CN102574584A - 窄带除冰及释冰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用窄带照射来从表面除冰或释冰的方法。该方法可应用于不同除冰类型范围，从挡风罩除冰、飞机机翼除冰到从制冰机的冰盘释冰等等。虽然有许多不同的特定应用，但在所有应用中，所教示的概念及方法相同。

Description

窄带除冰及释冰系统及方法

本申请案是基于并且主张2009年9月18日申请的第61/243,669号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

背景技术

本发明涉及使用窄带照射以从表面除冰或释放冰的特定方法。所述方法可应用到从挡风罩除冰到飞机机翼除冰到从制冰机的冰盘释冰的不同除冰类型的范围。虽然有许多不同的特定应用，但是在所有应用中，所教示的概念及方法保持类似。

从历史上说，许多不同的方法已用于解决冰或控制冰的问题。冰的形成取决于环境可为有目的或成问题的-但以受控方式处理冰的期望被很好的记录在日常生活及专利数据库中。虽然详述处置冰的各种技术的所有历史方法是超出本教示的范围，但对它们中的一些的描述将有助于理解本发明的优势。

大多数传统的冰处置方法具有已由传统方法而来且尚未经效率优化的常见基本功能性。

举例来说，汽车挡风罩除冰是相对较慢且低效的。所述除冰依赖来自热空气的对流，所述热空气是始于引擎曲轴箱热量的若干低效转化的结果。此热是从再循环的冷却剂传导性地拾取，其较慢加热到有用温度。接着，温暖或热的冷却剂循环经过具有散热片的加热器芯，用风扇迫使空气穿过所述散热片，以吹到挡风罩表面的内侧上。取决于室外环境温度，使用这种方法的除冰花费三到十分钟(也很正常。为了使冰融化，必须将挡风罩加热到高于冻结温度。被吹到挡风罩的内侧表面上的对流空气将其热量低效地转移给挡风罩玻璃或其它材料。一旦挡风罩从内侧表面开始变暖，其必定传导热能穿过挡风罩材料的厚度到达外表面。这个过程内及其本身需要过渡穿过通常形成现代挡风罩的许多层。随着挡风罩升温，其同样将其热能的大量交给挡风罩周围(车辆内部及车辆外部)的大气。最后，挡风罩的外表面的温度上升高于水的冻结点32°F(0℃)，且开始溶化已在挡风罩的外面形成的冰。尽管冰的厚度有点用作隔离体，但室外环境温度不断地试图再冻结已被挡风罩的热度溶化的冰。总之，为了清理挡风罩以获得安全视觉而融冰的过程是非常慢、间接及低效的过程。因为挡风罩的某些区域比其它区域暖的快，所以所述过程同样容易成为不均匀的过程。来自除霜吹风机的对流加热过程的固有不均匀性具有允许各区域再冻结的趋势，尤其在温度常常降到冻结水平以下的严寒情况下。

同样，汽车中的传统吹气对流除霜器可具有讨厌的噪声。在变暖周期期间，所述除霜器还可引起使乘客感到不舒服的风寒效应。

车辆的后窗常常用嵌入到挡风罩中的电阻性电线来除霜或除冰。这种加热方法稍微较直接，因为电线中的电阻引起热量以传导方式转移到它们嵌入其中的挡风罩玻璃中。这最终在外玻璃表面处产生足够的热量以超过冰的融化温度。变暖的挡风罩以传导方式加热已在窗户外侧上形成的冰。当足够焦耳的能量已被冰吸收以达到其转变温度时，冰将开始变成液态水。这是较直接的使玻璃变暖以融化及消除冰的方法，但其仍需要将玻璃加热到将最终融化冰的温度。

