CN1647584A - 用于改变冰与物体间界面的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于热调节冰与物体间界面的系统和方法。一个系统包括构造成产生电能的电源。功率的幅值足够融化在界面上的冰的界面层；通常界面层具有一微米到一毫米范围的厚度。控制器可以用于限制电源产生电能的周期，从而限制消耗到环境中的不必要的热能。调节脉冲到界面的加热功率从而调节物体和冰之间的摩擦系数。

Description

用于改变冰与物体间界面的系统和方法

                        相关申请

本申请要求2002年2月11日申请的美国临时申请系列No.60/356,476的权益，该申请被结合在本文中作为参考。本申请还要求2002年7月23日申请的美国临时申请系列No.60/398,004的权益，该申请也被结合在本文中作为参考。本申请也要求2002年8月21日申请的美国临时申请系列No.60/404,872的权益，该申请也被结合在本文中作为参考。

                        背景技术

冰在各个行业都带来许多问题。当冰形成在飞机表面上时就可以在航空工业领域找到一个这种问题的例子。飞机如机翼表面的冰就可以对飞机造成很危险的情况，特别是当飞机在飞行过程中。当冰形成在汽车的挡风玻璃上时就可以在地面运输工业领域找到另一个例子。挡风玻璃上的冰可以对汽车的驾驶者造成很危险的驾驶条件。从这些表面上除去冰可以将危险情况减至最小。

用来除去冰的现有系统包括提供功率给电阻元件以产生热量的电加热器。其它的现有系统包括产生化学反应以用热的方法溶解冰的化学溶液。电加热器提供一定幅值的功率给电阻元件，用以直接并成比例地融化与电加热器接触的表面上的所有冰。化学溶液可以用热的方法溶解冰，但不会持续很长的时间，而且会对自然环境产生所不希望有的情况。由于这些系统要设法完全融化所有冰，所以它们的效率较低。

除冰的方法包括使用机械刮刀。机械刮刀经常被用来帮助处理粘附到物体表面上的冰。但是，机械刮刀经常是手持式的，且很难进行操作。而且，机械刮刀在除冰方面不是一直都很有效的，并且可能会破坏到冰所附着的表面。

不能正确地从物体表面上除去冰可能具有潜在的严重后果。例如，在飞行中的飞机上过多的冰可以很危险地减小飞机的升力，并妨碍特定飞机部件的正确工作。另一个例子包括在汽车挡风玻璃上形成的冰；如果不除去冰，驾驶者的视野就可能会受到限制，这样，驾驶者将不能正确地驾驶汽车。

                       发明内容

下面的专利和专利申请提供了有用的背景技术且由此在这里结合作为参考：US专利No.6027075；US专利No.6427946；1999年10月26日提交的PCT申请PCT/US/25124；1999年11月30日提交的PCT申请PCT/US/28330；2002年1月22日提交的PCT申请PCT/US/01858；2000年12月28日提交的PCT申请PCT/US00/35529；2001年10月4日提交的US专利申请系列号09/971,287；以及2001年10月4日提交的US专利申请系列号09/970555。

在一个方面，脉冲除冰系统加热界面到物体的表面以便破坏冰和/或雪(作为这里使用的，冰和/或雪有时可以表示为“冰”)与该表面的粘附。为了减少需要的能量，脉冲除冰设备的一个实施例探测在包括冰和雪的非金属性固体材料中热扩散的非常低的速度且将加热功率提供给界面用于足够短时间使热量逃远离界面区域；因此，大部分的热用于加热并融化仅仅是非常薄的冰层(下文称为“界面冰”)。该系统包括构造成产生一幅值功率的电源。在一个方面，功率的幅值大致与用作融化在界面冰的能量的幅值成反比。脉冲除冰系统还可以包括构造成限制电源产生该幅值功率的持续时间。在一个方面，该持续时间大致与该幅值的功率的平方成反比。电源可以进一步包括能够提供脉冲电压的开关电源。脉冲的电压可以通过诸如电池和电容器的存储装置提供。由此，电池和电容器可以用于将功率供给与界面热联系的加热元件。可选择地，脉冲的电压可以直接提供给加热元件以便破坏在表面处的冰的粘附。在另一个方面，加热元件包括传导材料的薄膜或包括半导体材料的薄膜。半导体材料不排除通过薄膜可视，从而有利于用于例如作为“物体”的汽车挡风玻璃。电源可以调制供给半导体材料的功率以便将该功率转换为热能。调制后的功率将可以破坏冰对表面的粘附的合适幅值的热能传递到该表面。

在某些方面，电容器是特级电容器或超级电容器。在某些其它方面，电源是飞轮和/或高压电源。来自电源的功率可以被转换为用于破坏冰与物体的表面的粘附的热能。例如，系统可以使用电源以便从飞机，轮胎，汽车挡风玻璃，船，道路，桥，人行道，冷藏箱，电冰箱，建筑物，飞机跑道或窗户的表面除去冰和雪。本领域的技术人员将会理解其它物体也可以使用脉冲除冰系统除冰。

在另一方面，热传递系统使用与加热元件连接的热存储子系统。加热元件可以包括热传导材料，如金属。加热元件可以进一步包括连接到加热元件的隔膜。例如，隔膜是可膨胀的，使得当隔膜膨胀时，阻止热传递到将被除冰的物体的表面。当隔膜紧缩时，加热元件将热能传递到该表面从而破坏冰与该表面的粘附。隔膜可以连续膨胀和紧缩以便调节传递到该表面的热能。

在热传递系统的另一个方面，加热元件包括被热隔离件分开的两个区域的热传导材料。至少一个区域热传导材料可移动地连接到热隔离件，使得当这些区域以特定的方式设置时，两区域彼此物理地接触。可以以某一频率调制两区域至少之一的移动使得一区域的热传导材料将合适幅值的热能传递到另一区域。由此热能的传递破坏冰与另一区域表面的粘附。

在一个方面，提供一种方法以便在物体和冰之间的界面处热改变界面冰。该方法包括如下步骤：将热能施加到界面以便融化冰的界面层。然后限制施加步骤的持续时间使得施加给界面的加热能量具有在冰内的热扩散距离，其延伸不多于通过冰的界面层的厚度。

在一个方面，施加热能的步骤包括如下步骤：在界面施加具有至少与用于融化冰的界面层的能量的幅值大致成反比的幅值的功率。在一个相关的方面，限制持续时间的步骤包括限制在界面施加功率的步骤的持续时间使得该持续时间至少与功率的幅值的平方大致成反比。

在一个方面，施加热能的步骤包括如下步骤：对界面施加具有与用于融化界面冰的能量幅值基本成反比的幅值的功率，和限制持续时间的步骤包括如下步骤：限制持续时间以使该持续时间基本上与功率幅值的平方成反比。

在一个方面，该方法包括实现冰的界面层再次冻结以便影响物体和冰之间的摩擦系数的步骤。举例来说，实现步骤可以包括一个或多个如下步骤：(1)在限制持续时间的步骤后等待再次冻结；(2)在界面上吹冷空气；以及(3)在界面上喷水雾。

在这里的某些方面，物体是飞机结构，挡风玻璃，镜子，前灯，电线，雪橇提升结构，螺旋桨转子表面，直升机的转子表面，房顶，甲板，建筑物结构，道路，桥结构，冷藏库结构，天线，人造卫星，铁路结构，隧道结构，电缆，道路信号灯，防滑雪鞋，雪橇、冰鞋以及鞋之一。

在另一方面，将热能施加给界面的步骤包括如下步骤：将热能施加给界面以便融化具有小于大约五厘米的厚度的冰的界面层。在一个方面，该方法的步骤包括限制持续时间使得冰的界面层具有小于大约一厘米的厚度的冰的界面层。在相关的方面，通过限制脉冲持续时间而进一步限定热扩散距离使得界面冰的厚度在大约一微米和一毫米之间。

在一个方面，限制持续时间的步骤将热能提供给界面最多100s。在另一方面，限制持续时间的步骤将施加热能的持续时间限制在大约1ms到10s之间。

在另一方面，将加热能量施加给界面的步骤包括如下步骤：将功率施加给在物体中与界面热联系和/或与界面接触的加热元件。在相关的方面，施加热能的步骤可以包括如下步骤：用加热元件电阻挡该功率。

在一个方面，施加和限制的步骤以周期性的方式重复以便在物体和冰之间产生需要的摩擦系数。

在一个方面，在界面层再次冻结后再次将功率施加在界面处以便选择性地控制冰和物体之间的摩擦系数，同时物体在冰上移动。

本领域的技术人员理解，在特定的方面，在不超过这里的范围的情况下，冰可以包括雪或被雪代替。

在一个方面，物体是诸如鞋，滑雪板或雪橇的滑板。

还提供一种用于控制在物体和冰之间的摩擦系数的方法，包括如下步骤：

(1)将功率以脉冲方式施加到物体和冰之间的界面以便融化在界面上的冰的界面层并减少摩擦系数；

(2)实现在界面处的界面冰的再次冻结以便增加摩擦系数；以及

(3)以可控制的方式重复步骤(1)和(2)以便控制物体和冰之间的平均摩擦系数。

在一个方面，实现再次冻结的步骤包括如下步骤：除去在冰上的物体以便减少物体的温度。例如，汽车轮胎可以被加热且然后旋转(在汽车运动期间)以便使加热的轮胎与冰覆盖的道路接触，从而实现再次冻结。

在一个方面，以脉冲方式提供功率的步骤包括将第一空气传递到物体(即，汽车轮胎)上的步骤，具有在结冰点的温度之上的第一空气且移动与冰接触的物体。在相关的方面，实现再次冻结的步骤包括将第二空气吹递到物体(即，轮胎)上的步骤，第二气体具有低于第一气体的温度。

还提供一种滑板，该滑板具有用于与冰和雪接触的表面。电源(即，电池)产生功率。加热元件构造成转换该功率以在该表面加热，该热量足够在界面融化冰的界面层。控制器控制供给加热元件的功率的输送以便控制滑板和冰或雪之间的摩擦系数。

举例来说，滑板可以表现为鞋，滑雪板，雪橇或防滑雪鞋的形式。

在一个方面，滑板是雪橇，冰鞋或滑雪板的形式，且控制器响应于用户的命令以便调制施加到表面的功率使得滑板的速度是可控制的。例如，以这种方式，如果需要，滑雪者可以控制她的速度低于雪橇的斜率。

在又一方面，提供一种挡风玻璃除冰设备。挡风玻璃除冰设备具有挡风玻璃和设置在挡风玻璃中的大致透明的加热元件，该加热元件响应于以足够融化挡风玻璃上的冰的界面层的幅值施加的功率产生热。

在一个方面，从具有大于大约3eV的电子间隙的可视透明半导体材料中选择加热元件。例如，材料可以是ZnO，ZnS和它们的混合物之一。

在另一实施例中，从透明导体材料中加热元件。例如，该透明半导体材料可以是铟锡氧化物(ITO)，锡氧化物，薄金属薄膜以及它们的混合物。

                      附图说明

图1示出了一种用于修改物体和冰之间的界面的脉冲式除冰系统；

图2示出了一种脉冲式除冰系统；

图3示出了一种脉冲式除冰系统；

图4示出了一种脉冲式除冰系统；

图5示出了一种脉冲式除冰系统；

图6示出了一种应用于飞机机翼的脉冲式除冰系统；

图7示出了一种脉冲式除冰加热元件叠片；

图8示出了一种脉冲式除冰加热元件；

图9和10说明了对于一种脉冲式除冰装置在给定时间内的示例性热传递距离；

图11示出了说明对于一种脉冲式除冰系统的除冰时间和除冰能量之间关系的曲线图；

图12示出了一种用于修改冰与物体间界面的HF除冰系统；

图13示出了一种HF除冰系统；

图14示出了对一种HF除冰系统的分析；

图15示出了用在一种HF除冰系统中的一种叉指型(interdigitated)电路的组件图；

图16示出了用在一种HF除冰系统中的示例性叉指型电路的视图；

图17示出了冰传导性和冰介电常数之间频率关系的曲线图；

图18示出了表征一种HF除冰系统的示例性电路；

图19-29用曲线图说明了对图18所示电路的确定的试验分析；

图30-35示出了说明对通过一个HF除冰系统的对流的热传递以及通过该HF除冰系统的衬底的热传递的一种分析的曲线图；

图36示出了一种用于改变物体与冰间界面的热传递除冰系统；

图37示出了一种热传递除冰系统；

图38示出了一种热传递除冰系统；

图39示出了一种脉冲式除冰系统，其说明了与热除冰传递系统的比较；

图40示出了一种热传递除冰系统；

图41示出了一种热传递除冰系统；

图42-46示出了说明对热传递除冰系统的一种分析的曲线图；

图47和48说明了一种滑板的特性；

图49示出了一种滑板装置，其说明了对在冰与物体间界面上的摩擦力改变的试验；

图50和51说明了采用雪橇板形式的一种滑板的应用；

图52说明了采用测雪板形式的一种滑板；

图53说明了采用鞋的形式的一种滑板；

图54说明了采用轮胎形式的一种滑板；

图55说明了一种滑板的试验结构；

图56说明了采用轮轨形式的一种滑板；

图57说明了采用雪橇板形式的一种滑板；

图58说明了采用轮胎形式的一种滑板；

图59说明了一种滑板的试验结构；

图60示出了说明特定滑板的摩擦系数与施加给固定到滑板上的加热元件的电压之间的示例性关系的曲线图；

图61示出了说明特定滑板的静力与放在雪上的滑板的正常压力之间的示例性关系的曲线图；

图62示出了说明特定滑板的摩擦系数与施加给附加的加热元件的电压之间的示例性关系的曲线图；

图63示出了说明一个滑板的摩擦系数与停下该滑板所需的时间之间的示例性关系的曲线图；

图64示出了说明一个滑板的摩擦系数与施加给附加的加热元件的电压之间的另一种示例性关系的曲线图；

图65和66示出了说明一个滑板的热能和冷却时间的曲线图；

图67示出了对一个滑板的分析，其说明了对于滑板形成轮胎这种实施例的摩擦力的增加；和

图68和69说明了对滑板和雪之间的一种摩擦力的分析。

                     具体实施方式

下面所描述的某些实施例是关于用于改变物体与冰之间的界面的系统和方法。在一个实施例中，例如，为了给物体“除冰”，系统将功率施加到冰(或雪)与物体表面之间的界面上，用以从表面上除去冰。在另一个实施例中，例如，系统调制冰与物体间界面上冰的界面层的融化，使得融化的界面层快速地重新冻结，以修改物体表面和冰之间的摩擦系数。

除冰设备或滑板的某些实施例使用交流(AC)高频(HF)电源，而除冰设备或滑板的其它实施例使用直流(DC)电源和/或热能传递系统(例如，热储存系统)。

下面某些部分用接下来的标题进行划分：脉冲式除冰系统；用在脉冲式除冰系统中的加热元件；脉冲式除冰系统的分析；HF除冰系统；用于用在HF除冰系统中的叉指型电路；HF除冰系统的分析；热传递除冰系统；热传递除冰系统的分析；摩擦系数控制方法；和摩擦系数控制的分析。

在描述脉冲式除冰系统的某些部分中，例如，某些实施例描述了通过融化附着在物体表面上的冰的界面层以除去冰的操作。某些脉冲式除冰系统的加热元件也可以被用来融化界面层，如通过与直流或交流电源的电连接。脉冲式除冰系统某些其它实施例调制冰与物体间界面上的加热，以使得物体重新冻结(在非加热周期内)，并且物体和冰之间的摩擦系数发生改变。如下文中所讨论的，某些脉冲式除冰设备以滑板的形式进行工作或与滑板一起工作。

在描述HF除冰系统的某些部分中，例如，某些实施例描述了通过融化附着在物体表面上的冰的界面层以除去冰的操作。某些HF除冰系统的互成角度配置的电极可以被用来融化界面层，并可以例如用AC电源对其进行供电。

HF除冰系统的某些其它实施例可以被用来改变冰和“滑板”之间的摩擦系数。如本文中所用到的，“滑板”是可以与冰和/或雪相面接的物体；由于与冰和/或雪的相互作用以及滑板与冰和/或雪之间的摩擦系数，它可以在其上进行“滑行”。滑板的例子包括，但并不局限于，轮胎；雪橇板；滑雪板；鞋；雪上汽车履带；雪橇；飞机起落架等等。

在描述热传递除冰系统的某些部分中，例如，某些实施例被用来通过融化附着在物体表面上的冰的界面层来除去冰。所描述的热传递除冰系统可以包括储存热能的热储存子系统。在这些储存子系统中的热能可以被传递给加热元件，该加热元件与物体-到-冰的界面热连通。这样，热传递除冰系统的某些实施例储存热能，并有选择性地和/或以可控制的方式将该能量传递给物体-到-冰的界面。

某些其它实施例描述了通过融化邻近滑板的冰的界面层来改变冰与滑板间的摩擦系数的系统。一旦融化，冰的界面层就会重新冻结，以在滑板和冰之间生成结合层。该粘合层起到“制动”作用，增加了滑板和冰之间的摩擦系数。然后这种系统重新融化界面层以破坏该结合层，再一次改变了摩擦系数。这种可调节的物体-到-冰的界面的解冻和重新冻结的调制的相互作用可以将摩擦系数控制到所希望的值。这种受控制的摩擦系数例如在如越野雪橇板、滑雪鞋、鞋、轮胎、滑雪板、溜冰鞋等装置和与冰及雪相互作用的其它装置中是很有用的。

                     脉冲式除冰系统

现在描述脉冲式除冰系统。脉冲式除冰系统可以被用来从物体的表面上除去冰。接下来的系统也可以被用来融化冰的界面层，和/或改变物体-到-冰的界面的摩擦系数，如在下面更详细地描述的。

图1示出了一种脉冲式除冰系统10，用于改变物体16和冰11之间的界面15。系统10包括电源12、控制器14和加热元件13。在一个实施例中，这样构成电源12，用以生成具有一定幅值的功率，该幅值基本上反比于用来融化界面15上的界面冰(下文中称为“界面冰”)的功率的幅值。加热元件13耦合到电源12，用以在界面15处将功率转换成热量。控制器14耦合到电源12，用以限制加热元件13将功率转换成热量的持续时间。在一个实施例中，加热元件13在界面15处将功率转换成热量的持续时间基本上反比于功率的幅值的平方值。

更特别的，当加热功率密度W(瓦/平方米)在时间t内被施加到冰和衬底之间的界面上时，热量在距离为l_Di的冰内和距离为l_DS的衬底内传播。然后这些加热层的厚度和它们对应的热容量决定了吸收多少热量。如果λ_i和λ_s分别是冰和衬底的热导率，ρ_i和ρ_s分别是密度，且C_i和C_s分别是特定的热容量，则对于冰的热通量Q_i和衬底的热通量Q_s，热交换领域的技术人员将得到接下来的等式：

(等式0-1)Q_i≈C_il_Diρ_i(T_m-T)

其中T_m-T是界面的温度变化，

(等式0-2)Q_S≈C_Sl_DSρ_S(T_m-T)

(等式0-3) $l_{\mathrm{Di}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_{i}t}{{\mathrm{\ρ}}_i{C}_i}}$

(等式0-4) $l_{\mathrm{DS}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_{S}t}{{\mathrm{\ρ}}_S{C}_S}}$

