SUPERFICIES

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Se trata de un dispositivo para eliminar y/o prevenir la formación de hielo en superficies, evitando su acumulación, basado en la propagación de ondas acústicas en sustratos con actividad piezoeléctrica o ferroeléctrica. La interacción de tales ondas con ¡as acumulaciones de hielo provoca su fusión preferente en la zona de la intercara hielo- superficie, de forma que este se separa de la superficie del material con un coste energético reducido. Así mismo, estas ondas acústicas tai y como se generan y utilizan en la presente invención, Incluso las de muy baja intensidad, resultan muy eficaces para evitar o minimizar la formación de hielo en la superficie de esos sustratos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La eliminación de hielo de la superficie de sólidos se aborda fundamentalmente mediante procedimientos que pueden considerarse pasivos y otros que se consideran activos. Los métodos pasivos se usan para limitar o evitar la formación de hielo y se basan en cambiar las propiedades de las superficies de ios materiales a proteger de forma que presenten una baja adhesión al hielo. Así se logra evitar que el hielo tenga tendencia a adherirse en la superficie y, en caso de que lo haya hecho, pueda desprenderse con facilidad mediante agitación, viento u otro procedimiento simple.

Los recubrimientos y tratamientos superficiales hielofóbicos persiguen dotar a ios materiales de esta propiedad. Tratamientos iáser, aplicación de pinturas especiaies, recubrimientos preparados por evaporación, plasma u otros procesos químicos son alguno de los procedimientos para modificar las superficies de los materiales y hacer que estas sean menos proclives a interaccionar con el hielo y así limitar o evitar su acumulación.

Las superficies hieiofóbicas presentan esta cualidad fruto de una combinación de una composición química determinada y una rugosidad y/o topografía superficial definidas. En parte relacionadas con estas superficies hieiofóbicas se encuentran algunas superficies superhidrofóbicas que se caracterizan por repeler el agua y también el hielo, aunque no todas las superficies superhidrofóbicas son también hielofóbicas.

Los sistemas activos parten de una premisa diferente y se basan en propiciar, o bien la fusión del hielo acumulado, o su eliminación mediante la fusión de la zona de la intercara entre hielo y sustrato.

Capítulo aparte merecen los métodos invasivos que se basan en proyectar ciertos líquidos sobre las acumulaciones de hielo, práctica común en zonas aeroportuarias.

Refiriéndonos a los métodos activos cabe señalar los métodos basados en calentamiento Joule y en el uso de ultrasonidos generados por dispositivos, que se aplican directamente a ios materiales de los que se pretende eliminar el hielo. El uso de calentamiento mediante efecto Joule requiere integrar o aplicar calefactores y/o resistencias eléctricas en o sobre las superficies de donde se pretende retirar el hielo. Este procedimiento puede ser muy eficaz en cuanto a resultados, pero su uso generalizado choca con problemas de eficacia energética (gran consumo eléctrico), problemas de aislamiento eléctrico, compatibilidad con materiales plásticos u otras dificultades si se quiere aplicar sobre grandes superficies.

El uso de ultrasonidos mediante generadores externos que se aplican a las zonas a deshelar es un procedimiento desarrollado en los últimos años y que se ha propuesto para su uso en aeronáutica, aerogeneradores o automoción. Se designa por ultrasonidos en este contexto a las ondas mecánicas, con longitudes de onda largas, en el rango de frecuencia de ios KHz, que se propagan por medios elásticos, generándose en actuadores piezoeléctricos por excitación eléctrica de corriente alterna (AC). Los principales problemas de esta tecnología son el carácter “focalizado” a partir del generador utilizado, su amortiguamiento tras moverse la excitación mecánica pequeñas distancias y la necesidad de tener que trasladar el generador si se quiere eliminar el hielo de zonas o superficies extensas. El coste energético es otro factor que puede disuadir de un uso extensivo de esta tecnología.

Son conocidos del estado del arte en este campo documentos que describen distintos modos de generar y aprovechar los ultrasonidos para producir el deshielo de superficies. Por ejemplo, el documento US5172024A (THOMSON CSF) 1992-12-15 propone el uso de una capa gruesa de material ferroeléctrico con actividad piezoeléctrica cubierta por ambos lados por sendas capas extensas conductoras que actúan como electrodos, con una configuración tipo condensador piano, para provocar ¡a generación de ondas ultrasónicas y producir la excitación mecánica del conjunto.

En otros documentos de! estado de la técnica como el WO2015/011064 A1 (ECHOVISTA SYSTEMS LTD) 2015-01-29 o CN1Q2435027A (UNIV Xi AN JIATONG) 2012-05-02 se utilizan apiicadores piezoeléctricos externos para la activación con ultrasonidos y ondas acústicas, respectivamente de ventanas, propiamente parabrisas de vehículos, para eliminar gotas de agua, en el primer caso, o aletas de intercambiadores de frío, en este segundo caso para limitar la formación de hielo sobre las mismas. En ambos casos, la superficie a activar no es piezoeléctrica y las ondas acústicas/ultrasonidos se generan mediante apiicadores externos piezoeléctricos, de pequeño tamaño, acoplados en puntos concretos y estratégicos de las ventanas/aletas. Estas están fabricadas en un material totalmente diferente no piezoelécfrico aunque, sobre todo en el caso del vidrio de las ventanas, capaz de propagar la excitación mecánica de una onda acústica.

Por otro lado, existen documentos como el US5051645A (JOHNSON SERVICE CO) 1991-09-24, que describen la posibilidad de utilizar sensores basados en ondas acústicas superficiales (SAW, Surface acoustic waves, en inglés) para la detección de la formación de hielo y/o la existencia de transformaciones agua/hielo.

