專利名稱：窄帶除冰及釋冰系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及使用窄帶照射以從表面除冰或釋放冰的特定方法。所述方法可應(yīng)用到從擋風(fēng)罩除冰到飛機(jī)機(jī)翼除冰到從制冰機(jī)的冰盤釋冰的不同除冰類型的范圍。雖然有許多不同的特定應(yīng)用，但是在所有應(yīng)用中，所教示的概念及方法保持類似。從歷史上說，許多不同的方法已用于解決冰或控制冰的問題。冰的形成取決于環(huán)境可為有目的或成問題的-但以受控方式處理冰的期望被很好的記錄在日常生活及專利數(shù)據(jù)庫中。雖然詳述處置冰的各種技術(shù)的所有歷史方法是超出本教示的范圍，但對(duì)它們中的一些的描述將有助于理解本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳統(tǒng)的冰處置方法具有已由傳統(tǒng)方法而來且尚未經(jīng)效率優(yōu)化的常見基本功能性。舉例來說，汽車擋風(fēng)罩除冰是相對(duì)較慢且低效的。所述除冰依賴來自熱空氣的對(duì)流，所述熱空氣是始于引擎曲軸箱熱量的若干低效轉(zhuǎn)化的結(jié)果。此熱是從再循環(huán)的冷卻劑傳導(dǎo)性地拾取，其較慢加熱到有用溫度。接著，溫暖或熱的冷卻劑循環(huán)經(jīng)過具有散熱片的加熱器芯，用風(fēng)扇迫使空氣穿過所述散熱片，以吹到擋風(fēng)罩表面的內(nèi)側(cè)上。取決于室外環(huán)境溫度，使用這種方法的除冰花費(fèi)三到十分鐘(也很正常。為了使冰融化，必須將擋風(fēng)罩加熱到高于凍結(jié)溫度。被吹到擋風(fēng)罩的內(nèi)側(cè)表面上的對(duì)流空氣將其熱量低效地轉(zhuǎn)移給擋風(fēng)罩玻璃或其它材料。一旦擋風(fēng)罩從內(nèi)側(cè)表面開始變暖，其必定傳導(dǎo)熱能穿過擋風(fēng)罩材料的厚度到達(dá)外表面。這個(gè)過程內(nèi)及其本身需要過渡穿過通常形成現(xiàn)代擋風(fēng)罩的許多層。隨著擋風(fēng)罩升溫，其同樣將其熱能的大量交給擋風(fēng)罩周圍(車輛內(nèi)部及車輛外部)的大氣。最后，擋風(fēng)罩的外表面的溫度上升高于水的凍結(jié)點(diǎn)32° F(0°C )，且開始溶化已在擋風(fēng)罩的外面形成的冰。盡管冰的厚度有點(diǎn)用作隔離體，但室外環(huán)境溫度不斷地試圖再凍結(jié)已被擋風(fēng)罩的熱度溶化的冰?？傊瑸榱饲謇頁躏L(fēng)罩以獲得安全視覺而融冰的過程是非常慢、間接及低效的過程。因?yàn)閾躏L(fēng)罩的某些區(qū)域比其它區(qū)域暖的快，所以所述過程同樣容易成為不均勻的過程。來自除霜吹風(fēng)機(jī)的對(duì)流加熱過程的固有不均勻性具有允許各區(qū)域再凍結(jié)的趨勢(shì)，尤其在溫度常常降到凍結(jié)水平以下的嚴(yán)寒情況下。同樣，汽車中的傳統(tǒng)吹氣對(duì)流除霜器可具有討厭的噪聲。在變暖周期期間，所述除霜器還可引起使乘客感到不舒服的風(fēng)寒效應(yīng)。車輛的后窗常常用嵌入到擋風(fēng)罩中的電阻性電線來除霜或除冰。這種加熱方法稍微較直接，因?yàn)殡娋€中的電阻引起熱量以傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移到它們嵌入其中的擋風(fēng)罩玻璃中。 這最終在外玻璃表面處產(chǎn)生足夠的熱量以超過冰的融化溫度。變暖的擋風(fēng)罩以傳導(dǎo)方式加熱已在窗戶外側(cè)上形成的冰。當(dāng)足夠焦耳的能量已被冰吸收以達(dá)到其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，冰將開始變成液態(tài)水。這是較直接的使玻璃變暖以融化及消除冰的方法，但其仍需要將玻璃加熱到將最終融化冰的溫度。一些汽車制造商已嘗試在前擋風(fēng)罩中并入嵌入式電阻絲。此舉顯然尚未被客戶完全接受，因?yàn)殡娋€是惱人的，且分散司機(jī)的視野。已使用的其它除冰方法涉及某一形式的機(jī)械破碎、破裂或移除冰。在飛機(jī)機(jī)翼除冰過程中使用一實(shí)例。諾伯·特威斯特·金(Norbert ffeisend, Jr)等人在第5，112,011 號(hào)美國專利中描述這種類型的用于飛機(jī)機(jī)翼的除冰技術(shù)，其中將氣囊系統(tǒng)集成為飛機(jī)機(jī)翼的前緣。流體在壓力下被壓入包括囊袋的管中，使得囊袋的外部形狀改變。形狀改變接著使許多位置中的薄冰片破裂，所以冰可從機(jī)翼表面被快速移動(dòng)的空氣掃除。存在其它類似系統(tǒng)。但這種技術(shù)具有控制維護(hù)及可能的失效模式的許多移動(dòng)部分。所述系統(tǒng)還表示飛機(jī)在空中必須承載的大量額外重量。也許更重要的是，此除冰系統(tǒng)在嚴(yán)峻結(jié)冰情況下的可行性最近已被質(zhì)疑。另一種常見的控制冰的方式是通過將其化學(xué)處理。此系統(tǒng)力圖直接融化冰或降低其凍結(jié)溫度以阻止冰形成?；诨瘜W(xué)的系統(tǒng)在許多應(yīng)用中不能有效。舉例來說，飛行中的機(jī)翼除冰實(shí)際上不能用此系統(tǒng)完成。同樣，在一些情況下，化學(xué)融化系統(tǒng)可能引起地下水污染問題且/或增加對(duì)石油的依賴。一種使用激光器的飛機(jī)除冰系統(tǒng)由威廉·南奈利(William Nunnally)在第 5，823，474號(hào)美國專利中描述。所述系統(tǒng)描述非常強(qiáng)大的激光器系統(tǒng)，其可經(jīng)配置以經(jīng)由鏡子掃描飛機(jī)的外表面，其使激光器能量指向可能的結(jié)冰表面。