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 PDF

Info

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
Application number
RU2004127250/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004127250A (en
Inventor
Виктор ПЕТРЕНКО (US)
Виктор Петренко
Original Assignee
Дзе Трастриз Оф Дартмут Колледж
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дзе Трастриз Оф Дартмут Колледж filed Critical Дзе Трастриз Оф Дартмут Колледж
Publication of RU2004127250A publication Critical patent/RU2004127250A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2289892C2 publication Critical patent/RU2289892C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Abstract

FIELD: deicing systems and methods.
SUBSTANCE: proposed system has power supply capable of definite-value power generation. Power generated is sufficient for melting ice crust at interface, boundary layer thickness being usually from one micron to one millimeter. Controller can be used for limiting time of definite power generation by power supply to limit unwanted power dissipation into environment. Varying heating energy pulse arriving at interface changes object-to-ice friction.
EFFECT: facilitated deicing procedure.
87 cl, 69 dwg

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 pulse de-icing system 10 for changing the interface 15 between the object 16 and the ice 11. The system 10 contains a power source 12, a controller 14 and a heating element 13. The power source 12 is capable of generating power, the magnitude of which is inversely proportional to the amount of energy used to melt boundary ice (hereinafter referred to as “boundary ice”) at the 15th interface. The heating element 13 is connected to a power source 12 to convert power to heat at the interface 15. The controller 14 is connected to a power source 12 to limit the time during which the heating element 13 converts power to heat. The time during which the heating element 13 converts the power into heat at the interface 15 is essentially inversely proportional to the square of the power value.

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)

Figure 00000002
(0-3)
Figure 00000002
(0-3)

Figure 00000003
(0-4)
Figure 00000003
(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:

Figure 00000004
(0-5)
Figure 00000004
(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:

Figure 00000005
(1-1)
Figure 00000005
(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 interface 15 is substantially inversely proportional to the amount of power. In this example, the controller 14 adjusts the amount of power according to the following relationship:

Figure 00000006
(1-2)
Figure 00000006
(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:

Figure 00000007
Figure 00000007

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.System 10 can, for example, be used in a car to remove ice 11 from the windshield (as object 16). In this example, the heating element 13 is transparent and integrated into the windshield 16, and the power supply 12 and the controller 14 work together to supply enough power to melt the boundary ice at the interface 15 in accordance with ur. 1-1 and 1-2.

Чтобы дальше проиллюстрировать работу системы 10, рассмотрим свойства льда:To further illustrate the operation of system 10, consider the properties of ice:

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.

Figure 00000008
(Ур. 1-7)Q = 100 kW / m 2. 0.158 s = 15.8 kJ / m 2 .
Figure 00000008
(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.

Figure 00000009
(Ур. 1-8)Q = 144 kJ / m 2 .
Figure 00000009
(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 interface 15, the flow of thermal energy into the environment and into the ice mass 11 is limited. On the contrary, due to shorter power pulses, more energy remains within the interface 15 to melt the boundary ice.

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 pulsed de-icing system 20 according to another embodiment of the invention. The de-icing system 20 includes a direct current power supply 22, a capacitor 26, a resistive heating element 28 and a switch 24. A direct current power supply 22 is capable of supplying power to charge the capacitor when the switch 24 is closed to terminal 23. The capacitor 26, being connected to the resistive heating element 28 through contact 25, is capable of delivering a certain power in accordance with the equations of FIG. 1. The switch 24 is, for example, under the operational control of a controller or microprocessor to issue a current pulse from the capacitor 26 to the resistive heating element 28, when the switch 24 is closed to terminal 25 (Eq. 1-1 of FIG. 1). DC power supply 22 charges capacitor 26 when switch 24 is closed to terminal 23. After charging capacitor 26, switch 24 opens and then closes to terminal 25 to discharge current to resistive heating element 28. Resistive heating element 28 generates sufficient heating power to melt boundary layer of ice at the boundary of the object, for example at the border 15 (figure 1). Depending on the application of the pulsed de-icing system 20, boundary layer heating is useful for removing ice from the surface of an object, preventing its formation on the surface and / or changing its adhesion strength and / or changing the coefficient of friction between ice or snow and the object.

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 pulsed de-icing system 30 according to another embodiment. The pulse de-icing system 30 comprises a pair of power lines 32, a heating element 34, a capacitor 38, a switch 36, and a power source 37. Pulse de-icing system 30 is capable of removing ice adjacent to element 34 (for example, element 34 is located at, in and / or at the site from which ice is to be removed). In the embodiment shown in FIG. 3, the capacitor 38 is a supercapacitor having a capacitance of about 1000 F. and a potential of about 2.5 V, for example, a Maxwell Technology PC2500 supercapacitor. In addition, the heating element 34 includes a 50 μm thick stainless steel foil sheet attached to a 1 cm thick Plexiglas plate, and the power supply 37 is a DC power supply with a 2.5 V EMF. Switch 36 may act as a high current mechanical switch to limit the time during which the power supply 37 supplies power to the heating element 34. In some cases, the switch 36 acts as an electrical switch receiving a control signal from the counter Weller, such as controller 14 (Figure 1). The resistance of the heating element 34 is about 6 mΩ. With an initial power density of about 40 kW / m 2 , a total stored energy of about 3.125 kJ and a total energy density of about 83.33 kJ / m 2, the pulsed de-icing system 30 effectively removes about 2 cm of ice on a surface area of about 375 cm 2 in about one second at an ambient temperature of about -10 ° C using an energy density of about 40 kJ / m 2 .

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 pulse de-icing system 30, the capacitor 38 is a car battery, for example, EverStart®; a car battery with a peak current of about 1000 A and a potential of about 12 V. In addition, according to this embodiment, the heating element 34 comprises a 100 μm thick stainless steel foil sheet attached to a 1 cm thick Plexiglas plate. The switch 36 may be, for example relay. With an initial power density of about 25 kW / m 2, the pulse de-icing system 30 effectively removes about 2 cm of ice on a surface area of about 375 cm 2 in about two seconds at an ambient temperature of about -10 ° C using an energy density of about 50 kJ / m 2 . According to another embodiment, the power supply 37 is a 2.5 V DC power supply that charges the capacitor 38.

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 pulsed de-icing system 40 in accordance with yet another embodiment of the invention. The de-icing system 40 includes a direct current power supply 42, a capacitor 45, a resistance heating element 46, a direct current converter 44 and a switch 48. A direct current power source 42 is capable of supplying power through the direct current converter 44 to charge the capacitor 45 when the switch 48 is closed to terminal 41. The DC / DC converter 44 is capable of increasing the voltage provided by the DC power source 42. The capacitor 45 is connected to the resistive heating element 46 through contact 43 and is capable of delivering some power in accordance with the equations of FIG. 1. The switch 48 is, for example, under the operational control of a controller or microprocessor to provide a current pulse from the capacitor 45 to the resistive heating element 46 when the switch 48 is closed to contact 43 (Eq. 1-1 of FIG. 1). DC power supply 42 charges capacitor 45 when switch 48 is closed to terminal 43. After charging capacitor 45, switch 48 opens and then closes to terminal 43 to discharge current to resistive heating element 46. Resistive heating element 46 generates sufficient heating power to melt boundary layer of ice. Depending on the application of the pulse anti-icing system 40, melting of the boundary layer is useful for removing ice from the surface of the object, preventing its formation on the surface and / or changing the strength of its adhesion and / or changing the coefficient of friction between the ice and the object. Pulse de-icing system 40 is also useful when large power supplies are unavailable or when objects have a small area of contact with snow, for example, for a boot (for example, boot 684, FIG. 61). According to one embodiment, the pulse de-icing system 40 is used as a “pulse brake”, described in detail below.

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 pulse de-icing system 50 according to another embodiment of the invention. Pulse de-icing system 50 is able to remove ice from the object and contains de-icer 62, a pair of power bus 64, a thermocouple 63, a thermocouple block 52, an amplifier 54, a battery 58, a relay 59, a capacitor 61, a semiconductor relay (PPR) 60 and a computer system 57. The de-icer 62 is connected to power buses 64 for receiving power from battery 58. Computer system 57 is connected to de-icer 62 through thermocouple unit 52 and an amplifier 54 for receiving temperature information about de-icer 62 through thermocouple 63. Computer system 57 may include a board 55 of an analog-to-digital converter (ADC), capable of receiving temperature information in analog form and converting analog temperature information to digital format for use by computer system 57, which is connected to defroster 62 through PPR 60 to control the duration and amount of power supplied to the defroster 62, for example, in accordance with the equations of FIG. The computer system 57 operatively controls the PPR 60 and the relay 59 to supply power from the battery 58 to the defroster 62.

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 SPR 60 can be replaced by an electromagnet 67 and a switch 66. The computer system 57 may further include a transistor-transistor logic (TTL) unit 56 for supplying control information to the SPR 60, so that when the electromagnet 68 receives a step input signal from the TTL module 56, The electromagnet 68 closes the switch 65. When the switch 65 is closed, the capacitor 61 is discharged into the electromagnet 67 to close the switch 66. When the switch 66 is closed, the battery 58 supplies power to the defroster 62. The computer system 57 is turned off it receives power from the defroster 62 when the temperature rises to a certain level, which is determined by thermocouple 63. Computer system 57 receives temperature information from thermocouple 63 through thermocouple unit 52 and amplifier 54. Thermocouple unit 52 transmits temperature information to computer system 57. Amplifier 54 amplifies the temperature information, after which the 55 A / D converter board digitizes the temperature information for the computer system 57. When the temperature of the defroster 62 reaches a certain level, then In order to melt the boundary layer of ice, the computer system 57 instructs the TTL unit 56 to open the switch 65 by means of the electromagnet 68. Since the switch 65 opens when the computer system determines that the power supply should be disconnected from the defroster 62, the capacitor 61 discharges and the switch 66 opens because Solenoid 67 no longer receives voltage. When this electromagnet 67 begins to charge the capacitor 61.

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 defroster 62 is made of stainless steel with a thickness of 50 μm and attached to the front edge of the small aerodynamic surface (for example, the front open portion of the wing of the aircraft). According to this embodiment, the aerodynamic surface has a span of about 20 cm and a thickness of about 5 cm, and defroster 62 has dimensions of about 20 cm x 10 cm.

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.System 50 was tested as follows. Defroster 62 was formed on the aerodynamic surface and placed in an icy wind tunnel, it was tested at an air speed of about 142 km / h at -10 ° C with water droplets about 20 microns in size. Atmospheric ice formed on the aerodynamic surface. After the growth of ice with a thickness of 5 mm to 10 mm, the computer system 57 ordered the battery 58 to supply power to the defroster 62 in the form of pulses, as shown in Fig.5. With a power density W of about 100 W / m 2 and a pulse duration t of power of about 0.3 seconds, de-icer 62 melts the boundary layer of ice on the aerodynamic surface, as a result of which the adhesion of ice to the aerodynamic surface changes significantly and / or disappears. After that, the ice is removed from the aerodynamic surface by the drag force of the air. The pulse duration in this example is longer than in the example of the windshield, due to the greater heat capacity of the metal foil heater.

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 pulse de-icing system 70 for an airplane wing 80 in accordance with one embodiment. The pulse de-icing system 70 comprises a power supply 74 and a controller 78. The power supply 74 is capable of generating power, the magnitude of which is substantially inversely proportional to the amount of energy used to melt the boundary layer of ice at the interface 73. It is shown that the boundary 73 of the section is the surface of the wing 80 of the aircraft in contact with ice and / or snow. Pulse de-icing system 70 also includes a heating element 75 connected to a power source 74 to convert power to heat at the interface 73. System 70 includes a controller 78 connected to a power source 74 to limit the time during which the heating element 75 converts power to heat. The duration of the power supply, for example, is inversely proportional to the square of the power value.

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.System 70 also includes an ice detector 72 and a temperature sensor 76. A temperature sensor 76 is attached to the interface 73 to record a temperature at the interface 73. The temperature sensor 76 provides temperature information about the interface 73 in the form of a feedback signal to the controller 78. The controller 78 processes the temperature information to control the mode of power supply to the heating element 75 and / or the interface 73.

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 ice detector 72 is capable of detecting ice thickness at a interface 73. The ice detector 72 may, for example, include an electrode grid that facilitates the measurement of ice thickness. Since ice has a unique dielectric constant different from the dielectric constants of water and air, the presence and thickness of ice can be determined by measuring the interelectrode capacitance of the ice detector 72. The ice detector 72 transmits ice information (eg, the presence and thickness of ice) to the controller 78. The controller 78 processes the information to determine when to apply power to the heating element 75. According to one embodiment, when the ice on the wing 80 of the aircraft reaches a certain thickness , the controller 78 automatically determines the need for ice removal and promptly instructs the power supply 74 to supply power to the heating element 75.

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 system 70 is described below. Consider an anti-icer environment in which the external temperature T is about -10 ° C, the air speed is about 320 km / h and the wing thickness of the aircraft 80 is about 10 cm, with a convective heat transfer coefficient h to about 1200 W / K. m 2 (based on experimental data).

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 airplane 80 to maintain a temperature T t on the wing surface of an airplane 80 above the freezing point of water (for example, 0 ° C) according to the following equation:

W = hк(Tт-T) = 12 кВт/м2.

Figure 00000010
(Ур. 6-1)W = h k (T t -T) = 12 kW / m 2 .
Figure 00000010
(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.

Figure 00000011
(Ур. 6-2)W = 12 . 10 3 W / m 2. 180 s = 432 kJ / m 2 .
Figure 00000011
(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:Pulse de-icing system 70 differs from the known de-icing system in that it melts the boundary layer of ice at the interface, and not all of the ice. Pulse de-icing system 70 cleans the aerodynamic surface of ice using only 30 kJ / m 2 . With a three-minute interval between pulses, the pulse anti-icing system 70 consumes a very low “average” power:

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 pulse de-icing system 70 provides energy pulses to the heating element 75 according to the equations of FIG. 1. The heating element 75 may include a grid of electrodes for melting the boundary layer of ice at the interface 73 of the section. When the ice thickness reaches a predetermined predetermined value (for example, 3 mm), the controller 78 instructs the power supply 74 to apply a short power pulse to the heating element 75. The pulse duration depends on the temperature supplied by the temperature sensor 76, the power supplied by the power supply 74, and physical the properties of the substrate material (for example, the wing surface 80 of the aircraft and / or the heating element 75). For example, the pulse width of the supplied power can be expressed by Ur. 1-1 of Fig. 1.

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 pulse de-icing system 70, a second sensor (not shown) is used near the heating element 75 to improve power control. For example, when the boundary temperature reaches a certain value when applying pulsed power, the controller 78 may instruct the power supply 74 to disconnect the power from the heating element 75 and, thus, reduce power consumption.

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 wing 80 of the aircraft, facing forward, to be supported unfrozen (for example, a dividing strip), the average power expressed in Ur can increase. 6-3. Other heaters can be used in the pulsed de-icer system 70, for example, a heater using hot air taken from a compressor, which is available in many aircraft.

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 multilayer structure 90 of an anti-icer heating element for removing ice from structure 92, for example, by supplying power in accordance with the equations of FIG. 1. The multilayer structure 90 comprises an electrical and substrate heat insulator 94, an electrically conductive layer 96 and a protective layer 98. The layer 96 receives power and converts it into heat to remove ice from the structure 92 and / or to prevent its formation. Layer 96 is one of the various heating elements described herein. According to one embodiment, the multilayer structure 90 comprises a plurality of individual components attached to the structure 92 to form “cells” in which ice can be individually removed (for example, to remove cell by cell or site by site).

