Система и способ получения электрического антиобледенительного покрытия - RU2218291C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способам, системам и конструкциям для изменения адгезионной прочности льда при контакте между льдом и выбранными объектами. Более конкретно, изобретение относится к способам, системам и конструкциям, которые подают электрическую энергию к поверхности раздела между льдом и объектами с возможностью либо увеличения, либо уменьшения адгезионной прочности льда для облегчения достижения желаемых результатов.

Адгезия льда к некоторым поверхностям создает много проблем. Например, избыточное скопление льда на крыльях самолета подвергает опасности самолет и его 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, касается большинства взрослых людей и является обременительной периодической обязанностью, причем 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 вызывает проблемы. Обледенение добавляет вес линиям электропередачи, что вызывает перерывы подачи электроэнергии, вследствие чего на прямые и косвенные затраты расходуются миллиарды долларов.

Известны 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 оправдывает 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. В еще одних самолетах изменяют подвод тепла реактивного двигателя, направляя это тепло на крыло для оттаивания льда.

Эти известные способы имеют ограничения и связаны с трудностями. 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 может достигать примерно десяти раз в сутки на некоторых самолетах. 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.

В патенте США 6027975, приведенном здесь в качестве ссылки, описаны некоторые конкретные варианты осуществления изобретения, в которых 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 изменяется. Как правило, адгезионная прочность льда уменьшается, давая возможность удалить лед с объекта за счет ветровой нагрузки, бафтинга или путем легкой очистки щеткой вручную. В других случаях адгезионная прочность льда при контакте между льдом и поверхностями объектов увеличивается. Например, когда адгезионная прочность льда при контакте между автомобильными шинами и заледеневшими проезжими частями дорог увеличивается, уменьшается скольжение и количество аварий. В общем случае, если на поверхности раздела льда и находящегося с ним в контакте объекта генерируется заряд, то можно избирательно изменять адгезию между льдом и объектом.

В патенте США 6027975 описан 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). В патенте США 6027975 указано, что 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. Однако с системой электродов в виде сеток, описанной в патенте США 6027975, связана практическая проблема, заключающаяся в формировании электродов в виде сеток и связанных с ними изолирующих слоев. Отдельные компоненты системы, содержащей сетки, включая электроды, проводку и изоляторы, изготавливают в мелкосерийном производстве. Такие системы, содержащие сетки, можно изготавливать фотолитографическими способами. Фотолитография весьма эффективно используется при изготовлении интегральных схем. Однако использование фотолитографии для формирования системы, содержащей сетки и предназначенной для изменения адгезионной прочности льда, менее приемлемо. Оно обуславливает большое количество операций формирования рисунков и травления. Применительно к технологии борьбы со льдом, фотолитография является дорогой, сложной и ненадежной.

В настоящем изобретении предложено техническое решение, заменяющее сетку, описанную в патенте США 6027975. В одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения предложено составное покрытие, содержащее отдельные, близко расположенные проволочные электроды, разделенные волокнами изолятора. Проволочные электроды и волокна изолятора обычно переплетены друг с другом с использованием известных и надежных промышленных технологий. Проволочные электроды попеременно соединяются с источником питания постоянного тока таким образом, что они выполняют функции катодов и анодов. Составное покрытие является долговечным и гибким, и его обычно наносят на защищаемую поверхность, пользуясь обычными клеями. Металлическая проволока может быть из золота, титана или ниобия с электролитическим платиновым покрытием, или из иного материала с высокой стойкостью к электрокоррозии. В качестве диэлектрических волокон изолятора можно использовать волокна из нейлона, стекла или иного диэлектрического материала. Диэлектрические волокна разделяют металлические электроды, обеспечивая при этом целостность покрытия. Кроме того, диэлектрические волокна изолятора электрически изолируют проволочные электроды от поверхности, на которую нанесено составное покрытие. Типичные диаметры проволоки находятся в диапазоне от 10 до 100 мкм, и в этом же диапазоне находятся размеры открытых промежутков между электродными проволоками и волокнами изолятора. Если в и на составном покрытии образуется лед, к электродам прикладывается смещение постоянного тока. В результате этого, изменяется прочность адгезии льда на поверхности раздела льда и поверхности защищаемого объекта.

