NO310451B1

NO310451B1 - De-icing device

Info

Publication number: NO310451B1
Application number: NO19991842A
Authority: NO
Inventors: Jonas Andersson; Bo Nilsson; Hans Bengtsson; Goeran Nybom
Original assignee: Daimler Chrysler Ag
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2001-07-09
Also published as: NO991842D0; NO991842L

Description

Teknisk område Technical area

Oppfinnelsen angår en anordning for frastøting av is og snø på overflater av transportmidler som benyttes i vintermiljø, og for å hindre at slike overflater dekkes av is eller snø. The invention relates to a device for repelling ice and snow on surfaces of means of transport used in a winter environment, and to prevent such surfaces from being covered by ice or snow.

Bakgrunnsteknikk Background technology

Ved anvendelse av et kjøretøy under vinterforhold hvor kjøretøyet kjøres en avstand over områder med forskjellige klimatiske forhold, slik det er tilfelle for eksempel i de nordiske land, Sentral-Europa og i de nordlige deler av Nord-Amerika, kan driftsforstyrrelser opptre i forbindelse med opphopning av is eller snø på frie konstruksjonsoverflater. De forstyrrelser som det her refereres til, opptrer primært i skinnegående kjøretøyer, men liknende forstyrrelser kan opptre også ved andre typer av kjøretøyer, i hvilket tilfelle oppfinnelsen kan anvendes også på andre typer av transportmidler. When using a vehicle in winter conditions where the vehicle is driven a distance over areas with different climatic conditions, as is the case for example in the Nordic countries, Central Europe and in the northern parts of North America, operational disturbances can occur in connection with accumulation of ice or snow on free construction surfaces. The disturbances that are referred to here occur primarily in rail-running vehicles, but similar disturbances can also occur in other types of vehicles, in which case the invention can also be applied to other types of means of transport.

Det problem som ifølge ovenstående opptrer under vinterdrift, og da fortrinnsvis i jernbanekjøretøyer, er at visse overflater, særlig i en boggidel som er anordnet for kjøretøyet, dekkes med snø - våt eller tørr - hvorved snøen avgir varme til en metalloverflate som er beliggende under snøen, og følgelig fryser. På ganske kort tid, for eksempel når et kjøretøy tilbakelegger en avstand på 400 km, hvilket utføres av et høyhastighetstog på tre timer, kan det fryse en slik mengde snø at store deler av metalloverflaten av boggien innesluttes i is eller snø. Det er stor sannsynlighet for at disse snø- eller isbelegg vil hindre forskjellige funksjoner, for eksempel en avfjæringsfunksjon som er nødvendig både ut fra et sikkerhets-synspunkt (primært avsporing) og ut fra en komfortsynsvinkel. Disse forstyrrelser kan føre til forskjellige forholdsregler, hvilke er nødvendige ut fra sikkerhetssynspunktet, så som reduksjon av kjørehastigheten, og i verste tilfelle å sette kjøretøyet ut av drift, hvilket har en ugunstig innvirkning på trafikk, lønnsomhet, etc. The problem which, according to the above, occurs during winter operation, and then preferably in railway vehicles, is that certain surfaces, particularly in a bogie part arranged for the vehicle, are covered with snow - wet or dry - whereby the snow emits heat to a metal surface which is located under the snow , and consequently freezes. In a fairly short time, for example, when a vehicle covers a distance of 400 km, which is performed by a high-speed train in three hours, such an amount of snow can freeze that large parts of the metal surface of the bogie are encased in ice or snow. There is a high probability that these snow or ice coatings will prevent various functions, for example a suspension function which is necessary both from a safety point of view (primarily derailment) and from a comfort point of view. These disturbances can lead to various precautions, which are necessary from a safety point of view, such as reducing the driving speed and, in the worst case, putting the vehicle out of service, which has an adverse effect on traffic, profitability, etc.

De metoder som for tiden benyttes for å ta seg av de ovennevnte problemer, omfatter hovedsakelig: - beskyttelse/forsegling av visse deler av en kjøre-tøyboggi, dvs. de overflater som primært skal The methods currently used to deal with the above-mentioned problems mainly include: - protection/sealing of certain parts of a vehicle bogie, i.e. the surfaces that are primarily

hindres i å dekkes av snø eller is, og is prevented from being covered by snow or ice, and

- avising. - de-icing.