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 multilayer structure 90 is from 10 kW / m 2 to 100 kW / m 2 . Accordingly, to supply such power, you need to select a power source with a capacity of from about 10 kJ / m 2 to 100 kJ / m 2 depending on the required ice removal time and external temperature. Some power supplies with these characteristics are chemical batteries, supercapacitors, ultracapacitors, electrolytic capacitors, flywheels associated with generators, DC / DC converters and inverters, and combinations thereof.

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 multilayer structure 90 in pulsed de-icing systems.

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 layer 96 include thin metal foils, for example stainless steel foil, titanium foil, copper foil, and aluminum foil. Metal sputtering, alloys, conductive metal oxides, conductive fibers (e.g. carbon fibers), and conductive paints can also be used. Typical layer thickness 96 may be from about 50 nm to about 100 microns; however, other ranges can be used, for example, from 10 nm to 1 mm.

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 protective layer 98 is able to protect the layer 96 from the adverse environment. For example, layer 98 protects layer 96 from abrasion, erosion, high-speed impacts and / or scratches. The protective layer 98 may be either dielectric or conductive and superimposed directly on the layer 96. For example, the layer 96 may have a relatively high thermal conductivity and a relatively high mechanical strength. Some examples of materials that can be used as the protective layer 98 include TiN, TiCN, tungsten carbide, WC, Al 2 O 3 , SiO 2 , Cr, Ni, CrNi, TiO 2 and AlTiO. The protective layer 98 can be applied to the layer 96 by spraying, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PPO) and / or sol-gel methods (for example, using a colloidal suspension of particles of silicon oxide, which gels with the formation solid body). Spraying, as is known to those skilled in the art, may include placing the substrate in a vacuum chamber. The plasma generated by a passive gaseous source (for example, argon) generates an ion bombardment directed at the target on the substrate, which leads to "spraying" of the substrate material. The sprayed material is deposited on the walls of the chamber and on the substrate. CPO and FPO methods are known to those skilled in the art.

Поскольку энергопотребление импульсных антиобледенителей может зависеть от свойств подложки (например,

Figure 00000012
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.
Figure 00000012
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 substrate heat insulator 94 may have a thickness of about 100 nm to 1 mm, but usually about 0.1 mm to 20 mm.

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 anti-icer heating element 100 according to an embodiment of the invention. The heating element 100 is able to melt the boundary layer of ice on the object, receiving energy pulses, for example, according to the equations of figure 1. For example, power can be supplied to the heating element 100 to terminals 101 and 102, which allows the heating element 100 to melt the boundary layer of ice. The power source may supply power to the heating element 100 to melt the boundary layer of ice. Depending on the application of the heating element 100, melting of the boundary layer of ice may be useful for removing ice from the surface of the object, preventing its formation on the surface and / or for changing the adhesion strength and changing the friction coefficient between the ice and the object. Element 100 can be placed, for example, on, in or near the surface of an object to be cleared of ice.

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 pulsed de-icer 120. Ice 124 adheres to the heat-conducting substrate 126, forming an ice-object interface 122. The heating element is located at the interface 122 (for example, in the substrate 126) to facilitate the supply of energy pulses to the interface 122. Substrate 126 represents, for example, an airplane wing, a windshield, a window, an outside mirror, a car headlight, a wind turbine rotor, a building, a road structure, a bridge, a refrigerator, an antenna, a communication mast, a train, a railway track, a tunnel, a traffic sign, a power line , cable, cable car structure or cable car cable.

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 ice 124 and substrate 126, under temperature pressure T at the ice-object interface 122. The X-axis 123 shows the distance at right angles to the interface 122 (Fig. 9); and temperature T is plotted on the Y-axis 125. Each t 1 or t 2 curve expresses the time for the distance that heat propagates into the heat-conducting substrate 126 and ice 124 on both sides of the interface 122. It is shown that the peak of each curve t 1 and t 2 corresponds to the melting point 127 on the Y axis 125, i.e. temperature sufficient to melt the boundary layer of ice at interface 122.

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 interface 122, it is preferable to supply such pulsed energy in accordance with t 1 to provide a higher energy flux density, but, in general, less power compared to t 2 .

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 interface 122, heats the thinner boundary layers of ice. By adjusting the duration of the heating power, it is possible to better focus on the interface 122, where necessary. The time t and the energy Q supplied to the interface for heating the boundary layer of ice 124 from the ambient temperature T to the melting point 127 satisfy the equations considered in connection with FIG. According to the equations of FIG. 1, removing ice with the device 120 can save energy. In addition, the time t between the heating pulses can be adjusted in accordance with the ice rise rate and the permissible ice thickness. For example, when the ice thickness on the wing of the aircraft reaches about 3 mm, the feedback mechanism allows the device 120 to remove ice 124 as discussed in connection with Fig.6.

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 axis Y 132, and the density of the flow of heating energy W is plotted along the axis X 133; time is expressed in seconds, and energy is in kilojoules / m 2 .

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 anti-icing system 140 according to one embodiment. The RF anti-icing system 140 comprises a bifilar coil 141 mounted on a dielectric substrate 142. Ice and / or snow 143 adhered to the surface 144 of the dielectric substrate 142. The coil 141 may be coated with a dielectric layer to prevent mechanical damage and environmental influences and / or to prevent electrical air breakdown. The turns of the coil 141 are spaced on the dielectric substrate 142 by a distance D. When power is applied to the coil 142, for example, in accordance with the equations of FIG. 1, the RF defrosting system 140 breaks or changes the adhesion of ice and / or snow 143 to the surface 144. Now we describe the illustrative operational characteristics of the RF anti-icing system 140.

Обычный лед имеет емкость на квадратный метр:Normal ice has a capacity per square meter:

Figure 00000013
(Ур. 12-1)
Figure 00000013
(Lv. 12-1)

и ВЧ проводимость на квадратный метрand RF conductivity per square meter

Figure 00000014
(Ур. 12-2)
Figure 00000014
(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

Figure 00000015
(Ур. 12-6)
Figure 00000015
(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 anti-icing system 140 is heuristically determined by applying “safe” voltages according to the following equation:

Figure 00000016
(Ур. 12-7)
Figure 00000016
(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 coil 141 and a safe voltage of 600 volts SCZ is applied to it, then the ice removal time of the RF anti-icing system 140 is heuristically determined to be about thirteen seconds to melt the boundary layer of ice 143 on surface 144 at an external temperature of -30 ° C. Other ice removal times are heuristically determined to be about 4.3 seconds at an external temperature of -20 ° C and about 1.2 seconds at an external temperature of -10 ° C.

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 ice 143 from surface 144 approximately every three minutes, the approximate average ice removal capacities can be determined as follows:

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 anti-icing system 140 at -30 ° C (for example, 4.1 kW / m 2 ) is only about 10% of the power density developed by the known direct current heater.

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 anti-icing system 150. The RF anti-icing system 150 comprises a plurality of electrodes 154 mounted on a dielectric substrate 152 in the form of a comb electronic circuit. The RF anti-icing system 150 removes ice 151 from surface 156 by supplying electrical power to the electrodes 154 from the RF AC power source 155. The RF anti-icing system 150 has anti-icing characteristics in which the heating power density essentially depends on the dimensions a and b, where a is the distance between the electrodes 154 and b is the width of the electrode. In one embodiment, electrodes 154 are woven into a mesh.

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 electrodes 154, electric power lines 153 coming from the electrodes 154. In the RF anti-icing system 150, the conductivity G of the circuit is proportional to the capacitance C of the circuit per square meter due to electric field lines 153 above the dielectric substrate 152. For example,

Figure 00000017
(Ур. 13-1)
Figure 00000017
(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

Figure 00000018
(Ур. 13-2)
Figure 00000018
(Lv. 13-2)

где

Figure 00000019
равно а плюс b, также именуемое как период структуры. Среднее электрическое поле Е равноWhere
Figure 00000019
equal to a plus b, also referred to as the period of the structure. The average electric field E is equal to

E ≈ V/

Figure 00000019
, (Ур.13-3)E ≈ V /
Figure 00000019
, (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 anti-icing system 150. Accordingly, the heating power W per cubic meter is

Figure 00000020
(Ур. 13-4)
Figure 00000020
(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 anti-icing system 150 to the maximum possible electric field E max (for example, breakdown field), then W max satisfy the equation

Wmax ∝ σ.l. E max2. (Ур. 13-5)W max ∝ σ . l . E max 2 . (Lv. 13-5)

Поэтому согласно этому варианту осуществления Wmax возрастает линейно с ростом

Figure 00000019
. Кроме того, объемная плотность
Figure 00000021
для Wmax не зависит от
Figure 00000019
, посколькуTherefore, according to this embodiment, W max increases linearly with growth
Figure 00000019
. In addition, bulk density
Figure 00000021
for W max is independent of
Figure 00000019
, insofar as

Figure 00000022
(Ур. 13-6)
Figure 00000022
(Lv. 13-6)

Поэтому, чтобы поддерживать постоянную W, Е уменьшают с ростом

Figure 00000019
. 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
Figure 00000019
. 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 anti-icing system 150 operated at -12 ° C with various heating powers and voltages and with electrodes having dimensions a = b = 75 μm (for example, when coated with a polyimide film 5 μm thick, for example, Kapton Kapton polyimide) . The following results were obtained:

Figure 00000023
(Ур. 13-7)
Figure 00000023
(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

Figure 00000024
(Ур. 13-7)
Figure 00000024
(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

Figure 00000019
.One advantage of the RF anti-icing system 150 is that its circuit can be fabricated without the use of photolithography, even on curved surfaces. The electric field strength can also decrease at a rate substantially equal to the growth
Figure 00000019
.

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

Figure 00000019
определяется улучшенное отношение a/b.On Fig shows the analysis of the RF anti-icing system 140 depicted in Fig.13. In this analysis, for
Figure 00000019
An improved a / b ratio is determined.

Например,For example,

Figure 00000025
(Ур. 14-1)
Figure 00000025
(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:

Figure 00000026
(Ур. 14-2)
Figure 00000026
(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:

Figure 00000027
(Ур. 14-3)
Figure 00000027
(Lv. 14-3)

Figure 00000028
(Ур. 14-4)
Figure 00000028
(Lv. 14-4)

где 0 ≤ a ≤ 1. Согласно диаграмме на фиг.14, когда Е поддерживается постоянной, максимальная мощность Wmax нагрева достигает точки 159, где

Figure 00000029
(например, приближение a ≈ b сравнительно хорошо, поскольку
Figure 00000019
= a + b). Мощность W нагрева, когда a = b = 0,5
Figure 00000019
, 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 point 159, where
Figure 00000029
(for example, the approximation a ≈ b is relatively good, since
Figure 00000019
= a + b). Heating power W when a = b = 0.5
Figure 00000019
, equal to approximately 97% of the maximum heating power W max . The diagram in FIG. 14 also illustrates the relationships of 10% and 90% at the corresponding points 157 and 158, where the heating power W is equal to 17% and 43% of the maximum heating power W max . On the contrary, when constant voltage is maintained, an increase in heating power is achieved by increasing the width of the electrodes, for example, size "b".

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 layer 172”) of the thick aluminum foil 171. The hard anodized aluminum foil 171/172 is attached to the polymer substrate 174 using adhesive 173 (view 161). By attaching the hard-anodized aluminum foil 171/172 to the polymer substrate 174, electrodes are formed by etching and / or lithography of the aluminum foil 171 from the general structure (view 162), for example, lithographed edges 175). After that, the structure is bent or adjusted to the desired shape, depending on the choice of design. The remaining open side of the aluminum foil 171 is rigidly anodized to encapsulate the formed electrodes and to seal cracks in the hard anodized layer 172 that occur during bending, as shown in view 163.

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 comb circuit 180 according to one embodiment. The comb circuit 180 comprises a copper anode 181, a comb electrode 182, a copper cathode 183, and a kapton substrate 184. A comb circuit may be formed similar to that shown in FIG. View 185 is a top view. According to view 186, the pitch of the comb circuit 180 defines the distal gap between the electrodes of the comb electrode 182. The pitch of the comb circuit 180 may also determine the distal gap between the electrodes of the copper anode 181. The shift of the comb circuit 180 defines the gap between the electrodes of the comb electrode 182 and the electrodes of the copper anode 181. The width of the comb circuit 180 determines the size of the width of the electrodes of the anode 181. The width of the comb circuit 180 can also determine the size of the width of the electrodes of the comb electrode 182.

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 ridge circuit 180 can be used to change the friction between the object and the ice and / or snow by applying electrical voltage to the ridge electrode 182. For example, direct current can be supplied to the ridge electrode 182 according to the equations of FIG. 1. In another example, alternating current can be supplied to comb electrode 182.

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 ridge pattern 180 changes the coefficient of friction of the interface between the surface of the object and ice in combination with the natural change in friction between the object and ice or snow with temperature. For example, a “sliding body” steel object slides on ice at a speed of 3.14 m / s, the friction coefficient of a sliding body on ice drops from 0.025 at -15 ° C to 0.01 at -1 ° C. To increase the temperature of the ice in direct contact with the sliding body, the comb circuit 180 can either directly heat the ice using RF electric fields, or heat the surface of the sliding body.

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.Ridge circuit 180 may be mounted on the surface of a sliding body, which is usually in contact with ice and snow. To heat the surface of the sliding body, a voltage of direct or alternating current can be supplied to the comb circuit 180. For example, by supplying electric power to the surface of a sliding body in accordance with the equations (FIG. 1), it is possible to heat ice and / or the surface and change the coefficient of friction between the surface of the sliding body and ice.

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 comb circuit 180 to directly heat the ice. When RF power arrives at the electrodes of the comb circuit 180, electric field lines, for example, electric field lines 153 (Fig. 15), penetrate the boundary layer of ice and generate heat in ice in the amount of

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 comb circuit 180. Accordingly, the heating power W n satisfies the equation

Figure 00000030
(Ур. 16-2)
Figure 00000030
(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

Figure 00000031
. (Ур. 16-3)
Figure 00000031
. (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

Figure 00000032
. (Ур. 16-4)
Figure 00000032
. (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.Eпр2. (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 =

Figure 00000019
р.a.v.ρ.C.ΔT, (Ур. 16-7)W speed =
Figure 00000019
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

Figure 00000033
, (Ур. 16-8)
Figure 00000033
, (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

Figure 00000034
, (Ур. 16-9)
Figure 00000034
, (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

Figure 00000035
, (Ур. 16-10)
Figure 00000035
, (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:

Figure 00000036
. (Ур. 16-11)
Figure 00000036
. (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 ridge pattern 180 can be used to change the coefficient of friction between skis and snow. Let's say the skis move at a speed of v = 10 m / s. The snow density ρ is

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:

Figure 00000037
(Ур. 16-16)
Figure 00000037
(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-axis 193, and frequency is plotted along X-axis 194. Diagram 190 also shows the RF heating power for comb designs, such as comb designs 180 (FIG. 16).

