一种表面电热除冰结构、装置、方法和目标物与流程

本发明涉及物体表面除冰领域，具体的说，是一种表面电热除冰结构、利用表面电热除冰结构的表面电除冰装置、设置有表面电除冰装置的目标物和一种利用表面电除冰装置对目标物表面电除冰的方法。

背景技术：

1、在极地、寒区等低温的气候影响下，航行船舶和海工装备的船体、上层建筑及各类设备会覆盖大量的冰雪，使船舶吃水深度及重心发生变化，从而降低船舶稳定性、上层建筑结构可靠性；设备上积累的大量覆冰还会影响设备运行，带来严重安全风险。目前，船舶和海工装备的除冰大多使用除冰剂或者电阻加热，但电阻加热的方式除冰效率低，能耗大。在飞行器结冰与防除冰领域，现有的防除冰技术主要包括热气防冰、电加热防除冰、气囊除冰、防冻液防冰、机械除冰等。其中电加热防除冰是一种灵活度高，结构简单，增重少的防除冰方式，有电热防冰和电热除冰两种工作方式。其中，电热除冰的工作方式允许机翼前缘少量积冰，采用间断式加热的策略融化机翼前缘的少量积冰，周期性去除机翼前缘少量积冰，以更低的用电耗能代价达到维持飞行安全的目的。但电热除冰的方式的加热除冰效率依然较低。

2、为了在较低能耗的同时提高除冰效率，一些现有技术采用电涡流加热器和击打力发生器结合的方案，在机翼展向进行分区布置，并使用次序式的策略对整个机翼区域进行次序除冰，以实现较低能耗的高效除冰。又一些现有技术将超声波与电热法相互结合，可大幅降低除冰系统所需电能消耗，且让除冰效果更佳。

3、但上述现有技术都采用的是以电热为主，结合主动除冰技术的除冰方案，属于一种低能耗高效除冰系统，虽然可以以较低能耗高效除冰，但是在系统设计上相对复杂，难以兼顾结构重量和维护成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计出一种表面电热除冰结构、装置、方法和目标物，用以解决现有的低能耗高效除冰系统结构复杂的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明提供了一种表面电热除冰结构，包括绝缘层以及分别设置于所述绝缘层上、下表面的表面电极和埋置电极；所述绝缘层设置有上下贯通的至少一个导通孔；所述导通孔的顶端孔口的至少部分暴露于所述表面电极，使得液体能从所述导通孔的顶端孔口进入所述导通孔中以凝结成冰柱；所述表面电极和所述埋置电极用于分别连接电源的两端，其中，所述表面电极和所述埋置电极能通过所述冰柱电性连接以将所述冰柱作为电阻来加热所述冰柱。

4、采用上述设置结构时，表面电热除冰结构的表层结冰形成冰层的过程中，由于绝缘层上设置有导通孔，且表面电极不完全遮挡导通孔的顶端孔口，使得形成冰层的部分液体可以进入到导通孔内凝结，形成连接于冰层的覆盖层底部的冰柱。这样，冰柱可以作为连接电阻将表面电极和埋置电极直接连接起来形成回路，在表面电极和埋置电极接入电源后，电源可以在表面电极和埋置电极之间施加电压，并将冰柱作为电阻，对冰柱进行加热使之汽化。导通孔的存在使得其内的冰柱会在升温后沿轴向汽化膨胀，提高导通孔内的气压，对冰层的覆盖层造成挤压、冲击，使冰层与表面电热除冰结构的表层的粘附力减小，并促使冰层于冰柱的位置处因结构应力发生破裂，进而从表面电热除冰结构的表层剥落，实现除冰。因此，该表面电热除冰结构可以仅仅依靠与现有的电热除冰系统结构类似的简单的层状电热结构，利用机械应力来除冰，不依赖额外的力发生器和超声波除冰装置，从结构上看是更简单的，具有较好的维护性，从功能上看，除冰效率依然较高并具有更低的能耗。

5、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述绝缘层设置为柔性层或刚性层，和/或，所述表面电极和所述埋置电极设置为柔性件。

6、采用上述设置结构时，绝缘层为柔性件且表面电极和埋置电极为柔性件时，表面电热除冰结构可以便于大范围地布设在任意外形上。

7、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述导通孔内壁设置有导电层，所述导电层与所述表面电极和所述埋置电极电性连接，所述导电层能够作为电阻来加热所述冰柱。

