DE2746342C3 - Meßfühler für Luftwerte mit einer Enteisungsheizung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler für Luftwerte mit einer Enteisungsheizung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiger Meßfühler ist aus der GB-PS 13 71 709 bekannt­ geworden. Bei diesem Meßfühler wird eine Mehrzahl von räumlich verteilten PTC-Heizelementen aufgeheizt, um der Vereisungsgefahr des Meßfühlers vorzubeugen. Hierbei sind die PTC-Heizelemente torusförmig ausgebildet und befinden sich hintereinander in einem Rohr, das zugleich zur Abstützung der Heizelemente dient. Die Heizelemente befinden sich je im Abstand voneinander und sind unmittelbar an der inneren Umfangsfläche des Rohres angebracht, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten.

Es zeigte sich jedoch, daß eine derartige Anordnung, die für eine gleichmäßige Wärmeverteilung geeignet ist, nur dann realisierbar ist, wenn der Meßfühler aus einem zu erwärmenden Rohr besteht. Die PTC-Heizelemente neigen nämlich andernfalls zum Brechen, insbesondere, wenn sie in Blockform ausgebildet sind.

Ferner ist aus der US-PS 38 24 328 das Vergießen von PTC-Heiz­ elementpackungen bekannt, wobei zwei Materialschichten für das Vergießen verwendet werden, um eine Reaktion zwischen der ei­ gentlichen Vergußmasse in Form von Epoxid-Harz und dem Material des PTC-Heizelementes zu verhindern.

Beim zweischrittigen Vergießen können jedoch Probleme sowohl hinsichtlich der konstanten Wärmeleitfähigkeit als auch hin­ sichtlich des Eindringens von Feuchtigkeit auftreten, wenn der Vergußvorgang nicht sehr sorgfältig durchgeführt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Meßfühler gemäß dem Ober­ begriff von Anspruch 1 zu schaffen, bei dem die Bruchgefahr praktisch ausgeschlossen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Erfindungsgemäß sind Stützelemente in Form von elektrischen Leiterstreifen vorgesehen, die die PTC-Heizelemente miteinander verbinden. Die Leiterstreifen sind in flexibles, wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Umhüllungsmaterial eingebettet.

Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß bei dem Meßfühler Widerstandsmaterial verwendet werden kann, das einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Das Heizelement ist in das Ge­ häuse bzw. den Körper des Meßfühlers eingebettet. Das Heiz­ element kann aus zahlreichen einzelnen Heizwiderständen in Form flacher Scheiben bestehen, die über flexible, elektrisch leitfähige Leitungen parallel geschaltet sind, die es den einzelnen Scheiben gestatten, sich etwas gegen­ über einander zu bewegen, und es auch ermöglichen, die Scheiben in einem geeigneten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material einzukapseln, das ausreichend nach­ giebig ist, um es den einzelnen Scheiben zu ermöglichen, sich während des Gebrauchs gegenüber dem Meßfühler auszu­ dehnen und zusammenzuziehen. Während des Gebrauchs ver­ ändert sich die Außentemperatur innerhalb eines ziemlich großen Bereichs, so daß die durch die Temperaturschwankungen erzeugten Dimensionsänderungen erheblich sind. Außerdem müssen die unterschiedlichen Dehnungskoeffizienten des PTC-Materials und des Materials des Meßfühlergehäuses ausgeglichen werden. Übliche Widerstandsdraht-Heizelemente können bei Meßfühlern für Luftwerte ungewöhnlich hohe Temperaturen erreichen, wenn ein Flugzeug rollt oder steht, wenn das Heizelement genügend groß ausgelegt ist, um die erforderliche Wärme während aller Betriebsbedingungen bereit­ zuhalten. Die PTC-Widerstandsheizelemente regeln die Tempe­ ratur des Meßfühlers selbsttätig und halten die Temperatur auf einem Pegel, der niedrig genug ist, um konstruktive Veränderungen der Sonde oder des Meßfühlers für die Luft­ werte zu verhindern.

