CN103153788A - 用于对结构元件进行除冰的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对结构元件（170、270、370）进行除冰的除冰装置。该结构元件可以由整体聚合材料或金属材料制成。该装置包括：电连接至电极结构（200）的电源（250），所述电源设置成在适用时对所述电极结构（200）进行充电。电极结构（200）设置成产生脉冲力（Fn）来去除附着在所述结构元件（170、270、370）上的冰。本发明涉及一种用于对结构元件（170、270、370）进行除冰的方法。本发明还涉及一种计算机程序和计算机程序产品。本发明还涉及一种承载该装置的平台。

Description

用于对结构元件进行除冰的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种对结构进行除冰的装置和方法。具体地，本发明涉及一种对整体聚合物（纤维强化的）的或金属的机翼或螺旋桨进行除冰的装置和方法。本发明还涉及一种计算机程序和计算机程序产品。本发明还涉及一种承载该装置的平台。

背景技术

飞行器连续暴露于不同气候条件，并且在极端情况中的最危险的事件之一是积冰。已知的是，由于在飞行器的空气动力学表面形成冰而造成的积冰会对飞行条件造成严重的干扰。

飞行器上的积冰是非常复杂的物理过程。因此，适当的冰抑制技术的选择是一项困难的任务。拟要选择的技术必须与一些限制相容，这些限制包括材料性能、疲劳、飞行中的动态变形、鸟冲撞承受能力、修理和维护限制、耐久性等，仅列举了几例。因此，拟要考虑的任何方法必须在其总背景中仔细分析以便以具有价值的技术结论结束。

现在即将到来的问题之一是对燃料消耗减少的增长的需要，这又产生了轻量化和额外的空气动力学限制尤其是层流气流的要求。这已经导致了考虑由重量轻的纤维增强环氧树脂制造机翼的智能修复机翼飞行器概念的发展。冰的去除既可以通过提供熔化热来完成又可以通过作用于表皮的仅超过积冰层的附着力的机械应力来完成。然而，已知的是热要求太多的电力，并且在材料是环氧树脂的情况下，高温是应该避免的老化因素。另一方面，机械应力应当是脉冲力以使能量消耗最小化并且在毁坏冰表面附着时完成冰裂。积累的冰然后将主要因空气的阻力而去除。因此，能够通过脉冲力的作用完成机翼表皮表面移位的致动器是非常有意义的。

美国5584450描述了用于附接至机翼的电逐出除冰系统，该电逐出除冰系统包括多个由电介质填充区域分离的电逐出元件，所有的电介质填充区域都设置在顶电介质层与底电介质层之间。连续的顶表皮层覆盖整个除冰装置。

美国5129598描述了用于对飞行器结构构件进行除冰的可附接电脉冲除冰器，该可附接电脉冲除冰器包括设置成与结构构件的外表面接近的感应线圈。线圈由允许线圈相对于结构构件运动的挠性冰积累支承构件支承。线圈和支承构件可以形成在能够附接至结构构件的前缘的整体构造中。线圈和支承构件通过短时期、高电流脉冲流过线圈而快速地远离结构构件移位。

已知的冰抑制方法通常为金属表皮材料进行考虑并且通常是感应性的或利用热的（加热）。甚至存在通过总变形（可膨胀层等）来完成除冰的方法。

一些方法的已知的缺点是一些冰抑制装置将显著的局部扰动引入了空气流。由于从空气动力学考虑的角度出发，层流（特别地在机翼表面处）是期望的功能，因此表面的任何突起是不能够接受的。

已知的除冰方法的另一个缺点是冰和机翼之间的夹层的融化，这会导致将积累的冰向后推动的滑动效应，而简单地产生的水向后流动并且有在飞行器机翼的副翼处冻结的风险。

发明内容

本发明的一个目的在于提供用于对例如飞行器的机翼或风力设备的螺旋桨叶片之类的结构元件进行除冰的改进的方法和装置。

本发明的另一目的在于提供用于对例如飞行器的机翼或风力设备的螺旋桨叶片之类的结构元件进行除冰的可靠的方法和装置。

本发明的又一目的在于提供用于对例如飞行器的机翼或风力设备的螺旋桨叶片之类的结构元件进行除冰的替代性的方法和装置。

本发明的又一目的在于提供用于改进暴露于恶劣天气条件下从而产生积冰的平台的性能的方法和装置。

本发明还有一个目的在于提供用于减少平台处的不需要的空气湍流的风险的方法和装置，其中，空气湍流导致平台的性能受损。

这些目的通过根据权利要求1的除冰装置来实现。

根据本发明的方面提供了一种用于对结构元件进行除冰的除冰装置，该除冰装置包括：电连接至电极结构的电源，所述电源设置成在适用时对所述电极结构进行充电，其中，所述电极结构设置成产生脉冲力来去除附着在所述结构元件上的冰。

所述电极结构可以包括能够相互移位的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极中的一者最靠近于所述待去除的冰。所述第一电极和所述第二电极中的另一者固定至所述结构元件。

所述电源可以设置成在适用时对所述电极结构充电至预定的状态。

所述电极结构设置成在充电至所述预定状态以及从所述预定状态放电时，产生用于去除附着在所述结构元件上的冰的脉冲力。所述电极结构的所述充电和放电以脉冲方式进行，即以例如1-5毫秒的很短的时间进行。该脉冲产生了作用在所述结构元件上以去除所述附着冰的脉冲力。

通过对所述电极装置提供电压脉冲，在第一电极与第二电极之间迅速建立了电场。在所述电极装置的放电期间，与所述电场相关联的能量至少部分地转换成作用于所述结构元件的脉冲力，导致所述结构元件的表皮的脉冲式变形。因此，可以去除附着到所述结构元件的冰。

