DE69916336T2

DE69916336T2 - Unterschiedliche enteisungsysteme für flugzeuge und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69916336T2
Application number: DE69916336T
Authority: DE
Inventors: B. Robert RUTHERFORD; L. Richard DUDMAN
Original assignee: NORTHCOAST TECHNOLOGIES CHARDO; NORTHCOAST TECHNOLOGIES CHARDON
Current assignee: NORTHCOAST TECHNOLOGIES CHARDO; NORTHCOAST TECHNOLOGIES CHARDON
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2019-10-16
Also published as: IL147315A; JP2003523863A; US6330986B1; IL147315A0; AU1207400A; DE69916336D1; CA2379351A1; EP1200308B1; EP1200308A1; CA2379351C; BR9917428A; US6279856B1; WO2001008973A1; ATE263706T1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Während des Fluges oder am Boden können Flugzeuge atmosphärische Bedingungen antreffen, die bewirken, daß sich auf Flügeln und anderen Oberflächen der Flugzeugstruktur Eis bildet, einschließlich Flügel, Leitwerke, Seitenruder, Querruder, Triebwerkseinlässe, Propeller, Rotoren, Rumpf und dergleichen. Durch Eis, das sich anhäuft, falls es nicht entfernt wird, kann das Flugzeug zusätzliches Gewicht erhalten und die Flügelkonfiguration kann sich ändern, was unerwünschte und/oder gefährliche Flugbedingungen bewirken kann. Insbesondere Flugzeuge in der allgemeinen Luftfahrt sind für die abträglichen Folgen der Eisbildung anfällig, da schon geringe Mengen an Eis an Bauelementen, wie etwa Flügeln, dem Heck, Propellern und dergleichen die Flugcharakteristiken erheblich verändern kann.
Seit den frühesten Tagen der Luftfahrt ist versucht worden, das Problem des Eisansatzes zu überwinden, und mechanische, chemische und thermische Enteisungs- und/oder Antieissysteme sind zum Einsatz bei großen Verkehrs- und Militärflugzeugen entwickelt worden. Zu thermischen Systemen zählen diejenigen, bei denen Entlüftungsluft oder heiße Luft von einer der Kompressorstufen eines Turbinenflugzeugs umgelenkt wird, um die Flügelvorderkanten zu erwärmen. Andere thermische Systeme verwenden elektrisch leitende Widerstandsheizelemente, wie etwa diejenigen, die in Heizkissen enthalten sind, die an die Vorderkanten des Flugzeugs oder an die Propeller- oder Rotorblätter geklebt sind oder in die Bauelemente des Flugzeugs integriert sind. Heizkissen dieser Art bestehen üblicherweise aus einem wärmeisolierenden Material, das mit Heizelementen aus Draht oder einem anderen Metall in Kontakt steht, die durch die Isolierschicht verteilt sind. Da Wärme von den Metallheizelementen auf die umgebenden Isolierbereiche übertragen werden muß, sind diese Erwärmungseinrichtungen deshalb ineffizient, da die Energie und die Zeit, die zum Aufheizen auf eine erforderliche Temperatur erforderlich sind, und die Zeit, die zum Abkühlen erforderlich ist, wenn der Strom abgeschaltet ist. Elektrische Energie für die Heizelemente wird von einer erzeugenden Quelle abgeleitet, die von einer oder mehreren der Flugzeugtriebwerke oder einem Hilfsenergiestromaggregat (APU = Auxiliary Power Unit) angetrieben wird. Die elektrische Energie wird ständig zugeführt, damit zur Verhinderung der Eisbildung ausreichend Wärme bereitgestellt wird, oder sie wird in Intervallen zugeführt, um sich ansetzendes Eis zu lösen. Derartige Systeme lassen sich jedoch nur dort verwenden, wo ausreichende Radleistung bereitsteht, um die Temperatur der Flügeloberfläche über den Gefrierpunkt bei typischen Flugzeuggeschwindigkeiten unter Vereisungsbedingungen anzuheben oder sie aufrechtzuerhalten.
Elektrothermische Antieis- und Enteisungssysteme werden entweder als verdampfend oder als „naß arbeitend" klassifiziert. Verdampfende Antieissysteme liefern ausreichend Wärme, um im wesentlichen alle auf die erwärmte Oberfläche auftreffenden Wassertröpfchen zu verdampfen. Die naßarbeitenden Enteisungssysteme jedoch liefern nur soviel Energie, daß das Frieren der Wassertröpfchen verhindert wird. Das Wasser strömt dann auf der erwärmten Oberfläche nach hinten, wo es friert und das üblicherweise als „Runbackeis" bekannte Eis entsteht. Bei „in Zonen unterteilten" Enteisungssystemen wird das „Runbackeis" dann periodisch entfernt durch die schnelle Einwirkung von ausreichend Wärme zum Schmelzen und Lösen des Eises, das an der Oberfläche-Eis-Grenzfläche gebondet ist; der größte Teil des Eises wird dann durch aerodynamische oder Zentrifugalkräfte entfernt.
Bei vielen Heizkissen, die für elektrothermische in Zonen unterteilte Enteisungssysteme verwendet werden, sind Metallheizelemente als meanderförmige Bänder konfiguriert, die miteinander verbundene leitfähige Segmente bilden. Aufgrund des geringen spezifischen elektrischen Widerstands von Metallheizelementen, wie etwa Kupfer, Aluminium und dergleichen, ist die meanderförmige Konfiguration so ausgelegt, daß das Element ausreichend Länge erhält, so daß man einen Widerstand bekommt, der hoch genug ist, um Energie zu erzeugen. Jedes Band wird elektrisch individuell über ein Kontaktpaar bestromt, einer an jedem Ende des Bands, und ein Strom wird durch das Band geschickt, indem zwischen sein entsprechendes Kontaktpaar eine Spannungsdifferenz angelegt wird, was zu einer Erwärmung des Elements führt. Heizkissen wie diese sind in den US-Patenten 5,475,204 und 5,657,951 beschrieben. Eines der Probleme, die in Zusammenhang mit Heizkissen dieser Art verwendenden, in Zonen unterteilten Enteisungssystemen beschrieben werden, besteht darin, daß sich im allgemeinen kalte Stellen an Intersegmentlücken zwischen den elektrisch leitenden Segmenten und an Zwischenheizeinrichtungslücken zwischen benachbarten Zonen entwickeln. An diesen kalten Stellen gebildetes Eis ist möglicherweise schwierig zu schmelzen, ohne daß ein übermäßiger Strom verbraucht wird. Bei dieser Art von Heizkissen erfordert außerdem jedes metallische Heizelement seine eigenen elektrischen Anschlüsse oder Kontaktstreifen. Da sie nicht erwärmt werden, kann auch das Schmelzen von Eis auf oder um die Kontaktstreifen herum sehr schwierig sein. Eisansatz an Intersegment- und Zwischenheizeinrichtungslücken und um die Kontaktstreifen herum ist besonders unerwünscht, da der Eisansatz als ein „Anker" für die weitere Eisbildung dienen kann. Um das Problem der „kalten Stellen" zu lösen, stellt ein im US-Patent Nr. 5,475,204 beschriebenes elektrothermisches Enteisungskissen mindestens zwei Heizeinrichtungen mit leitenden Heizelementen bereit, die so relativ zueinander positioniert sind, daß die Randteile sich überlappen, um zu versuchen, Lücken zu eliminieren. Wie bei anderen oben beschriebenen elektrothermischen Enteisungssystemen weisen diese Heizeinrichtungen jedoch mehrere Heizzonen auf, die mehrere metallische Heizelemente enthalten, einschließlich mehreren elektrischen Abflüssen, was die Verwendung komplexer Steuermechanismen erfordert, die auf mehreren Zeitgebern zum Steuern mehrerer Zonen basieren.
Wie oben erörtert, ist die Verwendung von elektrothermischen Heizkissensystemen nur dann praktisch, wenn ausreichend Wattleistung zur Verfügung steht, um bei typischen Flugzeuggeschwindigkeiten unter Vereisungsbedingungen die Temperatur der Flügeloberfläche über den Gefrierpunkt anzuheben und/oder dort zu halten. Wegen der Konfiguration der Metallelemente in diesen Kissen sind die Wattdichten nicht gleichförmig verteilt, was zu einer erheblichen Heizineffizienz hinsichtlich der bereitgestellten mittleren Wattdichte führt. Die Leistungsanforderungen für Antieis- und/oder Enteisungssysteme, die diese metallischen Heizkissen verwenden, sind groß. Elektrothermische Systeme, die in großen Flugzeugen mit Erfolg eingesetzt worden sind, sind jedoch unpraktisch für Leichtflugzeuge in der allgemeinen Luftfahrt, wie etwa einmotorige und leichte doppelmotorige Flugzeuge und Helikopter, und zwar aufgrund der Leistungsanforderungen, die über der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung liegen. Außerdem sind für Enteisungssysteme keine bordeigenen Hilfsstromerzeugungseinheiten entwickelt worden, und zwar aufgrund der erheblichen Gewichts- und Kosteneinbußen, die dies mit sich bringen würde.
Es besteht somit ein Bedarf an einem Eisschutzsystem für alle Flugzeuge, einschließlich Leichtflugzeuge in der allgemeinen Luftfahrt, das ausreichend Betriebseffizienz aufweist, um Flugzeugbauelemente, wie etwa die Flügel, Heckstrukturen, Propeller, Rotorblätter und dergleichen vor Eisansatz zu schützen, das ein geringes Gewicht aufweist, die Flugcharakteristiken des Flugzeugs nicht stört und wirtschaftlich ist. Insbesondere besteht ein Bedarf an einem effizienten thermoelektrischen Heizeinrichtungssystem, das „in Zonen unterteilt" werden kann, um ein effektives Enteisungssystem bereitzustellen, bei dem die elektrische Energie in Intervallen oder kontinuierlich zugeführt werden kann, um die Wärme bereitzustellen, die zur Verhinderung der Eisbildung oder zum Lösen von Eisansatz ausreicht.
In jüngster Zeit ist eine Technologie entwickelt worden, damit ein Leichtflugzeug ohne wesentliche Gewichtseinbuße mit einem 40 bis 60 Volt erzeugenden Wechselstromgenerator für 150 bis 200 Ampere ausgerüstet werden kann. Es ist nun möglich, daß eine Kombination aus einer thermoelektrischen Heizeinrichtung, die hinsichtlich der von ihr bereitgestellten Wattdichte sehr effizient ist, und einem derartigen Wechselstromgenerator auch gestatten könnte, das Flugzeuge der allgemeinem Luftfahrt zuverlässige elektrothermische Antieis-/Enteisungssysteme für den Flug verwenden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer effizienten elektrothermischen Heizeinrichtung, die in einem Enteisungs- und/oder Antieissystem für alle Flugzeuge verwendet werden kann, einschließlich von Leichtflugzeugen für die allgemeine Luftfahrt, da die von der Heizeinrichtung bereitgestellten Wattdichten ausreichen, um den Eisansatz zu schmelzen oder zu lösen, wobei die Leistung verwendet wird, die in großen Flugzeugen oder in Leichtflugzeugen zur Verfügung steht, gegebenenfalls durch einen bordeigenen leichten Wechselstromhilfsgenerator mit hoher Ausgangsleistung unterstützt, wie der, der oben beschrieben ist. Diese Aufgabe wird durch eine elektrothermische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung stellt insbesondere ein leichtes wärmeleitendes Band bereit, das an die Oberfläche einer Flugzeugstruktur geklebt ist, die eine Vorderkante enthält, um bei Vereisungsbedingungen im Flug oder am Boden elektrothermisch Eis von der Oberfläche zu entfernen oder die Eisbildung auf der Oberfläche zu verhindern. Wenngleich das wärmeleitende Band hier zur Verwendung an Flugzeugoberflächen beschrieben wird, kann das Band für jede beliebige Oberfläche verwendet werden, die eine Antieis- oder Enteisungsfähigkeit erfordert und bei der eine Energiequelle zur Verfügung steht. Zu solchen Anwendungen zählen Dächer, Dachrinnen, Rohre, Kraftfahrzeugverdecke und -kofferräume und dergleichen.
Die Erfindung verwendet ein derartiges wärmeleitendes Band zur Verwendung als ein Antieis-/Enteisungssystem, wie es beispielsweise in dem eigenen US-Patent Nr. 5,934,617 offenbart ist.
Das wärmeleitende Band wird in einem in Zonen unterteilten elektrothermischen Flugzeugenteisungssystem für ein Flugzeugbauelement verwendet, das eine Vorderkante enthält, auf die während des Fluges ein Luftstrom auftrifft, wobei der Luftstrom von vorne nach hinten über eine äußere Oberfläche des Bauelements verläuft, wobei das System ein wärmeleitendes Band umfaßt, das an die äußere Oberfläche des Bauelements geklebt ist, wobei das wärmeleitende Band folgendes umfaßt: einen ersten Bereich, der einen Trennstreifen mit einer Länge bildet, die überspannend entlang der Vorderkante angeordnet ist, einen zweiten Bereich, der überspannend über und hinter dem Trennstreifen angeordnet ist und eine erste Eisansatz- und -abwurfzone bildet, und einen dritten Bereich, der überspannend unter und hinter dem Trennstreifen angeordnet ist und eine zweite Eisansatz- und -abwurfzone bildet. Die Ausdrücke „überspannend angeordnet", „angeordnet über" und „angeordnet unter" werden, wie sie hier verwendet werden, unter Bezugnahme auf eine im wesentlichen horizontale Flugzeugstruktur verwendet (zum Beispiel einen Flügel, ein horizontales Heckleitwerk, ein Helikopterrotorblatt und dergleichen), doch sollen diese Ausdrücke hier einen Trennstreifen vollständig beinhalten, der entlang der Länge einer nichthorizontalen Vorderkante (zum Beispiel einem vertikalen Heckleitwerk, einem Flugzeugpropellerblatt und dergleichen) und Eisansatz- und -abwurfbereichen angeordnet ist, die auf einer Seite und/oder einer gegenüberliegenden Seite des Trennstreifens angeordnet sind.
Das wärmeleitende Band umfaßt mindestens zwei unter Hitze und Druck miteinander laminierte Schichten, d. h. eine nichtmetallische elektrisch und wärmeleitende Schicht, die aus einer flexiblen expandierten Graphitfolie (im englischen auch als „Vermiform graphite" – „wurmförmiger Graphit" bekannt) besteht, der auf eine äußere wärmeleitende Schicht laminiert ist, die ein elektrischer Isolator ist und das Innere des Bands gegenüber Penetrierung und Wasserschaden abdichtet. Das flexible expandierte Graphitfolienblatt des wärmeleitenden Bands weist eine erste Dicke im Trennstreifen, eine zweite Dicke in der ersten Eisansatz- und -abwurfzone und eine dritte Dicke in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone auf, und die Dicke des flexiblen expandierten Graphitfolienblatts im Trennstreifen ist größer als die Dicke des Folienblatts entweder in der ersten oder in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone.
Das Band wird (zum Beispiel mit einem Kleber) an eine elektrisch isolierende Schicht geklebt, so daß die flexible expandierte Graphitschicht zwischen der wärmeleitenden äußeren Schicht und der isolierenden Schicht angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann direkt auf das Band geklebt werden, um vor dem Auftrag auf die Flugzeugoberfläche eine dritte Schicht zu bilden. Alternativ kann die elektrisch isolierende Schicht eine Komponente der Flugzeugoberfläche sein, auf die das zweischichtige Band aufgetragen wird.
