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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der
Enteisung und des Vereisungsschutzes sowie auf Enteisungs- und Vereisungsschutzsysteme
insbesondere bei Flugzeugen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Während des
Fluges oder am Boden können
Flugzeuge atmosphärische
Bedingungen antreffen, die bewirken, dass sich auf Flügeln und
anderen Oberflächen
der Flugzeugstruktur, einschließlich
Flügel,
Leitwerke, Seitenruder, Querruder, Triebwerkseinlässe, Propeller,
Rotoren, Flugzeugrumpf und dergleichen, Eis bildet. Durch sich anhäufendes
Eis, kann das Flugzeug, falls es nicht entfernt wird, zusätzliches
Gewicht erhalten, und die Flügelkonfiguration
kann sich ändern,
was unerwünschte
und/oder gefährliche
Flugbedingungen bewirken kann. Seit den frühesten Tagen der Luftfahrt
ist versucht worden, das Problem des Eisansatzes zu überwinden.
Jedoch sind verfügbare
Enteisungs- und Vereisungsschutzsysteme gewöhnlich auf große Flugzeuge
beschränkt
geblieben, da der finanzielle Aufwand und das zusätzliches
Gewicht diese für
gewöhnliche einmotorige
und leichte zweimotorige Flugzeuge und Hubschrauber unpraktisch
gemacht haben.
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Verschiedene
Versuche sind unternommen worden, modernen Flugzeugen Enteisungs-
und/oder Vereisungsschutzsysteme zur Verfügung zu stellen, und diese
werden allgemein eingeteilt in mechanische, chemische oder thermische
Systeme. Ein gebräuchliches
System für
die Enteisung ist das mechanische Entfernen von Eis mit eine3 pneumatischen
Schutzmanschette. In diesem System wird die Vor derkante oder der
Flügel
oder das Strebenteil eines Flugzeugs mit einer Vielzahl von ausdehnbaren
Manschetten bedeckt, die mit einem unter Druck stehenden Fluid,
wie beispielsweise Luft, aufgeblasen werden können. Wenn sie aufgeblasen
sind, dehnen sich die Manschetten aus und zerbrechen sich anhäufendes
Eis, das dann im Luftstrom fein verteilt wird. Obwohl pneumatische
Schutzmanschetten in kommerziellen Flugzeugen und in einigen leichten zweimotorigen
oder kleinen Düsenflugzeugen
verwendet worden sind, ist dieses System, das einen Luftkompressor
und ein Vakuumsystem erfordert, teuer und fügt dem leichten Flugzeug merkliches
Gewicht zu. Ein ähnliches
mechanisches System benötigt
eine Vielzahl angrenzender elektroexpulsiver Elemente, die innerhalb
eines Elastomeren oder einer metallisch beschichteten Schutzmanschette
angeordnet sind, die auf der Oberfläche der Tragfläche befestigt
ist. Sobald ein elektrischer Impuls angewendet wird, bewirkt die
Kraft eine Impulstrennung eines Elementes vom anderen, die ausreichend
ist, um mechanisch die dünnen
Eisablagerungen abzuwerfen. In jedem dieser mechanischen Systeme
beeinflussen Schutzmanschettenoperationen die Tragflächencharakteristik
mit dem Resultat, dass die Schutzmanschette während der Landung oder während des
Starts nicht bedient werden kann.
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Ein
weiteres mechanisches System zur Entfernung von Eis, das bereits
ausgestaltet wurde, verwendet einen Verbundtragflächenkante
mit einer Titanverkleidung. Unter der Verkleidung sind Röhren angebracht, durch
die Luft unter hohem Druck pulsiert, wobei eine Schockwelle erzeugt
wird, die die dünnen
Eisablagerungen in den Luftstrom abwirft. Obwohl dieses System leichter
ist als die pneumatische Schutzmanschette oder das elektroexpulsive
System, ist es für
kleine Flugzeuge wegen der Ausgaben der Titanverkleidung teuer.
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Zusätzlich zu
den Nachteilen des zusätzlichen
Gewichtes und der Ausgaben der gegenwärtigen mechanischen Eisentfernungssysteme
benötigt
jedes dieser Systeme eine visuelle Beobachtung gemäß des Ausmaßes des
Eisaufbaus und einen sorgfältigen
Zeitpunkt der Aktivierung für
eine maximale Effektivität.
Darüber hinaus
ist keines dieser Systeme für
die Verwendung als ein Vereisungsschutzsystem einsetzbar (was bedeutet,
die Bildung von Eis zu verhindern).
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Ein
weiterer gebräuchlicher
Versuch zur Enteisung und/oder zum Vereisungsschutz von Oberflächen von
Flugzeugen beinhaltet die Anwendung einer Chemikalie, beispielsweise
von Alkohol, um die Adhäsionskräfte zu erniedrigen,
die mit der Eisbildung und/oder mit der Erniedrigung des Gefrierpunktes
von Wasser, das sich auf den Oberflächen ansammelt, verknüpft ist.
Solche Systeme können
verwendet werden, solange das Flugzeug auf dem Boden oder im Flug
ist. Beispielsweise verhindert ein System den Eisaufbau auf der
Vorderkante von Tragflächenoberflächen, inklusive
Propeller und Rotorblättern
dadurch, dass Alkohol aus einer Vielzahl von Löchern in einer befestigten
Titanmanschette ausgeschieden wird. Nachteile dieser chemischen Systeme,
die sich an Bord befinden, beinhalten ihren finanziellen Aufwand
und die Notwendigkeit, sich auf einen begrenzten Vorrat der Chemikalie
während
des Fluges zu verlassen.
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Mögliche thermische
Enteisungs- oder Vereisungsschutzsystzeme wurden bereits berichtet.
Ein solches System, das auf das Triebwerk eines Flugzeugs begrenzt
ist, leitet Entlüftungsluft
oder heiße
Luft aus einem der Turbinenplattformen ab, um die Vorderkante der
Tragfläche
zu erwärmen.
Andere thermische Systeme benötigen
Heizelemente, die über
elektrisch leitenden Widerstand wirken, beispielsweise solche, wie
sie in Heizmatten enthalten sind, die an der Vorderkante des Flugzeuges
angebracht sind oder am Propeller oder an den Rotorblättern, oder
solche, die in den Strukturelementen des Flugzeugs inkorporiert
sind. Heizmatten dieses Typs bestehen gewöhnlich aus einem elektrisch
leitenden Material, das in Kontakt mit Draht oder anderen metallischen
Heizelementen ist, die über
die leitfähige
Schicht verstreut sind, die zwischen zwei Isolierschichten eingelegt
sind. Die elektrische Energie für
die Heizelemente wird von einer Erzeugungsquelle abgeleitet, die
von einer oder mehrerer der Flugzeugmotoren angetrieben wird. Die
elektrische Energie wird kontinuierlich zur Verfügung gestellt, um genügend Hitze
zu erzeugen, die ausreicht, die Bildung von Eis zu verhindern, oder
sie wird auch intermittierend zur Verfügung gestellt, um das sich
anhäufende
Eis aufzulockern. Jedoch sind solche Systeme nur mit einer verfügbaren Leistung
verwendbar, die ausreichend ist, um die Temperatur anzuheben und/oder
bei typischen Flugzeuggeschwindigkeiten über dem Gefrierpunkt auf der
Tragflächenoberfläche aufrechtzuerhalten.