积累的冰的裂开效应旨在减小从飞行器的前机翼去除的冰块的尺寸以避免在向后飞行时会损坏飞行器的其它部件的飞行冰片。

所述电极结构的所述预定状态可以是任意的适合状态，其中在所述第一电极与第二电极之间的所述电场大到足以去除在所述结构元件上的检测到的和测量到的冰层。这意味着所述预定状态可以根据下文所描述的冰检测/测量系统测量的厚度和结构而确定。

本发明的基本优点在于概念的简易性。该装置在现有平台上实现起来很简单。本发明还提供了例如飞行器的整体复合机翼的结构元件中的低的被入侵水平。

然而，对于这里提出的除冰概念而言存在有军用和民用两者的潜在应用的宽范围。

该除冰概念的主要优点在于，尽管解决方案应该谨慎地适应于每种情况来确保功能以及电的正确使用，但该技术可以同样地在整体聚合物的或金属的机翼中实施。

由于能量是以脉冲的方式间歇性的并且与V²（V为在放电前跨越第一电极和第二电极的电压）成正比，因此除冰装置的操作所要求的预期的能量的量是非常低的。此外，必须注意的是，如果使用常规的聚酯膜，则脉冲力——例如列表显示在下文中的“发明原理”的章节中的——将比在第二列的力中给出的脉冲力极大地增强。实际上脉冲力可以根据电介质性能以约40-50的因数增大或更高。需要在第一电极与第二电极之间的不大于0.5mm的间隙，这在许多空气动力学方面能够成为优点。明显的是，关于该间隙，其长度和结构元件的表皮的厚度以及最大可达到的脉冲力应当调整在所选择的复合物的分层的范围内。该脉冲力必须基于需要完成什么来决定，同时还与材料性能和承受能力协调。在实践中，需要涉及在装置的材料性能与所选择的材料如何在长寿命时间中工作之间进行折中的设计。

与机械应力有关的优点在于：根据本发明的一个方面的概念是非常紧凑的，因此，不会特别地受例如鸟或空气中的可能撞击机翼的其它潜在物体（碎片、石块等）的撞击的影响。

对于飞行器，约3-4mm以上的冰厚度将产生空气动力特性的严重恶化，因此，通常冰抑制不允许有太多的积冰。太薄的冰层（即1mm以下）弹性太大，因此将很容易跟随在结构元件的表皮中引起的振荡（通过重复产生脉冲力提供）。另一方面，太重的积冰意味着积冰的厚度大，因此，需要完成结构元件的表皮的机械变形的力将增大到接近可能导致毁坏机翼的所述复合表皮的力的极限。因此，非常必要的是仔细评估操作这样的装置的操作的最佳范围以相对于复合表皮或金属表皮的结构破坏的可能性确保性能和无风险操作。然而，这有可能通过仔细的实验工作以及激活除冰的动力系统的设计来完成。

厚度太小的积冰层（即0.5-0.7mm以下）是非常有弹性的冰层，从而通过脉冲力在表皮上引起变形不能够完成冰抑制。另一方面，太厚的冰层将以如下方式增加表皮的质量：脉冲力不能够以足以裂开附着的冰的变形等级完成表皮的移位并由此导致抑制。因此，对于冰抑制策略的正确实施来说，积冰厚度的仔细的厚度测量是强制性的。

有利的是，装置可以安装在碳纤维或玻璃纤维强化的聚合物（结构元件）中。用于在除冰装置内的装置、电力线缆以及电极结构之间通信的线缆可以集成在整个塑料结构装置中。在整体金属机翼的情况下，存在有通过协调绝缘的预先的方法实施固定方案的方法。

所述电极结构可以包括设置成彼此极为接近的第一电极和第二电极。

所述电极结构可以包括能够相互移位的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极中一者最靠近于所述待去除的冰，并且其中，所述第一电极和所述第二电极中的另一者固定至所述结构元件。

所述电极结构可以包括夹置的电介质元件。所述电介质元件可以是非常薄的。根据一个示例，所述电介质元件约250微米厚。因此给出的电压可以产生较大的脉冲力。

所述电极结构可以包括板式电容器。通常板式电容器是相当便宜的装置。因此，该装置为上述问题提供了具有成本效益的解决方案。

所述第一电极和所述第二电极可以呈带状。此处所提出的冰抑制方法大致是平的并且不突出，具有非常小的厚度从而既不影响结构元件表面的空气动力学性又不影响平台的复合机翼或金属机翼上的结构入侵。否则这些是已知的除冰方法的共同缺点。

所述第一电极可以包括多个分离的第一电极，并且，所述第二电极功能性地设置在所述多个分离的第一电极中的每个处。通过在沿着所述第二电极的预定的不同位置处（例如在积冰为已知的问题的位置处）提供所述脉冲力的产生，需要较少的用于制造第一电极的材料。因此提供了更便宜的除冰装置，而不需要限定所述装置的性能。自然地，根据另一实施方式，所述第二电极可以包括多个分离的第二电极，并且所述第一电极可以功能性地设置在所述多个分离的第二电极中的每个处。

应当注意的是，在此处提出的电极结构中，根据示例，电极中的一个电极应当是可动表皮的组成部分，而另一个电极附接至机翼结构梁以完成相对于可动部分的固定部分。

在整个聚合物机翼中，这个概念的一个可能的优点在于，电极中的一个电极（例如附接至机翼结构梁的电极）可以连续地经过结构元件整个范围形成并且设计成允许高的电流强度，由此在将其用作闪电转移路径的情况下其功能性可以扩展，用作闪电转移路径时该电极应当接地。

所述产生的脉冲力可以具有足以去除具有约1-3毫米（10^-3m）的厚度的冰的附着层的幅值。替代性地，所述所产生的脉冲力可以具有足以去除具有约1-10毫米（10^-3m）的厚度的冰的附着层的幅值。应当对施加到电极结构的电压以及所述第一电极、第二电极和所述电介质元件的尺寸和特性进行选择以获得用于去除附着到所述结构元件的冰的适合的脉冲力。