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:

Figure 00000038
(Ур. 17-2)
Figure 00000038
(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 curve 191, electrical conductivity increases with increasing frequency, and in accordance with curve 192, electrical conductivity decreases with increasing frequency. Accordingly, curves 191 and 192 illustrate various methods for changing the electrical conductivity of the ice-object interface by adjusting the frequency of the RF heating power.

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 illustrative circuit 200, characterizing the RF deicer according to one variant of implementation. The circuit 200 includes an AC power source 201, a capacitor 203, a capacitor 204, a resistor 202 and a resistor 205. The resistor 202 is connected to a power source 201 and a capacitor 203 and has a resistance R ext expressing the internal resistance of the power source 201. The resistor 205 is connected in parallel with the capacitor 204 and has a resistance R l expressing the resistance of the ice. The capacitor 204 has a capacity C l expressing the capacity of the ice layer. The capacitor 203 is connected to the resistor 205 and the capacitor 204 and has a capacitance C d expressing the capacity of the protective dielectric layer on the anti-icing electrodes, for example, coil 141 (Fig. 12). Circuit 200 is a circuit diagram for modeling and analysis of some de-icing systems.

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 circuit 200 according to one embodiment, in which the circuit 200 has a dielectric layer surrounding the electrodes (for example, a circuit such as a comb circuit 180, Fig. 16, with a dielectric layer surrounding electrodes). In this environment, circuit 200 can be characterized using Table 19-1:

Таблица 19-1Table 19-1 ε0 = 8,85.1012 ε 0 = 8.85 . 10 12 f = 10, 100.. 1.105 f = 10, 100 .. 1 . May 10 ω(f) = 2πf ω (f) = 2πf T = 243, 244.. 273 T = 243, 244 .. 273

Figure 00000039
Figure 00000039
εs(T) = 25047/Tε s (T) = 25047 / T εinf= 3,2ε inf = 3,2
Figure 00000040
Figure 00000040
σ0 =10-8 σ 0 = 10 -8
Figure 00000041
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000042
d= 10-7, 2.10-7..3.10-5 d = 10 -7 , 2 . 10 -7 ..3 . 10 -5 εд =9,9 ε d = 9.9
Figure 00000043
Figure 00000043
Figure 00000019
= 2,5.10-4
Figure 00000019
= 2.5 . 10 -4
V = 500V = 500 Rвн =0R int = 0
Figure 00000044
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000046
Figure 00000047
Figure 00000047
Figure 00000048
Figure 00000048
Pл(f,T,d)= V.Re(I(f,T,d))P L (f, T, d) = V. Re (I (f, T, d)) εв= 80ε in = 80 σв =5.10-4 σ in = 5 . 10 -4
Figure 00000049
Figure 00000049
Figure 00000050
Figure 00000050
Figure 00000051
Figure 00000051
Figure 00000052
Figure 00000052
Figure 00000053
Figure 00000053
Pв(f,d)= V.Re(Iв(f,d)) A P (f, d) = V. Re (I in (f, d))

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-axis 213, and the thickness of the dielectric coating in meters is plotted on the X-axis 212. According to this embodiment, the coating is an alumina coating. The frequency of the AC power is about 2 kHz at a voltage of about 500 volts RMS. With a coating thickness of about 25 μm, the heating power for water and ice is approximately the same.

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-axis 223, and the frequency in Hz is plotted along the X-axis 222. At a frequency of about 20 kHz, the heating powers for water and ice are equal. This is useful for matching heating capacities for water and ice to avoid cold or hot patches on the defroster where the ice is melting.

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-axis 231, and the temperature in ° K is plotted along the X-axis 232. Accordingly, the dielectric coating on the electrodes of the RF anti-icer can be used to adjust the performance of the anti-icer.

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 Y 241 axis, and the velocity v is plotted along the X 242 axis. FIG. 22 may assist in determining RF power to remove ice and / or prevent ice formation on a flat windshield. The size of the windshield is 0.5 m in the described embodiment, the circuit 200 acts as an RF anti-icer in the ice removal mode and in the mode of preventing ice formation on the windshield. Table 19-2 shows the MathCad file used to calculate the convective heat transfer coefficient for a car windshield:

Таблица 19-2Table 19-2 v = 1, 1,1.. 30 v = 1, 1,1 .. 30 L = 0,1, 0,2.. 1L = 0.1, 0.2 .. 1 Retr = 105 Re tr = 10 5 ν=1,42.10-5 ν = 1.42 . 10 -5

Figure 00000054
Figure 00000054
k = 0,0235k = 0,0235 Pr= 0,69Pr = 0.69 ReL (20, 0,5) = 7,042×105 Re L (20, 0.5) = 7.042 × 10 5
Figure 00000055
Figure 00000055

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 Y axis 253, and the temperature T is plotted along the X 254 axis. The minimum heating power W min to maintain the outer surface of the windshield at a temperature of about 1 ° C is shown in Table 19 -3 (MathCad file):

Таблица 19-3Table 19-3 S=0, 0,1.. 2 S = 0, 0.1 .. 2 T= 0, -1.. -30T = 0, -1 .. -30 Wmin(v,L,T,S)= h(v,L).S.(1-T), где S - площадь ветрового стекла.W min (v, L, T, S) = h (v, L) . S. (1-T), where S is the area of the windshield.

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 v using circuit 200.

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 circuit 200 has a dielectric layer covering the electrodes (for example, a comb circuit 180 (Fig. 16) with a dielectric layer covering the electrodes). In this embodiment, the circuit 200 can be characterized using Table 24-1 (MathCad file):

Таблица 24-1Table 24-1 ε0 = 8,85.10-12 ε 0 = 8.85 . 10 -12 f = 10, 100.. 1.105 f = 10, 100 .. 1 . May 10 ω(f) = 2πf ω (f) = 2πf T = 243, 244.. 273T = 243, 244 .. 273

Figure 00000056
Figure 00000056
εs(T)= 25047/Tε s (T) = 25047 / T εinf= 3,2 ε inf = 3,2
Figure 00000057
Figure 00000057
σ0= 10-8 σ 0 = 10 -8
Figure 00000058
Figure 00000058
Figure 00000059
Figure 00000059
d= 10-7, 2.10-7.. 3.10-5 d = 10 -7 , 2 . 10 -7 .. 3 . 10 -5 εд = 9,9ε d = 9.9
Figure 00000060
Figure 00000060
l= 2,5.10-4 l = 2.5 . 10 -4 V = 500V = 500 Rвн = 0R int = 0
Figure 00000061
Figure 00000061
Figure 00000062
Figure 00000062
Figure 00000063
Figure 00000063
Figure 00000064
Figure 00000064
Figure 00000065
Figure 00000065
Pл(f,T,d)= V.Re(I(f,T,d))P L (f, T, d) = V. Re (I (f, T, d)) εв=80ε in = 80 σв = 5.10-4 σ in = 5 . 10 -4
Figure 00000066
Figure 00000066
Figure 00000067
Figure 00000067
Figure 00000068
Figure 00000068
Figure 00000069
Figure 00000069
Figure 00000070
Figure 00000070
Pв(f,d):= V.Re(Iв(f,d)) A P (f, d): = V . Re (I in (f, d))

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 (graphs 260, 271, 280 corresponding to Fig. 24, 25 and 26) at -10 ° C, which differ in the thickness of the dielectric layer: 10 -5 m (Fig. 24), 10 -6 m (Fig. 25), 2 . 10 -5 m (Fig. 26). The heating power shown in FIG. 24, 25 and 26, depends on the frequency of the AC power. As the frequency increases, the amount of supplied power used to melt the boundary layer of ice is leveled. The AC voltage is about 500 V. With a coating thickness of about 10 μm (10 −5 m), the corresponding heating power for water and ice is almost equal, as shown in FIG. 24.

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 circuit 200 in which circuit 200 is applied to a sliding body, described in detail below. In this embodiment, the change in snow temperature under the moving body is taken into account. Scheme 200 can be characterized by the following Table 26-1 (MathCad file):

Таблица 27-1Table 27-1 ρ = 300 кг/м3 ρ = 300 kg / m 3 x = 0, 0,0001.. 0,1 м x = 0, 0.0001 .. 0.1 m C=2.103 Дж/кг.KC = 2 . 10 3 J / kg . K λ= 0,2 Вт/м2.K λ = 0.2 W / m 2. K W=1.103 Вт/м2 W = 1 . 10 3 W / m 2

Figure 00000071
Figure 00000071
D = 3,333×10-7 D = 3.333 × 10 -7
Figure 00000072
Figure 00000072
Figure 00000073
Figure 00000073
t =0, 0,001.. 1 сt = 0, 0.001 .. 1 s a= 0,1 мa = 0.1 m L = 1,5 мL = 1.5 m v= 1, 2.. 30 v = 1, 2 .. 30
Figure 00000074
Figure 00000074
wскор(1,10) = 134,164 Втw speed (1.10) = 134.164 W

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 Y 295 axis, and the distance from the moving body (in meters) is plotted on the X 294 axis. With a heating power W of about 1 kW / m 2, the diagrams 290, 291, 292 and 293 illustrate the temperature dependences of the heating pulses having approximate durations t = 0.1 s, 0.2 s, 0.5 s and 1 s, respectively. On Fig shows the dependence of the temperature of the interface of the snow / sliding object from time to time (diagram 300) when applying RF power with a density of 1000 W / m 2 . 28, the superheat temperature Δ (° C) is plotted on the Y-axis 301, and the time (in seconds) is shown on the X-axis 302.

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-axis 311 plotted heating power W is swift, and 312 in the X axis represents the speed v. In this example, when a sliding body moves at a speed of about 5 m / s, the heating power is about 100 watts. The heating power W speed spd is constructed as a function of v (plot 310).

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 Y 321 axis, and the velocity v is plotted along the X 322 axis. The heat transfer coefficient h k for the aerodynamic surface can be calculated according to Table 30-1:

Таблица 30-1 (файл MathCad)Table 30-1 (MathCad File) v= 89v = 89 D = 0,03D = 0.03 v = 10, 11.. 100 v = 10, 11 .. 100

Figure 00000075
Figure 00000075
hк(89, 0,254) = 141,057 Вт/м2.Kh k (89, 0.254) = 141.057 watt / m 2. K hк(89, 0,0254) = 330,669 Вт/м2.Kh k (89, 0.0254) = 330.669 watt / m 2. K

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):

Таблица 30-2Table 30-2 W= 4500 Вт/м2 W = 4500 W / m 2 d = 0.002 мd = 0.002 m h = 165 Вт/м2.K h = 165 W / m 2. K L = 0, 0,0001.. 0,01 м L = 0, 0.0001 .. 0.01 m l = 0,00001, 0,00002.. 0,001 мl = 0.00001, 0.00002 .. 0.001 m λл = 2,22 Вт/м.K λ l = 2.22 W / m . K λд= 0,35 Вт/м.Kλ d = 0.35 W / m . K

Figure 00000076
Figure 00000076

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 Y axis 335 and the thickness L is plotted along the X axis 336. Diagram 330 shows the dependence of the stationary state superheat in ° C on the ice thickness in meters, assuming there is a theoretically perfect insulating layer between the de-icer and the aerodynamic surface, and diagram 331 shows the relationship in the presence of a 2 mm thick Teflon film between the de-icer and the aerodynamic surface. The de-icing performance reaches its maximum when the ice thickness exceeds about 1 mm (point 333 for a theoretically perfect insulating layer and point 334 for a 2 mm thick Teflon film).

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

Figure 00000019
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 axis Y 341 delayed overheating Δ, and on the axis X 342 delayed size
Figure 00000019
electrode. In this example, boiling in the boundary layer of ice can be observed. Boiling is explained by the evaporation of ice (e.g. steam) and indicates overheating by more than 110 ° C.

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:

Таблица 30-3Table 30-3 W= 4500 Вт/м2 W = 4500 W / m 2 d= 0,002 мd = 0.002 m h =165 Вт/м2.Kh = 165 W / m 2. K L = 0, 0,0001...0,01 м L = 0, 0.0001 ... 0.01 m l = 0,00001, 0,00002...0,001 мl = 0.00001, 0.00002 ... 0.001 m λ= 1 Вт/м.Kλ = 1 W / m . K λд= 0,35 Вт/м.Kλ d = 0.35 W / m . K

Figure 00000077
Figure 00000077

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 Y 355 axis and the thickness L is plotted along the X 356 axis. Diagram 350 shows the dependence of the stationary state superheat in ° C on the ice thickness in meters, assuming there is a theoretically perfect insulating layer between the de-icer and the aerodynamic surface, and diagram 351 shows the relationship in the presence of a 2 mm thick Teflon film between the de-icer and the aerodynamic surface. The de-icing performance reaches its maximum when the ice thickness exceeds about 1 mm (point 352 for a theoretically perfect insulating layer and point 353 for a Teflon film 2 mm thick).

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:

Таблица 30-4 (файл MathCad)Table 30-4 (MathCad File) ρ= 920 кг/м3 ρ = 920 kg / m 3 C=2.103 Дж/кг.KC = 2 . 10 3 J / kg . K x= 0, 0,0001...0,1 мx = 0, 0.0001 ... 0.1 m λ = 1 Вт/м.Kλ = 1 W / m . K W = 4,5.103 Вт/м2 W = 4.5 . 10 3 W / m 2 D = λ/ρ.C D = λ / ρ . C

Figure 00000078
Figure 00000078
Figure 00000079
Figure 00000079
t =0, 0,1.. 1000 сt = 0, 0.1 .. 1000 s D = 5,435×10-7 D = 5,435 × 10 -7

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-axis 365, and the distance x from the heater is plotted on the X-axis 366.

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:

Таблица 30-5Table 30-5 L= 10L = 10 τ= L2/D τ = L 2 / D τ = 184 с τ = 184 s

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-axis 371, and time is plotted on the X-axis 372. By applying a short heating pulse, thermal energy can be minimized and the boundary layer of ice can still be melted. For example, thermal energy can be calculated according to Table 30-6:

Таблица 30-6 (файл MathCad)Table 30-6 (MathCad File)

Figure 00000080
Figure 00000080
Figure 00000081
Figure 00000081
Figure 00000082
Figure 00000082
Figure 00000083
Figure 00000083

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 de-icing system 460 with heat transfer. The 460 anti-icing system with heat transfer is presented in two states - 460A and 460B. The heat transfer anti-icing system 460 includes a power source 464, a heat insulator 462, a heating element 466, a membrane 470, and a membrane valve 468. The heat transfer anti-icing system 460 is capable of removing ice 472 from the surface (e.g., including the outer surface 471 of the membrane 470) of an object, e.g., an airplane, an airplane wing, a car windshield, a boat, an airplane, a road, a sidewalk, a freezer, a refrigerator, a treadmill, and a window. The heat-transfer de-icing system 460 can provide heat storage, which allows to supply, as necessary, the stored heat in the form of thermal pulses to the ice-object interface. Power supply 464 may include a switching power supply, a battery, a capacitor, a flywheel, and / or a high voltage power supply. A supercapacitor or an ultracapacitor can be used as a capacitor.

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 state 460A, the membrane 470 is inflated with gas through the membrane valve 468. As a gas, you can use air or other gases with the property of thermal insulation. When power is supplied to the heating element 466, the power is converted to a certain amount of thermal energy, which is stored in the heating element 466. The thermal energy stored in the heating element 466 is transferred to the boundary layer 473 by blowing off the membrane 470, as shown in state 460B. By blowing off the membrane 470, thermal energy is transferred from the heating element 466 to the boundary layer 473 to melt the boundary layer 473, thereby removing ice 472. State 460B is maintained for as long as necessary to melt the boundary layer of ice 472.

