用于無源除冰的系統和方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及用于無源除冰的系統和方法。
【背景技術】
[0002]在暴露于大氣條件的各種設備上形成冰會是不希望的。例如，航空器上形成冰會干擾翼面的空氣動力學，例如，影響層流和重量分布，因此通常被視為是不希望的。
[0003]可在結冰狀況下，S卩，在空氣包含過度冷卻液體水的液滴的大氣條件下，可形成冰。結冰狀況是用平均液滴大小、空氣的含水量、空氣溫度和暴露表面的溫度來定量表征的。過度冷卻液體水是處于凝固點下但仍然保持液態的水。通常，水將在凝固點下凝固，但如果例如液滴不具有形成核的雜質，則大氣液滴可保持為液體。當過度冷卻的水液滴遇到冷的表面時，液滴立即固化并且形成冰。
[0004]抵抗冰形成的典型解決方案包括加熱對冰敏感的暴露表面,從而使暴露表面的一部分機械變形，并且應用除冰流體。這些解決方案中的每個都是有源機制的，伴隨著控制、監測、維修和/或重量方面的負擔。
[0005]疏冰表面(icephobic surface)通常是超疏水表面和/或涂層或者被類似地設計成超疏水表面和/或涂層，因此是相對易損的。這種涂層和/或表面通常并不適于通常形成冰的嚴苛環境。翼面會經歷甚至更極端的條件，從而致使現有的疏冰解決方案更加不太合適。
[0006]因此，需要在嚴苛環境下抵抗冰形成的無源疏冰系統(passive icephobicsystem)。
【發明內容】
[0007]無源除冰的系統可包括諸如交通工具的設備，這些設備包括帶有一個或多個冰成核區的無源除冰結構。冰成核區通常被構造、預選擇和/或布置成選擇性地在冰成核區上和/或附近形成冰。另外，冰成核區通常被構造、預選擇和/或布置以形成冰，冰微弱附著于無源除冰結構，因此可通過使形成的冰經受來自流過無源除冰結構的空氣的足夠剪切力來去除冰。通常，冰成核區包括成核顆粒，通常是礦物質，其被構造、預選擇和/或布置成在冰成核區中形成冰核。
[0008]無源除冰結構還可包括一個或多個抗冰區，這些抗冰區可被構造、預選擇和/或布置成抵抗冰形成，以排斥水和/或冰撞擊表面，和/或促使比冰成核區更少的冰形成。通常，無源除冰結構可包括冰成核區和抗冰區的圖案。
[0009]無源除冰結構、冰成核區和/或抗冰區可形成在當表面經受剪切力時有助于表面除冰的位置處和/或形成為當表面經受剪切力時有助于表面除冰的布置。例如，通過在表面粘附、暴露和/或形成成核顆粒從而涂覆和/或精修表面來形成冰成核區。例如，通過在基本上沒有成核顆粒的情況下進行涂覆，形成抗冰區。
[0010]用無源除冰結構將設備除冰可包括在設備表面上的冰成核區上形成冰特征，然后使表面經受來自流過表面的空氣的剪切力以從設備上去除冰特征。剪切力可以是例如在飛行期間遭遇的空氣的力。
[0011]根據本公開的一個方面，提供了一種航空器，該航空器包括:主體，其包括具有前緣和暴露表面的動力學部件，其中，所述暴露表面被暴露于大氣；其中，所述暴露表面包括無源除冰結構。所述無源除冰結構包括:冰成核區，其以基本上平行于所述前緣取向的伸長方向伸長并且被構造成致使在所述冰成核區上形成冰；和抗冰區，其以基本上平行于所述前緣取向的伸長方向伸長；其中，所述抗冰區通過所述冰成核區而與所述前緣分開；其中，所述冰成核區的可潤濕性大于所述抗冰區的可潤濕性。
[0012]有利地，所述成核區包括被構造成在所述無源除冰結構上為雜亂的冰成核的成核顆粒。
[0013]根據本公開的另一個方面，提供了一種航空器，該航空器包括:主體，其包括具有前緣和暴露表面的動力學部件，其中，所述暴露表面被暴露于大氣；其中，所述暴露表面包括無源除冰結構。所述無源除冰結構包括多個冰成核區，所述冰成核區被構造成致使在所述無源除冰結構上的一個或多個預定位置形成冰。
[0014]有利地,所述主體包括機翼、橫尾翼、水平尾翼、垂直尾翼、機身、發動機罩、螺旋槳葉片和旋轉機翼中的至少一個。
[0015]有利地，所述多個冰成核區中的每個包括被構造成在所述無源除冰結構上為雜亂的冰成核的成核顆粒。
[0016]有利地，各冰成核區被構造成將接觸所述冰成核區的超臨界水轉變成包括雜亂冰晶組的冰。
[0017]有利地，所述多個冰成核區被布置成選擇性形成冰特征，以有助于當所述冰特征經受剪切力時對所述設備進行除冰。