所述装置设置成产生若干连续的脉冲力来去除附着在所述结构元件上的冰。据此提供一种有效的除冰装置。根据一个实施方式，产生预定数量的冲击脉冲来去除结构元件上的冰。根据一个示例，通过所述电极结构产生3-5个连续的冲击脉冲。根据另一个示例，产生多于5个的连续冲击脉冲。

高压脉冲产生的技术实现可以看作与在通常使用10-15kV的电压脉冲的汽车的火花产生中遇到的解决方案类似的解决方案。脉冲的数量和它们的形状可以通过微处理器控制装置在HV线圈的初级侧电子地调整。线圈变压器的相移必须对需要正脉冲还是负脉冲进行考虑。这里的关键问题是能够对脉冲的噪声频带进行控制，并且对于特定的应用，除冰脉冲的噪声频带期望低于或至多1MHz并且落在毫秒的范围内。

每个脉冲均可以具有任意适合的持续时间。根据一个示例，脉冲具有1毫秒的持续时间。用于去除结构元件上的冰的脉冲力基本上在产生的电压电力脉冲期间操作。

根据本发明的一方面，在所述脉冲力产生之前确定用于去除结构元件上的冰需要产生的脉冲力。用于去除结构元件上的冰需要产生的脉冲力可以通过确定所述结构元件上的冰厚度的装置来确定。该确定所述结构元件上的冰厚度的装置可以设置成邻近于所述除冰装置。

除冰装置可以包括至少两个电极结构。至少两个电极结构可以通过例如电池或飞行器上的主电源的一个单个的电源提供电力。替代性地，至少两个电极结构可以通过例如主电源和飞行器上的辅助电源的不同的电源分别提供电力。还应当注意的是，至少两个电极结构可以通过一个或更多个控制单元操作性地驱动以控制所述脉冲力的产生，并且在适用时，根据本发明的方面对所述结构元件进行除冰。

所述两个电极结构可以以交替的方式产生所述脉冲力。所述电极结构不需要在结构元件的表皮中同步产生振荡来实现冰抑制。根据另一示例，所述两个电极结构可以基本上同时产生所述脉冲力。

所述电压电源可以产生所述第一电极与所述第二电极之间的电场，该电场具有任意适合的大小，例如1kV、5kV或10kV。替代性地，该电场可以具有小于1kV或大于10kV的幅值。

所述结构元件可以由诸如包括例如碳纤维和/或玻璃纤维的全塑材料之类的非金属材料制成。所述结构元件可以由例如氧化铝、或轻质金属合金的金属材料制成。根据一个示例，所述结构元件可以由金属材料和整体塑性材料制成。

由于可以通过定制的应用实现该冰抑制概念，因此所述结构元件可以为要求通过定期的冰抑制对其表面上的积冰进行控制的任何其它应用的一部分。

所述结构元件可以是飞行器的机翼。所述结构元件可以是飞行器的机翼的表皮。所述结构元件可以是风力设备的螺旋桨叶片。

与使用线圈来去除所述结构元件上的冰的现有技术解决方案相比较，除冰装置具有非常小的体积。该除冰装置还可有利地保持结构元件的光滑表面，从空气湍流的角度来看这是非常可取的。

根据本发明的方面，提供了包括文中所描述的除冰装置的平台。

所述平台可以是固定设施。

所述平台可以是固定风力设备或海上风力设备。在高纬度地区的风力发电机的叶片中可以容易地实现根据本发明的概念。例如，从风电市场的角度考虑，所提出的除冰发明将显著提高风能在结冰气候中的盈利能力。本发明将有助于风力发电在北极地区的扩展。目前，有效的除冰方法的缺乏减少了产生重大经济损失的能源生产。此外，由于没有适当的除冰技术可用，因此在北极地区因优良的风条件而适合于发电的广阔的潜在地区被浪费。可以为高效的和相容的除冰技术的许多其它潜在应用提供类似的论据。

平台可以是飞行器并且所述结构元件可以是飞行器机翼或飞行器舵。文中所描述的技术可以容易适应于许多其它民用和军用应用。本领域技术人员认识到，文中所描述的根据本发明的技术适用于存在结构元件的冰抑制的基本需要的任何其它应用。

根据本发明的方面，提供了一种用于对结构元件进行除冰的方法，包括下述步骤：

当适用时，通过电连接至电极结构的电源对所述电极结构进行充电，以及下述步骤：

产生脉冲力来去除附着在所述结构元件上的冰。

根据本发明的方面，提供了传递到电极结构的电压的快速变化。

在飞行器平台的情况下，除冰方法可以在起飞前、起飞中、飞行中、和/或着陆过程中进行，即，在已经在飞行器的一个或更多个机翼上检测到冰的任何情况下。

该方法还可以包括下述步骤：

根据指示所述结构元件上的当前的冰状态的存在的信号来激活对所述电极结构进行的所述充电。

该方法还可以包括下述步骤：

确定对所述电极结构进行的所述充电是否已经将所述电极结构设置在预定状态。

该方法还可以包括下述步骤：

确定积累在所述结构元件上的冰的状态，并且根据所述确定的状态产生所述脉冲力。

附图说明

为了更完全地理解本发明以及其进一步的目的和优点，现在对附图中示出的示例进行参照，其中在所有若干幅图中相同的附图标记表示相同的部件，并且在附图中：

图1a示意性地示出了根据本发明的方面的飞行器形式的平台；

图1b示意性地示出了根据本发明的方面的风力设备形式的平台；

图2示意性地示出了根据本发明的方面的除冰装置；

图3a示意性地示出了设置有多个根据本发明的方面的除冰装置的飞行器的机翼；

图3b示意性地示出了设置有一对根据本发明的方面的除冰装置的飞行器的机翼的横截面图；

图4a示意性地示出了根据本发明的方面的用于对结构元件进行除冰的方法；

图4b示意性地示出了根据本发明的方面的更详细地描述的用于对结构元件进行除冰的方法；以及

图5示意性地示出了根据本发明的方面的控制单元。

具体实施方式

参照图1a，其描述了根据本发明的方面的平台100。根据图1a，该平台100示例为飞行器。飞行器可以是战斗机、轰炸机、侦察机或它们的组合。飞行器可以是例如航线客机或多用途飞机的商业民用飞机。飞行器可以是发动机驱动的或可以是滑翔机。飞行器可以是有人驾驶的或无人驾驶的，例如UAV（无人驾驶飞行器）。飞行器可以是固定翼的、扑翼的、旋翼的或它们的组合的。替代性地，平台100可以是卫星、航天飞机、火箭或导弹。

