material is movably connected to the heat insulator, so that when the sections are arranged in a certain way, the two sections are physically in contact with each other. The movement of at least one of the sections can be modulated with a certain frequency, as a result of which one section of the heat-conducting material transfers to the other section an appropriate amount of thermal energy. The transfer of thermal energy disrupts the adhesion of ice to the surface of another area.
Согласно еще одному аспекту предусмотрен способ термического изменения граничного льда на границе раздела между объектом и льдом. Способ включает в себя этап подачи тепловой энергии на границу раздела для растапливания граничного слоя льда. Этап подачи ограничен по времени, в результате чего происходит рассеяние энергии нагрева, подаваемого на границу раздела, причем расстояние рассеяния тепла во льду не превышает толщину граничного слоя льда.According to yet another aspect, a method for thermally changing boundary ice at an interface between an object and ice is provided. The method includes the step of supplying thermal energy to the interface to melt the boundary layer of ice. The feeding stage is time-limited, as a result of which the energy of heating supplied to the interface is dissipated, and the distance of heat dissipation in ice does not exceed the thickness of the boundary layer of ice.
Этап подачи тепловой энергии содержит этап подачи на границу раздела мощности, величина которой по меньшей мере приблизительно обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания граничного слоя льда. Ограничение длительности осуществляется путем ограничения длительности этапа подачи мощности на границу раздела так, что длительность по меньшей мере приблизительно обратно пропорциональна квадрату величины мощности.The step of supplying thermal energy comprises the step of supplying power to the interface, the value of which is at least approximately inversely proportional to the amount of energy used to melt the boundary layer of ice. The duration is limited by limiting the duration of the stage of power supply to the interface so that the duration is at least approximately inversely proportional to the square of the power value.
В другом случае этап подачи энергии нагрева включает в себя этап подачи на границу раздела мощности, величина которой, по существу, обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания граничного льда. Ограничение длительности осуществляется путем ограничения длительности так, что длительность, по существу, обратно пропорциональна квадрату величины мощности.In another case, the step of supplying heating energy includes the step of supplying power to the interface, the magnitude of which is substantially inversely proportional to the amount of energy used to melt the boundary ice. The duration is limited by limiting the duration so that the duration is essentially inversely proportional to the square of the power value.
Способ включает в себя дополнительный этап облегчения повторного замораживания граничного слоя льда для влияния на коэффициент трения между объектом и льдом. Например, этап облегчения может включать в себя один или несколько из следующих этапов: (1) ожидание повторного замораживания после этапа ограничения длительности; (2) обдувание границы раздела холодным воздухом; (3) распыление воды на границе раздела.The method includes an additional step of facilitating re-freezing of the boundary layer of ice to influence the coefficient of friction between the object and the ice. For example, the facilitation step may include one or more of the following steps: (1) waiting for re-freezing after the duration limitation step; (2) blowing the interface with cold air; (3) spraying water at the interface.
Согласно определенным аспектам объектом является один из элементов: конструкция самолета, ветровое стекло, зеркало, фара, линия электропередачи, конструкция фуникулера, поверхность ротора ветряной установки, поверхность ротора вертолета, крыша, палуба, конструкция здания, дорога, конструкция моста, конструкция морозильника, антенна, спутниковая антенна, железнодорожная конструкция, конструкция туннеля, кабель, дорожный знак, снегоступ, лыжа, сноуборд, конек и ботинок.According to certain aspects, an object is one of the elements: aircraft structure, windshield, mirror, headlight, power line, funicular design, wind turbine rotor surface, helicopter rotor surface, roof, deck, building structure, road, bridge structure, freezer structure, antenna , satellite dish, railway construction, tunnel construction, cable, road sign, snowshoe, ski, snowboard, skate and boot.
Согласно другому аспекту этап подачи энергии нагрева на границу раздела включает в себя этап подачи тепловой энергии на границу раздела для растапливания граничного слоя льда толщиной менее, пяти сантиметров. В некоторых случаях этап способа ограничивает длительность, в результате чего граничный слой льда имеет толщину менее одного миллиметра. Согласно другому варианту расстояние рассеяния тепла дополнительно ограничивают путем ограничения длительности импульса, в результате чего толщина граничного слоя составляет от одного микрона до одного миллиметра.According to another aspect, the step of supplying heating energy to the interface includes the step of supplying thermal energy to the interface to melt the boundary layer of ice less than five centimeters thick. In some cases, the method step limits the duration, as a result of which the boundary layer of ice has a thickness of less than one millimeter. In another embodiment, the heat dissipation distance is further limited by limiting the pulse duration, whereby the thickness of the boundary layer is from one micron to one millimeter.
На этапе ограничения длительности тепловую энергию на границу раздела подают в течение максимум 100 с. Согласно другому варианту на этапе ограничения длительности длительность подаваемой тепловой энергии ограничивают величиной от 1 мс до 10 с.At the stage of limiting the duration, thermal energy is supplied to the interface for a maximum of 100 s. According to another variant, at the stage of limiting the duration, the duration of the supplied thermal energy is limited to 1 ms to 10 s.
Согласно еще одному аспекту этап подачи тепловой энергии на границу раздела включает в себя этап подачи мощности на нагревательный элемент, термически связанный с границей раздела, находящийся в объекте и/или контактирующий с границей раздела. Этап подачи тепловой энергии может содержать этап создания электрического сопротивления для мощности с помощью нагревательного элемента.According to another aspect, the step of supplying thermal energy to the interface includes the step of supplying power to a heating element thermally coupled to the interface located in the object and / or in contact with the interface. The step of supplying thermal energy may comprise the step of creating electrical resistance for the power using the heating element.
Этапы подачи и ограничения периодически повторяют для создания нужного коэффициента трения между объектом и льдом.The feeding steps and restrictions are periodically repeated to create the desired coefficient of friction between the object and the ice.
Мощность повторно подается на границу раздела после повторного замораживания граничного слоя для избирательной регулировки коэффициента трения между льдом и объектом, когда объект перемещается по льду.Power is reapplied to the interface after re-freezing the boundary layer to selectively adjust the coefficient of friction between the ice and the object when the object moves on ice.
Специалистам в данной области известно, что в определенных случаях лед может содержать или быть заменен снегом без отклонения от объема изобретения.Specialists in this field know that in certain cases the ice may contain or be replaced by snow without deviating from the scope of the invention.
Согласно одному аспекту объект представляет собой скользящее тело, например ботинок, сноуборд или лыжу.In one aspect, the object is a moving body, such as a boot, snowboard, or ski.
Согласно изобретению предложен способ управления коэффициентом трения между объектом и льдом, содержащий следующие этапы:According to the invention, a method for controlling the coefficient of friction between an object and ice is provided, comprising the following steps:
(1) подают импульсную мощность на границу раздела между объектом и льдом, чтобы растопить граничный слой льда на границе раздела и снизить коэффициент трения,(1) applying pulsed power to the interface between the object and the ice, to melt the boundary layer of ice at the interface and reduce the coefficient of friction,
(2) облегчают повторное замораживание граничного льда на границе раздела, чтобы увеличить коэффициент трения,(2) facilitate re-freezing of boundary ice at the interface to increase the coefficient of friction,
(3) повторяют под контролем этапы (1) и (2), при этом управляют средним коэффициентом трения между объектом и льдом.(3) repeat the control of steps (1) and (2), while controlling the average coefficient of friction between the object and the ice.
Этап облегчения повторного замораживания включает в себя этап перемещения объекта по льду для понижения температуры объекта. Например, автомобильная шина может быть нагрета, а затем вращаться (при движении машины) для приведения нагретой шины в контакт с обледеневшей дорогой, для облегчения повторного замораживания.The step of facilitating re-freezing includes the step of moving the object on ice to lower the temperature of the object. For example, a car tire can be heated and then rotated (while the machine is moving) to bring a heated tire into contact with an icy road, to facilitate re-freezing.
Этап подачи импульсной мощности включает в себя этапы обдува объекта (например, автомобильной шины) первым воздухом, который имеет температуру выше точки замерзания и перемещения объекта в контакте со льдом. Этап облегчения повторного замораживания включает в себя этап обдува объекта (например, шины) вторым воздухом, температура которого ниже температуры первого воздуха.The step of applying pulsed power includes the steps of blowing an object (for example, a car tire) with first air, which has a temperature above the freezing point and moving the object in contact with ice. The step of facilitating re-freezing includes the step of blowing the object (for example, a tire) with second air, the temperature of which is lower than the temperature of the first air.
Предусмотрено, что поверхность скользящего тела должна контактировать со льдом или снегом. Источник питания (например, батарея) генерирует мощность. Нагревательный элемент способен преобразовывать мощность в тепло на поверхности, причем тепла достаточно для растапливания граничного слоя льда на границе раздела. Контроллер управляет подачей мощности на нагревательный элемент, чтобы регулировать коэффициент трения между скользящим телом и льдом или снегом.It is envisaged that the surface of the moving body should be in contact with ice or snow. A power source (such as a battery) generates power. The heating element is capable of converting power to heat on the surface, and there is enough heat to melt the boundary layer of ice at the interface. The controller controls the power supply to the heating element to adjust the coefficient of friction between the sliding body and ice or snow.
В качестве скользящего тела может выступать, например, ботинок, сноуборд, лыжа или снегоступ.A sliding body may be, for example, a boot, snowboard, ski or snowshoe.
Согласно одному аспекту скользящее тело представляет собой лыжу, конек или сноуборд, а контроллер реагирует на команды пользователя, модулируя мощность, подаваемую на поверхность, что позволяет управлять скоростью скользящего тела. Таким образом, лыжник может, по желанию, регулировать свою скорость при спуске на лыжах.According to one aspect, the sliding body is a ski, skate or snowboard, and the controller responds to user commands by modulating the power supplied to the surface, which allows you to control the speed of the sliding body. Thus, the skier can, if desired, adjust his speed when skiing.
Согласно еще одному аспекту предусмотрен антиобледенитель ветрового стекла. Антиобледенитель ветрового стекла содержит ветровое стекло и практически прозрачный нагревательный элемент, размещенный на ветровом стекле, который генерирует тепло при подаче мощности в количестве, достаточном для растапливания граничного слоя льда на ветровом стекле.In yet another aspect, a windshield de-icer is provided. The windshield de-icer contains a windshield and an almost transparent heating element located on the windshield, which generates heat when power is supplied in an amount sufficient to melt the boundary layer of ice on the windshield.
Нагревательный элемент выбирают из визуально прозрачного полупроводникового материала, у которого ширина запрещенной зоны для электронов превышает примерно 3 эВ. В качестве такого материала можно использовать ZnO, ZnS или их смеси.The heating element is selected from a visually transparent semiconductor material in which the band gap for electrons exceeds about 3 eV. As such a material, ZnO, ZnS or mixtures thereof can be used.
Согласно другому варианту выполнения нагревательный элемент выбирают из прозрачного проводящего материала. Например, в качестве проводящего материала можно использовать оксид индия-олова (ITO), оксид олова, тонкие металлические пленки или их смеси.According to another embodiment, the heating element is selected from a transparent conductive material. For example, indium tin oxide (ITO), tin oxide, thin metal films or mixtures thereof can be used as the conductive material.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
фиг.1 изображает схему импульсной антиобледенительной системы для изменения границы раздела между объектом и льдом согласно изобретению;figure 1 depicts a diagram of a pulse de-icing system for changing the interface between the object and ice according to the invention;
фиг.2 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;figure 2 - diagram of a pulse de-icing system according to the invention;
фиг.3 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;figure 3 - diagram of a pulse de-icing system according to the invention;
фиг.4 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;4 is a diagram of a pulse anti-icing system according to the invention;
фиг.5 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;5 is a diagram of a pulse anti-icing system according to the invention;
фиг.6 - схему импульсной антиобледенительной системы для крыла самолета согласно изобретению;6 is a diagram of a pulse de-icing system for an aircraft wing according to the invention;
фиг.7 - схему многослойного нагревательного элемента импульсного антиобледенителя согласно изобретению;7 is a diagram of a multi-layer heating element of a pulsed defroster according to the invention;
фиг.8 - схему нагревательного элемента импульсного антиобледенителя согласно изобретению;Fig. 8 is a diagram of a heating element of a pulse deicer according to the invention;
фиг. 9 и 10 - расстояние рассеяния тепла за определенное время для импульсного антиобледенительного устройства согласно изобретению;FIG. 9 and 10 show the heat dissipation distance for a certain time for a pulse de-icing device according to the invention;
фиг.11 - диаграмму зависимости времени размораживания от энергии удаления льда для импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;11 is a diagram of the dependence of the time of defrosting on the energy of removal of ice for a pulse de-icing system according to the invention;
фиг.12 - схему ВЧ антиобледенительной системы для изменения границы раздела льда и объекта согласно изобретению;12 is a diagram of an RF anti-icing system for changing the interface between ice and an object according to the invention;
фиг.13 - схему ВЧ антиобледенительной системы согласно изобретению;13 is a diagram of an RF anti-icing system according to the invention;
фиг.14 - диаграмму для анализа ВЧ антиобледенительной системы согласно изобретению;FIG. 14 is a diagram for analyzing an RF anti-icing system according to the invention; FIG.
фиг.15 - множество видов одной гребенчатой электронной схемы, используемой в ВЧ антиобледенительной системе согласно изобретению;Fig - many types of one comb electronic circuits used in the RF anti-icing system according to the invention;
фиг.16 - общий вид и вид сверху гребенчатой электронной схемы, используемой в ВЧ антиобледенительной системе согласно изобретению;Fig is a General view and a top view of a comb electronic circuit used in the RF anti-icing system according to the invention;
фиг.17 - диаграмму частотной зависимости электропроводности льда и диэлектрической проницаемости льда согласно изобретению;Fig is a diagram of the frequency dependence of the electrical conductivity of the ice and the dielectric constant of ice according to the invention;
фиг.18 - электрическую схему ВЧ антиобледенителя согласно изобретению;Fig. 18 is an electrical diagram of an RF anti-icer according to the invention;
фиг.19-29 - диаграммы результатов определенных испытаний схемы, показанной на фиг.18 согласно изобретению;Figs. 19-29 are diagrams of the results of certain tests of the circuit shown in Fig. 18 according to the invention;
фиг.30-35 - диаграммы конвекционного механизма теплопередачи в ВЧ антиобледенительной системе и перенос тепла через подложку ВЧ антиобледенительной системы согласно изобретению;30-35 are diagrams of a convection heat transfer mechanism in an RF anti-icing system and heat transfer through a substrate of an RF anti-icing system according to the invention;
фиг.36 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей для изменения границы раздела объекта и льда согласно изобретению;Fig. 36 is a diagram of a heat transfer anti-icing system for changing an object and ice interface according to the invention;
фиг.37 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;Fig. 37 is a diagram of a heat transfer anti-icing system according to the invention;
фиг.38 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;Fig. 38 is a diagram of a heat transfer anti-icing system according to the invention;
фиг.39 - схему импульсной антиобледенительной системы, позволяющая сравнить ее с антиобледенительной системой с теплопередачей согласно изобретению;Fig. 39 is a diagram of a pulsed de-icing system allowing it to be compared with a de-icing system with heat transfer according to the invention;
фиг.40 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;40 is a diagram of a heat transfer anti-icing system according to the invention;
фиг.41 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;Fig. 41 is a diagram of a heat transfer anti-icing system according to the invention;
фиг.42-46 - диаграммы для анализа антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;Figures 42-46 are diagrams for analyzing a heat transfer anti-icing system according to the invention;
фиг. 47 и 48 - характеристики скользящего тела согласно изобретению;FIG. 47 and 48 are characteristics of a sliding body according to the invention;
фиг.49 - схему скользящего устройства, иллюстрирующую испытание на изменение трения на границе раздела объекта и льда, согласно изобретению;49 is a diagram of a sliding device illustrating a friction change test at an object-ice interface according to the invention;
фиг. 50 и 51 - скользящее тело в виде лыжи согласно изобретению;FIG. 50 and 51 show a sliding body in the form of a ski according to the invention;
фиг.52 - скользящее тело в виде сноуборда согласно изобретению;Fig - sliding body in the form of a snowboard according to the invention;
фиг.53 - скользящее тело в виде ботинка согласно изобретению;Fig - sliding body in the form of a boot according to the invention;
фиг.54 - скользящее тело в виде шины согласно изобретению;Fig. 54 is a tire-like sliding body according to the invention;
фиг.55 - схему испытательной конфигурации скользящего тела согласно изобретению;55 is a diagram of a test configuration of a sliding body according to the invention;
фиг.56 - скользящее тело в виде гусеницы согласно изобретению;56 is a caterpillar-like sliding body according to the invention;
фиг.57 - скользящее тело в виде лыжи согласно изобретению;Fig - sliding body in the form of a ski according to the invention;
фиг.58 - скользящее тело в виде шины согласно изобретению;Fig. 58 is a tire-like sliding body according to the invention;
фиг.59 - схему испытательной конфигурации скользящего тела согласно изобретению;59 is a diagram of a test configuration of a sliding body according to the invention;
фиг.60 - диаграмму зависимости между коэффициентами трения скользящих тел и напряжением, подаваемым на нагревательные элементы, присоединенные к скользящим телам согласно изобретению;60 is a diagram of the relationship between the friction coefficients of the sliding bodies and the voltage supplied to the heating elements connected to the sliding bodies according to the invention;
фиг.61 - диаграмму зависимости между силой трения покоя и нормальным давлением, оказываемым скользящими телами на снег согласно изобретению;Fig. 61 is a diagram of the relationship between resting friction force and normal pressure exerted by sliding bodies on snow according to the invention;
фиг.62 - диаграмму зависимости между коэффициентами трения скользящих тел и напряжением, подаваемым на присоединенный нагревательный элемент согласно изобретению;Fig.62 is a diagram of the relationship between the friction coefficients of the sliding bodies and the voltage supplied to the attached heating element according to the invention;
фиг.63 - диаграмму зависимости между коэффициентами трения одного скользящего тела и временем, необходимым для остановки скользящего тела согласно изобретению;Fig. 63 is a diagram of the relationship between the friction coefficients of one sliding body and the time required to stop the sliding body according to the invention;
фиг.64 - диаграмму другой зависимости между коэффициентами трения одного скользящего тела и напряжением, подаваемым на присоединенный нагревательный элемент согласно изобретению;Fig. 64 is a diagram of another relationship between the friction coefficients of one sliding body and the voltage supplied to the connected heating element according to the invention;
фиг. 65 и 66 - диаграммы тепловой энергии и времени охлаждения скользящего тела согласно изобретению;FIG. 65 and 66 are diagrams of thermal energy and cooling time of a sliding body according to the invention;
фиг.67 - схему, позволяющую проанализировать увеличение трения для скользящего тела, согласно варианту осуществления, где в качестве скользящего тела выступает шина согласно изобретению;Fig. 67 is a diagram for analyzing an increase in friction for a sliding body according to an embodiment, where the tire according to the invention acts as the sliding body;
фиг. 68 и 69 - диаграммы трения между скользящим телом и снегом согласно изобретению.FIG. 68 and 69 are friction diagrams between a sliding body and snow according to the invention.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Описанные ниже конкретные варианты осуществления изобретения относятся к системам и способам изменения границы раздела между объектом и льдом. Согласно одному варианту осуществления система подает энергию на границу раздела между льдом (или снегом) и поверхностью объекта для удаления льда с поверхности с целью «антиобледенения» объекта. Согласно другому варианту осуществления система модулирует растапливание в граничном слое льда на границе раздела лед-объект, в результате чего растопленный граничный слой быстро повторно замораживают, что позволяет изменять коэффициент трения между поверхностью объекта и льдом.The following specific embodiments of the invention relate to systems and methods for changing the interface between an object and ice. According to one embodiment, the system delivers energy to the interface between the ice (or snow) and the surface of the object to remove ice from the surface in order to “freeze” the object. According to another embodiment, the system modulates the melting in the boundary layer of ice at the ice-object interface, as a result of which the melted boundary layer is quickly re-frozen, which allows you to change the coefficient of friction between the surface of the object and the ice.
Определенные варианты осуществления антиобледенителей или скользящих тел предусматривают использование высокочастотных (ВЧ) источников питания переменного тока (AC), другие варианты осуществления антиобледенителей или скользящих тел предусматривают использование источников питания постоянного тока (DC) и/или системы переноса тепловой энергии (например, системы аккумуляции тепла).Certain embodiments of anti-icers or sliding bodies involve the use of high-frequency (HF) alternating current (AC) power sources, other embodiments of anti-icers or sliding bodies involve the use of direct current (DC) power supplies and / or heat transfer systems (e.g., heat storage systems) )
Нижеследующие разделы озаглавлены так: «Импульсные антиобледенительные системы», «Нагревательные элементы, используемые в импульсных антиобледенительных системах», «Анализ импульсных антиобледенительных систем», «ВЧ антиобледенительные системы», «Гребенчатая электронная схема для использования в импульсной антиобледенительной системе», «Анализ ВЧ антиобледенительных систем», «Антиобледенительные системы с теплопередачей», «Анализ антиобледенительных систем с теплопередачей», «Способы регулировки коэффициента трения» и «Анализ регулировки коэффициента трения».The following sections are entitled: “Pulse de-icing systems”, “Heating elements used in pulsed de-icing systems”, “Analysis of pulsed de-icing systems”, “HF de-icing systems”, “Comb electronic circuit for use in a pulsed de-icing system”, “HF analysis de-icing systems "," De-icing systems with heat transfer "," Analysis of de-icing systems with heat transfer "," Methods of adjusting the friction coefficient "and" Anal from adjusting the coefficient of friction. "
В некоторых разделах, описывающих импульсные антиобледенительные системы, описаны операции удаления льда путем растапливания граничного слоя льда, налипшего на поверхность объекта. Нагревательные элементы некоторых импульсных антиобледенительных систем также могут использоваться для растапливания граничного слоя, например, путем электрического подключения к источнику питания постоянного или переменного тока. Другие варианты осуществления импульсных антиобледенительных систем предусматривают модуляцию нагрева на границе раздела льда и объекта, из-за чего объект повторно замораживается (в течение периода отсутствия нагрева) и коэффициент трения между объектом и льдом изменяется. Некоторые импульсные антиобледенители действуют в качестве скользящего тела или совместно с ним, что описано ниже.Some sections describing pulsed de-icing systems describe operations for removing ice by melting a boundary layer of ice that has adhered to the surface of an object. The heating elements of some pulsed de-icing systems can also be used to melt the boundary layer, for example, by electrically connecting a direct or alternating current power source. Other embodiments of pulsed de-icing systems include modulation of heating at the interface between the ice and the object, due to which the object is repeatedly frozen (during the period of no heating) and the friction coefficient between the object and ice changes. Some pulsed deicers act as, or in conjunction with, a sliding body, as described below.
В некоторых разделах, описываются операции по удалению льда путем растапливания граничного слоя льда, налипшего на поверхность объекта. Гребенчатые электроды некоторых ВЧ антиобледенительных систем могут использоваться для растапливания граничного слоя и могут запитываться, например, от источника питания переменного тока.In some sections, operations are described to remove ice by melting the boundary layer of ice adhering to the surface of an object. The comb electrodes of some RF anti-icing systems can be used to melt the boundary layer and can be powered, for example, from an AC power source.
Другие варианты осуществления ВЧ антиобледенительных систем можно использовать для изменения коэффициента трения между льдом и скользящим телом. Под скользящим телом подразумевается объект, который может контактировать со льдом и/или снегом. Он может скользить в силу взаимодействия со льдом и/или снегом и коэффициента трения между скользящим телом и льдом и/или снегом. Примеры скользящих тел включают в себя шины, лыжи, сноуборды, ботинки, гусеницы снегоходов, полозья саней, шасси самолетов и т.д.Other embodiments of RF anti-icing systems can be used to change the coefficient of friction between ice and a sliding body. By a moving body is meant an object that can come in contact with ice and / or snow. It can slip due to the interaction with ice and / or snow and the coefficient of friction between the sliding body and ice and / or snow. Examples of sliding bodies include tires, skis, snowboards, boots, snowmobile tracks, sleigh runners, airplane landing gears, etc.
В некоторых разделах описаны антиобледенительные системы с теплопереносом для удаления льда путем растапливания граничного слоя льда, налипшего на поверхность объекта. Антиобледенительные системы с теплопереносом могут содержать подсистемы аккумуляции тепла, в которых накапливается тепловая энергия. Тепловая энергия, накопленная в подсистемах аккумуляции тепла, может переноситься на нагревательный элемент, термически связанный с границей раздела объекта и льда. Некоторые варианты осуществления антиобледенительных систем с теплопереносом предусматривают аккумуляцию тепловой энергии и избирательный или управляемый перенос этой энергии на границу раздела объекта со льдом.Some sections describe anti-icing systems with heat transfer to remove ice by melting the boundary layer of ice adhering to the surface of the object. Heat transfer de-icing systems may contain heat storage subsystems in which thermal energy is stored. The thermal energy accumulated in the heat storage subsystems can be transferred to a heating element thermally connected with the interface between the object and ice. Some embodiments of heat transfer anti-icing systems include the accumulation of thermal energy and the selective or controlled transfer of this energy to the interface between the object and the ice.
