DE102008051553A1

DE102008051553A1 - Heizsystem mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht, Strukturbauteil und Verfahren zum kontrollierten Beheizen des Heizsystems

Info

Publication number: DE102008051553A1
Application number: DE200810051553
Authority: DE
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH; Airbus Operations SAS
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Heizsystem (S, S10, S11, S12) mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12) (10; 11, 12), das Heizsystem (S, S10, S11, S12) weiterhin aufweisend: . eine Energieversorgungs-Vorrichtung (E10, E11, E12) mit einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Anlegen einer Lastspannung zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12), wobei die Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung mit einer elektrischen Anschlussvorrichtung (A10-1, A10-2; A11-1, A11-2; A12-1, A12-2) an die Heizschicht (10, 11, 12) angeschlossen ist, . eine Messvorrichtung zur Messung einer Stromstärke aufweist, wenn die Lastspannung aufgebracht wird, und . eine Auswertungs-Vorrichtung zur Ermittlung des elektrischen Widerstands der Heizschicht (10, 11, 12) aufgrund der gemessenen Stromstärke, Strukturbauteil insbesondere eines Flugzeugs mit einem Schalenteil sowie Verfahren zum kontrollierten Beheizen eines Heizsystems (1) mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht, ein Strukturbauteil und ein Verfahren zum kontrollierten Beheizen des Heizsystems.
Das Strukturbauteil kann insbesondere ein der Strömung ausgesetztes Strukturbauteil eines Flugzeugs und z. B. die Vorderkante eines Flügels, eines Leitwerks oder einer Vorderkantenklappe eines Flügels sein.
Aus der US 5824996 ist ein elektrisch leitendes textiles Heizelement bekannt, das aus Bändern, die aus nicht-metallischen Garnen gewebt sind, hergestellt ist. Dabei werden die Bänder in ihrer Längsrichtung auf ein Trägeteil abgelegt.
Aus der US 2006/0278631 A1 ist bekannt zur Herstellung eines elektrisch leitenden textilen Heizelements ein bandförmige Gewebe oder ungewebte Materialstrukturen zu verwenden , die in einer zuvor vorbereiteten Form auf ein Trägerteil aufgeklebt werden.
Die DE 101 51 298 A1 beschreibt eine Heizfolie auf einem Trägermaterial, in das Widerstandsdrähte entlang Vorzugsrichtungen integriert sind.
Der Einbau von Leitungen in Flugzeug-Bauteile, die mit heißer Bleedair durchströmt werden, um am Bauteil Vereisungen zu verhindern und zur Reduktion von Vereisungen an der Bauteilaußenseite, ist bei der Verwendung von nicht-metallischen Materialien für die Bauteile nachteilig, da diese eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzen und bei hohen Temperaturen geschädigt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Heizsystem mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht, ein Strukturbauteil und ein Verfahren zum kontrollierten Beheizen des Heizsystems bereitzustellen, bereitzustellen, mit dem ein Strukturbauteil auf effiziente Weise und gleichzeitig mit schnell zu erzielenden Heizeffekten beheizt werden kann und das insbesondere für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden kann, um eine effektive Erwärmung von Bauteil-Oberflächen zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Heizsystem soll insbesondere in der Lage sein, ein Strukturbauteil eines Flugzeugs entsprechenden Flugzeuganforderungen zu beheizen. Weiterhin ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Struktur-Bauteil und eine Anordnung aus einem Struktur-Bauteil bereitzustellen, das ein solches Heizsystem aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diese rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Heizsystem mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht vorgesehen. Das Heizsystem weist weiterhin auf:

• eine Energieversorgungs-Vorrichtung mit einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Anlegen einer Lastspannung zum Erwärmen der Heizschicht, wobei die Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung mit einer elektrischen Anschlussvorrichtung an die Heizschicht angeschlossen ist,
• eine Messvorrichtung zur Messung einer Stromstärke aufweist, wenn die Lastspannung aufgebracht wird, und
• eine Auswertungs-Vorrichtung zur Ermittlung des Widerstands der Heizschicht aufgrund der gemessenen Stromstärke.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Auswertungs-Vorrichtung eine Funktion auf, mit der aufgrund des Widerstands der Heizschicht die Ermittlung der Temperatur der Heizschicht vorgenommen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswertungs-Vorrichtung eine Funktion aufweisen, mit der aufgrund des Widerstands der Heizschicht die Integrität der Heizschicht und/oder des Bauteils ermittelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Heizsystem kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Energieversorgungs-Vorrichtung eine Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Aufbringen einer Messspannung, die geringer ist als die Spannung zum Erwärmen der Heizschicht, aufweist, wobei die Messspannungs-Versorgungsvorrichtung mit einer elektrischen Anschlussvorrichtung an die Heizschicht angeschlossen ist. Dabei kann das Heizsystem weiterhin aufweisen: eine mit der Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung und der Messspannungs-Versorgungsvorrichtung gekoppelte Ansteuerungsvorrichtung, die diese zur Aufbringung der Lastspannung und der Messspannung ansteuert und die eine Ansteuerungsfunktion aufweist, mit der die Lastspannung auf einen zu vernachlässigenden Wert oder auf Null gefahren wird und anschließend die Messspannung angelegt wird. Die die Messspannung kann insbesondere unter 5 Volt liegen.
Die Messvorrichtung kann dabei zur Messung eines durch die Messspannung verursachten elektrischen Widerstands oder zur Ermittlung der Integrität der Heizschicht und/oder des Bauteils vorgesehen sein.
Die Ansteuerungsvorrichtung kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass zeitlich abwechselnd die Lastspannung zum Erwärmen der Heizschicht und die Messspannung zum Messen des Widerstands der Heizschicht durchgeführt wird. Dieses Abwechseln von Anlegen der Lastspannung und Anlegen der Messspannung kann auch mit einer zeitlich konstanten Frequenz erfolgen.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass zeitlich abwechselnd eine Lastspannung durch den ersten Energieversorgungs-Teil zum Erwärmen der Heizschicht und eine Messspannung durch den zweiten Energieversorgungs-Teil zum Messen des Widerstands der Heizschicht erzeugt wird.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das erfindungsgemäße Heizsystem derart gestaltet sein,

• dass in der zumindest einen elektrothermischen Heizschicht eine elektrische Messleitung gelegen ist, die in der Heizschicht integriert ist,
• dass die Energieversorgungs-Vorrichtung eine Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Aufbringen einer Messspannung aufweist, die über Messleitungs-Anschlüsse an den elektrischen Leiter angeschlossen ist,
• dass die Messvorrichtung zur Messung einer durch die Messspannung verursachten Stromstärke in der Messleitung vorgesehen ist.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass Messspannung geringer als 1/10 der Spannung zum Erwärmen der Heizschicht zum Erwärmen der Heizschicht ist. Dadurch können für die Messspannungs-Versorgungsvorrichtung und die Messvorrichtung für kleine Spannungen und Stromstärken geeignete Bauteile und insbesondere kleinere Bauteile verwendet werden.