Beispielsweise sollte ein Vereisungsschutzsystem, das kontinuierlich
während
der Vereisungsbedingungen in Betrieb ist, Idealerweise eine Oberflächentemperatur
von ca. 100°F
bis 180°F
(38°C bis
82°C), so
wie es von der National Aeronautic and Space Administration (NASA)
vorgeschlagen wurde oder typischer von 100°F bis 130°F (38°C bis 54°C), wie es für das Gulfstream-4-Flugzeug
empfohlen und im Gulfstream-Pilot-Operating-Handbook festgelegt wurde, aufrechterhalten.
Ein ideales thermisches Enteisungssystem sollte in der Lage sein,
eine Temperatur von 100°F
bis 150°F
(38°C bis
66°C) während der
Vereisungsbedingungen aufrechterhalten.
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Um
diese Temperaturen, wie sie oben beschrieben sind, zu erreichen,
ist die Stromversorgung, die erforderlich ist, um ein Vereisungsschutz-
oder Enteisungssystem vom Typ einer über ein Kabel beheizten Heizmatte
zu versorgen, wegen der Ineffizienz der Widerstandselemente, die
sich in der Heizmatte befinden, groß. Beispielsweise ist die Leistung,
die für
ein Vereisungsschutzsystem in einem typischen einmotorigen Fluggerät hoher
Leistung oder in einem leichten zweimotorigen Flugzeug erforderlich
ist, und die die oben beschriebene Widerstandsheizungen verwendet,
ungefähr
21.000 W. Gegenwärtige
Leistungssysteme in einem solchen Flugzeug können ein Maximum von ungefähr nur 7.000
W zur Verfügung
stellen. Ein typisches gängiges
leichtes Flugzeug mit einer Fläche
von ungefähr
1.400 Quadratinches (1 Inch = 2,54 cm), das derartige Heizmatten verwendet,
erfordert ungefähr
15 W pro Quadratinch (1 Inch = 2,54 cm) um Vereisungsschutztemperaturen
zu erreichen. Bekannte Heizmattensysteme stellen ungefähr 2 bis
3 W pro Quadratinch (1 Inch = 2,54 cm) an Leistung zur Verfügung, die
für diese
Flugzeuge benötigt
wird. Daher sind bisher typische Heizmatten mit Widerstandsheizung
keine brauchbare Alternative als Vereisungsschutz- oder Enteisungssysteme
für gewöhnliche
Flugzeuge.
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Ein
weiterer Nachteil der typischen thermischen Systeme ist die Tendenz,
dass die schützende
Beplankung in Folge von Abschleifen, Abrasion und Erosion zusammenbricht,
was das Brechen der Heizkabel verursacht. Ein thermisches System
versucht dieses Problem dadurch zu überwinden, dass es einen Epoxy-Verbundstoff verwendet,
der eine eingebaute Heizschicht enthält, die eine Matte eines Vliessstoffes
aus leitfähiger,
Metall-beschichteter Fasern umfasst, beispielsweise wie Nickel-beschichtete
geschnitzelte Kohlenstofffasern, deren zufällige Orientierung garantiert,
dass eine elektrische Verbindung aufrechterhalten wird, wenn ein
einzelner oder sogar viele Verbindungen unterbrochen werden. Jedoch
erfordert dieses System vor der Anwendung eine aufwändige Herstellung
von Flugzeugoberflächen
aus Aluminium.
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Eine
weitere Information bezüglich
des Standes der Technik kann im US-Patent 3,553,834 gefunden werden,
das eine Methode für
die Herstellung eines Heizteppichs offenbart, wobei komprimierter
wurmförmiger Graphit
als ein Widerstands-Heizelement
verwendet wird, wobei eine Schicht aus komprimiertem wurmförmigen Graphit
auf die Ausfütterung
des Teppichs aufgebracht und eine zweite Aus-Fütterung
hinzugefügt
wird, um die komprimierte Graphitschicht zu bedecken. Dann wird
ein elektrischer Kontakt zwischen der Graphitschicht und einer elektrischen
Quelle hergestellt, um elektrischen Strom durch die Graphitschicht
fließen
zu lassen, wobei der Teppich durch elektrischen Widerstand erhitzt
wird.
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US-A-5,100,737
offenbart ein vielschichtiges Material, das wenigstens zwei Schichten
eines flexiblen Materials umfasst, einschließlich einer Schicht, die auf
elektrisch leitfähigem,
expandiertem rekomprimiertem Graphit basiert, und eine weitere Schicht,
die auf einem Metall basiert, wobei die Graphitschicht wenigstens eine
Fläche
davon besitzt, die an jedem Punkt durch eine Schicht eines Metalls
bedeckt ist, und in direktem elektrischen Kontakt mit der Schicht
des Metalles steht, und wobei die Metallschicht durch elektrolytische
Abscheidung oder durch eine chemische Abscheidung wenigstens eines
Metalles auf der Graphit schicht in einer Weise erhalten wird, dass
die Metallschicht direkt der Graphitschicht anhaftet und genau dessen
Mikrorelief trifft.
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Hinsichtlich
des vorstehend Gesagten besteht ein Bedürfnis nach einem billigen und
effizienten bordeigenem System, das sowohl die Möglichkeit einer Enteisung wie
auch eines Vereisungsschutzes für
ein gewöhnliches
Fluggerät
zur Verfügung
stellt, das leicht an Gewicht ist, das effizient wirkt, indem es
die Stromversorgung, die gewöhnlich
in diesen Flugzeugen verfügbar
ist verwendet, welches nicht die Kontur der Tragflächenoberfläche verändert und
welches abrasions- und abnützungsresistent
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
werden obiger Gegenstand und weitere Gegenstände durch eine Fluggerätflugwerk
wie im unabhängigen
Anspruch 1 definiert, erreicht, ebenso wie durch das Laminat und
das System, wie sie in den unabhängigen
Ansprüchen
20 und 39 jeweils definiert sind. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
Erfindung stellt ein einzigartiges Laminat für das Verbinden mit der Oberfläche oder
eines Teiles der Oberfläche
eines Fluggeräts
zur Verfügung,
um die Temperatur auf der Oberfläche
zu kontrollieren, und die Bildung von und/oder das Akkumulieren
von Eis während
des Fluges oder bei Bodenbedingungen zu verhindern. Obwohl das hierin
beschriebene Laminat für
die Verwendung auf Fluggerätoberflächen dient,
kann das Laminat auch für
beliebige Oberflächen
verwendet werden, die die Möglichkeit
eines Vereisungsschutzes oder der Enteisung erfordern, und wo eine
Stromversorgung verfügbar
ist. Solche Anwendungen beinhalten Dächer, Ablaufrinnen, Röhren, Automotorhauben
und -kofferräume
und Ähnliches.
