除去表面上的冰的方法和结构 发明背景
1、发明领域
本发明涉及加热冰雪、改变冰与选定物体之间冰粘附强度的方法、系统和结构。
2、存在问题
粘附在某些表面上的冰造成许多问题。例如，飞机机翼上积冰过多会危及飞机及其乘客的安全。船体上的积冰造成航行困难、在冰水中航行时动力成本增加和不安全因素增加。刮除汽车挡风玻璃上的冰是件很麻烦的杂务，如不除去的话会模糊驾驶员的视线，开车时不安全。
直升机螺旋桨和公路上的积冰也会造成问题。数十亿美元花费在冰雪的去除和控制上。冰还粘附在金属、塑料、玻璃和陶瓷上，造成其他日常困难。输电线上的积冰也带来问题，它使得输电线的重量增加，从而造成停电事故，直接和间接损失达数十亿美元。
在现有技术中，处理结冰的方法多种多样，但大多数方法涉及刮除、溶化或破碎。例如，航空工业使用把乙基乙二醇浇在飞机机翼上使冰溶化之类除冰方法。该方法成本高、污染环境；但为保证乘客安全仍使用该方法。有地飞机使用一与飞机机翼前部对齐的橡胶管，该橡胶管定期充气，除去机翼上的冰。还有飞机把喷气发动机的热量引向机翼，使冰溶化。
这些现有技术存在不足和困难。首先，螺旋桨推进的飞机没有喷气发动机。第二，机翼前部的橡胶管使得风阻增加。第三，除冰成本极高，每次除冰达2500—3500美元，某些飞机每天得除冰约10次。对于其他类型物体，常常加热冰雪。但是，某些物体的加热在技术上不可行。此外，加热常常需要消耗大量能量和使用复杂的加热设备，因此成本高。
上述问题的起因一般是冰易于形成、粘附在表面上。但是，由于冰的摩擦系数极低，因此还造成其他问题。例如，公路上的结冰每年造成无数汽车事故，造成巨大的生命和财产损失。如提高汽车轮胎与冰的附着力，就可减少事故量。解决方案
在本发明某些实施例中，把用作电能的直流(“DC”)偏压加到冰与被冰覆盖的物体之间交界面上。因此，冰与物体表面的粘附强度减小，从而可用风压、振动除去物体上的冰或用刷子刷去物体上的冰。
如提高冰与与冰接触的物体表面之间的粘附强度，则可减轻上述其他问题。例如，如提高汽车轮胎与结冰公路之间的冰粘附强度，汽车就不容易打滑，事故量减少。
如使冰与一物体接触的交界面带电，就可选择性地改变冰与物体之间的粘附。
在一个方面，本发明提供一连接成把一DC电压加到冰与其上形成冰的表面之间交界面上的电源。举例说，具有导电表面的物体可以是飞机机翼和船体(甚至涂在其上的漆)。第一电极与该表面连接；该表面上有一格栅状电绝缘材料；该电绝缘材料上有一不与该表面接触的导电材料、例如导电漆用作第二电极。第二电极的表面积应比该系统要保护的整个表面积小。例如，要保护物体的表面积(即要“除冰”的面积)应比第二电极的表面积至少大约10倍。
一根或多根导线连接第二电极与电源，而一根或多根导线连接第一电极与电源。形成在该表面上的冰和导电的第二格栅电极使该电路闭合。然后选择性地把一电压加到该电路上，该电压可控地改变冰与物体的粘附强度。
最好还有一电压调节器子系统与该电路连接，以便可调节地控制加到该交界面上的电压，从而控制冰粘附强度。使冰粘附强度最小的最佳电压与冰中的离子浓度有关；因此电压调节器子系统提供一种可选择性地改变该最小值的机构。
最好还有起其他作用的其他子系统与该电路连接，例如检测使该电路闭合的是冰还是水。在一个方面，该电源为一向该电路提供电压并与两除冰电极连接的DC电源(例如一蓄电池)。在另一个方面，—DC电流计与该电路连接以测量冰(即形成在该表面和第二格栅电极的任何部分上时“短接”两电极的半导体层)的DC导电率。在另一个方面，一AC电源与该电路连接，选择性地生成约10kHz—100kHz的AC电压。按照另一个方面，一AC电流计与该电路连接，测量冰在10—100kHz范围内的频率下的AC导电率。在另一个方面，一电流比较器比较AC与DC导电率。
这些方面使得电路比方说可区分形成在该表面上的半导体层是危险的冰还是表面水。水的AC导电率(在上述频率范围内)和DC导电率大致相同。但是，冰的AC导电率和DC导电率相差两到三个数量级。导电率的这一差别用两电流计测量后在电流比较器中进行比较。当该导电率差别大于预定设定值时，电流比较器发出结冰警报。此时，比方说，电压调节器子系统把其场强足以减小冰粘附强度的一DC偏压加到该电路、从而加到该交界面上。按照本发明的一个方面，当检测到一机翼上有冰时，该结冰警报启动该系统中的一反馈回路，从而(a)测量冰的导电率，(b)确定使冰粘附最小(或接近最小)的合适偏压和(c)把一偏压加到冰-机翼交界面上，进行除冰。
应该指出，上述系统可用于需要减小冰粘附强度的许多物体表面，例如汽车的挡风玻璃、船体和输电线。在这些情况下，如物体表面的导电性弱，该物体表面就要“掺杂”，以提高导电性。公知有各种掺杂技术。例如，汽车轮胎可掺碘，使橡胶导电。汽车挡风玻璃可掺ITO或掺氟二氧化锡，使得挡风玻璃成为可接受的半导体。
在本发明各优选实施例中，冰中掺盐，以提高冰的DC导电率，从而提高DC偏压对粘附强度的效果。最好对待保护表面上施加多孔材料实现掺杂。该多孔材料中含有盐，然后多孔材料把少量盐释放入所形成的冰中。此外，为提高对保护物体的导电率、特别是其表面的导电率，也可对要除冰的物体进行掺杂。
在本发明另一实施例中，待保护物体表面上施加一自组合单分子吸附层(self-assembling monolayer)(“SAM”)。用与表面粘附性强的材料制作SAM。还用疏水或亲水SAM材料减小或提高冰粘附强度。