对于所有从界面上释放的热量值求解等式(0-1)--等式(0-4)，可以得到：

(等式0-5) $Q=Q_i+Q_S\≈W\·t=\frac{{(T_m-T)}^2}{W}[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i{\mathrm{\λ}}_i}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\mathrm{\λ}}_s}]$

其中W是界面上加热功率的密度。

因此，在一个实施例中，上述代数分析法可得到在一个脉冲式除冰系统和与其相联系的方法中功率需要量的近似结果。用精确的数学分析法对偏微分方程系统进行求解，以用除冰时间t和除冰功率Q预测接下来的示例性实施例：

在这个例子中，控制器14可以根据接下来的关系式控制功率被传送到加热元件13的时间：

(等式1-1) $t=\frac{\mathrm{\π}{(T_m-T)}^2}{4W^2}{[\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s}]}^2$

其中，T_m是冰融化温度，T是环境温度，λ是导热系数，ρ是材料密度，以及C是材料热容量(下标“i”表示冰和/或雪，下标“s”表示衬底材料)和W是每平方米的功率。

在这个例子中，控制器14也控制被传送给加热元件13的功率的幅值，使得在界面15处的功率Q基本上反比于功率的幅值。在这个例子中，控制器14根据接下来的关系式控制功率的幅值：

(等式1-2) $Q=W\·t=\frac{\mathrm{\π}{(T_m-T)}^2}{4W}{[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i{\mathrm{\λ}}_i}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\mathrm{\λ}}_s}]}^2.$

因此，为了用更少的功率达到所希望的温度(例如，用来融化界面15处的冰的温度)，一方面增加加热功率W，同时另一方面在更短的时间内施加该加热功率。通过比较，等式0-5的简化了的分析结果与通过因数π/4＝0.785的等式1-2的更精确的解不同。这些等式特别用于描述热扩散长度小于目标物体厚度(例如，界面15内的界面冰的厚度)时较短的功率脉冲。

在一个实施例中，通过增加用来融化非常薄的界面冰层并用来对厚度为d_heater的薄加热器进行加热的功率Qmin，找到了一种更精确的近似方法：

(等式1-3)Q_min＝l_i·q_i·ρ_i+d_heaterC_heaterρ_heater(T_m-T)

其中，l_i是融化了的层的厚度，ρ_i是冰的密度，q_i是冰的融解潜热，C_heater和ρ_heater分别是加热器的特定热容量和密度。因此，在这个例子中，控制器14可以根据接下来的关系式控制功率的幅值：

$Q=\frac{\mathrm{\π}{(T_m-T)}^2}{4W}{[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i{\mathrm{\λ}}_i}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\mathrm{\λ}}_s}]}^2+d_i\·q_i\·{\mathrm{\ρ}}_i+d_{\mathrm{heater}}{C}_{\mathrm{heater}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{heater}}(T_m-T)$

用每平方米(J/m²)的方式给出等式1-4的能量。对流热交换也可以加到等式1-4中；但由于加热脉冲的持续时间非常短，所以通常忽略该项。当衬底和/或冰层比加热扩散长度薄(分别对应等式0-3、等式0-4)时，能量远小于等式1-4的结果。

在说明性的操作中，系统10例如可以与汽车一起使用，用以从挡风玻璃(作为物体16)上除去冰11。在这个例子中，加热元件13是透明的，并且是嵌入到挡风玻璃16内，电源12和控制器14配合使用以根据等式1-1和1-2提供足够的功率以融化界面15处的界面冰。

为了进一步说明系统10的操作，考虑到冰的性能：

(等式1-5)λ_I＝2.2Wm^-1K^-1，ρ_i＝920kgm^-3，c_i＝2kJkg^-1K^-1，q_i＝333.5kJkg^-1。

典型的挡风玻璃(例如作为衬底)的性能是：

(等式1-6)λ_s≈1Wm^-1K^-1，ρ_s≈3000kgm^-3，c_s≈1.54kJkg^-1K^-1。

根据等式1-1，在具有玻璃或类似玻璃衬底16的情况下，从-10℃开始并以100kW/m²的功率达到冰的融点(0℃)所花费的时间为t≈0.142秒。根据等式1-3所进行的校正可以将持续时间增加大约0.016秒，即增加大约10％。成10倍地减小峰值加热功率(例如，从100kW/m²到10kW/m²)进一步增加了这个时间大约为其幅值的两倍。相比较，在-30℃，在W＝100kW/m²时整个的除冰时间可以长达1.42秒。因此，在W＝100kW/m²且-10℃时对应的整个除冰能量Q可以表示成：

(等式1-7) $Q=100\mathrm{kW}/m^2\·0.158\sec =15.8\frac{\mathrm{kJoule}}{m^2}.$

但是，在同样的-10℃温度条件下和更低的功率W＝10kW/m²时，由等式1-4给出的能量Q为：

(等式1-8) $Q=144k\frac{\mathrm{Joule}}{m^2}.$

这个结果几乎比W＝100kwatt/m²时的幅值大了一数量级。

前述例子的一个优点是，与现有技术中的系统相比，通过将力率增加幅值的一数量级，同时将提供功率的时间缩短其幅值的两个数量级，可以使用幅值减小了约一个数量级的除冰能量。通过限制功率提供给界面15的时间，限制了消耗到环境中和大量冰中的热量能量。取而代之的是，作为缩短功率脉冲的结果，为了融化界面冰，要有更多的能量施加给界面15。

图2示出了根据一个实施例的一种脉冲式除冰系统20。除冰系统20具有直流电源22、充电电容器26、电阻性加热元件28和开关24。直流电源22构成为当开关24在节点23上被关闭时提供功率给充电电容器26。在配合使用时经过节点25耦合到电阻性加热元件28上的电容器26构成为根据图1的等式提供功率幅值。开关24例如由控制器或微处理器操作地进行控制，以根据图1的等式1-1，当开关24在节点25上关闭时将电流脉冲地从电容器26输送到电阻性加热元件28。在一个例子中，当开关24在节点23上关闭时，直流电源22给电容器26充电。一旦电容器26被充电，开关24就打开，然后在节点25上关闭以将电流放电到电阻性加热元件28。然后，电阻性加热元件28产生足够的加热功率来融化在物体界面(例如图1中的界面15)上的冰的界面层。通过使用脉冲式除冰系统20，融化界面层对于从物体的表面除去冰，防止冰形成在表面上，以及/或改变冰的粘附强度和/或改变冰或雪与物体之间的摩擦系数是很有用的。

图3示出了根据一个实施例的一种脉冲式除冰系统30。脉冲式除冰系统30包括一对功率总线32、加热元件34、电容器38、开关36和电源37。脉冲式除冰系统30构成为用于除去邻近元件34(例如，元件34与要除冰的物体一起设置、设置在要除冰的物体内和/或设置在要除冰的物体上)的冰。在图3所说明的实施例中，电容器38是超级电容器，其存储容量大约为1000F且电势约为2.5V，如通过Maxwell技术生产的PC2500超级电容器。并且在这个实施例中，加热元件34具有贴到1cm厚Plexiglas板上的50μm厚的不锈钢箔片；并且电源37是2.5V的直流电源。开关36可以采用大电流机械开关，以限制电源37给加热元件34提供功率的持续时间。任选的是，开关36可采用电气开关，该电气开关接收来自于如图1的控制器14的控制器的控制。加热元件34的电阻值约为6mΩ。当初始功率密度约为40kW/m²时，总的被存储的功率约为3.125kJ，总的功率密度约为83.33kJ/m²，脉冲式除冰系统30利用约为40kJ/m²的功率密度在大约-10℃的环境温度下在约一秒钟内有效地除去了约375cm²表面积上约为2cm厚的冰。

在脉冲式除冰系统30的另一个实施例中，电容器38是车用电池，如峰值电流约为1000A且电势约为12V的EverStart车用电池。而且在这个实施例中，加热元件34具有贴到1cm厚的Plexiglas板上的100μm厚的不锈钢箔片。开关36例如可以是起动器螺线管开关。当初始功率密度约为25kW/m²时，脉冲式除冰系统30利用约为50kJ/m²的功率密度在大约-10℃的环境温度下在约两秒钟内有效地除去了约375cm²表面积上约为2cm厚的冰。在另一个实施例中，电源37是给电容器38充电的2.5V的直流电源。

图4示出了根据一个实施例的一种脉冲式除冰系统40。脉冲式除冰系统40利用直流电源42、电容器45、电阻性加热元件46、直流到直流转换器44和开关48。直流电源42构成为当开关48在节点41上被关闭时经由直流到直流转换器44提供功率给充电电容器45。直流到直流转换器44可以构成为对来自直流电源42的电压进行“升压”。在一个例子中，直流到直流转换器44具有对直流电源42的功率进行升压的升压电子元件。在一个实施例中，电容器45可配合地经由节点43耦合到电阻性加热元件46，并构成为根据图1的等式提供一定幅值的功率。然后开关48通过改变装置被操作地控制，如控制器或微处理器，以当开关48在节点43上关闭时用将电流脉冲地从电容器45输送到电阻性加热元件46，例如根据图1的等式1-1。在一个例子中，当开关48在节点41关闭时直流电源42对电容器45充电。一旦电容器45被充电，开关48就打开，然后在节点43上关闭以将电流放电到电阻性加热元件46。然后电阻性加热元件46产生足够的加热功率来融化冰的界面层。通过使用脉冲式除冰系统40，融化冰的界面层对于从物体的表面除去冰，防止冰形成在表面上，以及/或改变冰与物体之间的摩擦系数是很有用的。脉冲式除冰系统40在不存在大电源或物体与雪接触的表面积很小(例如图61的鞋684)的情况下也是很有用的。在一个实施例中，脉冲式除冰系统40被用作在下文中更详细描述的“脉冲式制动器”。

图5示出了根据一个实施例的一种脉冲式除冰系统50。脉冲式除冰系统50构成为对物体进行除冰。脉冲式除冰系统50具有除冰设备62、一对功率总线64、热电偶63、热电偶模块52、放大器54、电池58、起动器/螺线管59、电容器61、固态继电器(SSR)60和计算机系统57。除冰设备62耦合到用于从电池58接收功率的功率总线64。计算机系统57通过热电偶模块52和放大器54耦合到除冰设备62，用以通过热电偶63接收关于除冰设备62的温度信息。计算机系统57可以包括模数(A/D)转换器板，其构成为以模拟量的形式接收温度信息，并将该模拟温度信息转换成计算机系统57所使用的数字格式。计算机系统57也通过SSR60耦合到除冰设备62，以控制提供给除冰设备62的功率的持续时间和幅值，例如根据图1的等式。在一个例子中，计算机系统57操作地控制SSR60和起动器螺线管59，以从电池58给除冰设备62提供功率。

SSR60可以替换为电感器68和开关65。起动器螺线管59也可以包括电感器67和开关66。计算机系统57可以另外包括晶体管-晶体管逻辑(TTL)模块56，以发送控制信息给SSR60，使得当电感器68从TTL模块56接收步进输入时，电感器68关闭开关65。一旦开关65关闭，电容器61就放电到电感器67以关闭开关66。一旦开关66关闭，电池58就将功率传送给除冰设备62。在一个实施例中，当温度升高到如由热电偶63确定的预定值时，计算机系统57从除冰设备62上断开功率。在一个例子中，计算机系统57经由热电偶模块52和放大器54从热电偶63接收温度信息。热电偶模块52传递温度信息给计算机系统57。放大器54放大温度信息，使得A/D转换器板55对用于计算机系统57的温度信息进行数字化。一旦除冰设备62的温度达到足够融化冰的界面层的预定水平，计算机系统57就会经由电感器68引导TTL模块56来打开开关65。由于当计算机系统57确定功率应该从除冰设备62上去掉时开关65是打开的，因此由于电感器67不再保持电压，所以电容器61放电且开关66打开。这样，电感器67开始对电容器61充电。

在一个实施例中，除冰设备62是由50μm厚的不锈钢制成的，并贴到小机翼的前缘(例如，飞机机翼的向前突出部分)。在这个实施例中，机翼的跨度大约为20cm，厚度约为5cm，且除冰设备62的尺寸约为20cm×10cm。

按下面方式试验系统50。除冰设备62形成在机翼内，并设置在结冰风洞内；试验条件为风速约为142km/h，大约-10℃，具有大约20μm的水滴。大气冰形成在机翼上。冰形成到大约5mm到10mm厚之后，计算机系统57控制电池58在脉冲方式将功率提供给除冰设备62，如图5中所描述的。当功率密度W大约为100kW/m²且功率脉冲的持续时间t大约为0.3秒时，除冰设备62融化了机翼上冰的界面层，使得基本上改变和/或破坏了冰在机翼表面上的粘附性。此后，通过空气阻力就可以从机翼表面上除去冰。因为金属箔加热器内的热容量更大，所以在这个例子中脉冲的持续时间比挡风玻璃的除冰设备的例子中的持续时间要长。

图6示出了根据一个实施例，应用到飞机机翼80上的一种脉冲式除冰系统70。脉冲式除冰系统70具有电源74和控制器78。电源74构成为用于生成具有一定幅值的功率，该幅值基本上反比于用于融化界面73上冰的界面层的能量的幅值。如图所示，界面73是与冰和/或雪接触的飞机机翼80的表面。脉冲式除冰系统70也具有加热元件75，其耦合到电源74以将功率转换成界面73上的热量。系统70具有控制器78，其耦合到电源74，以限制加热元件75将功率转换成热量的持续时间。提供功率的持续时间例如反比于功率幅值的平方。

在一个实施例中，系统70还包括冰检测器72和温度传感器76。温度传感器76耦合到界面73，以检测界面73的温度。温度传感器76以反馈信号的形式将有关界面73的温度信息提供给控制器78。然后，控制器78处理该温度信息，以控制功率提供给加热元件75和/或界面73的方式。

冰检测器72构成为检测界面73上冰的厚度。冰检测器72例如可以包括电极栅，该电极栅实现对冰厚度进行测量。由于冰具有与水和空气的介电常数不同的特定的介电常数，所以可以通过测量冰检测器72的内部电极(inter-electrode)的电容量来确定冰的存在和厚度。冰检测器72将有关冰的信息(例如，冰的存在和厚度)传递给控制器78。控制器78处理该信息以确定应该在何时将功率提供给加热元件75。在一个实施例中，当飞机机翼80上的冰达到一定厚度时，控制器78会自动地确定要除去冰，并操作地控制电源74将功率提供给加热元件75。

现在描述系统70的工作特性的例子。假定一种除冰环境，其中环境温度T大约是-10℃，气流速度大约是320km/小时，飞机机翼80的厚度大约为10cm，并且对流热交换系数hc大约为1200watt/K·m²(根据实验数据)。

通过比较，现有技术中的除冰系统进行工作，按照以下的等式将功率W提供给飞机机翼80的表面以将飞机机翼80的表面温度Tm维持在水的凝固点(例如，0℃)以上：

(等式6-1)W＝h_c(T_m-T)＝12kwatt/m²。

维持该功率三分钟的时间，结果如由接下来的等式所确定的，产生了大量的能量Q：

(等式6-2) $W=12\·{10}^3\frac{\mathrm{watt}}{m^2}\·180\sec =432\·\frac{\mathrm{kJoule}}{m^2}.$

另一方面，脉冲式除冰系统70在其它特性方面与现有技术中的除冰系统的区别在于，脉冲式除冰系统70融化暴露在界面上的冰界面层而非所有的冰。在一个例子中，脉冲式除冰系统70仅利用30kJoule/m²清除机翼上的冰。由于脉冲之间有三分钟的间隔，所以脉冲式除冰系统70消耗的“平均”(mean)功率非常低：

(等式6-3) $W_{\mathrm{mean}}=\frac{30\mathrm{kJoule}}{180s\·m^2}=0.167\frac{\mathrm{kwa}tt}{m^2}.$

特别是，等式6-3的结果仅是等式6-2所表示的现有技术中的电热除冰设备所使用的1.4％。

在一个实施例中，脉冲式除冰系统70根据图1的等式用脉冲的方式将能量输送给加热元件。加热元件75例如可以包括电极栅，用以融化界面73上的冰的界面层。当冰的厚度达到一定的预定值(例如3mm)时，控制器78控制电源74输送短的功率脉冲给加热元件75。脉冲的持续时间取决于由温度传感器76提供的温度、由电源74提供的功率以及衬底材料(例如，飞机机翼80的表面和/或加热元件75)的物理特性。例如，提供功率的脉冲持续时间可以按照图1的等式1-1来确定。

在一个实施例中，脉冲式除冰系统70利用加热元件75附近的第二温度传感器(图中未示出)来改进功率控制。例如，当提供脉冲功率时，一旦界面温度达到预定值，控制器78就可以控制电源74从加热元件75上去掉功率，从而节省了能量使用。

用各种不同的加热器所做的实验得到了符合上述理论预测的结果，该各种不同的加热器如HF介电损失加热器和直流加热器。在本文中的特定实施例中，当除冰面积对于电源来说太大而不能同时对整个面积加热时，可以一部分接着一部分地进行除冰。通过例子，可以通过按顺序地对这些部分进行除冰而对整个结构进行除冰。此外，与飞机有关的空气阻力可以从机翼上除去冰；但是，由于需要花费时间使飞机机翼80最向前突出的部分解冻(例如隔离带)，所以这样可能增加了等式6-3中所示的平均功率。其它的加热器也可以与脉冲式除冰系统70一起使用，而不会脱离本发明的范围，如在许多飞机中可找到的热放气加热器。

              用在脉冲式除冰系统中的加热元件

在接下来的某些实施例中，描述用在各种脉冲式除冰系统中的加热元件。这些加热元件例如接收电源如直流电源的功率，然后融化在物体的表面与冰间的界面上的冰的界面层。一旦融化了冰的界面层，冰就会例如根据所希望的应用而被除去或再结冰，所希望的应用如在下面更详细描述的那些应用。

图7示出了用于从构造92除去冰的示例性脉冲除冰加热元件叠层90，例如根据图1的等式施加功率。叠层90包括电和衬底热隔离体94，电传导层96以及保护层98。层96接收功率且将该功率变换为热量以除去和/或防止构造92上的冰形成。例如，层96是这里描述的各种加热元件之一。在一个实施例中，叠层90包括多个贴附在构造92上的单独元件，由此形成不连续地将冰除去的“单元”(即，被一个接一个的单元或一个接一个的部分除去)。

在一个实施例中，可传送到叠层90的功率在大约 到 的范围内。因此，选择传送这种功率的电源应该根据需要的除冰时间和外部的温度具有大约 到 能力。具有这些特点的某些电源是化学电池的形式，如汽车电池，特级电容器，超级电容器，电解电容器，与发电机耦合的飞轮，DC/DC和DC/AC变换器，和它们的结合。

用高密度的存储电能(即对于铅电池大约为60kJ/kg)的现代化学电池是公知的。但是，化学电池具有相对低的功率密度。例如，一个汽车电池可以在12伏输送大约1000A大约十秒钟，对应于大约12kW的功率。典型的汽车电池具有大约Q≈12V×100A×3600sec＝4.32·10⁶J的大容量。因此，对于用在脉冲除冰系统和方法中，汽车电池可以有效地除冰面积达到大约1.5m²，这对于汽车挡风玻璃是理想的。

特级电容器和超级电容器是公知的峰值功率和最大容量的好的提供者。某些特级电容器可以存储10kJ/kg且可以输送1.5kW/kg的功率(即，Maxwell Technology的PC2500特级电容器)。作为功率提供者，特级电容器特别适用于与脉冲除冰系统中的叠层90一起使用。

