用于无源除冰的系统和方法
用于无源除冰的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于无源除冰的系统和方法。
【背景技术】
[0002]在暴露于大气条件的各种设备上形成冰会是不希望的。例如，航空器上形成冰会干扰翼面的空气动力学，例如，影响层流和重量分布，因此通常被视为是不希望的。
[0003]可在结冰状况下，S卩，在空气包含过度冷却液体水的液滴的大气条件下，可形成冰。结冰状况是用平均液滴大小、空气的含水量、空气温度和暴露表面的温度来定量表征的。过度冷却液体水是处于凝固点下但仍然保持液态的水。通常，水将在凝固点下凝固，但如果例如液滴不具有形成核的杂质，则大气液滴可保持为液体。当过度冷却的水液滴遇到冷的表面时，液滴立即固化并且形成冰。
[0004]抵抗冰形成的典型解决方案包括加热对冰敏感的暴露表面,从而使暴露表面的一部分机械变形，并且应用除冰流体。这些解决方案中的每个都是有源机制的，伴随着控制、监测、维修和/或重量方面的负担。
[0005]疏冰表面(icephobic surface)通常是超疏水表面和/或涂层或者被类似地设计成超疏水表面和/或涂层，因此是相对易损的。这种涂层和/或表面通常并不适于通常形成冰的严苛环境。翼面会经历甚至更极端的条件，从而致使现有的疏冰解决方案更加不太合适。
[0006]因此，需要在严苛环境下抵抗冰形成的无源疏冰系统(passive icephobicsystem)。
【发明内容】
[0007]无源除冰的系统可包括诸如交通工具的设备，这些设备包括带有一个或多个冰成核区的无源除冰结构。冰成核区通常被构造、预选择和/或布置成选择性地在冰成核区上和/或附近形成冰。另外，冰成核区通常被构造、预选择和/或布置以形成冰，冰微弱附着于无源除冰结构，因此可通过使形成的冰经受来自流过无源除冰结构的空气的足够剪切力来去除冰。通常，冰成核区包括成核颗粒，通常是矿物质，其被构造、预选择和/或布置成在冰成核区中形成冰核。
[0008]无源除冰结构还可包括一个或多个抗冰区，这些抗冰区可被构造、预选择和/或布置成抵抗冰形成，以排斥水和/或冰撞击表面，和/或促使比冰成核区更少的冰形成。通常，无源除冰结构可包括冰成核区和抗冰区的图案。
[0009]无源除冰结构、冰成核区和/或抗冰区可形成在当表面经受剪切力时有助于表面除冰的位置处和/或形成为当表面经受剪切力时有助于表面除冰的布置。例如，通过在表面粘附、暴露和/或形成成核颗粒从而涂覆和/或精修表面来形成冰成核区。例如，通过在基本上没有成核颗粒的情况下进行涂覆，形成抗冰区。
[0010]用无源除冰结构将设备除冰可包括在设备表面上的冰成核区上形成冰特征，然后使表面经受来自流过表面的空气的剪切力以从设备上去除冰特征。剪切力可以是例如在飞行期间遭遇的空气的力。
[0011]根据本公开的一个方面，提供了一种航空器，该航空器包括:主体，其包括具有前缘和暴露表面的动力学部件，其中，所述暴露表面被暴露于大气；其中，所述暴露表面包括无源除冰结构。所述无源除冰结构包括:冰成核区，其以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长并且被构造成致使在所述冰成核区上形成冰；和抗冰区，其以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长；其中，所述抗冰区通过所述冰成核区而与所述前缘分开；其中，所述冰成核区的可润湿性大于所述抗冰区的可润湿性。
[0012]有利地，所述成核区包括被构造成在所述无源除冰结构上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
[0013]根据本公开的另一个方面，提供了一种航空器，该航空器包括:主体，其包括具有前缘和暴露表面的动力学部件，其中，所述暴露表面被暴露于大气；其中，所述暴露表面包括无源除冰结构。所述无源除冰结构包括多个冰成核区，所述冰成核区被构造成致使在所述无源除冰结构上的一个或多个预定位置形成冰。
[0014]有利地,所述主体包括机翼、横尾翼、水平尾翼、垂直尾翼、机身、发动机罩、螺旋桨叶片和旋转机翼中的至少一个。
[0015]有利地，所述多个冰成核区中的每个包括被构造成在所述无源除冰结构上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
[0016]有利地，各冰成核区被构造成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。
[0017]有利地，所述多个冰成核区被布置成选择性形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力时对所述设备进行除冰。
[0018]有利地，所述多个冰成核区中的每个包括被预先选择成在所述冰成核区上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
[0019]优选地，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。
[0020]优选地，所述成核颗粒包括粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。
[0021]有利地，所述多个冰成核区中的每个具有可润湿表面。
[0022]有利地，所述多个冰成核区中的每个包括位于所述暴露表面上的矿物化涂层。
[0023]有利地，所述多个冰成核区中的至少一个靠近所述前缘。
[0024]有利地，所述多个冰成核区中的至少一个以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长。
[0025]有利地，所述无源除冰结构包括抗冰区。
[0026]有利地，所述抗冰区通过所述多个冰成核区中的至少一个而与所述前缘分开。
[0027]优选地，所述抗冰区是疏水性的。
[0028]根据本公开的其它方面，提供了一种设备，该设备包括:主体，其具有被暴露于大气的暴露表面；其中，所述暴露表面包括无源除冰结构，所述无源除冰结构包括冰成核区，所述冰成核区被预先选择成致使在所述无源除冰结构上的一个或多个预定位置形成冰。
[0029]有利地，所述冰成核区被构造成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。
[0030]有利地，所述冰成核区包括被预先选择成在所述冰成核区上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
【附图说明】
[0031]图1是根据本公开的具有有源除冰结构的设备的示意性表示。
[0032]图2是具有无源除冰结构的设备的例示性非排他性示例。
[0033]图3是具有无源除冰结构的翼面的示例性非排他性示例的示意性剖面图。
[0034]图4是翼面上的无源除冰结构的示例性非排他性示例的示意性立体图。
[0035]图5是翼面上的无源除冰结构的另一个示例性非排他性示例的示意性俯视图。
[0036]图6是用于形成无源除冰结构的方法的示意性表示。
[0037]图7是用于对设备进行无源除冰的方法的示意性表示。
【具体实施方式】
[0038]图1至图5示出设备10、无源除冰结构30及其组件。用附图中一致的标号标注用于类似或至少基本上类似目的的元件。在本文中可不参照图1至图5中的每个详细讨论图1至图5中的每个中的类似标号和对应元件。类似地，可不用图1至图5中的每个标注所有元件，但为了一致，可使用与其关联的参考标号。在不脱离本公开的范围的情况下，参照图1至图5中的一个或多个讨论的元件、组件和/或特征可被包括在图1至图5中的任一个中和/或与图1至图5中的任一个一起使用。通常，有可能被包括的元件用实线示出，而可以是可选的或替代的元件用虚线示出。然而，用实线示出的元件不一定是必要的，在不脱离本公开的范围的情况下，可省略用实线示出的元件。
[0039]图1是针对疏冰性能进行构造、预选择和/或布置的设备10的示意性表示。疏冰物是指抵抗冰形成和/或附接的表面、结构和/或系统。传统的疏冰系统减少、或防止沿着整个疏冰表面的冰形成。相比之下，本公开描述了无源除冰结构30，该无源除冰结构30包含一个或多个冰成核区32，这些成核区被构造、预选择和/或布置成促使冰形成。无源除冰结构30并不像有源除冰结构那样需要重复施加能量和/或物质来抵抗、控制和/或去除冰。冰成核区32被构造、预选择和/或布置成致使以受控方式和/或在一个或多个预定位置形成冰。这样做时，控制冰形成，以允许容易和/或自动地从无源除冰结构30去除冰。因此，无源除冰结构30具有全局疏冰效果(例如，极少的冰积聚)，即使局部地且有明确目的地在冰成核区32中形成冰。
[0040]设备10包括具有被暴露于大气的暴露表面14的主体12。暴露表面14包括无源除冰结构30，该无源除冰结构30包括一个或多个冰成核区32。设备10可以是交通工具20、风力涡轮机、建筑物、塔、桅杆、塔架和/或其部件、或被暴露于元件并且期望有疏冰性能的任何其它结构。交通工具20的示例性非排他性示例包括航空器(如图2中所示)、飞机、旋翼机、无人驾驶航天器、船只和陆运工具。主体12可以是设备10和/或可以是设备10的部件。例如,主体12可以是翼面16、空气动力学部件、机翼22、横尾翼26、水平尾翼、垂直尾翼28、机身、螺旋桨叶片、旋转机翼 、润轮叶片、发动机罩、外壳、壳体、风挡、鼻锥、天线罩和/或上层构造。暴露表面14通常被构造成暴露于环境并且可针对空气动力学性能进行构造，例如，暴露表面14可以是空气动力学表面和/或翼面表面。
[0041]无源除冰结构30被构造成使容易被去除的冰依附，例如这是通过向依附的冰施加力进行的。通常，用于去除依附冰的力是无源除冰结构30和/或暴露表面14在使用时遭遇的力。例如，力可以是或包括作为剪切力、风、重力、离心力和/或机械施加力(例如，由雨刷(wiper)施加的力)的分量。作为示例性非排他性示例，航空器结构的外部可经受由于飞行和/或其它动作(例如，螺旋桨运动)导致的空气的大量剪切力。在飞行期间，无源除冰结构30可选择性致使以受控方式和/或在预定位置形成冰并且使冰依附。在这个示例中，无源除冰结构30还被构造成用无源除冰结构30上空气的剪切力来蜕去选择性依附的冰。
[0042]无源除冰结构30可以是暴露表面14的层,和/或与暴露表面14 一体形成。无源除冰结构30被构造、预选择和/或布置成选择性形成冰，冰微弱附着于无源除冰结构30。例如，无源除冰结构30可被构造、预选择和/或布置成，使得可通过使冰特征经受来自无源除冰结构30上的空气流动(例如，气流50)(例如，对应于飞行和/或风的气流50)的足够剪切力，去除无源除冰结构30上形成的冰特征。通过大于50km/h、100km/h、200km/h、400km/h、600km/h、800km/h、1000km/h、1200km/h、1500km/h 或 2000km/h 和 / 或小于 3000km/h、2000km/h、1500km/h、1200km/h、1000km/h、800km/h、600km/h、400km/h、或 200km/h 的相对空气速度通过剪切力去掉冰特征。
[0043]无源除冰结构30包括一个或多个冰成核区32-被构造、预先选择和/或布置成为冰形成而成核的无源除冰结构30的表面区。例如，冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成促使在冰成核区32上形成冰和/或霜。作为另一个示例，冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成将接触冰成核区32的超临界水(例如，蒸气和/或过度冷却的液体水滴)转变成冰。并且，如相对于无源除冰结构30讨论的，冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成用于选择性形成冰特征，有助于当冰特征经受剪切力时对设备除冰。冰成核区32可以是稳固、刚性和/或坚硬的，至少被构造成耐受可去除冰特征的剪切力。