根据装置可以实施于的其它示例，平台可以是例如船舶、舰艇或渡船的水运工具。装置可以安装在石油钻塔或其它浮式平台上。特别地，装置适于安装在浮式风力设备上。

参照图1b，其示意性地描述了适于根据本发明的方面的用于对结构进行除冰的装置的平台。

根据图1b，平台100为固定设施。根据优选实施方式，该固定设施为用于以常规方式产生电力的风力设备。根据该示例，风力设备包括基础结构150、毂部160和三个螺旋桨叶片170。为了清楚，在图1b中没有示出例如发电机、齿轮箱和控制单元的其他特征。所述风力设备的转子直径可以高达120米，然而，可以使用例如50米或75米的任何适合的转子直径。风力设备可适应于低、中或高风速。根据一个示例，风力设备设置有三个螺旋桨叶片，然而，任何适合数量的螺旋桨叶片都是适合的。

风力设备可能会在例如螺旋桨叶片170上遭受到积冰。通常，累积在螺旋桨叶片上的冰对风力设备110的性能有负面影响。与在更有利的天气条件（即，意味着可接受的或不存在累积在螺旋桨叶片170上的冰的条件）时运行相比，在极端结冰条件下所产生的电力可减少高达40%或更多。

在附着的冰覆盖了一个螺旋桨叶片的至少一部分的情况下，在螺旋桨叶片的毂部160处的剪力导致受损的运行以及增大的停止运行的风险，或在严重的情况下导致风力设备110的损坏。

参照图2描述的根据本发明的实施方式的装置集成在风力设备的至少一个螺旋桨叶片中，优选地集成在所有螺旋桨叶片中。

替代性地，适合的固定设施（平台）可以为选自以下设施中的任一个：例如传载无线电的天线和用于手机通信的基站的无线通信设备、设置在支承结构上的反射器（parabolas）、雷达站、任何民用和/或军用装置或其表面上的积冰损害其期望的功能性的系统等。

参照图2，其示意性地示出了根据本发明的方面的用于对结构元件进行除冰的装置的示例性结构。

除冰装置包括电极结构200。更详细地，该除冰装置包括第一电极210和第二电极220。电介质元件230置于所述第一电极210与所述第二电极220之间。

电极结构的一个电极（电极210）被固定，而使另一电极（电极220）能够与系统的表皮一起运动。必须采取机械设计预防措施以使除冰装置能够完成振幅在约1mm的范围内的振动而不损伤表皮（例如分层、疲劳等）。此外，还必须考虑到并且抑制电极一旦被阻抑时的反弹以避免机械损伤。

根据一个示例，除冰装置包括板式电容器。更详细地，该除冰装置包括第一电容器板210和第二电容器板220。根据本发明的一个方面的板式电容器为平行板式电容器。

第一电极210可由任何适合的材料制成，所述适合的材料为与除冰装置所使用的结构元件、第二电极220和电介质元件230相容的材料。第一电极210可由任何适合的金属或合金制成。另外，第一电极210可具有任何适合的尺寸。然而，根据优选实施方式，第一电极210大致是二维的，即呈例如具有矩形形状的薄片形状。根据一个示例，第一电极210呈带状。第一电极210可集成在结构元件中。

第二电极220可由任何适合的材料制成，所述适合的材料为与除冰装置所使用的结构元件、第一电极210和电介质元件230相容的材料。第二电极220可由任何适合的金属或合金制成。另外，第二电极220可具有任何适合的尺寸。然而，根据优选实施方式，第二电极220大致是二维的，即呈例如具有矩形形状的薄片形状。根据一个示例，第二电极220呈带状。第二电极220可集成在结构元件中。

在一个示例中，第一电极的宽度在3-8cm或更大的范围内。在一个示例中，第二电极的宽度在1-4cm的范围内。根据示例，在应用于飞行器的情况下，可动电极（电极220）的长度可以为板条（slat）长度的适合的一部分，即大概在20-60cm的范围内。而固定电极（电极210）可以为板条的全长。一些可动电极可以使用固定电极的不同的一部分。关键问题是将可动电极的长度选择成能够产生完成除冰所需要的适合的和优化的机翼（结构元件）表皮的振动模式。

在第一电极210与第二电极220之间设置有间隙。在该间隙中设置有电介质元件230。该间隙可以具有任何适合的尺寸。电介质元件230紧配合在该间隙中，因此，基本上充满了第一电极210与第二电极220之间的间隙。

电介质元件230可以由任何适合的材料制成，所述适合的材料为与除冰装置所使用的结构元件、第一电极210和第二电极220相容的材料。电介质元件230可以由任何适合的材料制成，所述适合的材料为具有适合的机械规范以使得能够产生电极结构的期望振动模式的材料。根据一个示例，电介质元件具有给予电介质元件约3-4或更高的相对介电常数的固有特性。电介质元件还应当具有高于所施加的脉冲的最高设计电压的击穿承受能力，在适用时，还应当具有例如在30-50%区间内的安全系数。然而，可以使用具有适合的相对介电常数的任何适合的材料。另外，电介质元件230可以具有任何适合的尺寸。然而，根据优选实施方式，电介质元件230大致是二维的，即呈例如具有矩形形状的薄片形状。根据一个示例，电介质元件230呈带状。第二电极210可以集成在紧配合在第一电极210与第二电极220之间的结构元件中。

