CN102811907B - 电热式加热垫 - Google Patents

Abstract

提供一种用于飞行器（1）之类的防冰系统的电热式加热垫（3）。加热垫（3）是层叠加热垫并包括电介质层（50-58）、加热元件（501）以及导电接地层（71-74），用以探测加热元件（501）的故障。电介质层（50-58）由热塑性材料制成，且接地层（71-74）通过将诸如铜之类的金属喷镀到其中一个电介质层的热塑性材料之上来形成。

Description

电热式加热垫

技术领域

本发明总地涉及电热式防冰系统，该电热式防冰系统适合于用在飞行器中或者诸如风轮机叶片之类的其它空气动力学结构中，以防止形成冰和/或去除已形成的冰。这两种功能可分别称为防冰和除冰。

背景技术

对于飞行器来说，在飞行过程中，在飞行器的外表面上形成冰是不希望的。冰破坏了在飞行器表面上的空气顺畅流动，增大阻力并且降低机翼执行其预期功能的能力。

此外，冰的产生会阻碍诸如之类可动控制表面的运动。发动机进气口产生的冰会突然大块脱落，并且脱落的大冰块会被吸入发动机而导致损坏。

因此，对于飞行器、尤其是商用飞行器，通常包含防冰系统。商用飞行器可使用一种系统，该系统包括从发动机排放出热空气，然后使热空气通过管道通至诸如机翼前缘和尾部之类易于形成冰的机身部件。最近，已提出了电动的系统，例如EP-A-1,757,519（吉凯恩航空有限公司（GKNAerospace））披露了一种具有机头蒙皮的机翼缝翼，其包含电热式加热毯或加热垫。加热垫粘结于金属防蚀层的后表面，该金属防蚀层包括机头蒙皮的前向外表面。

加热垫具有“Spraymat”（商标名）类型并且是层叠产品，该层叠产品包括电介质层和加热元件，这些电介质层由预浸渍的玻璃纤维布制成，而加热元件通过将金属层火焰喷涂到其中一个电介质层上而形成。“Spraymat”从一开始在1950年由D.纳皮尔父子有限公司（D.Napier&SonsLimited）（参照它们的GB833,675，该文献涉及用于飞行器的电气除冰或防冰设备）开发到随后由吉凯恩航空有限公司使用已经历了很长的历史。

最近一种由吉凯恩航空有限公司生产的用在机翼缝翼中的“Spraymat”在阳模上形成并且包括敷设如下堆叠层：该堆叠层包括（i）在高压釜中进行处理的预浸渍有环氧树脂的大约10层玻璃纤维织物，（ii）导电金属层（加热元件），使用掩模将该导电金属层火焰喷涂到层叠件上，以形成加热元件构型，以及（iii）最后大约3层玻璃纤维织物。将接线焊接于加热元件，以使得加热元件能连接于飞行器的电源系统。然后，在高压釜中对加热垫进行处理。

加热垫通常包含导电接地层来作为安全装置，用以探测加热垫的加热元件的故障。接地层连接于飞行器接地构件以及控制单元。如果加热元件发生故障（例如，烧坏），则电流将经由接地层泄漏至飞行器接地构件，并且控制单元能探测此种电流变化并且采取行动来防止对于加热垫的结构造成热损坏。

目前，将诸如涂有镍的碳织物之类的金属网状物或导电织物用作导电层。

希望提供一种改进的加热垫。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于防冰系统的电热式加热垫，其中：

加热垫是层叠加热垫，并且包括若干电介质层、加热元件以及第一导电接地层；

电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料；以及

第一接地层包括沉积在所述第一电介质层上的喷涂金属。

通过将热塑性材料用作用于接纳第一接地层的基底，可将第一接地层的金属喷涂到电介质层上，而无需复杂或昂贵的喷涂工艺。

与此相反，由于热固性材料无法直接接纳铜，因而不进行将铜火焰喷涂到导电加热垫的热固环氧电介质层上的任何尝试。

因此，本发明并不使用热固性材料，而是使用热塑性材料来作为用于接地层的基底。

在当前的实施例中，所使用的金属是铜或铜合金。优点是较为便宜。使用铜或铜合金在喷涂时还会提供相对均匀的涂层，并且产生具有低电阻的接地层。这还易于在喷涂金属时掩饰复杂形状，并且容易适应于所喷涂的电介质层表面的任何高度变化。

选择具有合适玻璃转变温度和合适热疲劳性能的热塑性材料。

在当前的实施例中，使用高温工程热塑性材料。较佳的材料包括PEEK、PEKK、PPS、PEI或PES或者它们的混合物。这些材料能够承受接地层的火焰喷涂，而不产生显著损坏。尤其优选PEEK和PEKK。

较佳的是，所有的电介质层都包括相同的电介质材料。在电介质层被加热和压在一起时，这优化了电介质层之间的层叠强度，并且降低各层之间界面处的分层风险。

在当前的实施例中，喷涂产生第一接地层，该第一接地层是多孔的并且夹在其中两个电介质层之间，且所述两个电介质层的热塑性材料通过第一接地层层叠在一起。热塑性材料的此种“穿透层”迁移降低接地层处发生分层的风险。

在当前的实施例中，第一接地层的喷涂金属沉积在所述第一电介质层的第一主表面上，并且覆盖至少50％的第一主表面。

覆盖范围可增大至至少60％、70％、80％或90％。覆盖范围的选择取决于加热元件的尺寸和形状，以及使用接地层来在雷击过程中为加热元件和/或从加热元件引向加热器控制单元的连接件的嵌入端部提供屏蔽作用的所希望的程度。

为了改进雷击过程中的屏蔽作用，较佳的是，加热垫还可包括第二导电接地层，也能以与第一接地层类似的方式喷涂该第二导电接地层。为此，电介质层的第二电介质层包括热塑性材料，且第二接地层的金属沉积在所述第二电介质层上。较佳的是，加热元件定位在第一和第二接地层之间，使得以与同轴电缆的中心导体的屏蔽作用类似的方式屏蔽该加热元件。