В других приведенных ниже вариантах осуществления изобретения описаны системы, изменяющие коэффициент трения между льдом и скользящим телом путем растапливания граничного слоя льда, примыкающего к скользящему телу. После растапливания граничный слой повторно замораживают для создания связи между скользящим телом и льдом. Эта связь действует как «тормоз», который увеличивает коэффициент трения между скользящим телом и льдом. Затем повторно растапливают граничный слой для разрушения связи, вновь изменяя коэффициент трения. Это модулируемое взаимодействие замораживания и повторного замораживания на границе раздела объекта и льда позволяет регулировать коэффициент трения до нужной величины. Регулируемый коэффициент трения полезен в таких устройствах, как лыжи для гонок, снегоступы, ботинки, сноуборды, коньки и другие устройства, взаимодействующие со льдом и снегом.In other embodiments of the invention below, systems are described that change the coefficient of friction between ice and a sliding body by melting a boundary layer of ice adjacent to the sliding body. After melting, the boundary layer is re-frozen to create a bond between the sliding body and ice. This connection acts as a “brake”, which increases the coefficient of friction between the sliding body and the ice. Then re-melt the boundary layer to break the bond, again changing the coefficient of friction. This modulated interaction of freezing and re-freezing at the interface between the object and ice allows you to adjust the friction coefficient to the desired value. Adjustable coefficient of friction is useful in devices such as racing skis, snowshoes, boots, snowboards, skates and other devices that interact with ice and snow.
Импульсные антиобледенительные системыPulse de-icing systems
Импульсные антиобледенительные системы можно использовать для удаления льда с поверхности объекта. Системы можно также использовать для расплавления граничного слоя льда и/или изменения коэффициента трения на границе раздела объекта и льда, что более подробно описано ниже.Pulse de-icing systems can be used to remove ice from the surface of an object. Systems can also be used to melt the boundary layer of ice and / or change the coefficient of friction at the interface between the object and ice, which is described in more detail below.
На фиг.1 показана импульсная антиобледенительная система 10 для изменения границы 15 раздела между объектом 16 и льдом 11. Система 10 содержит источник 12 питания, контроллер 14 и нагревательный элемент 13. Источник 12 питания способен генерировать мощность, величина которой обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания граничного льда (ниже именуемого «граничный лед») на границе 15 раздела. Нагревательный элемент 13 подключен к источнику 12 питания для преобразования мощности в тепло на границе 15 раздела. Контроллер 14 подключен к источнику 12 питания для ограничения времени, в течение которого нагревательный элемент 13 преобразует мощность в тепло. Время, в течение которого нагревательный элемент 13 преобразует мощность в тепло на границе 15 раздела, по существу, обратно пропорционально квадрату величины мощности.Figure 1 shows a
В частности, когда плотность мощности нагрева W (Вт/м2) поступает в течение времени t на границу раздела между льдом и подложкой, тепло распространяется на расстояние lрл во льду и на расстояние lрп в подложке. Толщина этих нагретых слоев и их соответствующие теплоемкости определяют, насколько поглощается тепло. Если обозначить коэффициенты теплопроводности льда и подложки λл и λп соответственно, ρл и ρп - соответствующие плотности и Сл и Сп - соответствующие удельные теплоемкости, то, как известно специалисту в этой области техники, тепловой поток Qл во льду и тепловой поток Qп в подложке можно выразить следующим образом:In particular, when the heating power density W (W / m 2 ) arrives during the time t at the interface between the ice and the substrate, the heat spreads to the distance l rl in ice and to the distance l rn in the substrate. The thickness of these heated layers and their respective heat capacities determine how much heat is absorbed. If the thermal conductivity coefficients of ice and the substrate are λ l and λ p, respectively, ρ l and ρ p are the corresponding densities and C l and C p are the corresponding specific heat, then, as is known to a person skilled in the art, the heat flux Q l in ice and the heat flux Q p in the substrate can be expressed as follows:
Qл ≈ Cлlрлρл(Tт-T), (0-1)Q l ≈ C l l rl ρ l (T t -T), (0-1)
где Tт-T - разность температур на границе раздела,where T t -T is the temperature difference at the interface,
Qп ≈ Cпlрпρп(Tт-T) (0-2)Q p ≈ C p l rp ρ p (T t -T) (0-2)
(0-3) (0-3)
(0-4) (0-4)
Решая Ур. (0-1) - Ур. (0-4) относительно суммарного количества теплоты, отводимого с границы раздела, можно найти:Solving Lv. (0-1) - Lv. (0-4) relative to the total amount of heat removed from the interface, you can find:
(0-5) (0-5)
где W - плотность мощности нагрева на границе раздела.where W is the density of the heating power at the interface.
Вышеприведенный алгебраический анализ дает приближенный результат энергопотребления, предусмотренного импульсной антиобледенительной системой. Точный математический расчет путем решения уравнений в частных производных позволяет прогнозировать, для времени t удаления льда и энергии Q удаления льда, следующий иллюстративный вариант осуществления.The above algebraic analysis gives an approximate result of the energy consumption provided by the pulse anti-icing system. An accurate mathematical calculation by solving partial differential equations makes it possible to predict, for ice removal time t and ice removal energy Q, the following illustrative embodiment.
Например, контроллер 14 может регулировать время подачи мощности на нагревательный элемент 13 согласно следующему соотношению:For example, the controller 14 can adjust the time of power supply to the heating element 13 according to the following ratio:
(1-1) (1-1)
где Тт - температура таяния льда; Т - температура окружающей среды; λ - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность материала; С - удельная теплоемкость материала (нижний индекс «л» обозначает лед и/или снег, и нижний индекс «п» обозначает материал подложки); W - мощность на квадратный метр.where T t is the melting temperature of ice; T is the ambient temperature; λ is the coefficient of thermal conductivity; ρ is the density of the material; C is the specific heat of the material (the subscript “l” denotes ice and / or snow, and the subscript “p” denotes the substrate material); W - power per square meter.
В этом примере контроллер 14 также регулирует величину мощности, подаваемой на нагревательный элемент 13, чтобы энергия Q на границе 15 раздела была, по существу, обратно пропорциональна величине мощности. В этом примере, контроллер 14 регулирует величину мощности согласно следующему соотношению:In this example, the controller 14 also adjusts the amount of power supplied to the heating element 13 so that the energy Q at the
(1-2) (1-2)
Соответственно, чтобы достичь нужной температуры (например, для растапливания льда на границе 15 раздела), затратив меньше энергии, нужно повысить мощность нагрева W, подавая мощность нагрева в течение более короткого промежутка времени. Для сравнения, результат упрощенного анализа ур. 0-5 отличается от более точного решения ур. 1-2 коэффициентом π/4 = 0,785. Эти уравнения, в частности, полезны для описания коротких импульсов мощности, когда длина рассеяния тепла меньше толщины целевого объекта (например, толщины граничного льда на границе 15 раздела).Accordingly, in order to achieve the desired temperature (for example, to melt ice at the interface 15), having spent less energy, it is necessary to increase the heating power W by supplying the heating power for a shorter period of time. For comparison, the result of a simplified analysis of ur. 0-5 differs from more accurate solution ur. 1-2 by the coefficient π / 4 = 0.785. These equations, in particular, are useful for describing short power pulses when the heat dissipation length is less than the thickness of the target object (for example, the thickness of the boundary ice at the interface 15).
Более точное приближение можно получить, сложив энергию, используемую для растапливания очень тонкого слоя граничного льда и для нагрева тонкого нагревателя толщиной dнаг, Qmin:A more accurate approximation can be obtained by adding the energy used to melt a very thin layer of boundary ice and to heat a thin heater with a thickness d dag , Q min :
Qmin = lл .qл .ρл + dнаг .Cнаг .ρнаг .(Tт-T), (1-3)Q min = l l . q l. ρ l + d Nag . C naked. ρ naked. (T t -T), (1-3)
где lл - толщина растопленного слоя; ρл - плотность льда; qл - скрытая теплота плавления льда; Cнаг и ρнаг - удельная теплоемкость и плотность нагревателя. В данном примере, контроллер 14 может регулировать величину мощности согласно следующему соотношению:where l l is the thickness of the melted layer; ρ l is the density of ice; q l - latent heat of melting ice; C nag and ρ nag - specific heat and density of the heater. In this example, the controller 14 may adjust the amount of power according to the following relationship:
Энергия, полученная по Ур. 1-4, приведена из расчета на квадратный метр (Дж/м2). В ур. 1-4 можно также добавить член, связанный с конвективным механизмом теплопроводности, но этим членом обычно пренебрегают из-за очень малой длительности импульса нагрева. Когда толщина подложки и/или слоя льда меньше длин рассеяния тепла (ур. 0-3, ур. 0-4 соответственно), энергия оказывается даже меньше полученной из Ур. 1-4.Energy received by Ur. 1-4, is calculated per square meter (J / m 2 ). In ur 1-4, you can also add a term associated with the convective mechanism of heat conduction, but this term is usually neglected due to the very short duration of the heating pulse. When the thickness of the substrate and / or ice layer is less than the heat dissipation lengths (lvl 0-3, lvl 0-4, respectively), the energy is even less than that obtained from lvl. 1-4.
Систему 10 можно, например, использовать в автомобиле для удаления льда 11 с ветрового стекла (как объекта 16). В этом примере, нагревательный элемент 13 прозрачен и встроен в ветровое стекло 16, а источник 12 питания и контроллер 14 действуют совместно, подавая мощность, достаточную для растапливания граничного льда на границе 15 раздела в соответствии с ур. 1-1 и 1-2.
Чтобы дальше проиллюстрировать работу системы 10, рассмотрим свойства льда:To further illustrate the operation of
λл = 2,2 Вт/м.K, ρл = 920 кг/м3, cл = 2 кДж/кг.К, qл = 333,5 кДж/кг. (1-5)λ l = 2.2 W / m . K, ρ l = 920 kg / m 3 , c l = 2 kJ / kg . K, q l = 333.5 kJ / kg. (1-5)
Свойства обычного ветрового стекла (например, в качестве подложки) таковы:The properties of a conventional windshield (for example, as a substrate) are as follows:
λп ≈ 1 Вт/м.K, ρп ≈ 3000 кг/м3, cп ≈ 1,54 кДж/кг.К. (1-6)λ p ≈ 1 W / m . K, ρ n ≈ 3,000 kg / m 3, c n ≈ 1.54 kJ / kg. K. (1-6)
Согласно ур. 1-1 время, необходимое для достижения температуры таяния льда (0°C) при начальной температуре -10°C и при плотности потока энергии 100 кВт/м2, составляет t ≈ 0,142 секунд для подложки 16 из стекла или стеклоподобного материала. Коррекция на основании ур. 1-3 может добавить к длительности около 0,016 секунд, т.е. около 10%. При снижении пиковой мощности нагрева в десять раз (например, со 100 кВт/м2 до 10 кВт/м2) это время возрастает примерно на два порядка. Для сравнения, при -30°C полное время удаления льда при W = 100 кВт/м2 может составлять 1,42 секунд. Соответствующую полную энергию Q удаления льда при W = 100 кВт/м2 и -10°C можно выразить какAccording to ur 1-1, the time required to reach the ice melting temperature (0 ° C) at an initial temperature of -10 ° C and at an energy flux density of 100 kW / m 2 is t ≈ 0.142 seconds for a substrate 16 of glass or glass-like material. Correction based on ur. 1-3 can add to the duration of about 0.016 seconds, i.e. about 10%. With a decrease in the peak heating power by a factor of ten (for example, from 100 kW / m 2 to 10 kW / m 2 ), this time increases by about two orders of magnitude. For comparison, at -30 ° C the total time for removing ice at W = 100 kW / m 2 can be 1.42 seconds. The corresponding total energy Q of ice removal at W = 100 kW / m 2 and -10 ° C can be expressed as
Q = 100 кВт/м2. 0,158 с = 15,8 кДж/м2.(Ур. 1-7)Q = 100 kW / m 2. 0.158 s = 15.8 kJ / m 2 . (Lv. 1-7)
При той же температуре и более низкой мощности W = 10 кВт/м2 энергия Q, выражаемая посредством Ур. 1-4, будетAt the same temperature and lower power W = 10 kW / m 2, the energy Q, expressed by Ur. 1-4 will be
Q = 144 кДж/м2.(Ур. 1-8)Q = 144 kJ / m 2 . (Lv. 1-8)
Этот результат почти на порядок величины больше, чем при W = 100 кВт/м2.This result is almost an order of magnitude larger than at W = 100 kW / m 2 .
Преимущество вышеприведенного примера состоит в использовании пониженной энергии удаления льда по сравнению с известными системами, примерно на один порядок величины за счет увеличения плотности потока энергии примерно на порядок при сокращении времени подачи мощности примерно на два порядка. Благодаря ограничению времени подачи мощности на границу 15 раздела ограничивается сток тепловой энергии в окружающую среду и в массу льда 11. Напротив, благодаря более коротким импульсам мощности больше энергии остается в пределах границы 15 раздела для растапливания граничного льда.An advantage of the above example is the use of reduced ice removal energy compared to known systems, by about one order of magnitude by increasing the energy flux density by about an order of magnitude while reducing the power supply time by about two orders of magnitude. By limiting the time of power supply to the
На фиг.2 показана импульсная антиобледенительная система 20 согласно другому варианту осуществления изобретения. Антиобледенительная система 20 содержит источник 22 питания постоянного тока, конденсатор 26, резистивный нагревательный элемент 28 и переключатель 24. Источник 22 питания постоянного тока способен подавать мощность для зарядки конденсатора, когда переключатель 24 замкнут на контакт 23. Конденсатор 26, будучи подключен к резистивному нагревательному элементу 28 через контакт 25, способен выдавать определенную мощность в соответствии с уравнениями фиг.1. Переключатель 24 находится, например, под оперативным управлением контроллера или микропроцессора для выдачи импульса тока с конденсатора 26 на резистивный нагревательный элемент 28, когда переключатель 24 замкнут на контакт 25 (Ур. 1-1 фиг.1). Источник питания 22 постоянного тока заряжает конденсатор 26, когда переключатель 24 замкнут на контакт 23. После зарядки конденсатора 26 переключатель 24 размыкается, а затем замыкается на контакт 25 для разряда тока в резистивный нагревательный элемент 28. Резистивный нагревательный элемент 28 генерирует достаточную мощность нагрева для растапливания граничного слоя льда на границе объекта, например на границе 15 (фиг.1). В зависимости от применения импульсной антиобледенительной системы 20 астапливание граничного слоя полезно для удаления льда с поверхности объекта, предотвращения его образования на поверхности и/или изменения прочности его прилипания и/или изменения коэффициента трения между льдом или снегом и объектом.Figure 2 shows a
На фиг.3 показана импульсная антиобледенительная система 30 согласно еще одному варианту осуществления. Импульсная антиобледенительная система 30 содержит пару силовых шин 32, нагревательный элемент 34, конденсатор 38, переключатель 36 и источник 37 питания. Импульсная антиобледенительная система 30 способна удалять лед, примыкающий к элементу 34 (например, элемент 34 расположен с, в и/или на объекте, с которого нужно удалить лед). В показанном на фиг.3 варианте осуществления конденсатор 38 является суперконденсатором, имеющим емкость около 1000 Ф и потенциал около 2,5 В, например суперконденсатор PC2500 производства Maxwell Technology. Кроме того, нагревательный элемент 34 содержит лист фольги из нержавеющей стали толщиной 50 мкм, присоединенный к пластине из плексигласа толщиной 1 см, и источник 37 питания представляет собой источник питания постоянного тока с ЭДС 2,5 В. Переключатель 36 может действовать как сильноточный механический переключатель для ограничения времени, в течение которого источник 37 питания подает мощность на нагревательный элемент 34. В некоторых случаях переключатель 36 действует как электрический переключатель, получающий управляющий сигнал от контроллера, например контроллера 14 (фиг.1). Сопротивление нагревательного элемента 34 составляет около 6 мОм. При начальной плотности мощности около 40 кВт/м2, полной накопленной энергии около 3,125 кДж и полной плотностью энергии около 83,33 кДж/м2 импульсная антиобледенительная система 30 эффективно удаляет около 2 см льда на площади поверхности около 375 см2 приблизительно за одну секунду при температуре окружающей среды около -10°C с использованием плотности энергии около 40 кДж/м2.FIG. 3 shows a
Согласно еще одному варианту осуществления импульсной антиобледенительной системы 30 конденсатор 38 является автомобильным аккумулятором, например, EverStart®; автомобильным аккумулятором с пиковым током около 1000 А и потенциалом около 12 В. Кроме того, согласно этому варианту осуществления нагревательный элемент 34 содержит лист фольги из нержавеющей стали толщиной 100 мкм, присоединенный к пластине из плексигласа толщиной 1 см. Переключатель 36 может представлять собой, например, реле. При начальной плотности мощности около 25 кВт/м2 импульсная антиобледенительная система 30 эффективно удаляет около 2 см льда на площади поверхности около 375 см2 приблизительно за две секунды при температуре окружающей среды около -10°C с использованием плотности энергии около 50 кДж/м2. Согласно еще одному варианту осуществления источник питания 37 представляет собой источник питания постоянного тока 2,5 В, который заряжает конденсатор 38.According to another embodiment of the
На фиг.4 показана одна импульсная антиобледенительная система 40, отвечающая еще одному варианту осуществления изобретения. Антиобледенительная система 40 содержит источник 42 питания постоянного тока, конденсатор 45, резистивный нагревательный элемент 46, преобразователь 44 постоянного тока и переключатель 48. Источник 42 питания постоянного тока способен подавать мощность через преобразователь 44 постоянного тока, чтобы заряжать конденсатор 45, когда переключатель 48 замкнут на контакт 41. Преобразователь 44 постоянного тока способен повышать напряжение, выдаваемое источником 42 питания постоянного тока. Конденсатор 45 подключен к резистивному нагревательному элементу 46 через контакт 43 и способен выдавать некоторую мощность в соответствии с уравнениями фиг.1. Переключатель 48 находится, например, под оперативным управлением контроллера или микропроцессора для выдачи импульса тока с конденсатора 45 на резистивный нагревательный элемент 46, когда переключатель 48 замкнут на контакт 43 (Ур. 1-1 фиг.1). Источник 42 питания постоянного тока заряжает конденсатор 45, когда переключатель 48 замкнут на контакт 43. После зарядки конденсатора 45 переключатель 48 размыкается, а затем замыкается на контакт 43 для разряда тока в резистивный нагревательный элемент 46. Резистивный нагревательный элемент 46 генерирует достаточную мощность нагрева для растапливания граничного слоя льда. В зависимости от применения импульсной антиобледенительной системы 40 растапливание граничного слоя полезно для удаления льда с поверхности объекта, предотвращения его образования на поверхности и/или изменения прочности его прилипания и/или изменения коэффициента трения между льдом и объектом. Импульсная антиобледенительная система 40 также полезна, когда недоступны большие подачи мощности или когда объекты имеют малую площадь поверхности контакта со снегом, например, для ботинка (например, ботинок 684, фиг.61). Согласно одному варианту осуществления импульсная антиобледенительная система 40 используется в качестве «импульсного тормоза», подробно описан ниже.4 shows one
На фиг.5 показана импульсная антиобледенительная система 50 согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Импульсная антиобледенительная система 50 способна удалять лед с объекта и содержит антиобледенитель 62, пару силовых шин 64, термопару 63, блок 52 термопары, усилитель 54, батарею 58, реле 59, конденсатор 61, полупроводниковое реле (ППР) 60 и компьютерную систему 57. Антиобледенитель 62 подключен к силовым шинам 64 для приема мощности от батареи 58. Компьютерная система 57 подключена к антиобледенителю 62 через блок 52 термопары и усилитель 54 для приема температурной информации об антиобледенителе 62 через термопару 63. Компьютерная система 57 может включать в себя плату 55 аналого-цифрового преобразователя (АЦП), способную принимать температурную информацию в аналоговом виде и преобразовывать аналоговую температурную информацию в цифровой формат для использования компьютерной системой 57, которая подключена к антиобледенителю 62 через ППР 60 для управления длительностью и величиной мощности, подаваемой на антиобледенитель 62, например, в соответствии с уравнениями фиг.1. Компьютерная система 57 оперативно управляет ППР 60 и реле 59 для подачи мощности от батареи 58 на антиобледенитель 62.5 shows a
ППР 60 можно заменить электромагнитом 67 и переключателем 66. Компьютерная система 57 может дополнительно включать в себя блок 56 транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) для подачи управляющей информации на ППР 60, так что, когда электромагнит 68 получает шаговый входной сигнал от модуля 56 ТТЛ, электромагнит 68 замыкает переключатель 65. Когда переключатель 65 закрыт, конденсатор 61 разряжается в электромагнит 67 для замыкания переключателя 66. Когда переключатель 66 замкнут, батарея 58 подает мощность на антиобледенитель 62. Компьютерная система 57 отключает мощность от антиобледенителя 62, когда температура возрастает до определенного уровня, что определяется термопарой 63. Компьютерная система 57 принимает температурную информацию от термопары 63 через блок 52 термопары и усилитель 54. Блок 52 термопары передает температурную информацию на компьютерную систему 57. Усилитель 54 усиливает температурную информацию, после чего плата 55 А/Ц преобразователя оцифровывает температурную информацию для компьютерной системы 57. Когда температура антиобледенителя 62 достигает определенного уровня, достаточного для растапливания граничного слоя льда, компьютерная система 57 предписывает блоку 56 ТТЛ разомкнуть переключатель 65 посредством электромагнита 68. Поскольку переключатель 65 открывается, когда компьютерная система определяет, что следует отключить подачу мощности от антиобледенителя 62, конденсатор 61 разряжается и переключатель 66 размыкается, поскольку на электромагнит 67 уже не поступает напряжение. При этом электромагнит 67 начинает заряжать конденсатор 61.The
Антиобледенитель 62 выполнен из нержавеющей стали толщиной 50 мкм и присоединен к переднему краю малой аэродинамической поверхности (например, переднему открытому участку крыла самолета). Согласно этому варианту осуществления аэродинамическая поверхность имеет размах около 20 см и толщину около 5 см, и антиобледенитель 62 имеет размеры около 20 см х 10 см.The
Система 50 была испытана следующим образом. Антиобледенитель 62 сформировали на аэродинамической поверхности и поместили в обледеняющую аэродинамическую трубу, его испытывали при скорости воздуха около 142 км/ч при -10°C с каплями воды размером около 20 мкм. На аэродинамической поверхности образовывался атмосферный лед. После нарастания льда толщиной от 5 мм до 10 мм компьютерная система 57 предписывала батарее 58 подать мощность на антиобледенитель 62 в виде импульсов, как показано на фиг.5. При плотности мощности W около 100 Вт/м2 и длительности t импульса мощности около 0,3 секунд антиобледенитель 62 растапливает граничный слой льда на аэродинамической поверхности, в результате чего прилипание льда к аэродинамической поверхности существенно изменяется и/или исчезает. После этого лед удаляется с аэродинамической поверхности силой лобового сопротивления воздуха. Длительность импульса в этом пример больше, чем в примере ветрового стекла, по причине большей теплоемкости нагревателя из металлической фольги.
На фиг.6 показана импульсная антиобледенительная система 70 для крыла 80 самолета согласно одному варианту осуществления. Импульсная антиобледенительная система 70 содержит источник 74 питания и контроллер 78. Источник 74 питания способен генерировать мощность, величина которой, по существу, обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания граничного слоя льда на границе 73 раздела. Показано, что граница 73 раздела - это поверхность крыла 80 самолета, контактирующая со льдом и/или снегом. Импульсная антиобледенительная система 70 также содержит нагревательный элемент 75, подключенный к источнику 74 питания для преобразования мощности в тепло на границе 73 раздела. Система 70 содержит контроллер 78, подключенный к источнику 74 питания, для ограничения времени, в течение которого нагревательный элемент 75 преобразует мощность в тепло. Длительность подачи мощности, например, обратно пропорциональна квадрату величины мощности.FIG. 6 shows a
Система 70 также содержит детектор 72 льда и датчик 76 температуры. Датчик 76 температуры присоединен к границе 73 раздела, чтобы регистрировать температуру на границе 73 раздела. Датчик 76 температуры выдает температурную информацию о границе 73 раздела в виде сигнала обратной связи на контроллер 78. Контроллер 78 обрабатывает температурную информацию для управления режимом подачи мощности на нагревательный элемент 75 и/или границу 73 раздела.
Детектор 72 льда способен регистрировать толщину льда на границе 73 раздела. Детектор 72 льда может, например, включать в себя сетку из электродов, которая облегчает измерение толщины льда. Поскольку лед имеет уникальную диэлектрическую постоянную, отличающуюся от диэлектрических постоянных воды и воздуха, наличие и толщину льда можно определить, измерив межэлектродную емкость детектора 72 льда. Детектор 72 льда передает информацию о льде (например, наличие и толщину льда) на контроллер 78. Контроллер 78 обрабатывает информацию, чтобы определить, когда нужно подавать мощность на нагревательный элемент 75. Согласно одному варианту осуществления, когда лед на крыле 80 самолета достигает определенной толщины, контроллер 78 автоматически определяет необходимость удаления льда и оперативно предписывает источнику 74 питания подать мощность на нагревательный элемент 75.An
Ниже описан пример эксплуатационных характеристик системы 70. Рассмотрим окружающую среду антиобледенителя, в которой внешняя температура Т составляет около -10°C, скорость воздуха около 320 км/ч и толщина крыла 80 самолета около 10 см, при коэффициенте конвективного теплообмена hк около 1200 Вт/К.м2 (на основании экспериментальных данных).An example of the operational characteristics of
Для сравнения, известная антиобледенительная система подает мощность W на поверхность крыла 80 самолета, чтобы поддерживать температуру Тт на поверхности крыла 80 самолета выше точки замерзания воды (например, 0°C), согласно следующему уравнению:In comparison, the prior art de-icing system supplies power W to the wing surface of an
W = hк(Tт-T) = 12 кВт/м2.(Ур. 6-1)W = h k (T t -T) = 12 kW / m 2 . (Lv. 6-1)
Поддержание этой мощности в течение трех минут дает большое количество энергии Q, выражаемое следующим уравнением:Maintaining this power for three minutes gives a large amount of energy Q, expressed by the following equation:
W = 12.103 Вт/м2.180 с = 432 кДж/м2.(Ур. 6-2)W = 12 . 10 3 W / m 2. 180 s = 432 kJ / m 2 . (Lv. 6-2)
Импульсная антиобледенительная система 70 отличается от известной антиобледенительной системы тем, что растапливает граничный слой льда на границе раздела, а не весь лед. Импульсная антиобледенительная система 70 очищает аэродинамическую поверхность ото льда, используя только 30 кДж/м2. При трехминутном интервале между импульсами импульсная антиобледенительная система 70 потребляет очень низкую «среднюю» мощность:
Wсред = 30 кДж/180 с.м2 = 0,167 кВт/м2. (Ур. 6-3)W medium = 30 kJ / 180 s . m 2 = 0.167 kW / m 2 . (Lv. 6-3)
В частности, результат Ур. 6-3 составляет только 1,4% от того, что использует электротепловой антиобледенитель согласно Ур. 6-2.In particular, the result of Ur. 6-3 is only 1.4% of what the electrothermal defroster uses according to Eq. 6-2.