Ein Merkmal dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die flexible expandierte Graphitfolie ein einziges monolithisches Heizelement umfaßt, das derart geformt, gestaltet oder geschichtet werden kann, daß die Wattdichten im Trennstreifen und die Eisansatz- und -abwurfzonen des Heizelements auf vorbestimmte Weise variiert werden. Es ist bekannt, daß sich durch Variieren der Länge, der Breite und/oder der Dicke der flexiblen expandierten Graphitfolie der elektrische Widerstand entlang der Länge der Folie um einen großen Betrag ändert, und bekannterweise bestimmt der elektrische Widerstand eines Materials die Größe des elektrischen Stroms, der durch das Material fließt. Bei einer gegebenen Länge und Breite weist folglich ein Abschnitt des wärmeleitenden Bands, das eine dickere flexible expandierte Graphitfolie umfaßt, einen geringeren elektrischen Widerstand und einen größeren Stromfluß auf und wird heißer als Abschnitte, in denen die Folienschicht dünner ist. Bei der in Zonen unterteilten Ausführungsform der Erfindung weist die flexible expandierte Graphitfolienschicht der Heizeinrichtung im Trennstreifen eine Dicke auf, die größer ist als die Dicke der Folie jeweils in der ersten und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone. Die Temperatur des Trennstreifens liegt deshalb bei allen gegebenen Leistungseinstellungen höher als die Temperatur eines beliebigen der beiden Eisansatz- und -abwurfzonen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das flexible expandierte Graphitfolienblatt ein kontinuierlich geformtes Blatt mit einem abnehmenden Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen und jeder der Eisansatz- und -abwurfzonen. Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt der Trennstreifen mindestens zwei geschichtete flexible expandierte Graphitfolienblätter, und die Schichten sind so angeordnet, daß sie einen abnehmenden Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen und jeder der Eisansatz- und -abwurfzonen bilden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform können der Trennstreifen und eine oder beide der Eisansatz- und -abwurfzonen getrennte Abschnitte der Folie sein, doch sind die Eisansatz- und -abwurfabschnitte durch eine Lücke von höchstens etwa 60 Milli-Inch (1,52 mm) von dem Trennstreifen getrennt. Bei dieser Ausführungsform können ein oder mehrere der Abschnitte so gestaltet sein, daß ein abnehmender Dickegradient zwischen dem Trennstreifenabschnitt und den Eisansatz- und -abwurfzonen entsteht.
Ungeachtet der Konfiguration der flexiblen expandierten Graphitschicht aus wärmeleitendem Band besteht ein weiteres Merkmal der in Zonen unterteilten Enteisungsausführungsform der Erfindung darin, daß die flexible expandierte Graphitfolienschicht bevorzugt durch einen einzigen Satz aus zwei elektrischen Anschlüssen mit einer Energiequelle verbunden ist. Ein Strom wird durch die Folie übertragen, indem zwischen seinem entsprechenden Paar von Anschlüssen eine Spannungsdifferenz hergestellt wird, was zu einer Erwärmung der Folie führt. Ein der flexiblen expandierten Graphitschicht zugeführtes Energieausmaß führt zu Wattdichten, die sich zwischen dem Trennstreifen und den Eisansatz- und -abwurfzonen unterscheiden, wie dies durch die vorbestimmten Dicken in diesen Bereichen gesteuert wird, und die Temperatur des Trennstreifens liegt immer höher als die der Eisansatz- und -abwurfzonen. Deshalb wird nur ein einzelner Steuermechanismus für einen einzelnen Satz elektrischer Anschlüsse benötigt, um in dem Trennstreifen und in den Eisansatz- und -abwurfzonen gewünschte Wattdichten und Temperaturen zu erzeugen, wodurch man ein in Zonen unterteiltes Enteisungssystem erhält, das im Vergleich zu bisher bekannten Systemen stark vereinfacht ist. Außerdem führt die Verwendung von nur zwei Anschlüssen zu erheblich weniger Anschlußpunkten oder Kontaktstreifen als potentiellen kalten Stellen, die auf abträgliche Weise Ankerpunkte für den Eisansatz werden könnten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum elektrothermischen Enteisen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 52 gelöst.
Wenn im Flug Vereisungsbedingungen angetroffen werden, oder bevorzugt davor, lenkt eine programmierbare Steuerung eine Stromversorgung von der Energiequelle über einen ersten Zeitraum zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands, um eine erste Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht am Trennstreifen aufrechtzuerhalten, die ausreicht, um ein Frieren von auftreffenden Wassertröpfchen zu verhindern, und um zu gestatten, daß Wassertröpfchen von dem Trennstreifen nach hinten zu der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone des wärmeleitenden Bands strömen. Die erste Temperatur beträgt etwa 32°F (0°C), bevorzugt etwa 32°F (0°C) bis etwa 50°F (10°C), besonders bevorzugt etwa 35°F (2°C) bis etwa 45°F (7°C). Die Stromversorgung reicht außerdem im ersten Zeitraum aus, um eine zweite Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht an der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone aufrechtzuerhalten, die 32°F (0°C) nicht übersteigt. Die von dem Trennstreifen nach hinten strömenden Wassertröpfchen bilden Eis und/oder eine Eis-Oberfläche-Bindung an der äußeren wärmeleitenden Schicht an der ersten und/oder zweiten Zone. Der für den Eisansatz an der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone gestattete erste Zeitraum beträgt je nach der Geschwindigkeit des Eisansatzes unter den angetroffenen Vereisungsbedingungen etwa 10 Sekunden bis etwa 5 Minuten. Danach lenkt die Steuerung am Ende des ersten Zeitraums eine größere Stromversorgung zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht, wobei die größere Stromversorgung ausreicht, um während eines zweiten Zeitraums eine Drittemperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone von über 32°F (0°C) aufrechtzuerhalten, die ausreicht, um die Eis-Oberfläche-Bindung zu schmelzen und den Abwurf von entstandenem Eis auf einen auftreffenden Luftstrom zu gestatten. Die dritte Temperatur beträgt bevorzugt etwa 34°F (1°C) bis etwa 40°F (4°C) und der zweite Zeitraum beträgt zwischen etwa 5 Sekunden und etwa 60 Sekunden.
Durch das Anlegen von Energie über den zweiten Zeitraum steigt auch die Temperatur des Trennstreifens. Aufgrund der effizienten Wärmeleitfähigkeit der flexiblen expandierten Graphitfolie wird Wärme vom Trennstreifen nach hinten in die Eisansatz- und Abwurfzonen geleitet, wodurch die Energie reduziert wird, die zum Anheben der Temperatur in diesen Zonen erforderlich ist. Der Zyklus des „Runback"-Frierens der Wassertröpfchen und das diskontinuierliche Entfernen von Eis wird dann so oft wie erforderlich wiederholt, bis die Vereisungsbedingungen nicht länger existieren.
Die wärmeleitende äußere Schicht kann aus einem beliebigen wärmeleitenden Material bestehen, das im wesentlichen ein elektrischer Nichtleiter ist. Die wärmeleitende äußere Schicht besteht bevorzugt aus einem Thermoplast- oder Duroplast-Material, das einen wärmeleitenden anorganischen Füllstoff enthält. Besonders bevorzugt besteht die wärmeleitende Schicht aus einem Thermoplast-Material wie etwa Polyurethan mit einem unter Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid und dergleichen ausgewählten Füllstoff.
Die zur Verwendung in dem wärmeleitenden Band der Erfindung geeignete flexible expandierte Graphitfolie ist ein ohne weiteres im Handel erhältliches Material, das relativ preiswert ist. Die flexible expandierte Graphitfolie weist entlang ihrer Länge und Breite einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 2,7 × 10^–4 Ohm-Inch (6,86 × 10^–4 Ohm-cm) bis etwa 3,2 × 10^–4 Ohm-Inch (8,13 × 10^–4 Ohm-cm) mit einem Mittelwert von etwa 3,1 × 10^–4 Ohm-Inch (7,9 × 10^–4 Ohm-cm) auf und ist vollständig elektrisch leitend, ohne daß irgendwelche Drahtelemente, Metalle oder wärmeleitende Fasern in der Schicht oder durch die Schicht enthalten sein müßten. Aufgrund der durchgehenden monolithischen Konfiguration der flexiblen expandierten Graphitfolie ist die Wattdichte durch das wärmeleitende Band hindurch gleichförmig verteilt. Das wärmeleitende Band der Erfindung ist deshalb sehr viel effizienter als Metallelemente verwendende Heizkissen, und die gemessenen Wattdichten sind richtige Wattdichten anstatt mittlere Wattdichten. Da die flexible expandierte Graphitfolie hinsichtlich Oberfläche zu Volumen zum Leiten von Wärme und Elektrizität gut geeignet ist, ist die Wattzahl, die erforderlich ist, um einen schnellen Temperaturanstieg von der Umgebungstemperatur aus zu erzeugen, zu der, die für Antieis- und/oder Enteisungssysteme über eine große Oberfläche erforderlich ist, weit geringer als die, die von bekannten elektrischen Drahtheizsystemen gefordert werden. Flexibler expandierter Graphit weist außerdem eine geringe thermische Masse auf, was ein schnelles Aufheizen und ein schnelles Abkühlen beim Abschalten des Stroms ermöglicht.
Das zwei- oder dreischichtige wärmeleitende Band läßt sich unter Verwendung von im Handel erhältlichen Klebern wie etwa Klebern auf Kautschukbasis leicht auf eine beliebige Oberfläche des Flugzeugs auftragen, einschließlich Rumpf, Flügel, Querruder, Propeller- oder Rotorblätter, Heckabschnitte, einschließlich Leitwerken und Ruder, Triebwerksverkleidung, Ölwanne und dergleichen. Bei dem oben beschriebenen in Zonen unterteilten Enteisungssystem wird das Band auf eine Flugzeugstruktur aufgetragen, die eine Vorderkante enthält. Durch die Kombination aus der Flexibilität des expandierten Graphits, der wärmeleitenden äußeren Schicht, mit oder ohne einer flexiblen elektrisch isolierenden Schicht, erhält man ein wärmeleitendes Band, das sich leicht auf eine Vielfalt von Flugzeugstrukturformen zurechtstanzen und konfigurieren läßt, einschließlich Steueroberflächen und andere unregelmäßig geformte entfernbare und bewegliche Komponenten. Das wärmeleitende Band ist außerdem im Vergleich zu existierenden Enteisungs- und Antieissystemen leicht und preiswert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines einmotorigen Flugzeugs, bei dem das wärmeleitende Band der Erfindung an die Vorderkanten der Flügel, des Seitenruders und des Leitwerks geklebt ist.
2 ist eine schematische Darstellung eines Propellerblatts mit dem an eine Vorderkante geklebten wärmeleitenden Band.
3A ist eine schematische Darstellung eines Düsenflugzeugs, bei dem das wärmeleitende Band an die Vorderkanten der Flügel, des Seitenruders und des Leitwerks geklebt ist.
3B ist eine schematische Darstellung weiterer Bereiche, bei denen das wärmeleitende Band an ein Flugzeug geklebt werden kann, wie etwa die Vorderkanten der Flügel, des Seitenruders, des Leitwerks, der Triebwerkslufteinlässe, der Hilfslufteinlässe, der Propeller, der Antennen, der Außenausgleich, von wesentlichen Instrumenten und des Radoms.
4 ist eine schematische Darstellung der Komponenten des wärmeleitenden Bands, einschließlich der flexiblen expandierten Graphitschicht, der wärmeleitenden äußeren Schicht und der elektrisch isolierenden Schicht.
5 ist ein Querschnitt durch das dreischichtige wärmeleitende Band, der die zwischen der wärmeleitenden äußeren Schicht und der isolierenden Schicht angeordnete flexible expandierte Graphitschicht darstellt.
6 ist eine schematische weggeschnittene Darstellung eines Flügelabschnitts, bei dem das wärmeleitende Band der Erfindung an einen Teil der Vorderkantenoberfläche geklebt ist.
7 ist eine schematische Darstellung einer Energiequelle und einer programmierbaren Leistungssteuerung, die elektronisch mit der flexiblen expandierten Graphitschicht des wärmeleitenden Bands bzw. einem Temperatursensor verbunden ist.
8 ist ein elektrothermischer Enteiser gemäß dem Stand der Technik, der an einem Bauelement in Form eines Flügels befestigt ist.
9 ist eine schematische Darstellung des an die Vorderkante einer Flugzeugstruktur wie etwa eines Flügels geklebten wärmeleitenden Bands der in Zonen unterteilten elektrothermischen Enteisungssystemausführungsform der Erfindung.
10 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands der Enteisungssystemausführungsform.
11 ist eine schematische Querschnittsansicht des wärmeleitenden Bands von 10, das an die Vorderkante eines Flügels geklebt ist.
12 ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des wärmeleitenden Bands von 10, das an die Vorderkante eines Flügels geklebt ist.
13 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands der Enteisungssystemausführungsform.
14 ist eine schematische Querschnittsansicht des wärmeleitenden Bands von 13, das an die Vorderkante eines Flügels geklebt ist.
15 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands der Enteisungssystemausführungsform.
16 ist eine schematische Querschnittsansicht des wärmeleitenden Bands von 15, das an die Vorderkante eines Flügels geklebt ist.
17 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der das wärmeleitende Band an die Vorderkante eines Helikopterrotorblatts oder eines Propellerblatts geklebt ist.
18 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des wärmeleitenden Bands mit einer äußeren erosionsbeständigen Schicht, das an die Vorderkante eines Helikopterrotorblatts oder eines Propellerblatts geklebt ist.
19 ist ein Graph des spezifischen Widerstands von flexiblen expandierten Graphit der Marke Grafoil^® als Funktion der Dichte.
20 ist eine Graph des Widerstands von Grafoil^® als Funktion der Dicke.
21 ist ein Histogramm, das den Widerstand von Grafoil^® als Funktion der Dicke und der Dichte veranschaulicht.
22 ist ein Histogramm, das die Zeit darstellt, um Grafoil^® mit verschiedenen Dicken und Dichten auf 125°F (51,7°C) zu erwärmen.
23 ist ein Histogramm, das die Zeit darstellt, um Grafoil^® verschiedener Dicken und Dichten von 125°F auf 82°F (von 51°C auf 27,8°C) abzukühlen.
24 ist ein Histogramm, das die Aufwärmzeit und die Abkühlzeit von Grafoil^® gegenüber einem Veratec-Material vergleicht.
25 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung der Leistungsanforderungen, um Grafoil^® mit verschiedenen Dicken zu erwärmen, das an einen Verbundflügel mit laminarer Strömung von einem Flugzeug vom Typ Vantage^® geklebt ist.
26 ist ein Histogramm, das die Wärmeübertragung zwischen einer simulierten Trennzone und Eisansatz- und -abwurfzonen darstellt, wenn nur die Trennzone bestromt war.
27 ist ein Histogramm, das die Temperaturen der simulierten Trennzone und der Eisansatz- und -abwurfzonen veranschaulicht, wenn alle Zonen bestromt waren.
28 ist eine Figur, die aus dem Aircraft Icing Handbook, Report #DOT/FAA/CT-88/8-2 reproduziert ist und atmosphärische Vereisungsdesignbedingungen für schichtenförmige Wolken veranschaulicht.
29 ist eine schematische Darstellung des Orts von sieben Thermoelementen an der Vorderkante eines Flügels einer Cessna 182-R, an den das wärmeleitende Band geklebt war.
30 ist eine schematische Darstellung des Orts von sechs Thermoelementen an der Vorderkante eines Flügels einer Lancair IV, an den das wärmeleitende Band geklebt war.
31 ist ein Graph der Wattdichten als Funktion der Temperatur der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht des Bands unter vier verschiedenen Sätzen atmosphärischer Bedingungen.
32 ist ein Histogramm der Wattdichten als Funktion der Temperatur der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht des Bands unter vier verschiedenen Sätzen atmosphärischer Bedingungen.
33 ist ein Graph, der die Aufwärmzeit und Abkühlzeit der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht des Bands unter einem Satz von atmosphärischen Bedingungen darstellt.
34 ist ein Graph, der die Wattdichten veranschaulicht, die zum Anheben der Temperaturen der Trennstreifenzone und der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone erforderlich sind.
35 ist ein Graph, der einen ausgeschalteten Zustand in einer einzigen Enteisungssequenz darstellt.
36 ist eine digitale Photographie, die die Ausbildung von „Runbackeis" auf einer Eisansatz- und -abwurfzone des wärmeleitenden Bands zeigt, das an die Vorderkante eines Flügels einer Lancair IV geklebt ist.
37 ist ein Graph, das einen eingeschalteten Zustand in der einzigen Enteisungssequenz darstellt.
38 ist eine digitale Photographie, die das anfängliche Abwerfen des „Runbackeis" von 36 zeigt.
39 ist ein Graph, der die Zeit nach dem Einschaltzustand von 37 veranschaulicht.
40 ist eine digitale Photographie, die das Entfernen des „Runbackeis" von 39 zeigt.
41 ist ein Blockschaltbild, das Komponenten des elektrothermischen Enteisungssystems der Erfindung zeigt.
42 ist ein Blockschaltbild, das das an die Komponenten von 41 angeschlossene in Zonen unterteilte elektrothermische Enteisungssystem darstellt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in dem eigenen US-Patent Nr. 5,934,617 offenbart ist, umfaßt ein elektrothermisches System zum Entfernen von Eis von oder zur Verhinderung der Ausbildung von Eis auf einer äußeren Oberfläche einer Flugzeugstruktur ein wärmeleitendes Band, das mindestens zwei unter Hitze und Druck aufeinander laminierte Schichten umfaßt, wobei die Schichten folgendes umfassen: (i) eine nichtmetallische elektrische und wärmeleitende Schicht, die aus einem zwischen einer äußeren wärmeleitenden Schicht und einer elektrisch isolierenden Schicht angeordneten flexiblen expandierten Graphitfolienblatt besteht, das an die Flugzeugoberfläche geklebt oder ein Teil dieser ist.