因?yàn)樗鱿到y(tǒng)使用外部投射長波能量到飛機(jī)機(jī)翼或其它表面上，其必須在飛機(jī)準(zhǔn)備起飛前完全融化100 %的冰，所以所述系統(tǒng)是極其低效的。另外，所述方法必須將足夠的熱量傳到飛機(jī)的表面中，使得冰不會(huì)立刻開始重新組成。南奈利先生(Mr. Nunnally)在第6，206，305號(hào)美國專利中還描述類似系統(tǒng)的機(jī)載版本。盡管此系統(tǒng)是安裝在飛機(jī)上，但為了具有滿意的結(jié)果，其仍必須掃描過所有待除冰的表面，且必須融化100%的冰。所述系統(tǒng)具有巨大的缺點(diǎn)，因?yàn)榉浅?qiáng)大且重的激光器及波束引導(dǎo)設(shè)備必須在飛機(jī)上，因此造成有效載荷問題及安全問題。進(jìn)一步且更重要的是，惡劣的雨雪風(fēng)暴將通過在激光束可到達(dá)其目標(biāo)之前干擾及分散激光束來阻止激光器掃描關(guān)鍵表面。這將使除冰系統(tǒng)在最需要的時(shí)刻變得無用。所有以上描述的系統(tǒng)的共同點(diǎn)是它們中沒有一個(gè)將熱能直接注入到在與支撐冰的表面的界面處的冰中。這是低效的主要原因，且其直接減慢除冰或釋冰系統(tǒng)的功能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)重要目標(biāo)是提供一種從襯底表面除冰或釋冰的直接且高效的方式。本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供可通過利用可從中形成冰的元素或化合物或冰本身的吸收峰值來融化冰的窄帶照射系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供可直接照射襯底表面上的界面冰從而將其變成水以為剩余的冰厚度提供輕松釋冰的高效除冰或冰釋放系統(tǒng)及方法。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的一個(gè)方面中，一種系統(tǒng)包括(a)襯底材料，其在將使用的照射波長下幾乎是透射的且在其上已形成冰，及(b)照射產(chǎn)生裝置，其操作以發(fā)射照射，
6所述照射穿過所述襯底的至少某部分，使得所述冰的受所述照射沖擊的第一部分是距所述襯底的表面最近的界面部分，所述裝置接近所述襯底材料，且經(jīng)選擇性地激活以產(chǎn)生照射， 從而致使距所述襯底的表面最近的至少某些冰融化。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射產(chǎn)生裝置是半導(dǎo)體裝置。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射裝置是LED、LET及激光二極管中的至少一者。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶半導(dǎo)體照射裝置以陣列形式安裝在平面安裝板上。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射是大約以冰的吸收光譜中的波長吸收峰值為中心。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，多數(shù)窄帶照射能量包含于400nm范圍內(nèi)。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，多數(shù)窄帶照射能量包含在50nm范圍內(nèi)。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射裝置是激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于20nm。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射裝置是激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于8nm。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射裝置由SE-DFB激光二極管組成， 且半最大值全寬照射帶寬小于2nm。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，平面安裝板經(jīng)設(shè)計(jì)以將熱量從安裝在其上的照射裝置吸收走。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，平面安裝板是使用流體來幫助排熱的冷卻布置的部分。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，流體是液體冷卻劑、壓縮氣體冷卻劑、蒸氣改變冷卻劑及氣體或空氣冷卻劑中的至少一個(gè)，以為照射裝置提供冷卻功能。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，冷卻布置經(jīng)設(shè)計(jì)以利用來自高空環(huán)境的冷空氣來為照射裝置提供冷卻功能。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射產(chǎn)生裝置是數(shù)字半導(dǎo)體裝置。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，襯底材料用作光導(dǎo)管。