电热式加热垫 技术领域 本发明总地涉及电热式防冰系统， 该电热式防冰系统适合于用在飞行器中或者诸 如风轮机叶片之类的其它空气动力学结构中， 以防止形成冰和 / 或去除已形成的冰。这两 种功能可分别称为防冰和除冰。
背景技术 对于飞行器来说， 在飞行过程中， 在飞行器的外表面上形成冰是不希望的。 冰破坏 了在飞行器表面上的空气顺畅流动， 增大阻力并且降低机翼执行其预期功能的能力。
此外， 冰的产生会阻碍诸如之类可动控制表面的运动。发动机进气口产生的冰会 突然大块脱落， 并且脱落的大冰块会被吸入发动机而导致损坏。
因此， 对于飞行器、 尤其是商用飞行器， 通常包含防冰系统。商用飞行器可使用一 种系统， 该系统包括从发动机排放出热空气， 然后使热空气通过管道通至诸如机翼前缘和 尾部之类易于形成冰的机身部件。最近， 已提出了电动的系统， 例如 EP-A-1,757,519 （吉凯 恩航空有限公司 （GKN Aerospace） ） 披露了一种具有机头蒙皮的机翼缝翼， 其包含电热式加 热毯或加热垫。加热垫粘结于金属防蚀层的后表面， 该金属防蚀层包括机头蒙皮的前向外 表面。
加热垫具有 “Spraymat” （商标名） 类型并且是层叠产品， 该层叠产品包括电介质 层和加热元件， 这些电介质层由预浸渍的玻璃纤维布制成， 而加热元件通过将金属层火焰 喷涂到其中一个电介质层上而形成。 “Spraymat” 从一开始在 1950 年由 D. 纳皮尔父子有限 公司 （D.Napier & Sons Limited） （参照它们的 GB833,675， 该文献涉及用于飞行器的电气 除冰或防冰设备） 开发到随后由吉凯恩航空有限公司使用已经历了很长的历史。
最近一种由吉凯恩航空有限公司生产的用在机翼缝翼中的 “Spraymat” 在阳模上 形成并且包括敷设如下堆叠层 ： 该堆叠层包括 （i） 在高压釜中进行处理的预浸渍有环氧树 脂的大约 10 层玻璃纤维织物， （ii） 导电金属层 （加热元件） ， 使用掩模将该导电金属层火焰 喷涂到层叠件上， 以形成加热元件构型， 以及 （iii） 最后大约 3 层玻璃纤维织物。将接线焊 接于加热元件， 以使得加热元件能连接于飞行器的电源系统。 然后， 在高压釜中对加热垫进 行处理。
加热垫通常包含导电接地层来作为安全装置， 用以探测加热垫的加热元件的故 障。接地层连接于飞行器接地构件以及控制单元。如果加热元件发生故障 （例如， 烧坏） ， 则 电流将经由接地层泄漏至飞行器接地构件， 并且控制单元能探测此种电流变化并且采取行 动来防止对于加热垫的结构造成热损坏。
目前， 将诸如涂有镍的碳织物之类的金属网状物或导电织物用作导电层。
希望提供一种改进的加热垫。
发明内容
根据本发明的第一方面， 提供一种用于防冰系统的电热式加热垫， 其中 ：加热垫是层叠加热垫， 并且包括若干电介质层、 加热元件以及第一导电接地层 ；
电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料 ； 以及
第一接地层包括沉积在所述第一电介质层上的喷涂金属。
通过将热塑性材料用作用于接纳第一接地层的基底， 可将第一接地层的金属喷涂 到电介质层上， 而无需复杂或昂贵的喷涂工艺。
与此相反， 由于热固性材料无法直接接纳铜， 因而不进行将铜火焰喷涂到导电加 热垫的热固环氧电介质层上的任何尝试。
因此， 本发明并不使用热固性材料， 而是使用热塑性材料来作为用于接地层的基 底。
在当前的实施例中， 所使用的金属是铜或铜合金。优点是较为便宜。使用铜或铜 合金在喷涂时还会提供相对均匀的涂层， 并且产生具有低电阻的接地层。这还易于在喷涂 金属时掩饰复杂形状， 并且容易适应于所喷涂的电介质层表面的任何高度变化。
