CN104952700B - 峰值温度衰减膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传热系统，所述传热系统包括衬底，和与所述衬底在界面处物理接触和热接触的薄膜涂层。所述衬底被配置来透射热波，并且具有第一蓄热系数和第一厚度。所述薄膜涂层具有小于所述第一蓄热系数的第二蓄热系数，和小于所述第一厚度的第二厚度。

Description

峰值温度衰减膜

技术领域

本发明总体上涉及固态热量管理，并且更具体地涉及脉冲电热防冰保护系统。

用于飞机的防冰保护系统包括分别去除和防止冰累积的除冰和防冰系统。许多防冰保护系统依赖于直接或连续和/或间歇电阻加热。一些较新系统使用具有快速放电电容器的脉冲功率加热。比起传统防冰保护系统，脉冲功率系统在更高峰值温度下操作，并相应地更具功率效率，从而节省相当多的能量。脉冲功率防冰保护系统通过电容器组积聚能量，所述电容器组短暂并快速地放电至电热元件(例如，电阻加热器)中。此外，来自脉冲功率防冰保护系统的热脉冲趋于去除大块冰层，从而避免或减少传统系统中常见的回冰(icerun-back)(即融水再冻结)。虽然传统电热融化系统适于许多应用，但是脉冲功率防冰保护系统提供提高功率效率。

如上所述，脉冲功率系统通常使用电容器或电容器组来存储短暂高强度热脉冲的能量。在电容器放电期间流过电容器电极和并行接触层的瞬时电流因体电阻导致电阻加热。在电容器放电期间，高的峰值温度可能导致永久性的电容损失。因此，电容器在瞬时放电期间的自加热可为确定电容器和使用电容器的防冰保护系统的零件寿命的显著限制因素。

发明内容

在一个实施方案中，本发明涉及一种包括衬底和薄膜涂层的传热系统。衬底和薄膜涂层在界面处物理接触和热接触。衬底被配置来透射热波，并且具有第一蓄热系数(effusivity)和第一厚度。薄膜涂层具有小于第一蓄热系数的第二蓄热系数，和小于第一厚度的第二厚度。

在另一个实施方案中，本发明涉及一种减小导电衬底中因瞬时热波造成的峰值温度的方法。所述方法包括施加薄膜涂层使其在界面处与电极接触，以使得瞬时热波在界面上的反射相消性地干扰瞬时热波。

附图说明

图1是防冰保护系统的示意性方框图。

图2是图1的防冰保护系统的电容器电极的一个实施方案的简化特写视图。

图3是图1的防冰保护系统的电容器电极的另一个实施方案的简化特写视图。

虽然以上所标识的附图阐明本公开的实施方案，但也预期其它实施方案，如论述中提及。在所有情况下，本公开代表性地而非限制性地展示本发明。应当了解，本领域的技术人员可以设计出许多其它修改和实施方案，它们都落在本发明的原理的范围和精神内。附图可以不按比例绘制，并且本发明的应用和实施方案可包括附图中未具体示出的特征和部件。

具体实施方式

在包括防冰保护系统的许多应用中，暴露于因内部瞬时热波造成的高峰值温度下的电容器可以经历因过热造成的退化。为了防止过热并且防止导致零件寿命损失，本发明利用减小峰值温度的薄膜导电涂层来涂布电容器电极，如在下文详细描述。

图1是防冰保护系统10的示意性方框图，所述防冰保护系统10包括脉冲功率加热电路12、受热部件14、脉冲发生器16以及电阻加热器18。脉冲发生器16包括电容器20、开关22、电源24以及控制器26。脉冲功率加热电路12加热部件14，从而融化冰或避免冰积累。防冰保护系统10可为例如飞机基于脉冲功率加热的防冰或除冰系统，其中部件14是发动机或机翼部件。脉冲功率加热电路12是设置成利用来自脉冲发生器16的短暂强烈脉冲周期性地为电阻加热器18供电的电路，从而产生适于有效融化冰的(正如在防冰应用中)以及去除冰的(正如在除冰应用中)高峰值温度热波。

