Способ и устройство для удаления льда с поверхностей

Способ и устройство для удаления льда с поверхностей

Реферат

 

Группа изобретений относится к технике нагревания льда и снега, а также изменения адгезионной прочности льда при его контакте с объектами. В одном из вариантов система, осуществляющая изменение адгезионной прочности прилипшего к поверхности объекта льда, включает в себя электрод, электрически изолированный от объекта, и источник постоянного тока, например батарею, подключенный к объекту и электроду. Предпочтительно имеется электроизоляционный материал, расположенный между объектом и электродом. В еще одном варианте на объект нанесен сегнетоэлектрический, диэлектрический с потерями, ферромагнитный или полупроводниковый материал. Электромагнитная энергия вызывает генерирование тепла покрытием, приводящее к таянию льда и снега. Группа изобретений позволяет повысить эффективность удаления льда и снега с поверхностей. 4 с. и 15 з.п. ф-лы, 31 ил., 2 табл.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам, системам и устройствам (конструкциям) для нагревания льда и снега и для изменения адгезионной прочности льда при контакте между льдом и выбранными объектами.

2. Постановка задачи

Адгезия льда к некоторым поверхностям создает много проблем. Например, избыточное скопление льда на крыльях самолета подвергает опасности самолет и пассажиров. Лед на корпусах кораблей создает навигационные затруднения, затраты дополнительной мощности на навигацию по воде и льду, а также определенные небезопасные условия. Необходимость скалывать лед, который образуется на ветровых стеклах автомобилей, затрагивает большинство взрослых людей как надоедливая периодическая обязанность, и любой остаточный лед создает риск уменьшения обзора и безопасности водителя.

Обледенение и адгезия льда также создают проблемы, связанные с лопастями вертолетов и с дорогами общего пользования. Миллиарды долларов тратятся на удаление льда и снега и борьбу с ними. Лед также прилипает к металлам, пластмассам, стеклам и керамике, создавая другие ежедневные трудности. Обледенение на линиях электропередачи также является источником проблем. Обледенение добавляет вес линиям электропередачи, что вызывает перерывы подачи электроэнергии, вследствие чего на прямые и косвенные затраты расходуются миллиарды долларов.

Среди известных технических решений существуют различные способы борьбы с адгезией льда, хотя большинство из них предусматривают некоторую форму скалывания, оттаивания или отламывания. Например, в авиационной промышленности применяется антиобледенительный раствор, такой как этиленгликоль, которым смачивают крылья самолета для таяния находящегося на них льда. Этот процесс является и дорогим и опасным для окружающей среды; вместе с тем, угроза безопасности пассажиров ограничивает его применение. В других самолетах применяют резиновую трубку, уложенную вдоль крыла самолета перед ним, причем эту трубку периодически надувают для отламывания любого льда, отложившегося на ней.

Эти известные способы имеют ограничения и связаны с затруднениями. Во-первых, винтовые самолеты не имеют реактивных двигателей. Во-вторых, резиновые трубки перед крыльями самолета аэродинамически неэффективны. В третьих, затраты на устранение обледенения исключительно высоки, на уровне 2500-3500 долларов США на каждый случай применения, а количество таких случаев применения на некоторых самолетах может достигать примерно десяти раз в сутки. Применительно к другим типам объектов, распространенным является нагревание льда и снега. Но нагревание некоторых объектов непрактично с технической точки зрения. Кроме того, большие энергозатраты и сложные нагревательные устройства часто делают нагревание слишком дорогим.

Вышеупомянутые проблемы в основном являются следствием предрасположенности льда к образованию на поверхностях и прилипанию к ним. Вместе с тем, лед также создает трудности, связанные с тем, что он имеет исключительно низкий коэффициент трения. Например, каждый год лед на проезжей части дороги вызывает многочисленные автомобильные аварии, ценой которых является как человеческая жизнь, так и большой ущерб имуществу. Если бы автомобильные шины эффективнее сцеплялись со льдом, то, вероятно, было бы меньше аварий.