Bei diesen Ausführungsbeispielen kann das Heizsystem derart gestaltet sein, dass die Messvorrichtung funktional mit einer Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung in Verbindung steht, die eine Vergleichsfunktion aufweist, die Temperaturwerte mit zumindest einem Vergleichswert, der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entspricht, vergleicht und einen Signalwert an eine Systemfunktion sendet, wenn der Grenzwert erreicht oder überschritten wird.
Insbesondere kann die Systemfunktion derart gestaltet sein, dass diese die Erwärmung der Heizschicht stoppt, wenn der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entsprechende Grenzwert überschritten wird.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Heizvorrichtung derart gestaltet sein, dass diese verschiedene Heizstufen mit verschiedenen Wärmeleistungen erzeugen kann und kann die Systemfunktion derart ausgeführt sein, dass das Warnsignal bei dem Vorliegen zumindest einen vorgegebenen Heizstufe, bei der die maximale Wärmeleistung erzeugt wird, und dem gleichzeitigen Überschreiten des einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entsprechende Grenzwerts erzeugt wird. Das Warnsignal kann insbesondere bei dem Vorliegen der höchsten Heizstufe erzeugt werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Regelfunktion zur Regelung der Temperatur des Schalenteils vorgesehen sein, die mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional verbunden ist und von dieser die ermittelten Temperaturwerte als Eingangsgröße empfängt, wobei die Regelfunktion auf der Basis einer Soll-Temperatur Kommandosignale an die Energieversorgungs-Vorrichtung erzeugt.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Strukturbauteil insbesondere eines Flugzeugs mit einem Schalenteil vorgesehen, das eine umströmte Außenfläche und einen inneren Bereich aufweist, wobei das Strukturbauteil weiterhin eine Heizschicht eines Heizsystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Weiterhin ist dem Strukturbauteil bzw. der Heizschicht ein Energieversorgungs-Vorrichtung, eine Messvorrichtung und eine Auswertungs-Vorrichtung zugeordnet oder in diesem integriert.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum kontrollierten Beheizen eines Heizsystems mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht mit den Schritten vorgesehen:

• in einer Heizphase Anlegen einer Lastspannung an die Heizschicht zum Erwärmen der Heizschicht,
• während oder außerhalb der Heizphase Anlegen einer Messspannung an die Heizschicht, die geringer ist als die Lastspannung,
• Messung einer Stromstärke-Änderung, die aufgrund der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes des Kohlenstofffaserheizelementes bei angelegter Messspannung auftritt,

Bei diesem Verfahren kann eine Ermittlung der Temperatur der Heizschicht aufgrund der Stromstärke-Änderung erfolgen, aufgrund der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Kohlenstofffaserheizschicht. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass aufgrund des Widerstands der Heizschicht die Integrität der Heizschicht und/oder des Bauteils ermittelt wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügte Figuren beschrieben, die zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Vorderkantenklappe mit zwei Heizschichten eine Heizsystems nach der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einer aus Kohlenstoff-Rovings gebildeten Heizschicht mit einer Energieversorgungs-Vorrichtung, die zur Überwachung der Heizschicht verwendet werden kann,
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit drei aus Kohlenstoff-Rovings gebildeten Heizschichten mit einer Energieversorgungs-Vorrichtung, die zur Überwachung der Heizschicht verwendet werden kann,
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einer aus Kohlenstoff-Rovings gebildeten Heizschicht mit einer Energieversorgungs-Vorrichtung, die zur Überwachung der Heizschicht verwendet werden kann, wobei in die Heizschicht ein elektrischer Leiter integriert ist, dessen Widerstand zur Ermittlung der Zustands der Heizschicht verwendet wird,
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit drei aus Kohlenstoff-Rovings gebildeten Heizschichten mit einer Energieversorgungs-Vorrichtung, die eine Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung und Messspannungs-Versorgungsvorrichtungen zur Überwachung der Heizschichten aufweist, wobei in die Heizschichten ein elektrischer Leiter integriert ist, dessen Widerstand zur Ermittlung der Zustands der Heizschicht verwendet wird,
6 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Rovings zur Bildung einer Heizschicht für das erfindungsgemäße Heizsystem,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Rovings zur Bildung einer Heizschicht für das erfindungsgemäße Heizsystem,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Rovings zur Bildung einer Heizschicht für das erfindungsgemäße Heizsystem.
Erfindungsgemäß ist ein Heizsystem mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht vorgesehen, die insbesondere aus Kohlenstofffasern gebildet ist und auf einem Bauteil 1 angeordnet ist. Das Heizsystem weist weiterhin auf:

• eine Energieversorgungs-Vorrichtung mit einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Anlegen einer Lastspannung zum Erwärmen der Heizschicht, wobei die Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung mit einer elektrischen Anschlussvorrichtung an die Heizschicht angeschlossen ist,
• eine Messvorrichtung zur Messung einer Stromstärke aufweist, wenn die Lastspannung aufgebracht wird, und
• eine Auswertungs-Vorrichtung zur Ermittlung des elektrischen Widerstands der Heizschicht aufgrund der gemessenen Stromstärke.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass basierend auf der Ermittlung des elektrischen Widerstands die bei diesem Widerstand auftretende Temperatur ermittelt wird.
Bei der Verwendung einer elektrothermischen Heizschicht wird erfindungsgemäß durch Messen der Stromstärke in der Heizschicht oder in einer elektrischen Zuleitung an die Heizschicht mit Hilfe der in demselben Zeitabschnitt an die Heizschicht angelegten Spannung und des Ohmschen Gesetzes der elektrische Widerstand ermittelt. Das erfindungsgemäße Heizsystem 1 ist aus zumindest einer elektrothermischen Heizschicht gebildet, die zur Anordnung auf ein Strukturbauteil vorgesehen ist. Mit der Anordnung der Heizschicht auf das Strukturbauteil kann dieses erwärmt werden, um die Umgebungsluft oder das Bauteil selbst zu erwärmen. Zum Messen der Stromstärke ist eine Messvorrichtung und zur Ermittlung des elektrischen Widerstands eine Auswertungs-Vorrichtung vorgesehen, die mit der Messvorrichtung funktional verbunden ist. Die Auswertungs-Vorrichtung kann zur Ermittlung des elektrischen Widerstands Eichtabellen aufweisen, die spezielle Eigenschaften des jeweiligen Bauteils 1, die z. B. zu Nichtlinearitätseffekten führen, berücksichtigen.