一些汽车制造商已尝试在前挡风罩中并入嵌入式电阻丝。此举显然尚未被客户完全接受，因为电线是恼人的，且分散司机的视野。

已使用的其它除冰方法涉及某一形式的机械破碎、破裂或移除冰。在飞机机翼除冰过程中使用一实例。诺伯·特威斯特·金(Norbert Weisend，Jr)等人在第5,112,011号美国专利中描述这种类型的用于飞机机翼的除冰技术，其中将气囊系统集成为飞机机翼的前缘。流体在压力下被压入包括囊袋的管中，使得囊袋的外部形状改变。形状改变接着使许多位置中的薄冰片破裂，所以冰可从机翼表面被快速移动的空气扫除。存在其它类似系统。但这种技术具有控制维护及可能的失效模式的许多移动部分。所述系统还表示飞机在空中必须承载的大量额外重量。也许更重要的是，此除冰系统在严峻结冰情况下的可行性最近已被质疑。

另一种常见的控制冰的方式是通过将其化学处理。此系统力图直接融化冰或降低其冻结温度以阻止冰形成。基于化学的系统在许多应用中不能有效。举例来说，飞行中的机翼除冰实际上不能用此系统完成。同样，在一些情况下，化学融化系统可能引起地下水污染问题且/或增加对石油的依赖。

一种使用激光器的飞机除冰系统由威廉·南奈利(William Nunnally)在第5,823,474号美国专利中描述。所述系统描述非常强大的激光器系统，其可经配置以经由镜子扫描飞机的外表面，其使激光器能量指向可能的结冰表面。因为所述系统使用外部投射长波能量到飞机机翼或其它表面上，其必须在飞机准备起飞前完全融化100％的冰，所以所述系统是极其低效的。另外，所述方法必须将足够的热量传到飞机的表面中，使得冰不会立刻开始重新组成。

南奈利先生(Mr.Nunnally)在第6,206,305号美国专利中还描述类似系统的机载版本。尽管此系统是安装在飞机上，但为了具有满意的结果，其仍必须扫描过所有待除冰的表面，且必须融化100％的冰。所述系统具有巨大的缺点，因为非常强大且重的激光器及波束引导设备必须在飞机上，因此造成有效载荷问题及安全问题。进一步且更重要的是，恶劣的雨雪风暴将通过在激光束可到达其目标之前干扰及分散激光束来阻止激光器扫描关键表面。这将使除冰系统在最需要的时刻变得无用。

所有以上描述的系统的共同点是它们中没有一个将热能直接注入到在与支撑冰的表面的界面处的冰中。这是低效的主要原因，且其直接减慢除冰或释冰系统的功能性。

发明内容

本发明的一个重要目标是提供一种从衬底表面除冰或释冰的直接且高效的方式。

本发明的另一个目标是提供可通过利用可从中形成冰的元素或化合物或冰本身的吸收峰值来融化冰的窄带照射系统及方法。

本发明的另一个目标是提供可直接照射衬底表面上的界面冰从而将其变成水以为剩余的冰厚度提供轻松释冰的高效除冰或冰释放系统及方法。

在本发明描述的实施例的一个方面中，一种系统包括(a)衬底材料，其在将使用的照射波长下几乎是透射的且在其上已形成冰，及(b)照射产生装置，其操作以发射照射，所述照射穿过所述衬底的至少某部分，使得所述冰的受所述照射冲击的第一部分是距所述衬底的表面最近的界面部分，所述装置接近所述衬底材料，且经选择性地激活以产生照射，从而致使距所述衬底的表面最近的至少某些冰融化。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射产生装置是半导体装置。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射装置是LED、LET及激光二极管中的至少一者。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带半导体照射装置以阵列形式安装在平面安装板上。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射是大约以冰的吸收光谱中的波长吸收峰值为中心。

在本发明描述的实施例的另一方面中，多数窄带照射能量包含于400nm范围内。

在本发明描述的实施例的另一方面中，多数窄带照射能量包含在50nm范围内。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射装置是激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于20nm。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射装置是激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于8nm。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射装置由SE-DFB激光二极管组成，且半最大值全宽照射带宽小于2nm。