В другом конкретном варианте осуществления изобретения проволочные электроды составного покрытия соединены с источником смещения постоянного тока таким образом, что они имеют одинаковое смещение постоянного тока. Поверхность, на которую наносят составное покрытие, является электропроводной и имеет противоположное смещение постоянного тока. Лед, образовавшийся в промежутках составного покрытия, замыкает электрическую цепь.

В другом конкретном варианте осуществления изобретения формируют проволочную сетку, содержащую электропроводные проволоки. Проволочную сетку располагают на электропроводной поверхности, причем между проволочной сеткой и этой поверхностью располагают изолирующий слой. К проволочной сетке прикладывают смещение постоянного тока, а к поверхности прикладывают противоположное смещение постоянного тока. Лед, образовавшийся в промежутках проволочной сетки, замыкает электрическую цепь.

Специалисты в данной области техники должны признать, что вышеописанную систему можно наносить на поверхности многих объектов, где желательно уменьшить адгезионную прочность льда, например на ветровые стекла автомобилей, крылья самолетов, корпуса кораблей и линии электропередачи. Когда изобретение принимает форму составной ткани, оно содержит как функциональные аноды, так и функциональные катоды, необходимые для работы системы. Поэтому не важно, является ли поверхность защищаемого объекта электропроводной или непроводящей.

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, исключения и изменения в рамках объема притязаний изобретения.

Более полное представление об изобретении можно получить, обратившись к чертежам, на которых:
на фиг.1 изображена антиобледенительная система, включающая в себя электрическое покрытие для удаления льда с поверхностей в соответствии с изобретением,
на фиг. 2 изображена альтернативная антиобледенительная система, включающая в себя электрическое покрытие для удаления льда с поверхностей в соответствии с изобретением,
на фиг. 3 изображено составное покрытие в соответствии с изобретением, которое при работе обеспечивает изменение адгезии льда, образовавшегося на поверхности,
на фиг.4 изображено составное покрытие в соответствии с изобретением, в котором электродные проволоки имеют одинаковое смещение, и
на фиг.5 изображена проволочная сетка в соответствии с изобретением.

Изобретение включает в себя способы, системы и конструкции, которые изменяют адгезионную прочность льда при контакте с такими объектами, как металлы и полупроводники, путем приложения смещения постоянного тока к поверхности раздела между льдом и этими объектами. На фиг.1 изображена одна система 10, включающая в себя электрическое антиобледенительное покрытие 12 для оказания воздействия на лед 14, который может прилипать к поверхности 16. Поверхность 16 может быть, например, поверхностью крыла самолета, лопасти вертолета, воздухозаборника реактивного двигателя, теплообменника для кухни и промышленного оборудования, холодильника, дорожных знаков, палубных надстроек кораблей или другого объекта, подвергающегося воздействию условий охлаждения, увлажнения или обледенения. Более конкретно, покрытие 12 нанесено на поверхность 16 для защиты поверхности 16 ото льда 14. Покрытие 12 предпочтительно является гибким, так что обеспечивается его физическое соответствие форме поверхности 16. При эксплуатации к покрытию 12 прикладывается напряжение с помощью источника 18 питания. Как правило, это напряжение превышает два вольта и обычно находится в диапазоне от двух до ста вольт, причем более высокие напряжения прикладываются при более низких температурах. Например, для температуры -10^oС и промежутка между анодом и катодом, составляющего 50 мкм в пределах покрытия 12 (более подробно описанного ниже), к покрытию прикладывают примерно 20 В для обеспечения плотности тока, пропускаемого через очень чистый атмосферный лед, т.е. такой, который обнаруживается на крыльях самолетов, примерно 10 мА/см².

Когда напряжение приложено, лед 14 разлагается на газообразные кислород и водород посредством электролиза. В дальнейшем газы образуют внутри льда 14 пузырьки высокого давления, которые отслаивают лед 14 от покрытия 12 (следовательно, от поверхности 16). Типичная плотность тока, прикладываемая к покрытию 12, находится в диапазоне примерно 1-10 мА/см². Если это желательно, в контур обратной связи с источником 18 питания, а значит - и с цепью, образованной покрытием 12 и льдом 14, подсоединяют подсистему 20 регулирования напряжения для увеличения или уменьшения с ее помощью напряжения постоянного тока, приложенного к покрытию 12, в соответствии с оптимальными условиями.