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Das
Laminat umfasst eine dünne,
elektrisch leitfähige
Schicht einer flexiblen expandierten Graphitfolie, die auch als
wurmförmiger
Graphit bekannt ist, die auf eine äußere wärmeleitende Schicht laminiert
ist, die das Innere des Laminats gegen Penetration und Beschädigung durch
Wasser abdichtet. Das Laminat ist auf eine elektrisch isolierende
Schicht geklebt, beispielsweise durch ein Adhäsiv, so dass die flexible expandierte Graphitschicht
unter der wärmeleitenden äußeren Schicht
angeordnet ist, mit der elektrisch isolierenden Schicht unter der
Graphitschicht. Die isolierende Schicht kann direkt auf das Laminat
geklebt sein, um eine dritte Schicht vor der Applikation auf die
Oberfläche
des Fluggeräts
zu bilden. Alternativ dazu kann die isolierende Schicht ein Teil
der Oberfläche
des Fluggeräts
sein, auf das das Zweischichtenlaminat aufgebracht wird. Der Begriff „Laminat", wie er im Kontext
dieser Erfindung verwendet wird, beinhaltet ein Laminat, das die
flexible expandierte Graphitschicht und die wärmeleitende äußere Schicht
umfasst. Er kann auch die elektrisch isolierende Schicht beinhalten.
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Die
wärmeleitende äußere Schicht
kann ein beliebiges wärmeleitendes
Material umfassen, das im Wesentlichen ein elektrischer Nichtleiter
ist. Vorzugsweise umfasst die wärmeleitende äußere Schicht
ein thermoplastisches oder duroplastisches Material, das einen wärmeleitenden
anorganischen Füllstoff
enthält.
Mehr bevorzugt umfasst die wärmeleitende
Schicht ein thermoplastisches Material, beispielsweise Polyurethan,
mit einem Füllstoff,
ausgewählt
aus Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid und Ähnlichem.
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Die
flexible expandierte Graphitfolienschicht hat einen Widerstand von
ungefähr
1 × 10-4 Ohm-Inch (1 Inch = 2,54 cm) bis ungefähr 10 × 10-4 Ohm-Inch (1 Inch = 2,54 cm) und ist vollständig elektrisch
leitend ohne die Notwendigkeit, in oder durch die Schicht Kabelelemente,
Metalle oder wärmeleitende
Fasern zu beinhalten. Daher werden die Probleme, die mit den Erfordernissen
der hohen Stromversorgung verknüpft
sind, und des Abnutzungspotentials, die mit bisherigen Wärmemattensystemen
verknüpft
sind, die einzelne Kabel oder metallische Fasern verwenden, eliminiert.
Darüber
hinaus ist die flexible expandierte Graphitfolie ein leicht kommerziell
erhältliches
Material, das relativ billig ist. Da die flexible expandierte Graphitfolie
gut geeignet ist bezogen auf Oberflächengebiete zu Volumen Wärme und
Elektrizität
zu leiten, ist die Leistung, die benötigt wird, um einen schnellen
Anstieg in der Temperatur von Umgebungstemperatur zu der Temperatur
zu gewährleisten,
die für
ein Vereisungsschutz- und Enteisungssystem über ein großes Oberflächengebiet notwendig ist, weitaus
geringer, als die, die durch bekannte elektrische Heizsysteme über Kabel
erforderlich ist. Die Temperaturanforderungen sowohl für gängige Fluggeräte, einschließlich Hochleistungsflugzeuge,
zweimotorige Flugzeuge und Hubschrauber, und kommerzielle Fluggerätvereisungsschutz-
und Enteisungssysteme werden durch das vorliegende Laminatsystem
getroffen oder übertroffen.
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Das
Laminat wird vorzugsweise wie oben beschrieben als ein Zweischichtenoder
Dreischichtenband zur einfachen Anwendung auf einer beliebigen Oberfläche des
Fluggeräts
einschließlich
Fluggerätrumpf,
Flügel,
Querruder, Propeller oder Rotorblätter, Heckabschnitte, einschließlich Stabilisatoren
und Ruder, Motorverkleidung, Ölpfanne
und Ähnliches,
zur Verfügung
gestellt, wobei kommerziell erhältliche
Klebstoffe, beispielsweise Kautschuk-basierende Klebstoffe anwendet
werden. Die Kombination der Flexibiltät der expandierten Graphitschicht,
der wärmeleitenden äußeren Schicht,
mit oder ohne eine flexible elektrisch isolierende Schicht, stellt
ein Laminat zur Verfügung,
das leicht zu einzufärben,
auf Größe zu schneiden
ist, und das an eine Vielfalt von strukturellen Formen des Fluggeräts angepasst
werden kann, einschließlich
Steueroberflächen
und anderer unregelmäßig geformter
entfernbarer und beweglicher Teile. Das Laminat hat auch ein niedriges
Gewicht und ist, verglichen mit den existierenden Enteisungs- und Vereisungsschutzsystemen,
billig.
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Die
Erfindung stellt ein Enteisungs- und Vereisungsschutzsystem für Fluggeräte zur Verfügung, das das
oben erwähnte
Laminat umfasst, das an die Oberfläche einer Fluggerätflugwerk
gebunden ist, eine Stromversorgung, die elektronisch mit der flexiblen
expandierten Graphitschicht verbunden ist, eine programmierbare Steuer-
und Regelungsanlage um die Versorgung der Graphitschicht mit elektrischer
Energie zu kontrollieren, und einen Temperatursensor, um in Echtzeit
die Temperatur einer äußeren Oberfläche der
wärmeleitenden
Schicht zu übertragen.
Die Steuer- und Regelungsanlage ist so programmiert, dass um mehr
oder weniger elektrische Energie der flexiblen expandierten Graphitschicht
des Laminats zur Verfügung
gestellt werden kann, damit die Temperatur der äußeren Oberfläche der
wärmeleitenden
Schicht innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs angehoben
oder aufrecht erhalten wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines einmotorigen Flugzeugs, das
mit dem Laminat der Erfindung ausgerüstet, das an die Vorderkanten
der Flügel,
an die Ruder und Stabilisatoren gebunden ist.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Propellerblattes, das mit dem
Laminat der Erfindung ausgerüstet
ist, das an eine Vorderkante gebunden ist.
