KR20240000625A - 일체형 가열 요소가 있는 복합 항공기 구조물 - Google Patents

일체형 가열 요소가 있는 복합 항공기 구조물 Download PDF

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KR20240000625A
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카일 비. 하드만
마크 에이. 칼더
이안 씨. 덕스
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카본 에어로스페이스 (파운데이션), 엘엘씨
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Abstract

가열식 복합 구조물 및 가열식 복합 구조물을 형성하기 위한 방법이 개시된다. 구조물은 열가소성 매트릭스의 내부에 매립된 탄소 섬유를 포함한다. 복합 구조물 상에서의 얼음의 형성을 방해하기 위해 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 전류를 전극에 인가하여 매립된 탄소 섬유를 통해 전류가 흐르게 하도록, 탄소 섬유가 전력 공급원과 연결되도록 구성되는 제 1 및 제 2 전극과 연결된다.

Description

일체형 가열 요소가 있는 복합 항공기 구조물 {COMPOSITE AEROSTRUCTURE WITH INTEGRATED HEATING ELEMENT}
우선권 주장
본 출원은 2018 년 4 월 24 일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/661,917 호의 우선권을 주장한다. 앞서 말한 출원의 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 인용된다.
본 발명은 복합 재료 분야에 관한 것이다. 특히, 본 출원은 일체형 가열 조립체를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명의 특정 용례로는 복합 항공기 구조물용 얼음 보호 시스템의 분야가 있다.
항공기 표면에 얼음이 쌓이면 비행 상황에서 위험할 수 있으며 지난 수년 동안 수많은 사망자를 발생시켜 왔다. 기체, 에어포일, 날개 등과 같은 구조물의 착빙(icing)은 무게 증가, 항력 증가 및 양력 감소로 이어진다. 엔진 흡입구와 같은 구조물의 전단 가장자리의 착빙은 흐름 문제를 야기하며 얼음 흡입(ice ingestion)을 유발할 수 있어, 엔진의 작동을 저하시키거나 엔진의 구성 요소를 손상시킬 수 있다.
착빙과 관련된 위험을 방지하기 위해, 항공기를 착빙으로부터 보호하며 및/또는 얼음이 쌓이면 표면으로부터 얼음이 제거되도록 하기 위해 수년에 걸쳐 수많은 얼음 보호 시스템이 개발되었다. 오늘날 사용되고 있는 주요 얼음 보호 시스템으로는, 공기가 연소실로 들어가기 전에 엔진으로부터의 압축 공기 중 일부를 되돌리는 블리드(bleed) 공기 시스템이 있다. 압축 공기는 가압된 뜨거운 공기로서 얼음이 쌓이는 것을 방지하기 위해 항공기 표면을 가열하는 데 사용된다. 블리드 에어 시스템은 효과적이긴 하지만 엔진의 효율을 낮추며 항공기의 무게를 증가시킨다. 따라서, 공지 시스템의 결점이 없는 얼음 보호 시스템이 오래전부터 요구되어 왔다.
전술한 바에 비추어, 본 발명의 일 양태에 따르면, 가열식 항공기 구조물이 제공된다. 가열식 항공기 구조물은 탄소 섬유 강화 열가소성 상부 층, 탄소 섬유 강화 열가소성 하부 층, 및 탄소 섬유 강화 열가소성 히터 층을 포함하는 복합 구조물을 포함한다. 히터 층은 복수의 전기 전도성 탄소 섬유, 전도성 탄소 섬유와 전기적으로 연결된 제 1 전극, 및 전도성 탄소 섬유와 전기적으로 연결된 제 2 전극을 포함한다. 전도성 탄소 섬유는 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 전기적 경로를 제공한다. 항공기 구조물은 또한, 제 1 전극에 제공되는 전력을 제어하기 위해 전력 공급원과 연결된 제어기를 포함한다. 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유에 전도되어 복합 구조물 상에서의 얼음 형성을 방해하기 위해 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 제 1 전극 및 전기 전도성 탄소 섬유가 서로 연결된다.
추가의 양태에 따르면, 본 발명은 항공기 구조물 상에서의 얼음의 존재를 나타내는 특성을 검출하는 센서로부터 수신된 신호에 응답하여 제 1 전극에 제공되는 전력을 제어하도록 작동 가능한 제어기를 구비한 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
또한, 본 발명은 폴리 아릴 에테르 케톤 계열의 반결정질 열가소성 수지를 포함하는 상부 층을 구비한 가열식 항공기 구조물을 제공한다. 유사하게, 본 발명은 폴리 아릴 에테르 케톤 계열의 반결정질 열가소성 수지를 포함하는 하부 층을 구비한 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
또한, 본 발명은 히터 층 및 상부 층과 하부 층 중 적어도 하나가 유사한 열가소성 수지를 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
추가의 양태에 따르면, 본 발명은 폴리 아릴 에테르 케톤 계열의 반결정질 열가소성 수지를 포함하는 히터 층, 상부 층, 및 하부 층을 구비한 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 히터 층으로부터 상부 층을 절연시키는 제 1 전기 절연 층을 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다. 유사하게, 본 발명은 또한, 히터 층으로부터 하부 층을 절연시키는 제 2 전기 절연 층을 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다. 선택적으로, 제 1 및 제 2 전기 절연 층 중 하나 또는 둘 다 열가소성 수지를 포함한다. 또한, 선택적으로, 제 1 전기 절연 층은 열가소성 수지의 내부에 매립된 강화 섬유를 포함하는 복합 재료를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 히터 층의 열가소성 수지 내부에 매립된 금속 메쉬를 포함하는 제 1 전극을 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 에어포일의 일부를 형성하는 복합 구조물을 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
추가의 양태에 따르면, 본 발명은 나셀의 일부를 형성하는 복합 구조물을 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 복수의 탄소 섬유 강화 열가소성 막을 포함하는 상부 층을 구비한 가열식 항공기 구조물을 제공한다. 유사하게, 본 발명은 복수의 탄소 섬유 강화 열가소성 막을 포함하는 하부 층을 구비할 수도 있는 가열식 항공기 구조물을 제공한다. 선택적으로, 히터 층, 상부 층, 및 하부 층 각각의 열가소성 수지가 인접한 층의 열가소성 수지와 융착된다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 강화 열가소성 상부 층, 강화 열가소성 하부 층, 및 강화 열가소성 히터 층으로 형성된 복합 구조물을 포함하는 가열식 항공기 구조물을 제공한다. 히터 층은 복수의 전기 전도성 비금속 섬유, 전도성 비금속 섬유와 전기적으로 연결된 제 1 전극, 및 전도성 비금속 섬유와 전기적으로 연결되어, 전도성 비금속 섬유에 의해 상기 제 1 전극과의 사이에 전기적 경로가 제공되는 제 2 전극을 포함한다. 센서가 복합 구조물 상에서의 얼음 형성을 나타내는 특성을 검출한다. 센서 및 전력 공급원과 연결된 제어기가 제 1 전극에 제공되는 전력을 제어한다. 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 비금속 섬유로 전도되어 복합 구조물 상에서의 얼음의 형성을 방해하기 위해 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 제 1 전극과 전도성 비금속 섬유가 연결된다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 탄소 섬유 강화 열가소성 상부 층, 탄소 섬유 강화 열가소성 하부 층, 및 탄소 섬유 강화 열가소성 히터 층을 포함하는 가열식 복합 구조물을 제공한다. 