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 de-icing system 480 with heat transfer. The 480 anti-icing system with heat transfer is illustrated in two states - 480A and 480B. The heat transfer anti-icing system 480 includes a power supply 484, a heat insulator 486, and a heating element 482. The heat transfer anti-icing system 480 is capable of removing ice 492 from the surface 491 of the object 493. The object 493 may belong to the class of objects discussed above. The heat-transfer de-icing system 480 can provide heat storage, which allows, as necessary, to supply stored heat in the form of heat pulses to the ice-object interface to melt the boundary ice.

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 state 480A, the heating element 482 is shown in the form of two layers 482A and 482B, between which a heat insulator 486 is enclosed. The heat insulator 486 is movably mounted between the layers 482A and 482B of the heating element, which allows these layers to come into contact with each other when sliding, as shown in the state 480V. The power source 484 supplies a certain amount of power to the heating element 482. One or more power sources can act as a power source. When power is supplied to the heating element 482, power is converted to thermal energy. When layer 482A comes into contact with layer 482B, thermal energy is transferred from the heating element 482 to the boundary layer of ice 492 in an amount sufficient to melt this boundary layer. The layers 482A and 482B of the heating element often move relative to each other, as a result of which the heat insulator 486 periodically insulates layers 482A and 482B and causes periodic transfer of thermal energy to the boundary layer of ice on the surface 491. Periodic transfer of thermal energy provides medium energy to the boundary layer for keeping the object free of ice.

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 de-icing system 500 with heat transfer. The heat transfer anti-icing system 500 includes a power source 504, a heating element 502, a water pump 508, a tank 506, and a tube 510. The heat transfer anti-icing system 500 is capable of removing ice 512 from an object surface 511. The heat transfer anti-icing system 500 is able to act as a heat storage device, which allows the accumulated heat to be supplied as a heat pulse to the ice-object interface on the surface 511. When power is supplied to the heating element 502, the power is converted to thermal energy. The heating element 502 raises the temperature of the heat transfer fluid in the tank 506. Water or other heat transfer fluid may be used as the heat transfer fluid. Pump 508 pumps heat-conducting fluid through tube 510. When heat-conducting fluid is pumped into tube 510, thermal energy is transferred to the boundary ice layer 512 on surface 511. As a result of the transfer of thermal energy to the boundary layer, ice 512 detaches from surface 511. According to one embodiment, pump 508 often pumps heat-conducting fluid through a tube 510, causing periodic transfer of thermal energy to the boundary layer in order to supply the average thermal energy necessary to maintain the object to the interface ice-free.

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 pulse de-icing system 520, which shows the differences between de-icing systems with heat transfer (Fig. 37 and 38) from the previously described systems, for example system 10 (Fig.1). In this embodiment, ice 528 adheres to surface 531 at an object-ice interface adjacent to surface 531. Pulse de-icing system 520 comprises a power supply 524, one or more heating elements 526, and layers 522A and 522B. Pulse de-icing system 520 is capable of removing ice 528 from surface 531 of layer 522B. For example, layer 522B is the windshield from which ice needs to be removed.

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.Heating elements 526 are embedded in layer 522B and are electrically connected to power supply 524 to receive power from it. Layers 522A and 522B are made of a substantially transparent material for use in or as a windshield.

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 power supply 524 supplies power to the heating elements 526 (which may also be transparent), thermal energy is radiated from the heating elements 526 and disrupts the adhesion of ice 528 to the surface 531 of layer 522B. A power source 524 supplies power to the heating elements 526 according to the equations of FIG. 1. As the power source 524, one or more power sources can be used, for example, as in FIG.

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 heating elements 526, power is converted to a certain amount of thermal energy. Thermal energy is transferred to the boundary layer of ice 528 on the surface 531 to prevent ice 528 from sticking to the surface 531. Power is transmitted to the heating elements 526 by frequent pulses for the periodic transfer of thermal energy to the boundary layer during the periods expressed by Eq. 1-1.

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, power sources 484 and 504 (FIGS. 37 and 38), supply power to the heating elements, which in turn generate thermal energy. An anti-icing system with heat transfer retains thermal energy until heat is supplied to the ice-object interface.

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 heating elements 526 of the pulse anti-icing system 520 can be made, for example, of a metal alloy foil, a thin layer of metal on a dielectric substrate, a thin layer of metal oxide on the substrate, an almost transparent conductor, a conductive polymer film, a conductive paint, a conductive adhesive, a wire mesh and / or conductive fibers. Examples of transparent conductors include SnO 2 , ITO, TiN and ZnO. Examples of conductive fibers include carbon fibers. Heating elements 526 may also include semiconductor devices capable of converting power to thermal energy. Through the use of multiple heating elements 526, the total energy consumption can be segmented or determined individually. For example, segment 535 of surface 531 requires significantly less energy to melt the boundary layer of ice in this area compared to melting the boundary layer of ice in this area for the entire surface 531. Accordingly, the instantaneous energy consumption for breaking ice sticking 528 decreases when the sequential supply of pulses to the segments or patches leads to partial detachment of ice 528 from the entire surface 531 over time.

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 de-icing system 540 with heat transfer. The heat transfer anti-icing system 540 comprises a heat conductor 542 (eg, a “hot plate”), a dielectric plate 546, and a heating element 544 (eg, a thin metal foil). A heat transfer anti-icing system 540 is capable of melting the boundary layer of ice 545 at an object by supplying thermal energy pulses to ice 545. For example, a heat-transfer anti-icing system 540 can be located on the surface of an object, as a result of which a heating power is supplied to the heating element 544 to melt the boundary layer ice 545.

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 heat conductor 542 converts the power into heat energy that is transferred from the heat conductor 542 to the heating element 544 through the holes 547 in the dielectric plate 546. In one example, the heat conductor 542 vibrates, whereby when the heat conductor 542 contacts the heating element 544, the conductor 542 heat transfers thermal energy to a heating element 544, which melts the boundary layer of ice. Depending on the use of the heat transfer anti-icing system 540, melting of the boundary layer of ice may be useful to remove ice from the surface of the object, to prevent its formation on the surface, or to change the adhesion strength and change the friction coefficient between the ice and the object.

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 anti-icing system 540 is used as a “pulse brake” in which a heat pulse is transferred from the heat conductor 542 to the heating element 544 when the heat conductor 542 touches the heating element 544 connected to the base of the sliding body that is adjacent to the ice. If braking is necessary, the heat conductor 542 touches the heating element 544 for several milliseconds through the holes 547 in the dielectric plate 546, creating “hot spots” on which the ice melts. After the heat conductor 542 is removed, the melted spots usually freeze for several milliseconds, providing links between the base of the sliding body and the ice.

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:

Figure 00000084
(Ур. 40-1)
Figure 00000084
(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 heat transfer system 560 that has been implemented and tested in accordance with the embodiment of FIG. 36. According to this embodiment, the heat transfer system 560 comprises two aluminum discs 562 and 563 about six inches in diameter and 1 mm thick. According to one embodiment, the inner surfaces of the discs 562 and 563 are ground and polished to reduce optical emissivity. The outer surfaces of the discs 562 and 563 are anodized in an approximately 15% sulfuric acid solution to produce an alumina film of a thickness of 10 μm to 12 μm (hard anodizing). The disks 562 and 563 are attached to the Plexiglas ring 569 with a rubber O-ring 570B. The disks 562 and 563 are also attached to the Plexiglas ring 572, and thus to the valve 571, by the o-ring 570A.

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 heat transfer system 560 also includes a heating element 565 attached to the disk 563 and capable of receiving electrical power from a power source 566 to convert this power to thermal energy. The heating element 565 contains carbon foil encapsulated in a kapton polyimide substrate 568. A thermocouple 564 can be attached to the disk 563 through an opening 579 in the heating element 565 by means of heat-conducting adhesive. In one embodiment, thermocouple 564 is capable of controlling the temperature of disk 562 when heating element 565 transfers heat to disk 563. According to one embodiment, power source 566 is a DC power source capable of delivering about 20 V.

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 valve 571 to bring the “cold” and “hot” discs into contact and transfer heat energy from the hot disc to the cold disc. For example, when the power source 566 supplies power to the heating element 565, the latter converts the power into thermal energy and transfers this energy to the disk 563, thereby creating a hot disk. A vacuum pump evacuates air from chamber 573 so that the chamber shrinks and disc 562 touches disc 563 (e.g., a cold disc). When the disk 562 touches the disk 563, the thermal energy of the disk 563 is transferred to the disk 562. When the transfer of thermal energy is no longer required, the vacuum pump pumps air into the chamber to separate the disks 562 and 563.

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 disk 562, and when the heat transfer system 560 is in an upright position, a power of about 10-25 watts applied to the heating element heats the disk 563 to about 20 ° C. When the vacuum pump pumps air out of the chamber 573, as a result of which the disks 562 and 563 touch each other, ice 577 is removed from the disk 562, for example, by gravity. Although air is typically used in chamber 573, alternatively, other heat insulating gases may be used in chamber 573.

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 discs 562, 563 (Fig. 41):

Таблица 42-1 (файл MathCad)Table 42-1 (MathCad File) v= 1,57.105 v = 1.57 . May 10 L = 0,0125L = 0.0125 g = 9,8g = 9.8 β= 1/273 β = 1/273 Pr= 0,69 Pr = 0.69 Tт= 273T t = 273 Tп = 243, 244.. 273T p = 243, 244 .. 273 Tн(Tп) = 2Tт-Tп+5T n (T p ) = 2T t -T p +5 Δ(Tп) = Tн(Tп)-Tп
(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)

Figure 00000085
Figure 00000085
RaL(243) = 1,276×104 Ra L (243) = 1.276 × 10 4 Nu1(Tп) = 0,0605RaL(Tп)1/3 Nu 1 (T p ) = 0.0605 Ra L (T p ) 1/3
Figure 00000086
Figure 00000086

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 discs 562 and 563, g is the acceleration of gravity; β is the coefficient of thermal expansion of air; Pr is the Prandtl number for air; T t - the temperature of the melting ice; T p - the increasing temperature of the disk 562; Δ is the temperature difference; Ra is the Rayleigh number for air; Nu 1 and Nu 2 are Nusselt numbers.

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 discs 562, 563:

Таблица 42-2 (файл MathCad)Table 42-2 (MathCad File) λ= 0,025λ = 0.025

Figure 00000087
Figure 00000087
Figure 00000088
Figure 00000088

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 disk 563 from T p to T n In Fig. 42, the Nu convection is plotted along the Y-axis 581, and the temperature T p of the substrate material is plotted along the X-axis 582. The average heat loss W k through the air gap is shown in FIG. 43 (diagram 590). In FIG. 43, the convective heat transfer W k / 2 is plotted along the Y axis 591, and the temperature T p of the substrate material is plotted along the X axis 592.

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

Figure 00000019
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
Figure 00000019
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):

Таблица 42-3 (файл MathCad)Table 42-3 (MathCad File) Wиз(Tп)= λиз.Δ(Tп)/lW from (T p ) = λ from . Δ (T p ) / l Wиз(243)/2= 33,8 Вт/м2 W of (243) / 2 = 33.8 W / m 2

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):

Таблица 42-4 (файл MathCad)Table 42-4 (MathCad File) ε = 0,04ε = 0.04 σ = 5,67.10-8 σ = 5.67 . 10 -8 Wи(Ts)= ε.σ(Tн(Tп)4 - Tп4) W and (T s ) = ε . σ (T n (T p ) 4 - T p 4 ) Wи(243) = 12,502 Вт/м2 W and (243) = 12.502 W / m 2

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 discs 562 and 563; σ is the Stefan-Boltzmann constant. Based on Table 42-4, it is possible to construct a diagram of radiative heat transfer W and (diagram 600) as a function of temperature T p in Fig. 44 (T p and T t are defined above). In Fig. 44, the radiative heat transfer W and is plotted along the Y-axis 601, and the temperature T p of the substrate material is plotted along the X-axis 602.

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-axis 611, and the temperature T p of the substrate material is plotted along the X-axis 612. Since the temperature of the heating element periodically varies from T t to T n , the average temperature difference between the heating element and the environment is approximately (3/4) · (T n -T p ). The total average heat loss W can be calculated according to Table 42-5 (total heat loss to the environment):

Таблица 42-5 (файл MathCad)Table 42-5 (MathCad File) W(Tп):=3/4.((Wк(Tп) + Wиз(Tп) + Wи(Tп))) W (T p ): = 3/4 . ((W to (T p ) + W from (T p ) + W and (T p ))) W(243) = 197,907 Вт/м2 W (243) = 197.907 W / m 2 W (253) = 127,163 Вт/м2 W (253) = 127.163 W / m 2 W (263) = 63,602 Вт/м2 W (263) = 63.602 W / m 2

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-axis 623, and temperature is plotted on the X-axis 624. The average power results are shown as a function of the three external temperatures of the cold plate T p (diagrams 620, 621 and 622). The total value of thermal energy Q necessary for heating the heating element from the temperature T p of the substrate material to T n is calculated in the form of two components Q 1 and Q 2 . Q 1 is the thermal energy due to the heat capacity of the heating element, and Q 2 is the thermal energy transferred from the heater to the environment (total energy loss from the system). The total thermal energy Q can be calculated according to the following Table 42-6:

Таблица 42-6 (файл MathCad)Table 42-6 (MathCad File) d = 0,001d = 0.001 t= 1, 2.. 300 t = 1, 2 .. 300 Cп = 900C p = 900 λп=170λ p = 170 ρп = 2700ρ p = 2700 Cл = 2000C l = 2000 ρл= 920ρ l = 920 λл= 2λ l = 2 Q1(Tп)= d.Cп.ρп.(Tн(Tп) - Tт) Q 1 (T p ) = d . C p . ρ p . (T n (T p ) - T t ) Q1(243) = 8,505×104 Дж/м2 Q 1 (243) = 8.505 × 10 4 J / m 2

Figure 00000089
Figure 00000089

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:

Таблица 42-7 (файл MathCad)Table 42-7 (MathCad File) Wср(t,Tп)= Q1(Tп)/t + W(Tп)W cf (t, T p ) = Q 1 (T p ) / t + W (T p ) Wср(180,243) = 670,407 Вт/м2 (диаграмма 620)W cf (180.243) = 670.407 W / m 2 (diagram 620) Wср(180,253) = 464,663 Вт/м2 (диаграмма 621)W cf (180.253) = 464.663 W / m 2 (diagram 621) Wср(180,263) = 266,102 Вт/м2 (диаграмма 622).W cf (180.263) = 266.102 W / m 2 (diagram 622).

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 aluminum alloy 1 mm thick and installed behind the front edge of a small aerodynamic surface, i.e. front open part of the wing of the aircraft. In this example, the aerodynamic system has a span of about 20 cm and a thickness of about 5 cm; de-icer dimensions are 20 cm x 10 cm. At an air speed of about 142 km / h and approximately -10 ° C. Drops of water with a diameter of about 20 microns on the aerodynamic surface forms atmospheric ice. When ice grows to about 5-10 mm, a computer system (for example, controller 78 (FIG. 6) instructs the power source to start anti-icing in order to melt the boundary layer of ice on the aerodynamic surface in order to substantially alter and / or eliminate ice sticking to the aerodynamic surface Then the ice can be removed from the aerodynamic surface by the drag force.This aerodynamic surface cleaning system was built and tested, demonstrating a performance very close to t the theoretical forecasts given in Table 42-7.