Forsegling av visse deler av en boggi har vist seg å være praktisk talt umulig. Særlig under ikke-vinterdrift oppstår dessuten kraftig slitasje og slitasjeskade ved kontaktflatene mellom forseglingselementene, hvilket resulterer i økede vedlikeholdsomkostninger. Sealing certain parts of a bogie has proven to be practically impossible. Particularly during non-winter operation, heavy wear and abrasion damage also occurs at the contact surfaces between the sealing elements, which results in increased maintenance costs.

Avising av dekkede overflater kan bare utføres på visse steder og visse deler av de overflater som ikke må dekkes av is. For at en avisingsoperasjon skal være vellykket, kreves det videre at all is fjernes, da den gjenværende is ellers vil utgjøre et utmerket underlag for et nytt lag av is. Dette innebærer at avising er tidkrevende og iblant må finne sted med hyppige mellomrom. Forskjellige metoder for avising er kjente og vil ikke bli beskrevet her. De-icing of covered surfaces can only be carried out in certain places and certain parts of the surfaces that must not be covered by ice. In order for a de-icing operation to be successful, it is also required that all ice be removed, as the remaining ice will otherwise form an excellent substrate for a new layer of ice. This means that de-icing is time-consuming and must sometimes take place at frequent intervals. Different methods of de-icing are known and will not be described here.

Ett eksempel på en kjent avisingsmetode er den innretning som er beskrevet i GB patentskrift 549 400, hvor en overflate i form av forkanten av en flyvinge er dekket av en oppblåsbar sko. Oppgaven til denne sko er å hindre is i å samle seg ved at skoen er dannet av et elastisk legeme av gummi eller et gummiliknende materiale, for å bryte opp og løsne oppsamlet is ved at de elastiske overflater av legemet kan strekkes når legemet bringes til å utvide seg ved oppblåsing av en slange som er innbygget i legemet, hvoretter isen fjernes ved hjelp av luftstrømmen. Denne anordning hindrer imidlertid ikke den egentlige dannelse av is, men forsøker bare å løse problemet med fjerning av is som allerede har samlet seg på disse strekkbare overflater. Videre krever denne metode en aktiv foranstaltning ved at legemet bringes til å strekkes eller deformeres ved hjelp av en innretning, i dette tilfelle ved utvidelse via den oppblåsbare slange. One example of a known de-icing method is the device described in GB patent document 549 400, where a surface in the form of the leading edge of an airplane wing is covered by an inflatable shoe. The task of this shoe is to prevent ice from accumulating by the fact that the shoe is formed from an elastic body of rubber or a rubber-like material, to break up and loosen accumulated ice by allowing the elastic surfaces of the body to be stretched when the body is brought to expand by inflating a hose built into the body, after which the ice is removed using the air flow. However, this device does not prevent the actual formation of ice, but only attempts to solve the problem of removing ice that has already accumulated on these stretchable surfaces. Furthermore, this method requires an active measure in that the body is made to stretch or deform by means of a device, in this case by expansion via the inflatable tube.

Også EP-patentskrift 646 524 Al viser en avisingsanord-ning av liknende type, ved hvilken et avisingselement er i form av et elastisk lag som i dette eksempel er dannet av polyuretan. Funksjonen til dette isavstøtende lag er den samme som i anordningen ifølge ovennevnte GB-patentskrift, dvs. at lagets elastiske egenskaper benyttes til å utnytte spenninger som oppstår mellom oppsamlet is og det elastiske lag som ligger under isen, hvor det elastiske lag samvirker med et tilhørende, aktivt avisingselement som benytter varme, pneumatikk eller en elektro-magnetisk anordning til aktivt å bidra til avising av den tilsiktede overflate ved å tilføre varme til isfrastøtingslaget, eller ved hjelp av deformasjoner via utvidelse eller vibrasjon av dette. Også i dette eksempel benyttes en elastisk og strekkbar overflate i forbindelse med et aktivt element for oppnåelse av avisingsanordningen. EP patent document 646 524 Al also shows a de-icing device of a similar type, in which a de-icing element is in the form of an elastic layer which in this example is formed from polyurethane. The function of this ice-repellent layer is the same as in the device according to the above-mentioned GB patent, i.e. that the layer's elastic properties are used to utilize tensions that arise between collected ice and the elastic layer that lies beneath the ice, where the elastic layer cooperates with an associated , active de-icing element that uses heat, pneumatics or an electro-magnetic device to actively contribute to the de-icing of the intended surface by adding heat to the anti-icing layer, or by means of deformations via expansion or vibration thereof. Also in this example, an elastic and stretchable surface is used in connection with an active element to achieve the de-icing device.