히터 층은 복수의 전기 전도성 탄소 섬유, 전도성 탄소 섬유와 전기적으로 연결된 제 1 전극, 및 전도성 탄소 섬유와 전기적으로 연결된 제 2 전극을 포함할 수도 있으므로, 전도성 탄소 섬유가 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 전기적 경로를 제공한다. 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되어 가열 층이 적어도 50℉ 또는 대략 30℃의 온도 증가를 달성하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 제 1 전극과 전기 전도성 탄소 섬유가 연결된다. 선택적으로, 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되어 가열 층이 100℉ 또는 대략 55℃의 온도 증가를 달성하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 히터 층의 탄소 섬유가 제 1 전극에 연결된다. 또한, 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되어 가열 층이 200℉ 또는 대략 110℃의 온도 증가를 달성하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 히터 층의 탄소 섬유가 제 1 전극에 연결될 수도 있다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 가열식 복합 구조물을 형성하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 열가소성 매트릭스 내부에 매립된 복수의 탄소 섬유를 제공하는 단계 및 히터 층을 형성하기 위해 탄소 섬유를 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다. 방법은 가열 층을 열가소성 매트릭스의 용융 온도 위로 가열하는 단계 및 강화 열가소성 막의 복수의 층을 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 막의 열가소성 수지는 용융 온도를 가지며, 복수의 층을 가열하는 단계는 막의 열가소성 수지의 용융 온도 위로 층을 가열하는 단계를 포함한다. 추가적으로, 방법은 히터 층과 복수의 층이 냉각된 후 히터가 복수의 층과 융착되도록 가열된 복수의 층을 가열된 가열 층에 적용하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 복합 구조물을 가열하는 방법을 제공한다. 방법은 탄소 섬유 강화 열가소성 층으로 형성된 복합 구조물을 제공하는 단계를 포함하며, 탄소 섬유는 제 1 및 제 2 전극과 연결된다. 제 1 및 제 2 전극이 전력 공급원에 연결되며, 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하기 위해 제 1 전극으로부터 탄소 섬유로 그리고 제 2 전극으로 전력이 흐르도록 전력 공급원으로부터 제 1 전극으로의 전력의 흐름이 제어된다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 복합 구조물을 가열하는 방법을 제공한다. 제어 단계는 복합 구조물 상에서의 얼음의 형성을 방해하기 위해 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 전기의 흐름을 제어하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 복합 구조물의 온도를 모니터링하는 단계를 포함하며, 제어 단계는 모니터링 단계에 응답하여 전기의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 탄소 섬유 강화 열가소성 상부 층, 탄소 섬유 강화 열가소성 하부 층, 및 탄소 섬유 강화 열가소성 히터 층을 포함하는 가열식 복합 구조물을 제공한다. 상부 층, 하부 층, 및 히터 층이 통합되어 적층체를 형성한다. 히터 층은 복수의 전기 전도성 탄소 섬유를 포함하며, 히터 층의 전기 전도성 탄소 섬유가 전력 공급원과 연결 가능하도록 히터 층이 구성되므로, 가열 층이 적층체의 적어도 일부를 적어도 대략 50℉ 또는 30℃로 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하기 위해 전기가 히터 층의 전기 전도성 탄소 섬유를 통해 흐를 수 있다. 선택적으로, 구조물은 적층체의 외부 표면 상의 얼음의 형성을 나타내는 특성을 감지하도록 작동 가능한 센서를 포함한다. 추가적으로, 구조물은 선택적으로 센서와 연결된 제어기 및 히터 층에 제공되는 전력을 제어하기 위한 전력 공급원을 포함할 수도 있다. 또한, 구조물은 선택적으로, 복합 구조물 상에서의 얼음의 형성을 방해하기 위해 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하기 위해 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되도록 전기 전도성 탄소 섬유와 전기적으로 접촉하게 적층체 내부에 매립된 제 1 및 제 2 전극을 포함할 수도 있다. 추가적으로, 제어기는 센서로부터 수신되는 신호에 응답하여 히터 층에 제공되는 전력을 제어하도록 작동 가능할 수도 있다.
방법 및 장치가 본 명세서에 여러 실시예 및 예시적인 도면에 대하여 예시로서 설명되긴 하지만, 당업자라면 일체형 가열 요소를 갖는 본 발명의 항공기 구조물 및 이러한 항공기 구조물을 제조하기 위한 방법이 설명되고 있는 실시예 또는 도면으로 제한되는 것은 아님을 인지할 것이다. 도면 및 그에 대한 상세한 설명이 설명되고 있는 특정 형태로 실시예를 제한하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 오히려, 첨부된 청구 범위에 의해 정의되는 하나 이상의 역학적으로 재구성 가능한 분류 어레이를 사용하여 항목을 분류하기 위한 방법 및 장치의 정신 및 범위 내에 있는 모든 변형예, 등가물 및 대안을 포함하기 위한 것이다. 본 명세서에 사용된 모든 머릿말은 편제상의 목적으로만 사용되는 것으로 상세한 설명의 범위 또는 청구 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "할 수도 있다(may)"라는 단어는, 의무적이라는 의미(즉, 필수적이라는 의미)보다는, 허용적인 의미(즉, 그럴 가능성이 있다는 의미)로 사용된다. 유사하게, "포함하다(include)", "포함하는(including)" 및 "포함하다(includes)"라는 단어는 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아님을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 전술한 발명의 내용 및 아래의 상세한 설명이 첨부 도면과 함께 읽음으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 일체형 가열 조립체를 갖는 복합 구조물의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합 구조물의 가열 조립체의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 복합 구조물을 통합하는 시스템의 개략도이다.
도 4는 일체형 가열 조립체를 포함하는 복합 항공기 구조물의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 복합 항공기 구조물의 분해 사시도이다.
도 6은 일체형 가열 조립체를 포함하는 대안의 복합 항공기 구조물의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 항공기 구조물의 가열 층의 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 가열 층의 가열 구역의 평면도이다.
도 9는 도 7에 도시된 가열 층의 일부의 사시도이다.
이하 도면을 전체적으로 그리고 특히 도 1 내지 도 3을 참조하면, 일체형 가열 조립체를 갖는 복합 구조물을 포함하는 시스템이 전체적으로 "10"으로 지정되어 있다. 이 시스템은 적층체(20), 전력 공급원(60), 및 적층체에 제공되는 전력을 제어하는 제어기(70)를 포함한다. 적층체는 구조적 층(25, 26) 및 가열 조립체(30)를 포함한다. 가열 층(30)은 구조물에 충분한 열을 제공하여 적층체(20)의 상부 및/또는 하부 표면을 가열하도록 구성될 수도 있다.
