JP2004501015A - 電気除氷コーティングのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

保護されるべき表面を被覆するワイヤ電極を備える複合コーティングを含む物体に付着した氷の付着力を変化させるためのシステム。１実施形態において、複合コーティングは電極ワイヤおよび絶縁体繊維を含む。複合コーティングは、氷の付着力が変化されるべき物体の表面に付与される。電極ワイヤは、ｄｃバイアスソースに接続され、これらのワイヤは、カソードとアノードの機能を交互に果たす。氷がアノードワイヤとカソードワイヤとの間に回路を完成すると、ソースは、氷と表面との間の界面にＤＣバイアスを生成する。別の実施形態において、ワイヤメッシュが物体の導電性表面上に配置され、逆のＤＣバイアスがメッシュおよび表面に付与される。別の実施形態において、コーティングは、表面を氷から保護するために表面に付与される複合クロスとしての、絶縁体繊維によって編み込まれたアノードワイヤおよびカソードワイヤを有する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
（１．発明の分野）
本発明は、氷と選択された物体との間の氷の付着力を変化させるための方法、システムおよび構造に関する。より具体的には、本発明は、電気エネルギーを氷と物体との間の界面に付与し、氷の付着力を増加または低減して所望の結果を促進する方法、システムおよび構造に関する。
【０００２】
（２．問題についての説明）
特定の表面への氷の付着は多くの問題を引き起す。例えば、航空機の翼における過剰な氷の蓄積は、飛行機およびその乗客を危険にさらす。船殻における氷は、航海上の問題、水および氷を通って航海するためのさらなる電力の浪費、および特定の安全でない状態を生じさせる。自動車のフロントガラスに形成された氷をかき落とす必要は、大抵の成人にとって面倒な、繰返し発生する雑用であり、残留する氷はドライバーの視界および安全を危うくする。
【０００３】
着氷および氷の付着は、ヘリコプタのブレードおよび公道にも問題を生じさせる。氷や雪を除去および制御するために数十億ドルが費やされる。氷は金属、プラスチック、ガラスおよびセラミックに付着し、日常の他の問題を引き起こす。送電線における着氷も問題がある。着氷は電力線に荷重を与え、電力供給が停止し、数十億ドルの直接的および間接的コストがかかる原因になる。
【０００４】
従来技術において、氷の付着を取り扱う方法は様々であるが、ほとんどの技術はかき落とし、融解または破壊を伴う。例えば、航空機業界はエチルグリコール等の除氷溶液を利用し、これを航空機の翼に浴びせてその上の氷を融かす。このプロセスはコストがかかり、環境にも有害である。しかしながら、乗客の安全に対する危険の存在によって、それが使用されることを保証する。他の航空機は、航空機の翼の前面に沿って位置合わせされたゴム管を利用する。これによって、この管は周期的に膨張し、翼に付着した任意の氷を破壊する。さらに他の航空機は、ジェットエンジンの熱を翼上に伝達し氷を融かす。
【０００５】
これらの従来の方法は限界および問題を有する。第１に、プロッププロペラ式の航空機はジェットエンジンを有しない。第２に、航空機の翼の前面にゴム管を配置することは空気力学的に効率的ではない。第３に、除氷コストは極めて高く、適用するごとに２５００〜３５００ドルであり、特定の航空機においては１日につき約１０回まで適用され得る。他のタイプの物体に関しては、氷および雪を加熱することが一般的である。しかしながら、特定の物体については加熱することが技術的に非実用的である。さらに、エネルギーの大量消費および複雑な加熱装置は、加熱工程をしばしば高価にする。
【０００６】
上述の問題は、通常、表面上に形成され、これに付着する氷の性質（ｐｒｏｐｅｎｓｉｔｙ）に由来する。しかしながら、氷は極めて低い摩擦係数を有するという点において問題を生じさせる。例えば、毎年、道路上の氷は多くの自動車事故を引き起こし、人命および高い物的損害を代償とする。自動車のタイヤがより効率的なグリップ力を有する場合、事故の件数はおそらく減少する。
【０００７】