8、采用上述设置结构时，导通孔内形成淡水或云雾场类结冰形成的冰柱时，导电层的存在可以提高表面电极和埋置电极之间的导电性，利用导电层的高电阻性，作为电阻来加热冰柱，提高冰柱的加热效率，使得设置有导电层的表面电热除冰结构适用于由淡水、云雾场类环境下结冰成冰柱的弱导电介质，以保证在此类环境下使用的表面电热除冰结构具备良好的除冰能力。

9、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所有所述导通孔的横截面面积之和小于所述绝缘层的上表面面积的10%。

10、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述表面电极的上表面附着有绝缘涂层，所述绝缘涂层的表面附着有疏水层或疏冰层。

11、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述导通孔设置有多个，所有所述导通孔于所述绝缘层形成二维阵列。

12、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述表面电极包括多个条状的上极板，每个所述上极板与至少一个所述导通孔对应设置，其中，所有所述上极板于所述绝缘层的上表面沿所述上极板的宽度方向形成线性阵列，或，纵横交错形成格栅状电极。

13、采用上述设置结构时，上极板形成线性阵列或格栅状电极可以在具备相应功能的前提下覆盖绝缘层上更小的区域，减小自重和结构成本。

14、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述上极板的上表面设置有导气槽，所述导气槽与所述导通孔的顶端孔口侧向连通，用于引导所述冰柱被加热汽化的部分沿所述导气槽向所述导通孔远处扩散。

15、采用上述设置结构时，冰柱汽化后，可以沿上极板上表面设置的导气槽膨胀扩张，对更大范围的冰层的覆盖层产生区域剥离效果，减小冰层整体的粘附力，提高除冰效果。

16、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述埋置电极包括多个条状的下极板，每个所述下极板与至少一个所述导通孔对应设置并暴露所述导通孔的底端孔口或至少部分遮挡所述导通孔的底端孔口，其中，所有所述下极板于所述绝缘层的下表面沿所述下极板的宽度方向形成线性阵列，或，纵横交错形成格栅状电极；或，所述埋置电极设置为完全覆盖所述绝缘层下表面的板状电极。

17、进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：相邻两所述导通孔的间距大于或等于所述导通孔的四倍孔径。

18、本发明还提供了一种表面电热除冰装置，包括电源和上述的表面电热除冰结构，所述电源设置为提供低电压、大电流电能的脉冲电源；所述表面电热除冰结构的表面电极和埋置电极分别与所述电源的两端连接。

19、采用上述设置结构时，表面电热除冰结构通过表面电极和埋置电极内的冰柱在短时间内的加热汽化，避免长时间加热使热量产生向外的扩散，降低结构传热损失，以节约除冰时的能耗。

20、本发明还提供了一种目标物，所述目标物上设置有上述的表面电热除冰装置，所述目标物包括具有除冰需求的防冰表面；所述防冰表面作为所述表面电热除冰装置的埋置电极，或，所述表面电热除冰装置的埋置电极连接于所述防冰表面以使所述表面电热除冰装置覆盖所述防冰表面。

21、本发明还提供了一种表面电除冰方法，步骤s1：在目标物上有除冰需求的部位设置上述的表面电热除冰结构；步骤s2：在表面电热除冰结构的表面形成冰层且需要除冰时，在表面电热除冰结构的表面电极和埋置电极之间施加低电压、大电流脉冲，进行除冰。

22、本发明具有以下优点及有益效果：

23、本发明中，表面电热除冰结构的表层结冰形成冰层的过程中，由于绝缘层上设置有导通孔，且表面电极不完全遮挡导通孔的顶端孔口，使得形成冰层的部分液体可以进入到导通孔内凝结，形成连接于冰层的覆盖层底部的冰柱。这样，冰柱可以作为连接电阻将表面电极和埋置电极直接连接起来形成回路，在表面电极和埋置电极接入电源后，电源可以在表面电极和埋置电极之间施加电压，并将冰柱作为电阻，对冰柱进行加热使之汽化。导通孔的存在使得其内的冰柱会在升温后沿轴向汽化膨胀，提高导通孔内的气压，对冰层的覆盖层造成挤压、冲击，使冰层与表面电热除冰结构的表层的粘附力减小，并促使冰层于冰柱的位置处因结构应力发生破裂，进而从表面电热除冰结构的表层剥落，实现除冰。因此，该表面电热除冰结构可以仅仅依靠与现有的电热除冰系统结构类似的简单的层状电热结构，利用机械应力来除冰，不依赖额外的力发生器和超声波除冰装置，从结构上看是更简单的，具有较好的维护性，从功能上看，除冰效率依然较高并具有更低的能耗。