[0044]冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成形成杂乱和/或微弱附着的冰。通常，冰成核区32上形成的冰是杂乱和/或微弱附着的。例如，形成的冰可包括随机取向的冰晶；具有多个畴(domain)、缺陷、缺点、位错、内含物和/或空隙的冰晶；和/或冰晶的组或混合物(例如，杂乱的组和/或具有极少或没有长程有序的组)。形成的冰可以是颗粒状的、成碎片的、不规则的、成薄片的和/或微晶的。通常，形成的冰被紧密包裹(pack)并且可包括空气、空隙和/或其它内含物。杂乱和/或微弱附着(微弱附着于本身和/或冰成核区32)的冰通常容易在来自流过冰成核区32的空气的剪切力的作用下去除。
[0045]冰成核区32可包括在暴露表面14上可被暴露于大气的成核颗粒40,和/或可包括促使冰成核的表面特征和/或化学品。成核颗粒40可被构造、预先选择和/或布置成在冰成核区32上以形成为冰成核并且可被构造、预先选择和/或布置成为杂乱和/或微弱附着的冰成核。成核颗粒40可包括球体、纳米粒子、小板和薄片中的至少一个。成核颗粒40可包括有机和/或无机组成并且可包括或者可以是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。成核颗粒40可具有小于 100 μ m、50 μ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、2 μ m、I μ m、500nm、400nm、300nm、200nm、或10nm和/或大于100nm、200nm、300nm、400nm、500nm或I μ m的平均有效直径。成核颗粒40可被束缚和/或附着于冰成核区32的表面和/或可通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻暴露表面14的至少部分和/或暴露表面14的层来暴露和/或形成。
[0046]冰成核区32可以是粗糙、可润湿和/或疏水的。粗糙、可润湿和/或疏水表面可促使形成冰核。如本文中使用的，润湿是液体水保持接触固体表面从而导致水和表面之间分子间相互作用的能力。润湿的程度是通过粘附力和内聚力之间的力平衡确定的。可润湿表面还可被描述为亲水性表面并且非可润湿表面还可被描述为疏水性表面。润湿通常是通过表面上的水滴的接触角表征的。接触角是水滴的液体-蒸气界面与固体-液体界面相接触的角度。接触角是通过粘附力和内聚力之间的合成而确定的。随着液滴在平坦的固体表面上扩展的趋势增加，接触角减小。因此，接触角提供了可润湿性的反度量(inversemeasure)。
[0047]亲水性表面通常是由表面上90°或更小角度的水接触角来定义的。亲水性表面可具有极性、离子型、和/或亲水性表面的化学性，和/或可具有用于水接触的高表面能量。亲水性表面通常是可润湿的并且可包括宏观和/或微观表面结构以促使润湿(例如，促使毛细管动作的脊和/或凹槽)。包括可选成核颗粒40的表面粗糙度可以大得足以促进润湿、亲水作用和/或冰成核，和/或可小得足以避免干扰空气动力学性能。例如，冰成核区32的平均表面粗糖度可以小于3000nm、1000nm、300nm、10nm或30nm,和/或大于10nm、30nm、100nm、300nm或lOOOnm。表面的平均表面粗糙度是得自平均局部轮廓的绝对垂直偏差的算术平均值。
[0048]可通过诸如涂覆、打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻暴露表面14的至少部分和/或暴露表面14的层来形成冰成核区32。例如，可通过用涂覆材料38 (可选地，包括成核颗粒40)(例如，矿物化涂层)涂覆暴露表面14来形成冰成核区32。涂层材料38可具有小于成核颗粒40的20%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%、0.3%或0.1%，和/或大于0.01%、0.03%、0.1%、0.3%、0.5%或1%的重量百分比。可用诸如喷涂的传统方式和/或通过向暴露表面施用贴花或类似预成形层，向暴露表面施用涂层材料38。涂层材料38和/或冰成核区32可以是或者可包括薄膜、无机结构、表面处理、转换涂层、热喷涂涂层、电喷涂涂层、模内涂层、氧化物膜、粉末涂层和/或陶瓷涂层。涂层材料38的示例性非排他性示例包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和/或聚氨酯涂层。
[0049]冰成核区32和/或无源除冰结构30可包括宏观表面结构42，该宏观表面结构42被构造、预先选择和/或布置成辅助进行冰成核、冰的微弱附着、和/或在剪切力作用下冰特征的去除。表面结构42是宏观、非微观或纳米级特征，通常可视为表面特征、纹理和/或图案。诸如表面粗糙度的较小尺寸特征可结合表面结构42而存在。表面结构42通常是促使形成冰的并且不特别是疏水性的或超疏水性的。表面结构42的示例性非排他性示例包括脊、肋、突起、凹坑、凹槽、通道和/或凹面。
[0050]冰成核区32和/或无源除冰结构30可覆盖暴露包面14的任何合适部分。例如，无源除冰结构30和/或一个或多个冰成核区32可覆盖暴露表面14的全部、基本全部、大部分、小部分、小于50%、小于33%、小于25%、小于20%、小于15%、小于10%、或小于5%。在无源除冰结构30包括多个冰成核区32的情况下，一个或多个冰成核区32可与另一个冰成核区32间隔开、邻接和/或邻近。例如，结构和/或组分不同的两个冰成核区32可彼此邻接。
[0051]冰成核区32可伸长，沿着伸长方向达到长度44和垂直于伸长方向的宽度46。长度44可大于宽度46并且可比宽度46大得多。例如，长度44与宽度46之比可大于2、5、10、30、100、300 或 1000。长度 44 可大于 0.lm、0.3m、lm、2m、3m、5m、1m 或 20m。宽度 46 可小于 30cm、20cm、10cm、5cm、3cm、2cm、Icm 或 0.5cm。
[0052]在一些情形下，主体12包括具有前缘18的翼面16，如图3中所示。在不具有除冰机构的翼面上，冰往往形成在前缘附近。无源除冰结构30通常位于、和/或靠近原本会形成冰的位置。因此，无源除冰结构30和/或至少一个冰成核区32可位于、和/或靠近前缘18。例如，无源除冰结构30和/或至少一个冰成核区32可邻接和/或可包括前缘18。即使当靠近前缘18时，无源除冰结构30和/或冰成核区32不一定邻接或包括前缘18。冰成核区32可相对于前缘18取向。例如，当伸长时，伸长方向可以与前缘18平行、基本上平行、倾斜、垂直和/或基本垂直地独立取向。
[0053]除了一个或多个冰成核区3 2之外，无源除冰结构30还可包括一个或多个抗冰区34。抗冰区34可被构造、预先选择和/或布置成抵抗冰形成，以排斥水和/或冰撞击表面，和/或促使比冰成核区32更少的冰形成。抗冰区34的可润湿性、疏水性、超疏水性和/或疏冰性差。疏水性表面通常是由表面上大于90°的水接触角来定义的。疏水性表面可具有非极性和/或疏水性表面的化学性，和/或可具有用于水接触的低表面能量。疏水性表面通常不是高度可润湿的并且可包括宏观和/或微观表面结构以阻止润湿(例如，非极性区域和/或表面粗糙)。超疏水性表面是高度疏水性表面并且通常是由表面上大于150°的水接触角来定义的。超疏水性表面通常包括纳米结构、分层表面结构、低粘附涂层和/或润滑涂层。
[0054]抗冰区34可基本上不包括成核颗粒40并且可具有小于一个或多个冰成核区32的平均表面粗糙度。例如，平均表面粗糙度可小于lOOOnm、300nm、100nm、30nm或10nm。大尺寸表面粗糙的不存在并没有排除纳米级粗糙度和纳米结构，如可在超疏水性表面上包括的。抗冰区34的可润湿性可低于一个或多个冰成核区32。抗冰区34的亲水性可低于一个或多个冰成核区32。
[0055]通常，抗冰区34与翼面16的前缘18间隔开设置。抗冰区34可通过一个或多个冰成核区32而与前缘18分开(例如，一个或多个冰成核区32在前缘18和一个或多个抗冰区34之间)。抗冰区34可与一个或多个冰成核区32对准。抗冰区34可相对于一个或多个冰成核区32和/或翼面16的前缘18取向。抗冰区34可以以伸长方向伸长，伸长方向可以与一个或多个冰成核区32和/或前缘18平行、基本上平行、倾斜、垂直和/或基本垂直地独立取向。
[0056]抗冰区34通常与一个或多个冰成核区32相邻并且可邻接一个或多个冰成核区32。例如，抗冰区34可环绕一个或多个冰成核区32。抗冰区34和冰成核区32或它们的子集可以成预定图案(例如，交替图案、条带图案、棋盘格图案、点状图案、镶嵌小方格图案)。抗冰区34和冰成核区32的图案可被构造、预先选择和/或布置成以一定方式和/或位置选择性形成冰特征，所述方式和/或位置有助于当冰特征经受剪切力时除冰。例如，抗冰区34可为形成在相邻冰成核区32上的冰提供空间，以对暴露表面14进行剪切，而不遭遇大量来自相邻累积冰的阻力。因此，抗冰区34可被构造成是相对于具备普遍剪切力的方向的冰成核区32的“下游”。图4和图5示出可形成在翼面16上的冰成核区32和/或抗冰区34的两个不同图案，其中，图4示出交替的邻接条带图案并且图5示出扫掠的(swept)楔形/条带图案。在图4和图5 二者中，气流50提供可将会形成在冰成核区32上的冰推向位于气流50下游的抗冰区34的剪切力。
[0057]图6示意性示出也被称为形成方法的制造方法80。可通过在表面(例如，暴露表面14)上形成82—个或多个冰成核区(例如，冰成核区32)来制造无源除冰结构(例如，无源除冰结构30)。无源除冰结构及其部件可形成在当表面经受剪切力时有助于表面除冰的位置处和/或形成为当表面经受剪切力时有助于表面除冰的布置。例如，冰成核区可形成在表面上的一位置以选择性形成冰特征，以有助于当冰特征和/或表面经受剪切力时对表面除冰。
[0058]形成82 —个或多个冰成核区可包括用包括诸如成核颗粒40的成核颗粒的成核涂层材料(例如，涂层材料38)涂覆表面。涂覆表面可将成核颗粒粘合和/或附着于表面。成核涂层材料可包括或者可以是薄膜、无机结构、表面处理、转换涂层、热喷涂涂层、电喷涂涂层、模内涂层、氧化物膜、粉末涂层和/或陶瓷涂层。成核涂层材料的示例性非排他性示例包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和/或聚氨酯涂层。形成82可包括例如通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻来精修表面和/或处理表面。精修表面可在表面上形成和/或暴露成核颗粒。
[0059]制造方法80可包括在表面上形成84 —个或多个抗冰区(例如，抗冰区34)。抗冰区可与一个或多个冰成核区相邻和可选地邻接而形成。另外地或另选地，冰成核区可与一个或多个抗冰区相邻和可选地邻接而形成。
[0060]形成84 —个或多个抗冰区可包括用抗性涂层材料(resisting coatingmaterial)(例如，不带任何成核颗粒40的涂层材料38)涂覆表面。抗性涂层材料可包括或者可以是薄膜、无机结构、表面处理、转换涂层、热喷涂涂层、电喷涂涂层、模内涂层、氧化物膜、粉末涂层和/或陶瓷涂层。抗性涂层材料的示例性非排他性示例包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和/或聚氨酯涂层。抗性涂层材料可基本上没有诸如成核颗粒40的成核颗粒和/或可具有小于0.1%,0.01%,0.001%或0.0001 %的成核颗粒的重量百分比。
[0061]图7示意性示出无源除冰的方法100。可通过在设备的表面(例如，暴露表面14)上的一个或多个冰成核区(例如，冰成核区32)的上面和/或附近选择性形成102冰特征，对设备(例如，设备10)除冰。接着，可通过使表面经受104来自流过表面的空气的剪切力以从设备去除冰特征，对设备除冰。经受104可包括使表面经受由于飞行导致的风和/或气流。例如，经受104可包括随风速移动设备,或者使设备经受大于50km/h、10km/h、200km/h、400km/h、600km/h、800km/h、1000km/h、1200km/h、1500km/h 或 2000km/h 和 / 或小于 3000km/h、2000km/h、1500km/h、1200km/h、1000km/h、800km/h、600km/h、400km/h、或200km/h的风速。