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，方法包括(a)提供在其上形成冰以待除冰的襯底，(b)定位窄帶照射產(chǎn)生裝置以使得照射在其輻照冰之前將穿過在其上形成冰的襯底，及(C)用窄帶輻射能量穿過襯底的至少某部分而照射冰的界面層。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶輻射能量是在紅外波長帶內(nèi)。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶輻射能量是在根據(jù)冰材料的吸收光譜的局部吸收峰值波長下應(yīng)用。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，所使用的窄帶輻射能量主要包含于400nm 帶寬內(nèi)。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶輻射能量主要是在20nm總帶寬內(nèi)產(chǎn)生。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶輻射能量是由半導(dǎo)體裝置陣列產(chǎn)生。
在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，半導(dǎo)體裝置由至少發(fā)光二極管、發(fā)光晶體管或激光二極管組成。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶輻射能量是由表面發(fā)射激光二極管裝
置產(chǎn)生。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，所使用的窄帶輻射能量大約在1456nm， 1950nm或MOOnm中的一者下。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，照射包括脈沖。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，照射致使形成液體、熱沖擊或冰的破裂。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，方法包括(a)提供具有其上已形成冰以待至少部分地除冰的外部表面的襯底物，其中包括所述襯底的材料在將使用的照射波長下是高度透射的，且可全內(nèi)放射，(b)將窄帶照射源密耦合到襯底材料的至少一個(gè)邊緣以提供一種將窄帶照射在照射波長下高效地注入到襯底物中的方式，及(C)激活窄帶照射源以形成照射的內(nèi)反射，使得光子僅脫離襯底物，此處冰通過更密切匹配襯底的折射率來為脫離提供路徑，從而照射冰的界面表面。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射是在紅外波長帶內(nèi)。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射是在根據(jù)冰材料的吸收光譜的局部吸收峰值波長下應(yīng)用。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射主要包含于400nm帶寬內(nèi)。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射主要是在20nm總帶寬內(nèi)產(chǎn)生。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射是由半導(dǎo)體裝置陣列產(chǎn)生。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，半導(dǎo)體裝置由至少發(fā)光二極管、發(fā)光晶體管或激光二極管組成。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，窄帶照射是由表面發(fā)射激光二極管裝置產(chǎn)生。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，所使用的照射大約在1456nm，1950nm或 MOOnm中的一者下。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，激活包括脈沖。在本發(fā)明描述的實(shí)施例的另一方面中，激活致使形成液體、熱沖擊或冰的破裂。


圖1是展示水及冰的吸收曲線的圖表；圖2是以本發(fā)明描述的實(shí)施例的各種形式實(shí)施的窄帶照射裝置的實(shí)例陣列的圖；圖3是實(shí)施本發(fā)明描述的實(shí)施例的制冰系統(tǒng)的橫截面圖；圖4是實(shí)施本發(fā)明描述的實(shí)施例的飛機(jī)機(jī)翼的橫截面圖；及圖5是實(shí)施本發(fā)明描述的實(shí)施例的代表性表面(例如，汽車擋風(fēng)罩)的透視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供并入數(shù)字熱注入技術(shù)(DHI)的除冰及釋冰系統(tǒng)及方法-其基本原理在一系列專利及/或?qū)＠暾?qǐng)案中有詳述，所述專利及/或?qū)＠暾?qǐng)案包含第7，425，296號(hào)美國專利；第11/351，030號(hào)美國申請(qǐng)案(在2006年2月9號(hào)作為第7，425，796號(hào)美國專利的接續(xù)案而申請(qǐng))；第11/448，630號(hào)美國申請(qǐng)案(在2006年6月7日申請(qǐng))；第12/135，739 號(hào)美國申請(qǐng)案(在2008年6月9日申請(qǐng))；第61/2 ，822號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)案(在2009年7 