CN115900062B - 一种异形的航空冷却液辅助加热装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异形的航空冷却液辅助加热装置及制备方法，属于液体加热装置技术领域。本发明制备方法为：将不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状；将所述基板分别进行介质浆料、电阻浆料、包封浆料的热处理。本发明通过使用箱式炉控制热处理温度、升温速率、烧结工艺以及浆料之间的匹配度，得到形变程度小、加热效率高的异形飞机冷却液辅助加热装置的制备方法。由此可以解决现有的不锈钢难以匹配现有浆料，无法制备异形厚膜加热器的问题，替代电加热棒，解决传统加热干烧损坏，加热效率低、不稳定问题，对于实际应用具有重要价值。
Description
技术领域
本发明属于液体加热装置技术领域，更具体地，涉及一种异形的航空冷却液辅助加热装置及制备方法，尤其一种耐用型、加热效率和稳定性提高的异形飞机冷却液辅助加热装置设计及其制备方法。
背景技术
冷却系统是保证发动机正常运行十分重要的辅助系统。冷却液对缸盖、缸体、缸壁、活塞环进行冷却，使他们能维持正常的工作温度。缺少冷却时过高的温度会破坏它们的金相结构从而影响力学性能，严重的会直接导致拉缸故障，发动机需要彻底维修。可能汽车的发动机维修还在人们的接受范围之内，但是飞机的发动机彻底维修的代价可能就是难以让人接受了。特别地是飞机的发动机因为其功率远超汽车，所以在同等条件下失去冷却系统或者冷却系统效果降低，对于飞机的影响更为巨大，在考虑到汽车在发动机故障后能够及时在路边停车修理，但是飞机等航空领域的飞行器在高空中出现发动机故障抛锚后，非常困难能及时找到安全位置着陆，不仅是发生飞机自身的坠毁，更会波及坠落地的人群村落或者造成森林火灾等等，造成巨大的人员伤亡和经济损失，所以冷却系统的安全保障尤为重要。防冻液作为冷却系统的实际行动参与者，全年参与机器运行，防冻液的基本指标是其冰点与沸点，目前普遍使用的防冻液冰点在-25℃，防冻液的冰点越低，防冻液的抗冻能力就越强。一般情况下用于汽车防冻液的冰点应低于该地区最低温度10℃左右，防止天气突变降温，而我国飞机在西藏等高寒地区飞行时，局部区域的温度低于-40℃甚至更低，在这种低温的环境中，即使防冻液的粘度会大大增加，在飞机路过低温区域时，由于冷却液已经在对发动机进行循环冷却的过程中，此时的低温环境不会影响到一直吸收发动机产生热量的冷却液的工作，但是对于需要在这种低温环境进行考察等作业而停靠飞机的情况，冷却液的由于没有发动机再产生多余热量能够吸收，便会逐渐降低温度，时间越长，冷却液的温度便越接近冰点，时间跨度足够长时，冷却液自身的粘度便会增加到难以自由流动的程度，此时冷却系统处于瘫痪状态，若强行启动飞机发动机，冷却液因为粘度大难以进入循环系统，发动机及其它零部件因为内部热量累积而出现损坏，所以在低温环境中，为保证飞机发动机的正常运行以及飞机正常起飞，通常设计有一个防冻液的辅助加热装置，用来对防冻液进行加热解冻，使得防冻液即使在低温下也能保持自身粘度，进行正常流动。传统的冷却液辅助加热装置使用简便的接触式加热方式，即电加热棒，如钨加热棒，电加热棒浸没在冷却液中进行加热，加热效率高，但是电加热棒存在的问题是随着冷却液液面的降低，加热效率会显著减少，暴露在冷却液外的加热棒会出现明显的干烧，并且该部分由于没有散热，温度急剧升高，普通材料难以满足高耐温性和高导热性，电加热棒的外边面甚至出现烧穿，所以电加热棒难以维持较长的使用寿命，并且需要经常检查电加热棒的损坏程度保证辅助加热器的正常工作，所以需要一个使用寿命长，加热效率高且加热效率稳定的加热方式。
厚膜加热器作为一种接触式加热方式，由优良的传热性能，能迅速加热冷却液，加热接触面限制在液体底部，避免了冷却液液面降低而出现加热效率降低的问题，并且随着冷却液体积的减少，加热效率反而得到提高，厚膜加热器能经受高温多次的热循环，满足飞机极寒作业的条件，并且抗摔抗震，契合飞机飞行过程中的机械震动条件。厚膜加热器的电阻加热方式保证了其长久的使用寿命，不用频繁检修电加热棒，减少工作复杂度。
发明内容
针对相关领域的空白，本发明的目的在于提供一种异形的飞机冷却液辅助加热装置及其制备方法，旨在解决现有航空领域飞机冷却液储液罐使用电加热棒加热方式，易干烧损坏，使用寿命短以及在冷却液不足量时加热效率低的问题。
根据本发明第一方面，提供了一种异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，包括以下步骤：
(1)将不锈钢基板切割成航空冷却液储液罐的底面形状，并预留电路接线孔以及用于与冷却液进出管道连接的通孔；