电热式防冰系统可包括根据本发明的电热式加热垫和连接件，该连接件具有第一端和第二端，该第一端嵌在加热垫中并且电连接于加热垫的加热元件，而第二端远离加热垫延伸并且连接于加热器控制单元。

防冰设备包括外部表层和根据本发明的电热式加热垫，其中该加热垫与外部表层的后表面热接触。

根据本发明的第二方面，提供一种制造电热式加热垫的方法，该方法包括如下步骤：

提供多个电介质层，这些电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料；

将金属火焰喷涂到所述第一电介质层的热塑性材料上，以形成第一导电接地层；

形成包括加热元件和若干电介质层的堆叠，其中加热元件在堆叠中通过至少一个电介质层与第一接地层分开；以及

将堆叠的电介质层层叠在一起。

在当前的实施例中，将铜或铜合金直接火焰喷涂到电介质层的热塑性材料上。

如果还对加热元件进行火焰喷涂，则在任何情形中都需要火焰喷涂设备，用以沉积加热元件的金属。因此，在用于火焰喷涂加热元件的工厂中有专业人员和设备。此外有效的是，利用该专业人员和设备来火焰喷涂加热垫的接地层。如果加热元件包括火焰喷涂的铜且接地层也包括火焰喷涂的铜，这是尤其适用的。

可使用第一掩模来火焰喷涂加热元件，并且可使用第二掩模来火焰喷涂第一接地层。同一火焰喷涂设备可在通过第一掩模喷涂金属与通过第二掩模喷涂金属之间转换。这能够快速地生产加热垫的各部件。

在当前的实施例中，使用火焰喷涂枪在所述第一电介质层上火焰喷涂第一接地层，且该火焰喷涂枪在所述第一电介质层上通行多次，以构建第一接地层的厚度，直到该厚度是0.01mm-0.05mm为止。火焰喷涂枪的通行次数还可用于控制接地层的孔隙度。

附图说明

现将参照附图仅以示例的方式描述本发明的特定实施例，附图中：

图1是在机翼的前缘中具有缝翼的飞行器的示例平面图。

图2是图1所示机翼缝翼的机头蒙皮的示例立体图。

图3是用于生产根据本发明第一实施例的加热垫的组装过程的第一阶段中电介质层的示例立体图。

图4是组装过程的第二阶段中的图3所示电介质层的示例立体图。

图5是组装过程的第三阶段中的图4所示电介质层的示例立体图。

图6是沿图5中剖线所剖取的示例剖视图。

图7是图6中圆圈区域的示例放大图。

图8是用在组装过程中的两个连接件的示例立体图。

图9是在组装图8所示类型的连接件的组装过程第四阶段中的图5所示电介质层的示例立体图。

图10是在组装又一电介质层之后的组装过程第五阶段中的图9所示部分组装加热垫的示例立体图。

图11是在火焰喷涂有铜制接地层之后的组装过程第六阶段中的图10所示部分组装加热垫的示例立体图。

图12是图11中圆圈区域的示例放大剖视图，并且示出接地层和接地层已喷涂在其上的电介质层之间的界面。

图13是在图8所示类型的连接件已连接于接地层之后的组装过程第七阶段中的图11所示部分组装加热垫的示例立体图。

图14是在附加又一电介质层之后的组装过程第八阶段中的图13所示部分组装加热垫的示例立体图。

图15是在附加又一电介质层之后的组装过程第九阶段中的图14所示部分组装加热垫的示例立体图。

图16是在火焰喷涂第二接地层之后的组装过程第十阶段中的图15所示部分组装加热垫的示例立体图。

图17是在附加又一电介质层和图8所示类型的连接件之后的组装过程第十一阶段中的图16所示部分组装加热垫的示例立体图。

图18是在加热垫的组装部件已层叠在一起之后的组装过程第十二阶段中的图17所示加热垫的示例立体图。

图19是示出粘结于防蚀层的图18所示加热垫的示例立体图。

图20是用于生产根据本发明第二实施例的加热垫的替代组装过程的中间阶段的示例立体图。

图21是在替代组装过程的随后阶段中的图20所示部分组装加热垫的示例立体图。

图22是在替代组装过程的随后阶段中的图21所示部分组装加热垫的示例立体图。

图23是在替代组装过程的随后阶段中的图22所示部分组装加热垫的示例立体图。

图24是在替代组装过程的随后阶段中的图23所示部分组装加热垫的示例立体图。

图25是在替代组装过程的随后阶段中的图24所示部分组装加热垫的示例立体图。

图26是在替代组装过程的随后阶段中的图25所示部分组装加热垫的示例立体图。

图27是在加热垫的各部件层叠在一起之后的图26所示加热垫的示例立体图。

图28在组装于防蚀层时本发明第二实施例的图27所示加热垫的示例立体图。

图29是替代区域温度传感器的示例立体图。

图30是在组装到图3所示电介质层之后的图29所示区域温度传感器的示例立体图。

图31是替代连接件的示例立体图。

图32是又一替代连接件的示例立体图。

图33是示出根据本发明的加热垫以及飞行器的电源和控制电子单元之间的连接的示意图。

尽管本发明可有各种修改和替换形式，但在附图中示例性地示出了本发明的若干具体实施例并在这里将对它们进行了详细描述。然而，应理解的是，具体实施例的附图和详细说明并不意图将本发明局限于所披露的具体形式。与此相反，本发明意在涵盖落在由所附权利要求书限定的本发明精神和范围内的所有更改、等同物以及替代。