Das verwendete PTC-Widerstandsmaterial ist Bariumtitanat, das ein bekannter keramischer Werkstoff ist, der gute Eigenschaften des positiven Temperaturkoeffizienten entfaltet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, das anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht und auseinander­ gezogen den Meßfühler für Luftwerte in Form eines Flügels mit einem PTC-Heizorgan, das in den Flügel eingesetzt werden soll,

Fig. 2 den Flügel gemäß Fig. 1 teilweise im Quer­ schnitt mit dem in einer Ausnehmung eingesetzten PTC-Heizorgan,

Fig. 3 eine Seitenansicht des PTC-Heizorgans, wobei einzelne Teile weggebrochen sind,

Fig. 4 eine Draufsicht des PTC-Heizorgans gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 einen Querschnitt gemäß Linie 5-5 in Fig. 3.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Meßfühler als Pfeilflügel 12 zur Ermittlung des Anstellwinkels ausge­ bildet. Der Pfeilflügel 12 ist in der Zeichnung ohne Tragkonstruktion dargestellt.

In Fig. 1 ist der Meßfühler für Luftwerte allgemein mit 10 bezeichnet und sein Körper ist als langgestreckter Pfeilflügel 12 ausgebildet, der drehbar an einer nicht dar­ gestellten Tragkonstruktion angeordnet ist, wozu in be­ kannter Weise eine Befestigungsscheibe 11 am unteren Ende des Pfeilflügels 12 befestigt ist. Die Befestigungsscheibe 11 ist in geeigneter Weise an der Tragkonstruktion ange­ schlossen. Der Pfeil­ flügel 12 ist außerhalb des Flugzeugs in der Strömung angeordnet und dient zur Messung des Anstellwinkels des Flugzeugs. Er muß deshalb für den Betrieb enteist werden, und das Heizungsorgan muß genügend Energie abgeben, um das Eis bei hohen Luftströmungsgeschwindigkeiten über den Pfeilflügel 12 bzw. den Fühler 10 hinweg zu schmelzen. Gleichzeitig ist es erwünscht, die maximale Temperatur, der der Meßfühler 10 ausgesetzt ist, zu begrenzen.

Der Pfeilflügel 12 ist mit einem Schlitz 13 versehen, der sich zur Hinterkante 15 des Flügels hin öffnet. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, flieht die Vorderkante 14 von der zentralen Befestigung bzw. der Schwenkachse der Befestigungsscheibe 11 her nach hinten. Die Hinterkante 15 des Flügels 12 flieht ebenfalls nach hinten, jedoch unter einem anderen Winkel als die Vorderkante 14.

Der Schlitz 13 innerhalb des Pfeilflügels 12 ist zur Auf­ nahme eines Heizorgans 16 ausgebildet. Das Heizorgan 16 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Gesamtan­ ordnung von mehreren einzelnen Widerstandselementen aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC). Der Aufbau des Heizorgans 16 ergibt sich am deutlichsten aus Fig. 3 und 4. Einzelne PTC-Heizelemente 17 einer Grundform sind in dem Hauptteil des Heizorgans 16 angeordnet und andere PTC- Heizelemente 18 und 19 befinden sich in dem Bereich des sich verjüngenden Endes des Heizorgans 16. Die Elemente 18 und 19 haben eine geeignete Form, um den niedrigeren Bereich des Schlitzes 13 am äußeren Ende des Pfeilflügels 12 aus­ zufüllen.

Die PTC-Heizelemente 17, 18, 19 bestehen aus flachen Scheiben von im wesentlichen gleicher Stärke. Die ebenen Ober­ flächen der Elemente 17, 18, 19 sind mit einem wärme­ leitenden Material beschichtet. Die Elemente 17, 18, 19 sind durch einen oberen und einen unteren elektrischen Leiterstreifen 22 und 23 parallel geschaltet. Diese Leiter­ streifen 22, 23 haben bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel zahlreiche Öffnungen 24. Die Streifen 22, 23 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen, lötbaren Material, wie Berylliumkupfer.

Die scheibenförmigen Heizelemente 17, 18, 19 und die Leiterstreifen 22, 23 sind zusammengelötet. Die Öffnungen 24 erleichtern den Fluß des Lots direkt zu den Oberflächen der Elemente 17, 18, 19. Bei der Herstellung der PTC-Heiz­ elemente 17, 18, 19 werden die ebenen Oberflächen mit Silber od. dgl. metallisiert, und die Streifen 22, 23 wer­ den an der Silberschicht festgelötet. Beim Löten ist darauf zu achten, daß die Heizelemente 17, 18, 19 nicht beschädigt werden, und es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung üb­ licher Löttechniken und Verwendung geeigneter Fließmittel und Lotlegierungen nicht nur eine zweckmäßige elektrische Verbindung der Streifen 22, 23 mit den Elementen 17, 18, 19, sondern auch eine physikalische Verbindung ermöglicht wird, die eine ausreichende Festigkeit hat, um Erschütterungen und Stößen während des Einsatzes bei einem Meßfühler 10 für Luftwerte standzuhalten.

