JP6169410B2 - 電気活性ポリマー表面を使用する航空機の防除氷 - Google Patents

Description

本明細書の実施形態は、航空機等のビークルまたは他の構造体の外面における氷の形成の防止及び／又は氷の除去のための電気活性ポリマー（ＥＡＰ）を使用したシステムに関する。

ビークルまたは他の構造体の外面における氷の形成は問題となりやすい。例を挙げると、航空機の翼または尾部の前縁等、航空機の外面における氷の形成はとりわけ望ましくない。

航空機の前縁等の外面における除氷の試みに使用されるシステムは多数ある。そのようなシステムの１つに防氷ブーツがあるが、防氷ブーツとは翼の前縁に装着される幅が厚いゴム製の膜である。氷が前記前縁に形成されると、空気圧システムが防氷ブーツを圧縮空気で充満させ、これにより防氷ブーツが拡張して氷を破壊する。そして前縁を通過する空気の流れによって翼から氷が除去される。氷が除去されると、防氷ブーツは再度必要になるまでしぼむ。ゴム製の膜は紫外線劣化の影響を受けやすい。防氷ブーツは遷音速機では、漏れの可能性、低耐久性、および表面の輪郭が様々であることが原因となり、実用的でない。

航空機の前縁から氷を除去する別の既存システムとして、加熱システムがある。このシステムは航空機の前縁の氷を溶かすために熱を使用する。加熱システムは大量のエネルギーを使用するため、防除氷は最も致命的な領域にのみ行われる。従来の熱システムに関する別の問題として、溶けた氷が航空機上で再凍結するともたらされる、元の氷に戻る問題がある。

航空機の前縁から氷を除去するために使用される振動器または加振器という他のシステムがある。振動器および加振器は断続的にのみ使用され、航空機の前縁に付着したすべての氷を除去するには、あまり望ましい結果とならない可能性がある。

前述した航空機の氷の防止及び／又は除去のための方法およびシステムはあまり望ましい結果とならない。

本発明の開示は、航空機の前縁等、外面における氷の防止及び／又は除去を行い、前述した問題や不具合を部分的に克服する可能性を有する、エネルギー消費量の低いシステムの提供に関する。

本発明の一実施形態は、外面を氷から保護する方法に関し、前記方法は電気活性ポリマー（ＥＡＰ）表面上の複数のアクチュエータの少なくとも一部を振動させて、外面上での氷の形成を防ぐことを含む。前記方法に、ＥＡＰ表面を外面に適用することを含めてよい。前記方法に、外面上での氷の形成を招きやすい条件が存在するかを検出することを含めてよい。前記方法に、外面上での氷の形成を招きやすい条件の検出に基づき、複数のアクチュエータの少なくとも一部を振動させるため、信号発生器に信号を送信することを含めてよい。前記外面は航空機の前縁等、航空機の外面であってよい。前記方法に、氷の形成を防ぐため、同一周波数で複数のアクチュエータの各々を振動することを含めてよい。前記複数のアクチュエータは約１Ｈｚ〜１ｋＨｚ超の周波数で振動されてよい。アクチュエータはディンプルアクチュエータ、バンプアクチュエータ、及び／又はリンクルアクチュエータであってよい。前記方法に、外面上での氷の形成を防ぐため、複数のアクチュエータの一部を個々に振動させ、外面上に模様を形成することを含めてよい。前記方法に、外面上での氷の形成を防ぐため、複数のアクチュエータを個々に振動させ、外面上に波を形成することを含めてよい。

前記方法にさらに、外面上での氷の形成を検出し、氷の形成の検出に基づき信号発生器に信号を送信すること、および外面から氷の形成を除去するため、アクチュエータの少なくとも一部を振動させることを含めてよい。前記方法に、外面から氷の形成を除去するため、同一周波数で複数のアクチュエータの各々を振動することを含めてよい。前記方法に、外面から氷の形成を除去するため、複数のアクチュエータの一部を個々に振動させ、外面上に模様を形成することを含めてよい。前記方法に、外面上から氷の形成を除去ため、複数のアクチュエータを個々に振動させ、外面上に波を形成することを含めてよい。