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 body substrate 632 and a heating element 633. The heating element 633 is connected to the sliding body substrate 632 and can directly contact ice and / or snow 630. The heating element 633 is capable of receiving power from a power source, for example, in accordance with the equations for figure 1.

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 substrate 632 of the sliding body and ice 630 when applying power to the heating element 633 in the form of a pulse. For example, FIG. 48 shows the distance of heat dissipation along the X axis 636 over time t through ice 630 and the substrate 632 as a function of temperature T along the T axis 639 at the ice-object interface. Curve t 1 expresses the temperature change due to heat dissipation in ice 630 and in the substrate 632 at a given pulse duration. It is shown that the peak t 1 of the curve corresponds to a certain temperature 638 on the T 639 axis. The temperature 638 is sufficient to melt the boundary layer of ice 630. The filled region (m) under the curve t 1 represents the melted boundary layer.

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 heating element 633, the ambient temperature is represented by point 637. When a power pulse is applied to the heating element 633, the temperature of the element 633 begins to rise and passes into ice 630 at a distance of 631 (the distance of the boundary layer of ice 630) and to the substrate 632. This temperature increases to point 635, where the ice begins to melt, and continues to grow over the duration of the power pulse. Thermal energy melts a thin boundary layer (m) of ice 630. After turning off the power from the heating element 633, the temperature begins to fall below the melting point 635, curve t 2 . As the temperature of the heating element decreases, the adhesion of ice 630 to the sliding body substrate 632 changes due to repeated freezing. Repeated freezing increases the adhesion of ice 630 to the substrate 632 and inhibits the sliding body at the interface of the heating element 633.

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 X axis 636 can be expressed as follows:

t = L2/D, где

Figure 00000090
(Ур. 11-1)t = L 2 / D, where
Figure 00000090
(Lv. 11-1)

D - коэффициент теплопроводности, выражаемый какD is the coefficient of thermal conductivity, expressed as

D = λ/ρc,

Figure 00000091
(Ур. 11-2)D = λ / ρc,
Figure 00000091
(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 ice 630 and the substrate 632 is scattered by a distance proportional to the square root of time t. The shorter the duration of power supply to the heating element 633, the thinner the boundary layer of ice exposed. The time t and the energy Q supplied to the heating element 633 for heating the boundary layer of ice 630 from the external temperature T to the melting point T t (melting point 638) satisfy the equations considered for FIG.

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 body 640 to illustrate changes in friction at the ice-object interface. The sliding body 640 comprises an acrylic slider 644, a force sensor 642 and a heating element 646, for example a titanium foil with a thickness of 12.5 μm to 25 μm. The sliding body 640 uses a heating element 646, which melts the boundary layer of ice 641 adjacent to the sliding body 640 by supplying thermal energy pulses to the layer, for example, according to the equations for FIG. 1. Power can be supplied to the heating element 646 to terminals 645 and 647, as a result of which the heating element 646 melts the boundary layer of ice 641. After melting the boundary layer of ice 641, it is allowed to re-freeze due to lower external temperature, which provides a connection between the ice 641 and the slider 644.

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 force sensor 642 obtains information about the force exerted by the slider 644 on the ice 641. The force sensor 642 can transmit this information to the controller 643 to determine how to supply power to the heating element 646. A power supply similar to that described above can supply power to the heating element 646 to melt the boundary layer of ice 641. The melting of the boundary layer of ice 641 leads to a change in the adhesion strength of ice 641 to the sliding body 640 and a change in the coefficient of friction between the ice 641 and the slider 644.

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 body 650 as a ski 654. The sliding body 650 contains metal heating elements 652, for example titanium foil, bonded to the ski surface 651 that is in contact with snow 653. The heating elements 652 are capable of melting a layer of boundary snow interacting with the surface 651, by supplying energy pulses to the snow layer 653, for example, according to the equations for FIG. 1. Power is supplied to the heating elements 652 by one of several devices described herein. After the boundary layer of snow 653 is melted, it re-freezes due to lower external temperature and provides a connection between snow 653 and surface 651. The connection provides increased adhesion to snow 653 by changing the coefficient of friction between ice and sliding body 650.

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 body 650 may also include a mount 658, shown in Fig. 51. A switch 660 is placed on the mount 658 to control the power supply to the heating elements 652. A mechanical switch can be used as the switch 660. The switch 660 may also include a manual switch, a ski movement switch, a pressure responsive switch, an accelerometer, a remote control switch and / or a motion sensor. Each switch can be used in sliding body 650 to activate heating and re-freezing the boundary layer of ice to provide the desired coefficient of friction.

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 heating elements 652 can be attached to the ski 654. Referring to FIG. 51, the ski boot 656 is inserted into the mount 658. The ski boot 656, if desired, can be used to control the switch 660 to provide power to heating elements 652. Power may be supplied from power sources. When the boot 656 switches the switch 660, the latter transfers power from the power source to the heating elements 652 to melt the boundary layer of snow 653 and, thus, to change the coefficient of friction between the ski 654 and snow 653.

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 snowboard 674. The sliding body 670 contains heating elements 672 attached to the bottom surface 675 of the snowboard 674. The surface 675 is in contact with snow during operation of the snowboard 674. The performance of the sliding body 670 may be the same as ski 654 (Fig. 50 and 51). Heating elements 672 may also be integrated in the snowboard 674, but be in thermal communication with the surface 675 according to one embodiment.

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 body 680 in the form of a boot 684. The sliding body 680 contains metal heating elements 682, for example titanium foil attached to the heel 688 and the sole 686, the heel 688 and the sole 686 are in contact with snow or ice when a person walks in the snow or ice. The heating elements 682 can also be integrated into the boot 684 (or the heel 686), provided that they are in thermal connection with the outer surface of the heel 688. The heating elements 682 can be made in the form of a thin conductive film (for example, TiN film, film of Cr) deposited either on a polymer substrate (e.g., kapton, ABS) or on a ceramic substrate (e.g., glass ceramic, zirconia ceramic). Energy is supplied to the heating elements 682, as a result of which the heating elements 682 melt the boundary layer of ice adjacent to the heel and / or sole 688, 686. After the boundary layer of ice or snow is melted, it is allowed to re-freeze under the influence of external temperature, which provides ice bonding or snow with a heel and / or sole 688, 686. Power is supplied, as described for figure 1. A small 683 battery (for example, a D-cell battery) is used as a power source. The switch 48 (Fig. 4) connects the power from the power source to the heating elements 682. When the user switches the switch, the latter transfers the power from the battery 683 to the heating elements 682 to melt the boundary layer of ice or snow and change the coefficient of friction between the boot 684 and ice or snow , which improves the grip of the 684 boot.

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 body 690 in the form of a bus 692. The sliding body 690 contains metal heating elements 694 embedded in the bus 692. Power is supplied to the heating elements 694, as a result of which the heating elements 694 melt the boundary layer of ice or snow 693. After melting the boundary layer of ice, it is repeatedly frozen under the influence of external temperature and provides a connection between the ice / snow 693 and the tire 692. Power can be supplied to the heating elements 694 in one of several of these ways. The sliding body 690 uses, for example, a car battery as a power source.

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 heating elements 694 include thin metal wires capable of receiving power and converting this power into thermal energy to melt the boundary layer of ice / snow 693 in contact with the bus 692. In addition, the sliding body 690 may include a controller 78 (FIG. 6) to control the power supply (figure 1). According to an embodiment, the user activates the switch, which allows power to be supplied to the heating elements 694 when necessary to provide additional adhesion of the tire 692 to the road surface covered with ice and snow 693. When the user switches the switch by pressing a special button on the car control panel, the switch conducts power from the power source to the heating elements 694 to melt the boundary layer of ice and snow 693 and, thus, to change the coefficient friction between the tire 692 and the ice and snow breaking the road surface when the boundary layer is re-frozen and increases the adhesion of the tire 692 on snow / ice 693.

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 heating elements 694 can act as “impulse brakes”, giving a heating pulse to the interface between the tire 692 and the snow / ice 693. For example, when braking is necessary, the boundary layer of ice is melted. When the pulse stops, the melted spots on the bus 692 are usually re-frozen in a few milliseconds under the influence of external temperature, providing strong connections between the bus 692 and the ice / snow 693. These bonds slow down the movement of the bus 692 relative to the ice / snow 693. For faster cooling of the melted The boundary layer of ice uses the Peltier element 695.

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 Peltier element 695 is a thermoelectric module, consisting of an array of granules of a semiconductor doped with bismuth telluride, which has one type of charge carrier (for example, positive or negative) for transferring the main current. Pairs of granules with positive and negative main charge carriers have such a configuration that they are electrically connected in series, but thermally connected in parallel. Metallized ceramic substrates can provide a platform for granules. Thermoelectric modules can function independently or in groups with serial, parallel or series-parallel connections.

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 Peltier element 695, positive and negative charge carriers in the granule array absorb thermal energy from one surface of the substrate and release it on the opposite surface of the substrate. The substrate on which thermal energy is absorbed can lower the temperature without the use of moving parts, compressors or gases. The opposite substrate, on which thermal energy is released, is heated as a result.

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 body 700 illustrating how a sliding body affects friction with adjacent snow or ice. The sliding body 700 comprises a plurality of metal heating elements embedded in an area 704 illustrating the electrical conductive rubber of the tire. Power is supplied to the heating elements 712 to melt the boundary layer of ice 714. After melting the boundary layer of ice, it is repeatedly frozen under the influence of external temperature and provides a connection between the ice 714 and the sliding object 700.

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 heating element 712 is a thin metal wire capable of receiving power and converting this power into thermal energy to melt the boundary layer of ice 714 in contact with the sliding body 700. A thin electrical insulator 706 near the heating element surrounds the heating element 712. When the heating element receives power from a power source 702, heating elements 712 convert power into heat energy through resistivity. Thermal energy is transferred (thermal radiation lines 710) to ice 714 and a heated region 708, in which the boundary layer of ice 714 is melted. The melted boundary ice changes the coefficient of friction between the sliding body 700 and ice 714, as a result of which the adhesion between the sliding body 700 and ice 714 increases. The friction coefficient changes due to melting and re-freezing when electric power is supplied and disconnected from the heating element 712. For example, an electric power pulse having a duration in accordance with Eq. 1.4 for FIG. 1, melts the boundary layer of ice 714 because it is converted into thermal energy by the heating element 712. When the electric power pulse drops, region 708 is allowed to re-freeze under the influence of lower external temperature and un-melted ice 714. Thus, melting and re-freezing ice 714 changes the coefficient of friction and improves traction and braking when, for example, the sliding body 700 is an object such as a tire or ski.

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 caterpillar 724, for example, used for a snowmobile. The sliding body 720 contains heating elements 722 embedded in the caterpillar 724. Power is supplied to the heating elements 722, whereby the heating elements 722 melt the boundary layer of ice adjacent to the track 724. When the boundary layer of ice is melted and the power is no longer supplied, the melted boundary layer water re-freezes due to external temperature and provides the connection of ice with the caterpillar 724. The sliding body 720 uses, for example, a battery as a power source. Illustratively, the caterpillar 724 is shown around the caterpillar wheels 725. The heating elements 722 can be in the form of thin metal wires or in the form of a thin metal foil that converts power to thermal energy to melt the boundary layer of ice in contact with the caterpillar 724. The user, if desired , can activate a switch to supply power to the heating elements 722, for example, when the user determines the need for additional grip between the track 724 and the ground covered with ice and snow m When the user switches the switch, the switch transfers power from a power source (eg, a snowmobile battery) to the heating elements 722 to melt the ice / snow boundary layer to change the friction coefficient between the track 724 and the snow, increasing the adhesion of the track 724 to snow as a result of subsequent re-freezing .

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 body 780 in the form of a ski 782; the ski 782 is shown in more detail in view 781. The sliding body 780 comprises a heating element 784 and may have performance characteristics as the ski 654 (Figs. 50 and 51). The heating element 784 can be made, for example, of titanium foil or abrasion resistant conductive paints (for example, nickel or silver based paints), or in the form of a sprayed TiN layer. A heating element 784 is attached to the surface of the ski 782 (installed to provide thermal contact with the surface) to continuously contact the snow and to melt the boundary snow or ice, as described for figure 1.

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 heating element 784 to a ski 782. For example, a heating element 784 is attached to a ski 782 via racks 783. The racks 783 are usually made in the form of a metal conductor serving as terminals of the busbar, and also to protect the heating element 784 from damage. Racks 783 can be used to transfer power from the power source to the heating element 784 to melt the boundary layer of snow and, thus, change the coefficient of friction between the ski 782 and snow.

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 heating element 784 contains, for example, a protective coating 785 that protects against damage by stones. Heating element 784, racks 783, and substrate 786 may be interchangeable. When the heating element 784 contains a conductive layer of paint, scratches can be repaired with paints for minor repairs.

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 body 800 in the form of a bus 802 according to a variant implementation. The sliding body 800 comprises a heating unit 806 and an optional exhaust subsystem 804. The air exhaust subsystem 804 may comprise cold air exhaust from an automobile air conditioner. The heating unit 806 may include a heating lamp or other heating device for heating the area 805 of the tire 802 by pulsed or continuous thermal energy. The sliding body 800 may use a car battery as a power source.

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 heating unit element 806 comprises and uses the outlet of an air conditioner or a car engine. In another embodiment, the heating unit 806 contains or uses a water atomizer that creates tiny droplets of water. Water droplets cover the car tire with a thin water film that freezes when in contact with ice, thereby providing strong bonds between the tire and ice.

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 heating unit 806 comprises a hot cylinder in contact with the tire and can rotate with the tire. The hot rotating cylinder may be heated by the vehicle’s power system, automobile air conditioning and / or vehicle exhaust.

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 heating unit 806 is capable of receiving power and converting this power into thermal energy to melt the boundary layer of ice 810 in the contact area 807 of the bus 802. When the heating unit 806 receives energy from a power source, it converts it into thermal energy and forms heated region 805. Due to the short duration of exposure to heat, usually only a thin layer of tire rubber is heated. As the tire 802 rotates, the heated region 805 melts the boundary layer of ice 810 in the region 807. As the tire continues to rotate, the melted ice layer re-freezes in the region 808 and changes the friction coefficient between the tire 802 and the ice 810 in the region 809, thereby creating a connection between the tire 802 and ice 810, which leads to an increase in traction between tire 802 and ice 810.

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 tire 802 has a significant area of contact with ice 810, the rubber of the tire 802 is usually re-cooled before it is heated again by the heating unit 806. Thus, additional cooling is usually not necessary when the outside temperature is below the melting point of the ice. However, additional cooling can be used, for example cold air from an automobile air conditioner can be used to cool a tire through exhaust subsystem 804.

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 heating unit 806 can provide pulsed thermal energy, the friction coefficient can be discretely changed by melting and re-freezing the boundary ice 810 when applying and turning off electrical power (for example, the tire 802 is constantly heated and cooled during rotation. According to an embodiment, the heating unit 806 can contain a heated metal brush pressed against the rotating tire 802. Heat flow from the brush to the surface 801 of the tire 802 heats a thin layer of tire rubber, causing subsequent melting of boundary ice.