An jeden der beiden Leiterstreifen 22, 23 ist eine elektri­ sche Leitung 25 an einer geeigneten Stelle angeschlossen. Die Leitungen 25 werden bei der Montage durch eine Bohrung in der Befestigungsscheibe 11 nach außen geführt und innerhalb des Flugzeugs an eine Stromquelle und Steuereinrichtungen angeschlossen.

Nach dem Löten ist es zweckmäßig, die Untergruppe der Heiz­ elemente 17, 18, 19 und der Leiterstreifen 22, 23 in einen Ofen zu legen, um etwaige Lösungsmittel auszutreiben, die von dem Material der Heizelemente 17, 18, 19 absorbiert sein können. Anschließend wird die Untergruppe der Elemente 17, 18, 19 und der Streifen 22, 23 in eine geeignete Form gelegt und in der gewünschten Weise abgestützt. Es wird dann das Umhüllungs­ material 27 um die Untergruppe gelegt. Das Umhüllungs­ material 27 ist ausreichend flexibel, um wärmebedingte Dimensionsänderungen auszugleichen. Es ist wärmeleitend, um die Wärme von den Heizelementen 17, 18, 19 auf den Pfeilflügel 12 in einer gewünschten Geschwindig­ keit zu übertragen, und das Material sollte keine Stoffe enthalten, die das Material des Widerstandselementes be­ einträchtigen. Silikonkautschuk hat sich in dieser Be­ ziehung als zufriedenstellend erwiesen und wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, umschließt das Umhüllungsmaterial 27 die gesamte Untergruppe, wobei das Umhüllungsmaterial 27 auch in die Hohlräume zwischen benachbarten Stirnseiten der PTC- Heizelemente 17, 18, 19 eindringt.

Das Heizorgan 16 wird mit derartigen Abmessungen geformt, daß es in den Schlitz 13 innerhalb des Pfeilflügels 12 einschiebbar ist. Die nach innen weisenden Oberflächen des Schlitzes 13 sind mit einem flüssigen oder fließfähigen Silikonkautschuk beschichtet, der als Bindemittel dient und mit einem erheblichen Überschuß eingebracht ist. An­ schließend wird das aus den Heizelementen 17, 18, 19, den Leiterstreifen 22, 23 und dem Umhüllungsmaterial 27 be­ stehende Heizorgan 16 in den Schlitz 13 hineingedrückt. Der überschüssige, flüssige Silikonkautschuk wird aus dem Schlitz 13 herausgequetscht, wobei er jegliche Luft­ taschen entfernt und den beschriebenen Wärmeübergang zu dem Körper des Meßfühlers 10 ermöglicht. Wenn der Silikon­ kautschuk getrocknet ist, können überschüssige Tropfen oder Spritzer entfernt werden, und die Öffnung des Schlitzes 13 an der Hinterkante 15 des Flügels 12 kann mit einem Abdeckstreifen oder -band verschlossen werden, das nicht dargestellt ist. Die Öffnung des Schlitzes 13 kann mit einem Epoxyharz hermetisch versiegelt werden.

Die elektrischen Leitungen 25 werden durch die Bohrung in der Befestigungsscheibe 11 hindurchgeführt und gegebenenfalls fixiert, bevor das Heizorgan 16 in dem Schlitz 13 ausgerichtet wird.

Die PTC-Heizelemente 17, 18, 19 sind derart ausgewählt, daß sie einen ausreichend hohen Anfangswiderstand haben, um einen zu hohen Stromstoß zu verhindern, wenn das Heizorgan 16 einge­ schaltet wird, aber trotzdem eine Anomalietemperatur auf­ weisen, die unterhalb der Glüh- bzw. Tempertemperatur des Aluminiums liegt, aus dem der Meßfühler 10 hergestellt ist. In ruhiger Luft steigt deshalb die Temperatur des Heiz­ organs 16 bis auf die Anomalietemperatur an, bei der der Widerstand scharf ansteigt, wobei sich die Temperatur des Pfeilflügels 12 des Meßfühlers 10 auf einem gewünschten Pegel einstellt.