Una publicación reciente en la revista Advanced Materials Interfaces ( Nanosca!e “Earlhquake" Effeci induced by Thin Film Surface Acoustic Waves as a New Strategy for Íce Protection Deyu Yang, Ran Tao, Xianghui Hou, Hamdí Torun, Glen McHaie, James Martin, WongQing Fu Advanced Materials Interfaces 2021, 8, 2001776) hace mención al uso de una capa soportada de ZnO para producir deshielo mediante la propagación de ondas acústicas superficiales generadas mediante electrodos interdigitados (IDTs). Los principios de esta publicación difieren sustancialmente de los recogidos en la presente invención en aspectos fundamentales como el carácter autosoportado de los materiales piezoeiéctrico o ferroeléctrico, el hecho de poder utilizar ondas tipo “Lamb”, el control de las condiciones de resonancia y otros que se comentan más adelante.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo de eliminación y/o prevención de formación de hielo en superficies, objeto de la presente invención, responde a la necesidad de eliminar el hielo que se acumula en una gran cantidad de instalaciones y dispositivos, provocando problemas de seguridad, pérdida de eficacia energética e, incluso, la destrucción de las mismas. Evitar la formación dei mismo o limitar la cantidad de hielo formado sobre una superficie activa, que constituye la base del dispositivo de la presente invención, es otra necesidad relacionada que se aborda de forma directa en la misma.

Los campos industriales y de actividad económica donde esta necesidad se manifiesta de manera más perentoria se enmarcan en actividades de transporte (un ejemplo muy evidente, pero no único, es el de la aeronáutica), construcción, transmisión de electricidad (líneas eléctricas), aprovechamiento energético (aerogeneradores y placas solares) y en relación con la producción de frío industrial para conservación y un gran número de aplicaciones. En este contexto, la destrucción de bacterias y/o virus resistentes en condiciones de bajas temperaturas o la eliminación de films bacterianos que sobrevivan en condiciones de frío y helada es un efecto técnico añadido de la presente invención.

La presente invención propone el desarrollo de un dispositivo de base piezoeiéctrica o ferroeiéctrica que, activado con ondas acústicas (OAs) de longitud de onda corta en el rango de frecuencias de ios MHz, permita la eliminación de hielo formado en su superficie, ajustando de forma automática la frecuencia de la excitación a las condiciones de resonancia dei sistema. Una función relacionada es la de ejercer una acción anti-hielo efectiva, evitando la formación de este, aunque las condiciones ambientales lo favorecieran sobre una superficie equivalente no sometida a ningún proceso de excitación con OAs.

En otros términos, la presente invención propone ei desarrollo de un dispositivo basado en OAs, de longitud de onda corta, para eliminar de forma automática las acumulaciones de hielo o limitar su formación. Otra característica esencial de la presente Invención es que no usa aplicadores piezoeléctricos externos de uso localizado aplicados sobre sustratos no piezoeléctricos, sino que el dispositivo integra a todo el sustrato a activar, siendo este en su conjunto de carácter piezoeléctrico o ferroeléctrico.

Una condición para que esta propagación tenga lugar es que el material del cuál retirar el hielo tenga carácter piezoeléctrico o ferroeléctrico, o que el material expuesto al hielo tenga buenas propiedades de transmisión de OAs y se encuentre soportado sobre toda la extensión dei material piezoeléctrico o ferroeléctrico.

En la presente invención se entenderán como ondas acústicas (OAs) aquellas que se generan y propagan en el material piezoeléctrico o ferroeléctrico (ondas típicamente del tipo “Lamb”) o que se propagan en su superficie (ondas superficiales, típicamente del tipo “Rayleigh”).

El contexto de esta invención reside en el hecho que, para el rango de frecuencias de longitud de onda corta, la curva de resonancia de materiales ferroeiéctricos y piezoeléctricos activados con un voltaje de una señal eléctrica AC es muy sensible a los cambios de temperatura y, en segundo término, a la acumulación de agua o a la formación de hielo en su superficie. Este cambio en las curvas de resonancia hace que la eficacia energética del proceso de eliminación de hielo mediante activación acústica se vea comprometido si la frecuencia de operación no coincide con ia de resonancia del sistema. En ia invención propuesta se supera esta limitación procediendo a la medida de las curvas de resonancia del material ferroeléctrico o piezoeiéctrico para ajustar la frecuencia de excitación a las condiciones de resonancia del conjunto. Una derivada de este principio es que el propio dispositivo puede usarse como elemento sensor de cambios de temperatura y/o de la acumulación de hielo en ia superficie.

Las ondas acústicas que aquí se refieren se generan mediante la excitación del material piezoeiéctrico o ferroeléctrico mediante ia aplicación de señales eléctricas AC de longitud de onda corta, generalmente en el rango de los MHz, Su generación y propagación requieren la existencia de un material piezoeiéctrico o ferroeléctrico o, para su propagación, ia de un material que permita la transmisión de la vibración acústica en ese rango de frecuencias a partir del material ferroeléctrico o piezoeiéctrico.

Además del rango de frecuencias utilizadas (KHz para los ultrasonidos convencionales y generalmente MHz para las OAs) y un principio de funcionamiento basado en contar con materiales piezoeléctricos o ferroeiéctricos integrados sobre toda ia superficie del sistema a deshelar, otra diferencia esencial de los principios físicos de su funcionamiento es que, mientras los ultrasonidos transmitidos en materiales convencionales provocan exclusivamente oscilaciones mecánicas en ios mismos, las OAs generadas y transmitidas en materiales piezoeléctricos o ferroeiéctricos provocan tanto oscilaciones mecánicas y campos eléctricos de polarización locales de carácter oscilante debido, a los efectos piezoeléctricos directo e inverso, respectivamente. Ambos mecanismos físicos se aprovechan para producir el fenómeno de deshielo o antihielo expuesto, asi como otros efectos como la eliminación de bacterias o virus desde temperatura ambiente a bajas temperaturas o efectos anti-manchas de sustancias orgánicas. Un elemento importante de la presente invención que la asemeja a ios procedimientos basados en el efecto Joule es el de integración superficial, concepto que implica que electrodos, sistemas de detección y todos los elementos electromecánicos requeridos para generar y detectar las OAs se integran en las superficies donde se quiere producir el deshielo, cubriéndolas en su totalidad. Dispositivos generadores de OAs extendidos sobre el mismo sustrato ferroeléctrico o piezoeléctrico a activar no se han utilizado para propiciar la eliminación de hielo, pero se usan en forma localizada para una gran variedad de aplicaciones industriales, tecnologías de la información o el desarrollo de actuadores y sensores.