Je nach dem Anwendungsfall, wird die ermittelte Stromstärke zu verschiedenen Zwecken verwendet. Zum einen kann aus der ermittelten Stromstärke die jeweils in der Heizschicht und somit an dem Bauteil 1 vorliegenden Temperatur ermittelt werden. Dazu wird der Effekt ausgenutzt, dass sich der elektrische Widerstand der Kohlenstofffaserheizschicht mit der Temperatur ändert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Auswertungs-Vorrichtung eine Funktion auf, mit der aufgrund des Widerstands der Heizschicht die Ermittlung der Temperatur der Heizschicht ermittelt wird. Hierzu können in der Auswertungs-Vorrichtung eine Korrelationstabelle oder eine Korrelationsfunktion implementiert sein, mit der die Auswertungs-Vorrichtung für das jeweilige Bauteil aus der ermittelten Stromstärke die Temperatur ermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswertungs-Vorrichtung eine Funktion aufweisen, mit der aufgrund des Widerstands der Heizschicht die Integrität der Heizschicht ermittelt wird, da bei einem Abfallen der Stromstärke über einen vorbestimmten Grenzwert davon ausgegangen werden kann, dass die elektrothermische Schicht einen Defekt im elektrisch leitenden Bereich hat und somit auch als Teil des Bauteils einen Schaden aufweist. Die Auswertungs-Vorrichtung kann zu diesem Zweck eine Vergleichsfunktion aufweisen, die eine ermittelte oder die jeweils ermittelte Stromstärke mit einem vorgegebenen Grenzwert für eine Differenz der jeweils ermittelten Stromstärke mit einem bei einer jeweils anliegenden Spannung gespeicherten Soll-Stromstärkewert vergleicht. Die Auswertungs-Vorrichtung kann weiterhin eine Funktion aufweisen, die bei einem Überschreiten dieses Grenzwerts der jeweiligen Heizschicht den Status Defekt zuordnet. Weiterhin kann diese Funktion derart gestaltet sein, dass diese ein Warnsignal erzeugt und an eine andere Funktion zur Verwendung dieses Warnsignals ausgibt.
In einer Weiterführung der Erfindung weist die Energieversorgungs-Vorrichtung 21 des Heizsystems 1 eine Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Aufbringen einer Messspannung auf, die geringer ist als die Spannung zum Erwärmen der Heizschicht. Beispielartig sind in der 2 ein Ausführungsbeispiel eines Heizsystems S11 mit einer Heizschicht 11 zur Anwendung für ein erfindungsgemäßes Heizsystem und in der
3 eine Kombination von drei Heizsystemen S10, S11, S12 mit insgesamt drei Heizschichten 10, 11, 12 zur Anwendung für ein erfindungsgemäßes Heizsystem dargestellt. Die Heizschicht 11 nach der 2 hat eine Form, mit der die Heizschicht für eine Kombination von Heizschichten nach der 3 verwendet und in diese integriert werden kann.
Bei diesen Ausführungsformen der dabei verwendeten Heizschichten sind die Heizschichten jeweils aus einer Mehrzahl von nebeneinander und ein Band B ausbildenden Rovingen R gebildet, die mäanderförmig verlaufen. Zu diesem Zweck sind parallel zueinander und nebeneinander verlaufende Abschnitte der Heizschichten 10, 11, 12 durch Isolationsvorrichtungen 20, 21 bzw. 22 aus elektrisch nicht-leitendem Material voneinander elektrisch isoliert. Mäanderförmig bezeichnet einen Verlauf von Rovingen R bzw. des Bandes B von Rovingen R, bei denen Längsabschnitte desselben Bandes B bzw. derselben Rovinge R in Bezug auf die Koordinaten zur Beschreibung der flächigen Erstreckung der elektrisch isolierenden Schicht, auf der die Rovinge R abgelegt werden, in einander entgegen gesetzten Richtungen verlaufen, so dass zwischen diesen Längsabschnitten Krümmungsabschnitte vorgesehen ist, wobei in Längsrichtung der Rovinge R oder des Bandes B aufeinander folgende Krümmungsabschnitte zueinander entgegen gesetzte Krümmungen haben. Mit anderen Worten: „Mäanderförmig” heißt in diesem Zusammenhang, dass Längsabschnitte ein und desselben Rovings nebeneinander und parallel zueinander abgelegt sind, wobei jeweils nebeneinander liegende Längsabschnitte in der Längserstreckung des Rovings hintereinander liegende Längabschnitte sind, so dass sich ein mäanderförmiger oder serpentinenförmiger Verlauf des Rovings ergibt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Temperatur-Ermittlung und eine Ermittlung der Integrität der Heizschicht durch permanente Messung des Laststroms der einen Lastwiderstand darstellenden Heizschicht. Bei einer Temperaturerhöhung der Heizschicht aufgrund des Stromflusses durch den Lastwiderstand steigt der Laststrom an, da der elektrische Gesamtwidersand der Heizschicht kleiner wird Dies führt zu einem progressiven Temperaturanstieg der Heizschicht. Zur Detektion der Integrität der Heizschicht oder von Strukturschäden zum Zwecke eines Structural Health Monitoring erfolgt durch Messung des Gesamtwiderstands der Heizschicht, der sich erhöht, wenn die Struktur der Heizschicht schadhaft ist, da dann der Querschnitt derselben lokal geringer ist.
Das Messen der Temperatur der Heizschicht und der Integrität der Heizschicht kann alternativ oder zusätzlich durch Anlegen einer Messspannung oder mittels einer in der Heizschicht integrierten Messleitung ML erfolgen (4 und 5).
Bei der Ausführungsform der 2 ist eine Energieversorgungs-Vorrichtung E11 mit einer Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Messspannung U_Mess und einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Lastspannung U_Last vorgesehen, die mit zwei elektrischen Anschlussvorrichtungen A11-1, A11-2 an die Heizschicht angeschlossen ist. In analoger Weise sind bei der Ausführungsform der 3 zur Versorgung von drei Heizschichten drei Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 jeweils mit einer Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Messspannung U_Mess und einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Lastspannung U_Last vorgesehen, die jeweils mit zwei elektrischen Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2; A11-1, A11-2; A12-1, A12-2 an die Heizschichten 10, 11, 12 angeschlossen sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Heizsystems 1 weist dieses weiterhin auf: eine mit der Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung und der Messspannungs-Versorgungsvorrichtung gekoppelte Ansteuerungsvorrichtung, die diese zur Aufbringung der Lastspannung und der Messspannung ansteuert, und die eine Ansteuerungsfunktion aufweist, mit der die Lastspannung auf Null gefahren, d. h. zumindest auf einen bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren vernachlässigbaren geringen Wert gefahren wird und anschließend die Messspannung angelegt wird. Die die Messvorrichtung ist dabei insbesondere zur Messung einer durch die Messspannung verursachten Widerstand vorgesehen. Die Zeitpunkte des Anlegens der Lastspannung und der Messspannung können insbesondere nach einer konstanten Frequenz vorgesehen sein.