Согласно этому варианту осуществления импульсная антиобледенительная система 70 выдает импульсы энергии на нагревательный элемент 75 согласно уравнениям фиг.1. Нагревательный элемент 75 может содержать сетку из электродов для растапливания граничного слоя льда на границе 73 раздела. Когда толщина льда достигает определенного заранее заданного значения (например, 3 мм), контроллер 78 предписывает источнику 74 питания подать короткий импульс мощности на нагревательный элемент 75. Длительность импульса зависит от температуры, выдаваемой датчиком 76 температуры, мощности, выдаваемой источником 74 питания, и физическими свойствами материала подложки (например, поверхности крыла 80 самолета и/или нагревательного элемента 75). Например, длительность импульса подаваемой мощности может выражаться Ур. 1-1 фиг.1.According to this embodiment, the
В импульсной антиобледенительной системе 70 применяется второй датчик (не показан) вблизи нагревательного элемента 75 для улучшения регулировки мощности. Например, когда граничная температура достигает определенного значения при подаче импульсной мощности, контроллер 78 может предписать источнику 74 питания отключить мощность от нагревательного элемента 75 и, таким образом, сократить энергопотребление.In the
Эксперименты с различными нагревателями, например ВЧ нагревателем с потерями в диэлектрике и нагревателем постоянного тока, дают результаты, соответствующие вышеописанным теоретическим прогнозам. В некоторых рассмотренных здесь вариантах осуществления, когда площадь обледенения слишком велика, чтобы источник питания мог одновременно нагревать всю площадь, антиобледенение можно осуществлять участок за участком. Например, можно удалить лед со всей структуры, последовательно удаляя лед с этих участков. Силы лобового сопротивления самолета могут дополнительно удалять лед с аэродинамической поверхности. Однако, поскольку требуется время, чтобы большая часть крыла 80 самолета, обращенная вперед, поддерживалась незамерзшей (например, разделительная полоса), может повыситься средняя мощность, выраженная в Ур. 6-3. В импульсной антиобледенительной системе 70 можно использовать другие нагреватели, например нагреватель на отбираемом у компрессора горячем воздухе, имеющийся во многих самолетах.Experiments with various heaters, for example, an RF heater with losses in the dielectric and a direct current heater, give results that correspond to the theoretical predictions described above. In some embodiments discussed herein, when the icing area is too large for the power source to heat the entire area at the same time, de-icing can be carried out site by area. For example, you can remove ice from the entire structure by sequentially removing ice from these areas. The drag force of an aircraft can further remove ice from the aerodynamic surface. However, since it takes time for most of the
Нагревательные элементы, используемые в импульсных антиобледенительных системахHeating elements used in pulsed de-icing systems
В некоторых нижеописанных вариантах описаны нагревательные элементы, используемые в различных импульсных антиобледенительных системах. Эти нагревательные элементы получают мощность от источника питания, например источника питания постоянного тока, а затем растапливают граничный слой льда на границе раздела. Когда граничный слой льда растоплен, лед удаляется или повторно замораживается в зависимости от требований, что более подробно описано ниже.In some of the embodiments described below, heating elements are used in various pulse de-icing systems. These heating elements receive power from a power source, such as a direct current power source, and then melt the boundary layer of ice at the interface. When the boundary layer of ice is melted, the ice is removed or re-frozen depending on the requirements, which is described in more detail below.
На фиг.7 показана многослойная структура 90 нагревательного элемента антиобледенителя для удаления льда со структуры 92, например, путем подачи мощности в соответствии с уравнениями фиг.1. Многослойная структура 90 содержит электрический и теплоизолятор 94 подложки, электропроводящий слой 96 и защитный слой 98. Слой 96 получает мощность и преобразует ее в тепло для удаления льда со структуры 92 и/или предотвращения его формирования. Слой 96 является одним из различных описанных здесь нагревательных элементов. Согласно одному варианту осуществления многослойная структура 90 содержит совокупность отдельных компонентов, присоединенных к структуре 92, образующих «ячейки», в которых лед можно по отдельности удалять (например, удалять ячейку за ячейкой или участок за участком).FIG. 7 shows a
Мощность, подаваемая на многослойную структуру 90, составляет от 10 кВт/м2 до 100 кВт/м2. Соответственно для подачи такой мощности нужно выбрать источник питания емкостью примерно от 10 кДж/м2 до 100 кДж/м2 в зависимости от требуемого времени удаления льда и внешней температуры. Некоторые источники питания с такими характеристиками представляют собой химические батареи, суперконденсаторы, ультраконденсаторы, электролитические конденсаторы, маховики, связанные с генераторами, преобразователи постоянного тока и инверторы и их комбинации.The power supplied to the
Современные химические батареи отличаются высокой плотностью накопленной электрической энергии (например, 60 кДж/кг для свинцовой батареи). Однако химические батареи имеют сравнительно низкую плотность мощности. Например, автомобильный аккумулятор может выдавать примерно до 1000 А при двенадцати вольтах в течение примерно десяти секунд, что соответствует мощности около 12 кВт. Типичный автомобильный аккумулятор имеет большую емкость, примерно Q ≈ 12 В × 100 A × 3600 c = 4,32 106 Дж. Поэтому для использования в импульсных антиобледенительных системах и способах автомобильный аккумулятор может эффективно удалять лед с площадей примерно до 1,5 м2, что идеально для автомобильных ветровых стекол.Modern chemical batteries have a high density of stored electrical energy (for example, 60 kJ / kg for a lead battery). However, chemical batteries have a relatively low power density. For example, a car battery can deliver up to about 1000 A at twelve volts for about ten seconds, which corresponds to a power of about 12 kW. A typical car battery has a large capacity, approximately Q ≈ 12 V × 100 A × 3600 c = 4.32 10 6 J. Therefore, for use in pulsed de-icing systems and methods, a car battery can effectively remove ice from areas up to about 1.5 m 2 that is ideal for automotive windshields.
Суперконденсаторы и ультраконденсаторы известны как хорошие источники пиковой мощности и пиковой емкости. Некоторые суперконденсаторы могут накапливать 10 Дж/кг и выдавать 1,5 кВт/кг мощности (например, суперконденсатор PC2500 производства Maxwell Technology). В качестве источника питания суперконденсаторы могут быть весьма пригодны для использования с многослойной структурой 90 в импульсных антиобледенительных системах.Supercapacitors and ultracapacitors are known as good sources of peak power and peak capacitance. Some supercapacitors can store 10 J / kg and deliver 1.5 kW / kg of power (for example, the Maxwell Technology PC2500 supercapacitor). As a power source, supercapacitors can be very suitable for use with a
Маховик, выполненный из легких композитных материалов и связанный с генератором, обеспечивает другой накопитель энергии. Некоторые маховики могут аккумулировать до 2 МДж/кг и, будучи связаны с генератором, могут выдавать плотность мощности около 100 кВт/кг. Например, мотор-генератор первоначально действует как мотор, раскручивая маховик до высокой скорости. Мотор использует маломощный источник, например источник в 100 ватт или 1000 ватт (например, батарею). Когда нужна пиковая мощность, обмотки мотора отключаются от маломощного источника и подключаются к низкоомной нагрузке (например, электропроводящему слою 96), тем самым преобразуя кинетическую энергию, накопленную маховиком, в тепло.A flywheel made of lightweight composite materials and connected to a generator provides another energy storage device. Some flywheels can accumulate up to 2 MJ / kg and, when connected to a generator, can produce a power density of about 100 kW / kg. For example, a motor generator initially acts as a motor, spinning the flywheel to high speed. A motor uses a low-power source, such as a 100-watt or 1000-watt source (such as a battery). When peak power is needed, the motor windings are disconnected from a low-power source and connected to a low-impedance load (for example, conductive layer 96), thereby converting the kinetic energy accumulated by the flywheel into heat.
Некоторые варианты применения импульсных антиобледенителей предусматривают использование высокоомных электронагревателей (например, резистивного нагревательного элемента антиобледенителя автомобильного ветрового стекла) и поэтому могут нуждаться в высоковольтном источнике питания. Например, антиобледенитель автомобильного ветрового стекла может использовать от 120 вольт до 240 вольт. Это напряжение превышает выходное напряжение обычного автомобильного аккумулятора (например, около 12 вольт) и суперконденсатора (например, около 2,5 вольт). Вместо использования блока батарей для повышения напряжения можно использовать инверторы или ступенчатые преобразователи постоянного тока для увеличения напряжения.Some applications for pulsed deicers include the use of high-resistance electric heaters (for example, a resistive heating element for an automobile windshield de-icer) and therefore may require a high-voltage power supply. For example, an automobile windshield defroster can use from 120 volts to 240 volts. This voltage exceeds the output voltage of a conventional car battery (for example, about 12 volts) and a supercapacitor (for example, about 2.5 volts). Instead of using a battery pack to increase the voltage, you can use inverters or step DC / DC converters to increase the voltage.
Тонкие электронагревательные слои, например электропроводящий слой 96 (фиг.7), полезны для снижения энергопотребления и тепловой инерции антиобледенения. Примеры материалов, которые можно использовать в качестве слоя 96, включают в себя тонкие металлические фольги, например фольгу из нержавеющей стали, титановую фольгу, медную фольгу и алюминиевую фольгу. Можно также использовать металлические напыления, сплавы, проводящие оксиды металлов, проводящие волокна (например, углеродные волокна) и проводящие краски. Типичная толщина слоя 96 может составлять примерно от 50 нм до 100 мкм; однако можно использовать и другие диапазоны, например, от 10 нм до 1 мм.Thin electric heating layers, for example, an electrically conductive layer 96 (Fig. 7), are useful for reducing energy consumption and thermal inertia of anti-icing. Examples of materials that can be used as
В некоторых случаях защитный слой 98 способен защищать слой 96 от неблагоприятной окружающей среды. Например, слой 98 защищает слой 96 от истирания, эрозии, высокоскоростных ударов и/или царапин. Защитный слой 98 может быть как диэлектрическим, так и проводящим и накладываться непосредственно на слой 96. Например, слой 96 может иметь сравнительно высокие тепловые характеристики электропроводности и сравнительно высокую механическую прочность. Некоторые примеры материалов, которые можно использовать в качестве защитного слоя 98, включают в себя TiN, TiCN, карбид вольфрама, WC, Al2O3, SiO2, Cr, Ni, CrNi, TiO2 и AlTiO. Защитный слой 98 можно накладывать на слой 96 путем распыления, химического осаждения из паровой фазы (ХПО), физического осаждения из паровой фазы (ФПО) и/или золь-гелевыми методами (например, с помощью коллоидной взвеси частиц оксида кремния, которая желирует с образованием твердого тела). Напыление, как известно специалистам в данной области, может включать в себя помещение подложки в вакуумную камеру. Плазма, генерируемая пассивным газообразным источником (например, аргоном), генерирует ионную бомбардировку, направленную на цель на подложке, что приводит к «распылению» материала подложки. Распыленный материал осаждается на стенках камеры и на подложке. Методы ХПО и ФПО известны специалистам в данной области.In some cases, the
Поскольку энергопотребление импульсных антиобледенителей может зависеть от свойств подложки (например, в Ур. 1-1, 1-2, 1-4), мощность антиобледенения можно снизить для материалов подложки, имеющих низкую плотность, высокую теплоемкость и/или низкую теплопроводность. Многие полимеры имеют малое произведение (ρпcпλп), тогда как металлы имеют большое произведение (ρпcпλп). Твердые вспененные материалы также имеют малое произведение (ρпcпλп). Стекло имеет произведение (ρпcпλп) более высокое, чем у обычного полимера, но сравнительно более низкое, чем у металлов. В зависимости от применения теплоизолятор 94 подложки может иметь толщину примерно от 100 нм до 1 мм, но обычно примерно от 0,1 мм до 20 мм.Since the power consumption of pulsed de-icers may depend on the properties of the substrate (e.g. in Ur. 1-1, 1-2, 1-4), the power of anti-icing can be reduced for substrate materials having a low density, high heat capacity and / or low thermal conductivity. Many polymers have a small product (ρ p c p λ p ), while metals have a large product (ρ p c p λ p ). Solid foam also has a small product (ρ p c p λ p ). Glass has a product (ρ p c p λ p ) higher than that of a conventional polymer, but relatively lower than that of metals. Depending on the application, the
На фиг.8 показан нагревательный элемент 100 антиобледенителя согласно варианту осуществления изобретения. Нагревательный элемент 100 способен растапливать граничный слой льда на объекте, получая импульсы энергии, например, согласно уравнениям фиг.1. Например, мощность можно подавать на нагревательный элемент 100 на клеммы 101 и 102, что позволяет нагревательному элементу 100 растапливать граничный слой льда. Источник питания может подавать мощность на нагревательный элемент 100 для растапливания граничного слоя льда. В зависимости от применения нагревательного элемента 100 растапливание граничного слоя льда может быть полезно для удаления льда с поверхности объекта, предотвращения его формирования на поверхности и/или для изменения прочности прилипания и изменения коэффициента трения между льдом и объектом. Элемент 100 может быть размещен, например, на, в или рядом с поверхностью объекта, подлежащего очистке ото льда.FIG. 8 shows an
Анализ импульсной антиобледенительной системыPulse de-icing system analysis
Ниже представлен анализ некоторых характеристик различных импульсных антиобледенительных систем. Проиллюстрированы значения определенных элементов, чтобы показать, как тепло, выделяемое нагревательными элементами, рассеивается в лед для удаления льда с объекта.The following is an analysis of some characteristics of various pulsed de-icing systems. The values of certain elements are illustrated to show how the heat generated by the heating elements dissipates into ice to remove ice from the object.
На фиг.9 показано импульсное антиобледенительное устройство 120. Лед 124 прилипает к теплопроводящей подложке 126, образуя границу раздела 122 лед-объект. Нагревательный элемент расположен на границе 122 раздела (например, в подложке 126) для облегчения подачи импульсов энергии на границу 122 раздела. Подложка 126 представляет, например, крыло самолета, ветровое стекло, окно, наружное зеркало, фару автомобиля, ротор ветряной установки, здание, дорожную конструкцию, мост, холодильник, антенну, мачту связи, поезд, железнодорожный путь, туннель, дорожный знак, линию электропередач, трос, конструкцию фуникулера или трос фуникулера.FIG. 9 shows a
На фиг.10 показано расстояние рассеяния тепла за время t (например, t1 и t2), через лед 124 и подложку 126, под давлением температуры Т на границе 122 раздела лед-объект. По оси Х 123 отложено расстояние под прямым углом к границе 122 раздела (фиг.9); и по оси Y 125 отложена температура Т. Каждая кривая t1 или t2 выражает время для расстояния распространения тепла в теплопроводящую подложку 126 и лед 124 по обе стороны границы 122 раздела. Показано, что пик каждой кривой t1 и t2 соответствует точке 127 плавления на оси Y 125, т.е. температуре, достаточной для растапливания граничного слоя льда на границе 122 раздела.Figure 10 shows the distance of heat dissipation over time t (for example, t 1 and t 2 ), through
Две кривые t1 и t2 зависят от импульсной мощности, которая растапливает граничный слой льда. Показано, что t1 меньше t2 и соответствует более высокой плотности потока энергии. Поскольку импульсное количество энергии, подаваемой под каждой кривой t1 и t2, достаточно для растапливания граничного слоя льда на границе раздела 122, предпочтительно подавать такую импульсную энергию в соответствии с t1, чтобы обеспечивать более высокую плотность потока энергии, но, в целом, меньшую мощность по сравнению с t2.The two curves t 1 and t 2 depend on the pulse power, which melts the boundary layer of ice. It is shown that t 1 is less than t 2 and corresponds to a higher energy flux density. Since the pulsed amount of energy supplied under each curve t 1 and t 2 is sufficient to melt the boundary layer of ice at
В частности, рассмотрим следующее уравнение для времени рассеяния t на длину L в направлении оси Х 123:In particular, we consider the following equation for the scattering time t by the length L in the direction of the X axis 123:
t = L2/D, (Ур. 10-1)t = L 2 / D, (Lv. 10-1)
где D - коэффициент температуропроводности, выражающийся в видеwhere D is the coefficient of thermal diffusivity, expressed as
D= λ/ρc, (Ур. 10-2)D = λ / ρc, (Lv. 10-2)
где λ - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность материала; с - удельная теплоемкость материала. Более короткие импульсы мощности, подаваемые на границу 122 раздела, нагревают более тонкие граничные слои льда. Регулируя длительность мощности нагрева, можно лучше сфокусироваться на границе 122 раздела, где это необходимо. Время t и энергия Q, подаваемая на границу раздела для нагрева граничного слоя льда 124 от температуры Т окружающей среды до точки 127 плавления, удовлетворяют уравнениям, рассмотренным в связи с фиг.1. Согласно уравнениям фиг.1 удаление льда с помощью устройства 120 позволяет экономить энергию. Кроме того, время t между импульсами нагрева можно регулировать в соответствии со скоростью нарастания льда и допустимой толщиной льда. Например, когда толщина льда на крыле самолета достигает около 3 мм, механизм обратной связи позволяет устройству 120 удалить лед 124 согласно рассмотренному в связи с фиг.6.where λ is the coefficient of thermal conductivity; ρ is the density of the material; C is the specific heat of the material. The shorter power pulses supplied to the
На фиг.11 показана зависимость времени удаления льда и энергии удаления льда (например, тепловой энергии) от плотности мощности нагрева для одной импульсной антиобледенительной системы, применяемой для ветрового стекла автомобиля. Например, слой проводящего оксида индия-олова (ITO) толщиной 0,5 мкм, наложенный на одну сторону ветрового стекла, выполненного из стекла и имеющего размеры 10 см x 10 см x 5 мм, можно использовать в качестве нагревательного элемента в импульсной антиобледенительной системе. Когда лед нарастает на ветровом стекле до толщины около 2 см при внешней температуре около -10°C, на нагревательный элемент поступают импульсы мощности переменного тока частотой около 60 Гц для нагревания граничного слоя льда. Когда граничный слой льда растоплен, сила тяжести может удалить лед. Тепловая энергия Q, необходимая для растапливания граничного слоя льда, может зависеть от времени и плотности мощности, с которой мощность поступает на нагревательный элемент. На фиг.11 показана такая зависимость, где по оси Y 132 отложено время удаления льда и энергия удаления льда, а по оси Х 133 отложена плотность потока энергии нагрева W; время выражено в секундах, а энергия в килоджоулях/м2.11 shows the dependence of the time of removal of ice and the energy of removal of ice (for example, thermal energy) on the density of the heating power for one pulse de-icing system used for a car windshield. For example, a 0.5 μm thick layer of conductive indium tin oxide (ITO) applied to one side of a windshield made of glass and measuring 10 cm x 10 cm x 5 mm can be used as a heating element in a pulsed de-icing system. When the ice grows on the windshield to a thickness of about 2 cm at an external temperature of about -10 ° C, AC power pulses of about 60 Hz frequency are fed to the heating element to heat the boundary layer of ice. When the boundary layer of ice is melted, gravity can remove ice. The thermal energy Q needed to melt the boundary layer of ice may depend on the time and power density with which power is supplied to the heating element. Figure 11 shows such a relationship, where the time of ice removal and the energy of removal of ice are plotted along the
Две диаграммы 130 и 131, по существу, соответствуют теоретическим прогнозам, данным в Ур. 1-4 на фиг. 1. Например, диаграммы 130 и 131 показывают, что время удаления льда обратно пропорционально квадрату плотности потока энергии W, тогда как тепловая энергия Q приблизительно обратно пропорциональна первой степени плотности потока энергии W. Соответственно, такая импульсная антиобледенительная система снижает величину средней мощности, подаваемой на нагревательный элемент для удаления льда с объекта или предотвращения его образования на нем.The two diagrams 130 and 131 essentially correspond to the theoretical predictions given in Eq. 1-4 in FIG. 1. For example, diagrams 130 and 131 show that the ice removal time is inversely proportional to the square of the energy flux density W, while the thermal energy Q is approximately inversely proportional to the first degree of the energy flux density W. Accordingly, such a pulsed de-icing system reduces the average power supplied to a heating element for removing ice from an object or preventing its formation on it.
ВЧ антиобледенительные системыHF anti-icing systems
ВЧ антиобледенительные системы используются, например, для удаления льда с поверхности объекта. Как было указано выше, ВЧ антиобледенительные системы могут растапливать граничный слой льда на границе раздела объекта и льда, что позволяет нарушать, изменять и/или ликвидировать прилипание льда. После нарушения прилипания льда лед может быть удален с поверхности, например, под действием силы тяжести и/или ветра.HF anti-icing systems are used, for example, to remove ice from the surface of an object. As mentioned above, RF anti-icing systems can melt the boundary layer of ice at the interface between the object and ice, which allows you to break, modify and / or eliminate the adhesion of ice. After breaking ice, ice can be removed from the surface, for example, by gravity and / or wind.
