改变冰粘附强度的系统技术方案

本发明专利技术包括用于改变冰粘附到物体上的冰粘附强度的系统。该系统包括与物体绝缘的电极以及与物体和电极连接的如电池的直流电源。当冰接通回路时，电源对冰和物体间的界面产生一直流偏压。物体是导电体或经掺杂而成的半导体以便直流偏压施加一电压到界面上，与界面上为Ｏ偏压时的冰粘附强度相比，可选择地改变冰粘附强度。粘附强度可相对于静态（没施加电压时的状态）增加或减小。这样，如飞机机翼上的冰可花费少的劳动除去。该系统最好包括位于物体和电极之间的电绝缘材料；绝缘材料基本上与物体和电极的形状相似。在大多数应用中，电极包括一个与物体表面形状相似的栅格电极，栅格电极的每个点与电源电连接。对应地，一个栅格绝缘体一般放置在物体和栅格电极之间。本发明专利技术对物体具有高的适用性，如飞机机翼、汽车风挡玻璃、雪橇底部、鞋跟或靴底或鞋，以及电线的外部材料。本发明专利技术也包括一种铁电、铁磁或半导体涂层，该涂层涂覆在电线上以自动调节电线的温度至稍高于融点。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是1997年6月16日提交的申请号为60/049790、1998年3月27日提交的申请号为60/079,623以及1998年3月30日提交的申请号为60/079,915的共同拥有和临时申请的继续申请，其中每一件申请在这里被引作参考。根据陆军研究局(Army Research Office)授权的#DAAH04-95-1-0189号授权书所规定，美国政府在本专利技术中具有某些权利。本专利技术涉及用于改变在冰与所选择的材料之间的冰粘附强度的系统和方法。具体地说，本专利技术涉及这样的系统和方法，即，该系统向冰与这种材料之间的界面施加电能，以增加或减少冰粘附强度，从而得到所期望的结果。冰粘附到某些表面上会引起很多问题。例如，过多的冰累积在飞机机翼上会危及飞机及乘客的安全。船体上的冰会造成航海的困难，要消耗额外的能量以穿过水和冰进行航行，以及会造成某些不安全的状态。大多数人把需要刮去汽车挡风玻璃上的冰看作是一件非常麻烦和总要重复的事情；任何残留的冰都使驾驶员的能见度和安全性受到危害。结冰和冰的附着还会使直升飞机的桨叶和公路出现问题。要花费亿万美元用于除去和控制冰雪。冰还会粘附到金属、塑料、玻璃和陶瓷上，造成其它日常困难。电线上结冰也会产生问题。冰增加了电线的重量，这会引起断电，在这方面直接和间接损失达数十亿美元。在现有技术中，有各种处理冰的粘附问题的方法，大多数技术包括了铲刮、融化或破碎的方式。例如，在航空工业中，人们把诸如乙二醇之类的除冰溶液浇到飞机机翼上，以融化机翼上的冰。这种方法既费钱又不利于环保；然而考虑到乘客安全方面的危险而准许使用这种方法。另外的飞机使用沿机翼的前方定位的橡胶管，该管周期性地膨胀以破碎机翼上的冰。还有其它的飞机是将喷气发动机的热量转移到机翼上，以融化冰。这些已有技术中的方法具有局限性和许多困难。首先，螺旋浆推进的飞机不具有喷气发动机。第二，位于机翼前方的橡胶管降低空气动力学效率。第三，除冰的费用是非常昂贵的，每次除冰要花费2500美元至3500美元；每天在某些飞机上的除冰次数达10次左右！上述问题的产生一般是缘于冰易于粘附并固结到表面上。当然，冰还会在以下方面造成困难，即，冰的摩擦系数非常低。例如，每年道路上的冰会导致众多的交通事故，既造成人员伤亡又造成财产损失。如果汽车轮胎能够更有效地在冰上制动，则将会减少许多交通事故。因此，本专利技术的目的是提供一些有助于改变冰的粘附强度的系统和装置。本专利技术进一步的目的是提供一些用于减少冰在运载工具的表面如飞机机翼、船体和汽车挡风玻璃上的粘附的系统，以有助于将冰除去。本专利技术再一个目的是提供一些用于增加被冰覆盖的道路与汽车轮胎之间的摩擦系数以及增加冰与其它物体如鞋底和越野雪橇之间的摩擦系数的系统。本专利技术的上述这些目的和其它的目的将在下文中变得更加清楚。如果在冰与冰所固结的表面之间的冰粘附强度降低，则上述问题中的某些问题将会减少。例如，如果冰与飞机机翼之间的粘附强度被足够降低，则风压、振动、或轻微的人工冲刷将会把冰从机翼上除去。同样，如果冰与汽车挡风玻璃之间的粘附强度被降低，则除冰的困难将大大减少。如果在冰和与冰相接触的表面之间的冰粘附强度被增加，则上述问题中的其它一些问题将会减少。例如，如果在汽车轮胎与结冰的道路之间增加冰的粘附强度，则将会减少打滑和减少交通事故。冰具有一定的物理性能，这使得本专利技术能够有选择地改变冰对导体(和半导体)表面的附着力。