由轻型复合材料制成且与发电机配合的飞轮提供另一种能量存储。某些飞轮可以存储最大约2MJ/kg，且当与发电机配合时，可以输送约100kW/kg的功率密度。作为一个例子，电动机-发电机最初运行作为将飞轮旋转到高速的电动机。电动机使用低-功率源，如100瓦到1000瓦的功率源(如电池)。当需要峰值功率时，电动机-发电机的线圈从低-功率源断开并连接到低-阻抗负载(即，电传导层96)，由此将存储在飞轮中的动能转换为热。

某些脉冲法除冰设备的应用可以使用高-电阻加热器(即，汽车挡风玻璃除冰设备的电阻性加热元件)，且由此将需要高-电压电源。例如，汽车挡风玻璃除冰设备可以使用大约120伏特且最大到240伏特。该电压超出典型的汽车电池的输出电压(即大约12伏特)和特级电容器的输出电压(即大约2.5伏特)。除了使用一组电池以增加该电压，也可以使用DC/AC逆变器或步进DC/DC转换器以增加该电压。

薄的电加热层(即电传导层，图7)在减少能量需要和除冰热惯量方面是有用的。可以用作层96的材料的例子是薄的金属箔，如不锈钢箔，钛箔，铜箔和铝箔。也可以使用溅射金属，合金，传导性金属氧化物，传导性纤维(即，碳纤维)和传导性油漆。层96的典型厚度在大约50nm到100μm；但是也可以使用其它的范围，如大约10nm到1mm。

在一个可选择的实施例中，保护层98构造成保护层96免受粗糙的外界环境影响。例如，层98保护层96免受磨损，腐蚀，高速冲击和/或划刻。保护层既可以是非传导性的也可以是传导性且直接应用于层96。例如，层96可以具有相对好的热传导性和相对高的机械强度。可以用作保护层98的材料的某些例子包括TiN，TiCN，碳化钨，WC，Al₂O₃，SiO₂，Cr，Ni，CrNi，TiO₂和AlTiO。保护层98可以通过溅射，化学气相淀积(“CVD”)，物理气相淀积(“PVD”)，和/或sol-gel法(即，被凝胶形成固体的硅石颗粒的胶质悬浮)。本领域技术人员公知的，溅射可以包括在真空室中放置衬底。由无源气体(即，氩气)产生的等离子体产生指向衬底上的目标的离子轰击，由此使衬底的材料被“喷涂”。被喷涂的材料凝结在腔室壁和衬底上。对于本领域技术人员来说CVD和PVD技术是公知的。

因为脉冲法除冰设备的功率需要可以依据于衬底特性(即，等式1-1，1-2，1-4的 除冰功率可以降低到用于低密度，低热容量，和/或低热传导性的衬底材料。许多聚合物具有低的(ρ_sc_sλ_s)乘积，而金属具有高的(ρ_sc_sλ_s)乘积。固体泡沫也具有低的(ρ_sc_sλ_s)乘积。玻璃具有高于典型的聚合物的(ρ_sc_sλ_s)乘积，但是相对低于金属的(ρ_sc_sλ_s)乘积。根据应用，衬底热隔离体94可以是大约100nm到1mm厚，但是典型的是大约0.1mm到20mm厚。

图8示出了根据一个实施例的一个脉冲除冰设备加热元件100。加热元件100构造成通过接收脉冲能量，如根据图1的等式，融化物体上的冰的界面层。例如，可以在端子101和102对加热元件100施加功率使得加热元件100融化冰的界面层。电源，如这里描述的，可以将功率供给加热元件100以融化冰的界面层。根据加热元件100的应用，融化冰的界面层对于从物体的表面除去冰将是有利的，防止冰在表面上的形成，和/或改变粘着强度且改变冰和物体之间的摩擦系数。例如，元件100可以位于物体表面中，或位于物体表面附近以除冰。

                    脉冲除冰系统分析

接下来将分析和描述各个除冰系统的特定操作特性。在下面的示例性分析中，示出了某些成分值以显示来自加热元件的热如何传播到冰中以从物体上除去冰。

图9示出了一个脉冲除冰装置120。说明性地，冰124粘着到形成冰-物体界面122的热传导性衬底126上。如这里描述的加热元件配置有界面122(例如在衬底126中)以实现将脉冲能量输送到界面122。衬底126表示如飞机机翼，汽车挡风玻璃，窗户，外部反射镜，前灯，螺旋桨的转子，建筑物，道路结构，桥，冰箱，天线，通信塔，火车，铁路，隧道，道路信号，电线，高压线，雪橇结构或雪橇电缆。

图10示意性的示出了在给定的时间t(例如t₁和t₂)从冰-物体界面122的温度通过冰124和衬底126的热扩散距离。如图9所示，X-轴123表示垂直于界面122的距离，Y-轴125表示温度T。每一条曲线t₁或t₂表示进入在界面122的相对侧上的热传导衬底126和冰124的热扩散距离的时间。如示出的，每一条曲线t₁或t₂的峰值在Y-轴125上的熔点温度127，即，足够融化界面122处的界面层的冰的温度。

两条曲线t₁和t₂与融化冰的界面层的脉冲功率有关。如示出的，t₁比t₂小，由此对应于更高功率速率。由于在曲线t₁或t₂下施加的能量的脉冲量足够融化界面122处的界面层的冰，其优选地根据t₁施加这样的脉冲能量，其实现了更高的功率速率，但是与t₂相比，总的功率少。

特别是，考虑到用于与X-轴123一致的长度L的传播时间t的下述等式：

(等式10-1) $t=\frac{L^2}{D},$

其中D是由下述等式设定的热扩散系数：

(等式10-2) $D=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}$

其中λ是热传导系数，ρ是材料密度，且c是材料的热容量。施加给界面122的功率的脉冲的持续时间越短，因此，加热的冰的界面层越薄。通过控制加热功率持续时间，如果需要，其可以更好的集中在界面122上。在一个实施例中，施加给界面122的时间t和功率Q-加热冰124的界面层从周围环境温度T到熔点温度127-遵循结合图1讨论的等式。通过应用图1的等式，当使用装置120除冰时节省能量。此外，加热脉冲之间的时间t可以如此控制使得时间t由对于冰厚度的冰增长和公差的速率决定。例如，当冰在飞机机翼上达到约3mm的厚度时，反馈机构使装置120除去如结合图6讨论的冰124。

图11示出了根据一个实施例用于作为施加给汽车挡风玻璃的一个脉冲除冰系统的加热功率密度与除冰时间与除冰能量(即热能量)的相互关系。例如，涂覆在由玻璃制成且具有大约10cm×10cm×5mm大小的挡风玻璃的一侧上的0.5μm的传导性铟-锡氧化物(ITO)的层可以用作脉冲除冰系统中的加热元件。当在大约-10℃的环境下挡风玻璃上的冰增加到大约2cm时，施加给加热元件大约60HzAC功率的脉冲以加热冰的界面层。一旦冰的界面层融化，重力就会除去冰。融化冰的界面层所需的热量Q将与时间和功率密度有关，其中该功率被施加到加热元件。图11示出了这种关系，其中Y-轴132表示除冰时间和除冰能量，X-轴133表示加热功率速率W；该时间以秒示出，该功率以千焦/平方米示出。

两条曲线130和131大致与图1的等式1-4给出的理论预测一致。例如，曲线130和131示出了除冰时间与加热功率速率W的平方成反比，而热能Q近似地与加热功率速率W的第一功率成反比。因此，这个脉冲除冰系统减少了为了从物体上除去冰和防止冰在物体上形成而输送到加热元件的平均功率的幅值。

                      HF除冰系统

现在描述HF除冰系统。例如HF除冰系统用于从物体的表面上除去冰。如上所述，HF除冰系统可以融化物体-到-冰界面处的冰的界面层使得冰到该表面的粘着被瓦解，改变，和/或破裂。一旦冰的粘着被瓦解，冰将从该表面除去，如被重力和/或雨刷。

图12示出了根据一个实施例的HF除冰系统140。HF除冰系统140具有插入到非传导性衬底142上的双股缠绕的线圈141。示意性地，冰和/或雪143如示出地粘附到非传导性衬底142的表面144。线圈141可以涂覆有介电层以防止机械和环境劣化和/或防止空气的电击穿。线圈141的绕组以距离D在介电性衬底142上间隔开。当功率供给线圈141时，例如根据图1的等式，HF除冰系统140从表面144瓦解或改变冰和/或雪143的粘附。现在描述HF除冰系统140示例性的操作特点。

典型的冰具有每平方米的容量为：

(等式12-1) $C_i\≅\frac{1.2\×{10}^{-11}}{D\left(m\right)}\frac{F}{m^2}$

且每平方米的HF-电导为：

(等式12-2) $G_i=\frac{0.53\·{10}^{-4}}{D\left(m\right)}\·e^{6670\left(\frac{1}{273}\frac{1}{T\left(k\right)}\right)}\left(\frac{1}{\mathrm{ohm}\·m^2}\right),$

其中D是以米表示和T是以绝对温度表示。空气的电击穿发生的电压V_B大约为：

(等式12-3)V_B≈2.4×10⁶D(m)。

如在海平面计算出的，且使用大约30kV/cm的空气击穿电场，均方根(rms)电压V_B大约为：

(等式12-4)V_B≈1.7×10⁶D(m)。

根据设计优选，为了安全考虑，最大电压被确定为等式(10-4)中的V_B的大约70％。因此，V_max被确定为：

(等式12-5)V_max＝0.7·1.7×10⁶D(m)≈1.2×10⁶D(m)。

结合等式12-2和12-5，最大加热功率W_max被确定为：

(等式12-6) $W_{\max }\left(T\right)=G_i{V}_{\max }^2=0.763\·{10}^8\·D\left(m\right)\·e^{6670(\frac{1}{273}-\frac{1}{T})}.$

HF除冰系统140的除冰时间通过采用根据下面等式的“安全”电压被探索地确定：

(等式12-7) $W(T,V)=W_{\max }\left(T\right)\·{\left(\frac{V}{V_{\max }}\right)}^2.$

假设在线圈141中是0.5mm的导线且为600Vrms安全电压，HF除冰系统140的除冰时间被探索地确定为大约13秒，以便在-30℃的环境温度下融化表面144处的冰143的界面层。其它的除冰时间被探索地确定为：在-20℃的环境温度下大约为4.3秒且在-100℃的环境温度下大约为1.2秒。

已经发现典型的冰的生长速率不超过1.5mm/min。因此，如果想要以大约每三分钟从表面144排泄掉(即除冰)冰143，用于除冰的大约平均功率可以被确定为：

(等式12-8)在-30℃为1.75kW/m²。

用于保持0.2英寸宽的分离条的冰分离的功率密度可通过对每一个等式10-8的功率密度附加八-英寸宽的保护带的功率密度，假设40kW/m²为典型的功率密度。例如，用于具有8-英寸宽的保护带的5mm-宽的分离条的典型的功率密度如下决定：

(等式12-9)W＝40(kwatt/m2)·0.2inch/8inch＝1kwatt/m²

因此，将等式10-9加到等式12-8的功率密度上得到下述结果：

(等式12-8)在-30℃为4.1kW/m²。

因此，HF除冰系统在-30℃(即，4.1kW/m₂)时的功率密度仅是现有技术DC加热器的大约10％。

图13示出了根据一个实施例的另一个HF除冰系统150。HF除冰系统150具有以叉指型电子电路的形式插入到非导电性衬底152上的多个电极154。HF除冰系统150通过将来自HF AC电源155的电能施加给电极154而从表面156上除去冰151。HF除冰系统150具有如下除冰特点：其中加热功率的密度大致与电路大小a和b有关，其中a是电极154之间的距离，b是电极宽度。在一个实施例中，电极154编织为网状。

当电能施加给电极154时，如示出的，电场线153围绕电极154形成。在HF除冰系统150中，电路电导G与由非电导性衬底152上的电场线153产生的每平方米的电路电容G成正比。例如，

(等式13-1) $\mathrm{G\αC}\left(\frac{C}{G}\right)=\left(\frac{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0}{\mathrm{\σ}}\right),$

其中，ε₀是自由空间介电常数(即ε₀＝8.85·10^-12F/m)，ε是冰的相对介电常数，且σ是冰的电导率。假设a＝b，可以得到下面的结论：

(等式13-2) $C\∝G\∝\frac{1}{l}\·\frac{b}{a}\·{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0\∝\frac{1}{l}\∝\frac{\mathrm{\σ}}{l},$

其中l等于a加b，还可以知道作为结构周期。平均电场E是：

(等式13-3)， $E\≈\frac{V}{l},$

其中V是施加给HF除冰系统150的电路的rms电压。因此，每立方米的加热功率W是：

(等式13-4) $W=G{V}^2\∝\frac{\mathrm{\σ}{V}^2}{l}\∝\mathrm{\σ}\·l\·E^2.$

由此，如果最大的加热功率W_max由HF除冰系统150中的最大可能电场E_max(即，击穿电场)限制，那么W_max遵循下述等式：

(等式13-5) $W_{\max }\∝\mathrm{\σ}\·l\·E_{\max }^2.$

因此，在该实施例中，W_max随着l的增加而线性增加。此外，W_max的容积密度W_max ^V与l无关，因为：

(等式13-6) $W_{\max }^V=\frac{W_{\max }}{l}\∝\mathrm{\σ}\·E_{\max }^2.$

因此，为了保持W恒定，E要随着l的增加而减少。因此，E可以如此减少，使得没有电晕放电(即，当使用聚合物衬底和电极绝缘时是有利的)。

实验上，HF除冰系统150在-12℃时，在不同的加热功率和电压和具有a＝b＝75μm的大小的电极的情况下运行(即，当涂覆有5μm的聚酰亚铵薄膜，如Kapton^聚酰亚铵，“Kapton”)。得到下述结果：

(等式13-7) $\left\{\begin{array}{c}W=1\mathrm{kW}/m^2,\mathrm{atV}=80V\\ W=2\mathrm{kW}/m^2,\mathrm{atV}=120V\end{array}\right..$

利用新的尺寸a＝b＝500μm(即，mm的结构周期)，保持功率以新的和前述的结构周期的比率的平方根增长的电压如下述中得到：

(等式13-8) $\left\{\begin{array}{c}{V}^{\′}=\sqrt{\frac{500\mathrm{\μm}}{75\mathrm{\μm}}}\·80V\≈207V(1\mathrm{kW}/m^2)\\ V^{\′}=\sqrt{\frac{500\mathrm{\μm}}{75\mathrm{\μm}}}\·120V\≈310V(2\mathrm{kW}/m^2)\end{array}\right.$

HF除冰系统150的一个优点是：即使在弯曲的表面，其电路可以不用照相平版印刷术制造。电场强度也可以以大致等于l增加的速率减少。

            使用在HF除冰系统中的叉指型电路

下面示出了叉指型电路的实施例和分析，该叉指型电路可以用作HF除冰系统中的加热元件。该加热元件可以构造成接收来自AC电源的HF-AC功率且用于融化物体的表面-到-冰界面处的冰的界面层。一旦冰的界面层融化，根据期望的应用除去冰或将冰再冻结，如在下面部分题目为“摩擦操作的系数的方法”中描述的那些情况。

图14示出了根据一个实施例的图13的HF除冰系统140的分析。在该分析中，增加的

比率对于给定的l被确定。例如，

(等式14-1) $G\∝\frac{1}{l}\·G^{\′},$

其中G’为每单元的电导。由于电导与电容成比例，如下表示的，G’与每单元电容成比例：

(等式14-2) $G^{\′}\∝C^{\′}\·\∝\frac{Q}{V}\∝\underset{a/2}{\overset{(a+b/2)}{\∫}}\frac{E_y\·\mathrm{dx}}{V}=\frac{1}{2}\ln \left(\frac{2a+b}{2a}\right)=\frac{1}{2}\ln \left(\frac{a+1}{2a}\right).$

从等式14-2，加热功率可以如下地确定：

(等式14-3) $W\∝{\mathrm{GV}}^2\∝\frac{G^{\′}}{l}\·V^2\∝\frac{V^2}{l}\·\ln \left(\frac{a+l}{2a}\right)$

(等式14-4) $W\∝\frac{V^2}{l}\ln \left(\frac{a+l}{2a}\right)=\frac{E^2}{l^{\max }}\·a^2\·\ln \left(\frac{a+l}{2a}\right),$

其中0≤a≤l。如图14的曲线图所示，当E保持为常数时，最大加热功率W_max到达点159其中 $\frac{a}{l}\≅0.576$ (即，由于l＝a+b，近似a≈b相对地好)。当a＝b＝0.5l时，加热功率W约等于最大加热功率W_max的97％。图14的曲线图还示出了在各点157和158处10％和90％的比率，其中发现加热功率W为最大加热功率W_max的17％和43％。相对地，当电压保持为常数时，更宽的电极(即，尺寸“b”)增加加热功率的量。

图15示出了根据一个实施例的示例性叉指型电路的组装图160-163。图15的叉指型电路可以用在如上述的HF除冰系统和脉冲除冰系统的除冰系统中。在图160中，通过硬阳极处理厚铝箔171的一侧(即“硬阳极化层172”)最初组装该叉指型电路。在图161中，将硬阳极化铝箔171/172用粘附剂173物理地安装到聚合物衬底174上。一旦硬阳极化铝箔171/172安装到聚合物衬底174上，如图162中所示，通过从整个结构蚀刻和/或切割(patening)铝箔171而形成电极(即，切割的边缘175)。随后，根据设计的选择，将该结构弯曲或调配成需要的形状。如图163所示，将铝箔171剩余的暴露侧硬阳极化从而密封形成的电极以及在由弯曲得到的硬阳极化层172中固化断裂。

同时图160-163示出了形成叉指型电路的一个方法，形成叉指型电路的其它方法也落在这里的范围内。其它方法的例子包括蚀刻和/或切割铜箔以形成铜电极且将该铜电极安装到kapton衬底上。在kapton衬底上的铜叉指型电路的例子在图16中示出。

图16示出了根据一个实施例示例性叉指型电路180的两个图。叉指型电路180包括铜阳极181，叉指型电极182，铜阴极183和kapton衬底184。叉指型电路180可以以类似于图15中讨论的方式形成。图185示出了叉指型电路180的等角图，同时图186示出了俯视图。如图186所示，叉指型电路180的节距也可以由铜阳极181的电极之间的远端距离决定。叉指型电路180的移动限定了交叉电极182的电极和铜阳极181的电极之间间隔。叉指型电路180的宽度限定了阳极181的电极的尺寸。叉指型电路180的宽度也可以限定交叉电极182的电极的宽度尺寸。

叉指型电路180可以通过将电能施加于交叉电极来改变物体和冰和/或雪之间的摩擦。例如，DC电能可以根据图1的等式施加于交叉电极182。在另一个例子中，AC电能可以施加于交叉电极182。

在一个实施例中，叉指型电路180改变与物体与冰或雪之间的自然摩擦随温度的改变相合作的物体的表面-到-冰的界面的摩擦系数。例如，当钢物体“滑板”以3.14m/s的速率在冰上滑动时，在冰上滑板的摩擦系数从-15℃时的0.025掉到-1℃时的0.01。为了增加与滑板直接接触的冰的温度，叉指型电路180可以直接用HF电场加热冰也可以加热滑板的表面。