На фиг.12 показана ВЧ антиобледенительная система 140 согласно одному варианту осуществления. ВЧ антиобледенительная система 140 содержит бифилярную катушку 141, установленную на диэлектрической подложке 142. Лед и/или снег 143 прилип к поверхности 144 диэлектрической подложки 142. Катушка 141 может быть покрыта диэлектрическим слоем для предотвращения механических повреждений и воздействий окружающей среды и/или для предотвращения электрического пробоя воздуха. Витки катушки 141 разнесены на диэлектрической подложке 142 на расстояние D. При подаче мощности на катушку 142, например, в соответствии с уравнениями фиг.1 ВЧ антиобледенительная система 140 нарушает или изменяет прилипание льда и/или снега 143 к поверхности 144. Теперь опишем иллюстративные эксплуатационные характеристики ВЧ антиобледенительной системы 140.12 shows an RF
Обычный лед имеет емкость на квадратный метр:Normal ice has a capacity per square meter:
(Ур. 12-1) (Lv. 12-1)
и ВЧ проводимость на квадратный метрand RF conductivity per square meter
(Ур. 12-2) (Lv. 12-2)
где D выражается в метрах, Т - в кельвинах. Электрический пробой воздуха происходит при напряжении Vпр околоwhere D is expressed in meters, T - in kelvins. Electric breakdown of air occurs at a voltage of V ol about
Vпр ≈ 2,4×106D(м). (Ур. 12-3)V ol ≈ 2.4 × 10 6 D (m). (Lv. 12-3)
Если вычислять на уровне моря и использовать электрическое поле воздушного пробоя около 30 кВ/см, то среднеквадратичное значение (СКЗ) напряжения Vпр составляет примерноIf you calculate at sea level and use an electric field of air breakdown of about 30 kV / cm, then the root mean square value (RMS) of the voltage V CR is approximately
Vпр ≈ 1,7x106D(м). (Ур. 12-4)V ≈ 1,7x10 6 etc. D (m). (Lv. 12-4)
Предпочтительно максимальное напряжение определяется равным около 70% от Vпр в (Ур. 10-4) из соображений безопасности. Соответственно, Vmax равноPreferably, the maximum voltage is determined to be about 70% of V ol in (Eq. 10-4) for safety reasons. Accordingly, V max is
Vmax= 0,7.1,7×106D(м) ≈ 1,2×106D(м). (Ур. 12-5)V max = 0.7 . 1.7 × 10 6 D (m) ≈ 1.2 × 10 6 D (m). (Lv. 12-5)
Объединяя Ур. 12-2 и 12-5, максимальная мощность нагрева равнаUniting Lv. 12-2 and 12-5, the maximum heating power is
(Ур. 12-6) (Lv. 12-6)
Время удаления льда ВЧ антиобледенительной системы 140 эвристически определяют, подавая «безопасные» напряжения согласно следующему уравнению:The ice removal time of the RF
(Ур. 12-7) (Lv. 12-7)
Допустим, в катушке 141 намотаны провода толщиной 0,5 мм и на нее подано безопасное напряжение 600 вольт СКЗ, тогда время удаления льда ВЧ антиобледенительной системы 140 эвристически определяется равным около тринадцати секунд для растапливания граничного слоя льда 143 на поверхности 144 при внешней температуре -30°C. Другие значения времени удаления льда эвристически определены равными около 4,3 секунд при внешней температуре -20°C и около 1,2 секунд при внешней температуре -10°C.Suppose that a coil of thickness 0.5 mm is wound in
Было обнаружено, что обычная скорость нарастания льда не превышает 1,5 мм/мин. Соответственно, если желательно сбросить лед 143 с поверхности 144 примерно каждые три минуты, приближенные средние мощности для удаления льда можно определить так:It was found that the normal ice build-up rate does not exceed 1.5 mm / min. Accordingly, if it is desirable to dump
1,75 кВт/м2 при -30°C. (Ур. 12-8)1.75 kW / m 2 at -30 ° C. (Lv. 12-8)
Плотность мощности, используемая для поддержания разделительной полосы, свободной ото льда, шириной 0,2 дюйма, определяется путем прибавления плотности мощности защитной полосы шириной восемь дюймов к каждой из плотностей мощности Ур. 10-8, предполагая, что обычная плотность мощности равна 40 кВт/м2. Например, обычная плотность мощности для разделительной полосы шириной 5 мм с защитной полосой шириной 8 дюймов определяется следующим образом:The power density used to maintain an ice-free dividing strip with a width of 0.2 inches is determined by adding the power density of the protective strip eight inches wide to each of the power densities Ur. 10-8, assuming that the typical power density is 40 kW / m 2 . For example, the typical power density for a dividing strip of 5 mm wide with a protective strip of 8 inches wide is defined as follows:
W = 40(кВт/м2)-0,2′′/8′′= 1 кВт/м2. (Ур. 12-9)W = 40 (kW / m 2 ) -0.2 ′ ′ / 8 ′ ′ = 1 kW / m 2 . (Lv. 12-9)
Соответственно, добавление Ур. 10-9 к плотностям мощности Ур. 12-8 дает следующие результаты:Accordingly, the addition of Ur. 10-9 to power densities 12-8 gives the following results:
4,1 кВт/м2 при -30°C (Ур. 12-10)4.1 kW / m 2 at -30 ° C (Lv. 12-10)
Поэтому плотность мощности ВЧ антиобледенительной системы 140 при -30°C (например, 4,1 кВт/м2) составляет лишь около 10% от плотности мощности, развиваемой известным нагревателем постоянного тока.Therefore, the power density of the RF
На фиг.13 показана еще одна ВЧ антиобледенительная система 150. ВЧ антиобледенительная система 150 содержит совокупность электродов 154, установленных на диэлектрической подложке 152 в виде гребенчатой электронной схемы. ВЧ антиобледенительная система 150 удаляет лед 151 с поверхности 156 за счет подачи электрической мощности на электроды 154 от ВЧ источника питания 155 переменного тока. ВЧ антиобледенительная система 150 имеет характеристики антиобледенения, в которых плотность мощности нагрева, по существу, зависит от размеров а и b, где а - расстояние между электродами 154 и b - ширина электрода. Согласно одному варианту осуществления электроды 154 сплетены в сетку.13 shows another RF
Показаны электрическая мощность, подаваемая на электроды 154, электрические силовые линии 153, идущие от электродов 154. В ВЧ антиобледенительной системе 150 проводимость G схемы пропорциональна емкости C схемы на квадратный метр, обусловленной линиями 153 электрического поля над диэлектрической подложкой 152. Например,Shows the electric power supplied to the
(Ур. 13-1) (Lv. 13-1)
где ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума (например, ε0 = 8,85·10-12 Ф/м), ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда; σ - электропроводность льда. Положив a = b, получимwhere ε 0 is the dielectric constant of vacuum (for example, ε 0 = 8.85 · 10 -12 F / m), ε is the relative dielectric constant of ice; σ is the electrical conductivity of ice. Putting a = b, we get
(Ур. 13-2) (Lv. 13-2)
где равно а плюс b, также именуемое как период структуры. Среднее электрическое поле Е равноWhere equal to a plus b, also referred to as the period of the structure. The average electric field E is equal to
E ≈ V/, (Ур.13-3)E ≈ V / , (Lv. 13-3)
где V - СКЗ напряжения, подаваемого на схему ВЧ антиобледенительной системы 150. Соответственно, мощность W нагрева на кубический метр равнаwhere V is the RMS voltage supplied to the circuit of the RF
(Ур. 13-4) (Lv. 13-4)
Таким образом, если максимальная мощность Wmax нагрева ограничивается в ВЧ антиобледенительной системе 150 максимально возможным электрическим полем Emax (например, полем пробоя), то Wmax удовлетворяют уравнениюThus, if the maximum heating power W max is limited in the RF
Wmax ∝ σ.l. E max 2. (Ур. 13-5)W max ∝ σ . l . E max 2 . (Lv. 13-5)
Поэтому согласно этому варианту осуществления Wmax возрастает линейно с ростом . Кроме того, объемная плотность для Wmax не зависит от , посколькуTherefore, according to this embodiment, W max increases linearly with growth . In addition, bulk density for W max is independent of , insofar as
(Ур. 13-6) (Lv. 13-6)
Поэтому, чтобы поддерживать постоянную W, Е уменьшают с ростом . Соответственно, Е можно уменьшать, чтобы не было коронного разряда (например, полезно при использовании полимерных подложек и изоляции электродов).Therefore, in order to maintain a constant W, E decreases with growth . Accordingly, E can be reduced so that there is no corona discharge (for example, useful when using polymer substrates and electrode insulation).
В эксперименте, ВЧ антиобледенительная система 150 работала при -12°C с различными мощностями нагрева и напряжениями и с электродами, имеющими размеры a=b=75 мкм (например, при покрытии полиимидной пленкой толщиной 5 мкм, например, каптоновым полиимидом «Каптон»). Были получены следующие результаты:In the experiment, the RF
(Ур. 13-7) (Lv. 13-7)
При задании новых размеров, a=b=500 мкм (например, периода структуры в мм), напряжение, поддерживающее мощность, растет как корень квадратный из отношения нового и предыдущего периодов структуры, что даетWhen specifying new dimensions, a = b = 500 μm (for example, the period of the structure in mm), the voltage supporting the power increases as the square root of the ratio of the new and previous periods of the structure, which gives
(Ур. 13-7) (Lv. 13-7)
Одно преимущество ВЧ антиобледенительной системы 150 состоит в том, что ее схему можно изготовить без применения фотолитографии, даже на искривленных поверхностях. Напряженность электрического поля также может снижаться со скоростью, по существу, равной росту .One advantage of the RF
Гребенчатая схема для использования в ВЧ антиобледенительной системеComb design for use in the RF anti-icing system
Ниже описаны варианты осуществления и анализ гребенчатых схем, которые можно использовать в качестве нагревательных элементов в ВЧ антиобледенительных системах. Нагревательные элементы могут иметь возможность принимать ВЧ мощность переменного тока от источника питания переменного тока и могут использоваться для растапливания граничного слоя льда на границе раздела. Когда граничный слой льда растоплен, лед можно удалить или повторно заморозить в зависимости от требований, например, согласно описанному ниже в разделе «Способы регулировки коэффициента трения».Embodiments and analysis of comb schemes that can be used as heating elements in RF anti-icing systems are described below. The heating elements may be able to receive the RF AC power from the AC power source and can be used to melt the boundary layer of ice at the interface. When the boundary layer of ice is melted, the ice can be removed or re-frozen depending on the requirements, for example, as described below in the section "Methods for adjusting the friction coefficient".
На фиг.14 показан анализ ВЧ антиобледенительной системы 140, изображенной на фиг.13. В этом анализе, для определяется улучшенное отношение a/b.On Fig shows the analysis of the RF
Например,For example,
(Ур. 14-1) (Lv. 14-1)
где G′ - проводимость одной ячейки. Поскольку проводимость пропорциональна емкости, то G′ пропорциональна емкости одной ячейки, что выражается следующим образом:where G ′ is the conductivity of one cell. Since the conductivity is proportional to the capacitance, G ′ is proportional to the capacitance of one cell, which is expressed as follows:
(Ур. 14-2) (Lv. 14-2)
Из Ур. 14-2 можно определить мощность нагрева следующим образом:From Ur. 14-2, it is possible to determine the heating power as follows:
(Ур. 14-3) (Lv. 14-3)
(Ур. 14-4) (Lv. 14-4)
где 0 ≤ a ≤ 1. Согласно диаграмме на фиг.14, когда Е поддерживается постоянной, максимальная мощность Wmax нагрева достигает точки 159, где (например, приближение a ≈ b сравнительно хорошо, поскольку = a + b). Мощность W нагрева, когда a = b = 0,5, равна примерно 97% максимальной мощности нагрева Wmax. Диаграмма на фиг.14 также иллюстрирует отношения 10% и 90% в соответствующих точках 157 и 158, где мощность нагрева W оказывается равной 17% и 43% максимальной мощности Wmax нагрева. Напротив, когда поддерживается постоянное напряжение, увеличение мощности нагрева достигается за счет увеличения ширины электродов, например, размера «b».where 0 ≤ a ≤ 1. According to the diagram in Fig. 14, when E is kept constant, the maximum heating power W max reaches
На фиг.15 показан ряд типов 160-163 гребенчатой схемы. Гребенчатую схему (фиг.15) можно использовать в антиобледенительной системе, например, описанной в разделе «ВЧ антиобледенительные системы» и в разделе «импульсные антиобледенительные системы». Гребенчатую схему (вид 160) первоначально монтируют путем жесткого анодирования одной стороны (например, «жесткий анодированный слой 172») толстой алюминиевой фольги 171. Жестко анодированную алюминиевую фольгу 171/172 прикрепляют к полимерной подложке 174 с помощью адгезива 173 (вид 161). Прикрепив жестко анодированную алюминиевую фольгу 171/172 к полимерной подложке 174, формируют электроды путем травления и/или литографирования алюминиевой фольги 171 из общей структуры (вид 162), например, литографированные края 175). После этого структуру изгибают или подгоняют под нужную форму в зависимости от выбора конструкции. Оставшуюся открытой сторону алюминиевой фольги 171 жестко анодируют для инкапсуляции сформированных электродов и для заделки трещин в жестком анодированном слое 172, которые возникают при изгибании, как показано на виде 163.On Fig shows a number of types 160-163 comb scheme. The comb circuit (FIG. 15) can be used in an anti-icing system, for example, described in the “HF anti-icing systems” section and “pulse anti-icing systems” section. The comb circuit (view 160) is initially mounted by hard anodizing one side (for example, “hard anodized
На видах 160-163 представлен один способ формирования гребенчатой схемы, возможны другие способы формирования гребенчатой схемы. Примеры других способов включают травление и/или литографирование медной фольги для формирования медных электродов и прикрепления медных электродов к каптоновой подложке. Пример медной гребенчатой схемы на каптоновой подложке показан на фиг.16.Views 160-163 show one method of forming a comb pattern, other methods of forming a comb pattern are possible. Examples of other methods include etching and / or lithography of copper foil to form copper electrodes and attaching copper electrodes to a kapton substrate. An example of a copper comb circuit on a kapton substrate is shown in FIG.
На фиг.16 показаны два вида гребенчатой схемы 180 согласно одному варианту осуществления. Гребенчатая схема 180 содержит медный анод 181, гребенчатый электрод 182, медный катод 183 и каптоновую подложку 184. Гребенчатая схема может быть сформирована аналогично представленной на фиг.15. Вид 185 представляет собой вид сверху. Согласно виду 186 шаг гребенчатой схемы 180 определяет дистальный промежуток между электродами гребенчатого электрода 182. Шаг гребенчатой схемы 180 может также определять дистальный промежуток между электродами медного анода 181. Сдвиг гребенчатой схемы 180 задает промежуток между электродами гребенчатого электрода 182 и электродами медного анода 181. Ширина гребенчатой схемы 180 определяет размер по ширине электродов анода 181. Ширина гребенчатой схемы 180 также может определять размер по ширине электродов гребенчатого электрода 182.FIG. 16 shows two views of a
Гребенчатую схему 180 можно использовать для изменения трения между объектом и льдом и/или снегом путем подачи электрического напряжения на гребенчатый электрод 182. Например, на гребенчатый электрод 182 можно подавать постоянный ток согласно уравнениям фиг.1. В другом примере, на гребенчатый электрод 182 можно подавать переменный ток.The
Гребенчатая схема 180 изменяет коэффициент трения границы раздела поверхности объекта и льда в сочетании с естественным изменением трения между объектом и льдом или снегом при изменении температуры. Например, стальной объект «скользящее тело» скользит по льду со скоростью 3,14 м/с, коэффициент трения скользящего тела на льду падает от 0,025 при -15°C до 0,01 при -1°C. Для увеличения температуры льда, находящегося в непосредственном контакте со скользящим телом, гребенчатая схема 180 может либо нагреть непосредственно лед с помощью ВЧ электрических полей, либо нагреть поверхность скользящего тела.The
Гребенчатая схема 180 может быть установлена на поверхности скользящего тела, которая обычно контактирует со льдом и снегом. Для нагрева поверхности скользящего тела на гребенчатую схему 180 можно подавать напряжение постоянного или переменного тока. Например, подавая на поверхность скользящего тела электрическую мощность в соответствии с уравнениями (фиг.1), можно нагревать лед и/или поверхность и изменять коэффициент трения между поверхностью скользящего тела и льдом.
ВЧ электрическую мощность переменного тока подают на гребенчатую схему 180, чтобы непосредственно нагревать лед. При поступлении ВЧ мощности на электроды гребенчатой схемы 180 линии электрического поля, например линии электрического поля 153 (фиг.15), проникают в граничный слой льда и генерируют во льду тепло в количествеAn RF electrical AC power is supplied to the
Wн = σл .E2, (Ур. 16-1) N W = σ l. E 2 , (Lv. 16-1)
где Wн - мощность нагрева в ваттах на кубический метр; σл - электропроводность льда; Е - напряженность электрического поля. Электрическое поле проникает в лед или снег на глубину, приблизительно равную расстоянию или шагу между электродами гребенчатой схемы 180. Соответственно, мощность нагрева Wн удовлетворяет уравнениюwhere W n - heating power in watts per cubic meter; σ l - electrical conductivity of ice; E is the electric field strength. An electric field penetrates ice or snow to a depth approximately equal to the distance or step between the electrodes of the
(Ур. 16-2) (Lv. 16-2)
где V - СКЗ напряжения переменного тока. Мощность Wн в Ур. 16-2 обозначает электрическую мощность на единицу объема, но важнее знать мощность W на квадратный метр границы раздела лед/скользящий объект. Чтобы оценить мощность на квадратный метр Wкв, нужно умножить мощность Wн на толщину нагреваемого слоя, приблизительно d, как указано выше. Поэтому мощность на квадратный метр Wкв выражается уравнениемwhere V - RMS AC voltage. Power W n in Ur. 16-2 indicates electrical power per unit volume, but it is more important to know the power W per square meter of the ice / sliding object interface. To estimate the power per square meter W sq , you need to multiply the power W n by the thickness of the heated layer, approximately d, as described above. Therefore, the power per square meter W sq is expressed by the equation
. (Ур. 16-3) . (Lv. 16-3)
Мощность нагрева на квадратный метр Wкв может ограничиваться электрическим пробоем воздуха, происходящим при напряженности электрического поля Епр, поэтомуThe heating power per square meter W kV may be limited by the electric breakdown of air occurring at an electric field strength E pr , therefore
. (Ур. 16-4) . (Lv. 16-4)
Из Ур. 16-3 и 16-4 можно вывести соотношение для максимальной мощности нагрева высокочастотным полем в расчете на единицу площади скользящего объекта:From Ur. 16-3 and 16-4, we can derive the ratio for the maximum power of heating by a high-frequency field per unit area of a moving object:
Wкв ≤ σл .d.Eпр 2. (Ур. 16-5)W q ≤ σ l. d . E ol 2 . (Lv. 16-5)
Для практически чистого льда при -10°C электропроводность льда на высоких частотах (например, свыше 10 кГц) равна примерно 2×10-5 См/м. Подставив в Ур. 16-5 значения электропроводности σл, напряженности электрического поля Eпр и расстояния d ≈ 0,25 мм (например, типичный размер в ВЧ антиобледенителях), можно получить максимальный предел мощности ВЧ нагрева:For practically pure ice at -10 ° C, the electrical conductivity of ice at high frequencies (e.g., above 10 kHz) is approximately 2 × 10 -5 S / m. Substituting in ur. 16-5 conductivity values σ n, the electric field E and the straight distance d ≈ 0,25 mm (e.g., a typical size in the HF deicer), can obtain the maximum power limit RF heating:
Wкв ≤ 45 кВт/м2. (Ур. 16-6)W sq ≤ 45 kW / m 2 . (Lv. 16-6)
Более точное значение мощности, используемое для повышения температуры граничного слоя льда на ΔT, можно вычислить согласно следующему уравнению:A more accurate power value used to increase the temperature of the boundary layer of ice by ΔT can be calculated according to the following equation:
Wскор = р .a.v.ρ.C.ΔT, (Ур. 16-7)W speed = p. a . v . ρ . C. ΔT, (Lv. 16-7)
где v - скорость скользящего тела; ρ - плотность льда или снега; а - ширина скользящего тела; С - удельная теплоемкость льда; lр - длина рассеяния тепла во льду или в снегу. Длина рассеяния тепла lр выражается какwhere v is the speed of the moving body; ρ is the density of ice or snow; a is the width of the moving body; C is the specific heat of ice; l p - the length of heat dissipation in ice or in snow. The heat dissipation length l p is expressed as
, (Ур. 16-8) , (Lv. 16-8)
где t - время, в течение которого конкретный участок льда контактирует со скользящим телом, выражающееся какwhere t is the time during which a particular section of ice is in contact with a moving body, expressed as
, (Ур. 16-9) , (Lv. 16-9)
где L - длина скользящего тела, и D - коэффициент рассеяния тепла, выражающийся в видеwhere L is the length of the moving body, and D is the heat dissipation coefficient, expressed as
, (Ур. 16-10) , (Lv. 16-10)
где λ - коэффициент теплопроводности льда или снега. Подставляя Ур. 16-8, 16-9 и 16-10 в Ур. 16-7, получаем следующую оценку для изменения коэффициента трения между льдом и скользящим телом:where λ is the coefficient of thermal conductivity of ice or snow. Substituting ur. 16-8, 16-9 and 16-10 in Ur. 16-7, we obtain the following estimate for changing the coefficient of friction between ice and a moving body:
. (Ур. 16-11) . (Lv. 16-11)
В качестве практического цифрового примера, для двух лыж с общей шириной около a = 10-1 м и длиной L = 1,5 м может быть использована гребенчатая схема 180 для изменения коэффициента трения между лыжами и снегом. Допустим, лыжи перемещаются со скоростью v = 10 м/с. Плотность снега ρ составляетAs a practical digital example, for two skis with a total width of about a = 10 −1 m and a length L = 1.5 m, a
ρ = 3.102 кг/м2, (Ур. 16-12)ρ = 3 . 10 2 kg / m 2 , (Lv. 16-12)
изменение температуры граничного слоя снега ΔT равноthe change in temperature of the boundary layer of snow ΔT is equal to
ΔT = 1°C, (Ур. 16-13)ΔT = 1 ° C, (Lv. 16-13)
удельная теплоемкость снега С равнаthe specific heat of snow C is
C = 2.103 Дж/кг.K. (Ур. 16-14)C = 2 . 10 3 J / kg . K. (Lv. 16-14)
Исходя из этих значений, можно вычислить оценку энергопотребления Wскор:Based on these values, you can calculate the estimate of energy consumption W speed :
Wскор = 134 Вт. (Ур. 16-15)W speed = 134 watts. (Lv. 16-15)
Поскольку лишь малая доля лыж может в действительности находиться в контакте со снегом в любой данный момент времени, оценку энергопотребления Wскор можно дополнительно снизить до доли Wскор или Wскор-доля следующим образом:Since only a small fraction of the skis can actually be in contact with snow at any given moment in time, the estimate of energy consumption W scor can be further reduced to a fraction of W scor or W scor-share as follows:
(Ур. 16-16) (Lv. 16-16)
где W - вес лыжника; Н - прочность на сжатие снега паскалях (Па). Для тяжелого лыжника (например, 100 кг) и Н = 105 Па Wскор-доля будет составлятьwhere W is the weight of the skier; N is the compressive strength of snow in pascals (Pa). For a heavy skier (for example, 100 kg) and H = 105 Pa W, the speed-proportion will be
Wскор-доля ≈ 6,6%. (Ур. 16-17)W speed ratio ≈ 6.6%. (Lv. 16-17)
Соответственно, ВЧ мощность, необходимая для изменения коэффициента трения, будетAccordingly, the RF power required to change the coefficient of friction will be
Wскор = 134 Вт × 0,066 ≈ 9 Вт. (Ур. 16-18)W speed = 134 W × 0.066 ≈ 9 W. (Lv. 16-18)
Хотя данный вариант осуществления показывает пример применения гребенчатой схемы 180 (например, применительно к лыжам), специалистам в данной области очевидно, что гребенчатую схему можно применять для изменения коэффициента трения между льдом и поверхностями других объектов, включая, например, сноуборды и снегоступы.Although this embodiment shows an example of the application of a comb pattern 180 (e.g., for skiing), it will be apparent to those skilled in the art that the comb pattern can be used to change the coefficient of friction between ice and the surfaces of other objects, including, for example, snowboards and snowshoes.
Анализ ВЧ антиобледенительной системыRF anti-icing system analysis
Ниже представлен анализ и некоторых эксплуатационных характеристика различных ВЧ антиобледенительных систем. Значения определенных компонентов изменяются для иллюстрации различных условий, например изменяющихся условий окружающей среды и/или изменяющихся режимов теплопередачи.Below is an analysis and some operational characteristics of various RF anti-icing systems. The values of certain components are varied to illustrate various conditions, for example, changing environmental conditions and / or changing modes of heat transfer.
На фиг.17 показана диаграмма 190 частотной зависимости электропроводности льда и диэлектрической проницаемости льда. По оси Y 193 отложена проницаемость ε, а по оси Х 194 отложена частота. Диаграмма 190 также демонстрирует мощность ВЧ нагрева для гребенчатых схем, например гребенчатой схемы 180 (фиг.16).On Fig shows a diagram 190 of the frequency dependence of the electrical conductivity of the ice and the dielectric constant of the ice. Permeability ε is plotted along Y-
Когда электропроводящий материал находится в электрическом поле Е, генерируется объемная плотность тепла W, выражаемая следующим образом:When the electrically conductive material is in the electric field E, a bulk heat density W is generated, expressed as follows:
W = σE2, (Ур. 17-1)W = σE 2 , (Lv. 17-1)
где σ - электропроводность материала (например, электропроводность льда). Из Ур. 17-1 явствует, что плотность тепла пропорциональна электропроводности и квадрату напряженности электрического поля. Поэтому для повышения скорости нагрева и, стало быть, сокращения времени удаления льда можно увеличить электропроводность льда и/или напряженность электрического поля.where σ is the electrical conductivity of the material (for example, the electrical conductivity of ice). From Ur. 17-1 it appears that the heat density is proportional to the electrical conductivity and the square of the electric field strength. Therefore, to increase the heating rate and, therefore, reduce the time for removing ice, it is possible to increase the electrical conductivity of ice and / or electric field strength.
Электропроводность льда зависит от температуры, частоты и примесей во льду. Электропроводность льда возрастает за счет регулировки частоты мощности переменного тока, используемой для изменения коэффициента трения между льдом и поверхностью объекта. При этом частотную зависимость электропроводности льда можно выразить так:The electrical conductivity of ice depends on temperature, frequency and impurities in the ice. The electrical conductivity of ice increases by adjusting the frequency of the AC power used to change the coefficient of friction between the ice and the surface of the object. In this case, the frequency dependence of the electrical conductivity of ice can be expressed as follows:
(Ур. 17-2) (Lv. 17-2)
где σs и σ∞ - статическая и ВЧ электропроводности льда соответственно; ω - круговая частота мощности переменного тока; τD - время релаксации диэлектрика для льда.where σ s and σ ∞ are the static and HF electrical conductivities of ice, respectively; ω is the circular frequency of the AC power; τ D is the dielectric relaxation time for ice.
Согласно диаграмме 190 электропроводность изменяется с ростом частоты в температурных условиях около -10,1°C. Например, в соответствии с кривой 191 электропроводность возрастает с увеличением частоты, а в соответствии с кривой 192 электропроводность снижается с увеличением частоты. Соответственно, кривые 191 и 192 иллюстрируют различные способы изменения электропроводности границы раздела лед-объект путем регулировки частоты мощности ВЧ нагрева.According to diagram 190, the electrical conductivity changes with increasing frequency under temperature conditions of about -10.1 ° C. For example, in accordance with
Согласно диаграмме 190 при -10,1°C лед имеет электропроводность около 0,1 См/м при частоте около 10 кГц. Электропроводность льда экспоненциально снижается при понижении температуры. Соответственно, электропроводность льда при -30°C будет примерно на порядок величины меньше электропроводности льда при -10°C.According to diagram 190, at -10.1 ° C, ice has an electrical conductivity of about 0.1 S / m at a frequency of about 10 kHz. The electrical conductivity of ice decreases exponentially with decreasing temperature. Accordingly, the electrical conductivity of ice at -30 ° C will be approximately an order of magnitude less than the electrical conductivity of ice at -10 ° C.