本発明の一実施形態は、外面の防除氷システムに関し、前記システムは複数のアクチュエータを有するＥＡＰ表面およびＥＡＰ表面に接続された信号発生器を備える。信号発生器はアクチュエータを個々に振動させるよう適合され得る。前記ＥＡＰ表面は航空機の前縁等、ビークルの外面に装着され得る。アクチュエータはディンプルアクチュエータ、バンプアクチュエータ、及び／又はリンクルアクチュエータであってよい。信号生器は、航空機の外面上での氷の形成を防ぐため、第１モードで複数のディンプルアクチュエータを振動させ、かつ、航空機の外面に形成された氷を除去するため、第２モードで複数のディンプルアクチュエータを振動させるよう適合され得る。信号発生器の第１モードは、同一周波数でアクチュエータの各々を振動させたり、アクチュエータの一部を個々に振動させて模様を形成したり、及び／又はアクチュエータを振動させて波を形成したりできる。信号発生器の第２モードは、同一周波数でアクチュエータの各々を振動させたり、アクチュエータの一部を個々に振動させて模様を形成したり、及び／又はアクチュエータを振動させて波を形成したりできる。前記システムに航空機の外面上での氷の形成を検出するよう適合されたセンサーを含めてよい。

図１は、ビークルの外面上のＥＡＰを示す。 図２は、外面上での氷の形成の防止及び／又は除去に使用できるＥＡＰ表面の斜視図である。 図３は、ＥＡＰ表面の一実施形態に係る部分斜視図であり、第１列の動作中のアクチュエータがＥＡＰ表面上の波の開始位置となっている。 図４は、図３のＥＡＰ表面の実施形態に係る部分斜視図であり、第２列の動作中のアクチュエータがＥＡＰ表面上の波の途中位置となっている。 図５は、ＥＡＰ表面の一実施形態に係る部分斜視図であり、動作中のアクチュエータがＥＡＰ表面上で模様となっている。 図６は、ＥＡＰ表面の一実施形態に係る部分斜視図であり、リンクル（線状）アクチュエータを示す。 図７は航空機のブロック図である。 図８は防除氷方法のフロー図である。

図面内の特定の実施形態は例示であり、また本明細書において特定の実施形態について詳細に記述されるが、本開示に係る発明には様々な修正および代替形式を加え得る。しかしながら、本発明を開示された特定の形式に制限する意図はないことに留意すべきである。むしろ、添付の特許請求の範囲で画される本発明の範囲に属するすべての修正例、均等技術、代替例を包含する意図である。

本願は電気活性ポリマー（ＥＡＰ）の使用に関し、電気活性ポリマーは本技術分野において周知の材料の一種である。ＥＡＰ表面は、２つの柔軟な電極間に入れられたエラストマー誘電体膜を含む柔軟なコンデンサを備える。動作時は、電場が柔軟な電極にかけられると、マクスウェルの応力とも呼ばれる静電圧が生じ、エラストマー膜を圧縮する。エラストマー膜を圧縮すると、エラストマー膜の非圧縮性が原因でエラストマー膜は伸張する。２つの逆帯電した電極間に電場をかけると、これら２つの電極間で機械的圧縮が生じる。同様に、２つの同方向に帯電した電極間に電場をかけると、これら２つの電極間で機械的伸張が生じる。

ＥＡＰ表面は電場が電極にかけられた際、エラストマー膜にディンプル（くぼんだ）アクチュエータを形成するよう適合できる。エラストマー膜および電極の構成によって、電場がかけられた際、エラストマー膜は座屈したり、屈曲したり、伸張したりする。電場は信号発生器からかけることができる。しかしながら、本開示の恩恵を受けた当業者にとって自明であるように、エラストマー膜に電場をかけるためには様々な方法が使用できる。クランプはエラストマー膜を適切な位置に固定でき、アクチュエータの寸法を定めることができる。アクチュエータの周囲は固定されているため、エラストマー膜の面内の動きは生じない。よって、静電圧を原因とする機械的力は、面外の動きを生じさせ、図２のアクチュエータ５０に示されるくぼみまたはディンプルのようになる。後に詳細に説明する他の例では、エラストマー膜の機械的力は別の面外の動きを生じさせ、図２〜５のバンプアクチュエータ２０のようなバンプ（突出）のようになったり、または図６のリンクルアクチュエータ４０のようなリンクル（線状）のようになったりする。電場をかけることをやめると、エラストマー膜は元の面内の平坦な位置に戻る。一定周波数で電場をかけると、アクチュエータが動作状態と非動作状態で切り替わり、急速に振動するようにできる。

図１は、ビークルの選択された外面上にＥＡＰ表面１０を適用した一実施形態を示す。図１に係る実施形態では、ビークルは航空機１００を備え、選択された外面は航空機の翼と尾部の前縁を備える。他の実施形態では、外面上での氷の形成を防ぐため、または外面から氷を除去するため、ＥＡＰ表面１０を様々な他の外面に適用できる。たとえば、実施形態によっては、ＥＡＰ表面１０をヘリコプター、無人飛行体（ＵＡＶ）、船舶、列車、自動車等、幅広く他のビークルに適用できる。他の実施形態においては、ＥＡＰ表面１０を屋根、階段、歩道、道路等、除氷及び／又は防氷が有益となり得る、任意の適切な外面に適用できる。

