CN104507809A - 用感应或辐射对如风轮机叶片、飞机翼总体结构表面除冰 - Google Patents

Abstract

提供了一种能容易地对大体结构的表面除冰的方法。电磁感应或IR/微波辐射用于加热大体结构的表面上的层或涂层，由此该层优选包括传导颗粒例如碳纳米粒子，例如石墨、碳纳米管、碳纳米锥体、粉末形式的金属，金属化的玻璃珠，碳纤维、切碎的或作为编织的结构等，所有统称为碳纳米管(CNT)或锥体或金属粒子，含量为0.01％重量以上。热导体例如氮化硼可用于提高传入该表面的热量。公开的结构保护微波发射器使其免受雷电接收元件的损伤，且该闪电接收元件在雷电出现时保护完整结构。可从该结构内部以及从外部同时提供辐射。

Description

用感应或辐射对如风轮机叶片、飞机翼总体结构表面除冰

技术领域

本发明涉及一种大致且主要由聚合材料制成的总体结构表面除冰的方法，该结构在特定时候需要除冰处理。

背景技术

冰的累积在飞机、风力发电、海洋及其他产业中是重大问题。在飞机机翼上累积的冰可在几分钟之内使飞机变得不稳定。在风力发电机器的机翼上，不希望有冰积累，因为产生的额外的重量意味着对于该结构单元、和空气动力学性能产生大的机械应力，因此产生的电能会受到负面影响。在海洋工业中，例如船只和离岸采油平台，和其他应用中，例如高架电力线上，冰的积累意味着重量增加及相关的安全风险。在所有这些应用中，需要有能有效除冰且成本合理的方法。

本领域中已知有很多***可以使用。在一些技术公开中使用了震动来除冰，例如，在US 6,890,152和WO 2009/019696中，其中US 6,890,152中结冰条件可以检测到，并使得至少一部分风轮机叶片震动，WO 2009/019696中在飞机机翼中有偏心质量旋转，也是通过震动引起冰的脱落。

还已知多种电加热薄片(foils)和结构被使用，例如WO 98/53200，其中电加热作为组合结构的一部分嵌入至织物中。WO 2011/018695公开了一种热电膜，该热电膜覆盖风轮机翼型(air foil)的至少一部分的前缘或后缘。WO 2006/108125公开了一种热电除冰装置，该装置由导电材料按预定的方案制成。该材料也吸收辐射例如敌人雷达；然而，通过吸收进行的加热没有被提及。

EP 1187988公开了组合的风轮机叶片的加热/除冰和防雷装置。最后，EP0680 878A1公开了一种用于机翼(airfoil)的电热除冰***，该***包括温度传感器，脱冰区和防冰隔离条。

从US 4060212(微波被引入直升飞机叶片中，以直接加热或熔化冰)和WO 2001/74661(类似地，但使用限定的频率例如900MHz至20GHz)可得知微波辐射作为实现除冰的手段。然而，在这些公开文件中，其目的是加热并由此直接熔化冰，其中使用冻冰吸收的频率加热。这些技术看起来不是普遍的，可能是由于效率低——固体冰不能有效地作为微波吸收体并且在构造上有困难。

发明内容

本发明的目标是解决现有技术中的问题，本发明提供一种更简单的方法，本方法不需要与除冰层的电连接，且本方法通过将材料放置于需要的位置，优选靠近冰层来提高了对于电磁波的吸收。通过电磁感应或通过辐射来避免这些电接触或电极是可能的，这优选使用红外线或微波发射器(例如磁电管或速调管(klystrons))，具体取决于以下解释的实际情况。已经发现碳纳米颗粒，例如石墨，碳纳米管，碳纳米锥体，粉末形式的金属，金属化的玻璃珠，碳纤维，切碎的或作为编织的结构等，所有的都称为碳纳米管(CNT)，它们很好地分散于聚合物矩阵中，它们容易吸收微波辐射。吸收辐射导致温度升高，这足以融化含有这些CNT的层附近的冰。因为电子在单一CNT中容易移动，因此有可能通过电磁感应引起电子移动，例如通过在CNT附近的强交流电来引起电磁感应。选择哪种方法取决于实际应用的情况。下文中，给出了实例用于描述本发明的具体实施例。所有CNT的共同特征是它们都是导电的。

