CN114104300B - 除冰装置及其除冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种除冰装置及其除冰方法，除冰装置包括结冰采集模块，用于感知监测区表面的附冰信息，并将附冰信息发送给控制器；融冰模块，在监测区表面附着冰层时，用于带动监测区表面振动，使监测区表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面；冰层剥离模块，用于冰层内表面融化后，将冰层从监测区表面剥离；控制器，用于接收结冰采集模块上传的附冰信息，当附冰信息大于第一预设阈值时，启动融冰模块；当附冰信息由第一预设阈值降低至小于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块；当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块和冰层剥离模块。

Description

除冰装置及其除冰方法

技术领域

本发明涉及除冰领域，尤其涉及一种物体表面的冰层进行去除的除冰装置及其除冰方法。

背景技术

对于比较高端的设备，其对外界工作环境要求比较高，比如机翼、风轮叶片、太阳能板等，在外界温度骤降时，其表面会形成冰层，对于机翼和风轮叶片会导致其重量增大，进而增大运行阻力，严重影响飞机的飞行安全及风轮叶轮的旋转发电；对于太阳能板冰层会影响其对光照的接收，而影响其发电效率。

针对这些高端设备表面结冰，目前普遍的做法是：当检测到结冰时，采用机械振动使监测区表面进行振动，以此将冰层破碎，之后在振动作用下从监测区表面剥离；或者采用加热的方式对冰层进行融化。采用这种方式虽然能够实现冰层的有效去除，但是采用振动方式除冰，需要较大的振动力，设备表面容易出现疲劳伤损，采用加热融冰又存在功耗大，对于飞机产生的热辐射还不利于其隐身。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供的除冰装置及其除冰方法解决了现有除冰方式存在能耗大或者设备表面易产生疲劳伤损的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种除冰装置，其包括：

结冰采集模块，用于感知监测区表面的附冰信息，并将附冰信息发送给控制器；

融冰模块，在监测区表面附着冰层时，用于带动监测区表面振动，使监测区表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面；

冰层剥离模块，用于冰层内表面融化后，将冰层从监测区表面剥离；

控制器，用于接收结冰采集模块上传的附冰信息，当附冰信息大于第一预设阈值时，启动融冰模块；当附冰信息由第一预设阈值降低至小于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块；当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块和冰层剥离模块。

本发明的有益效果为：本方案在检测到监测区表面存在结冰时，首先带着监测区表面发生剧烈摩擦，通过摩擦使结冰层附着界面产生局部高温，将冰层内表面融化为水，由于冰层在监测区表面失去附着力，需要很小的力就能够将其从监测区表面剥离；通过摩擦融冰结合冰层的剥离，相对现有技术的对冰层破碎或者全部融化达到除冰而言，能够大幅度降低能耗。

另外当监测区为机翼时，由于温升区域小，摩擦生热的热量十分有限，对于机翼而言，不会产生明显的热辐射，因此从热辐射角度考虑有利于飞机隐身性。

本方案利用超声波振动激发监测区表面和结冰层之间发生剧烈摩擦作用，使结冰层附着界面产生局部高温，进而使分布于结冰层附着界面的冰融化成液态水，使结冰层附着力降低至趋近于零，再由压缩气源将冰层吹落剥离。相比现有采用比较大的剪切力除冰的方式，本方案在监测区表面的超声波幅值更低，不会造成监测区表面出现疲劳伤损。

进一步地，融冰模块为超声波换能器，用于产生超声波带动监测区表面振动。

上述技术方案的有益效果为：采用超声波振动对冰层内表面融化，需要的能耗相对现有技术对冰层进行破碎而言，大幅度降低了需要的能耗；超声波发射后会覆盖一定面积，可以使冰层振动产生的摩擦力更加均匀。

进一步地，融冰模块安装在监测区内表面。

上述技术方案的有益效果为：融冰模块位置的设置，可以避免监测区外表面凹凸不平，增大运行时的阻力，或者降低光照面积。

进一步地，冰层剥离模块为气流剥离装置，用于产生的高压气流将冰层从监测区表面剥离。

上述技术方案的有益效果为：采用高速气流将冰层剥离，相应速度快，相对振动破碎冰层和融化冰层而言，大幅度提高了除冰效率。

进一步地，气流剥离装置包括与控制器连接、并产生高压气流的气体发生模块和至少一根与气体发生模块连接的导气管，监测区表面开设有贯穿其的安装孔，导气管安装于安装孔内，且其端部不超过监测区表面。