脉冲发生器16是脉冲功率加热电路12的子模块，其设置成形成用于为电阻加热器18供电的窄宽度高强度电脉冲。电阻加热器18可为任何适当的热电加热器。脉冲功率加热电路12的一些实施方案可以包括多个脉冲发生器14和/或电阻加热器16。电容器20是快速放电电容器、电容器组、或类似结构，其在开关22闭合时通过电阻加热器18在几毫秒内放电，并在开关22断开时通过电源24充电。电容器20的放电导致电阻加热器18产生强烈、持续时间短的热脉冲(例如，持续时间～2秒)。控制器26控制开关22和电源24，从而确定脉冲发生器16启动的频繁程度，并且避免断开期间不必要的功率消耗。

脉冲发生器16在开关22闭合启动，从而造成电容器20快速放电。在其放电期间，电容器20经历流过电容器电极和并行接触层的较大瞬时电流，所述较大瞬时电流产生大量电阻加热。为了延长电容器20和防冰保护系统10的寿命，电容器20被配备有用于峰值温度衰减的薄导电膜，如在下文就图2所述。

图2和图3是防冰保护系统10的电容器20的实施方案的简化特写横截面图，图中示出电极层100、薄膜涂层102以及电介质层104。电极层100在界面106处与薄膜涂层102相接。图2示出电容器20a，即，其中单个薄膜涂层102邻接电极层100的电容器20的一个实施方案。图3示出电容器20b，即，其中电极层100夹在薄膜涂层102之间的电容器20的一个实施方案。图2和图3仅仅示出电容器20的一个区段，电容器20可具有夹在电极之间的许多重复电介质层。通常，电容器20可包括薄膜涂层102、电极100以及电介质层104的许多重复层。图2和图3未按比例绘制。

电极层100是由电导体、例如铜、镍、铝、钛或它们的合金形成的衬底。电极层100是在开关22闭合时充电并在开关22闭合放电的电容器108的电容器电极(参见图1)。由于在放电和充电期间体电阻造成的欧姆加热，电极层100还产生并透射初始热波Q_初始。虽然本文中的论述主要着重于减小因电容器20快速放电造成的加热而产生的峰值温度，但是充电也会造成过热，由此限制零件寿命。电极层100具有衬底厚度T_s，和衬底热蓄热系数ε_s，其中：

ε_s＝(C_p*ρ_p*κ_p)^1/2 [等式1]

其中C_p、ρ_p和κ_p分别是衬底的比热、密度以及热传导率)。

薄膜涂层102是在界面106处与电极层100物理接触和热接触的导电层。薄膜涂层102使得电极100内的热波变平或衰减，从而减小电容器20中的峰值温度，同时节约能量。薄膜涂层102在界面106处与电极层100紧密结合，例如通过无污染或污染可忽略的分子键合。薄膜涂层102可例如通过物理气相沉积(PVD)或包括利用纳米金属油墨光学来烧结在导电衬底上的等效过程沉积在电极层100上。薄膜涂层102可由例如铜、银和/或镍形成。薄膜涂层102具有薄膜厚度T_f和薄膜热蓄热系数ε_f。

薄膜厚度T_f比衬底厚度T_s小得多，以便呈现电极100的体欧姆电阻的尽可能小的变化。在一些实施方案中，衬底厚度T_s可例如比薄膜厚度T_f大400倍以上。在其它实施方案中，衬底厚度T_s可例如比薄膜厚度T_f大1000倍以上。本领域的技术人员应当了解，衬底厚度T_s和薄膜厚度T_f就具体应用适当调整，但是T_s和T_f的最佳值取决于初始热波Q_初始的热波长和扩散长度。通常，薄膜厚度T_f可以大约为初始热波Q_初始的热波长。

薄膜蓄热系数ε_f小于衬底蓄热系数ε_s。界面106处的电极层100与薄膜涂层102之间的蓄热系数的差异导致来自电极层100的初始热波Q_初始的一部分作为反射热波Q_反射来反射，同时其余部分作为透射热波Q_透射来透射至薄膜涂层102。通常，薄膜蓄热系数ε_f与衬底蓄热系数ε_s之间的差异越大，热波反射程度越大。在一些实施方案中，衬底蓄热系数ε_s可为薄膜蓄热系数ε_f的至少两倍。因为ε_f<ε_s，所以反射热波Q_反射相消性地干扰初始热波Q_初始，从而产生描述电极层100中的总体热量传播的平化所得热波Q_净＝Q_初始+Q_反射。Q_净比Q_净更平，具有产生减小的峰值温度的较低、较宽的峰。通过减小电容器20的峰值温度，薄膜涂层102有助于限制主要由于电容器20中的电介质退化造成的电容损失，从而增加脉冲功率加热电路12的零件寿命。