In einem Anwendungsfall kann das Strukturbauteil, auf dem die Heizschichten des erfindungsgemäßen Heizsystems angeordnet werden, das Bauteil eines Flugzeugs sein, so dass das erfindungsgemäße Heizsystem bzw. die Heizschicht insbesondere zur Verhinderung einer Vereisung der Oberfläche des Strukturbauteils reduzieren oder verhindern kann. Das Strukturbauteil kann insbesondere ein von der Luftströmung umströmter aerodynamischer Körper des Flugzeugs, wie z. B. ein Flügel, eine Flügelklappe, eine Vorderkantenklappe, eine Flosse oder ein Seitenleitwerk sein. Insbesondere kann der aerodynamische Körper oder die Oberfläche, auf der die Heizschicht aufgebracht werden kann, eine der Strömung zugewandte Oberfläche oder eine mit einer solchen in Verbindung stehenden Oberfläche sein (1). Das Flugzeug kann generell ein Starrflügler oder ein Drehflügler sein. Dabei kann die Heizschicht auch auf der Oberfläche eines Propellers oder eines Rotors aufgebracht sein.
In der 1 ist beispielartig für diese Anwendungen eine Vorderkantenklappe eines Flugzeugs dargestellt. Auf einer Oberfläche 3 des Bauteils 1 oder eines Basiskörpers 4, das im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schalenteil 4 der Vorderkantenklappe 1 ist, sind zwei Heizschicht-Anordnungen H1, H2 mit jeweils einer Basis-Heizschicht 10 und einer Mehrzahl von innerhalb der Basis-Heizschicht 10 angeordneten inneren Heizvorrichtungen oder Zusatz-Heizschichten 11, 12 integriert. Die Basis-Heizschicht 10 und die zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11 sind als elektrothermische Heizschichten gestaltet, so dass diese zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet und bei einer entsprechenden Bestromung Wärme erzeugen. Um die Basis-Heizschicht 10 und die zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11 bei einer Anordnung auf einem zu beheizenden Strukturbauteil elektrisch gegenüber dem Strukturbauteil zu isolieren, ist zwischen der Basis-Heizschicht 10 und der zumindest einen Zusatz-Heizschicht 11, 12 eine elektrisch isolierende Isolations- oder Trennvorrichtung 20 angeordnet. Weiterhin sind Isolations- oder Trennvorrichtungen 20 zwischen benachbarten Abschnitten eines Bandes B von Rovingen R innerhalb einer Basis-Heizschicht 10 oder eine Zusatz-Heizschicht 11, 12 vorgesehen (2 und 3). Die Isolations- oder Trennvorrichtungen 20 können auch Teil des Strukturbauteils sein, auf dem die Basis-Heizschicht 10 und die Zusatz-Heizschichten 11, 12 angeordnet ist, selbst sein oder separate Teile sein. Die Isolations- oder Trennvorrichtungen können aus Glas gebildet sein. Weiterhin sind sämtliche Heizschichten 10, 11, 12 auf einer Isolationsschicht angeordnet, so dass der in den Heizschichten fließende Heizstrom gegenüber dem Teil des Bauteils 1 isoliert, auf dem die Heizschichten 10, 11, 12 angeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel sind sechs Rovinge R nebeneinander auf dem Trägermaterial abgelegt und mit diesem strukturell integriert. Die Rovinge R liegen entlang ihrer gesamten Längserstreckung nebeneinander, d. h. es liegt kein Längsabschnitt eines Rovings R in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen oberhalb oder unterhalb eines Längsabschnitts eines anderen Rovings R desselben Bands B von Rovingen. Die Rovinge R verlaufen parallel zueinander und mäanderförmig in der Heizschicht 11. In diesem mäanderförmigen Ablagemuster, in dem das Band B von Rovingen R in der Ausführungsform nach der 2 angeordnet ist, bilden sich parallel zueinander verlaufende Längsabschnitte 11a, 11b, 11c, 11d, 11e des Bandes B von Rovingen R ausbilden. Das Band B von Rovingen R ist an seinen Enden mit einem Anschlussstück A11-1 bzw. A11-2 verbunden, das jeweils wiederum mit einer Leitung L11-1 bzw. L11-2 an eine Strom- oder Spannungsversorgung E angeschlossen ist. Somit kann die Heizschicht 11 durch die Energieversorgungs-Vorrichtung E bestromt werden, so dass die Heizschicht 11 entsprechend dieser Bestromung Wärme an das Bauteil und an dessen Umgebung abgeben kann.
Das Schalenteil 4 kann insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff (FVW) oder einem Faserverbund-Kunststoff (FVK) gebildet sein. Die je nach Ausführungsform vorgesehenen Heizschichten sind auf einer elektrisch nicht-leitenden Schicht angeordnet, so dass die Heizschichten gegenüber den übrigen Abschnitten des Schalenteils isoliert ist.
Die Heizschichten 10, 11, 12 können generell als gesondertes Teil auf dem Bauteil aufgebracht sein oder einstückig mit diesem hergestellt sein. Dabei kann das Bauteil zumindest im Bereich der Heizschicht die Heizschicht aus einem Kohlefaser-Halbzeug gebildet sein. In einem weiteren Verfahrensschritt können die Halbzeuge durch ein Harz-Injektionsverfahren oder Infusionsverfahren zu einem einheitlichen oder einstückigen Bauteil hergestellt sein.
Die an dem zu beheizenden Strukturbauteil angeordneten Isolationsschichten können insbesondere aus Glas, Aramid oder Kunststoffen und insbesondere aus einem Glasfaser-Kunststoff (GFK) gebildet sein. Weiterhin können die Isolationsschichten miteinander verbunden sein oder auch eine einheitliche Isolationsschicht bilden. Auch können die Isolationsschichten oder einzelne der Isolationsschichten jeweils integraler Bestandteil des zu beheizenden Strukturbauteils sein. Dabei können die Isolationsschichten einzeln oder insgesamt oder kann eine Isolationsschicht einheitlich oder einstückig mit dem zu beheizenden Strukturbauteil gebildet und insbesondere hergestellt sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zu beheizende Strukturbauteil oder ein Schalenbauteil desselben aus einem elektrisch nicht-leitenden Material und dabei insbesondere aus einem Glasfaser-Kunststoff (GFK), einem Faserverbund-Werkstoff (FVW) oder Faserverbund-Kunststoff (FVK) oder einem metallischen Material gebildet ist. Dabei kann das zu beheizende Strukturbauteil oder das Schalenbauteil desselben selbst die Isolationsschicht sein oder die Isolationsschichten aufweisen.
Die zumindest eine auf dem Bauteil angeordnete Heizschicht ist vorzugsweise aus Kohlenstoff-Material gebildet, die über elektrische Anschlussvorrichtungen elektrisch angeschlossen sind und bei dem Anliegen einer entsprechenden Spannung Strom führen, so dass diese entsprechend erwärmt werden können. Insbesondere kann die zumindest eine Heizschicht aus elektrisch leitfähigen Rovingen in einer vorbestimmten Struktur und Dichte oder einem Bündel oder einem Verbund oder Band von Rovingen gebildet sein.
