專利名稱：可裝接的電脈沖除冰器的制作方法
在1989年10月24日公開的題為“除冰器的電斥分離系統(tǒng)”的Lowell J.Adams等人的美國專利第4875644號，其公開內(nèi)容作為參考(以下簡稱為“電斥分離系統(tǒng)專利”)。
本發(fā)明涉及到飛機的除冰器，尤其涉及到使積冰表面變形的除冰器。
在飛機飛行時，其機翼上和其它構(gòu)件上結(jié)冰的危險是眾所周知的。這里采用的“構(gòu)件”術(shù)語意指對飛行期間結(jié)冰敏感的任何飛機的表面，包括機翼、發(fā)動機入口、旋翼等等。從早期飛行以來，已經(jīng)作了各種嘗試去克服積冰問題。盡管已經(jīng)提出了各種在飛行期間對飛機除冰的技術(shù)，但仍有各種缺陷。這就促使繼續(xù)其研究工作。
已經(jīng)廣泛采用的一種方法是所謂的機械式除冰器。在機械除冰中，采用一些方法使構(gòu)件的導(dǎo)前邊緣變形，而使其上的積冰破碎散到氣流中去。常用的機械破冰技術(shù)是采用可以周期性膨脹的管狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的膨脹或擴張為40%或更多。這種膨脹一般在約2到6秒內(nèi)發(fā)生，并導(dǎo)致除冰器外形的實質(zhì)性的變化，因而使積冰破碎。遺憾的是，該裝置的膨脹會對經(jīng)過飛機結(jié)構(gòu)的氣流帶來不利的影響。再有，當冰聚集到相當量(約0.25英寸或更厚)時是最有效的，從而就限制了其效能。人們希望，遠在積冰達到約0.25英寸之前就應(yīng)完成除冰。
較近期的機械式除冰技術(shù)采用了內(nèi)部“錘”去使構(gòu)件導(dǎo)前邊緣變形。這種方法被示例于授給Levin等人的第3549964號美國專利中，其中從一個脈沖發(fā)生器來的電脈沖被送到一個裝設(shè)在構(gòu)件內(nèi)壁鄰近處的火花間隙壓力傳感器的線圈。該線圈的一次電流包括在該構(gòu)件壁中的電流，且該電流產(chǎn)生的磁場相互作用，而使構(gòu)件變形。
授予Levin等人的第3672610號和3779488號美國專利以及授于Sandorff的第439967號美國專利揭示了采用感應(yīng)激勵線圈的飛機除冰器，使結(jié)冰表面變形或扭曲。這些裝置的每一個都采用了電磁線圈或磁限制式振蕩器，它們位于與積冰表面相對的表面?zhèn)取Ｔ谑谟鐻evin等人的第3809341號美國專利中，相互相對設(shè)置了扁平的匯流排，每個匯流排的一側(cè)都鄰近積冰壁的內(nèi)表面設(shè)置。電流通過每個匯流排，且所產(chǎn)生相互作用的磁場迫使各匯流排遠離並使積冰壁變形。
授予Haslim等人的第4690353號美國專利示出了一種較近期的方法。在該353專利中，一個或多個重疊的柔性導(dǎo)體帶被嵌入固定在構(gòu)件外表面的彈性材料中。從一個電力貯存單元供給該導(dǎo)體大電流脈沖。產(chǎn)生的相互作用的磁場造成一個電斥力，使得彈性部件膨脹。當電流脈沖通過導(dǎo)體時，該膨脹幾乎是瞬時的，它被認為對除掉薄冰層是有效的。盡管在353專利中揭示的裝置被認為比先前的機械式除冰技術(shù)好，但仍存在某些缺點。缺點之一涉及到在鄰近的導(dǎo)電部件中電流的方向。在353專利中揭示的電流被認為所產(chǎn)生的效率低，這就大大限制了裝置的功效。
電斥分離系統(tǒng)專利揭示了一種裝置，它比353專利所述的裝置先進。在該電斥分離系統(tǒng)專利中，導(dǎo)電部件是這樣安排的，它能產(chǎn)生比353專利中所述的螺線形構(gòu)形更大的電斥力。再有，該電斥分離系統(tǒng)專利講述了傳送預(yù)定幅值、形狀及持續(xù)時間的脈沖，提供了有效的除冰作用。
盡管現(xiàn)有技術(shù)，尤其是電斥分離系統(tǒng)專利講授了各種改進，但仍然需要提供有效的除冰操作。特別是希望具有這樣一種除冰器，它具有各種現(xiàn)有機械式除冰器能產(chǎn)生的作用力，而又不存在與其有關(guān)的缺陷，如尺寸大，使現(xiàn)有構(gòu)件改型困難以及其它問題。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，並提供了一種新的改進的除冰器，它尤其適于固定到構(gòu)件的外表面。在本發(fā)明的一個實施例中，鄰近一個構(gòu)件的外表面設(shè)置一個感應(yīng)線圈。該線圈的第一側(cè)設(shè)置與該表面接觸，而第二側(cè)與該表面間隔開。該線圈可作遠離或朝向該表面的運動。對該線圈設(shè)有一個支承部件，該支承部件是柔性的，以使線圈能相對于該表面運動。該支承部件的一部分限定了一個積冰表面，而該表面就響應(yīng)于線圈的運動而運動。最好是線圈與支承部件為整體結(jié)構(gòu)設(shè)置，這就能結(jié)合到或固定到構(gòu)件的導(dǎo)前邊緣，而無需使構(gòu)件改形。
本發(fā)明的另一個實施例需要設(shè)置一個金屬靶(target)，它設(shè)于線圈及支承部件中間。還有一個實施例需要設(shè)置一個靶，該靶設(shè)在線圈和構(gòu)件的中間。再有一個實施例需要將一個靶(增倍器)固定到構(gòu)件的內(nèi)表面。