在另一个方面，本发明提供一种对输电线或其他物体进行除冰的系统和方法。在输电线之类物体表面上涂以吸收电磁能的材料。所吸收的电磁能把输电线加热到冰的溶化点以上，从而使冰溶化。该涂层材料可为铁电、半导体或铁磁材料。在一实施例中，涂层的特性决定于一根据介电损耗还是磁损耗的具体温度。这些特性使得涂层仅在环境温度低于冰的溶化点时才吸收电磁能、从而加热输电线。或者，如使用一分离电源加热该涂层，可“接通”或“切断”涂层材料中的电流。
在一特殊变种中，冰本身在60kHz之类高频下用作为一有损耗的介电涂层。此外，可利用高频下的集肤效应加热溶化输电线上的冰雪。
下面结合优选实施例说明本发明，本领域普通技术人员显然可在本发明范围内作出种种增减和修正。附图的简要说明
结合附图可更充分理解本发明，附图中：
图1示出作为距冰-金属交界面的距离的函数的分子极化P与空间电荷密度ρ之间的关系；
图2示出一种研究DC偏压对粘附在固态金属上的冰的效应的装置；
图3(和图4剖面图)示出一种用来减少一表面上形成的冰的粘附性的本发明的系统；
图5示出用一DC偏压减小冰的粘附性的本发明一种系统；
图6示出本发明一具有掺杂离子的多孔材料的实施例；
图7示出本发明一具有自组合单分子吸附层的实施例；
图8示出可减少或除去有涂层的输电线上的冰的本发明一实施例；
图9为按照本发明制做的一有涂层的输电线的剖面图；
图10—12示出使用不同厚度电介质涂层时作为电压函数的加热功率(以W/m为单位)的计算结果；
图13示出ΔT为10℃时—2.5cm导体的传热；
图14示出在10m/s风速下传热与导体直径的函数关系；
图15示出1000MW输电线上1mm厚二氧化锡涂层的标称加热功率与温度的函数关系，其中，冰的溶化点为273°K；
图16示出一没有涂层的输电线的等价电路；
图17示出一有涂层的输电线的等价电路；
图18示出本发明的控制一输电线上的冰雪的改进结构和系统；
图19为包含一主输电线和一绝缘层的输电线的剖面图；
图20示出按照本发明构作的一输电线除冰系统；
图21示出本发明用于加热的一改进实施例，其具有一结构和系统，其中，一AC电源而不是线间电场在涂层中产生电流；
图22示出一装在输电线上的变压器的可能结构；
图23为一电路图，其中，使用两谐振电路防止6kHz电压传到60Hz电源上；
图24示出根据本发明的使用介电或铁电涂层对非有源表面(即内部没有AC电场的表面)除冰的一般结构和系统；
图25示出一种具有相间距电极的结构的剖面图；
图26为图25实施例的俯视图；
图27示出一种结构，包括其上配置有相间距直线形电极的一基底表面；
图28示出一种除冰系统，在该系统中，冰本身用作有损耗介电涂层；
图29为一示出加热功率(W/m)与距一电源的距离(m)之间的函数关系的曲线图；
图30示出同时利用介电损耗和集肤效应加热在输电线3000m距离上的总加热效果；以及
图31示出图30改进实施例在50km距离上加热效果的计算的衰减百分比。优选实施例的详细说明
本发明包括除去物体表面上的冰雪的方法、系统和结构。某些实施例通过在冰与物体交界面上施加一DC偏压改变冰与物体例如金属和半导体的粘附强度。因此可用本发明减少并在某些情况下消除这些物体表面上的结冰。
在某些实施例中，本发明改变使冰与金属粘合在一起的静电相互作用。在冰与金属之间施加一小DC(直流)偏压即能有效改变(减轻或增强)这些相互作用。
在某些实施例中，本发明包括使用涂层材料吸收电磁能的系统和方法。所吸收的电磁能加热涂层材料和被涂覆的物体，使冰溶化。
本发明可利用冰的某些物理特性来选择性地改变冰与导电(和半导电)表面的粘附。使与冰接触的表面带电就可选择性地改变这两个表面之间的粘附。首先，冰是一种质子半导体，一小类其电荷载体是质子而不是电子的半导体。这一现象起因于冰中的氢键合。与典型的基于电子的半导体类似，冰为导电体，尽管其导电率一般很小。
冰的另一个物理特性是其表面有一液样层(“LLL”)。LLL具有重要物理特性。首先，LLL的厚度只有几纳米。第二，其粘度在结冰温度下与水的粘度差不多，但随着温度的下降，变得非常粘。此外，LLL在-100℃的低温下仍然存在。
LLL还是与冰的粘附强度有关的一个主要因素。冰的半导体特性加上LLL，使得我们可控制冰与其他物体之间的粘附强度。一般来说，一块冰中的水分子的取向是随机的。但在表面上，水分子的取向大致相同，不是向外就是向里。因此，其所有质子、从而正电荷不是朝外就是朝里。尽管我们不知道确切机制，但方向随机的水分子在LLL中变得有序。但是，这一有序的实际结果是该表面上出现高密度电荷，不管是正电荷还是负电荷。因此，如使与冰的接触表面带电，就可改变这两个表面之间的粘附。由于同性电荷相斥，异性电荷相吸，因此施加在冰与其他表面之间的外部电偏压可减小或提高冰与其他物体的粘附。
图1示出作为冰-金属交界面之间距离的函数的分子极化P与空间电荷密度ρ之间的关系。在图1中，在金属中感应生成的电荷与冰中电荷大小相同，符号相反。在图1的曲线图中，冰-金属交界面附近冰中的电荷密度ρ(曲线14a)和金属或介电材料中的电荷密度ρ(曲线14b)为与交界面之间的距离的函数。横轴上的值X/L表示距离L的百分率，称为屏蔽长度。冰表面电荷与固态物体中感应生成的电荷之间的相互作用影响到冰-固体交界面的强度。
经复杂运算算出的冰表面电荷与金属之间的静电相互作用能量与实验测量值符合，表明该相互作用能量在-10℃下一般为0.01-0.5J/m2。其下限0.01J/m2与纯冰对应，上限0.5J/m2与其中掺杂有大量盐的冰对应。
由于静电相互作用影响到冰的粘附，因此用施加在冰-导电材料(例如金属或半导体)交界面上的外部DC偏压可改变冰与该材料之间的粘附强度。
冰中的极化水分子与介电常数与冰不同的任何固态基底会发生强相互作用。此外，理论和实验都表明冰的表面上有电荷。该表面电荷也与该基底相互作用。例1