月10日申請(qǐng))(現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于在2010年7月12日申請(qǐng)的第12/834，742號(hào)美國申請(qǐng)案)；第 61/2M，756號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)案(在2009年7月10日申請(qǐng))(現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于在2010年3月5 日申請(qǐng)的第12/718,919號(hào)美國申請(qǐng)案)；第61/231，944號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)案(在2009年8 月6日申請(qǐng))(現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于在2010年8月6日申請(qǐng)的第12/852，311號(hào)美國申請(qǐng)案相一致) 以及，第61/157，799號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)案(在2009年3月5日申請(qǐng))(現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于在2010 年3月5日申請(qǐng)的第12/718，899號(hào)美國申請(qǐng)案)，所有這些專利及/或?qū)＠暾?qǐng)案均以全文引用的方式并入本文中。在至少一種形式中，預(yù)期的系統(tǒng)及方法是通過將輻射能量直接注入到冰的直接與其支撐結(jié)構(gòu)接觸的部分中來處理冰的數(shù)字、窄帶、基于半導(dǎo)體的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例，所述系統(tǒng)包括照射源，在一種形式中，所述照射源包括一個(gè)或一個(gè)以上半導(dǎo)體、具有謹(jǐn)慎選擇的輸出波長的窄帶照射裝置。輸出波長經(jīng)選擇以使得其與冰及/或水(或其它冷凍物質(zhì))的吸收峰值及表面冰已形成冰于其上的襯底的高度透射性波長兩者對(duì)應(yīng)或匹配。陣列基本上定位(例如，裝置以合適位置及配置貼近襯底)成可被選擇性地激活以照射穿過透射性的支撐襯底，使得窄帶輸出輻射易于被吸收在冰的表面上吸收。因此，在一種形式中，界面冰(例如，最接近冰所擱置的襯底表面的冰部分)是受照射沖擊影響且融化成滑溜液態(tài)水的冰的第一部分。在主體襯底與冰之間有了融化的薄層水，冰可從主體襯底材料輕松分離。液態(tài)水界面用作潤滑劑，使得許多所描述的形態(tài)中的一種之一及其它形態(tài)可輕松地將冰從表面移除。然后，重力、風(fēng)、雨刮、離心力及許多其它方式可作用于可能已凍結(jié)到主體材料表面的冰。同樣，可將材料或涂層添加或應(yīng)用到襯底表面，以便在冰融化成水時(shí)增強(qiáng)潤滑功能，例如在界面處。例如在飛機(jī)機(jī)翼案例中，可在正常除冰期間在地面添加此涂層。現(xiàn)在參考圖1，展示說明水(102)及冰(104)的分光光度吸收特征的圖表100。注意水(102)在(例如)大約1450nm(例如1456nm)、大約1950nm及大約2400nm下的吸收峰值。冰(104)的至少某些吸收峰值(例如)是大約1506nm，大約2095nm及大約^63nm。 用此信息，有可能選擇在這些或其它冰及/或水的峰值下高度透射的許多不同襯底。舉例來說，玻璃、大多數(shù)塑料、及許多可被選擇的材料在某些冰及/或水的吸收峰值下是高度透射的。通常，僅僅半透明或在可見波長范圍內(nèi)可能完全不透明的材料將在一個(gè)或所有上文所指示的冰及/或水吸收峰值下是高度透射的。因此，此項(xiàng)技術(shù)中的實(shí)踐者對(duì)于在將一個(gè)或多個(gè)透射性材料定位在窄帶照射裝置與冰控制所要的位置之間的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用的材料具有較多的靈活性。可使用許多類型的窄帶照射裝置來實(shí)踐本發(fā)明以達(dá)到所要的照射波長，其在至少一種形式中，使所要的冰及/或水的吸收特征及在其上支撐冰或水的材料的透射性特征相配。在至少某些形式中，所要波長帶是紅外波長帶。舉例來說，窄帶照射裝置可使用大約 1456nm，1950nm或MOOnm(例如士40歷)的波長，如上文所指示?？梢愿鶕?jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例的方式使用的這些裝置中的至少一些裝置描述于與上文所述的DHI技術(shù)有關(guān)的先前申請(qǐng)的專利及專利申請(qǐng)案中。參考圖2，這些裝置可以陣列20提供在支撐襯底或平面安裝板上，且以多種方式布置。如圖所示，窄帶照射裝置21以偏移陣列模式布置。當(dāng)然，可使用其它合適的布置。 就這一點(diǎn)來說，半導(dǎo)體照射裝置(例如，數(shù)字半導(dǎo)體裝置)的陣列可經(jīng)配置以正好滿足在波長、陣列形狀、裝置形狀及照射模式中的至少一個(gè)中的應(yīng)用。另外，裝置可經(jīng)選擇及布置以使得窄帶照射裝置的多個(gè)波長經(jīng)由吸收/透射平衡而達(dá)到特定效果，同時(shí)仍達(dá)到令人滿意的冰融化效果。在至少一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例可實(shí)施控制器以控制照射裝置。在某些形式中，所述控制器可簡(jiǎn)單地激活及去活陣列，而在其它形式中，更精細(xì)的控制(例如，脈沖、過脈沖、反饋、裝置或陣列的選擇性激活、裝置或陣列的包含波長輸出的不同輸出，等)可為所要的?？