對于本發(fā)明的每個實施例，其支承部件按照通過線圈的短持續(xù)時間的大電流脈沖產(chǎn)生快速有力的遠離構(gòu)件的移動。如果構(gòu)件是金屬的，該構(gòu)件作用為一個靶，且線圈移動遠離表面;如果該構(gòu)件是非金屬的(如合成材料)且不使用表面接觸靶，則線圈維持其位置靠著表面。該電流產(chǎn)生一個包括靶、構(gòu)件(如果是金屬)以及支承部件(如果是非金屬)內(nèi)渦流的電磁場。由于線圈內(nèi)電磁場消失，支承部件就快速地被拉到靜止位置。
與現(xiàn)在機械式除冰器相反，本發(fā)明的除冰器是非常有效的，同時可避免現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點。加到構(gòu)件上的大部分力是壓縮力，它比各種其它機械式除冰器產(chǎn)生的拉力要易于提供。再有，該裝置作為新的結(jié)構(gòu)部件或改型均易于適配到構(gòu)件上。
因為該裝置按渦流原理工作，它就完全避免了直流存在的問題，而且提供的除冰操作比現(xiàn)有裝置更為有效。由于積冰表面以高的加速度移動較大距離，則部分提高了該裝置的效能。盡管其移動不致對經(jīng)過構(gòu)件的氣流產(chǎn)生不利的影響，但該移動比現(xiàn)有渦流型除冰器所描述的那種裝置發(fā)生的移動大20倍以上。該裝置產(chǎn)生的渦流感應(yīng)還比現(xiàn)有的內(nèi)置渦流除冰器約高20%，或左右，這是因為線圈和靶互相為面對面接觸。所說的內(nèi)置除冰器要求在線圈和機構(gòu)件之間有一個相當?shù)拈g隙，以防止在回彈構(gòu)件時可能損壞線圈。本發(fā)明的效率也是高的，這是因為被移動的積冰面較薄，且是彈性地粘貼在構(gòu)件上。在那些使構(gòu)件本身變形的除冰器中，積冰表面較厚，且其變形也較難。
閱讀本發(fā)明的最佳實施例的敘述及其后的附圖，可使本發(fā)明的上述及其它特性及優(yōu)點更為明了，這些構(gòu)成本說明書的一部分。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)機械式除冰器的示意性截面圖;
圖2為表示圖1的除冰器如何起作用的電路示意圖;
圖3為表示如何將多個按照圖1的除冰器安裝在構(gòu)件中的電路示意圖;
圖4為固定到構(gòu)件外表面的本發(fā)明除冰器的截面圖;
圖5為圖4所示本發(fā)明另一個實施例的截面圖，表示將除冰器固定到構(gòu)件外表面的另一種技術(shù);
圖6為表示與一個線圈連合使用的金屬靶的本發(fā)明另一個實施例的截面圖;
圖7為與圖6相似的截面圖，其中包括一個所謂的移動空隙作為除冰器的一部分。
圖8為與圖7相似的截面圖，其中鄰近構(gòu)件設(shè)置了移動間隙;
圖9為可與本發(fā)明一起使用的扁平線圈的頂視平面圖;
圖10為可與本發(fā)明一起使用的另一個扁平線圈的頂視平面圖;
圖11為可與本發(fā)明一起使用的重疊扁平線圈的頂視平面圖;
圖12為可與本發(fā)明一起使用的螺線繞制線圈的透視圖;
圖13為表示本發(fā)明多重除冰器布置的構(gòu)件導(dǎo)前邊緣的垂直正面示意圖;
圖14與圖13相似，表示本發(fā)明多重除冰器的另一種布置;
圖15與圖13相似，也表示本發(fā)明多重除冰器的另一種布置;
圖16為本發(fā)明除冰器的電路示意圖;
圖17為電流對時間的曲線圖，表示與本發(fā)明一起使用的電流脈沖形狀;
圖18為位移、速度和加速度對時間的曲線圖，表示本發(fā)明除冰器一部分的運動;
圖19為力對線圈電流的曲線圖，表示本發(fā)明除冰器與現(xiàn)有技術(shù)機械式除冰器比較的特性;
圖20為一個一英寸半徑線圈的渦流形狀;
圖21為對一個一英寸半徑線圈作為時間函數(shù)的渦流密度形狀;
圖22為一個金屬靶上作為該靶半徑的函數(shù)的壓力分布曲線圖;
圖23為一個金屬靶上在各種半徑壓力分布對時間的曲線圖;
圖24為每單位靶區(qū)域在平面內(nèi)壓力的曲線圖;
圖25為每單位靶區(qū)域平面內(nèi)壓力的徑向分布曲線圖;
圖26為對各種靶材料沖擊對靶厚度的曲線圖。
本發(fā)明提供了一種尤其適用于構(gòu)件導(dǎo)前邊緣除冰的技術(shù)。除冰就是在導(dǎo)前邊緣上結(jié)冰后將冰除去。導(dǎo)前邊緣就是構(gòu)件的某一部分，其作用是迎著且沖破沖擊構(gòu)件表面的氣流。導(dǎo)前邊緣例如機翼的前部，穩(wěn)定器、支柱、短艙、旋翼以及其它外殼和首先受到氣流沖擊的凸出部分的前部。
圖1-3描繪了一種已知的機械式除冰器10和其電路。該除冰器10包括第一和第二線圈12，它們裝設(shè)在一個鄰近其導(dǎo)前邊緣背面的構(gòu)件(如一個機翼)14內(nèi)。該構(gòu)件14的表面由金屬(如鋁)制造，該表面以下稱之為“蒙皮”。線圈12借助安裝架18裝設(shè)在機翼梁16上。在平面視圖中線圈12是環(huán)形的。一個環(huán)形的非合金的鋁盤20連接到與每個線圈12直接相對的導(dǎo)前邊緣的內(nèi)表面。
參考圖2，每個線圈12與一個儲能電容器22和一個可控硅24串聯(lián)。一個二極管26並連到電容器22上。將一個觸發(fā)脈加到可控硅24上而激發(fā)出一個電沖擊使電容器22能通過線圈12放電電。因為可控硅24具有二極管的特性，則電流跟隨RLC響應(yīng)的第一正回路，此后，可控硅再斷開該電路。這就使電容器22反向充電。這種反向充電實質(zhì)上縮短了電容器的壽命。為此，二極管26被置于跨接在電容器22兩端。