이하 도 1을 참조하면, 적층체(20)의 세부 사항이 더 상세히 설명된다. 적층체(20)는 구조적 층의 내부에 매립된 가열 요소(30)를 포함한다. 특히, 가열 요소(30)는 상부 구조적 층(25)과 하부 구조적 층(26)의 사이에 끼워져 있다. 상부 및 하부 구조적 층(25, 26)은 각각, 한 겹 이상의 복합 막(laminar)으로 형성된다. 본 예에서, 각각의 구조적 층은 복수의 복합 막을 포함한다. 각각의 복합 막은 매트릭스 재료의 내부에 매입된 강화 요소를 포함한다. 적용 분야에 따라, 강화 요소는 다양한 강화 재료 중 어느 하나일 수도 있다. 예를 들어, 강화 요소가 유리 또는 탄소로 이루어진 세장형 스트랜드 또는 섬유일 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 탄소 섬유는 3,000 내지 12,000 토우(tow)의 연속적인 고강도 고변형율 PAN 기반 섬유이다. 특히, 본 예에서, 강화 요소는 미국 코네티컷주 스탬포드 소재 헥셀 코포레이션(Hexcel Corporation)에 의해 생산되어, 헥스토우(HEXTOW) AS4D와 같은, 헥스토우라는 이름으로 판매되고 있는 탄소 섬유이다. 이러한 강화 섬유는 표면 처리를 이용하여 처리될 수도 있으며 매트릭스 재료와의 층간 전단 특성을 개선하기 위한 크기로 형성될 수도 있다. 그러나, 이들 재료는 예시적인 재료로서 제공되는 것으로서, 적층체가 사용될 환경에 따라 다른 재료가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
강화 요소는 중합체와 같은 매트릭스 재료의 내부에 매립된다. 용례에 따라, 비정질, 결정질 및 반결정질 중합체를 포함하여 다양한 중합체 중 어느 하나가 매트릭스 재료로 사용될 수 있다. 본 예에서, 매트릭스 재료는 열가소성 탄성 중합체와 같은 열가소성 재료이다. 보다 구체적으로, 열가소성 재료는 반결정질 열가소성 수지이다. 특히, 열가소성 수지는 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK) 및 폴리 에테르 케톤 케톤(PEKK)을 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아닌 폴리 아릴 에테르 케톤(PAEK) 계열의 열가소성 중합체일 수도 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 구조적 층(25, 26)은 탄소 섬유 강화 열가소성 복합재일 수도 있는 하나 이상의 복합 막으로 형성된다. 특히, 막이 열가소성 프리프 레그(prepreg)일 수도 있으며, 이것은 강화 재료에 수지가 미리 함침된 막이다. 예를 들어, 프리프레그가 섬유 강화재를 열가소성 매트릭스로 코팅하여 생성되는 열가소성 프리프레그일 수도 있다. 이러한 프리프레그 막은 열가소성 매트릭스의 융점 위로 막을 가열함으로써 재가열 및 개질될 수 있는 능력을 갖추고 있다. 구조적 요소(25, 26)를 형성하는 데 사용될 수도 있는 몇 가지 예시적인 프리프레그 재료에는 캘리포니아주 모건 힐 소재 텐케이트 어드밴스드 콤포지트 유에스에이(TenCate Advanced Composites USA)에 의해 생산되어, TC1200, TC1225 및 TC1320과 같은, 세텍스(CETEX)라는 이름으로 판매되고 있는 재료가 포함되지만 이것으로 제한되는 것은 아니다. TC1200은 유리 전이 온도(Tg)가 143℃/289℉이며 용융 온도(Tm)가 343℃/649℉인 탄소 섬유 강화 반결정질 PEEK 복합재이다. TC1225는 Tg가 147℃/297℉이며 Tm이 305℃/581℉인 탄소 섬유 강화 반결정질 PAEK 복합재이다. TC1320은 Tg가 150℃/318℉이며 Tm이 337℃/639℉인 탄소 섬유 강화 반결정질 PEEK 복합재이다.
다시 도 1을 참조하면, 적층체는 상부 및 하부 구조적 층(25, 26)의 사이에 배치된 가열 층(30)을 포함한다. 구조적 층은 복합 막으로 형성되며 구조적 하중을 지탱하도록 구성된다. 본 예에서, 가열 층이 구조적 하중을 지탱하도록 구성될 수도 있긴 하지만, 만약 상당한 구조적 하중이 있더라도, 히터 층(30)이 하중을 지탱하지 않고 적층체(20)를 가열하도록 구성된다. 특히, 가열 층(30)은 적층체의 상부 표면(22) 및/또는 하부 표면(23)의 온도를 상승시키기에 충분한 열을 제공하도록 구성된다.
가열 층(30)은 가열 요소로서 작동하는 하나 이상의 저항 소자(40)를 통해 전류를 통과시킴으로써 저항성 가열을 제공하도록 구성된다. 저항 소자(40)는 전기 전도성이지만, 전류가 인가되면 저항성 가열을 제공하기에 충분한 전기 저항을 제공한다. 다양한 저항 소자가 가열 층(30)에 포함될 수도 있긴 하지만, 본 예에서, 저항 소자는 비금속 요소로 형성된다. 또한, 가열 요소가 구조적 층(25, 26) 중 하나 또는 둘 모두의 강화 요소와 동일하거나 실질적으로 유사할 수도 있다. 예를 들어, 본 예에서, 저항 소자(40)는 탄소 섬유이다. 구체적으로, 저항 소자(40)는 구조적 층(25, 26)과 관련하여 전술한 연속적인 고강도 고변형율 PAN 기반 섬유와 같은 탄소 섬유이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 저항 소자(40)가 입력 전극(50) 및 출력 전극(52)과 연결된다. 저항 소자(40)는 제 1 및 제 2 전극(50, 52)의 사이에 연속적인 경로를 제공한다. 저항 소자(40)는 적층체(20) 내에 적층체의 길이를 따라 적층체의 적어도 일부를 가열하도록 배향된다. 본 예에서, 저항 소자(40)는 탄소 섬유이며, 섬유는 적층체의 길이를 통해 구불구불한 패턴을 형성하도록 배향된다. 각각의 저항 소자가 적층체의 길이 및/또는 폭에 걸쳐 연장될 수도 있지만, 본 예에서, 저항 소자는 적층체의 길이의 일부에 걸쳐 연장된다. 예를 들어, 제 1 저항 소자(40a)는 제 1 전극(50)과 연결된 제 1 단부(42a) 및 제 2 전극(52)과 연결된 제 2 단부(44a)를 구비한다. 유사하게, 추가 저항 소자(40b, 40c)가 전극(50, 52)의 사이에서 연장된다.
전술한 설명에서, 각각의 저항 소자(40a, 40b, 40c)가 개별 소자로서 설명되긴 하지만, 각각의 저항 소자가 복수의 별개의 저항 소자를 포함할 수도 있음을 이해하여야 한다. 특히, 저항 소자가 탄소 섬유인 경우, 각각의 저항 소자가 저항 소자의 길이를 따라 연장되는 수백 또는 수천 개의 개별 스트랜드 또는 섬유를 포함할 수도 있다.
탄소 섬유 저항 소자(40)가 매트릭스 재료의 내부에 매립된다. 바람직하게는, 매트릭스 재료는 적층체의 다른 층과 열 융착될 수 있는 열가소성 재료이다. 가열 층의 매트릭스 재료를 열 융착함으로써, 가열 층이 적층체와 일체로 형성된다. 특히, 본 예에서, 가열 조립체는 구조적 층(25, 26)을 형성하는 복합 재료와 실질적으로 유사한 복합 재료로 형성된다. 예를 들어, 저항 소자는 탄소 섬유이며, 매트릭스 재료는 폴리 아릴 에테르 케톤(PAEK) 계열의 반결정질 열가소성 수지와 같은 열가소성 재료이다. 추가적으로, 본 예에서는, 저항 소자가 단방향 탄소 섬유 재료의 막으로 형성된다. 단방향 섬유는 제 1 단부(42)로부터 제 2 단부(44)까지 연속적인 저항 소자를 형성하도록 상호 연결되는 복수의 세그먼트로 형성된다. 본 예에서는, 각각의 저항 소자의 개별 세그먼트가 구리와 같은 전도성 소자에 의해 상호 연결된다. 추가적으로, 본 실시예가 단방향 섬유를 포함하긴 하지만, 저항 소자가 전도성 재료의 섬유 또는 복수의 연속적인 스트랜드로 형성될 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 저항 소자가 복수의 연속적인 탄소 섬유를 포함할 수도 있으며, 탄소 섬유는, 직선형이 아니라, 도 2에 도시된 구불구불한 패턴과 유사한 곡선형 요소를 형성한다. 예를 들어, 탄소 섬유가 사인파와 유사한 주기적인 파형 패턴으로 배치되는 파형 복합재로 형성될 수도 있다.