根据本发明，该目标通过提供一种对通常且主要由聚合材料制成的结构表面除冰的方法来实现，该聚合材料需要在特定时间除冰，该方法包括以下步骤：

-提供一种包括至少一种可通过微波或红外辐射或电磁感应加热的材料的组合物，

-将该组合物放靠近所述结构的区域设置，由此该组合物可在将该组合物放置在所述区域之前或与此同时或之后经历化学反应，例如聚合反应或硬化，由此该组合物可涂刷有油漆，凝胶涂层，箔片(foil)或其他保护结构，

-在需要时加热所述组合物但没有直接电接触，所述加热过程通过例如微波或红外线辐射或电磁感应的方式来实现。

优选的实施例在所附的专利权利要求书中给出。

附图说明

本发明在下文通过参考附图进行更详细的描述，其中：

-图1显示了风轮机叶片的侧面图示，和

-图2显示了风力发电翼通过微波辐射除冰的示意图，这些翼从外部进行微波辐射。

具体实施方式

已经有人发现很好地分散于聚合物基质中的CNT能容易地吸收微波辐射。吸收辐射导致温度升高，这足以融化包括这些CNT的层附近的冰。因为电子在单一CNT中容易移动，因此还有可能通过电磁感应引起电子移动，例如通过在CNT附近的强交流电来引起电子移动。选择哪种方法取决于实际应用的情况。下文中，给出了实例用于描述本发明的具体实施例。

此处公开的本发明通过提供一种简单的方法解决了现有技术中的问题，本方法不需要通向除冰层的电连接。避免这些电接触或电极可通过电磁感应或通过辐射实现，优选使用红外线或微波发射器(例如磁电管或速调管)来实现，具体看实际情况(参见实施例)。已经有人发现很好地分散于聚合物基质中的CNT能容易地吸收微波辐射。吸收辐射导致温度升高，这足以融化包括这些CNT的层附近的冰。因为电子在单一CNT中容易移动，因此有可能通过电磁感应引起电子移动，例如通过在CNT附近的强交流电来引起电子移动。选择哪种方法取决于实际应用的情况。下文中，给出了实例用于描述本发明的具体实施例。

该聚合物组合物优选包含热塑性塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、PET，聚碳酸酯或热固性材料，如聚氨酯，环氧树脂或酚醛树脂或橡胶例如硫化橡胶，热塑性弹性体，聚氨酯橡胶或硅橡胶，和任选的填料，例如热传导材料如氮化硼。

待除冰的结构的表面主要由聚合材料或聚合材料的组合制成，该聚合材料是可能被加固的。主要地，这是指，待除冰的结构的表面的超过50％的部分由聚合材料制成，优选超过70％，特别优选超过90％，不包括无机材料例如玻璃和碳纤维。应理解这些值是与结构相关的。这种类型的表面，即，在分子水平分析的最外层，可接近100％是聚合的。

优选地，在一个实施方案中，吸收微波辐射的层设置得非常靠近该表面，例如在该表面下方小于0.1毫米处。

该组合物可用作10微米至1毫米厚的涂层，或者作为玻璃纤维或织物上的预制涂层。

优选地，CNT占该组合物的至少0.5％重量的含量或者其含量为使得其吸收至少10％的放射IR或微波辐射由此加热组合物，无论哪种百分比是最低的皆可选。

实施例1：

图1显示了风轮机叶片的横截面形式的整体构造，该风轮机叶片具有前缘5并设置有外皮/组合物1，包括具有例如CNT的材料的层，该材料能吸收IR/微波辐射，至少一种微波发射器或磁电管2，可能的分别设置的屏蔽元件3和防雷***4。该防雷***4通常为电缆。