Das wärmeleitende Band der ersten Ausführungsform der Erfindung kann an jede Oberfläche oder Teilfläche einer beliebigen Flugzeugstruktur geklebt werden, an der sich Eis bilden kann. Wie in 1 und 2 dargestellt, können Strukturbereiche, auf die das wärmeleitende Band 2 der ersten Ausführungsform auf ein Leichtflugzeug aufgetragen werden kann, beispielsweise beinhalten: die Vorderkanten der Flügel 3, des Ruders 4, des Leitwerks 5 und der Propellerblätter 6 sowie anderer Strukturen, wie etwa der Ölwanne. Wie in 3A dargestellt, kann das wärmeleitende Band 2 der ersten Ausführungsform auch auf jeden Strukturbereich an einem Verkehrsflugzeug 10 aufgetragen werden, der vereisen kann, einschließlich beispielsweise die Vorderkanten von Abschnitten der Flügel 12, des Leitwerks 14 und des Seitenruders 16, sowie andere Oberflächen, einschließlich Querruder, Klappen, Triebwerksverkleidung und dergleichen. Historisch gesehen waren die Heckstrukturen von Verkehrsflugzeugen am anfälligsten für Eisgefahren während des Flugs.
Wie in 3B dargestellt, können weitere Strukturbereiche, auf die das wärmeleitende Band 2 der Ausführungsform auf ein Leichtflugzeug aufgetragen werden können, wie etwa ein doppelmotoriges Flugzeug 100, beispielsweise folgendes beinhalten: die Vorderkanten der Flügel 102, Leitwerksvorderkanten 104 des Seitenruders und des Leitwerks, Außenausgleiche 103, Propellerblätter 105, Triebwerkslufteinlässe 106 sowie andere Strukturen einschließlich Hilfslufteinlässe 107, wesentliche externe Instrumente 108, Antennen 109 und Ölwanne (nicht gezeigt).
Bei der in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform der Erfindung enthält die Flugzeugstruktur, auf die das wärmeleitende Band aufgetragen werden kann, beispielsweise unter anderem jede beliebige Vorderkante des Flugzeugs wie etwa die, die in den 1, 2, 3A und 3B dargestellt sind, einschließlich der Vorderkanten der Flügel, Leitwerksvorderkanten des Seitenruders und des Vertikal- und Horizontalheckleitwerks und Propellerblätter einschließlich Helikopterrotorblätter.
Die Bauelemente des wärmeleitenden Bands sind in den 4 und 5 allgemein dargestellt. Das wärmeleitende Band 2 umfaßt eine flexible expandierte Graphitfolienschicht 20, die auf eine äußere wärmeleitende Schicht 22 laminiert und zwischen der äußeren Schicht 22 und einer elektrisch isolierenden Schicht 24 angeordnet ist. Die flexible expandierte Graphitfolienschicht 20 kann durch einen elektrischen Anschluß 40, der beispielsweise eine Steckerleiste oder eine Sammelschiene oder dergleichen sein kann, und ein Verdrahtungssystem 36 an eine Energiequelle angeschlossen werden. Eine weitere Steckerleiste oder Sammelschiene 38 steht zum Erden der elektrischen Schaltung zur Verfügung. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ist die flexible expandierte Graphitfolie ein Blatt mit einer Dicke von etwa 0,003 bis etwa 0,125 Inch (etwa 0,08 bis etwa 3,2 mm), bevorzugt etwa 0,025 bis etwa 0,125 Inch (etwa 0,63 bis etwa 3,2 mm), besonders bevorzugt etwa 0,003 bis etwa 0,070 Inch (etwa 0,08 bis etwa 1,8 mm) und insbesondere etwa 0,003 bis etwa 0,030 Inch (etwa 0,08 bis etwa 0,8 mm). Bei der in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform der Erfindung variiert die Dicke der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht 20 im wärmeleitenden Band 2 auf vorbestimmte Weise in verschiedenen Bereichen des Bands, wie weiter unten beschrieben wird. Die isolierende Schicht 24 kann durch einen Kleber an die flexible expandierte Graphitfolienschicht 20 geklebt sein, wie etwa durch einen beliebigen Kleber auf Kautschukbasis, der seine Klebefähgikeit über einen großen Temperaturbereich aufrecht erhält. Ein Beispiel für einen ohne weiteres erhältlichen geeigneten Kleber ist der Kontaktkleber auf Kautschukbasis 1300-L (3M Company). Als Alternative können die drei Schichten des wärmeleitenden Bands unter Hitze und Druck aufeinander laminiert werden. Beispielsweise kann die Fläche der äußeren wärmeleitenden Schicht größer sein als die Fläche der flexiblen expandierten Graphitfolienblattschicht 20 und kann direkt auf die isolierende Schicht 24 laminiert sein. Die isolierende Schicht 24 wird direkt auf eine Flugzeugoberfläche wie etwa einen Vorderkantenabschnitt eines Aluminiumflügels 30 geklebt, wie in der weggeschnittenen Schemadarstellung in 6 dargestellt, und zwar ebenfalls mit Hilfe eines Klebers wie etwa des obigen Kontaktklebers auf Kautschukbasis.
Wenn die Flugzeugstruktur bereits eine elektrisch isolierende Komponente aufweist, kann ein zweiteiliges wärmeleitendes Band verwendet werden, das aus der flexiblen expandierten Graphitschicht 20 und der wärmeleitenden äußeren Schicht 22 besteht. Die Flugzeugoberfläche kann beispielsweise lackiert oder auf andere Weise mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sein, wie etwa einem Polyurethanlack oder einem aluminierten Lack. Die flexible expandierte Graphitschicht 20 und die wärmeleitende äußere Schicht 22 werden dann mit einem Kleber auf Kautschukbasis direkt auf die isolierende Komponente der Flugzeugstruktur geklebt. Als Alternative kann die Flugzeugstruktur selbst aus einem elektrisch nichtleitenden Verbundwerkstoff wie etwa mit Faserglas verstärkter Kunststoff oder dergleichen hergestellt sein. In diesem Fall kann das flexible expandierte Graphitfolieblatt 20 während der Herstellung durch dem Fachmann auf dem Gebiet der Verbundwerkstoffe bekannte Verfahren in den Verbundwerkstoff eingebettet sein, und eine wärmeleitende äußere Schicht kann später auf die Verbundwerkstoffoberfläche gemalt oder gesprüht oder mit einem Kleber darauf geklebt werden. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das flexible expandierte Graphitfolienblatt in unmittelbarer Nähe oder in Kontakt mit der wärmeleitenden Schicht, damit auf diese Schicht Wärme übertragen wird. Zu Beispielen für geeignete aufgemalte oder aufgesprühte wärmeleitende Schichten zählen Lacke auf Polyurethanbasis oder aluminierte Lacke, die anorganische Füllstoffe wie etwa Aluminiumnitrid enthalten.
Flexible expandierte Graphitfolie zur Verwendung im wärmeleitenden Band kann, wie wohl bekannt ist, hergestellt werden, indem Graphitflocken mehrfach expandiert und die expandierten Flocken dann komprimiert werden, damit man eine zusammenhängende Struktur erhält. Die Expandierung von Graphitflocken kann man ohne weiteres erzielen, indem man die Bindungskräfte zwischen den Schichten der internen Struktur des Graphits etwa durch den Einsatz einer Säure angreift. Das Ergebnis eines derartigen Angriffs besteht darin, daß der Abstand zwischen den überlagerten Schichten so vergrößert wird, daß eine deutliche Expandierung der Kristallstruktur bewirkt wird. Mit Hilfe einer Einlagerungs- oder „zwischen den Schichten"-Verbindungsbildung bewirkt eine nachfolgende Hochtemperaturerhitzung eine um das 100–1000fache größere Expandierung, wodurch man eine wurmartige Struktur mit hochaktiven verästelten rauhen Oberflächen erhält, die dann unter Druck zu einem Schaummaterial geformt werden können, da die Teilchen die Fähigkeit aufweisen, aufgrund der großen Expandierung ohne ein Bindemittel zu haften. Blätter und dergleichen werden aus den expandierten Graphitteilchen gebildet, indem einfach der komprimierende Druck erhöht wird, wobei die Dichte des entstandenen Graphits zu dem ausgeübten Bildungsdruck in Beziehung steht. Eine ausführlichere Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden derartiger flexibler expandierter Graphitblätter findet man im US-Patent Nr. 3,404,061.
Das flexible expandierte Graphitblattprodukt besteht im wesentlichen aus reinem Graphit, in der Regel 90–99,9 Gew.-% elementarer Kohlenstoff mit einer stark ausgerichteten Struktur. Nur natürlich vorkommende Mineralien (aus den natürlichen Rohgraphitmaterialien) bleiben als Verunreinigungen in Form von im wesentlichen inerten, chemisch stabilen Metalloxiden und -sulfaten im Produkt zurück. Daß diese Verunreinigungen vorliegen, ist nicht wesentlich, und es trägt nicht zu den elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften des expandierten Graphits bei.
Obwohl in der vorliegenden Erfindung jedes beliebige geeignete flexible expandierte Graphitfolienblatt verwendet werden kann, wird bevorzugt, daß die Charakteristiken des flexiblen expandierten Graphitblatts gleichwertig sind zu dem flexiblen Graphit von der Marke Grafoil^®, hergestellt von UCAR Carbon Company. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dichte des bevorzugten flexiblen expandierten Graphits etwa 50 bis etwa 90 lbs./ft³ (etwa 0,77 bis etwa 1,4 g/cm³) bevorzugt etwa 70 lbs./ft³ (etwa 1,1 g/cm³). Bei dieser Ausführungsform weist die bevorzugte flexible expandierte Graphitfolie einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 1 × 10^–4 bis etwa 10 × 10^–4 Ohm-Inch (etwa 2,54 × 10^–4 bis etwa 25,4 × 10^–4 Ohm-cm), bevorzugt etwa 2,8 × 10^–4 bis etwa 7,5 × 10^–4 Ohm-Inch (etwa 7 × 10^–4 bis etwa 19 × 10^–4 Ohm-cm) und besonders bevorzugt etwa 3,1 × 10^–4 bis etwa 6,5 × 10^–4 Ohm-Inch (etwa 7,9 × 10^–4 bis etwa 16,5 × 10^–4 Ohm-cm) und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 140 W/m°K bei 70°F (21°C) und etwa 44 W/m°K bei 2000°F (1093°C) auf. Das flexible expandierte Graphit ist wegen seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeiten in anderen Anwendungen wie etwa Dichtungen, Ventilschäften oder Pumpdichtmanschetten und Hochtemperaturanwendungen wie etwa Wärmestrahlungsabschirmung, Ofenauskleidung und dergleichen verwendet worden.
Die bevorzugten Dichten, der bevorzugte spezifische elektrische Widerstand und Widerstände und die Länge, Breite und Dicken der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht zur Verwendung in der in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform der Erfindung werden weiter unten erläutert.
Die äußere wärmeleitende Schicht 22 besteht bevorzugt aus einem Thermoplast- oder Duroplast-Material, einschließlich Kautschuk- oder andere elastomere Materialien, das ein Wärmeleiter und ein elektrischer Isolator und dauerhaft und abriebbeständig ist. Zu geeigneten Materialien zählen Polyurethan, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyamide, Polystyrole und dergleichen. Das bevorzugte Material ist im wesentlichen ein elektrischer Nichtleiter mit einem elektrischen Volumenwiderstand von etwa 10³ Ohm-Inch (2,54 × 10³ Ohm-cm) bis etwa 10¹² Ohm-Inch (2,54 × 10¹² Ohm-cm). Die bevorzugte äußere wärmeleitende Schicht weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,1 Watt/Meter°K (W/m°K) bis etwa 5 W/m°K und besonders bevorzugt etwa 0,5 W/m°K bis etwa 4 W/m°K auf. Damit das Material wärmeleitend und elektrisch nichtleitend ist, wird in der Regel während der Herstellung des Materials eine wärmeleitende anorganische Verbindung oder Mischung aus wärmeleitenden anorganischen Verbindungen als Füllmaterial zugesetzt. Beispiele für anorganische Verbindungen, die als Füllmaterialien verwendet werden, damit ein Thermoplast- oder Duroplast-Material diese Eigenschaften erhält, sind Nitride, wie etwa Aluminiumnitrid und Bornitrid, Aluminiumoxid, Siliziumverbindungen und dergleichen. Die Herstellung derartiger diese Füllstoffe enthaltenden Thermoplast- oder Duroplast-Materialien ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Kunststoff-Compoundierung bekannt. Bevorzugt besteht die wärmeleitende äußere Schicht in dem wärmeleitenden Band der Erfindung aus einem Thermoplast-Material, das Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid oder Mischungen aus diesen enthält, wie etwa Thermoplast-Kleber Staystik^TM von der Firme Alpha Metals, Inc., Cranston, RI, USA. Das Thermoplast-Material kann in flüssiger, Film- oder Pastenform vorliegen. Besonders bevorzugt besteht die wärmeleitende äußere Schicht aus einem Polyurethanfilm, der Bornitrid oder Aluminiumnitrid enthält. Besonders bevorzugt enthält das Polyurethan Bornitrid.
Die wärmeleitende äußere Schicht wird bevorzugt unter Hitze und Druck auf die expandierte Graphitschicht laminiert, um die Integrität der Wärmeübertragung der flexiblen expandierten Graphitfolienblattschicht und der schützenden wärmeleitenden äußeren Schicht sicherzustellen. Die Laminierung der äußeren Schicht auf die Folie verhindert zudem das Abblättern von Stücken der Folie, damit für eine optimale elektrische und Wärmeleitfähigkeit eine kontinuierliche Folienschicht sichergestellt wird. Als Beispiel kann geeigneterweise ein Thermoplast-Kleber (Staystik^TM) unter Hitze- und Druckbedingungen von 125°C bis 200°C bzw. 0 bis 10 psi (0 bis 690 hPa) auf die flexible expandierte Graphitschicht laminiert werden. Die Dicke der wärmeleitenden äußeren Schicht in dem wärmeleitendem Band beträgt etwa 0,001 Inch bis 0,030 Inch (etwa 0,025 mm bis 0,76 mm), bevorzugt etwa 0,001 Inch bis etwa 0,010 Inch (etwa 0,025 mm bis etwa 0,254 mm) und besonders bevorzugt etwa 0,005 Inch (etwa 0,13 mm).
Die isolierende Basisschicht 24 kann aus einem beliebigen einer Reihe von Materialien bestehen, die hinsichtlich Elektrizität isolieren, die ausreichend flexibel sind, um die Installation des wärmeleitenden Bands auf unregelmäßig geformten Flugzeugoberflächen zu gestatten, und die etwa durch einen Kleber auf die wärmeleitende äußere Schicht und/oder auf die flexible expandierte Graphitschicht geklebt werden können. Das elektrisch isolierende Material kann auch wärmeisolierend sein oder nicht. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, die Flugzeugoberfläche unter dem wärmeleitenden Band zu erwärmen. In diesem Fall beinhaltet die Auswahl der elektrisch isolierenden Schicht ein Material, das nicht wärmeisolierend ist. Zu geeigneten isolierenden Basisschichten zählen beispielsweise Elastomere wie etwa Chloropren, Isopren und Neopren, oder Thermoplast- oder Duroplast-Materialien, die anorganische wärmeleitende Füllstoffe enthalten, und zwar entweder für sich alleine oder in Kombination mit isolierenden Geweben wie etwa Glasfasertuch. Die isolierende Schicht weist eine Dicke von etwa 0,005 Inch bis etwa 0,25 Inch (etwa 0,13 mm bis 6,35 mm) auf.