РЕШЕНИЕ

В некоторых конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения, электрическую энергию подают в виде смещения постоянного тока (ПТ) на поверхность раздела между льдом и объектом, который покрыт льдом. В результате, адгезионная прочность льда при контакте между льдом и поверхностью объекта уменьшается, давая возможность удалить лед с объекта за счет ветровой нагрузки, бафтинга или путем легкой очистки щеткой.

Другие вышеупомянутые проблемы можно было бы уменьшить, если бы была увеличена адгезионная прочность льда при контакте между льдом и поверхностями объектов. Например, если бы адгезионная прочность льда при контакте между автомобильными шинами и заледеневшими проезжими частями дорог была увеличена, тогда уменьшилось бы скольжение и количество аварий.

Если на поверхности раздела льда и находящегося с ним в контакте объекта генерируется заряд, то можно избирательно изменять адгезию между льдом и объектом.

В одном аспекте, изобретение обеспечивает источник питания, подсоединяемый с возможностью приложения напряжения постоянного тока к поверхности раздела между льдом и поверхностью, на которой этот лед образуется. Например, объект, имеющий проводящую поверхность, может быть крылом самолета или корпусом корабля (или даже краской, нанесенной на конструкцию). Подсоединяют к поверхности первый электрод, наносят непроводящий или электроизоляционный материал в виде сетки на поверхность, и формируют второй электрод путем нанесения проводящего материала, например, проводящей краски, поверх изоляционного материала, но без контакта с поверхностью. Площадь поверхности второго электрода должна быть малой по сравнению с общей площадью, которую должна защищать система. Например, площадь поверхности защищаемого объекта (т.е. площадь, которую намереваются поддерживать "свободной от льда") должна быть, по меньшей мере, в десять раз больше, чем площадь поверхности второго электрода.

Один или более проводов соединяют второй электрод с источником питания, и одновременно один или более проводов соединяют первый электрод с источником питания. Образование льда на поверхности и втором электроде в виде проводящей сетки замыкает цепь. Затем избирательно подают в эту цепь напряжение, которое регулируемым образом изменяет адгезионную прочность льда при контакте между льдом и объектом.

Кроме того, к цепи предпочтительно подсоединена подсистема регулятора напряжения, чтобы таким образом регулировать напряжение, приложенное к поверхности раздела, и тем самым добиться регулирования адгезионной прочности льда. Лед, включающий в себя ионы различной концентрации, может изменять оптимальное напряжение, при котором адгезионная прочность льда является минимальной, и поэтому подсистема регулятора напряжения обеспечивает механизм, с помощью которого можно избирательно изменять этот минимум.

К цепи предпочтительно подсоединены и другие подсистемы для обеспечения других особенностей, например обнаружения замыкания цепи водой или льдом. В одном аспекте, источник питания является источником питания постоянного тока (например, батареей), который подает напряжение в цепь и который соединен с антиобледенительными электродами. В еще одном аспекте, к цепи подсоединен амперметр постоянного тока для измерения удельной электропроводности льда по постоянному току (т.е. полупроводникового слоя, который "закорачивает" оба электрода, когда образуется на поверхности и любой части второго электрода в виде сетки). В еще одном аспекте, к цепи подсоединен источник питания переменного тока для избирательного генерирования напряжений переменного тока с частотой в диапазоне между примерно 10 и 100 кГц. Согласно еще одному аспекту к цепи также подсоединен амперметр переменного тока для измерения удельной электропроводности льда по переменному току на частотах в диапазоне 10-100 кГц. И в еще одном аспекте, компаратор токов сравнивает удельные электропроводности по переменному току и постоянному току.

Таким образом, эти аспекты обеспечивают получение схем, которые могут, например, различать, когда полупроводниковый слой, образовавшийся на поверхности, является льдом, что может быть опасно, или поверхностной водой. У воды удельная электропроводность по переменному току (в вышеупомянутом диапазоне частот) и удельная электропроводность по постоянному току, по существу, одинаковы. Вместе с тем, что касается льда, то его удельная электропроводность по переменному току и удельная электропроводность по постоянному току различаются по величине на два-три порядка. Эту разность удельных электропроводностей измеряют с помощью соответствующих амперметров, сравнивая их показания в компараторе токов. Когда разность удельных электропроводностей больше, чем предварительно определенное контрольное значение, компаратор токов выдает аварийный сигнал обледенения. В этот момент, подсистема регулятора напряжения может работать, подавая в цепь, а значит и на поверхность раздела, смещение постоянного тока с требуемой напряженностью поля, что значительно уменьшает адгезионную прочность льда. Согласно одному аспекту настоящего изобретения, когда на крыле самолета обнаруживают лед, аварийный сигнал обледенения инициирует срабатывание контура обратной связи в системе, которая (а) измеряет удельные электропроводности льда, (б) определяет подходящие напряжения смещения для достижения условий минимальной (или почти минимальной) адгезии льда, и (в) прикладывает напряжение смещения к поверхности раздела "лед - крыло" для облегчения удаления льда.