[0062]无源除冰的方法100可包括确定106设备表面上的多个冰成核区和/或多个抗冰区的布置。该布置可允许选择性地形成冰特征，以有助于当冰特征经受剪切力时对设备除冰。无源除冰的方法可包括根据该布置在表面上定位108多个冰成核区中的一个或多个和/或一个或多个抗冰区。
[0063]按以下列举的段落描述根据本公开的有创造性的主题的示例性非排他性示例:
[0064]Al.—种设备，该设备包括:
[0065]主体，其具有被暴露于大气的暴露表面；
[0066]其中，所述暴露表面包括无源除冰结构，所述无源除冰结构包括冰成核区，可选地，其中，所述冰成核区被构造、预先选择、和/或布置成致使冰以受控方式和/或在所述无源除冰结构上的一个或多个预定位置形成。
[0067]A2.根据段落Al所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择、和/或布置成将接触所述冰成核区的超临界水转变成冰。
[0068]A2.1.根据段落A2所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括随机取向的冰晶的冰。
[0069]A2.2.根据段落A2至A2.1中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。
[0070]A3.根据段落Al至A2.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成促使在所述冰成核区上形成冰和/或霜。
[0071]A4.根据段落Al至A3中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成选择性地形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时，对所述设备除冰。
[0072]A5.根据段落Al至A4中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括成核颗粒。
[0073]A5.1.根据段落A5所述的设备，其中，所述成核颗粒被构造、预先选择和/或布置成在所述冰成核区和/或无源除冰结构上形成冰核，可选地，其中，所述成核颗粒被构造、预先选择和/或布置成为杂乱的和/或微弱附着的冰成核。
[0074]A5.2.根据段落A5至A5.1中的任一项所述的设备，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米粒子、小板和薄片中的至少一种。
[0075]A5.3.根据段落A5至A5.2中的任一项所述的设备，其中，所述成核颗粒包括有机和/或无机组分。
[0076]A5.4.根据段落A5至A5.3中的任一项所述的设备，其中，所述成核颗粒包括或者是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。
[0077]A5.5.根据段落A5至A5.4中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括被限定于所述冰成核区的表面的成核颗粒。
[0078]A5.6.根据段落A5至A5.5中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区是通过用包括成核颗粒的涂层涂覆所述暴露表面的至少部分来形成的。
[0079]A5.7.根据段落A5至A5.6中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区是通过 对所述暴露表面的至少一部分进行打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和点刻中的至少一种从而在所述暴露表面暴露成核颗粒来形成所述冰成核区。
[0080]A6.根据段落Al至A5.7中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区是通过对所述暴露表面的至少一部分进行打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和点刻中的至少一种来形成所述冰成核区。
[0081]A7.根据段落Al至A6中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区具有粗糙、可润湿和/或亲水性表面。
[0082]AS.根据段落Al至A7中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区具有小于3000nm、1000nm、300nm、10nm 或 30nm、和 / 或大于 10nm、30nm、100nm、300nm 或 100nm 的平均表面粗糙度。
[0083]A9.根据段落Al至AS中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括所述位于暴露表面上的矿物化涂层。
[0084]A10.根据段落Al至A9中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括宏观表面结构，可选地，其中，所述宏观表面结构包括脊、肋、突起、凹坑、凹槽、通道和凹面中的至少一种。
[0085]All.根据段落Al至AlO中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区覆盖所述暴露表面的表面区域的一部分，其中，所述一部分是所述暴露表面的基本全部、大部分、小部分、小于50%、小于33%、小于25%、小于20%、小于15%、小于10%、或小于5%。
[0086]A12.根据段落Al至All中的任一项所述的设备，其中，所述无源除冰结构包括多个冰成核区，可选地包括多个间隔开的冰成核区。
[0087]A13.根据段落Al至A12中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区具有伸长方向并且具有与所述伸长方向平行的长度和与所述伸长方向垂直的宽度。
[0088]A13.1.根据段落A13所述的设备,其中，所述长度大于0.lm、0.3m、lm、2m、3m、5m、1m 或 20m。
[0089]A13.2.根据段落A13至A13.1中的任一项所述的设备，其中，所述宽度小于30cm、20cm、10cm、5cm、3cm、2cm、Icm 或 0.5cm。
[0090]A14.根据段落Al至A13.1中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的空气动力学组件和/或翼面。
[0091]A14.1.根据段落A14所述的设备，其中，所述冰成核区靠近所述前缘。
[0092]A14.2.根据段落Al至14.1中的任一项所述的设备，其中，所述抗冰区以伸长方向伸长，所述伸长方向以与所述前缘平行、基本上平行、倾斜、垂直和基本垂直中的至少一种取向。
[0093]A14.3.根据段落A14至14.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括所述前缘。
[0094]A14.4.根据段落A14至14.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区不包括所述前缘。
[0095]A15.根据段落Al至14.4中的任一项所述的设备，其中，所述无源除冰结构包括抗冰区。
[0096]A15.1.根据段落A15所述的设备，其中，所述抗冰区是疏冰性、疏水性和超疏水性中的至少一种。
[0097]A15.2.根据段落A15至A15.1中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区的平均表面粗糙度大于所述抗冰区的平均表面粗糙度。
[0098]A15.3.根据段落A15至A15.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区的可润湿性大于所述抗冰区的可润湿性。
[0099]A15.4.根据段落A15至A15.3中的任一项所述的设备，其中，所述抗冰区邻近所述冰成核区，可选地，其中，所述抗冰区邻接所述冰成核区。
[0100]A15.5.根据段落A15至A15.4中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区和所述抗冰区在所述主体上成预定图案，并且其中，所述预定图案被构造、预先选择和/或布置成选择性地形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述设备除冰。
[0101]A15.6.根据段落A15至A15.5中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的翼面，其中，所述冰成核区位于所述前缘和所述抗冰区之间。
[0102]A15.7.根据段落A15至A15.6中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的翼面，其中，所述抗冰区通过所述冰成核区域而与所述前缘分开。
[0103]A15.8.根据段落A15至A15.7中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的翼面，并且其中，所述抗冰区以伸长方向伸长，所述伸长方向以与所述前缘平行、基本上平行、倾斜、垂直和基本垂直中的至少一种取向。
[0104]A15.9.根据段落A15至A15.8中的任一项所述的设备，其中，所述无源除冰结构包括多个冰成核区和多个抗冰区。
[0105]A15.9.1.根据段落A15.9所述的设备，其中，所述多个冰成核区和所述多个抗冰在所述主体上成交替图案，可选地，其中，所述图案是条带图案、棋盘格图案、点状图案、镶嵌小方格图案中的至少一种。
[0106]A15.9.2.根据段落A15.9至A15.9.1中的任一项所述的设备，其中，所述多个冰成核区和所述多个抗冰区在所述主体上成预定图案，其中，所述预定图案被构造、预先选择和/或布置成选择性地形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述设备除冰。
[0107]A16.根据段落Al至A15.9.2中的任一项所述的设备，其中，所述设备是交通工具，可选地，其中，所述交通工具是航空器、飞机、无人驾驶航天器和/或旋翼机。
[0108]A16.1.根据段落A16所述的设备，其中，所述主体包括，可选地是，机翼、横尾翼、水平尾翼、垂直尾翼、机身、螺旋桨叶片和旋转机翼中的至少一者。
[0109]A17.根据段落Al至A16.1中的任一项所述的设备，其中，所述设备是风力涡轮机。
[0110]A18.根据段落Al至A17中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括，可选地是，翼面、外壳、壳体、风挡、鼻锥、天线罩和上层构造中的至少一者。
[0111]A19.根据段落Al至A18中的任一项所述的设备,其中,所述暴露表面是翼面表面。
[0112]B1.一种制造无源除冰结构的方法，该方法包括:
[0113]在表面上形成冰成核区。
[0114]B2.根据段落BI所述的方法，其中，所述冰成核区形成在所述表面上的用于选择性地形成冰特征的位置，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述表面除冰。
[0115]B3.根据段落BI至B2中的任一项所述的方法，其中，形成所述冰成核区包括用包括成核颗粒的成核涂层材料涂覆所述表面。
[0116]B3.1.根据段落B3所述的方法，其中，所述成核涂层材料包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和聚氨酯涂层中的至少一种。