(2)在步骤(1)得到的基板的其中一个表面上涂覆介质浆料，得到介质层，烘干后进行烧结；所述介质浆料为绝缘材料；
(3)将步骤(2)得到的基板的介质层表面涂覆电阻浆料，得到能外接三相电源的电阻层，烘干后进行烧结；所述电阻层用于发热后对冷却液进行加热；
(4)将步骤(3)得到的基板的电阻层表面涂覆包封浆料，并至少覆盖电阻层，烘干后进行烧结，即得到所述异形的航空冷却液辅助加热装置；
步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中烧结的温度为840℃-900℃，烧结的时间为65min-120min，升温速率为12℃/min-20℃/min。
优选地，设定步骤(2)中所述的其中一个表面为A面，设定另一个表面为B面；步骤(4)中将包封浆料烧结后，在B面涂覆并烧结介质浆料，涂覆的厚度不超过A面涂覆的所有浆料的厚度之和。
优选地，步骤(1)中，所述基板的厚度为1.5㎜-3㎜。
优选地，步骤(1)中，所述基板为304不锈钢基板。
优选地，步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的涂覆为丝网印刷涂覆。
优选地，所述介质浆料和包封浆料相同。
优选地，所述电阻浆料为导电银浆。
根据本发明另一方面，提供了任意一项方法制备得到的异形的航空冷却液辅助加热装置。
根据本发明另一方面，提供了所述的异形的航空冷却液辅助加热装置用于航空冷却液加热的应用。
优选地，所述应用具体为：将所述加热装置作为航空冷却液储液罐的底部，在用于与冷却液进出管道连接的通孔上连接冷却液管道，在电路接线孔上外接三相电源，向冷却液储液罐中加入冷却液；所述电阻层通电后发热，且加热接触面限制在冷却液底部。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明制备方法为：将不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状；将所述基板分别进行介质浆料、电阻浆料、包封浆料的热处理。本发明通过使用箱式炉控制热处理温度、升温速率、烧结工艺以及浆料之间的匹配度，得到形变程度小、加热效率高的异形飞机冷却液辅助加热装置的制备方法。由此可以解决现有的不锈钢难以匹配现有浆料，无法制备异形厚膜加热器的问题，替代电加热棒，解决传统加热干烧损坏，加热效率低、不稳定问题，对于实际应用具有重要价值。
(2)本发明中，基板的形状不规则以及厚度较薄使得基板热处理时容易变形，本发明通过控制烧结工艺，将厚膜工艺应用到不规则的不锈钢薄板(优先为304不锈钢基板)上，对介质浆料和电阻浆料分别进行烧结工艺的优化，解决304不锈钢薄板和浆料的热处理形变问题。本发明解决了随着冷却液液面的降低，加热效率会显著减少，暴露在冷却液外的加热棒会出现明显的干烧，并且该部分由于没有散热，温度急剧升高，普通材料难以满足高耐温性和高导热性，电加热棒的外边面甚至出现烧穿的问题，电加热棒难以维持较长的使用寿命，并且需要经常检查电加热棒的损坏程度保证辅助加热器的正常工作，对于实际应用具有重要价值。
(3)本发明优选地，将发生形变的不锈钢基板反面涂覆介质浆料，反面朝上放置于箱式炉进行高温烧结，其中涂覆介质浆料的厚度为正面烧结总的厚度，以此抵消另一面烧结时发生的形变。
(4)本发明优选地，介质层和包封层的浆料相同，浆料的热膨胀系数相同时，能尽量基板的形变量最小。
(5)本发明优选地，介质层、电阻层和包封层的烧结温度接近，避免在烧结时因温度不一致导致后续功能层发生其它反应。
附图说明
图1是本发明使用JZ4301介质浆料，DZ4302015电阻浆料，JZ4301包封浆料制备的加热板示意图。
图2是本发明使用JZ4301介质浆料，DZ4302015电阻浆料，JZ4301包封浆料制备的加热板进行形变纠正后的示意图。
图3是本发明使用DIELECTRIC 4916介质浆料，中温导电银浆，DIELECTRIC 4916包封浆料制备的加热板示意图。
图4是本发明DIELECTRIC 4916介质浆料，29215电阻浆料，DIELECTRIC 4916包封浆料制备的加热板的加热效果模拟示意图。
图5是本发明DIELECTRIC 4916介质浆料，29215电阻浆料，DIELECTRIC 4916包封浆料制备的加热板的三相三线制三区分布的升温曲线。
图6是本发明DIELECTRIC 4916介质浆料，29215电阻浆料，DIELECTRIC 4916包封浆料制备的加热板示意图。
图7为加热效率随电阻线布局变化而变化的结果图。
具体实施方式
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的一方面提供了一种异形飞机冷却液辅助加热装置的制备方法，包括：