Sammendrag av oppfinnelsen Summary of the invention

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en anordning for hindring av oppsamling av snø eller is på en utvendig overflate av et kjøretøyelement, hvor fremgangsmåten omfatter dekning av overflaten med minst to lag av hvilke det ytre lag er dannet som en jevn, stiv og glatt overflate, mens det indre lag er i form av et varmeisolerende, elastisk lag. The invention relates to a method and a device for preventing the accumulation of snow or ice on an external surface of a vehicle element, where the method comprises covering the surface with at least two layers of which the outer layer is formed as a smooth, rigid and smooth surface, while the inner layer is in the form of a heat-insulating, elastic layer.

De ytre og indre lag må benyttes sammen for å oppnå den tilsiktede virkning. The outer and inner layers must be used together to achieve the intended effect.

Formålet med den jevne, stive og glatte overflate av det ytre lag er å The purpose of the even, rigid and smooth surface of the outer layer is to

- utgjøre en overflate som er vanskelig å dekke med snø, hvorved valget av materiale og utforming av dette er av stor betydning, - ha betydelig høyere stivhet enn det underliggende, isolerende lag for å tilveiebringe store spenninger i eventuell oppsamlet is når den belastes, for eksempel forårsaket av vindkrefter eller vibrasjo-ner, slik at isen brytes løs fra overflaten, og å - transportere bort eventuell gjenværende snø eller is. - constitute a surface that is difficult to cover with snow, whereby the choice of material and its design is of great importance, - have significantly higher stiffness than the underlying, insulating layer in order to provide large stresses in any accumulated ice when it is loaded, for for example caused by wind forces or vibrations, so that the ice breaks loose from the surface, and to - transport away any remaining snow or ice.

Alle overflater må være skråttstilt mot horisontalplanet, hvilket innebærer at overflaten av det ytre lag, eller deloverflater av dette, ved dekning av for eksempel en horisontal overflate av en rammedel i en boggi gis en nedoverhelling. Materialet i det nevnte ytre lag må ha høy stivhet og være i besittelse av seighet (særlig slagseighet ved lave temperaturer). Videre må dette materiale oppvise lav fuktbarhet (dvs. være hydrofobt), lav varmeledningskoeffisient (k-verdi), lav varmekapasitet (c)> og, som ovenfor nevnt, en jevn og glatt overflate. All surfaces must be inclined to the horizontal plane, which means that the surface of the outer layer, or partial surfaces thereof, when covering, for example, a horizontal surface of a frame part in a bogie, is given a downward slope. The material in the aforementioned outer layer must have high stiffness and possess toughness (particularly impact toughness at low temperatures). Furthermore, this material must exhibit low wettability (ie be hydrophobic), low heat conduction coefficient (k-value), low heat capacity (c)> and, as mentioned above, a smooth and smooth surface.

Oppgaven til det isolerende indre lag er å The task of the insulating inner layer is to

- hindre varmeavgivelse under faseomforming av vann eller snø til is og følgelig frysing på overflatelaget av overflaten av det dekkede kjøretøyelement, og å - ha betydelig lavere stivhet enn overflatelaget for å tillate dette overflatelag å deformeres lokalt og følgelig gi anledning til de ønskelige spenninger i eventuell is som har samlet seg på overflatelaget. - prevent heat release during phase transformation of water or snow to ice and consequently freezing on the surface layer of the surface of the covered vehicle element, and to - have significantly lower stiffness than the surface layer to allow this surface layer to deform locally and consequently give rise to the desired stresses in any ice that has accumulated on the surface layer.