[0117]B3.2.根据段落B3至B3.1中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。
[0118]B3.3.根据段落B3至B3.2中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒包括有机和/或无机组分。
[0119]B3.4.根据段落B3至B3.3中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒包括或者是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。
[0120]B3.5.根据段落B3至B3.4中的任一项所述的方法，其中，所述成核涂层材料中的所述成核颗粒具有小于20%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%,0.3%或0.1%和/或大于0.01%,0.03%,0.1%,0.3%,0.5%或 1%的重量百分比。
[0121]B3.6.根据段落B3至B3.5中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒具有小于100 μ m、50 μ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、2 μ m、I μ m、500nm、400nm、300nm、200nm、或 10nm 和 / 或大于 100nm、200nm、300nm、400nm、500nm 或 I μ m 的平均有效直径。
[0122]B4.根据段落BI至B3.6中的任一项所述的方法，其中，形成所述冰成核区包括可选地通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻中的至少一种精修所述表面。
[0123]B5.根据段落BI至B4中的任一项所述的方法，该方法还包括在所述表面上形成抗冰区。
[0124]B5.1.根据段落B5所述的方法，其中，形成所述抗冰区的步骤包括与所述冰成核区邻近地，可选地邻接 所述冰成核区而形成所述抗冰区。
[0125]B5.2.根据段落B5至B5.1中的任一项所述的方法，其中，形成所述冰成核区的步骤包括与所述抗冰区邻近地，可选地邻接所述抗冰区而形成所述冰成核区。
[0126]B5.3.根据段落B5至B5.2中的任一项所述的方法，其中，形成所述抗冰区的步骤包括用抗性涂层材料涂覆所述表面。
[0127]B5.4.根据段落B5至B5.3中的任一项所述的方法，其中，所述抗性涂层材料包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和聚氨酯涂层中的至少一种。
[0128]B5.5.根据段落B5至B5.4中的任一项所述的方法，其中，所述抗性涂层材料基本上没有成核颗粒。
[0129]B5.6.根据段落B5至B5.5中的任一项所述的方法，其中，所述抗性涂层材料具有小于0.1%,0.01%,0.001%或0.0001%的重量百分比的成核颗粒。
[0130]Cl.一种对设备进行无源除冰的方法，该方法包括:
[0131]在所述设备的表面上的冰成核区上选择性形成冰特征；
[0132]使所述表面经受来自流过所述表面的空气的剪切力，以从所述设备去除所述冰特征。
[0133]C2.根据段落Cl所述的方法，其中，所述设备是段落Al至A19中的任一项所述的设备。
[0134]C3.根据段落Cl至C2中的任一项所述的方法，其中，所述经受包括以大于50km/h、100km/h、200km/h、400km/h、600km/h、800km/h、1000km/h、1200km/h、1500km/h 或2000km/h 和 / 或小于 3000km/h、2000km/h、1500km/h、1200km/h、1000km/h、800km/h、600km/h、400km/h、或200km/h的空气速度来移动所述设备。
[0135]Dl.一种对设备进行无源除冰的方法，该方法包括:
[0136]确定所述设备的表面上的多个冰成核区和多个抗冰区的布置，其中，所述布置允许选择性形成冰特征，其中，所述布置有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述设备除冰；
[0137]根据所述布置，在所述表面上定位所述多个冰成核区和所述多个抗冰区。
[0138]D2.根据段落Dl所述的方法，其中，所述设备是段落Al至A19中的任一项所述的设备。
[0139]D3.根据段落Dl至D2中的任一项所述的方法，其中，所述定位包括段落BI至B5.6中的任一项所述的制造方法。
[0140]D4.根据段落Dl至D3中的任一项所述的方法，该方法还包括通过段落Cl至C3中的任一项所述的方法对所述设备进行无源除冰。
[0141]如本文中使用的，术语“适于”和“构造”意味着元件、组件或其它主题被设计成和/或意图执行给定功能。因此，使用术语“适于”和“构造”不应该被理解为意味着给定元件、组件或其它主题只是“能够”执行给定功能，但出于执行该功能的目的，对元件、组件和/或其它主题进行具体选择、形成、实现、利用、编程和/或设计。也在本公开的范围内的是，被详述为适于执行特定功能的元件、组件和/或其它详述主题可另外地或另选地被描述为被构造成执行该功能，或反之亦然。类似地，被详述为被构造成执行特定功能的主题可另外地或另选地被描述为可操作用于执行该功能。另外，如本文中使用的，单数“一”、“一个”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚指明。
[0142]本文中公开的设备的各种公开元件和方法的步骤并不是根据本公开的所有设备和方法必需的，本公开包括本文中公开的各种元件和步骤的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。此外，本文中公开的各种元件和步骤中的一个或多个可限定独立的有创造性的主题，该主题与整体公开的设备或方法分开和隔开。因此，这种有创造性的主题并不需要与本文中明确公开的具体设备和方法相关联，这种有创造性的主题可在本文中没有明确公开的设备和/或方法中有功用。
【主权项】
1.一种航空器，所述航空器包括: 主体，该主体包括具有前缘和暴露表面的动力学部件，其中，所述暴露表面被暴露于大气; 其中，所述暴露表面包括无源除冰结构，所述无源除冰结构包括: 冰成核区，该冰成核区以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长并且被构造成致使在所述冰成核区上形成冰；以及 抗冰区，该抗冰区以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长； 其中，所述抗冰区通过所述冰成核区而与所述前缘分开；并且 其中，所述冰成核区的可润湿性大于所述抗冰区的可润湿性。2.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区包括被构造成在所述无源除冰结构上为杂乱的冰成核的成核颗粒。3.根据权利要求1或2所述的航空器，其中，各冰成核区均被构造成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。4.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区被布置成选择性形成冰特征，所述冰特征有助于当该冰特征经受剪切力时对所述设备进行除冰。5.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区包括被预先选择为在所述冰成核区上为杂乱的冰成核的成核颗粒。6.根据权利要求5所述的航空器，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。7.根据权利要求5所述的航空器，其中，所述成核颗粒包括粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区具有可润湿表面。9.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区包括位于所述暴露表面上的矿物化涂层。10.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区靠近所述前缘。11.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述抗冰区通过多个所述冰成核区中的至少一个冰成核区而与所述前缘分开。12.根据权利要求11所述的航空器，其中，所述抗冰区是疏水性的。13.—种制造无源除冰结构的方法，该方法包括: 在所述结构的表面上形成冰成核区，其中，所述冰成核区形成在所述表面上的位置处以选择性地形成冰特征，所述冰特征有助于当该冰特征经受剪切力、可选地经受空气的剪切力时对所述表面进行除冰。14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述冰成核区的步骤包括利用包括成核颗粒的成核涂层材料涂覆所述表面。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成核颗粒包括或者是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成核涂层材料中的所述成核颗粒具有小于 20%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%、0.3%或 0.1%和 / 或大于 0.01%,0.03%,0.1%,.0.3%,0.5%或1%的重量百分比。18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述成核颗粒具有小于100μ??,δΟμ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、2 μ m、I μ m、500nm、400nm、300nm、200nm 或 10nm 和 /或大于 100nm、200nm、300nm、400nm、500nm或I μ m的平均有效直径。19.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述冰成核区的步骤包括可选地通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和点刻中的至少一种来精修所述表面。20.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，该方法还包括在所述表面上形成抗冰区。21.根据权利要求20所述的方法，其中，形成所述抗冰区的步骤包括利用抗性涂层材料涂覆所述表面。22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述抗性涂层材料具有小于0.1%、0.01%、、.0.001%或0.0001%的重量百分比的成核颗粒。
【专利摘要】本发明涉及用于无源除冰的系统和方法。无源除冰结构的全局疏冰性能可通过包括一个或多个冰成核区来实现，这些冰成核区被构造、预先选择和/或布置成促使选择性形成冰。冰成核区可被构造、预先选择和/或布置成形成冰，所述冰微弱地附着，因此可在足够剪切力的作用下被去除。冰成核区通常包括成核颗粒，以促使选择性形成冰。无源除冰结构通常同时包括被布置成有助于在剪切力的作用下去除冰的冰成核区和抗冰区。无源除冰结构可用在诸如交通工具(例如，航空器)的设备上，以缓减在暴露表面上形成冰的影响。
【IPC分类】B64D15/00
【公开号】CN104890880
【申请号】CN201510080274
【发明人】E·D·萨珀, A·M·茨威格
【申请人】波音公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月13日