參考圖3，其中示出了在一個機翼內(nèi)線圈12的典型的翼展方向安裝。每個線圈12與另一線圈12水平方向分開約16英寸。這些線圈12連接到一個獨立功率單元28，該單元28包括一個變壓器30。電容器22跨接在變壓器30的二次側(cè)兩端。一個切換設(shè)備32連到每個可控硅24，以向可控硅24提供觸發(fā)脈沖。
當電容器22通過每個線圈12放電時，就產(chǎn)生一個快速建立和消失的電磁場，這包括在盤20和金屬蒙皮14內(nèi)的渦流。在線圈12、盤20及蒙皮14內(nèi)流動的電流產(chǎn)生的電磁場造成一個其幅值為幾百磅的斥力，但只持續(xù)零點幾毫秒的時間。蒙皮14的小幅度、高加速度的運動起作用，以震裂、脫開且除掉冰。實現(xiàn)了由對電容器22再充電所需的時間分割開的短序列的兩、三次這種“碰撞”，而后冰又能再聚集，直到接近不希望的厚度。通過適當控制切換裝置32，線圈12順序地起作用，以產(chǎn)生一個“脈動”作用，該作用被認為以蒙皮在弦向及翼展方向的運動的擴展進行除冰是比較有效的。
從上述可以理解，所涉及的除冰器10的效能取決于蒙皮的變形。結(jié)冰的金屬表面移動是非常有限的;一般在所有結(jié)冰條件下需要三次沖擊脈沖除掉積冰。再有，盡管蒙皮的移動只是有限的量，但仍需大作用力以實現(xiàn)即使是這種有限的移動。另外一個問題是，該作用力是“負”作用力，該力使得對導(dǎo)前邊緣施加一個張力負載。飛機構(gòu)件設(shè)計成可較好地承受壓力負載，而不是張力負載。
現(xiàn)在參考圖4，本發(fā)明的除冰器由參考號40標示。該除冰器40與采用線圈42的除冰器10相似。但是，正如下邊要討論的，除冰器40與除冰器10有明顯的區(qū)別。從以下敘述可看出其區(qū)別。
圖4中所示的除冰器40構(gòu)成于一個整體單元，它連接到或牢固地固定到構(gòu)件的導(dǎo)前邊緣。構(gòu)件的導(dǎo)前邊緣或蒙皮由參考號44標示。蒙皮44一般由像鋁合金的金屬制造。線圈42一般是由單個扁平線圈元件組成的多層線圈(見下邊對圖9-11的討論)。在這里所述的全部實施例中，線圈42為一個單一結(jié)構(gòu)，沒有互相運動的部分。為討論本發(fā)明，線圈42圖示為一個單獨的元件。線圈42包括第一表面，該表面在靜止狀態(tài)與蒙皮44的外表面接觸;以及第二表面，該表面與蒙皮44間隔開。線圈42未連到蒙皮44，以使它能作遠離和朝向蒙皮44的運動。
線圈42的第二表面由一個表面層46蓋住。該表面層46最好不連到線圈42的第二表面。線圈42的水平邊緣由柔性的、非金屬填料層48鄰接，以對蒙皮44的輪廓提供平滑的過渡。該除冰器40靠層48被連接或牢固地固定到蒙皮44上。表面層46連接到層48。在表面層46的端部，該表面層46由固定件(未示出)連接或固定到蒙皮44。因此，在連到蒙皮44的層48的各部分中間的線圈42和表面層46能作遠離及朝向蒙皮44的運動。查看圖4能看出，表面層46不僅構(gòu)成了除冰器40外表面的主要部分，它還用作線圈42的一個支承部件(與層48一起)，以保持線圈42對蒙皮44的適當位置。
線圈42最好由非合金銅制造。參考Lowell J.Adams等人在1989年11月15日提交的第07/437489號申請，題目為“扁平線圈結(jié)構(gòu)”，其公開內(nèi)容在這里作為參考，以較完全地敘述線圈42及其如何制造。表面層46可由構(gòu)件外表面所采用的任何適用金屬來制造，如鋁、鈦或不銹鋼箔。該表面層46還可由熱塑性薄膜制成薄層，如聚醚醚酮(“PEEK”)。這種材料具有良好的雨蝕特性，同時易于形成任何所要求的外形。如果需要，層46可由其它適合的非金屬材料制造。將表面層46連接到層48采用的粘合劑，可以是任何將表面層連到除冰器其它部分所通用的粘合劑，不過像EA951這種改良的環(huán)氧薄膜粘合劑(Hysol公司制造)較好。填料層48可由除冰器采用的任何已知的柔性、非金屬材料或類似材料制造，如橡膠、玻璃纖維或類似材料。
現(xiàn)在參考圖16，由參考號60標示除冰器40的示意電路。有較小改動的電路60，在電斥分離系統(tǒng)專利中有詳細敘述。該電路60對一組電容器62(為簡化只示出一個)充電，該電容62用作為高壓儲能裝置。如果采用金屬表面層46和任何靶或增倍器，它們應(yīng)連到飛機的地，以使電磁干擾減至最小。當需要除冰操作時，一個控制脈沖64被送到一個觸發(fā)器電路66，它使電容器62能通過一個或多個硅可控整流器(SCR′S)68放電，以對線圈42提供大電流脈沖的輸出70。當需要輸出電流脈沖70時，通過打開開關(guān)74將維持電容器62在放電工況的泄載負載72去掉，從而使來自充電電路76的充電電流將電容器62充電到要求的電壓。當SCR68被觸發(fā)“通”時，電容器組62向線圈42放電。產(chǎn)生一個大電流脈沖，其幅值由電流互感器78檢測。
參考圖17，電流脈沖可以為一個純凈的過阻尼指數(shù)衰減的正弦波形，它可以靠一個RLC電路值實現(xiàn)之。在RLC電路各分量值以已知的方式選擇情況下，如該電路可以是或可以變成欠阻尼或固有振蕩情況下，該電路構(gòu)形應(yīng)為，一個整流器80把電路電感器儲能泄放到除冰器負載內(nèi)，產(chǎn)生單個的非振蕩脈沖，該脈沖具有延長的后沿。