电介质元件230可以具有任何形状只要电介质元件230的表面范围在电极之间的表面的所有方向上延伸。电介质元件230必须覆盖第一电极和第二电极中的最大的一个并且在第一电极和第二电极中的最大的一个上延伸，即也就是说，较大的电极具有5×60cm的表面，那么电介质元件的适合的表面应当具有约10×70cm的尺寸。该结构要求箔片贯穿装置的工作寿命期限都应当在适当的位置。

根据该示例，第二电极220集成在结构元件270的可动表皮中，积冰在该可动表皮处形成了附着的冰201。第二电极220通过线缆251连接至高压脉冲源250，并且与固定的、不可动的电极210相比在尺寸（宽度）上明显较小，电极210接地并且明显比可动电极220更宽。根据一个示例，第二电极220是第一电极210的宽度的1/3，而电介质元件230以对称地两侧相等地延伸的方式是固定电极210的宽度的约两倍。

根据示例，第一电极和第二电极的厚度不需要大于零点几毫米。电介质元件330通常可以为约250-300μm。第一电极和第二电极的宽度通常可以在1-4mm的范围内。根据示例，所述第一电极和所述第二电极的长度可以居中地是飞行器机翼的板条的1/3，即，大概约40-60cm。

电压电源250通过线缆251电连接至可动的第二电极220。电压电源250可以是设置成提供10-30kV（10千伏-30千伏）范围内的电压的高压电源。图2所示的装置200也被称作换能器并且将被供给电压脉冲。电压电源250可以是电压脉冲源。电压电源250设置成当适合时，即在确定了附着到结构元件的冰应当被去除的情况下对电极结构200进行充电。

根据图2所示的示例性装置，将第一电极设置成接地（零，0）电压。第二电极220处于电压V的充电的状态，该电压V由通过链路L250连接至电压电源250的控制单元500确定。下面参照图5更详细地描述控制单元500。控制单元500也被称作计算机。电压V可以是正号或负号，例如+10000V或-10000V。

设置有通过通信链路L280与控制单元500通信的冰检测/测量系统280。冰检测/测量系统280设置成检测是否有冰附着到结构元件。冰检测/测量系统280还设置成测量检测到的冰的厚度。冰检测/测量系统280还设置成在适合时将包括相关信息的信号发送至所述控制单元。信号可以包括关于已经在结构元件上检测到的冰以及表示所述检测到的冰的厚度的值的信息。

控制单元500设置成接收来自冰检测/测量系统280的信号。控制单元500设置成根据所述接收到的信号和/或存储的程序例程来控制所述电极结构的操作。换句话说，控制单元500设置成对通过使用所述电压电源250进行的除冰过程进行控制以产生第一电极210和/或第二电极220的脉冲力Fn。

应当注意的是，操作员或例如飞行器（飞行员）或风力设备（维护人员）的所述平台可手动地激活根据本发明的方面除冰过程。这可以通过使用以发信号的方式连接至所述控制单元500的例如键盘或按钮的致动装置来实现。

涉及到例如高压的使用以及电晕起始（corona inception）、局部放电、老化等的隐性风险的装置200可能具有的问题能够通过智能解决方案、合理的设计以及正确的材料选择而防止。以上所描述的第一电极210和第二电极220的设计就是这样的示例。

如文中所描述的，储存在产生在第一电极210与第二电极220之间的电场E中的能量W支持脉冲力Fn（垂直于电极的表面而定向的力）的产生，以形成用于裂开从而去除附着在结构元件上的冰201的冲击脉冲。

力Fn在图2中示意性地示出并且在产生时影响结构元件的表皮270。Fn具有垂直于第一电极210的平面的方向。Fn具有垂直于第二电极220的平面的方向。

第一电极210固定至结构元件的主体，而第二电极220集成在可动表皮中。电介质元件230既可以集成在第一电极210中又可以集成在第二电极220中以使得能够进行一个电极相对于另一电极的脉冲运动。

电压电源可以自然地连接至第一电极210和第二电极220两者，从而使得能够产生作为用于除冰的所述脉冲力的来源的电场。

图3a示意性地示出了设置有多个根据本发明的方面的除冰装置的飞行器的机翼。

示出了飞行器100的机翼370。机翼370设置有分离的、分散的并且以常规方式进行控制的七个板条，即第一板条310、第二板条320、第三板条330、第四板条340、第五板条350、第六板条360和第七板条370。

根据本发明的方面，至少一个除冰装置为板条310-370中的至少一个板条而设置。根据一个示例，在所述七个板条310-370中的每个板条中均集成有一个电极结构200。根据参照图2所描述的，电压电源250设置成通过控制单元500控制。根据该示例，电压电源250设置成给位于所述七个板条310-370中的每个板条中的电极结构200提供电力。

根据该示例，控制单元500设置成通过通信链路L300与所述机翼370的所述板条310-370中的每个板条中的检测/测量系统280通信。

根据本发明的方面，可以相互独立地对每个板条进行除冰。

图3b示意性地示出了设置有一对根据本发明的方面的电极结构200的飞行器的机翼的横截面图。虚线由字母HL表示。

电极结构200可以以这种有利的方式设置在每个板条310-370中。冰201近似地以如图3b示出的方式积累在机翼370上。因此，通过在飞行期间已知的冰将积累的位置为飞行器100设置两个电极结构，提供了用于抑制所述冰的有效的手段。

在一定条件下，即不存在板条或在风车螺旋桨叶片的情况下，电极结构的电极中的一个电极（固定的电极）可以设计成能够传载发生在闪电条件下的电流强度，由此该固定电极可以用作避雷导体，而假定受保护的另一电极用来将感应瞬变返回电子设备。