使用图2所示系统50。对DC偏压对固态金属上的结冰的效应进行了研究。两钢管52之间的空间充满0.5％的氯化钠水溶液后把系统50放入一温度为-10℃的冷室中。用盐水充满多个系统50。水中的含盐量与普通海水相同。所有样本在测试前在该冷室中放置3个小时，这段时间足以使得水结冰和所生成的冰的内部应力得以消除。当以100 μm/min的恒定应变率(用作用力58经测力传感器56)对样本加载时测量冰-钢交界面54的最大抗剪强度。开始加载时在不锈钢管52之间施加并保持-21v—+21v范围内的DC偏压。特氟隆盖60使得内管52a可相对冰运动。一DC电源63在实验过程中提供该DC偏压。系统50支撑在一平台64上。一绝缘球66使得测力传感器56与系统50的其他部分绝热和电绝缘。
在机械测试中，电流、负载和温度记录在一计算机硬盘中。数据记录使用数据收集板DAS-1800和Lab View软件。
由于冰的粘附对盐的浓度非常敏感，因此测试后样本溶化时测量该浓度。不锈钢管52的表面在用温和含磨料的冲洗液冲洗前在蒸馏水、甲醇中漂洗，在冲洗后再次在蒸馏水中漂洗。清洗程序和对盐浓度的控制对数据的可重现性来说很重要。
为确定施加(来自电源63的)DC偏压是否造成温度改变，在若干测试中，在两钢管52之间的冰62中设置一热电偶(未示出)。在这些测试的精度范围(±0.05℃)内，未见温度改变。
这些测试的结果总结在下表1中，该表表明，在各测试电压下，表面间最大抗剪强度TMAX大大减小。该效应在v＝+6.6v时特别明显。
表1：冰-钢交界面的表面间最大抗剪强度TMAX和剩余抗剪强度TRES，T＝-10℃，冰的氯化钠掺杂量为0.5％。DC偏压(v) TMAX(kPa) Tres(kPa)0 64±6 21±26.6 37±7 13±3-1.0 45±5 12±2-1.8 48±7 19±3
图3(和图4的剖面图)示出本发明一系统100。系统100用来减小形成在一物体104的表面106上的冰102的粘附。系统100构成一包括物体104、一导电格栅114(包括该格栅上的所示点“A”—“F”)和一电源109的电路。格栅114悬空在表面106上方，因此与物体104保持电绝缘。
在本发明一优选实施例中，使用位于格栅114与表面106之间的绝缘格栅118使格栅114悬空在表面106上方。图4详细示出格栅118。图4剖面图不按实际比例，只是示出绝缘格栅118与导电格栅114之间的关系。实际上，格栅114、118的厚度(在图4的尺寸中)可比1英寸小得多(甚至只有0.010-0.020英寸)；可被看成“涂层”。例如，格栅118可用一薄层电绝缘漆构成；而格栅114可用一薄层导电漆构成。格栅114被连接以起到单一电极的作用。因此物体104变成系统100的第一电极，而格栅114变成该电路中的第二电极。
尽管所示表面106为一平面，但表面106可呈任何形状，格栅114、118也可呈柔性、使其形状与表面106相符。例如，物体110可以是机翼或汽车挡风玻璃，格栅114、118与物体110的形状相符。
在下面结合图6所述一优选实施例中，物体110与绝缘格栅118之间有一多孔掺杂层。
当冰102形成在表面106上时，(如上所述)用作为半导体的冰102使系统100的电路闭合。电路闭合时，电源109把一DC偏压加到冰102与物体110之间交界面上。该偏压一般小于几伏；因此可把一蓄电池用作电源109。
偏压大小视应用场合不同而不同。如用于汽车挡风玻璃或机翼，偏压选择成使得冰的粘附强度最小(或接近最小)，以便于清除物体110上的冰102。
电路中最好有一电压调节器子系统122与系统100连接。如下文详述，该电压调节器子系统122与该电路和电源116成反馈关系，从而最佳地降低或提高DC偏压。例如，该子系统可包括电路和一测量该电路中的数据并确定冰102的导电率(和/或温度)的微处理器124。然后该子系统122使用这类测量值生成有效改变加到该电路上的DC偏压的大小的信号。具体地，在一实施例中，电源116根据该信号在冰-物体交界面上生成正确电压。DC偏压的值可比方说通过一查找表并根据实验数据存储在子系统122中的一存储器126中。例如，通过存储器126中的该查找表使用与导电率为“Y”(由于系统100在给定应用场合与物体110装在一起，因此预先已知)的物体110接触的导电率为“X”(最好由该子系统实时测量)的冰来确定把多大电压加到冰-物体交界面上。
格栅电极114最好相间距，以(尽可能)确保形成在表面106上的冰102至少接触一部分格栅114。例如，如图3所示，冰102接触格栅114的若干区域，包括点“C”—“E”。因此，当冰102“短接”至少一部分格栅与物体电极110时系统100的电路闭合。
格栅114各导电区之间间距的实际大小—例如图3中区域114—应视应用场合的不同而不同。举例说，如果表面106为机翼表面，则该间距可较大，例如大于一平方英尺。
图5例示出按照本发明构作的一系统150。子系统170的一电极为机翼152。机翼152接地154。一DC电源156与一DC电流计158电连接。该DC电流计158与一滤波器160电连接。该滤波器160经导线161与施加于机翼152上固定的绝缘层164上的导电漆162(或与机翼形状相符的其他导电等同物)电连接。
绝缘层164和导电漆162最好布置成结合图3和4所述之类格栅型式。因此，电源156与导电漆162连接后经机翼电极152接地。当冰形成在机翼152上时，该电路被冰短接，一DC偏压加到冰-机翼交界面上，使得冰的粘附强度减小，便于除冰。
