CN117395819A - 一种表面电热除冰结构、装置、方法和目标物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面电热除冰结构、装置、方法和目标物，涉及物体表面除冰领域，解决了现有技术中的低能耗高效除冰系统结构复杂的问题，本发明包括在绝缘层设置上下贯通的至少一个导通孔，且让导通孔的顶端孔口的至少部分暴露于表面电极，以使液体能从导通孔的顶端孔口进入导通孔中以凝结成冰柱。表面电极和埋置电极用于分别连接电源的两端，表面电极和埋置电极能通过冰柱电性连接以将冰柱作为电阻来加热冰柱。本发明利用导通孔来形成冰柱，以在表面电极和埋置电极之间接入电源后，通过简单易维护的层状电热结构以较低的能耗对冰柱进行加热使之汽化，通过汽化的冰柱冲击冰层，使冰层发生应力破裂而剥落。

Description

一种表面电热除冰结构、装置、方法和目标物

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明通过下述技术方案实现：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明具有以下优点及有益效果：

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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是表面电热除冰结构的结构示意图；

图2示出了导通孔与上极板和下极板的一种位置关系；

图3是图2中A部的局部放大图；

图4是图2的侧视图；

图5是图4中B部的局部放大图，图中示例性地展示了电源与上极板和下极板的连接方式；

图6示出了下极板与导通孔的一种位置关系，图中，一个下极板被拆下以展示出一列导通孔，并且，一列被下极板完全遮挡的导通孔以虚线展现；

图7示出了表面电热除冰结构的表面覆盖冰层的结构；

图8是图7中的C部局部放大图，图中将冰层下的结构以虚线展现；

图9是示出了冰层与表面电热除冰结构的连接结构；

图10示出了冰层与表面电热除冰结构的层状结构。

图中标记为：

1、上极板；11、横槽；12、纵槽；

2、绝缘层；21、导通孔；

3、下极板；

4、导电层；

5、冰层；51、冰柱；

6、电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。

发明人在研究中发现，相关技术中，电热除冰的工作方式允许机翼前缘少量积冰，虽然采用间断式加热的策略来周期性去除机翼前缘少量积冰，但电热除冰系统由于有热惯性以及加热时间裕量的存在，虽然加热后的融化水或者来流水滴在机翼前缘加热区不会结冰，但溢流至加热区后方则会形成冰瘤，会降低机翼气动性能，影响飞行安全。

另外，常规电热方法采用大面积导电材料连接电源，通过自身产生焦耳热的方式进行加热，会相对外部气流、保护层和蒙皮等区域产生大量的无效热对流、热传导损耗，使得能量利用率不高，导致加热除冰效率依然较低。

一方面，本申请提供了一种表面电热除冰结构，如图1-图10所示，特别设置成下述结构：

表面电热除冰结构的下表面用于承载物体连接，以对承载物体上的相关部位提供除冰功能，表面电热除冰结构的上表面用于直接与环境接触，以形成待除去的冰层5。

如图1-图6所示，表面电热除冰结构包括自上而下依序层叠固定的表面电极、绝缘层2和埋置电极。表面电极和埋置电极分别承载在绝缘层2的上表面和下表面被绝缘层2隔开。表面电热除冰结构可以采用目前成熟的PCB板制作工艺生产制成。表面电热除冰结构一般被制作成薄层结构。

绝缘层2上加工有至少一个导通孔21，比如一个、两个或更多个。导通孔21沿着绝缘层2的厚度方向将其上下贯通，导通孔21的孔型一般是圆形，当然也可以是根据实际需求设置为矩形、三角形等多边形或者椭圆形或者异形孔。导通孔21的孔型决定了进入导通孔21的液体能够凝结形成的大致形状，比如圆形的导通孔21中可以形成大致为圆柱状的冰柱51。

表面电极是贴附在绝缘层2的上表面的，同时，表面电极邻近导通孔21设置，使得导通孔21的顶端孔口的至少部分暴露于表面电极。液体能从导通孔21的顶端孔口进入导通孔21中以凝结成如图9和图10所示的冰柱51。