在本发明描述的实施例的另一方面中，平面安装板经设计以将热量从安装在其上的照射装置吸收走。

在本发明描述的实施例的另一方面中，平面安装板是使用流体来帮助排热的冷却布置的部分。

在本发明描述的实施例的另一方面中，流体是液体冷却剂、压缩气体冷却剂、蒸气改变冷却剂及气体或空气冷却剂中的至少一个，以为照射装置提供冷却功能。

在本发明描述的实施例的另一方面中，冷却布置经设计以利用来自高空环境的冷空气来为照射装置提供冷却功能。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射产生装置是数字半导体装置。

在本发明描述的实施例的另一方面中，衬底材料用作光导管。

在本发明描述的实施例的另一方面中，方法包括(a)提供在其上形成冰以待除冰的衬底，(b)定位窄带照射产生装置以使得照射在其辐照冰之前将穿过在其上形成冰的衬底，及(c)用窄带辐射能量穿过衬底的至少某部分而照射冰的界面层。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带辐射能量是在红外波长带内。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带辐射能量是在根据冰材料的吸收光谱的局部吸收峰值波长下应用。

在本发明描述的实施例的另一方面中，所使用的窄带辐射能量主要包含于400nm带宽内。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带辐射能量主要是在20nm总带宽内产生。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带辐射能量是由半导体装置阵列产生。

在本发明描述的实施例的另一方面中，半导体装置由至少发光二极管、发光晶体管或激光二极管组成。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带辐射能量是由表面发射激光二极管装置产生。

在本发明描述的实施例的另一方面中，所使用的窄带辐射能量大约在1456nm，1950nm或2400nm中的一者下。

在本发明描述的实施例的另一方面中，照射包括脉冲。

在本发明描述的实施例的另一方面中，照射致使形成液体、热冲击或冰的破裂。

在本发明描述的实施例的另一方面中，方法包括(a)提供具有其上已形成冰以待至少部分地除冰的外部表面的衬底物，其中包括所述衬底的材料在将使用的照射波长下是高度透射的，且可全内放射，(b)将窄带照射源密耦合到衬底材料的至少一个边缘以提供一种将窄带照射在照射波长下高效地注入到衬底物中的方式，及(c)激活窄带照射源以形成照射的内反射，使得光子仅脱离衬底物，此处冰通过更密切匹配衬底的折射率来为脱离提供路径，从而照射冰的界面表面。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射是在红外波长带内。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射是在根据冰材料的吸收光谱的局部吸收峰值波长下应用。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射主要包含于400nm带宽内。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射主要是在20nm总带宽内产生。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射是由半导体装置阵列产生。