【公告号】CA2879734A1, EP2915747A1, US9199741, US20150251767
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于无源除冰的系统和方法。
【背景技术】
[0002]在暴露于大气条件的各种设备上形成冰会是不希望的。例如，航空器上形成冰会干扰翼面的空气动力学，例如，影响层流和重量分布，因此通常被视为是不希望的。
[0003]可在结冰状况下，S卩，在空气包含过度冷却液体水的液滴的大气条件下，可形成冰。结冰状况是用平均液滴大小、空气的含水量、空气温度和暴露表面的温度来定量表征的。过度冷却液体水是处于凝固点下但仍然保持液态的水。通常，水将在凝固点下凝固，但如果例如液滴不具有形成核的杂质，则大气液滴可保持为液体。当过度冷却的水液滴遇到冷的表面时，液滴立即固化并且形成冰。
[0004]抵抗冰形成的典型解决方案包括加热对冰敏感的暴露表面,从而使暴露表面的一部分机械变形，并且应用除冰流体。这些解决方案中的每个都是有源机制的，伴随着控制、监测、维修和/或重量方面的负担。
[0005]疏冰表面(icephobic surface)通常是超疏水表面和/或涂层或者被类似地设计成超疏水表面和/或涂层，因此是相对易损的。这种涂层和/或表面通常并不适于通常形成冰的严苛环境。翼面会经历甚至更极端的条件，从而致使现有的疏冰解决方案更加不太合适。
[0006]因此，需要在严苛环境下抵抗冰形成的无源疏冰系统(passive icephobicsystem)。
【发明内容】
[0007]无源除冰的系统可包括诸如交通工具的设备，这些设备包括带有一个或多个冰成核区的无源除冰结构。冰成核区通常被构造、预选择和/或布置成选择性地在冰成核区上和/或附近形成冰。另外，冰成核区通常被构造、预选择和/或布置以形成冰，冰微弱附着于无源除冰结构，因此可通过使形成的冰经受来自流过无源除冰结构的空气的足够剪切力来去除冰。通常，冰成核区包括成核颗粒，通常是矿物质，其被构造、预选择和/或布置成在冰成核区中形成冰核。
[0008]无源除冰结构还可包括一个或多个抗冰区，这些抗冰区可被构造、预选择和/或布置成抵抗冰形成，以排斥水和/或冰撞击表面，和/或促使比冰成核区更少的冰形成。通常，无源除冰结构可包括冰成核区和抗冰区的图案。
[0009]无源除冰结构、冰成核区和/或抗冰区可形成在当表面经受剪切力时有助于表面除冰的位置处和/或形成为当表面经受剪切力时有助于表面除冰的布置。例如，通过在表面粘附、暴露和/或形成成核颗粒从而涂覆和/或精修表面来形成冰成核区。例如，通过在基本上没有成核颗粒的情况下进行涂覆，形成抗冰区。
[0010]用无源除冰结构将设备除冰可包括在设备表面上的冰成核区上形成冰特征，然后使表面经受来自流过表面的空气的剪切力以从设备上去除冰特征。剪切力可以是例如在飞行期间遭遇的空气的力。
[0011]根据本公开的一个方面，提供了一种航空器，该航空器包括:主体，其包括具有前缘和暴露表面的动力学部件，其中，所述暴露表面被暴露于大气；其中，所述暴露表面包括无源除冰结构。所述无源除冰结构包括:冰成核区，其以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长并且被构造成致使在所述冰成核区上形成冰；和抗冰区，其以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长；其中，所述抗冰区通过所述冰成核区而与所述前缘分开；其中，所述冰成核区的可润湿性大于所述抗冰区的可润湿性。
[0012]有利地，所述成核区包括被构造成在所述无源除冰结构上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
[0013]根据本公开的另一个方面，提供了一种航空器，该航空器包括:主体，其包括具有前缘和暴露表面的动力学部件，其中，所述暴露表面被暴露于大气；其中，所述暴露表面包括无源除冰结构。所述无源除冰结构包括多个冰成核区，所述冰成核区被构造成致使在所述无源除冰结构上的一个或多个预定位置形成冰。
[0014]有利地,所述主体包括机翼、横尾翼、水平尾翼、垂直尾翼、机身、发动机罩、螺旋桨叶片和旋转机翼中的至少一个。
[0015]有利地，所述多个冰成核区中的每个包括被构造成在所述无源除冰结构上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
[0016]有利地，各冰成核区被构造成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。
[0017]有利地，所述多个冰成核区被布置成选择性形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力时对所述设备进行除冰。
[0018]有利地，所述多个冰成核区中的每个包括被预先选择成在所述冰成核区上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
[0019]优选地，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。
[0020]优选地，所述成核颗粒包括粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。
[0021]有利地，所述多个冰成核区中的每个具有可润湿表面。
[0022]有利地，所述多个冰成核区中的每个包括位于所述暴露表面上的矿物化涂层。
[0023]有利地，所述多个冰成核区中的至少一个靠近所述前缘。
[0024]有利地，所述多个冰成核区中的至少一个以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长。
[0025]有利地，所述无源除冰结构包括抗冰区。
[0026]有利地，所述抗冰区通过所述多个冰成核区中的至少一个而与所述前缘分开。
[0027]优选地，所述抗冰区是疏水性的。
[0028]根据本公开的其它方面，提供了一种设备，该设备包括:主体，其具有被暴露于大气的暴露表面；其中，所述暴露表面包括无源除冰结构，所述无源除冰结构包括冰成核区，所述冰成核区被预先选择成致使在所述无源除冰结构上的一个或多个预定位置形成冰。
[0029]有利地，所述冰成核区被构造成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。
[0030]有利地，所述冰成核区包括被预先选择成在所述冰成核区上为杂乱的冰成核的成核颗粒。
【附图说明】
[0031]图1是根据本公开的具有有源除冰结构的设备的示意性表示。
[0032]图2是具有无源除冰结构的设备的例示性非排他性示例。
[0033]图3是具有无源除冰结构的翼面的示例性非排他性示例的示意性剖面图。
[0034]图4是翼面上的无源除冰结构的示例性非排他性示例的示意性立体图。
[0035]图5是翼面上的无源除冰结构的另一个示例性非排他性示例的示意性俯视图。
[0036]图6是用于形成无源除冰结构的方法的示意性表示。
[0037]图7是用于对设备进行无源除冰的方法的示意性表示。
【具体实施方式】
[0038]图1至图5示出设备10、无源除冰结构30及其组件。用附图中一致的标号标注用于类似或至少基本上类似目的的元件。在本文中可不参照图1至图5中的每个详细讨论图1至图5中的每个中的类似标号和对应元件。类似地，可不用图1至图5中的每个标注所有元件，但为了一致，可使用与其关联的参考标号。在不脱离本公开的范围的情况下，参照图1至图5中的一个或多个讨论的元件、组件和/或特征可被包括在图1至图5中的任一个中和/或与图1至图5中的任一个一起使用。通常，有可能被包括的元件用实线示出，而可以是可选的或替代的元件用虚线示出。然而，用实线示出的元件不一定是必要的，在不脱离本公开的范围的情况下，可省略用实线示出的元件。
[0039]图1是针对疏冰性能进行构造、预选择和/或布置的设备10的示意性表示。疏冰物是指抵抗冰形成和/或附接的表面、结构和/或系统。传统的疏冰系统减少、或防止沿着整个疏冰表面的冰形成。相比之下，本公开描述了无源除冰结构30，该无源除冰结构30包含一个或多个冰成核区32，这些成核区被构造、预选择和/或布置成促使冰形成。无源除冰结构30并不像有源除冰结构那样需要重复施加能量和/或物质来抵抗、控制和/或去除冰。冰成核区32被构造、预选择和/或布置成致使以受控方式和/或在一个或多个预定位置形成冰。这样做时，控制冰形成，以允许容易和/或自动地从无源除冰结构30去除冰。因此，无源除冰结构30具有全局疏冰效果(例如，极少的冰积聚)，即使局部地且有明确目的地在冰成核区32中形成冰。
[0040]设备10包括具有被暴露于大气的暴露表面14的主体12。暴露表面14包括无源除冰结构30，该无源除冰结构30包括一个或多个冰成核区32。设备10可以是交通工具20、风力涡轮机、建筑物、塔、桅杆、塔架和/或其部件、或被暴露于元件并且期望有疏冰性能的任何其它结构。交通工具20的示例性非排他性示例包括航空器(如图2中所示)、飞机、旋翼机、无人驾驶航天器、船只和陆运工具。主体12可以是设备10和/或可以是设备10的部件。例如,主体12可以是翼面16、空气动力学部件、机翼22、横尾翼26、水平尾翼、垂直尾翼28、机身、螺旋桨叶片、旋转机翼 、润轮叶片、发动机罩、外壳、壳体、风挡、鼻锥、天线罩和/或上层构造。暴露表面14通常被构造成暴露于环境并且可针对空气动力学性能进行构造，例如，暴露表面14可以是空气动力学表面和/或翼面表面。
[0041]无源除冰结构30被构造成使容易被去除的冰依附，例如这是通过向依附的冰施加力进行的。通常，用于去除依附冰的力是无源除冰结构30和/或暴露表面14在使用时遭遇的力。例如，力可以是或包括作为剪切力、风、重力、离心力和/或机械施加力(例如，由雨刷(wiper)施加的力)的分量。作为示例性非排他性示例，航空器结构的外部可经受由于飞行和/或其它动作(例如，螺旋桨运动)导致的空气的大量剪切力。在飞行期间，无源除冰结构30可选择性致使以受控方式和/或在预定位置形成冰并且使冰依附。在这个示例中，无源除冰结构30还被构造成用无源除冰结构30上空气的剪切力来蜕去选择性依附的冰。
[0042]无源除冰结构30可以是暴露表面14的层,和/或与暴露表面14 一体形成。无源除冰结构30被构造、预选择和/或布置成选择性形成冰，冰微弱附着于无源除冰结构30。例如，无源除冰结构30可被构造、预选择和/或布置成，使得可通过使冰特征经受来自无源除冰结构30上的空气流动(例如，气流50)(例如，对应于飞行和/或风的气流50)的足够剪切力，去除无源除冰结构30上形成的冰特征。通过大于50km/h、100km/h、200km/h、400km/h、600km/h、800km/h、1000km/h、1200km/h、1500km/h 或 2000km/h 和 / 或小于 3000km/h、2000km/h、1500km/h、1200km/h、1000km/h、800km/h、600km/h、400km/h、或 200km/h 的相对空气速度通过剪切力去掉冰特征。
[0043]无源除冰结构30包括一个或多个冰成核区32-被构造、预先选择和/或布置成为冰形成而成核的无源除冰结构30的表面区。例如，冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成促使在冰成核区32上形成冰和/或霜。作为另一个示例，冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成将接触冰成核区32的超临界水(例如，蒸气和/或过度冷却的液体水滴)转变成冰。并且，如相对于无源除冰结构30讨论的，冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成用于选择性形成冰特征，有助于当冰特征经受剪切力时对设备除冰。冰成核区32可以是稳固、刚性和/或坚硬的，至少被构造成耐受可去除冰特征的剪切力。