埋置电极是贴附在绝缘层2的下表面的，同时，埋置电极可以使导通孔21的底端孔口的至少部分被埋置电极遮挡，或者埋置电极将导通孔21的底端孔口完全暴露出来，只要能让形成于导通孔21内的冰柱51能够与埋置电极接触即可。

表面电热除冰结构在用于除冰时，需要将表面电极和埋置电极分别连接到电源的两端，以在位于导通孔21的两端的表面电极和埋置电极上施加电压。如图10所示，在表面电热除冰结构的表面结冰形成冰层5时，导通孔21内形成冰柱51，表面电极和埋置电极能通过冰柱51电性连接，以将冰柱51作为电阻来加热冰柱51。

本实施例中，表面电热除冰结构的表层结冰形成冰层5的过程中，由于绝缘层2上设置有导通孔21，且表面电极不完全遮挡导通孔21的顶端孔口，使得形成冰层5的部分液体可以进入到导通孔21内凝结，形成连接于冰层5的覆盖层底部的冰柱51。这样，冰柱51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6后，电源6可以在表面电极和埋置电极之间施加电压，并将冰柱51作为电阻，对冰柱51进行加热使之汽化。导通孔21的存在使得其内的冰柱51会在升温后沿轴向汽化膨胀，提高导通孔21内的气压，对冰层5的覆盖层造成挤压、冲击，使冰层5与表面电热除冰结构的表层的粘附力减小，并促使冰层5于冰柱51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，本实施例中的表面电热除冰结构充分利用了电热除冰系统结构简单、控制防冰的优势，利用蒸汽压力实现对冰层5的冲击，实现降低冰层5底部粘附力、促进冰层破裂和剥落的目的。使得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，而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。

根据一些可选的实施例，绝缘层2可以采用常用PCB板常用的纸质基础、玻璃纤维基础、聚酯薄膜、聚酰亚胺和铝基或者铜基结合树脂等的绝缘材料构成的刚性或者是柔性层。在绝缘层2为柔性层时，表面电极和埋置电极设置为柔性件，以让表面电热除冰结构可以便于大范围地布设在任意外形上，比如是机翼、风机叶片等的复杂曲面上。

根据一些可选的实施例，导通孔21内壁通过电镀工艺形成有一层薄的具有高电阻特性的导电层4，如图5所示，示例性地在其中的一些个导通孔21内设置有导电层4。其中，导电层4与表面电极和埋置电极电性连接。

针对淡水、云雾场类结冰所形成的冰柱51的这类弱导电介质，导电层4与表面电极和埋置电极电性连接起来，可保证表面电极和埋置电极之间的导电性，利用导电层4的高电阻性，作为电阻来加热冰柱51，相当于作为一个加热腔来加热冰柱51，提高冰柱51的加热效率，使得设置有导电层4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51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。

导电层4一般为50Ω或更大。

如果表面电热除冰结构针对的是海水、海冰类结冰所形成的冰柱51这类弱导电介质，这些冰柱51相对淡水、云雾场类结冰具有更好的导电性，绝缘层2的导通孔21的内壁可以不需要电镀上导电层4。

根据一些可选的实施例，表面电极的上表面附着有绝缘涂层，在次基础上，还可以在绝缘涂层的表面附着疏水层或者是疏冰层，以增强表面电极的疏水来减少结冰，或是增强表面疏冰能力以使冰层5容易剥落。表面电极设置为如图1所示的由多个上极板1构成的线性阵列时，绝缘涂层覆盖在每一个上极板1的上表面。

根据一些可选的实施例，如图1所示，绝缘层2上，设置有多个导通孔21，并且，所有的导通孔21于绝缘层2上形成二维阵列。

根据一些可选的实施例，所有的导通孔21于绝缘层2上形成二维阵列的基础上，表面电极成规则地设置在绝缘层2上表面，具体的，如图1所示，表面电极包括多个条状的上极板1，每个上极板1都以其下表面紧贴固定在绝缘层2的上表面上。表面电极可由所有的上极板1构成多种结构形式，比如图1所示，所有上极板1于绝缘层2的上表面沿上极板1的宽度方向形成线性阵列，又比如，所有上极板1于绝缘层2的上表面以纵横交错的形式形成格栅状电极，各上极板1的交叉节点处的厚度被设置为与单个上极板1的厚度一致，以使表面电极的上表面大致为平面。