Размеры нагревательного элемента ВЧ антиобледенителя, например гребенчатой схемы 180 (фиг.16), могут зависеть от электропроводности льда и желательной скорости нагрева. Соответственно, при генерировании количества теплоты на квадратный метр W′ в толщине граничного слоя льда с использованием приложенного напряжения V при расстоянии d между электродами напряженность электрического поля Е выражается уравнениемThe dimensions of the RF anti-icer heating element, such as the comb circuit 180 (FIG. 16), may depend on the electrical conductivity of the ice and the desired heating rate. Accordingly, when generating the amount of heat per square meter W ′ in the thickness of the boundary layer of ice using the applied voltage V at a distance d between the electrodes, the electric field strength E is expressed by the equation
E = V/d. (Ур. 17-3)E = V / d. (Lv. 17-3)
Количество теплоты на квадратный метр W′ определяетсяThe amount of heat per square meter W ′ is determined
W' = Wd. (Ур. 17-4)W '= Wd. (Lv. 17-4)
Объединив Ур. c 17-1 по 17-4, получим следующее выражение для мощности нагрева на квадратный метр:Combining Lv. From 17-1 to 17-4, we obtain the following expression for the heating power per square meter:
W'=σV2/d. (Ур. 17-5)W '= σV 2 / d. (Lv. 17-5)
Например, обычная плотность нагрева для автомобильного ветрового стекла составляет около 1 кВт/м2, и напряжение V составляет около 100 вольт. Используя эти значения и значение электропроводности льда, получаем из Ур. 17-5 значение около 0,1 мм для шага между электродами. В других вариантах осуществления может быть получено другое значение.For example, the typical heating density for an automobile windshield is about 1 kW / m 2 and the voltage V is about 100 volts. Using these values and the value of the electrical conductivity of ice, we obtain from Ur. 17-5 a value of about 0.1 mm for the step between the electrodes. In other embodiments, a different value may be obtained.
На фиг.18 показана иллюстративная схема 200, характеризующая ВЧ антиобледенитель согласно одному варианту осуществления. Схема 200 содержит источник 201 питания переменного тока, конденсатор 203, конденсатор 204, резистор 202 и резистор 205. Резистор 202 подключен к источнику питания 201 и конденсатору 203 и имеет сопротивление Rвн, выражающее внутреннее сопротивление источника 201 питания. Резистор 205 подключен параллельно с конденсатором 204 и имеет сопротивление Rл, выражающее сопротивление льда. Конденсатор 204 имеет емкость Сл, выражающую емкость слоя льда. Конденсатор 203 подключен к резистору 205 и конденсатору 204 и имеет емкость Сд, выражающую емкость защитного диэлектрического слоя на антиобледенительных электродах, например катушке 141 (фиг.12). Схема 200 представляет собой принципиальную электрическую схему для моделирования и анализа некоторых антиобледенительных систем.On Fig shows an
На фиг.19-23 изображены диаграммы, иллюстрирующие некоторые испытательные анализы схемы 200 согласно одному варианту осуществления, в котором схема 200 имеет слой диэлектрика, окружающий электроды (например, такая схема, как гребенчатая схема 180, фиг.16, с диэлектрическим слоем, окружающим электроды). В этой среде схему 200 можно охарактеризовать с помощью Таблицы 19-1:Figs. 19-23 are diagrams illustrating some test analyzes of the
где ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; f - возрастающая частота; ω - круговая частота как функция f; Т - возрастающая внешняя температура в К; τD - время релаксации диэлектрика для льда; εs - статическая диэлектрическая проницаемость льда; εinf - высокочастотная диэлектрическая проницаемость льда; σinf - высокочастотная электропроводность льда; σ0 - статическая электропроводность льда; ε - диэлектрическая проницаемость льда (например, как функция частоты f и температуры Т); σ - электропроводность льда (например, как функция частоты f и температуры Т); d - толщина защитного диэлектрического слоя; εд - диэлектрическая проницаемость защитного диэлектрического слоя l; V - напряжение; Zл - импеданс льда (например, как функция частоты f, температуры Т и расстояния d); Z(f,T,d) - полный импеданс схемы, включая лед, покрывающий электроды (например, как функция частоты f, температуры Т и расстояния d); I - подаваемый ток (например, как функция частоты f, температуры Т и расстояния d); Pл - мощность, подаваемая для нагрева льда (например, как функция частоты f, температуры Т и расстояния d); εв - диэлектрическая проницаемость воды; Св - емкость воды; Z(T,d) - полный импеданс схемы, включая воду, покрывающую электроды (например, как функция частоты f и расстояния d); Iв - подаваемый ток (например, как функция частоты f и расстояния d); Рв - мощность, поступающая в воду (например, как функция частоты f и расстояния d). Электрическую мощность вычислили для обоих из следующих случаев: когда лед покрывает электроды и когда лед растаял, и вода контактирует с электродами.where ε 0 is the dielectric constant of the vacuum; f is the increasing frequency; ω is the circular frequency as a function of f; T is the increasing external temperature in K; τ D is the relaxation time of the dielectric for ice; ε s is the static dielectric constant of ice; ε inf is the high-frequency dielectric constant of ice; σ inf is the high-frequency electrical conductivity of ice; σ 0 - static electrical conductivity of ice; ε is the dielectric constant of ice (for example, as a function of frequency f and temperature T); σ is the electrical conductivity of ice (for example, as a function of frequency f and temperature T); d is the thickness of the protective dielectric layer; ε d is the dielectric constant of the protective dielectric layer l; V is the voltage; Z l - ice impedance (for example, as a function of frequency f, temperature T and distance d); Z (f, T, d) is the total impedance of the circuit, including ice covering the electrodes (for example, as a function of frequency f, temperature T and distance d); I is the supplied current (for example, as a function of frequency f, temperature T and distance d); P l - power supplied to heat the ice (for example, as a function of frequency f, temperature T and distance d); ε in - dielectric constant of water; C in - water capacity; Z (T, d) is the total impedance of the circuit, including water covering the electrodes (for example, as a function of frequency f and distance d); I in - supplied current (for example, as a function of frequency f and distance d); P in - power entering the water (for example, as a function of frequency f and distance d). The electrical power was calculated for both of the following cases: when the ice covers the electrodes and when the ice has melted and the water contacts the electrodes.
На фиг.19 показана зависимость мощности нагрева, генерируемой в дистиллированной воде (диаграмма 210) при 20°C и во льду (диаграмма 211) при -10°C от толщины диэлектрического покрытия электродов. На фиг.19 по оси Y 213 отложена мощность нагрева на м2, а по оси Х 212 отложена толщина диэлектрического покрытия в метрах. Согласно данному варианту осуществления покрытие представляет собой покрытие из оксида алюминия. Частота мощности переменного тока равна около 2 кГц при напряжении около 500 вольт СКЗ. При толщине покрытия около 25 мкм мощность нагрева для воды и льда примерно одинакова.On Fig shows the dependence of the heating power generated in distilled water (chart 210) at 20 ° C and in ice (chart 211) at -10 ° C on the thickness of the dielectric coating of the electrodes. In Fig.19, the heating power per m 2 is plotted on the Y-
На фиг.20 показана зависимость мощности нагрева, генерируемой в дистиллированной воде (диаграмма 220) при 20°C и во льду (диаграмма 221) при -10°C от частоты. На фиг.20 по оси Y 223 отложена мощность нагрева в Вт/м2, а по оси Х 222 отложена частота в Гц. При частоте около 20 кГц мощности нагрева для воды и льда равны. Это полезно для согласования мощностей нагрева для воды и льда во избежание холодных или горячих участков на антиобледенителе, на которых лед тает.On Fig shows the dependence of the heating power generated in distilled water (chart 220) at 20 ° C and in ice (chart 221) at -10 ° C on frequency. In Fig.20, the heating power in W / m 2 is plotted along the Y-
На фиг.21 показана зависимость мощности нагрева, генерируемой во льду (диаграмма 230) от температуры. На фиг.21 по оси Y 231 отложена мощность нагрева в Вт/м2, а по оси Х 232 отложена температура в °К. Соответственно, диэлектрическое покрытие на электродах ВЧ антиобледенителя можно использовать для регулировки производительности антиобледенителя.On Fig shows the dependence of the heating power generated in ice (diagram 230) on temperature. In Fig.21, the heating power in W / m 2 is plotted along the Y-
На фиг.22 показана зависимость коэффициента теплопередачи (Вт/м2.К) от скорости воздуха (м/с) (диаграмма 240). На фиг. 22 по оси Y 241 отложен коэффициент теплопередачи, а по оси Х 242 отложена скорость v. Фиг.22 может помочь в определении ВЧ мощности для удаления льда и/или предотвращения образования льда на плоском ветровом стекле. Размер ветрового стекла равен 0,5 м в описываемом варианте осуществления, схема 200 действует как ВЧ антиобледенитель в режиме удаления льда и в режиме предотвращения образования льда на ветровом стекле. В Таблице 19-2 показан файл MathCad, используемый для вычисления коэффициента конвективного теплообмена для ветрового стекла автомобиля:On Fig shows the dependence of the heat transfer coefficient (W / m 2. K) on the air velocity (m / s) (chart 240). In FIG. 22, the heat transfer coefficient is plotted along the
где v - скорость автомобиля; L - длина поверхности ветрового стекла; Re - диапазон числа Рейнольдса от 105 до 107; h(v, L) - коэффициент теплопередачи (например, как функция скорости и L); k - коэффициент теплопроводности воздуха; Pr - число Прандтля для воздуха; ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха. В данном варианте осуществления коэффициент теплопередачи h(v, L) при скорости около 30 м/с и длине около 0,5 метров равен 89,389 Вт/м2.К. Соответственно, фиг.22 графически показывает (диаграмма 240) соотношение между коэффициентом теплопередачи h(v, L) и скоростью воздуха.where v is the speed of the car; L is the length of the surface of the windshield; Re - Reynolds number range from 105 to 107; h (v, L) is the heat transfer coefficient (for example, as a function of speed and L); k is the coefficient of thermal conductivity of air; Pr is the Prandtl number for air; ν is the kinematic viscosity coefficient of air. In this embodiment, the heat transfer coefficient h (v, L) at a speed of about 30 m / s and a length of about 0.5 meters is 89.389 W / m 2. K. Accordingly, FIG. 22 graphically shows (diagram 240) the relationship between the heat transfer coefficient h (v, L) and air velocity.
На фиг.23 показана зависимость минимальной ВЧ мощности Wmin схемы 200 от внешней температуры Т (в °С) для скоростей автомобиля 10 м/с (диаграмма 252), 20 м/с (диаграмма 251) и 30 м/с (диаграмма 250). На фиг.23 по оси Y 253 отложена минимальная ВЧ мощность Wmin в Вт/м2, а по оси Х 254 отложена температура Т. Минимальная мощность нагрева Wmin для поддержания наружной поверхности ветрового стекла при температуре около 1°C показана в Таблице 19-3 (файл MathCad):On Fig shows the dependence of the minimum RF power W min circuit 200 from the external temperature T (in ° C) for vehicle speeds of 10 m / s (chart 252), 20 m / s (chart 251) and 30 m / s (chart 250 ) 23, the minimum HF power W min in W / m 2 is plotted along the
Соответственно, диаграммы 250, 251 и 252 могут помогать в принятии решений в отношении подаваемой мощности в соответствии со скоростью v автомобиля с использованием схемы 200.Accordingly, diagrams 250, 251, and 252 may assist in making decisions regarding power supplied in accordance with vehicle speed
Фиг.24-26 графически иллюстрируют другой анализ схемы 200 (фиг.18), в котором схема 200 имеет диэлектрический слой, покрывающий электроды (например, гребенчатая схема 180 (фиг.16) с диэлектрическим слоем, покрывающим электроды). В этом варианте осуществления, схему 200 можно охарактеризовать с помощью Таблицы 24-1 (файл MathCad):Figs. 24-26 graphically illustrate another analysis of the circuit 200 (Fig. 18), in which the
где переменные такие же, как в Таблице 19-1, но с другими значениями. Например, σв - это электропроводность воды с тем же значением 5x10-4 См/м.where the variables are the same as in Table 19-1, but with different values. For example, σ in is the electrical conductivity of water with the same value of 5x10 -4 S / m.
Фиг.24-26 графически иллюстрируют зависимость мощности нагрева, генерируемой в дистиллированной воде (диаграммы 261, 270, 281 соответствующих фиг. 24, 25 и 26) при 20°C и во льду (графики 260, 271, 280 соответствующих фиг. 24, 25 и 26) при -10°C, которые отличаются толщиной диэлектрического слоя: 10-5 м (фиг. 24), 10-6 м (фиг. 25), 2.10-5 м (фиг. 26). Мощность нагрева, показанная на фиг. 24, 25 и 26, зависит от частоты мощности переменного тока. При возрастании частоты величина подаваемой мощности, используемой для растапливания граничного слоя льда, выравнивается. Напряжение переменного тока составляет около 500 В. При толщине покрытия около 10 мкм (10-5 м) соответствующая мощность нагрева для воды и льда практически равны, как показано на фиг.24.Fig.24-26 graphically illustrate the dependence of the heating power generated in distilled water (diagrams 261, 270, 281 corresponding to Fig. 24, 25 and 26) at 20 ° C and in ice (
Фиг.27-29 графически иллюстрируют некоторые испытательные анализы схемы 200, в которых схема 200 применяется для скользящего тела, подробно описано ниже. В этом варианте осуществления учитывается изменение температуры снега под скользящим телом. Схему 200 можно охарактеризовать следующей Таблицей 26-1 (файл MathCad):Figs. 27-29 graphically illustrate some test analyzes of
где ρ - плотность снега; х - расстояние в снегу от скользящего тела; С - теплоемкость снега; λ - коэффициент теплопроводности снега; W - мощность нагрева; D - коэффициент температуропроводности снега; t - длительность подачи мощности; а - ширина скользящего тела; L - длина скользящего тела; v - скорость скользящего тела; y - переменная интегрирования; Wскор - мощность нагрева по отношению к скорости скользящего тела; Δ - температура перегрева.where ρ is the density of snow; x is the distance in the snow from the moving body; C is the heat capacity of snow; λ is the coefficient of thermal conductivity of snow; W is the heating power; D is the coefficient of thermal diffusivity of snow; t is the duration of the power supply; a is the width of the moving body; L is the length of the moving body; v is the speed of the moving body; y is the integration variable; W spd - heating power with respect to the moving velocity of the body; Δ is the superheat temperature.
На фиг.27 показана зависимость температуры перегрева Δ (например, в °С) от расстояния до скользящего тела. На фиг.27 по оси Y 295 отложена температура перегрева Δ (°C), а по оси Х 294 отложено расстояние от скользящего тела (в метрах). При мощности нагрева W около 1 кВт/м2 диаграммы 290, 291, 292 и 293 иллюстрируют температурные зависимости импульсов нагрева, имеющих приблизительные длительности t = 0,1 с, 0,2 с, 0,5 с и 1 с соответственно. На фиг.28 показана зависимость температуры границы раздела снег/скользящий объект от времени (диаграмма 300) при подаче ВЧ мощности плотностью 1000 Вт/м2. На фиг.28 по оси Y 301 отложена температура перегрева Δ (°C), а по оси Х 302 показано время (в секундах).On Fig shows the dependence of the temperature of the superheat Δ (for example, in ° C) on the distance to the sliding body. In Fig.27, the superheat temperature Δ (° C) is plotted on the
На фиг.29 представлена мощность нагрева, необходимая для повышения температуры границы раздела на 1°C при перемещении скользящего тела со скоростью v около 30 м/с. На фиг.29 по оси Y 311 отложена мощность нагрева Wскор, а по оси Х 312 отложена скорость v. В данном примере, когда скользящее тело перемещается со скоростью около 5 м/с, мощность нагрева составляет около 100 ватт. Мощность нагрева Wскор построена как функция скорости v (график 310).On Fig presents the heating power necessary to increase the temperature of the interface by 1 ° C when moving a sliding body with a speed v of about 30 m / s. 29 is a Y-
На фиг.30-35 показаны диаграммы, иллюстрирующие анализ теплопередачи посредством конвекции для антиобледенительной системы и теплопередачи через подложку для ВЧ антиобледенительной системы. В этом примере иллюстративно характеризуется стационарное решение, например постоянная мощность. На фиг.30 показана зависимость коэффициента теплопередачи hк от скорости воздуха (диаграмма 320) в предположении, что аэродинамическая поверхность является цилиндрической (передний край крыла самолета). На фиг.30 по оси Y 321 отложен коэффициент теплопередачи hк, а по оси Х 322 отложена скорость v. Коэффициент теплопередачи hк для аэродинамической поверхности можно вычислить согласно Таблице 30-1:30-35 are diagrams illustrating heat transfer analysis by convection for an anti-icing system and heat transfer through a substrate for an RF anti-icing system. In this example, a stationary solution, for example constant power, is illustratively characterized. On Fig shows the dependence of the heat transfer coefficient h k on the air speed (chart 320) under the assumption that the aerodynamic surface is cylindrical (the front edge of the wing of the aircraft). 30, the heat transfer coefficient h k is plotted along the
где v - скорость воздуха; D - диаметр аэродинамической поверхности. Примерно половину коэффициента теплопередачи h можно приписать переднему участку аэродинамической поверхности при использовании числа Рейнольдса около 1,9x105.where v is the air velocity; D is the diameter of the aerodynamic surface. About half of the heat transfer coefficient h can be attributed to the front portion of the aerodynamic surface using a Reynolds number of about 1.9x10 5 .
Коэффициент теплопроводности hк около 165 Вт/м2.К, используемый в ВЧ антиобледенителе, генерирует мощность W около 4,5 кВт на квадратный метр. Антиобледенитель содержит полимерный слой толщиной d с коэффициентом теплопроводности λд. Лед нарастает на антиобледенителе толщиной L. Коэффициент теплопроводности льда это λ, и толщина нагретого граничного слоя льда примерно равна одному межэлектродному расстоянию, т.е. около 0,25 мм. Статическую температуру перегрева граничного слоя льда Δ = Tгр-Tвн, где Tгр - температура границы, Tвн - внешняя температура, можно вычислить согласно Таблице 30-2 (файл MathCad):The thermal conductivity coefficient h k is about 165 W / m 2. K used in the RF anti-icer generates a power W of about 4.5 kW per square meter. The deicer contains a polymer layer of thickness d with a thermal conductivity coefficient λ d . Ice builds up on the de-icer with a thickness of L. The thermal conductivity of the ice is λ, and the thickness of the heated boundary layer of ice is approximately equal to one interelectrode distance, i.e. about 0.25 mm. The static temperature of the overheating of the boundary layer of ice Δ = T gr -T int , where T gr is the temperature of the boundary, T int is the external temperature, can be calculated according to Table 30-2 (MathCad file):
На фиг.31 показана зависимость перегрева Δ в °C стационарного состояния (стационарного решения) от толщины льда в метрах. На фиг.31 по оси Y 335 отложен перегрев Δ, а по оси Х 336 отложена толщина L. Диаграмма 330 показывает зависимость перегрева стационарного состояния в °C от толщины льда в метрах, при предположении наличия теоретически совершенного изолирующего слоя между антиобледенителем и аэродинамической поверхностью, а диаграмма 331 показывает зависимость при наличии тефлоновой пленки толщиной 2 мм между антиобледенителем и аэродинамической поверхностью. Производительность антиобледенения достигает максимума, когда толщина льда превышает примерно 1 мм (точка 333 для теоретически совершенного изолирующего слоя и точка 334 для тефлоновой пленки толщиной 2 мм).On Fig shows the dependence of overheating Δ in ° C stationary state (stationary solution) on the thickness of the ice in meters. 31, the superheat Δ is plotted along the
На фиг.32 показана зависимость перегрева Δ в °C стационарного состояния от размера электрода в метрах (диаграмма 340), при предположении наличия совершенного изолирующего слоя и толщине льда 1 мм. На фиг.32 по оси Y 341 отложен перегрев Δ, а по оси Х 342 отложен размер электрода. В данном примере можно наблюдать кипение в пограничном слое льда. Кипение объясняется испарением льда (например, пар) и свидетельствует о перегреве более чем на 110°C.On Fig shows the dependence of the superheat Δ in ° C stationary state on the size of the electrode in meters (chart 340), assuming the presence of a perfect insulating layer and an ice thickness of 1 mm On Fig on the
При эксплуатации антиобледенитель может иметь более высокую производительность, чем в лабораторных условиях. Например, физические свойства атмосферного льда, нарастающего на аэродинамической поверхности, иные, чем у сплошного льда. Атмосферный лед может содержать незамерзшую воду и/или пузырьки газа. Эти включения атмосферного льда могут снижать теплопроводность и плотность льда. Например, теплопроводность воды равна около 0,56 Вт/м.К, а теплопроводность сплошного льда равна около 2,22 Вт/м.К, граничный слой льда (например, слой льда, примыкающий к антиобледенителю) теплее остального льда и может содержать воду.During operation, the de-icer may have a higher productivity than in laboratory conditions. For example, the physical properties of atmospheric ice growing on an aerodynamic surface are different than those of solid ice. Atmospheric ice may contain unfrozen water and / or gas bubbles. These atmospheric ice inclusions can reduce thermal conductivity and ice density. For example, the thermal conductivity of water is about 0.56 W / m . K, and the thermal conductivity of solid ice is about 2.22 W / m . K, the boundary layer of ice (for example, an ice layer adjacent to the de-icer) is warmer than the rest of the ice and may contain water.
Используемый антиобледенитель с теплообменом можно моделировать путем аппроксимации коэффициента теплопроводности льда λ числом в пределах 0,5 Вт/м.К до 2,22 Вт/м.К. Пример рассчитан согласно Таблице 30-3:The heat defrosting device used can be modeled by approximating the thermal conductivity coefficient of ice λ with a number within 0.5 W / m . K up to 2.22 W / m . K. An example is calculated according to Table 30-3:
На фиг.33 показана зависимость перегрева Δ в °C стационарного состояния (стационарного решения) от толщины льда в метрах. На фиг.33 по оси Y 355 отложен перегрев Δ, а по оси Х 356 отложена толщина L. Диаграмма 350 показывает зависимость перегрева стационарного состояния в °C от толщины льда в метрах, при предположении наличия теоретически совершенного изолирующего слоя между антиобледенителем и аэродинамической поверхностью, а диаграмма 351 показывает зависимость при наличии тефлоновой пленки толщиной 2 мм между антиобледенителем и аэродинамической поверхностью. Производительность антиобледенения достигает максимума, когда толщина льда превышает примерно 1 мм (точка 352 для теоретически совершенного изолирующего слоя и точка 353 для тефлоновой пленки толщиной 2 мм).On Fig shows the dependence of the superheat Δ in ° C stationary state (stationary solution) on the thickness of the ice in meters. 33, the superheat Δ is plotted along the
Неоднородное распределение электрической мощности вблизи антиобледенительных электродов также может вызывать кипение граничного слоя льда. Например, локальная плотность мощности на поверхности электрода может превышать среднюю мощность примерно на порядок величины в силу флуктуаций напряженности электрического поля. При этом в тех местах, где мощность превышает среднюю мощность, электрод может нагревать граничный слой льда быстрее, чем в других местах, с образованием пара.An inhomogeneous distribution of electrical power near de-icing electrodes can also cause boiling of the boundary layer of ice. For example, the local power density on the electrode surface can exceed the average power by about an order of magnitude due to fluctuations in the electric field strength. Moreover, in those places where the power exceeds the average power, the electrode can heat the boundary layer of ice faster than in other places, with the formation of steam.
Результаты решения, зависящего от времени, могут отличаться от результатов стационарных решений. Например, поскольку лед является материалом с низким коэффициентом теплопроводности при подаче ВЧ мощности на граничный слой льда «тепловая волна» распространяется через лед. Соответственно, тонкий слой льда можно считать теплоизолированным слоем льда. При этом антиобледенитель может подавать мощность преимущественно только в этот слой. Зависящие от времени температурные кривые Δ(x, t) (диаграммы 360, 361, 362 and 363 FIG. 34) можно вычислить согласно Таблице 30-4:The results of a time-dependent solution may differ from the results of stationary solutions. For example, since ice is a material with a low coefficient of thermal conductivity when applying RF power to the boundary layer of ice, a “heat wave” propagates through ice. Accordingly, a thin layer of ice can be considered a thermally insulated layer of ice. In this case, the de-icer can supply power mainly only in this layer. The time-dependent temperature curves Δ (x, t) (diagrams 360, 361, 362 and 363 of FIG. 34) can be calculated according to Table 30-4:
где ρ - плотность льда; С - теплоемкость льда; λ - коэффициент теплопроводности льда; х - расстояние от нагревателя; W - подаваемая мощность на квадратный метр, D - коэффициент теплопроводности; и t - длительность подачи мощности (например, в импульсе нагрева). На фиг.34 показаны диаграммы 360, 361, 362 и 363 для соответствующих значений времени 200 с, 100 с, 25 с и 5 с, когда мощность W около 4,5 кВт/м2 поступает в атмосферный лед, являющийся смесью сплошного льда, незамерзшей воды и пузырьков газа, имеющий коэффициент теплопроводности 1 Вт/м.К. На фиг.34 по оси Y 365 отложен перегрев Δ, а по оси Х 366 отложено расстояние х от нагревателя.where ρ is the density of ice; C is the heat capacity of ice; λ is the coefficient of thermal conductivity of ice; x is the distance from the heater; W is the supplied power per square meter, D is the coefficient of thermal conductivity; and t is the duration of the power supply (for example, in a heating pulse). On Fig shows diagrams 360, 361, 362 and 363 for the corresponding values of time 200 s, 100 s, 25 s and 5 s, when the power W of about 4.5 kW / m 2 enters the atmospheric ice, which is a mixture of solid ice, unfrozen water and gas bubbles having a thermal conductivity of 1 W / m . K. In Fig. 34, overheating Δ is plotted on the Y-
Температура граничного слоя (т.е. температура граничного слоя льда) имеет типичное время рассеяния Т, вычисленное согласно Таблице 30-5:The temperature of the boundary layer (i.e. the temperature of the boundary layer of ice) has a typical scattering time T calculated according to Table 30-5:
На фиг.35 показана зависимость температуры границы раздела от времени, демонстрируя зависимость граничной температуры перегрева Δ в °C от времени. На фиг.35 по оси Y 371 отложена температура перегрева Δ, а по оси Х 372 отложено время. При подаче короткого импульса нагрева тепловую энергию можно свести к минимуму и все же расплавить граничный слой льда. Например, тепловую энергию можно вычислить согласно Таблице 30-6:On Fig shows the dependence of the temperature of the interface on time, showing the dependence of the boundary temperature of the superheat Δ in ° C from time to time. In Fig. 35, the superheat temperature Δ is plotted on the Y-
где t - время, необходимое для достижения нужной температуры перегрева Δ граничного слоя льда; Q - полная тепловая энергия, необходимая для достижения этой температуры. Как и на фиг.1, полная тепловая энергия Q может быть, по существу, обратно пропорциональна подаваемой мощности W, чтобы антиобледенитель имел более высокий К.П.Д. и чтобы экономить полную электрическую мощность.where t is the time required to achieve the desired superheat temperature Δ of the boundary layer of ice; Q is the total thermal energy needed to reach this temperature. As in FIG. 1, the total thermal energy Q can be substantially inversely proportional to the supplied power W, so that the defroster has a higher KPD. and to save full electrical power.
