CN111731485A - 一种自主间歇式除冰装置及其安装方法和除冰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器除冰技术领域，具体涉及一种自主间歇式除冰装置及其安装方法和除冰方法。其中一种自主间歇式除冰装置，包括记忆材料支架和电加热模块，所述记忆材料支架设置若干个，若干个记忆材料支架连接电加热模块；所述记忆材料支架设置在内壁上时，使电加热模块具有两种状态；状态一：电加热模块的接触面与内壁不接触；状态二：电加热模块的接触面与内壁接触。电加热模块对冰层局部瞬时快速加热，冰层与内壁接触面汽化带来的气压可以破碎较大范围冰层；对比现有技术中缓慢加热，本发明具有单位面积除冰的能量利用率更高的优点；且本发明还具有结构简单可靠的优点。
Description
技术领域
本发明属于飞行器除冰技术领域，具体涉及一种自主间歇式除冰装置及其安装方法和除冰方法。
背景技术
飞机穿过含过冷水滴的云层时，许多部件的迎风表面都可能结冰，如机翼、尾翼前缘、螺旋桨、发动机进气口、空速管等传感器探头、风挡玻璃等，直升机的相应部件及旋翼主桨和尾桨也会结冰。在无结冰防护或防护不当时，结冰会使飞机升阻特性恶化、失速迎角及稳定性裕度减小、操纵性降低，导致发动机空中熄火、飞行显示数据失真等。
可见，飞行器结冰不仅会对飞机的飞行性能产生影响，甚至威胁飞机的飞行安全，导致机毁人亡。
从20世纪50年代至今，已发展出多种防结冰方法和除冰方法，相对于防结冰方法，除冰方法是在已经结了少量可承受的冰层后，再启动加热将冰除去，因而更节省能量，得到广泛应用。
除冰方法又分为热气除冰方法和电热除冰方法。其中的电热除冰方法更易于控制，可采取节能的周期加热方式，并且随着飞机多电甚至全电化发展的趋势，电热除冰系统的应用必将日益增多，如最新的波音787飞机机翼就采取了先进的电热除冰方法。
加热除冰过程中，冰层一方面受到来自其附着的飞机蒙皮的加热，紧贴蒙皮的冰受热发生相变融解，形成很薄的液体层，冰层和表面的粘附力减小，同时，冰层的也会因受热在其内部产生热应力，发生相应形变并在应力集中处产生开裂、翘曲或尺寸变化甚至破碎；另一方面，冰层与外部气流的界面上还承受着气动产生的压力和剪切力作用，也会在冰层内部产生相应的内应力，并改变冰层和表面的附着力；并且，由于冰的导热性较差，如果加热的同时冰层外表面温度仍然较低，在结冰条件下，冰层外表面的结冰还在继续。
现有的飞行器电热除冰方法，主要依靠发动机电加热等手段，实现对结冰部位蒙皮的局部加热，加热温度上升比较缓慢，大量的能量被用于将蒙皮表面覆冰融化成水，并未实现对冰层的高效剥离；此外，在较厚冰层情况下，采用热除冰方法，还可能面临冰层内部局部融化，但外部冰层在飞行气动力的作用下仍覆盖在飞行器表面上。
综上所述，现有的电热除冰方法仍然存在缺陷：不仅对冰层的剥离效果差，且耗能高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自主间隙式除冰装置及除冰方法，以解决现有技术中对冰层的剥离效果差，耗能高的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种自主间歇式除冰装置，包括记忆材料支架和电加热模块，所述记忆材料支架设置若干个，若干个记忆材料支架连接电加热模块；所述记忆材料支架设置在内壁上时，使电加热模块具有两种状态；
状态一：电加热模块的接触面与内壁不接触；
状态二：电加热模块的接触面与内壁接触。
工作原理：电加热模块未加热时，电加热模块的位置处于状态一；电加热模块加热后，温度上升，电加热模块的位置处于状态二。其中电加热模块的位置变化通过记忆材料支架形态变化实现。
通过记忆材料支架对电加热模块与内壁的接触情况进行自动控制。当电加热模块温度未上升到高温之前，记忆材料支架呈低温形态，悬空电加热模块，使其与带冰内壁之间不直接接触，利于电加热模块升温；当电加热模块在温度上升到高温之后，记忆材料支架呈高温形态，自动变形冰带动电加热模块压向带冰内壁，快速传热引起冰层与内壁的接触面的汽化，冰层汽化带来的气压可以破碎较大范围冰壳；当电加热模块传热后温度下降，记忆材料支架恢复低温形态，自动变形冰带动电加热模块远离带冰内壁，从而完成一次自主间歇式除冰动作。
本发明不需要额外的温度传感器、位移作动部件、位移作动控制器等器件，仅需要进行电加热器件温度设定和记忆材料支架的形貌设计，技术可靠性极高，成本和轻量化优势明显。