[0044]冰成核区32可被构造、预先选择和/或布置成形成杂乱和/或微弱附着的冰。通常，冰成核区32上形成的冰是杂乱和/或微弱附着的。例如，形成的冰可包括随机取向的冰晶；具有多个畴(domain)、缺陷、缺点、位错、内含物和/或空隙的冰晶；和/或冰晶的组或混合物(例如，杂乱的组和/或具有极少或没有长程有序的组)。形成的冰可以是颗粒状的、成碎片的、不规则的、成薄片的和/或微晶的。通常，形成的冰被紧密包裹(pack)并且可包括空气、空隙和/或其它内含物。杂乱和/或微弱附着(微弱附着于本身和/或冰成核区32)的冰通常容易在来自流过冰成核区32的空气的剪切力的作用下去除。
[0045]冰成核区32可包括在暴露表面14上可被暴露于大气的成核颗粒40,和/或可包括促使冰成核的表面特征和/或化学品。成核颗粒40可被构造、预先选择和/或布置成在冰成核区32上以形成为冰成核并且可被构造、预先选择和/或布置成为杂乱和/或微弱附着的冰成核。成核颗粒40可包括球体、纳米粒子、小板和薄片中的至少一个。成核颗粒40可包括有机和/或无机组成并且可包括或者可以是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。成核颗粒40可具有小于 100 μ m、50 μ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、2 μ m、I μ m、500nm、400nm、300nm、200nm、或10nm和/或大于100nm、200nm、300nm、400nm、500nm或I μ m的平均有效直径。成核颗粒40可被束缚和/或附着于冰成核区32的表面和/或可通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻暴露表面14的至少部分和/或暴露表面14的层来暴露和/或形成。
[0046]冰成核区32可以是粗糙、可润湿和/或疏水的。粗糙、可润湿和/或疏水表面可促使形成冰核。如本文中使用的，润湿是液体水保持接触固体表面从而导致水和表面之间分子间相互作用的能力。润湿的程度是通过粘附力和内聚力之间的力平衡确定的。可润湿表面还可被描述为亲水性表面并且非可润湿表面还可被描述为疏水性表面。润湿通常是通过表面上的水滴的接触角表征的。接触角是水滴的液体-蒸气界面与固体-液体界面相接触的角度。接触角是通过粘附力和内聚力之间的合成而确定的。随着液滴在平坦的固体表面上扩展的趋势增加，接触角减小。因此，接触角提供了可润湿性的反度量(inversemeasure)。
[0047]亲水性表面通常是由表面上90°或更小角度的水接触角来定义的。亲水性表面可具有极性、离子型、和/或亲水性表面的化学性，和/或可具有用于水接触的高表面能量。亲水性表面通常是可润湿的并且可包括宏观和/或微观表面结构以促使润湿(例如，促使毛细管动作的脊和/或凹槽)。包括可选成核颗粒40的表面粗糙度可以大得足以促进润湿、亲水作用和/或冰成核，和/或可小得足以避免干扰空气动力学性能。例如，冰成核区32的平均表面粗糖度可以小于3000nm、1000nm、300nm、10nm或30nm,和/或大于10nm、30nm、100nm、300nm或lOOOnm。表面的平均表面粗糙度是得自平均局部轮廓的绝对垂直偏差的算术平均值。
[0048]可通过诸如涂覆、打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻暴露表面14的至少部分和/或暴露表面14的层来形成冰成核区32。例如，可通过用涂覆材料38 (可选地，包括成核颗粒40)(例如，矿物化涂层)涂覆暴露表面14来形成冰成核区32。涂层材料38可具有小于成核颗粒40的20%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%、0.3%或0.1%，和/或大于0.01%、0.03%、0.1%、0.3%、0.5%或1%的重量百分比。可用诸如喷涂的传统方式和/或通过向暴露表面施用贴花或类似预成形层，向暴露表面施用涂层材料38。涂层材料38和/或冰成核区32可以是或者可包括薄膜、无机结构、表面处理、转换涂层、热喷涂涂层、电喷涂涂层、模内涂层、氧化物膜、粉末涂层和/或陶瓷涂层。涂层材料38的示例性非排他性示例包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和/或聚氨酯涂层。
[0049]冰成核区32和/或无源除冰结构30可包括宏观表面结构42，该宏观表面结构42被构造、预先选择和/或布置成辅助进行冰成核、冰的微弱附着、和/或在剪切力作用下冰特征的去除。表面结构42是宏观、非微观或纳米级特征，通常可视为表面特征、纹理和/或图案。诸如表面粗糙度的较小尺寸特征可结合表面结构42而存在。表面结构42通常是促使形成冰的并且不特别是疏水性的或超疏水性的。表面结构42的示例性非排他性示例包括脊、肋、突起、凹坑、凹槽、通道和/或凹面。
[0050]冰成核区32和/或无源除冰结构30可覆盖暴露包面14的任何合适部分。例如，无源除冰结构30和/或一个或多个冰成核区32可覆盖暴露表面14的全部、基本全部、大部分、小部分、小于50%、小于33%、小于25%、小于20%、小于15%、小于10%、或小于5%。在无源除冰结构30包括多个冰成核区32的情况下，一个或多个冰成核区32可与另一个冰成核区32间隔开、邻接和/或邻近。例如，结构和/或组分不同的两个冰成核区32可彼此邻接。
[0051]冰成核区32可伸长，沿着伸长方向达到长度44和垂直于伸长方向的宽度46。长度44可大于宽度46并且可比宽度46大得多。例如，长度44与宽度46之比可大于2、5、10、30、100、300 或 1000。长度 44 可大于 0.lm、0.3m、lm、2m、3m、5m、1m 或 20m。宽度 46 可小于 30cm、20cm、10cm、5cm、3cm、2cm、Icm 或 0.5cm。
[0052]在一些情形下，主体12包括具有前缘18的翼面16，如图3中所示。在不具有除冰机构的翼面上，冰往往形成在前缘附近。无源除冰结构30通常位于、和/或靠近原本会形成冰的位置。因此，无源除冰结构30和/或至少一个冰成核区32可位于、和/或靠近前缘18。例如，无源除冰结构30和/或至少一个冰成核区32可邻接和/或可包括前缘18。即使当靠近前缘18时，无源除冰结构30和/或冰成核区32不一定邻接或包括前缘18。冰成核区32可相对于前缘18取向。例如，当伸长时，伸长方向可以与前缘18平行、基本上平行、倾斜、垂直和/或基本垂直地独立取向。
[0053]除了一个或多个冰成核区3 2之外，无源除冰结构30还可包括一个或多个抗冰区34。抗冰区34可被构造、预先选择和/或布置成抵抗冰形成，以排斥水和/或冰撞击表面，和/或促使比冰成核区32更少的冰形成。抗冰区34的可润湿性、疏水性、超疏水性和/或疏冰性差。疏水性表面通常是由表面上大于90°的水接触角来定义的。疏水性表面可具有非极性和/或疏水性表面的化学性，和/或可具有用于水接触的低表面能量。疏水性表面通常不是高度可润湿的并且可包括宏观和/或微观表面结构以阻止润湿(例如，非极性区域和/或表面粗糙)。超疏水性表面是高度疏水性表面并且通常是由表面上大于150°的水接触角来定义的。超疏水性表面通常包括纳米结构、分层表面结构、低粘附涂层和/或润滑涂层。
[0054]抗冰区34可基本上不包括成核颗粒40并且可具有小于一个或多个冰成核区32的平均表面粗糙度。例如，平均表面粗糙度可小于lOOOnm、300nm、100nm、30nm或10nm。大尺寸表面粗糙的不存在并没有排除纳米级粗糙度和纳米结构，如可在超疏水性表面上包括的。抗冰区34的可润湿性可低于一个或多个冰成核区32。抗冰区34的亲水性可低于一个或多个冰成核区32。
[0055]通常，抗冰区34与翼面16的前缘18间隔开设置。抗冰区34可通过一个或多个冰成核区32而与前缘18分开(例如，一个或多个冰成核区32在前缘18和一个或多个抗冰区34之间)。抗冰区34可与一个或多个冰成核区32对准。抗冰区34可相对于一个或多个冰成核区32和/或翼面16的前缘18取向。抗冰区34可以以伸长方向伸长，伸长方向可以与一个或多个冰成核区32和/或前缘18平行、基本上平行、倾斜、垂直和/或基本垂直地独立取向。
[0056]抗冰区34通常与一个或多个冰成核区32相邻并且可邻接一个或多个冰成核区32。例如，抗冰区34可环绕一个或多个冰成核区32。抗冰区34和冰成核区32或它们的子集可以成预定图案(例如，交替图案、条带图案、棋盘格图案、点状图案、镶嵌小方格图案)。抗冰区34和冰成核区32的图案可被构造、预先选择和/或布置成以一定方式和/或位置选择性形成冰特征，所述方式和/或位置有助于当冰特征经受剪切力时除冰。例如，抗冰区34可为形成在相邻冰成核区32上的冰提供空间，以对暴露表面14进行剪切，而不遭遇大量来自相邻累积冰的阻力。因此，抗冰区34可被构造成是相对于具备普遍剪切力的方向的冰成核区32的“下游”。图4和图5示出可形成在翼面16上的冰成核区32和/或抗冰区34的两个不同图案，其中，图4示出交替的邻接条带图案并且图5示出扫掠的(swept)楔形/条带图案。在图4和图5 二者中，气流50提供可将会形成在冰成核区32上的冰推向位于气流50下游的抗冰区34的剪切力。
[0057]图6示意性示出也被称为形成方法的制造方法80。可通过在表面(例如，暴露表面14)上形成82—个或多个冰成核区(例如，冰成核区32)来制造无源除冰结构(例如，无源除冰结构30)。无源除冰结构及其部件可形成在当表面经受剪切力时有助于表面除冰的位置处和/或形成为当表面经受剪切力时有助于表面除冰的布置。例如，冰成核区可形成在表面上的一位置以选择性形成冰特征，以有助于当冰特征和/或表面经受剪切力时对表面除冰。
[0058]形成82 —个或多个冰成核区可包括用包括诸如成核颗粒40的成核颗粒的成核涂层材料(例如，涂层材料38)涂覆表面。涂覆表面可将成核颗粒粘合和/或附着于表面。成核涂层材料可包括或者可以是薄膜、无机结构、表面处理、转换涂层、热喷涂涂层、电喷涂涂层、模内涂层、氧化物膜、粉末涂层和/或陶瓷涂层。成核涂层材料的示例性非排他性示例包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和/或聚氨酯涂层。形成82可包括例如通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻来精修表面和/或处理表面。精修表面可在表面上形成和/或暴露成核颗粒。
[0059]制造方法80可包括在表面上形成84 —个或多个抗冰区(例如，抗冰区34)。抗冰区可与一个或多个冰成核区相邻和可选地邻接而形成。另外地或另选地，冰成核区可与一个或多个抗冰区相邻和可选地邻接而形成。
[0060]形成84 —个或多个抗冰区可包括用抗性涂层材料(resisting coatingmaterial)(例如，不带任何成核颗粒40的涂层材料38)涂覆表面。抗性涂层材料可包括或者可以是薄膜、无机结构、表面处理、转换涂层、热喷涂涂层、电喷涂涂层、模内涂层、氧化物膜、粉末涂层和/或陶瓷涂层。抗性涂层材料的示例性非排他性示例包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和/或聚氨酯涂层。抗性涂层材料可基本上没有诸如成核颗粒40的成核颗粒和/或可具有小于0.1%,0.01%,0.001%或0.0001 %的成核颗粒的重量百分比。
[0061]图7示意性示出无源除冰的方法100。可通过在设备的表面(例如，暴露表面14)上的一个或多个冰成核区(例如，冰成核区32)的上面和/或附近选择性形成102冰特征，对设备(例如，设备10)除冰。接着，可通过使表面经受104来自流过表面的空气的剪切力以从设备去除冰特征，对设备除冰。经受104可包括使表面经受由于飞行导致的风和/或气流。例如，经受104可包括随风速移动设备,或者使设备经受大于50km/h、10km/h、200km/h、400km/h、600km/h、800km/h、1000km/h、1200km/h、1500km/h 或 2000km/h 和 / 或小于 3000km/h、2000km/h、1500km/h、1200km/h、1000km/h、800km/h、600km/h、400km/h、或200km/h的风速。