図１を再度参照すると、信号発生器３０がライン３２を介してＥＡＰ表面に接続されている。説明目的のため、単一の信号発生器３０が示されている。本開示の恩恵を受けた当業者にとって自明であるように、複数の信号発生器および信号発生器をＥＡＰ表面１０のアクチュエータに接続する各種構成を使用できる。ＥＡＰ表面１０は、各翼の前縁、各尾部の前縁等、航空機１００の所望の任意の表面上に適用できる。ＥＡＰ表面１０は航空機１００の前縁の表面に適用されたフィルム層またはスキン層を含んでよい。実施形態によっては、ＥＡＰ表面１０は約１ミリメートルの厚さにできる。

信号発生器３０はＥＡＰ表面１０上の各アクチュエータ２０の振動を個々に制御するよう適合されていることが望ましい。信号発生器３０はＥＡＰ表面１０のアクチュエータ２０を動作させるため、時変電流を流すことができる。信号発生器３０は航空機１００の前縁への着氷を防ぐため、アクチュエータ２０を第１モードで動作させるよう適合してよい。前記第１モードは、１Ｈｚ〜１ｋＨｚ超の周波数で電気パルスをかけることを含めてよい。前記電気パルスを使用し、ＥＡＰ表面１０のアクチュエータ２０を振動させることができる。前記第１モードは、航空機１００の前縁における氷の形成を招きやすい何らかの大気条件を検出した際、起動するようにしてよい。信号発生器３０はＥＡＰ表面１０から氷を除去するため、アクチュエータ２０を第２モードで動作させるよう適合してよい。前記第２モードには、氷と航空機１００の前縁との間の付着を破壊するため、ＥＡＰ表面１０のアクチュエータ２０を第１モードとは異なる周波数で振動させたり、第１モードとは異なる幾何学模様で振動させたりすることを含めてよい。

図２にはＥＡＰ表面１０の一実施形態が示されているが、アクチュエータ２０と５０のすべてが動作位置にある状態となっている。信号発生器３０がＥＡＰ表面１０のアクチュエータ２０と５０に接続部３２を介して接続されている。信号発生器３０はＥＡＰ表面１０のアクチュエータ２０と５０の各々を同一周波数で振動させ、その結果すべてのアクチュエータ２０と５０を同時に動作させ、航空機の外面上での氷の形成を防ぐ及び／又は航空機の外面上に形成された氷を除去することができる。アクチュエータ５０の一部は、ディンプル（くぼみ）アクチュエータであってよく、アクチュエータ２０の一部はバンプ（突出）アクチュエータであってよい。

図３および４にはＥＡＰ表面１０の一実施形態が示されているが、信号発生器３０によってアクチュエータ２０が動作され、ＥＡＰ表面１０に沿って動く波が形成されている。信号発生器３０はＥＡＰ表面１０上に定常波または進行波を形成するようアクチュエータ２０を動作できる。図３には、第１列のアクチュエータ２０が動作位置にあり、残りの非動作中のアクチュエータ２２（破線で示される）が面内にある、すなわちＥＡＰ表面１０と平坦である状態が示されている。図４には、次の列のアクチュエータ２０が動作位置にあり、残りの非動作中のアクチュエータ２２（先ほど動作中であった第１列を含む）が面内にある、すなわちＥＡＰ表面１０と平坦である状態が示されている。信号発生器３０は、波がＥＡＰ表面１０の全長を移動するまで、連続的に各列を動作させ続ける。ＥＡＰ表面１０に沿ってアクチュエータの波を使用すると、ＥＡＰ表面１０上での氷の形成の防止及び／又は氷の除去に有益である。本開示の恩恵を受けた当業者にとって自明であるように、信号発生器３０はＥＡＰ表面１０上の氷の防止及び／又は除去のため、様々な形状の波を形成するようにアクチュエータ２０を動作させるよう適合してよい。

図５には、信号発生器３０によってアクチュエータ２０が動作され、ＥＡＰ表面１０上で模様となっている状態が示されている。図５の例では、アクチュエータ２０が実行中で、ＥＡＰ表面１０に沿って斜めまたはジグザグ形の模様となっている。信号発生器３０はＥＡＰ表面１０上の氷の防止及び／又は除去のため、アクチュエータ２０がＥＡＰ表面１０上で各種の模様になるよう、アクチュエータ２０を振動させるよう適合してよい。たとえば、本開示の恩恵を受けた当業者にとって自明であるように、信号発生器３０はアクチュエータ２０を同心円、市松模様、その他様々な模様になるようアクチュエータ２０を振動させることができる。