Wie in 6 weiter dargestellt, kann in einem oder mehreren Bereichen des wärmeleitenden Bands 2 ein Temperatursensor enthalten sein, wie etwa ein oder mehrere Thermoelemente 32 bekannter Arten, damit die auf der Flugzeugoberfläche 30 erzeugte Wärmemenge, die durch das wärmeleitende Band erzeugt wird, in Echtzeit ausgewertet werden kann. In der Erfindung können außer Thermoelementen andere Temperatursensoren verwendet werden, und diese sind dem Fachmann wohlbekannt. Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist ein klebbares Folienthermoelement 32 an einer äußeren Oberfläche der äußeren wärmeleitenden Schicht in das wärmeleitende Band eingebaut, und Thermoelementsteuerdrähte 30 können mit den elektrischen Drähten zu einem Steuersystem verlegt werden (siehe unten). Temperatursensoren können aber auch innerhalb des wärmeleitenden Bands geklebt werden (nicht gezeigt). Der Temperatursensor ist im Idealfall dünn und flach und kann Temperaturen bis zu 150°C erfassen. Ein geeigneter Thermoelementsensor zur Verwendung in der Erfindung ist ein selbstklebendes Omega-Thermoelement aus Eisen/Konstantan (Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, USA).
Um die Temperatur einer Oberfläche, auf die das wärmeleitende Band aufgebracht ist, gezielt zu steuern, ist die flexible expandierte Graphitschicht mit einer Quelle elektrischer Energie 50 verbunden. Wie in den 6 und 7 dargestellt, ist die flexible expandierte Graphitschicht 20 beispielsweise unter Verwendung einer Steckerleiste oder Stromschiene 40 und einem Verdrahtungssystem 36 mit der Energiequelle 50 verbunden. Die nachgiebige Verdrahtungs- und Schienenanordnung verbindet die flexible expandierte Graphitschicht mit einem nicht gezeigten Hauptnetz. Eine weitere Steckerleiste oder Stromschiene 38 ist an dem Flugzeugmetallabschnitt genietet, um eine Masse für den elektrischen Stromkreis zu liefern. Somit ist die flexible expandierte Graphitfolienschicht bevorzugt durch einen einzigen Satz aus zwei elektrischen Anschlüssen mit der Energiequelle verbunden. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen wird ein Strom durch die Folie übertragen, was zu einer Erwärmung der Folie führt.
Bei der Energiequelle 50 kann es sich um eine von mehreren Arten im Flugzeug handeln, wie der Fachmann weiß. Ein Leichtflugzeug kann mit einem Wechselstromgenerator von 150 bis 200 Ampere, der 40 bis 60 Volt erzeugt, ohne signifikante Gewichtseinbußen ausgestattet werden. Geeignete Wechselstromgeneratoren sind erhältlich von der Firma EGC enterprises, inc. Chardon, Ohio, USA. Diese Wechselstromgeneratoren erzeugen 150 Ampere bei 50 Volt, und die Spannung kann gewählt werden. Durch Tests des wärmeleitenden Bands der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß ein Wechselstromgenerator mit verfügbaren 3 bis 35 Volt eine Heizeinrichtung mit einer flexiblen expandierten Graphitfolie bereitstellen kann, die 2 bis 15 Watt/Inch² (0,31 bis 2,33 Watt/cm²) bereitstellen kann.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Temperatur der Flugzeugoberfläche gesteuert werden, indem die an die flexible expandierte Graphitschicht des wärmeleitenden Bands angelegte Spannung über eine feste oder veränderliche Zeitdauer variiert wird oder indem über eine Reihe von festen Zeitintervallen eine konstante Spannung bereitgestellt wird. Die der flexiblen expandierten Graphitschicht bereitgestellte Größe der Wattzahl kann unter Verwendung eines programmierbaren Leistungssteuerlogiksystems 60, wie etwa eines Mikroprozessors, wie in 7 dargestellt, als Reaktion auf die Temperatur der äußeren Oberfläche verändert werden.
Das Flugzeug kann auch andere dem Fachmann bekannte Sensoren zum Erfassen von Vereisungsbedingungen umfassen, wenn in der vom Flugzeug angetroffenen Atmosphäre Eis erzeugende Kombinationen aus Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit und Taupunkt existieren, wobei der oder die Sensoren so programmiert sind, daß sie der Energiequelle signalisieren, elektrische Energie an die flexible expandierte Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands zu schicken, wenn derartige Vereisungsbedingungen erfaßt werden.
Die Erfindung wird nun ausführlich im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die das wärmeleitende Band als ein in Zonen unterteiltes Enteisungssystem für eine Vorderkante enthaltende Flugzeugoberflächen verwendet. Zu speziellen Anforderungen für den effizienten in Zonen eingeteilten Enteisungsschutz, die von der Federal Aviation Administration (FAA) im Aircraft Icing Handbook, Report #DOT/FAA/CT-88/8-2,1112-3, veröffentlicht sind, enthalten eine über einen kurzen Zeitraum angelegte hohe spezifische Wärmeeingabe; sofortige Beendigung der Erwärmung und schnelles Abkühlen der Oberfläche, nachdem der Eisabwurf eintritt, um das „Runbackeis" stark zu reduzieren; eine Mindestgröße der erwärmten Fläche, so daß die Wärme nur unter dem Eis einwirkt und nicht in den Luftstrom abgeführt wird; eine ordnungsgemäße Verteilung der Wärme, um einen sauberen Abwurf zu erhalten und um eine „Runback"-Vereisung zu vermeiden, so daß das Schmelzen der Eisverbindung gleichförmig über die Oberfläche hinweg auftritt; Verhinderung der Verankerung von Eis durch Überbrücken von einer Zone zu einer anderen; und eine Zyklus-„Auszeit", die gesteuert wird, um einen adäquaten Eisansatz für die beste Abwurfcharakteristik zu gestatten. Die „Auszeit" hängt von der Wärmekapazität der Abwurfzone und der Geschwindigkeit ab, mit der die Oberfläche auf 32°F (0°C) abkühlt, sowie der Vereisungsgeschwindigkeit, so daß die akkumulierte Eisdicke die beste für den Abwurf ist, wenn Enteisung eintritt. Aus Vereisungstunnelprüfungen ist bekannt, daß thermische Eisschutzsysteme vor dem Eintritt von Vereisungsbedingungen eingeschaltet sein müssen, und zwar aufgrund der „Überbrückungs"-Charakteristiken der Eisbildung und der Energiemenge, die erforderlich ist, um das sich bereits auf einem Bauelement ausgebildete Eis zu entfernen. Aus der folgenden Beschreibung ist zu erkennen, daß das in Zonen unterteilte Enteisungssystem der Erfindung jede dieser speziellen Anforderungen erfüllt oder übertrifft.
Wie in 8 dargestellt, ist ein elektrothermischer Enteiser 70 gemäß dem Stand der Technik an einem Bauelement 72 in Form eines Flügels angebracht gezeigt. Bekannterweise enthält das Bauelement 72 eine Achse in Richtung der Sehne und eine Achse in Richtung der Spannweite. Während des Flugs trifft die Luftströmung auf eine Vorderkante 74 des Bauelements 72 auf, und wenn Vereisungsbedingungen angetroffen werden, kann sich eine Reihe von Vereisungsstagnationspunkten entwickeln, die eine Eisstagnationslinie oder -achse bilden, deren Position mit dem Anstellwinkel der Vorderkante während des Flugs variiert.
Bei der in Zonen unterteilten elektrothermischen Enteisungssystemausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein wärmeleitendes Band 76 an die Vorderkante 74 einer Flugzeugstruktur wie etwa eines Flügels 78 geklebt, wie in 9 dargestellt. Das wärmeleitende Band umfaßt mindestens zwei Schichten (nicht gezeigt), die unter Hitze und Druck aufeinander laminiert sind, d. h., die oben beschriebene äußere wärmeleitende Schicht und die aus flexibler expandierter Graphitfolie bestehende nichtmetallische elektrisch leitende Schicht. Bei dieser Ausführungsform jedoch weist, wie unten beschrieben, die flexible expandierte Graphitfolie keine gleichförmige Dicke auf. Ansonsten gleicht das wärmeleitende Band 76 den in den 4 und 5 dargestellten, und das Kleben des Bands an die Flugzeugstruktur gleicht dem in 6 dargestellten, einschließlich der isolierenden Schicht, dem oder den Thermoelementen, elektrischen Kontakten und Verbindung zu einer Stromversorgung.
Das wärmeleitende Band kann weiterhin eine die äußere wärmeleitende Schicht bedeckende zusätzliche äußere erosionsbeständige Schicht umfassen, wie etwa eine Schicht aus Titan, Nickel, Aluminium, rostfreiem Stahl und Legierungen davon. Derartige erosionsbeständige Schichten sind in der Technik bekannt.
Bei der in 9 dargestellten in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform besteht das wärmeleitende Band 76 aus einem ersten Bereich, der einen Trennstreifen 80 bildet, der eine überspannend entlang der Vorderkante 74 der Struktur angeordnete Länge und eine Breite aufweist, die ausreicht, eine Positionsänderung der Eisstagnationslinie aufzunehmen. Das wärmeleitende Band 76 umfaßt weiterhin einen zweiten Bereich, der überspannend über und hinter dem Trennstreifen 80 angeordnet ist und eine erste Eisansatz- und -abwurfzone 82 bildet, und einen dritten Bereich, der überspannend unter und hinter dem Trennstreifen 80 angeordnet ist und eine zweite Eisansatz- und -abwurfzone 84 bildet. Wie unten ausführlich beschrieben ist, ist die Dicke der flexiblen expandierten Graphitfolie im Trennstreifen immer größer als die Dicke der Graphitfolie in jeder der Eisansatz- und -abwurfzonen. Wenn eine vorbestimmte Menge an elektrischem Strom kontinuierlich durch das Band übertragen wird, wird die äußere Oberfläche der wärmeleitenden äußeren Schicht des Trennstreifens kontinuierlich auf eine Temperatur über 32°F (0°C) erwärmt, um einen kontinuierlichen eisfreien (naß arbeitenden) Zustand aufrechtzuerhalten. In periodisch auftretenden Intervallen wird an das Band ein größerer elektrischer Strom angelegt, um die Temperatur der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden äußeren Schicht an den überspannenden Eisansatz- und -abwurfzonen über 32°F (0°C) anzuheben, um angesammeltes „Runbackeis" zu schmelzen oder zu lösen, das dann durch die über das Flugzeug verlaufende Luftströmung aerodynamisch von dem Bauelement oder durch Zentrifugalkräfte, wenn die Flugzeugstruktur ein Propeller- oder Rotorblatt ist, entfernt wird.
Eine Ausführungsform der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands ist in 10 und im Querschnitt an der Vorderkante eines Flügels 90 in den 11 und 12 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die flexible expandierte Graphitfolie 120 eine monolithisch kontinuierliche Struktur, die so geformt oder „gestaltet" ist, daß eine erste Dicke im Trennstreifen 122, eine zweite Dicke in der ersten Eisansatz- und -abwurfzone 123 und eine dritte Dicke in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone 124 gebildet wird, wobei die Dicke des Folienblatts im Trennstreifen 122 größer ist als die Dicke der Folie in jeder der ersten oder der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone. Bevorzugt weist das kontinuierliche Folienblatt einen abnehmenden Dickegradienten 125 und 126 zwischen dem Trennstreifen 122 und der ersten Eisansatz- und -abwurfzone 123 bzw. zwischen dem Trennstreifen 122 und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone 124 auf. Der abnehmende Dickegradient kann so geformt sein, daß ein Winkel oder ein Reihe von „Stufen" gebildet werden, wie in den 10 und 11 dargestellt, oder er kann eine glatte Kontur haben, wie in 12 dargestellt. Berechnungen der Dicken der Folie bei den abnehmenden Dickegradienten, die durch den Winkel, Stufen oder eine glatte Kontur dargestellt werden, werden unten erörtert. Die flexible expandierte Graphitfolienschicht 120 ist zwischen der isolierenden Schicht 128, die auf die äußere Oberfläche des Flügels 90 geklebt ist, und der äußeren wärmeleitenden Schicht 130 angeordnet. In jeder der 11, 12 und 14 und 16 unten ist die Eisstagnationslinie 92 als eine unterbrochene horizontale Linie angegeben.
Bei einer weiteren Ausführungsform der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht der in 13 veranschaulichten in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform und im Querschnitt an der Vorderkante eines Flügels 90 in 14 umfaßt der Trennstreifen 122 mindestens zwei geschichtete flexible expandierte Graphitfolienblätter 132 und 133 mit Dicken, die gleich oder voneinander verschieden sind. Bei dieser Ausführungsform kann die untere Schicht 134 der Folie eine Dicke aufweisen, die gleich der Dicke der Folie in den Eisansatz- und -abwurfbereichen 123 und 124 oder von dieser verschieden ist. Die Schichten sind so gestaltet, daß man einen abnehmenden Dickegradienten 125 und 126 zwischen dem Trennstreifen 122 und der ersten Eisansatz- und -abwurfzone 123 bzw. zwischen dem Trennstreifen 122 und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone 124 erhält.
Bei einer weiteren Ausführungsform der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht 120 der in 15 dargestellten in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform und im Querschnitt an der Vorderkante eines Flügels 90 in 16 umfaßt die Folie mindestens zwei getrennte Abschnitte, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus einem Trennstreifenabschnitt 142, einem ersten Eisansatz- und -abwurfabschnitt 143 und einem zweiten Eisansatz- und -abwurfabschnitt 144, wobei der erste und/oder der zweite Eisansatz- und -abwurfabschnitt durch eine Lücke 140 von höchstens 60 Mill-Inch (1,524 mm) von dem Trennstreifenabschnitt 142 getrennt sind. Eine Lücke dieser Abmessung ist akzeptabel, da sie eine Wärmeübertragung zwischen den getrennten Abschnitten gestattet und außerdem, da die drei Abschnitte der Folie durch einen einzelnen Satz aus zwei elektrischen Anschlüssen mit einer Stromversorgung verbunden werden. Bei einer weiteren Ausführungsform, die zu Testzwecken wünschenswert sein kann, kann jeder der drei Abschnitte der Folie seinen eigenen Satz aus zwei elektrischen Anschlüssen zum Anschluß an die Stromversorgung aufweisen.
In der dargestellten Ausführungsform der 15 und 16 sind sowohl der erste als auch der zweite Eisansatz- und -abwurfabschnitt vom Trennstreifenabschnitt getrennt; bei einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, daß nur ein Eisansatz- und -abwurfabschnitt von dem Trennstreifenabschnitt getrennt ist. Der Trennstreifenabschnitt 142 oder mindestens eine der Eisansatz- und -abwurfzonenabschnitte 143 bzw. 144 können einen abnehmenden Dickegradienten 145 oder 146 zwischen dem Trennstreifen und der ersten Eisansatz- und -abwurfzone bzw. zwischen dem Trennstreifen und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des in Zonen unterteilten Enteisungssystems ist das wärmeleitende Band 76 an eine Vorderkante 131 eines Helikopterrotorblatts oder eines Propellerblatts 136 geklebt, wie in 17 dargestellt. Durch die Geschwindigkeit, mit der sich die Blätter während des Flugs drehen, und der entstehenden Zentrifugalkräfte sind diese Blätter für eine Erosion durch die Kraft der auftreffenden Wassertröpfchen anfälliger. Es wird deshalb bevorzugt, daß bei dieser in 18 dargestellten Ausführungsform eine zusätzliche äußere erosionsbeständige Schicht 135 etwa durch einen Kleber an die äußere wärmeleitende Schicht geklebt ist. Die äußere erosionsbeständige Schicht ist bevorzugt unter Titan, Nickel, Aluminium, rostfreiem Stahl und Legierungen davon ausgewählt. Es versteht sich, daß diese zusätzliche äußere erosionsbeständige Schicht vorliegen kann, wenn eine der in den 10 bis 16 dargestellten Ausführungsformen des wärmeleitenden Bands an einem Helikopterrotorblatt oder einem Propellerblatt verwendet wird.
Jede der oben beschriebenen Ausführungsformen des Bands kann durch Kalandrieren wie etwa im US-Patent Nr. 5,198,063 beschrieben, oder durch vertikales Pressen hergestellt werden, wie der Durchschnittsfachmann weiß.
Um die gewünschten Dicken der flexiblen expandierten Graphitfolie in der Trennzone und in den Eisansatz- und -abwurfzonen zu bestimmen, muß der elektrische Widerstand der Folie betrachtet werden. Es ist bekannt, daß der spezifische elektrische Widerstand und der elektrische Widerstand von flexiblem expandiertem Graphit entlang der Länge und Breite der Folie sowohl mit der Dicke als auch mit der Dichte der Folie variiert. Deshalb kann die Dicke der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht mit einem bekannten spezifischen Widerstand, einer bekannten Dichte, Länge (L) und Breite (W) wie folgt berechnet werden, wobei A die Querschnittsfläche (W × Dicke T) der Folie ist:
Leistung (Watt) = I2 (Ampere) R (2) Leistung = IU (Spannung) (3) I = U/R und R = U/I (4)
Mit dem Wert von R kann in Gleichung (1) dann die Dicke der Folie durch Berechnen der Querschnittsfläche A bestimmt werden.