表面电极中，每个上极板1与至少一个导通孔21对应设置，比如图1所示，一个上极板1与绝缘层2上的一排九个导通孔21对应。

如图3和图10所示，条状的上极板1与导通孔21的顶端孔口错位设置，以将导通孔21的顶端孔口部分暴露出来。当然，条状的上极板1也可以使其一侧缘与导通孔21的顶端孔口口缘相切，将导通孔21的顶端孔口完全暴露出来。当然，条状的上极板1也可以沿着一排导通孔21设置，通过在上极板1上开设一定孔径的通孔来将导通孔21的顶端孔口完全或部分暴露出来。

本实施例中，上极板1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2上更小的区域，减小自重和结构成本。

根据一些可选的实施例，所有的导通孔21于绝缘层2上形成二维阵列的基础上，埋置电极可以像由多个上极板1构成的表面电极那样，也成规则地设置在绝缘层2下表面上，此种情况下，如图2和图6所示，埋置电极包括多个条状的下极板3，每个下极板3都以其上表面紧贴固定在绝缘层2的下表面上。表面电极可由所有的上极板1构成多种结构形式，比如图2所示，所有下极板3于绝缘层2的下表面沿下极板3的宽度方向形成线性阵列，又比如，所有下极板3于绝缘层2的下表面以纵横交错的形式形成格栅状电极，各下极板3的交叉节点处的厚度被设置为与单个下极板3的厚度一致，以使埋置电极的下表面大致为平面，以更好地连接到目标物表面。

埋置电极中，每个下极板3与至少一个导通孔21对应设置，比如图2、图3和图6所示，一个下极板3与绝缘层2上的一列九个导通孔21对应。

如图2、图3和图6所示，条状的下极板3完全遮挡导通孔21的底端孔口。当然，条状的下极板3也可以与导通孔21的底端孔口错位设置，以将导通孔21的底端孔口部分暴露出来，正如图3所示的上极板1与导通孔21的顶端孔口错位设置那样。当然，条状的下极板3也可以使其一侧缘与导通孔21的底端孔口口缘相切，将导通孔21完全暴露出来。当然，条状的下极板3也可以沿着一排导通孔21设置，通过在下极板3上开设一定孔径的通孔来将导通孔21的底端孔口完全或部分暴露出来。

本实施例中，下极板3形成线性阵列或格栅状电极，将可以在具备相应功能的前提下覆盖绝缘层2上更小的区域，减小自重和结构成本。

根据一些可选的实施例，埋置电极也可以是一整块完全覆盖绝缘层2下表面的板状电极，这样，埋置电极将所有的导通孔21的底端孔口完全遮挡。下极板3为一整块板状电极，在目标物上设置表面电热除冰结构时，埋置电极将可以由目标物上提供，比如机翼或风机叶片上本身具有的具有导电性的蒙皮，这样可以节约电极材料的设置。

根据一些可选的实施例，上极板1的上表面设置有导气槽，导气槽与导通孔21的顶端孔口侧向连通，用于引导冰柱51被加热汽化的部分沿导气槽向导通孔21远处扩散。

如图3所示，示例性地在其中两个上极板1的上表面上设置了导气槽。导气槽包括沿着上极板1的宽度方向延伸的横槽11和沿着上极板1的长度方向延伸的纵槽12。

图3中，其中一个上极板1的上表面开设有一道纵槽12，还开设有横槽11，横槽11与纵槽12相交，使得蒸汽可以很顺畅地在横槽11与纵槽12之间扩散。横槽11的数量与导通孔21的数量为1:1的关系或2:1的关系。当上极板1与导通孔21的顶端孔口错位设置或者上极板1的一侧缘与导通孔21的顶端孔口口缘相切的情况下，横槽11与导通孔21一一对应设置。当上极板1沿着一排导通孔21设置，并通过在上极板1上开设的一定孔径的通孔将导通孔21完全或部分暴露出来的情况下，横槽11与导通孔21可以一一对应设置，也可以一个导通孔21的径向上的相对两侧各设置有一道横槽11。