一种飞机机翼采用类似方法构建，除了除冰操作通常仅在前缘区域有需要。

如图所示，该风轮机叶片，优选以聚合物叶片的形式，使用含有大于0.1％重量的CNT的组合物1涂覆。组合物1可优选包含环氧树脂或聚氨酯或与该叶片的构造材料相容的材料。该组合物可涂覆于织物上或编织的或非编织的载体上以简化生产过程。此种组合物可有非常弱的导电性，例如低于1欧姆(Ohm)*m(电阻率)或可为如同掺杂的半导体或比之更高的导电率。也可将其他导电粒子例如银涂覆的微玻璃珠或金属粉末，例如铝或锌粉末，加入其中用于改变该层的吸收效率。优选的是向该涂层中加入导热粒子例如氮化硼或类似物，理想地是在涂层的朝向最外面层的表面上。最好的方式是使用具有相当的(fair)机械强度以及对于内部复合结构和最外层油漆或凝胶涂层具有好的粘附性的材料。该折中方案通常通过在0.5至10％之间，理想地在1至8％之间的CNT来实现。然而，所述浓度仅作为指导，它们可根据是否使用石墨或金属涂覆的玻璃珠来变化，或者出于其他原因选择的微波吸收层的厚度来变化。包括此种弱导电性的组合物的层便于通过一个或多个置于中空的翼结构中的磁电管来加热。可使用各种磁电管，且它们的共振频率是可调的。用于加热食物的磁电管，发射2.45千兆赫，这种磁电管是优选适用的，且能有效地将电转化为辐射。理想地，这些辐射完全被含有CNT的组合物吸收，使得该层被加热，由此保证除冰。

如图1所示，微波发射器或磁电管2安装有屏蔽元件3，以使得避免在防雷***4中产生感应电流。更重要地，该磁电管辐射叶片的一个称为前缘5的区域，因为这里的冰层直接导致叶片的空气动力学性能的下降。如果整个叶片都被雪或冰覆盖了，例如在冬天时涡轮关闭或其他停顿时，则照射其他区域，例如全部叶片，也是必要的。

在一个优选实施例中，至少一个磁电管设置于发动机舱附近，且微波辐射被通过波导管引导至应该被辐射的区域处，该发动机舱通常为中空铝制轮廓(例如，10*10cm，且长度为1-75m)且在特定区域有开口，辐射可通过该开口离开波导管并冲击到含有CNT的可加热的且有吸收性的膜上。可将各种磁电管彼此靠近放置，且它们可以与不同长度的波导管连接，例如一个磁电管与波导管连接，从该波导管第一个10m的机翼被照射，第二个磁电管连接至20m长的波导管，其中有照射10至20m的开口，等等。波导管可作为构造元件，特别是在飞机机翼中。具体地，波导管可取代金属导体(铜电缆)，该金属导体用于避雷和导向地面的导体。此种情况下优选的是，该波导管将电连接至位于叶片外面的闪电接收器中，例如自叶片表面在各个点伸出的铜烙铁。闪电的出现可破坏连接至波导管的磁电管，该事实是可接受的，因为经济损失不大。

检测冰层形成的传感器可放置于机翼上。来自一个或多个传感器的信号可触发通过辐射进行除冰操作，且它们也可发出潜在过热的信号，由此使得辐射中断或停止。

与其他方案相比，例如在叶片的中空结构中电热加热或使用热空气，本发明的技术方案节能，费用低且减轻了重量。磁电管可以以低成本使用，它们重量轻，使用220V电源工作，且它们容易放置及安装于机翼结构中。它们可与防雷***隔离开，由此使得本文所述的风轮机叶片和加热***在出现闪电时受到保护。包含CNT的涂层生产起来相对便宜且易于在生产过程中以各种形式使用，例如作为粘的涂层，聚合的状态，或者作为连续的带状或毡制品。该生产技术适用于风轮机产业中其他生产步骤。

另一优选实施例示意性地显示于图2中。在塔40上，至少一个具有电源(未显示)的磁电管和至少一个波导管20，其具有狭孔30，通过该狭孔30可射出辐射，它们设置为可在外面对机翼10进行辐射。应进行除冰的机翼10通过改变节面角(pitch angle)来调低并旋转同时进行辐射。机翼上的涂层吸收辐射，被加热且逐渐融化冰。优选地，且出于安全的原因，为了避免冰被抛下，一个机翼在其朝向下且平行于塔和波导管时被除冰，由此融化的冰可直接掉到地上。在除冰期间，该机翼可围绕其内部轴旋转，由此使得整个叶片表面可被除冰，通过发动机改变叶片的节面角来实现。在塔的顶点上，此处叶片表面变大，可放置更多波导管。波导管装置可安装为使得其能围绕塔旋转或移动(或向上和向下)至塔40和机翼10之间的任何位置。电力优选从地面供应。