将性能贴近航空飞机使用钢材的304不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状，所述底面形状为不规则形状；并预留安装螺丝钉的通孔、电路接线孔以及用于与冷却液进出管道连接的通孔的位置，得到预期形状的304不锈钢基板。
进一步地，测验不锈钢基板的上表面粗糙度。
进一步地，如所述基板上表面粗糙度不在25～50μm范围内，进行打砂粗糙度处理。
进一步地，将所述基板分别在去离子水和酒精中进行超声清洗，清洗时间均为10分钟，烘干。
进一步地，在所述基板上表面通过丝网印刷涂覆介质浆料，得到相应图案的绝缘层。
进一步地，将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透。
进一步地，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。
进一步地，待所述基板冷却至常温，在基板上表面通过丝网印刷涂覆电阻浆料，重复上述操作。
进一步地，待所述基板冷却至常温，在基板上表面通过丝网印刷涂覆包封浆料，重复上述操作。
进一步地，在基板上表面涂覆浆料时，使用的印刷丝网目数不同，印刷介质浆料的丝网目数为200目，印刷电阻浆料的丝网目数为250目，印刷包封浆料的丝网目数为200目。
进一步地，介质浆料高温烧结具体包括：
将上述涂覆了介质浆料的基板放入烧结炉中进行高温烧结，升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
进一步地，电阻浆料高温烧结具体包括：
将上述涂覆了电阻浆料的基板放入烧结炉中进行高温烧结，升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
进一步地，包封浆料高温烧结具体包括：
将上述涂覆了包封介质浆料的基板放入烧结炉中进行高温烧结，升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
本发明的另一方面还提供了一种异形飞机冷却液辅助加热装置，所述异形飞机冷却液辅助加热装置由上述制备方法得到。
本发明一种异形飞机冷却液辅助加热装置的设计，包括契合防冻液储液罐底部的304不锈钢基板，基板开设有与电路直接相接的通孔，控制电路能够直接接在储液罐底部；基板还开设有通孔，为建立防冻液进出储液罐的通道。
本发明加热装置中电阻走线的布局满足三相三线制。
下面结合若干个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
实施例1
(1)304不锈钢基板处理：
将性能贴近航空飞机使用钢材的304不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状，并预留螺丝钉和电路接线孔以及冷却液进出管道的位置，得到预期形状的304不锈钢基板，进行粗糙度处理，将粗糙度在25～50μm范围内的基板分别在去离子水和酒精中进行超声清洗，清洗时间均为10分钟，烘干。
(2)介质浆料的高温烧结：
将步骤(1)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆湖南利德有限公司介质浆料JZ4301，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(3)电阻浆料的高温烧结：
将步骤(2)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆湖南利德有限公司电阻浆料DZ4302015，得到相应图案的电阻层，形成分布均匀，且覆盖面积广、能外接三相电源的电阻线布局。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(4)包封浆料的高温烧结：
将步骤(3)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆湖南利德有限公司介质浆料JZ4301作为包封浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
实施例2
(1)304不锈钢基板处理：
将性能贴近航空飞机使用钢材的304不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状，并预留螺丝钉和电路接线孔以及冷却液进出管道的位置，得到预期形状的304不锈钢基板，进行粗糙度处理，将粗糙度在25～50μm范围内的基板分别在去离子水和酒精中进行超声清洗，清洗时间均为10分钟，烘干。
(2)介质浆料的高温烧结：