一般来说，绝缘层164所覆盖的总面积不超过被保护表面的约1％。制造商可根据手头关于沉积在待保护机翼或其他结构上的冰的历史数据或其他数据选择格栅类型。
施加在格栅电极162与机翼(或其他表面)电极152之间的电压一般调节成1—6v，格栅区的对应电流小于1A/m2。
应该指出，可使用市场上销售的各种绝缘漆和导电漆来制做系统100；应在结冰模拟测试后选择某一牌号的漆。此外，还应根据实验或通过对某一设计的分析确定格栅的最佳间距(例如图3中区域128)。
还如图5所示，DC电流计158还可与一反馈子系统170连接。该反馈子系统170转而与DC电源156电连接，按照冰的导电率和温度之类特性“控制”加到机翼-冰交界面上的DC偏压。因此，一温度传感器172最好与电路150连接，测量冰174的温度。
系统150的其他部件可包括一与一AC电流计178电连接的AC电源176(其工作频率为约10kHz—100kHz)，AC电流计178转而与导电漆162电连接。一电流比较器180与AC电流计178和DC电流计158电连接。
系统150还可包括一结冰警报子系统182。电流比较器180比方说可与结冰警报子系统182和反馈子系统170连接，从而启动下文所述某些事件。
可用DC电流计测量电路150的DC导电率。DC导电率信号测量值传给反馈子系统170，反馈子系统170然后调节DC电源156所供应的电流后传给电流比较器180。
例如，可用AC电流计测量电路150在10—100kHz频率范围内的AC导电率。AC导电率信号测量值传给电流比较器180(也可传给反馈子系统170计算比例AC/DC用于数据处理)。系统150使用AC导电率与DC导电率的比较值来区分使该电路“短接”、闭合的是冰还是水。确切说，冰的AC导电率与DC导电率之比要比水大2—3个数量级，从而提供一便于区分冰与水的信号测量值。
因此，当冰形成在机翼152上时，电流比较器180向反馈子系统170发出信号，反馈子系统170转而命令DC电源156增加或减小冰-机翼交界面上的DC偏压。DC偏压的大小(一般在1—6v之间)选择成尽可能使冰174在机翼152上的粘附强度最小。
机翼152除冰后，电流比较器180收到的信号差下降到一预设值以下；电流比较器180撤销结冰警报182。同时，电流比较器180向反馈子系统170发出信号，反馈子系统170然后命令DC电源156把偏压减小到初始水平。
总之，电流计158和178用来确定短接在格栅电极162与机翼152之间的材料的导电率。如图所示，该材料为冰174。系统150从而自动区分冰与水。滤波器160防止AC电压施加到电路的“DC”部分，电路的DC部分应受精确控制，以改变冰的粘附强度。反馈子系统170可以并且最好是包括一微处理器和存储器，根据冰的温度和导电率(和/或纯度)之类反馈数据把电源156的DC偏压命令并控制到接近最佳值。反馈电路在收到子系统182发出的结冰警报信号后把DC偏压的值增加或减小到使得冰-机翼交界面上的电流密度约为0.1mA/cm2(或约为1mA/in2)。因此，对于约10—30A的电流，一般的大飞机需要消耗约为100-500w的总能耗。
图5电路的“DC”部分因此主要用来向冰-机翼交界面提供DC偏压，其次(需要时)用来测量冰174的DC导电率。图5电路的“AC”部分因此主要用来测量AC导电率。图5电路的其余部分提供(a)一防止DC和AC部分之间发生信号耦合的滤波器；(b)根据对冰(相对水而言)的检测和/或测得的冰的温度和导电率之类反馈参数来控制提供的DC偏压的反馈及测量和控制电路。为使控制更精确，可与微处理器和计算机存储器一起使用一使用合适软件程序的计算机装置。一用户接口用来交互监控和运行系统150。
图6示出本发明一优选实施例190，它是图3—4所示结构和系统的一种变种。在图6中，用一“多孔”层或多孔材料192对粘附在用作一电极的物体194的表面195上的冰193进行掺杂。如上所述，用电极(例如格栅电极)196在冰193与多孔层192之间交界面上生成改变冰粘附强度所需电流密度。一绝缘层197在结冰193之前防止电极196经多孔层192短路。
工作时，一电压加到表面电极195和格栅电极196上。绝缘层197防止表面电极195和格栅电极196与多孔层192短接。多孔层192上开始结冰193。多孔层192向冰193释放掺杂剂，使得冰的导电率增加。自表面电极195与格栅电极196施加的电压减小冰193的粘附强度，使冰193溶化。
在飞机飞行之类非常冷的高空条件下，冰非常纯和/或不导电。图6实施例的好处在于，材料192有可掺杂的孔，把离子释放入冰193中。多孔层192释放的离子用来提高纯冰和极低温下的冰的导电率。
应该指出，图6的多孔层193可为一几乎不溶于水的薄涂层。当水粘附在多孔层192上时，多孔层192用离子掺杂水/冰，生成导电率。离子应与冰的预期温度对应，冰本身的导电率决定于温度。
使用前，多孔材料192用碱、酸、盐之类提高导电率的掺杂剂水溶液浸透。例如，可使用KOH、HF、NaCl、KCl的电解液。当材料192与超冷水滴或冰接触时，在水和冰中释放出少量掺杂剂。掺杂剂用离子掺杂冰193，从而提高冰的导电率。由于冰中即使有少量的掺杂剂也能使其导电率提高几个数量级，因此一旦用该溶液“充电”，电极在必须重新充电(例如每月一次)前可多次对冰掺杂。只须用上述溶液之一冲洗多孔层192就可“重新充电”。
应该指出，为说明起见，多孔层192被放大地示出。多孔层192可以非常薄或为一涂在物体194、比方说机翼的表面195上的漆。然后按需要掺杂，确保冰的导电率不断提高。