刂破骺刹捎枚喾N形式，且使用各種軟件例程及/或硬件配置來實(shí)施，所述軟件例程及/或硬件配置可駐留于根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例的系統(tǒng)的各種合適位置中，或與所述系統(tǒng)通信。舉例來說，控制器可專用于本文描述的系統(tǒng)，或可僅為較大系統(tǒng)控制方案的一部分(例如，在汽車中，在智能器具中，或在飛機(jī)上)。另外，還可提供隨著冰融化而測(cè)量冰的溫度的閉環(huán)系統(tǒng)。溫度隨著冰融化而升高，且發(fā)射的波長可根據(jù)閉環(huán)控制系統(tǒng)而相應(yīng)地改變。平面安裝板可具備用以將熱熱量從安裝在其上的照射裝置吸收走的系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)例是使用流體來將熱量運(yùn)走的冷卻布置。如圖所示，提供冷卻流體輸入61及冷卻流體輸出62，其在操作期間將慮及襯底及照射裝置的恰當(dāng)冷卻。應(yīng)理解，冷卻劑可采用多種形式，包括液體冷卻劑、壓縮氣體冷卻劑、蒸氣改變冷卻劑，或氣體或空氣冷卻劑。無論是否有冷卻劑，來自高空環(huán)境的冷空氣可同樣提供冷卻功能。然而，冷空氣可增強(qiáng)冷卻劑 (例如蒸氣改變冷卻劑)的影響。應(yīng)了解，照射裝置的輸出的帶寬是足夠窄的，其配合在所選透射性材料的吸收峰值之間或避免所選透射性材料的吸收峰值。帶寬將基于包含應(yīng)用、材料、設(shè)備及設(shè)計(jì)目標(biāo)等許多因素而變化。在至少一種形式中，窄帶照射大約以(例如)冰的吸收光譜中的波長吸收峰值(例如，局部吸收峰值)為中心。對(duì)于某些申請(qǐng)案來說，實(shí)例所要帶寬可為大約5nm。 在另一種形式中，多數(shù)窄帶照射能量包含于400nm范圍內(nèi)。在另一種形式中，多數(shù)窄帶照射能量包含于50nm范圍內(nèi)。在另一種形式中，窄帶裝置包含(例如)激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于(例如)20nm。在另一種形式中，窄帶照射裝置包含(例如)激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于(例如)8nm。在又一種形式中，窄帶照射裝置包括(例如)SE-DFB激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于(例如)2nm。當(dāng)然，LED、激光二極管、固態(tài)激光器、發(fā)光晶體管(LET)、氣體激光器、包含 SE-DFB(表面發(fā)射分布式反饋)裝置的表面發(fā)射激光二極管，及其它窄帶照射源(其中的一些在本文中引用)將為結(jié)合本發(fā)明使用的可能照射裝置。上文指示的半導(dǎo)體及基于固態(tài)的產(chǎn)品通常將較易于實(shí)施且更緊湊，但可使用任一類型的窄帶裝置，假如其非常適合應(yīng)用。同樣的概念應(yīng)用于融化不同化合物或元素的冰。照射能量穿過透射性材料且被直接吸收在冰及/或水的表面上，這個(gè)事實(shí)對(duì)于本發(fā)明的效率來說是基本的。因此，多余的能量沒有因加熱在其上冰正在形成的襯底而浪費(fèi)。 而是，熱量或輻射直接去融化界面冰，其然后變成液態(tài)水。一般來說，且在一種形式中，根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例的方法包括提供(或選擇或確定)在其上形成冰以待除冰的襯底；定位窄帶照射產(chǎn)生裝置，使得照射在其輻照冰之前將穿過之前將穿過在其上形成冰的襯底；以及用窄帶照射能量穿過至少某部分的襯底而照射冰的界面層。
現(xiàn)在參考圖3，制冰系統(tǒng)110包含采取由透射性材料形成的冰盤16的形式的襯底材料及窄帶發(fā)射陣列20，還可實(shí)施根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例的控制器(未圖示)，其操作以控制陣列20。將了解，冰盤16包含將所述盤填充到水填充水平17的凍結(jié)的水50。還展示冰50與盤16之間的界面51。將了解，冰由于所產(chǎn)生的照射模式30而在界面51處融化成水。照射模式30由陣列20產(chǎn)生。在一種形式中，如上文所描述，陣列20包含窄帶照射裝置21及冷卻流體輸入61，如圖所示。在操作中，在根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例的實(shí)例方法中，陣列20朝冰盤16以照射模式30發(fā)射選擇性的窄帶波長輻射。所述照射自由地透射穿過盤16的透射性材料，且被冰 50吸收以使得冰在界面51處融化。因此，可用許多眾所周知的方式中的任一者來使冰50 從盤16相對(duì)輕松的釋放?，F(xiàn)在參考圖4，說明呈飛機(jī)機(jī)翼10的形式的襯底材料的橫截面。機(jī)翼10包含沖面 14、由前緣材料11組成的前緣12，及對(duì)流冷卻表面41。為了方便參考而未描述不與本發(fā)明描述的實(shí)施例有關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)或常規(guī)飛機(jī)機(jī)翼的其它部分。應(yīng)了解，可實(shí)施本發(fā)明描述的實(shí)施例以解決在機(jī)翼10的前緣12上形成的冰50。 根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例，激活陣列20 (例如，通過控制器-未圖示)以產(chǎn)生呈照射模式30 的照射31。