叉指型电路180可以贴附在通常与冰和雪接触的滑板的表面上。AC或DC电能都可以供给叉指型电路180以加热滑板的表面。例如，根据图1的等式供给滑板的表面的电能可以加热冰和/或表面且改变滑板表面与冰之间的摩擦系数。

在一个实施例中，将HF AC电源供给叉指型电路180以便直接加热冰。当将HF功率供给叉指型电路180的电极时，电场线，如图13的电池线153，，穿过冰的界面层且在冰中产生焦耳电热量，如下所示：

(等式16-1)W_h＝σ_i·E²，

其中W_h是以瓦特每立方米的加热功率，σ_i是冰或雪的电导率，E是电场强度。电场穿过冰或雪到达与距离d或叉指型电路180的电极之间的节距大致相同的深度。因此，加热功率W_h遵循下面的等式：

(等式16-2) $W_h\≈{\mathrm{\σ}}_i\frac{V^2}{d^2},$

其中V是rms AC电压。同时等式16-2的功率W_h与每单元容积电能相关，冰/滑板界面的每平方米功率W_s更相关。为了估计每平方米功率W_s，如前面示出的，由加热层的厚度，近似值d乘以功率W_h。因此，每平方米功率W_s遵循下面的等式：

(等式16-3) $W_s\≈{\mathrm{\σ}}_i\·\frac{V_2}{d}.$

每平方米加热功率W_s可以由电场强度E_b的空气电击穿限定，因此：

(等式16-4) $\frac{V}{d}\≤E_b\≈3\·{10}^{6}V/m$

从等式16-3和16-4可知，测量出的滑板的每单位面积的HF电压的最大加热功率的关系如下：

(等式16-5) $W_s\≤{\mathrm{\σ}}_i\·d\·E_b^2.$

对于大致-10℃时的纯冰，在高频(即，高于10kHz)时冰的电导率大约为2·10^-5S/m。将电导率σ_i的，电场强度E_b的值以及距离d≈0.25mm(即，HF除冰设备中典型的尺寸)带入等式16-5，得到用于HF加热功率的最大限制为：

(等式16-6)W_s≤45kW/m²。

用于将增加冰的界面层的温度增加ΔT的更实际的功率可以根据下面的等式计算出：

(等式16-7)W_speed＝l_D·a·v·ρ·C·ΔT，

其中，v是滑板速度，ρ是冰或雪的密度，a是滑板宽度，C是冰的特定热容量，且l_D是在冰或雪中热扩散长度。热扩散长度l_D如此形成：

(等式16-8) $l_D=\sqrt{D\·t},$

其中t是冰的特定位置与滑板接触的时间，该时间如此形成：

(等式16-9) $t=\frac{L}{v},$

其中L是滑板长度，且D是如下形成的热扩散系数：

(等式16-10) $D=\frac{\mathrm{\λ}}{C\·\mathrm{\ρ}},$

其中λ是冰或雪的热传导率。将等式16-8，16-9和16-10代入等式16-7得到用于改变冰和滑板之间的摩擦系数的下述功率估计值：

(等式16-11) $W_{\mathrm{speed}}=a\·\mathrm{\ΔT}\sqrt{v\·\mathrm{\λ}\·C\·L\·\mathrm{\ρ}}.$

作为实际的数字例子，两个具有大致a＝10^-1m的总宽度和L＝1.5m的长度的雪橇板可以采用叉指型电路180以改变雪橇板和雪之间的摩擦系数。假设雪橇板以v＝10m/s的速度运行，雪的密度ρ是：

(等式16-12) $\mathrm{\ρ}=3\·{10}^2\frac{\mathrm{kg}}{m^3},$

雪的界面层的温度变化ΔT为：

(等式16-13)，ΔT＝1℃，

且雪的特定的热容量C为：

(等式16-4) $C=2\·{10}^3\frac{J}{m\·K}.$

从这些值，可以如下计算出功率需要估计值W_speed，

(等式16-15)W_speed＝134W。

由于在任何给定的时间，仅有雪橇板的非常小的摩擦可以实际与雪接触，功率需要估计值W_speed可以进一步根据下面的等式减小到W_speed或W_{speed-fraction}的摩擦：

(等式16-16) $W_{\mathrm{speed}-\mathrm{fraction}}=\frac{W}{H\·a\·L},$

其中W是滑雪者的重量，H是雪以帕斯卡(Pa)为单位的压强。对于重的滑雪者(即，100kg)且H＝10⁵Pa的情况下，W_{speed-fraction}可以如下计算：

(等式16-17)W_{speed-fraction}≈6.6％。

因此，需要改变摩擦系数的HF功率为：

(等式16-18)W_speed＝134W×0.066≈9W。

虽然这个实施例示出了叉指型电路180应用的一个例子(即用于雪橇板)，但是本领域的技术人员应该理解叉指型电路180可以被采用改变冰和其它物体的表面之间的摩擦系数，包括：例如滑雪板和滑雪鞋。

                    HF除冰系统分析

下面将分析和描述各种HF除冰系统的特定操作特点。在下面的示例性分析中，特定成分值被改变以示出的各种情况，如改变环境情况和/或改变热传递方法。

图17示出了表示冰的电传导率与冰的介电常数之间频率关系的曲线图190。在曲线图190中，Y-轴193表示介电常数ε，X-轴194表示频率。图表190还总结了用于如图16中的叉指型电路180的叉指型电路的HF加热功率。

当电传导性材料放置在电场E中时，每立方米热量密度W如下产生：

(等式17-1)W＝σE²

其中σ是材料电传导率(即，冰的电传导率)。如从等式17-1中证明，热量密度与传导率线性成比例且与电场强度二次地有关。因此，为了提高加热速率，由此，减少除冰时间，可以增加冰的电传导率和/或电场强度。

冰的电传导率与温度，频率和冰中的杂质有关。冰的电传导率通过调节用于改变冰和物体表面之间的摩擦系数的AC功率的频率而示意性地增加。如此，冰的传导率的频率关系可以写为：

(等式17-2) ${\mathrm{\σ}}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\σ}}_s+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}_D^2({\mathrm{\σ}}_{\∞}-{\mathrm{\σ}}_s)}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}_D^2},$

其中σ_s和σ_∞分别是冰的静态和HF传导率，ω是AC功率的辐射频率，且τ_D是冰的介质弛豫时间。

在曲线图190中，在大约-10.1℃的示例性温度环境下，随着频率的增加，传导率发生变化。例如，在曲线191中，随着增加的频率，传导率增加，而在曲线192中，随着增加的频率，传导率减小。因此，曲线191和192示出了通过调节HF加热功率频率而变化冰-物体的界面的传导率的不同的方式。

在曲线图190中，在-10.1℃时，冰在大约10kHz的情况下具有约0.1μS/m的电传导率。当温度减小时，冰的传导率成指数地衰减。因此，在-30℃时的冰的传导率将比-10℃时冰的传导率小约一个数量级。

诸如图16的叉指型电路180的HF除冰设备加热元件的大小可以与冰的传导率和需要的加热速率有关。因此，当使用施加的电压比，电极间的距离为d时在冰的界面层的厚度中产生每平方米的热量W′时，电场强度E遵循下面的等式：

(17-3)E＝V/d。

每平方米的热量W′，由此遵循下面的等式：

(等式17-4)W’＝W·d。

在结合等式17-1至17-4之后，推导出每平方米的加热功率如下：

(等式17-5)W’＝σ·V²/d。

作为一个例子，用于汽车挡风玻璃的典型的加热密度为约1kW/m²和典型的施加的电压V为约100伏特。使用这些值和用于等式(17-5)中的冰的传导率的值得到用于电极的间距的大约为0.1mm的值。同时该例子提供用于电极间距的典型的估计值，其它实施例可以变化。例如，冰的传导率和电极的尺寸也可以与涂覆电极的保护层的厚度和电特性有关。

图18示出了根据一个实施例的表征HF除冰设备的示例性电路200。电路200具有AC电源201，电容器203，电容器204，电阻202，以及电阻205。电阻202连接到电源201和电容器203，且具有表示电源201的内部阻抗的电阻值Rs。电阻205与电容器204并联连接且具有表示冰的阻抗的电阻值Ri。电容器204具有表示冰层电容量的电容值Ci。电容器203连接到电阻205和电容器204，且具有表示除冰电极上的保护介电层的容量的电容值Cd，该除冰电极如在图12中示出和描述的线圈141。在此200表示适合于模拟和分析某些除冰系统的电路结构。

图19-23用图表示出了根据一个实施例的电路200的特定测试分析，其中电路200具有包裹电极的介电层(即，如图16的具有包裹电极的非导电层的叉指型电路180的电路)。在该实施例中，电路200特征由下面的表19-1表示：

表19-1

                ε₀：＝8.85·10^-12

                f：＝10，100..1·10⁵

                ω(f)：＝2·π·f

                T：＝243，244..273

${\mathrm{\τ}}_D\left(T\right):=1.5\·{10}^{-4}\·\exp \left[6670(\frac{1}{T}-\frac{1}{253})\right]$

${\mathrm{\ϵ}}_s\left(T\right):=\frac{25047}{T}$

                ε_inf：＝3.2

${\mathrm{\σ}}_{\inf }\left(T\right):=1.8\·{10}^{-5}\·\exp \left[6670(\frac{1}{253}-\frac{1}{T})\right]$

                σ₀：＝10^-8

$\mathrm{\ϵ}(f,T):={\mathrm{\ϵ}}_{\inf }+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_s\left(T\right)-{\mathrm{\ϵ}}_{\inf })}{1+{({\mathrm{\τ}}_D\left(T\right)\·\mathrm{\ω}\left(f\right))}^2}$

                d：＝10^-7，2·10^-7..3·10^-5

                ε_d：＝9.9

$C_d\left(d\right):=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_d}{8d}$

                I：＝2.5·10^-4

                V＝500

                R_S：＝0

$R_i(f,T,d):=\frac{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}{\mathrm{\σ}(f,T)}$

$C_i(f,T,d):=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·\mathrm{\ϵ}(f,T)}{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}$

$Z_i(f,T,d):=\frac{R_i(f,T,d)}{2\mathrm{\π}\·f\·i\·C_i(f,T,d)\·(R_i(f,T,d)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_i(f,T,d)})}$

$Z(f,T,d):=Z_i(f,T,d)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_d\left(d\right)}$

$I(f,T,d):=\frac{V}{R_S+Z(f,T,d)}\mathrm{\π}$

                P_i(f，T，d)：＝V·Re(I(f，T，d))

                ε_w：＝80

                σ_W＝5·10^-4

$R_w\left(d\right):=\frac{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}{{\mathrm{\σ}}_w}$

$C_w\left(d\right):=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_w}{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}$

$Z(f,d):=\frac{R_w\left(d\right)}{2\mathrm{\π}\·f\·i\·C_w\left(d\right)\·(R_w\left(d\right)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_w\left(d\right)})}$

$Z_w(f,d):=Z(f,d)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_d\left(d\right)}$

$I_w(f,d):=\frac{V}{R_S+Z_w(f,d)}$

             P_w(f，d)：＝V·Re(I_w(f，d))，

其中ε₀是自由空间介电常数，f是增加的频率，ω是作为f的函数的辐射频率，T是以K为单位的增量周围环境温度，τ_D是冰的电介质弛豫时间，ε_s是冰的静态电介质介电常数，ε_inf是冰的高频介电常数，σ_inf是冰的高频传导率，σ₀是冰的静态传导率，ε是冰的介电常数(即，作为频率f和温度T的函数)，σ是冰的传导率(即，作为频率f和温度T的函数)，d是保护电介质层的厚度，ε_d是保护电介质层l的介电常数，V是电压，Zi是冰的阻抗(即作为作为频率f，温度T和距离d的函数)，Z(f，T，d)是具有冰覆盖电极的整个电路的阻抗(即，作为作为频率f，温度T和距离d的函数)，I是施加的电流(即，作为作为频率f，温度T和距离d的函数)，Pi是被输送用于加热冰的功率(即，作为作为频率f，温度T和距离d的函数)，ε_w是水的介电常数，σ_w是水的电传导率，Rw是水的电阻，Cw是水的电容，Z(T，d)是具有覆盖电极的水的整个电路的阻抗(即，作为频率f和距离d的函数)，Iw是施加的电流(即，作为频率f和距离d的函数)，以及Pw是输送到水的功率(即，作为频率f和距离d的函数)。是输送到水的功率(例如，作为频率f和距离d的函数)。用于在下述两种情况电能被计算：当冰覆盖电极时，和当冰被融化且水与电极接触时。

图19示出了在20℃的蒸馏的水中(即曲线210)和-10℃的冰(即曲线211)中产生的加热功率与涂覆在电极的电介质的厚度的关系。在图19中，Y-轴213表示每m²的加热功率，且X-轴212表示以米为单位的电介质涂层的厚度。在该实施例中，涂层为铝涂层。AC功率的频率在大约500伏特rms的电压时为大约20kHz。在大约25μm的涂覆厚度时，用于水和用于冰的加热功率大致相等。

图20示出了在20℃的蒸馏的水中(即曲线220)和-10℃的冰(即曲线221)中产生的加热功率与频率的关系。在图20中，Y-轴223表示以伏特/m²为单位的加热功率，X-轴222表示以Hz为单位的频率。在大约20kHz的频率处，用于水和用于冰的各个加热功率相等。这对于使用于水和用于冰的加热功率相匹配以防止融化冰的除冰设备上的有用的冷或热局部(patch)是有用的。

图21示出了在冰中产生的加热功率(即，曲线230)与温度的关系。在图21中，Y-轴231表示以瓦特/m²为单位的加热功率，X-轴232表示以K为单位的温度。因此，HF除冰设备的电极上的电介质涂层可以用于除冰设备性能的调整。

图22示出了热传导系数(瓦特/m²K)与空气速率(m/s)(即，曲线240)之间的关系。在图22中，Y-轴241表示热传导系数h，且X-轴242表示速率v。图22将有助于用于在平坦的挡风玻璃上的除冰和/或防冰的HF功率的确定计算。用在图22中的挡风玻璃的尺寸为0.5m。在示出的实施例中，电路200作为施加到挡风玻璃的具有不同模式，如除冰模式和防冰模式的HF除冰设备运行。表19-2示出了周于计算用于汽车挡风玻璃的传导热交换系数的MathCad文件：

表19-2

                    v：＝1，1.1..30

                    L：＝0.1，0.2..1

                    Re_tr：＝10⁵

                    ν：＝1.42·10^-5

${\mathrm{Re}}_L(v,L):=\frac{v\·L}{v}$

                    k：＝0.0235

                    Pr：＝0.69

                    Re_L(20，0.5)＝7.042×10⁵

$h(v,L):=\frac{k}{L}\·[0.664{{\mathrm{Re}}_{\mathrm{tr}}}^{0.5}\·{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}+0.036{\mathrm{Re}}_L{(v,L)}^{0.8}\·{\mathrm{Pr}}^{0.43}\·[1-{\left(\frac{{\mathrm{Re}}_{\mathrm{tr}}}{{\mathrm{Re}}_L(v,L)}\right)}^{0.8}\left]\right],$

其中v是空气速度，L是挡风玻璃表面的长度，Re是从10⁵到10⁷的雷诺数的范围，h(v，L)是热传导系数(例如，作为电压和L的函数)，k是空气热传导率，以及Pr是空气普兰德数，以及ν是空气运动粘滞度系数。在该实施例中，在大约30m/s和大约0.5米的长度的热传导系数h(v，L)为89.389w/m²K。因此，图22用图表示出了(曲线240)热传导系数h(v，L)与空气速度的关系。

图23示出了电路200的最小HF功率W_min与对于10m/s(曲线252)，20m/s(曲线251)和30m/s(曲线250)的汽车速率的外部温度T(以°为单位)的关系。在图23中，Y-轴253表示最小HF功率W_min(瓦特/m²)且X-轴254表示温度T。保持挡风玻璃的外表面在大约1℃的最小加热功率W_min如下面的表19-3(MathCad文件)所示的：

表19-3

             S：＝0，0.1..2

             T：＝0，-1..-30

             W_min(v，L，T，S)：＝h(v，L)·S·(1-T)，

其中S是挡风玻璃的面积。

因此，曲线250，251和252将有助于相对于根据使用电路200的汽车的速率v施加功率作出决定。

图24-26用图表示出了图18的电路200的其它的分析，其中电路200具有包裹电极的电介质层(即，如图16中的具有包裹电极的电介质层的叉指型电路180的电路)。在该实施例中，电路200的特征由下面的表24-1表示：

表24-1

             ε₀：＝8.85·10^-12

             f：＝10，100..1·10⁵

             ω(f)：＝2·π·f

             T：＝243，244..273

${\mathrm{\τ}}_D\left(T\right):=1.5\·{10}^{-4}\·\exp \left[6670(\frac{1}{T}-\frac{1}{273})\right]$

${\mathrm{\ϵ}}_s\left(T\right):=\frac{25047}{T}$

             ε_inf：＝3.2

${\mathrm{\σ}}_{\inf }\left(T\right):=1.8\·{10}^{-5}\·\exp \left[6670(\frac{1}{253}-\frac{1}{T})\right]$

             σ₀：＝10^-8

$\mathrm{\ϵ}(f,T):={\mathrm{\ϵ}}_{\inf }+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_s\left(T\right)-{\mathrm{\ϵ}}_{\inf })}{1+{({\mathrm{\τ}}_D\left(T\right)\·\mathrm{\ω}\left(f\right))}^2}$

             d：＝10^-7，2·10^-7..3·10^-5

             ε_d：＝9.9

$C_d\left(d\right):=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_d}{8d}$

             l：＝2.5·10^-4

             V＝500

             R_S：＝0

$R_i(f,T,d):=\frac{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}{\mathrm{\σ}(f,T)}$

$C_i(f,T,d):=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·\mathrm{\ϵ}(f,T)}{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}$

$Z_i(f,T,d):=\frac{R_i(f,T,d)}{2\mathrm{\π}\·f\·i\·C_i(f,T,d)\·(R_i(f,T,d)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_i(f,T,d)})}$

$Z(f,T,d):=Z_i(f,T,d)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_d\left(d\right)}$

$I(f,T,d):=\frac{V}{R_S+Z(f,T,d)}\mathrm{\π}$

             P_j(f，T，d)：＝V·Re(I(f，T，d))

             ε_w：＝80

             σ_w＝5·10^-4

$R_w\left(d\right):=\frac{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}{{\mathrm{\σ}}_w}$

$C_w\left(d\right):\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_w}{4(\frac{3}{2}l-2\·d)}$

$Z(f,d):=\frac{R_w\left(d\right)}{2\mathrm{\π}\·f\·i\·C_w\left(d\right)\·(R_w\left(d\right)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_w\left(d\right)})}$

$Z_w(f,d):=Z(f,d)+\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·i\·C_d\left(d\right)}$

$I_w(f,d):=\frac{V}{R_S+Z_w(f,d)}$

            P_w(f，d)：＝V·Re(I_w(f，d))

其中变量与表19-1中的的相同，但是具有不同的值。例如，σ_W是用于具有5×10^-4S/m的相同值的水的传导率。

图24-26用图表示出了在20℃的蒸馏的水中(图24、25和26中的曲线261、270、281)和-10℃的冰(图24、25和26中的曲线260、271、280)中产生的加热功率与不同的电介质的厚度：10^-5m(图24)，10^-6m(图25)，2·10^-5m(图26)的关系。在图24，25，26中示出的加热功率与AC电源的频率有关。随着频率的增加，用于融化冰的界面层的施加的功率的量达到稳定。AC电压为大约500v。如图24所示，在大约10μm(10^-5m)的涂覆厚度时，用于水和冰的各个加热功率大致相等。