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 heating unit 806, usually depends on the external temperature and speed of the car, but can be in the range from 10 watts to 100 watts. In some extreme cases, it can range from 1 watt to 1000 watt. In addition, depending on the temperature and speed conditions, the period during which the tire rubber 802 is heated by the heating unit 806 is in the range from 3 ms to 100 ms, but, in more extreme cases, it can be from 1 ms to 1 s. The re-freezing time can be approximately the same as for a pulse anti-icing system, for example, for figures 1-6 (usually in the range from 1 ms to 100 ms). This time can be adjusted to provide maximum grip when most of the tire-to-road contact area is re-frozen.

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 body 820. The sliding body 820 contains the boundary 825 of the sliding body and the lamp 826 flash. The flash lamp 826 is capable of illuminating the interface of the moving body 825 with a light pulse (e.g., a flash of light). The flash lamp 826 receives power from a power source 822 to melt the boundary layer of ice 821. The flash lamp 826 delivers light pulses to a thin blackened layer 827 of boundary ice 821. Typical duration and energy for a single pulse of lamp 826 is from 1 ms to 10 ms, generating energy approximately 1 J to 100 J.

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 flash lamp 826 melts the boundary layer of ice 821 when the flash lamp 826 irradiates the moving body interface 825. The sliding body interface 825 is transparent and converts the flash energy into thermal energy when light falls on the blackened layer 827. For example, light from a lamp 826 (eg, visible light or infrared light) is absorbed by the layer 827 and converted into thermal energy. Then, the converted thermal energy is absorbed in the boundary layer of ice 821 adjacent to the sliding body 820. When energy is absorbed by the boundary layer 821, the layer is melted. Then the layer is re-frozen under the influence of external temperature to provide a connection between the sliding body 824 and ice 821.

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 axis Y 841 the rest friction force is plotted, and on the axis X 842 normal pressure is plotted. Diagram 840 makes it possible to distinguish between 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). The two diagrams below show the resting friction force for the same sliding bodies without supplying heating pulses. Other experimental data, such as DC voltage (90 V), temperature (-11 ° C), and the capacitor used in the circuit of FIG. 2, are shown in the inset.

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-axis 853, and stress is plotted along the X-axis 852. Chart 850 allows you to distinguish between 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). Each sliding body has an average curve defined by a range of friction coefficients associated with a particular applied stress. For example, a sliding body with a heating element in the form of a titanium foil with a thickness of 25 μm has a friction coefficient that varies from 4.9 N to 6 N (point 851). In FIG. 62 it is shown that the pulse brake works well even when the external temperature is very close to the melting point (-2 ° C), good braking force is achieved even at -0.5 ° C.

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-axis 863, and time is plotted on the X-axis 864. According to an embodiment, four short pulses of heating power were applied, during which the sliding body moved at a speed of about 3.5 m / s. The 1.36 uF capacitor was discharged to the heating element at a voltage of about 110 V in four 861 pulses. The duration of the heating pulses was about 2.5 ms. A heating element connected to a sliding body received power from a power source for a limited time (power pulse), for example, according to the equations for FIG. 1. A heating element converted this power into thermal energy and supplied thermal energy to the interface between the surface and ice. The heating element melted the boundary layer of snow or ice adjacent to a moving object. The melting of the boundary layer changes the adhesion of snow on the surface of the sliding body and changes the coefficient of friction between the sliding body and snow or ice. During each pulse 861, the friction coefficient changes. The change in the coefficient of friction between the sliding body and snow leads to the fact that the sliding body resists sliding, i.e. friction increases. This is shown in FIG. 63 as sharp peaks of friction. By changing the energy of the pulse and the intervals between pulses, it is possible to achieve the desired value of the friction force. It will be understood by those skilled in the art that such an adjustable brake can be linked to a speed measurement system to provide the ski with a cruise control system: the skier can set the desired maximum speed for himself and his children to ensure the safety of the ski trip.

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-axis 871, and stress is plotted along the X-axis 872. The voltage was varied to determine the friction coefficients as a function of power. When applying power with a voltage of 50 V to the heating elements, the friction coefficient changed. At about 90 V, the coefficient of friction of the sliding body relative to snow reaches saturation, after which it remains almost constant up to about 110 V. Accordingly, a voltage from 90 V to 110 V can provide an increase in the coefficient of friction, which is practically independent of the voltage between 90 V and 110 V This information is useful when choosing a power source for a moving body.

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-axis 881 delayed heat dissipation in the snow L p , and on the X-axis 882 time is delayed. On Fig on the axis Y 891 plotted thermal energy, and on the axis X 892 plotted the resistance of the heater. During the first 10 milliseconds of heating, heat penetrates into the snow only to a depth of thirty-six microns. Such a thin layer of snow has a low heat capacity, therefore, low energy is required to heat it to its melting point (i.e. 273K). Table 65-1 below allows you to calculate the total energy Q (Δ, R) used to melt a ten-micron layer of ice and to heat the boundary material of snow and ice at Δ ° C. When the heating power is independent of T, the result is shown in Table 65-1:

Таблица 65-1Table 65-1 W= 104, 2.104.. 106 W = 10 4 , 2 . 10 4 .. 10 6 λлыж = 0,2λ ski = 0.2 ρлыж= 1000 ρ ski = 1000 Cлыж= 1,54.103 C ski = 1.54 . 10 3 ρснег = 300ρ snow = 300 Cснег = 2,2. 103 C snow = 2.2 . 10 3 λснег = 0,2λ snow = 0.2 Dснег = λснег/(ρснег.Cснег) сD snow = λ snow / (ρ snow . C snow ) s R = 0,1, 0,2.. 10 Ом R = 0.1, 0.2 .. 10 Ohm C = 10-4, 2.10-4.. 2.10-2 ФC = 10 -4 , 2 . 10 -4 .. 2 . 10 -2 f t(R, C) = R.C t (R, C) = R . C Dлыж = λлыж/(ρлыж.Cлыж)D ski = λ ski / (ρ ski . C ski ) Δ = 0,01, 0,02.. 10Δ = 0.01, 0.02 .. 10 T =0, 10-4.. 10-1 T = 0, 10 -4 .. 10 -1

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:

Figure 00000092
Figure 00000092
Lр(10-2) = 5,505×10-5 L p (10 -2 ) = 5,505 × 10 -5 Lр(1) = 5,505×10-4 L p (1) = 5.505 × 10 -4 Lр (0,1) = 1,741×10-4 L p (0,1) = 1,741 × 10 -4 Lр(0,01) = 5,505×10-5 L p (0.01) = 5.505 × 10 -5 V= 100V = 100 S = 0,0025S = 0.0025 W(R)= V2/2RSW (R) = V 2 / 2RS dнагр= 1,25.10-5 d load = 1.25 . 10 -5 Cнагр= 523C load = 523 ρнагр= 4,5.103 ρ load = 4.5 . 10 3 lрастоп= 1.10-5 l melt = 1 . 10 -5 qплав= 3,33.105 q melt = 3.33 . May 10
Figure 00000093
Figure 00000093
Figure 00000094
Figure 00000094
C(20, 2,5) = 8,464×10-4 C (20, 2.5) = 8.464 × 10 -4 Δ= 20Δ = 20 dнагр.S.ρнагр.Δ.Cнагр = 1,471d heating. S. ρ heating. Δ . C load = 1,471 lрастоп.ρснег.S.qплав =2,498l melt . ρ snow . S. q melt = 2,498

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 65-2Table 65-2 λлыж= 0,5λ ski = 0.5 λснег = 0,5λ snow = 0.5

Figure 00000095
Figure 00000095
tохл(20,1) = 0,013 "с"t cool (20.1) = 0.013 "s"

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.

Таблица 65-3Table 65-3 Размер батареиBattery size ТипType of НапряжениеVoltage А.ч A. h Вт.ч Tues. h 1one AA, Duracell
Пара
AA, Duracell
Couple
обычныйnormal 1,51,5 2,852.85 4,2754,275
33 5,75.7 8,558.55 22 C, Duracell параC, Duracell couple обычныйnormal 1,51,5 7,87.8 11,711.7 33 15,615.6 23,423,4 33 D, Duracell параD, Duracell couple обычныйnormal 1,51,5 15fifteen 22,522.5 33 30thirty 4545 4four D, Varta
Пара
D, Varta
Couple
обычныйnormal 1,51,5 16,516.5 24,7524.75
33 3333 49,549.5 55 9v, Duracell
пара
4 штуки
9v, Duracell
couple
4 pieces
обычныйnormal 99 0,580.58 5,225.22
18eighteen 1,161.16 10,4410.44 3636 20,8820.88 --преобразователь не нужен--- no converter needed-- 66 Тип D
TL2300/S D, Li
Пара
Type D
TL2300 / SD, Li
Couple
Li-ионная перезаряж.Li-ion recharge. 3,63.6 16,516.5 59,459,4
7,27.2 3333 ($20,65)($ 20.65) 118,4118.4 ($41,30)($ 41.30) 77 DD
TL5137/TDD, Li
DD
TL5137 / TDD, Li
Li-ионная перезаряж.Li-ion recharge. 3,63.6 3535 126126
($48,93)($ 48.93) 88 AA
TL5104/PT2 AA, Li
AA
TL5104 / PT2 AA, Li
Li-ионная перезаряж.Li-ion recharge. 3,63.6 2,12.1 7,567.56
99 C
TL2200/SC, Li, 7200 мА.ч
Пара
C
TL2200 / SC, Li, 7200 mA . h
Couple
Li-ионная перезаряж.Li-ion recharge. 3,63.6 7,27.2 25,9225.92
7,27.2 14,414,4 ($16,73)($ 16.73) 5252

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 body 900 illustrating friction enhancements for an embodiment in which the sliding body is a tire 902 with different thermal zones. According to this analysis, φ 0 is the heating zone; φ 1 - air cooling zone; φ 2 - melting zone; φ 3 - zone of repeated freezing; φ 4 is the binding zone; ω 0 is the angular velocity of the tire; υ 0 is the linear speed of the car; R is the radius of the tire 902; and A is the tire width 902. Assuming that the heating zone φ 0 is uniformly heated by the total power w ′, we obtain the following expression for the power density per square meter:

Figure 00000096
. (Ур. 67-1)
Figure 00000096
. (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

Figure 00000097
. (Ур. 67-2)
Figure 00000097
. (Lv. 67-2)

Например, при υ0 = 30 м/с (108 км/ч) и φ0R = 0,1 м,

Figure 00000098
и зона нагрева φ0 получает плотность энергииFor example, when υ 0 = 30 m / s (108 km / h) and φ 0 R = 0.1 m,
Figure 00000098
and the heating zone φ 0 receives the energy density

Figure 00000099
(Ур.67-3)
Figure 00000099
(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,

Figure 00000100
и, следовательно, (Ур. 67-5)
Figure 00000100
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 normal pressure 2 . 10 5 Pa, the friction force per square meter corresponding to μ = 0.5 is 10 5 Pa. For the ice / rubber interface, shear adhesion strength is about 1 MPa. Thus, re-freezing may require only about 10% of the ice / tire contact area (i.e., re-freezing zone φ 3 ) to provide μ = 0.5. When the melted ice layer has a thickness of about 3.3 μm, the energy consumption is about 500 watts for a speed v 0 of about 108 km / h. For a speed v 0 of about 7.2 km / h with the same thickness, energy consumption is only about 33 watts.

При скорости v0 20 км/ч каждая точка поверхности шины может находиться в контакте со льдом в течение около

Figure 00000101
. Это время доступно для действий растапливания и повторного замораживания и достаточно велико для осуществления этих действий.At a speed of v 0 20 km / h, each point on the tire surface can be in contact with ice for about
Figure 00000101
. This time is available for melting and re-freezing and is large enough to carry out these actions.

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-axis 925, and the time in seconds is plotted on the X-axis 926. According to this embodiment, the friction modifying system comprises a titanium foil heater. Short pulses of heating the DC power are supplied to the heater at time points 922 and 923, causing a decrease in friction against snow, in contrast to the braking effect described in the same system above. The main difference of this embodiment is pulse braking. As shown in FIG. 69, the amount of heating energy is insufficient to melt the snow. In the absence of a melted layer, re-freezing does not occur, therefore there is no braking. However, as the heater heats the snow, friction is reduced. In the experiment shown in FIG. 69, the snow surface is heated by pulses from -10 ° C to about -1 ° C. The sliding body experiences a rapid increase in resting friction between the ice and the moving body at time 921 (for example, near time t equal to 31 s). The power source gives a power pulse to the electrodes at time points 922 and 923 (time t equal to 38 s and 42 s, respectively). In this embodiment, the sliding body stops at time 924, when time t is 50 s.

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)