上述技术方案的有益效果为：其中的气体发生模块可以为空气压缩机，采用本方案这种结构的气流剥离装置，具有结构简单，易于实现等优点。

进一步地，导气管的直径为0.2mm～2mm。

上述实现方式的优点为：产生的气流通过直径比较小的管道，能够进一步提升其喷出速度，再者直径比较小，其对监测区表面影响比较小。

进一步地，高压气流的气压范围为0.5MPa～1MPa。

上述技术方案的有益效果为：该种气压的气流能够确保吹出的气体有较大的力，以保证冰层的快速剥离。

进一步地，结冰采集模块为压电平膜结冰传感器，附冰信息为压电平膜结冰传感器的谐振频率。

上述技术方案的有益效果为：谐振频率会跟随冰层信息进行变化，通过采集谐振频率能够较为准确地反映冰层情况，且具有便于采集的优点。

进一步地，谐振频率的计算公式为：

其中，f 为实时的谐振频率，K为受感器等效刚度，m为结冰采集模块的等效质量，k为受感器常数。

上述技术方案的有益效果为：通过上述关系式能快速地基于冰层附着的等效质量，计算出谐振频率，以便于根据谐振频率振动施加超声波及后续的高压气流。

进一步地，预设摩擦力的计算公式为：

其中，F为预设摩擦力；μ为监测区表面与冰层的摩擦系数；P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

上述技术方案的有益效果为：在计算预设摩擦力时考虑了实时变化的风载压力，可以保证计算的预设摩擦力的准确性。

进一步地，监测区表面机械振幅小于5μm。

上述技术方案的有益效果为：该振幅能够保证仅冰层内表面融化，幅度小可以监测区表面出现疲劳伤损。

进一步地，监测区为机翼、风轮叶片、换热屋顶或太阳能板。

第二方面，本方案还提供一种除冰装置的除冰方法，其包括如下步骤：

S1、采集监测区表面的附冰信息，并将其发送给控制器；

S2、判断附冰信息与第一预设阈值、第二预设阈值和初始阈值的关系：

S21、当附冰信息大于等于第一预设阈值时，启动融冰模块带动监测区表面振动，使监测区表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面，之后返回步骤S1；

S22、当附冰信息由第一预设阈值降低至小于等于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块将冰层从监测区表面剥离，之后返回步骤S1；

S23、当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块和冰层剥离模块，之后返回步骤S1。

上述技术方案的有益效果为：采用本方案的除冰方式，能够准确实现附着在监测区表面冰层的识别，并通过振动快速融化冰层内表面，再结合冰层剥离模块，实现冰层低功耗的快速去除。

进一步地，融冰模块用于产生超声波带动监测区表面振动，冰层剥离模块用于产生高压气流将冰层从监测区表面剥离。

进一步地，启动融冰模块时，还包括根据谐振频率调整融冰模块的激励电压峰值；启动冰层剥离模块时，还包括根据实时的谐振频率和初始的谐振频率调整冰层剥离模块产生的气体气压。

进一步地，激励电压峰值的计算公式为：

，

其中，U为激励电压峰值；a为监测区表面加速度；μ为监测区表面与冰层的摩擦系数； P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力；C为融冰模块的电容； f 为谐振频率，K为受感器等效刚度，m为结冰采集模块的等效质量，k为受感器常数。

上述技术方案的有益效果为：本实例基于谐振频率能够计算出达到预设摩擦力时调整融冰模块2的激励电压峰值，以保证其振动时，能够确保冰层内表面在摩擦力作用下产生热量融化。

进一步地，气体气压的计算公式为：

其中，M为气体气压；

为结冰的单位面积；

为冰的密度，b为比例系数；f为实时的谐振频率，f ₀ 为初始的谐振频率；P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

上述技术方案的有益效果为：本实施例结合大气压、风载压力和监测区冰层等效质量，对冰层剥离模块刚好剥离冰层时的气体气压进行精准调整，以此达到快速剥离冰层的同时，还可以降低能耗。

附图说明

图1为除冰装置的原理框图。

图2是除冰装置的结构简图。

图3是除冰装置的设备交联关系图。

其中，1、结冰采集模块；2、融冰模块；3、监测区；4、控制器；5、气体发生模块；6、阀门；7、导气管。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，本方案提供的除冰装置包括：