图27-29用图表示出了电路200的某些的试验分析，其中电路200施加给滑板，如下面详细描述。在该实施例中，考虑了滑板下的雪温度变化。电路200的特征可以由下面的表26-1(MathCad文件)表示：

表27-1

$\mathrm{\ρ}:=300\frac{\mathrm{kg}}{m^3}$

             x：＝0，0.0001.0.1m

             C：＝2·10³J/kgK

$\mathrm{\λ}:=0.2\frac{2}{\mathrm{mK}}$

$W:=1\·{10}^3\frac{w}{m^2}$

$D:=\frac{\mathrm{\λ}}{C\·\mathrm{\ρ}}$

             D＝3.333×10^-7

$y(x,t):=\frac{x}{\sqrt{4\·D\·t}}$

$\mathrm{\Δ}(x,t):=\frac{W}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{4\·D\·t}\·{\∫}_{y(x,t)}^{\∞}(1-\mathrm{erf}\left(z\right))\mathrm{dz}$

             t：＝0，0.001..1s

             a：＝0.1m

             L：＝1.5m

             v：＝1，2..30

$W_{\mathrm{speed}}(\mathrm{\Δ},v):=a\·\mathrm{\Δ}\·\sqrt{v\·\mathrm{\λ}\·C\·L\·\mathrm{\ρ}}$

             W_speed(1，10)＝134.164watt，

其中ρ是雪的密度，x是从滑板到雪的内侧的距离，C是雪的热容量，λ是雪的热扩散系数，W是加热功率，D是雪的热传导率，t是施加功率的持续时间，a是滑板宽度，L是滑板的长度，V是滑板的速率，y是积分变量，W_speed是相对于滑板速度的加热功率，以及Δ是过加热温度Δ。

图27示出了雪过加热温度Δ(即度C)相对于距滑板的距离的关系。在图27中，Y-轴295表示过加热温度Δ(℃)且X-轴294表示与滑板的距离(以米为单位)。具有大约1k瓦特/m²的加热功率W，曲线290，291，292和293示出了用于分别具有大约t＝0.1s，0.2s，0.5s和1s的持续时间的加热脉冲的温度关系。图28示出了当施加1000瓦特/m²的HF功率密度时，相对于时间(曲线300)的雪-滑板界面-温度的关系。在图28中，Y-轴301表示过加热温度Δ(℃)且X-轴302表示时间(以秒为单位)。

图29示出了当滑板以大约30m/s的速率运行时界面温度增加1℃需要的加热功率。在图29中，Y-轴311表示加热功率W_speed且X-轴312表示速率v。在该例子中，当滑板以约5m/s行进时，加热功率约为100瓦。加热功率W_speed是相对于速率v的曲线(曲线310)。

图30-35示出了表示通过一个除冰系统的对流的热传递和通过一个HF除冰系统的衬底的热传递的一个分析的图表。在该例子中，示例性地表现出了一固定性解决方案(即恒定功率)的特征。图30示出了假设为圆柱形机翼(飞机机翼的前沿)时热传递系数h_c与空气速率的关系(曲线320)。在图30中，Y-轴321表示热传递系数h_c且X-轴322表示速率v。用于机翼的热传递系数hc将根据下面的表30-1计算：

表30-1(MacthCad文件)

         v：＝89

         D：＝0.03

         v：＝10，11..100

$h_c(v,D):=\frac{v^{0.63}}{D^{0.37}}\·\frac{0.19\·0.024\·{0.69}^{0.36}}{{(1.2\·{10}^{-5})}^{0.63}}\mathrm{watt}/m^{2}K$

         h_c(89，0.254)＝141.057watt/m²K

         h_c(89，0.0254)＝330.669watt/m²K，

其中v是空气速率，D是机翼直径。当使用大约1.9×10⁵的雷诺数时，热传递系数h_c的大致一半将对机翼的前部分作出贡献。

在一个例子中，用在HF除冰设备中的大约165瓦/m²K的热传递系数h_c产生大约每平方米4.5瓦的功率W。除冰设备包括具有热传导系数λ_d的厚度为d的聚合物层。冰在除冰设备上增长厚度L。冰的热传导系数是λ且被加热的冰的界面层的厚度为大约一个中间电极间距，或大约0.25mm。冰的界面层的稳态过加热温度Δ＝T_i-T_a，其中T_i是界面温度，且T_a是外界环境温度，将根据下面的表30-2(MathCad文件)计算：

表30-2

$W:=4500\frac{w}{m^2}$

         d：＝0.002m

$h:=165\frac{w}{m^{2}K}$

         L：＝0，0.0001.0.01m

         I：＝0.00001，0.00002.0.001m

$\mathrm{\λ}:=2.22\frac{w}{\mathrm{mK}}$

${\mathrm{\λ}}_d:=0.35\frac{w}{\mathrm{mK}}$

$\mathrm{\Δ}(L,l,{\mathrm{\λ}}_d):=W\·d\·\left[\frac{h\·L+(\mathrm{\λ}-l\·h)\·(1-\exp \left(\frac{-L}{l}\right))}{h\·(\mathrm{\λ}\·d+L\·{\mathrm{\λ}}_d)+\mathrm{\λ}{\·\mathrm{\λ}}_d}\right]$

图31示出了以℃为单位的稳态(固定性解决方案)过加热Δ与以米为单位的冰的厚度的关系。在图31中，Y-轴335表示过加热Δ，且X-轴336表示厚度L。曲线330示出了在假定除冰设备和机翼之间有一理论地完全隔离层的情况下，以℃为单位的稳态过加热与以米为单位的冰的厚度的关系，同时曲线331示出了对在除冰设备和机翼之间2mm厚的特氟纶薄膜的关系。当冰的厚度超过大约1mm时，除冰性能最大化(点333用于理论上完全隔离的层，以及点334用于2mm厚的特氟纶薄膜)。

图32示出了假设完全隔离层和1cm厚的冰的情况下，以℃为单位的稳态过加热和以米为单位的电极尺寸的关系(曲线340)。在图32中，Y-轴341表示过加热Δ，且X-轴342表示电极尺寸1。在该例子中，可以看见在冰的界面层上的鼓泡。鼓泡是冰蒸发的结果(即蒸汽)且是过热超过110℃的证明。

当用在操作环境中时，除冰设备可以具有好于实验室环境中得到的特性。例如，在机翼上增长的大气冰具有与固体冰不同的物理特性。大气冰可以包括未结冰的水和/或气体鼓泡。这些对于大气冰的附加物将减少并的热传导率和密度。为了说明，水的热传导率大约为0.56w/mK，相对的固体冰的热传导率大约为2.22w/mK。冰的界面层(即冰邻接于除冰设备的层)比剩余的冰热一些且可以包括水。

通过使冰的热传导系数λ近似为约0.5w/mK和2.22w/mK之间的一数，可使在操作环境情况下使用的热交换除冰设备模型化。根据下面的表30-3计算的一个例子：

表30-3

$W:=4500\frac{w}{m^2}$

         d：＝0.002m

$h:=165\frac{w}{m^{2}K}$

         L：＝0，0.0001..0.01m

         l：＝0.00001，0.00002.0.001m

$\mathrm{\λ}:=1\frac{w}{\mathrm{mK}}$

${\mathrm{\λ}}_d:=0.35\frac{w}{\mathrm{mK}}$

$\mathrm{\Δ}(L,l,{\mathrm{\λ}}_d)=:=W\·d\·\left[\frac{h\·L+(\mathrm{\λ}-l\·h)\·(1-\exp \left(\frac{-L}{l}\right))}{h\·(\mathrm{\λ}\·d+L\·{\mathrm{\λ}}_d)+\mathrm{\λ}\·{\mathrm{\λ}}_d}\right]$

图33示出了以℃为单位的稳态(固定性解决方案)过加热Δ与以米为单位的冰的厚度的关系。在图33中，Y-轴355表示过加热Δ，且X-轴356表示厚度L。曲线350示出了假设在除冰设备和机翼之间有一理论地完全隔离层的情况下，以℃为单位的稳态过加热与以米为单位的冰的厚度的关系，同时曲线351示出了对在除冰设备和机翼之间2mm厚的特氟纶薄膜的关系。当冰的厚度超过大约1mm时，除冰性能最大化(点352用于理论上完全隔离的层，以及点353用于2mm厚的特氟纶薄膜)。

在除冰电极附近的非均质电能分布也可以导致冰的界面层的鼓泡。例如，由于电场强度的变化，电极表面的局部的功率密度可以超出平均功率约一个数量级的大小。如此，在功率超出平均功率的位置，电极可以比其它位置更快地加热冰的界面层，从而产生蒸汽。

与解决方案相关的时间的结果可以不同于稳态解决方案结果。例如，由于冰是具有低热扩散系数的材料，当施加HF功率给冰的界面层，“热波”穿过该冰。因此，冰的薄层可以认为是冰的热隔离层。如此，除冰设备将主要将功率仅施加给那一层。与温度有关的时间曲线Δ(x，t)(图34的曲线360，361，362和363)将根据下面的表30-4计算出：

表30-4(Mathcad文件)

$\mathrm{\ρ}:=920\frac{\mathrm{kg}}{m^3}$

$C:=2\·{10}^3\frac{J}{\mathrm{kg}\·K}$

          x：＝0，0.0001.0.1m

$\mathrm{\λ}:=1\frac{w}{\mathrm{mK}}$

$W:=4.5\·{10}^3\frac{w}{m^2}$

$D:=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρ}\·C}$

$y(x,t):=\frac{x}{\sqrt{4\·D\·t}}$

$\mathrm{\Δ}(x,t):=\frac{W}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{4\·D\·t}\·{\∫}_{y(x,t)}^{\∞}(1-\mathrm{erf}\left(z\right))\mathrm{dz}$

         t：＝0，0.1..1000s

         D＝5.435×10^-7，

其中ρ是冰的密度，C是冰的热容量，λ是冰的热传导系数，x是距加热器的距离，W是施加的每平方米功率，D是热扩散率，t是施加功率的持续时间(即作为热脉冲)。图34示出了当将大约4.5k瓦特/m2的功率W施加给具有1W/mK的热传导系数λ的固体冰，未结冰水和气体鼓泡的大气冰的混合物时，对于200s，100s，25s和5s的各个时间值的曲线360，361，362和363。在图34中，Y-轴365表示过加热Δ且X-轴366表示距加热器的距离x。

界面温度(即，冰的界面层的温度)具有根据下表30-5计算出的典型的扩散时间τ。

表30-5(MathCad文件)

            L：＝10^-2

$\mathrm{\τ}::=\frac{L^2}{D}$

            τ＝184s

图35通过表示以℃为单位的界面过加热温度Δ与时间的关系示出了界面温度如何与时间相关。在图35中，Y-轴371表示过加热Δ且X-轴372表示时间。当施加短脉冲加热时，可以使热能最小化且仍然能够融化冰的界面层。例如，热能可以根据下面的表30-6计算出：

表30-6(MathCad文件)

$\mathrm{\Δ}\left(t\right):=\frac{W}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{4\·D\·t\·}{\∫}_0^{\∞}(1-\mathrm{erf}\left(z\right))\mathrm{dz}$

$\mathrm{\Δ}\left(t\right):=2\·\frac{W}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{\frac{D\·t}{\mathrm{\π}}}$

$t\left(\mathrm{\Δ}\right):={\left(\frac{\mathrm{\Δ}\·\mathrm{\λ}}{2\·W}\right)}^2\·\frac{\mathrm{\π}}{D}$

$Q\left(W\right):={\left(\frac{\mathrm{\Δ}\·\mathrm{\λ}}{2}\right)}^2\·\frac{\mathrm{\π}}{D\·W},$

其中t是达到冰的界面层的需要的过加热温度Δ花费的时间，且Q是达到该温度需要的总热能。如图1所示，总热能Q基本上与施加的功率W成反比，从而采用具有保存整个电能的更高功率输出的除冰设备。

                     热传递除冰系统

在下面的实施例中，描述热传递除冰系统。热传递除冰系统可以用于从物体的表面除去冰。在一些实施例中，下面的系统也可以用于融化冰的界面层且调节物体的表面到冰的界面的摩擦系数。在一个例子中，这样的热传递除冰系统存储热能且将热能从加热源(加热供应)间歇地传递到加热元件。

图36示出了根据一个实施例的热传递除冰系统460。以两个状态460A和460B示出了热传递除冰系统460。热传递除冰系统460包括电源464，热隔离体462，加热元件466，隔膜470以及隔膜阀468。热传递除冰系统460构造成用于除去物体的表面(即包括隔膜470的外表面471)的冰，这些物体如飞机，飞机机翼，轮胎，汽车挡风玻璃，船，飞机，道路，桥，人行道，冷藏库，冰箱，建筑物，飞机跑道以及窗户。热传递除冰系统460可以提供热存储器使得一旦存储了热量，其可以在需要时以热脉冲施加给冰-物体界面。电源464可以包括开关电源，电池，电容器，飞轮，和/或高压电源。电容器可以是特级电容器或超级电容器。

在状态460A，隔膜470通过隔膜阀468而充入气体。典型的气体可以包括空气或具有热隔离特性的其它气体。将施加到加热元件466的功率转换为存储在加热元件466中的热能的幅值。如在状态460B中所示，存储在加热元件466的热能通过抽气隔膜470传递到界面层473。当对隔膜470抽气时，热能从加热元件466传递到界面层473以便融化界面层473，使得除去冰472。在一个实施例中，保持状态460B足够长的时间以便融化冰472的界面层。

图37示出了根据一个实施例的一个热传递除冰系统480。以两个状态，480A和480B示出了热传递除冰系统480。热传递除冰系统480包括电源484，热隔离体486，以及加热元件482。热传递除冰系统480构造成用于从物体493的表面491除去冰492。物体493可以是这里的讨论的物体的种类。热传递除冰系统480可以提供热存储器使得一旦存储了热量，如果需要，其可以以热脉冲的形式供给表面491处的冰-物体界面，从而融化界面层冰。

在状态480A中，示出的加热元件482为两层，482A和482B，其将热隔离体486“夹”在中间。热隔离体486可移动地附连在加热元件层482A和482B之间，使得如状态480B所示，两个层滑动到彼此接触。电源484将一幅值的功率提供给加热元件482。电源484可以是如图36中描述的一个或多个电源。将施加到加热元件482的功率转换成热能。当层482A与层482B接触时，热能以足够融化界面层的量从加热元件482传递到冰492的界面层。在一个实施例中，加热元件层482A和482B频繁地彼此交叉移动使得热隔离体486周期性地热隔离层482A和482B且使得热能周期的传递到表面491处的冰的界面层。热能的周期性传递将平均能量提供给界面层以保持物体与冰分开。

加热元件482可以由诸如金属，金属合金箔，绝缘衬底上的薄金属层，衬底上的薄金属氧化物层，基本透明的导体，导电性聚合物薄膜，导电性喷涂，导电性粘合剂，金属丝网和导电性纤维的导电材料形成。透明导体的例子包括SnO2，ITO，TiN，以及ZnO。导电性纤维的例子包括碳纤维。

图38示出了根据一个实施例的热传递除冰系统500。热能量传递除冰系统500包括电源504，加热元件502，水泵508，水箱506，以及管子510。热传递除冰系统500构成用于从物体的表面511除去冰512。热传递除冰系统500可以作为热存储器操作使得一旦存储了热量，其可以以热脉冲的形式供给表面511处的冰-物体界面。

电源504将功率提供给加热元件502。电源504可以是图36中描述的一个或多个电源。提供到加热元件502的功率转换为热能。加热元件502在水箱506中将热传导性液体的温度升高。热传导性液体可以包括水或其它热传导性液体。用泵508通过管子510泵送该热传导性液体。当热传导性液体被泵入管子510，热能被传递到表面511处的冰512的界面层。当热能被传递到界面层时，冰512的粘着从表面511分裂开。在一个实施例中，热传导性液体频繁地被泵508通过管子510进行泵送，从而使得热能基本周期性地传递到界面层，以便将平均热能提供给界面，保持物体与冰分离。

图39示出了脉冲除冰系统520，示出的系统520与具有先前描述的系统(即，图1的系统10)的图37和38中热传递除冰系统不同。在该实施例中，冰528说明性地粘附在物体-冰界面相邻表面531的表面531上。脉冲除冰系统520包括电源524，一个或多个加热元件526，以及层522A和522B。脉冲除冰系统520构造成用于从层522B的表面531除去冰528。例如，层522B是将被除冰的物体，如挡风玻璃。

加热元件526被埋置在层522B中且电连接到电源524，以从其接收功率。在一个实施例中，层522A和522B由用在挡风玻璃中或作为挡风玻璃的基本透明的材料形成。当电源524将功率供给加热元件526(其也可以是透明的)，热能从加热元件526辐射且使冰528对层522B的表面531的粘连破裂。在一个实施例中，电源524根据图1的等式将功率提供给加热元件526。例如，电源524可以图36中描述的一个或多个电源。

这样，提供到加热元件526的功率转换为热能。热能传递到表面531处的冰528的界面层以便使表面531上的冰528的粘附破裂。在一个实施例中，功率频繁地脉冲到加热元件526，从而使得基本周期性的热能传递到界面层，具有如等式1-1中描述的周期性持续时间。

比较起来，热传递除冰系统的电源(例如分别是图37和38的电源484和504)将功率输送到加热元件，该加热元件依次产生热能。然后，该热传递除冰系统存储热能直到作为热能施加到冰-到-物体界面。

脉冲除冰系统520的加热元件526可以由例如金属，金属合金箔，介质衬底上的薄金属层，衬底上的薄金属氧化物层，基本透明的导体，导电性聚合物薄膜，导电性喷涂，导电性粘合剂，丝网和/或导电性纤维的材料制成。透明导体的例子包括SnO2，ITO，TiN，以及ZnO。导电性纤维的例子包括碳纤维。加热元件526也可以包括构造成用于将功率转换为热能的半导体装置。通过使用多个加热元件526，总的功率需要可以被分段或离散地确定。例如，相比较于融化整个表面531的冰的界面层，表面531的片段535基本上需要更少的能量来融化该区域中的冰的界面层。因此，当跨过该片段或部分的连续的脉冲在时间上离散地从所有的表面531破裂冰528，用于破裂冰528的粘附的瞬时的功率需求减少。

图40示出了根据一个实施例的一个热传递除冰系统540。热传递除冰系统540包括热导体542(即，“热板”)，介质板546以及加热元件544(即，薄金属箔)。热传递除冰系统540构造成用于通过将热能脉动到冰545而融化物体冰545的界面层。例如，热传递除冰系统540可以物体表面被定位使得当加热功率供给加热元件544时，冰的界面层545被融化。

在一个实施例中，热导体542将功率转换为热能。热能从热导体542通过介质板546上的孔547传递到加热元件544。在一个例子中，热导体542振动使得当热导体542接触加热元件544时，热导体542将热能传递到加热元件544，该加热元件544进而融化冰的界面层。根据热传递除冰系统540的应用，融化冰的界面层对于从物体的表面除去冰，防止冰在表面上形成，或改变冰的粘附强度以及改变冰和物体之间的摩擦系数是有用的。