图3中，另一个上极板1的上表面只开设有一道沿着上极板1的长度方向延伸的纵槽12。

当然，上极板1的上表面也可以只开设横槽11。

优选的，纵槽12设置为通槽。

优选的，横槽11设置为通槽，以使得冰柱51汽化形成的蒸汽可以更容易地进入横槽11内并向远处扩散。

本实施例中，冰柱51汽化后，可以沿上极板1上表面设置的导气槽膨胀扩张，对更大范围的冰层5的覆盖层产生区域剥离效果，减小冰层5整体的粘附力，提高除冰效果。

根据一些可选的实施例，相邻两导通孔21的间距大于或等于导通孔21的四倍孔径，如果相邻两导通孔21的间距大于导通孔21的十倍孔径将更好。优选的，所有导通孔21的横截面面积之和同时小于绝缘层2的上表面面积的10%。以使得利用加热冰柱51产生蒸汽的区域只占整个表面电热除冰结构的较小部分，形成点状的电加热除冰方式。

本实施例中，在满足可以顺利加热冰柱51使之汽化来除冰的前提下，上极板1和下极板3也应该尽量做到最小尺寸。示例性的，上极板1和下极板3的材料可以为常见的铜、铝等耐腐蚀金属及钨、石墨等耐高温导电材料。在上极板1和下极板3之间接入低电压、大电流脉冲电源的情况下，上极板1的一些参数可以设置为：剖面厚度≤200um，宽度≤1mm，耐受电流≥3A，电阻≤10Ω/m；下极板3的材料可以为常见的铜、铝等耐腐蚀金属及钨、石墨等耐高温导电材料，下极板3的一些参数可以设置为：剖面厚度≤200um，宽度≤1mm，耐受电流≥3A，电阻≤10Ω/m；绝缘层2的厚度一般小于或者等于2mm。

另一方面，本申请提供了一种表面电热除冰装置，特别采用下述设置结构：

表面电热除冰装置包括电源6和上述任一实施例中的表面电热除冰结构。电源6设置为提供低电压、大电流电能的脉冲电源。表面电热除冰结构的表面电极和埋置电极分别与电源6的两端连接。

如图5所示，表面电极包括上极板1，埋置电极包括下极板3，电源6的两端分别与上极板1和下极板3连接，对上极板1和下极板3施加电压。其中，表面电极包括多个上极板1的情况下，所有上极板1依序串联或者依序并联，埋置电极包括多个下极板3的情况下，所有下极板3依序串联或者依序并联。表面电热除冰结构通过表面电极和埋置电极与低电压大电流脉冲电源连接，可以将导通孔21内的冰柱51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。

本申请的一些实施例中的一种表面电热除冰装置，基于表面电热除冰结构上阵列排布的上极板1和下极板3，可以通过电热阵列的脉冲除冰方法，充分利用电热除冰系统结构简单、控制防冰的优势，在薄的冰层5结构上的局部区域进行脉冲除冰，使冰柱51快速汽化，利用蒸汽压力实现对冰层5的冲击，实现降低冰层5底部粘附力、促进冰层5破裂和剥落的目的。

另一方面，本申请提供了一种目标物，特别采用下述设置结构：

目标物上设置有上述实施例中的表面电热除冰装置，目标物可以是飞行器的机翼，可以是船舶或者海工装配的船体、上层建筑、各类设备等。目标物包括有具有除冰需求的防冰表面。当目标物的防冰表面为金属时，目标物的防冰表面可以作为表面电热除冰装置中表面电热除冰结构的埋置电极，除此之外，表面电热除冰装置中的表面电热除冰结构的埋置电极需要固定连接于目标物的防冰表面上以使表面电热除冰装置的表面电热除冰结构覆盖防冰表面。

另一方面，本申请提供了一种表面电除冰方法，该方法采用表面电热除冰结构来对目标物上具有除冰需求的防冰表面进行除冰，大致包括以下步骤：

先在目标物的防冰表面上设置上述任一实施例中的表面电热除冰结构，如果目标物的防冰表面为金属时，可以将防冰表面作为表面电热除冰结构的埋置电极。

再将表面电热除冰结构的表面电极和埋置电极接入电源6。其中，电源优选为低电压、大电流脉冲电源。

如图7-图10所示，当表面电热除冰结构的表面，即表面电极和绝缘层2的表面上形成冰层5且需要除冰时，打开电源6，在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。低电压、大电流脉冲电源可以使用上位机控制，结合固态继电器，实现一定电压下大电流脉冲加热冰柱51，以降低系统总体能源需求。