Специалисты в данной области техники должны признать, что вышеописанная система может быть применена к поверхностям многих объектов, где она желательна для уменьшения адгезионной прочности льда, например, на ветровых стеклах легковых автомобилей, корпусах кораблей и линиях электропередачи. В таких случаях, если поверхность объекта является плохо проводящей, желательно "легировать" поверхность объекта так, чтобы она стала удовлетворительно проводящей. Методы легирования известны специалистам в данной области техники. Например, автомобильные шины можно легировать йодом, чтобы резина стала проводящей. Точно так же, (ветровое) стекло автомобиля можно легировать либо ITO, либо SnO₂ с присадкой фтора, чтобы это ветровое стекло стало приемлемым полупроводником.

В соответствии с изобретением в предпочтительных конкретных вариантах его осуществления, лед легируют солью, что увеличивает удельную электропроводность льда при смещении постоянного тока и усиливает влияние смещения постоянного тока на адгезионную прочность. Легирование предпочтительно осуществляют путем нанесения пористого материала на поверхность защищаемого объекта. Пористый материал пропитывают солью, а затем этот пористый материал высвобождает малые количества соли в лед, когда тот образуется. Объект, защищаемый от льда и снега, также можно легировать для увеличения удельной электропроводности этого объекта, особенно на его поверхности.

В соответствии с изобретением в еще одном конкретном варианте его осуществления, на поверхность защищаемого объекта наносят самособирающийся монослой (CM). Материал, образующий СМ, выбирают таким, чтобы он имел высокую адгезию к поверхности. Материал СМ также выбирают либо гидрофобным, либо гидрофильным, чтобы уменьшить или увеличить адгезионную прочность льда.

В еще одном аспекте, изобретение обеспечивает систему и способ устранения обледенения линий электропередачи и других объектов. Поверхность объекта, такого как линии электропередачи, покрывают материалом, который поглощает электромагнитную энергию. Поглощение электромагнитной энергии вызывает нагревание линий электропередачи до температуры, которая выше температуры таяния льда. Материал покрытия может быть сегнетоэлектрическим, полупроводниковым или ферромагнитным материалом. В одном конкретном варианте осуществления, покрытие обладает свойствами, которые зависят от конкретной температуры, определяемой на основании либо диэлектрических, либо магнитных потерь. Эти свойства вызывают поглощение электромагнитной энергии и происходящее в результате этого нагревание проводов только тогда, когда температура окружающей среды падает ниже температуры таяния льда. В альтернативном варианте, материал покрытия можно "включать" и "выключать", если для нагревания покрытия применяется отдельный источник питания.

В одном конкретном варианте, сам лед применяют в качестве диэлектрического покрытия с потерями на высокой частоте порядка 60 кГц. Кроме того, можно применить нагрев за счет поверхностного эффекта на высокой частоте для таяния льда или снега на линиях электропередачи.

Ниже приводится описание изобретения в связи с предпочтительными конкретными вариантами осуществления, и для специалистов в данной области техники будет очевидно, что можно осуществить различные дополнения, изъятия и изменения в рамках объема притязаний изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное представление об изобретении можно получить, обратившись к чертежам, на которых

фиг.1 иллюстрирует зависимость между молекулярной поляризацией Р и плотностью пространственного заряда как функцию расстояния от поверхности раздела "лед - металл",

фиг.2 изображает устройство для исследования влияния смещения постоянного тока на адгезию льда к твердым металлам,