Beispielsweise weist eine flexible expandierte Graphitfolie eine Dichte von 90 lbs./ft³ (1,4 g/cm³), einen spezifischen Widerstand von 3,1 × 10^–4 Ohm/Inch*7.87 × 10^–4 Ohm/cm), eine Länge von 60 Inch (152,4 cm) und eine Trennstreifenbreite von 1 Inch (2,54 cm) auf. Anhand der beispielhaften Testdaten, wie etwa den unten beschriebenen, kann bestimmt werden, daß Grafoil^® mit einer Fläche von 60 Inch² (387,1 cm²) 5 Watt/Inch² (0,775 Watt/cm²) benötigt, um eine Temperatur im Trennstreifen über 32°F (0°C), zum Beispiel über 34°F (1°C) bis etwa 37°F (2,8°C) aufrechtzuerhalten. Die erforderliche Gesamtwattzahl ist 300 Watt. Wenn Strom von einem Wechselstromgenerator mit hoher Ausgangsleistung verwendet wird, wie etwa dem unten beschriebenen, wird ein Ausgang von beispielsweise 25 Volt ausgewählt. Aus den obigen Gleichungen ergibt sich:
300 = IU, wobei U = 25 Volt
I = 12 Ampere
300 = 12² R
R = 2,08 Ohm
60/A × 3,1 × 10^–4 = 2,08
A = 60 × 3,1 × 10^–4/2,08 = 0,009 Inch² (0,05806 cm²)
A = W × T
T = A/W = 0,009 Inch (= 0,0229 cm)
Anhand der obigen Berechnungen kann auch die Dicke der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht in den Eisansatz- und -abwurfzonen bestimmt werden. Bei den Berechnungen wird eine gleichförmige Dicke der Folie ohne abnehmenden Dickegradienten vorausgesetzt. Bei der in 12 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, in der die flexible expandierte Graphitschicht konturiert ist, kann anhand ähnlicher Berechnungen der optimale Dickegradient mit einer Rechenmethode bestimmt werden, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.
Wie in den 19 und 20 dargestellt, wurde 1'' (2,54 cm) breite × 19'' (48,26 cm) lange Teststreifen aus flexiblen expandiertem Graphit der Marke Grafoil^® mit einer Dichte von 50 (50#), 70 (70#) und 90 (90#) lbs./ft³ (0,77[50], 1,08[70] und 1,39[90] g/cm³) Dichte und variierenden Dicken mit einer ausgewählten Leistung von einer Gleichstromversorgung beaufschlagt, die 2 bis 6 Volt und 4 bis 17 Ampere lieferte. Die Werte für den spezifischen elektrischen Widerstand und den elektrischen Widerstand der Grafoil^® wurden durch bekannte Verfahren berechnet, wobei die oben beschriebenen Gleichungen und Spannungs- und Strommeßgerätemessungen verwendet wurden. Wie in 19 dargestellt, war der spezifische Widerstand der Folie mit einer Dichte von 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³) über einem Bereich von Dicken von mindestens 0,005 Inch (0,13 mm) bis etwa 0,030 Inch (0,76 mm) bei zwischen etwa 3,1 und etwa 3,4 × 100^–4 Ohm-Inch (etwa 7,87 und etwa 8,64 × 10^–4 Ohm-cm) im wesentlichen konstant. Der spezifische Widerstand der Folie mit 70 lbs./ft³ (1,08 g/cm³) lag bei Dicken von etwa 0,005 bis etwa 0,015 Inch (etwa 0,13 bis etwa 0,38 mm) ebenfalls im Bereich zwischen etwa 3,1 und etwa 3,7 × 10^–4 Ohm-Inch (etwa 7,87 bis etwa 9,40 × 10^–4 Ohm-cm). Wie aus den obigen Gleichungen zum Erhalten von Dickewerten jeweils für den Trennstreifen und die Eisansatz- und -abwurfzonen hervorgeht, wird bevorzugt, daß der spezifische Widerstand des flexiblen expandierten Graphits einen im wesentlichen konstanten Wert umfaßt, etwa 3,1 × 10^–4 Ohm-Inch (7,87 × 10^–4 Ohm-cm). Wie in 20 dargestellt, nimmt der Widerstand der flexiblen expandierten Graphitfolie entlang ihrer Länge und Breite mit der Dicke und der Dichte der Folie ab. Eine Folie mit einer Dichte von 70 oder 90 lbs./ft³ (1,08 oder 1,39 g/cm³) zeigte über alle Dicken einen geringeren Widerstand als die Folie mit 50 lbs./ft³ (0,77 g/cm³), wobei die Folie mit 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³) die größte Abnahme beim Widerstand bei zunehmender Dicke zeigte. Der Widerstand der verschiedenen Dicken von Grafoil^® mit einer Dichte von 70 lbs./ft³ (1,08 g/cm³) und einem spezifischen Widerstand von 3,1 × 10^–4 Ohm-Inch (7,87 × 10^–4 Ohm-cm) bei unterschiedlicher Dicke ist in 21 dargestellt. Angesichts der vorausgegangenen Messungen des spezifischen Widerstands und des Widerstands kann die Dichte der für die in Zonen unterteilte Enteisungssystemausführungsform der Erfindung verwendete flexible expandierte Graphitfolie etwa 50 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 0,77 bis etwa 1,46 g/cm³) betragen, doch beträgt sie bevorzugt etwa 70 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 1,08 bis etwa 1,46 g/cm³), besonders bevorzugt etwa 80 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 1,23 bis etwa 1,46 g/cm³), insbesondere etwa 90 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 1,39 bis etwa 1,46 g/cm³).
Die Aufwärm- und Abkühlzeiten der im wärmeleitenden Band der Erfindung verwendeten flexiblen expandierten Graphitfolie wurden mit Aufwärm- und Abkühlzeiten der leitenden Schicht eines elektrothermischen Heizkissens mit Metallelementen zur Flugzeugenteisung (in US-Patent 5,344,696) verglichen. Die offenbarte leitende Schicht umfaßt eine Matte aus nickelbeschichteten Kohlenstoffasern, VERATEC Sorte Nr. 80000855, erhältlich von VERATEC, einem Unternehmensbereich der Firma International Paper Co., Walpole, Mass., USA. Streifen der VERATEC-Matte (0,003 Inch oder 0,076 mm dick) oder flexibles expandiertes Graphit der Marke Grafoil^® mit unterschiedlichen Dichten und Dicken, die 2'' (5,08 cm) breit × 20'' (50,8 cm) lang waren, wurden mit einer Leistung von 20 Watt (0,5 Watt/Inch² oder 0,0775 Watt/cm²) beaufschlagt. Es wurde die Zeit zum Erwärmen von Umgebungstemperatur (82°F oder 27,8°C) in Luft auf 125°F (51,7°C) ohne Konvektion gemessen. Wenn der Strom abgeschaltet wurde, wurde die Zeit zum Abkühlen von 125°F auf 82°F gemessen. Wie die Daten in den 22, 23 und 24 zeigen, erwärmt sich Grafoil^® mit einer Dicke von 0,005 Inch (0,13 mm) und einer Dichte von 70 lbs./ft³ (1,08 g/cm³) so schnell auf 125°F (51,7°C) wie 0,003 Inch (0,076 mm) dickes VERATEC, kühlt sich aber etwa 5mal schneller ab. Außerdem erwärmt sich Grafoil^® mit einer Dicke von 0,005 Inch (0,13 mm) und einer Dichte von 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³) fast so schnell wie VERATEC, kühlt sich aber etwa doppelt so schnell ab.
Es wurden vorläufige Prüfstandversuche durchgeführt, um die Leistungsanforderungen zum Erwärmen von Grafoil^® zu bestimmen, das eine Dichte von 70 lbs./ft³ (1,08 g/cm³) oder von 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³) aufweist und an einen Verbundmaterialflügel mit laminarer Strömung von einem Flugzeug Vantage^® (bereitgestellt von VisionAire Corporation, Ames, Iowa, USA) geklebt war. Das Band war in drei 2'' (5,08 cm) breite × 20'' (50,8 cm) lange Abschnitte mit verschiedenen Dicken unterteilt, die einen Trennstreifenbereich mit einer Dicke von 0,020 Inch (0,051 mm) und jeweils zwei Eisansatz- und -abwurfbereiche mit einer Dicke von jeweils 0,005 Inch (0,13 mm) simulierten. An das Band wurde eine Gleichspannung mit verschiedenen Stromstärken angelegt, und die Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht des Bands wurde mit einem Thermoelement gemessen. Der Test wurde bei Umbegungstemperatur (75°F oder 23,9°C) in Luft ohne Konvektion durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Tests, die in 25 dargestellt sind, zeigen, daß der dickere „Trennstreifen" (schachbrettartiges Band) für jede der gegebenen Spannungen und Stromstärken heißer war als eine der beiden dünneren Eisansatz- und -abwurfbereiche (schraffierte Bänder). Bei einer Leistungseinstellung von unter 2,55 Volt und 10 Ampere war außerdem der „Trennstreifen" etwa 20°F (11,1°C) heißer als die flankierenden Bereiche. Bei Anstieg der Leistungseinstellung auf 2,78 Volt und 12 Ampere vergrößerte sich die Temperaturdifferenz auf etwa 32°F (17,8°C).
Es wurde ein weiterer Prüfstandversuch durchgeführt, um die Wärme zu bestimmen, die von den Trennstreifenzonen zu den Eisansatz- und -abwurfzonen geleitet wird. Bei diesem Test wurde Grafoil^® mit einer Dichte von 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³) in drei 2'' × 20'' (5,08 cm × 50,8 cm) große Abschnitte unterteilt, die getrennt mit elektrischen Anschlüssen verbunden wurden. Die Abschnitte wurden auf dem Vantage-Verbundwerkstoffflügel mit einer Lücke von höchstens 60 Milli-Inch (1,524 mm) nebeneinander angebracht, wobei ein Trennstreifenabschnitt eine Dicke von 0,020 Inch (0,51 mm) entlang der Vorderkante aufwies und von einem Eisansatz- und -abwurfzonenabschnitt mit einer Dicke von 0,005 Inch (0,13 mm) auf jeder Seite flankiert war. Jeder Abschnitt des Bands wurde getrennt mit elektrischen Anschlüssen verbunden. Der Test wurde bei Raumtemperatur in Luft ohne Konvektion durchgeführt. Die Daten in 26 veranschaulichen den Wärmeübertragungstest, wenn nur der Trennstreifen bestromt ist; wohingegen die Daten in 27 den Wärmeübertragungstest veranschaulichen, wenn sowohl der Trennstreifen als auch die Eisansatz- und -abwurfzonen bestromt sind. Bei jeder geprüften Wattzahl lag eine wesentliche Wärmeübertragung vom Trennstreifen zu jeder der Eisansatz- und -abwurfzonen vor, wenn nur der Trennstreifen bestromt war. Außerdem war, wenn alle Zonen bestromt wurden, zudem nur ein Minimum an Energie erforderlich, um gewünschte Temperaturen zu erzielen, wie etwa während eines kurzen Enteisungszyklus.
Vorläufige Tests zur Bestimmung der Leistungsanforderungen zum Erwärmen des wärmeleitenden Bands mit verschiedenen Dicken an flexibler expandierter Graphitfolie über 32°F (0°C) wurden unter verschiedenen Umgebungsbedingungen bei dem Icing Research Tunnel (IRT) beim NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, USA durchgeführt. Es wurden atmosphärische Vereisungsbedingungen simuliert, die innerhalb der FAA-Richtlinien für das Flugzeugenteisungstesten liegen (Aircraft Icing Handbook, Report #DOT/FAA/CT-88/8-2, Anhang C, 3–2, FAR 25 Atmosperic Icing Design Conditions – Stratiform Clouds). Die Bedingungen lauten: kontinuierliche (schichtförmige Wolken) atmosphärische Vereisungsbedingungen bei einem Druckhöhenbereich von Meereshöhe bis 22000 Fuß (6705,6 m); eine größte vertikale Erstreckung von 6500 Fuß (1981,2 m) und eine horizontale Erstreckung in einer Standardentfernung von 17,4 nautischen Meilen (32,2 km). Die veröffentlichte 3–2 ist als 28 reproduziert. Die Umgebungsbedingungen im IRT wurden so ausgewählt, daß sie ungefähr in der Mitte der dargestellten Hüllkurve liegen.
Das wärmeleitende Band bestand aus Grafoil^®, das auf eine Schicht auf mineralgefülltem Polyurethanmaterial (Staystik^TM) mit einer Dicke von 0,003 Inch (0,08 mm) laminiert war. Das Band wurde mit einem Kautschukträger auf einen der beiden Flugzeugflügelmodelle geklebt, d. h. eine Cessna 182-R-Flügel oder einen Lancair IV-Kohlenstoffverbundwerkstoffflügel. Bei dem Cessna-Flügel war das Band ein einzelnes Blatt, und die Dichte des Grafoil^® betrug 70 lbs./ft³ (1,08 g/cm³). Beim Lancair-Flügel war das Band in drei Abschnitte unterteilt, wie unten beschrieben, und die Dichte des Grafoil^® betrug 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³).
Die Stelle der sieben Thermoelemente an der Vorderkante des Cessna 182-R-Flügels und die sechs Thermoelemente (bei Pfeilspitzen) am Lancair IV-Flügel sind in den 29 bzw. 30 dargestellt. An der Vorderkante der Cessna 182-R sind die Temperatursonden #3 und #6 (153 bzw. 156) entlang der Vereisungsstagnierungslinie angeordnet; die Temperatursonde #1 (151) ist innerhalb der Vorderkante hinter dem Aluminium angeordnet; die Temperatursonden #2 (152) und #3 (153) sind 2-3/8 Inch (6 cm) rechts bzw. 1- 3/8 Inch (3,5 cm) links von der Vereisungsstagnierungslinie und 7 Inch (17,8 cm) vom Boden des Flügelabschnitts angeordnet; und die Temperatursonden #5 (155) und #7 (157) sind 2-3/8 Inch (6 cm) rechts bzw. 1-1/4 Inch (3,2 cm) links von der Vereisungsstagnierungslinie und 7 Inch (17,8 cm) von der Oberseite des Flügelabschnitts angeordnet. Am Flügel der Lancair IV sind Sätze aus drei Thermoelementen a1, b1, c1; a2, b2, c2 und a3, b3, c3 in der Trennstreifenzone 1, in der Eisansatz- und -abwurfzone 2 bzw. der Eisansatz- und -abwurfzone 3 angeordnet.
Die Ergebnisse der Anfangsprüfung des wärmeleitenden Bands zur Bestimmung der an der Stelle des Thermoelements #3 am Flügel der Cessna 182-R unter verschiedenen Umgebungsbedingungen bereitgestellten Wattdichten sind in 31 dargestellt. Die Abmessungen des Bands waren: 6'' (15,24 cm) breit × 20'' (50,8 cm) lang. Das Grafoil^® wies eine Dicke von 0,005 Inch (0,13 mm) auf. Bei 0°F (–17,8°C) oder 20°F (–6,7°C) wurden bei einer simulierten Flugzeuggeschwindigkeit von 150 Meilen/Stunde (mph) (241,1 km/h) Wassertröpfchen auf den Flügel gesprüht, um einen Flüssigwassergehalt (LWC) von 0,75 g/m³ bzw. 1,5 g/m³ und einen mittleren volumetrischen Wassertropfendurchmesser (MVD) von 40 μm zu erzeugen. Die Bedingungen von 20°F (–6,7°C) ohne Sprühen sind durch Kurve 1, 0°F (–17,8°C) durch Kurve 2; 20°F (–6,7°C), 0,75 LWC, 40 MVD sind durch Kurve 3 und 0°F, 1,5 LWC, 40 MVD sind durch Kurve 4 dargestellt.