1. Способ термического изменения границы раздела между льдом и объектом, заключающийся в том, что подают энергию нагрева на границу раздела для растапливания граничного слоя льда, ограничивают длительность подачи энергии нагрева на границу раздела, в результате чего энергия нагрева имеет расстояние рассеяния тепла во льду, которое не превышает толщину граничного слоя льда.1. The method of thermal change of the interface between the ice and the object, which consists in supplying heating energy to the interface to melt the boundary layer of ice, limit the duration of the supply of heating energy to the interface, as a result of which the heating energy has a heat dissipation distance in ice, which does not exceed the thickness of the boundary layer of ice. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева содержит этап, на котором подают на границу раздела мощность, величина которой, по меньшей мере, обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания граничного слоя льда.2. The method according to claim 1, characterized in that the step of supplying heating energy comprises a step at which power is supplied to the interface, the value of which is at least inversely proportional to the amount of energy used to melt the boundary layer of ice. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что этап ограничения длительности содержит этап, на котором ограничивают длительность этапа подачи мощности на границу раздела, в результате чего длительность, по меньшей мере, обратно пропорциональна квадрату величины мощности.3. The method according to claim 2, characterized in that the duration limiting step comprises the step of limiting the duration of the power supplying step to the interface, as a result of which the duration is at least inversely proportional to the square of the power value. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева содержит этап, на котором подают на границу раздела мощность, величина которой, по существу, обратно пропорциональна величине энергии, используемой для растапливания граничного слоя льда, а этап ограничения длительности содержит этап, на котором ограничивают длительность этапа подачи мощности на границу раздела, в результате чего длительность, по существу, обратно пропорциональна квадрату величины мощности.4. The method according to claim 1, characterized in that the step of supplying heating energy comprises a step at which power is supplied to the interface, the value of which is substantially inversely proportional to the amount of energy used to melt the boundary layer of ice, and the step of limiting the duration comprises a step in which the duration of the step of supplying power to the interface is limited, as a result of which the duration is substantially inversely proportional to the square of the power value. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап, на котором облегчают повторное замораживание граничного слоя льда, чтобы влиять на коэффициент трения между объектом и льдом.5. The method according to claim 1, characterized in that it further comprises the step of facilitating the repeated freezing of the boundary layer of ice in order to influence the coefficient of friction between the object and the ice. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что этап облегчения повторного замораживания содержит один или несколько этапов, на которых (1) ожидают повторного замораживания после этапа ограничения длительности, (2) обдувают границу раздела холодным воздухом, (3) распыляют воду на границе раздела.6. The method according to claim 5, characterized in that the step of facilitating re-freezing comprises one or more stages, in which (1) expect re-freezing after the stage of limiting the duration, (2) blow the interface with cold air, (3) spray water on interface 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что объект выбирают из группы, состоящей из конструкции самолета, ветрового стекла, зеркала, фары, линии электропередач, конструкции фуникулера, поверхности ротора ветряной установки, поверхности ротора вертолета, крыши, палубы, конструкции здания, дороги, конструкции моста, конструкции морозильника, антенны, спутниковой антенны, железнодорожной конструкции, конструкции туннеля, кабеля, дорожного знака, снегоступа, лыжи, сноуборда, конька и ботинка.7. The method according to claim 1, characterized in that the object is selected from the group consisting of an airplane structure, a windshield, a mirror, a headlight, a power line, a funicular structure, a wind turbine rotor surface, a helicopter rotor surface, a roof, a deck, a building structure , roads, bridge construction, construction of the freezer, antenna, satellite antenna, railway structure, construction of the tunnel, cable, road sign, snowshoe, ski, snowboard, skate and boot. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают энергию нагрева на границу раздела, чтобы растопить граничный слой льда, толщина которого меньше примерно пяти сантиметров.8. The method according to claim 1, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface comprises the step of supplying heating energy to the interface to melt the boundary layer of ice, the thickness of which is less than about five centimeters. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают энергию нагрева на границу раздела, чтобы растопить граничный слой льда, толщина которого меньше около одного миллиметра.9. The method according to claim 1, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface comprises the step of supplying heating energy to the interface to melt the boundary layer of ice, the thickness of which is less than about one millimeter. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают энергию нагрева на границу раздела, чтобы растопить граничный слой льда, толщина которого составляет от одного микрона до одного миллиметра.10. The method according to claim 1, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface comprises the step of supplying heating energy to the interface to melt the boundary layer of ice, the thickness of which is from one micron to one millimeter. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап ограничения длительности этапа подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают энергию на границу раздела в течение максимум 100 с.11. The method according to claim 1, characterized in that the step of limiting the duration of the stage of supplying heating energy to the interface contains a stage at which energy is supplied to the interface for a maximum of 100 s. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают мощность на нагревательный элемент, термически связанный с границей раздела.12. The method according to claim 1, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface contains a stage in which power is supplied to the heating element thermally connected to the interface. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают мощность на нагревательный элемент, находящийся внутри объекта.13. The method according to p. 12, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface contains a stage in which power is supplied to the heating element located inside the object. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором подают мощность на нагревательный элемент, находящийся на поверхности объекта и контактирующий с поверхностью раздела.14. The method according to p. 12, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface contains a stage at which power is supplied to the heating element located on the surface of the object and in contact with the interface. 15. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап подачи энергии нагрева на границу раздела содержит этап, на котором создают электрическое сопротивление для мощности с помощью нагревательного элемента.15. The method according to p. 12, characterized in that the step of supplying heating energy to the interface contains the stage of creating an electrical resistance for the power using the heating element. 16. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап ограничения длительности содержит этап, на котором регулируют длительность этапа подачи мощности согласно соотношению16. The method according to p. 12, characterized in that the step of limiting the duration comprises the stage of adjusting the duration of the stage of power supply according to the ratio
Figure 00000102
Figure 00000102
где: t - длительность; Тт - температура таяния льда; Т - температура окружающей среды; λл - коэффициент теплопроводности льда; ρл - плотность материала льда; сл - удельная теплоемкость льда; λп - коэффициент теплопроводности одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; ρп - плотность материала одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; сп - удельная теплоемкость материала одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; W - мощность.where: t is the duration; T t - the temperature of the melting ice; T is the ambient temperature; λ l - coefficient of thermal conductivity of ice; ρ l is the density of the ice material; with l - specific heat of ice; λ p - the coefficient of thermal conductivity of one or both of the object and / or heating element; ρ p - the density of the material of one or both of the object and / or the heating element; c p is the specific heat of the material of one or both of the object and / or the heating element; W is the power.
17. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап подачи мощности содержит этап, на котором регулируют энергию согласно соотношению:17. The method according to p. 12, characterized in that the step of supplying power contains a stage in which the energy is regulated according to the ratio:
Figure 00000103
Figure 00000103
где Q - энергия, которая термически растапливает граничный лед; Тт -температура, необходимая для растапливания граничного льда; Т - температура окружающей среды; λл - коэффициент теплопроводности льда; ρл - плотность материала льда; сл - удельная теплоемкость льда; λп - коэффициент теплопроводности одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; ρп - плотность материала одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; сп - удельная теплоемкость материала одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; W - мощность.where Q is the energy that thermally melts the boundary ice; T t is the temperature needed to melt the boundary ice; T is the ambient temperature; λ l - coefficient of thermal conductivity of ice; ρ l is the density of the ice material; with l - specific heat of ice; λ p - the coefficient of thermal conductivity of one or both of the object and / or heating element; ρ p - the density of the material of one or both of the object and / or the heating element; c p is the specific heat of the material of one or both of the object and / or the heating element; W is the power.
18. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап подачи мощности содержит этап, на котором регулируют энергию согласно соотношению18. The method according to p. 12, characterized in that the step of supplying power comprises the step of regulating the energy according to the ratio
Figure 00000104
Figure 00000104
где Q - энергия, которая термически растапливает граничный лед; Тт -температура, необходимая для растапливания граничного льда; Т - температура окружающей среды; λл - коэффициент теплопроводности льда; ρл - плотность материала льда; сл - удельная теплоемкость льда; λп - коэффициент теплопроводности одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; ρп - плотность материала одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; сп - удельная теплоемкость материала одного или обоих объекта и/или нагревательного элемента; dл - толщина граничного слоя льда; ρл - плотность льда; qл - скрытая теплота плавления льда; W - мощность; Снагр и ρнагр - удельная теплоемкость и плотность, соответственно, нагревательного элемента.where Q is the energy that thermally melts the boundary ice; T t is the temperature needed to melt the boundary ice; T is the ambient temperature; λ l - coefficient of thermal conductivity of ice; ρ l is the density of the ice material; with l - specific heat of ice; λ p - the coefficient of thermal conductivity of one or both of the object and / or heating element; ρ p - the density of the material of one or both of the object and / or the heating element; c p is the specific heat of the material of one or both of the object and / or the heating element; d l - the thickness of the boundary layer of ice; ρ l is the density of ice; q l - latent heat of melting ice; W is the power; With heating and ρ heating - specific heat capacity and density, respectively, of the heating element.
19. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап, на котором периодически повторяют этапы подачи и ограничения, чтобы генерировать требуемый коэффициент трения между объектом и льдом.19. The method according to claim 1, characterized in that it further comprises a step in which the feeding and limiting steps are periodically repeated in order to generate the required coefficient of friction between the object and the ice. 20. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап ограничения длительности содержит этап, на котором ограничивают длительность до величины от 1 мс до 10 с.20. The method according to claim 1, characterized in that the step of limiting the duration comprises a step in which the duration is limited to a value of from 1 ms to 10 s. 21. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап, на котором повторно подают мощность на границу раздела после повторного замораживания граничного слоя, чтобы избирательно регулировать коэффициент трения между льдом и объектом, когда объект перемещается по льду.21. The method according to claim 1, characterized in that it further comprises the step of repeatedly supplying power to the interface after re-freezing the boundary layer in order to selectively adjust the coefficient of friction between the ice and the object when the object moves on ice. 22. Способ по п.1, отличающийся тем, что лед содержит снег.22. The method according to claim 1, characterized in that the ice contains snow. 23. Способ по п.1, отличающийся тем, что объект содержит скользящее тело.23. The method according to claim 1, characterized in that the object contains a sliding body. 24. Способ по п.23, отличающийся тем, что скользящее тело содержит один элемент, выбранный из группы, состоящей из ботинка, сноуборда и лыжи.24. The method according to item 23, wherein the sliding body contains one element selected from the group consisting of a boot, snowboard and ski. 25. Способ регулирования коэффициента трения между объектом и льдом, заключающийся в том, что (1) подают импульсную энергию на границу раздела между объектом и льдом, чтобы растопить граничный слой льда на границе раздела и снизить коэффициент трения, (2) облегчают повторное замораживание граничного льда на границе раздела, чтобы повысить коэффициент трения, (3) повторяют этапы (1) и (2), чтобы регулировать средний коэффициент трения между объектом и льдом.25. A method of controlling the coefficient of friction between an object and ice, which consists in the fact that (1) supply pulsed energy to the interface between the object and ice in order to melt the boundary layer of ice at the interface and reduce the coefficient of friction, (2) facilitate the repeated freezing of the boundary ice at the interface to increase the coefficient of friction, (3) repeat steps (1) and (2) to adjust the average coefficient of friction between the object and the ice. 26. Способ по п.25, отличающийся тем, что этап облегчения повторного замораживания содержит этап, на котором перемещают объект по льду, чтобы снизить температуру объекта.26. The method according A.25, characterized in that the step of facilitating re-freezing comprises the step of moving the object on ice to reduce the temperature of the object. 27. Способ по п.25, отличающийся тем, что этап подачи импульсной энергии содержит этапы, на которых обдувают объект первым воздухом, причем первый воздух имеет температуру выше замерзания, и перемещают объект в контакте со льдом.27. The method according A.25, characterized in that the step of supplying pulsed energy comprises the steps of blowing the object with first air, the first air having a temperature above freezing, and moving the object in contact with ice. 28. Способ по п.27, отличающийся тем, что объект содержит автомобильную шину.28. The method according to item 27, wherein the object contains a car tire. 29. Способ по п.27, отличающийся тем, что этап облегчения повторного замораживания содержит этап, на котором обдувают объект вторым воздухом, причем второй воздух имеет температуру ниже температуры первого воздуха.29. The method according to item 27, wherein the step of facilitating re-freezing comprises the step of blowing the object with second air, the second air having a temperature lower than the temperature of the first air. 30. Скользящее тело, имеющее поверхность, предназначенную для контакта со снегом или льдом, содержащее источник питания для генерации мощности, нагревательный элемент для преобразования мощности в тепло на поверхности, причем тепла, достаточного для растапливания пограничного слоя льда на границе раздела, контроллер для регулирования длительности подачи тепла к нагревательному элементу для регулировки коэффициента трения между скользящим телом и льдом или снегом путем ограничения распространения тепла на границе раздела.30. A sliding body having a surface intended for contact with snow or ice, containing a power source for generating power, a heating element for converting power to heat on the surface, and heat sufficient to melt the boundary layer of ice at the interface, a controller for controlling the duration heat supply to the heating element to adjust the coefficient of friction between the sliding body and ice or snow by limiting the distribution of heat at the interface. 31. Скользящее тело по п.30, отличающееся тем, что скользящее тело имеет форму, выбранную из группы, состоящей из ботинка, сноуборда лыжи и снегоступа.31. The sliding body according to claim 30, wherein the sliding body has a shape selected from the group consisting of a boot, ski snowboard and snowshoe. 32. Скользящее тело по п.30, отличающееся тем, что источник питания содержит батарею.32. The sliding body of claim 30, wherein the power source comprises a battery. 33. Скользящее тело по п.30, отличающееся тем, что скользящее тело имеет форму, выбранную из группы, состоящей из лыжи, конька и сноуборда, при этом контроллер отвечает на команды пользователя, модулируя мощность, подаваемую на поверхность, в результате чего скорость скользящего тела является управляемой.33. The sliding body according to claim 30, wherein the sliding body has a shape selected from the group consisting of ski, skate and snowboard, while the controller responds to user commands, modulating the power supplied to the surface, resulting in a sliding speed The body is controllable. 34. Система термического изменения границы раздела льда с объектом, содержащая источник питания для генерации мощности, нагревательный элемент, подключенный к источнику питания, для преобразования мощности в тепло у границы раздела, контроллер, подключенный к источнику питания, для ограничения длительности подачи мощности на нагревательный элемент, в результате чего на границе раздела растапливается только граничный слой льда.34. The system of thermal change of the ice-object interface, containing a power source for generating power, a heating element connected to a power source to convert power to heat at the interface, a controller connected to a power source to limit the duration of power supply to the heating element as a result of which only the boundary layer of ice is melted at the interface. 35. Система по п.34, отличающаяся тем, что граничный слой имеет толщину менее пяти сантиметров.35. The system according to clause 34, wherein the boundary layer has a thickness of less than five centimeters. 36. Система по п.34, отличающаяся тем, что граничный слой имеет толщину от одного микрона до одного миллиметра.36. The system according to clause 34, wherein the boundary layer has a thickness of from one micron to one millimeter. 37. Система по п.34, отличающаяся тем, что источник питания способен генерировать мощность, величина которой, по существу, обратно пропорциональна величине энергии, необходимой для растапливания граничного льда, при этом контроллер способен ограничивать длительность, в результате чего длительность, по существу, обратно пропорциональна квадрату величины мощности.37. The system according to clause 34, wherein the power source is capable of generating power, the magnitude of which is essentially inversely proportional to the amount of energy needed to melt the boundary ice, while the controller is able to limit the duration, resulting in essentially inversely proportional to the square of the power value. 38. Система по п.34, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик, подключенный к контроллеру, для определения температуры границы раздела и для генерации сигнала обратной связи, сообщающего температуру контроллеру.38. The system according to clause 34, characterized in that it further comprises a sensor connected to the controller, to determine the temperature of the interface and to generate a feedback signal that reports the temperature to the controller. 