Unter ”Roving” wird in diesem Zusammenhang ein Bündel aus endlosen Kohlenstoff-Filamenten oder elektrisch leitenden Kabeln verstanden, die in dem Roving unverdreht und/oder gestreckt sein können. Die Kabel können dabei insbesondere aus mittels Glasfasern ummantelten elektrischen wie z. B. metallischen Leitern gebildet sein. Die elektrisch leitenden Einzel-Filamente können aus Kohlenstoff-Filamenten und/oder Kohlenstoff-Fasern und/oder metallischen Legierungen und/oder aus Glasfasern mit z. B. metallischer Beschichtung gebildet sein. Auch können die Rovings insbesondere ausschließlich aus Fasern und insbesondere Kohlenstofffasern gebildet sein. Die Rovinge können mit oder ohne Matrix-Material versehen sein. Dabei können für die erfindungsgemäß verwendeten Rovings Materialien in Form von Endlos-Rovingen, Endlos-Garnen, Endlos-Zwirnen, Endlos-Schnüren, Endlos-Gewirke, Endlos-Webware, Endlos-Kordeln oder Endlos-Maschenware verwendet werden. Solche Endlos-Rovinge können zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren auf Spulen oder Trommeln aufgewickelt sein, um Rovinge zur Anwendung für das erfindungsgemäße Verfahren in geeigneten Längenabschnitten von diesen zu entnehmen.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein „Roving” nach der Erfindung auch aus mehreren Rovingen gebildet sein, die in diesen Fällen Unter-Rovinge sind. Insbesondere können dabei die Unter-Rovinge miteinander verflochten oder verdrillt sein. Eine derartige Kombination aus einer Mehrzahl von Unter-Rovingen, die nicht in einer ebenen Lage verlaufen müssen, wird in diesem Zusammenhang als „Bündel von Rovingen” verstanden.
Die Rovinge können in verschiedener Weise auf der jeweiligen Isolationsschicht abgelegt sein. Dabei können die Rovinge derart auf den Isolationsschichten abgelegt sein, dass die Oberflächen der Rovinge die flächige Erstreckung der Isolationsschichten möglichst ausfüllt, während gleichzeitig die einzelnen Abschnitte der Rovinge durch zwischen diesen gelegenes nicht leitendes Material und insbesondere Glas-Gewebe oder Kunststofffolie voneinander isoliert sind.
Zur Bildung der Heizschicht Rovinge können als einzelne Rovinge oder als zumindest ein Verbund oder als zumindest ein Band von Rovingen angeordnet sein. Unter „Band von Rovingen” wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung von in ihrer Längsrichtung nebeneinander verlaufenden Rovingen verstanden, die somit an keinem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind. Unter „Verbund von Rovingen” wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung von in ihrer Längsrichtung nebeneinander oder auch übereinander verlaufenden Rovingen verstanden, die somit an zumindest einem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind.
Innerhalb der Heizschicht können sich Rovinge abschnittsweise überlappen, d. h. dass Längsabschnitte der Rovinge in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sein können. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch sind die Rovinge zur Bildung einer Heizschicht derart angeordnet, dass die Rovinge an keinem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind.
Mit den in Bezug auf die Längsrichtung des Rovings gelegenen Endstücken desselben kann jeweils ein elektrisch leitendes Verbindungsstück verbunden sein, mit denen wiederum die elektrischen Leitungen L verbunden und an der Energieversorgungs-Vorrichtung angeschlossen sind. Dadurch kann mit der Steuerungsfunktion der Energieversorgungs-Vorrichtung Strom mit vorbestimmter Stromstärke und vorbestimmtem zeitlichem Verlauf durch den Roving fließen, um diese und somit das Bauteil, auf dem der Roving angeordnet sind, zu erwärmen. Grundsätzlich können in Dickenrichtung des Bauteils gesehen mehrere Rovinge übereinander angeordnet sein, die parallel zueinander oder auch gegensinnig zueinander verlaufen können.
Die Rovinge oder das zumindest eine Bündel oder Band von Rovingen können bzw. kann parallel zueinander und schwingungsförmig verlaufen. Grundsätzlich können in Dickenrichtung des Bauteils gesehen mehrere Rovinge übereinander angeordnet sein, die parallel zueinander oder auch gegensinnig zueinander verlaufen können. Andere Formen, in denen Rovinge oder zumindest ein Bündel oder Band von Rovingen zur Bildung einer Heizschicht eines Heizsystems angeordnet sein können bzw. kann, sind nach den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls vorzusehen.
Wie in den 2, 3, 4 und 5 dargestellt ist, weist das jeweils dargestellte Heizsystem S, S10, S11, S12 eine Energieversorgungs-Vorrichtung mit einer Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Messspannung U_Mess und einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Lastspannung U_Last auf, die über Leitungen L mit zwei elektrischen Anschlussvorrichtungen an die Heizschicht angeschlossen ist. So weist das in den 2 und 4 dargestellte Heizsystem S11 eine Energieversorgungs-Vorrichtung E11 mit einer Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Messspannung U_Mess und einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Lastspannung U_Last auf, die mit zwei elektrischen Anschlussvorrichtungen A11-1, A11-2 an die Heizschicht angeschlossen ist. In analoger Weise sind bei der Ausführungsform der 3 und 5 zur Versorgung von drei Heizschichten drei Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 jeweils mit einer Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Messspannung U_Mess und einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zur Erzeugung der Lastspannung U_Last vorgesehen, die jeweils mit zwei elektrischen Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2; A11-1, A11-2; A12-1, A12-2 an die Heizschichten 10, 11, 12 angeschlossen sind.
Die Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 sind derart ausgeführt, dass diese eine Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Aufbringen einer Messspannung aufweisen, die über Messleitungs-Anschlüsse an den elektrischen Leiter angeschlossen ist. Bei den Ausführungsformen der 2 und 3 wird an die jeweilige Heizschicht die Messspannung und die Lastspannung zeitlich hintereinander angelegt, so dass eine Messung des Widerstands dann erfolgt, wenn in der jeweiligen Heizschicht die Messspannung anliegt. Da in die Heizschichten der Ausführungsformen der 4 und 5 eine eigene Messleitung ML integriert ist, kann an die jeweilige Heizschicht die Messspannung auch dann angelegt werden, wenn die Lastspannung an die jeweiligen Heizschicht angelegt ist. Die Messvorrichtung ist zur Messung einer durch die Messspannung verursachten Stromstärke in der Messleitung vorgesehen. Die dabei verwendete Messspannung kann insbesondere geringer als 1/10 der Spannung zum Erwärmen der Heizschicht 10, 11, 12 sein.