进一步地，所述记忆材料支架设置一个，所述电加热模块设置在记忆材料支架中部。
进一步地，所述记忆材料支架至少设置两个，多个记忆材料支架均与电加热模块连接。
进一步地，所述记忆材料支架的材料包括高温形状记忆合金、低温形状记忆合金、形状记忆陶瓷或形状记忆聚合物。
进一步地，所述电加热模块的接触面与内壁相适配。
进一步地，所述电加热模块为电加热棒。
一种自主间歇式除冰装置的安装方法，包括上述除冰装置，所述记忆材料支架设置一个，所述电加热模块设置在记忆材料支架中部，所述记忆材料两端连接在内壁上；
或所述记忆材料支架设置两个，两个记忆材料支架的一端均连接在内壁上，另一端均与电加热模块连接。
进一步地，除冰装置以记忆材料支架与内壁的一个连接点为圆心转动。
需要说明的是，要实现除冰装置的转动，可在记忆材料支架的一个支点上设置滚轮，在内壁上设置导轨；当然包括但不限于该结构。
除冰装置的转动能够实现不同位置加热除冰。
一种自主间歇式除冰方法，包括上述除冰装置，电加热模块和记忆材料支架做周期性运动，对冰面间歇性热冲击。
采用本技术方案，本发明包括如下优点：
1、本发明电加热模块对冰层局部瞬时快速加热，冰层与内壁接触面汽化带来的气压可以破碎较大范围冰层；对比现有技术中缓慢加热，本发明具有单位面积除冰的能量利用率更高。
2、本发明不需要额外的温度传感器、位移作动部件、位移作动控制器等器件，仅需要进行电加热器件温度设定和记忆材料支架的形貌设计，技术可靠性极高，成本和轻量化优势明显。
3、本发明具有结构简单可靠的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例4的结构示意图；
图3为本发明实施例4的结构示意图；
附图中：1、记忆材料支架，2、电加热模块，3、内壁，4、冰层，21、接触面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
如图 1所示本发明提供了一种自主间歇式除冰装置，包括记忆材料支架1和电加热模块2，所述记忆材料支架1设置若干个，若干个记忆材料支架1连接电加热模块2；所述记忆材料支架1设置在内壁3上时，使电加热模块2具有两种状态；
状态一：电加热模块2的接触面21与内壁3不接触；
状态二：电加热模块2的接触面21与内壁3接触。
工作原理：电加热模块2未加热时，电加热模块2的位置处于状态一；电加热模块2加热后，温度上升，电加热模块2的位置处于状态二。其中电加热模块2的位置变化通过记忆材料支架1形态变化实现。
通过记忆材料支架1对电加热模块2与内壁3的接触情况进行自动控制。当电加热模块2温度未上升到高温之前，记忆材料支架1呈低温形态，悬空电加热模块2，使其与带冰内壁3之间不直接接触，利于电加热模块2升温；当电加热模块2在温度上升到高温之后，记忆材料支架1呈高温形态，自动变形冰带动电加热模块2压向带冰内壁3，快速传热引起冰层4与内壁3的接触面21的汽化，冰层4汽化带来的气压可以破碎较大范围冰壳；当电加热模块2传热后温度下降，记忆材料支架1恢复低温形态，自动变形冰带动电加热模块2远离带冰内壁3，从而完成一次自主间歇式除冰动作。
本发明不需要额外的温度传感器、位移作动部件、位移作动控制器等器件，仅需要进行电加热器件温度设定和记忆材料支架1的形貌设计，技术可靠性极高，成本和轻量化优势明显。
实施例2
在实施例1的基础上，进一步地，所述记忆材料支架1设置一个，所述电加热模块2设置在记忆材料支架1中部。
实施例3
本实施例与实施例2不同的是进一步地，所述记忆材料支架1至少设置两个，多个记忆材料支架1均与电加热模块2连接。
实施例4
在实施例1、2或3的基础上，进一步地，所述记忆材料支架1的材料包括高温形状记忆合金、低温形状记忆合金、形状记忆陶瓷或形状记忆聚合物。
进一步地，所述电加热模块2的接触面21与内壁3相适配。
电加热模块2的接触面21设置为与壁面内壁3的形状相一致；如图2所示，内壁3为弧形，电加热模块2的接触面21也设置为弧形；如图3所示，内壁3水平，电加热模块2的接触面21也设置为水平。
进一步地，所述电加热模块2为电加热棒。
实施例5
本实施例提供一种自主间歇式除冰装置的安装方法，所述记忆材料支架1设置一个，所述电加热模块2设置在记忆材料支架1中部，所述记忆材料两端连接在内壁3上；
或所述记忆材料支架1设置两个，两个记忆材料支架1的一端均连接在内壁3上，另一端均与电加热模块2连接。