Bei einem anderen Test mit dem gleichen Band und dem Cessna-Flügel wurden weitere Test vorgenommen, um die Leistungsanforderungen zur Anhebung der Temperatur der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht des Bands auf verschiedene Niveaus unter einem Satz von Umgebungsbedingungen zu bestimmen, die so ausgewählt waren, daß sie gut innerhalb der Hüllkurve der FAA-Richtlinien FAR 25, Anhang C von 26 liegen. Die Ergebnisse sind in 32 dargestellt. Beispielsweise wurden unter Vereisungstunnelbedingungen von 26°F (–3,3°C), einer simulierten Flugzeuggeschwindigkeit von 150 mph (241,4 km/h), einem LWC von 0,75 g/m³ und einem MWD von 20 μm 8 Watt/Inch² (1,24 Watt/cm²) benötigt, um die Temperatur der äußeren Oberfläche des Bands auf etwa 62 F (16,7°C) anzuheben; wohingegen man mit 6 Watt/Inch² (0,93 Watt/cm²) eine Temperatur von etwa 35°F (1,7°C) erhielt. Analog wurden unter Vereisungstunnelbedingungen von 10°F (–12,2°C), einer simulierten Flugzeuggeschwindigkeit von 150 Meilen pro Stunde (mph) (241,4 km/h), einem Flüssigwassergehalt (LWC) von 0,50 g/m³ und einem mittleren volumetrischen Wassertropfendurchmesser (MVD) von 20 μm 13 Watt/Inch² (2,02 Watt/cm²) benötigt, um die Temperatur der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht auf etwa 75°F (23,9°C) anzuheben; wohingegen man mit 8 Watt/Inch² (1,24 Watt/cm²) eine Temperatur von etwa 45°F (7,2°C) erhielt.
Ein weiterer Test wurde am Cessna-Flügel und am Band des vorausgegangenen Beispiels durchgeführt, um die Zeit zum Erwärmen (bei 7 Watt/Inch² oder 1,09 Watt/cm²) und Abkühlen beim Stromausschalten unter Tunnelbedingungen von 19°F (–7,2°C), einer Flugzeuggeschwindigkeit von 151 mph (241,4 km/h), einem LWC von 0,75 g/m³ und einem MVD von 20 μm zu bestimmen. Wie in 33 dargestellt, betrug die Zeit zum Erwärmen auf etwa 50°F (10°C) etwa 50 Sekunden, und die Abkühlung nach dem Abschalten des Stroms auf 32°F (0°C) erfolgte in 5 Sekunden.
Es wurde ein weiterer Test durchgeführt, um die Wattdichten zu bestimmen, die zum Anheben der Temperaturen der ersten und zweiten Eisansatz- und Abwurfzone erforderlich sind, die in 30 mit Zone 2 bzw. 3 gekennzeichnet sind. Zone I ist der Trennstreifen. Das wärmeleitende Band wurde mit einem Kautschukträger auf den Kohlenstoffverbundstofflügel der Lancair IV geklebt. Das Band wurde in drei in Zonen unterteilte Abschnitte unterteilt, die jeweils 2'' × 20'' (5,08 cm × 50,8 cm) groß waren und voneinander durch eine Lücke von höchstens 60 Milli-Inch (1,52 mm) getrennt waren. Die Dicke des Grafoil^® in Zone 1 betrug 0,020 Inch (0,51 mm), und die Dicke des Grafoil^® in jeder der Zonen 2 und 3 betrug 0,005 Inch (0,13 mm). An jede Zone wurde getrennt elektrische Leistung angelegt, so daß Tests unter Verwendung verschiedener Wattdichten in verschiedenen Zonen bewerkstelligt werden konnten. Es wurden drei getrennte Umgebungsbedingungen ausgewählt, die Bedingungen darstellten, die innerhalb der Hüllkurve FAR 25, Anhang C, von 28 lagen. Alle Tests wurden bei 20 MVD und einer simulierten Flugzeuggeschwindigkeit von 150 mph (241,4 km/h) durchgeführt. Test I wurde bei 26°F (–3,3°C) und 0,75 LWC, Test 2 bei 10°F (–12,2°C) und 0,50 LWC und Test Test 2 bei 10°F (–12,2°C) und 0,44 LWC durchgeführt. Aus den in 34 gezeigten Ergebnissen geht hervor, daß Wattdichten von 4, 8 oder 10 Watt/Inch² (0,62, 1,24 oder 1,55 Watt/cm²) ausreichten, um die Temperatur aller Zonen eindeutig über 32°F (0°C) anzuheben.
Anhand der akkumulierten, oben beschriebenen Testdaten wurde bestimmt, daß die flexible expandierte Graphitschicht in dem in einer Zonenenteisungssystemausführungsform verwendeten wärmeleitenden Band einen Trennstreifen mit einer Dicke (ohne Dickengradienten) von etwa 0,005 bis etwa 0,060 Inch (etwa 0,13 bis 0,15 mm) aufweist. Analog wurde bestimmt, daß die Dicken der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht in der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone ohne die Dickegradienten gleich oder voneinander verschieden sind und im Bereich zwischen etwa 0,001 und etwa 0,050 Inch (etwa 0,025 bis etwa 1,27 mm), in der Regel etwa 0,001 bis etwa 0,030 Inch (etwa 0,025 bis 0,76 mm) liegen. Bei der Ausführungsform der Erfindung, bei der die Folienblätter geschichtet sind, um einen abnehmenden Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen und der ersten Eisansatz- und Abwurfzone und zwischen dem Trennstreifen und den zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen zu bilden, bestand der Trennstreifen aus mindestens zwei geschichteten flexiblen expandierten Graphitfolienblättern, die Dicken aufweisen können, die gleich oder voneinander verschieden sind und im Bereich zwischen etwa 0,0025 bis etwa 0,047 Inch (etwa 0,064 bis etwa 1,2 mm) liegen. Die größte Dicke der flexiblen expandierten Graphitfolie im Trennstreifen ist, wie oben beschrieben, immer größer als die größte Dicke der Folie in beiden Eisansatz- und Abwurfzonen.
Die Breite des wärmeleitenden Bands wird ausreichen, um eine Ortsveränderung einer Vereisungsstagnationslinie entlang der Vorderkante aufzunehmen, wird mit der Flügelvorderkantengröße, der Konfiguration, dem Auftreffbereich und dem erwarteten Anstellwinkel bei Vereisungsbedingungen variieren und wird für jedes Flugzeug verschieden sein. Beispielsweise kann das wärmeleitende Band an einer Höhenflosse am Heck einer Beechcraft Baron B55 60 Inch (152,4 cm) lang und 4 Inch (10,2 cm) breit sein, einschließlich eines Trennstreifens mit einer Breite von einem Inch. Die Breite der Eisansatz- und -abwurfbereiche kann gleich oder voneinander verschieden sein. Andere Flugzeuge, wie etwa solche mit einer sehr dünnen Vorderkante und einem sehr dünnen Auftreffbereich (z. B. Höhenflossen am Heck einer Lancair IV), könnten einen 0,25 Inch (6,4 mm) breiten Trennstreifen und ein wärmeleitendes Band mit einer Gesamtbreite von etwa 2 Inch (5,08 cm) erfordern. Außerdem können Flugzeuge mit einer sehr großen Vorderkante und einem sehr großen Auftreffbereich (z. B. Flügel der Cessna 421) einen etwa 3 Inch (7,6 cm) breiten Trennstreifen und ein wärmeleitendes Band mit einer Gesamtbreite von etwa 8 Inch (20,32 cm) erfordern. Die Breite des Trennstreifens kann somit zwischen etwa 0,25 und etwa 3 Inch (etwa 6,4 mm und etwa 7,62 cm), in der Regel etwa 0,5 bis etwa 2,5 Inch (etwa 1,27 cm bis etwa 6,35 cm) und noch typischer etwa 0,75 bis etwa 1,5 Inch (etwa 1,91 bis etwa 3,81 cm) variieren. Analog können die Breiten der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen zwischen etwa eins und etwa 6 Inch (etwa 2,54 cm und etwa 15,24 cm), in der Regel etwa 1,5 bis etwa 5 Inch (etwa 3,81 und etwa 12,7 cm), noch typischer etwa eins bis etwa 3 Inch (etwa 2,54 bis etwa 7,62 cm) variieren. Anhand der hier bereitgestellten Berechnungen und Informationen ist der Fachmann in der Lage, die Länge, Breite und Dicken des wärmeleitenden Bands und der flexiblen expandierten Graphitschicht für eine beliebige Flügelvorderkante ohne unnötige Versuche zu bestimmen.
Ungeachtet der Konfiguration der flexiblen expandierten Graphitschicht des wärmeleitenden Bands besteht ein weiteres Merkmal der in Zonen unterteilten Enteisungsausführungsform der Erfindung darin, daß der Trennstreifen und jede der Eisansatz- und -abwurfzonen (Zone 1 und Zone 2) der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht bevorzugt über einen einzigen Satz aus zwei elektrischen Anschlüssen 212 und 214 mit der Energiequelle verbunden sind, wie in 42 dargestellt. Eine geeignete elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen und der Energiequelle ist oben in den 6 und 7 dargestellt. Durch die Folie 210 wird ein Strom übertragen, indem zwischen dem entsprechenden Paar von Anschlüssen 212 und 214 eine Spannungsdifferenz angelegt wird, was zur Erwärmung der Folie 210 führt. Eine der flexiblen expandierten Graphitschicht zugeführte gegebene Leistungsmenge führt zu Wattdichten, die zwischen dem Trennstreifen und den Eisansatz- und -abwurfzonen unterschiedlich sind, wie dies durch die vorbestimmten Dicken in diesen Bereichen geregelt wird, und die Temperatur des Trennstreifens übersteigt immer die der Eisansatz- und -abwurfzonen. Um im Trennstreifen und in den Eisansatz- und -abwurfzonen gewünschte Wattdichten und Temperaturen zu erzeugen, wird deshalb nur ein einziger Steuermechanismus für einen einzelnen Satz von elektrischen Anschlüssen benötigt, was zu einem in Zonen unterteilten Enteisungssystem führt, das im Vergleich mit bisher bekannten Systemen stark vereinfacht ist. Durch die Verwendung von nur zwei Anschlüssen erreicht man zudem weniger Abschlußpunkte oder Kontaktstreifen als potentielle kalte Stellen, die abträglicherweise Ankerpunkte für den Eisansatz werden könnten.
Ein System für das elektrothermische Enteisen eines Flugzeugbauelements, das eine Vorderkante enthält, ist in 41 dargestellt. Eine Energiequelle 201 im Flugzeug bestromt das elektrothermische Enteisungssystem, wie dem Fachmann bekannt ist. Bei Leichtflugzeugen kann ein vom Flugzeugtriebwerk angetriebener Wechselstromhilfsgenerator als Energiequelle 201 dienen. Geeignete Wechselstromhilfsgeneratoren für Leichtflugzeuge sind, wie oben beschrieben, Wechselstromgeneratoren für 150 bis 200 Ampere, die 40 bis 60 Volt erzeugen, wie etwa diejenigen, die von der Firma EGC Enterprises, Inc., Chardon, Ohio, USA, erhältlich sind. Diese Wechselstromgeneratoren erzeugen 150 Amp bei 50 Volt, und die Spannung kann ausgewählt werden. Der Wechselstromgenerator wird an eine programmierbare Logiksteuerung (Mikroprozessor) 202 angeschlossen, der die Spannungsausgabe des Wechselstromgenerators durch einen Spannungsregler 203 steuert. Die Steuerung 202 enthält weiterhin eine an den Spannungsregler 203 angeschlossene Leistungsfolgesteuerungsanlage. Der Spannungsregler 203 ist so programmiert, daß er die Feldspannung steuert, die wiederum die Wechselstromgeneratorausgangsspannung steuert. Der Spannungsregler 203 umfaßt ein nicht gezeigtes Temperaturrückkopplungsthermostat, das die Ausgangsspannung steuert, um sicherzustellen, daß die Temperatur der Auftreffzonen (Trennstreifen) des Enteisungssystems während oder vor einem Antreffen von Vereisungsbedingungen geringfügig über dem Gefrierpunkt bleibt. Wie weiter unter beschrieben wird, tastet die Steuerung 202 ständig die statische Außenlufttemperatur von einem Thermoelement 205 ab und vergleicht die Auftreffzonentemperaturen und die statischen Temperaturen, um die Ausgangsleistung zu regeln.
Wie in 42 schematisch dargestellt ist, steht ein erster Temperatursensor 218 mit einer äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht im Trennstreifenbereich und mit der Steuerung 202 in Verbindung, um einen die Echtzeittemperatur der äußeren Oberfläche im Trennstreifenbereich der wärmeleitenden Schicht darstellenden ersten Temperaturwert in Echtzeit zur Steuerung 202 zu übertragen. Die Steuerung 202 umfaßt weiterhin eine Empfangseinheit zum Empfangen des ersten Echtzeittemperaturwerts. Wie weiter unten beschrieben wird, ist die Steuerung so programmiert, daß sie einen ersten vorbestimmten Referenztemperaturbereich für die erste Temperatur speichert; die Steuerung ist weiter so programmiert, daß sie den empfangenen ersten Echtzeittemperaturwert mit dem ersten vorbestimmten Referenztemperaturbereich vergleicht; die Steuerung ist weiterhin so programmiert, daß sie eine akzeptable erste Temperatur anzeigt, wenn der empfangene Temperaturwert in dem ersten vorbestimmten Referenzbereich liegt; und die Steuerung ist weiter so programmiert, daß sie der Energiequelle signalisiert, der flexiblen expandierten Graphitschicht des wärmeleitenden Bands mehr oder weniger elektrische Energie zuzuführen, wenn die empfangene erste Temperatur außerhalb des ersten vorbestimmten Referenztemperaturbereichs liegt.
Zusätzlich zum ersten Temperatursensor 218 kann wahlweise ein fakultativer zweiter Temperatursensor 216 und/oder ein fakultativer dritter Temperatursensor 220 bereitgestellt werden, der in mindestens einer der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone mit einer äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht in Verbindung steht, und mit der Steuerung in Verbindung steht, um wahlweise einen die Temperatur der äußeren Oberfläche mindestens einer der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone darstellenden fakultativen zweiten Wert in Echtzeit zur Steuerung zu übertragen, wobei die Steuerung weiterhin eine Empfangseinheit zum Empfangen des zweiten Echtzeittemperaturwerts umfaßt.
Wie oben für die Steuerung der Temperatur der äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht im Trennstreifen beschrieben wird, ist die Steuerung so programmiert, daß sie einen zweiten vorbestimmten Referenztemperaturbereich für die zweite Temperatur speichert; die Steuerung ist weiter so programmiert, daß sie den empfangenen ersten Echtzeittemperaturwert mit dem ersten vorbestimmten Referenztemperaturbereich vergleicht; die Steuerung ist weiterhin so programmiert, daß sie eine akzeptable zweite Temperatur anzeigt, wenn die empfangenen zweiten Temperaturwerte in dem zweiten vorbestimmten Referenzbereich liegen; und die Steuerung ist weiter so programmiert, daß sie der Energiequelle signalisiert, der flexiblen expandierten Graphitschicht des wärmeleitenden Bands mehr oder weniger elektrische Energie zuzuführen, wenn die empfangene zweite Temperatur außerhalb des zweiten vorbestimmten Referenztemperaturbereichs liegt.
Die Steuerung kann wahlweise auch so programmiert sein, daß sie einen dritten vorbestimmten Referenztemperaturbereich für eine dritte Temperatur speichert, die die Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht bei der ersten und/oder zweiten Eisansatzzone ist, die das Ergebnis einer größeren Stromversorgung zur flexiblen expandierten Graphitfolienschicht über einen Zeitraum ist, der ausreicht, die Eis-Oberfläche-Bindung zu schmelzen, die Steuerung ist dann weiterhin so programmiert, daß sie den empfangenen dritten Echtzeittemperaturwert mit dem vorbestimmten dritten Referenztemperaturbereich vergleicht; die Steuerung ist außerdem weiterhin so programmiert, daß sie eine akzeptable dritte Temperatur anzeigt, wenn der empfangene dritte Temperaturwert im dritten vorbestimmten Referenzbereich liegt; und die Steuerung ist außerdem weiterhin so programmiert, daß sie der Energiequelle signalisiert, der flexiblen expandierten Graphitschicht des wärmeleitenden Bands mehr oder weniger elektrische Energie zuzuführen, wenn die empfangene dritte Temperatur außerhalb des vorbestimmten dritten Referenztemperaturbereichs liegt.