照射31以大致方向32但同樣具有發(fā)散角33從陣列20向外前行。所以，照射 31大致朝由前緣材料11形成的前緣12前行。在至少一種形式中，前緣材料11對(duì)于為照射 31選擇的波長是高度透射性的。如圖所示，照射31穿過透射性前緣12朝冰50前行，且融化界面51處的冰以使得水52在界面51處形成。在這個(gè)問題上，冰50僅僅從機(jī)翼10的前緣12滑落。還展示操作以向陣列20提供合適冷卻的冷卻塊40。對(duì)于某些申請(qǐng)案，設(shè)想所述技術(shù)的稍微較復(fù)雜且精細(xì)的實(shí)施方案。出于視應(yīng)用而定的多種原因，將主體襯底看作光導(dǎo)管可為合乎需要的。將尤其希望的是襯底的至少一個(gè)尺寸與其它尺寸中的一者或兩者中的大得多的大小相比是可忽略的。一實(shí)例將是具有與長度及寬度尺寸相比相對(duì)較小的厚度的汽車擋風(fēng)罩。在此情況下，可實(shí)施結(jié)合圖3及4而使用的辦法，藉此大陣列可跨越整個(gè)擋風(fēng)罩而定位，以融化擋風(fēng)罩表面上的冰，如到目前為止所描述。然而，通過像襯底是光導(dǎo)管那樣來實(shí)施技術(shù)，將窄帶照射裝置直接耦合到襯底的小尺寸側(cè)的一者中是有可能的。此外，使用呈擋風(fēng)罩的形式的襯底材料的實(shí)例且參考圖5，窄帶照射裝置陣列20 可耦合到小尺寸，例如擋風(fēng)罩80的尺寸81 (例如，厚度)?？山?jīng)由連接件91、92及93連接電力供應(yīng)，以產(chǎn)生用于陣列20的輸出70。如上文所述，還可提供控制器(未圖示)以控制所述陣列。因?yàn)椴Ａ?0(包含擋風(fēng)罩)與在兩側(cè)定界擋風(fēng)罩的空氣之間的折射率差異較大，因此在擋風(fēng)罩內(nèi)側(cè)發(fā)生的反射將能量保持含在其內(nèi)，如由光線71所展示。當(dāng)另一襯底 50 (例如冰或水)在擋風(fēng)罩80的表面上時(shí)，玻璃或與水或冰之間的折射率差異彼此接近得多，且能量可退出到冰中，如由光線72所展示。這項(xiàng)技術(shù)用作選擇性濾波器，使得能量僅通過其與之接觸的冰而退出擋風(fēng)罩80。在退出到冰中之后，輻射立刻被冰吸收，冰在所述波長下是高度吸收性的。然后冰在冰與表面之間的界面處融化為水。將能量從一些較小點(diǎn)源位置而不是穿過遍及(例如)擋風(fēng)罩的整個(gè)表面的大陣列引入到襯底中被認(rèn)為是非常高效的方式。因此，盡管冰加熱機(jī)制是類似的，但其增加了將襯底變成經(jīng)工程設(shè)計(jì)的光導(dǎo)管的額外的精細(xì)步驟。
預(yù)期的是這種內(nèi)反射技術(shù)還可為用于在飛機(jī)機(jī)翼前緣上部署本發(fā)明高效技術(shù)。設(shè)想本技術(shù)還可同樣用于冰塊制作系統(tǒng)中的釋冰。通過設(shè)計(jì)冰塊盤布置用于全內(nèi)反射，可同時(shí)發(fā)生快速融化完全圍繞冰塊的界面冰。所述冰塊盤布置可快速接通及快速斷開，使得多余的熱能不會(huì)使冰凍結(jié)隔間變暖?？蓮恼瓗аb置或光纖或其它類型的可用于將能量耦合到襯底中的能量轉(zhuǎn)向或能量導(dǎo)向技術(shù)將照射直接耦合到襯底材料中。當(dāng)然，這將同樣對(duì)于最先描述的較低精細(xì)度的穿透技術(shù)有可能?！銇碚f，且在一種形式中，一種根據(jù)本發(fā)明描述的實(shí)施例實(shí)施光導(dǎo)管法的方法包括提供(或選擇、確定)具有外部表面的襯底物，該外部表面上已形成冰以待至少部分地除冰，其中包括所述襯底的材料在將使用且能夠進(jìn)行全內(nèi)反射的照射波長下是高度透射的；將窄帶照射源緊密耦合到(例如，通過來源或裝置的配置、定位或布置)襯底材料的至少一個(gè)邊緣，以提供一種在照射波長下將窄帶照射高效地注入到襯底物中的方式；以及激活窄帶照射源以形成照射的內(nèi)反射，使得光子僅脫離所述襯底物，此處冰通過更密切匹配襯底的折射率來為脫離提供路徑，從而照射冰的界面表面。本文描述的窄帶照射可為連續(xù)照射或脈沖照射。雖然連續(xù)照射允許每單位時(shí)間更多焦耳的能量輸入，但有理由相信脈沖照射也合乎需要。脈沖通常需要較小的電力供應(yīng)，因?yàn)殡娔芸蓛?chǔ)存在電容中，隨后以突波形式周期性地釋放。也可以過脈沖許多窄帶裝置(例如LED及激光二極管)，以便用同樣的裝置產(chǎn)生更強(qiáng)烈的短突波脈沖。該脈沖能量級(jí)雖然在短工作循環(huán)內(nèi)可接受，但假如連續(xù)使用，通常會(huì)造成過驅(qū)且燒壞裝置。因此，可為短突波提供較高振幅的能量脈沖，從而獲得特定優(yōu)勢(shì)，例如較大的穿透深度。通過使用大量過脈沖，有可能產(chǎn)生可在使冰破裂更有效(因?yàn)槠渫瑯尤诨砻? 的高熱沖擊。這必須從對(duì)本發(fā)明的任一給定應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)中了解。本發(fā)明的另一變化將通過選擇襯底層而產(chǎn)生，所述襯底層在透射與吸收之間具有選定平衡，以為給定應(yīng)用提供最優(yōu)的效果。本發(fā)明的又一變化是經(jīng)工程設(shè)計(jì)有多個(gè)透射層的系統(tǒng)，所述多個(gè)透射層具有在能量到達(dá)冰之前在每一層中發(fā)生的選定吸收/透射。本發(fā)明的又一變化將通過經(jīng)工程設(shè)計(jì)的材料中的特定功能性而產(chǎn)生，所述經(jīng)工程設(shè)計(jì)的材料可在透射區(qū)域中分層，且在特定刺激波長下被激活。