需要说明的是本除冰装置安装在内壁3上，电加热模块2的接触面21到内壁3的距离大于5mm，记忆材料支架1的变形量需大于等于电加热模块2的接触面21到内壁3的距离。
实施例6
在实施例5的基础上，进一步地，除冰装置以记忆材料支架1与内壁3的一个连接点为圆心转动。
需要说明的是，要实现除冰装置的转动，可在记忆材料支架1的一个支点上设置滚轮，在内壁3上设置导轨；当然包括但不限于该结构。
实施例7
本实施例提供一种具体实施情况，使用高温记忆材料，定制记忆材料支架1的形状；在连接在内壁3上，使其在低温形态下中部向上凸起，在高温形态中部向下凹陷，变形量大于5mm。
在将记忆材料支架1两端固定在内壁3，在记忆材料支架1中部将电加热模块2固定，使其悬空于内壁3空腔内，距离内壁3一定距离，同时高温记忆材料的变形量需大于电加热模块2到内壁3的距离。
记忆材料支架1整体应确保其性能应满足-50℃~300℃范围内性能稳定，记忆材料支架1与电加热模块2连接部分导热良好，并在室温0摄氏度的实验室校核环境中当电加热模块2温度达到最高设计温度点时，记忆材料支架1各处温度不超过该处形状记忆材料的临界失效温度。
如采用单一材料的高温形状记忆合金作为记忆材料支架1主体，当电加热模块2温度达到最高设计温度点时，在室温0摄氏度的实验室校核环境中，记忆材料支架1主体区域的温度应定于合金材料相变温度（如NiTiHf合金相变温度约为320摄氏度）。
电加热模块2的热容量根据其与内壁3的贴合面积上1mm厚度的（0~-40℃）冰层4汽化热进行估计，综合考虑内壁3材料的热传导系数和厚度，进行试验修正。
当飞行器结冰探测系统探测到系统结冰情况后，控制器控制启动电加热模块2，迅速升温至150℃以上；与电加热模块2相连接的记忆材料支架1受热后变形，将电加热模块2压向冰层4内壁3，贴合接触面21的压力大于100Pa。
电加热模块2接触结冰内壁3后，迅速传热，内壁3局部温度达到上百度，使得结冰内壁3外侧冰层4局部汽化，引起结冰内壁3外侧冰层4破碎。
电加热模块2传热后温度下降，记忆材料支架1恢复低温形态，自动变形冰带动电加热模块2远离带冰内壁3，从而完成一次自主作动间歇式除冰动作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自主间歇式除冰装置，其特征在于：包括记忆材料支架（1）和电加热模块（2），所述记忆材料支架（1）设置若干个，若干个记忆材料支架（1）连接电加热模块（2）；所述记忆材料支架（1）设置在内壁（3）上时，使电加热模块（2）具有两种状态；
状态一：电加热模块（2）的接触面（21）与内壁（3）不接触；
状态二：电加热模块（2）的接触面（21）与内壁（3）接触。
2.如权利要求1所述的一种自主间歇式除冰装置，其特征在于：所述记忆材料支架（1）设置一个，所述电加热模块（2）设置在记忆材料支架（1）中部。
3.如权利要求1所述的一种自主间歇式除冰装置，其特征在于：所述记忆材料支架（1）至少设置两个，多个记忆材料支架（1）均与电加热模块（2）连接。
4.如权利要求1所述的一种自主间歇式除冰装置，其特征在于：所述记忆材料支架（1）的材料包括高温形状记忆合金、低温形状记忆合金、形状记忆陶瓷或形状记忆聚合物。
5.如权利要求1所述的一种自主间歇式除冰装置，其特征在于：所述电加热模块（2）的接触面（21）与内壁（3）相适配。
6.如权利要求1或5所述的一种自主间歇式除冰装置，其特征在于：所述电加热模块（2）为电加热棒。
7.一种自主间歇式除冰装置的安装方法，包括权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：所述记忆材料支架（1）设置一个，所述电加热模块（2）设置在记忆材料支架（1）中部，所述记忆材料两端连接在内壁（3）上；
或所述记忆材料支架（1）设置两个，两个记忆材料支架（1）的一端均连接在内壁（3）上，另一端均与电加热模块（2）连接。
8.如权利要求7所述的一种自主间隙式除冰装置的安装方法，其特征在于：除冰装置以记忆材料支架（1）与内壁（3）的一个连接点为圆心转动。
9.一种自主间歇式除冰装置的除冰方法，包括权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：电加热模块（2）和记忆材料支架（1）做周期性运动，对冰面间歇性热冲击。
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