Cabe señalar que una característica adicional de la presente invención es la capacidad de utilizar el mismo dispositivo de excitación de las OAs para actuar como detector de las condiciones de resonancia del sistema, de manera que los mismos elementos integrados superficialmente que sirven para generar las OAs de alta intensidad para provocar el proceso de deshielo, también pueden usarse como detectores de las condiciones de resonancia y determinar la dependencia de estas con la temperatura y la presencia de hielo, en otros términos, permitiendo su uso simultáneo como sensor. Esta doble función permite plantear en consecuencia un procedimiento de deshielo que puede activarse automáticamente de forma eficiente ajustando la frecuencia de las OAs a las condiciones de resonancia del sistema y seleccionando una intensidad de excitación en torno al umbral requerido para el deshielo.

Concretamente, el dispositivo de la invención, destinado a cubrir una superficie o sustrato sobre el que se desea que se produzca el deshielo, comprende un sustrato extenso de un material piezoeléctrico o ferroeléctrico. En distintas realizaciones de la invención, el sustrato puede ser una placa, una lámina o una película autosoportada, rígidas o flexibles y de tamaño adaptable, en función de la aplicación, pero siempre suficiente para inducir el deshielo o evitar la formación de hielo en zonas extensas sobre las que se ha acumulado el hielo.

En la primera realización de la invención, el sustrato es una placa. Se considera placa un material rígido y de un espesor que puede variar entre centenas de mieras hasta algunos milímetros.

En una segunda realización de la invención, el sustrato es una lámina. Se considera lámina un materia! de rango de espesores análogos a la placa (centenas de mieras hasta algunos milímetros) y carácter flexible. En una tercera realización, el sustrato es una película autosoportada. Se considera película a un material flexible que presenta un espesor en el rango de algunas decenas de mieras y resulta fácilmente ajustabie sobre cualquier superficie o pieza, incluso de formas complejas. La película autosoportada puede incluso comprender una cara adhesiva, de manera que se pegue perfectamente a la superficie sobre la que se desea evitar la formación de hielo, incluso si esa superficie no es plana.

Conectados al sustrato piezoeléctrico o ferroeléctrico, el dispositivo comprende unos electrodos, que pueden ser extensos y continuos o interdigitados, de carácter metálico o fabricados en materiales conductores transparentes. Estos electrodos sometidos a una señal eléctrica AC producen una OA en el sustrato ferroeléctrico o piezoeléctrico, y a la vez permiten detectar hielo acumulado sobre la superficie del mismo.

Los electrodos extensos y continuos se agrupan siempre por parejas y generan frentes de OAs estacionarias tipo "Lamb”. Es conocido en el estado de la técnica que un electrodo interdigitado sirve para generar ondas superficiales tipo “Rayieigh”, integrando dos conjuntos de pistas de anchura mí ero métrica que se litografían sobre el sustrato sin entrecruzarse a manera de las púas de dos “peines” de pistas intercalados. Típicamente uno de los peines de pistas del electrodo se conecta al polo activo del voltaje de la señal eléctrica AC de excitación y el otro a tierra. Si se utilizan dos electrodos interdigitados con la arquitectura descrita previamente y orientados convenientemente uno frente al otro se pueden generar entre los mismos un frente de OAs tipo “Rayieigh” de carácter estacionario.

En un aspecto preferente de la invención, ios electrodos cubren sólo ciertas zonas del sustrato piezoeléctrico y sólo por una cara, lo que aporta una gran flexibilidad y simplifica la fabricación del dispositivo.

Asociado a los electrodos, el dispositivo anti-hielo piezoeléctrico se controla con una unidad electrónica que comprende un analizador de red vectorial, configurado para determinar la frecuencia de resonancia del sustrato piezoeléctrico o ferroeléctrico. Las condiciones de resonancia del sustrato cambian debido a la influencia de parámetros/fenómenos tales como temperatura, la acumulación de agua o la formación de hielo debido a una modificación de las propiedades elásticas del sustrato. Tal modificación se traduce en un cambio de la frecuencia de resonancia del sustrato, cambio que se detecta con el analizador de red vectorial. La unidad electrónica comprende también un módulo de excitación, que integra un generador de funciones y un amplificador de señales, conectados a los electrodos y al analizador de red vectorial, configurados para generar una señal eléctrica AC de bajo voltaje controlable y modulable en frecuencia que, una vez amplificada, se aplica sobre los electrodos en forma de una señal eléctrica AC de alto voltaje pico-pico y una frecuencia que coincide con la frecuencia de resonancia del sustrato piezoeléctrico.

La excitación del sustrato piezoeléctrico o ferroeléctrico mediante la aplicación de una señal eléctrica AC sintonizada a la frecuencia de resonancia detectada para cada condición de trabajo del dispositivo (típicamente en el rango de los MHz) y voltajes elevados del orden de decenas de voltios produce la generación de las OAs que, fruto de su interacción con el hielo, producen la fusión parcial de este, preferentemente en la zona de la intercara y su eventual desprendimiento de la superficie con un coste energético mínimo. El mismo dispositivo, sometido a condiciones mucho más suaves de excitación, resulta además efectivo para evitar o limitar la formación de hielo en su superficie a partir de la humedad ambiental, agua sub-enfriada (por debajo de 0°C) o partículas de hielo presentes en el ambiente.

Al estar conectados el generador de funciones y el analizador de red vectorial al sustrato piezoeléctrico o ferroeléctrico, se logra un ajuste automático de la frecuencia de la señal eléctrica AC de activación para que, en todo momento, coincida con el máximo de resonancia del sustrato piezoeléctrico. Este ajuste se hace de manera automática tras determinar la frecuencia de resonancia para cada instante del proceso de deshielo durante el cual los cambios de temperatura generados de forma dinámica, así como la fracción agua-hielo, producirán un cambio paralelo en las condiciones de resonancia del dispositivo.