在本发明描述的实施例的另一方面中，半导体装置由至少发光二极管、发光晶体管或激光二极管组成。

在本发明描述的实施例的另一方面中，窄带照射是由表面发射激光二极管装置产生。

在本发明描述的实施例的另一方面中，所使用的照射大约在1456nm，1950nm或2400nm中的一者下。

在本发明描述的实施例的另一方面中，激活包括脉冲。

在本发明描述的实施例的另一方面中，激活致使形成液体、热冲击或冰的破裂。

附图说明

图1是展示水及冰的吸收曲线的图表；

图2是以本发明描述的实施例的各种形式实施的窄带照射装置的实例阵列的图；

图3是实施本发明描述的实施例的制冰系统的横截面图；

图4是实施本发明描述的实施例的飞机机翼的横截面图；及

图5是实施本发明描述的实施例的代表性表面(例如，汽车挡风罩)的透视图。

具体实施方式

本发明提供并入数字热注入技术(DHI)的除冰及释冰系统及方法-其基本原理在一系列专利及/或专利申请案中有详述，所述专利及/或专利申请案包含第7,425,296号美国专利；第11/351,030号美国申请案(在2006年2月9号作为第7,425,796号美国专利的接续案而申请)；第11/448,630号美国申请案(在2006年6月7日申请)；第12/135,739号美国申请案(在2008年6月9日申请)；第61/224,822号美国临时申请案(在2009年7月10日申请)(现在对应于在2010年7月12日申请的第12/834,742号美国申请案)；第61/224,756号美国临时申请案(在2009年7月10日申请)(现在对应于在2010年3月5日申请的第12/718,919号美国申请案)；第61/231,944号美国临时申请案(在2009年8月6日申请)(现在对应于在2010年8月6日申请的第12/852,311号美国申请案相一致)以及，第61/157,799号美国临时申请案(在2009年3月5日申请)(现在对应于在2010年3月5日申请的第12/718,899号美国申请案)，所有这些专利及/或专利申请案均以全文引用的方式并入本文中。在至少一种形式中，预期的系统及方法是通过将辐射能量直接注入到冰的直接与其支撑结构接触的部分中来处理冰的数字、窄带、基于半导体的技术。

根据本发明描述的实施例，所述系统包括照射源，在一种形式中，所述照射源包括一个或一个以上半导体、具有谨慎选择的输出波长的窄带照射装置。输出波长经选择以使得其与冰及/或水(或其它冷冻物质)的吸收峰值及表面冰已形成冰于其上的衬底的高度透射性波长两者对应或匹配。阵列基本上定位(例如，装置以合适位置及配置贴近衬底)成可被选择性地激活以照射穿过透射性的支撑衬底，使得窄带输出辐射易于被吸收在冰的表面上吸收。因此，在一种形式中，界面冰(例如，最接近冰所搁置的衬底表面的冰部分)是受照射冲击影响且融化成滑溜液态水的冰的第一部分。在主体衬底与冰之间有了融化的薄层水，冰可从主体衬底材料轻松分离。液态水界面用作润滑剂，使得许多所描述的形态中的一种之一及其它形态可轻松地将冰从表面移除。然后，重力、风、雨刮、离心力及许多其它方式可作用于可能已冻结到主体材料表面的冰。同样，可将材料或涂层添加或应用到衬底表面，以便在冰融化成水时增强润滑功能，例如在界面处。例如在飞机机翼案例中，可在正常除冰期间在地面添加此涂层。

现在参考图1，展示说明水(102)及冰(104)的分光光度吸收特征的图表100。注意水(102)在(例如)大约1450nm(例如1456nm)、大约1950nm及大约2400nm下的吸收峰值。冰(104)的至少某些吸收峰值(例如)是大约1506nm，大约2095nm及大约2663nm。用此信息，有可能选择在这些或其它冰及/或水的峰值下高度透射的许多不同衬底。举例来说，玻璃、大多数塑料、及许多可被选择的材料在某些冰及/或水的吸收峰值下是高度透射的。通常，仅仅半透明或在可见波长范围内可能完全不透明的材料将在一个或所有上文所指示的冰及/或水吸收峰值下是高度透射的。因此，此项技术中的实践者对于在将一个或多个透射性材料定位在窄带照射装置与冰控制所要的位置之间的产品设计中使用的材料具有较多的灵活性。

可使用许多类型的窄带照射装置来实践本发明以达到所要的照射波长，其在至少一种形式中，使所要的冰及/或水的吸收特征及在其上支撑冰或水的材料的透射性特征相配。在至少某些形式中，所要波长带是红外波长带。举例来说，窄带照射装置可使用大约1456nm，1950nm或2400nm(例如±40nm)的波长，如上文所指示。可以根据本发明描述的实施例的方式使用的这些装置中的至少一些装置描述于与上文所述的DHI技术有关的先前申请的专利及专利申请案中。