具体实施方式

图1是具有机翼11的飞行器1的平面图，沿着机翼11的前（向前）缘定位有五个机翼缝翼12。每个机翼缝翼12都包含电热防冰系统。

图2是图1所示机翼缝翼12中一个的可拆卸机头蒙皮13的示例立体图。机头蒙皮13的构造总的与EP-A-1,757,519（GKNAerospace（吉凯恩航空））中的构造相同，EP-A-1,757,519披露了一种机翼缝翼，该机翼缝翼具有包括机头蒙皮的可拆卸向前部段。

机头蒙皮13包括防蚀层14和电动加热器2。

该加热器2包括加热毯或加热垫3以及连接件束4，该连接件束将加热垫3连接于飞行器1的电源和控制电子设备。

防蚀层14大体是矩形的并且具有凸出弯曲的前表面141和凹入弯曲的后表面142。前表面141的顶部1411提供飞行器机翼11的前缘。

加热垫3大体是矩形的并且具有凸出弯曲的前表面31和凹入弯曲的后表面32。凸形前表面31与防蚀层14的后表面142的形状相适应并且粘结于该后表面142。于是，在加热垫3运行时产生的热能通过传导作用通向防蚀层14，从而提供防冰功能。防蚀层14是金属的并且可由铝（常用材料）或钛（较昂贵，但可提供一定的功能和处理益处）。防蚀层14的重要功能是通过吸收并耗散雷电流来保护飞行器免受雷击。

可拆卸机头蒙皮13是便利的，这是由于可从机翼缝翼12的主要部段或后部段中仅仅拆除机头蒙皮，以使得机头蒙皮能在受损时进行维修或更换，或者能够在加热器2上执行维护。

如果发现加热器2已失效，可例如通过拆下或释放诸如螺钉之类的可释放固定装置来从机翼缝翼12的主要部段或后部段拆除机头蒙皮13。然后，可对加热器2进行检查和测试。如果可能的话，在原位对加热器2进行维修。如果不可能的话，从机头蒙皮13的防蚀层14拆除加热垫3，并且将新加热器的加热垫固定于（例如，粘结或胶合至）防蚀层14。然后，机头蒙皮13准备好回复使用。在对旧的机头蒙皮进行维修的同时，可将备用的新机头蒙皮装配于机翼缝翼12，以使飞行器保持飞行条件。

现在将参见图3-19来描述用于生产根据本发明第一实施例的加热垫的组装过程，这些附图以相当示例性的方式示出加热垫的各部件并且示出如何将这些部件组装在一起生产出加热垫，并且示出然后如何将加热垫粘结至防蚀层。

图3-19所示的各部件是相当示例性的。例如，关于图3所示的电介质层50，为了清楚起见而夸大了厚度。此外，为了清楚起见，将电介质层的宽度和长度减小。在一特定的实施例中，电介质层大体是矩形的，并且是具有通常在从0.25m至1m范围的宽度和通常在从1m至4m范围的长度的板。在使用中，板的宽度通常围绕在机翼前缘处翼弦的周围，而板的长度通常沿着机翼的翼展延伸。电介质板（电介质层）通常还具有0.05mm至2mm的厚度。

电介质层50由高温工程热塑性材料或者浸渍有高温工程热塑性材料的强化材料（例如玻璃纤维）制成。

从高温工程热塑性材料的类别中，我们当前使用：PEEK（聚醚醚酮），PEKK（聚醚酮酮），PPS（聚苯硫醚），PEI（聚醚酰亚胺）或PES（聚醚砜）或它们的混合物。

基于对于合适玻璃转变温度和合适热疲劳性能的需求来选择这些材料。PEEK和PEKK是尤其较佳的，这是由于PEEK具有所需的机械性能并且尤其易于接受火焰喷涂金属涂层，而PEKK具有类似的特性，但更易于粘结于金属材料。

加热垫的其它部件（之后进行描述）各自选择成由与电介质层50的材料相同或者兼容的材料制成，从而当在组装过程结束时将各部件层叠在一起时，各部件能融合或熔化在一起使得加热垫成一体。这意味着，加热垫的各层叠部件不会彼此分层。由于离散层之间不存在不连续性，从而在相邻基底层之间的（成形件）界面处不会产生裂缝，并且这改进了加热垫的抗疲劳性。

图3示出了已敷设在电介质基底层50的上部主表面502上的加热元件501的轨道。加热元件501从第一端子503延伸到第二端子504。加热元件501在图3中示作具有简易“C”形。实际上，加热元件501可具有更复杂的形状，例如从第一端子503至第二端子504反复曲折(Z字形)的形状。为了清楚地示出视图，加热元件501在图3中示作具有简易形状。

电介质层50具有四个通孔505，这些通孔从上部主表面502贯穿延伸至下部主表面506（参见图5）。使用掩模来将加热元件501的轨道火焰喷涂到电介质层50的上部主表面502上，使得轨道从第一端子503行进至第二端子504。加热元件501由诸如铜之类的电阻金属或者诸如铜锰合金之类的金属合金制成。火焰喷涂或熔融金属喷涂是可追溯许多年的沿用许久的技术，例如追溯至GB-833,675（D.纳皮尔父子有限公司（D.Napier&SonsLimited）），其涉及对用于飞行器的电除冰或防冰设备的各个金属层进行熔融金属喷涂，并且读者可参考本文通过参见的方式所引入的GB-833,675。执行喷涂，使得加热元件501多孔，且孔隙度取决于喷枪经过的次数以及形成加热元件501的金属涂层的厚度。一种合适的喷枪是由英国中西部达德利的金属喷镀有限公司（MetallisationLimitedofDudley）生产的Mark66E-Man连同其相关的控制设备。

在对加热元件501进行火焰喷涂之前，形成通孔505。每个孔通常具有3.5mm的直径，但直径可在从1mm至6mm的范围，较佳地在2至5mm的范围内，或者在3至4mm的范围。在火焰喷涂过程中，将加热元件501的其中一些材料向下喷涂到第一和第二端子503、504处的两个孔505中。