在一个实施例中，热传递除冰系统540用作为“脉冲制动”，其中当热导体542接触贴附在滑板的基部的加热元件544时，加热脉冲从热导体542传递到加热元件544，其中该滑板与冰接触。当需要制动时，热导体542接触加热元件544几毫秒，通过介质板546中的孔547，在冰融化的地方产生“热点”。在热导体542撤回后，融化的地点通常在几毫米内冻结，提供滑板基部和冰之间的联接。

脉冲制动的一个参数是冰/雪融化且然后再冻结花费的时间。当界面冷却发生在冰或雪与滑板基部之间时，时间t_cool可以估计为：

(等式40-1) $t_{\mathrm{cool}}\≈{[\frac{Q}{S}\·\frac{1}{(T_m-T)(\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{snow}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{snow}}\·c_{\mathrm{snow}}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ski}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ski}}\·c_{\mathrm{ski}}})}]}^2,$

其中，Tm是冰融化的温度，T是周围环境温度，λ是热传导系数，ρ是材料密度，c是材料热容量(下标为“snow″表示冰和/或雪而下标为”ski″表示用作滑板基部的材料)，W是每平方米功率，Q是耗费的热能，S是滑板基部的面积。

图41示出了根据图36的一个实施例制造和测试的一个热传递系统560。在该实施例中，热传递系统560包括两个直径约为六英寸且厚度为1mm的铝盘562和563。在一个实施例中，盘562和563的内表面重叠且磨光以减小光发射度。盘562和563的外部表面被大约15％的硫酸溶液阳极化以实现大约10μm到12μm厚度的氧化铝薄膜(硬阳极化)。盘562和563通过橡胶O-形环570B连接到胶质玻璃环572。盘562和563进一步通过橡胶O形环570A连接到胶质玻璃环572，且由此到阀571。

热传递系统560还包括贴附在盘563上的加热元件565且该热传递系统560构造成接收来自电源566的电能，从而将该功率转换为热能。加热元件565包括压封装成Kapton聚酰亚胺衬底568的碳箔。热电偶564可以借助于导热粘结剂通过加热元件565中的孔579贴附到盘563。在该实施例中，当加热元件565将热传递给盘563时，热电偶564构造成控制盘562的温度。在一个实施例中，电源566是构造成提供大约20V的DC电源。

真空泵可以物理地连接到阀571以使“冷”和“热”盘接触且将来自热盘的热能传递到冷盘。例如，当电源566将功率提供给加热元件565时，加热元件565将该功率转换为热能且将该能量传递到盘563，由此产生热盘。真空泵从腔室573抽走空气以便使腔室573压缩且使盘562与盘563(即，冷盘)接触。一旦盘562接触盘563，盘563的热能传递到盘562。当不再需要热能的传递时，真空泵用空气对腔室573充气以分开盘562和563。

在大约-10℃时，在盘562上增长冰且热传递系统处于垂直位置，当将大约10-25瓦的功率施加给加热元件565时，其将盘563加热到大约20℃。当真空泵从腔室573抽走空气时，使得盘562和563彼此接触，冰577通过重力从盘562除去。虽然在腔室573中通常使用的是空气，可替换地，其它热绝缘气体也可以用在腔室573中。

                  热传递除冰系统分析

在下面的描述中，将分析各个热传递除冰系统并且示出它们的操作特性。例如，分析各种材料的特性，如具有公知电容的(即图18的Ci)在某一温度的冰。在这些分析中，分量的值示出了各种情况，如环境情况和/或热传递方法。

图42-46示出了表示热传递除冰系统一个示例性分析的图表。在该例子中，热传递除冰系统具有第一和第二热导体和具有相等的热容量的加热元件。该系统的特征表现为具有跨过气隙的自然对流热交换Nu，其中加热元件加热第一热导体，从而当两个热导体彼此接触时使第二热导体达到大约275.5K的温度。这种系统的特征可以由下面的表42-1表示(计算图41的盘562，563之间的空气自然对流的努塞尔特数)：

表42-1(MathCad文件)

            v：＝1.57·10^-5

            L：＝0.0125

            g：＝9.8

$\mathrm{\β}:=\frac{1}{273}$

            Pr：＝0.69

            T_m：＝273

            T_s：＝243，244..273

            T_h(T_s)：＝2·T_m-T_s+5

            Δ(T_s)：＝T_h(T_s)-T_s

(即加热器和环境之间的温差)

${\mathrm{Ra}}_L\left(T_s\right):=\frac{g\·\mathrm{\β}\·L^3\·\mathrm{Pr}\·\left(\mathrm{\Δ}\left(T_s\right)\right)}{v^2}$

            Ra_L(243)＝1.276×10⁴

${\mathrm{Nu}}_1\left(T_s\right):=0.0605{\mathrm{Ra}}_L{\left(T_s\right)}^{\frac{1}{3}}$

${\mathrm{Nu}}_2\left(T_s\right):={[1+{\left[\frac{0.104{\mathrm{Ra}}_L{\left(T_s\right)}^{0.293}}{1+{\left(\frac{6310}{{\mathrm{Ra}}_L\left(T_s\right)}\right)}^{1.36}}\right]}^3]}^{\frac{1}{3}}$

其中T_s是衬底材料(盘562)的温度，T_h是加热元件(盘563)的温度，v是空气运动速率，L是盘562和盘563之间的距离，g是重力加速度，β是空气热膨胀系数，P_r是空气普兰德数，Tm是冰融化温度，Ts是盘562的增量温度，Δ是温度差，R_a是雷利数，N_u1和N_u2是努塞尔特数。

因此，图42示出了(在曲线580中)努塞尔特数与外部温度(冷盘562)的关系。表42-2计算出盘562，563之间的自然对流热传递率：

表42-2(MathCad文件)

            λ_a：＝0.025

$W_c\left(T_s\right):=\frac{{\mathrm{\λ}}_a\·\mathrm{Nu}\left(T_s\right)\·\mathrm{\Δ}\left(T_s\right)}{L}$

$\frac{W_c\left(243\right)}{2}=91.887\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$

其中λ_a是空气的热传导系数，且W_c/2是当加热器将盘563从T_s加热到T_h时的平均热传递率。在图42中，Y-轴581表示对流N_u且X-轴582表示衬底材料的温度T_s。热Wc通过气隙的平均损失如图43中所示(曲线590)。在图43中，Y-轴591表示对流热传递W_c/2且X-轴592表示衬底材料的温度T_s。

图44示出了通过后绝缘(即，在第一热导体后的绝缘，曲线600)的热传递Win。在该实施例中，该绝缘是具有大约0.025m的厚度l和大约0.026的热传导系数λ_a的刚性聚亚胺酯泡沫。该热传递Win可以根据下面的表42-3计算出(通过后绝缘层的热损失)：

表42-3(MathCad文件)

$W_{\mathrm{in}}\left(T_s\right):=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{in}}\·\mathrm{\Δ}\left(T_s\right)}{l}$

$\frac{W_{\mathrm{in}}\left(243\right)}{2}=33.8\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$

因此，通过气隙的放射性热传递Wr可以根据下面的表42-4计算出(通过辐射的热损失)：

表42-4(MathCad文件)

         ε：＝0.04

         σ：＝5.67·10^-8

$W_R\left(T_s\right):=\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\σ}\·(T_h{\left(T_s\right)}^4-{T_s}^4)$

$W_R\left(243\right)=12.502\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$

其中ε是盘561和563的发射度，且σ是斯特潘-玻耳兹曼常数。从表42-4可知，放射性热传递W_R可被绘制为图44中温度T_s的函数的曲线(T_s和T_m如上定义)。在图44中，Y-轴601表示放射性热传递W_R且X-轴602表示衬底材料的温度T_s。

图45示出了来自加热元件的总的平均热损失W(曲线610)。在图45中，Y-轴611表示总的平均热损失W且X-轴612表示衬底材料的温度Ts。因为Tm和Th之间的加热元件循环的温度，加热元件和环境之间的平均温度差基本为(3/4)*(T_h-T_s)。总的平均热损失W可以根据下面的表42-5计算(到环境的总的热损失)：

表42-5(MathCad文件)

$W\left(T_s\right):=\frac{3}{4}\·\left((W_c\left(T_s\right)+W_{\mathrm{in}}\left(T_s\right)+W_R\left(T_s\right))\right)$

$W\left(243\right)=197.907\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$

$W\left(253\right)=127.163\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$

$W\left(263\right)=63.602\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$

图46示出了来自用在一个热传递除冰系统的电源的平均功率Wm。在图46中，Y-轴623表示平均功率Wm和X-轴624表示温度。平均功率结果被示作为三个周围冷板温度T_s的函数(曲线620，621和622)。将加热元件从衬底的温度Ts加热到Th花费的热量Q的总量计算为两个分量Q1和Q2。Q1是由于加热元件的热容量的热能且Q2是从加热器传递到环境的热能(来自系统的总能量损失)。热能Q的总量可以根据下面的表42-6计算：

表42-6(MathCad文件)

          d：＝0.001

          t：＝1，2..300

          C_s：＝900

          λ_s：＝170

          ρ_s：＝2700

          C_i：＝2000

          ρ_i：＝920

              λ_i：＝2

              Q₁(T_s)：＝d·C_s·ρ_s·(T_h(T_s)-T_m)

$Q_1\left(243\right)=8.505\×{10}^4\frac{\mathrm{Joul}}{m^2}$

              Q₂(T_s，t)：＝W(T_s)·t，

其中d是加热元件厚度，t是热交换的持续时间(例如，对于热脉冲)，C是材料热容量，λ是热传导系数，ρ是材料密度(下标“i”表示冰/或雪且下标“s”表示用于大多数铝合金的衬底材料)，T_s是衬底的温度，T_h是加热元件的温度，且T_m是冰的温度。来自用于这个例子中的热传递除冰系统(每三分钟(180s)除冰)的电源的平均功率可以根据下面的表42-7计算：

表42-7(MathCad文件)

$W_m(t,T_s):=\frac{Q_1\left(T_s\right)}{t}+W\left(T_s\right)$

$W_m\left(\mathrm{180,243}\right)=670.407\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$ (例如，曲线620)

$W_m\left(\mathrm{180,253}\right)=464.663\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$ (例如，曲线621)

$W_m\left(\mathrm{180,263}\right)=266.102\frac{\mathrm{watt}}{m^2}$ (例如，曲线622)

在一个例子中，具有上述特点的除冰系统对于机翼(即，飞机机翼)除冰设备是有用的。这种除冰系统可以由1mm厚的铝合金制成且连接到小机翼的前沿的后面(即飞机机翼前面暴露的部分)。在该例子中，机翼具有大约20cm的跨度和大约5cm的厚度；除冰设备的大小大约为20cm×10cm。在大约142km/h的空气速度，和大约-10℃的具有约20μm水滴的情况下，大气冰形成在机翼上。在冰增长大约5mm到10mm的厚度以后，计算机系统(图6的控制器78)指示电源将功率供给除冰设备以融化机翼表面上的冰的界面层，使得冰在机翼表面上的粘附基本被改变和/或破坏。然后可以通过空气曳力从机翼表面除去冰。制造和测试这个例子的机翼系统，证明了与表42-7的理论预测非常接近的性能。

                 摩擦系数处理的方法

在下面的实施例中，改变物体表面(即，滑板的部分)和冰/或雪之间的摩擦系数。在一个例子中，诸如图4的系统40的系统采用图1的等式以影响滑板和雪之间的摩擦系数(即结合图47和48描述的)。这种系统有助于由具体的应用决定的物体表面和雪之间的增加或减少摩擦力。例如，这里描述的某些的滑板采用这种系统作为脉冲制动以在滑板穿过雪时制动滑板。

图47和图48示出了根据一个实施例的诸如雪橇或汽车轮胎的滑板的特性。该滑板包括滑板衬底632和加热元件633。加热元件633贴附在滑板衬底632上且可以直接与冰和/或雪630接触。加热元件633构造成用于接收来自电源的功率，例如根据图1的等式。

图48示出了当功率以脉冲的形式施加给加热元件633时在滑板衬底632和冰630中的温度扩散。例如，图48示意性的示出了沿着X-轴636在给定的时间t内热通过冰630和衬底632的热扩散距离，作为沿着在冰-物体界面处的T-轴639的温度变化T的函数。曲线t1表示在给定的脉冲持续时间进入到冰630和衬底632中的热量扩散导致的温度变化。如示出的，曲线t1的峰值在T-轴639的某一温度638，温度638足以融化冰630的界面层。曲线t1下面阴影的面积表示融化的界面层。

在将功率供给加热元件633之前，周围环境温度由点637表示。一旦将功率脉冲供给加热元件633，元件633的温度开始上升，且传递到冰630一定距离631(冰630的界面层距离)并传递到衬底632。该温度升高到冰开始融化的点635且继续升高供给脉冲功率的持续时间。热能融化冰630的薄的界面层(m)。一旦将该功率从加热元件633除去，温度开始掉到熔点635以下，曲线t2。随着加热元件633的温度降低，在滑板衬底632上的冰630的粘附由于再次冻结而改变。该再次冻结增加了冰630在滑板衬底632上的粘附且有助于在加热元件633的界面处制动滑板。

在一个实施例中，滑板的特性遵循图10的等式。在与X-轴重合的长度L上的扩散时间t可以为下面的形式：

(等式11-1) $t=\frac{L^2}{D},$

其中D是前面由下面的等式设定的热扩散系数：

(等式11-2) $D=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}},$

其中λ是热传导系数，ρ是材料密度，c是材料热容量。因此，等式11-1和11-2示出了在冰630和衬底632中捕获的热能扩散的距离与时间t的平方根成正比。施加给加热元件633的功率的持续时间越短由此影响的冰的界面层越薄。在一个实施例中，施加给加热元件633的时间t和能量Q-将冰630的界面层从周围环境温度T加热到熔点温度Tm(熔点638)-遵循图1中讨论的等式。

图49示出了一个滑板640，以便示出在冰-物体界面摩擦变化的测试。滑板640包括丙烯酸滑板644，力传感器642以及诸如具有约12.5μm到25μm厚度范围的Ti箔加热元件646。滑板640采用通过例如根据图1的等式将热能脉冲到与滑板640邻接的冰641的界面层而融化该界面层。功率可以在端子645和647施加给加热元件646，使得加热元件646融化冰641的界面层。一旦冰641的界面层被融化，由于更冷的周围环境温度允许冰的界面层再次冻结，从而提供冰641和滑板644之间的联接。

力传感器642示意性地接收关于从滑板644向冰641施加的力的信息。力传感器642可以将这种信息中继给用于决定如何将功率施加给加热元件646的控制器643。然后，诸如这里描述的电源将功率提供给加热元件646，从而融化冰641的界面层。融化冰641的界面层改变了冰641与滑板640的粘附强度且改变了冰641与滑板644之间的摩擦系数。

图50和51示出了根据一个实施例的雪橇形式的滑板650的应用。滑板650包括金属加热元件652，如Ti箔，该金属加热元件与雪橇表面651连接，该雪橇表面与雪653接触。加热元件652构造成通过例如根据图1的等式将能量脉冲到雪653的层而融化与表面651面接的雪的界面层。例如，通过这里描述的几个装置之一将功率供给加热元件652。一旦雪653的界面层被融化，由于更冷的周围环境温度使雪的界面层再次冻结，且提供雪653和表面651之间的联接。该联接通过改变冰和滑板650之间的摩擦系数而提供提高的对于雪653的摩擦力。

如图51所示，滑板650还可以包括结合层(binding)658。开关660位于结合层658中以便控制功率输送给加热元件652的方式。开关660的一个例子是机械开关。开关660还可以包括手动开关，雪橇运动开关，压力起动开关，加速计，遥控开关，和/或运动传感器；每一个这种开关可以用于滑板650以激励冰的界面层的加热和再次冻结，从而提供需要的摩擦系数。

特别地，图50进一步示出了加热元件652可以贴附在雪橇654上的方式。在图51中，滑雪靴656插入到结合层658中。如果需要，滑雪靴656可以用于控制开关660，使得将功率提供给加热元件652。功率可以通过这里描述的电源提供。在一个实施例中，当滑雪靴656触发开关660时，开关660将功率从电源传导到加热元件652以便融化雪653的界面层，由此改变雪橇654和雪653之间的摩擦系数。

图52示出了滑雪板674形式的一个滑板670。滑板670包括贴附到滑雪板674的底部表面675上的加热元件672；表面675在滑雪板674运行期间与雪接触。滑板670的运行特性可以与图50和51的雪橇654的特性相似。加热元件672也可以位于滑雪板674的内部，但是根据一个实施例，其与表面675热连通。

图53示出了鞋684形式的一个滑板680。滑板680包括贴附到后跟688和鞋底686上诸如Ti箔的金属加热元件682；当人在雪或冰上行走时，后跟688和鞋底686接触雪或冰。加热元件682也可以位于鞋684(或后跟686)内，只要它们与后跟688的外部大部分表面热连通即可。加热元件682可以由溅射到聚合物衬底(即，Kapton，ABS)或陶瓷衬底(即，玻璃陶瓷，氧化锆陶瓷)上的薄导电性薄膜(即，TiN薄膜，Cr薄膜)制成。将功率施加给加热元件682，使得加热元件682融化与后跟和/或鞋底688，686邻接的冰的界面层。一旦冰或雪的界面层被融化，由于更冷的周围环境温度允许冰或雪的界面层再次冻结，且提供冰或雪和后跟和/或鞋底688，686之间的联接。例如如结合图1描述的，将功率提供给加热元件652。在一个实施例中，滑板680采用小电池683(即，D-单元电池)作为电源。一开关，例如图4的开关48，将来自电源的功率连接到加热元件682。在一个实施例中，当用户触发开关时，开关将来自电池683的功率传导到加热元件682，从而融化冰或雪的界面层且改变鞋684和冰或雪之间的摩擦系数，有助于鞋684的摩擦。

图54示出了轮胎692形式的一个滑板690。滑板690包括嵌入轮胎692中的金属加热元件694。将功率施加给加热元件694，使得加热元件694融化冰或雪693的界面层。一旦冰693的界面层被融化，由于周围环境温度使冰的界面层再次冻结，且提供冰/雪693和轮胎692之间的联接。可以通过这里讨论的多个技术之一将功率提供给加热元件694。在一个实施例中，滑板690采用汽车电池作为电源。

在一个例子中，加热元件694包括构造成用于接收功率且将该功率转换为热能以便融化与轮胎692接触的冰/雪693的界面层的细金属丝。此外，滑板690可以包括控制器，例如图6的控制器78，从而可控制地根据图1的等式施加该功率。在一个实施例中，用户激励开关(即，与这里的描述的其它实施例相似)，使得当轮胎692和覆盖有冰和雪693的道路表面之间需要附加的摩擦力时，将功率施加给加热元件694。在一个实施例中，当用户通过按压汽车中控制台上的预构型按钮触发开关时，开关将来自电源的功率传导到加热元件694以便融化冰和雪693的界面层，由此当界面层再次冻结且在雪/冰693上轮胎692的摩擦力增加时，改变轮胎692和覆盖道路表面的冰和雪之间的摩擦系数。