De varmeisolerende egenskaper til det indre lag er viktige for anordningens funksjon. En utnyttelse av et varmeisolerende, elastisk lag i samvirke med et stivt, men lokalt deformerbart, tynt lag, anbrakt på utsiden av det første lag, for å oppnå den tilsiktede virkning uten aktivt virkende anordninger, er ikke kjent fra den kjente teknikk. The heat-insulating properties of the inner layer are important for the function of the device. A utilization of a heat-insulating, elastic layer in cooperation with a rigid, but locally deformable, thin layer, placed on the outside of the first layer, to achieve the intended effect without actively acting devices, is not known from the prior art.

En viktig fordel ved oppfinnelsen er at ingen aktivt virkende bestanddel som utgjør en komponent i en avisingsanord-ning, trenger å utnyttes. An important advantage of the invention is that no actively acting component which constitutes a component of a de-icing device needs to be utilized.

Som et eksempel på et anvendelsesområde for oppfinnelsen er et element i et kjøretøy blitt nevnt her. Gjenstanden for oppfinnelsen kan selvsagt benyttes også for avising av stasjonære eller andre bevegelige konstruksjonsdeler, for eksempel - i overensstemmelse med det prinsipp som er beskrevet ovenfor - for avising av bjelker i broer, master eller andre konstruksjoner. As an example of an application area for the invention, an element in a vehicle has been mentioned here. The object of the invention can of course also be used for de-icing stationary or other movable structural parts, for example - in accordance with the principle described above - for de-icing beams in bridges, masts or other structures.

Kort beskrivelse av tegningen Brief description of the drawing

Figuren illustrerer en i et kjøretøy inngående konstruksjonsdel hvis ytre overflate er blitt dekket av de ytre og indre lag i overensstemmelse med den ovenfor beskrevne oppfin-nelse. The figure illustrates a structural part included in a vehicle whose outer surface has been covered by the outer and inner layers in accordance with the invention described above.

Beskrivelse av de foretrukne utførelser Description of the preferred designs

Et eksempel på en utførelse av oppfinnelsen er vist på figuren hvor en konstruksjonsdel som utgjør en del av et kjøretøy og som i det viste eksempel kan være i form av en kassebjelke for en boggi, er blitt dekket av de snø- og isavstøtende, ytre og indre lag 1 og 2. Slik det er klart ut fra figuren, er de nevnte snø- og isavstøtende, ytre og indre lag 1 og 2 anbrakt på en øvre plan overflate 4 og sideflater 5 av de ytre overflater av kassebjelken 3. Det ytre lag 1 oppviser de ovennevnte egenskaper, hvorved figuren også viser at det ytre lag er utformet for å oppvise en helling mot horisontalplanet, hvilket betyr at den øvre plane overflate av det ytre lag 1 i eksemplet er utformet med en takliknende geometri. An example of an embodiment of the invention is shown in the figure, where a structural part which forms part of a vehicle and which in the example shown can be in the form of a box beam for a bogie, has been covered by the snow and ice-repellent, outer and inner layers 1 and 2. As is clear from the figure, the aforementioned snow and ice-repellent, outer and inner layers 1 and 2 are placed on an upper flat surface 4 and side surfaces 5 of the outer surfaces of the box beam 3. The outer layer 1 exhibits the above-mentioned properties, whereby the figure also shows that the outer layer is designed to show an inclination towards the horizontal plane, which means that the upper flat surface of the outer layer 1 in the example is designed with a roof-like geometry.

Det indre lag 2 består av en isolasjon mellom overflaten av kjøretøyelementet 3 og det ytre lag 1. The inner layer 2 consists of an insulation between the surface of the vehicle element 3 and the outer layer 1.

Som et eksempel på en foretrukket materialkombinasjon nevnes en porøs polyetylen i det indre lag 2 og en polykarbonatplast i det ytre lag 1. As an example of a preferred material combination, a porous polyethylene is mentioned in the inner layer 2 and a polycarbonate plastic in the outer layer 1.