图4中示出组装过程的下一阶段。掩模用于将区域温度传感器507火焰喷涂到上部主表面502上。因此，温度传感器507存在于与加热元件501相同的基底层上。温度传感器507的轨道从第一端子508延伸到第二端子509。端子508、509中的每个位于相应的通孔505处。在火焰喷涂过程中，将温度传感器507的其中一些材料向下喷涂到端子508、509处的两个孔505中。

区域温度传感器507用作控制回路的一部分，从而为用于加热器2的控制单元提供温度控制和防热损信息。温度传感器507是电阻温度装置（RTD）传感器。火焰喷涂敷设具有合适电阻温度系数的导电金属轨道。尽管具有高电阻温度系数的任何金属都可使用，只要该金属适合于通过火焰喷涂工艺来施加即可，但合适的金属包括镍和镍基合金。导电金属涂层可用于形成从第一端子508至第二端子509的整个温度传感器507。或者，如图4所示，可火焰喷涂具有合适电阻温度系数的导电金属涂层，从而形成位于传感器507的轨道上的两个中间边界5011之间的传感器头部5010。引导件5012从边界5011火焰喷涂至端子508、509，从而将传感器头部5010连接于端子508、509。引导件5012可以是诸如铜之类的导电金属。

图5中示出组装过程的下一阶段。该阶段包括将电介质层50翻转，使得下部主表面506面向上。然后，使用掩模来喷涂导电金属（例如，铜）或合金，以形成围绕通孔505的端子或接触垫5013。在此种火焰喷涂过程中，端子5013的其中一些材料对每个通孔505的孔腔进行涂覆。这在图6中更清楚地示出，图6是沿图5中剖线所剖取的剖视图。加热元件501在图6中示作具有大体柱形突部5014，该柱形突部从主表面502延伸到通孔505中，并且在通孔505内部形成径向外涂层。

端子5013在图6中示作具有大体柱形突部5015，该柱形突部从主表面506延伸到通孔505中，并且形成通孔505的径向内涂层。

在图6中，涂覆材料的柱形突部5015示作使孔505保留具有通孔腔5016。如果端子5013的涂覆厚度及其突部5015足够厚，和/或如果通孔505的直径足够小，则突部5015会堵塞或阻塞通孔505的径向内部，从而形成中心塞件。在这些情形下，在施加两个涂层501、5013之后，不再存在通孔腔5016。

如图6所示，涂覆突部5014的自由端5017延伸超过涂覆突部5015的自由端5018。因此，突部5014与孔505内的突部5015交迭。自由端5017图示为停止在未达到主表面506的位置处，但该自由端可以基本上延伸至主表面506，甚至有时稍稍延伸到主表面506上。例如，如果形成电介质层50的电介质材料板定位在金属喷涂机的工作台上，并且材料板在火焰喷涂过程中振动时会发生此种情形。此种振动会便于产生“贯穿镀覆”效应，其中，经喷涂的金属一直穿过孔505，并且稍稍继续，从而对围绕孔505的远侧表面506进行涂覆。

类似地，端子5013的涂覆突部5015图示为所具有的自由端5018停止在未达主表面502的位置处。火焰喷涂或其它应用工艺能设置成确保自由端5018基本上延伸至主表面502，或者可甚至环绕地延伸到主表面502的与通孔505邻近的一部分上。当然，在这些情形下，加热元件501会置于自由端5018和主表面502之间。

由于自由端5017和自由端5018之间的交迭，因而在主表面502和主表面506之间存在连续导电路径。这适合于使从两个端部经受“喷镀”的每个通孔505形成连续直通连接。

为了实现令人满意的直通连接，有益的是，使电介质层具有在0.05mm至2mm范围内的厚度。

图7是图6所示圆圈区域的放大视图，并且示出形成突部5014、5015的两个涂层之间的交迭部。火焰喷涂产生一涂层，该涂层具有平均直径通常在30-150微米之间的颗粒。此外，每个涂层5014、5015形成微孔导体。在突部5014和突部5015之间的界面处的涂层颗粒紧密接触，从而在加热元件501和端子5013之间形成良好的电连接。

图8示出两个连接件41、42，这两个连接件构成图2所示连接件束4的一部分，并且用于将加热垫3电连接于飞行器1的电源和控制电子单元6（参见图33）。

每个连接件41、42都包括电介质基底层411、421，该电介质基底层是具有连接件为执行其连接功能所需要长度的带。

每个基底层411、421由高温工程热塑性材料制成，该高温工程热塑性材料与加热器2的其它部件、电介质层以及连接件的材料相同或兼容，从而当组装过程结束时，加热器的各部件层叠在一起，且基底层411、421令人满意地扩散到相邻的电介质层和/或连接件中，使得加热器的各部件形成令人满意的一体单元，而无需使用胶合剂来将电介质基底层和连接件连接在一起。

因此，用于电介质基底层411或421的当前较佳材料是PPS、PEI、PEKK以及PES。在这些材料中，我们目前尤其优选PEKK或PEEK。这些材料具体的优良之处在于，确保加热器2的各部件熔化或粘结在一起，以变为一体并且不会分层。

较佳的是，每个基底层411、421由与其它部件相同的热塑性材料制成，因为在将热塑性材料加热至其熔点以上并且将压力施加于经组装部件的堆叠时，这有助于确保经组装部件的堆叠彼此扩散或融合以形成一体单元。

如果每个基底层411、421的材料并不与其它部件的材料相同，而是仅仅与其它部件的材料兼容，则能够通过选择基底层411、421的热塑性来实现此种兼容性，从而在层叠过程中，无需使用粘合剂就可将基底层粘结于堆叠中其它部件的热塑性材料。当将经组装部件的堆叠加热至其中一个抵接材料的熔点之上时，通过使一种热塑性材料（例如，PEEK）熔化到而不扩散到另一种热塑性材料（例如，PEKK）中来将此种不同但兼容的材料在每个界面处彼此粘结。