如果電容器62具有約500微法的電容量，且電路60如前述工作，則通過線圈42將釋放1250伏電壓下峰值約為3000安的電流。該線圈的上升時間約為100毫秒，且下降時間約為200300毫秒。一個強電磁場將產(chǎn)生，它包括在蒙皮44和表面層46(如果是金屬)內(nèi)的渦流。依次，由蒙皮44和表面層46將產(chǎn)生電磁場。于是，所產(chǎn)生的電磁場將造成僅有零點幾毫秒延續(xù)時間的大的斥力。該沖擊力由線圈42傳遞到表面層46，產(chǎn)生小幅值、高加速度的表面層46的運動，這將足以粉碎且除掉任何積冰。
現(xiàn)在參考圖18，示出了表面層46的移動速度和加速度的曲線圖。如圖18所示，表面層移動約0.065英寸，其峰值加速度約為重力和加速度(G′S)的18750倍，其峰值速度約為每秒380英寸。所產(chǎn)生的壓縮和膨脹力在磁場消失期間被反向，從而產(chǎn)生了跨過表面層46的壓力波。如圖4所示，線圈42和表面層46被快速地拉到靜止位置。從圖18的觀察可以看出，其峰值回縮速度約為每秒270英寸，且峰值加速度約為13750倍重力加速度。結(jié)果，線圈42及表面層46不僅被斥離皮44，且還被施加返回及朝向蒙皮44的動力。觀察圖18可看出，由于頂著蒙皮44回縮，線圈42和表面層46有很小的“顛動”。還可理解，線圈42和表面層46遠離蒙皮44的初始移動對皮44最初施加了壓縮負載，而不是張力負載。
現(xiàn)在參考圖19，其中示出了實驗室的力的Vice試驗之力對線圈電流的曲線圖。示出了四次試驗結(jié)果。有參考號90、92、94是按電斥分離系統(tǒng)專利所述的所謂電斥分離原理工作的線圈之作用力對電流的曲線圖。標有96的線是按照本發(fā)明工作的線圈42的作用力對電流的曲線圖。采用四層螺線線圈則產(chǎn)生線90。標有92的線是采用由矩形銅片蝕刻的四層扁平線圈所得結(jié)果的曲線圖。有參考號94的線是使用由正方形銅片蝕刻的四層扁平線所得結(jié)果的曲線圖。有參考號96的線是采用按照本發(fā)明工作的四層扁平矩形線圈42所得結(jié)果的曲線圖。從圖19可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)試驗線圈比較所產(chǎn)生的顯著優(yōu)越的效果。這種效果與扁平螺線線圈(線90)比較則尤其是驚人的。在1700安培線圈電流下，該扁平線圈42產(chǎn)生超過1000磅的斥力，而螺線線圈產(chǎn)生的斥力才小于200磅。
在圖5-8中描繪出本發(fā)明另一些實施例，這些實施例將依次敘述。適當時候，表示各實施例公用元件的參考號將從一個圖轉(zhuǎn)入另一個圖。
參考圖5，本發(fā)明的另一個實施例由參考號100標示。除冰器100采用了連接層102，該層以基本為面對面接觸被連到或牢固地固定到金屬蒙皮44。如果要求另一靶104(所謂“增倍器”)能裝設(shè)在蒙皮44的內(nèi)表面上。如果金屬蒙皮44的厚度不足以感生足夠的渦流，則有利于采用靶104。線圈42裝設(shè)在層102的外側(cè)。線圈42不連到層102，則線圈42可作遠離和朝向?qū)?02的運動。表面層46蓋住線圈42和層102填料層48(只示出其一部分)像圖4所描述的實施例一樣，對蒙皮44提供了平滑的輪廓。期望層102由非金屬材料，如粘附膜，玻璃纖維及類似物制作。
除冰器100的一個優(yōu)點是它能預(yù)制成一個整體單元。而后再連到蒙皮44上。相信除冰器100比除冰器40更易于連到蒙皮44上。再有，因為層102是基本為面對面接觸連到蒙皮44上，所以在除冰器100與蒙皮44之間的連接非常牢固。
參考圖6，本發(fā)明的另一實施例由參考號110標示。除冰器110在結(jié)構(gòu)及操作上與除冰器40相似，只是金屬靶112設(shè)在線圈42的第二側(cè)，線圈42和表面層46的中間。填料層48為基本面對面接觸連到蒙皮44，但線圈42不連到蒙皮44，則它可以作遠離和朝向蒙皮44的運動。期望在圖6所示實施例中的蒙皮44由金屬或復(fù)合材料制作。靶112最好由EA951這樣的粘合劑連到層46上。線圈42和靶112由膜分離層或釋放層116分開。層116使得靶112能作遠離和朝向線圈42的運動。期望靶112由鋁這樣的順磁材料制成。釋放層116能由非粘性熱塑材料制作。層116的適宜材料在商業(yè)上可從DiXiCo公司的Richmo部得到，商標為A5000。如果要求，線圈42和靶112的位置可反過來，靶112與蒙皮44的外表面接觸，且線圈42連到表面層46的內(nèi)表面。
參考圖7，用參考120示出本發(fā)明的又一個實施例。在該實施例中，蒙皮44由復(fù)合材料制成。除冰器120包括一個設(shè)在線圈42第二側(cè)的金屬靶122。線圈42和靶122由一個參考號為124的分離層或釋放層分開。填料層48包括一個后部126跨過除冰器120的前部延伸。該后部126靠空隙128及釋放層130與靶122的外表面間隔開。該釋放層130與靶122的外表面接觸。表面層46連到后部126。