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3A ist
eine schematische Darstellung eines Düsenflugzeugs, das mit dem Laminat
der Erfindung ausgerüstet
ist, das an die Vorderkanten der Flügel, Ruder und Stabilisatoren
gebunden ist.
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3B ist
eine schematische Darstellung weiterer Bereiche, an die das Laminat
der Erfindung an ein Fluggerät
gebunden werden kann, wie beispielsweise die Vorderkanten der Flügel, Ruder,
Stabilisatoren, Triebwerkslufteinlässe, Hilfslufteinlässe, Propeller,
Antennen, Regelelemente, wesentliche Instrumente und Radarnase.
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4 ist
eine schematische Darstellung der Komponenten des Laminats, beinhaltend
die flexible expandierte Graphitschicht, die wärmeleitende äußere Schicht
und die elektrisch isolierenden Schicht.
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5 ist
ein Querschnitt des dreischichtigen Laminats, das die flexible expandierte
Graphitschicht darstellt, die zwischen der wärmeleitenden äußeren Schicht
und der isolierenden Schicht angebracht ist.
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6 ist
eine schematische Schnittbild-Darstellung einer Tragflächensektion,
die mit dem Laminat der Erfindung, das an ein Teil der Oberfläche der
Vorderkante gebunden ist, ausgerüstet
ist.
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7 ist
eine schematische Darstellung einer Stromversorgung und einer programmierbaren
Steuer- und Regeleinheit, die jeweils elektronisch mit der flexiblen
expandierten Graphitschicht des Laminats und einem Temperaturfühler verbunden
ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein thermisches Enteisungs- und Vereisungsschutzsystem
für Fluggerätoberflächen zur
Verfügung,
wobei ein Laminat verwendet wird, in welchem eine flexible expandierte
Graphitfolie eine elektrisch- und wärmeleitende Schicht ist, die
zwischen einer äußeren wärmeleitenden
Schicht und einer elektrisch isolierenden Schicht, die an eine Komponente
der Fluggerätoberfläche gebunden
oder eine Komponente der Fluggerätoberfläche ist,
angeordnet ist. Das Laminat kann an eine beliebige Oberfläche oder
Teiloberfläche
einer beliebigen Fluggerätflugwerk
gebunden sein, die der Bildung von Eis ausgesetzt ist. Wie in den 1 und 2 illustriert,
beinhalten beispielsweise Flugwerkflächen, an die das Laminat 2 auf
ein leichtes Fluggerät 1 aufgebracht
werden kann, die Vorderkante der Tragflächen 3, Ruder 4,
Stabilisatoren 5 und Propellerblätter 6, genauso wie
andere Flugwerke, wie beispielsweise die Ölpfanne, ist aber nicht darauf
be genzt. Wie in 3A dargestellt, kann das Laminat 2 auch
auf eine beliebige Flugwerkfläche
eines kommerziellen Fluggeräts 10 aufgebracht
werden, die der Vereisung ausgesetzt ist, einschließlich, aber
ohne Limitierung, der Vorderkanten der Flügel 12, Stabilisatoren 14 und
Ruder 16 Sektionen, genauso wie anderen Oberflächen, einschließlich Querruder,
Bremsklappen, Motorverkleidung und Ähnlichem. Historisch haben
sich die Flugwerke des Hecks in kommerziellen Fluggeräten bei
Flügen
als am anfälligsten
bezüglich
der Eisgefährdung
erwiesen.
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Wie
in 3B dargestellt, beinhalten weitere Flugwerkoberflächen, bei
denen das Laminat 2 für
ein leichtes Fluggerät
verwendet werden kann, wie beispielsweise ein zweimotoriges Flugzeug 100,
die Vorderkanten der Tragflächen 102,
die Vorderkanten des Leitwerks 104, des Ruders und der
Stabilisatoren, der Ausgleichselemente 103, Propellerblätter 105,
Triebwerkseinlässe 106,
ebenso wie andere Flugwerke, einschließlich hilfsmäßiger Lufteinlässe 107,
wesentlicher externer Instrumente 108, Antennen 109 und
die Ölpfanne (nicht
gezeigt), ohne jedoch darauf begenzt zu sein. Da ein elektrischer
Strom, der an die flexible Graphitschicht des Laminats angelegt
wird, kein magnetisches Feld erzeugt, kann das Laminat auch für die Enteisung und
Verhinderung der Bildung von Eis auf magnetisch empfindlichen Teilen
des Flugwerks des Fluggeräts
verwendet werden, beispielsweise wie der Radarnase 110.
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Wie
es wohl bekannt ist, können
flexible expandierte Graphitfolien-Sheets für die Verwendung im Laminat
dadurch hergestellt werden, dass Flakes aus Graphit viele Male expandiert
und dann die expandierten Flocken zusammengepresst werden, um eine
zusammenhängende
Struktur zu bilden. Die Expansion der Graphit-Flakes kann leicht
dadurch erreicht werden, dass die Bindungskräfte zwischen den Schichten
der inneren Struktur des Graphits abgetragen werden, beispielsweise
durch die Verwendung einer Säure.
Das Ergebnis einer solchen Abtragung ist, dass der räumliche
Abstand zwischen den überlagerten
Schichten erhöht
werden kann, wobei eine merkliche Ausdehnung in der kristallinen
Struktur bewirkt wird. Durch die Einschiebung oder die Verbindungsbildung „zwischen den
Schichten" wird
durch ein nachfolgendes Erhitzen auf hohe Temperaturen eine hundert-
bis tausendfach größere Ausdehnung
erzeugt, wobei eine wurmförmige
oder vermiforme Struktur mit hochaktiven, dendritischen, rauhen
Oberflächen
entsteht, die dann unter Druck in ein schaumförmiges Material ausgebildet
werden kann, da die Teilchen gemäß der großen Ausdehnung
die Fähigkeit
haben, ohne die Verwendung eines Klebstoffes aneinander zu haften.
Sheets und Ähnliches
werden aus den expandierten Graphitteilchen durch einfache Erhöhung des
Zusammenpressdrucks gebildet, wobei die Dichte des gebildeten Graphits
sich auf den angewendeten Bildungsdruck bezieht. Eine ausführlichere
Beschreibung der Methode der Bildung solcher flexiblen expandierten
Graphit-Sheets kann im US-Patent
Nr. 3,404,061 gefunden werden.