参考图2，这些装置可以阵列20提供在支撑衬底或平面安装板上，且以多种方式布置。如图所示，窄带照射装置21以偏移阵列模式布置。当然，可使用其它合适的布置。就这一点来说，半导体照射装置(例如，数字半导体装置)的阵列可经配置以正好满足在波长、阵列形状、装置形状及照射模式中的至少一个中的应用。另外，装置可经选择及布置以使得窄带照射装置的多个波长经由吸收/透射平衡而达到特定效果，同时仍达到令人满意的冰融化效果。在至少一些实施例中，根据本发明描述的实施例可实施控制器以控制照射装置。在某些形式中，所述控制器可简单地激活及去活阵列，而在其它形式中，更精细的控制(例如，脉冲、过脉冲、反馈、装置或阵列的选择性激活、装置或阵列的包含波长输出的不同输出，等)可为所要的。控制器可采用多种形式，且使用各种软件例程及/或硬件配置来实施，所述软件例程及/或硬件配置可驻留于根据本发明描述的实施例的系统的各种合适位置中，或与所述系统通信。举例来说，控制器可专用于本文描述的系统，或可仅为较大系统控制方案的一部分(例如，在汽车中，在智能器具中，或在飞机上)。另外，还可提供随着冰融化而测量冰的温度的闭环系统。温度随着冰融化而升高，且发射的波长可根据闭环控制系统而相应地改变。平面安装板可具备用以将热热量从安装在其上的照射装置吸收走的系统。一个实例是使用流体来将热量运走的冷却布置。如图所示，提供冷却流体输入61及冷却流体输出62，其在操作期间将虑及衬底及照射装置的恰当冷却。应理解，冷却剂可采用多种形式，包括液体冷却剂、压缩气体冷却剂、蒸气改变冷却剂，或气体或空气冷却剂。无论是否有冷却剂，来自高空环境的冷空气可同样提供冷却功能。然而，冷空气可增强冷却剂(例如蒸气改变冷却剂)的影响。

应了解，照射装置的输出的带宽是足够窄的，其配合在所选透射性材料的吸收峰值之间或避免所选透射性材料的吸收峰值。带宽将基于包含应用、材料、设备及设计目标等许多因素而变化。在至少一种形式中，窄带照射大约以(例如)冰的吸收光谱中的波长吸收峰值(例如，局部吸收峰值)为中心。对于某些申请案来说，实例所要带宽可为大约5nm。在另一种形式中，多数窄带照射能量包含于400nm范围内。在另一种形式中，多数窄带照射能量包含于50nm范围内。在另一种形式中，窄带装置包含(例如)激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于(例如)20nm。在另一种形式中，窄带照射装置包含(例如)激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于(例如)8nm。在又一种形式中，窄带照射装置包括(例如)SE-DFB激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于(例如)2nm。

当然，LED、激光二极管、固态激光器、发光晶体管(LET)、气体激光器、包含SE-DFB(表面发射分布式反馈)装置的表面发射激光二极管，及其它窄带照射源(其中的一些在本文中引用)将为结合本发明使用的可能照射装置。上文指示的半导体及基于固态的产品通常将较易于实施且更紧凑，但可使用任一类型的窄带装置，假如其非常适合应用。同样的概念应用于融化不同化合物或元素的冰。

照射能量穿过透射性材料且被直接吸收在冰及/或水的表面上，这个事实对于本发明的效率来说是基本的。因此，多余的能量没有因加热在其上冰正在形成的衬底而浪费。而是，热量或辐射直接去融化界面冰，其然后变成液态水。

一般来说，且在一种形式中，根据本发明描述的实施例的方法包括：提供(或选择或确定)在其上形成冰以待除冰的衬底；定位窄带照射产生装置，使得照射在其辐照冰之前将穿过之前将穿过在其上形成冰的衬底；以及用窄带照射能量穿过至少某部分的衬底而照射冰的界面层。

现在参考图3，制冰系统110包含采取由透射性材料形成的冰盘16的形式的衬底材料及窄带发射阵列20，还可实施根据本发明描述的实施例的控制器(未图示)，其操作以控制阵列20。将了解，冰盘16包含将所述盘填充到水填充水平17的冻结的水50。还展示冰50与盘16之间的界面51。将了解，冰由于所产生的照射模式30而在界面51处融化成水。照射模式30由阵列20产生。在一种形式中，如上文所描述，阵列20包含窄带照射装置21及冷却流体输入61，如图所示。