фиг.3 (и поперечное сечение на фиг.4) изображают систему

в соответствии с изобретением, которая работает, уменьшая адгезию льда, образовавшегося на поверхности,

фиг.5 иллюстрирует систему для приложения смещения постоянного тока для уменьшения адгезии льда в соответствии с изобретением,

фиг.6 изображает конкретный вариант осуществления, предусматривающий наличие пористого материала, легированного ионами, в соответствии с изобретением,

фиг.7 изображает конкретный вариант осуществления, предусматривающий наличие самособирающегося монослоя,

фиг.8 изображает конкретный вариант осуществления изобретения, пригодный для уменьшения толщины или удаления льда с линий электропередачи, имеющих покрытие,

фиг.9 показывает поперечное сечение линии электропередачи, имеющей покрытие и изготовленной в соответствии с изобретением,

фиг.10-12 показывают результаты вычислений мощности нагревания в единицах Вт/м как функции напряжения при использовании разных толщин диэлектрического покрытия,

фиг.13 показывает теплопередачу от проводника диаметром 2,5 см при T 10C,

на фиг.14 теплопередача изображена в виде графика функции диаметра проводника при скорости ветра 10 м/с,

фиг.15 показывает температурную зависимость нормализованной мощности нагревания покрытия из ZnO толщиной 1 мм на линии электропередачи мощностью 1000 МВт, где температура таяния льда составляет 273 К,

фиг.16 показывает эквивалентную электрическую цепь линии электропередачи без покрытия,

фиг.17 показывает эквивалентную электрическую цепь линии электропередачи с покрытием,

фиг.18 изображает усовершенствованную конструкцию и систему в соответствии с изобретением для борьбы со льдом и снегом на линии электропередачи,

фиг.19 изображает поперечный разрез линии электропередачи, содержащей сетевую линию электропередачи и изоляционный слой,

фиг.20 изображает антиобледенительную систему линии электропередачи, сконструированную в соответствии с изобретением,

фиг.21 показывает усовершенствованный конкретный вариант осуществления, предназначенный для нагревания в соответствии с изобретением и предусматривающий наличие конструкции и системы, при которых источник питания переменного тока запитывает покрытия вместо межпроводного электрического поля,

фиг.22 раскрывает сущность возможной конфигурации трансформатора, устанавливаемого на линии электропередачи,

фиг.23 изображает принципиальную электрическую схему, в которой применяются два резонансных контура для предотвращения пропускания напряжения частотой 6 кГц в источник питания частотой 60 Гц,

фиг.24 изображает обобщенную конструкцию и систему в соответствии с изобретением, в которых диэлектрическое или сегнетоэлектрическое покрытие применяется для устранения обледенения неактивной поверхности (т.е. поверхности без внутренних электрических полей переменного тока),

фиг.25 изображает поперечное сечение структуры с отстоящими друг от друга электродами,

фиг.26 изображает вид сверху конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.25,

фиг.27 изображает структуру, содержащую поверхность подложки, на которой размещены отстоящие друг от друга полосковые электроды,

фиг.28 изображает антиобледенительную систему, в которой сам лед применяется в качестве диэлектрического покрытия с потерями,

фиг.29 показывает график, на котором мощность нагревания, в единицах Вт/м, отображена как функция расстояния m, в метрах, от источника питания,

фиг.30 показывает общий эффект нагревания на расстоянии 3000 м в линии электропередачи, в которой применяется нагревание как за счет диэлектрических потерь, так и за счет поверхностного эффекта, и

фиг.31 изображает расчетное процентное затухание эффектов нагревания для усовершенствованного конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.30, на расстоянии 50 км.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение включает в себя способы, системы и конструкции (структуры), которые способствуют удалению льда и снега с поверхностей объектов. В некоторых конкретных вариантах осуществления, изменение адгезионной прочности льда при контакте с такими объектами, как металлы и полупроводники, достигается путем приложения смещения постоянного тока к поверхности раздела между льдом и этими объектами. Таким образом, можно применять изобретение для уменьшения, а в некоторых случаях - устранения, адгезии льда к поверхностям таких объектов.