参考のため、本明細書中で援用される米国特許第６，０２７，０７５号は発明の特定の実施形態を開示する。その中では、氷と、これに覆われた物体との間の界面に直流（「ＤＣ」）バイアスの形態の電気エネルギーが印加される。その結果、物体の表面への氷の付着力は変化する。通常、氷の付着力は減少し、風圧、バフェッティングまたは手動での軽いブラッシングによって物体から氷を除去することを可能にする。他の用途において、氷と、氷と接触する物体の表面との間における氷の付着力は増加する。例えば、氷の付着力が自動車タイヤと凍結道路との間で増加すると、滑りが低減され、事故が減少する。一般的に、物体と接触する氷の界面において電荷が生成される場合、氷と物体との間の付着を選択的に変化させることが可能である。
【０００８】
一般的に、米国特許第６，０２７，０７５号は、氷と、上部に氷が形成された物体表面との間の界面にわたってＤＣ電圧を印加するために接続された電源を開示する。例として、導電性表面を有する物体は、航空機の翼または船殻（または構造体に塗布された塗料でさえ）であり得る。米国特許第６，０２７，０７５号は表面に接続された第１の電極を開示する。これは、非導電性または電気絶縁材料が格子として表面にわたって付与され、例えば、導電性塗料等の導電性材料が付与されることによって、絶縁材料にわたって、しかしながら表面と接触することなく第２の電極が形成される。しかしながら、米国特許第６，０２７，０７５号において開示される格子電極システムに関する実際問題は、格子電極およびこれに関連する絶縁層の形成である。電極、配線および絶縁体を含む格子システムの個別のコンポーネントは小規模に製作される。フォトリソグラフィ技術は、そのような格子システムを製作することが可能である。フォトリソクラフィは、集積回路の製作において非常に効果的に用いられる。フォトリソグラフィを用いて、氷付着を変化させるための格子システムを形成することはあまり適切ではない。これは多くのパターニングステップおよびエッチングステップを含む。氷制御技術に応用される場合、フォトリソグラフィは高価、複雑および不確かである。
【０００９】
（解決策）
本発明は、米国特許第６，０２７，０７５号において開示される格子に取って代わる。本発明の１実施形態は、絶縁体繊維によって分離された、接近した間隔で配置された別々のワイヤ電極を含む複合コーティングを提供する。ワイヤ電極および絶縁体繊維は、通常、公知の信頼できる工業技術を用いて編み合わされる。ワイヤ電極は、カソードおよびアノードとして機能するように、ＤＣ電源に交互に接続される。複合コーティングは耐久力を有し可撓性であり、通常、従来の接着剤を用いて保護されるべき表面に付与される。金属製ワイヤは、金、プラチナめっきされたチタンまたはニオブム、あるいは電食に対する強い耐久性を有する他の材料であり得る。誘電性絶縁体繊維として、ナイロン、ガラスまたは他の誘電材料が用いられ得る。誘電繊維は、コーティングの統合性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を提供する一方で、金属電極を離した状態で保つ。さらに、誘電絶縁体繊維は、複合コーティングが付与された表面からワイヤ電極を電気絶縁する。通常のワイヤの直径は１０〜１００μｍの範囲であり、電極ワイヤと絶縁体繊維との間の隙間（ｏｐｅｎ　ｓｐａｃｅ）と同じ範囲である。氷が複合コーティングの中またはその上に形成された場合、電極にｄｃバイアスが印加される。その結果、氷と、保護されるべき物体の表面との間の界面における氷の付着力が変化する。
【００１０】
本発明の別の実施形態において、複合コーティングのワイヤ電極はＤＣバイアスソースに接続されるので、これらのワイヤ電極は同じＤＣバイアスを有する。複合コーティングが付与された表面は、導電性であり、逆のＤＣバイアスを有する。複合コーティングの空間に形成された氷は電気回路を閉じる。
【００１１】
本発明の別の実施形態において、導電性ワイヤを含むワイヤメッシュが形成される。ワイヤメッシュは導電性表面上に配置され、ワイヤメッシュと表面との間に絶縁層が挿入される。ＤＣバイアスはワイヤメッシュに印加され、逆のＤＣバイアスは表面に印加される。ワイヤメッシュの空間に形成された氷は、電気回路を閉じる。
【００１２】
当業者は、上述のシステムが自動車のフロントガラス、飛行機の翼、船殻および送電線等、氷の付着力を低減することが所望される多くの物体の表面に付与され得ることを理解する。本発明が複合クロスの形態であるとき、これはシステムが機能するために必要な機能性アノードおよび機能性カソードの両方を含む。従って、保護されるべき物体の表面が導電性か非導電性であるかということは重要ではない。