在切割电介质材料板来形成条状基底层411、421之后，使用掩模来将导电金属（例如，铜）或金属合金火焰喷涂到主表面412、422上，从而敷设动力或信号轨道。在连接件41的情形中，动力轨道413沿电介质带411的纵向方向敷设，并且终止在连接件41的端部415处的端子414中。

在连接件42的情形中，使用火焰喷涂来敷设两个大体平行的信号轨道423，并且每个信号轨道终止在连接件42的端部425处的端子424中。

轨道413、423中每个的另一端可以以任何合适的方式终止，用以连接于电源和控制电子单元6。

图9示出组装过程的下一阶段。在这一阶段，图5所示的电介质层50组装有两个连接件41个和单个连接件42。如图9所示，这三个连接件41、42定位成使得它们的端子414、424面向下朝向电介质层50的端子5013。然后，端子414、424熔焊或软钎焊至端子5013。

于是，这两个连接件41连接于加热元件501的端部，使得加热元件501能经由连接件41而由电源和控制电子单元6供电。温度传感器507的端部经由连接件42连接于电源和控制电子单元6。

图10示出组装过程的下一阶段。图9所示的部分组装加热垫具有又一电介质层51，该又一电介质层51定位在电介质层50的主表面506上。电介质层50、51由相同的材料制成，例如PEEK或PEKK。虽然在图10中，电介质层51并不覆盖连接件41、42的端部415、425，但是该电介质层能设置成覆盖这些端部，使得电介质层51大体具有与电介质层50相同的尺寸和形状。在组装过程结尾的层叠过程中，电介质材料在端部415、425处的增大厚度会由于层叠过程中施加的热量和压力而至少部分地扩散或散开。此外，在完成的加热垫3中，如果由于电介质材料存在增大厚度使得完工产品（层叠产品）在某些位置一定程度上局部略厚，并没有关系。

图11中示出组装过程的下一阶段。在这一阶段，将接地层71火焰喷涂到图10所示部分组装加热垫的电介质层51的上部主表面511上。接地层包括火焰喷涂的铜或铜合金，并且通常是0.05mm厚，但厚度可在从0.01mm至0.5mm的范围或者在从0.03mm至0.2mm的范围。可根据需要的导电性来选择实际厚度。

接地层71的目的是探测由加热元件501中加热器故障而产生的故障电流。例如，故障可以是诸如加热器烧坏之类的损坏。接地层71连接于飞行器接地构件143（参见图19）以及电源和控制电子单元6，使得控制电子单元6在故障发生时探测电流变化。

图12是图11中圆圈区域的放大剖视图，并且示出接地层71和接地层已喷涂在其上的电介质层51之间的界面。接地层71的颗粒是微多孔的，从而在层叠过程的加热和加压过程中，相邻电介质层的热塑性材料会穿过或迁移通过接地层，作为赋予加热垫3一体结构的部分。此种迁移通过箭头711来指示，该箭头711示出接地层71的颗粒712之间的迁移路径。注意到，在图12中，为了清楚起见，仅仅标出其中一些颗粒712。颗粒712在喷涂作用下随机定位并且具有随机尺寸范围，其中平均直径通常在30-150μm的范围。

图13中示出组装过程的下一阶段。

在这一阶段，与连接件41相同的连接件43电连接于图11所示部分组装加热垫的接地层71。该连接件43在其底面上具有轨道433，该轨道终止在端子处，而该端子熔焊或软钎焊于接地层71。于是，接地层71经由连接件43电连接于电源和控制电子单元6。

图14中示出组装过程的下一阶段。电介质层52敷设在图13所示部分组装加热垫的接地层71的顶部。电介质层52由与电介质层50、51相同的材料制成。该电介质层52示作在连接件43的区域中具有切口。然而，电介质层52可以具有与电介质层50相同的尺寸和形状，从而该电介质层会覆盖连接件43的端部435。

图15中示出组装过程的下一阶段。将图14所示的部分组装加热垫倒置，并且将又一电介质层53定位在电介质层50的主表面502上。电介质层53具有与电介质层50相同的尺寸和形状，并且由与其它电介质层50、51和52相同的材料制成。在图15中，可观察到连接件41的轨道413、连接件42的轨道423以及连接件43的轨道433。

图16中示出组装过程的下一阶段。在这一阶段，图15所示的部分组装加热垫具有第二接地层72，该第二接地层72火焰喷涂到电介质层53的暴露的主表面531上。第二接地层72的特性与第一接地层71的特性相同。具体地说，接地层71、72较佳地应是火焰喷涂的铜。

图17中示出组装过程的下一阶段。在这一阶段，又一电介质层54定位在图16所示部分组装加热垫的接地层72的顶部。电介质层54由与其它电介质层50、51、52、53相同的材料制成。连接件44大体与连接件41相同，并且在图17中的下表面上具有轨道，该轨道引向连接件44的端部445处的端子。连接件44的该端子通过熔焊或软钎焊而电连接于第二接地层72，从而在接地层72以及电源和控制电子单元6之间建立电连接件。

总而言之，连接件41、42、43、44包括在图2中示例性示出的连接件束4。

在图17中，电介质层54示作在连接件44的端部445周围具有切口。电介质层54可替代地省略缺口，使得该电介质层54具有与下置电介质层53相同的矩形形状和尺寸。这意味着电介质层54会覆盖连接件44的端部445。这会致使在层叠之后、加热垫在端部445附近的厚度略有局部增大。

在叠置电介质层的过程中，强化材料可包括在加热垫的各部件的堆叠中。强化材料可以是纤维质的，强化材料的示例包括玻璃纤维，例如作为单向带或者织造纤维，且该强化材料在层叠过程中会渗透到相邻的热塑性电介质层。任何强化需要是不导电的，从而保持由电介质层所提供的绝缘作用。此外，应将强化材料选择得尽可能薄。