図６には、ＥＡＰ表面１０上のリンクル（線状）アクチュエータ４０が示されている。リンクルアクチュエータ４０を使用すると、ＥＡＰ表面１０上での氷の形成の防止及び／又は氷とＥＡＰ表面１０との間の付着を破壊することによるＥＡＰ表面１０上に形成された氷の除去に有益である。信号発生器３０を使用して、ＥＡＰ表面１０の第１端で単一のリンクルアクチュエータ４０を動作させ、残りの非動作中のアクチュエータ４２は平坦なままにできる。続けて、信号発生器３０は次のアクチュエータ４０を動作させ、ＥＡＰ表面１０に沿って動く波が形成される。信号発生器３０は、リンクルアクチュエータ４０をＥＡＰ表面１０に沿って模様となるように動作させてもよい。

ＥＡＰ表面１０には、ディンプルアクチュエータ５０（図２に示す）、バンプアクチュエータ２０（図３〜５に示す）、及び／又はリンクルアクチュエータ４０（図６に示す）、あるいは前記これらの各アクチュエータの組み合わせを含めることができる。前記システムにはＥＡＰ表面１０または航空機の前縁等、ビークル若しくは構造体の外面における氷の形成を検出するセンサー６０を含めてよい。センサー６０をライン３２を介して信号発生器３０に接続すると、氷の形成が検出された際、信号発生器３０によりＥＡＰ表面１０のアクチュエータを様々な周波数で、かつ、様々な模様になるよう振動させ、氷の形成を破壊できる。ＥＡＰ表面１０には、氷の形成を招きやすい環境条件の際、信号発生器にアクチュエータを振動させて氷の形成を防ぐようにさせる、氷の条件センサー７０を含めてよい。氷の条件センサー７０をライン３２を介して信号発生器３０に接続すると、氷の形成を招きやすい条件が検出された際、信号発生器３０によりＥＡＰ表面１０のアクチュエータを様々な周波数で、かつ、様々な模様になるよう振動させ、ＥＡＰ表面１０上での氷の形成を防止できる。氷センサー６０及び／又は氷の条件センサー７０はＥＡＰ表面１０と一体化させてよい。

図７に示すように、航空機１００は、複数のシステム１３０及び内装１２２を有する機体１１８を含むことができる。高レベルのシステム１３０の例には、推進システム１３４、電気システム１３６、油圧システム１３８、及び環境システム１３２のうちの一または複数が含まれる。機体には氷防止システムのような各種システムも含めてよい。高レベルの氷防止システム１２０の要素例には、ＥＡＰシステム１１０、検出システム１２６、電気システム１２４、および手動起動システム１２８が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、本発明の原理は自動車産業、建設業等、他の産業にも適用し得る。

図８は、外面を氷から保護する方法２００の一例を示す。当該実施形態においては、方法２００はオプションの第１ステップ２１０から開始するが、第１ステップではＥＡＰ表面が保護される外面に適用される。たとえば、ＥＡＰ表面が保護される外面と一体的に成形されているような場合は、この第１ステップ２１０は不要である。

次のステップ２２０で、アクチュエータを手動で振動させるかどうかの決定がなされる。ＥＡＰ表面のアクチュエータを振動させると決定された場合、アクチュエータはステップ２３０で振動されてよい。アクチュエータは信号発生器の制御下で、様々な周波数で、かつ、様々な模様になるよう振動させることができ、外面での氷の形成の防止及び／又は外面からの氷の形成の除去を行うことができる。少しの間、アクチュエータが振動し、方法はステップ２２０に戻ってよい。オプションとして、ステップ２７０でアクチュエータの動作を止めてから、方法はステップ２２０に戻ってもよい。

ステップ２２０でアクチュエータを振動させないと決定された場合、氷の形成を招きやすい条件が検出されるかどうかの次のステップ２４０になる。実施形態によっては、この検出ステップ２４０は、氷の条件センサー７０等の適切な環境センサーによって実行される。氷が形成される条件が検出されると、次のステップ２３０において、外面上での氷の形成を防ぐため、ＥＡＰ表面の１つ以上のアクチュエータが振動される。前述の通り、ＥＡＰ表面のアクチュエータは信号発生器の制御下で、様々な周波数で、かつ、様々な模様になるよう振動させて、氷の形成を防ぐことができる。少しの間、アクチュエータが振動し、方法はステップ２２０に戻ってよい。ステップ２３０でアクチュエータを振動させた後、オプションとしてステップ２７０でアクチュエータの動作を止めてから、プロセスはステップ２２０に戻ってもよい。