其中，在淡水或云雾场环境下，采用导通孔21内没有导电层4的表面电热除冰结构，表面电热除冰结构的表面形成有淡水结冰形成的冰层5，利用导通孔21内薄的导电层4的高电阻特性，对冰层5中形成于导通孔21内的冰柱51作为电阻，对冰柱51进行电加热，使冰柱51快速汽化，通过蒸汽冲击冰层5使冰层5破裂，并降低冰层5的粘附力，使冰层5剥落，达到除冰目的。在海水环境下，采用导通孔21内设置有导电层4的表面电热除冰结构，表面电热除冰结构的表面形成有海水结冰形成的冰层5，利用导通孔21内冰柱51的低电导特性，将冰层5中形成于导通孔21内的冰柱51作为电阻，对冰柱51进行电加热，使冰柱51快速汽化，通过蒸汽冲击冰层5使冰层5破裂，并降低冰层5的粘附力，使冰层5剥落，达到除冰目的。

利用低电压、大电流脉冲电源提供的低电压、大电流脉冲来加热冰柱51，可以在很短时间内加热并汽化冰柱51，整体热效应弱，结构传热损失低，使得除冰能耗低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面电热除冰结构，其特征在于：包括绝缘层（2）以及分别设置于所述绝缘层（2）上、下表面的表面电极和埋置电极；

所述绝缘层（2）设置有上下贯通的至少一个导通孔（21）；

所述导通孔（21）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（21）的顶端孔口进入所述导通孔（21）中以凝结成冰柱（51）；

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（51）电性连接以将所述冰柱（51）作为电阻来加热所述冰柱（51）。

2.根据权利要求1所述的一种表面电热除冰结构，其特征在于：所述绝缘层（2）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。

3.根据权利要求1所述的一种表面电热除冰结构，其特征在于：所述导通孔（21）内壁设置有导电层（4），所述导电层（4）与所述表面电极和所述埋置电极电性连接，以能够作为电阻来加热所述冰柱（51）；

和/或，所有所述导通孔（21）的横截面面积之和小于所述绝缘层（2）的上表面面积的10%；

和/或，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。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种表面电热除冰结构，其特征在于：所述导通孔（21）设置有多个，所有所述导通孔（21）于所述绝缘层（2）形成二维阵列。

5.根据权利要求4所述的一种表面电热除冰结构，其特征在于：所述表面电极包括多个条状的上极板（1），每个所述上极板（1）与至少一个所述导通孔（21）对应设置，其中，所有所述上极板（1）于所述绝缘层（2）的上表面沿所述上极板（1）的宽度方向形成线性阵列，或，纵横交错形成格栅状电极。

6.根据权利要求5所述的一种表面电热除冰结构，其特征在于：所述上极板（1）的上表面设置有导气槽，所述导气槽与所述导通孔（21）的顶端孔口侧向连通，用于引导所述冰柱（51）被加热汽化的部分沿所述导气槽向所述导通孔（21）远处扩散。

7.根据权利要求4所述的一种表面电热除冰结构，其特征在于：所述埋置电极包括多个条状的下极板（3），每个所述下极板（3）与至少一个所述导通孔（21）对应设置并暴露所述导通孔（21）的底端孔口或至少部分遮挡所述导通孔（21）的底端孔口，其中，所有所述下极板（3）于所述绝缘层（2）的下表面沿所述下极板（3）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（2）下表面的板状电极；

或，相邻两所述导通孔（21）的间距大于或等于所述导通孔（21）的四倍孔径。

8.一种表面电热除冰装置，其特征在于：包括电源（6）和权利要求1-7任一项所述的表面电热除冰结构，所述电源（6）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（6）的两端连接。

9.一种目标物，其特征在于：所述目标物上设置有权利要求8所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。

10.一种表面电除冰方法，其特征在于：

步骤S1：在目标物上有除冰需求的部位设置权利要求1所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（5）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。