在图17中，加热垫3的所有部件都就位来准备好层叠在一起。在图18中示例性地示出层叠过程。将热量和压力施加于部件的堆叠，以使层叠件坚固成一体结构。结果是电介质层和连接件的嵌入端部彼此扩散，且电介质层和连接件的端部融合或熔化在一起而成一体，并且电介质层和连接件的嵌入端部都由相同或兼容的工程热塑性材料制成。于是，各电介质层和连接件的各端部不会由于在界面处存在不连续性而分层，此种不连续性由于不兼容并且不与相邻热塑性材料融合的热塑性材料所导致。在层叠过程中，连接件的嵌入端部有效地变为加热垫的一部分。

可使用传统的高压釜、热压机或者大型层压机来执行层叠。此种机器可用于在施加压力的同时将各部件的堆叠加热至热塑性材料的熔点以上，以坚固层叠件。

如果强化材料存在于各部件的堆叠中，则层叠过程的压力将强化材料压到相邻层的热塑性材料中，以形成强化热塑性层叠件。如果强化材料是织造纤维，则应采取措施来确保在编织和精整过程中施加于该织造纤维的处理与在400°C量级上的层叠温度兼容。

层叠过程意图最小化或消除所得到层叠件中的不连续性。呈具有连接件束4的嵌入端部的加热垫3形式的完工产品具有一体结构，该一体结构在加热使能够经受大体均匀的膨胀。这减小加热垫3上的热机械应力。一个重要的考虑是，热机械应力大于加热垫3在安装于飞行器1中时经受的空气动力学应力。

在传统的层叠产品中，使用胶合剂，而胶合剂是在层叠件的相邻层之间界面处的弱点。在电介质层在层叠件中胶合在一起的传统加热器中，胶合界面是疲劳载荷下会发生分层的位置。

如图18所示的本发明第一实施例的加热垫的优点是不含胶合剂。确切地说，不使用胶合剂来将电介质层和连接件的嵌入端部层叠在一起。

图19示出如何将加热垫13向上提供给防蚀层14的后表面142。使用合适的粘合剂来将加热垫3的前表面31胶合或粘结于防蚀层14的后表面142。为了便于说明，在图19中，加热垫3和防蚀层14示作是平坦的。在如图2所示的实际代表性安装中，前表面31凸出弯曲，而后表面142相对应地凹入弯曲。加热垫3类似于一较大板，该板相对于其厚度相当长且宽，因此加热垫3是挠性的并且可易于弯曲来适应防蚀层14的后表面142的形状。

当将加热垫3安装在防蚀层14的后面之后，并且当机头蒙面13装配到飞行器1上时，连接件41、42、43和44（共同地形成连接件束4）可连接于飞行器1的电源和控制电子单元6。因此，加热器3现在准备好使用。

在参见图3-19的上述加热垫的第一实施例中，加热垫包含两个接地层（接地层71和接地层72）。当飞行器1受到防蚀层14上的雷击时，极短时间内的极大直流电（例如，200000安培）通过防蚀层14耗散至飞行器接地构件143。在雷击过程中在防蚀层中流动的极大电流会由于电磁耦合而在任何下置平行导体中感应出电流。这些平行导体包括加热元件501和温度传感器507。如果加热元件501和温度传感器507并未适当地屏蔽电磁耦合，则在该加热元件和温度传感器中感应出的电流会在1000安培的量级上，且该电流会沿着连接件束4通向电源和控制电子单元6。结果是会在电源和控制电子单元6中产生电流浪涌，而电源和控制电子单元仅仅设计成应付10安培量级上的电流。由于电流浪涌会损坏单元6内部的电子器件，因而电流浪涌会是不希望的。

对于具有单个接地层的传统加热垫来说，在接地层中会感应出一些电流，且这些电流会通向飞行器接地构件。

在参见图3-19的本发明第一实施例的加热垫3中，该加热垫3包含两个接地层71和72。这些接地层71、72定位在加热元件501和温度传感器507的上方和下方，使得加热元件501和温度传感器507由两个接地层71、72“电磁屏蔽”。此种屏蔽相当类似于线缆中的同轴屏蔽概念。

接地层通常具有低电阻。由于两个接地层夹有易损加热元件、温度传感器507以及连接件束4的连接于加热元件501和温度传感器507的嵌入端部，因而这两个接地层屏蔽这些部件，且在雷击过程中感应出的电流较佳地在两个接地层71、72中感应出并且通向飞行器接地构件143。在加热元件501、温度传感器507以及从加热元件501和温度传感器507引出的连接件束的嵌入端部中感应出锐减电流，由此降低使电源和控制电子单元6中电子仪器损坏的风险。

现在在一替代构建过程中进行描述。确切地说，图20-28示出用于生产根据本发明第二实施例的加热垫的替代组装过程的相关方面。图20-28仅仅示出构建过程中与参照本发明第一实施例的图3-19中示出的各方面不同的那些方面。

因此，在图20中，第二实施例采用第一实施例中图4所示的电介质层50并且将其倒置，然后将接地层73火焰喷涂到电介质层50的主表面506上，使得接地层73具有与接地层71相同的特性。

然后，在第二实施例的此种替代组装过程的下一阶段，将电介质层55定位在接地层73的顶部（参见图21）。电介质层55由与电介质层50相同的材料制成。连接件45（与第一实施例的连接件43相对应）电连接于接地层73。虽然该电介质层55在连接件45的端部455周围具有切口，但可省略该切口且电介质层55可具有与电介质层50相同的尺寸和形状，使得电介质层55覆盖端部455。

图22中示出第二实施例的组装过程的下一阶段。电介质层50的通孔505延伸通过接地层73和电介质层55。然后，将端子或接触垫5513火焰喷涂到电介质层55的上部主表面552上，且第二实施例的端子5513具有与第一实施例的端子5013相同的特性。