【００１３】
次に、本発明は好適な実施形態と関連して、さらに説明される。本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって種々の追加、削除、改変が行なわれ得ることが明らかになる。
【００１４】
本発明は、図を参照することによってより完全に理解され得る。
【００１５】
（好適な実施形態の詳細な説明）
本発明は、氷と物体との間の界面にＤＣバイアスを印加することによって、金属および半導体等の物体に対する氷の付着力を変化させる方法、システムおよび構造を含む。図１は、表面１６に付着し得る氷１４に影響を及ぼす電気除氷コーティング１２を組み込む１つのシステム１０を示す。表面１６は、例えば、飛行機の翼、ヘリコプターのブレード、ジェット吸気口、調理場および工業用機器の熱交換器、冷蔵庫、道路標識、船の上部構造（ｏｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、または寒気、湿気および氷を伴う条件にさらされている他の物体であり得る。より具体的には、コーティング１２は、表面１６にわたって付与され、表面１６を氷１４から保護する。コーティング１２は、好適には、可撓性であるので、表面１０の形状と物理的に適合する。実施中、電圧は電源１８によってコーティング１２に印加される。通常、この電圧は２ボルト以上であり、一般的に、１００〜２００ボルトである。より低い温度に対して、より高い電圧が印加される。例として、コーティング１２（より詳細に後述される）内の温度が−１０℃およびアノードとカソード間の間隔が５０μｍの場合、コーティング１２に約２０Ｖが印加され、飛行機の翼において見出されるような非常に純粋な大気の氷（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｉｃｅ）を通って１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が提供される。
【００１６】
電圧が印加されると、氷１４は電気分解によって気体酸素と水素に分解する。さらに、氷１４内に気体が形成され、高圧気泡を生成してコーティング１２（従って表面１６から）から氷１４を剥離する。コーティング１２に印加される通常の電流密度は、約１〜１０ｍＡ／ｃｍ^２である。所望ならば、電圧調節サブシステム２０は、フィードバックによって電源１８と接続され、従って、コーティング１２および氷１４によって形成された回路と接続され、コーティング１２に印加されたＤＣ電圧を最適条件で増加または低減する。
【００１７】
図２は、導電性表面４６に付着し得る氷４４に影響を及ぼす電気除氷コーティング１２を組み込む１つのシステム４０を示す。導電性表面４６は、例えば、飛行機の翼、ヘリコプタのブレード、ジェット吸気口、調理場および工業用機器の熱交換器、冷蔵庫、標識、船の上部構造、または寒気、湿気および氷を伴う条件にさらされている他の物体であり得る。より具体的には、コーティング４２は、表面４６にわたって付与され、表面４６を氷４４から保護する。コーティング４２は、好適には、可撓性であるので、表面４６の形状と物理的に適合する。動作中、電源４８によってコーティング４２と表面４６との間に電圧が印加される。コーティング４２に印加されたバイアス電圧は、表面４６に印加されたバイアス電圧と等しくかつ逆であり得る。所望ならば、絶縁体４５はコーティング４２と表面４６との間に配置され得、絶縁体４５は、好適には、後述される誘電メッシュ構成を含む。
【００１８】
通常、コーティング４２と表面４６との間の電圧は、２ボルト以上であり、一般的に、２〜１００ボルトである。より低い温度に対して、より高い電圧が印加される。
【００１９】
電圧が印加されると、氷４４は電気分解によって気体酸素と水素に分解する。さらに、氷４４内に気体が形成され、高圧気泡を生成してコーティング４２（従って表面４６から）から氷４４を剥離する。コーティング４２に印加される通常の電流密度は、約１〜１０ｍＡ／ｃｍ^２である。所望ならば、電圧調節サブシステム５０は、フィードバックによって電源４８と接続され、従って、コーティング４２、表面４６および氷４４によって形成された回路と接続され、コーティング４２に印加されたＤＣ電圧を最適条件で増加または低減する。