저항 소자(40)가 탄소 섬유인 경우, 탄소 섬유가 탄소 섬유와 매트릭스 재료 사이의 결합을 개선하기 위한 사이징(sizing) 재료로 코팅될 수도 있다. 그러나, 사이징 재료는 탄소 섬유가 전극(50, 52)과 전기적으로 연결되는 것을 전기적으로 절연하는 경향이 있을 수도 있다. 따라서, 탄소 섬유와 전극 사이의 잠재적인 전기적 연결 지점의 개수를 증가시키는 전도성 요소를 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 추가적으로, 사이징으로 덮여 있지 않은 탄소 섬유의 단부와 접촉할 가능성이 더 높을 수도 있는 전도성 요소를 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 본 예에서는, 전극(50, 52)이 구리 메쉬와 같은 전도성 금속 메쉬를 포함한다. 금속 메쉬는 각각의 저항 소자(40)의 단부의 길이를 따라 다수의 접점을 제공한다. 구리 메쉬의 구성이 다양할 수도 있긴 하지만, 메쉬의 개방 부분(메쉬의 평방 인치당 공극의 면적)이 메쉬의 폐쇄 부분(즉, 메쉬의 평방 인치당 구리의 면적)보다 크도록 메쉬가 구성되는 것이 바람직하다. 추가적으로, 메쉬의 개방 부분은 대략 60%보다 클 수도 있다. 일부 구성에서는, 메쉬의 개방 부분이 약 70%보다 클 수도 있다.
전술한 바와 같이, 가열 층(30)은 입력 전극(50) 및 출력 전극(52)과 같은 전도성 요소와 전기적으로 연결되는 복수의 탄소 섬유를 포함한다. 탄소 섬유는 열가소성 수지와 같은 매트릭스 재료의 내부에 매립되어 있다. 유사하게, 구조적 층(25, 26)도 탄소 섬유 강화 열가소성 재료로 형성될 수도 있다. 따라서 구조적 요소의 탄소 섬유도 전기 전도성이다. 가열 층(30)의 요소가 구조적 층(25, 26)의 탄소 섬유와 전기적으로 연결되지 않는 것을 보장하기 위해, 적층체가 절연 층을 포함할 수도 있다. 절연 층(28)은 가열 층(30)과 구조적 층의 사이에 배치된다. 특히, 적층체는 가열 층(30)의 상면과 상부 구조적 층(25)의 사이의 제 1 절연 층(28) 및 가열 층의 하면과 하부 구조적 층(26)의 사이의 제 2 절연 층(28)을 포함할 수도 있다. 절연 층(28)은 구조적 층과 가열 층(30)의 전기 전도성 요소(예를 들어, 저항 소자(40), 입력 전극(50), 출력 전극(52))의 사이에 전기 절연을 제공한다.
절연 층(28)은 다양한 전기 절연 재료 중 어느 하나를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 절연 층(28)은 열가소성 재료를 포함한다. 본 예에서는, 절연 층이 유리 강화 열가소성 수지로 이루어진 하나 이상의 막을 포함한다.
위에 논의된 바와 같이, 각각의 구조적 층(25, 26), 가열 층(30) 및 절연 층(28)이 강화 열가소성 복합 재료의 층을 포함할 수도 있다. 따라서, 상부 구조적 층(25), 하부 구조적 층, 가열 층 및 임의의 절연 층이 층을 융착함으로써 일체로 연결될 수도 있다. 구체적으로, 층은 열가소성 매트릭스의 융점 위로 층의 온도를 상승시키기에 충분한 열을 인가하며 층을 함께 융착하기에 충분한 압력을 인가함으로써 통합될 수도 있다. 이러한 방식으로, 가열 층(30)이 상부 및 하부 구조적 층(25, 26)의 사이에서 적층체 내부에 매립된다.
도면에서 층의 두께가 실제 축척으로 도시되어 있는 것은 아니며 경우에 따라 두께가 단지 예시의 목적으로 과장되게 도시되어 있음에 유의하여야 한다. 예를 들어, 도 1에서, 가열 층(30)이 절연 층(28)보다 두꺼운 두께를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 가열 층(30)이 단지 단일 복합 재료 막일 수도 있다. 유사하게, 절연 층이 단일 복합 재료 막일 수도 있다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 각각의 절연 층(28)이 하나 이상의 막을 포함할 수도 있다. 추가적으로, 구조적 층의 두께가 가열 층의 두께보다 상당히 두꺼울 수도 있다. 예를 들어, 구조적 층이 가열 층의 두께보다 실질적으로 두꺼워지도록 상부 층(25)이 세 개 이상의 강화 복합 재료 층으로 형성될 수도 있다. 추가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 가열 층(30)이 도 1에 도시된 바와 같이 적층체의 전체 길이 및 폭에 걸쳐 연장되는 연속적인 층일 필요는 없다. 대신, 가열 층(30)이 절연 층(28)의 내부에 매립될 수도 있다.
이하 도 3을 참조하면, 전술한 가열식 적층체(20)가 제어 하의 가열을 제공하기 위한 시스템에 포함될 수도 있다. 시스템은 제어기(70)를 통해 가열식 적층체(20)에 연결되는 전력 공급원(60)을 포함한다. 제어기는 P, PD, PI, PID 제어기 또는 마이크로 프로세서를 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아닌 다양한 전자 제어기 중 어느 하나일 수도 있다. 제어기가 적층체로의 전기 흐름을 제어하도록 가열식 적층체의 전극(50, 52)이 제어기(70)에 연결된다. 신호에 응답하여, 제어기(70)가 가열 조립체(30)와 전력 공급원 사이의 회로를 폐쇄하여 가열 층을 턴-온시킨다. 유사하게, 신호에 응답하여, 제어기가 전력 공급원으로부터 가열 층을 분리하여 가열 층을 턴-오프시킬 수도 있다. 유사하게, 제어기는, 예를 들어, 가열 층에 제공되는 전류를 증가 또는 감소시킴으로써 전기의 특성을 증가 또는 감소시키도록 구성될 수도 있다.
제어기가 다양한 제어에 기초하여 가열 조립체로의 전기 흐름을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 시스템이 수동으로 작동 가능한 스위치를 포함할 수도 있어, 제어기가 스위치의 작동에 응답하여 시스템을 제어한다(즉, 가열 층(30)은 스위치가 켜지면 전력 공급원에 연결되며, 스위치가 꺼지면 분리된다). 추가적으로, 시스템(10)이 피드백 루프(feedback loop)를 포함할 수도 있어, 제어기가 피드백에 응답하여 시스템을 제어한다. 예를 들어, 시스템이 조립체의 특성을 검출하는 데 사용되는 센서를 포함할 수도 있으며, 제어기가 검출된 특성에 응답하여 가열 층의 작동을 제어할 수도 있다. 예시적인 센서로는 적층체(20) 상에서의 얼음의 형성을 나타내는 특성을 검출하기 위한 센서가 있다. 예를 들어, 시스템이 적층체, 예를 들어, 상부 표면(22) 상의 얼음의 존재를 검출하도록 구성된 광학 변환기 탐침과 같은 얼음 검출기를 포함할 수도 있다. 얼음 검출기가 제어기에 연결되어 얼음의 존재를 나타내는 신호를 제어기에 제공한다. 신호가 얼음이 존재함을 나타내면, 제어기는 가열 층(30)을 전력 공급원과 연결하여 가열 층을 턴-온시킬 수도 있다. 유사하게, 제어기가 얼음 부족을 나타내는 신호를 센서(75)로부터 수신하면, 제어기는 가열 층을 전력 공급원으로부터 분리하여 가열 층을 턴-오프시킬 수도 있다.