图23中示出组装过程的下一阶段。在该阶段，图22所示的部分组装加热垫具有又一电介质层56，该又一电介质层56定位在电介质层55的顶部。两个连接件46（与第一实施例的两个连接件41相对应）和连接件47（与第一实施例的连接件42相对应）使它们的端部465、475与端子5513电接触。将第二接地层74火焰喷涂到电介质层56上，且该第二接地层74具有与第一实施例的第二接地层72相对应的特性。在图23中，电介质层56并不覆盖连接件46、47的端部465、475。该电介质层替代地可设置成覆盖端部465、475，并且这会在完工产品（第二实施例的层叠加热垫）中使加热垫局部略微增大厚度。

图24中示出第二实施例的组装过程的下一阶段。将电介质层57定位在第二接地层74的顶部。连接件48（与第一实施例的连接件44相对应）具有电连接于第二接地层74的端部485。该电介质层57示作在端部485周围具有切口。可省略该切口，且电介质层57可在端部485上延伸。

图25中示出组装过程的下一阶段。使又一电介质层58与电介质层50的主表面502接触，使得该又一电介质层覆盖加热元件501和区域温度传感器507。结果示于图26中。在图26中，加热垫3的所有部件以及连接件45、46、47、48的嵌入端部都就位并准备好层叠在一起。

将热量和压力施加于图26所示的部件堆叠，以产生图27所示的加热垫3的一体层叠件。所有的电介质层50、55、56、57、58都由相同的或兼容的高温工程热塑性材料（根据第一实施例中的材料），且由此在层叠过程中熔化在一起。在需要的情形下，热塑性材料流过多孔接地层73、74，并且流过多孔加热元件501和多孔温度传感器507。由于热塑性材料在图26所示堆叠部件之间界面处融合或熔化在一起，因而界面基本上消失，由此在完工产品（第二实施例的加热垫3）中实际上并不存在界面中断。中断是不希望的，因为它们成为出现裂纹开裂的部位，而这些部位是具有潜在的结构或疲劳缺点的部位。从完工产品（层叠加热垫3）中基本上消除中断会生产出更耐用的加热垫。

然后，如图28所示，第二实施例（图27）的加热垫使其前表面31粘合地粘结于防蚀层14的后表面142。

连接件45、46、47、48共同形成连接件束4，该连接件束用于将加热垫3电连接于电源和控制电子单元6。

在该第二实施例中，两个接地层（接地层73、74）相对于加热元件501和温度传感器507具有与第一实施例的两个接地层（接地层71、72）相比不同的位置。

在该第二实施例中，加热元件501和温度传感器507并不夹在两个接地层73、74之间。反而，这两个接地层73、74定位在加热元件501和温度传感器507远离防蚀层14的一侧上。换言之，加热元件501和温度传感器507夹在（i）防蚀层14和（ii）两个接地层73、74之间。与仅仅具有单个接地层的加热器相比，第二实施例的两个接地层73、74提供对于雷击的改进防护，以免雷击在加热元件501、温度传感器507以及从加热元件501和温度传感器507引出的连接件束4的嵌入端部中感应出过大电流。然而，此种防护没有第一实施例的两个接地层的构造所提供的防护有效，这是由于在第一实施例中，两个接地层71、72夹有加热元件501和温度传感器507，由此为加热元件501和温度传感器507提供一种类型的“同轴屏蔽”。

图29和30示出替代区域温度传感器。在图29中，区域温度传感器507定位在与电介质层50分开的载体5019上。载体5019具有比电介质层50小的宽度和长度，但较佳地由与电介质层50相同的高温工程热塑性材料制成。替代地但非那么期望，载体5019由与加热垫3的电介质层50和其它部件兼容的高温工程热塑性材料制成，并且在层叠过程中，该载体会与加热垫3的该电介质层和其它部件熔合。用于载体5019的当前较佳材料包括PPS、PEI、PEKK、PEEK以及PES。在这些材料中，PEKK和PEEK是尤其较佳的。

图29还示出温度传感器507如何可选地部分封装在封装层5020内，该封装层5020由与载体5019相同的材料制成。在图29的点划线中示出封装层5020。当封装层5020定位在载体5019上时，该封装层5020覆盖传感器头部5010的所有部分和引导件5012的相邻第一部分。

将区域温度传感器507火焰喷涂到载体5019的上部主表面50191上。温度传感器507的火焰喷涂致使温度传感器的第一和第二端子508、509定位在载体层5019的通孔5021周围。

然后，如图30所示，载体5019定位在图3所示的电介质层50上。此种定位使得载体5019的通孔5021与电介质层50的相关通孔505对准。

用于生产加热垫的制造过程的其它方面与参见图3-19所描述的第一实施例或者参见图20-28所描述的第二实施例相同。

图31是示出作为图8所示连接件41的变型的连接件49。

关于连接件49，该连接件49使用与图8所示连接件41相同的电介质基底层411、主表面412、动力轨道413、端子414以及端部415。不同之处在于，图31所示的连接件49附加地包括封装层491，该封装层由与电介质基底层411相同或兼容的高温工程热塑性材料制成。封装层491停止在主表面412的位置492处，留下暴露的端子414和动力轨道413的相邻较短长度。连接件49可用于更换第一实施例的连接件41、43和44或者第二实施例的连接件45、46和48。选择连接件49的位置492，使得封装层491的端部493平接于但并不进入加热垫3的层叠部件。

当生产连接件49时，将热量和压力施加于各层411、491，使得各层融合或熔化在一起以形成层叠结构。

然而，由于封装层491并不渗入加热垫3的层叠部件，可将封装层491的材料改变成例如喷涂的防护膜。由于封装层491的材料不会渗入形成加热垫3的部件堆叠，因而喷涂膜的材料性质尤其不会对加热垫3的各部件层叠在一起造成影响。