应该指出，如格栅电极196多孔、把掺杂剂释放入冰中，多孔材料层192可省略。使用多孔层192还是多孔电极196还是同时使用多孔层与多孔电极进行掺杂决定于设计方案，例如电极格栅的间距。
多孔材料层192可为任何能掺杂、把离子释放入冰193中的有孔材料。多孔层192的材料可为任何多孔陶瓷、金属或合金。在某些实施例中，多孔层192可为几乎不溶于水的非常薄的一层，例如涂在表面195上的漆。
市场上有多种用作多孔材料的多孔陶瓷、金属和合金，包括：
(1)由烧结金属构成的渗滤多孔电极；见Vilar等人.，Percolated porous electrodes composed of sintered metal-Hydrodynamics and mass transfer，Canadian Journal Of ChemicalEngineering，76：(1)：41-50(1998)；
(2)用于可充电电池的多孔石墨-夹杂系统；见Barsukov，PorousGraphite-Intercalation System For Rechargeable Batteries，NewMaterials； ConjugatedDoubleBondSystems，191：265-268(1995)；
(3)含有金属添加剂的多孔铁电极；见Jayalakshimi et al.，Eletrochemical Characterization Of Porous Iron Electrodes，ProceedingsOf The Indian Academy Of Sciences-Chemical Sciences，103：(6)：753-761(1991)。
本发明另一新颖实施例为一要除冰雪的物体的表面上的一自组合单分子吸附层(“SAM”)涂层。按照本发明，一金属表面上涂上一强疏水性有机分子的单分子层。当线性有机分子自发吸附到一固态表面上时就形成SAMs。如强吸附在特定金属上的SAM为疏水性的，则减小冰与金属表面之间的氢键合强度。为此使用分子工程和生物化学中公知的自组合分子单层。选择其首端或表面端具有能吸附到金属表面上的化学功能、其一般从该表面伸出1—2纳米数量级的尾端为疏水性的SAM分子。例如，一典型的疏水尾端包括烷烃类、例如甲基类。例2
图7示出用于SAM上形成冰的本发明一实施例。一石英基底202上形成一镀铬层204。镀铬层204上为一镀金层206。然后，镀金层206上有一自组合单分子吸附层(SAM)208。SAM208顶面上有一水滴或冰滴210。—DC电源212与该水滴或冰滴210和一静电计214连接。静电计214与镀金层206连接。静电计214以库仑计方式测量电源212的DC偏压和SAM208的疏水特性改变时交界面的电流密度。
SAM208的制备使用镀金光学镜。镀金层206用乙醇冲洗后用氮气气流吹干。然后用上述合适溶液浸泡镀金层206 12-36小时以获得亲水或疏水性。然后从该溶液中取出镀金层206后用乙醇冲洗5—10次。然后用氮气气流在10—15秒时间中吹干镀金层206。
对于疏水样本，把138.8μL的[CH3(CH2)11SH]溶解在1L的甲醇或乙醇中自[CH3(CH2)11SH]制备1mM试剂储液。对于亲水样本，把0.2044μL的[HO(CH2)11SH]溶解在1L的甲醇中自[HO(CH2)11SH]制备1mM试剂储液。为制备具有一定疏水和亲水特性的SAM208，以所需比例混合这两种溶液。
如不施加外部DC电压，水与疏水SAM208的接触角为98°—104°。水与亲水SAM208的接触角为36°—38°。如变动疏水和亲水特性，水与SAM208的吸附功的变动范围为130mJ/m2—54mJ/m2。施加一小DC电压可大大改变接触角和吸附功。施加-4.5v的电压则接触角从100°减小到40°。这相当于吸附功从59.5mJ/m2变为127mJ/m2。输电线的除冰
图8和9示出本发明一可用来减少或除去输电线300上的冰的实施例。图9为按本发明构作的输电线300的剖面图302。如所公知，一般的主输电线304输送60Hz的电力，但生成很高E-场，例如4,000v/cm。按照本发明，输电线304上有一厚度为“t”的涂层306。
涂层306在比方说由主输电线304生成的AC电场中发热。确切说，它的磁滞在AC周期上生成热量；因此该涂层由于输电线304的振荡E-场产生热量。本发明这一实施例自原先未使用的功率产生热量，溶化掉输电线上的冰。本发明的该实施例利用了输电线中电流生成的电场。
在一实施例中，如所公知，涂层306为铁电材料。铁电材料为在某些条件下具有极高介电常数(例如10,000)和极高介电损耗(例如tanδ＝10)，而在其他条件下具有较低介电常数(3—5)和较少介电损耗的陶瓷。可改变该常数的一个条件是温度。在一优选方面中，选择在冰点以上介电常数低、而在冰点以下介电常数高的材料，当环境温度下降到冰点下时，该涂层由于介电常数和介电损耗高而被AC电场强烈地加热。
确切说，当把一铁电材料置于一振荡电场(AC)中时，该材料由于介电损耗被该电场加热。每立方米的加热功率为： (1)----W=ωϵ1ϵ04πtanσ(E2‾)]]>
其中，ε’为相对介电常数(典型铁电材料的ε’通常约为104)，ε0为自由空间的介电常数(ε0＝8.85E-12F/m)，ω为AC电场的角频率(ω＝2πf，其中，f为输电线的通常频率，例如在保守输电线中为60Hz)，tanδ为介电损耗的正切，为电场平方的平均值。