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Das
flexible expandierte Produkt des Graphit-Sheets ist im Wesentlichen
reiner Graphit, typischerweise an elementarem Kohlenstoff 90–99,9 gewichtsprozentig,
mit einer hoch ausgerichteten Struktur. Nur natürlich vorkommende Mineralien
(aus den natürlichen
Ausgangsmaterialien des Graphits) bleiben als Verunreinigungen im
Produkt in Form von im Wesentlichen inerten, chemisch stabilen Metalloxiden
und Sulfaten. Die Anwesenheit dieser Verunreinigungen ist nicht
wesentlich und trägt
nicht dazu bei, dass der expandierte Graphit zur elektrischen Leitfähigkeit
und Wärmeleitfähigkeit
befähigt
ist.
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Obwohl
in der vorliegenden Erfindung ein beliebiges flexibles expandiertes
Graphit-Sheet verwendet werden kann, ist es bevorzugt, dass die
Charakteristika des flexiblen expandierten Graphit-Sheets äquivalent zu
denen des Sheets sind, das als Grafoil® Brand
Flexible Graphite erhältlich
ist, und das von der UCAR Carbon Company hergestellt wird. Die Dichte
des bevorzugten flexiblen expandierten Graphits ist ungefähr 50 bis 90
lb pro Kubikfuß (ft3), vorzugsweise ungefähr 70 lb pro Kubikfuß (1 lb/ft3 = 16 kg/m3). Die
bevorzugte flexible expandierte Graphitfolie hat einen elektrischen
Widerstand von ungefähr
1 × 10-4 bis ungefähr 10 × 10-4 Ohm-in,
vorzugsweise ungefähr
2,8 × 10-4 bis ungefähr 7,5 × 10-4 Ohm-in und noch mehr
bevorzugt, ungefähr 3,1 × 10-4 bis ungefähr 6,5 × 10-4 Ohm-in
(1 Inch = 2,54 cm). Die bevorzugte flexible expandierte Graphitfolie hat
eine thermische Leitfähigkeit
von ungefähr
140 W/M°C
bei 70°F
(21°C) und
ungefähr
44 W/M°C
bei 2000°F (1093°C). Wegen
dieser ausgezeichneten Eigenschaften bezüglich der Wärmeleitfähigkeit wurde der flexible expandierte
Graphit auch für
andere Anwendungen verwendet, beispielsweise als Dichtflansch, Ventilschaft oder
als Pumpenpackungen, und für
Hochtemperaturanwendungen, wie z. B. bei der Abschirmung thermischer
Strahlung, Schmelzofenausfütterung
und Ähnlichem.
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Die
strukturellen Komponenten des Laminats der Erfindung sind in den 4 und 5 dargestellt. Das
Laminat umfasst eine Schicht 20 eines Sheets einer flexiblen
expandierten Graphitfolie, die auf eine äußere wärmeleitende Schicht 22 laminiert
und zwischen der äußeren Schicht 22 und
einer elektrisch isolierenden Schicht 24 angeordnet ist.
Die isolierende Schicht 24 ist direkt auf eine Oberfläche des
Fluggeräts
gebunden, wie beispielsweise dem Abschnitt einer Vorderkante eines
Aluminiumflügels 30,
wie es in 6 dargestellt ist. Die Bindung
der isolierenden Schicht 24 auf die Oberfläche des
Fluggeräts
kann durch Mittel erreicht werden, beispielsweise durch einen beliebigen
Kautschukbasierenden Klebstoff, der seine Klebeigenschaften über einen
breiten Temperaturbereich aufrecht erhält. Ein Beispiel eines leicht
erhältlichen
verfügbaren
Klebstoffs ist der Kautschuk-basierende Kontaktklebstoff 1300-L
(Firma 3M).
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Wenn
das Flugwerk des Fluggeräts
bereits eine elektrisch isolierende Komponente aufweist, kann ein zweiteiliges
Laminat verwendet werden, das die flexible expandierte Graphitschicht 20 und
die wärmeleitende äußere Schicht 22 umfasst.
Beispielsweise kann die Oberfläche
des Fluggeräts
angemalt oder anderweitig mit einem elektrisch isolierenden Material
beschichtet werden, beispielsweise einer Polyurethanfarbe oder einer aluminisierten
Farbe. Die flexible expandierte Graphitschicht 20 und/oder
die wärmeleitende äußere Schicht 22 wird/werden
dann direkt an die isolierende Komponente der Fluggerätflugwerk
mit einem Kautschuk- basierenden Klebstoff geklebt. Alternativ dazu
kann das Flugwerk des Fluggeräts
selbst aus einem elektrisch nicht-leitenden Verbundmaterial hergestellt
werden, beispielsweise aus Glasfaser-verstärktem Kunststoff oder Ähnlichem.
In diesem Fall kann das Sheet aus flexibler expandierter Graphitfolie
in den Verbundwerkstoff während
seiner Herstellung durch Methoden eingebettet werden, die denjenigen,
die mit Verbundwerkstoffen vertraut sind bekannt sind, und eine
wärmeleitende äußere Schicht
kann später
aufgemalt oder aufgesprüht
oder an die Oberfläche
des Verbundwerkstoffs mit einem Klebstoff geklebt werden. In dieser
Ausführungsform
ist das Sheet aus flexibler expandierter Graphitfolie in enger Nachbarschaft
mit oder in Kontakt mit der wärmeleitenden
Schicht, um Wärme
zu dieser Schicht zu übertragen.
Beispiele für
geeignete Farben oder aufgesprühte wärmeleitende
Schichten beinhalten Polyurethan-basierende oder aluminisierte Farben,
welche anorganische Füllstoffe,
wie beispielsweise Aluminiumnitrid, enthalten.
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Das
Sheet der flexiblen expandierten Graphitfolie hat eine Dicke im
Laminat von ungefähr
0,025 bis ungefähr
0,125 Inches, vorzugsweise ungefähr
0,003 bis ungefähr
0,070 Inches und, noch mehr bevorzugt, ungefähr 0,003 bis ungefähr 0,030
Inches (1 Inch = 2,54 cm). Die Dicke der wärmeleitenden äußeren Schicht ist
vorzugsweise ungefähr
0,001 Inches bis ungefähr
0,030 Inches und, mehr bevorzugt, ungefähr 0,001 Inches bis ungefähr 0,010
Inches (1 Inch = 2,54 cm). Die elektrisch isolierenden Schicht hat
eine Dicke von ungefähr
0,005 Inches bis ungefähr
0,250 Inches (1 Inch = 2,54 cm).
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Die äußere wärmeleitende
Schicht 22 ist vorzugsweise ein thermoplastisches oder
duroplastisches Material, einschließlich Kautschuk oder ein anderes
elastomeres Material, welches ein thermischer Leiter und ein elektrischer
Isolator sowie haltbar und beständig
gegen Abrasion ist. Geeignete Materialien beinhalten Polyurethane,
Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyamide, Polystyrole und Ähnliches.