将步骤(1)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆湖南利德有限公司介质浆料JZ4301，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(3)电阻浆料的高温烧结：
将步骤(2)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆湖南利德有限公司电阻浆料DZ4302015，得到相应图案的电阻层，形成分布均匀，且覆盖面积广、能外接三相电源的电阻线布局。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(4)包封介质浆料的高温烧结：
将步骤(3)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆湖南利德有限公司介质浆料JZ4301作为包封浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃。
(5)介质浆料的高温烧结：
将步骤(4)中得到的不锈钢基板反面通过丝网印刷涂覆JZ4301介质浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板反面朝上放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板反面朝上放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃。
实施例3
(1)304不锈钢基板处理：
将性能贴近航空飞机使用钢材的304不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状，并预留螺丝钉和电路接线孔以及冷却液进出管道的位置，得到预期形状的304不锈钢基板，进行粗糙度处理，将粗糙度在25～50μm范围内的基板分别在去离子水和酒精中进行超声清洗，清洗时间均为10分钟，烘干。
(2)介质浆料的高温烧结：
将步骤(1)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆美国ESL介质浆料4916浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为10℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(3)电阻浆料的高温烧结：
将步骤(2)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆中温导电银浆，得到相应图案的电阻层，形成分布均匀，且覆盖面积广、能外接三相电源的电阻线布局。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min,使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，350℃保温30min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(4)包封介质浆料的高温烧结：
将步骤(3)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆美国ESL介质浆料4916浆料作为包封浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃。
实施例4
(1)304不锈钢基板处理：
将性能贴近航空飞机使用钢材的304不锈钢基板以激光切割成航空冷却液储液罐的底面形状，并预留螺丝钉和电路接线孔以及冷却液进出管道的位置，得到预期形状的304不锈钢基板，进行粗糙度处理，将粗糙度在25～50μm范围内的基板分别在去离子水和酒精中进行超声清洗，清洗时间均为10分钟，烘干。
(2)介质浆料的高温烧结：
将步骤(1)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆美国ESL介质浆料4916浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为10℃/min，350℃保温30min,峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(3)电阻浆料的高温烧结：