在操作中，在根据本发明描述的实施例的实例方法中，阵列20朝冰盘16以照射模式30发射选择性的窄带波长辐射。所述照射自由地透射穿过盘16的透射性材料，且被冰50吸收以使得冰在界面51处融化。因此，可用许多众所周知的方式中的任一者来使冰50从盘16相对轻松的释放。

现在参考图4，说明呈飞机机翼10的形式的衬底材料的横截面。机翼10包含冲面14、由前缘材料11组成的前缘12，及对流冷却表面41。为了方便参考而未描述不与本发明描述的实施例有关系的标准或常规飞机机翼的其它部分。

应了解，可实施本发明描述的实施例以解决在机翼10的前缘12上形成的冰50。根据本发明描述的实施例，激活阵列20(例如，通过控制器-未图示)以产生呈照射模式30的照射31。照射31以大致方向32但同样具有发散角33从阵列20向外前行。所以，照射31大致朝由前缘材料11形成的前缘12前行。在至少一种形式中，前缘材料11对于为照射31选择的波长是高度透射性的。如图所示，照射31穿过透射性前缘12朝冰50前行，且融化界面51处的冰以使得水52在界面51处形成。在这个问题上，冰50仅仅从机翼10的前缘12滑落。还展示操作以向阵列20提供合适冷却的冷却块40。

对于某些申请案，设想所述技术的稍微较复杂且精细的实施方案。出于视应用而定的多种原因，将主体衬底看作光导管可为合乎需要的。将尤其希望的是衬底的至少一个尺寸与其它尺寸中的一者或两者中的大得多的大小相比是可忽略的。一实例将是具有与长度及宽度尺寸相比相对较小的厚度的汽车挡风罩。在此情况下，可实施结合图3及4而使用的办法，藉此大阵列可跨越整个挡风罩而定位，以融化挡风罩表面上的冰，如到目前为止所描述。然而，通过像衬底是光导管那样来实施技术，将窄带照射装置直接耦合到衬底的小尺寸侧的一者中是有可能的。

此外，使用呈挡风罩的形式的衬底材料的实例且参考图5，窄带照射装置阵列20可耦合到小尺寸，例如挡风罩80的尺寸81(例如，厚度)。可经由连接件91、92及93连接电力供应，以产生用于阵列20的输出70。如上文所述，还可提供控制器(未图示)以控制所述阵列。因为玻璃80(包含挡风罩)与在两侧定界挡风罩的空气之间的折射率差异较大，因此在挡风罩内侧发生的反射将能量保持含在其内，如由光线71所展示。当另一衬底50(例如冰或水)在挡风罩80的表面上时，玻璃或与水或冰之间的折射率差异彼此接近得多，且能量可退出到冰中，如由光线72所展示。这项技术用作选择性滤波器，使得能量仅通过其与之接触的冰而退出挡风罩80。在退出到冰中之后，辐射立刻被冰吸收，冰在所述波长下是高度吸收性的。然后冰在冰与表面之间的界面处融化为水。

将能量从一些较小点源位置而不是穿过遍及(例如)挡风罩的整个表面的大阵列引入到衬底中被认为是非常高效的方式。因此，尽管冰加热机制是类似的，但其增加了将衬底变成经工程设计的光导管的额外的精细步骤。

预期的是这种内反射技术还可为用于在飞机机翼前缘上部署本发明高效技术。设想本技术还可同样用于冰块制作系统中的释冰。通过设计冰块盘布置用于全内反射，可同时发生快速融化完全围绕冰块的界面冰。所述冰块盘布置可快速接通及快速断开，使得多余的热能不会使冰冻结隔间变暖。

可从窄带装置或光纤或其它类型的可用于将能量耦合到衬底中的能量转向或能量导向技术将照射直接耦合到衬底材料中。当然，这将同样对于最先描述的较低精细度的穿透技术有可能。