[0062]无源除冰的方法100可包括确定106设备表面上的多个冰成核区和/或多个抗冰区的布置。该布置可允许选择性地形成冰特征，以有助于当冰特征经受剪切力时对设备除冰。无源除冰的方法可包括根据该布置在表面上定位108多个冰成核区中的一个或多个和/或一个或多个抗冰区。
[0063]按以下列举的段落描述根据本公开的有创造性的主题的示例性非排他性示例:
[0064]Al.—种设备，该设备包括:
[0065]主体，其具有被暴露于大气的暴露表面；
[0066]其中，所述暴露表面包括无源除冰结构，所述无源除冰结构包括冰成核区，可选地，其中，所述冰成核区被构造、预先选择、和/或布置成致使冰以受控方式和/或在所述无源除冰结构上的一个或多个预定位置形成。
[0067]A2.根据段落Al所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择、和/或布置成将接触所述冰成核区的超临界水转变成冰。
[0068]A2.1.根据段落A2所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括随机取向的冰晶的冰。
[0069]A2.2.根据段落A2至A2.1中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。
[0070]A3.根据段落Al至A2.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成促使在所述冰成核区上形成冰和/或霜。
[0071]A4.根据段落Al至A3中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区被构造、预先选择和/或布置成选择性地形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时，对所述设备除冰。
[0072]A5.根据段落Al至A4中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括成核颗粒。
[0073]A5.1.根据段落A5所述的设备，其中，所述成核颗粒被构造、预先选择和/或布置成在所述冰成核区和/或无源除冰结构上形成冰核，可选地，其中，所述成核颗粒被构造、预先选择和/或布置成为杂乱的和/或微弱附着的冰成核。
[0074]A5.2.根据段落A5至A5.1中的任一项所述的设备，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米粒子、小板和薄片中的至少一种。
[0075]A5.3.根据段落A5至A5.2中的任一项所述的设备，其中，所述成核颗粒包括有机和/或无机组分。
[0076]A5.4.根据段落A5至A5.3中的任一项所述的设备，其中，所述成核颗粒包括或者是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。
[0077]A5.5.根据段落A5至A5.4中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括被限定于所述冰成核区的表面的成核颗粒。
[0078]A5.6.根据段落A5至A5.5中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区是通过用包括成核颗粒的涂层涂覆所述暴露表面的至少部分来形成的。
[0079]A5.7.根据段落A5至A5.6中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区是通过 对所述暴露表面的至少一部分进行打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和点刻中的至少一种从而在所述暴露表面暴露成核颗粒来形成所述冰成核区。
[0080]A6.根据段落Al至A5.7中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区是通过对所述暴露表面的至少一部分进行打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和点刻中的至少一种来形成所述冰成核区。
[0081]A7.根据段落Al至A6中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区具有粗糙、可润湿和/或亲水性表面。
[0082]AS.根据段落Al至A7中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区具有小于3000nm、1000nm、300nm、10nm 或 30nm、和 / 或大于 10nm、30nm、100nm、300nm 或 100nm 的平均表面粗糙度。
[0083]A9.根据段落Al至AS中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括所述位于暴露表面上的矿物化涂层。
[0084]A10.根据段落Al至A9中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括宏观表面结构，可选地，其中，所述宏观表面结构包括脊、肋、突起、凹坑、凹槽、通道和凹面中的至少一种。
[0085]All.根据段落Al至AlO中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区覆盖所述暴露表面的表面区域的一部分，其中，所述一部分是所述暴露表面的基本全部、大部分、小部分、小于50%、小于33%、小于25%、小于20%、小于15%、小于10%、或小于5%。
[0086]A12.根据段落Al至All中的任一项所述的设备，其中，所述无源除冰结构包括多个冰成核区，可选地包括多个间隔开的冰成核区。
[0087]A13.根据段落Al至A12中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区具有伸长方向并且具有与所述伸长方向平行的长度和与所述伸长方向垂直的宽度。
[0088]A13.1.根据段落A13所述的设备,其中，所述长度大于0.lm、0.3m、lm、2m、3m、5m、1m 或 20m。
[0089]A13.2.根据段落A13至A13.1中的任一项所述的设备，其中，所述宽度小于30cm、20cm、10cm、5cm、3cm、2cm、Icm 或 0.5cm。
[0090]A14.根据段落Al至A13.1中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的空气动力学组件和/或翼面。
[0091]A14.1.根据段落A14所述的设备，其中，所述冰成核区靠近所述前缘。
[0092]A14.2.根据段落Al至14.1中的任一项所述的设备，其中，所述抗冰区以伸长方向伸长，所述伸长方向以与所述前缘平行、基本上平行、倾斜、垂直和基本垂直中的至少一种取向。
[0093]A14.3.根据段落A14至14.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区包括所述前缘。
[0094]A14.4.根据段落A14至14.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区不包括所述前缘。
[0095]A15.根据段落Al至14.4中的任一项所述的设备，其中，所述无源除冰结构包括抗冰区。
[0096]A15.1.根据段落A15所述的设备，其中，所述抗冰区是疏冰性、疏水性和超疏水性中的至少一种。
[0097]A15.2.根据段落A15至A15.1中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区的平均表面粗糙度大于所述抗冰区的平均表面粗糙度。
[0098]A15.3.根据段落A15至A15.2中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区的可润湿性大于所述抗冰区的可润湿性。
[0099]A15.4.根据段落A15至A15.3中的任一项所述的设备，其中，所述抗冰区邻近所述冰成核区，可选地，其中，所述抗冰区邻接所述冰成核区。
[0100]A15.5.根据段落A15至A15.4中的任一项所述的设备，其中，所述冰成核区和所述抗冰区在所述主体上成预定图案，并且其中，所述预定图案被构造、预先选择和/或布置成选择性地形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述设备除冰。
[0101]A15.6.根据段落A15至A15.5中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的翼面，其中，所述冰成核区位于所述前缘和所述抗冰区之间。
[0102]A15.7.根据段落A15至A15.6中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的翼面，其中，所述抗冰区通过所述冰成核区域而与所述前缘分开。
[0103]A15.8.根据段落A15至A15.7中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括具有前缘的翼面，并且其中，所述抗冰区以伸长方向伸长，所述伸长方向以与所述前缘平行、基本上平行、倾斜、垂直和基本垂直中的至少一种取向。
[0104]A15.9.根据段落A15至A15.8中的任一项所述的设备，其中，所述无源除冰结构包括多个冰成核区和多个抗冰区。
[0105]A15.9.1.根据段落A15.9所述的设备，其中，所述多个冰成核区和所述多个抗冰在所述主体上成交替图案，可选地，其中，所述图案是条带图案、棋盘格图案、点状图案、镶嵌小方格图案中的至少一种。
[0106]A15.9.2.根据段落A15.9至A15.9.1中的任一项所述的设备，其中，所述多个冰成核区和所述多个抗冰区在所述主体上成预定图案，其中，所述预定图案被构造、预先选择和/或布置成选择性地形成冰特征，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述设备除冰。
[0107]A16.根据段落Al至A15.9.2中的任一项所述的设备，其中，所述设备是交通工具，可选地，其中，所述交通工具是航空器、飞机、无人驾驶航天器和/或旋翼机。
[0108]A16.1.根据段落A16所述的设备，其中，所述主体包括，可选地是，机翼、横尾翼、水平尾翼、垂直尾翼、机身、螺旋桨叶片和旋转机翼中的至少一者。
[0109]A17.根据段落Al至A16.1中的任一项所述的设备，其中，所述设备是风力涡轮机。
[0110]A18.根据段落Al至A17中的任一项所述的设备，其中，所述主体包括，可选地是，翼面、外壳、壳体、风挡、鼻锥、天线罩和上层构造中的至少一者。
[0111]A19.根据段落Al至A18中的任一项所述的设备,其中,所述暴露表面是翼面表面。
[0112]B1.一种制造无源除冰结构的方法，该方法包括:
[0113]在表面上形成冰成核区。
[0114]B2.根据段落BI所述的方法，其中，所述冰成核区形成在所述表面上的用于选择性地形成冰特征的位置，以有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述表面除冰。
[0115]B3.根据段落BI至B2中的任一项所述的方法，其中，形成所述冰成核区包括用包括成核颗粒的成核涂层材料涂覆所述表面。
[0116]B3.1.根据段落B3所述的方法，其中，所述成核涂层材料包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和聚氨酯涂层中的至少一种。