Ambas aplicaciones, de deshielo y antihielo, del dispositivo objeto de esta invención se llevan a cabo aplicando una señal eléctrica AC al dispositivo propuesto requiriéndose una menor potencia para la función antihielo que para la de deshielo y eliminación del hielo acumulado sobre la superficie. Valores típicos orientativos, pero no limitativos, de potencia umbral requerida para una eficaz función anti-hielo, oscilan alrededor de 0,4 Wcnrr ² , mientras que para producir de forma eficaz el deshielo de agregados de hielo acumulados en la superficie se requieren valores de potencia umbral de alrededor de 1,2 W cnr ² . En un aspecto de la invención, ei dispositivo comprende adicionalmente una unidad de conmutación automática, conectada entre ei generador de funciones y los electrodos o entre el analizador de red vectorial y los electrodos, que permite o bien medir las características de resonancia del sustrato piezoelécfrico o ferroeléctrico o aplicarle la señal eléctrica AC de alta intensidad requerida.

En un aspecto de ia invención, el sustrato piezoeiéctrico o ferroeléctrico, puede comprender una funcionalización superficial de carácter hidrofóbico o hidrofíiico frente al agua. Un carácter hidrofóbico superficial puede contribuir a la separación de hielo parcialmente fundido en ia intercara. Además, se pueden incorporar sobre ei sustrato otras capas externas que las dotan de propiedades anticorrosivas, hidrofobicidad, propiedades antibacterianas, etc.

En otro aspecto de ia invención ei sustrato puede tener una superficie extensa integrando en ese caso un gran número de electrodos a fin de lograr una excitación efectiva con OAs de materiales extensos de gran área superficial. En ese caso, usando los electrodos continuos, estos estarían agrupados por parejas y conectados en paralelo al módulo de excitación y a tierra, preferentemente mediante líneas conductoras serigrafíadas en la superficie. Asimismo, bastaría que el analizador de red vectorial sólo estuviese conectado a un par de electrodos para monitorizar las condiciones de resonancia del sustrato. La distribución por parejas es compatible con los electrodos interdigitados, aunque en este caso es también posible no enfrentarlos y generar OAs no estacionarias.

En otro aspecto de la invención, el sustrato comprende una cara adhesiva, de forma que puede fijarse sobre cualquier pieza o material de base sobre la que se desee provocar el deshielo o evitar ia formación de hielo.

Respecto a los documentos del estado de la técnica, el presente dispositivo de basa en ia generación de ondas acústicas, bien tipo “Lamb” o superficiales tipo “Rayleigh” o similar, excitando eléctricamente un sustrato extenso de material piezoeiéctrico o ferroeléctrico con una señal eléctrica AC, en ei rango de los MHz preferentemente. Para ello la superficie del sustrato de material piezoeiéctrico o ferroeléctrico puede estar totalmente expuesto ai medio y cubierto de hielo y los electrodos desplegarse sobre zonas definidas del mismo o, incluso, estar ocultos ai exterior en la cara inferior protegidos de la interacción con ei medio.

Otro elemento diferenciador de ia presente invención es ia inclusión de un analizador de red vectorial, que logra la sintonización automática de las condiciones de resonancia del sustrato. Las condiciones de resonancia de ios sustratos piezoeléctricos o ferroeléctricos son muy sensibles tanto a ¡a temperatura como a la presencia o no de acumulaciones de agua o hielo sobre su superficie. En la presente invención, la sintonización de las condiciones óptimas de resonancia se logra gracias ai analizador de red vectoriai usado para interrogar y determinar el espectro de atenuación del sustrato piezoeléctrico o ferroeiéctrico y a la retroalimentación y ajuste automático de la frecuencia e intensidad de la señal de excitación aplicada a este mediante el conjunto formado por ei generador de funciones y amplificador.

Otra diferencia esencial es que, mientras en otros documentos del estado de la técnica ios ultrasonidos generados por aplicadores externos provocan oscilaciones mecánicas en los materiales excitados de carácter no piezoeléctrico que no se traducen en fenómenos de polarización eléctrica superficial, en el sustrato piezoeléctrico o ferroeiéctrico de la presente invención se generan tanto oscilaciones mecánicas como en su superficie campos eléctricos locales de carácter oscilante, debido a los conocidos en física como efectos piezoeléctricos directo e inverso, respectivamente.

Además, una diferencia esencial es que el dispositivo propuesto es dual e integra funciones de detección actuando como sensor, gracias al analizador de red vectorial, y de retroalimentación al conjunto generador de funciones/amplificador para provocar la excitación del conjunto del sustrato piezoeléctrico y la consiguiente eliminación de hielo acumulado.

Conviene señalar que la detección de las condiciones de resonancia mediante el analizador de red vectorial permite la determinación de la cantidad de hielo acumulado o ¡a presencia de agua y hielo, así como establecer las condiciones óptimas de resonancia para maximizar el rendimiento energético en los procesos de excitación para lograr el deshielo. El hecho de que la señal de resonancia detectada en el analizador de red vectorial del dispositivo se vea afectada por la temperatura y pueda usarse para medir este parámetro no se menciona en el estado de la técnica.

Gracias a la integración de componentes electrónicos propuesta, el generador de funciones permite sintonizar la frecuencia de la señal eléctrica AC de alto voltaje generada por el amplificador y ajustar su intensidad a partir del valor de consigna determinado por el analizador de red vectorial, a fin de optimizar el proceso de excitación y minimizar el consumo de energía requerido para ei deshielo. Por otro lado, la presente invención basada en ondas acústicas de longitud de onda corta, en el rango de los MHz preferentemente, generadas en materiales piezoelécíricos o ferroeléctricos con electrodos integrados en la superficie permite superar los principales problemas de la tecnología clásica de ultrasonidos en el rango de los kHz, como son el carácter “focalizado” de la excitación a partir de un generador o generadores externos, su amortiguamiento al separarse de la fuente de excitación pequeñas distancias, o la necesidad de tener que mover el generador o actuador o poner varios generadores si se quiere eliminar el hielo de zonas o superficies extensas. El coste energético es otro factor que puede disuadir de un uso extensivo de esta tecnología.

