Системы и способы изменения границы раздела между льдом и объектом

Системы и способы изменения границы раздела между льдом и объектом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственные заявки

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.

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам и способам изменения границы раздела между льдом и объектом.

Предшествующий уровень техники

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.

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.

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.

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.

Сущность изобретения

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Этапы подачи и ограничения периодически повторяют для создания нужного коэффициента трения между объектом и льдом.

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.

Специалистам в данной области известно, что в определенных случаях лед может содержать или быть заменен снегом без отклонения от объема изобретения.

Согласно одному аспекту объект представляет собой скользящее тело, например ботинок, сноуборд или лыжу.

Согласно изобретению предложен способ управления коэффициентом трения между объектом и льдом, содержащий следующие этапы:

(1) подают импульсную мощность 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 увеличить коэффициент трения,

(3) повторяют под контролем этапы (1) и (2), при этом управляют средним коэффициентом трения между объектом и льдом.

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.

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.

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.

В качестве скользящего тела может выступать, например, ботинок, сноуборд, лыжа или снегоступ.

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.

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.

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.

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.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему импульсной антиобледенительной системы для изменения границы раздела между объектом и льдом согласно изобретению;

фиг.2 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.3 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.4 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.5 - схему импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.6 - схему импульсной антиобледенительной системы для крыла самолета согласно изобретению;

фиг.7 - схему многослойного нагревательного элемента импульсного антиобледенителя согласно изобретению;

фиг.8 - схему нагревательного элемента импульсного антиобледенителя согласно изобретению;

фиг. 9 и 10 - расстояние рассеяния тепла за определенное время для импульсного антиобледенительного устройства согласно изобретению;

фиг.11 - диаграмму зависимости времени размораживания от энергии удаления льда для импульсной антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.12 - схему ВЧ антиобледенительной системы для изменения границы раздела льда и объекта согласно изобретению;

фиг.13 - схему ВЧ антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.14 - диаграмму для анализа ВЧ антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.15 - множество видов одной гребенчатой электронной схемы, используемой в ВЧ антиобледенительной системе согласно изобретению;

фиг.16 - общий вид и вид сверху гребенчатой электронной схемы, используемой в ВЧ антиобледенительной системе согласно изобретению;

фиг.17 - диаграмму частотной зависимости электропроводности льда и диэлектрической проницаемости льда согласно изобретению;

фиг.18 - электрическую схему ВЧ антиобледенителя согласно изобретению;

фиг.19-29 - диаграммы результатов определенных испытаний схемы, показанной на фиг.18 согласно изобретению;

фиг.30-35 - диаграммы конвекционного механизма теплопередачи в ВЧ антиобледенительной системе и перенос тепла через подложку ВЧ антиобледенительной системы согласно изобретению;

фиг.36 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей для изменения границы раздела объекта и льда согласно изобретению;

фиг.37 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;

фиг.38 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;

фиг.39 - схему импульсной антиобледенительной системы, позволяющая сравнить ее с антиобледенительной системой с теплопередачей согласно изобретению;

фиг.40 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;

фиг.41 - схему антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;

фиг.42-46 - диаграммы для анализа антиобледенительной системы с теплопередачей согласно изобретению;

фиг. 47 и 48 - характеристики скользящего тела согласно изобретению;

фиг.49 - схему скользящего устройства, иллюстрирующую испытание на изменение трения на границе раздела объекта и льда, согласно изобретению;

фиг. 50 и 51 - скользящее тело в виде лыжи согласно изобретению;

фиг.52 - скользящее тело в виде сноуборда согласно изобретению;

фиг.53 - скользящее тело в виде ботинка согласно изобретению;

фиг.54 - скользящее тело в виде шины согласно изобретению;

фиг.55 - схему испытательной конфигурации скользящего тела согласно изобретению;

фиг.56 - скользящее тело в виде гусеницы согласно изобретению;

фиг.57 - скользящее тело в виде лыжи согласно изобретению;

фиг.58 - скользящее тело в виде шины согласно изобретению;

фиг.59 - схему испытательной конфигурации скользящего тела согласно изобретению;

фиг.60 - диаграмму зависимости между коэффициентами трения скользящих тел и напряжением, подаваемым на нагревательные элементы, присоединенные к скользящим телам согласно изобретению;