Bei den in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen, die in ihrem Aufbau den Heizschichten der 2 bzw. 3 entsprechen, ist in die Heizschicht 10, 11 bzw. 12 jeweils eine elektrische Leitung ML zum Zwecke der Messung des Widerstands oder einer Veränderung des Widerstands eingelegt oder integriert. In den Figuren sind zur besseren Veranschaulichung die Bänder B der Heizschichten ohne die Rovinge R dargestellt. Das Heizsystem nach diesem Ausführungsbeispiel ist also aus zumindest einer elektrothermischen Heizschicht gebildet, wobei in der zumindest einen elektrothermischen Heizschicht eine elektrische Messleitung gelegen ist, die in der Heizschicht integriert ist.
Die Messleitung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele kann durch einen einzelnen elektrischen Leiter, einem Roving, einem Bündel oder Band von Rovingen gebildet sein.
Bei der Verwendung einer Kombination von Heizsystemen wie in der 5 dargestellt muss nicht in jeder Heizschicht eine Messleitung ML integriert sein. Je nach Anwendungsfall kann auch nur in einer oder in mehreren der Heizschichten jeweils eine Messleitung ML integriert sein.
Die dargestellten Heizsysteme sind als ebene Heizschichten dargestellt, weisen jedoch ach einer Aufbringung auf ein Struktur-Bauteile eine beliebige dreidimensionale Gestalt auf. In der Ausführungsform der Kombination aus jeweils einer Basis-Heizschicht 10 und zwei Zusatz-Heizschichten 11, 12 nach den 3 und 5, die in der 4 gezeigt ist, sind die äußere Heizvorrichtung 10 und die zwei Zusatz-Heizschichten 11, 12 rechteckförmig gebildet. Generell können diese Heizvorrichtungen auch eine andere Form haben und z. B. rund oder elliptisch geformt sein. Die Heizschichten 10, 11, 12 sind jeweils an eine Energieversorgungs-Vorrichtung E10, E11 bzw. E12 angeschlossen und bilden jeweils ein Heizsystem S, S10, S11 bzw. S12.
Im Einzelnen ist die Basis-Heizschicht 10 über elektrische Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2 an die Energieversorgungs-Vorrichtung E10 angeschlossen, wobei die elektrischen Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2 die Rovinge R an den Enden des Bandes B elektrisch verbinden. Mittels Leitungen werden die Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2 mit der Energieversorgungsvorrichtung E10 verbunden. In analoger Weise sind auch die Rovinge R an den Enden des Bandes B der zwei Zusatz-Heizschichten 11, 12 mittels jeweils einer elektrischen Anschlussvorrichtung A11-1, A11-2 bzw. A12-1, A12-2 verbunden, die jeweils über elektrische Leitungen an die jeweils zugeordneten Energieversorgungs-Vorrichtung E11, E12 angeschlossen sind.
Mittels der Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 kann an jedes der Heizsysteme S10, S11, S12 unabhängig voneinander eine Lastspannung angelegt werden, die in jeder jeweils zugehörigen Heizschicht 10, 11 bzw. 12 einen elektrischen Heizstrom mit unterschiedlichen und voneinander unabhängigen Stromstärken bewirken. Das aus den Heizsystemen S10, S11, S12 gebildete Gesamt-Heizsystem S kann somit die Oberfläche 3 des Bauteils 1 hinsichtlich der Heizleistung und auch in zeitlicher Hinsicht bereichsweise unterschiedlich angesteuert werden. Dabei können die Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 insbesondere derart ausgeführt sein, dass an die Zusatz-Heizschichten 11, 12 relativ kurzzeitig und relativ hohe Lastspannungen angelegt und an die Basis-Heizschicht 10 über relativ langen Zeitspannen und relativ geringe Lastspannungen angelegt werden. Mit einer solchen System-Auslegung kann erreicht werden, das relativ große Flächen auf energetisch effiziente Weise mit relativ großem Heizeffekt beheizt werden können. Ein Anwendungsfall ist dabei insbesondere die Enteisung oder die Verhinderung einer Vereisung von Oberflächen von aerodynamischen Körpern.
Die Basis-Heizschicht 10 und/oder die zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11, 12 kann auf der Innenseite oder der Außenseite des zu beheizenden Strukturbauteils 1 oder eines Schalenteils 4 des zu beheizenden Strukturbauteils angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Basis-Heizschicht 10 auf der Außenseite eines Strukturbauteils oder Schalenteils angeordnet ist und zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11, 12 auf der Innenseite des Schalenteils angeordnet ist, und umgekehrt.
Bei der Verwendung von Rovingen können auch andere Ablagemuster oder Anordnungen von Rovingen oder zumindest eines Bandes oder Verbundes von Rovingen zur Bildung einer Heizschicht 10, 11, 12 vorgesehen sein. Durch ein Ablagemuster ist auch eine Streckenlänge für das jeweilige Roving bzw. das jeweilige Bündel oder Band von Rovingen und somit ein spezifischer elektrischer Widerstand derselben gegeben. Beispielartig sind verschiedene Ablagemuster in den 4 bis 6 dargestellt. In dem Beispiel der 4 ist eine Roving-Anordung 30 mit sechs Rovingen 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f geradlinig und parallel nebeneinander abgelegt, wobei zwischen den Rovingen, d. h. quer zu deren Längserstreckung jeweils ein Abstand 37 als Isolationsbereich vorgesehen ist. Die Rovinge sind an ihren Enden mit einem diese elektrisch kontaktierenden und verbindenden Verbindungs- oder Anschlussstück 35a bzw. 35b verbunden, das jeweils wiederum mit einer Leitung 36a bzw. 36b an eine Strom- oder Spannungsversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Stattdessen kann auch vorgesehen sein, mehrere Bündel oder Bänder von Rovingen nebeneinander als Bestandteile einer Heizschicht anzuordnen, die dann insbesondere voneinander beabstandet sind. Das Bündel oder Bänder von Rovingen kann in verschiedenen Gestaltungen zur Bildung der Heizschicht abgelegt sein. In der 5 ist eine Anordnung 40 von Bündel oder Bänder 41 von Rovingen als Teil einer Heizschicht dargestellt, die entlang ihrer Längsrichtung sinusförmig und parallel zueinander verlaufen. Weiterhin zeigt die 6 zwei Heizschichten H-A, H-B mit jeweils einer mäanderförmigen Ablage jeweils einer Anordnung 60a, 60b eines Bandes 61 von Rovingen als Bestandteil der jeweiligen Heizschicht. Die Bänder 61 von Rovingen sind elektrisch seriell geschaltet, da jeweils ein Ende 65b, 65c der Bänder 61a, 61b über eine Verbindungsleitung 66 elektrisch miteinander verbunden sind und das jeweils andere Ende 65a, 65d der Bänder 61a, 61b jeweils über eine elektrische Verbindungsleitung 67a, 67b an eine Strom- oder Spannungsversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
Die elektrischen Anschlussvorrichtung A10-1, A10-2, A11-1, A11-2 und A12-1, A12-2 sehen eine Kontaktierung der Kohlenstofffasern der abgelegten elektrisch leitenden Materials mit den zu den Energieversorgungs-Vorrichtungen führenden Leitungen vor. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Verbindung eines metallischen Kontaktkörpers mit den Endabschnitten der elektrisch leitenden Rovinge R realisiert ist, die an der Randseite oder dem Randquerschnitt enden und Endflächen haben. Beispielsweise sind die Rovings derart auf das Trägerteil aufgelegt, dass sich deren Enden zu ihrer Kontaktierung über das Trägerteil hinaus erstrecken. Hierbei wird ein stromleitender und insbesondere metallischer Kontaktkörper mit den mit Endabschnitten der elektrisch leitenden Rovings elektrisch verbunden. Der Kontaktkörper kann insbesondere plattenförmig oder folienförmig gebildet sein, so dass verhindert wird, das bei der Einspeisung von Strom in die elektrisch leitenden Rovings lokal zu große elektrische Übergangswiderstände und die damit verbundenen lokal hohen Spannungsabfälle auftreten. Der Kontaktkörper kann insbesondere eine Kupferfolie sein. Die Verbindung des Kontaktkörpers mit den elektrisch leitenden Rovingen kann durch einen Metall enthaltenden Klebstoff erfolgen. Dabei kann das im Klebstoff enthaltene Metall aus Metall-Partikel bestehen. Der Trägerstoff des Klebstoffs kann insbesondere aus einem elektrisch leitenden Polymer gebildet sein.