本發(fā)明的另一變化將通過激活納米材料中的特定功能性而產(chǎn)生，所述納米材料可用在透射層復(fù)合材料中，且可在特定波長下被激活。在另一種變化中，在其上形成冰的襯底的多個(gè)層中的至少一個(gè)層在注入的或經(jīng)選擇的能量波長下受激膨脹或彎曲，以使冰破裂而移除。同樣，在某些變化中，所述系統(tǒng)可經(jīng)調(diào)諧以允許某些熱量吸收到其上形成冰的襯底中以協(xié)助融化過程。就是說，在某些應(yīng)用中，襯底不需要在照射波長下是100%透射的。本發(fā)明的又一變化將通過并入有在對(duì)人員及動(dòng)物安全的眼睛安全波長下照射的窄帶半導(dǎo)體裝置而產(chǎn)生。本發(fā)明的一優(yōu)勢(shì)是提供根據(jù)特定應(yīng)用的需要在將特定冰作為目標(biāo)時(shí)可為極端選擇性且可對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的技術(shù)。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)是能夠通過利用光導(dǎo)管技術(shù)的全內(nèi)反射以較優(yōu)化的方式部署系統(tǒng)，借此照射能量可因折光率較密切地匹配而逃脫襯底透射性材料主要進(jìn)入冰中。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)是所預(yù)期的冰融化及釋冰系統(tǒng)及方法的快速功能性。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)是能夠使用窄帶半導(dǎo)體發(fā)射裝置，所述窄帶半導(dǎo)體發(fā)射裝置的波長輸出針對(duì)融化特定類型的冰而優(yōu)化。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)是能夠使用具有相當(dāng)大厚度的透射性襯底且不需要加熱所述襯底的厚度——而是穿過所述襯底直接照射冰。本發(fā)明的又一優(yōu)勢(shì)是能夠直接注入冰控制輻射能量，所述能量既不是傳導(dǎo)到冰也不是以對(duì)流方式耦合到冰。隨著上文已教示并描述了本發(fā)明，應(yīng)明白，這種冰融化技術(shù)以與傳統(tǒng)技術(shù)不同的方式起作用，因?yàn)槠渲饕诨缑姹?，使得冰可輕松地從襯底主體表面移除。這應(yīng)有助于實(shí)質(zhì)上更高效且更快的冰移除或釋冰系統(tǒng)及方法。本發(fā)明教示將能量直接注入到冰中，不是傳導(dǎo)或以對(duì)流方式耦合的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于在表面已形成冰的襯底材料上啟動(dòng)除冰動(dòng)作的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)襯底材料，對(duì)將使用的照射波長幾乎是透射的且表面已形成冰；以及(b)照射產(chǎn)生裝置，用來發(fā)射照射，所述照射穿過所述襯底的至少某部分，使得冰受所述照射沖擊的第一部分成為最接近所述襯底之表面的界面部分，所述裝置接近所述襯底材料，且選擇性地激活以實(shí)現(xiàn)照射，從而致使最接近所述襯底的所述表面的至少某些冰融化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射產(chǎn)生裝置是半導(dǎo)體裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射裝置是LED、LET及激光二極管中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶半導(dǎo)體照射裝置是以陣列形式安裝在平面安裝板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射大約以冰的吸收光譜中的波長吸收峰值為中心。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，多數(shù)窄帶照射能量包含于400nm范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，多數(shù)所述窄帶照射能量包含于50nm范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射裝置是激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于20nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射裝置是激光二極管，且半最大值全寬照射帶寬小于8nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射裝置由SE-DFB激光二極管組成，且半最大值全寬照射帶寬小于2nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平面安裝板設(shè)計(jì)成從安裝在其上的所述照射裝置將熱量吸收走。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平面安裝板是使用流體幫助攜帶走熱量的冷卻布置的部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流體是液體冷卻劑、壓縮氣體冷卻劑、蒸氣改變冷卻劑及氣體或空氣冷卻劑中的至少一個(gè)，以為所述照射裝置提供冷卻功能。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻布置設(shè)計(jì)成利用來自高海拔環(huán)境的冷空氣來為所述照射裝置提供冷卻功能。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶照射產(chǎn)生裝置是數(shù)字半導(dǎo)體裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述襯底材料用作光導(dǎo)管。