Das bevorzugte Material ist im Wesentlichen elektrisch nicht leitfähig, hat
einen elektrischen Volumenwiderstand von ungefähr 103 Ohm-Inch (1 Inch = 2,54
cm) bis ungefähr
1012 Ohm-Inch (1 Inch = 2,54 cm). Die bevorzugte äußere wärmeleiten de
Schicht hat eine thermische Leitfähigkeit von ungefähr 0,1 Watt/MrK
(W/MK) bis ungefähr
5 W/MK und, mehr bevorzugt, ungefähr 0,5 W/MK bis ungefähr 4 W/MK.
Damit dem Material ermöglicht
wird, dass es wärmeleitend
und elektrisch nicht-leitend ist, wird eine wärmeleitende anorganische Verbindung
oder eine Mischung aus wärmeleitenden
anorganischen Verbindungen typischerweise als Füllstoff während der Herstellung des Materials
zugesetzt. Beispiele für
anorganische Verbindungen, die als Füllstoffe angewendet werden, um
diese Eigenschaften auf ein thermoplastisches oder duroplastisches
Material zu übertragen,
sind Nitride, beispielsweise Aluminiumnitrid und Bornitrid, Aluminiumoxid,
Siliziumverbindungen und Ähnliches.
Die Herstellung eines solchen thermoplastischen und duroplastischen
Materials, das diese Füllstoffe
enthält,
ist denjenigen bekannt, die mit dem Compounding von Kunststoffen
vertraut sind. Vorzugsweise umfasst die wärmeleitende äußere Schicht
im erfindungsgemäßen Laminat
ein thermoplastisches Material, das Aluminiumnitrid, Bornitrid,
Aluminiumoxid oder Mischungen davon enthält, beispielsweise wie der
thermoplastische Klebstoff StaystickTM,
der von Alpha Metals, Inc., Cranston, RI verfügbar ist. Das thermoplastische
Material kann in flüssiger,
filmförmiger
oder Pastenform vorliegen. Mehr bevorzugt umfasst die wärmeleitende äußere Schicht
einen Polyurethanfilm, der Bornitrid oder Aluminiumnitrid enthält. Am meisten
bevorzugt enthält
das Polyurethan Bornitrid.
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Die
wärmeleitende äußere Schicht
wird vorzugsweise unter Hitze und Druck auf die flexible expandierte
Graphitschicht laminiert, um die Einheitlichkeit des Wärmeübergangs
zwischen dem Sheet aus flexibler expandierter Graphitfolie und der
schützenden
wärmeleitenden äußeren Schicht
zu gewährleisten.
Darüber
hinaus verhindert die Laminierung der äußeren Schicht auf die Folie
wesentlich das Ausflocken von Stücken
der Folie, wobei für
eine optimale elektrische und Wärmeleitfähigkeit
eine regelmäßige Folienschicht
gewährleistet wird.
Beispielsweise kann ein thermoplastisches Adhäsiv (StaystickTM)
in geeigneter Weise auf die flexible expandierte Graphitschicht
unter Hitze und Druck laminiert werden bei Bedingung von jeweils
125°–200°C und 0–10 psi
(1 psi = 6,895 kN/m2).
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Die
isolierende Basisschicht 24 kann aus einer beliebigen Zahl
von Materialien entnommen werden, die bezüglich Elektrizität isolierend
sind, die genügend
flexibel sind, um die Befestigung des Laminats auf unregelmäßig geformte
Oberflächen
eines Fluggeräts
zu ermöglichen,
und die an die wärmeleitende äußere Schicht
und/oder an die flexible expandierte Graphitschicht gebunden werden
können,
beispielsweise durch einen Klebstoff. Das elektrisch isolierende
Material kann aber braucht nicht gleichfalls wärmeisolierend sein. Beispielsweise
kann es wünschenswert
sein, die Oberfläche
des Fluggeräts
unter dem Laminat zu erwärmen. In
diesem Fall beinhaltet die Auswahl der elektrisch isolierenden Schicht
ein Material, das nicht wärmeisolierend
ist. Geeignete isolierende Basisschichten beinhalten Elastomere,
wie Chloropren, Isopren und Neopren, oder thermoplastische oder
duroplastische Materialien, die anorganische wärmeleitende Füllstoffe
enthalten, alleine oder in Kombination mit isolierenden Fasern,
wie z. B. Glasfaserstoffen, sind aber nicht darauf begrenzt.
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Wie
weiter in 6 dargestellt ist kann ein Temperatursensor,
beispielsweise ein oder mehrere Thermoelemente 32 bekannter
Typen, in einem oder mehreren Gebieten des Laminats 2 beinhaltet
sein, um in Echtzeit die Menge der Wärme, die auf der Oberfläche 30 des
Fluggeräts
erzeugt wurde, abzuschätzen.
Andere Temperatursensoren als Thermoelemente können erfindungsgemäß verwendet
werden, wobei diese dem Fachmann wohl bekannt sind. In einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein bindungsfähiges
Folienthermoelement 32 im Laminat an einer äußeren Oberfläche der äußeren wärmeleitenden
Schicht inkorporiert, wobei die Steuerkabel des Thermoelements 34 mit
den elektrischen Drähten
zu einem Kontrollsystem geführt werden
können
(siehe unten). Temperatursensoren können auch innerhalb des Laminats
gebunden sein. Der Temperatursensor ist idealerweise dünn und flach
und kann Temperaturen bis 150°C
wahrnehmen. Ein geeigneter Thermoelementsensor für die Anwendung in der Erfindung
ist ein selbstklebendes Omega Eisen/Constantan-Thermoelement (Omega
Engineering, Inc., Stamford, CT).
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Um
die Temperatur auf der Oberfläche,
auf der das Laminat aufgebracht wird, selektiv kontrollieren zu können, ist
die flexible expandierte Graphitschicht elektronisch mit einer elektrischen
Energieversorgung 50 verbunden. Die Verbindung kann elektrisch
sein, wie beispielsweise durch Elektrokabel, oder kann durch bekannte
Mittel der Infrarot- oder Ultraschallfernsteuerung erreicht werden.
Wie in 6 und 7 dargestellt ist beispielsweise
die flexible expandierte Graphitschicht 20 mit der Stromversorgung 50 dadurch
verbunden, dass ein Kantenverbindungsstück oder Stromschienen 38 und
ein Kabelsystem 36 verwendet werden. Die biegsame Verkabelung
und die Anordnung über
Stromschienen verbindet die flexible expandierte Graphitschicht
mit einem Leitungsgitter (nicht gezeigt). Ein weiterer Kantenverbinder
oder eine Stromschiene 40 ist auf den metallischen Abschnitt
des Fluggeräts
genietet, um eine Basis für
den elektrischen Kreislauf zu bilden. Falls gewünscht, können elektrische Verbindungsstücke auch
angewendet werden, um das Entfernen der Kabel aus dem Laminat zu
ermöglichen.