Nach einem weitern Aspekt der Erfindung kann die Auswertungs-Vorrichtung zur Ermittlung des elektrischen Widerstands der Heizschicht 10, 11, 12 in einer Flugsteuerungs-Vorrichtung integriert sein. Dabei kann die Messvorrichtung funktional mit einer Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung in Verbindung stehen, die eine Vergleichsfunktion aufweist, die Temperaturwerte mit zumindest einem Vergleichswert vergleicht und einen Signalwert an eine Systemfunktion sendet, wenn der Grenzwert erreicht oder unterschritten wird. Der Grenzwert kann insbesondere einem unteren Temperaturwert entsprechen, der derart definiert ist, dass bei dieser Temperatur, Geschwindigkeit und bestimmten Luftparametern eine Eisbildung an der Außenfläche 5 des Schalenteils 4 möglich oder wahrscheinlich ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung eine Überwachungsfunktion aufweisen, die zur Ermittlung der Möglichkeit einer Eisbildung an der Außenfläche 5a derart gestaltet ist, dass diese Luftdaten und insbesondere die Außentemperatur, die Flughöhe und/oder den Luftdruck empfängt und mit den Sensorwerten einen Wahrscheinlichkeits-Grenzwert für eine Eisbildung ermittelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung eine Vergleichsfunktion auf, die den ermittelten Wahrscheinlichkeitswert für eine Eisbildung mit einem Soll-Wahrscheinlichkeitswert für eine Eisbildung für die maximal zulässige Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung vergleicht und bei Überschreiten des Soll-Wahrscheinlichkeitswerts einen Signalwert als Warnsignal an eine Systemfunktion wie z. B. ein Flugsteuerungssystem oder eine Cockpitanzeige sendet. Die Cockpitanzeige kann derart gestaltet sein, dass diese dem Piloten anzeigt, dass der Flugzustand geändert werden sollte und dabei z. B. die Flughöhe verringert werden muss, um ein Vereisen des Schalenteils 5 zu verhindern.
Bei der Verwendung zumindest eines Heizsystems an dem Bauteil 1 nach den vorgenannten Ausführungsbeispielen kann die mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional gekoppelte Systemfunktion weiterhin als Regelfunktion zur Regelung der Temperatur der jeweiligen Heizschicht bzw. des erfassten Bereichs des Schalenteils 5 gestaltet sein. Dabei empfängt die Systemfunktion von der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung die Temperaturwerte, die aus ermittelten Widerstandswerten ermittelt wurden, und vergleicht diese mit eine Referenzwert oder einer Temperatur als Regelgröße. Dieser Referenzwert oder Temperaturwert liegt oberhalb einer Temperatur, bei der eine Eisbildung am Schalenteil 5 auftreten kann oder diese vermieden werden kann. Die Regelfunktion ist mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional verbunden und empfängt von dieser die Temperaturwerte als Eingangsgröße, die aus ermittelten Widerstandswerten ermittelt wurden. Weiterhin steuert die Regelfunktion die Energieversorgungs-Vorrichtung derart an, dass die zumindest eine Heizschicht derart erwärmt wird, dass die jeweilige Heizschicht oder der jeweilige Bereich des Schalenteils eine Soll-Temperatur möglichst einhält. Die Regelfunktion erzeugt somit auf der Basis einer Soll-Temperatur für die jeweilige Heizschicht dementsprechende Kommandosignale, die an die jeweilige Energieversorgungs-Vorrichtung übermittelt werden, die in entsprechender Weise die zumindest eine Heizschicht bestromt. Bei dem Vorhandensein mehrere Heizschichten können auch mehrere Heizschichten angesteuert werden, um die Temperatur der jeweiligen Heizschicht zu regeln.
Bei der Verwendung zumindest eines Heizsystems nach den vorgenannten Ausführungsbeispielen kann die Systemfunktion weiterhin derart gestaltet sein, dass diese in dem Fall, in dem die Heizvorrichtung eingeschaltet ist und zugleich der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil 5 entsprechende Grenzwert überschritten wird, ein Warnsignal ausgibt. Die Heizvorrichtung kann derart gestaltet sein, dass diese verschiedene Heizstufen, d. h. verschiedene Stufen an freigebender Wärmeleistung erzeugen kann. In diesem Fall kann die Systemfunktion insbesondere derart ausgeführt sein, dass das Warnsignal bei dem Vorliegen der höchsten Heizstufe der Heizvorrichtung, bei der die maximale Wärmeleistung erzeugt wird, und dem gleichzeitigen Überschreiten des einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil 5 entsprechende Grenzwerts erzeugt wird. Das Warnsignal kann an eine Flugführungsanzeige gesendet werden und diese kann derart ausgeführt sein, dass diese eine Empfehlung z. B. im Flight Director, für den Piloten erzeugt, nach der das Flugzeug in einen Flugzustand gebracht wird, in der die Eisbildung am Flügel vermieden wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Warnsignal an eine Flugsteuerungsvorrichtung gesendet werden, die eine Steuerungsfunktion aufweist, durch die das Flugzeug in einen Flugzustand gebracht wird, in der die Eisbildung am Flügel vermieden wird.