多くの場合、外面での氷の形成の防止が望ましいものであるが、外面での氷の形成を回避するよう試みるにも関わらず、場合によって氷が形成されることがある。このような場合、方法２００に、氷センサー６０等の適切なセンサーで氷の形成を検出するステップ２５０を含めるとよい。氷が検出されると、次のステップ２６０において、外面から氷を除去するため、ＥＡＰ表面の１つ以上のアクチュエータが振動される。前述の通り、ＥＡＰ表面のアクチュエータは信号発生器の制御下で、様々な周波数で、かつ、様々な模様になるよう振動させて、外面から氷を除去することができる。少しの間、アクチュエータが振動し、方法はステップ２２０に戻ってよい。オプションとして、ステップ２６０でアクチュエータを振動させた後、ステップ２７０でアクチュエータの動作を止めてから、プロセスはステップ２２０に戻ってもよい。

方法には氷防止システムが停止されたか、または実行中かを判定する次のステップを含めてよい。氷の形成が検出されず、かつ、氷防止システムがステップ２８０で実行中の場合、方法は手動でアクチュエータを振動させるかどうかを判定するステップ２２０に戻ってよい。氷の形成が検出されず、かつ、氷防止システムがステップ２８０で停止されている場合は、方法はステップ２９０で終了する。

各種の実施形態を示し説明してきたが、本開示に係る発明はそれらに限定されるものではなく、当業者に自明な修正例および変形例をすべて包含するものと理解すべきである。

１０ ＥＡＰ表面
２０ アクチュエータ
２２ 非動作中のアクチュエータ
３２ ライン／接続部
４０ リンクルアクチュエータ
４２ 非動作中のアクチュエータ
５０ アクチュエータ
１００ 航空機

Claims (8)

1. 外面を氷から保護する方法であって、
   氷の形成を招きやすい条件を検出することと、
   氷の形成を招きやすい条件が検出されなかったときに、氷の形成を検出することと、
   電気活性ポリマー（ＥＡＰ）表面上の複数のアクチュエータの少なくとも一部を振動させることと、を含み、
   振動させることは、
   氷の形成を招きやすい条件が検出されたときに、外面上での氷の形成を防ぐために、第１モードで複数のアクチュエータを振動させること、
   氷の形成を招きやすい条件が検出されず、かつ氷の形成が検出されたときに、外面上に形成された氷を除去するために、第２モードで複数のアクチュエータを振動させること、を含む方法。
2. 氷の形成を招きやすい条件を検出することに基づき、複数のアクチュエータの少なくとも一部を振動させるため、信号発生器に信号を送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 第１モードで複数のアクチュエータを振動させることは、外面上での氷の形成を防ぐために、同一周波数で複数のアクチュエータの各々を振動することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 第１モードで複数のアクチュエータを振動させることは、約１Ｈｚ〜約１ｋＨｚの間の周波数で複数のアクチュエータの各々を振動させることを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 外面の防除氷システムであって、
   複数のアクチュエータを有する電気活性ポリマー（ＥＡＰ）表面と、
   氷の形成を招きやすい条件を検出する氷の条件センサーと、
   氷の形成を招きやすい条件が検出されなかったときに、氷の形成を検出する氷センサーと、
   ＥＡＰ表面に接続され、かつ、複数のアクチュエータの各々を個々に振動させるよう適合されている信号発生器と、を備え、
   信号発生器は、
   氷の形成を招きやすい条件が検出されたときに、外面上での氷の形成を防ぐために、第１モードで複数のアクチュエータを振動させるように適合され、
   氷の形成を招きやすい条件が検出されず、かつ氷の形成が検出されたときに、外面上に形成された氷を除去するために、第２モードで複数のアクチュエータを振動させるように適合されている、外面の防除氷システム。
6. 外面は航空機の前縁である、請求項５に記載のシステム。
7. 複数のアクチュエータは、ディンプルアクチュエータ、バンプアクチュエータ、またはリンクルアクチュエータである、請求項５または６に記載のシステム。
8. 第１モードは複数のアクチュエータの各々を第１周波数で振動させ、かつ、第２モードは複数のアクチュエータの各々を第２周波数で振動させる、請求項５〜７のいずれか一項に記載のシステム。

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