[0117]B3.2.根据段落B3至B3.1中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。
[0118]B3.3.根据段落B3至B3.2中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒包括有机和/或无机组分。
[0119]B3.4.根据段落B3至B3.3中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒包括或者是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。
[0120]B3.5.根据段落B3至B3.4中的任一项所述的方法，其中，所述成核涂层材料中的所述成核颗粒具有小于20%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%,0.3%或0.1%和/或大于0.01%,0.03%,0.1%,0.3%,0.5%或 1%的重量百分比。
[0121]B3.6.根据段落B3至B3.5中的任一项所述的方法，其中，所述成核颗粒具有小于100 μ m、50 μ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、2 μ m、I μ m、500nm、400nm、300nm、200nm、或 10nm 和 / 或大于 100nm、200nm、300nm、400nm、500nm 或 I μ m 的平均有效直径。
[0122]B4.根据段落BI至B3.6中的任一项所述的方法，其中，形成所述冰成核区包括可选地通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和/或点刻中的至少一种精修所述表面。
[0123]B5.根据段落BI至B4中的任一项所述的方法，该方法还包括在所述表面上形成抗冰区。
[0124]B5.1.根据段落B5所述的方法，其中，形成所述抗冰区的步骤包括与所述冰成核区邻近地，可选地邻接 所述冰成核区而形成所述抗冰区。
[0125]B5.2.根据段落B5至B5.1中的任一项所述的方法，其中，形成所述冰成核区的步骤包括与所述抗冰区邻近地，可选地邻接所述抗冰区而形成所述冰成核区。
[0126]B5.3.根据段落B5至B5.2中的任一项所述的方法，其中，形成所述抗冰区的步骤包括用抗性涂层材料涂覆所述表面。
[0127]B5.4.根据段落B5至B5.3中的任一项所述的方法，其中，所述抗性涂层材料包括油漆、密封剂、树脂、环氧化物、顶涂层、天然漆、聚合物涂层、亚克力涂层和聚氨酯涂层中的至少一种。
[0128]B5.5.根据段落B5至B5.4中的任一项所述的方法，其中，所述抗性涂层材料基本上没有成核颗粒。
[0129]B5.6.根据段落B5至B5.5中的任一项所述的方法，其中，所述抗性涂层材料具有小于0.1%,0.01%,0.001%或0.0001%的重量百分比的成核颗粒。
[0130]Cl.一种对设备进行无源除冰的方法，该方法包括:
[0131]在所述设备的表面上的冰成核区上选择性形成冰特征；
[0132]使所述表面经受来自流过所述表面的空气的剪切力，以从所述设备去除所述冰特征。
[0133]C2.根据段落Cl所述的方法，其中，所述设备是段落Al至A19中的任一项所述的设备。
[0134]C3.根据段落Cl至C2中的任一项所述的方法，其中，所述经受包括以大于50km/h、100km/h、200km/h、400km/h、600km/h、800km/h、1000km/h、1200km/h、1500km/h 或2000km/h 和 / 或小于 3000km/h、2000km/h、1500km/h、1200km/h、1000km/h、800km/h、600km/h、400km/h、或200km/h的空气速度来移动所述设备。
[0135]Dl.一种对设备进行无源除冰的方法，该方法包括:
[0136]确定所述设备的表面上的多个冰成核区和多个抗冰区的布置，其中，所述布置允许选择性形成冰特征，其中，所述布置有助于当所述冰特征经受剪切力可选地经受空气剪切力时对所述设备除冰；
[0137]根据所述布置，在所述表面上定位所述多个冰成核区和所述多个抗冰区。
[0138]D2.根据段落Dl所述的方法，其中，所述设备是段落Al至A19中的任一项所述的设备。
[0139]D3.根据段落Dl至D2中的任一项所述的方法，其中，所述定位包括段落BI至B5.6中的任一项所述的制造方法。
[0140]D4.根据段落Dl至D3中的任一项所述的方法，该方法还包括通过段落Cl至C3中的任一项所述的方法对所述设备进行无源除冰。
[0141]如本文中使用的，术语“适于”和“构造”意味着元件、组件或其它主题被设计成和/或意图执行给定功能。因此，使用术语“适于”和“构造”不应该被理解为意味着给定元件、组件或其它主题只是“能够”执行给定功能，但出于执行该功能的目的，对元件、组件和/或其它主题进行具体选择、形成、实现、利用、编程和/或设计。也在本公开的范围内的是，被详述为适于执行特定功能的元件、组件和/或其它详述主题可另外地或另选地被描述为被构造成执行该功能，或反之亦然。类似地，被详述为被构造成执行特定功能的主题可另外地或另选地被描述为可操作用于执行该功能。另外，如本文中使用的，单数“一”、“一个”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚指明。
[0142]本文中公开的设备的各种公开元件和方法的步骤并不是根据本公开的所有设备和方法必需的，本公开包括本文中公开的各种元件和步骤的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。此外，本文中公开的各种元件和步骤中的一个或多个可限定独立的有创造性的主题，该主题与整体公开的设备或方法分开和隔开。因此，这种有创造性的主题并不需要与本文中明确公开的具体设备和方法相关联，这种有创造性的主题可在本文中没有明确公开的设备和/或方法中有功用。
【主权项】
1.一种航空器，所述航空器包括: 主体，该主体包括具有前缘和暴露表面的动力学部件，其中，所述暴露表面被暴露于大气; 其中，所述暴露表面包括无源除冰结构，所述无源除冰结构包括: 冰成核区，该冰成核区以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长并且被构造成致使在所述冰成核区上形成冰；以及 抗冰区，该抗冰区以基本上平行于所述前缘取向的伸长方向伸长； 其中，所述抗冰区通过所述冰成核区而与所述前缘分开；并且 其中，所述冰成核区的可润湿性大于所述抗冰区的可润湿性。2.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区包括被构造成在所述无源除冰结构上为杂乱的冰成核的成核颗粒。3.根据权利要求1或2所述的航空器，其中，各冰成核区均被构造成将接触所述冰成核区的超临界水转变成包括杂乱冰晶组的冰。4.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区被布置成选择性形成冰特征，所述冰特征有助于当该冰特征经受剪切力时对所述设备进行除冰。5.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区包括被预先选择为在所述冰成核区上为杂乱的冰成核的成核颗粒。6.根据权利要求5所述的航空器，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。7.根据权利要求5所述的航空器，其中，所述成核颗粒包括粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区具有可润湿表面。9.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区包括位于所述暴露表面上的矿物化涂层。10.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述冰成核区靠近所述前缘。11.根据权利要求1所述的航空器，其中，所述抗冰区通过多个所述冰成核区中的至少一个冰成核区而与所述前缘分开。12.根据权利要求11所述的航空器，其中，所述抗冰区是疏水性的。13.—种制造无源除冰结构的方法，该方法包括: 在所述结构的表面上形成冰成核区，其中，所述冰成核区形成在所述表面上的位置处以选择性地形成冰特征，所述冰特征有助于当该冰特征经受剪切力、可选地经受空气的剪切力时对所述表面进行除冰。14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述冰成核区的步骤包括利用包括成核颗粒的成核涂层材料涂覆所述表面。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成核颗粒包括球体、纳米颗粒、小板和薄片中的至少一种。16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成核颗粒包括或者是灰尘、矿物、粘土矿物、硅酸盐、硅酸铝、层状硅酸盐、网硅酸盐、长石、高岭石、蒙脱石、硫磺和硫酸中的一种或多种。17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成核涂层材料中的所述成核颗粒具有小于 20%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%、0.3%或 0.1%和 / 或大于 0.01%,0.03%,0.1%,.0.3%,0.5%或1%的重量百分比。18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述成核颗粒具有小于100μ??,δΟμ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、2 μ m、I μ m、500nm、400nm、300nm、200nm 或 10nm 和 /或大于 100nm、200nm、300nm、400nm、500nm或I μ m的平均有效直径。19.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述冰成核区的步骤包括可选地通过打磨、研磨、腐蚀、刮擦、划线、蚀刻和点刻中的至少一种来精修所述表面。20.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，该方法还包括在所述表面上形成抗冰区。21.根据权利要求20所述的方法，其中，形成所述抗冰区的步骤包括利用抗性涂层材料涂覆所述表面。22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述抗性涂层材料具有小于0.1%、0.01%、、.0.001%或0.0001%的重量百分比的成核颗粒。
【专利摘要】本发明涉及用于无源除冰的系统和方法。无源除冰结构的全局疏冰性能可通过包括一个或多个冰成核区来实现，这些冰成核区被构造、预先选择和/或布置成促使选择性形成冰。冰成核区可被构造、预先选择和/或布置成形成冰，所述冰微弱地附着，因此可在足够剪切力的作用下被去除。冰成核区通常包括成核颗粒，以促使选择性形成冰。无源除冰结构通常同时包括被布置成有助于在剪切力的作用下去除冰的冰成核区和抗冰区。无源除冰结构可用在诸如交通工具(例如，航空器)的设备上，以缓减在暴露表面上形成冰的影响。
【IPC分类】B64D15/00
【公开号】CN104890880
【申请号】CN201510080274
【发明人】E·D·萨珀, A·M·茨威格
【申请人】波音公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月13日
【公告号】CA2879734A1, EP2915747A1, US9199741, US20150251767
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