전술한 바와 같은 구성에서는, 시스템이 항공기 구조물 상에서의 얼음의 형성을 방해하거나 항공기 구조물 상에 형성된 얼음을 녹이기 위해 항공기 구조물의 하나 이상의 표면의 온도를 상승시키도록 구성될 수도 있다. 구체적으로, 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되어 가열 층이 적어도 50℉ 또는 대략 30℃의 온도 증가를 달성하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 제 1 전극과 전기 전도성 탄소 섬유가 연결된다. 선택적으로, 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되어 가열 층이 100℉ 또는 대략 55℃의 온도 증가를 달성하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 히터 층의 탄소 섬유가 제 1 전극에 연결된다. 또한, 제 1 전극에 인가되는 전력이 전기 전도성 탄소 섬유로 전도되어 가열 층이 200℉ 또는 대략 110℃의 온도 증가를 달성하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 히터 층의 탄소 섬유가 제 1 전극에 연결될 수도 있다.
가열식 적층체(20)가 다양한 공정을 사용하여 형성될 수도 있다. 이하 복수의 강화 열가소성 층으로부터 가열식 적층체를 형성하는 공정의 세부 사항이 설명된다.
탄소 섬유 강화 열가소성 테이프의 복수의 층이 서로 위아래로 놓여져 복수의 겹으로 이루어진 하부 구조적 층(26)을 형성한다. 겹겹의 섬유는 다양하게 배향된다. 예를 들어, 바닥 층이 0, +45°, 90°, -45°로 배향된 네 겹으로 형성될 수도 있다. 이어서, 하나 이상의 유리 섬유 강화 열가소성 수지 층이 네 겹의 바닥 층 상에 배치된다. 금속 메쉬와 같은 세장형의 전기 전도성 금속 스트립 형태의 두 개의 전극이 서로 이격되어 제 1 단부로부터 제 2 단부를 향해 이어지는 유리 섬유 층 상에 배치된다. 이어서, 저항 소자(30)를 형성하는 탄소 섬유 강화 열가소성 테이프가 유리 섬유 층 상에 중첩되어, 탄소 섬유 테이프의 일 단부가 구리 메쉬의 제 1 길이 위에 놓이며 탄소 섬유 테이프의 제 2 단부가 구리 메쉬의 제 2 길이 위에 놓인다. 추가적으로, 연속적인 전기적 경로를 형성하기 위해 탄소 섬유 테이프의 인접한 조각들 사이의 연결부의 위에 금속 메쉬가 놓이는 상태로 탄소 섬유 테이프가 이어 붙여져 구불구불한 패턴을 형성할 수도 있다. 가열 요소가 하부 유리 섬유 층과 구리 메쉬의 위에 배치된 후, 두 개 층의 유리 섬유 강화 열가소성 수지가 가열 요소의 위에 놓이다. 이어서, 네 겹의 바닥 층과 유사한 네 개 층의 탄소 섬유 테이프가 유리 섬유 층의 위에 놓이다. 탄소 섬유 열가소성 테이프의 최상층이 상부 구조적 층을 형성한다. 하부 구조적 층과 마찬가지로, 상부 구조적 층의 겹겹의 섬유가 다양하게 배향된다. 예를 들어, 겹겹의 상부 구조적 층이 0, +45 °, 90°, -45°로 배향된 네 겹으로 형성될 수도 있다. 이러한 예시적인 적층체에서는, 상부 구조적 층, 가열 층 및 하부 구조적 층의 탄소 섬유 층이 PEEK/AS4 탄소 섬유 강화 단방향 테이프로 형성되며, 절연 층이 PEEK/S2 유리 섬유 강화 열가소성 단방향 테이프로 형성된다.
이어서, 겹겹의 조립체를 가압 하에 가열함으로써 적층체가 통합된다. 예를 들어, 조립체가 용융 온도 위의 온도까지 가열될 수도 있다. 이어서, 압력이 제거되며, 통합 적층체가 주변 온도로 냉각된다.
이어서, 이러한 공정에 따라 형성된 적층체를 전력 공급원에 연결하였다. 특히, 28 VDC 8A 전력 공급원을 적층체에 연결하였다. 적층체에 전력을 인가하면, 가열 요소가 입력 전극과 출력 전극의 사이에 25 V의 전압 강하를 제공하기에 충분한 저항을 제공하였다. 그 결과, 저항성 가열을 통해 230℉의 온도 증가가 제공되었다. 이러한 온도 증가는 적층체의 매트릭스 재료의 유리 전이 온도보다 낮았으며 실질적으로 용융 온도보다 낮았다.
전술한 설명에서는, 적층체가 평평한 패널 적층체로 설명되어 있다. 그러나, 본 발명이 평평한 패널 구조물로 제한되는 것은 아님을 이해하여야 한다. 예를 들어, 가열식 적층체가 다양한 분야의 다양한 구조물에 사용될 수도 있으며, 기체, 나셀(nacelle) 및 날개와 같은 에어포일, 엘리베이터 등을 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아닌 다양한 구성 요소용의 얼음 보호 시스템을 제공하기 위한 항공 우주 분야의 특정 용례를 가질 수도 있다. 전술한 적층체(20)가 곡선형 구조물로 형성되어 가열식 적층체 구조물을 제공하기 위해 전술한 시스템(10)과 유사한 시스템에 포함될 수도 있다.
예를 들어, 항공기 구조물을 형성하는 예시적인 적층체(120)가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 아래의 추가 설명을 제외하고는, 적층체(120)의 특성이 전술한 적층체(20)의 특성과 유사하다. 도시된 적층체(120)는 제트 엔진의 흡입구 주위에 전단 가장자리를 형성하는 나셀의 섹션을 형성한다. 적층체(120)는 가열 층(130)이 구조물의 전단 가장자리를 감싸도록 형성된다. 특히, 적층체는 정점(121), 상부 표면(122) 및 하부 표면(123)을 구비한 볼록한 곡선을 포함한다.
적층체(120)는 전술한 적층체(20)와 유사하게 형성된다. 특히, 적층체는 복수의 강화 복합 막으로 형성된 상부 구조적 층(125) 및 복수의 강화 복합 막으로 형성된 하부 구조적 층(126)을 포함한다. 가열 층(130)이 상부 및 하부 구조적 층(125, 126)의 사이에 매립된다. 추가적으로, 상부 전기 절연 층(128)이 가열 층과 상부 구조적 층의 사이에 배치될 수도 있으며, 하부 절연 층이 가열 층과 하부 구조적 층의 사이에 배치될 수도 있다. 가열 층은 입력 전극(150)과 출력 전극(152)의 사이의 전기적 경로를 형성하는 복수의 저항 소자를 포함한다. 가열 층은 다양한 요소 중 어느 하나일 수도 있으며, 본 예에서는, 가열 요소가 탄소 섬유와 같은 비금속 전도성 요소로 형성된다.