应当注意的是，所述电极结构可以安装在飞行器100的板条310-370中的任一个中，并且还可以使用在靠置位置以及突出位置中，如图3b示意性地示出的。用于将电压供应至电极装置200的电力线可以在靠置位置和突出位置两者中进行操作。

如可以实现的，概念中涉及的所有部件（第一电极210、第二电极220和电介质元件230）的非常小的厚度使部件具有非常小的被入侵水平、非常小的重量和体积。

该概念的总成本在材料和部件方面是相当低的。利用该概念的技术方案的总体系结构可以包括基于微处理器的芯片以及包含报警、激活、事件记录数据库等的可能性的传感器。

应当注意的是，通过所提出的尺寸，添加到机翼的整个合成头部剖面的总重量将一点也不明显。

参照图4a，其示出了根据本发明的方面的用于对结构元件进行除冰的方法。该方法包括第一步骤401。方法步骤s401包括下述步骤：当适用时，通过电连接至电极结构的电源对所述电极结构进行充电。方法步骤s401还包括下述步骤：产生脉冲力来去除附着在所述结构元件上的冰。方法步骤s401之后该方法结束。

参照图4b，其示出了根据本发明的方面的更详细地描述的发明的除冰方法的流程图。

该方法包括第一方法步骤s410。在方法步骤s410中，检测结构元件是否至少部分地覆盖有附着的冰。这可以以例如通过检测/测量系统280的不同的方法执行。在方法步骤s410中还要测量所检测到的冰的厚度。该厚度可以是所述冰的平均厚度、或最小或最大厚度。所检测到的冰的厚度可以是与所述结构元件的预定区域相关联的厚度。方法步骤s410之后执行后续的方法步骤s420。

方法步骤s420包括确定预定的冰标准是否达到的步骤。如果所检测到的冰具有超过例如1mm的预定厚度的厚度，则可以达到预定的冰标准。如果所检测到的冰具有落在例如1-3mm的预定的冰厚度区间内的厚度，则可以达到预定的冰标准。任何适合的冰厚度区间都可以用于确定预定的冰标准是否达到。

如果所检测到的冰具有低于例如1mm的预定的冰厚度值的厚度，则不会达到预定的冰标准。如果所检测到的冰具有大于例如3mm的预定的冰厚度值的厚度，则不会达到预定的冰标准。

如果达到了预定的冰标准（是），则执行后续的方法步骤s430。如果没有达到预定的冰标准（否），则再次执行方法步骤s410。

方法步骤s430包括将电极结构200充电至预定的电状态的步骤。该电状态可以通过所述电极结构200的第一电极210与第二电极220之间的电场E和电压V限定。所述电状态包括储存的电能量，当该电能量转换成脉冲力时大到足以去除在所述结构元件上的所述附着的冰的至少一部分。基本上，储存在电极装置中的能量的突然变化将产生垂直（正交）于电极的表面的力，并且因此，如果一个电极被固定，则另一个电极将受到排斥。储存的能量的变化将与电极的间距乘力的变化成比例。方法步骤s430之后执行后续的方法步骤s440。

方法步骤s440包括确定是否达到预定的电状态的步骤。如果由于对所述电极结构200进行的充电而已经达到预定的电状态（是），则执行后续的方法步骤s450。如果还没有达到预定的电状态（否），则再次执行方法步骤s430（继续充电）。

方法步骤s450包括基于所述电极结构200的所述充电和放电产生脉冲力Fn的步骤。因此，充电到所述电状态以及从所述电状态放电以控制的方式执行，以成功地去除附着在所述结构构件上的所述冰的至少一部分，优选地，所有在所述结构元件上的附着冰。方法步骤s450之后执行后续的方法步骤s460。

方法步骤s460包括确定附着到结构元件的冰是否已经去除到期望的程度的步骤。该步骤还可以通过所述检测/测量系统280执行。如果附着到结构元件的冰已经去除到期望的程度（是），则方法结束。如果附着到结构元件的冰还没有去除到期望的程度（否），则再次执行方法步骤s430。

参照图5，其示出了电子数据处理单元500的实施方式的简图。该数据处理单元500还参照图2和图3a示出。该电子数据处理单元500也被称作控制单元500。控制单元500可以是在飞行器100上的除冰控制单元。控制单元500可以是风力设备110的除冰控制单元。控制单元500包括非易失性存储器520、数据处理装置510以及读/写存储器550。非易失性存储器520具有第一存储器部分530，该第一存储器部分530中存储有例如操作系统的计算机程序以控制控制单元的功能。控制单元500还包括总线控制器、串行通信端口、I/O装置、A/D转换器、时刻输入和传输单元、事件计数器以及中断控制器（未示出）。非易失性存储器520还具有第二存储器部分540。

控制单元500可以设置成与飞行器的主要任务计算机或例如风力设备的中央监视系统计算机通信。

包括用于对结构元件进行除冰的例程的计算机程序P可以以可执行的方式或压缩的状态存储在单独的存储器560和/或读/写存储器550中。存储器560是例如闪速存储器、EPROM（可擦可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦可编程只读存储器）、或ROM（只读存储器）的非易失性存储器。存储器560是计算机程序产品。存储器550是计算机程序产品。

当阐述数据处理装置510执行某种功能时，应当理解的是，数据处理装置510执行存储在单独的存储器560中的程序的某一部分或存储在读/写存储器550中的程序的某一部分。

数据处理装置510可以通过数据总线515与数据通信端口599通信。非易失性存储器520适于通过数据总线512与数据处理装置510通信。单独的存储器560适于通过数据总线511与数据处理装置510通信。读/写存储器550适于通过数据总线514与数据处理装置510通信。

信号可以从检测/测量系统280接收并且存储在存储器550或560中。

当来自检测/测量系统280的诸如冰检测/冰厚度数据之类的数据接收在数据端口599上时，该数据临时地存储在第二存储器部分540中。当所接收到的输入数据已经临时地存储时，数据处理装置510设置成以文中所描述的方式完成代码执行。处理装置510设置成执行例程以根据本发明的方面对结构元件进行除冰。