фиг.61 - диаграмму зависимости между силой трения покоя и нормальным давлением, оказываемым скользящими телами на снег согласно изобретению;

фиг.62 - диаграмму зависимости между коэффициентами трения скользящих тел и напряжением, подаваемым на присоединенный нагревательный элемент согласно изобретению;

фиг.63 - диаграмму зависимости между коэффициентами трения одного скользящего тела и временем, необходимым для остановки скользящего тела согласно изобретению;

фиг.64 - диаграмму другой зависимости между коэффициентами трения одного скользящего тела и напряжением, подаваемым на присоединенный нагревательный элемент согласно изобретению;

фиг. 65 и 66 - диаграммы тепловой энергии и времени охлаждения скользящего тела согласно изобретению;

фиг.67 - схему, позволяющую проанализировать увеличение трения для скользящего тела, согласно варианту осуществления, где в качестве скользящего тела выступает шина согласно изобретению;

фиг. 68 и 69 - диаграммы трения между скользящим телом и снегом согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

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.

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).

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».

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.

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.

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.

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.

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.

Импульсные антиобледенительные системы

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.

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.

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 l_рл во льду и на расстояние l_рп в подложке. Толщина этих нагретых слоев и их соответствующие теплоемкости определяют, насколько поглощается тепло. Если обозначить коэффициенты теплопроводности льда и подложки λ_л и λ_п соответственно, ρ_л и ρ_п - соответствующие плотности и С_л и С_п - соответствующие удельные теплоемкости, то, как известно специалисту в этой области техники, тепловой поток Q_л во льду и тепловой поток Q_п в подложке можно выразить следующим образом:

Q_л ≈ C_лl_рлρ_л(T_т-T), (0-1)

где T_т-T - разность температур на границе раздела,

Q_п ≈ C_пl_рпρ_п(T_т-T) (0-2)

(0-3)

(0-4)

Решая Ур. (0-1) - Ур. (0-4) относительно суммарного количества теплоты, отводимого с границы раздела, можно найти:

(0-5)

где W - плотность мощности нагрева на границе раздела.

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.

Например, контроллер 14 может регулировать время подачи мощности на нагревательный элемент 13 согласно следующему соотношению:

(1-1)

где Т_т - 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.

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:

(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).

Более точное приближение можно получить, сложив энергию, используемую для растапливания очень тонкого слоя граничного льда и для нагрева тонкого нагревателя толщиной d_наг, Q_min:

Q_min = l_л ^.q_л ^.ρ_л + d_наг ^.C_наг ^.ρ_наг ^.(T_т-T), (1-3)

где l_л - толщина растопленного слоя; ρ_л - плотность льда; q_л - скрытая теплота плавления льда; C_наг и ρ_наг - удельная теплоемкость и плотность нагревателя. В данном примере, контроллер 14 может регулировать величину мощности согласно следующему соотношению:

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.

Систему 10 можно, например, использовать в автомобиле для удаления льда 11 с ветрового стекла (как объекта 16). В этом примере, нагревательный элемент 13 прозрачен и встроен в ветровое стекло 16, а источник 12 питания и контроллер 14 действуют совместно, подавая мощность, достаточную для растапливания граничного льда на границе 15 раздела в соответствии с ур. 1-1 и 1-2.

Чтобы дальше проиллюстрировать работу системы 10, рассмотрим свойства льда:

λ_л = 2,2 Вт/м^.K, ρ_л = 920 кг/м³, c_л = 2 кДж/кг^.К, q_л = 333,5 кДж/кг. (1-5)

Свойства обычного ветрового стекла (например, в качестве подложки) таковы:

λ_п ≈ 1 Вт/м^.K, ρ_п ≈ 3000 кг/м³, c_п ≈ 1,54 кДж/кг^.К. (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 как

Q = 100 кВт/м^2. 0,158 с = 15,8 кДж/м².(Ур. 1-7)

При той же температуре и более низкой мощности W = 10 кВт/м² энергия Q, выражаемая посредством Ур. 1-4, будет

Q = 144 кДж/м².(Ур. 1-8)

Этот результат почти на порядок величины больше, чем при W = 100 кВт/м².

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.

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.

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.

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 о