Антиобледенительные системы с теплопередачейHeat Transfer De-icing Systems
В нижеследующих вариантах осуществления описаны антиобледенительные системы с теплопередачей. Антиобледенительные системы с теплопередачей можно использовать для удаления льда с поверхности объекта. В некоторых вариантах осуществления системы можно использовать для растапливания граничного слоя льда и изменения коэффициента трения на границе раздела поверхности объекта со льдом. Такие антиобледенительные системы с теплопередачей накапливают тепловую энергию и периодически переносят тепловую энергию от источника нагрева (или источника тепла) на нагревательный элемент.In the following embodiments, heat transfer anti-icing systems are described. Heat transfer de-icing systems can be used to remove ice from the surface of an object. In some embodiments, the implementation of the system can be used to melt the boundary layer of ice and change the coefficient of friction at the interface between the surface of the object with ice. Such heat transfer anti-icing systems accumulate heat energy and periodically transfer heat energy from a heat source (or heat source) to a heating element.
На фиг.36 показана антиобледенительная система 460 с теплопередачей. Антиобледенительная система 460 с теплопередачей прредставлена в двух состояниях - 460A и 460B. Антиобледенительная система 460 с теплопередачей содержит источник 464 питания, теплоизолятор 462, нагревательный элемент 466, мембрану 470 и клапан 468 мембраны. Антиобледенительная система 460 с теплопередачей способна удалять лед 472 с поверхности (например, включая наружную поверхность 471 мембраны 470) объекта, например самолета, крыла самолета, ветрового стекла автомобиля, лодки, самолета, дороги, тротуара, морозильника, холодильника, беговой дорожки и окна. Антиобледенительная система 460 с теплопередачей может обеспечивать аккумуляцию тепла, что позволяет подавать, по мере необходимости, накопленное тепло в виде тепловых импульсов на границу раздела лед-объект. Источник 464 питания может включать в себя переключающийся источник питания, батарею, конденсатор, маховик и/или высоковольтный источник питания. В качестве конденсатора можно использовать суперконденсатор или ультраконденсатор.On Fig shows a
В состоянии 460А мембрана 470 надувается газом через клапан 468 мембраны. В качестве газа можно использовать воздух или другие газы, обладающие свойством теплоизоляции. При подаче мощности на нагревательный элемент 466 мощность преобразуется в некоторое количество тепловой энергии, которая сохраняется в нагревательном элементе 466. Тепловая энергия, сохраненная в нагревательном элементе 466, переносится в граничный слой 473 за счет сдувания мембраны 470, как показано в состоянии 460В. При сдувании мембраны 470 тепловая энергия переносится с нагревательного элемента 466 в граничный слой 473 для растапливания граничного слоя 473, в результате чего происходит удаление льда 472. Состояние 460В поддерживается столько времени, сколько необходимо для растапливания граничного слоя льда 472.In
На фиг.37 показана антиобледенительная система 480 с теплопередачей. Антиобледенительная система 480 с теплопередачей проиллюстрирована в двух состояниях - 480A и 480B. Антиобледенительная система 480 с теплопередачей содержит источник 484 питания, теплоизолятор 486 и нагревательный элемент 482. Антиобледенительная система 480 с теплопередачей способна удалять лед 492 с поверхности 491 объекта 493. Объект 493 может относиться к классу рассмотренных выше объектов. Антиобледенительная система 480 с теплопередачей может обеспечивать аккумуляцию тепла, что позволяет подавать, по мере необходимости, накопленное тепло в виде тепловых импульсов на границу раздела лед-объект, чтобы растапливать граничный лед.On Fig shows the
В состоянии 480А нагревательный элемент 482 показан в виде двух слоев 482A и 482B, между которыми заключен теплоизолятор 486. Теплоизолятор 486 подвижно установлен между слоями 482A и 482B нагревательного элемента, что позволяет этим слоям при скольжении приходить в контакт друг с другом, как показано в состоянии 480В. Источник 484 питания подает некоторую величину мощности на нагревательный элемент 482. В качестве источника питания может выступать один или несколько источников питания. При подаче мощности на нагревательный элемент 482 происходит преобразование мощности в тепловую энергию. Когда слой 482А приходит в контакт со слоем 482В, тепловая энергия переносится от нагревательного элемента 482 в граничный слой льда 492 в количестве, достаточном для растапливания этого граничного слоя. Слои 482A и 482B нагревательного элемента часто перемещаются относительно друг друга, в результате чего теплоизолятор 486 периодически осуществляет теплоизоляцию слоев 482A и 482B и обуславливает периодический перенос тепловой энергии в граничный слой льда на поверхности 491. Периодический перенос тепловой энергии обеспечивает подачу средней энергии в граничный слой для поддержания объекта свободным ото льда.In
Нагревательный элемент 482 может быть выполнен из проводящего материала, например, в виде фольги из металла или металлического сплава, тонкого слоя металла на диэлектрической подложке, тонкого слоя оксида металла на подложке, проводящей полимерной пленки, проводящей краски, проводящего адгезива, проволочной сетки и проводящих волокон. Примеры прозрачных проводников включают в себя SnO2, ITO, TiN и ZnO. Примеры проводящих волокон включают в себя углеродные волокна.The heating element 482 may be made of a conductive material, for example, in the form of a foil of metal or a metal alloy, a thin layer of metal on a dielectric substrate, a thin layer of metal oxide on a substrate, a conductive polymer film, conductive paint, conductive adhesive, wire mesh and conductive fibers . Examples of transparent conductors include SnO 2 , ITO, TiN and ZnO. Examples of conductive fibers include carbon fibers.
На фиг.38 показана антиобледенительная система 500 с теплопередачей. Антиобледенительная система 500 с теплопередачей содержит источник 504 питания, нагревательный элемент 502, водяной насос 508, бак 506 и трубку 510. Антиобледенительная система 500 с теплопередачей способна удалять лед 512 с поверхности 511 объекта. Антиобледенительная система 500 с теплопередачей способна действовать как накопитель тепла, что позволяет подавать накопленное тепло в виде импульса тепла на границу раздела лед-объект на поверхности 511. При подаче мощности на нагревательный элемент 502 мощность преобразуется в тепловую энергию. Нагревательный элемент 502 повышает температуру теплопроводящей жидкости в баке 506. В качестве теплопроводящей жидкости может быть использована вода или другая теплопроводящая жидкость. Насос 508 прокачивает теплопроводящую жидкость через трубку 510. При закачке теплопроводящей жидкости в трубку 510 тепловая энергия переносится в граничный слой льда 512 на поверхности 511. В результате переноса тепловой энергии в граничный слой лед 512 отлипает от поверхности 511. Согласно одному варианту осуществления насос 508 часто прокачивает теплопроводящую жидкость через трубку 510, вызывая периодический перенос тепловой энергии в граничный слой, чтобы подавать на границу раздела среднюю тепловую энергию, необходимую для поддержания объекта свободным ото льда.On Fig shows a
На фиг.39 показана импульсная антиобледенительная система 520, где показаны отличия антиобледенительных систем с теплопередачей (фиг. 37 и 38) от ранее описанных систем, например системы 10 (фиг.1). В этом варианте осуществления лед 528 прилипает к поверхности 531 на границе раздела объект-лед, прилегающей к поверхности 531. Импульсная антиобледенительная система 520 содержит источник 524 питания, один или несколько нагревательных элементов 526 и слои 522А и 522В. Импульсная антиобледенительная система 520 способна удалять лед 528 с поверхности 531 слоя 522В. Например, слой 522В является ветровым стеклом, с которого нужно удалить лед.On Fig shows a
Нагревательные элементы 526 встроены в слой 522В и электрически подключены к источнику 524 питания, чтобы получать от него мощность. Слои 522A и 522B выполнены из практически прозрачного материала для использования в ветровом стекле или в качестве последнего.
Когда источник 524 питания подает мощность на нагревательные элементы 526 (которые также могут быть прозрачными), тепловая энергия излучается от нагревательных элементов 526 и нарушает прилипание льда 528 к поверхности 531 слоя 522В. Источник 524 питания подает мощность на нагревательные элементы 526 согласно уравнениям фиг.1. В качестве источника 524 питания может быть использован один или несколько источников питания, например, как на фиг.36.When the
При подаче мощности на нагревательные элементы 526 происходит преобразование мощности в некоторое количество тепловой энергии. Тепловая энергия переносится в граничный слой льда 528 на поверхности 531 для нарушения прилипания льда 528 к поверхности 531. Мощность передается на нагревательные элементы 526 частыми импульсами для периодического переноса тепловой энергии в граничный слой в течение периодов, выражаемых Ур. 1-1.When power is supplied to the
Для сравнения, источник питания антиобледенительной системы с теплопереносом, например источники 484 и 504 питания (фиг. 37 и 38), подают мощность на нагревательные элементы, которые в свою очередь вырабатывают тепловую энергию. Антиобледенительная система с теплопереносом сохраняет тепловую энергию до подачи тепловой энергии на границу раздела лед-объект.For comparison, a power source of the anti-icing system with heat transfer, for example,
Нагревательные элементы 526 импульсной антиобледенительной системы 520 могут быть выполнены, например, из фольги из металлического сплава, тонкого слоя металла на диэлектрической подложке, тонкого слоя оксида металла на подложке, практически прозрачного проводника, проводящей полимерной пленки, проводящей краски, проводящего адгезива, проволочной сетки и/или проводящих волокон. Примеры прозрачных проводников включают в себя SnO2, ITO, TiN и ZnO. Примеры проводящих волокон включают в себя углеродные волокна. Нагревательные элементы 526 могут также включать в себя полупроводниковые устройства, способные преобразовывать мощность в тепловую энергию. Благодаря использованию множественных нагревательных элементов 526 суммарное энергопотребление можно сегментировать или определять по отдельности. Например, сегмент 535 поверхности 531 требует существенно меньше энергии для растапливания граничного слоя льда в этой области по сравнению с растапливанием граничного слоя льда в этой области для всей поверхности 531. Соответственно, мгновенное энергопотребление для нарушения прилипания льда 528 снижается, когда последовательная подача импульсов на сегменты или участки приводит к частичному отлипанию льда 528 от всей поверхности 531 в течение времени.The
На фиг.40 показана антиобледенительная система 540 с теплопередачей. Антиобледенительная система 540 с теплопередачей содержит проводник 542 тепла (например, «горячую плиту»), диэлектрическую пластину 546 и нагревательный элемент 544 (например, тонкую металлическую фольгу). Антиобледенительная система 540 с теплопередачей способна растапливать граничный слой льда 545 на объекте, подавая импульсы тепловой энергии в лед 545. Например, антиобледенительная система 540 с теплопередачей может находиться на поверхности объекта, в результате чего подача мощности нагрева на нагревательный элемент 544 приводит к растапливанию граничного слоя льда 545.On Fig shows the
Проводник 542 тепла преобразует мощность в тепловую энергию, которая переносится от проводника 542 тепла на нагревательный элемент 544 через отверстия 547 в диэлектрической пластине 546. В одном примере проводник 542 тепла вибрирует, в результате чего, когда проводник 542 тепла контактирует с нагревательным элементом 544, проводник 542 тепла переносит тепловую энергию на нагревательный элемент 544, который растапливает граничный слой льда. В зависимости от применения антиобледенительной системы 540 с теплопередачей растапливание граничного слоя льда может быть полезно для удаления льда с поверхности объекта для предотвращения его формирования на поверхности или для изменения прочности прилипания и изменения коэффициента трения между льдом и объектом.The
Антиобледенительная система 540 с теплопередачей используется как «импульсный тормоз», в котором импульс нагрева переносится от проводника 542 тепла на нагревательный элемент 544, когда проводник 542 тепла касается нагревательного элемента 544, присоединенного к основанию скользящего тела, которое граничит со льдом. При необходимости торможения проводник 542 тепла касается нагревательного элемента 544 в течение нескольких миллисекунд, через отверстия 547 в диэлектрической пластине 546, создавая «горячие пятна», на которых лед тает. После убирания проводника 542 тепла растопленные пятна обычно замерзают в течение нескольких миллисекунд, обеспечивая связи между основанием скользящего тела и льдом.The heat transfer
Одним из параметров импульсного тормоза является время, необходимое для растапливания и последующего замерзания льда/снега. Когда происходит граничное охлаждение между льдом или снегом и основанием скользящего тела, время охлаждения можно оценить согласно выражению:One of the parameters of an impulse brake is the time required for melting and subsequent freezing of ice / snow. When boundary cooling occurs between ice or snow and the base of a moving body, the cooling time can be estimated according to the expression:
(Ур. 40-1) (Lv. 40-1)
где Тт - температура таяния льда; Т - внешняя температура; λ - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность материала; с - теплоемкость материала (нижний индекс «снег» обозначает лед и/или снег, и нижний индекс «лыж» обозначает материал, используемый в качестве основания скользящего тела); W - мощность на квадратный метр; Q - выделяемая тепловая энергия; S - площадь основания скользящего тела.where T t is the melting temperature of ice; T is the external temperature; λ is the coefficient of thermal conductivity; ρ is the density of the material; c is the heat capacity of the material (the subscript “snow” refers to ice and / or snow, and the subscript “ski” refers to the material used as the base of the sliding body); W is the power per square meter; Q is the released heat energy; S is the base area of the moving body.
На фиг.41 показана система 560 теплопередачи, которая была выполнена и испытана, в соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг.36. Согласно этому варианту осуществления система 560 теплопередачи содержит два алюминиевых диска 562 и 563 около шести дюймов в диаметре и толщиной 1 мм. Согласно одному варианту осуществления внутренние поверхности дисков 562 и 563 отшлифованы и отполированы для снижения оптической излучательной способности. Внешние поверхности дисков 562 и 563 анодированы в примерно 15% растворе серной кислоты для получения пленки оксида алюминия толщиной от 10 мкм до 12 мкм (жесткое анодирование). Диски 562 и 563 присоединены к плексигласовому кольцу 569 резиновым уплотнительным кольцом 570В. Диски 562 и 563 также присоединены к плексигласовому кольцу 572 и, таким образом, к клапану 571, уплотнительным кольцом 570А.FIG. 41 shows a
Система 560 теплопереноса также содержит нагревательный элемент 565, присоединенный к диску 563 и способный принимать электрическую мощность от источника 566 питания для преобразования этой мощности в тепловую энергию. Нагревательный элемент 565 содержит углеродную фольгу, инкапсулированную в каптоновую полиимидную подложку 568. Термопара 564 может быть присоединена к диску 563 через отверстие 579 в нагревательном элементе 565 посредством теплопроводящего клея. Согласно одному варианту осуществления термопара 564 способна контролировать температуру диска 562, когда нагревательный элемент 565 переносит тепло на диск 563. Согласно одному варианту осуществления источник питания 566 представляет собой источник питания постоянного тока, способный выдавать около 20 В.The
Вакуумный насос может подключаться к клапану 571, чтобы приводить «холодный» и «горячий» диски в контакт и переносить тепловую энергию от горячего диска к холодному диску. Например, когда источник 566 питания подает мощность на нагревательный элемент 565, последний преобразует мощность в тепловую энергию и переносит эту энергию на диск 563, тем самым создавая горячий диск. Вакуумный насос откачивает воздух из камеры 573, чтобы камера сжалась и диск 562 соприкоснулся с диском 563 (например, с холодным диском). Когда диск 562 касается диска 563, тепловая энергия диска 563 переносится на диск 562. Когда перенос тепловой энергии больше не требуется, вакуумный насос накачивает воздух в камеру, чтобы разделить диски 562 и 563.A vacuum pump can be connected to
При температуре около -10°C и при наличии льда, наросшего на диске 562, и когда система 560 теплопередачи находится в вертикальном положении, мощность приблизительно 10-25 ватт, поданная на нагревательный элемент, нагревает диск 563 примерно до 20°C. Когда вакуумный насос откачивает воздух из камеры 573, в результате чего диски 562 и 563 касаются друг друга, лед 577 удаляется с диска 562, например, под действием силы тяжести. Хотя в камере 573 обычно используется воздух, альтернативно, в камере 573 можно использовать другие теплоизолирующие газы.At a temperature of about -10 ° C and in the presence of ice that has grown on the
Анализ антиобледенительной системы с теплопередачейHeat transfer anti-icing system analysis
В нижеследующем описании проанализированы различные антиобледенительные системы с теплопередачей и показаны их эксплуатационные характеристики. Например, проанализированы характеристики различных материалов, например льда, при определенной температуре, теплоемкость которого известна (например, Сл на фиг.18). В этих анализах, значения компонентов иллюстрируют различные условия, например условия окружающей среды и/или режимы теплопередачи.In the following description, various anti-icing systems with heat transfer are analyzed and their operational characteristics are shown. For example, the characteristics of various materials, for example ice, are analyzed at a certain temperature, the heat capacity of which is known (for example, C l in Fig. 18). In these analyzes, component values illustrate various conditions, for example, environmental conditions and / or heat transfer modes.
На фиг.42-46 показаны графики, иллюстрирующие один иллюстративный анализ антиобледенительной системы с теплопередачей. В этом примере антиобледенительная система с теплопередачей содержит первый и второй проводники тепла и нагревательный элемент, имеющие равные теплоемкости. Система характеризуется естественным конвективным теплообменом Nu через воздушный зазор, в котором нагревательный элемент нагревает первый проводник тепла, чтобы второй проводник тепла нагревался до температуры около 275,5 K, когда два проводника тепла контактируют друг с другом. Такую систему можно охарактеризовать с помощью Таблицы 42-1 (вычисляя число Нуссельта для естественной конвекции воздуха между дисками 562, 563 (фиг.41):42-46 are graphs illustrating one illustrative analysis of a heat transfer anti-icing system. In this example, a heat transfer anti-icing system comprises first and second heat conductors and a heating element having equal heat capacities. The system is characterized by natural convective heat transfer Nu through an air gap in which the heating element heats the first heat conductor so that the second heat conductor is heated to a temperature of about 275.5 K when the two heat conductors are in contact with each other. Such a system can be characterized using Table 42-1 (calculating the Nusselt number for natural convection of air between
(т.е. разность температур между нагревателем и окружающей средой)Δ (T p ) = T n (T p ) -T p
(i.e. temperature difference between the heater and the environment)
где Тп - температура материала подложки (диска 562); Тн - температура нагревательного элемента (диска 563); ν - кинематическая вязкость воздуха; L - расстояние между дисками 562 и 563, g - ускорение свободного падения; β - коэффициент теплового расширения воздуха; Pr - число Прандтля для воздуха; Тт - температура таяния льда; Тп - возрастающая температура диска 562; Δ - разность температур; Ra - число Релея для воздуха; Nu1 и Nu2 - числа Нуссельта.where T p - the temperature of the substrate material (disk 562); T n - temperature of the heating element (disk 563); ν is the kinematic viscosity of air; L is the distance between the
Соответственно на фиг.42 показана (диаграмма 580) зависимость числа Нуссельта от внешней температуры (холодного диска 562). Таблица 42-2 позволяет вычислить скорость естественной конвективной теплопередачи между дисками 562, 563:Accordingly, FIG. 42 shows (diagram 580) the dependence of the Nusselt number on external temperature (cold disk 562). Table 42-2 allows you to calculate the rate of natural convective heat transfer between
где λв - коэффициент теплопроводности воздуха; Wк/2 - средняя скорость теплопередачи, когда нагреватель нагревает диск 563 от Тп до Тн. На фиг.42 по оси Y 581 отложено Nu конвекции, а по оси Х 582 отложена температура Тп материала подложки. Средние потери тепла Wк через воздушный зазор показаны на фиг.43 (диаграмма 590). На фиг. 43 по оси Y 591 отложен конвективный перенос тепла Wк/2, а по оси Х 592 отложена температура Тп материала подложки.where λ in - coefficient of thermal conductivity of air; W to / 2 - the average heat transfer rate when the heater heats the
На фиг.44 показан перенос тепла Wиз через заднюю изоляцию (например, изоляцию на задней стороне первого проводника тепла, диаграмма 600). В этом варианте осуществления изоляция представляет собой жесткую полиуретановую пену, имеющую толщину около 0,025 м и коэффициент теплопроводности λв около 0,026. Перенос тепла Wиз можно вычислить согласно Таблице 42-3 (потери тепла через задний изолирующий слой):On Fig shows the transfer of heat W from through the rear insulation (for example, insulation on the rear side of the first heat conductor, diagram 600). In this embodiment, the insulation is a rigid polyurethane foam having a thickness about 0.025 m and a thermal conductivity λ of about 0.026. The heat transfer W from can be calculated according to Table 42-3 (heat loss through the rear insulating layer):
Соответственно, излучательный перенос тепла Wи через воздушный зазор можно вычислить согласно Таблице 42-4 (потери тепла через излучение):Accordingly, the radiative heat transfer W and through the air gap can be calculated according to Table 42-4 (heat loss through radiation):
где ε - излучательная способность дисков 562 и 563; σ - постоянная Стефана-Больцмана. На основании Таблицы 42-4 можно построить диаграмму излучательного переноса тепла Wи (диаграмма 600) как функции температуры Тп на фиг.44 (Тп и Тт определены выше). На фиг.44 по оси Y 601 отложен излучательный перенос тепла Wи, а по оси Х 602 отложена температура Тп материала подложки.where ε is the emissivity of
На фиг.45 показаны суммарные средние потери тепла W (диаграмма 610) от нагревательного элемента. На фиг.45 по оси Y 611 отложены суммарные средние потери тепла W, а по оси Х 612 отложена температура Тп материала подложки. Поскольку температура нагревательного элемента периодически изменяется от Тт до Тн, средняя разность температур между нагревательным элементом и окружающей средой составляет примерно (3/4)·(Tн-Tп). Суммарные средние потери тепла W можно вычислить согласно Таблице 42-5 (суммарные потери тепла в окружающую среду):On Fig shows the total average heat loss W (diagram 610) from the heating element. In Fig. 45, the total average heat loss W is plotted along the Y-
На фиг.46 показана средняя мощность Wср от источника питания, используемая в антиобледенительной системе с теплопередачей. На фиг.46 по оси Y 623 отложена средняя мощность Wср, а по оси Х 624 отложена температура. Результаты средней мощности показаны как функция трех внешних температур холодной пластины Тп (диаграммы 620, 621 и 622). Суммарная величина тепловой энергии Q, необходимая для нагрева нагревательного элемента от температуры Тп материала подложки до Тн, вычисляется в виде двух компонентов Q1 и Q2. Q1 - это тепловая энергия, обусловленная теплоемкостью нагревательного элемента, а Q2 - это тепловая энергия, переносимая от нагревателя в окружающую среду (суммарные потери энергии из системы). Суммарную величину тепловой энергии Q можно вычислить согласно следующей Таблице 42-6:On Fig shows the average power W cf from the power source used in the anti-icing system with heat transfer. In Fig. 46, the average power W cf is plotted on the Y-
где d - толщина нагревательного элемента; t - длительность теплообмена (например, теплового импульса); С - теплоемкость материала; λ - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность материала (нижний индекс «л» обозначает лед и/или снег, и нижний индекс «п» обозначает материал подложки для большинства алюминиевых сплавов); Тп - температура подложки; Тн - температура нагревательного элемента; и Тт - температура льда. Среднюю мощность от источника питания, используемую в этой антиобледенительной системе с теплопередачей (антиобледенение каждые три минуты (180 с), можно вычислить согласно Таблице 42-7:where d is the thickness of the heating element; t is the duration of heat transfer (for example, a heat pulse); C is the heat capacity of the material; λ is the coefficient of thermal conductivity; ρ is the density of the material (the subscript “l” stands for ice and / or snow, and the subscript “p” stands for the substrate material for most aluminum alloys); T p - the temperature of the substrate; T n - temperature of the heating element; and T t is the temperature of the ice. The average power from the power source used in this anti-icing system with heat transfer (de-icing every three minutes (180 s) can be calculated according to Table 42-7:
Антиобледенительная система с вышеозначенными характеристиками полезна в качестве антиобледенителя аэродинамической поверхности (например, крыла самолета). Такая антиобледенительная система может быть выполнена из алюминиевого сплава толщиной 1 мм и установлена позади передней кромки малой аэродинамической поверхности, т.е. передней открытой части крыла самолета. В данном примере, аэродинамическая система имеет размах около 20 см и толщину около 5 см; размеры антиобледенителя составляют 20 см x 10 см. При скорости воздуха около 142 км/ч и приблизительно -10°C. Каплями воды диаметром около 20 мкм на аэродинамической поверхности образуется атмосферный лед. Когда лед вырастает примерно до 5-10 мм, компьютерная система (например, контроллер 78 (фиг.6) предписывает источнику питания приступить к антиобледениению, чтобы растопить граничный слой льда на аэродинамической поверхности, чтобы существенно изменить и/или ликвидировать прилипание льда к аэродинамической поверхности. Тогда лед можно будет удалить с аэродинамической поверхности силой лобового сопротивления. Такая система очистки аэродинамической поверхности была построена и испытана, демонстрируя производительность, весьма близкую к теоретическим прогнозам, приведенным в Таблице 42-7.An anti-icing system with the above characteristics is useful as an anti-icing aerodynamic surface (for example, an airplane wing). Such an anti-icing system can be made of an
Способы регулировки коэффициента тренияWays to adjust the coefficient of friction
Нижеследующие варианты осуществления предусматривают изменение коэффициента трения между поверхностью объекта (например, входящей в состав скользящего тела) и льдом или снегом. Система, подобная системе 40 (фиг.4), использует уравнения фиг.1, чтобы оказывать влияние на коэффициент трения между скользящим телом и снегом (например, как описано для фиг. 47 и 48). Такая система позволяет увеличивать или уменьшать силу сцепления между поверхностью раздела и снегом, что определяется конкретным применением. Например, в некоторых описанных здесь скользящих телах такая система используется в качестве импульсного тормоза для торможения скользящего тела при его перемещении по снегу.The following embodiments provide for a change in the coefficient of friction between the surface of an object (for example, part of a moving body) and ice or snow. A system similar to system 40 (FIG. 4) uses the equations of FIG. 1 to influence the coefficient of friction between a sliding body and snow (for example, as described for FIGS. 47 and 48). This system allows you to increase or decrease the adhesion between the interface and the snow, which is determined by the specific application. For example, in some sliding bodies described herein, such a system is used as an impulse brake to brake a sliding body as it moves through the snow.