文中所描述的方法的一部分可以借助于运行存储在单独的存储器560或读/写存储器550中的程序的数据处理装置510的装置执行。当装置运行程序时，执行文中所描述的方法的一部分。

本发明的方面涉及包括用于对例如飞行器机翼的结构元件进行除冰的程序代码的计算机程序P，包括下述步骤：

当适用时，通过电连接至所述电极结构的电源对电极结构进行充电，以及下述步骤：

当所述计算机程序在计算机上运行时，产生脉冲力来去除附着在所述结构元件上的冰。

本发明的方面涉及包括用于对结构元件进行除冰的程序代码的计算机程序产品，该程序代码以计算机可读的方式存储在介质上，该计算机程序产品包括下述步骤：

当适用时，通过电连接至所述电极结构的电源对电极结构进行充电，以及下述步骤：

当所述计算机程序在计算机上运行时，产生脉冲力来去除附着在所述结构元件上的冰。

发明原理

本发明依据电动力学的以下基本原理：

让我们考虑平行板式电容器结构，其中，电容可以表示为如下形式：

$C=\frac{2W}{V^2}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{h}$

其中W是存储在电容器的场中的能量，V是跨越板（电极）的电压，以及A是电极的面积，而h是电极之间的分离间隙的距离。

由于存储在场中的能量可以表示为力乘以位移，因此可以得出：

$\mathrm{dW}=\frac{1}{2}{V}^2\mathrm{dC}=\frac{1}{2}{V}^{2}d\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{h}\right)=-F_n\mathrm{dn}$

其中末项代表对系统所做的功。这又可以表示为如下形式：

$\mathrm{dW}=-\frac{1}{2}{V}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{h^2}\mathrm{dh}=-F_n\mathrm{dn}$

其中微分已经在h=h（h为电极的初始间距）时进行了估算。因此明显的为：

$F_n=\frac{1}{2}{V}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{h^2}$

这意味着沿法向方向垂直于电极的表面的力将呈现为与施加的电压的平方成正比并且对于电极的给定面积A而言与电极的间隙成反比。此外，力Fn与电极材料属性无关。为了简单起见，把空气间隙视为电极之间的间隙h。

然而，如果间隙中填充有一些电介质，则介质的相对介电常数应当作为倍增系数而增加。如果间隙中填充有介电材料，则间隙可以足够薄而避免电击穿，尤其是在电极边界的场增强点处。此外，这会是非常需要的以避免机翼的表皮由于空气动力学的飞行条件下的压力而造成的挠曲变形。

位移在这种情况下是有意义的参数，因为在假定一个脉冲电压的情况下，间距将导致脉冲力，该脉冲力进而将在需要通过其上的机械作用实现冰抑制的表皮中导致薄膜振动模式。应当注意的是，电压的符号将不改变作用力的抑制特性。

为了进行示例，在最后的等式中假设0.40×0.60m=0.24m²的固定面积以及0.001m的电极的间距。作为电压等级的函数，将在电容器的电极上作用如下力：

其中：

A1：0.40×0.60=0.24m²；以及

A2：0.04×0.60=0.02m²

这表明通过该系统能够获得的力更好或可比得上在现有技术致动器（电磁线圈致动器）中得到的力的量级。

第一列的力是以0.24m²的面积计算得出的而第二列的力是以0.02m²（0.04×0.60m）的面积计算得出的，两列力都是以0.001m的相同的厚度计算的。在第二列中产生的最大脉冲力密度范围为从约450N/m²到350N/m²。

希望这些范围中的力密度足以完成从飞行器的机翼的表面（表皮）的冰抑制。希望这些范围中的力密度足以完成从风力设备的螺旋桨叶片的表面（表皮）的冰抑制。

在任何情况下，可以预见的是，整个概念的总重量/体积比绝对高度适合于在飞行器和风力设备两者中的所提出的集成。

应当意识到的是，可动表皮可以设计成带状电极的模式而固定的不可动电极可以与需求的一样宽。不同电极在不同时间通过电子装置激活，其中，单元250甚至包括可寻址多路复用器，该可寻址多路复用器能够在不同的时间区间激活表皮上的不同的可动的电极，从而能够实现振动模式的变化，即，表皮的表面变形，使得能够有效地实现冰抑制。积累的冰的积冰检测和厚度测量所建立于的基本物理原理基本上与水和冰的电介特性张量的温度依赖性相关。介电常数的实部表明了对温度的线性性质。此外，在液态到固态的相变点处，即在0℃时，介电常数呈现能够用于检测冰形成的开始的不连续性，然而，所选择的基于测量锁定放大器的微差设置的方法将不仅集中于这种特征。然而，积冰厚度与电介质特性对温度的线性性质非常好的相互关联。

测量和传感器应符合一些限制以适用于航空环境中的约束。首先，必须使得该传感器不将任何扰动引入可能需要传感器的机翼和机身表皮处的层流的空气动力学要求。

需要以相当快的方式执行测量以完成用于处理控制的可靠的信号，例如，只要累积的冰一超过预选的厚度阀值就立刻可靠地激活冰抑制装置。此外，在这种寄生信号能够危及测量过程的环境中嗓声抑制是强制性的，因此，高质量的测量方法是强制性的。

此外，整个系统可以适合于航空的或非航空的许多其它应用。检测/测量系统的传感器使得其甚至可以制造成与例如防冰覆层或其它涂漆相容，只要所述防冰覆层或其它涂漆不影响防护或使电极短路。移动或固定的应用也完全相容。此外，电子系统和传感器系统的整体微型化是能够完全实现的，因此，可以考虑到复杂的应用如风力涡轮机的每个asp。