铁电材料的特点是在低于所谓的居里温度Tc时ε’和tanδ的值很大，而在高于居里温度Tc时ε’和tanδ的值变小。这样，在低于及接近于Tc时，介电损耗(或AC电场的加热功率)很高；在高于该温度时其下降率很大(例如106)。这使得其Tc接近或稍高于溶化温度的铁电材料最适合于用作上述之类涂层306。这类涂层在外界温度下降到溶化点Tm以下时吸收电功，被该电场加热到Tm以上温度以使它们重新转变成通常的绝缘体(即不再大量吸收电场能)。
因此，当把这类涂层置于AC场中时，铁电材料保持接近Tc、稍高于Tm的温度不变。这一防止结冰的自调节机制非常经济：改变涂层厚度和/或在该涂层上增加一中性(非铁电)绝缘漆或塑料就可增加或减小输电线每米或任何待保护表面上每平方米的最大加热功率。适用于本发明的铁电材料例如包括：
表3：铁电材料
名称 分子式 Tc(开氏)
罗谢尔盐 NaKC4H4O64H2O 255-297
氘化罗谢尔盐 NaKC4H2D4O64H2O 251-308
TGSe (NH2CH2COOH)3H2Se)4 295
钽铌酸钾 KTa2/3Nb1/3O3 271
Anti momium nitrate NH4NO3 255,305
Pb3MgNb2O9 -273(0度C)
厚度“t”的数量级一般为1/100英寸，尽管厚度可视涂层材料和所需加热改变。通过改变厚度，比方说表面308的温度可提高1-10°或更多。根据需要生成的热量(即溶化输电线300表面308上的冰雪所需热量)确定厚度“t”。图10-12示出使用不同厚度介电涂层时加热功率(W/m)与电压之间的函数关系的计算结果。涂层消散的热量用下式计算： (2)----WH(V)=V2ωCL22(CL+CC)]]>
其中，V为电压，ω为角频率，CL为线间电容，CC为涂层电容。见图17。图10示出介电涂层厚10mm时加热功率与电压的函数关系。图11示出介电涂层厚5mm时加热功率与电压的函数关系。图12示出介电涂层厚2mm时加热功率与电压的函数关系。
除了介电涂层的厚度，加热功率还决定于输电线上的风力。图13示出ΔT为10℃时一1英寸导体的传热。在图13曲线图中，传热为吹在输电线上的风的风速的函数。当有风时导体直径也影响到传热。图14曲线图示出在10m/s风速下传热与导体直径的函数关系。
当涂层的介电常数和损耗很小(即涂层的温度高于“冰点”或其他某一温度)时，涂层306产生的热量大大减少，从而输电线302消耗的能量大大减少。例3
以Pb3MgNb2O9为例说明加热功率的计算。在该例中，使用中压输电线，其V‾2=10kV]]>，线径为1cm＝2×半径。导线表面上的电场强度为： (3)----E≈Vln(Lr)r≈3kv/cm]]>
其中，L为线间距离(L＝1m)。用各数据、即E2‾=3×105V/M,]]>ω＝2∏×60Hz，ε’＝104以及tanδ＝10，算出W(1mm，60Hz)＝4.5×105W/M3。因此，比方说1mm厚的薄膜生成450W/M2，该热量一般足以溶化冰。
在300kV、100kHz频率下，1mm厚的Pb3MgNb2O9涂层的加热率为750kW/M2。
应用于输电线时，涂层中所能消散的最大功率受到线间电容C2的限制： (4)----Wmax=ωC22·V2‾]]>
当导线厚2cm、线间距离为1m时，C2约等于1.21E-11F/m。对于V＝350kV的输电线，Wmax约等于300W/m，该能量足以保持1m长的电缆不结冰。
除了铁电材料，几乎所有半导体涂层都可获得同样结果。其导电率σ和介电常数ε满足下式的半导体从外部AC电场吸收最大能量： (5)----ϵϵ0σ=τmax=12Πf]]>
其中，ε为涂层的介电常数，ε0为自由空间的介电常数，f为AC电场的频率。因此，介电损耗决定于导电率σ。为获得方程(4)最大性能，涂层介电导电率应满足：
(6) σ≈εε0ω
其中，ε为涂层的介电常数，ε0为自由空间的介电常数。对于60Hz输电线和ε≌10，σ＝3.4E-8(ohm.m)-1。许多不掺杂半导体和低质量绝缘体普遍具有这一导电率。因此，这一涂层成本低(某些漆可用作该涂层)。此外，由于半导体材料的导电率随温度的变动发生极大变动(例如指数关系)，因此可用温度“调节”其导电率。
半导体涂层的一种合适材料为ZnO。图15示出1000MW输电线上1mm厚ZnO涂层的标称加热功率与温度的函数关系，其中，冰的溶化点为273°K。如图15曲线所示，上述那种电介质加热的最佳条件一般只在温度的极小区间、例如-10C≤T≤10℃ C中才满足，在该温度区间中，涂层溶化冰，否则消耗的功率很小。本领域的熟练技术人员可理解，可用掺杂剂调节该温度区间。
本领域的熟练技术人员可理解，上述实施例可自调节而使涂层温度保持接近(或稍高于)溶化点。如输电线电场过度加热涂层，涂层就会自动从铁电状态相变成正常状态，在正常状态下，涂层不再吸收电场能。因此通过选择相变温度就可根据用户要求和当地环境调节涂层温度。
图16示出一与一没有涂层306的输电线相当的电路。使用由电阻、电容和电感构成的电路表示该输电线是本领域的熟练技术人员可理解的。图17示出一与一有涂层306的输电线相当的电路。涂层306使用电容电流Ic，其中，CL为线间电容。涂层306在图17中用电阻RC322和326和电容CC324和328表示。在图17中，流过线间电容CL和涂层的电流用I’330表示。由于所增加的涂层306的电阻和电容，因此I’330小于Ic。因此，其余有源负载(R、Ruser)中的功率损耗由于涂层中的热量消散而降低。
涂层306也可包括具有相同或相似效果的铁磁材料。此时，涂层吸收由输电线生成的磁场的能量。
本领域的熟练技术人员可理解，除了输电线，也可用这些涂层处理其他物体表面。例如，涂在机翼上的这种涂层在AC电场、特别是如上述方程(19)所述增强AC电场的作用下也可溶化冰。