一般来说，且在一种形式中，一种根据本发明描述的实施例实施光导管法的方法包括：提供(或选择、确定)具有外部表面的衬底物，该外部表面上已形成冰以待至少部分地除冰，其中包括所述衬底的材料在将使用且能够进行全内反射的照射波长下是高度透射的；将窄带照射源紧密耦合到(例如，通过来源或装置的配置、定位或布置)衬底材料的至少一个边缘，以提供一种在照射波长下将窄带照射高效地注入到衬底物中的方式；以及激活窄带照射源以形成照射的内反射，使得光子仅脱离所述衬底物，此处冰通过更密切匹配衬底的折射率来为脱离提供路径，从而照射冰的界面表面。

本文描述的窄带照射可为连续照射或脉冲照射。虽然连续照射允许每单位时间更多焦耳的能量输入，但有理由相信脉冲照射也合乎需要。脉冲通常需要较小的电力供应，因为电能可储存在电容中，随后以突波形式周期性地释放。也可以过脉冲许多窄带装置(例如LED及激光二极管)，以便用同样的装置产生更强烈的短突波脉冲。该脉冲能量级虽然在短工作循环内可接受，但假如连续使用，通常会造成过驱且烧坏装置。因此，可为短突波提供较高振幅的能量脉冲，从而获得特定优势，例如较大的穿透深度。

通过使用大量过脉冲，有可能产生可在使冰破裂更有效(因为其同样融化表面)的高热冲击。这必须从对本发明的任一给定应用的实验中了解。

本发明的另一变化将通过选择衬底层而产生，所述衬底层在透射与吸收之间具有选定平衡，以为给定应用提供最优的效果。

本发明的又一变化是经工程设计有多个透射层的系统，所述多个透射层具有在能量到达冰之前在每一层中发生的选定吸收/透射。

本发明的又一变化将通过经工程设计的材料中的特定功能性而产生，所述经工程设计的材料可在透射区域中分层，且在特定刺激波长下被激活。

本发明的另一变化将通过激活纳米材料中的特定功能性而产生，所述纳米材料可用在透射层复合材料中，且可在特定波长下被激活。

在另一种变化中，在其上形成冰的衬底的多个层中的至少一个层在注入的或经选择的能量波长下受激膨胀或弯曲，以使冰破裂而移除。

同样，在某些变化中，所述系统可经调谐以允许某些热量吸收到其上形成冰的衬底中以协助融化过程。就是说，在某些应用中，衬底不需要在照射波长下是100％透射的。

本发明的又一变化将通过并入有在对人员及动物安全的眼睛安全波长下照射的窄带半导体装置而产生。

本发明的一优势是提供根据特定应用的需要在将特定冰作为目标时可为极端选择性且可对准目标的技术。本发明的另一优势是能够通过利用光导管技术的全内反射以较优化的方式部署系统，借此照射能量可因折光率较密切地匹配而逃脱衬底透射性材料主要进入冰中。

本发明的另一优势是所预期的冰融化及释冰系统及方法的快速功能性。

本发明的另一优势是能够使用窄带半导体发射装置，所述窄带半导体发射装置的波长输出针对融化特定类型的冰而优化。

本发明的另一优势是能够使用具有相当大厚度的透射性衬底且不需要加热所述衬底的厚度——而是穿过所述衬底直接照射冰。

本发明的又一优势是能够直接注入冰控制辐射能量，所述能量既不是传导到冰也不是以对流方式耦合到冰。

随着上文已教示并描述了本发明，应明白，这种冰融化技术以与传统技术不同的方式起作用，因为其主要融化界面冰，使得冰可轻松地从衬底主体表面移除。这应有助于实质上更高效且更快的冰移除或释冰系统及方法。本发明教示将能量直接注入到冰中，不是传导或以对流方式耦合的系统。

Claims (38)