En relación a la publicación Advanced Materials Interfaces mencionada en el apartado de antecedentes, el dispositivo objeto de la presente invención difiere del concepto especificado en esta publicación científica en elementos esenciales como los siguientes: i) El ZnO tiene únicamente carácter piezoeiéctríco, pero no ferroeléctrico, cubriendo la presente invención un conjunto más amplio de materiales. ii) El sistema descrito en la referida publicación se refiere a una capa delgada de ZnO depositada sobre un sustrato de aluminio y no considera el desarrollo de sistemas de eliminación de hielo sobre capas, láminas o películas autosoportadas donde la excitación de ondas acústicas puede ser tanto superficiales de tipo “Rayleigh” como de tipo “Lamb”, estas últimas afectando al conjunto de la capa, lámina o película autosoportada. Para estos sustratos, aunque también pueden usarse electrodos interdigitados para generar ondas “Rayleigh” superficiales, es posible utilizar electrodos continuos más simples y no colocados en la superficie externa donde se produce el deshielo, sino en la cara interior. Estos electrodos continuos pueden estar depositados en forma de capa delgada sobre la superficie del sustrato, pero pueden utilizarse también en forma de pintura conductora o una chapa metálica aplicada directamente a la placa, lámina o película autosoportada. El hecho de que los electrodos en este caso pueden aplicarse en la cara oculta de la placa, lámina o película autosoportada es otra ventaja no aplicable a los electrodos interdigitados, al no requerir proteger ios electrodos ocultos de la interacción con el medio. iii) La presente invención contempla que la placa, lámina o película autosoportada tenga o bien una extensión pequeña donde baste aplicar dos electrodos extensos y continuos para lograr el efecto deseado de deshielo o limitador de la formación de hielo, o una extensión grande donde se necesite integrar parejas de electrodos conectados en paralelo para lograr un resultado efectivo sobre toda el área a proteger del hielo. En la publicación referida no se contempla la posibilidad de extender el efecto de las ondas acústicas superficiales a grandes extensiones y, por lo tanto, la posibilidad de utilizar un sistema de múltiples electrodos. Más aún, implícitamente se deduce de la publicación que sólo se utiliza un único electrodo interdigitado lo que imposibilita generar ondas estacionarias de intensidad controlable en toda la extensión del sustrato y se traduce en una excitación que se irá atenuando progresivamente con la distancia hasta anularse. En una realización de la presente invención se propone usar pares de electrodos, bien extensos o interdigitados, a fin de generar ondas, tipo “Lamb” o “Rayleigh”, respectivamente, de carácter estacionario e intensidad homogénea en toda la extensión del sustrato. El uso de sustratos plezoeléctricos autosoportados sería también compatible con su excitación con un único o varios electrodos interdigitados no acoplados en paralelo, en cuyo caso no se generarían ondas estacionarias.

¡v) Otro elemento de la presente invención que no se contempla en la publicación referida surge de la constatación de que las condiciones de resonancia de la placa, lámina o película autosoportada son muy sensibles a las condiciones de temperatura del entorno y a la propia formación de hielo y que, para optimizar el rendimiento energético para ios procesos de deshielo y un efecto antihieio más efectivo, es necesario ajustar de forma dinámica la frecuencia de la señal de excitación a la frecuencia intrínseca de resonancia del sistema. En la referida publicación, aunque verifican que la formación de hielo en la superficie produce un cambio en las condiciones de resonancia, no se desarrolla ningún método dinámico de ajuste de la frecuencia de excitación a las condiciones del máximo de resonancia en cada caso, con las obvias pérdidas energéticas que ello implica. v) La frecuencia de resonancia utilizando electrodos interdigitados como en la publicación de referencia viene condicionada por las características morfológicas de los electrodos (tamaño y espesor de las pistas, numero, forma en que se distribuyen, etc.) de forma que una vez depositados en la superficie del ZnO definen y por lo tanto limitan las condiciones de resonancia. El uso de electrodos continuos como se describe en una de las realizaciones de la presente invención, permite trabajar en varias zonas de resonancia del dispositivo, incluyendo sobretonos a valores multiplicativos de frecuencia, no condicionando así el tipo, características y rango de trabajo de la electrónica a utilizar para lograr el efecto de deshielo o activación de capacidad anti-hielo. Esta condición permitiría en su caso ajustar la frecuencia de resonancia a alguno de ios intervalos de frecuencia libre y compatible con el rango de emisiones radioeléctricas.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos y figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1A.- Muestra una vista esquemática del sustrato de material piezoeléctrico o ferroeiéctrico con un par de electrodos.

Figura 1B.- Muestra una representación esquemática del dispositivo en una primera realización de la invención, con el sustrato de material piezoeléctrico o ferroeiéctrico totalmente expuesto y el par de electrodos metálicos cubriendo parte de ia cara opuesta.

Figura 1C,- Muestra los esquemas frontal y lateral de la disposición de un par de electrodos interdigitados depositados sobre la cara del sustrato piezoeléctrico o ferroeiéctrico expuesta a la acumulación de hielo.

Figura 2,~ A) Muestra una serie de espectros de pérdida de retorno S11 determinados mediante un analizador vectorial de red para el dispositivo esquematizado en la Figura 1B para varias temperaturas de medida. B) ídem con presencia de una gota de agua en su superficie.

Figura 3.- A) Muestra un ejemplo de aplicación donde una partícula de hielo sobre una placa de LiNbOa, con propiedades piezo y ferroeléctricas y excitada con OAs, se va fundiendo progresivamente. B) Efecto de fusión producido térmicamente mostrado a efectos comparativos. Figura 4.- Muestra un ejemplo de aplicación donde una partícula de hielo sobre una placa de LiNb0 ₃ en posición vertical se desliza progresivamente al excitar la placa con OAs,

Figura 5A.- Muestra el esquema frontal del poriasustrato con un sustrato activo y otro de referencia para verificar la capacidad anti-hielo de las OAs.

Figura 5B.~ Muestra el esquema de perfil del poriasustrato, del colimador y del túnel de viento utilizado para verificar la capacidad anti-hielo de las OAs.

Figura 8.- Muestra ios valores de las frecuencias de resonancia determinada a partir de ios mínimos de ios espectros de pérdida de retorno S11 medidos y representada en función de la temperatura para procesos sucesivos de enfriamiento, congelación, calentamiento y descongelación.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Se describen a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 5B, unas realizaciones preferentes del dispositivo (1) para eliminar hielo en superficies o prevenir su formación.