然而，应当提到的是，由于传感器能够检测周围任何的活性反应，因此以装入在箱中或不然则保持在恒定条件下的基准进行的微差测量可以产生一些应用中的寄生信号的检测。如果传感器安装在旋翼的正后方的区域，则这可以是飞行器的旋翼叶片。在这种情况下，螺旋桨的每个叶片将调制检测到的信号。尽管可以电子地过滤这种效应，但是由于传感器装置的非常高的灵敏度而必须采取预防措施，寄生活性信号可以由改变位置或形状的任何对象产生。这不会是例如飞行器中的情况但可以是在更多的对象被涉及的可变环境下的其它应用中的情形。

目的是提供表面的高层流平滑性而仍集成如文中提出的除冰装置的用于集成在复合结构中的可能的设计可以示例性地包括：

1.由连接至电力线另外在结构元件的聚合结构的基体中电绝缘的金属片制成的基本电极。接触和布线必须做得相当仔细，特别注意在边界、角落、锐利边缘等处的所有场增强效应。

2.具有最高电击穿性能的绝缘层，例如诸如聚酯薄膜、聚四氟乙烯之类的聚酯（典型值是250μm厚，15kV击穿水平，ε_r～3.2等）。

3.薄电极，最终高各向异性导电性的碳纤维强化的整个聚合物结构元件可以用作电极，只要其呈现适于使其被认为是连接到飞行器的其余部分的基级的导电性。

4.在飞行器100的每个板条处的电极的所提出的几何尺寸可以约为≤40mm×长度（即40-60cm长）。材料可以为厚度小于0.5mm的不锈钢、铝或任何其它金属相容箔片（铜或铝可以用作用于环氧树脂块中的氧化过程的发起的催化剂）。

从特定的应用（飞行器、风力设备、或任何其它装置）的观点考虑，包括电极结构的结构元件应当在长期材料相容性方面进行仔细分析。

已经出于说明和描述的目的提供了本发明的优选实施方式的前述描述。其并非意在穷举性的或将本发明限制到所公开的确切形式。显然，许多改型和变型对于所属领域技术人员来说将是明显的。所选择和描述的实施方式是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，从而能够使所属领域的其它技术人员理解本发明的各种实施方式和适合于预期的特定用途的各种改型。

Claims (23)

1.一种用于对结构元件（170、270、370）进行除冰的除冰装置，包括：

电连接至电极结构（200）的电源（250），所述电源设置成在适用时对所述电极结构（200）进行充电，

所述除冰装置的特征在于，

所述电极结构（200）设置成产生脉冲力（Fn）来去除附着在所述结构元件（170、270、370）上的冰。

2.根据权利要求1所述的除冰装置，其中，所述电极结构（200）包括能够相互移位的第一电极（210）和第二电极（220）。

3.根据权利要求2所述的除冰装置，其中，所述第一电极和所述第二电极中的一者最靠近于所述待去除的冰。

4.根据权利要求3所述的除冰装置，其中，所述第一电极和所述第二电极中的另一者固定至所述结构元件。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述电极结构（200）包括设置成彼此极为接近的第一电极（210）和第二电极（220）。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述电极结构（200）包括夹置的电介质元件（230）。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述电极结构（200）包括板式电容器。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述第一电极（110）和所述第二电极（120）呈带状。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述第一电极（110）包括多个分离的第一电极（110），并且所述第二电极（120）功能性地设置在所述多个分离的第一电极（110）中的每个处。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述产生的脉冲力（Fn）具有足以去除具有约1-3毫米（10^-3m）的厚度的冰的附着层的幅值。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述装置设置成产生若干连续的脉冲力（Fn）来去除附着在所述结构元件（170、270、370）上的冰。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，包括至少两个电极结构（200）。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的除冰装置，其中，所述结构元件（170、270、370）由诸如包括例如碳纤维和/或玻璃纤维的全塑金属之类的非金属材料制成。

14.一种平台（100、110），包括根据权利要求1-13中的任一项所述的除冰装置。

15.根据权利要求14所述的平台，其中，所述平台是固定设施。

16.根据权利要求14或15所述的平台，其中，所述平台是固定风力设备或海上风力设备。

17.根据权利要求14所述的平台（100），其中，所述平台（100）为飞行器并且所述结构元件为飞行器机翼或飞行器舵。

18.一种用于对结构元件（170、270、370）进行除冰的方法，包括下述步骤：

当适用时，通过电连接至电极结构（200）的电源（250）对所述电极结构（200）进行充电（s430），

所述方法的特征在于下述步骤：

产生（s450）脉冲力（Fn）来去除附着在所述结构元件（170、270、370）上的冰。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括下述步骤：

根据指示所述结构元件（170、270、370）上的当前冰状态的存在的信号来激活（s430）对所述电极结构（200）进行的所述充电。

20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括下述步骤：

确定（s420）对所述电极结构（200）进行的所述充电是否已经将所述电极结构（200）设置在预定状态。

21.根据权利要求18-20中的任一项所述的方法，还包括下述步骤：

确定（s410）积累在所述结构元件（170、270、370）上的冰的状态，并且根据所述所确定的状态产生所述脉冲力。

22.一种包括用于对结构元件（170、270、370）进行除冰的程序代码的计算机程序（P），包括下述步骤：

当适用时，通过电连接至电极结构（200）的电源（250）对所述电极结构（200）进行充电（s430），

所述计算机程序（P）的特征在于下述步骤：

当所述计算机程序在计算机（500）上运行时，产生（s450）脉冲力（Fn）来去除附着在所述结构元件（170、270、370）上的冰。

23.一种包括用于对结构元件进行除冰的程序代码的计算机程序产品，所述程序代码以计算机可读的方式存储在介质上，所述计算机程序产品包括下述步骤：

当适用时，通过电连接至电极结构（200）的电源（250）对所述电极结构（200）进行充电（s430），

所述计算机程序产品的特征在于下述步骤：

当所述计算机程序在计算机（500）上运行时，产生（s450）脉冲力（Fn）来去除附着在所述结构元件（170、270、370）上的冰。

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