[논문 리뷰] 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 Montes외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 29.

Icing and De-icing Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 압전 재료를 기반으로 한 음향파(AWs) 기반의 통합 솔루션을 제시하며, 제빙, 능동적 방빙, 실시간 얼음 감지, 그리고 수동 방빙 박막과의 융합을 구현한다. LiNbO3 기반재에 고주파 신호를 인가함으로써 시스템은 역동적 얼음 탈착을 가능하게 하고, 얼음의 부착 강도를 감소시키며, 얼음 축적을 방지하며, 공진 주파수 이격을 통해 현장에서의 얼음 감지를 실현한다. 특히 불화화된 ZnO 또는 ZnO/CFx 코ating을 함께 사용할 경우 성능이 향상된다.

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

연구 동기 및 목표

• 비상 인프라 및 교통 분야의 얼음 문제에 대한 다기능적이고 지속 가능한 솔루션을 개발하기 위해.
• 압전 기반재에서 발생하는 음향파가 제빙 및 얼음 축적 방지에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 능동적 음향파 활성화와 수동 방빙 박막 코팅 간의 융합 효과를 평가하기 위해.
• 압전 결정의 공진 주파수 이격을 활용한 실시간 얼음 감지 기술을 구현하기 위해.

제안 방법

• LiNbO3 압전 기반재에 평판 전극을 적용하여 고주파 자극을 가함으로써 음향파를 생성하기 위한 방법.
• 강제 대류 조건 하에서 통제된 제빙 풍동 환경에서 제빙 및 방빙 성능을 실험적으로 특성화하기 위한 방법.
• 수동 방빙 功能을 향상시키기 위해 불화화된 ZnO 및 ZnO/CFx 이중 박막 코팅을 적용하기 위한 방법.
• 온도, 얼음 형성, 바람 속도 변화에 따른 압전 기반재의 공진 주파수 이격을 측정하여 실시간 제빙 감지를 위한 방법.
• 음향파와 얼음 형성 간의 기본 상호작용을 분리 및 분석하기 위해 모델 기반재 시스템을 사용하기 위한 방법.
• 실습 규모 실험과 풍동 검증을 융합하여 실제 응용 가능성 확보를 위한 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압전 기반재에서 발생하는 음향파가 얼음의 부착 강도와 제빙 효율성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 초냉각 조건 하에서 음향파 활성화가 표면에 얼음 축적을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 온도 및 바람 속도와 같은 환경 변수와 얼음 형성에 따라 압전 기반재의 공진 주파수는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 음향파 활성화와 박막 수동 방빙 코팅을 융합했을 때의 상호보완적 효과는 어떠한가?
• RQ5 공진 주파수 이격은 얼음 발생 및 진행 상황을 신뢰할 수 있는 실시간 지표로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• LiNbO3 기반재에 음향파를 활성화함으로써, 외부 에너지 입력 없이도 기계적 응력이 발생하여 얼음 층이 탈착되며 효과적인 제빙이 가능하다.
• 이 시스템은 역동적 음향 진동에 의해 얼음의 부착 강도를 크게 감소시켜 탈착을 용이하게 한다.
• 압전 기반재의 공진 주파수는 얼음 형성 및 환경 조건 변화에 따라 예측 가능한 방식으로 이격되며, 이는 실시간 현장 감지가 가능한 기반 기반의 모니터링 기능을 제공한다.
• 불화화된 ZnO 및 ZnO/CFx 이중 코팅은 수동 방빙 성능을 향상시키며, 음향파 활성화와의 융합을 통해 얼음 축적을 추가로 감소시키고 제빙 효율을 향상시킨다.
• 이러한 통합 시스템은 제빙 풍동 환경에서 강제 대류 조건 하에서도 뛰어난 성능을 보이며, 실용적 적용 가능성을 입증한다.
• 공진 주파수 반응은 온도, 얼음 질량, 바람 속도에 강하게 의존함을 확인하였으며, 이는 내부 감지 메커니즘으로서의 유용성을 확인한다.