가열 층이 적층체의 상부 표면 또는 하부 표면의 위에 놓이도록 구성될 수도 있지만, 본 예에서는, 가열 층이 상부 표면과 하부 표면 모두에 중첩되도록 구성된다. 보다 구체적으로, 저항 소자(140)의 일부가 상부 표면 위에 놓이도록 가열 층(130)이 적층체의 내부에 배치된다. 추가적으로, 저항 소자는 저항 소자의 일부가 곡선형의 정점(121)의 위에서 연장된 다음 하부 표면(123)의 위에서 연장되도록 배치된다. 이러한 방식으로, 가열 요소가 나셀의 전단 가장자리 주위를 감싼다.
나셀의 층이 통합되어 적층체 내부에 매립된 가열 층을 갖는 일체형 적층체를 형성한다. 예를 들어, 적층체(120)가 전술한 바와 같이 강화 열가소성 복합 재료로 형성될 수도 있으므로, 가압 하에 조립 층을 상승된 온도로 가열함으로써 적층체가 통합된다.
전술한 바와 같이, 도 3에 도시된 시스템은, 도 3에 도시된 복합 요소(20) 대신, 도 4 및 도 5에 도시된 복합 요소(120)를 포함할 수도 있다. 유사하게, 도 6 내지 도 9에는, 복합 요소(20) 대신, 도 3에 도시된 시스템에 포함될 수 있는 대안의 복합 요소(220)가 도시되어 있다. 따라서, 복합 요소(220)의 세부 사항이 이하 상세히 설명된다.
복합 요소(220)는 상부 구조적 층(225), 하부 구조적 요소(226), 및 상부 구조적 층(225)과 하부 구조적 층의 사이에 배치된 가열 층(230)을 포함할 수도 있다. 상부 및 하부 구조적 층(225, 226)이 다양한 구조를 가질 수도 있다. 특히, 구조적 층(225, 226)이 탄소 섬유 또는 유리 섬유 강화 재료와 같은 강화 복합 재료로 이루어진 하나 이상의 층으로 형성될 수도 있다. 본 예에서는, 구조적 층(225, 226)이 동일한 재료로 형성된다. 예를 들어, 본 예에서는, 탄소 섬유 강화 열가소성 테이프의 복수의 층이 서로 위아래로 놓여져 하부 구조적 층(226)을 형성하는 복수의 겹을 형성한다. 겹겹의 섬유는 다양하게 배향된다. 예를 들어, 바닥 층이 0, +45°, 90°, -45°로 배향된 네 겹의 탄소 섬유 강화 열가소성 수지로 형성될 수도 있다. 상부 구조적 층(225)이 하부 층(226)과 유사하게 형성될 수도 있다. 가열 층(240)은 탄소 섬유 강화 열가소성 수지로 형성된 하나 이상의 저항 소자(240)를 포함한다. 바람직하게는, 개개의 저항 소자(들)가 구조적 층(225, 226)이 형성되는 재료와 실질적으로 유사한 탄소 섬유 강화 열가소성 재료로 형성된다.
가열 층(230)은 복수의 저항 소자로 구성된다. 전술한 바와 같이, 가열 층이 단일 저항 소자(40, 140)로 형성될 수도 있다. 대안으로서, 가열 층(230)이 독립적으로 제어될 수 있는 복수의 가열 구역을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 가열 층(230)은 3 개의 가열 구역(250, 270, 290)을 포함한다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 가열 층(240)이 복수의 층을 포함하며, 세 개의 가열 구역이 가열 층 내의 두 개의 상이한 층에 걸쳐 펼쳐져 있다. 그러나, 가열 층이 단일 층일 수도 있으며, 또는 두 개를 초과하는 층일 수도 있음을 이해하여야 한다.
이하 도 7 및 도 8을 참조하여, 가열 층의 세부 사항이 더 상세히 설명된다. 도 8에는 가열 요소의 제 1 구역(250)의 세부 사항이 가장 명확하게 도시되어 있다. 제 1 구역은 복수의 전도성 요소(265, 266)의 사이에서 연장되는 하나 이상의 저항 소자(255)를 포함한다. 저항 소자(255)의 개수가 변할 수도 있지만, 본 예에서는, 제 1 구역(250)이 "255A" 내지 "255E"로 지정된 다섯 개의 저항 소자를 포함한다. 저항 소자가 상이한 구성을 가질 수도 있지만, 본 예에서는, 각각의 저항 소자(255A-255E)가 실질적으로 유사한 저항 값을 갖는 실질적으로 유사한 저항 소자이다. 따라서, 저항 소자(255)에 관한 아래의 설명은 각각의 저항 소자(255A 내지 255E)에 적용된다.
저항 소자(255)는 3 개의 섹션, 즉, 제 1 단부의 선두부(lead)(257), 제 2 단부의 꼬리부(tail)(258), 및 선두부와 꼬리부의 사이에서 연장되는 몸체 섹션(260)을 포함한다. 선두부(257)는 전도성 요소(265)와 전기적 연결부를 형성하며, 꼬리부는 전도성 요소(266)와 전기적 연결부를 형성한다. 몸체는 선두부와 꼬리부의 사이에 전기적 경로를 제공한다. 특히, 몸체(260)는, 전류가 몸체를 통과할 때, 가열 층(230)의 온도를 상승시키기에 충분한 주울(Joule) 효과 가열을 제공하기에 충분한 저항을 갖는 전기적 경로를 제공한다.
저항 소자(255)가 다양한 구성 중 어느 하나로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 몸체(260)는 제 1 전도체(265)와 제 2 전도체(266)의 사이에서 연장되는 대체로 직선형 또는 선형의 몸체일 수도 있다. 이러한 방식으로, 하나의 구역이 제 1 전도체(265)와 제 2 전도체(266)의 사이에서 연장되는 복수의 직선형 저항 소자를 포함할 수도 있다. 그러나, 본 예에서는, 저항 소자(255)의 몸체(260)가 각각의 가열 요소의 유효 가열 면적을 증가시키기 위해 구불구불한 경로를 포함한다. 구체적으로, 몸체(260)는 복수의 다리를 갖는 구불구불한 구성을 포함할 수도 있다. 특히, 구불구불한 경로는 일반적으로 또는 실질적으로 평행한 복수의 다리를 포함할 수도 있다. 몸체의 구불구불한 경로가 선두부(257)와 꼬리부(258)의 사이의 임의의 지점에서 자체적으로 교차하거나 중첩되지 않도록, 구불구불한 경로가 단일 층 또는 막의 내부에 구속되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 몸체(260)는 몸체의 길이를 따라 실질적으로 일정한 공칭 두께를 가질 수도 있다. 추가적으로, 몸체가 구불구불한 상호 경로를 형성할 수도 있지만, 몸체는, 저항 소자의 두께가 몸체의 공칭 두께의 두 배인 지점 또는 영역을 형성하게 자체적으로 교차하지 않는다.