将步骤(2)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆美国ESL电阻浆料29215，得到相应图案的电阻层，形成分布均匀，且覆盖面积广、能外接三相电源的电阻线布局。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃，峰值温度保持时间为10min。
(4)包封介质浆料的高温烧结：
将步骤(3)中得到的不锈钢基板通过丝网印刷涂覆美国ESL介质浆料4916浆料作为包封浆料，得到相应图案的绝缘层。将所述基板放入烘干箱内以150℃温度，烘干15min，使浆料干透，将所述基板放入烧结炉进行高温烧结。升温速率为15℃/min，峰值温度为850℃。
结果分析
根据实施例1-4所得样品的结果图可知，本发明的异形飞机冷却液辅助加热装置具有以下特点：
(1)图1中，加热器的形变程度明显，储液罐底部安装比较难。
(2)图2中，加热器的形变程度明显减少，调整升温速率和峰值温度亦可按要求改善形变情况，最终符合储液罐底部安装要求。
(3)图3中使用自制的中温导电银浆能得到形变程度极小的低电阻厚膜加热器。
(4)图4和图5中加热器印刷电路走线，能够具备三相电路优点，且加热区域分区的升温情况均匀，效率高，不同的电阻走线布局加热效率不同，高加热效率的布局特点是较宽的电阻线宽度以及均匀分布在基板表面。
(5)图6中加热器使用115V电压测试时，电阻变化范围在±1Ω，功率稳定，加热效率稳定，并且经过500V的绝缘测试，均满足飞机零部件配置的要求。
(6)由图7可知，电阻线布局不同，加热效率不同，优化电阻线布局后可以得到更高加热效率的厚膜加热器。电阻线长度、宽度和厚度三者可以有不同组合，均能达到加热总功率不变。所以需要依据电阻线覆盖的面积广且分布越均匀的特点，能使得制备的加热器加热效率最高。
本领域的技术人员容易理解，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)
1.一种异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将不锈钢基板切割成航空冷却液储液罐的底面形状，并预留电路接线孔以及用于与冷却液进出管道连接的通孔；
（2）在步骤（1）得到的基板的其中一个表面上涂覆介质浆料，得到介质层，烘干后进行烧结；所述介质浆料为绝缘材料；
（3）将步骤（2）得到的基板的介质层表面涂覆电阻浆料，得到能外接三相电源的电阻层，烘干后进行烧结；所述电阻层用于发热后对冷却液进行加热；
（4）将步骤（3）得到的基板的电阻层表面涂覆包封浆料，并至少覆盖电阻层，烘干后进行烧结，即得到所述异形的航空冷却液辅助加热装置；
步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）中烧结的温度为840℃-900℃，烧结的时间为65 min-120min，升温速率为12℃/min-20℃/min；
设定步骤（2）中所述的其中一个表面为A面，设定另一个表面为B面；步骤（4）中将包封浆料烧结后，在B面涂覆并烧结介质浆料，涂覆的厚度不超过A面涂覆的所有浆料的厚度之和。
2.如权利要求1所述的异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述基板的厚度为1.5 ㎜-3 ㎜。
3.如权利要求1所述的异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述基板为304不锈钢基板。
4.如权利要求1所述的异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，其特征在于，步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）中所述的涂覆为丝网印刷涂覆。
5.如权利要求1所述的异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，其特征在于，所述介质浆料和包封浆料相同。
6.如权利要求1所述的异形的航空冷却液辅助加热装置的制备方法，其特征在于，所述电阻浆料为导电银浆。
7.如权利要求1-6任意一项方法制备得到的异形的航空冷却液辅助加热装置。
8.如权利要求7所述的异形的航空冷却液辅助加热装置用于航空冷却液加热的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用具体为：将所述加热装置作为航空冷却液储液罐的底部，在用于与冷却液进出管道连接的通孔上连接冷却液管道，在电路接线孔上外接三相电源，向冷却液储液罐中加入冷却液；所述电阻层通电后发热，且加热接触面限制在冷却液底部。
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