除冰器120增大了作用力，還能施加到表面層46。在線圈起作用期間，該線圈42維持與蒙皮44接觸。釋放層124維持連到靶122，且與線圈42分離。靶122移動遠離，而后朝向線圈42。通過在該除冰器結(jié)構(gòu)中，設(shè)置空隙128，靶122在層130沖擊后部126以前運動相當大的距離。于是所產(chǎn)生的動量就提供了增大的沖擊力。依次，期望能采用短持續(xù)時間的電流脈沖產(chǎn)生與除冰器40相比的等效除冰作用。如果要求，蒙皮44可由金屬制作，這種情況下則取消靶122。再有，線圈42和靶122的位置可反過來，如對圖6實施例所描述的一樣。
參考圖8，由參考號130示出了本發(fā)明再一個實施例。除冰器130在構(gòu)思上與除冰器120類似。如所述，蒙皮44由金屬制作。但是，代替空隙128設(shè)在后部126的鄰近處，是把空隙128設(shè)在蒙皮44和與線圈42接觸釋放層132中間的。在除冰器130中，靶122被取消，線圈42與后部126的內(nèi)表面接觸。如果蒙皮44由復(fù)合材料制成，則金屬靶(未示出)可與線圈42聯(lián)合使用。通過采用除冰器130，在定形的大電流脈沖下降時產(chǎn)生的收縮力能增大表面層46的運動，從而產(chǎn)生非常有效的除冰效果。
參考圖9-11，其中示出了線圈42的某些部件。在圖9中，第一個片狀部件140是由第一個連續(xù)導(dǎo)電體限定的，該第一導(dǎo)電體具有多匝142、第一端144和第二端146。第一端144限定至部件140的輸入，而第二端146限定從部件140的電輸出。部件140由一個非合金銅或鋁的單板構(gòu)成，其厚度約0.016英寸。匝142的寬度在0.070-0.125英寸范圍內(nèi)。
在圖10中，第二個片狀部件150由第二個連續(xù)導(dǎo)電體限定，該導(dǎo)電體具有多匝152、第一端154及第二端156。第一端154限定至部件150的輸入，而第二端156限定從部件150的電輸出。部件150由非合金銅或鋁的單片構(gòu)成，其厚度約0.016英寸。匝152的寬度在0.070-0.125英寸范圍內(nèi)。
在圖11中，部件140、150被描述為“完全重疊”線圈結(jié)構(gòu)，由參考號160標示。在該結(jié)構(gòu)中，匝142設(shè)置緊接鄰近可比的匝152處。端部146、154通過焊接，形成電氣連接。通過觀察圖11可理解，至第一端144的電流將流過通過匝142的通路，其方向與流過重疊的鄰近匝152的電流方向相同。第一部件140一般具有12個1/4匝(為清楚其描述示出8個1/4匝)，如第二部件150一樣。因此，重疊部件140、150限定一個24個1/4匝的線圈160。盡管部件140、150描述為矩形的，但它們可為正方形、環(huán)形或任何其它所要求形狀。
參考圖12，線圈170由一個螺線繞制連續(xù)導(dǎo)體限定，其導(dǎo)體構(gòu)成為扁平帶，其寬度約為0.19英寸且厚度約為0.025英寸。該線圈170約包括40匝，它們緊密繞制構(gòu)成其內(nèi)徑約為0.25英寸，且外徑約為2.25英寸。導(dǎo)體的端部設(shè)有連接器172、174，用于至電流源的連接。線圈170不比線圈160理想，其中部分原因是它的厚度較大。
線圈160、170連同其它成份(如適用的介電材料及密封材料)用于制造線圈42。另外的涉及線圈42的細節(jié)，包括用來制造它的材料及技術(shù)可以從一個共同提交申請中找到，申請題目“扁平線圈結(jié)構(gòu)”，序列號07437489;該申請由Lowell J.Adams等人于1989年11月15日提交，並轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人。
現(xiàn)在參考圖13-15，其中描述了線圈42沿翼展方向的各種結(jié)構(gòu)。在圖13中，線圈42在翼肋180兩側(cè)等距離被隔開約16英寸。除冰器40在蒙皮44導(dǎo)前邊緣的中心線處互相對準。該中心線在圖13-15中由點劃線182標示。
在圖14中，以類似于對圖13所述的方式設(shè)置了上、下線圈42。如圖13，線圈42沿翼展方向在肋180兩側(cè)互相等距離間隔開約16英寸並在中心線182的上、下，均等距離地相隔開。
在圖15中，線圈42相對中心線182沿翼展方向被交錯排列。就是說，一個線圈42置于中心線182之上，而鄰近的線圈42被置于中心線182之下等距離處。如圖13及14描述實施例，圖15中線圈42在肋180兩側(cè)等距離地設(shè)在約16英寸遠處。
通過如圖13-15所示設(shè)置線圈42，由線圈42產(chǎn)生的擴展的作用力產(chǎn)生一個小幅值高加速度的運動以及跨過蒙皮44導(dǎo)前邊緣的產(chǎn)生應(yīng)力的波，使冰破碎並被除去。每個線圈42的脈動作用力取決于它的尺寸及結(jié)構(gòu)，還有整個除冰器的結(jié)構(gòu)(如圖4-8的描繪)。
當線圈42像圖13所示被置于中心線182上時，該線圈42可作為奇數(shù)或偶數(shù)組(1、3、5…，或2、4、6…)被連續(xù)或同時(如元件1、2、3等)激勵。在圖14所示構(gòu)形中，線圈42可作為上表面組(1、3、5…)，繼而下表面組(2、4、6…)連續(xù)或同時被激勵，反之亦然。線圈42也可作為交錯排列組，如1、4、5，繼而2、3、6被激勵，反之亦然。在某些情況下，線圈42的數(shù)量可減至最少，如圖15所示，且在如1、3、5，繼而2、4、6組中被激勵，或作為交錯排列組1、2、3…同時被激勵。從上述可理解，線圈42能以各種布局連到蒙皮44，且能以各種順序激勵，以達有效的除冰作用。