Wenn während des Betriebes der Meßfühler 10 bzw. der Pfeilflügel 12 von starken Luftströmungen beaufschlagt ist und zu vereisen beginnt, nimmt die Temperatur des Meßfühlers ab, wodurch der Widerstand des PTC-Heizelementes 17, 18, 19 fällt. Dadurch wird ein höherer Stromverbrauch ausgelöst, der ausreicht, um das Eis zu schmelzen, das sich anderen­ falls ansammeln würde.

Die PTC-Widerstandsheizelemente sind für weite Bereiche von Anomalietemperaturen erhältlich. Auf diese Weise ist die Auswahl einer gewünschten Betriebstemperatur einfach.

Das elektrische Isoliermaterial sollte einen hohen elektrischen Widerstand, eine hohe Durchbruchsspannung, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Flexibilität haben, so daß keine zu hohen mechanischen Beanspruchungen auf die PTC-Heiz­ elemente 17, 18, 19 dadurch ausgeübt werden, daß sich das Heizorgan 16 und der Pfeilflügel 12 unter Wärme unter­ schiedlich ausdehnen. Die Leiterstreifen 22, 23 können sich ebenfalls durchbiegen, so daß die PTC-Heizelemente 17, 18, 19 sich gegenüber den Leiterstreifen 22, 23 und auch gegenüber einander etwas bewegen können. Die Wärmeleitfähigkeit des Umhüllungsmaterials 27 sollte jedoch nicht zu groß sein oder, in anderen Worten, die Elemente 17, 18, 19 sollten nicht in einem zu engen Wärmeübergangs-Kontakt mit dem Pfeilflügel 12 stehen, da das Wärmegefälle von dem Zentrum der Heizelemente zu deren äußeren Oberflächen dann so groß sein könnte, daß es einen Bruch des PTC-Widerstandselements verursacht.

Das PTC-Heizorgan 16 kann auch bei Meßfühlern 10 für Luftwerte Anwendung finden, die anders ausgebildet sind, als das dargestellte Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Pfeilflügels 12.

Claims (5)

1. Luftwert-Meßfühler mit einer Enteisungsheizung für Luftfahrzeuge, die in Wärmeleitverbindung mit dem Meßfühler steht und eine Mehrzahl von im Abstand voneinander angeordneten PTC-Heizelementen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die PTC-Heizelemente durch Stützelemente in Form von elektrischen Leiterstreifen (22; 23), haftend an den Leiterstreifen (22; 23), insbesondere in einer Reihe nebeneinander, miteinander verbunden sind und daß ein flexibles, wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Umhüllungsmaterial (27) vorgesehen ist, in welchem die Leiterstreifen (22; 23) und die PTC-Heizelemente (17, 18, 19) vollständig eingebettet sind, wobei das Umhüllungsmaterial (27) ausreichend flexibel ist, um die Bewegung der PTC-Heizelemente beim Vorliegen von Temperaturgradienten gegeneinander zu ermöglichen.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PTC-Heizelemente je einander gegenüberliegende Seitenflächen aufweisen, wobei ein erster Leiterstreifen (22) an der ersten Seitenfläche befestigt ist und ein zweiter Leiterstreifen (23) an der zweiten Seitenfläche der PTC-Heizelemente (17, 18, 19) befestigt ist, und daß das Umhüllungsmaterial (27) aus Silikonkautschuk besteht.

3. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PTC-Heizelemente (17, 18, 19) durch die Leiterstreifen (22, 23) parallel geschaltet sind.

4. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiterstreifen (22, 23) im wesentlichen flach sind, aus elektrisch leitfähigem Metall bestehen und zum Verbinden der Leiterstreifen (22, 23) mit den Oberflächen der PTC-Heizelemente (17, 18, 19) durchbrochen sind.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als sich in Längsrichtung erstreckender Flügel (12) mit einem im wesentlichen über seine gesamte Länge verlaufenden Schlitz (13) ausgebildet ist und das PTC-Heizelement (17, 18, 19) sich über die gesamte Länge des Schlitzes (13) erstreckt und innerhalb des Schlitzes (13) befestigt ist.