바람직하게는, 저항 소자(255)가 제 1 및 제 2 전도성 요소(265, 266)의 사이에서 병렬로 연결된다. 이러한 방식으로, 가열 요소(230)의 제 1 구역(250)은 전도체(265)가 제 1 선두부 또는 전극을 형성하며 제 2 전도체(266)가 제 2 선두부 또는 전극을 형성하며 저항 소자가 이들 두 개의 전극을 전기적으로 연결하는 제 1 회로를 포함한다. 두 개의 전극(265, 266)이 전력 공급원에 연결되면, 전류가 저항 소자(255)를 통과하여 주울 효과 가열을 생성한다. 도 8에 도시된 실시예에서, 저항 소자는 두 개의 전도성 요소(265, 266)의 사이의 연속적인 전기적 경로이다. 특히, 저항 소자는 제 1 전극(265)과 제 2 전극(266)의 사이에 구불구불한 경로와 같은 복잡한 전기적 경로를 형성하는 복수의 연속적인 단방향 탄소 섬유를 포함한다. 본 예에서는, 탄소 섬유가 열가소성 재료의 매트릭스 내부에 매립된다. 보다 구체적으로, 탄소 섬유가 구조적 층의 매트릭스 재료를 형성하는 열가소성 재료와 실질적으로 동일한 열가소성 수지의 내부에 매립되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 저항 소자는, 폭이 0.12 인치인 AS4D/PAEK 단방향 프리프레그 테이프와 같은, 좁은 단방향 테이프로 형성될 수도 있다. 예시적인 단방향 탄소 섬유 테이프는 앞에 참조된 바와 같은 텐케이트사에 의해 판매되고 있는 TC1225이다.
특히, 재료 내부의 실질적으로 모든 탄소 섬유가 평행하도록 저항 소자(255)가 단방향 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 실질적으로 모든 탄소 섬유가 선두부(257)로부터 꼬리부(258)까지 저항 소자(255)의 전체 길이에 걸쳐 연장되도록 실질적으로 모든 탄소 섬유가 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 문맥에서, 실질적으로 모든 탄소 섬유는 저항 소자 중의 탄소 섬유의 적어도 90%를 의미한다.
저항 소자(255)가 단방향 섬유 테이프의 열적 성형을 통해 복잡한 형상으로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 일정 길이의 단방향 테이프가 열가소성 재료를 연화시키기에 충분한 온도로 가열될 수도 있다. 예를 들어, 테이프가 테이프용 열가소성 매트릭스 재료의 유리 전이 온도(Tg) 위의 온도로 가열될 수도 있다. 또한, 유리 전이 온도보다 상당히 높은 온도, 예를 들어, 열가소성 매트릭스 재료의 용융 온도(Tm) 이상의 온도(열가소성 수지가 용융 온도를 갖는 경우)로 테이프를 가열하는 것이 바람직할 수도 있다. PAEK 또는 PEEK 열가소성 수지의 예에서는, 테이프가 대략 300℃ 위로 가열될 수도 있다. 테이프가 Tm 위로 가열되면, 테이프가 복잡한 형상을 제공하는 형태로 감겨진다. 이러한 방식으로 형성된 저항 소자는 저항 소자의 전체 길이가 테이프의 단일 두께와 실질적으로 동일하도록 저항 소자가 자체적으로 교차하지 않는 복잡한 경로를 형성한다. 테이프가 이러한 복잡한 형상으로 형성된 후에는, 테이프가 유리 전이 온도 아래로 냉각된다.
전술한 바와 같이, 저항 소자(255)는 전기적 경로를 제공한다. 탄소 섬유가 단방향이기 때문에, 전기 경로는 제 1 전극(265)으로부터 제 2 전극(266)으로의 저항 소자의 구성을 따른다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 저항 소자는 구불구불한 경로와 같은 복잡한 경로를 따른다. 저항 소자(255)는 구불구불한 경로를 따라 선두부(257)로부터 꼬리부까지 연장되는 중심 축선을 갖는다. 저항 소자 내의 탄소 섬유는 중심 축선을 따른다. 다시 말해, 저항 소자 내의 탄소 섬유의 전부 또는 실질적으로 전부가 실질적으로 서로 평행하며 중심 축선에 실질적으로 평행하다.
저항 소자의 탄소 섬유가 전도성 요소와 전기적으로 연결되도록 저항 소자(255)가 전도성 요소(265, 266)와 연결된다. 보다 구체적으로, 전도성 요소가 탄소 섬유의 탄소와 직접 접촉한다. 특히, 탄소 섬유가 사이징(sizing)으로 지칭되는 코팅을 가질 수도 있다는 점에 유의하여야 한다. 바람직하게는, 전도성 요소(265, 266)가 탄소 섬유와 직접 접촉하여 탄소 섬유가 전도성 요소(265, 266)의 사이에 전기적 경로를 제공한다. 보다 구체적으로, 탄소 섬유가 사이징(예를 들어, 탄소 섬유와 열가소성 수지 사이의 결합을 촉진하기 위한 코팅)을 포함하는 경우, 사이징이 탄소 섬유보다 훨씬 덜 전도성일 수도 있으므로, 탄소 섬유가 제 1 전도체와 제 2 전도체 사이의 저항 소자를 통해 흐르는 전기의 적어도 대부분을 그리고 바람직하게는 실질적으로 모든 전기를 전도한다.
전술한 바와 같이 구성된 제 1 구역(250)의 예시적인 구성에서, 각각의 저항 소자(255A 내지 255E)는 대략 46 옴의 저항을 제공한다. 이러한 방식으로, 100 볼트 AC에서 제 1 구역의 공칭 와트는 대략 1100 와트이다. 따라서, 가열 요소(230)는, 요소 내의 열가소성 매트릭스 재료의 유리 전이 온도 위로 요소(220)의 온도를 상승시키지 않고, 상부 구조적 요소(225)의 외부 표면의 표면 온도를 상승시키기에 충분한 주울 효과 가열을 제공한다.
이하 도 7을 참조하면, 제 2 및 제 3 가열 구역(270, 290)의 세부 사항이 설명된다. 제 2 가열 구역(270)은 제 1 가열 구역(250)과 실질적으로 유사하게 구성된다. 구체적으로, 제 2 가열 구역(270)은 복수의 저항 소자(275A 내지 275E)를 포함한다. 각각의 저항 소자(275)는 제 3 전도성 요소(285)와 전기적으로 연결되는 선두부(277) 및 제 4 전도성 요소(286)와 전기적으로 연결되는 꼬리부를 포함한다. 저항 소자(275A 내지 275E)는 두 개의 전도성 요소(285, 286)와 병렬로 연결된다.
저항 소자(275A 내지 275E)는 제 1 가열 구역(250)의 저항 소자(255A 내지 255E)와 실질적으로 동일하게 형성될 수도 있다. 그러나, 제 2 가열 구역의 가열 특성을 변화시키기 위해 제 2 가열 구역의 저항 소자의 구성을 변화시키는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 본 예에서는, 저항 소자(275)가 저항 소자(255)보다 실질적으로 더 길다. 특히, 저항 소자(275)의 몸체(280)가 저항 소자(255)의 몸체(260)보다 대략 두 배 더 길 수도 있다. 이러한 방식으로, 저항 소자(275)가 저항 소자(255)와 동일한 재료로 형성되면, 저항 소자(275)가 저항 소자(255)보다 실질적으로 더 높은 저항을 가질 것이다. 이러한 방식으로, 동일한 전압에서, 제 2 구역의 공칭 와트가 제 1 구역(250)의 공칭 와트보다 상당히 더 적다. 예를 들어, 100 볼트 AC에서 제 2 가열 구역의 와트가, 제 1 가열 구역의 공칭상 1100 와트와는 대조적으로, 대략 800 와트일 수도 있다.