图18示出本发明一改进结构和系统400，该系统通过减小粘附强度控制一输电线406上的冰雪。该系统包括一用导线404与掺杂输电线线路406连接的功率控制模件402(包括上述DC电源、电压调节和DC和AC冰检测和测量之类功能)。图19为线路406的剖面图(不按实际比例)。线路406包括公知的一主输电线408和一绝缘层410。绝缘层410外有一掺杂外层412提供与模件402连接的电路中的控制冰的DC偏压。沿线路406长度在轴向上伸展一导电格栅414，格栅414与层412之间的一绝缘格栅416(也位于轴向上)使格栅414与层412电绝缘。当线路406上结冰420时，冰420短接该电路，一DC偏压施加在层412与冰的交界面上。把该偏压调节到正确大小，就可除去线路406上的冰420。如结合图6所述，掺杂外层412最好包括一把离子释放入冰420中、提高其导电率的多孔材料。掺杂外层412外表面上也可覆盖SAM。
图20示出按照本发明构作的输电线系统450。输电线系统450包括(如图19所示)输电线线路406和一功率控制模件452。功率控制模件452包括一DC电源402、一DC电流计454、一滤波器456、一电流比较器460、一结冰警报系统462、一温度传感器458、一电压调节器系统464、一AC电源470、一AC电流计472和一电容器474。DC电源402与DC电流计和掺杂外层412电连接。DC电流计454与滤波器456电连接。滤波器456与格栅414电连接。滤波器456防止AC电压施加到该电路的DC部分，而该DC部分应受精确控制，以改变冰粘附强度。滤波器456由谐振频率与AC电源频率相同的一电感和一电容构成。
电压调节器系统464与DC电源402电连接，根据冰的导电率和温度之类特性控制施加到输电线/冰交界面上的DC偏压。温度传感器458最好与冰420连接，测量冰420的温度。温度传感器458还与电压调节器系统464电连接，提供确定DC电压所需的冰的温度。
输电线系统450的其他部件可包括与AC电流计472和掺杂外层412电连接的AC电源470。AC电流计与电容器474电连接，电容474与格栅414电连接。
电流比较器460同时与AC电流计472和DC电流计454电连接。可用DC电流计454测量冰420的DC导电率。该DC导电率测量信号传给电流比较器460后传给电压调节器系统464，电压调节器系统464调节由DC电源402供应的电流。可用AC电流计472测量冰420的AC导电率。该AC导电率测量信号传给电流比较器460(也可传给电压调节器系统464，用于计算比例AC/DC和数据处理)。系统450通过AC与DC导电率之间的比较区分水和冰，水和冰都“短接”、闭合该电路。确切说，冰的AC导电率与DC导电率之比比水大2—3个数量级，提供一便于区分水与冰的信号测量值。电流比较器460与结冰警报系统462电连接，结冰警报系统462与电压调节器系统464电连接。
因此，当线路406上结冰时，电流比较器460用AC和DC电流向结冰警报系统462发出信号。在收到电流比较器460发出的信号后，结冰警报系统确定AC和DC导电率。根据AC和DC导电率，结冰警报系统462确定是否存在冰420。如存在冰420，结冰警报系统462向电压调节器系统464发出信号。电压调节器系统464命令DC电源402增加或减小DC偏压，使线路406上的冰420的粘附强度最小化。电压调节器系统464包括一微处理器466和一存储器468，根据冰的温度和冰导电率(或冰的纯度)之类反馈数据来命令和控制DC电源402施加一接近最佳的DC偏压。该偏压用存储在存储器468中的一电压数值表确定。温度和导电率之类因素可用来识别正确电压。
线路406上的冰溶化后，电流比较器460收到的信号差下降到一预设值以下，电流比较器460撤销结冰警报系统462。同时，电流比较器460向电压调节器系统464发出信号，电压调节器系统然后命令DC电源402把偏压减小到原先大小。
图21示出本发明加热结构和系统的一改进实施例，在该结构和系统中，一AC电源而不是线间电场加热涂层。图21为一输电线500的剖面图。输电线500包括呈圆柱形的各层。输电线500的中央为一钢芯504。钢芯504外为一般用铝制成的主导体502。主导体502外有一涂层506，该涂层一般为有损耗电介质、铁电或半导体涂层。涂层506外围绕有一般为铝的导电外壳508。此外，有一与导电外壳508连接的AC电源VH510和一开关512。开关512也与主导体502连接。在该实施例中，AC电源提供原来由线间电场提供的功率。
使用AC电源有许多优点。首先，可用开关512按照需要控制输电线的除冰。第二，加热线路的功率大小可改变。此外，该实施例不但可用于高压输电线，也可用于低压输电线(100—345kV以下)。
AC电源510可为一电站。AC电源510也可使用装在输电线一定长度上的一变压器。图22示出一装在输电线500上的变压器520的可能结构。变压器520包括套在一绕组524中的铁心522。绕组524与导电外壳508和主导体502连接。
该实施例可在高频下工作，例如工作频率为6.0kHz的电源。该频率为60Hz基频的100倍，但大大低于普通射频。由于涂层的加热功率大大依赖于频率，因此使用6kHz电压取代60Hz电场加热输电线。涂层的加热功率可用下式表示： (7)----W=V2ω2RC121+ω2R2(C1+C2)2]]>
其中，V为电压，ω为角频率(2πf)，R为有效电阻(每米)，C1为线间有效电容，C2为涂层电容(每米)。最大功率出现在： (8)----R=1ω(C1+C2)]]>