1.一种用于在表面已形成冰的衬底材料上启动除冰动作的系统，所述系统包括：

(a)衬底材料，对将使用的照射波长几乎是透射的且表面已形成冰；以及

(b)照射产生装置，用来发射照射，所述照射穿过所述衬底的至少某部分，使得冰受所述照射冲击的第一部分成为最接近所述衬底之表面的界面部分，所述装置接近所述衬底材料，且选择性地激活以实现照射，从而致使最接近所述衬底的所述表面的至少某些冰融化。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带照射产生装置是半导体装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述窄带照射装置是LED、LET及激光二极管中的至少一个。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述窄带半导体照射装置是以阵列形式安装在平面安装板上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带照射大约以冰的吸收光谱中的波长吸收峰值为中心。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，多数窄带照射能量包含于400nm范围内。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，多数所述窄带照射能量包含于50nm范围内。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述窄带照射装置是激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于20nm。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述窄带照射装置是激光二极管，且半最大值全宽照射带宽小于8nm。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述窄带照射装置由SE-DFB激光二极管组成，且半最大值全宽照射带宽小于2nm。

11.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述平面安装板设计成从安装在其上的所述照射装置将热量吸收走。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述平面安装板是使用流体帮助携带走热量的冷却布置的部分。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述流体是液体冷却剂、压缩气体冷却剂、蒸气改变冷却剂及气体或空气冷却剂中的至少一个，以为所述照射装置提供冷却功能。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述冷却布置设计成利用来自高海拔环境的冷空气来为所述照射装置提供冷却功能。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带照射产生装置是数字半导体装置。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述衬底材料用作光导管。

17.一种启动除冰动作的方法，其特征在于，它包括：

(a)提供表面已形成冰以待除冰的衬底；

(b)定位窄带辐射产生装置，使得照射在到达冰之前将穿过表面已形成冰的所述衬底；及，

(c)用窄带辐射能量穿过所述衬底的至少某部分照射冰的界面层。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述窄带辐射能量在红外波长带内。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，根据冰材料的吸收光谱在局部吸收峰值波长下施加所述窄带辐射能量。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所使用的所述窄带辐射能量主要包含于400nm带宽内。

21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，主要在20nm总带宽内产生所述窄带辐射能量。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，由半导体装置阵列产生所述窄带辐射能量。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述半导体装置由发光二极管、发光晶体管或激光二极管的至少一个组成。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，由表面发射激光二极管装置产生所述窄带照射能量。

25.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所使用的所述窄带照射能量大约处于1456nm、1950nm或2400nm之一下。

26.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述照射包括脉冲。

27.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述照射引起液体产生、热冲击或冰的破裂。

28.一种对衬底材料的表面进行除冰的方法，其特征在于，它包括：

(a)提供具有外部表面的衬底物，所述外部表面上已形成冰以待至少部分地除冰的，包括所述衬底的材料在将使用的照射波长下是高度透射的且能够进行全内反射；

(b)将窄带照射源紧密耦合到所述衬底材料的至少一个边缘，以提供在所述照射波长下将窄带照射高效注入到所述衬底物中的方式，以及

(c)激活所述窄带照射源以形成所述照射的内反射，使得光子仅脱离所述衬底物，此处所述冰通过更密切匹配所述衬底的折射率来为脱离提供路径，从而照射所述冰的界面表面。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述窄带照射在红外波长带内。

30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，根据冰材料的吸收光谱在局部吸收峰值波长下施加所述窄带照射。

31.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述窄带照射主要包含于400nm带宽内。

32.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，主要在20nm总带宽内产生所述窄带照射。

33.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，由半导体装置阵列产生所述窄带照射。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述半导体装置由发光二极管、发光晶体管或激光二极管的至少一个组成。

35.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，由表面发射激光二极管装置产生所述窄带照射。

36.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所使用的所述照射大约处于1456nm、1950nm或2400nm之一下。

37.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述激活包括脉冲。

38.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述激活引起液体产生、热冲击或冰的破裂。

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