17.一種啟動(dòng)除冰動(dòng)作的方法，其特征在于，它包括(a)提供表面已形成冰以待除冰的襯底；(b)定位窄帶輻射產(chǎn)生裝置，使得照射在到達(dá)冰之前將穿過表面已形成冰的所述襯底；及，(c)用窄帶輻射能量穿過所述襯底的至少某部分照射冰的界面層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述窄帶輻射能量在紅外波長帶內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，根據(jù)冰材料的吸收光譜在局部吸收峰值波長下施加所述窄帶輻射能量。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所使用的所述窄帶輻射能量主要包含于400nm帶寬內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，主要在20nm總帶寬內(nèi)產(chǎn)生所述窄帶輻射能量。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，由半導(dǎo)體裝置陣列產(chǎn)生所述窄帶輻射能量°
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置由發(fā)光二極管、發(fā)光晶體管或激光二極管的至少一個(gè)組成。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，由表面發(fā)射激光二極管裝置產(chǎn)生所述窄帶照射能量。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所使用的所述窄帶照射能量大約處于 1456nm、1950nm 或 2400nm 之一下。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述照射包括脈沖。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述照射引起液體產(chǎn)生、熱沖擊或冰的破裂。
28.—種對(duì)襯底材料的表面進(jìn)行除冰的方法，其特征在于，它包括(a)提供具有外部表面的襯底物，所述外部表面上已形成冰以待至少部分地除冰的，包括所述襯底的材料在將使用的照射波長下是高度透射的且能夠進(jìn)行全內(nèi)反射；(b)將窄帶照射源緊密耦合到所述襯底材料的至少一個(gè)邊緣，以提供在所述照射波長下將窄帶照射高效注入到所述襯底物中的方式，以及(c)激活所述窄帶照射源以形成所述照射的內(nèi)反射，使得光子僅脫離所述襯底物，此處所述冰通過更密切匹配所述襯底的折射率來為脫離提供路徑，從而照射所述冰的界面表
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，所述窄帶照射在紅外波長帶內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，根據(jù)冰材料的吸收光譜在局部吸收峰值波長下施加所述窄帶照射。
31.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，所述窄帶照射主要包含于400nm帶寬內(nèi)。
32.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，主要在20nm總帶寬內(nèi)產(chǎn)生所述窄帶照射。
33.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，由半導(dǎo)體裝置陣列產(chǎn)生所述窄帶照射。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置由發(fā)光二極管、發(fā)光晶體管或激光二極管的至少一個(gè)組成。
35.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，由表面發(fā)射激光二極管裝置產(chǎn)生所述窄帶照射。
36.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，所使用的所述照射大約處于1456nm、 1950nm 或 2400nm 之一下。
37.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，所述激活包括脈沖。
38.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述激活引起液體產(chǎn)生、熱沖擊或冰的破裂。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用窄帶照射來從表面除冰或釋冰的方法。該方法可應(yīng)用于不同除冰類型范圍，從擋風(fēng)罩除冰、飛機(jī)機(jī)翼除冰到從制冰機(jī)的冰盤釋冰等等。雖然有許多不同的特定應(yīng)用，但在所有應(yīng)用中，所教示的概念及方法相同。
文檔編號(hào)B64D15/00GK102574584SQ201080046073
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者喬納森·M·卡茨, 唐·W·科克倫, 本杰明·D·約翰遜, 登伍德·F·羅斯三世 申請(qǐng)人:派拉斯科技術(shù)公司