由此，加热元件694可以通过将加热脉冲提供给轮胎692和雪/冰693之间的界面而作为“脉冲制动器”操作。例如，当需要制动时，冰的界面层被融化。当脉冲停止时，由于周围环境的温度在轮胎692上的融化点通常在几毫秒内再次冻结，从而在轮胎692和冰/雪693之间提供强的结合层。这些结合层有助于轮胎692相对于冰/雪693的制动运动。在一个实施例中，珀耳帖元件695用于更快速的冷却融化了的冰的界面层。

珀耳帖元件695的一个例子是热电模块，该热电模块由用于承载多数电流的一种类型的电荷载体(即，正或负)的掺杂碲化铋的半导体片(pellets)的阵列构成。成对的正和负片被构成使得它们电串联连接，但热并联连接。金属化陶瓷衬底可以提供用于这些片的平台。热电模块可以单独运行或串联，并联或串并联电连接的成组运行。

当将DC电压供给珀耳帖元件695时，该片阵列中的正极和负极电荷载体从一个衬底表面吸收热能且将该热能释放给相对设置的衬底。吸收热能的表面可以在不移动部件，压缩物或气体的情况下降低温度。结果热量被释放的相对设置的衬底温度增加。

图55示出了一个滑板700的测试结构，以示出滑板如何影响与雪或/冰邻接的摩擦。滑板700包括多个嵌入表示轮胎电传导橡胶的区域704中的金属加热元件。将功率施加给加热元件712，从而融化冰714的界面层。一旦冰的界面层被融化，由于周围环境温度使冰的界面层再次冻结，且提供冰714和滑板700之间的联接。

在一个实施例中，加热元件712是细金属丝，其构造成用于接收功率且将该功率转换为热能以便融化与滑板700接触的冰714的界面层。在加热元件周围的薄的电绝缘体706可以围绕加热元件712。当加热元件712接收来自电源702的功率时，加热元件712通过电阻将该功率变换为热能。该热能被传导(热辐射线710)到冰714并进入加热区域708，在该加热区域冰714的界面层被融化。融化了的界面冰改变了滑板700和冰714之间的摩擦系数使得滑板700和冰714之间的摩擦力增加。当电能分别施加到加热元件和从加热元件除去时，摩擦系数由于融化和再次冻结而改变。例如，当电能通过加热元件712被转换为热能时，具有根据图1的等式1.4的持续时间的电能脉冲融化冰714的界面层。当电能脉冲消退，允许区域708由于更冷的周围环境温度和非融化的冰714而再次冻结。例如，当滑板700是诸如轮胎或雪橇的物体时，这种冰714的融化和再次冻结改变了摩擦系数且增加了摩擦力和制动。

图56示出了用作诸如雪地汽车的履带724形式的一个滑板720。滑板720包括嵌入到履带724中的加热元件722。功率被施加到加热元件722使得加热元件722融化与履带724邻接的冰的界面层。一旦冰的界面层被融化且不再供给功率，融化后的水的界面层由于周围环境温度将再次冻结且提高冰与履带724的联接。在一个实施例中，滑板720采用电池作为电源。示意性地，示出的履带724在履带轮725的周围。加热元件722可以是将功率转换为热能以便融化与履带724接触的冰的界面层的细金属丝的形式或薄金属箔的形式。当需要时，用户可以激励开关以便将功率供给加热元件722，例如当用户决定需要在履带724和覆盖有冰和雪的地域之间增加附加的摩擦力时。当用户触发开关，开关将来自电源(即，雪地汽车电池)的功率传导到加热元件722以融化冰/雪的界面层，由此改变履带724和雪之间的摩擦系数，由于随后的再次冻结而在雪上增加履带724的摩擦力。

图57示出了雪橇782形式的一个滑板780，雪橇780在视图781中更详细地示出。在示例性实施例中，滑板780包括加热元件784且可以具有与图50和51的雪橇654相似的操作特性。加热元件784(为了说明在视图781中放大)可以由诸如Ti箔或抗磨损传导性油漆(镍-基或银-基油漆)或TiN溅射层的材料形成。加热元件784贴附在雪橇782的表面上(或否则设置成与该表面热连通)以便不断地接触雪且融化雪或冰的界面层，如结合图1描述的。

视图781示出了加热元件784可以贴附在雪橇782上的一种方式。例如，视图781示出了加热元件784通过柱783贴附到雪橇782上的放大图。柱783通常形成为金属性导体以作为电总线端子，且也可以屏蔽加热元件784使其免受损害。柱783可以用作将来自电源的功率传导到加热元件784以便融化雪的界面层，由此改变雪橇782和雪之间的摩擦系数。

在一个实施例中，加热元件784包括保护涂层785以便防止岩石损害。加热元件784，柱783和衬底786是可替换的。当加热元件784包括油漆的传导层时，可以用修饰油漆设备修补划擦。

图58示出根据一个实施例的轮胎802形式的滑板800。滑板800包括加热单元806和可选择排气子系统804。排气子系统806可以包括汽车空气调节器的冷排气。加热单元806可以包括加热灯或其它加热装置以便用脉冲的或连续的热能对轮胎802的区域805加热。滑板800可采用汽车的电池作为电源。

在一个实施例中，加热单元元件806包括或使用汽车空气调节器或发动机的排气。在另一个实施例中，加热单元806包括或使用产生细水雾的喷水，该水雾用薄的水薄膜覆盖汽车轮胎，该薄水薄膜冻结与冰接触，由此在轮胎和冰之间提供强的粘合层。

在另一实施例中，加热单元806包括接触轮胎的热圆柱，该圆柱可以围绕轮胎旋转。热旋转圆柱可以通过汽车电气系统，汽车空气调节器和。或汽车排气被加热。

在一个操作的实施例中，加热单元806构造成接收功率且将该功率转换为热能，以便在与轮胎802接触的区域807融化冰810的界面层。当加热单元806接收来自电源的功率时，其将该功率转换为热能且形成被加热的区域805。由于暴露给热的持续时间短，通常仅有轮胎橡胶的一薄层被加热。当轮胎802旋转时，被加热的区域805在区域807融化冰810的界面层。当轮胎继续旋转，融化的冰的界面层在区域808再次冻结且在区域809改变了轮胎802和冰810之间的摩擦系数，由此产生轮胎802和冰810之间的结合层使得轮胎802和冰810之间的摩擦力增加。

因为轮胎802具有与冰810显著的界面积，轮胎802的橡胶经常在其再一次被加热单元806加热之前再次变冷；由此，当周围环境温度低于冰的熔点时，通常不需要附加的冷却。不用说，也可以使用附加的冷却，例如，来自汽车空气调节器的冷空气可以用于通过排气子系统804冷却轮胎。

由于加热单元806可以脉冲热能，由于当电源分别被供给和移开时界面冰810融化和再次冻结(即，当其旋转时，轮胎802逐渐增加地加热和冷却)，摩擦系数可以离散地改变。在一个实施例中，加热单元806可以包括按压旋转轮胎802的加热金属刷。从该刷到轮胎802的表面801的热流加热轮胎橡胶的薄层，从而导致界面冰的随后的融化。

加热单元806使用的平均功率通常与周围环境温度和汽车速度有关；但是可以在大约10瓦到100瓦的范围内变化。在某些极端的情况下，其可以在约1瓦到1000瓦的范围内。还有根据这些温度和速度的情况，被加热单元806照射受热或加热的轮胎802的橡胶的持续时间在约3ms到100ms的范围，但是在更多的极端的情况下，可以从约1ms到1s。再次冻结时间可以大约与用于脉冲除冰系统的时间相同，如在图1-6中描述的(即，通常从约1ms到100ms的范围)。可以调节这些时间以便当大部分道路-到-轮胎接触区域再次冻结时提供最大摩擦力。

图59示出了根据一个实施例的一个滑板820的测试结构。滑板820包括滑板界面825和闪光灯826。闪光灯826构造成用光脉冲(即光的闪光)照射滑板界面825使之受热。闪光灯826接收来自电源822的功率以便融化冰821的界面层。闪光灯826将光脉冲到界面冰821的薄的变黑(blackened)层827。灯826的每一个脉冲的典型的持续时间和功率为大约1ms到10ms。产生大约1J到100J的能量。

在一个实施例中，当闪光灯826照射滑板界面825时，来自闪光灯826的信号闪光融化冰821的界面层。滑板界面825通常是透明的且当光冲击变黑层827时将来自闪光的功率转换为热能。例如，来自灯826的光(例如，可见光或红外光)被层827吸收且被转换为热能。然后转换后的热能被吸收在与滑板820邻接的冰821的界面层中被吸收。当能量被冰821的界面层吸收时，该层融化。然后由于周围环境温度该层再次冻结，从而在滑板824和冰821之间提供结合层。

                    摩擦系数调节分析

现在将描述某些分析，其中在冰-物体界面或雪-物体界面改变摩擦系数。这些分析可以用试验和图表表示摩擦系数的改变。

图60示出了表示根据一个实施例的某些滑板的摩擦系数和施加给贴附在该滑板上的加热元件的电压之间的示例性关系。诸如图2中示出的电路用于对2.35mF电容器进行充电。然后该电容器通过加热元件放电。在图60中，Y-轴831表示摩擦力，X-轴832表示电压。图表830区分出两个相似的滑板，每一个具有加热元件(一个加热元件包括大约12.5μm厚的Ti箔，另一个加热元件包括大约25μm厚的Ti箔)。在供给加热元件大约50V的功率时，如示出的，滑板和雪之间的摩擦系数改变。在大约100V时，滑板与雪的摩擦系数开始彼此不同。因此，直到约100V，加热元件材料的厚度基本与电压无关，这将影响设计考虑。

图61示出了表示根据一个实施例的某些滑板的静力与施加到雪上的滑板的垂直(normal)压力之间的示例性关系。在图61中，Y-轴841表示静力，X-轴842表示垂直压力。图表840区分出两个相似的滑板，每一个具有加热元件(一个加热元件包括大约12.5μm厚的Ti箔，另一个加热元件包括大约25μm厚的Ti箔)。两个下面的曲线图表示当不施加加热脉冲时测量的用于相同滑板的静摩擦力。其它的实验细节，如DC电压(90V)，温度(-11℃)和用在图2的电路中的电容器在曲线插页中示出。

图62示出了表示根据一个实施例的某些滑板的摩擦系数和施加给贴附在该滑板上的加热元件的电压之间的示例性关系。在图62中，Y-轴853表示摩擦力，X-轴852表示电压。曲线图850区分出两个相似的滑板，每一个具有加热元件(一个加热元件包括大约12.5μm厚的Ti箔，另一个加热元件包括大约25μm厚的Ti箔)。每一个滑板具有由与一具体施加的电压相关的摩擦系数范围确定的平均曲线。例如，具有25μm厚的Ti箔的加热元件的滑板具有在大约4.9N到6N(点851)范围内变化的摩擦系数。图62证明即使当周围环境温度非常接近熔点(-2℃)时，脉冲制动仍然工作很好；即使在在-0.5℃也能得到好的制动力。

图63示出了一个滑板的摩擦系数与以3.5mm/s恒速滑动期间的时间之间的示例性关系。在图63中，Y-轴863表示摩擦力且X-轴864表示时间。在实验期间施加四个短的加热功率脉冲，在此期间滑板以大约3.5mm/s移动。在四个脉冲861中，一个1.36mF的电容器以大约110V放电给加热元件。加热脉冲的持续时间约为2.5ms。贴附在滑板上的加热元件接收来自电源的功率达有限的持续时间(作为功率脉冲)，例如，根据图1的等式。加热元件将该功率转换为热能且将该热能施加给表面-到-冰界面。加热元件融化与滑板邻接的雪或冰的界面层。融化的界面层改变在滑板的表面处雪的粘附且改变了滑板和雪或冰之间的摩擦系数。在每一个脉冲861期间，摩擦系数改变。在滑板和雪之间的摩擦系数的改变使滑板阻止滑动，由此增加了摩擦力。这可以在图63中看出，作为摩擦力的尖锐峰值。改变脉冲之间的脉冲能量和时间间隔可以将平均摩擦力调节到需要的大小。本领域的技术人员可以理解这种可调节的制动可以与速度测量系统结合以便有利于将雪橇制成“巡回控制”系统：滑雪者可以预先设定对于他自己和他的孩子的最大速度以便安全滑雪。

图64示出了表示根据一个实施例的一滑板的摩擦系数和施加给贴附在该滑板上的加热元件的电压之间的示例性关系。在图64中，Y-轴871表示摩擦力，X-轴872表示电压。在此实施例中，电压被改变以便确定与功率有关的摩擦系数。在施加给加热元件大约50V的功率时，摩擦系数改变。在大约90V时，滑板对于雪的摩擦系数饱和且然后直到大约110V保持基本恒定。因此，90V到110V之间的电压可以提供摩擦系数的增加，该摩擦系数与90V到110V的电压基本无关。当选择用于滑板设计的电源时，这个信息是有用的。

图65和66示出了表示热能Q和一个滑板的冷却时间t_cool的曲线。在图65中，Y-轴881表示在雪中的热扩散长度Ld，且X-轴882表示时间。在图66中，Y-轴891表示热能且X-轴892表示加热器的阻抗。在该例子中，在加热的第一个10毫秒期间，热穿过雪仅三十六微米深。这么薄的的雪层具有小的热容量，不需要什么功率就可将其加热到熔点(即，273K)。下面的表65-1计算出了用于融化10-微米厚的冰层和将雪和雪橇材料的界面加热Δ度C的总能量Q(Δ，R)。当加热功率与T无关时，结果在表65-1中示出：

表65-1

              W：＝10⁴，2·10⁴..10⁶

              λ_ski：＝0.2

              ρ_ski：＝1000

              C_ski＝1.54×10³

              ρ_snow：＝300

              C_snow：＝2.2·10³

              λ_snow：＝0.2

$D_{\mathrm{snow}}:=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{snow}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{snow}}\·C_{\mathrm{snow}}}$

              s

              R：＝0.1，0.2..10

              ohm

              C：＝10^-4，2·10^-4..2·10^-2

              F

              t(R，C)：＝R·C

$D_{\mathrm{ski}}:=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ski}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ski}}\·C_{\mathrm{ski}}}$

              Δ：＝0.01，0.02.10

              t：＝0，10^-4..10^-1

如图65和66所示，热扩散长度L_D(例如，图65中的曲线880)是：

$L_D\left(t\right):=\sqrt{D_{\mathrm{snow}}\·t}$

              L_D(10^-2)＝5.505×10^-5

              L_D(1)＝5.505×10^-4

              L_D(0.1)＝1.741×10^-4

L_D(0.01)＝5.505×10^-5

V：＝100

S：＝0.0025

$W\left(R\right):=\frac{v^2}{2\·R\·S}$

d_heater：＝1.25·10^-5

C_heater：＝523

ρ_heater：＝4.5·10³

l_melt：＝1×10^-5

q_latent：＝3.33·10⁵

$Q=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\Δ}}^{2}S}{4W\left(R\right)}{[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{snow}}{c}_{\mathrm{snow}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{snow}}}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ski}}{c}_{\mathrm{ski}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ski}}}]}^2+d_i{\·q}_i\·{\mathrm{\ρ}}_i+d_{\mathrm{heater}}{C}_{\mathrm{heater}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{heater}}$

$C(\mathrm{\Δ},R):=\frac{2\·Q(\mathrm{\Δ},R)}{V^2}$

C(20，2.5)＝8.464×10^-4

Δ：＝20

d_heater：S·ρ_heater·Δ·C_heater＝1.471

l_melt·ρ_snow·S·q_latent＝2.498

其中S是加热器面积，T_m是融化温度，T是周围环境温度，λ是热传导系数，ρ是材料密度，以及C是材料热容量(下标“ice”表示冰和/或雪，下标“ski”表示衬底材料，如雪橇或滑雪板，下标“heater”表示加热元件)，Q是热能，D是热扩散系数，Δ表示温度改变，t是时间，V是电压，d是厚度，R是电阻值，W是每平方米功率，l_melt是融化层的厚度，且q是融化的潜热。因此，对于非常短的脉冲，几乎所有的热量Q被用于融化薄层的雪(图66中的曲线890)；雪和雪橇热容量对于Q没有什么贡献。用于融化层的再次冻结的计算由下面的表65-2示出：

表65-2

      λ_ski：＝0.5

      λ_snow：＝0.5

$t_{\mathrm{cool}}(\mathrm{\Δ},R):={\left[\frac{2Q(\mathrm{\Δ},R)}{\mathrm{\Δ}\·S\·(\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{snow}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{snow}}\·C_{\mathrm{snow}}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ski}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ski}}\·C_{\mathrm{ski}}})}\right]}^2$

      t_cool(20，1)＝0.013″s″

表65-3示出了用作脉冲制动应用中的电源极的普通电池的典型容量。例如，一对小的AA电池可以由越野滑雪者用在脉冲制动应用中大约一个小时的运行。

表65-3

	电池尺寸	类型	电压	A·h	瓦特·小时
						1	AA，Duracell两个	普通	1.53	2.855.7	4.2758.55
2	C，Duracell两个	普通	1.53	7.815.6	11.723.4
						3	D，Duracell两个	普通	1.53	1530	22.545
4	D，Varta	普通	1.5	16.5	24.75

	两个		3	33	49.5
						5	9V，Duracell两个四个	普通	91836	0.581.16	5.2210.4420.88
	不需转换器
						6	D-型TL2300/SD，Li两个	锂-离子可再充电	3.67.2	16.533	59.4($20.65)118.4($41.30)
7	DDTL5137/TDD，Li	锂-离子可再充电	3.6	35	126($48.93)
						8	AATL5104/PT 2 AA，Li	锂-离子可再充电	3.6	2.1	7.56
9	CTL2200/SC，Li，7200mAh两个	锂-离子可再充电	3.67.2	7.214.4	25.92($16.73)52

图67示出了表示用于滑板形成轮胎902的实施例的摩擦-增强的一个滑板900的分析。滑板900示出了被该分析支持的具有不同热区域的轮胎902：φ₀是被加热的区域；φ₁是空气冷却的区域；φ₂是融化区域；φ₃是再次冻结区域；φ₄是结合区域；ω₀是轮胎的角速度，v₀是汽车的线速度，R是轮胎902的半径，A是轮胎902的宽度。假设加热区域φ₀是用总功率w′均匀加热的，那么每平方米功率密度可以遵循如下：

(等式67-1)

在被加热的区域φ₀中的每一点如下所示可以被下“表面加热”时间t：

(等式67-2)

例如，在 $v_0=30\frac{m}{s}\left(108\frac{\mathrm{km}}{h}\right)$ 和φ₀R＝0.1m， $t\≈\frac{0.1m\·s}{3\·{10}^{1}m}\≈3.3\·{10}^{-3}s,$ 且加热区域φ₀需要能量密度为：

(等式67-3)

估算最小Q和假设10μm厚的融化冰得到下面：

(等式67-4)Q＝d·q·ρ_i，

其中d是在φ₂区域中的融化层厚度，ρ₁是冰的密度，且q是融化的冰潜热。因此，

(等式67-5) $d\·q\·{\mathrm{\ρ}}_i=\frac{w^{\′}}{A\·{\mathrm{\υ}}_0},$ 且，因此，

(等式67-6)w′＝A·υ₀·d·q·ρ_i。

现在确定将摩擦系数增加到μ＝0.5的再次冻结区域的估算。例如，在2·10⁵Pa的垂直压力下，，对应于μ＝0.5的每平方米的摩擦力为10₅Pa。对于冰/橡胶界面，粘附剪切强度大约为1Mpa；由此，为了提供μ＝0.5，仅有10％的冰/轮胎界面积需要再次冷冻(即，冷冻区域φ₃)。当冰的融化层具有大约3.3μm的厚度时，对于速度v₀等于约 时，功率需求约为500瓦。对于v₀等于约 时，在相同的厚度时，功率需求仅约为33瓦。