В некоторых конкретных вариантах осуществления, изобретение способствует изменению электростатических взаимодействий, которые позволяют образоваться связям между льдом и металлами. Эти взаимодействия эффективно изменяются (либо уменьшаются, либо увеличиваются) путем приложения малого смещения постоянного тока (ПТ) между льдом и металлами.

В некоторых конкретных вариантах осуществления, изобретение включает в себя системы и способы применения материалов покрытий, поглощающих электромагнитную энергию. Это поглощение будет приводить к нагреванию материала покрытия и объекта с покрытием, в результате чего будет происходить таяние льда.

Лед обладает определенными физическими свойствами, которые позволяют с помощью настоящего изобретения селективно изменять адгезию льда к проводящим (и полупроводниковым) поверхностям. Если на поверхности, вступающей в контакт со льдом, генерируют заряд, то можно избирательно изменять адгезию между двумя поверхностями. Прежде всего, лед является протонным полупроводником, это малый класс полупроводников, носителями заряда которых являются протоны, а не электроны. Это явление является следствием водородных связей во льду. Аналогично типичным полупроводникам, носителями заряда в которых являются электроны, лед является электропроводным веществом, хотя удельная электропроводность у него, как правило, низкая.

Еще одно физическое свойство льда заключается в том, что его поверхность покрыта жидкостеобразным слоем (ЖС). ЖС имеет важные физические характеристики. Во-первых, ЖС имеет толщину лишь в нанометрическом диапазоне. Во-вторых, его вязкость находится в таком диапазоне, что он может существовать в состояниях от водообразного - при температурах замерзания или близких к ним - до очень вязкого при пониженных температурах. Кроме того, ЖС существует при таких низких температурах, как - 100С.

ЖС также является основным фактором адгезионной прочности льда. Совокупность полупроводниковых свойств льда и ЖС позволяет избирательно манипулировать адгезионной прочностью льда при контакте между льдом и другими объектами. В общем случае, молекулы воды в куске льда ориентированы произвольным образом. Вместе с тем, молекулы на поверхности ориентированы, по существу, в одном и том же направлении - либо наружу, либо внутрь. В результате все их протоны, а значит и положительные заряды, "обращены" либо наружу, либо внутрь. Хотя точный механизм (ориентации) неизвестен, вероятно, он таков, что неупорядоченность молекул воды переходит в упорядоченную ориентацию внутри ЖС. Вместе с тем, практическим результатом упорядочивания является то, что на поверхности имеет место высокая плотность электрических зарядов, либо положительных, либо отрицательных. Поэтому, если на поверхности, вступающей в контакт со льдом, генерируют заряд, то можно избирательно изменять адгезию между двумя поверхностями. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, приложенное извне электрическое смещение на поверхности раздела льда и другой поверхности уменьшает или увеличивает адгезию льда к другому объекту.

Фиг.1 иллюстрирует зависимость между молекулярной поляризацией Р и плотностью пространственного заряда как функцию расстояния от поверхности раздела "лед - металл". На фиг.1 электрический заряд, индуцируемый в металле, равен по величине и противоположен по знаку заряду во льду. На графике, показанном на фиг.1, плотность заряда внутри льда (кривая 14b) у поверхности раздела "лед - металл" (данные 14а) и внутри металла или диэлектрического материала (кривая 14b) у той же поверхности раздела отображена на графике как функция расстояния от поверхности раздела. Значение x/L, отложенное по абсциссе, представляет собой долю расстояния L, известную как Дебаевский радиус экранирования. Взаимодействие между зарядами на поверхности льда и зарядом, индуцируемым в твердом объекте, оказывает влияние на прочность поверхности раздела "лед - твердый объект".

Были проведены сложные расчеты энергии электростатического взаимодействия между зарядами на поверхности льда и металлами, и они согласуются с эмпирически измеренными значениями, указывая, что энергия взаимодействия обычно находится в диапазоне от 0,01 до 0,5 Дж/м² при температуре -10С. Нижний предел 0,01 Дж/м² соответствует чистому льду, тогда как значение верхнего предела, 0,5 Дж/м², соответствует льду, сильно легированному солью.

Поскольку электростатические взаимодействия вносят вклад в адгезию льда, адгезионная прочность при контакте между льдом и проводящим материалом (например, металлом или полупроводником) изменяется за счет внешнего смещения постоянного тока, прикладываемого к поверхности раздела "лед - материал".