Die in 41 dargestellte Folgesteuerungsanlage 204 befindet sich innerhalb des Mikroprozessors 202 und umfaßt eine Spannungsfolgesteuerungsanlage und einen Zeitgeber. Die Folgesteuerungsanlage 204 lenkt die Ausgabe des Spannungsreglers 203 zu Flugzeugbauelementen, die einer Enteisung unterzogen werden, wie etwa beispielsweise der Heckabschnit 208 und der Flügelsteuerungsabschicht 206. Die Folgesteuerungsanlage 204 lenkt, wie weiter unten beschrieben wird, eine konstante Spannung während eines ersten Zeitraums zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands, bis eine Enteisungssequenz stattfindet. Die Folgesteuerungsanlage 204 ist so programmiert, daß sie während der Enteisungssequenz den Spannungsregler 203 anweist, um die gesteuerte Rückkopplungsspannung zum Wechselstromhilfsgenerator 201 zu erhöhen, wodurch die Ausgangsspannung erhöht wird, und zwar entsprechend einem vorprogrammierten zeitlichen Ablauf. Die Folgesteuerungsanlage 204 lenkt dann die höhere Spannung vom Spannungsregler 203 für einen geregelten Zeitabschnitt zu einem zu enteisenden Bauelement, wie etwa dem Heckabschnitt 208. Die Leistung wird dann für eine im voraus ausgewählte Zeit zu einem weiteren Bauelement weitergeleitet, wie etwa der Flügelsteuerung 206, um die Flügel 207 zu enteisen.
Die Flügelsteuerung 206 ist so programmiert, daß sie die Spannung zyklisch zwischen dem linken und rechten Flügel 207 ändert. Dadurch können die Flügeloberflächen während der Enteisungssequenz die maximale Leistung empfangen. Die Flügelsteuerung 206 weist einen im voraus ausgewählten Zeitgeber auf, der die Zyklen während der Enteisungssequenz zwischen dem linken und rechten Flügel steuert.
Während oder bevorzugt bevor, Vereisungsbedingungen angetroffen werden, wird von der Energiequelle 201 ausreichend Leistung an die flexible expandierte Graphitfolienschicht des wärmeleitenden Bands angelegt, um die Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht im Trennstreifenbereich für einen ersten Zeitraum über dem Gefrierpunkt zu halten, um die Eisbildung auf dem Trennstreifen zu verhindern. Bevorzugt wird die Temperatur bei etwa 33°F (0,6°C) bis etwa 50°F (10°C), besonders bevorzugt etwa 35°F (1,7°C) bis etwa 45°F (7,2°C) gehalten. Wenn das wärmeleitende Band in einer Antieissystemausführungsform verwendet werden soll, reicht die Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht aus, im wesentlichen alle auf das Band auftreffenden Wassertröpfchen zu verdampfen und kann somit 45°F (7,2°C) übersteigen. Bei der in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform reicht die Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht bei Trennstreifen während des ersten Zeitraums aus, um ein Frieren im wesentlichen aller auf die äußere wärmeleitende Schicht des Trennstreifens auftreffenden Wassertröpfchen zu verhindern, und die Wassertröpfchen können vom Trennstreifen aus nach hinten zu der ersten und/oder der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone des wärmeleitenden Bands strömen. In dieser in Zonen unterteilten Enteisungsausführungsform hält die der flexiblen expandierten Graphitschicht in dem ersten Zeitraum zugeführte Leistung auch eine Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht bei der ersten und/oder der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone aufrecht, die auf dem Gefrierpunkt oder darunter liegt, damit Wassertröpfchen Eis und eine Eis-Oberfläche-Bindung in einer oder mehreren dieser Zone bilden können. Die Länge des ersten Zeitraums hängt von der Vereisungsgeschwindigkeit ab, die wiederum von den Umgebungsbedingungen einschließlich der Temperatur, dem Flüssigwassergehalt, dem mittleren volumetrischen Tröpfchendurchmesser, der Geschwindigkeit des Flugzeugs und dergleichen abhängt. Der erste Zeitraum kann etwa 5 Sekunden bis etwa 5 Minuten, in der Regel etwa 15 Sekunden bis etwa 2 Minuten und besonders typisch etwa 30 Sekunden bis etwa 1,5 Minuten betragen.
Am Ende des ersten Zeitraums, wenn sich eine gewünschte Eismenge auf der Oberfläche der Eisansatz- und -abwurfzonen des wärmeleitenden Bands angesammelt hat, wird die der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht zugeführte Leistung gesteigert und für einen zweiten Zeitraum der Folienschicht zugeführt, wobei die gesteigerte Leistung ausreicht, die Eis-Oberfläche-Bindung zu schmelzen und den Abwurf von gebildetem Eis in einen auftreffenden Luftstrom zu gestatten. Während des zweiten Zeitraums wird die Temperatur in der Regel in einem Bereich von etwa 37°F (2,8°C) bis etwa 40°F (4,4°C) gehalten, kann aber bei nur 34°F (1,1°C) liegen. Der zweite Zeitraum beträgt etwa 5 Sekunden bis etwa 2,5 Minuten, in der Regel etwa 15 Sekunden bis etwa 1,5 Minuten, insbesondere etwa 30 Sekunden bis etwa eine Minute.
Somit umfaßt ein Verfahren zum elektrothermischen Enteisen eines Flugzeugbauelements, das eine Vorderkante enthält, auf die während des Flugs ein Luftstrom auftrifft, wobei der Luftstrom von vorne nach hinten über eine Äußere Oberfläche des Bauelements verläuft, die folgenden Schritte: (a) Kleben eines wärmeleitenden Bands an die Äußere Oberfläche des Bauelements, wobei das wärmeleitende Band folgendes umfaßt: einen ersten Bereich, der einen Trennstreifen mit einer Länge bildet, der überspannend entlang der Vorderkante angeordnet ist, einen zweiten Bereich, der überspannend über und hinter dem Trennstreifen angeordnet ist und eine erste Eisansatz- und -abwurfzone bildet, und einen dritten Bereich, der überspannend unter und hinter dem Trennstreifen angeordnet ist und eine zweite Eisansatz- und -abwurfzone bildet, wobei das wärmeleitende Band mindestens zwei Schichten umfaßt, die unter Hitze und Druck aufeinander laminiert sind, wobei die Schichten folgendes umfassen: (i) eine äußere wärmeleitende Schicht, die ein elektrischer Isolator ist, und (ii) eine nichtmetallische leitende Schicht, die über einen einzelnen Satz von zwei Anschlüssen mit einer Energiequelle verbunden ist, wobei die nichtmetallische Schicht aus einem flexiblen expandierten Graphitfolieblatt mit einer ersten Dicke im Trennstreifen, einer zweiten Dicke in der ersten Eisansatz- und -abwurfzone und eine dritte Dicke in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone besteht, wobei die Dicke des flexiblen Graphitfolienblatts im Trennstreifen größer ist als die Dicke des Folienblatts entweder in der ersten oder der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone; (b) Zuführen von Energie zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht über einen ersten Zeitraum, um eine erste Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht am Trennstreifen beizubehalten, die ausreicht, das Frieren von auftreffenden Wassertröpfchen zu verhindern und zu gestatten, daß Wassertröpfchen von dem Trennstreifen nach hinten zu der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone strömen, wobei die Stromversorgung außerdem im ersten Zeitraum eine zweite Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht bei der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone aufrechterhält, die bei dem Gefrierpunkt oder darunter liegt, um die Bildung von Eis und einer Eis-Oberfläche-Bindung an der äußeren wärmeleitenden Schicht an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone zu gestatten; und (c) danach Erhöhen der Stromversorgung zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht über einen zweiten Zeitraum, wobei die vergrößerte Stromversorgung ausreicht, die Eis-Oberfläche-Bindung an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone zu schmelzen und den Abwurf von Eis in den auftreffenden Luftstrom zu gestatten.
Das Verfahren umfaßt weiterhin bevorzugt den Schritt des Erfassens des Vorliegens von atmosphärischen Vereisungsbedingungen vor dem Schritt der Zufuhr von Leistung und umfaßt besonders bevorzugt weiterhin den Schritt des Erfassens des Vorliegens von atmosphärischen Vereisungsbedingungen während der Schritte der Zufuhr von Leistung und der Erhöhung von Leistung. Das Verfahren umfaßt außerdem bevorzugt das Wiederholen des Schritts der Zufuhr von Leistung und den nachfolgenden Schritt des Erhöhens von Leistung, bis keine atmosphärischen Vereisungsbedingungen mehr erfaßt werden.
Ein weiteres Merkmal der Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, daß bei Anhebung der Temperatur auf über 32°F (0°C) in den Eisansatz- und -abwurfbereichen auch die Wattdichte im Trennstreifen erhöht wird, z. B. von 5 Watt/Inch² (0,775 W/cm²) auf 22,4 Watt/Inch² (3,47 Watt/cm²) mit einem einhergehenden schnellen Temperaturanstieg (z. B. auf etwa 80°F (26,7°C) bis etwa 90°F (32,2°C)) im Trennstreifen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit der flexiblen expandierten Graphitfolie kommt es zu einer Wärmeübertragung vom Trennstreifen zu den Eisansatz- und -abwurfzonen, was zu einer reduzierten Leistungsanforderung für das Anheben der Temperatur in diesen Zonen führt, wie dies üblicherweise zu erwarten wäre. Die Wärmeübertragung vom Trennstreifen zu den Eisansatz- und -abwurfzonen wird auch wegen des Gradienten des durch die Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen und diesen Zonen fließenden Stroms verbessert.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Enteisungsfähigkeiten der in Zonen unterteilten Enteisungssystemausführungsform des wärmeleitenden Bands der Erfindung. Das Beispiel soll nicht als einschränkend angesehen werden, da bei der Ausübung der Erfindung andere wärmeleitende äußere Schichten, Kleber, isolierende Schichten, Dicken für diese Schichten und Dichten und Abmessungen der flexiblen expandieren Graphitfolienschicht und dergleichen verwendet werden können.
Der Enteisungstest wurde im Icing Research Tunnel von NASA Glenn Research in Cleveland, Ohio, USA, durchgeführt.
Beispiel 1
Das wärmeleitende Band bestand aus Grafoil^® mit einer Dichte von 90 lbs./ft³ (1,39 g/cm³), das auf eine Schicht aus mineralgefülltem Polyurethanmaterial (Staystik^TM) mit einer Dicke von 0,003 Inch (0,076 mm) laminiert war. Das Band wurde mit einem Kautschukträger über einen Kontaktkleber auf Kautschukbasis (1300-L, 3M Company), der eine Klebeschicht mit einer Dicke von etwa 0,010 Inch (0,25 mm) bildete auf den Kohlenstoffverbundwerkstoffflügel einer Lancair IV geklebt. Das Band wurde in drei in Zonen unterteilte Abschnitte unterteilt, die jeweils 2'' × 20'' (5,08 × 50,8 cm) groß und durch eine Lücke von höchstens 60 Milli-Inch (1,52 mm) voneinander getrennt waren. Zone 1 war der Trennstreifen mit einer Grafoil^®-Dicke von 0,020 Inch (0,5 mm). Die Zonen 2 und 3 waren die untere bzw. obere Eisansatz- und -abwurfzone mit einer Grafoil^®-Dicke von 0,005 Inch (0,13 mm). Elektrische Leistung wurde getrennt an jede Zone angelegt, so daß Tests unter Verwendung verschiedener Wattdichten in verschiedenen Zonen durchgeführt werden konnten. Es wurden drei getrennte Umgebungsbedingungen ausgewählt, die Bedingungen innerhalb der spezifizierten FAR 25, Anhang C, von 28 darstellten.
An dem in Zonen unterteilten Enteisungssystem wurde eine einzelne Enteisungssequenz ausgeführt. Der bereitgestellte elektrische Strom betrug 8 Watt. Die Umweltbedingungen waren 10°F (–12,2°C), eine simulierte Flugzeuggeschwindigkeit von 150 mph (241,4 km/h), ein LWC von 0,50 und ein MVI von 20,61. Die Leistungseinschalt- und -ausschaltsequenz ist in den 35, 37 und 39 dargestellt, wobei die Kurven die Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht des Bands und Watt/Inch² am Trennstreifen (Zone 1) und an der Eisansatz- und -abwurfzone (Zone 3) anzeigen. Der entsprechende tatsächliche „Runback"-Vereisungsansatz und der Eisabwurf an der äußeren Oberfläche des an das Flügelsegment geklebten wärmeleitenden Bands sind in den 36, 38 und 40 dargestellt. Die Trennstreifenzone I befindet sich rechts im Bild, und der auftreffende Luftstrom bewegt sich von rechts nach links. Zone 3 liegt in der Mitte des Bilds.
Zu Beginn der Enteisungssequenz waren zum Zeitpunkt 14 Stunden, 20 Minuten, null Sekunden (14:20:00), in 35 gezeigt, der Trennstreifen und die Zone 3 bereits auf 70°F (21,1°C) bzw. 35°F (1,7°C) erwärmt. Zum Zeitpunkt 14:20:00 wird die Leistung in Zone 3 abgeschaltet, und die Wattdichte in Zone 3 beträgt null. (Die Leistung wird im Trennstreifen, Zone 1, zu allen Zeiten auf 8 Watt gehalten). Während der 15 Sekunden, während die Leistung abgeschaltet ist, fällt die Temperatur von Zone 3 unter 32°F (0°C) ab (d. h. um etwa 11°F (–11,7°C). Zum Zeitpunkt 14:20:15 hat das „Runback"-Eis bereits auf der äußeren Oberfläche der Zone 3 zu frieren begonnen, wie man in 36 sehen kann. In 37 wird in Zone 3 zum Zeitpunkt 14:20:30 die Leistung eingeschaltet, damit man 5 Watt/Inch² (0,78 Watt/cm²) erhält. Zum Zeitpunkt 14:21:13 hat der Eisabwurf von Zone 3 bereits begonnen (38), und zum Zeitpunkt 14:21:26 (39) ist das Eis von Zone 3 bereits in den auftreffenden Luftstrom abgeworfen worden (40).
Wenngleich die Erfindung hier unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist zu verstehen, daß sie die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen beschränken soll.