结冰采集模块1，用于感知监测区3表面的附冰信息，并将附冰信息发送给控制器4；

融冰模块2，在监测区3表面附着冰层时，用于带动监测区3表面振动，使监测区3表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面；

冰层剥离模块，用于冰层内表面融化后，将冰层从监测区3表面剥离；

控制器4，用于接收结冰采集模块1上传的附冰信息，当附冰信息大于第一预设阈值时，启动融冰模块2；当附冰信息由第一预设阈值降低至小于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块；当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块2和冰层剥离模块。

本方案通过在监测区3与冰层内表面的摩擦产生的局部高温，可以使冰层失去附着力，在此基础上只需要较小的推力，即可将冰层剥离监测区3表面，相对现有技术的将冰层振动破碎或者对冰层进行全部融化形式除冰，能够大幅度降低除冰能耗，且在监测区3表面不易残留大量的水。

本方案的监测区3可以为机翼、风轮叶片、换热屋顶或太阳能板。当为机翼时，本方案这种方式除冰，不会产生热辐射，可以利于飞机隐身性。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上做出的进一步改进，具体是：融冰模块2为安装在监测区3内表面的超声波换能器，用于产生超声波带动监测区3表面振动；冰层剥离模块为气流剥离装置，用于产生的高压气流将冰层从监测区3表面剥离。

其中超声波换能器均匀地安装在监测区3内表面，高压气流亦从监测区3表面均匀地吹出。

本实施例采用超声波进行振动融冰，功耗相对比较低，且更容易控制冰层内表面的融化，且超声波振动相对其他方式而言，受力更加均匀；采用高压气流剥离冰层，响应快，可以减少冰层的停留时间。

实施时，当监测区为机翼时，可以将超声波换能器安装在机翼的前缘部位，超声波换能器优选为压电陶瓷材料。

实施例3

本实施例是在实施例2的基础上做出的进一步改进，如图2和图3所示，气流剥离装置包括与控制器4连接、并产生高压气流的气体发生模块5和至少一根与气体发生模块连接的导气管7，监测区3表面开设有贯穿其的安装孔，导气管7安装于安装孔内，且其端部不超过监测区3表面。

本实施例采用高压气流实现冰层的剥离，速度快，且能耗相对比较低。

其中的导气管7的直径可以为0.2mm～2mm，高压气流的气压范围可以为0.5MPa～1MPa。

导气管7直径的独特设置，可以保证气体发生模块产生的气流经过导气管7后实行高压吹出，形成足够大的力，实行冰层的快速剥离。

位于安装孔内的导气管7端部可以与监测区3表面齐平，当检测区为机翼和风轮叶片时，可以避免监测区3表面不平整，增大设备运行时的阻力；当为太阳能板时，可以避免高温影响其使用寿命。

对于飞机和风轮叶片，气体发生模块5可以安装在机翼或者风轮叶片内部。

本实施例的导气管7可以为不锈钢管，均布在监测区3，其上安装有与控制器4连接的阀门6，通过控制器4开启或关闭阀门6实现导气管7的通断。

阀门6处于常断状态，控制器4通过信号线缆与阀门6交联，可控制阀门6的通断。

实施例4

本实施例是在实施例1的基础上做出的进一步改进，其中结冰采集模块1为压电平膜结冰传感器，结冰采集模块1位于监测区的内表面，其感应冰层部分位于监测区外表面，并与监测区外表面齐平，附冰信息为压电平膜结冰传感器的谐振频率。

其中，谐振频率的计算公式为：

其中，f 为实时的谐振频率，K为受感器等效刚度，m为结冰采集模块1的等效质量，k为受感器常数。

压电平膜结冰传感器的工作原理为：当压电平膜结冰传感器的受感器逐渐有冰附着时，受感器等效刚度K变大，等效质量m增加，但由于等效刚度的增加占主导作用，故导致谐振频率增加。当压电平膜结冰传感器的受感器有水附着时，受感器等效刚度K不变，等效质量m增大，故导致谐振频率减小。

因此，压电平膜结冰传感器的探冰谐振频率的变化不仅可以反映结冰的情况，还可以辨识是否存在水附着。

实施例5

本实施例是在实施例1的基础上做出的进一步改进，预设摩擦力的计算公式为：

其中，F为预设摩擦力；μ为监测区3表面与冰层的摩擦系数；P为大气压产生的压力；N为监测区3表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

本方案通过大气压和风载压力，可以准备地计算出需要克服的预设摩擦力，以准确地给融冰模块2施加电压，实现冰层内表面的冰快速融化。

其中，监测区3表面的机械振幅小于5μm，通过对融冰模块2电压的调整，可以使监测区3表面机械振幅小于上述条件，以确保仅冰层内表面融化，以避免振动过大致使监测区3出现疲劳伤损。

实施例6

本实施例是实施例1-5中任一种除冰装置的基础上的除冰方法，其包括如下步骤：

S1、采集监测区3表面的附冰信息，并将其发送给控制器4；

S2、判断附冰信息与第一预设阈值、第二预设阈值和初始阈值的关系：

当结冰采集模块1感受监测区表面结冰情况时，其附冰信息保持初始阈值或低于初始阈值，则判断为无结冰状态；当附冰信息升高，并大于第一预设阈值时，则判断为监测区出现结冰，并向控制器发出监测区结冰信号，当附冰信息从第一预设阈值逐渐降低，并降至小于等于第二预设阈值，则表明冰层内表面的已融化，当附冰信息由第二预设阈值降低至初始阈值，则表明此时冰层已被剥离，除冰完成，之后只需要保持结冰采集模块处于工作状态即可。

S21、当附冰信息大于等于第一预设阈值时，启动融冰模块2带动监测区3表面振动，使监测区3表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面，之后返回步骤S1；

S22、当附冰信息由第一预设阈值降低至小于等于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块将冰层从监测区3表面剥离，之后返回步骤S1；

S23、当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块2和冰层剥离模块，之后返回步骤S1。

采用本方案的除冰方式，能够准确实现附着在监测区3表面冰层的识别，并通过振动快速融化冰层内表面，再结合冰层剥离模块，实现冰层低功耗的快速去除。

实施例7

融冰模块2用于产生超声波带动监测区3表面振动，冰层剥离模块用于产生高压气流将冰层从监测区3表面剥离。

进一步地，启动融冰模块2时，还包括根据谐振频率调整融冰模块2的激励电压峰值；启动冰层剥离模块时，还包括根据实时的谐振频率和初始的谐振频率调整冰层剥离模块产生的气体气压。

当冰层剥离模块为气流剥离装置时，在剥离冰层时，控制器需要开启导气管上的阀门，这样产生的气流才能从导气管吹出，另外阀门为常闭状态，只有在剥离冰层时才开启。

本实施例与实施例2的效果基本相同，此处就不再赘述。

实施例8

本实施例是在实施例7的基础上做的进一步改进，其中融冰模块2为超声波换能器，结冰采集模块1压电平膜结冰传感器，其谐振频率为：

其中，激励电压峰值的计算公式为：

其中，U为激励电压峰值；a为监测区3表面加速度；μ为监测区3表面与冰层的摩擦系数； P为大气压产生的压力；N为监测区3表面上的冰层在气流下产生的风载压力；C为融冰模块2的电容； f 为谐振频率，K为受感器等效刚度，m为结冰采集模块1的等效质量，k为受感器常数。

本实施例通过压电平膜结冰传感器在感知到其上冰层变化后，其谐振频率能够根据冰层的等效质量实时变化，基于谐振频率能够计算出达到预设摩擦力时调整融冰模块2的激励电压峰值，以保证其振动时，能够确保冰层内表面在摩擦力作用下产生热量融化。

实施例9

本实施例是在实施例7的基础上做出的进一步改进，从冰层剥离模块的导气管7喷出的气体气压的计算公式为：

其中，M为气体气压；

为结冰的单位面积；

为冰的密度，b为比例系数；f为实时的谐振频率，f ₀ 为初始的谐振频率；P为大气压产生的压力；N为监测区3表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

本实施例结合大气压、风载压力和监测区冰层等效质量，对冰层剥离模块刚好剥离冰层时的气体气压进行精准调整，以此达到快速剥离冰层的同时，还可以降低能耗。

综上所述，本方案提供的除冰装置和除冰方法，通过先对冰层内表面进行融化，之后再进行冰层剥离，可以大幅度降低冰层剥离时的能耗，同时还可以避免监测区出现疲劳伤损。

Claims (16)

1.除冰装置，其特征在于，所述除冰装置包括：

结冰采集模块，用于感知监测区表面的附冰信息，并将附冰信息发送给控制器；

融冰模块，在监测区表面附着冰层时，用于带动监测区表面振动，使监测区表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面；

冰层剥离模块，用于冰层内表面融化后，将冰层从监测区表面剥离；所述冰层剥离模块为气流剥离装置，用于产生的高压气流将冰层从监测区表面剥离；高压气流从监测区表面均匀地吹出；

控制器，用于接收结冰采集模块上传的附冰信息，当附冰信息大于第一预设阈值时，启动融冰模块；当附冰信息由第一预设阈值降低至小于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块；当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块和冰层剥离模块；

所述冰层剥离模块产生的气体气压的计算公式为：

其中，M为气体气压；

为结冰的单位面积；

为冰的密度，b为比例系数；f为实时的谐振频率，f ₀ 为初始的谐振频率；P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

2.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于，所述融冰模块为超声波换能器，用于产生超声波带动监测区表面振动。

3.根据权利要求2所述的除冰装置，其特征在于，所述融冰模块安装在监测区内表面。

4.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于，所述气流剥离装置包括与控制器连接、并产生高压气流的气体发生模块和至少一根与所述气体发生模块连接的导气管，所述监测区表面开设有贯穿其的安装孔，所述导气管安装于所述安装孔内，且其端部不超过所述监测区表面。

5.根据权利要求4所述的除冰装置，其特征在于，所述导气管的直径为0.2mm～2mm。

6.根据权利要求4所述的除冰装置，其特征在于，所述高压气流的气压范围为0.5MPa～1MPa。

7.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于，所述结冰采集模块为压电平膜结冰传感器，所述附冰信息为压电平膜结冰传感器的谐振频率。

8.根据权利要求7所述的除冰装置，其特征在于，所述谐振频率的计算公式为：

其中，f为实时的谐振频率，K为受感器等效刚度，m为结冰采集模块的等效质量，k为受感器常数。

9.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于，所述预设摩擦力的计算公式为：

其中，F为预设摩擦力；μ为监测区表面与冰层的摩擦系数；P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

10.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于，所述监测区表面的机械振幅小于5μm。

11.根据权利要求1-10任一所述的除冰装置，其特征在于，所述监测区为机翼、风轮叶片、换热屋顶或太阳能板。

12.一种权利要求1-11任一所述的除冰装置的除冰方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采集监测区表面的附冰信息，并将其发送给控制器；

S2、判断所述附冰信息与第一预设阈值、第二预设阈值和初始阈值的关系：

S21、当附冰信息大于等于第一预设阈值时，启动融冰模块带动监测区表面振动，使监测区表面与冰层之间的摩擦力大于预设摩擦力，以融化冰层内表面，之后返回步骤S1；

S22、当附冰信息由第一预设阈值降低至小于等于第二预设阈值时，启动冰层剥离模块将冰层从监测区表面剥离，之后返回步骤S1；

S23、当附冰信息由第二预设阈值降低至小于等于初始阈值时，关闭融冰模块和冰层剥离模块，之后返回步骤S1。

13.根据权利要求12所述的除冰方法，其特征在于，所述融冰模块用于产生超声波带动监测区表面振动，冰层剥离模块用于产生高压气流将冰层从监测区表面剥离。

14.根据权利要求13所述的除冰方法，其特征在于，启动融冰模块时，还包括根据谐振频率调整融冰模块的激励电压峰值；启动冰层剥离模块时，还包括根据实时的谐振频率和初始的谐振频率调整冰层剥离模块产生的气体气压。

15.根据权利要求14所述的除冰方法，其特征在于，所述激励电压峰值的计算公式为：

其中，U为激励电压峰值；a为监测区表面加速度；μ为监测区表面与冰层的摩擦系数； P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力；C为融冰模块的电容； f为谐振频率，K为受感器等效刚度，m为结冰采集模块的等效质量，k为受感器常数。

16.根据权利要求14所述的除冰方法，其特征在于，所述气体气压的计算公式为：

其中，M为气体气压；

为结冰的单位面积；

为冰的密度，b为比例系数；f为实时的谐振频率，f ₀ 为初始的谐振频率；P为大气压产生的压力；N为监测区表面上的冰层在气流下产生的风载压力。

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