Лед включает в себя полярные молекулы воды, которые интенсивно взаимодействуют с любой твердой подложкой, которая обладает диэлектрической проницаемостью, отличающейся от диэлектрической проницаемости льда. Кроме того, имеется опыт теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающий существование поверхностного заряда во льду. Этот поверхностный заряд тоже может взаимодействовать с подложкой.

ПРИМЕР 1

Исследовали влияние смещения постоянного тока на адгезию льда к твердым металлам. Применяли систему 50, показанную на фиг.2. Пространство между стальными трубами 52 заполняли 0,5%-ным раствором NaCl в воде, а затем помещали систему 50 в холодную комнату с температурой -10С. Многочисленные системы 50 также заполняли соленой водой. Соленость воды была близкой к солености обычной океанской воды. Все образцы перед испытаниями выдерживали внутри холодной комнаты в течение трех часов, т.е. времени, достаточного для замерзания воды и освобождения образовавшегося льда от внутреннего напряжения. Максимальную прочность на сдвиг поверхности 54 раздела "лед сталь" измеряли, когда образцы были нагружены (посредством нагружающей ячейки 56, с приложением силы 58) с постоянной скоростью деформации 100 мкм/мин. Прикладывали смещение постоянного тока в диапазоне от -21 до + 21 В и поддерживали его между трубками 52 из нержавеющей стали в начале нагружения. Тефлоновые крышки 60 допускали перемещение внутренней трубки 52а относительно льда. Приложение постоянного тока (ПТ) от источника 63 обеспечивает смещение ПТ во время эксперимента.

Система 50 поддерживалась платформой 64. Изоляционный шарик 66 термически и электрически отключал нагружающую ячейку 56 от остальной части системы 50.

Во время механических испытаний записывали электрический ток, нагрузку и температуру в накопителе на жестком диске компьютера. Для записи данных использовали плату сбора данных системы сбора данных ССД-1800 (DAS-1800) и программное обеспечение "Лэб Вью" (Lab View).

Поскольку адгезия льда весьма чувствительна к концентрации соли, то эту концентрацию измеряли в оттаявших образцах после испытаний. До и после этого, поверхности трубок 52 из нержавеющей стали омывали омывателем, содержащим мягкий абразив, промывали сначала в дистиллированной воде, потом в метаноле, и снова в дистиллированной воде. Процедуры очистки и регулирования концентрации соли важны для воспроизводимости данных.

Чтобы определить, вызывает ли приложение смещения постоянного тока (из источника 63) изменение температуры льда, во время нескольких испытаний помещали термопару (не показана) в лед 62 между трубками 52 из стали. В пределах точности этих испытаний (±0,05С), изменение температуры не наблюдалось.

Результаты таких испытаний сведены в таблицу 1, приводимую ниже, которая иллюстрирует тот факт, что при напряжениях, примененных в процессе испытаний, наблюдалось значительное уменьшение максимальной прочности Т_макс на сдвиг на границах раздела. В частности, этот эффект был значительным при V=+6,6 В.

Фиг.3 (и поперечное сечение на фиг.4) изображают систему 100 в соответствии с изобретением. Система 100 работает, уменьшая адгезию льда 102, образовавшегося на поверхности 106 объекта 104. Система 100 образует цепь, которая включает в себя объект 104, проводящую сетку 114 (включая иллюстративные точки "А"-"F" на этой сетке) и источник 116 питания. Сетка 114 вывешена над поверхностью 106, так что она остается электрически изолированной от объекта 104.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, вывешивание сетки 114 над поверхностью 106 достигается посредством применения изоляционной сетки 118, располагаемой между сеткой 114 и поверхностью 106. Фиг.4 иллюстрирует сетку 118 более подробно. Поперечное сечение, изображенное на фиг.4, показано не в масштабе, чтобы проиллюстрировать взаимосвязь изоляционной сетки 118 и проводящей сетки 114. На самом же деле, толщина (в размере, показанном на фиг.4) сеток 114, 118 может быть гораздо меньше одного дюйма (25,4 мм) (и даже такой малой, как 0,254-0,508 мм (0,010-0,020 дюйма)), так что эти сетки можно считать "покрытиями". Например, сетка 118 может быть выполнена из тонкого покрытия, состоящего из электроизоляционной краски, тогда как сетка 114 может быть выполнена из тонкого покрытия, состоящего из электропроводной краски. Сетка 114 подсоединена таким образом, что может функционировать как одиночный электрод, и поэтому объект 106 становится первым электродом системы 100, а сетка 114 становится вторым электродом в цепи.