把方程(8)代入方程(7)得出最大功率WH： (9)----WH=V2ωC122(C1+C2)]]>
当涂层在频率fo＝ωo/2π下满足最大功率条件时，任何频率f下的加热功率用下式表示： (10)----W=2WH(f/f0)21+(f/f0)2]]>
图23示出使用一电源对输电线除冰的一实施例的可能电路示意图。在图23中，用两谐振电路558和560防止6kHz电压传至60Hz电源544和用户546。
在另一实施例中，输电线的涂层为公知的铁磁材料。Tc＝Tm的铁磁涂层与铁电材料一样可通过把输电线电场的AC功率转变成热量而溶化冰。
图24示出使用一介电或铁电涂层对一非有源表面(即其内部无AC电场的表面)除冰的本发明一般化结构和系统600。在图24中，要除冰的结构或物体的表面602上有一箔电极604。箔电极604上有一铁电涂层606。铁电涂层606上有一箔电极608。AC功率经箔电极604、608施加到铁电涂层606上。AC功率来自于一标准AC电源610。与结构600连接的一冰检测系统612(例如图5中的检测系统)把结构600结冰的信息传给电源610，然后施加AC功率。按照所要生成的热量数量(例如防止机翼上结冰)确定AC频率和涂层厚度。
本发明还提供输电线除冰技术，在该技术中，用普通50-60Hz电场加热涂层。该除冰技术是完全受控的，即可“接通”或“切断”。因此，在不结冰时不浪费电能。如图21结构所示，在切断热量时，内部导电电缆502、504用开关512与导电外壳508电连接，其间有介电涂层。这使得铁电、有损耗电介质或其他介电涂层上的电位差为0，因此，加热功率为0。导电外壳508可非常薄(0.1—1mm)，因此成本低。导电外壳508可包括铝或其他金属或任何导电或半导电材料，例如用碳浸责的聚氨酯。当与金属内芯连接时(大多数时间)，它提高电缆的总导电。可用无线电遥控开关进行“接通”或“切断”。输电线公司一般约每100km安装这样一个简单(与输电线比较低压、低功率)的开关。由于不必受精确地“温度调节”，因此这样一种有损耗介电涂层的开发既便宜又简单。涂层可使用种种(便宜)材料。这些特点使得可用一电开关控制输电线的加热与否。也可用等同结构和方法对输电线以外的其他物体除冰。
如图25-27所示，本发明各实施例也可使用相间距电极构型。图25示出一具有相间距电极706的结构700的剖面图。一导电基底表面702上一般有一绝缘层704和一导电(或半导电)外层。经导电外层和绝缘层向下通到基底表面的孔708形成相间距电极706。相间距距离712一般为10一100μm。该包括导电基底702、绝缘层704和导电外层706的分层结构的总厚度一般约为10μm。图26为图25所示本发明一实施例的俯视图。本领域的熟练技术人员可理解，也可使用不同电极间距构型。例如，在图27中，一结构720包括其上有直线电极724的基底表面722。最好是，各电极724之间的间距为10-50μm，每一电极的宽度为10—50μm。本发明相间距电极的例示性制作方法包括：用聚氨酯喷涂该表面；再涂上一层感光胶；对界定电极格栅图案的曝光区(例如图25中孔、图27中长条)曝光；除去经曝光区域露出聚氨酯；施加石墨粉；加热使石墨扩散入聚氨酯中。这一方法可制成使用寿命长、抗腐蚀的电极。所得结构主要包括一用掺杂有碳(导体)的塑料制成的电极格栅，用光刻形成精确图案。
在上述各实施例中，一介电涂层位于一输电线上，使用线间电场或一专用AC电源加热该涂层，从而溶化冰。在图28所示本发明另一实施例中，冰本身用作介电涂层。图28示出三条典型输电线802，每条输电线包括一钢芯804，钢芯804外为铝导线806，其上覆盖冰810。电场线812表示线间高频电场。冰是有损耗电介质，其最大介电损耗出现在所谓的Debye频率fD上。当置于强度足够大的该频率的交流电场中时，冰溶化。这与图9所示使用一开放有损耗介电涂层(即没有导电外层)的机制相同，但是把冰用作涂层。冰的介电损耗在8.8kHz(0°C)—3kHz(-10°C)频率范围中达到最大。因此，为减少或除去输电线上的结冰，把该频率的AC电压施加到电缆上。没有冰时不消耗功率。这提供一种便宜、简单的解决结冰问题的方法。当电缆上出现冰时，该系统用作由AC电场加热的介电涂层，溶化冰。由于水的介电损耗在微波频率范围中最大，因此电缆上的水不吸收AC功率。这一原理同样适用于冰箱和飞机。
在本发明另一实施例中，使用集肤效应加热、溶化远距输电线上的冰。磁场把电流推向导体表面。例如，如铝线中为60kHz的高频电流，输电线外部0.35mm中的电阻增加约20倍。如电流为221A，这造成约50W/m的最大加热功率。但是，这一结构和方法的一个缺点是，加热受驻波现象的影响，造成加热、溶化不均匀。本发明另一实施例组合使用高频(“HF”)冰介电损耗和HF集肤效应。冰的介电损耗和集肤效应都受驻波现象的影响，但这两种效应的加热的波峰和波谷互补、大小相同。图29曲线图示出本发明该实施例，其中，加热功率(W/m)为与一电源之间的距离(m)的函数。在一改进实施例中，输电线中的电流的频率调节成与加热效应取得平衡。所得改进性能见图30的曲线图，该曲线示出总加热效果在3000m距离上始终保持约50W/m。图31示出图30改进实施例在50km距离上加热效果衰减百分比。图31的数据表明，可使用位于中央的单个激励器对100km输电线进行加热、除冰。50km输电线的电源在60kHz下具有约3.25MW的功率。
因此本发明可实现上述目的。由于上述设备和方法可在本发明范围内作出某些改动，因此上述所有说明和附图都应看成例示性的而非限制性的。