도 7에는 제 4 전도성 요소(286) 및 제 5 전도성 요소(287)에 병렬로 연결되는 복수의 저항 소자(295A 내지 295E)를 포함하는 제 3 가열 구역(290)이 추가로 도시되어 있다. 저항 소자(295A 내지 295E)가 저항 소자(275A 내지 275E)와 상이하게 구성될 수도 있지만, 본 예에서는, 저항 소자(295A 내지 295E)가 저항 소자(275A 내지 275E)와 실질적으로 동일하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 가열 구역(250)은 제 2 및 제 3 가열 구역(270, 290)과는 별개의 층에 있다. 특히, 세 개의 가열 구역은 각각의 저항 소자(255A 내지 255E)의 몸체(260)가 제 2 및 제 3 가열 구역의 아래에 배치되어 각각의 저항 소자(275, 295)의 몸체가 제 1 가열 구역의 각각의 저항 소자의 몸체(260)의 위에 놓이지 않도록 구성된다. 이러한 방식으로, 제 2 및 제 3 가열 구역에 의해 제공되는 가열 구역이 제 1 가열 구역에 의해 생성되는 가열 구역과 실질적으로 중첩되지 않는다.
도 7에 도시된 바와 같이, 가열 요소의 상이한 층이 절연 층에 의해 분리된다. 예를 들어, 하나 이상의 절연 층이 제 1 가열 구역(250)을 갖는 층과 제 2 및 제 3 가열 구역을 갖는 층의 사이에 위치될 수도 있다. 특히, 유리 섬유 강화 열가소성 재료로 형성된 절연 층이 제 1 가열 구역의 위에 놓여 제 1 저항 소자(255)를 제 2 및 제 3 저항 소자(275, 295)로부터 전기적으로 절연시킬 수도 있다. 절연 층이 전술한 바와 같이 S2 PEEK 층으로 형성될 수도 있다. .
적층체(220)는 가압 하에 겹겹의 조립체(225, 226, 230)를 가열함으로써 통합된다. 예를 들어, 조립체가 용융 온도 위의 온도까지 가열될 수도 있다. 이어서, 압력이 제거되며, 통합 적층체가 주변 온도로 냉각된다.
이러한 공정에 따라 형성된 적층체가 전력 공급원과 연결되어 도 3에 도시된 회로와 유사한 회로를 생성할 수 있다. 그러나, 도 6 내지 도 9의 적층체(220)가 세 개의 가열 구역을 포함하므로, 회로가 세 개의 가열 구역 각각에 공급되는 전력을 제어하기 위한 하나 이상의 스위치를 포함할 수도 있다. 스위치는 세 개의 가열 구역(250, 270, 290) 중 하나 이상에 독립적으로 전력을 공급할 수 있도록 한다. 예를 들어, 도 6 내지 도 9에 도시된 적층체가 항공기 구조물로 형성되면, 서로 다른 가열 구역이 항공기 구조물의 서로 다른 부분에 열을 인가하도록 배치 및 구성될 수도 있다. 에어포일의 예에서는, 에어포일이 전단 가장자리, 상부 표면 및 하부 표면을 가질 수도 있다. 세 개의 가열 구역은 제 1 가열 구역(250)이 에어포일의 전단 가장자리에 놓이며, 제 2 가열 구역이 상부 표면 위에 놓일 수도 있으며, 제 3 가열 구역이 에어포일의 하부 표면 위에 놓이도록 위치될 수도 있다. 이러한 구성에서는, 세 개의 가열 구역(250, 270, 290)의 저항 소자가 적층체의 하나 이상의 표면의 온도를 적어도 50℉ 또는 대략 30℃만큼 상승시키기에 충분한 가열을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 가열 구역은 적어도 대략 50℉ 또는 대략 30℃만큼 전단 가장자리의 외부 표면의 온도를 상승시키는 배향으로 구성될 수도 있다. 유사하게, 제 2 구역(270)이 상부 표면을 가열할 수도 있으며, 제 3 구역이 하부 표면을 가열할 수도 있다.
시스템은 또한 복수의 센서를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 시스템은 제 1 영역의 특성을 감지하는 제 1 센서, 제 2 영역의 특성을 감지하는 제 2 센서, 및 제 3 영역의 특성을 감지하는 제 3 센서를 포함할 수도 있다. 세 개의 센서로부터 수신되는 신호를 기반으로, 시스템은 세 개의 가열 구역 각각에 공급되는 전력을 독립적으로 제어할 수도 있다. 일 예에서, 제 1 센서는 전단 가장자리 상의 얼음의 존재를 검출하며, 시스템은 제 1 센서로부터의 신호에 응답하여 제 1 가열 구역에 공급되는 전력을 제어한다. 특히, 제 1 센서가 얼음의 존재를 나타내는 특성을 검출하면, 시스템은 제 1 가열 구역(250)에 공급되는 전력을 증가시켜 전단 가장자리의 온도를 증가시킬 수도 있다. 추가적으로, 시스템은, 제 1 센서가 전단 가장자리 상의 얼음의 부족을 나타내는 특성을 검출하면, 제 1 가열 구역에 공급되는 전력을 감소시키거나 전력 공급을 중단함으로써 제 1 가열 구역에 공급되는 전력을 제어할 수도 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 얼음의 형성을 방해하거나 전단 가장자리에 이미 형성된 얼음을 녹이기 위해 전단 가장자리의 온도를 증가시키거나 감소시키기 위해 제 1 구역의 가열을 제어할 수도 있다. 유사하게, 제 2 센서로부터 수신되는 신호에 응답하여, 시스템은 얼음의 형성을 방해하거나 상부 표면에 이미 형성된 얼음을 녹이기 위해 제 2 가열 구역에 공급되는 전력을 제어할 수도 있다. 또한, 제 3 센서로부터 수신되는 신호에 응답하여, 시스템은 얼음의 형성을 방해하거나 하부 표면에 이미 형성된 얼음을 녹이기 위해 제 3 가열 구역에 공급되는 전력을 제어할 수 있다.
당업자라면 본 발명의 광범위한 발명의 개념을 벗어나지 않고 전술한 실시예에 대한 변경 또는 수정이 이루어질 수도 있음을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명이 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 제한되는 것은 아니며, 청구 범위에 설명된 바와 같은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 모든 변경 및 수정을 포함하기 위한 것임을 이해하여야 한다.

Claims (6)

  1. 복합 구조물을 포함하는 가열식 항공기 구조물로서, 상기 복합 구조물은,
    탄소 섬유 강화 열가소성 구조적 층;
    강화 열가소성 히터 층
    을 포함하고, 상기 강화 열가소성 히터 층은,
    단방향 탄소 섬유 강화 열가소성을 포함하는 복수의 전기 전도성 비금속 섬유;
    상기 전도성 비금속 섬유와 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    제2 전극으로서, 상기 전도성 비금속 섬유가 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기 경로를 제공하도록 상기 전도성 비금속 섬유와 전기적으로 연결되는 제2 전극
    을 포함하며,
    상기 제1 전극에 인가되는 전력이 상기 전기 전도성 비금속 섬유를 통해 전도되어 상기 복합 구조물을 가열하기에 충분한 저항성 가열을 제공하도록 상기 제1 전극 및 상기 전도성 비금속성 섬유가 연결되는 것인, 가열식 항공기 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 전도성 섬유는 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전도성 경로를 제공하는 것인, 가열식 항공기 구조물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 경로는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 복잡한 경로를 포함하는 것인, 가열식 항공기 구조물.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 경로는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 구불구불한 경로를 포함하는 것인, 가열식 항공기 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강화 열가소성 히터 층과 독립적으로 작동 가능한 추가의 히터 층을 포함하고 상기 추가의 히터 층 사이에 배치되어 상기 강화 열가소성 히터 층으로부터 상기 추가의 히터 층을 절연시키는 전기 절연층을 포함하는 가열식 항공기 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 전도성 비금속 섬유는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 복잡한 경로를 포함하는 것인, 가열식 항공기 구조물.
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