【００２０】
従って、システム１０、４０は、氷と金属との間の結合を形成する静電気の相互作用を変化させる。これらの相互作用は、氷と金属との間に小さいＤＣ（直流）バイアスを印加することによって効果的に変化（低減または強化）させる。後述するように、複合コーティングは、誘電絶縁体繊維によって分離された金属電極ワイヤを含み、氷に対する保護を必要とする表面１６に付与される。ｄｃバイアスを印加することによって、氷と、コーティングの電極との間、および氷と表面との間の氷の付着力を変化させる。
【００２１】
氷は、本発明が導電性（および半導電性）表面への氷の付着を選択的に変化させることを可能にする特定の物理的特性を有する。氷と接触する表面上に電荷が生成された場合、２つの表面の付着を選択的に変化させることが可能である。第１に、氷はプロトン半導体、すなわち小さいクラスの半導体であり、その電荷のキャリアは電子ではなくプロトンである。この現象は、氷の内部の水素結合から生じる。電子ベースの通常の半導体と同様、氷は導電性であるが、この導電性は一般的に弱い。
【００２２】
氷の別の物理的特性は、その表面が液体状の層（ｌｉｑｕｉｄ−ｌｉｋｅ　ｌａｙｅｒ「ＬＬＬ」）で覆われることである。ＬＬＬは、重要な物理的特性である。第１に、ＬＬＬはナノメートルの厚さにすぎない。第２に、その粘性の範囲は、氷点下または氷点下に近い温度でのほぼ水状の状態から、低温での非常に粘性を有する状態にわたる。さらに、ＬＬＬは、−１００℃の低温でも存在する。
【００２３】
ＬＬＬは、氷の付着力の主要ファクタでもある。氷およびＬＬＬの半導電特性の組合せは、氷と他の物体との間の氷の付着力を選択的に操作することを可能にする。通常、氷片の内部の水分子は不規則に配向される。しかしながら、表面上で、分子は、外向きまたは内向きに、実質的に同じ方向に配向される。その結果、これらの分子のすべてのプロトン、従って正電荷は外向きまたは内向きに向く。正確なメカニズムは知られていないが、ＬＬＬ内において秩序化された配向への水分子の転移は、不規則であると考えられ得る。しかしながら、秩序化の実際的結果は、表面において、正または負の高密度の電荷が生じることである。従って、氷と接触する表面上で電荷が生成された場合、２つの表面の間の付着を選択的に変化させることが可能である。同様の電荷が反発され、互いに逆の電荷を引き付けるので、氷と他の表面の界面において印加された外部からの電気バイアスは、他の物体への氷の付着を低減または強化する。
【００２４】
氷は、氷とは異なる誘電率を有する任意の固体基板と激しく相互作用する極性のある水分子を含む。さらに、氷の中に表面電荷が存在するという理論的および実験的証拠がある。この表面電荷はまた、基板と相互作用し得る。
【００２５】
電気分解は重要なファクタである。ｄｃ電流が氷を通って流れると、気体水素（Ｈ_２）および酸素（Ｏ_２）は、氷の電気分解のために、氷の界面において小さい気泡の形式で蓄積する。これらの気泡は界面の亀裂の発生に影響を与え、氷の付着力を低減する。
【００２６】
図３は、本発明によるカソードワイヤ１０２およびアノードワイヤ１０４を有する複合コーティング１００を示す。誘電性ワイヤ１０６は、短絡を避けるためにワイヤ１０２、１０４の周りに絶縁ウィーブを形成する。ワイヤ１０２、１０４は、例えば、適切な電流密度が、コーティング１００に付着している氷に影響を及ぼすように電源１８（または電源４８）に接続される。通常、コーティング１００が表面１６等の表面を氷から保護する作用をするように、氷とコーティング１００との間の付着を低減する電源密度にされる。ワイヤ１０２間の典型的な空間は１０〜５０μｍであり、ワイヤ１０４間の典型的な空間も１０〜５０μｍである。ワイヤ１０２、１０４は、例えば、金、プラチナめっきされたチタンまたはニオブム、あるいは電食に対する強い耐性を有する他の金属を含み得る。
【００２７】
図４は、本発明による複合コーティング１２０を示す。コーティング１２０は、電極ワイヤ１２２を交互に有し、各ワイヤは接続された電源からの等しいバイアスを有する。コーティング１２０は、例えば、図２の表面４６に付与され得る。この場合、表面４６は導電性である。電圧電位は表面４６とワイヤ１２２との間に存在する。絶縁メッシュ１２４はワイヤ１２２が短絡することを防ぎ、さらに、ワイヤ１２２と表面４６との間の短絡を防ぐ。氷４４はワイヤ１２２と表面４６との間の回路を完成し、本発明の氷の付着の変化を起こさせる。