El dispositivo (1) de la invención define una superficie sobre la que se desea que se produzca el deshielo. En una primera realización, que se muestra en las figuras 1A y 1 B, el dispositivo (1) comprende un sustrato (2) píezoeléctrico o ferroeléctrico, destinado a vincularse a la superficie. El sustrato (2) puede ser una lámina, una placa o una película autosoportada de carácter píezoeléctrico o ferroeléctrico (un material ferroeléctrico es también píezoeléctrico, pero no al contrario). El sustrato (2) puede ser de materiales tales como: materiales inorgánicos como LiNbOa, LiTa03, BaTiOs, KNbOs, PbTi03, PZT (titanato de circonato de plomo, !ead zirconate íiianaíe en inglés), PZN-PT (Pb(Zni/ ₃ Nb2/3)03-PbTi03) . PMN-PT ((1 - xjPbfMgi/aNb^Os-xPbTiOs), Hf0 ₂ , ZnO, AZO (óxido de aluminio y zinc, aluminium zinc oxide en inglés) o AIN, entre otros, en forma mono o policri stalina, materiales de carácter poíimérico como los conocidos como PVDF (fluoruro de polivinilídeno) o su copoíímero PVDF-TrFE (fluoruro de polivilideno- trifluoretiíeno). Sobre el sustrato (2) se acumula el hielo en una primera cara (A). Sobre una cara opuesta del sustrato (2) y cubriendo los extremos se deposita una capa metálica muy fina en forma de dos electrodos (3) continuos con el objeto de generar ondas acústicas másicas tipo “Lamb” de carácter estacionario e intensidad homogénea en toda la extensión del sustrato.

La superficie del sustrato (2) piezoeiéctrico o ferroeléctrico puede estar funcionaiizada para que la misma tenga una respuesta hidrofóbica o hidrofíiica frente ai agua, según convenga para propiciar un mejor deslizamiento de! hielo semifundido que se forma a partir de hielo durante el proceso de deshielo inducido por las OAs.

En una segunda realización de la presente invención, que se muestra en la figura 1C, el par de electrodos (3), bien planos o en forma de electrodos (3) interdigitados, se colocan sobre una cara (A) de! sustrato (2), piezoeiéctrico o ferroeléctrico, sobre el que se ha acumulado el hielo. Esta disposición asegura la formación de ondas estacionarias con una intensidad homogénea sobre toda ia superficie del sustrato.

Esta segunda realización, especialmente cuando se usan los electrodos (3) interdigitados, es especialmente favorable para ia generación de ondas acústicas superficiales tipo “Rayieigh” o similar, que no tendrían carácter estacionario en caso de usar un único electrodo interdigitado.

Para generar las ondas estacionarias superficiales sobre el sustrato usando parejas de electrodos interdigitados, dependiendo de su diseño y siguiendo el estado de la técnica, la conexión eléctrica puede realizarse con el polo activo y el de tierra sobre ambos electrodos o sólo sobre uno de ellos, actuando el opuesto como reflector.

El modo de funcionamiento del dispositivo en esta configuración es totalmente equivalente ai de la Figura 1B, salvo en ei hecho que el par de electrodos (3) quedan situados en la superficie expuesta al medio exterior (Figura 1 C) y por lo tanto deben protegerse para evitar su corrosión o desgaste. Un modo fácil de protección es depositar sobre la zona donde se encuentran dichos electrodos (3) (por ejemplo, utilizando una máscara) una capa delgada de un material dieléctrico como SÍO2 o polimérico (como PDMS) en un rango de espesores desde algunos cientos de nanómetros hasta algunas mieras. Una variante de las dos realizaciones anteriores consiste en cubrir parte de la cara (A) sobre ia que se desea que se produzca el deshielo por una capa de acoplamiento que tenga buenas características para transmitir las OAs, es decir que, aunque no tenga carácter piezoeléctrico o ferroeléctrico y no pueda generarlas, presente como propiedad singular una alta capacidad para transmitirlas a partir del sustrato piezoeléctrico o ferroeléctrico. Estas capas de acopiamiento pueden poseer también características anticorrosión, anti-abrasión o hidrofóbicas/hidrofílicas para mejorar la respuesta del dispositivo a las condiciones ambientales.

En cualquiera de las dos realizaciones, el dispositivo (1) comprende además una unidad electrónica que comprende un analizador de red vectorial (7), conectado a los electrodos (3) y a tierra, configurado para determinar la frecuencia de resonancia de ia placa o lámina (2).

Adicionalmente, la unidad de electrónica comprende un módulo de excitación que incluye un generador de funciones (8) conectado a un amplificador de señales (4) y que se puede monitorizar mediante un osciioscopio (5). El módulo de excitación, que se muestra en detalle en ia figura 1 B, se conecta a uno de ios electrodos (3) y a tierra y al otro electrodo en caso de los electrodos continuos. En el caso de los electrodos interdigitados la conexión se haría a uno de ios dos “peines” de pistas que lo integran y al otro “peine” a tierra, respectivamente (Figura 1C).

El amplificador de señal (4) actúa amplificando el voltaje de la señal o función suministrada por el generador de funciones (6), dando lugar a una señal eléctrica AC de excitación caracterizada por un voltaje pico a pico que puede alcanzar valores entre 20 y 200 V a la misma frecuencia de resonancia de la señal determinada por el generador de funciones (8). La señal eléctrica AC de excitación se aplica sobre los electrodos (3), coincidiendo esta señal con la frecuencia de resonancia de la placa o lámina (2) determinada por el analizador de red vectorial (7).