该结构有优势，尤其是对于缺少除冰功能的改进的涡轮，而在涡轮和叶片结构中不需要内部改变，除了机翼需要覆盖或涂覆有本发明的组合物或膜。这可通过举高车和修理队来完成。使用10kW电力输入，可在5-20分钟内实现一个机翼的除冰。此后对2号机翼和3号机翼除冰。除冰操作可以是自动的。在给定的风速下，通过例如涡轮性能的下降来指示结冰，或者通过能指示额外重量的振动光谱的改变来指示结冰。此时，除冰顺序可自动启动。该实施例的一个潜在的不利因素可能是发射的辐射可能不被机翼吸收。然而，辐射是通过合适的波导管结构来导向的，由此减少了损耗。关于人们所关心的安全性，辐射能级随着距离的平方减少。对于人们靠近涡轮工作的最低可能距离为20m。如果一个微波发射器在20m高度发射1000W，在地面上的辐射能级将低于10W/m²。该数值为可接受的安全水平。由于以下事实：仅非常少的质量，例如40kg每个机翼，需要通过升高例如20摄氏度来加热，所需的总电力是非常低的。

可通过传感器监视除冰操作，该传感器用于检测除冰期间机翼的表面温度。

实施例2：

飞机机翼：该技术方案与用于风轮机叶片的技术方案相似，除了飞机机翼通常包含燃料。因此使用具体的预防措施来将燃料体积与被磁电管照射的体积分开，并将所有与磁电管或IR辐射体的电连接不与燃料接触。然而，通常这足以加热飞机机翼的前缘，因此需要的容量是有限的。此外，用于微波的波导管(参见实施例1)也可用作建造材料(同时在风力发电和飞机机翼两者中)。它还可用作闪电接收器或导体，如上所述。

实施例3：

高架电力线：电力线可涂覆有包含CNT的组合物，且与传导粒子中的高压感应电流组合的强电流使得能对该涂层加热。交流电在电磁感应中是尤其有效的。用于包含(镶嵌)CNT的有用的聚合材料为聚氨酯、一些环氧树脂类型和硅橡胶。优选的是弹性材料作为电力线，其随着温度变化而膨胀并在强风中移动和变形。

实施例4：

所有吸收红外线或微波辐射或能够吸收电磁领域的，如上述实施例所述的诱导的区域，可出于不同的原因被涂覆：在风力产业，优选的外涂层(topcoating)是没有光泽的，且白色至灰白色。因此，覆盖该吸收材料的黑色的薄油漆涂层是优选的，且所述外涂层可包括导热添加剂。相同的情况也适用于航空工业，其中优选使用具有抗腐蚀性的前缘结构。高架电力线优选涂覆有疏水材料，该材料提供抗腐蚀性和抗UV性能。弱导电的或抗静电涂层是优选的，因为它们通常比绝缘涂层有更少的灰尘和尘垢积累。

与现有技术相比，根据本发明的除冰方案具有显著的优势。磁电管和IR加热器在商业上是廉价的，且它们重量轻，且性能上是高效的。因此，即使可将多个磁电管放置于大的风轮机叶片中而不增加多于100-500kg的重量。供电限于叶片的内部构造，这提供了对于出现的闪电的防护。根据本发明的组合物可覆盖全部风力叶片(长度75m，3m的平均宽度，2侧)，且厚度约为0.1mm，并对该叶片增加大约40kg的重量。假设在严冬中该涂层需要加热升高30摄氏度，所需的电输入为3600kJ，即，在20秒时间内需180W。此处假设所有的损耗过程都可忽略，包括复合结构进行的吸收，磁电管效率，风引起的冷却损失，波导管中的损失等。最重要的是，需要一些能量来实现融化部分直接附着于机翼上的冰。一个0.05mm厚的冰膜(约20kg)也需要约6600kJ能量来实现从固体至液体的相变(融化的潜热＝334kJ/kg冰)。假设通过风的冲击，或者因为液膜不再提供冰与机翼之间的粘附力，将使冰从机翼上分离。总之，仍然需要约15000kJ的能量(7.5kW经33分钟的时间)，这被认为是足够的，甚至用于恶劣的气候条件。