39. Система по п.34, отличающаяся тем, что источник питания содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из батареи, конденсатора, маховика, высоковольтного источника питания.39. The system according to clause 34, wherein the power source contains at least one element selected from the group consisting of a battery, a capacitor, a flywheel, a high voltage power source. 40. Система по п.39, отличающаяся тем, что конденсатор выбран из группы, состоящей из, по меньшей мере, суперконденсатора, электролитического конденсатора и ультраконденсатора.40. The system according to § 39, wherein the capacitor is selected from the group consisting of at least a supercapacitor, an electrolytic capacitor and an ultracapacitor. 41. Система по п.34, отличающаяся тем, что нагревательный элемент содержит тонкую пленку из проводящего материала, которая переносит тепло от нагревательного элемента на границу раздела для изменения коэффициента трения между объектом и льдом.41. The system according to clause 34, wherein the heating element contains a thin film of conductive material that transfers heat from the heating element to the interface to change the coefficient of friction between the object and ice. 42. Система по п.34, отличающаяся тем, что нагревательный элемент содержит полупроводниковый материал для преобразования мощности в тепло на границе раздела для изменения коэффициента трения между объектом и льдом.42. The system according to clause 34, wherein the heating element comprises a semiconductor material for converting power to heat at the interface to change the coefficient of friction between the object and ice. 43. Система по п.34, отличающаяся тем, что дополнительно содержит переключатель, подключенный к контроллеру, для приема от контроллера управляющего сигнала на ограничение длительности подачи мощности на нагревательный элемент.43. The system according to clause 34, characterized in that it further comprises a switch connected to the controller, for receiving from the controller a control signal to limit the duration of the power supply to the heating element. 44. Система по п.34, отличающаяся тем, что источник питания, нагревательный элемент и контроллер конфигурированы с объектом, который образует границу раздела льда с объектом, причем объект выбран из группы, состоящей из самолета, ветрового стекла, зеркала, фары, линии электропередачи, конструкции фуникулера, ротора ветряной установки, ротора вертолета, крыши, палубы, конструкции здания, дороги, конструкции моста, конструкции морозильника, антенны, железнодорожной конструкции, конструкции туннеля, кабеля, поезда, корабля, буровой платформы, льдогенератора и дорожного знака.44. The system according to clause 34, wherein the power source, the heating element and the controller are configured with an object that forms an interface between the ice and the object, the object being selected from the group consisting of an airplane, a windshield, a mirror, a headlight, a power line , the construction of the funicular, the rotor of the wind turbine, the rotor of the helicopter, the roof, the deck, the construction of the building, the road, the construction of the bridge, the construction of the freezer, antenna, railway construction, the construction of the tunnel, cable, train, ship, drilling platform, generator and road sign. 45. Способ нагрева объекта до температуры Т, заключающийся в том, что подают на объект мощность W, величина которой приблизительно обратно пропорциональна энергии, достаточной для повышения температуры объекта до температуры Т, регулируют длительность подачи мощности W так, чтобы она была обратно пропорциональна W2.45. The method of heating an object to a temperature T, namely, that power W is supplied to the object, the value of which is approximately inversely proportional to the energy sufficient to raise the temperature of the object to a temperature T, the duration of the power supply W is regulated so that it is inversely proportional to W 2 . 46. Способ охлаждения объекта до температуры Т, заключающийся в том, что отбирают от объекта мощность W, величина которой обратно пропорциональна энергии, достаточной для понижения температуры объекта до температуры Т, регулируют длительность мощности W так, чтобы она была обратно пропорциональна W2.46. The method of cooling an object to a temperature T, namely, that power W is taken from the object, the value of which is inversely proportional to the energy sufficient to lower the temperature of the object to temperature T, the duration of the power W is adjusted so that it is inversely proportional to W 2 . 47. Антиобледенитель ветрового стекла, содержащий ветровое стекло, по существу прозрачный нагревательный элемент, размещенный совместно с ветровым стеклом, который генерирует тепло в результате подачи мощности в количестве, достаточном для растапливания граничного слоя льда на ветровом стекле, контроллер для ограничения длительности подачи тепла, так что глубина рассеяния тепла в лед меньше, чем толщина граничного слоя.47. A windshield de-icer comprising a windshield, a substantially transparent heating element placed in conjunction with a windshield that generates heat by supplying power in an amount sufficient to melt the boundary layer of ice on the windshield, a controller for limiting the duration of heat supply, that the depth of heat dissipation into ice is less than the thickness of the boundary layer. 48. Антиобледенитель ветрового стекла по п.47, отличающийся тем, что нагревательный элемент выбран из визуально прозрачного полупроводникового материала, имеющего запрещенную зону для электронов свыше около 3 эВ.48. The windshield de-icer according to Claim 47, wherein the heating element is selected from a visually transparent semiconductor material having a band gap for electrons above about 3 eV. 49. Антиобледенитель ветрового стекла по п.48, отличающийся тем, что материал содержит одно из веществ, выбранных из группы, состоящей из ZnO, ZnS и их смесей.49. The windshield de-icer according to claim 48, characterized in that the material contains one of the substances selected from the group consisting of ZnO, ZnS and mixtures thereof. 50. Антиобледенитель ветрового стекла по п.47, отличающийся тем, что нагревательный элемент выбран из прозрачного проводящего материала.50. The windshield de-icer according to Claim 47, wherein the heating element is selected from a transparent conductive material. 51. Антиобледенитель ветрового стекла по п.50, отличающийся тем, что материал содержит одно вещество, выбранное из группы, состоящей из оксида индия-олова (ITO), оксида олова, тонких металлических пленок и их смесей.51. The windshield de-icer according to claim 50, characterized in that the material contains one substance selected from the group consisting of indium tin oxide (ITO), tin oxide, thin metal films and mixtures thereof. 52. Антиобледенитель ветрового стекла по п.47, отличающийся тем, что дополнительно содержит защитное покрытие на нагревательном элементе.52. The windshield de-icer according to claim 47, further comprising a protective coating on the heating element. 53. Антиобледенитель ветрового стекла по п.47, отличающийся тем, что дополнительно содержит источник питания для генерации мощности.53. The windshield de-icer according to claim 47, characterized in that it further comprises a power source for generating power. 54. Антиобледенитель ветрового стекла по п.51, отличающийся тем, что источник питания содержит автомобильный аккумулятор.54. The windshield de-icer according to claim 51, wherein the power source comprises a car battery. 55. Антиобледенитель ветрового стекла по п.53, отличающийся тем, что толщина составляет от одного микрона до одного миллиметра.55. The windshield de-icer according to claim 53, wherein the thickness is from one micron to one millimeter. 56. Антиобледенитель ветрового стекла по п.53, отличающийся тем, что нагревательный элемент состоит из множества нагревательных элементов, образующих множество сегментированных областей, при этом контроллер способен подавать мощность на каждый из множества нагревательных элементов для удаления льда с сегментов ветрового стекла.56. The windshield de-icer according to claim 53, wherein the heating element consists of a plurality of heating elements forming a plurality of segmented areas, wherein the controller is capable of supplying power to each of the plurality of heating elements to remove ice from the windshield segments. 57. Способ изменения трения между объектом и льдом/снегом, заключающийся в том, что используют нагревательный элемент для подачи первого импульса тепловой энергии на границу раздела между объектом и льдом/снегом, причем первый импульс достаточен для растапливания граничного слоя льда/снега, примыкающего к объекту, повторно замораживают воду, образующую граничный слой, чтобы сформировать первую связь между объектом и льдом/снегом.57. A method of changing friction between an object and ice / snow, which consists in using a heating element to supply a first pulse of thermal energy to the interface between the object and ice / snow, the first pulse being sufficient to melt the boundary layer of ice / snow adjacent to re-freeze the water forming the boundary layer to form the first bond between the object and ice / snow. 58. Способ по п.57, отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы, на которых используют указанный нагревательный элемент для подачи второго импульса тепловой энергии после этапа повторного замораживания для повторного растапливания, по меньшей мере, части граничного слоя, повторно замораживают повторно растопленный граничный слой, чтобы сформировать вторую связь между объектом и льдом/снегом.58. The method according to p. 57, characterized in that it further comprises the steps of using the specified heating element to supply a second pulse of thermal energy after the stage of re-freezing to re-melt at least part of the boundary layer, re-frozen re-melted boundary layer to form a second bond between the object and the ice / snow. 59. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента прижимают горячий цилиндр к объекту в виде автомобильной шины.59. The method according to clause 57, wherein in the step of using the heating element, a hot cylinder is pressed against an object in the form of a car tire. 60. Способ по п.59, отличающийся тем, что дополнительно используют электрический нагрев горячего цилиндра.60. The method according to p. 59, characterized in that it further uses electric heating of the hot cylinder. 61. Способ по п.59, отличающийся тем, что на этапе повторной заморозки прижимают холодный цилиндр к автомобильной шине.61. The method according to p. 59, characterized in that at the stage of re-freezing press the cold cylinder to the car tire. 62. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе повторной заморозки используют автомобильный кондиционер.62. The method according to clause 57, characterized in that at the stage of re-freezing use automotive air conditioning. 63. Способ по п.57, отличающийся тем, что используют нагревательный элемент, содержащий металлический нагреватель, на этапе использования нагревательного элемента подают импульсную мощность на металлический нагреватель, термически связанный с границей раздела.63. The method according to clause 57, characterized in that they use a heating element containing a metal heater, at the stage of use of the heating element, pulsed power is supplied to a metal heater thermally connected to the interface. 64. Способ по п.57, отличающийся тем, что указанный нагревательный элемент выполнен из материала с низкой теплоемкостью.64. The method according to clause 57, wherein said heating element is made of a material with low heat capacity. 65. Способ по п.57, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап, на котором разряжают конденсатор на нагревательный элемент.65. The method according to clause 57, characterized in that it further comprises the step of discharging the capacitor to the heating element. 66. Способ по п.65, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап, на котором заряжают конденсатор от источника питания.66. The method according to p, characterized in that it further comprises the step of charging the capacitor from the power source. 67. Способ по п.66, отличающийся тем, что дополнительно используют переключатель для зарядки и, соответственно, разрядки конденсатора.67. The method according to p, characterized in that it further use a switch to charge and, accordingly, discharge the capacitor. 68. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента присоединяют горячую пластину через одно или несколько отверстий к основанию скользящего тела, примыкающему к льду/снегу.68. The method according to clause 57, wherein in the step of using the heating element, a hot plate is attached through one or more holes to the base of the sliding body adjacent to the ice / snow. 69. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента подают мощность электрического импульса на нагревательный элемент, соединенный с основанием объекта в виде лыжи.69. The method according to clause 57, wherein in the step of using the heating element, an electric pulse power is supplied to the heating element connected to the base of the object in the form of a ski. 70. Способ по п.69, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает активацию действия торможения лыжи посредством устройства, выбранного из группы, состоящей из ручного переключателя, переключателя движения лыжи, акселерометра, переключателя, активируемого давления, и датчика движения.70. The method according to p, characterized in that it further comprises activating the action of braking the ski by means of a device selected from the group consisting of a manual switch, a ski movement switch, an accelerometer, a switch, an activated pressure, and a motion sensor. 71. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента подают импульсную электрическую энергию на один или несколько нагревательных элементов в основании объекта в виде сноуборда.71. The method according to clause 57, wherein in the step of using the heating element, pulsed electrical energy is supplied to one or more heating elements at the base of the object in the form of a snowboard. 72. Способ по п.57, отличающийся тем, что дополнительно используют портативную батарею в качестве источника энергии на этапе использования нагревательного элемента.72. The method according to clause 57, wherein the portable battery is additionally used as an energy source during the use of the heating element. 73. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента используют лампу импульсного действия для нагрева объекта.73. The method according to clause 57, characterized in that at the stage of use of the heating element using a pulsed lamp to heat the object. 74. Способ по п.73, отличающийся тем, что объект имеет вид вращающейся шины, свет лампы временно нагревает соответствующие зоны шины, в которых растапливается слой, и вращение шины приводит к повторному замораживанию слоя.74. The method according to p, characterized in that the object has the appearance of a rotating tire, the lamp light temporarily heats the corresponding zones of the tire in which the layer is melted, and the rotation of the tire leads to repeated freezing of the layer. 75. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента используют металлическую щетку, расположенную напротив объекта в виде автомобильной шины.75. The method according to clause 57, characterized in that at the stage of use of the heating element using a metal brush located opposite the object in the form of a car tire. 76. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента используют лампу фотовспышки, облучающую слой через объект.76. The method according to clause 57, wherein in the step of using the heating element, a flash lamp is used that irradiates the layer through the object. 77. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе использования нагревательного элемента используют автомобильный выхлоп для нагрева горячего цилиндра.77. The method according to § 57, characterized in that at the stage of using the heating element, an automobile exhaust is used to heat a hot cylinder. 78. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе повторного замораживания используют автомобильный кондиционер.78. The method according to § 57, characterized in that at the stage of re-freezing using a car air conditioner. 79. Способ по п.57, отличающийся тем, что на этапе повторного замораживания используют электрический элемент Пельтье.79. The method according to p. 57, characterized in that at the stage of repeated freezing using an electric Peltier element. 80. Способ нагрева объекта до требуемой температуры, заключающийся в том, что накапливают тепловую энергию изолированно от объекта и в количестве, по меньшей мере, достаточном для нагрева объекта до нужной температуры, и регулируют физические и/или тепловые свойства границы раздела между тепловой энергией и объектом для переноса по меньшей мере части тепловой энергии на объект.80. A method of heating an object to a desired temperature, which consists in storing thermal energy in isolation from the object and in an amount at least sufficient to heat the object to the desired temperature, and regulating the physical and / or thermal properties of the interface between thermal energy and object to transfer at least part of the thermal energy to the object. 81. Способ по п.80, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап, на котором переносят энергию в граничный слой льда, чтобы нарушить прилипание льда к поверхности объекта, причем требуемая температура равна 0°С или выше.81. The method according to p. 80, characterized in that it further comprises the step of transferring energy to the boundary layer of ice in order to break the adhesion of ice to the surface of the object, the desired temperature being 0 ° C or higher. 82. Способ по п.80, отличающийся тем, что на этапе переноса нарушают прилипание льда к поверхности, по меньшей мере, одного из объектов, выбранных из группы, состоящей из самолета, крыла самолета, ветрового стекла автомобиля, лодки, дороги, моста, тротуара, морозильника, холодильника, ледогенератора, корабля, поезда, буровой платформы, здания, беговой дорожки, окна.82. The method according to p. 80, characterized in that at the stage of transfer violate the adhesion of ice to the surface of at least one of the objects selected from the group consisting of an airplane, an airplane wing, a car windshield, a boat, a road, a bridge, sidewalk, freezer, refrigerator, ice maker, ship, train, drilling platform, building, treadmill, window. 83. Способ по п.80, отличающийся тем, что на этапе регулировки переносят тепловую энергию с первой поверхности мембраны на вторую поверхность мембраны путем дефляции (спуска воздуха) мембраны.83. The method according to p. 80, characterized in that at the stage of adjustment transfer thermal energy from the first surface of the membrane to the second surface of the membrane by deflation (air exhaust) of the membrane. 84. Способ по п.80, отличающийся тем, что на этапе регулировки периодически подают импульсы на границу раздела для периодического нагрева объекта.84. The method according to p. 80, characterized in that at the stage of adjustment periodically apply pulses to the interface for periodic heating of the object. 85. Способ по п.80, отличающийся тем, что этап периодической подачи импульсов содержит этап, на котором периодически перемещают компоненты нагревательного элемента для изменения скорости теплопередачи между хранилищем тепла и объектом.85. The method according to p. 80, wherein the step of periodically supplying pulses comprises the step of periodically moving the components of the heating element to change the heat transfer rate between the heat storage and the object. 86. Способ по п.85, отличающийся тем, что компоненты содержат совокупность рифленых изолирующих элементов.86. The method according to p, characterized in that the components contain a combination of corrugated insulating elements. 87. Способ по п.86, отличающийся тем, что на этапе накопления нагревают жидкость и/или газ, на этапе регулировки пропускают жидкость и/или газ рядом с объектом, при этом происходит перенос тепловой энергии жидкости или газа на объект и объект нагревается.87. The method according to p, characterized in that at the stage of accumulation, the liquid and / or gas are heated, at the stage of adjustment, liquid and / or gas are passed near the object, while the thermal energy of the liquid or gas is transferred to the object and the object is heated. Приоритет по пунктам:Priority on points: 11.02.2002 по - пп.1-4, 6, 7, 8-20, 22-24, 34-48, 50-57; 02/11/2002 in accordance with claims 1-4, 6, 7, 8-20, 22-24, 34-48, 50-57; 23.07.2002 по - пп.5, 21, 25-29, 30-33, 58-80;07/23/2002 according to - pp. 5, 21, 25-29, 30-33, 58-80; 21.08.2002 по - пп.49, 81-88.08.21.2002 according to - pp. 49, 81-88.
RU2004127250/09A 2002-02-11 2003-02-10 Systems and methods for thermal change of ice-to-object interface RU2289892C2 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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