如分别在图2和图3中示出，电容器20a和20b是基本上相同的，不同之处仅仅在于电容器20b在每个电极层100的任一侧包括薄膜涂层102。电容器20a和20b类似地操作，但是引入另外薄膜涂层允许更大温度控制。在图2的实施方案中，电容器20a包括电极层100、薄膜涂层102以及电介质层104以ABCABCABC图案重复的重复层。在图3的实施方案中，电容器20b包括薄膜涂层102、电极层100、薄膜涂层102以及电介质层104以ABACABACABAC图案重复的重复层。

虽然本发明是参照防冰保护系统10的电容器20来描述，但是本领域的技术人员将认识到，薄膜涂层102可有利地施加至由于瞬时热波而有过热风险的任何导电衬底，并且不仅仅是电容器部件如电极层100。通过使得电极层100或有类似风险的衬底内的热波峰加宽，薄膜涂层102减小峰值振幅并相应地通过避免过热所造成的损坏或劣化来增加零件寿命。

可能实施方案的讨论

以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。

一种峰值温度衰减系统包括：衬底，所述衬底被配置来透射热波，所述衬底具有第一蓄热系数和第一厚度；以及薄膜涂层，所述薄膜涂层在界面处与衬底物理接触和热接触，所述薄膜涂层具有小于第一蓄热系数的第二蓄热系数，和小于第一厚度的第二厚度。

另外和/或可替代地，前述段落的峰值温度衰减系统可选地包括以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中衬底被配置来产生热波。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中衬底是电容器的电极。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中电容器被配置来放电以向防冰保护系统的电阻加热器供电。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中第二厚度大约为热波的热波长。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中第一厚度是第二厚度的至少400倍。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中衬底和薄膜涂层通过基本上无污染的分子键合来在界面处键合。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中衬底是由选自包括以下项的组的材料形成：铜、镍、铝、钛，和铜、镍、铝、钛的合金，以及它们的组合。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中薄膜涂层是由导电材料形成。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中导电材料选自包括铜、银以及镍的组。

前述峰值温度衰减系统的另一个实施方案，其中第一蓄热系数是第二蓄热系数的至少两倍。

一种减小导电衬底中因瞬时热波造成的峰值温度的方法，所述方法包括施加薄膜涂层使其在界面处与电极接触，以使得瞬时热波在界面上的反射相消性地干扰瞬时热波。

另外和/或可替代地，前述段落的方法可选地包括以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：

前述方法的另一个实施方案，其中施加薄膜涂层包括通过物理气相沉积来沉积涂层。

前述方法的另一个实施方案，其中薄膜涂层具有大约为于瞬时热波的热波长的厚度。

前述方法的另一个实施方案，其中薄膜涂层具有小于导电衬底的蓄热系数的蓄热系数。

虽然已经参照示例性实施方案来描述本发明，但是本领域的技术人员应当了解，在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且可用等效物取代其要素。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改来使具体的情况或材料适应本发明的教义。因此，旨在使得本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (11)

1.一种峰值温度衰减系统，所述峰值温度衰减系统包括：

衬底，所述衬底被配置来透射热波，所述衬底具有第一蓄热系数和第一厚度；以及

薄膜涂层，所述薄膜涂层与所述衬底在界面处物理接触和热接触，所述薄膜涂层具有小于所述第一蓄热系数的第二蓄热系数，和小于所述第一厚度的第二厚度。

2.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述衬底被配置来通过自加热而产生所述热波。

3.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述衬底是电容器的电极。

4.如权利要求3所述的峰值温度衰减系统，其中所述电容器被配置来放电以向防冰保护系统的电阻加热器供电。

5.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述第二厚度大约为所述热波的热波长。

6.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述第一厚度是所述第二厚度的至少400倍。

7.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述衬底和所述薄膜涂层通过基本上无污染的分子键合来在所述界面处结合。

8.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述衬底是由选自由以下项组成的组的材料形成：铜、镍、铝、钛，和铜、镍、铝、钛的合金，以及它们的组合。

9.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述薄膜涂层由导电材料形成。

10.如权利要求9所述的峰值温度衰减系统，其中所述导电材料选自由铜、银以及镍组成的组。

11.如权利要求1所述的峰值温度衰减系统，其中所述第一蓄热系数是所述第二蓄热系数的至少两倍。