[論文レビュー] A holistic solution to icing by acoustic waves: de-icing, active anti-icing, sensing with piezoelectric crystals, and synergy with thin film passive anti-icing solutions

Jaime del Moral, Laura Montes+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Icing and De-icing Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、音響波（AWs）を用いた包括的で圧電素子ベースのソリューションを提示し、除氷、アクティブな防凍、リアルタイムの凍結センシング、および被動的防凍薄膜との連携を実現する。LiNbO3基板にラジオ周波数信号を印加することで、動的氷剥離が可能となり、氷の付着を低減し、氷の付着を防止するとともに、共鳴周波数のずれを用いて現場での凍結モニタリングが可能になる。フルオリネートされたZnOまたはZnO/CFxコーティングと組み合わせることで、性能が向上する。

ABSTRACT

Icing has become a hot topic both in academia and in the industry given its implications in strategic sectors such as transport, robotics, wind turbines, photovoltaics, and electricity supply. Recently proposed de-icing solutions involving the propagation of acoustic waves (AWs) at suitable substrates may open the path for a sustainable alternative to standard de-icing or anti-icing protocols. Herein we experimentally unravel some of the basic interactions that contribute to the de-icing and/or hinder the icing (ice accretion) on AW-activated substrates. The response toward icing of a model substrate system consisting of a piezoelectric LiNbO3 plate AW activated by radio-frequency (rf) signaling to planar electrodes has been characterized both at a laboratory scale and in an icing wind tunnel under forced convection conditions. Main features related to de-icing mechanisms, a decrease of ice adhesion, or the avoidance of ice accretion have been disclosed by this holistic investigation. Furthermore, additional experiments have shown that the piezoelectric substrate surfaces modified with a fluorinated ZnO thin film or a ZnO/CFx bilayer present anti-icing functionality and a synergistic response when activated with AWs. A careful analysis of the dependence of resonance frequency of the piezoelectric substrates on experimental variables such as temperature, ice formation, or wind velocity shows that this parameter can be used as an internal control procedure for real-time monitoring of icing processes onto AW-activated devices

研究の動機と目的

• 重要なインfra構造物および輸送分野における凍結課題に対する包括的で持続可能なソリューションの開発。
• 圧電基板上での音響波が除氷および氷の付着防止に果たす役割の調査。
• アクティブな音響波駆動と被動的防凍薄膜コーティングの間の連携効果の評価。
• 圧電結晶における共鳴周波数のずれを用いたリアルタイム凍結センシングの実証。

提案手法

• LiNbO3圧電基板上に平面電極を設け、ラジオ周波数駆動により音響波を生成する。
• 強制対流下の制御された凍結風洞で、除氷および防凍性能を実験的に評価する。
• 被動的防凍機能を向上させるために、フルオリネートZnOおよびZnO/CFx二重膜薄膜を適用する。
• 温度、氷の付着、風速の関数として圧電基板の共鳴周波数のずれをモニタリングし、リアルタイムの凍結検出を実現する。
• 音響波と氷の付着の基本的相互作用を分離・分析するためにモデル基板系を用いる。
• ラボスケール実験と風洞検証を組み合わせることで、実世界への適用可能性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧電基板内で生成された音響波が、氷の付着強度および除氷効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 過冷却状態下において、音響波駆動が表面への氷の付着をどの程度防止できるか？
• RQ3 氷の付着および温度や風速などの環境変数の変化に伴い、圧電基板の共鳴周波数はどのように変化するか？
• RQ4 音響波駆動と薄膜被動防凍コーティングを組み合わせた場合の相乗効果は何か？
• RQ5 共鳴周波数のずれは、凍結の発生および進行を信頼性の高いリアルタイム指標として用いることができるか？

主な発見

• LiNbO3基板上での音響波駆動により、外部エネルギーをRF駆動以外に要せず、機械的応力が発生し、氷層が剥離する。
• システムは氷の付着強度を顕著に低減し、動的音響駆動下で氷の剥離が容易になる。
• 圧電基板の共鳴周波数は、氷の付着および環境条件に応じて予測可能なずれを示し、リアルタイムで現場での凍結モニタリングが可能になる。
• フルオリネートZnOおよびZnO/CFx二重膜コーティングは被動的防凍性能を向上させ、音響波駆動と組み合わせることで、氷の付着をさらに低減し、除氷効率を向上させる。
• 強制対流下の凍結風洞において、組み合わせたシステムは頑健な性能を示し、実用的応用の有効性が検証された。
• 共鳴周波数応答は温度、氷の質量、風速に強く依存しており、内部センシングメカニズムとしての有効性が確認された。