Сетки 114 и 118 также могут быть гибкими, формуемыми на поверхности 106, которая может иметь любую форму, несмотря на то, что изображена плоская поверхность 106. Например, объект 110 может представлять собой крыло самолета или ветровое стекло легкового автомобиля, а сетки 114, 118 могут иметь форму, совпадающую с формой объекта 110.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления, обсуждаемом ниже со ссылками на фиг.6, между объектом 110 и изоляционной сеткой 118 расположен пористый легирующий слой.

Когда лед 102 образуется на поверхности 106, цепь системы 100 замыкается, поскольку лед 102 "работает" как полупроводник (что обсуждалось выше). Когда цепь замкнута, источник 116 питания подает смещение постоянного тока на поверхность раздела меду льдом 102 и объектом 110. Это смещение, как правило, меньше нескольких вольт, поэтому в качестве источника питания 116 может функционировать батарея.

Величина смещения зависит от требуемого приложения. В случае ветрового стекла легкового автомобиля или крыла самолета, смещение выбирают таким образом, что в результате имеет место минимальная (или почти минимальная) адгезия льда, облегчая тем самым удаление льда 102 с объекта 110.

К цепи с системой 100 также предпочтительно подсоединена подсистема 122 регулятора напряжения. Как подробнее описано ниже, подсистема 122 регулятора напряжения работает в обратной связи с цепью и источником 116 питания, чтобы уменьшать или увеличивать смещение постоянного тока оптимальным образом. Например, эта подсистема может включать в себя схемы и микропроцессор 124 для измерения данных, поступающих из цепи, и для определения удельной электропроводности (и/или температуры) льда 102. В свою очередь, такие измерения используются подсистемой 122 для генерирования сигнала, который эффективно изменяет величину смещения постоянного тока, приложенного к цепи. Конкретно, в одном варианте осуществления, источник 116 питания реагирует на упомянутый сигнал для генерирования "правильного" напряжения на поверхности раздела "лед - объект". Значение смещения постоянного тока можно запоминать в запоминающем устройстве 126 в подсистеме 122, например - в справочной таблице, и это значение может быть основано на экспериментальных данных. Например, лед с удельной электропроводностью "X" (которую подсистема измеряет предпочтительно в режиме реального времени), находящийся в контакте с объектом 110, имеющим удельную электропроводность "Y" (известную априори, поскольку система 100 установлена вместе с объектом 110 для конкретного приложения), будут использованы посредством справочной таблицы в запоминающем устройстве 126 для определения напряжения, которое нужно приложить к поверхности раздела "лед - объект".

Электрод 114 в виде сетки предпочтительно располагают так, чтобы гарантировать (настолько, насколько это возможно), что лед 102, образовавшийся на поверхности 106, будет находиться в контакте, по меньшей мере, с одной частью сетки 114. Например, обращаясь к фиг.3, отмечаем, что лед 102 вступает в контакт с несколькими зонами сетки 114, включая контакт в точках "С"-"Е". Следовательно, цепь системы 100 будет замкнута, так как лед 102 соответственно "закорачивает", по меньшей мере, часть сетки на электроды 110 в виде объекта.

Реальный размер шага между проводящими зонами сетки 114, например, такими, как зона сетки 114, показанная на фиг.3, следует выбирать для конкретного приложения. В качестве примера отметим, что если поверхность 106 является поверхностью крыла самолета, то этот шаг может быть относительно большим, например - соответствующим площади ячейки сетки, составляющей больше 929,03 см² (одного квадратного фута).