На фиг.2 изображена одна система 40, включающая в себя электрическое антиобледенительное покрытие 42 для оказания воздействия на лед 44, который может прилипать к проводящей поверхности 46. Проводящая поверхность 46 может быть, например, поверхностью крыла самолета, лопасти вертолета, воздухозаборника реактивного двигателя, теплообменника для кухни и промышленного оборудования, холодильника, дорожных знаков, палубных надстроек кораблей или другого объекта, подвергающегося воздействию условий охлаждения, увлажнения или обледенения. Более конкретно, покрытие 42 нанесено на поверхность 46 для защиты поверхности 46 ото льда 44. Покрытие 42 предпочтительно является гибким, так что обеспечивается его физическое соответствие форме поверхности 46. При эксплуатации между покрытием 42 и поверхностью 46 прикладывается напряжение с помощью источника 48 питания. Напряжение смещения, приложенное к покрытию 42, может быть равным по величине и противоположным по знаку напряжению смещения, приложенному к поверхности 46. Если это желательно, между покрытием 42 и поверхностью 46 можно расположить изолятор 45; изолятор 45 предпочтительно содержит конфигурацию диэлектрической сетки, описанную ниже.

Как правило, напряжение между покрытием 42 и поверхностью 46 превышает два вольта и обычно находится в диапазоне от двух до ста вольт, причем более высокие напряжения прикладываются при более низких температурах.

Когда напряжение приложено, лед 44 разлагается на газообразные кислород и водород посредством электролиза. В дальнейшем газы образуют внутри льда 44 пузырьки высокого давления, которые отслаивают лед 44 от покрытия 42 (а значит - и от поверхности 46). Обычная плотность тока, прикладываемая к покрытию 42, находится в диапазоне примерно 1-10 мА/см². Если это желательно, в контур обратной связи с источником 48 питания, а значит - и с цепью, образованной покрытием 42 и льдом 44, подсоединяют подсистему 50 регулирования напряжения для увеличения или уменьшения, с ее помощью напряжения постоянного тока, приложенного к покрытию 42, в соответствии с оптимальными условиями.

Таким образом, системы 10, 40 изменяют электростатические взаимодействия, которые образуют связи между льдом и металлами. Эти взаимодействия эффективно изменяются (либо уменьшаются, либо увеличиваются) путем приложения малого смещения постоянного тока (ПТ) между льдом и металлами. Как описано ниже, составное покрытие содержит металлические электродные проволоки, разделенные диэлектрическими волокнами изолятора с обеспечением гибкости, так что при нанесении на поверхность 16 оно обеспечивает необходимую защиту ото льда. За счет приложения смещения постоянного тока изменяют адгезионную прочность льда при контакте между льдом и электродами покрытия, а также между льдом и поверхностью.

Лед обладает определенными физическими свойствами, которые позволяют с помощью настоящего изобретения избирательно 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 -100^oС.

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.

Лед включает в себя полярные молекулы воды, интенсивно взаимодействующие 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.

Важным фактором является электролиз. Когда через лед течет постоянный ток, на поверхностях раздела льда, благодаря электролизу, накапливаются газообразные водород (Н₂) и кислород (O₂) в форме пузырьков высокого давления. Эти пузырьки играют роль в образовании трещин на поверхностях раздела, уменьшая адгезионную прочность льда.

На фиг. 3 изображено составное покрытие 100, имеющее катодные проволоки 102 и анодные проволоки 104 в соответствии с изобретением. Диэлектрические проволоки 106 образуют изолирующую ткань вокруг проволок 102, 104, предотвращая короткое замыкание. Проволоки 102, 104 соединены, например, с источником 18 питания (или источником 48 питания), так что подходящая плотность тока оказывает воздействие на прилипание льда к покрытию 100. Как правило, плотность тока подбирают так, чтобы она уменьшала силу адгезии при контакте между льдом и покрытием 100, так что покрытие 100 работает, защищая поверхности, такие как поверхность 16, ото льда. Типичные промежутки между проволоками 102 составляют 10-50 мкм; типичные промежутки между проволоками 104 также составляют 10-50 мкм. Проволоки 102, 104 изготовлены, например, из золота, титана или ниобия с электролитическим платиновым покрытием, или из иного материала с высокой стойкостью к электрокоррозии.