首先，冰是一种质子半导体，是半导体的一个小类，其带电载体是质子而不是电子。这一现象起因于冰内的氢键作用。出现氢键是因为冰中水分子的氢原子与氧原子分担它们的电子。因而，水分子晶核--唯一的一个氢核--与相邻的水分子保持有效的结合。与典型的电子基半导体相类似，冰是导电体。当这种导电性较弱时，通过添加化学剂可以改变其导电性，这里所述的化学剂贡献或接收额外的带电载体粒子，也就是，在呈冰状的情况下所述带电载体粒子是质子。冰的另一个物理性能是它的可蒸发性。基体的可蒸发性是在基体表面上蒸气压力的一种作用。在大多数材料中，在液相与固相的界面上蒸气压力迅速下降。但在冰中，在液相与固相的界面上蒸气压力实际上没有变化，其原因在于冰的表面被液状层(“LLL”)所覆盖。所述的液状层LLL具有重要的物理特性。首先，该液状层LLL只有几毫微米厚。第二，其粘度范围是从结冰或接近结冰温度下的几乎与水一样的粘度至较低温度下的非常粘。此外，该液状层存在于低到-100℃的温度下，这样实际存在于几乎是飞机周围的温度。所述LLL还是冰的粘附强度的一个主要参数。例如，如果有人将冰的光滑表面与一飞机机翼的光滑表面相接触，则在两表面之间的实际接触面积是在这两表面之间的总界面面积的千分之一的数量级。该LLL起两表面之间湿润介质的作用--在几乎所有粘附中是最主要的一并充分增加上述表面之间的有效接触面积。冰的半导体性质和LLL的结合允许人们可选择地控制冰与其他表面之间的冰粘附强度。通常，一块冰中的水分子是随机排列的。然而，在表面上水分子基本上沿同一方向定向，或者向外或者向内。结果，所有质子以及正电荷或者向外或者向内。然而确切的机理还不知道，它很可能是由于在LLL内冰分子的随机性向一定方向转变所造成的。然而，排序的结果是，在表面上出现电荷、或者正或者负电荷的高密度。因此，如果在与冰接触的表面上产生一个电荷，那么，就可能有选择地改变两个表面之间的附着力。像电荷的同性排斥和异性吸引一样，在冰和其他表面的截面之间施加一外部电偏压就可以或者减小或者增加冰和表面之间的附着力。一方面，本专利技术提供一个电源，该电源在冰和结冰的表面之间的界面上施加一直流电压。例如，导电表面可能是一飞机机翼或船壳(或者甚至是涂覆在结构体上的漆)。一个第一电极与表面连接；一非导电或电绝缘材料作为栅格覆盖在表面上；一用导电材料如导电漆制成的第二电极形成在绝缘材料之上，但不与表面接触。第二电极的表面面积与该系统所保护的总表面面积相比应该是小的。例如，受保护的表面面积(也就是“无冰”的面积)应该至少约十倍于第二电极的表面面积。一条或多条电线将第二电极连接至电源；同时一条或多条电线将第一电极连接至电源。在表面上形成的冰和第二导电栅格电极形成了回路。然后电压选择性地施加到该回路上，这可控制地改变冰与该表面的冰粘附强度。一调压子系统也最好与该回路连接，以可调地控制施加到界面上的电压，以实现对冰粘附强度的控制。例如，由不同离子浓度制成的冰可以改变冰粘附强度最小时的最佳电压；因此该调压子系统提供一个可选择改变最小值的机构。其它子系统最好与该回路连接以提供其他性能，例如检测水或冰是否形成回路。一方面，电源是一个直流电源(如一个电池)，该直流电源给回路提供电压且与除冰电极连接。另一方面，一直流电流表与该回路连接以测量冰(即，使形成在表面和第二栅格电极的任一部分上两电极“短路”的半导体层)的直流导电率。另一方面，一交流电源与该回路连接以可选择地产生约10kHz和100kHz之间的交流电压。根据另一方面，一交流电流表也与该回路连接，以测量频率在10-100kHz范围内时冰的交流导电率。另一方面，一电流比较器比较交流和直流导电率。因而，这些方面所提供的电路可以，例如，区分在表面上形成的半导体层是否是可能产生危险的冰或表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于改变粘附到物体上的冰的粘附强度的系统，该系统包括：一个与物体电绝缘的电极，一个与物体和电极连接以便对冰与物体之间界面产生一直流偏压的直流电源，与界面上基本为零偏压时的冰粘附强度相比，该直流偏压具有的一电压值可选择性地改变冰的粘附强度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：维克托F彼得连科，
申请(专利权)人：达特茅斯学院理事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]