【００２８】
図５は、本発明により構成されたワイヤメッシュコーティング１５０を示す。メッシュコーティング１５０は、通常、導電性であり、ワイヤ１５２およびウィーブ構成要素１５４は導電性である。従って、メッシュコーティング１５０は、その間に配置された絶縁体４５を有する導電性表面４６に付与される。絶縁体４５は、氷４４がメッシュコーティング１５０と表面４６との間に回路を完成すると、表面４６を保護するように構成される。メッシュコーティング１５０と表面４６との間の電圧電位は、氷４４の付着力を所望のように変化する。
【００２９】
本発明のコーティングに付与される通常の電流密度は１〜１０ｍＡ／ｃｍ^２である。動作電圧は、通常、２〜約１００ボルトの範囲であり、氷の温度およびワイヤ間の間隔に依存する。温度が低いほど、必要とされる電圧は高くなる。ワイヤ間の間隔が大きいほど、必要とされる電圧は高くなる。−１０℃の典型的な温度および５０μｍの間隔に対して、約２０ボルトのバイアスは、非常に純粋な氷を通って約１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度を提供する。
【００３０】
アノードワイヤ１０４（図３）が、アノード腐食に対して非常に強い耐性を有することが重要である。そのために、ワイヤはプラチナまたは金またはアモルファスカーボンの薄層を用いてコーティングされ得る。他の合金も付与され得る。カソードワイヤ１０２は水素も通さない。良好なカソード材料の例は、金、銅、真ちゅう、ブロンズおよび銀を含む。
【００３１】
本発明による複合コーティングまたはワイヤメッシュは可撓性である。これは、例として飛行機の翼、ヘリコプタのブレード、ジェットエンジン吸気口における保護格子、調理場および工業用冷蔵庫の熱交換機、標識および船の上部構造を含む、多種多様な表面材料および形状を保護し得る。
【００３２】
本明細書中で説明されたワイヤメッシュおよび複合コーティングは、業界において用いられる従来の方法を用いて製作され得る。本発明のメッシュまたは複合コーティングは、単に、それを表面にわたって張り巡らせることによって表面に付与され得、接着剤の薄層は、複合コーティングまたはメッシュと、表面との間に配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明による、表面を除氷する電気コーティングを含む除氷システムを示す。
【図２】
図２は、本発明による、表面を除氷する電気コーティングを含む代替的除氷システムを示す。
【図３】
図３は、本発明による、カソードワイヤおよびアノードワイヤを有する複合コーティングを示し、これは表面上に形成された氷の付着を変化させる作用をする。
【図４】
図４は、電極ワイヤは同じバイアスを有する、本発明による複合コーティングを示す。
【図５】
図５は、本発明によるワイヤメッシュを示す。

Claims (27)

1. 導電性表面に付着した氷の付着力を変化させるためのシステムであって、
   該表面を被覆するワイヤメッシュ、導電性ワイヤを含む該コーティングを有する複合コーティングと、
   該コーティングと該表面との間の非導電性絶縁層と、
   氷によって形成された回路を介して、該メッシュと該表面との間にＤＣバイアスを印加するためのＤＣ電源と
   を備える、システム。
2. 前記複合コーティングを前記表面に付着させるための接着剤をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記表面と前記ワイヤメッシュは、前記ＤＣ電源の反対の端部に接続される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ＤＣバイアスは、氷によって約１〜１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度を提供する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ＤＣバイアスは、前記表面と前記メッシュとの間に約２〜１００の電圧電位を提供する、請求項１に記載のシステム。