В качестве примера отметим, что фиг.5 иллюстрирует систему 150, сконструированную в соответствии с изобретением. Одним электродом подсистемы 170 является крыло 152 самолета. Крыло 152 самолета электрически подключено к заземлению 154. Источник 156 питания постоянного тока электрически подключен к амперметру 158 постоянного тока. Амперметр 158 постоянного тока электрически подключен к фильтру 160. Фильтр 160 электрически подключен посредством провода 161 к проводящей краске 162 (или другому эквиваленту, форма которого совпадает с формой крыла), которая нанесена на изоляционный слой 164, закрепленный на крыле 152 самолета.

Изоляционный слой 164 и проводящая краска 162 предпочтительно расположены как трафарет в виде сетки, такой как описанная в связи с фиг.3 и 4. Поэтому источник 156 питания подсоединен к проводящей краске 162 и к заземлению через электрод 152 в виде крыла. Когда на крыле 152 образуется лед, цепь закорачивается этим льдом, и к поверхности раздела прикладывается смещение постоянного тока для уменьшения адгезии льда и облегчения удаления льда.

Как правило, общая площадь, покрытая изоляционным слоем 164, не превышает примерно 1% защищаемой поверхности. Таким образом, изготовитель, имеющий данные предыдущих исследований или другие данные по типичным отложениям льда для конкретного крыла или другой защищаемой конструкции, может выбрать тип наносимой сетки.

Напряжение, прикладываемое между электродом 162 в виде сетки и электродом 152 в виде крыла (или другой поверхности), обычно регулируют до достижения диапазона от одного до шести вольт при соответствующем токе менее 1 А на 1 м² площади сетки.

Специалисты в данной области техники поймут, что для изготовления системы 100 можно использовать огромное множество промышленно поставляемых изоляционных лаков и проводящих красок и что конкретную марку нужно выбирать после испытаний, включающих моделирование льда. Кроме того, оптимальный шаг сетки (например, зоны 128, показанной на фиг.3) также нужно определять экспериментальным путем или посредством анализа для конкретной конструкции.

Снова обращаясь к фиг.5, отмечаем, что амперметр 158 постоянного тока также может быть подключен к подсистеме 170 обратной связи. Подсистема 170 обратной связи в свою очередь электрически подключена к источнику 156 питания постоянного тока для "регулирования" смещения постоянного тока, прикладываемого к поверхности раздела "лед - крыло", в зависимости от таких характеристик, как удельная электропроводность и температура льда. Поэтому с цепью 150 предпочтительно соединен датчик 172 температуры, предназначенный для измерения температуры льда 174.

Дополнительные признаки системы 150 могут включать в себя источник 176 питания переменного тока (работающий в диапазоне частот от примерно 10 и 100 кГц), электрически подключенный к амперметру 178 переменного тока, который в свою очередь подключен к проводящей краске 162. Как к амперметру 178 переменного тока, так и к амперметру 158 постоянного тока электрически подключен компаратор 180 токов.

В состав системы 150 также может входить подсистема 182 аварийного сигнала обледенения. Компаратор 180 токов может быть подключен, например, к подсистеме 182 аварийного сигнала обледенения и к подсистеме 170 обратной связи, чтобы инициировать некоторые события, например, те, о которых речь пойдет ниже.

Амперметр постоянного тока можно использовать для измерения удельной электропроводности цепи 150 по постоянному току. Сигнал измерения удельной электропроводности по постоянному току подается в подсистему 170 обратной связи, которая в свою очередь регулирует ток, подаваемый источником 156 питания постоянного тока в компаратор 180 токов.

Амперметр переменного тока можно использовать для измерения удельной электропроводности цепи 150 по переменному току в пределах диапазона применяемых частот, например 10-100 кГц.

Сигнал измерения удельной электропроводности по переменному току подается в компаратор 180 токов (и, по выбору, в подсистему 170 обратной связи для вычисления отношения удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току, а также для обработки данных). Сравнение удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току используется системой 150 для установления различия между водой и льдом, наличие которых в обоих случаях "закорачивает" и замыкает цепь. В частности, отношение удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току в случае льда имеет величину на 2-3 порядка больше, чем в случае воды, обеспечивая сигнал, измерение которого позволяет легко отличить лед от воды.

Когда на крыле 152 образуется лед, компаратор 180 токов выдает сигнал в подсистему 170 обратной связи, которая