按渦流原理作用的機械式除冰器，如圖1所描繪的那樣，已采用了一個感應(yīng)線圈去感生在金屬表面內(nèi)的渦流，該金屬表面比感應(yīng)線圈本身要大許多倍。如圖20中所示，對1英寸半徑線圈，渦流僅被感生到圍繞線圈的有限半徑內(nèi)。圖21指出了渦流密度特別是在離開線圈中心距離處要快速下降。最大的力產(chǎn)生于1.25×電感線圈半徑的半徑距離之內(nèi)。目前應(yīng)用構(gòu)件蒙皮是薄的其半徑比感應(yīng)線圈半徑大約25%的金屬增倍器或靶適用提高所產(chǎn)生的沖擊力。
圖6和7中所示的本發(fā)明的除冰器采用了一個靶，它包括該除冰器本身的一部分，而無需采用構(gòu)件的皮作為靶。盡管這里所述的某些實施例(尤其圖4所示)采用了金屬皮去提供由渦流產(chǎn)生的沖擊力，但對本發(fā)明適當?shù)墓δ苁褂妹善な遣恍枰?除圖4實施例外)。對由非金屬材料(如石墨/環(huán)氧樹脂)制的蒙皮，本發(fā)明起充分的作用。
參考圖22，其中描繪了在一個金屬靶上壓力(表示為渦流密度)對各種半徑下時間的曲線圖。幾乎所有的壓力均發(fā)生在感應(yīng)線圈半徑1.25倍的距離內(nèi)。于是，本發(fā)明采用的靶，為產(chǎn)生有效的作用力，僅需要大約的尺寸和形狀的感應(yīng)線圈。至多，該靶的半徑比線圈大25%。
金屬靶上的作用力包括一個作用向外的遠離電感線圈正常力，它隨半徑而變。該可變力在圖23中被描繪出，呈現(xiàn)為從靶的中心開始不同半徑處壓力對時間的曲線圖。在圖23右側(cè)的線經(jīng)過橫座標以下，指示出在磁場消失時靶上的力反向。如前邊指出的，本發(fā)明的這個特性意味著靶不僅被向外施以動力，而且也被向內(nèi)施以動力。還有一個徑向作用力，起始時趨于壓縮或收縮靶，且而后趨于擴張靶。該徑向作用力當實行除冰器操作時會是有利的，因為該徑向作用力產(chǎn)生一個壓力分布波(脈沖作用)，它當靶彎曲時跨過除冰器表面起作用。在圖24和25中示出了靶上典型的徑向作用力。圖24是每單位靶表面的區(qū)域面內(nèi)徑向力的曲線圖;而圖25是每單位靶區(qū)域面內(nèi)力的徑向分布曲線圖。在圖24中，描繪出各種半徑壓力對時間關(guān)系。圖25中，描繪出不同時間壓力對半徑關(guān)系。如圖20-23一樣，圖24和25示出產(chǎn)生渦流力快速聳起及快速下降。圖24和25也示出了在比25%線圈半徑大的距離處的徑向力是不明顯的。
由感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沖擊力取決于靶的直徑、靶的厚度以及靶的制作材料。材料的導(dǎo)電率以及其厚度確定了渦流，該渦流將在感應(yīng)線圈和靶之間專門的間隙而產(chǎn)生。感應(yīng)線圈的形狀及靶的形狀還可以改變，以獲得對像曲線翼型的專門結(jié)構(gòu)的最大沖擊力。圖26是各種靶材料沖擊力對靶厚度的曲線圖。盡管看上去銅產(chǎn)生最好的沖擊曲線，但像1145鋁的其它材料也提供了可接受的特性。
除了靶的尺寸和厚度以外，其它設(shè)計上的考慮包括靶是否應(yīng)疊置(兩或三層)以及各層是否應(yīng)由同樣材料制作。對于厚度，希望提供靶的厚度為產(chǎn)生最好沖擊的一個電蒙皮的厚度。如果要求，靶可作成兩層，一個為強度層，第二層用不同材料且具有改善的導(dǎo)電率。已發(fā)現(xiàn)，增加靶的厚度會提高所產(chǎn)生的沖擊。盡管如此，一般要保持靶盡可能薄，以使重量最小且改變構(gòu)件的輪廓最少。在設(shè)計增倍器(構(gòu)件內(nèi)表面上的靶)工作中，已發(fā)現(xiàn)適于選擇增倍器厚度等于在電路頻率下電蒙皮厚度的一半。
還發(fā)現(xiàn)，將電周期和機械周期匹配可得到最佳效果。具體說，電周期應(yīng)選為其固有周期的八分之一。如果線圈電流具有長的上升時間，就需要較厚的靶。對采用增倍器現(xiàn)有的機械式除冰器的實驗結(jié)果指明了最佳電周期為機械周期的兩倍。這被認為在機械和電周期之間的相似關(guān)系適用到本發(fā)明。
以前試驗結(jié)果已采用了均勻厚度的翼型蒙皮和/或增倍器。能改變靶的厚度和形狀以及靶離線圈的間隔，以改變在靶中產(chǎn)生的力，且增加力對除冰表面的傳遞。
盡管對本發(fā)明以其較佳形式進行了一定程度的敘述，但可以理解，本發(fā)明較佳實施例公開內(nèi)容僅作出示例提出，且仍可實現(xiàn)各種改變而不脫離其后所要求保護的本發(fā)明精神實質(zhì)及范圍。其意圖是，通過所附權(quán)利要求的適當?shù)谋磉_，覆蓋本發(fā)明的專利性。
權(quán)利要求
1.一種專用于連接到一個金屬構(gòu)件外表面的除冰器，該除冰器具有在飛行期間其上積冰的暴露的外表面，它包括一個單一的感應(yīng)線圈，該線圈的第一側(cè)鄰近該構(gòu)件的外表面設(shè)置，且其第二側(cè)與該構(gòu)件外表面間隔開；支承該線圈的支承裝置，該支承裝置鄰近線圈第二側(cè)設(shè)置且限定除冰器的暴露表面，該支承裝置為柔性，以當該線圈相對于構(gòu)件運動時除掉在暴露表面上的積冰；以及向該線圈供給短持續(xù)時間的大電流脈沖的裝置。