6. 導電性表面に付着した氷の付着力を変化させるためのシステムであって、
   該表面を被覆する複合コーティングであって、複数の導電性電極ワイヤと、複数の電気絶縁絶縁体繊維とを有し、該絶縁体繊維は、該電極ワイヤの各々を互いに分離し、該電極ワイヤを該表面から絶縁する、複合コーティングと、
   該氷によって形成された回路を介して、該電極ワイヤと該表面との間にＤＣバイアスを印加するためのＤＣ電源と
   を備えるシステム。
7. 前記複合コーティングを前記表面に付着させるための接着剤をさらに含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記表面は、前期ＤＣ電源の一方の端部に接続され、前記電極ワイヤは、該ＤＣ電源の反対側の端部に接続される、請求項６に記載のシステム。
9. 前記電極ワイヤは、カソードワイヤとアノードワイヤとを含む、請求項６に記載のシステム。
10. 前記複合コーティングは複合クロスである、請求項６に記載のシステム。
11. 前記複合クロスは、電極ワイヤと絶縁体繊維で編み込まれている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記電極ワイヤは、前記絶縁体繊維に対して、通常、垂直方向に編み込まれている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記電極ワイヤは、金、銅、真ちゅう、ブロンズ、銀、およびこれらの混合物の１つを含む、請求項６に記載のシステム。
14. 前記ワイヤにわたるコーティングであって、プラチナ、金およびアモルファスカーボンの群から選択されるコーティングをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記電極ワイヤはアノードワイヤとカソードワイヤとを備え、前記電源は、前記表面と該アノードワイヤとの間、および該表面と該カソードワイヤとの間に、交互にバイアスを生成する、請求項６に記載のシステム。
16. 表面に付着した氷の付着力を変化させるシステムであって、
    該表面を被覆する複合コーティングであって、複数のカソードワイヤと、複数のアノードワイヤと、電気絶縁絶縁体繊維とを有する複合コーティングと、
    該氷によって形成された回路を介して、該カソードワイヤと該アノードワイヤとの間にＤＣバイアスを印加するためのＤＣ電源と
    を備える、システム。
17. 前記カソードワイヤは、前記ＤＣ電源の一方の端部に接続され、前記アノードワイヤは、該ＤＣ電源の他方の端部に接続される、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ＤＣ電源は電池である、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記表面は、航空機の翼の表面を含む、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記表面は、送電線の表面を含む、請求項１６に記載のシステム。
21. 前記複合コーティングを前記表面に付着させるための接着剤をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
22. 前記複合コーティングは複合クロスである、請求項１６に記載のシステム。
23. 前記複合クロスは、前記カソードワイヤと、前記アノードワイヤと、前記絶縁体繊維とで編み込まれる、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記カソードワイヤと前記アノードワイヤは、前記絶縁体繊維に対して、通常、垂直方向に編み込まれている、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記カソードワイヤは、金、銅、真ちゅう、ブロンズ、銀、およびこれらの混合物の１つを含む、請求項１６に記載のシステム。
26. 前記アノードワイヤは、金、銅、真ちゅう、ブロンズ、銀、およびこれらの混合物の１つを含む、請求項１６に記載のシステム。
27. 前記アノードワイヤにわたるコーティングであって、プラチナ、金およびアモルファスカーボンの群から選択されるコーティングをさらに含む、請求項２６に記載のシステム。
    （発明の背景）

Images