图32示出又一替代连接件41A，该连接件大体与图8所示的连接件41相同，除了金属（例如，铜）塞件416附连（例如，通过熔焊或软钎焊）于图8所示的端子414，由此产生作为图8所示连接件41变型的连接件41A。塞件416在图32中示作具有圆形基部4161和圆形上部4162，该圆形上部具有比基部4162小的直径。将上部4162的直径较佳地设定为与图3所示孔505的直径相同。因此，在图9所示的变型中，当连接件41A更换连接件41时，塞件416的上部4162将突入并便利地嵌套在电介质层50的相对应通孔505内部。

图33是加热垫3以及电源和控制电子单元6之间的连接的示意图。

本发明的加热垫可包含在飞行器中在飞行过程中易于形成冰的任何（例如，前向）表面中。例如，作为将加热垫包含在机翼前缘中的替代包括将该加热垫包含在安定翼或尾翼的前缘中，或者包含在发动机的进气口处，或者包含在尾翼襟翼中以防止在襟翼展开时在襟翼上形成冰，或者包含在副翼中。

在上述第一和第二实施例中，在将加热垫3附连于防蚀层14之前，独立地组装该加热垫，然后层叠该加热垫。替代方案是从防蚀层14开始，然后将加热垫的各部件以及连接件按序堆叠在防蚀层上。第一部件能粘结于防蚀层。然后，当各部件的完整堆叠已组装到第一部件上时，可将热量和压力施加于各部件和防蚀层，从而将加热垫的各部件以及连接件在防蚀层上就地层叠在一起。

已描述了用于防冰系统的电热式加热垫3的第一和第二实施例，其中：加热垫3是层叠加热垫并且包括电介质层50-58、加热元件501和第一导电接地层71-74；电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料；以及第一接地层71-74包括沉积在所述第一电介质层50、51、53、56上的喷涂金属。

还描述了一种制造加热垫3的第一和第二实施例的方法，包括如下步骤：提供多个电介质层50-58，这些电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料；将金属火焰喷涂到所述第一电介质层50、51、53、56的热塑性材料上，以形成第一导电接地层71-74；形成包括电介质层50-58和加热元件501的堆叠，其中加热元件501在堆叠中通过电介质层50、51、53、55、56中的至少一个与第一接地层71-74分开；以及将堆叠的电介质层50-58层叠在一起。

Claims (24)

1.一种用于防冰系统的电热式加热垫，其中：

所述加热垫是层叠加热垫，并且包括若干电介质层、加热元件以及第一导电接地层；

所述电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料；以及

所述第一接地层包括沉积在所述第一电介质层上的喷涂金属。

2.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述金属是铜或铜合金。

3.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述热塑性材料包括PEEK、PEKK、PPS、PEI或PES或者它们的混合物。

4.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述热塑性材料包括PEEK、PEKK或者它们的混合物。

5.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，每个电介质层都包括所述热塑性材料。

6.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述第一接地层是多孔的并且夹在其中两个电介质层之间，且所述两个电介质层的热塑性材料通过所述第一接地层层叠在一起。

7.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述第一接地层的喷涂金属包括具有30μm-150μm的平均直径的颗粒。

8.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述第一接地层的喷涂金属具有0.01mm-0.5mm的厚度。

9.如权利要求1所述的电热式加热垫，其特征在于，所述第一接地层的喷涂金属沉积在所述第一电介质层的第一主表面上，并且覆盖至少50％的第一主表面。

10.如前述权利要求中任一项所述的电热式加热垫，其特征在于，还包括第二导电接地层，所述电介质层的第二电介质层包括热塑性材料，且所述第二接地层包括沉积在所述第二电介质层上的喷涂金属。

11.如权利要求10所述的电热式加热垫，其特征在于，所述加热元件定位在所述第一和第二接地层之间。

12.一种电热式加热器，所述电热式加热器包括如前述权利要求中任一项所述的电热式加热垫以及至少一个连接件，所述连接件具有第一端和第二端，所述第一端嵌在所述层叠加热垫中并且电连接于所述加热元件，而所述第二端远离所述加热垫延伸，用以连接于加热器控制单元。

13.一种电热式防冰系统，所述电热式防冰系统包括如权利要求12所述的电热式加热器以及加热器控制单元，且所述连接件或每个连接件的第二端连接于所述加热器控制单元。

14.一种防冰设备，所述防冰设备包括外部表层和如权利要求12所述的电热式加热器，其中所述加热垫与所述外部表层的后表面热接触。

15.一种机头蒙皮，所述机头蒙皮包括防蚀层和如权利要求12所述的电热式加热器，其中所述加热垫粘结于所述防蚀层的后表面。

16.一种机翼缝翼，所述机翼缝翼包括后部段和前部段，所述前部段包括如权利要求15所述的机头蒙皮。

17.如权利要求16所述的机翼缝翼，其特征在于，所述机头蒙皮可从所述后部段拆卸。

18.一种制造电热式加热垫的方法，包括如下步骤：

提供多个电介质层，所述多个电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料；

将金属火焰喷涂到所述第一电介质层的热塑性材料上，以形成第一导电接地层；

形成包括所述电介质层和加热元件的堆叠，其中所述加热元件在所述堆叠中通过至少一个电介质层与所述第一接地层分开；以及

将所述堆叠的电介质层层叠在一起。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，使用火焰喷涂枪在所述第一电介质层上火焰喷涂所述第一接地层，且所述火焰喷涂枪在所述第一电介质层上通行多次，以构件所述第一接地层的厚度，直到所述厚度是0.01mm-0.05mm为止。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在火焰喷涂过程中使用掩模，以赋予所述第一接地层与掩模形状相对应的预定形状。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述堆叠中，夹有所述第一接地层的两个电介质层都由热塑性材料制成，并且在层叠过程中，所述热塑性材料流入所述第一接地层的小孔，以使夹有所述第一接地层的电介质层成一体。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，火焰喷涂的金属是铜或铜合金。

23.如权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述热塑性材料包括PEEK、PEKK、PPS、PEI或PES或者它们的混合物。

24.如权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述热塑性材料包括PEEK、PEKK或者它们的混合物。