在20km/h的速度v₀，，轮胎表面上的每一点可以与冰接触约 $t=\frac{2\·{10}^{-1}m}{6m/s}=30m\sec$ 的时间。这个时间可用于融化和再次冻结动作，且足够完成这些动作。

图68和69示出了通过如图68中的施加HF-功率或通过如图69中的施加低能量加热脉冲来减少摩擦的实验结果。在图68中，Y-轴915表示摩擦力，X-轴914表示以秒为单位的时间。例如，图68示出了在周围环境温度T约为-5℃，垂直压力P约为42kPa且滑动速度v约为1cm/s的情况下对于滑板在冰上运动的摩擦力N与时间的关系。在这个实施例中，改变摩擦的系统包括连接到滑板基部的叉指型电路，该滑板基部与冰面接。叉指型电路包括铜包覆Kapton聚酰亚胺薄膜。叉指型电路还包括具有大约75μm的内部电极间隔的铜电极。电源将大约30Vrms大约20kHz的HF AC电压提供给电极。电极在大约100瓦/m²密度的冰中产生热。当滑板以大约1cm/s的速度移动且功率供给电极时，摩擦力降低约40％。例如，电源在点910(例如，大约t＝13s的时间)将HF-功率提供给电极。在此实施例中，在时间点911(例如，约t等于28s的时间)，HF-功率关闭。在没有HF-功率的情况下，冰的摩擦从4N升高到7N。后者是在没有功率施加给滑板时的背景冰摩擦力，其中滑板在时间点913(例如，约t等于33s的时间)停止。

在此实施例中，连续HF-电源增加冰的温度，由此，在不产生冰融化的情况下降低冰摩擦，且由此改变摩擦系数。

图69示出了在周围环境温度T约为-10℃，垂直压力P约为215kPa且滑动速度v约为3mm/s的情况下对于滑板在冰上运动的摩擦力N与时间的关系。在图69中，Y-轴925表示摩擦力，X-轴926以秒为单位表示时间。在此实施例中，改变摩擦的系统包括薄钛箔加热器。DC电源的短的加热脉冲在时刻922和923供给加热器，相对于前面描述的由相同的系统的制动影响，使得在雪摩擦中减小。如图69所示，这个实验的主要不同是脉冲制动，加热能量的幅值对于融化雪是不足够的。没有融化层，不会出现再冻结且没有制动作用。不用说，由于加热器使雪变暖，所以摩擦减小。在图69的实验中，雪表面被脉冲从-10℃加热到-1℃。在时间点921(即，在大约t等于31s处)滑板经历了冰和滑板之间的静摩擦快速增加。电源在时间点922(即，在大约t分别等于38s和42s处)将脉冲功率提供给电极。在此实施例中，当t等于50s时，滑板在时间点924停止。

在一些实施例中，叉指型电路的电极由硬传导性材料制成，如氮化钛，掺杂其它氧化物(例如Ittrium氧化物)的锆氧化物(即，氧化锆)以及具有TiN涂层的钛和不锈钢箔，从而增加电路的抗磨损。其它的实施例可以通过诸如铝的保护薄膜的涂层来提供电极保护。

由于特定改变可以在上述的不超出本范围的方法和系统中产生，包含在上述描述或在附图中示出的所有内容仅是说明性的解释，不是用于限制发明。还应当理解下面的权利要求覆盖了所有这里描述的一般的和特定的特征，和由于语言原因应当落入其间的范围的陈述。

Claims (88)

1.一种热改变冰和物体之间的界面的方法，包括如下步骤：

将热能施加到该界面以融化冰的界面层；以及

限制将热能施加到该界面的步骤的持续时间，使得该热能在冰内的热扩散距离没有延伸超出冰的界面层的厚度。

2.根据权利要求1的方法，其中施加热能的步骤包括将具有一定幅值的功率施加到界面上的步骤，该幅值至少与用来融化冰的界面层的能量的幅值约成反比。

3.根据权利要求2的方法，其中限制持续时间的步骤包括限制在该界面施加功率的步骤的持续时间，使得该持续时间至少与功率幅值的平方值约成反比的步骤。

4.根据权利要求1的方法，其中施加热能的步骤包括将具有一定幅值的功率施加给界面的步骤，该幅值基本上反比于用来融化界面冰的能量的幅值，其中，限制持续时间的步骤包括限制该持续时间，使得该持续时间基本上反比于功率幅值的平方值的步骤。

5.根据权利要求1的方法，进一步包括实现冰的界面层再次冻结以影响物体和冰之间的摩擦系数的步骤。

6.根据权利要求5的方法，实现步骤包括以下步骤中的一个或多个：(1)在限制持续时间的步骤之后等待再次冻结；(2)在界面上吹冷空气；和(3)在界面上雾化水。

7.根据权利要求1的方法，物体是从下面的组中选出的，该组包括飞机结构、挡风玻璃、镜子、前灯、电线、雪橇提升结构、螺旋桨转子表面、直升机的转子表面、房顶、甲板、建筑物结构、道路、桥结构、冷藏库结构、天线、人造卫星、铁路结构、隧道结构、电缆、道路信号、防滑雪鞋、雪橇、滑雪板、冰鞋以及鞋。

8.根据权利要求1的方法，其中施加热能给界面的步骤包括施加热能给界面以融化厚度小于大约五厘米的冰的界面层。

9.根据权利要求1的方法，其中施加热能给界面的步骤包括施加热能给界面以融化厚度小于大约一毫米的冰的界面层。

10.根据权利要求1的方法，其中施加热能给界面的步骤包括施加热能给界面以融化厚度在大约一微米和一毫米之间的冰的界面层。

11.根据权利要求1的方法，其中限制施加热能给界面的步骤中的持续时间的步骤包括在最多为100秒的时间内施加热能给界面的步骤。

12.根据权利要求1的方法，其中施加热能给界面的步骤包括将功率施加给与界面有热联系的加热元件的步骤。

13.根据权利要求12的方法，其中施加热能给界面的步骤包括将功率施加给物体内的加热元件的步骤。

14.根据权利要求12的方法，其中施加热能给界面的步骤包括将功率施加给在物体的表面上并与界面相接触的加热元件的步骤。

15.根据权利要求12的方法，其中施加热能给界面的步骤包括用加热元件电阻挡功率的步骤。

16.根据权利要求12的方法，其中限制持续时间的步骤包括根据下面的关系式控制施加功率步骤的持续时间的步骤，该关系式为：

$t=\frac{\mathrm{\π}{(T_m-T)}^2}{{4W}^2}{[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i{\mathrm{\λ}}_i}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\mathrm{\λ}}_s}]}^2$

其中t是持续时间，Tm是冰融化温度，T是环境温度，λ_i是冰的热传导系数，ρ_i是冰的材料密度，c_i是冰的热容量，λ_s是物体和加热元件之一或两者的热传导系数，ρ_s是物体和加热元件之一或两者的材料密度，c_s是物体和加热元件之一或两者的材料热容量，以及W是功率。

17.根据权利要求12的方法，其中施加功率的步骤包括根据下面的关系式控制能量的步骤，该关系式为：

$Q=\frac{\mathrm{\π}{(T_m-T)}^2}{4W}{[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i{\mathrm{\λ}}_i}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\mathrm{\λ}}_s}]}^2$

其中Q是热融化界面冰的能量，Tm是融化界面冰的温度，T是环境温度，λ_i是冰的热传导系数，ρ_i是冰的材料密度，c_i是冰的材料热容量，λ_s是加热元件和物体之一或两者的热传导系数，ρ_s是加热元件和物体之一或两者的材料密度，c_s是加热元件和物体之一或两者的材料热容量，以及W是功率。

18.根据权利要求12的方法，其中施加功率的步骤包括根据下面的关系式控制能量的步骤，该关系式为：

$Q=\frac{\mathrm{\π}{(T_m-T)}^2}{4W}{[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_i{c}_i{\mathrm{\λ}}_i}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\mathrm{\λ}}_s}]}^2+d_i\·q_i\·{\mathrm{\ρ}}_i+d_{\mathrm{heater}}{C}_{\mathrm{heater}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{heater}}(T_m-T)$

其中Q是能量，Tm是融化界面冰的温度，T是环境温度，λ_i是冰的热传导系数，ρ_i是冰的材料密度，c_i是冰的材料热容量，λ_s是加热元件和物体之一或两者的热传导系数，ρ_s是加热元件和物体之一或两者的材料密度，c_s是加热元件和物体之一或两者的材料热容量，d_i是冰界面层的厚度，ρ_i是冰密度，q_i是冰的融化潜热，W是功率，并且C_heater和ρ_heater分别是加热元件的特定热容量和密度。

19.根据权利要求1的方法，进一步包括周期性地重复施加和限制步骤，以在物体和冰之间生成需要的摩擦系数的步骤。

20.根据权利要求1的方法，限制持续时间的步骤包括将持续时间限制在大约1毫秒和10秒之间的步骤。

21.根据权利要求1的方法，进一步包括在界面层再次冻结之后再次在界面上施加功率，用以有选择性地控制冰和物体之间的摩擦系数，同时物体在冰上移动。

22.根据权利要求1的方法，冰包括雪。

23.根据权利要求1的方法，物体包括滑板。

24.根据权利要求23的方法，滑板包括鞋、滑雪板和雪橇中的一种。

25.一种用于控制物体和冰之间的摩擦系数的方法，包括以下步骤：

(1)用脉冲方式将功率施加给物体和冰之间的界面，以融化界面上冰的界面层，并减小摩擦系数。

(2)实现界面上界面冰的再次冻结，以增加摩擦系数；和

(3)以可控制的方式重复步骤(1)和(2)，以控制物体和冰之间的平均摩擦系数。

26.根据权利要求25的方法，实现再次冻结的步骤包括在冰上移动物体以降低物体温度的步骤。

27.根据权利要求25的方法，用脉冲方式施加功率的步骤包括向物体上吹第一空气，并与冰相接触地移动物体的步骤，该第一空气的温度高于冻结温度。

28.根据权利要求27的方法，该物体包括车辆的轮胎。

29.根据权利要求27的方法，实现再次冻结的步骤包括向物体上吹第二空气的步骤，该第二空气的温度低于第一空气的温度。

30.一种滑板，该滑板具有容易与冰或雪面接的表面，该滑板包括：用于产生功率的电源；构成为将功率转换成表面上的热量的加热元件，该热量足够融化界面上冰的界面层；用于控制功率到加热元件的传递，从而控制滑板和冰或雪之间的摩擦系数的控制器。

31.根据权利要求30的滑板，其中滑板采用鞋、滑雪板、雪橇和防滑雪鞋中的一种形式。

32.根据权利要求30的滑板，电源包括电池。

33.根据权利要求30的滑板，滑板的形式为雪橇、冰鞋和滑雪板中的一种，其中该控制器响应使用者的指令来调制施加给表面的功率，使得滑板的速度是可控的。

34.一种用于热改变冰与物体间界面的系统，包括：

用于产生功率的电源；

耦合到电源以将功率转换成界面上的热量的加热元件；和

控制器，其耦合到电源，以限制功率施加给加热元件的持续时间，使得界面上只有冰的界面层融化。

35.根据权利要求34的系统，界面层的厚度小于大约五厘米。

36.根据权利要求34的系统，界面层的厚度在大约一微米和一毫米之间。

37.根据权利要求34的系统，电源构成为用于产生具有一定幅值的功率，该幅值基本上反比于融化界面冰的能量的幅值；控制器构成为限制持续时间，使得该持续时间基本上反比于功率幅值的平方值。

38.根据权利要求34的系统，进一步包括与控制器耦合的传感器，用于检测界面的温度，并产生代表该温度的反馈信号给控制器。

39.根据权利要求34的系统，电源包括电池、电容器、飞轮、高压电源中的至少一种。

40.根据权利要求39的系统，电容器包括特级电容器、电解电容器和超级电容器中的至少一种。

41.根据权利要求34的系统，加热元件包括导电材料薄膜，其将热量从加热元件传递给界面，以改变物体和冰之间的摩擦系数。

42.根据权利要求34的系统，加热元件包括半导体材料，其将功率转换成界面上的热量，以改变物体和冰之间的摩擦系数。

43.根据权利要求34的系统，进一步包括耦合到控制器的开关，用于接收来自控制器的控制信号，以限制功率施加给加热元件的持续时间。

44.根据权利要求34的系统，电源、加热元件和控制器与形成冰与物体间界面的物体构成在一起，该物体是从下面的组中选择出来的，该组主要包括飞机、挡风玻璃、镜子、前灯、电线、雪橇提升结构、螺旋桨转子结构、直升机的转子结构、房顶、甲板、建筑物结构、道路、桥结构、冷藏库结构、天线、铁路结构、隧道结构、电缆、火车结构、轮船结构、钻井平台、制冰结构和道路信号。

45.一种用于将物体加热到温度T的方法，包括以下步骤：

将一定幅值的功率W施加给物体，该幅值近似反比于足够将物体的温度升高到温度T的能量；和

将施加功率W的时间控制在一持续时间内，该持续时间反比于W²。

46.一种用于将物体冷却到温度T的方法，包括以下步骤：

将一定幅值的功率W从物体上去除，该幅值反比于足够将物体的温度冷却到温度T的能量；和

将功率W的时间控制在一持续时间内，该持续时间反比于W²。

47.一种挡风玻璃除冰设备，包括：

挡风玻璃；和

与挡风玻璃设置在一起的基本上透明的加热元件，该加热元件响应于施加的一定幅值的功率产生热量，该幅值足够融化挡风玻璃上冰的界面层。

48.根据权利要求47的挡风玻璃除冰设备，加热元件选自电子间隙大于大约3eV的视觉上透明的半导体材料。

49.根据权利要求48的挡风玻璃除冰设备，该材料包括ZnO、ZnS和它们的混合物中的一种。

50.根据权利要求47的挡风玻璃除冰设备，加热元件选自透明导体材料。

51.根据权利要求50的挡风玻璃除冰设备，该材料包括铟锡氧化物(ITO)、锡氧化物、薄金属薄膜和它们的混合物中的一种。

52.根据权利要求47的挡风玻璃除冰设备，进一步包括在加热元件上的保护涂层。

53.根据权利要求47的挡风玻璃除冰设备，进一步包括用于产生功率的电源。

54.根据权利要求51的挡风玻璃除冰设备，电源包括车辆周电池。

55.根据权利要求47的挡风玻璃除冰设备，进一步包括用于限制施加功率的持续时间的控制器，使得热量进入冰的扩散距离大约小于界面层的厚度。

56.根据权利要求53的挡风玻璃除冰设备，该厚度在大约一微米和一毫米之间。

57.根据权利要求53的挡风玻璃除冰设备，该加热元件构成为形成多个分段区域的多个加热元件，该控制器构成为用于将功率施加给多个加热元件的每一个，以对挡风玻璃上的每一段进行除冰。

58.一种改变物体和冰/雪之间摩擦力的方法，包括以下步骤：将热能的第一脉冲施加给物体和冰/雪之间的界面，该第一脉冲足够融化邻近物体的冰/雪的界面层；和

再次冻结形成界面层的水，从而形成物体和冰/雪之间的第一结合层。

59.根据权利要求58的方法，进一步包括在再次冻结步骤之后施加热能的第二脉冲，用以再次融化界面层的至少一部分，并再次冻结该再次融化了的界面层，以形成物体和冰/雪之间的第二结合层的步骤。

60.根据权利要求58的方法，施加步骤包括用热圆柱体按压采用汽车轮胎形式的物体。

61.根据权利要求60的方法，进一步包括对该热圆柱体电加热。

62.根据权利要求60的方法，再次冻结的步骤包括用冷圆柱体按压该汽车轮胎。

63.根据权利要求58的方法，再次冻结的步骤包括利用汽车空调。

64.根据权利要求58的方法，施加步骤包括将脉冲功率施加给与界面有热联系的金属加热器。

65.根据权利要求64的方法，用具有低热容量的材料形成加热器。

66.根据权利要求64的方法，进一步包括电容器放电给加热器的步骤。

67.根据权利要求66的方法，进一步包括用电源给电容器充电的步骤。

68.根据权利要求67的方法，进一步包括利用一开关分别对电容器进行充电和放电。

69.根据权利要求58的方法，施加步骤包括通过一个或多个孔将热板耦合到邻接冰/雪和物体一部分的滑板基座上。

70.根据权利要求58的方法，施加步骤包括将电脉冲功率施加给加热器，该加热器与采用雪橇形式的物体的基座相耦合。

71.根据权利要求70的方法，进一步包括通过手动开关、雪橇运动开关、加速计、压力起动开关和运动传感器中的一种激励雪橇的制动动作。

72.根据权利要求58的方法，施加步骤包括施加脉冲电能给在采用滑雪板形式的物体基座内的一个或多个加热元件。

73.根据权利要求58的方法，进一步包括利用便携电池作为电源用于施加热能脉冲的步骤。

74.根据权利要求58的方法，施加步骤包括利用脉冲作用灯来加热物体。

75.根据权利要求74的方法，物体采用旋转轮胎的形式，来自该灯的光暂时加热融化该层的轮胎的对应区域，轮胎的旋转再次冻结该层。

76.根据权利要求58的方法，施加步骤包括利用贴着采用汽车轮胎形式的物体的金属刷。

77.根据权利要求58的方法，施加步骤包括利用闪光灯通过物体照射到该层。

78.根据权利要求58的方法，施加步骤包括利用汽车排气来加热该热圆柱体。

79.根据权利要求58的方法，再次冻结步骤包括利用汽车空调。

80.根据权利要求58的方法，再次冻结步骤包括利用电珀尔帖的元件。

81.一种将物体加热到需要的温度的方法，包括以下步骤：

存储一定幅值的与物体相隔离的热能，该幅值至少足够将物体加热到需要的温度；和

调节热能和物体之间界面的物理特性和热特性之一或两者，以将热能的至少一部分传递给物体。

82.根据权利要求81的方法，其中该方法进一步包括传递能量给冰的界面层以破坏冰在物体表面上的粘附的步骤，该需要的温度为零摄氏度或更高。

83.根据权利要求81的方法，其中传递步骤包括破坏冰在飞机、飞机机翼、汽车挡风玻璃、小船、道路、桥、人行道、冰箱、冷藏库、制冰器、轮船、火车、钻井平台、建筑物、飞机跑道和窗户中至少一个的表面上的粘附。

84.根据权利要求81的方法，调节步骤包括通过隔膜的压缩将热能从隔膜的第一表面传递到该隔膜的第二表面。

85.根据权利要求81的方法，调节步骤包括周期性地给界面施加脉冲，以提供物体的周期性的加热。

86.根据权利要求85的方法，其中周期性地施加脉冲的步骤包括周期性地移动加热元件的部件，以改变热量存储器和物体之间的热传递率。

87.根据权利要求86的方法，该部件包括多个有槽的绝缘元件。

88.根据权利要求87的方法，存储步骤包括加热液体和/或气体之一，调节步骤包括使邻近物体的液体或气体流动，以使得来自于液体或气体的热能传递给该物体，以加热该物体。

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