На фиг. 47 и 48 показаны характеристики скользящего тела, например лыжи или автомобильной шины. Скользящее тело содержит подложку 632 скользящего тела и нагревательный элемент 633. Нагревательный элемент 633 присоединен к подложке 632 скользящего тела и может непосредственно контактировать со льдом и/или снегом 630. Нагревательный элемент 633 способен принимать мощность от источника питания, например, в соответствии с уравнениями для фиг.1.In FIG. 47 and 48 show the characteristics of a sliding body, such as a ski or car tire. The sliding body comprises a sliding
На фиг.48 показано распределение температуры в подложке 632 скользящего тела и льда 630 при подаче мощности на нагревательный элемент 633 в виде импульса. Например, на фиг.48 показано расстояние рассеяния тепла вдоль оси Х 636 в течение времени t через лед 630 и подложку 632 как функция изменения температуры Т вдоль оси Т 639 на границе раздела лед-объект. Кривая t1 выражает изменение температуры, обусловленное рассеянием тепла во льду 630 и в подложке 632 при данной длительности импульса. Показано, что пик t1 кривой соответствует определенной температуре 638 на оси Т 639. Температуры 638 достаточно для растапливания граничного слоя льда 630. Закрашенная область (m) под кривой t1 представляет растопленный граничный слой.On Fig shows the temperature distribution in the
До подачи мощности на нагревательный элемент 633 температура внешней среды представлена точкой 637. При подаче импульса мощности на нагревательный элемент 633 температура элемента 633 начинает расти и переходит в лед 630 на расстояние 631 (расстояние граничного слоя льда 630) и в подложку 632. Эта температура растет до точки 635, где лед начинает таять, и продолжает расти на протяжении длительности импульса мощности. Тепловая энергия растапливает тонкий граничный слой (m) льда 630. После отключения мощности от нагревательного элемента 633 температура начинает падать ниже точки плавления 635, кривая t2. По мере снижения температуры нагревательного элемента прилипание льда 630 к подложке 632 скользящего тела изменяется вследствие повторного замораживания. Повторное замораживание увеличивает прилипание льда 630 к подложке 632 и способствует торможению скользящего тела на границе раздела нагревательного элемента 633.Before the power is supplied to the
Согласно этому варианту осуществления характеристики скользящего тела удовлетворяют уравнениям фиг.10. Например, время t рассеяния на длину L в направлении оси Х 636 можно выразить следующим образом:According to this embodiment, the characteristics of the sliding body satisfy the equations of FIG. 10. For example, the time t of scattering by a length L in the direction of the
t = L2/D, где(Ур. 11-1)t = L 2 / D, where (Lv. 11-1)
D - коэффициент теплопроводности, выражаемый какD is the coefficient of thermal conductivity, expressed as
D = λ/ρc,(Ур. 11-2)D = λ / ρc, (Lv. 11-2)
где λ - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность материала; с - теплоемкость материала. Соответственно, уравнения 11-1 и 11-2 показывают, что тепловая энергия, поглощенная льдом 630 и подложкой 632, рассеивается на расстояние, пропорциональное квадратному корню из времени t. Чем меньше длительность подачи мощности на нагревательный элемент 633, тем тоньше граничный слой льда, подвергающийся воздействию. Время t и энергия Q, подаваемая на нагревательный элемент 633 для нагрева граничного слоя льда 630 от внешней температуры Т до точки плавления Тт (точка плавления 638), удовлетворяют уравнениям, рассмотренным для фиг.1.where λ is the coefficient of thermal conductivity; ρ is the density of the material; C is the heat capacity of the material. Accordingly, equations 11-1 and 11-2 show that the thermal energy absorbed by the
На фиг.49 показано одно скользящее тело 640 для иллюстрации изменений трения на границе раздела лед-объект. Скользящее тело 640 содержит акриловый ползун 644, датчик 642 силы и нагревательный элемент 646, например титановою фольгу толщиной от 12,5 мкм до 25 мкм. Скользящее тело 640 использует нагревательный элемент 646, который растапливает граничный слой льда 641, примыкающий к скользящему телу 640, за счет подачи в слой импульсов тепловой энергии, например, согласно уравнениям для фиг.1. Мощность можно подавать на нагревательный элемент 646 на клеммы 645 и 647, в результате чего нагревательный элемент 646 растапливает граничный слой льда 641. После растапливания граничному слою льда 641 позволяют повторно замерзнуть вследствие более низкой внешней температуры, что обеспечивает связь между льдом 641 и ползуном 644.On Fig shows one sliding
Датчик 642 силы получает информацию о силе, прилагаемой ползуном 644 ко льду 641. Датчик 642 силы может передавать эту информацию на контроллер 643 для определения, как подавать мощность на нагревательный элемент 646. Источник питания, аналогичный описанному выше, может подавать мощность на нагревательный элемент 646 для растапливания граничного слоя льда 641. Растапливание граничного слоя льда 641 приводит к изменению прочности прилипания льда 641 к скользящему телу 640 и изменению коэффициента трения между льдом 641 и ползуном 644.The
На фиг. 50 и 51 показано использование скользящего тела 650 в виде лыжи 654. Скользящее тело 650 содержит металлические нагревательные элементы 652, например титановую фольгу, связанную с поверхностью 651 лыжи, которая контактирует со снегом 653. Нагревательные элементы 652 способны растапливать слой граничного снега, взаимодействующего с поверхностью 651, за счет подачи импульсов энергии в слой снега 653, например, согласно уравнениям для фиг.1. Мощность подается на нагревательные элементы 652 одним из нескольких описанных здесь устройств. После растапливания граничного слоя снега 653 он повторно замораживается вследствие более низкой внешней температуры и обеспечивает связь между снегом 653 и поверхностью 651. Связь обеспечивает повышенное сцепление со снегом 653 за счет изменения коэффициента трения между льдом и скользящим телом 650.In FIG. 50 and 51 show the use of the sliding
Скользящее тело 650 может также содержать крепление 658, показанное на фиг.51. Переключатель 660 размещен на креплении 658 для управления режимом подачи мощности на нагревательные элементы 652. В качестве переключателя 660 может быть использован механический переключатель. Переключатель 660 может также содержать ручной переключатель, переключатель движения лыжи, переключатель, реагирующий на давление, акселерометр, переключатель с дистанционным управлением и/или датчик движения. Каждый переключатель можно использовать в скользящем теле 650, чтобы активировать нагрев и повторное замораживание граничного слоя льда для обеспечения нужного коэффициента трения.The sliding
В частности, на фиг.50 дополнительно показано, как нагревательные элементы 652 могут быть присоединены к лыже 654. Согласно фиг.51 лыжный ботинок 656 вставлен в крепление 658. Лыжный ботинок 656, при желании, можно использовать для управления переключателем 660, чтобы подавать мощность на нагревательные элементы 652. Мощность может подаваться от источников питания. Когда ботинок 656 переключает переключатель 660, последний проводит мощность от источника питания на нагревательные элементы 652 для растапливания граничного слоя снега 653 и, таким образом, для изменения коэффициента трения между лыжей 654 и снегом 653.In particular, FIG. 50 further shows how the
На фиг.52 показано скользящее тело в виде сноуборда 674. Скользящее тело 670 содержит нагревательные элементы 672, присоединенные к нижней поверхности 675 сноуборда 674. Поверхность 675 контактирует со снегом в ходе эксплуатации сноуборда 674. Эксплуатационные характеристики скользящего тела 670 могут быть такими же, как у лыжи 654 (фиг. 50 и 51). Нагревательные элементы 672 могут также быть встроены в сноуборд 674, но находиться в тепловой связи с поверхностью 675 согласно одному варианту осуществления.On Fig shows a sliding body in the form of a
На фиг.53 показано скользящее тело 680 в виде ботинка 684. Скользящее тело 680 содержит металлические нагревательные элементы 682, например титановую фольгу, присоединенную к каблуку 688 и подошве 686, каблук 688 и подошва 686 контактируют со снегом или льдом, когда человек идет по снегу или льду. Нагревательные элементы 682 могут также быть встроены в ботинок 684 (или каблук 686) при условии, что они находятся в тепловой связи с внешней поверхностью каблука 688. Нагревательные элементы 682 могут быть выполнены в виде тонкой проводящей пленки (например, пленки из TiN, пленки из Cr), напыленной либо на полимерную подложку (например, каптон, ABS), либо на керамическую подложку (например, стеклокерамику, диоксидциркониевую керамику). На нагревательные элементы 682 подается энергия, в результате чего нагревательные элементы 682 растапливают граничный слой льда, примыкающий к каблуку и/или подошве 688, 686. После растапливания граничного слоя льда или снега ему позволяют повторно замерзать под действием внешней температуры, что обеспечивает связь льда или снега с каблуком и/или подошвой 688, 686. Мощность поступает, как описано для фиг.1. В качестве источника питания используют малую батарею 683 (например, батарею типа D-элемент). Переключатель 48 (фиг.4) подключает мощность от источника питания к нагревательным элементам 682. Когда пользователь переключает переключатель, последний проводит мощность от батареи 683 на нагревательные элементы 682 для растапливания граничного слоя льда или снега и изменения коэффициента трения между ботинком 684 и льдом или снегом, что способствует повышению сцепления ботинка 684.On Fig shows a sliding
На фиг.54 показано скользящее тело 690 в виде шины 692. Скользящее тело 690 содержит металлические нагревательные элементы 694, внедренные в шину 692. Мощность поступает на нагревательные элементы 694, в результате чего нагревательные элементы 694 растапливают граничный слой льда или снега 693. После растапливания граничного слоя льда он повторно замораживается под действием внешней температуры и обеспечивает связь между льдом/снегом 693 и шиной 692. Мощность можно подавать на нагревательные элементы 694 одним из нескольких указанных способов. Скользящее тело 690 использует в качестве источника питания, например, автомобильный аккумулятор.On Fig shows the sliding
В другом примере нагревательные элементы 694 включают в себя тонкие металлические провода, способные принимать мощность и преобразовывать эту мощность в тепловую энергию для растапливания граничного слоя льда/снега 693, контактирующего с шиной 692. Кроме того, скользящее тело 690 может содержать контроллер 78 (фиг.6) для управления подачей мощности (фиг.1). Согласно варианту осуществления пользователь активирует переключатель, что позволяет подавать мощность на нагревательные элементы 694, когда это необходимо для обеспечения дополнительного сцепления шины 692 с поверхностью дороги, покрытой льдом и снегом 693. Когда пользователь переключает переключатель, нажимая специальную кнопку на панели управления автомобиля, переключатель проводит мощность от источника питания на нагревательные элементы 694 для растапливания граничного слоя льда и снега 693 и, таким образом, для изменения коэффициента трения между шиной 692 и льдом и снегом, порывающими поверхность дороги, когда граничный слой повторно замораживается и повышает сцепление шины 692 на снегу/льду 693.In another example, the
Таким образом, нагревательные элементы 694 могут действовать как «импульсные тормоза», выдавая импульс нагрева на границу раздела между шиной 692 и снегом/льдом 693. Например, когда необходимо торможение, граничный слой льда растапливается. Когда импульс прекращается, растопленные пятна на шине 692 обычно повторно замораживаются за несколько миллисекунд под действием внешней температуры, обеспечивая сильные связи между шиной 692 и льдом/снегом 693. Эти связи способствуют торможению движения шины 692 относительно льда/снега 693. Для более быстрого охлаждения растопленного граничного слоя льда используется элемент Пельтье 695.Thus, the
Примером элемента Пельтье 695 является термоэлектрический модуль, состоящий из массива гранул из полупроводника, легированного теллуридом висмута, который имеет один тип носителей заряда (например, положительный или отрицательный) для переноса основного тока. Пары гранул с положительными и отрицательными основными носителями заряда имеют такую конфигурацию, что они электрически соединены последовательно, но термически соединены параллельно. Металлизированные керамические подложки могут обеспечивать платформу для гранул. Термоэлектрические модули могут функционировать самостоятельно или группами с последовательными, параллельными или последовательно-параллельными соединениями.An example of a
При подаче напряжения постоянного тока на элемент Пельтье 695 положительные и отрицательные носители заряда в массиве гранул поглощают тепловую энергию с одной поверхности подложки и выделяют ее на противоположной поверхности подложки. Подложка, на которой происходит поглощение тепловой энергии, может понижать температуру без использования движущихся деталей, компрессоров или газов. Противоположная подложка, на которой происходит выделение тепловой энергии, в результате нагревается.When a DC voltage is applied to the
На фиг.55 показана конфигурация скользящего тела 700, иллюстрирующая, как скользящее тело оказывает влияние на трение с примыкающим снегом или льдом. Скользящее тело 700 содержит совокупность металлических нагревательных элементов, внедренных в область 704, иллюстрирующую электропроводную резину шины. Мощность подают на нагревательные элементы 712, чтобы растапливать граничный слой льда 714. После растапливания граничного слоя льда он повторно замораживается под действием внешней температуры и обеспечивает связь между льдом 714 и скользящим объектом 700.55 is a configuration of a sliding
Нагревательный элемент 712 представляет собой тонкий металлический провод, способный принимать мощность и преобразовывать эту мощность в тепловую энергию для растапливания граничного слоя льда 714, контактирующего со скользящим телом 700. Тонкий электрический изолятор 706 около нагревательного элемента окружает нагревательный элемент 712. Когда нагревательный элемент принимает мощность от источника 702 питания, нагревательные элементы 712 преобразуют мощность в тепловую энергию посредством удельного сопротивления. Тепловая энергия проводится (линии 710 теплового излучения) в лед 714 и нагреваемую область 708, в которой граничный слой льда 714 растапливается. Растопленный граничный лед изменяет коэффициент трения между скользящим телом 700 и льдом 714, в результате чего сцепление между скользящим телом 700 и льдом 714 увеличивается. Коэффициент трения изменяется вследствие таяния и повторного замерзания, когда электрическая мощность подается и отключается от нагревательного элемента 712. Например, импульс электрической мощности, имеющий длительность в соответствии с Ур. 1.4 для фиг.1, растапливает граничный слой льда 714, поскольку он преобразуется в тепловую энергию нагревательным элементом 712. Когда импульс электрической мощности спадает, область 708 получает возможность повторного замерзания под действием более низкой внешней температуры и нерастаявшего льда 714. Таким образом, растапливание и повторное замораживание льда 714 изменяет коэффициент трения и повышает сцепление и торможение, когда, например, скользящее тело 700 является таким объектом, как шина или лыжа.The
На фиг.56 показано скользящее тело в виде гусеницы 724, например, используемой для снегохода. Скользящее тело 720 содержит нагревательные элементы 722, внедренные в гусеницу 724. Мощность поступает на нагревательные элементы 722, в результате чего нагревательные элементы 722 растапливают граничный слой льда, примыкающий к гусенице 724. Когда граничный слой льда растоплен и мощность больше не поступает, растопленный граничный слой воды повторно замерзает вследствие внешней температуры и обеспечивает связь льда с гусеницей 724. Скользящее тело 720 использует в качестве источника питания, например, аккумулятор. Иллюстративно, гусеница 724 показана вокруг гусеничных колес 725. Нагревательные элементы 722 могут быть в виде тонких металлических проводов или в виде тонкой металлической фольги, преобразующих(ей) мощность в тепловую энергию для растапливания граничного слоя льда, контактирующего с гусеницей 724. Пользователь, при желании, может активировать переключатель, чтобы подать мощность на нагревательные элементы 722, например, когда пользователь определяет необходимость в дополнительном сцеплении между гусеницей 724 и землей, покрытой льдом и снегом. Когда пользователь переключает переключатель, переключатель проводит мощность от источника питания (например, аккумулятора снегохода) на нагревательные элементы 722 для расплавления граничного слоя льда/снега, чтобы изменить коэффициент трения между гусеницей 724 и снегом, повысив сцепление гусеницы 724 со снегом в результате последующего повторного замерзания.On Fig shows a sliding body in the form of a
На фиг.57 показано одно скользящее тело 780 в виде лыжи 782; лыжа 782 показана более подробно на виде 781. Скользящее тело 780 содержит нагревательный элемент 784 и может иметь эксплуатационные характеристики, как у лыжи 654 (фиг. 50 и 51). Нагревательный элемент 784 может быть выполнен, например, из титановой фольги или устойчивых к истиранию проводящих красок (например, красок на основе никеля или серебра), или в виде напыленного слоя TiN. Нагревательный элемент 784 присоединен к поверхности лыжи 782 (установлен для обеспечения тепловой связи с поверхностью), чтобы непрерывно контактировать со снегом и растапливать граничный снег или лед, как описано для фиг.1.On Fig shows one sliding
На виде 781 представлен способ присоединения нагревательного элемента 784 к лыже 782. Например, нагревательный элемент 784 присоединен к лыже 782 посредством стоек 783. Стойки 783 обычно выполнены в виде металлического проводника, служащего клеммами электрической шины, а также для защиты нагревательного элемента 784 от повреждений. Стойки 783 можно использовать для передачи мощности от источника питания на нагревательный элемент 784, чтобы растапливать граничный слой снега и, таким образом, изменять коэффициент трения между лыжей 782 и снегом.Figure 781 illustrates a method for attaching a
Нагревательный элемент 784 содержит, например, защитное покрытие 785, защищающее от повреждения камнями. Нагревательный элемент 784, стойки 783 и подложка 786 могут быть заменяемыми. Когда нагревательный элемент 784 содержит проводящий слой краски, царапины можно исправлять с помощью красок для мелкого ремонта.The
На фиг.58 показано скользящее тело 800 в виде шины 802 согласно варианту осуществления. Скользящее тело 800 содержит нагревательный блок 806 и необязательную выпускную подсистему 804. Подсистема 804 выпуска воздуха может содержать выпуск холодного воздуха автомобильного кондиционера. Нагревательный блок 806 может содержать нагревательную лампу или другое нагревательное устройство для нагрева области 805 шины 802 импульсной или непрерывной тепловой энергией. Скользящее тело 800 может использовать в качестве источника питания автомобильный аккумулятор.On Fig shows a sliding
Согласно варианту осуществления элемент 806 нагревательного блока содержит и использует выпуск кондиционера или двигателя автомобиля. В другом варианте осуществления нагревательный блок 806 содержит или использует водораспылитель, который создает мельчайшие капельки воды. Капельки воды покрывают автомобильную шину тонкой водяной пленкой, которая замерзает при контакте со льдом, тем самым обеспечивая сильные связи между шиной и льдом.According to an embodiment, the
Согласно еще одному варианту осуществления нагревательный блок 806 содержит горячий цилиндр, касающийся шины, и может вращаться вместе с шиной. Горячий вращающийся цилиндр может нагреваться системой электропитания автомобиля, автомобильным кондиционером и/или выхлопными газами автомобиля.According to another embodiment, the
В рабочем примере нагревательный блок 806 способен принимать мощность и преобразовывать эту мощность в тепловую энергию, чтобы расплавлять граничный слой льда 810 в области 807 контакта с шиной 802. Когда нагревательный блок 806 получает энергию от источника питания, он преобразует ее в тепловую энергию и образует нагретую область 805. Ввиду малой длительности воздействия нагрева нагревается обычно только тонкий слой резины шины. При вращении шины 802 нагретая область 805 растапливает граничный слой льда 810 в области 807. Когда шина продолжает вращаться, растопленный слой льда повторно замерзает в области 808 и изменяет коэффициент трения между шиной 802 и льдом 810 в области 809, тем самым создавая связь между шиной 802 и льдом 810, что приводит к возрастанию сцепления между шиной 802 и льдом 810.In a working example, the
Поскольку шина 802 имеет значительную площадь контакта со льдом 810, резина шины 802 обычно повторно охлаждается прежде, чем будет снова нагрета нагревательным блоком 806. Таким образом, в дополнительном охлаждении обычно не бывает необходимости, когда внешняя температура ниже точки плавления льда. Тем не менее, дополнительное охлаждение может использоваться, например холодный воздух из автомобильного кондиционера можно использовать для охлаждения шины через выпускную подсистему 804.Since the
Поскольку нагревательный блок 806 может выдавать импульсную тепловую энергию, коэффициент трения может дискретно изменяться в результате растапливания и повторного замораживания граничного льда 810 при подаче и отключении электрической мощности (например, шина 802 постоянно нагревается и охлаждается во время вращения. Согласно варианту осуществления нагревательный блок 806 может содержать нагретую металлическую щетку, прижатую к вращающейся шине 802. Тепловой поток от щетки к поверхности 801 шины 802 нагревает тонкий слой резины шины, вызывая последующее растапливание граничного льда.Since the
Средняя мощность, используемая нагревательным блоком 806, обычно зависит от внешней температуры и скорости автомобиля, но может быть в пределах от 10 ватт до 100 ватт. В некоторых экстремальных случаях, она может быть в пределах от 1 ватта до 1000 ватт. Кроме того, в зависимости от температурных и скоростных условий период, в течение которого резина шины 802 нагревается нагревательным блоком 806, находится в пределах от 3 мс до 100 мс, но, в более экстремальных случаях, может составлять от 1 мс до 1 с. Время повторного замораживания может быть примерно таким же, как для импульсной антиобледенительной системы, например, для фиг.1-6 (обычно в пределах от 1 мс до 100 мс). Это время можно регулировать так, чтобы обеспечить максимальное сцепление, когда большая часть области контакта шины с дорогой повторно заморожена.The average power used by the
На фиг.59 показана конфигурация одного скользящего тела 820. Скользящее тело 820 содержит границу 825 раздела скользящего тела и лампу 826 фотовспышки. Лампа 826 фотовспышки способна освещать поверхность раздела скользящего тела 825 импульсом света (например, вспышкой света). Лампа 826 фотовспышки получает мощность от источника питания 822 для растапливания граничного слоя льда 821. Лампа 826 фотовспышки выдает импульсы света на тонкий зачерненный слой 827 граничного льда 821. Типичная длительность и энергия для одного импульса лампы 826 составляет от 1 мс до 10 мс, генерируя энергию примерно от 1 Дж до 100 Дж.On Fig shows the configuration of one sliding
Согласно варианту осуществления единичная вспышка от лампы 826 фотовспышки растапливает граничный слой льда 821, когда лампа 826 фотовспышки облучает границу 825 раздела скользящего тела. Граница 825 раздела скользящего тела является прозрачной и преобразует энергию вспышки в тепловую энергию, когда свет падает на зачерненный слой 827. Например, свет от лампы 826 (например, видимый свет или инфракрасный свет) поглощается слоем 827 и преобразуется в тепловую энергию. Затем преобразованная тепловая энергия поглощается в граничном слое льда 821, примыкающем к скользящему телу 820. При поглощении энергии граничным слоем 821 слой растапливается. Затем слой повторно замораживается под действием внешней температуры для обеспечения связи между скользящим телом 824 и льдом 821.According to an embodiment, a single flash from the
Анализ изменения коэффициента тренияAnalysis of changes in the coefficient of friction
Ниже приведены анализы, в которых коэффициент трения изменяется на границе раздела лед-объект или на границе раздела снег-объект. Эти анализы могут экспериментально и графически иллюстрировать изменение коэффициента трения.Below are analyzes in which the friction coefficient changes at the ice-object interface or at the snow-object interface. These analyzes can experimentally and graphically illustrate the change in the coefficient of friction.