2.權(quán)利要求1的除冰器，其中構(gòu)件包括一個具有中心線的導(dǎo)前邊緣;第一線圈設(shè)置在該中心線以上，而第二線圈設(shè)置在該中心線以下。
3.權(quán)利要求1的除冰器，其中構(gòu)件包括一個具有中心線的導(dǎo)前邊緣;有多個線圈在中心線附近沿導(dǎo)前邊緣在翼展方向間隔開。
4.權(quán)利要求1的除冰器，其中線圈和支承裝置形成為一個整體結(jié)構(gòu)，可連接到構(gòu)件的外表面而不改變構(gòu)件形狀。
5.權(quán)利要求4的除冰器，其中支承裝置包括一個連到該構(gòu)件的非金屬層，且線圈可相對該非金屬層運動。
6.權(quán)利要求1的除冰器，其中線圈為扁平的。
7.權(quán)利要求1的除冰器，其中線圈為扁平的且構(gòu)成多層。
8.權(quán)利要求1的除冰器，其中支承裝置包括一個柔性的非金屬層，該非金屬層連到構(gòu)件的外表面;以及一個表面層，該表面層覆蓋在該柔性非金屬層的至少一部分上。
9.權(quán)利要求8的除冰器，其中表面層由金屬制作。
10.權(quán)利要求8的除冰器，其中表面層由熱塑材料制作。
11.權(quán)利要求1的除冰器，它還包括一個設(shè)置在線圈第一側(cè)和構(gòu)件外表面中間的金屬靶。
12.權(quán)利要求1的除冰器，其中支承裝置包括一個鄰近線圈第二側(cè)設(shè)置一個金屬部分。
13.權(quán)利要求1的除冰器，它還包括設(shè)置在與線圈相對的構(gòu)件內(nèi)表面上的一個金屬靶。
14.權(quán)利要求1的除冰器，它還包括一個設(shè)在線圈第二側(cè)和支承裝置中間的移動空隙。
15.權(quán)利要求14的除冰器，它還包括設(shè)置在線圈和移動空隙中間的一個金屬靶。
16.權(quán)利要求1的除冰器，它還包括設(shè)置在線圈第一側(cè)和構(gòu)件外表面中間一個移動空隙。
17.權(quán)利要求16的除冰器，它還包括設(shè)置在線圈和構(gòu)件中間的一個金屬靶。
18.一種專用于連接到非金屬構(gòu)件外表面的除冰器，該除冰器具有在飛行期間其上積冰的暴露的表面，它包括一個單一的感應(yīng)線圈，該線圈的第一側(cè)鄰近構(gòu)件的外表面設(shè)置，且其第二側(cè)與該構(gòu)件的外表面間隔開;支承該線圈的支承裝置，該支承裝置鄰近線圈的第二側(cè)設(shè)置且限定除冰器暴露的表面，該支承裝置包括鄰近線圈第二側(cè)的金屬部分;該支承裝置為柔性，以當線圈相對于該金屬部分運動時除掉在暴露表面上的積冰;以及向該線圈供給短持續(xù)時間的大電流脈沖的裝置。
19.權(quán)利要求18的除冰器，其中支承裝置的金屬部分包括鄰近線圈第二側(cè)設(shè)置的一個靶。
20.權(quán)利要求18的除冰器，其中構(gòu)件的金屬部分被取消，且它還包括一個設(shè)置在線圈第一側(cè)和構(gòu)件外表面中間的一個金屬靶。
21.權(quán)利要求18的除冰器，其中支承裝置包括由金屬制的鄰近線圈的第二側(cè)設(shè)置一個表面層。
22.權(quán)利要求18的除冰器，它還包括設(shè)置在與線圈相對的構(gòu)件的內(nèi)側(cè)上的一個金屬靶。
23.權(quán)利要求18的除冰器，它還包括一個設(shè)在線圈第二側(cè)和支承裝置中間的移動空隙。
24.權(quán)利要求23的除冰器，它還包括設(shè)在線圈和支承裝置中間的一個金屬靶。
25.權(quán)利要求18的除冰器，它還包括設(shè)在線圈第一側(cè)和構(gòu)件外表面中間的一個移動空隙。
26.權(quán)利要求25的除冰器，它還包括設(shè)在線圈和構(gòu)件中間的一個金屬靶。
27.權(quán)利要求18的除冰器，其中構(gòu)件包括一個具有中心線的導(dǎo)前邊緣，且第一線圈設(shè)在該中心線以上，而第二線圈設(shè)在該中心線以下。
28.權(quán)利要求18的除冰器，其中構(gòu)件包括一個具有中心線的導(dǎo)前邊緣，且多個線圈在中心線附近沿導(dǎo)前邊緩在翼展方向間隔開。
29.權(quán)利要求18的除冰器，其中線圈與支承裝置形成為一個整體結(jié)構(gòu)，它可連接到構(gòu)件的外表面而不改變該構(gòu)件的形狀。
30.權(quán)利要求29的除冰器，其中支承裝置包括一個連到構(gòu)件的非金屬層，且線圈可以相對于該非金屬層運動。
31.權(quán)利要求18的除冰器，其中線圈是扁平的。
32.權(quán)利要求18的除冰器，其中線圈是扁平的且構(gòu)成為多層。
33.權(quán)利要求18的除冰器，其中支承裝置包括一個連到構(gòu)件外表面的柔性的非金屬層，以及一個覆蓋該柔性非金屬層至少一部分的表面層。
34.權(quán)利要求33的除冰器，其中表面層由金屬制作。
35.權(quán)利要求33的除冰器，其中表面層由熱塑薄膜制作。