На фиг. 4 изображено составное покрытие 120 в соответствии с изобретением. Покрытие 120 имеет чередующиеся электродные проволоки 122, к каждой из которых приложено одинаковое смещение от подсоединенного источника питания. Покрытие 120 может быть нанесено на поверхность 46, показанную на фиг.2, причем поверхность 46 является проводящей; между поверхностью 46 и проволоками 122 существует потенциал напряжения. Изолирующая сетка 124 предотвращает короткое замыкание проволок 122, а также предотвращает короткое замыкание между проволоками 122 и поверхностью 46. Лед 44 замыкает цепь между проволоками 122 и поверхностью 46 для внесения изменений в адгезию льда в соответствии с изобретением.

На фиг.5 изображено покрытие 150 в виде проволочной сетки, выполненное в соответствии с изобретением. Покрытие 150 в виде сетки является в основном проводящим, и в нем проводящими являются как проволоки 152, так и компоненты 154 ткани. Таким образом, покрытие 150 в виде сетки нанесено на проводящую поверхность 46, а между ними расположен изолятор 45. Изолятор 45 выполнен таким образом, что обеспечивает защиту поверхности 46, когда лед 44 замыкает цепь между покрытием 150 в виде сетки и поверхностью 46. Потенциал напряжения между покрытием 150 в виде сетки и поверхностью 46 изменяет адгезионную прочность льда 44, если это желательно.

Типичная плотность тока, прикладываемая к покрытиям согласно изобретению, находится в диапазоне примерно 1-10 мА/см². Рабочие напряжения обычно находятся в диапазоне от 2 до примерно 100 вольт, в зависимости от температуры льда и расстояния между проволоками. Чем ниже температура, тем более высокое напряжение требуется. Чем больше промежуток между проволоками, тем более высокое напряжение требуется. При типичной температуре -10^oС и промежутке, составляющем 50 мкм, смещение примерно 20 В обеспечивает плотность тока, пропускаемого через очень чистый атмосферный лед, примерно 10 мА/см².

Важно, чтобы анодные проволоки (104, фиг.3) имели очень высокую стойкость к анодной коррозии. Для этого их можно покрывать тонкими слоями платины, золота или аморфного углерода. Можно также применять другие сплавы. Катодные проволоки 102 должны также быть проницаемыми для водорода. Примеры подходящего материала катода включают в себя золото, медь, латунь, бронзу и серебро.

Составное покрытие или проволочная сетка в соответствии с изобретением обладает гибкостью. Оно/она может обеспечить защиту огромного множества материалов и форм поверхностей, включая, в качестве примеров: крылья самолетов, лопасти вертолетов, защитные сетки на воздухозаборниках реактивных двигателей, теплообменники для кухни и промышленных холодильников, дорожные знаки и палубные надстройки кораблей.

Вышеописанные проволочные сетки и составные покрытия можно изготавливать, пользуясь обычными способами, распространенными в промышленности. Сетку или составное покрытие согласно изобретению можно наносить на поверхность путем простого растяжения сетки/покрытия по этой поверхности при условии нанесения тонкого слоя клея между составным покрытием или сеткой и поверхностью.

Реферат

Изобретение относится к противообледенительным системам летательных аппаратов. Система основана на изменении адгезионной прочности льда, прилипшего к поверхности. Система представляет собой составное покрытие, выполненное в различных вариантах. В одном конкретном варианте осуществления составное покрытие содержит электродные проволоки и волокна изолятора. Электродные проволоки соединены с источником смещения постоянного тока и попеременно работают как катоды и аноды. В другом конкретном варианте осуществления составное покрытие содержит как токопроводящие проволоки, так переплетающие их токопроводящие волокна. Составное покрытие расположено на электропроводной поверхности объекта. К поверхности и составному покрытию приложены противоположные смещения постоянного тока. В другом конкретном варианте осуществления составное покрытие содержит анодные и катодные проволоки, переплетенные волокнами изолятора. При протекании через лед постоянного тока на поверхности льда в результате электролиза образуются газообразные водород и кислород в форме пузырьков, что приводит к уменьшению адгезионной прочности льда и удалению его воздушным потоком. Изобретение направлено на повышение безопасности полетов. 3 с. и 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула