JP2015534520A - 防氷システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

航空機構造上に据え付けられる半球状保護ハウジング１のための防氷システムを記述している。システムは、ハウジング１の境界２に据え付けられる一連の圧電デバイスを備えている。圧電デバイスが超音波周波数を発生させて、保護ハウジングの共鳴を誘起させる。圧電デバイスのうちの１つが保護ハウジング中の発生された周波数を感知し、保護ハウジング１の構造共鳴を維持するフィードバックループの一部として動作する。保護ハウジング１の構造共鳴が氷の形成を防止する。さらに、より高い出力の共鳴を発生させて、保護ハウジング１上に既に形成されている氷を除去することができる。システムは、保護ハウジング１の構造共鳴を維持するのに要求される周波数における何らかの変化を監視することによって、保護ハウジング１上の氷形成の検出も可能にする。【選択図】 図１

Description

発明の分野

本発明は、防氷システムおよび方法に関連している。排他的にではないが、より具体的には、航空機上に据え付けられるドーム型保護ハウジング上での氷の形成を検出および除去するためのシステムおよび方法に、本発明は関連している。

現代の航空機においては、赤外（ＩＲ）カメラやレーザー‘ポインタ’のような、敏感な監視機器が、航空機の外部に据え付けられていることが多い。このような機器を過酷な外部の環境から保護しなければならず、これは、このようなカメラからの‘ビュー’、またはレーザーの送信を妨げない、透明なドーム型構造の使用によって達成されることが多い。しかしながら、高所ではこのような保護的なドーム型ハウジング上に氷および水分が形成されることがあり、それによって、カメラのビューや、レーザーの送信が妨げられることになる。

したがって、それ自体では構造の透過率を低下させないドーム型透明ハウジングから、氷および水分を検出および除去するシステムに対する要求がある。

航空機の翼前縁部から氷を除去するための、商業的に利用可能なシステムが存在する。これらは一般的に、航空機の翼に組み込んだパルス電磁石によって誘起される、ワイドバンドの電気機械振動を使用する。米国特許第６，１０２，３３３号にこのようなデバイスが開示されている。この文献に記述されている電気機械式防氷装置は、氷の形成を除去するように十分に変形させることができる適合表面を要求する電磁石を使用している。さらに、このようなシステムは、氷の存在を独立して検出しない。このようなシステムは、氷の存在を推測して、それに応じて氷を除去するように動作する。

“固定または回転の航空機翼のための防氷システム”というタイトルの米国特許公開第２０１２／００７４２６２号に、さらなるシステムが記述されている。そこで開示されているシステムは、回転翼または固定翼の航空機の翼から氷の形成を除去するために、圧電アクチュエータによって誘起される超音波振動の使用を含んでいる。しかしながら、記述されるシステムを使用しても氷の存在を検出することはできない。

さらに、例えば構造中に組み込んだ加熱フィラメントによって、ドームの表面を不明瞭にすることはできない。というのも、このことがレーザー／ＩＲカメラをブロックするからである。さらに、ドームの基部における電熱的な防氷は、温度を外部の露点より上に維持して、水分が付着することを防止するのに、または表面上の氷を溶かすのに、過度な電力を要求するので、この方法もまた可能ではない。

本発明にしたがうと、固定翼または回転翼の航空機上に据え付けられる保護ハウジングのための防氷システムが提供され、固定翼または回転翼の航空機上に据え付けられる保護ハウジングのための防氷システムは、ハウジング中に超音波周波数を発生させる手段と、ハウジング中の誘起された超音波周波数を感知する手段とを具備しており、発生させる手段によってハウジングの構造共鳴が誘起されるように、超音波周波数範囲は予め決定および選択されており、超音波周波数を感知する手段は、ハウジングの構造共鳴を維持して、これによって、ハウジング上に存在する氷の分解を生じさせ、ハウジング上での追加の氷の形成を防止するように、超音波周波数を維持する手段を備えている。

発明にしたがうと、航空機の外部の一部を形成する保護ハウジングを防氷する方法がさらに提供され、航空機の外部の一部を形成する保護ハウジングを防氷する方法は、保護ハウジング中に超音波周波数を発生させるステップと、ハウジング中の誘起された周波数を監視するステップと、ハウジングの構造共鳴が達成されるまで、誘起された周波数を調整するステップとを含んでいる。

本発明は、構造の透明な特質を維持しつつ、複雑なカーブ型構造を氷および水分がないように維持する解決法を提供する。さらに本発明は、氷の除去とともに、氷の形成の検出を可能にする。

以下の概略図を参照して発明をここで説明する。
図１は、例えばドームである保護ハウジング１の境界２に一連の圧電デバイスが据え付けられている、発明の１つの形態にしたがったシステムの横断概略図である。 図２は、図１の圧電デバイスのうちの少なくとも１つによって感知される周波数振動を測定するための位相ロックループと、ハウジング中に構造共鳴を誘起させるのに要求される超音波周波数を発生させる別の圧電デバイスへの出力とを示している回路ダイヤグラムである。

詳細な説明

発明の１つの形態における防氷システムは、半球状ドームの表面１の基部（赤道部）２に位置付けられる一連の圧電アクチュエータを備えている。圧電アクチュエータのいくつかを使用して、超音波周波数範囲（２０ｋＨｚ−２００ｋＨｚ）における振動を誘起させる一方で、１つの感知圧電デバイスを使用して、誘起されたドーム表面の変位をその基部において測定することによって、ドーム１の振動の周波数を測定する。感知圧電デバイスによって測定された振動を使用して、他の駆動圧電アクチュエータを高い振幅の共鳴にロックし、ドームの構造共鳴を誘起させる。

構造共鳴は継続的に誘起されて、氷の形成を妨げる。より高い出力の共鳴を圧電アクチュエータによってさらに誘起して、存在する氷の形成を除去することもできる。

感知圧電デバイスによって測定される誘起された構造共鳴の周波数を使用して、ドーム表面の構造特性が変化したことを示すことができ、それによって、氷の形成の存在を示唆することができる。この変化を使用してシステムを自動化することができ、外部環境によって要求されるときのみにシステムが確実に使用されるようにする。

氷がドームの表面から層状に剥離して剥がれ落ちるように、十分に高い表面加速度を発生させるのに高い周波数振動が要求されることが分かっている。これらと同様の表面加速度は、氷が表面上で形成するのを防止し、水分が表面上に付着するのも防止することができる。半球状ドーム型サファイア構造における安定な共鳴である２４ｋＨｚを超える周波数が、上述した態様で、氷の形成を防止し、氷の形成を除去し、氷を検出することが分かった。

しかしながら、説明する特有の構造において２３ｋＨｚ、４４ｋＨｚ、７５ｋＨｚ、および９３ｋＨｚの強い構造共鳴を使用して、上記の結果を達成することもできる。この態様で、異なる周波数の共鳴または異なる周波数の範囲の共鳴を使用して所望の結果を達成させてもよいことを示すことができ、発明は、上述した周波数の使用に限定されていない。

各共鳴の正確な周波数位置は、比較的狭帯域にわたるものであるかもしれない。例えば４４ｋＨｚ共鳴においては、共鳴のピークは４４．２ｋＨｚであり、およそ４４．１５ｋＨｚで始まり、およそ４４．３５ｋＨｚで消失した。このことは、提案したシステムを、エネルギー輸送の非常に効率良い手段である高Ｑシステムと呼んでもよいことを示している。

氷を除去するため／氷の形成を防止するために圧電アクチュエータおよびデバイスが要求するエネルギーの量は約１０Ｗであり、加熱システムのいくつかの形態に対してよりもかなり小さい。

さらに、圧電デバイスの代わりに高周波マイクロフォンを使用してドーム１中の振動を測定することが可能である。しかしながら、圧電デバイスの使用によって共鳴を検出することが可能となり、したがって、圧電デバイスの使用は、他の圧電デバイスを駆動させて共鳴に向かわせる振動を誘起させることができ、それによって、システムを自己共鳴とすることができることを留意すべきである。

この方法で、防氷システムおよび方法は、超音波周波数範囲において半球状ドーム型構造の構造共鳴の励起を誘起させて、氷の形成を妨げ、氷の形成を層状に剥離し、これらの目的のために超音波構造共鳴の周波数を検出し、検出した周波数からドーム１表面上での氷形成の存在を決定する。

上記の実施形態は半球状サファイアドーム１に関連しているが、構造の境界２の位置が固定されていて、それらの境界２の間で動くことが自由であるならば、任意の構造において、平らなプレートにおいてでさえも、構造共鳴を誘起させることができることを認識するであろう。

Claims (11)

1. 固定翼または回転翼の航空機上に据え付けられる保護ハウジングのための防氷システムにおいて、
   前記システムは、
   前記ハウジング中に超音波周波数を発生させる手段と、
   前記ハウジング中の誘起された超音波周波数を感知する手段とを具備し、
   前記発生させる手段によって前記ハウジングの構造共鳴が誘起されるように、超音波周波数範囲は予め決定および選択されており、
   前記超音波周波数を感知する手段は、前記ハウジングの構造共鳴を維持して、これによって、前記ハウジング上に存在する氷の破壊を生じさせ、前記ハウジング上での追加の氷の形成を防止するように、前記超音波周波数を維持する手段を備える防氷システム。
2. 前記ハウジング中の超音波周波数を感知する手段は、構造共鳴を維持するのに要求される周波数における何らかの変化を検出する手段をさらに備え、前記変化は氷形成の存在を示す請求項１記載の防氷システム。
3. 前記超音波周波数を発生させる手段は、航空機構造に隣接する前記保護ハウジングの境界上に据え付けられる一連の圧電アクチュエータを備えるいずれかの先行する請求項記載の防氷システム。
4. 前記超音波周波数を感知する手段は、航空機構造に隣接する前記保護ハウジングの境界上に据え付けられる少なくとも１つの圧電デバイスを備えるいずれかの先行する請求項記載の防氷システム。
5. 前記超音波周波数を感知する手段は、位相ロックループに信号を出力し、前記位相ロックループは、前記ハウジングの振動を共鳴に向かうように駆動して、前記保護ハウジングの構造共鳴を維持するように動作するいずれかの先行する請求項記載の防氷システム。
6. 前記発生させる手段および前記感知する手段は、前記ハウジングを航空機構造に据え付けるための据え付けシステムの一部を形成するいずれかの先行する請求項記載の防氷システム。
7. 前記圧電デバイスは、前記保護ハウジング上の圧電デバイスの据え付け位置と、誘起される特定の共鳴モードとに依存して、ベンディングまたはシアーアクチュエータのいずれかであるいずれかの先行する請求項記載の防氷システム。
8. 航空機の外部の一部を形成する保護ハウジングを防氷する方法において、
   保護ハウジング中に超音波周波数を発生させるステップと、
   前記ハウジング中の誘起された周波数を監視するステップと、
   前記ハウジングの構造共鳴が達成されるまで、前記誘起された周波数を調整するステップとを含む防氷する方法。
9. 構造共鳴が維持されるように、前記ハウジング中の前記誘起された周波数を継続的に監視するステップと、
   構造共鳴を維持するのに要求される周波数における何らかの変化を氷形成の表示として監視するステップと、
   より高い出力の共鳴を誘起させて、要求されるように氷形成を除去するステップとをさらに含む請求項８記載の防氷する方法。
10. 前記保護ハウジングは、サファイアから形成された実質的に半球状のドームを備えるいずれかの先行する請求項記載の防氷システムまたは方法。
11. 付随する概略図を参照して上述したシステムまたは方法。

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