Das Warnsignal kann bedeuten, dass der elektrothermische Heizkörper defekt ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann deshalb vorgesehen sein, dass die Überwachungsfunktion ermittelt, ob die atmosphärischen Bedingungen bei dem Ausfall des elektrothermischen Heizkörpers eine kritische Situation für das Flugzeug bedeuten können. Hierbei kann vorgesehen sein, dass in einer Bewertungsfunktion die Flughöhe und optional die gemessene Luft-Temperatur verwendet wird. Falls die Anwendung der Bewertungsfunktion ergibt, dass sich aus der unzulässigen (d. h. zu hohen) Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung eine kritische Flugsituation ergeben kann, wird eine Warnung an das Flugsteuerungssystem oder an die Cockpitanzeige geschickt, die dem Piloten Handlungsempfehlungen anzeigt, mit denen er das Flugzeug in einen sichereren Flugzustand bringen kann. Dabei kann z. B. angezeigt werden, dass der Flugzustand und dabei insbesondere die Flughöhe verringert werden muss, um ein Vereisen des Flügels zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine automatische Steuerungsfunktion realisiert sein, die diese Maßnahmen automatisch umsetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5824996 [0003]
- US 2006/0278631 A1 [0004]
- DE 10151298 A1 [0005]

Claims

Heizsystem (S, S10, S11, S12) mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12) (10; 11, 12), das Heizsystem (S, S10, S11, S12) weiterhin aufweisend: • eine Energieversorgungs-Vorrichtung (E10, E11, E12) mit einer Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Anlegen einer Lastspannung zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12), wobei die Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung mit einer elektrischen Anschlussvorrichtung (A10-1, A10-2; A11-1, A11-2; A12-1, A12-2) an die Heizschicht (10, 11, 12) angeschlossen ist, • eine Messvorrichtung zur Messung einer Stromstärke aufweist, wenn die Lastspannung aufgebracht wird, und • eine Auswertungs-Vorrichtung zur Ermittlung des elektrischen Widerstands der Heizschicht (10, 11, 12) aufgrund der gemessenen Stromstärke.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungs-Vorrichtung eine Funktion aufweist, mit der aufgrund des elektrischen Widerstands der Heizschicht (10, 11, 12) die Ermittlung der Temperatur der Heizschicht (10, 11, 12) ermittelt wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungs-Vorrichtung eine Funktion aufweist, mit der aufgrund des elektrischen Widerstands der Heizschicht (10, 11, 12) die Integrität der Heizschicht (10, 11, 12) ermittelt wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, • dass die Energieversorgungs-Vorrichtung (E10, E11, E12) eine Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Aufbringen einer Messspannung, die geringer ist als die Spannung zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12), aufweist, wobei die Messspannungs-Versorgungsvorrichtung mit einer elektrischen Anschlussvorrichtung (A10-1, A10-2; A11-1, A11-2; A12-1, A12-2) an die Heizschicht (10, 11, 12) angeschlossen ist, • dass das Heizsystem (S, S10, S11, S12) weiterhin aufweist: eine mit der Lastspannungs-Versorgungsvorrichtung und der Messspannungs-Versorgungsvorrichtung gekoppelte Ansteuerungsvorrichtung, die diese zur Aufbringung der Lastspannung und der Messspannung ansteuert und die eine Ansteuerungsfunktion aufweist, mit der die Lastspannung auf Null gefahren wird und anschließend die Messspannung angelegt wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich abwechselnd die Lastspannung zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12) und die Messspannung zum Messen des Widerstands der Heizschicht (10, 11, 12) durchgeführt wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich abwechselnd eine Lastspannung durch den ersten Energieversorgungs-Teil (25) zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12) und eine Messspannung durch den zweiten Energieversorgungs-Teil (26) zum Messen des Widerstands der Heizschicht (10, 11, 12) erzeugt wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannung unter 5 Volt liegt.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, • dass in der zumindest einen elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12) eine elektrische Messleitung gelegen ist, die in der Heizschicht (10, 11, 12) integriert ist, • dass die Energieversorgungs-Vorrichtung (E10, E11, E12) eine Messspannungs-Versorgungsvorrichtung zum Aufbringen einer Messspannung aufweist, die über Messleitungs-Anschlüsse an den elektrischen Leiter angeschlossen ist, • dass die Messvorrichtung zur Messung einer durch die Messspannung verursachten Stromstärken der Messleitung vorgesehen ist.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Messspannung geringer als 1/10 der Spannung zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12) ist.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung funktional mit einer Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung in Verbindung steht, die eine Vergleichsfunktion aufweist, die Temperaturwerte mit zumindest einem Vergleichswert, der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil (4) entspricht, vergleicht und einen Signalwert an eine Systemfunktion sendet, wenn der Grenzwert erreicht oder überschritten wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemfunktion derart gestaltet ist, dass diese die Erwärmung der Heizschicht (10, 11, 12) stoppt, wenn der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entsprechende Grenzwert überschritten wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem derart gestaltet ist, dass dieses verschiedene Heizstufen für die zumindest eine zugehörige Heizschicht erzeugen kann, und die Systemfunktion derart ausgeführt ist, dass das Warnsignal bei dem Vorliegen zumindest einen vorgegebenen Heizstufe, bei der die maximale Wärmeleistung erzeugt wird, und dem gleichzeitigen Überschreiten des einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil (4) entsprechende Grenzwerts erzeugt wird.
Heizsystem (S, S10, S11, S12) nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelfunktion zur Regelung der Temperatur des Schalenteils (5) vorgesehen ist, die mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional verbunden ist und von dieser die ermittelten Temperaturwerte als Eingangsgröße empfängt, wobei die Regelfunktion auf der Basis einer Soll-Temperatur Kommandosignale an die Energieversorgungs-Vorrichtung erzeugt.
Strukturbauteil insbesondere eines Flugzeugs mit einem Schalenteil (4), das eine umströmte Außenfläche (5) aufweist, weiterhin aufweisend ein Heizsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Verfahren zum kontrollierten Beheizen eines Heizsystems (1) mit zumindest einer elektrothermischen Heizschicht (10, 11, 12) mit den Schritten: • in einer Heizphase Anlegen einer Lastspannung an die Heizschicht (10, 11, 12) zum Erwärmen der Heizschicht (10, 11, 12), • während oder außerhalb der Heizphase Anlegen einer Messspannung an die Heizschicht (10, 11, 12), die geringer ist als die Lastspannung, • Messung einer Stromstärke-Änderung, die aufgrund des Anlegens der Messspannung auftritt,
Verfahren nach dem Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Ermittlung der Temperatur der Heizschicht (10, 11, 12) aufgrund der Stromstärke-Änderung, die durch das Anlegen der Messspannung auftritt, vorgenommen wird.
Verfahren nach dem Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Ermittlung der Integrität der Heizschicht (10, 11, 12) aufgrund der Stromstärke-Änderung, die durch das Anlegen der Messspannung auftritt, vorgenommen wird.