Además, como se muestra en la figura 1 B, la unidad electrónica comprende una unidad automatizada de conmutación (8), que alterna ia conexión uniendo eléctricamente los electrodos (3), tierra y el analizador de red vectorial (7) o el amplificador de señal (4), los electrodos y tierra (3). Esta alternancia permite medir alternativamente las condiciones de resonancia con el analizador de red vectorial (7) o aplicar la señal eléctrica AC de alto voltaje con el módulo de excitación. Ai estar el analizador de red vectorial (7) y el generador de funciones (8) conectados, en el caso de que se produzcan cambios en la frecuencia de resonancia debido a la acumulación de hielo, su fusión parcial o total, cambios de temperatura, etc., estos se traducen en cambios inmediatos en la frecuencia de la señal de excitación que, para optimizar el rendimiento energético del dispositivo, debe estar sintonizada en todo momento con la frecuencia de resonancia del sistema.

El mismo dispositivo (1), permite detectar la formación de hielo acumulado sobre la superficie del sustrato (2) piezoeiéctrico o ferroeléctrico. Esta acumulación produce una alteración de las propiedades elásticas y/o eléctricas (electromecánicas) del sustrato (2), piezoeiéctrico o ferroeléctrico, lo que se traduce en un cambio de la frecuencia de resonancia, cambio que puede detectarse mediante el analizador de red vectorial (7).

A continuación, en los siguientes ejemplos, se muestran casos concretos que ponen de manifiesto cómo el dispositivo (1) de la presente invención se puede utilizar de forma eficaz para producir el deshielo y eliminación de hielo acumulado en la superficie de un sustrato piezoeiéctrico o ferroeléctrico diseñado para ser excitado mediante OAs. En concreto, se pone de manifiesto como la generación de una determinada OA produce la fusión parcial de agregados de hielo acumulados en ia superficie que, dependiendo de la orientación con respecto al piano del sustrato piezoeiéctrico o ferroeléctrico y/o de las características hidrofíiicas o hidrofóbicas de su superficie, puede deslizarse fuera del material conduciendo a la eliminación de hielo sin necesidad de lograr su fusión total. En experimentos paralelos se ha podido también verificar su alta eficacia para ia eliminación de bacterias o virus crecidos sobre su superficie, incluso en condiciones de baja temperatura y/o en acumulaciones de hielo.

Se describen a continuación una serie de etapas de utilización del dispositivo (1), en una realización concreta en la que el sustrato (2) es una placa de LiNbÜ3: se deja una gota de agua de 5pL sobre la superficie de una placa de LiNbOs a temperatura ambiente, se baja ia temperatura del ambiente hasta -5 °C o valores inferiores y se espera a que la gota de agua se congele completamente. Se posiciona un termopar sobre la superficie de ia placa (2) para verificar que ha alcanzado ia temperatura de -5 ^o C del ambiente exterior. La congelación del agua da lugar a una partícula de hielo con una forma característica diferenciada respecto de ia gota de agua. Se retira el termopar de la superficie, se mide con el analizador de red vectorial (7) la frecuencia de resonancia de la placa dotada de electrodos (3) y eléctricamente conectada tal y como se indica en la figura 1B, se selecciona con el generador de funciones (6) esta frecuencia de resonancia y se genera una señal de consigna con el generador de funciones (6) que se hace llegar al amplificador (4), según el esquema de conexión eléctrica de la figura. Se ajusta el voltaje de la señal de salida y se verifica con el osciloscopio (5) que no existe ninguna distorsión en la señal aplicada a la placa, se filma la evolución de la partícula de hielo en función del tiempo. Durante este proceso, el módulo de conmutación (8) puede inducir pequeños cambios en la frecuencia de excitación para ajustarse a posibles cambios en la frecuencia de resonancia del sistema, y ai final del proceso se para la activación por OAs y se mide la temperatura de la superficie de la placa poniendo de nuevo en contacto la superficie con el termopar retráctil.

La Figura 2 muestra la dependencia de las condiciones de resonancia del dispositivo (1), determinada con el analizador de red vectorial (7), en función de parámetros de operación como temperatura (Figura 2A), la presencia de una gota de agua y la transformación de esta en hielo (Figura 2B), mientras que la evolución de la respuesta del analizador de red vectorial (7) con el enfriamiento, el proceso de congelación, un calentamiento progresivo posterior y la fusión por descongelación de esta gota de agua (Figura 6).

Como se aprecia en la figura 6, durante el enfriamiento, la frecuencia de resonancia aumenta de acuerdo a un comportamiento normal de un material piezoeléctrico. En la congelación, se produce un aumento brusco de la frecuencia debido a que la gota de agua se transforma en hielo. , Finalmente, durante el calentamiento, en el que se deja subir la temperatura de forma natural, se produce una evolución normal de la frecuencia de resonancia con la temperatura hasta alcanzar el punto de fusión del hielo, cuando la frecuencia de resonancia cae hasta alcanzar la curva inicial.. Estos datos se han obtenido a partir de una gota de 10mI sobre una superficie de LINbOS. Resulta evidente que cambios de estas condiciones de operación producen alteraciones significativas en las condiciones de resonancia del sistema que pueden utilizarse como procedimiento sensor de cambios de temperatura y de formación de hielo. Por ejemplo, en ¡a Figura 2A se aprecia que la disminución de la temperatura produce un cambio en la forma de los picos de resonancia, algunos cambios en la intensidad global de estos y un desplazamiento progresivo del espectro de pérdidas a valores mayores de frecuencia. La forma de ios espectros se ve alterada por la presencia de una gota de agua en la superficie y la transformación agua-hielo entre -2 y -4°C que se manifiesta en la Figura 2B por un cambio significativo en la forma y patrón de resonancia, aunque también en este caso se produce un desplazamiento sistemático de la resonancia a mayores frecuencias a medida que disminuye la temperatura. Los cambios en la frecuencia de resonancia se resumen en la Figura 6 que muestra también cómo existen fenómenos de histéresis en ios procesos de congelación y descongelación (asociados a ios conocidos fenómenos de “retrasos de congelación”).

En la figura 3 se muestra el fundido de una partícula de hielo depositada sobre un sustrato (2), que en este caso es una placa ferroeléctrica de LiNbOs activada con OAs. Concretamente, en este ejemplo de aplicación se muestra el proceso de fundido de un agregado de hielo depositado sobre una placa ferroeléctrica de LiNb03 integrada en un dispositivo (1) como el descrito en la Figura 1B.