在高架电力线的情况下，金属导体的镀层提供了抗腐蚀性，且组合物中电流的电磁感应使得能进行除冰且不需要额外的电力供应，前提是导体中的电流是足够高能够实现感应。

可使用多种范围的频率，例如，在500MHz至30GHz之间的频率。理想地，选择不会干扰无线电和其他通信的频率，以及不会被必须被辐射穿过的材料吸收的频率。1-5GHz为特别有用的频率，因为在该频谱中聚合物仅显示出弱的吸收性。2.45GHz为特别优选的频率。可加热的膜或组合物可设置有温度传感器，以使得避免过热。

根据本发明的传导膜的具体优势或积极的副作用是减少了天气和其他雷达装置的干扰。当前，风轮机会干涉雷达装置。根据本发明的膜或微波吸收组合物吸收雷达辐射，因此配备有所述的新型材料的风轮机将基本上对于雷达辐射为“透明的”，即，它不会反射辐射。风轮机可配备有信号发射器来提醒低空飞行的飞机中的飞行员。

该方法在生产和操作上都是非常经济的，且该方法适用于改进现有的风轮机，这些风轮机都缺乏除冰功能。

Claims (12)

1.一种对大体上且主要由聚合材料制成的结构表面除冰的方法，所述结构表面需要在特定时间除冰，所述方法包括以下步骤：

-提供一种包括至少一种可通过微波或红外辐射或电磁感应加热的材料的组合物，

-将所述组合物靠近大体上的所述结构的区域设置，由此在将所述组合物放置在所述区域之前或之后或与此同时所述组合物能经历化学反应，例如聚合反应或硬化，由此所述组合物能覆盖有油漆，凝胶涂层，箔片或其他保护装置，

-在需要时加热所述组合物但没有直接电接触，所述加热过程通过微波或红外线辐射或电磁感应的来实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种材料选自碳纳米管、碳角、碳锥体、石墨、金属涂覆的玻璃珠和/或导电粒子例如金属粉末、碳纤维，单独存在或与金属粉末混合，所有的统称为碳纳米管(CNT)，和金属化的CNT。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述结构选自风轮机叶片、飞机机翼、其他飞机部件、海洋结构、复合材料和高架电力线。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述组合物还包含热塑材料，例如聚乙烯、聚丙烯、PET、聚碳酸酯或热固性材料，如聚氨酯，环氧树脂或酚醛树脂或橡胶例如硫化橡胶，热塑性弹性体，聚氨酯橡胶或硅橡胶，和任选的填充物，例如热传导材料如氮化硼。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述CNT占所述组合物的至少0.5％重量的含量或者所述CNT含量至少为使得至少10％的发射的IR或微波辐射被吸收，由此加热所述组合物，无论哪种百分比是最低的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述组合物可用作10微米至1毫米厚的涂层，或者作为玻璃纤维或织物上的预制涂层。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用多个磁电管来加热所述组合物，所述组合物形成了所述大体的结构的外表面的一部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐射源在中空结构的情况放置于所述大体的结构的内部，或者设置在所述大体的结构的外部。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，应用至少一种合适的屏蔽元件以防止在金属元件例如雷电接收器或金属零件中的电流的感应。

10.根据权利要求3-9中任一项所述的方法，其特征在于，对主要的聚合的或复合材料飞机机翼，尤其是前缘，或者其他飞机部分进行除冰，或者对高架电力线除冰，利用通过来自电力线的电磁感应引起的CNT的加热进行除冰。

11.通过权利要求1所述的方法获得的组合物的用途，所述用途用于实现加热或除冰，或者减少雷达干涉。

12.一种根据权利要求1所述的方法获得的组合物。