Claims

Elektrothermisches Enteisungssystem für ein Flugzeugbauelement (72, 78, 106, 108, 136), das eine Vorderkante (74, 104, 134) enthält, auf die während des Flugs ein Luftstrom auftrifft, wobei der Luftstrom von vorne nach hinten über eine äußere Oberfläche des Bauelements (72, 78, 106, 108, 136) verläuft, wobei das System eine Energiequelle (50, 201) umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß es weiterhin folgendes umfaßt: ein wärmeleitendes Band (2, 76), das an die Äußere Oberfläche des Bauelements (72, 78, 106, 108, 136) geklebt ist, wobei das wärmeleitende Band (2, 76) folgendes umfaßt: einen ersten Bereich, der einen Trennstreifen (80, 122, 142) mit einer Länge bildet, die überspannend entlang der Vorderkante (74, 104, 134) angeordnet ist, einen zweiten Bereich, der überspannend über und hinter dem Trennstreifen (80, 122, 142) angeordnet ist und eine erste Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) bildet, und einen dritten Bereich, der überspannend unter und hinter dem Trennstreifen (80, 122, 142) angeordnet ist und eine zweite Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) bildet, wobei das wärmeleitende Band (2, 76) mindestens zwei Schichten umfaßt, die unter Hitze und Druck aufeinander laminiert sind, wobei die Schichten folgendes umfassen: (i) eine äußere wärmeleitende Schicht (22, 130), die ein elektrischer Isolator ist, und (ii) eine nichtmetallische leitende Schicht (20, 120), die mit der Energiequelle (50, 201) verbunden ist, wobei die nichtmetallische leitende Schicht aus einem flexiblen expandierten Graphitfolienblatt (132, 133) mit einer ersten Dicke im Trennstreifen (80, 122, 142), einer zweiten Dicke in der ersten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) und einer dritten Dicke in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) besteht, wobei die Dicke des flexiblen expandierten Graphitfolienblatts (132, 133) im Trennstreifen (80, 122, 142) größer ist als die Dicke des Folienblatts entweder in der ersten oder in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone; eine elektronische Verbindung (40) zum Verbinden der flexiblen expandierten Graphitschicht mit der Energiequelle (50, 201); und eine programmierbare Steuerung (60, 202), die für folgendes konfiguriert ist: (i) Lenken einer Stromversorgung von der Energiequelle (50, 201) zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht (20, 120) des wärmeleitenden Bands (2, 76) über einen ersten Zeitraum, um eine erste Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) am Trennstreifen (80, 122, 142) beizubehalten, die ausreicht, um das Gefrieren von auftreffenden Wassertröpfchen zu verhindern und zu gestatten, daß Wassertröpfchen von dem Trennstreifen (80, 122, 142) nach hinten zu der ersten und/oder der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 122, 123, 143, 144) des wärmeleitenden Bands (2, 76) strömt, und wobei die Stromversorgung außerdem in dem ersten Zeitraum eine zweite Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) bei der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 122, 123, 143, 144) aufrechterhält, die bei dem Gefrierpunkt oder darunter liegt, um die Bildung von Eis und einer Eis-Oberfläche-Bindung an der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 122, 123, 143, 144) zu gestatten, und (ii) danach Lenken einer größeren Stromversorgung zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht (20, 120) des wärmeleitenden Bands (2, 76) über einen zweiten Zeitraum, wobei die größere Stromversorgung ausreicht, die Eis-Oberfläche-Bindung an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 122, 123, 143, 144) zu schmelzen und den Abwurf von gebildetem Eis in den auftreffenden Luftstrom zu gestatten.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) durch einen einzigen Satz von zwei Anschlüssen mit der Energiequelle verbunden ist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur etwa 33°F bis etwa 50°F (etwa 0,6°C bis etwa 10°C) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 3, wobei die erste Temperatur etwa 35°F bis etwa 45°F (etwa 1,7°C bis etwa 7,2°C) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Zeitraum etwa 5 Sekunden bis etwa 5 Minuten beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 5, wobei der erste Zeitraum etwa 15 Sekunden bis etwa 2 Minuten beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 6, wobei der erste Zeitraum etwa 30 Sekunden bis etwa 1,5 Minuten beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Zeitraum etwa 5 Sekunden bis etwa 2,5 Minuten beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 8, wobei der zweite Zeitraum etwa 15 Sekunden bis etwa 1,5 Minuten beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 9, wobei der zweite Zeitraum etwa 30 Sekunden bis etwa 1 Minute beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin folgendes umfaßt: einen ersten Temperatursensor (218) in Verbindung mit einer äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht (22, 130) in dem Trennstreifenbereich (142) und in Verbindung mit der Steuerung (60, 202) zur Echtzeitübertragung eines die Temperatur der äußeren Oberfläche im Trennstreifenbereich (142) der wärmeleitenden Schicht (22, 130) darstellenden ersten Werts zur Steuerung (60, 202), wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin eine Empfangseinheit zum Empfangen des ersten Echtzeittemperaturwerts umfaßt; wobei die Steuerung (60, 202) so programmiert ist, daß sie einen ersten vordefinierten Referenztemperaturbereich für die erste Temperatur speichert; wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie den empfangenen ersten Echtzeittemperaturwert mit dem ersten vorbestimmten Referenztemperaturbereich vergleicht; wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie eine akzeptable erste Temperatur anzeigt, wenn der empfangene Temperaturwert in den ersten vordefinierten Referenzbereich fällt; und wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie der Energiequelle (201) signalisiert, mehr oder weniger elektrische Energie an die flexible expandierte Graphitschicht (20, 120) des wärmeleitenden Bands (2, 76) zu schicken, wenn die empfangene erste Temperatur aus dem ersten vorbestimmten Referenztemperaturbereich herausfällt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 11, das weiterhin folgendes umfaßt: einen zweiten Temperatursensor (216) in Verbindung mit einer äußeren Oberfläche der wärmeleitenden Schicht in mindestens einer der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 122, 123, 143, 144) und in Verbindung mit der Steuerung (60, 202) zur Echtzeitübertragung eines die Temperatur der äußeren Oberfläche mindestens einer der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 122, 123, 143, 144) darstellenden zweiten Werts zur Steuerung (60, 202), wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin eine Empfangseinheit zum Empfangen des zweiten Echtzeittemperaturwerts umfaßt; wobei die Steuerung (60, 202) so programmiert ist, daß sie einen zweiten vordefinierten Referenztemperaturbereich für die zweite Temperatur speichert; wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie den empfangenen zweiten Echtzeittemperaturwert mit dem zweiten vorbestimmten Referenztemperaturbereich vergleicht; wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie eine akzeptable zweite Temperatur anzeigt, wenn der empfangene Temperaturwert in den zweiten vordefinierten Referenzbereich fällt; und wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie der Energiequelle (50, 201) signalisiert, mehr oder weniger elektrische Energie an die flexible expandierte Graphitschicht (20, 120) des wärmeleitenden Bands (2, 76) zu schicken, wenn die empfangene zweite Temperatur aus dem zweiten vorbestimmten Referenztemperaturbereich herausfällt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 12, wobei der zweite Temperatursensor (216) eine dritte Echtzeittemperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) bei der ersten und/oder zweiten Eisansatzzone (82, 84, 122, 123, 143, 144) im zweiten Zeitraum zu der Steuerung (60, 202) überträgt, wobei die Steuerung (60, 202) so programmiert ist, daß sie einen dritten vorbestimmten Referenztemperaturbereich für die dritte Temperatur speichert; wobei die Steuerung (60, 202) so programmiert ist, daß sie den empfangenen dritten Echtzeittemperaturwert mit dem dritten vorbestimmten Referenztemperaturbereich vergleicht; wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie eine akzeptable dritte Temperatur anzeigt, wenn der empfangene dritte Echtzeittemperaturwert in den dritten vorbestimmten Referenzbereich fällt; und wobei die Steuerung (60, 202) weiterhin so programmiert ist, daß sie der Energiequelle (50, 201) signalisiert, mehr oder weniger elektrische Energie an die flexible expandierte Graphitschicht (20, 120) des wärmeleitenden Bands (2, 76) zu schicken, wenn die empfangene dritte Temperatur aus dem dritten vorbestimmten Referenztemperaturbereich herausfällt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 13, wobei die dritte Echtzeittemperatur etwa 34°F bis etwa 40°F (etwa 1,1°C bis etwa 4,4°C) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) ein kontinuierliches Blatt ist, das einen abnehmenden Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen (80, 122, 142) und der ersten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) und zwischen dem Trennstreifen (80, 122, 142) und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) umfaßt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 15, wobei die Dicke des flexiblen expandierten Graphitfolienblatts (20, 120) im Trennstreifen (80, 122, 142) ohne die abnehmenden Dickegradienten etwa 0,005 bis etwa 0,060 Inch (etwa 0,13 bis etwa 1,52 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 15, wobei die Dicken des flexiblen expandierten Graphitfolienblatts (20, 120) in der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 123, 124, 143, 144) ohne die Dickegradienten gleich oder voneinander verschieden sind und im Bereich zwischen etwa 0,001 und etwa 0,050 Inch (etwa 0,025 bis etwa 1,27 mm) liegen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 17, wobei die Dicken des Folienblatts in den Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 123, 124, 143, 144) im Bereich zwischen etwa 0,001 bis etwa 0,030 Inch (etwa 0,025 bis etwa 0,76 mm) liegen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei der Trennstreifen (80, 122, 142) mindestens zwei geschichtete flexible expandierte Graphitfolienblätter (132, 133) umfaßt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 19, wobei die Folienblätter Dicken aufweisen, die gleich oder voneinander verschieden sind und im Bereich zwischen etwa 0,0025 und etwa 0,047 Inch (etwa 0,064 bis etwa 1,19 mm) liegen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 19, wobei die geschichteten Folienblätter einen abnehmenden Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen (80, 122, 142) und der ersten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) und zwischen dem Trennstreifen (80, 122, 142) und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) bilden.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) mindestens zwei getrennte Abschnitte umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Trennstreifenabschnitt (142), einem ersten Eisansatz- und -abwurfabschnitt (143) und einem zweiten Eisansatz- und -abwurfabschnitt (144), wobei der erste oder der zweite Eisansatz- und -abwurfabschnitt durch eine Lücke von höchstens etwa 60 Milli-Inch (1,524 mm) vom Trennstreifen getrennt sind.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 22, wobei der Trennstreifenabschnitt (80, 122, 142) oder mindestens einer der Eisansatz- und -abwurfzonenabschnitte des flexiblen expandierten Graphitfolienblatts (132, 133) einen abnehmenden Dickegradienten zwischen dem Trennstreifen (80, 122, 142) und der ersten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) oder zwischen dem Trennstreifen (80, 122, 142) und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) umfaßt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei der Trennstreifen (80, 122, 142) eine Breite aufweist, die ausreicht, um eine Ortsveränderung einer Vereisungsstagnierungslinie entlang der Vorderkante aufzunehmen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 24, wobei die Breite des Trennstreifens (80, 122, 142) etwa 0,25 bis etwa 3 Inch (etwa 6,35 bis etwa 76,2 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 25, wobei die Breite des Trennstreifens (80, 122, 142) etwa 0,5 bis 2,5 Inch (etwa 12,7 bis etwa 63,5 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 26, wobei die Breite des Trennstreifens (80, 122, 142) etwa 0,75 bis etwa 1,5 Inch (etwa 19 bis 38,1 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 122, 123, 143, 144) eine Fläche umfaßt, die etwa gleich ihrer jeweiligen Eisansatzfläche ist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei die ersten und die zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 122, 123, 143, 144) Breiten umfassen, die gleich oder voneinander verschieden sind und im Bereich zwischen etwa 1 bis etwa 6 Inch (etwa 2,54 bis etwa 15,24 cm) liegen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 29, wobei die Breiten der ersten und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 122, 123, 143, 144) im Bereich zwischen etwa 1,5 und etwa 5 Inch (etwa 3,8 bis etwa 12,7 cm) liegen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 30, wobei die Breiten der ersten und der zweiten Eisansatz- und -abwurfzonen (82, 84, 122, 123, 143, 144) im Bereich zwischen etwa 1 und etwa 3 Inch (etwa 2,54 bis etwa 7,62 cm) liegen.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) eine Dichte von etwa 50 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 0,77 bis etwa 1,46 g/cm³) aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 32, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) eine Dichte von etwa 70 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 1,08 bis etwa 1,46 g/cm³) aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 33, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) eine Dichte von etwa 80 bis etwa 95 lbs./ft³ (etwa 1,23 bis etwa 1,46 g/cm³) aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 2,7 × 10^–4 bis etwa 3,2 × 10^–4 Ohm-Inch (etwa 6,86 × 10^–4 bis etwa 8,13 × 10^–4 Ohm-cm) aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 35, wobei das flexible expandierte Graphitfolienblatt (132, 133) einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 3,1 × 10^–4 Ohm-Inch (etwa 7,87 × 10^–4 Ohm-cm) aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei die äußere wärmeleitende Schicht (22, 130) aus elektrisch isolierenden Materialien mit einem spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10³ Ohm-Inch bis etwa 10¹² Ohm-Inch (etwa 2,54 × 10³ Ohm-cm bis etwa 2,54 × 10¹² Ohm-cm) ausgewählt ist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 37, wobei die äußere wärmeleitende Schicht (22, 130) aus einem Thermoplast- oder einem Duroplast-Material und einem anorganischen Füllstoff, der Wärme leitet, besteht.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 38, wobei der anorganische Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Mischungen davon.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 39, wobei das Material Polyurethan umfasst.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei die äußere wärmeleitende Schicht (22, 130) eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,1 W/m°K bis etwa 5 W/m°K aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 41, wobei die äußere wärmeleitende Schicht (22, 130) eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,5 W/m°K bis etwa 4 W/m°K aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) etwa 0,001 Inch bis etwa 0,030 Inch (etwa 0,025 mm bis etwa 0,76 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 43, wobei die Dicke der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) etwa 0,001 Inch bis etwa 0,010 Inch (etwa 0,025 mm bis etwa 0,25 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 44, wobei die Dicke der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) etwa 0,005 Inch (etwa 0,13 mm) beträgt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende Band (2, 76) weiterhin eine elektrisch isolierende Schicht (128) umfaßt, wobei die flexible expandierte Graphitschicht (20, 120) zwischen der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) und der isolierenden Schicht (128) angeordnet ist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 46, wobei die isolierende Schicht (128) eine Komponente des wärmeleitenden Bands (2, 76) oder eine Komponente der Flugzeugoberfläche ist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 46, wobei die isolierende Schicht (128) ein Wärmeisolator ist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 46, wobei die isolierende Schicht (128) eine Dicke von etwa 0,005 Inch bis etwa 0,250 Inch (etwa 0,13 mm bis etwa 6,35 mm) aufweist.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 1, wobei das Bauelement (72, 78, 106, 108, 136) ein Rotorblatt oder ein Propellerblatt und das wärmeleitende Band (2, 76) weiterhin eine an die äußere wärmeleitende Schicht (22, 130) geklebte äußere erosionsbeständige Schicht umfaßt.
Elektrothermisches Enteisungssystem nach Anspruch 50, wobei die äußere erosionsbeständige Schicht eine Auswahl aus der Gruppe bestehend aus Titan, Nickel, Aluminium, rostfreiem Stahl und Legierungen davon umfaßt.
Verfahren zum elektrothermischen Enteisen eines Flugzeugbauelements (72, 78, 106, 108, 136), das eine Vorderkante (74, 104, 131) enthält, auf die während des Fluges ein Luftstrom auftrifft, wobei der Luftstrom von vorne nach hinten über eine äußere Oberfläche des Bauelements (72, 78, 106, 108, 136) verläuft, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt: Kleben eines wärmeleitenden Bands (2, 76) an die äußere Oberfläche des Bauelements (72, 78, 106, 108, 136), wobei das wärmeleitende Band (2, 76) folgendes umfaßt: einen ersten Bereich, der einen Trennstreifen (80, 122, 142) mit einer Länge bildet, der überspannend entlang der Vorderkante (74, 104, 131) angeordnet ist, einen zweiten Bereich, der überspannend über und hinter dem Trennstreifen (80, 122, 142) angeordnet ist und eine erste Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) bildet, und einen dritten Bereich, der überspannend unter und hinter dem Trennstreifen (80, 122, 142) angeordnet ist und eine zweite Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) bildet, wobei das wärmeleitende Band (2, 76) mindestens zwei Schichten umfaßt, die unter Hitze und Druck aufeinander laminiert sind, wobei die Schichten folgendes umfassen: (i) eine äußere wärmeleitende Schicht (22, 24, 130), die ein elektrischer Isolator ist, und (ii) eine nichtmetallische leitende Schicht (20, 120), die über einen einzelnen Satz von zwei Anschlüssen (40, 212, 214) mit einer Energiequelle (50, 201) verbunden ist, wobei die nichtmetallische Schicht (20, 120) aus einem flexiblen expandierten Graphitfolienblatt (132, 133) mit einer ersten Dicke im Trennstreifen (80, 122, 142), einer zweiten Dicke in der ersten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 123, 143) und eine dritte Dicke in der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (84, 124, 144) besteht, wobei die Dicke des flexiblen Graphitfolienblatts (132, 133) im Trennstreifen (80, 122, 142) größer ist als die Dicke des Folienblatts entweder in der ersten oder der zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 123, 124, 143, 144); Zuführen von Energie zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht (20, 120) über einen ersten Zeitraum, um eine erste Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) am Trennstreifen (80, 122, 142) beizubehalten, die ausreicht, das Gefrieren von auftreffenden Wassertröpfchen zu verhindern und zu gestatten, daß Wassertröpfchen von dem Trennstreifen (80, 122, 142) nach hinten zu der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 123, 124, 143, 144) strömen, wobei die Stromversorgung außerdem im ersten Zeitraum eine zweite Temperatur der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) bei der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 123, 124, 143, 144) aufrechterhält, die bei dem Gefrierpunkt oder darunter liegt, um die Bildung von Eis und einer Eis-Oberfläche-Bindung an der äußeren wärmeleitenden Schicht (22, 130) an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 123, 124, 143, 144) zu gestatten und danach Erhöhen der Stromversorgung zu der flexiblen expandierten Graphitfolienschicht (20, 120) über einen zweiten Zeitraum, wobei die vergrößerte Stromversorgung ausreicht, die Eis-Oberfläche-Bindung an der ersten und/oder zweiten Eisansatz- und -abwurfzone (82, 84, 123, 124, 143, 144) zu schmelzen und den Abwurf von gebildetem Eis in den auftreffenden Luftstrom zu gestatten.
Verfahren nach Anspruch 52, weiterhin umfassend den Schritt des Erfassens des Vorliegens von atmosphärischen Vereisungsbedingungen vor dem Stromzufuhrschritt.
Verfahren nach Anspruch 53, weiterhin umfassend den Schritt des Erfassens des Vorliegens von atmosphärischen Vereisungsbedingungen während des Schritts der Stromzufuhr und des Erhöhens der Stromzufuhr.
Verfahren nach Anspruch 53, weiterhin umfassend den Schritt des Wiederholens des Schritts der Stromzufuhr und des darauffolgenden Schritts des Erhöhens des Stroms, bis atmosphärische Vereisungsbedingungen nicht mehr erfaßt werden.