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Die
Temperatur der Oberfläche
des Fluggeräts
kann durch Variation der Spannung kontrolliert werden, die an die
flexible expandierte Graphitschicht des Laminats über eine
festgelegte oder variable Zeitspanne angelegt wird, oder durch Zurverfügungstellen
einer konstanten Spannung während
einer Serie von festgelegten Zeitintervallen. Die Höhe der elektrischen
Leistung, die der flexiblen expandierten Graphitschicht zur Verfügung gestellt
wird, kann als Antwort auf die Temperatur der äußeren Oberfläche variiert
werden, indem ein programmierbares Prozesssystem 60 verwendet
wird, beispielsweise ein Mikroprozessor.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst daher ein System zur Verhütung der Bildung von Eis auf
oder zur Entfernung von Eis von einer Oberfläche eines Fluggeräts das Laminat,
wie es oben beschrieben ist, das an eine Fluggerätoberfläche gebunden ist; eine Stromversorgung;
eine elektronische Verbindung zum Verbinden der flexiblen expandierten
Graphitschicht mit der Stromversorgung; eine programmierbare Steuer- und
Regelungsanlage zur Steuerung der Zurverfügungstellung von elektrischer
Energie aus der Stromversorgung für die flexible expandierte
Graphitschicht; einen Temperaturfühler in Kommunikation mit einer äußeren Oberfläche der
wärmeleitenden
Schicht und in elektronischer Kommunikation mit der Steuer- und
Regelungsanlage für
die Übermittlung
eines Wertes in Echtzeit an die Steuer- und Regelungsanlage, der
die Temperatur der äußeren Oberfläche der
wärmeleitenden
Schicht darstellt, wobei die Steuer- und Regelungsanlage weiterhin
umfasst: Eine Empfangseinheit zum Empfangen des Temperaturwertes
in Echtzeit; wobei die Steuer- und Regelungsanlage programmiert
ist, um einen festgelegten Referenztemperaturbereich zu speichern;
die Steuer- und Regelungsanlage ist weiterhin programmiert, um den
empfangenen Temperaturwert in Echtzeit mit dem festgelegten Referenztemperaturbereich
zu vergleichen; die Steuer- und Regelungsanlage ist weiterhin programmiert,
um eine akzeptable Temperatur anzuzeigen, wenn der erhaltene Temperaturwert
in den Referenzbereich fällt;
und die Steuer- und Regelungsanlage ist weiterhin programmiert,
der Stromversorgung zu signalisieren, mehr oder weniger elektrische
Energie der flexiblen expandierten Graphitschicht des Laminats zur
Verfügung
zu stellen, wenn die erhaltene Temperatur aus dem Referenztemperaturbereich
fällt.
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Das
System kann weiterhin einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung
von Vereisungsbedingungen wahrnehmen, wenn in der Atmosphäre Eis-erzeugende
Kombinationen der Umgebungstemperatur, der Feuchtigkeit und des
Taupunkt existieren, auf die das Fluggerät trifft. Der Sensor/die Sensoren
ist/sind vorzugsweise programmiert, um der Stromversorgung zu signalisieren,
der flexiblen expandierten Graphitschicht des Laminats elektrische
Energie zur Verfügung
zu stellen, sobald Vereisungsbedingungen wahrgenommen werden.
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Eine
bevorzugte Methode zur Verhütung
der Bildung oder zum Entfernen von Eis von einer Oberfläche eines
Fluggeräts
umfasst die Schritte der Bindung des Laminats an die Oberfläche wie
oben beschrieben; das Zurverfügungstellen
einer elektronischen Verbindung zwischen der flexiblen expandierten
Graphitschicht und einer Stromversorgung, um elektrische Energie
der flexiblen expandierten Graphitschicht zur Verfügung zu stellen,
wobei die Temperatur einer äußeren Schicht
der wärmeleitenden
Schicht während
der Anwendung der elektrischen Energie geändert werden kann; das Zurverfügungstellen
von ausreichender elektrischer Energie für die flexible expandierte
Graphitschicht, um die Temperatur einer äußeren Oberfläche der
wärmeleitenden äußeren Schicht
anzuheben und die Temperatur der äußeren Oberfläche bei
ungefähr
33°F (1°C) bis ungefähr 250°F (121°C), vorzugsweise
ungefähr
50°F (10°C) bis ungefähr 200°F (99°C) aufrechtzuerhalten.
Abhängig vom
Typ des Fluggeräts
und den typischen Fluggerätgeschwindigkeiten,
sowie um die Erfordernisse der NASA und z. B. die oben beschriebenen
Gulfstream-Erfordernisse zu erfüllen,
ist die Temperatur für
Enteisungs- und/oder Vereisungsschutzsysteme vorzugsweise auf und
bei ungefähr
100°F (38°C) bis ungefähr 180°F (82°C), ungefähr 100°F (38°C) bis ungefähr 150°F (66°C) oder ungefähr 100°F (38°C) bis ungefähr 130°F (54°C) anzuheben
und aufrechtzuerhalten
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Die
zur Verfügung
gestellte elektrische Energie, die notwendig ist, um obige Temperatur
zu erreichen, beträgt
ungefähr
200 W bis ungefähr
50.000 W. Beispielsweise würde
ein Propellerblatt, das aus einem Verbundmaterial hergestellt ist,
das mit dem Laminat der Erfindung ausgerüstet ist, nur ungefähr 200 W
erfordern, um eine Temperatur von 33°F (1°C) oder höher zu erreichen, während ein üblicher
Jet bis ungefähr
50.000 W erfordern würde,
um die Temperatur auf und bei einer geeigneten Vereisungsschutz-
oder Enteisungstemperatur bei typischen Fluggerät-Geschwindigkeiten zu erhöhen und
aufrechtzuerhalten. Die erforderliche elektrische Leistung hängt von
der Art des Fluggeräts,
der Umgebungstemperatur und der Fluggerätgeschwindigkeit und der erforderlichen
Temperatur für
die Möglichkeit
der Enteisung und/oder des Vereisungsschutzes ab. Wie oben beschrieben,
beträgt
die Leistungsmenge zur Verhütung
der Bildung von Eis in einer typischen einmotorigen Hochleistungsmaschine
oder eines leichten zweimotorigen Flugzeugs ungefähr 21.000
W. Die gegenwärtige
Technologie stellt ein Maximum von ungefähr 7.000 W zur Verfügung. Daher
kann die zur Verfügung gestellte
elektrische Leistung für
eine übliches
Fluggerät
zwischen ungefähr 2.400
W bis ungefähr
21.000 W oder, beispielsweise, 4.000 W bis ungefähr 7.200 W variieren, um die
obigen Temperaturen zu erreichen.