На фиг. 60 показана диаграмма 830, иллюстрирующая соотношение между коэффициентами трения определенных скользящих тел и напряжением, поданным на нагревательные элементы, присоединенные к скользящим телам. Для зарядки конденсатора 2,35 мкФ использовали электрическую схему (фиг.2). Затем конденсатор разряжали через нагревательный элемент. На фиг.60 по оси Y отложена сила трения, а по оси Х отложена 832 отложено напряжение. Диаграмма 830 позволяет различить два аналогичных скользящих тела, каждое из которых имеет нагревательный элемент (один нагревательный элемент содержит титановую фольгу толщиной около 12,5 мкм, а другой нагревательный элемент содержит титановую фольгу толщиной около 25 мкм). При подаче около 50 В мощности на нагревательные элементы коэффициент трения между скользящими телами и снегом изменяется, как показано. При напряжении около 100 В коэффициенты трения скользящих тел по снегу начинают отличаться друг от друга. Соответственно, толщина материала нагревательного элемента, по существу, не зависит от напряжения примерно до 100 В, что может влиять на конструктивные решения.In FIG. 60 is a diagram 830 illustrating the relationship between the friction coefficients of certain sliding bodies and the voltage applied to heating elements attached to the sliding bodies. To charge the capacitor 2.35 uF used an electrical circuit (figure 2). Then the capacitor was discharged through the heating element. In Fig. 60, the friction force is plotted along the Y axis, and stress is plotted along the X axis. Diagram 830 makes it possible to distinguish two similar sliding bodies, each of which has a heating element (one heating element contains titanium foil about 12.5 microns thick and the other heating element contains titanium foil about 25 microns thick). When about 50 V of power is supplied to the heating elements, the coefficient of friction between the sliding bodies and the snow changes, as shown. At a voltage of about 100 V, the friction coefficients of sliding bodies in the snow begin to differ from each other. Accordingly, the thickness of the material of the heating element is essentially independent of voltage up to about 100 V, which may affect design decisions.
На фиг.61 показана диаграмма 840, иллюстрирующая соотношение между силой трения покоя некоторых скользящих тел и нормальным давлением, оказываемым скользящим телом на снег. На фиг.61 по оси Y 841 отложена сила трения покоя, а по оси Х 842 отложено нормальное давление. Диаграмма 840 позволяет различить два аналогичных скользящих тела, каждое из которых имеет нагревательный элемент (один нагревательный элемент содержит титановую фольгу толщиной около 12,5 мкм, а другой нагревательный элемент содержит титановую фольгу толщиной около 25 мкм). На двух нижеприведенных диаграммах показана сила трения покоя для тех же скользящих тел без подачи импульсов нагрева. Другие экспериментальные данные, например напряжение постоянного тока (90 В), температура (-11°C) и конденсатор, используемый в схеме на фиг.2, показаны на вставке.61 is a diagram 840 illustrating the relationship between the resting friction force of some sliding bodies and the normal pressure exerted by the sliding body on snow. On Fig on the
На фиг.62 показана диаграмма 850, иллюстрирующая соотношение между коэффициентами трения некоторых скользящих тел и напряжением, поданным на присоединенный нагревательный элемент, согласно варианту осуществления. На фиг.62 по оси Y 853 отложена сила трения, а по оси Х 852 отложено напряжение. Диаграмма 850 позволяет различить два аналогичных скользящих тела, каждое из которых имеет нагревательный элемент (один нагревательный элемент содержит титановую фольгу толщиной около 12,5 мкм, а другой нагревательный элемент содержит титановую фольгу толщиной около 25 мкм). Каждое скользящее тело имеет среднюю кривую, определяемую диапазоном коэффициентов трения, связанных с конкретным приложенным напряжением. Например, скользящее тело с нагревательным элементом в виде титановой фольги толщиной 25 мкм имеет коэффициент трения, изменяющийся в пределах от 4,9 Н до 6 Н (точка 851). На фиг. 62 показано, что импульсный тормоз хорошо работает даже, когда внешняя температура очень близка к точке плавления (-2°C), хорошая тормозная сила достигается даже при -0,5°C.62 is a diagram 850 illustrating the relationship between the friction coefficients of some sliding bodies and the voltage applied to the connected heating element according to an embodiment. In Fig. 62, the friction force is plotted along the Y-
На фиг.63 показана диаграмма 860, иллюстрирующая соотношение между коэффициентами трения одного скользящего тела и временем скольжения с постоянной скоростью 3,5 мм/с. На фиг.63 по оси Y 863 отложена сила трения, а по оси Х 864 отложено время. Согласно варианту осуществления было подано четыре коротких импульса мощности нагрева, в течение которых скользящее тело перемещалось со скоростью около 3,5 м/с. Конденсатор 1,36 мкФ разряжался на нагревательный элемент при напряжении около 110 В в четырех импульсах 861. Длительность импульсов нагрева составляла около 2,5 мс. Нагревательный элемент, присоединенный к скользящему телу, принимал мощность от источника питания в течение ограниченного времени (импульса мощности), например, согласно уравнениям для фиг.1. Нагревательный элемент преобразовывал эту мощность в тепловую энергию и подавал тепловую энергию на границу раздела поверхности со льдом. Нагревательный элемент растапливал граничный слой снега или льда, примыкающий к скользящему объекту. Растапливание граничного слоя изменяет прилипание снега на поверхности скользящего тела и изменяет коэффициент трения между скользящим телом и снегом или льдом. В течение каждого импульса 861 коэффициент трения меняется. Изменение коэффициента трения между скользящим телом и снегом приводит к тому, что скользящее тело сопротивляется скольжению, т.е. сила трения возрастает. Это показано на фиг.63 в виде острых пиков силы трения. Изменяя энергию импульса и интервалы между импульсами, можно добиться нужной величины силы трения. Специалистам в данной области понятно, что такой регулируемый тормоз можно связать с системой измерения скорости, чтобы снабдить лыжу системой «круиз-контроль»: лыжник может задать нужную максимальную скорость для себя и своих детей, чтобы обеспечить безопасность лыжной прогулки.63 is a diagram 860 illustrating the relationship between the friction coefficients of one sliding body and the sliding time at a constant speed of 3.5 mm / s. 63, friction force is plotted on the Y-
На фиг.64 показана диаграмма 870, иллюстрирующая другое соотношение между коэффициентами трения одного скользящего тела и напряжением, подаваемым на присоединенный нагревательный элемент, согласно варианту осуществления. На фиг.64 по оси Y 871 отложена сила трения, а по оси Х 872 отложено напряжение. Напряжение изменяли, чтобы определить коэффициенты трения в зависимости от мощности. При подаче мощности с напряжением 50 В на нагревательные элементы, коэффициент трения изменялся. При около 90 В коэффициент трения скользящего тела относительно снега достигает насыщения, после чего остается почти постоянным примерно до 110 В. Соответственно, напряжение от 90 В до 110 В может обеспечивать возрастание коэффициента трения, которое практически не зависит от напряжения между 90 В и 110 В. Эта информация полезна при выборе источника питания для скользящего тела.64 is a diagram 870 illustrating another relationship between the friction coefficients of one sliding body and the voltage applied to the connected heating element according to an embodiment. In Fig. 64, the friction force is plotted along the Y-
На фиг. 65 и 66 показаны диаграммы, иллюстрирующие тепловую энергию Q и время охлаждения tохл скользящего тела. На фиг.65 по оси Y 881 отложено рассеяние тепла в снегу Lр, а по оси Х 882 отложено время. На фиг.66 по оси Y 891 отложена тепловая энергия, а по оси Х 892 отложено сопротивление нагревателя. В течение первых 10 миллисекунд нагрева тепло проникает в снег только на глубину тридцать шесть микрон. Такой тонкий слой снега имеет малую теплоемкость, поэтому для нагрева его до точки плавления (т.е. 273K) требуется малая энергия. Нижеприведенная Таблица 65-1 позволяет вычислить полную энергию Q(Δ, R), используемую для растапливания десятимикронного слоя льда и для нагрева граничного материла снега и льда на Δ°С. Когда мощность нагрева не зависит от Т, результат приведен в Таблице 65-1:In FIG. 65 and 66 are diagrams illustrating thermal energy Q and cooling time t OHL sliding body. On Fig on the Y-
Согласно фиг. 65 и 66 длина рассеяния тепла Lр (т.е. диаграмма 880, фиг.65) выражается так:According to FIG. 65 and 66, the heat dissipation length L p (i.e., diagram 880, FIG. 65) is expressed as follows:
где S - площадь нагревателя; Тт - температура таяния; Т - внешняя температура; λ - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность материала; С - теплоемкость материала (нижний индекс «лед» обозначает лед и/или снег, нижний индекс «лыж» обозначает материал подложки, например лыжи или сноуборда, нижний индекс «нагр» обозначает нагревательный элемент); Q - тепловая энергия; D - коэффициент температуропроводности; Δ - изменение температуры; t - время; V - напряжение; d - толщина; R - сопротивление; W - мощность на квадратный метр; lрастоп - толщина растопленного слоя; и q - скрытая теплота плавления. Для очень коротких импульсов почти вся тепловая энергия Q используется для растапливания тонкого слоя снега (диаграмма 890, фиг.66); теплоемкость снега и лыжи дают малый вклад в Q. Расчет времени повторного замораживания показан в Таблице 65-2:where S is the area of the heater; T t - melting temperature; T is the external temperature; λ is the coefficient of thermal conductivity; ρ is the density of the material; C is the heat capacity of the material (the subscript “ice” refers to ice and / or snow, the subscript “skis” refers to the substrate material, for example, ski or snowboard, the subscript “heat” refers to a heating element); Q - thermal energy; D is the coefficient of thermal diffusivity; Δ is the change in temperature; t is the time; V is the voltage; d is the thickness; R is the resistance; W is the power per square meter; l melt - the thickness of the melted layer; and q is the latent heat of fusion. For very short pulses, almost all of the thermal energy Q is used to melt a thin layer of snow (diagram 890, Fig. 66); the heat capacity of snow and ski makes a small contribution to Q. The calculation of the re-freezing time is shown in Table 65-2:
Таблица 65-3 иллюстрирует типичные емкости обычных батарей, используемых в качестве источников питания в устройстве импульсного тормоза. Например, пару малых батарей АА можно использовать в устройстве импульсного тормоза для лыжных гонок в течение около одного часа.Table 65-3 illustrates typical capacities of conventional batteries used as power sources in a pulse brake device. For example, a pair of small AA batteries can be used in a pulse brake device for skiing for about one hour.
ПараAA, Duracell
Couple
ПараD, Varta
Couple
пара
4 штуки9v, Duracell
couple
4 pieces
TL2300/S D, Li
ПараType D
TL2300 / SD, Li
Couple
TL5137/TDD, LiDD
TL5137 / TDD, Li
TL5104/PT2 AA, LiAA
TL5104 / PT2 AA, Li
TL2200/SC, Li, 7200 мА.ч
ПараC
TL2200 / SC, Li, 7200 mA . h
Couple
На фиг.67 показан анализ скользящего тела 900, иллюстрирующий усиления трения для варианта осуществления, в котором скользящее тело представляет собой шину 902 с разными тепловыми зонами. Согласно этому анализу φ0 - зона нагрева; φ1 - зона воздушного охлаждения; φ2 - зона растапливания; φ3 - зона повторного замораживания; φ4 - зона связывания; ω0 - угловая скорость шины; υ0 - линейная скорость автомобиля; R - радиус шины 902; и А - ширина шины 902. Предполагая, что зона нагрева φ0 равномерно нагревается полной мощностью w′, получаем следующее выражение для плотности мощности на квадратный метр:67 is an analysis of a sliding
. (Ур. 67-1) . (Lv. 67-1)
Каждая точка зоны нагрева φ0 может быть «поверхностно нагретой» за время t, выражаемое какEach point of the heating zone φ 0 can be “surface heated” in time t, expressed as
. (Ур. 67-2) . (Lv. 67-2)
Например, при υ0 = 30 м/с (108 км/ч) и φ0R = 0,1 м, и зона нагрева φ0 получает плотность энергииFor example, when υ 0 = 30 m / s (108 km / h) and φ 0 R = 0.1 m, and the heating zone φ 0 receives the energy density
(Ур.67-3) (Lv. 67-3)
Оценивая минимальную Q и предполагая толщину растопленного льда равной 10 мкм, получаемEstimating the minimum Q and assuming a thickness of melted ice equal to 10 μm, we obtain
Q = d·q·ρл, (Ур. 67-4)Q = d · q · ρ l , (Lv. 67-4)
где d - толщина растопленного слоя в зоне φ2, ρ - плотность льда, q - скрытая теплота плавления. Соответственно,where d is the thickness of the melted layer in the zone φ 2 , ρ is the density of ice, q is the latent heat of fusion. Respectively,
и, следовательно, (Ур. 67-5) and therefore (Lv. 67-5)
w′ = A.υ0 .d.q.ρл. (Ур.67-6)w '= A. υ 0 . d . q . ρ l (Lv. 67-6)
Теперь оценим зону повторного замораживания, которая увеличивает коэффициент трения до μ = 0,5. Например, при нормальном давлении 2.105 Па сила трения на квадратный метр, соответствующая μ = 0,5, равна 105 Па. Для границы раздела лед/резина прочность слипания на сдвиг составляет около 1 МПа. Таким образом, для повторного замораживания может потребоваться только около 10% площади контакта лед/шина (т.е. зона повторного замораживания φ3), чтобы обеспечить μ = 0,5. Когда растопленный слой льда имеет толщину около 3,3 мкм, энергопотребление составляет около 500 ватт для скорости v0, равной около 108 км/ч. Для скорости v0 около 7,2 км/ч при той же толщине энергопотребление составляет лишь около 33 ватт.Now we estimate the re-freezing zone, which increases the coefficient of friction to μ = 0.5. For example, at
При скорости v0 20 км/ч каждая точка поверхности шины может находиться в контакте со льдом в течение около . Это время доступно для действий растапливания и повторного замораживания и достаточно велико для осуществления этих действий.At a speed of
На фиг. 68 и 69 представлены экспериментальные результаты, в которых трение о лед снижается либо за счет подачи ВЧ мощности (фиг.68), либо за счет подачи низкоэнергичных импульсов нагрева (фиг.69). На фиг.68 по оси Y 915 отложена сила трения, а по оси Х 914 отложено время в секундах. Например, на фиг.68 показана сила трения (Н) в зависимости от времени для скользящего тела при движении по льду с внешней температурой Т около -5°C, нормальным давлением Р около 42 кПа и скорости скольжения около 1 см/с. В этом варианте осуществления система, изменяющая трение, содержит гребенчатую схему, прикрепленную к основанию скользящего тела, которое граничит со льдом. Гребенчатая схема также содержит медные электроды, имеющие межэлектродное расстояние около 75 мкм. Источник питания выдает на электроды ВЧ напряжение переменного тока около 30 В СКЗ с частотой около 20 кГц. Электроды генерируют во льду тепло с плотностью около 100 Вт/м2. Когда скользящее тело движется со скоростью около 1 см/с и на электроды поступает мощность, сила трения снижается примерно на 40%. Например, источник питания выдает на электроды ВЧ мощность в момент времени 910 (вблизи момента времени t, равного 10 с). Электроды преобразуют мощность в тепловую энергию, которая рассеивается по направлению ко льду. Скользящее тело начинает скользить в момент времени 912, т.е. примерно в момент времени t, равный 13 с. В этом варианте осуществления ВЧ мощность отключается в момент времени 911 (т.е. примерно в момент времени t, равный 28 c). Без подачи ВЧ мощности трение о лед возрастает с 4 Н до 7 Н. Последняя представляет собой фоновую силу трения о лед при отсутствии подачи мощности на скользящее тело, которое останавливается в момент времени 913 (т.е. вблизи момента времени t, равного 33 с).In FIG. 68 and 69 show experimental results in which ice friction is reduced either by applying RF power (FIG. 68) or by supplying low-energy heating pulses (FIG. 69). 68, friction force is plotted on the Y-axis, and time, in seconds, is plotted on the X-axis. For example, FIG. 68 shows the friction force (H) versus time for a sliding body when moving on ice with an external temperature T of about -5 ° C, a normal pressure of P of about 42 kPa and a sliding speed of about 1 cm / s. In this embodiment, the friction modifying system comprises a comb circuit attached to the base of the sliding body, which is adjacent to the ice. The comb circuit also contains copper electrodes having an interelectrode distance of about 75 microns. The power source delivers alternating current voltage of about 30 V RMS to the RF electrodes with a frequency of about 20 kHz. The electrodes generate heat in ice with a density of about 100 W / m 2 . When a sliding body moves at a speed of about 1 cm / s and power is supplied to the electrodes, the friction force decreases by about 40%. For example, a power source delivers power to the RF electrodes at time 910 (near a time t equal to 10 s). Electrodes convert power to thermal energy, which dissipates towards ice. The sliding body begins to slide at time 912, i.e. at about time t equal to 13 s. In this embodiment, the RF power is turned off at time 911 (i.e., approximately at time t equal to 28 s). Without applying RF power, the friction on ice increases from 4 N to 7 N. The latter is the background friction force on ice in the absence of power supply to the moving body, which stops at time 913 (i.e., near time t equal to 33 s )
Согласно этому варианту осуществления непрерывная подача ВЧ мощности повышает температуру льда, тем самым снижая силу трения без растапливания льда, и, таким образом, изменяет коэффициент трения.According to this embodiment, the continuous supply of RF power increases the temperature of the ice, thereby reducing the friction force without melting the ice, and thus changes the coefficient of friction.
На фиг.69 показана сила трения (Н) в зависимости от времени для скользящего тела, движущегося по снегу при внешней температуре Т около -10°C, нормальном давлении Р около 215 кПа и скорости v скольжения около 3 мм/с. На фиг.69 по оси Y 925 отложена сила трения, а по оси Х 926 отложено время в секундах. Согласно этому варианту осуществления система, изменяющая трение, содержит нагреватель из титановой фольги. Короткие импульсы нагрева мощности постоянного тока поступают на нагреватель в моменты времени 922 и 923, вызывая уменьшение трения о снег, в отличие от эффекта торможения, описанного в той же системе выше. Главным отличием этого варианта осуществления является импульсное торможение. Как показано на фиг.69, величины энергии нагрева недостаточно для растапливания снега. В отсутствие растопленного слоя повторного замерзания не происходит, поэтому торможение отсутствует. Тем не менее, поскольку нагреватель нагревает снег, трение снижается. В эксперименте, показанном на фиг.69, поверхность снега нагревается импульсами от -10°C до примерно -1°C. Скользящее тело испытывает быстрое увеличение трения покоя между льдом и скользящим телом в момент времени 921 (например, вблизи момента времени t, равного 31 с). Источник питания выдает на электроды импульс мощности в моменты времени 922 и 923 (время t, равное 38 с и 42 с соответственно). В этом варианте осуществления, скользящее тело останавливается в момент времени 924, когда время t равно 50 с.On Fig shows the friction force (N) as a function of time for a sliding body moving in snow at an external temperature T of about -10 ° C, a normal pressure P of about 215 kPa and a sliding speed v of about 3 mm / s. In Fig. 69, the friction force is plotted on the Y-
Согласно некоторым вариантам осуществления электроды гребенчатой схемы выполнены из твердых проводящих материалов, например нитрида титана, оксида циркония, легированных другими оксидами (например, оксидом иттрия), а также из фольги из титана и нержавеющей стали с покрытием TiN, для повышения устойчивости схемы к истиранию. Другие варианты осуществления могут предусматривать защиту электродов покрытиями из защитных пленок, например оксида алюминия.According to some embodiments, the electrodes of the comb circuit are made of solid conductive materials, for example titanium nitride, zirconium oxide doped with other oxides (for example, yttrium oxide), as well as TiN coated titanium and stainless steel foil, to increase the abrasion resistance of the circuit. Other embodiments may include protecting the electrodes with coatings of protective films, such as alumina.
Вышеприведенное описание следует рассматривать как иллюстративный материал, не предусматривающий ограничения.The above description should be considered as illustrative and not limiting.
Claims (90)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US35647602P | 2002-02-11 | 2002-02-11 | |
US60/356,476 | 2002-02-11 | ||
US39800402P | 2002-07-23 | 2002-07-23 | |
US60/398,004 | 2002-07-23 | ||
US60/404,872 | 2002-08-21 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004127250A RU2004127250A (en) | 2006-01-27 |
RU2289892C2 true RU2289892C2 (en) | 2006-12-20 |
Family
ID=36047716
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004127250/09A RU2289892C2 (en) | 2002-02-11 | 2003-02-10 | Systems and methods for thermal change of ice-to-object interface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2289892C2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7703300B2 (en) | 2004-06-22 | 2010-04-27 | The Trustees Of Dartmouth College | Pulse systems and methods for detaching ice |
RU2462801C1 (en) * | 2011-05-18 | 2012-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) | Method of protecting optical cable from freezing water in protective polymer pipe and backup thereof in case of damage |
US8405002B2 (en) | 2002-02-11 | 2013-03-26 | The Trustees Of Dartmouth College | Pulse electrothermal mold release icemaker with safety baffles for refrigerator |
US8424324B2 (en) | 2008-11-05 | 2013-04-23 | The Trustees Of Dartmouth College | Refrigerant evaporators with pulse-electrothermal defrosting |
RU2480966C2 (en) * | 2007-06-22 | 2013-04-27 | ЭРБЮС ОПЕРАСЬОН (сосьете пар аксьон семплифье) | System for eliminating ice icing or fogging of optical tool and imaging device equipped with said system |
RU2534493C2 (en) * | 2008-12-18 | 2014-11-27 | Пенни Энд Джайлз Эроспейс Лимитед | System and method for icing sensor application |
RU2540219C2 (en) * | 2013-12-03 | 2015-02-10 | Андрей Алексеевич Рязанцев | Vehicle antiskid wheel |
RU2602266C2 (en) * | 2013-11-13 | 2016-11-10 | Эрбас Дифенс Энд Спейс Гмбх | Device and method for elimination of icing and/or preventing ice formation and profile body and aircraft with said device |
RU2699814C1 (en) * | 2016-04-27 | 2019-09-11 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Node for connection of flat body with voltage source with embedded control unit |
RU2776662C1 (en) * | 2018-09-28 | 2022-07-22 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Anti-icing glass with differentiated heating power over the entire surface |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8931296B2 (en) | 2009-11-23 | 2015-01-13 | John S. Chen | System and method for energy-saving inductive heating of evaporators and other heat-exchangers |
-
2003
- 2003-02-10 RU RU2004127250/09A patent/RU2289892C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8405002B2 (en) | 2002-02-11 | 2013-03-26 | The Trustees Of Dartmouth College | Pulse electrothermal mold release icemaker with safety baffles for refrigerator |
US7703300B2 (en) | 2004-06-22 | 2010-04-27 | The Trustees Of Dartmouth College | Pulse systems and methods for detaching ice |
RU2480966C2 (en) * | 2007-06-22 | 2013-04-27 | ЭРБЮС ОПЕРАСЬОН (сосьете пар аксьон семплифье) | System for eliminating ice icing or fogging of optical tool and imaging device equipped with said system |
US8424324B2 (en) | 2008-11-05 | 2013-04-23 | The Trustees Of Dartmouth College | Refrigerant evaporators with pulse-electrothermal defrosting |
RU2534493C2 (en) * | 2008-12-18 | 2014-11-27 | Пенни Энд Джайлз Эроспейс Лимитед | System and method for icing sensor application |
US9156557B2 (en) | 2008-12-18 | 2015-10-13 | Penny & Giles Aerospace Limited | Icing sensor system and method |
RU2462801C1 (en) * | 2011-05-18 | 2012-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) | Method of protecting optical cable from freezing water in protective polymer pipe and backup thereof in case of damage |
RU2602266C2 (en) * | 2013-11-13 | 2016-11-10 | Эрбас Дифенс Энд Спейс Гмбх | Device and method for elimination of icing and/or preventing ice formation and profile body and aircraft with said device |
RU2540219C2 (en) * | 2013-12-03 | 2015-02-10 | Андрей Алексеевич Рязанцев | Vehicle antiskid wheel |
RU2699814C1 (en) * | 2016-04-27 | 2019-09-11 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Node for connection of flat body with voltage source with embedded control unit |
US10827628B2 (en) | 2016-04-27 | 2020-11-03 | Saint-Gobain Glass France | Assembly for connecting a flat body to a voltage supply with an embedded control unit |
RU2776662C1 (en) * | 2018-09-28 | 2022-07-22 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Anti-icing glass with differentiated heating power over the entire surface |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004127250A (en) | 2006-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100799779B1 (en) | Systems and methods for modifying an ice-to-object interface | |
US7883609B2 (en) | Ice modification removal and prevention | |
Petrenko et al. | Pulse electro-thermal de-icer (PETD) | |
RU2289892C2 (en) | Systems and methods for thermal change of ice-to-object interface | |
US7087876B2 (en) | High-frequency melting of interfacial ice | |
CA2570986C (en) | Pulse systems and methods for detaching ice | |
US8292230B2 (en) | Device for detecting and eliminating the presence of a layer of ice or liquid | |
IL147315A (en) | Zoned aircraft de-icing system and method | |
NO143266B (en) | PROCEDURE AND DEVICE FOR DEFINING THE SURFACE OF AN AIRCRAFT. | |
US20100059503A1 (en) | Pulse Electrothermal Deicing Of Complex Shapes | |
UA79108C2 (en) | Systems and methods for thermally modifying an ice-to-object interface | |
US10358224B2 (en) | Pulsed electrothermal ice protection systems with coated heating substrates | |
WO2003062056A1 (en) | Ice modification, removal and prevention priority | |
US20110259880A1 (en) | Mechanical scraper system with synchronized pulse electrothermal deicing | |
CA2375544C (en) | Aircraft de-icing system | |
Gerardi et al. | Wind tunnel test results for a shape memory alloy based de-icing system for aircraft | |
Solecki et al. | Design and Testing of an Efficient and Rapid Electro-Thermal Pulsed Interfacial De-Icing Framework for Electrified Aircraft | |
CN116280213A (en) | Wing thermal coupling deicing device and method | |
Eisméizi | Ami |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130211 |