Tykkelsen av det indre lag 2 velges i en foretrukket, optimert variant til å være 5 mm, mens det ytre lag 1 er gitt tykkelsen 2 mm i en foretrukket kombinasjon. Avhengig av anvendelsen, det overflateareal som skal avises, etc, kan andre optimerte material- og tykkelseskombinasjoner være å foretrekke. The thickness of the inner layer 2 is selected in a preferred, optimized variant to be 5 mm, while the outer layer 1 is given a thickness of 2 mm in a preferred combination. Depending on the application, the surface area to be de-iced, etc., other optimized material and thickness combinations may be preferable.

For å kvantifisere de kvantiteter som beskriver egenskapene til materialene i de indre og ytre lag, er disse verdier gitt for en utførelse i nedenstående tabell. In order to quantify the quantities that describe the properties of the materials in the inner and outer layers, these values are given for an embodiment in the table below.

Materialet i overflaten ifølge oppfinnelsen må ikke være gummielastisk, men stivt, hvilket innebærer at den ytre overflate i avisingsanordningen ifølge oppfinnelsen er forskjellig fra hva som er hensikten med den ytre overflate ifølge de beskrevne, kjente anordninger. Stivheten av det ytre lag 1 har en foretrukket stivhet som beskrevet i tabellen, men materialer med stivheter i området 1000 - 10 000 MPa kan benyttes. Den ideelle verdi av E-modulen for det ytre lag er 25% av E-modulen for isen, hvilken beløper seg til 10 000 MPa, hvilket innebærer at et materiale med en foretrukket E-modul på rundt 2500 MPa kan benyttes. Polykarbonat med en E-modul som beløper seg til 2200 MPa, er et passende slikt materiale for benyttelse i det ytre lag 1. The material in the surface according to the invention must not be rubber-elastic, but rigid, which means that the outer surface in the de-icing device according to the invention is different from what is the purpose of the outer surface according to the described, known devices. The stiffness of the outer layer 1 has a preferred stiffness as described in the table, but materials with stiffnesses in the range 1000 - 10,000 MPa can be used. The ideal value of the E-modulus for the outer layer is 25% of the E-modulus for the ice, which amounts to 10,000 MPa, which means that a material with a preferred E-modulus of around 2,500 MPa can be used. Polycarbonate with an E modulus amounting to 2200 MPa is a suitable such material for use in the outer layer 1.

Claims

1. Method for preventing the accumulation of snow or ice on an outer surface of a structural part (3), in particular a part of a rail-running vehicle, characterized in that the surface (4, 5) of the part (3) is covered by at least one outer layer (1) and an inner layer (2), where the outer layer (1) has a smooth, rigid and smooth surface on the outside, while the inner layer (2) consists of a material with high thermal insulation and high elasticity, the outer layer (1) has higher stiffness than the inner layer (2).

2. Method according to claim 1, characterized in that the surface or partial surfaces of the outer layer (1) are inclined downwards towards the horizontal plane.

3. Device to prevent the accumulation of snow or ice on an outer surface of a structural part (3), in particular a part of a rail-running vehicle, characterized in that it comprises at least one outer layer (1) and one inner layer (2) for covering the part's surface (4, 5), where the outer layer (1) externally exhibits a smooth, rigid and smooth surface, while the inner layer (2) consists of a material with high thermal insulation capacity and high elasticity, the outer layer (1) having higher stiffness than the inner layer (2).

4. Device according to claim 3, characterized in that the surface (4, 5) of the outer layer (1) is downward sloping towards the horizontal plane.

5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that the outer layer (1) has an E-module which amounts to 1,000-10,000 MPa.

6. Device according to one of claims 3-5, characterized in that the outer layer (1) has an E-module which amounts to 2000-2500 MPa.

7. Device according to one of claims 3-6, characterized in that the material in the outer layer (1) possesses impact strength and is hydrophobic, has a low coefficient of thermal conductivity and low heat capacity.

8. Device according to one of claims 3-7, characterized in that the outer layer (1) is formed from an amorphous, thermoplastic resin, such as e.g. polycarbonate plastic.

9. Device according to one of claims 3-8, characterized in that the inner layer (2) has such a selected stiffness that it can be locally deformed elastically.

10. Device according to one of claims 3-9, characterized in that the inner layer (2) is formed of a porous material, such as e.g. porous polyethylene.

11. Arrangement according to one of claims 3-10, characterized in that the inner layer (2) has a heat conduction coefficient k that is less than 0.05.