[0018]有利地，所述多個冰成核區中的每個包括被預先選擇成在所述冰成核區上為雜亂的冰成核的成核顆粒。
[0019]優選地，所述成核顆粒包括球體、納米顆粒、小板和薄片中的至少一種。
[0020]優選地，所述成核顆粒包括粘土礦物、硅酸鹽、硅酸鋁、層狀硅酸鹽、網硅酸鹽、長石、高嶺石、蒙脫石、硫磺和硫酸中的一種或多種。
[0021]有利地，所述多個冰成核區中的每個具有可潤濕表面。
[0022]有利地，所述多個冰成核區中的每個包括位于所述暴露表面上的礦物化涂層。
[0023]有利地，所述多個冰成核區中的至少一個靠近所述前緣。
[0024]有利地，所述多個冰成核區中的至少一個以基本上平行于所述前緣取向的伸長方向伸長。
[0025]有利地，所述無源除冰結構包括抗冰區。
[0026]有利地，所述抗冰區通過所述多個冰成核區中的至少一個而與所述前緣分開。
[0027]優選地，所述抗冰區是疏水性的。
[0028]根據本公開的其它方面，提供了一種設備，該設備包括:主體，其具有被暴露于大氣的暴露表面；其中，所述暴露表面包括無源除冰結構，所述無源除冰結構包括冰成核區，所述冰成核區被預先選擇成致使在所述無源除冰結構上的一個或多個預定位置形成冰。
[0029]有利地，所述冰成核區被構造成將接觸所述冰成核區的超臨界水轉變成包括雜亂冰晶組的冰。
[0030]有利地，所述冰成核區包括被預先選擇成在所述冰成核區上為雜亂的冰成核的成核顆粒。
【附圖說明】
[0031]圖1是根據本公開的具有有源除冰結構的設備的示意性表示。
[0032]圖2是具有無源除冰結構的設備的例示性非排他性示例。
[0033]圖3是具有無源除冰結構的翼面的示例性非排他性示例的示意性剖面圖。
[0034]圖4是翼面上的無源除冰結構的示例性非排他性示例的示意性立體圖。
[0035]圖5是翼面上的無源除冰結構的另一個示例性非排他性示例的示意性俯視圖。
[0036]圖6是用于形成無源除冰結構的方法的示意性表示。
[0037]圖7是用于對設備進行無源除冰的方法的示意性表示。
【具體實施方式】
[0038]圖1至圖5示出設備10、無源除冰結構30及其組件。用附圖中一致的標號標注用于類似或至少基本上類似目的的元件。在本文中可不參照圖1至圖5中的每個詳細討論圖1至圖5中的每個中的類似標號和對應元件。類似地，可不用圖1至圖5中的每個標注所有元件，但為了一致，可使用與其關聯的參考標號。在不脫離本公開的范圍的情況下，參照圖1至圖5中的一個或多個討論的元件、組件和/或特征可被包括在圖1至圖5中的任一個中和/或與圖1至圖5中的任一個一起使用。通常，有可能被包括的元件用實線示出，而可以是可選的或替代的元件用虛線示出。然而，用實線示出的元件不一定是必要的，在不脫離本公開的范圍的情況下，可省略用實線示出的元件。
[0039]圖1是針對疏冰性能進行構造、預選擇和/或布置的設備10的示意性表示。疏冰物是指抵抗冰形成和/或附接的表面、結構和/或系統。傳統的疏冰系統減少、或防止沿著整個疏冰表面的冰形成。相比之下，本公開描述了無源除冰結構30，該無源除冰結構30包含一個或多個冰成核區32，這些成核區被構造、預選擇和/或布置成促使冰形成。無源除冰結構30并不像有源除冰結構那樣需要重復施加能量和/或物質來抵抗、控制和/或去除冰。冰成核區32被構造、預選擇和/或布置成致使以受控方式和/或在一個或多個預定位置形成冰。這樣做時，控制冰形成，以允許容易和/或自動地從無源除冰結構30去除冰。因此，無源除冰結構30具有全局疏冰效果(例如，極少的冰積聚)，即使局部地且有明確目的地在冰成核區32中形成冰。
[0040]設備10包括具有被暴露于大氣的暴露表面14的主體12。暴露表面14包括無源除冰結構30，該無源除冰結構30包括一個或多個冰成核區32。設備10可以是交通工具20、風力渦輪機、建筑物、塔、桅桿、塔架和/或其部件、或被暴露于元件并且期望有疏冰性能的任何其它結構。交通工具20的示例性非排他性示例包括航空器(如圖2中所示)、飛機、旋翼機、無人駕駛航天器、船只和陸運工具。主體12可以是設備10和/或可以是設備10的部件。例如,主體12可以是翼面16、空氣動力學部件、機翼22、橫尾翼26、水平尾翼、垂直尾翼28、機身、螺旋槳葉片、旋轉機翼