36.一種對金屬構(gòu)件外表面除冰的方法，它包括設(shè)置一個具有第一側(cè)和第二側(cè)的單一的感應(yīng)線圈;將該線圈的第一側(cè)鄰近外表面設(shè)置;設(shè)置一個支承該線圈的支承裝置，該支承裝置限定在飛行期間其中上積冰的除冰器的暴露的外表面;通過一個短持續(xù)時間的大電流脈沖激勵該線圈，以在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦流;使該線圈移動遠離構(gòu)件;使除冰器的暴露的表面以一個加速度移動遠離構(gòu)件到一個程度，足以除掉在暴露表面上的積冰;以及使線圈和支承裝置分別移動到鄰近構(gòu)件和線圈靜止位置。
37.權(quán)利要求36的方法，其中供給線圈的電流約為3000安。
38.權(quán)利要求36的方法，其中完成使除冰器暴露表面移動的步驟之移動量約為0.065英寸，且加速度約為18750倍重力加速度。
39.權(quán)利要求36的方法，它還包括在線圈和支承裝置中間設(shè)置一個金屬靶的步驟，該金屬靶在線圈激勵時移動遠離該線圈。
40.權(quán)利要求36的方法，它還包括在線圈和構(gòu)件中間設(shè)置一個金屬靶的步驟，該線圈在激勵時作遠離及朝向靶的移動。
41.權(quán)利要求36的方法，它還包括在與線圈相對的構(gòu)件的內(nèi)表面上設(shè)一個金屬靶的步驟，該靶連到構(gòu)件上，以防止其間相對運動。
42.權(quán)利要求36的方法，它還包括在線圈和支承裝置中間設(shè)置一個移動空隙的步驟，該空隙允許在線圈勵磁沖擊支承裝置以前線圈相對于支承裝置運動。
43.權(quán)利要求42的方法，它還包括在線圈和支承裝置中間設(shè)置一個金屬靶的步驟。
44.權(quán)利要求36的方法，它還包括在線圈和構(gòu)件中間設(shè)置一個移動空隙的步驟，該空隙允許線圈在進行分別使線圈移動和使支承裝置移動到鄰近構(gòu)件和線圈靜止位置的步驟時朝著構(gòu)件運動較大的距離。
45.權(quán)利要求44的方法，它還包括在線圈和構(gòu)件中間設(shè)置一個金屬靶的步驟。
46.權(quán)利要求36的方法，它還包括的步驟有設(shè)置多個互相間隔開的感應(yīng)線圈;順序?qū)€圈激勵，以在支承裝置內(nèi)產(chǎn)生波動作用。
47.對一個非金屬構(gòu)件外表面除冰的方法，它包括設(shè)置一個具有第一側(cè)和第二側(cè)的單一的感應(yīng)線圈;鄰近外表面設(shè)置線圈的第一側(cè);設(shè)置支承該線圈的支承裝置，該支承裝置包括鄰近線圈設(shè)置的一個金屬靶，該支承裝置限定在飛行期間其上積冰的除冰器暴露的外表面;通過一個短持續(xù)時間的大電流脈沖激勵線圈，以在金屬靶內(nèi)產(chǎn)生渦流;使除冰器暴露的表面以一個加速度移動遠離構(gòu)件到一個程度，足以除掉暴露表面上的積冰;以及使支承裝置移動到鄰近線圈的靜止位置。
48.權(quán)利要求47的方法，其中供給線圈的電流約為3000安。
49.權(quán)利要求47的方法，其中完成使除冰器暴露表面移動之移動量約為0.65英寸，且移動加速度約為18750倍重力加速度。
50.權(quán)利要求47的方法，它還包括在線圈和支承裝置中間設(shè)置一個金屬靶以及在線圈激勵時使金屬靶移動遠離線圈的步驟。
51.權(quán)利要求47的方法，它還包括在線圈和構(gòu)件中間設(shè)置一個金屬靶以及在線圈激勵時使線圈移動遠離靶的步驟。
52.權(quán)利要求47的方法，它還包括在與線圈相對的構(gòu)件內(nèi)表面設(shè)置一個金屬靶以及將該靶連到構(gòu)件以防其間相對運動的步驟。
53.權(quán)利要求50的方法，它還包括在靶和支承裝置中間設(shè)置一個移動空隙的步驟，該空隙允許在線圈激勵沖擊支承裝置前，靶相對于該支承裝置運動。
54.權(quán)利要求51的方法，它還包括在靶和構(gòu)件中間設(shè)置移動空隙的步驟，該空隙允許當進行使支承裝置移動到靜止位置的步驟時，線圈朝向構(gòu)件運動較大的距離。
55.權(quán)利要求47的方法，它還包括在線圈和支承裝置中間設(shè)置一個移動空隙的步驟，該空隙允許當進行對線圈激勵步驟時，線圈相對該支承裝置運動。
56.權(quán)利要求47的方法，它還包括在線圈和構(gòu)件中間設(shè)置一個移動空隙的步驟，該空隙允許當進行使支承裝置移動到靜止位置時，線圈朝向構(gòu)件運動較大的距離。
57.權(quán)利要求47的方法，它還包括的步驟有設(shè)置多個相互隔開的感應(yīng)線圈;順序使線圈激勵，以在支承裝置中產(chǎn)生激動作用。
全文摘要
用于飛機構(gòu)件除冰的可裝接的除冰器，包括鄰近構(gòu)件外表面設(shè)置的感應(yīng)線圈。該線圈由柔性積冰支承部件支承，允許線圈相對構(gòu)件運動。線圈及支承部件最好為整體結(jié)構(gòu)，可連到構(gòu)件導(dǎo)前邊緣。在線圈中通過短時大電流脈沖時；線圈及支承部件快速有力地移動遠離構(gòu)件。產(chǎn)生磁場電流包括支承部件(如果為金屬)及構(gòu)件(如果為金屬)內(nèi)渦流。線圈磁場消失時，支承部件被快速拉到鄰接構(gòu)件的靜止位置。
文檔編號B64D15/18GK1052827SQ9011015
公開日1991年7月10日 申請日期1990年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月22日
發(fā)明者洛厄爾·埃德曼斯, 納伯特A·威森德, 托馬斯E·沃爾溫德爾 申請人:B·F·谷德里奇公司