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Die
Anforderungen an die elektrische Leistung des erfindungsgemäßen Laminats
sind viel niedriger als die Anforderungen an die elektrische Leistung
der bekannten elektrischen Heizmatten, wie sie früher für Fluggerätenteisungs-
und/oder Vereisungsschutzsysteme vorgeschlagen wurden. Beispielsweise
wird der folgende Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Laminat,
das den flexiblen expandierten Graphit verwendet, und einer typischen über Kabel
beheizten Heizmatte aus Silikonkautschuk gezogen, wobei Laminat
bzw. Heizmatte ein Oberflächengebiet
von 80 Quadratinches (4 Inches × 20
Inches) (1 Inch = 2,54 cm) bedeckt, und jeweils gefordert wird,
die Temperatur der Oberfläche
in 90 Sekunden von 31°F
(-1°C) (in
Eis) auf 94°F (34°C) anzuheben.
Der über
das Kabel beheizte Silikonkautschuk erfordert 1.233 W oder 15 W
pro Quadratinch (1 Inch = 2,54 cm), wohingegen das Laminat, das
den flexiblen expandierten Graphit verwendet, nur 450 W oder 5,6
W pro Quadratinch (1 Inch = 2,54 cm) erfordert. Daher benötigt das
erfindungsgemäße Laminat ungefähr ein Drittel
der elektrischen Leistung konventioneller Wärmeerzeuger, um die gleiche
Prozesswärme zu
erzeugen.
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Das
folgende Beispiel verdeutlicht die Enteisungs- und Vereisungsschutz-Tauglichkeit des
erfindungsgemäßen Laminats.
Dieses Beispiel soll nicht als die Erfindung begrenzend verstanden
werden, da andere wärmeleitende äußere Schichten,
Klebstoffe, isolierende Schichten, Stärken und Ähnliches bei der Durchführung der
Erfindung verwendet werden können.
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Beispiel
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Ein
beispielhafter Test der Enteisungs- und Vereisungsschutz-Tauglichkeit
des erfindungsgemäßen Laminats
wurde durch Anwendung des Laminats in Bandform auf einen Abschnitt
der Vorderkante eines Aluminiumflügels eines Flug zeugs vom Typ
Cessna 182R durchgeführt.
Ein GrafoilTM -Sheet mit 4 Inches Breite und
20 Inches Länge
und 0,003 Inches Dicke und mit einem spezifischen Widerstand von
6,5×104 Ohm-in (1 Inch = 2,54 cm) wurde durch Hitze
(125°C)
und Druck (10 psi (1 psi = 6,895 kN/m2))
auf eine 0,003 Inch (1 Inch = 2,54 cm) dicken Polyurethanfilm (StaystickTM, Produktnummer 672), der Aluminiumnitrid
enthielt, laminiert, wobei ein laminiertes Band gebildet wurde.
Eine leitungsfähige
Stromschiene aus Kupfer wurde an jedem Ende des Bandes in Kontakt
mit der flexiblen expandierten Graphitfolie angebracht, um eine
elektrische Verbindung zu ermöglichen.
Das laminierte Band wurde dann auf eine isolierende Schicht mit
einem Kautschuk-basierenden Kontaktkleber (1300-L, Firma 3M) geklebt,
wobei eine Klebschicht von ungefähr
0,010 Inches Dicke (1 Inch = 2,54 cm) gebildet wurde. Die isolierende
Schicht bestand aus 0,030 Inch dickem Glasfaserverstärktem Stoff
und einem 0,030 Inch dicken Kautschuk-Sheet (1 Inch = 2,54 cm).
Das Dreischichten-Laminat wurde dann auf dem Flügelabschnitt mit dem gleichen
Kautschuk-basierenden Kontaktkleber mit annähernd der gleichen Dicke befestigt.
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Die
Kupfer-Stromschiene an einem Ende des Laminats wurde dann auf der
Flügeloberfläche festgenietet,
um einen physikalischen Kontakt zwischen der Stromschiene und dem
Flügel
zu ermöglichen.
Dieser Kontakt ermöglichte
den (–)
Basispol für
die Schaltung an die Stromversorgung. Die zweite Stromschiene aus Kupfer
wurde von der Tragfläche
isoliert und mit einem Draht für
die Verbindung mit dem Pluspol (+) der Stromversorgung verbunden.
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Die
Stromversorgung war ein Fluggerät-Generator,
der in der Lage war, Gleichstrom mit 38 V und 150 Ampere zu erzeugen,
war aber für
diesen Test auf 120 Ampere begrenzt. Der Generator wurde durch einen 25
PS (1 PS = 746 W) Wechselstrom-Elektromotor angetrieben, um eine
Generatordrehzahl ägivalent
zu einem typischen Flugzeugmotor zur Verfügung zu stellen. Der Generator,
ausgerüstet
mit Spannungs- und Strommesser, wurde direkt an den Pluspol des
elektrischen Kabels angeschlossen. Selbstklebende Thermoelemente
des Typs Omega Eisen/Constantan (Omega Engineering, Inc., Stamford,
CT) wurden an verschiede Punkten auf der äußeren Oberfläche des
Laminats an der Vorderkante des Flügels angebracht, um die Temperatur
anzuzeigen.
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Um
die Tauglichkeit des Laminats zur Erwärmung der Oberfläche zu testen,
wurde die Vorderkante des Flügels,
an die das Laminat gebunden war, in eine Eisschmelze gelegt, die
die Gestalt der Vorderkante hatte, und die Temperatur wurde periodisch
während
des Tests abgelesen.
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An
das Laminat wurde Spannung angelegt und die Zeit gemessen, die notwendig
war, um eine gegebene Temperatur zu erreichen. Die Resultate sind
in Tabelle 1 dargestellt.
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Wie
in der Tabelle dargestellt, war die Leistungsdichte, die vom Laminat
erreicht wurde, 5,62 bis 6,75 W pro Quadratinch (1 Inch = 2,54 cm).
Diese Leistungsdichte ist ungefähr
drei Mal höher
als sie von gegenwärtigen
Heizmattensystemen, die über
Kabel beheizt werden, und die für
Fluggeräte
vorgeschlagen wurden, erreicht wurden. Darüber hinaus erzeugte das Laminat
bei dem verwendeten Energieniveau in 30 Sekunden oder weniger einen
größeren Anstieg
in der Temperatur an der Vorderkante des Flügels von größer als 30°F (17 K) und innerhalb einer
Minute einen Anstieg von mehr als 50°F (28 K).
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Da
die Erfindung nun bezüglich
der bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass diese die Erfindung
nicht auf die spezifisch offenbarten Formen begrenzen. Es ist im
Gegenteil beabsichtigt, alle Modifikationen und alternativen Formen,
die in den Umfang der Erfindung, wie er in den unabhängigen Ansprüchen definiert
ist, abzudecken.
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