En estas condiciones se determinó con el analizador de red vectorial (7) que la frecuencia inicial de resonancia del sistema era de 3,566 +-0.025 MHz. Tras activar y sintonizar la generación de OAs para excitar ia placa con una señal eléctrica AC de frecuencia sintonizada como se ha descrito en la Figura 1B, se verificó que el agregado de hielo experimenta un proceso de deshielo que puede seguirse por inspección óptica con una lente o registrarse con un cámara.

Los resultados de este proceso se muestran en la Figura 3 izquierda, donde se observa la transformación del hielo hasta su estado en agua líquida tras 41 s de activación. Tras este proceso se verificó que la temperatura de la superficie de la placa (2) sólo había experimentado un incremento de temperatura desde -5°C ai principio del experimento hasta 0°C, insuficiente para inducir la transformación sólido-líquido observada.

El efecto directo de las OAs en el proceso de fusión se puso adicionalmente de manifiesto con el experimento que se reporta en la Figura 3 derecha, donde una partícula de hielo similar a la anterior y depositada sobre la misma placa de LiNbOs se calienta progresivamente hasta 2,5°C, es decir se induce su fusión mediante efecto Joule. Puede observarse en esa figura que el hielo sufre un proceso de fusión progresivo, que inducido mediante el efecto Joule es extraordinariamente lento, necesitándose un tiempo total de 6 minutos para lograr la trasformación total a agua líquida. La diferencia de tiempo tan notable requerido en cada caso para lograr la fusión de la partícula de hielo y el diferente perfil de la mezcla hielo-agua en el proceso de fusión demuestran claramente que las OAs propagadas en un sustrato piezoeléctrico juegan un papel efectivo y singular en el proceso de transformación hielo-agua.

En el experimento de la Figura 3 la frecuencia de resonancia del dispositivo (1) se determinó ai principio del mismo, pudiéndose verificar con el analizador de redes (7) un cambio en las condiciones de resonancia del dispositivo a valores mayores de frecuencia al final del proceso de fusión, tai y como se deduce de la Figura 2B. Ajustando sistemáticamente la frecuencia de excitación a lo largo del proceso de fusión, se logró la fusión del hielo con una potencia nominal de excitación relativamente baja, caracterizada por voltajes de excitación de exclusivamente ±15 V pico a pico, frente a voltajes de la señal eléctrica AC de excitación de ±50 V pico a pico requeridos si la frecuencia sólo se ajustaba inicialmente y no se sintonizaba de forma continua durante el proceso de fusión.

En la figura 4 se muestra el deslizamiento del hielo sobre una placa piezoeléctrica (2) activada mediante OAs. Concretamente, en este ejemplo de aplicación se pone de manifiesto que las ondas acústicas, además de propiciar una transformación hielo-agua acelerada como se pone de manifiesto en el ejemplo anterior, pueden inducir el deslizamiento superficial de agregados hielo-agua resultantes de una fusión parcial de partículas de hielo. Este mecanismo resulta beneficioso ai propiciar la eliminación de hielo de la superficie sin necesidad de inducir su fusión total.

En este ejemplo de aplicación se procedió de manera análoga a como se procedió en el ejemplo anterior, colocando sin embargo la placa piezoeléctrica en posición vertical. Se filmó la evolución de la partícula de hielo en función del tiempo de activación con las OAs. La frecuencia inicial de resonancia en este caso fue de 3,567 +- 0,025 Mhz y el voltaje definido por la amplitud de la señal de activación varió de ±15 a ±50 V pico a pico, dependiendo de si se sintonizó o no la frecuencia de resonancia de la señal eléctrica AC de excitación durante el proceso de fusión y deslizamiento.

Las imágenes recogidas en la Figura 4 dan muestra de la evolución del agregado de hielo para distintos periodos consecutivos del proceso de activación hasta un tiempo máximo de 41 s, equivalente al requerido en el primer ejemplo. En este caso, la serie de imágenes muestran una etapa inicial (t=22 s) donde se observa una fusión parcial del hielo y, a continuación, un deslizamiento hacia abajo del conjunto agua-hielo hasta la práctica desaparición del campo de observación para un tiempo de activación de 41 s.

Se ha realizado también un experimento adicional para probar la eficacia del dispositivo (1) de la figura 1 para prevenir o limitar la formación de capas o agregados de hielo sobre su superficie (función anti-hielo). Esta realización adicional de la invención se ha llevado a cabo en un túnel de viento con un control preciso de los siguientes parámetros de operación: velocidad del aire: 25 y 70 m s ^-1 tamaño medio de las gotas de agua sub-enfriada: 20 mieras temperatura: -5°C contenido de agua líquida en el flujo de aire: 0,2 g rrr ³

Tal y como muestran las Figuras 5A y 5B, se ha utilizado un sustrato piezoeléctrico activado con OAs (9) semejante ai sustrato (2) del dispositivo (1) de la invención, y un sustrato equivalente sin activación (10) utilizado como sistema de referencia. Ambos sustratos (9, 10) se colocaron sobre un portas ustratos (11) dotado de conexiones eléctricas (12) para activar las OAs y, en su caso, conectar un termopar.

El portas ustratos (11) se colocó en el centro de una cámara de ensayo (13) (15x15 cm ² ) en posición normal al flujo de aire. Un colimador (14) con dos diafragmas o colimadores equivalentes colocado a una distancia del portasustrafos (11) de 33 cm para colimar el flujo de aire y gotas sobre una zona definida de la superficie de ambos sustratos (9, 10).

En estas condiciones, usando un voltaje de activación de ±25 V pico a pico, a una frecuencia de resonancia de 3,4016 MHz y una velocidad de aire de 70 ms ^'! , el agregado de hielo formado sobre el sustrato activado con OAs (9) fue aproximadamente un 60% menor que el formado sobre el sustrato equivalente sin activación (10) usado como referencia.

Cabe así mismo señalar que aumentando el voltaje de excitación a ±40 V pico a pico y con una velocidad de aire de 25 ms- ¹ , no llegó a formarse ningún tipo de hielo sobre el sustrato activado con OAs (9), quedando algunas gotas de agua líquida sobre este, mientras que una acumulación considerable de hielo se formó sobre el sustrato de referencia sin activación (10).