选择具有合适玻璃转变温度和合适热疲劳性能的热塑性材料。
在当前的实施例中， 使用高温工程热塑性材料。较佳的材料包括 PEEK、 PEKK、 PPS、 PEI 或 PES 或者它们的混合物。这些材料能够承受接地层的火焰喷涂， 而不产生显著损坏。 尤其优选 PEEK 和 PEKK。 较佳的是， 所有的电介质层都包括相同的电介质材料。在电介质层被加热和压在 一起时， 这优化了电介质层之间的层叠强度， 并且降低各层之间界面处的分层风险。
在当前的实施例中， 喷涂产生第一接地层， 该第一接地层是多孔的并且夹在其中 两个电介质层之间， 且所述两个电介质层的热塑性材料通过第一接地层层叠在一起。热塑 性材料的此种 “穿透层” 迁移降低接地层处发生分层的风险。
在当前的实施例中， 第一接地层的喷涂金属沉积在所述第一电介质层的第一主表 面上， 并且覆盖至少 50％的第一主表面。
覆盖范围可增大至至少 60％、 70％、 80％或 90％。覆盖范围的选择取决于加热元 件的尺寸和形状， 以及使用接地层来在雷击过程中为加热元件和 / 或从加热元件引向加热 器控制单元的连接件的嵌入端部提供屏蔽作用的所希望的程度。
为了改进雷击过程中的屏蔽作用， 较佳的是， 加热垫还可包括第二导电接地层， 也 能以与第一接地层类似的方式喷涂该第二导电接地层。为此， 电介质层的第二电介质层包 括热塑性材料， 且第二接地层的金属沉积在所述第二电介质层上。 较佳的是， 加热元件定位 在第一和第二接地层之间， 使得以与同轴电缆的中心导体的屏蔽作用类似的方式屏蔽该加 热元件。
电热式防冰系统可包括根据本发明的电热式加热垫和连接件， 该连接件具有第一 端和第二端， 该第一端嵌在加热垫中并且电连接于加热垫的加热元件， 而第二端远离加热 垫延伸并且连接于加热器控制单元。
防冰设备包括外部表层和根据本发明的电热式加热垫， 其中该加热垫与外部表层 的后表面热接触。
根据本发明的第二方面， 提供一种制造电热式加热垫的方法， 该方法包括如下步 骤：
提供多个电介质层， 这些电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料 ；
将金属火焰喷涂到所述第一电介质层的热塑性材料上， 以形成第一导电接地层 ；
形成包括加热元件和若干电介质层的堆叠， 其中加热元件在堆叠中通过至少一个 电介质层与第一接地层分开 ； 以及
将堆叠的电介质层层叠在一起。
在当前的实施例中， 将铜或铜合金直接火焰喷涂到电介质层的热塑性材料上。
如果还对加热元件进行火焰喷涂， 则在任何情形中都需要火焰喷涂设备， 用以沉 积加热元件的金属。因此， 在用于火焰喷涂加热元件的工厂中有专业人员和设备。此外有 效的是， 利用该专业人员和设备来火焰喷涂加热垫的接地层。如果加热元件包括火焰喷涂 的铜且接地层也包括火焰喷涂的铜， 这是尤其适用的。
可使用第一掩模来火焰喷涂加热元件， 并且可使用第二掩模来火焰喷涂第一接地 层。同一火焰喷涂设备可在通过第一掩模喷涂金属与通过第二掩模喷涂金属之间转换。这 能够快速地生产加热垫的各部件。
在当前的实施例中， 使用火焰喷涂枪在所述第一电介质层上火焰喷涂第一接地 层， 且该火焰喷涂枪在所述第一电介质层上通行多次， 以构建第一接地层的厚度， 直到该厚 度是 0.01mm-0.05mm 为止。火焰喷涂枪的通行次数还可用于控制接地层的孔隙度。 附图说明
现将参照附图仅以示例的方式描述本发明的特定实施例， 附图中 ：
图 1 是在机翼的前缘中具有缝翼的飞行器的示例平面图。
图 2 是图 1 所示机翼缝翼的机头蒙皮的示例立体图。
图 3 是用于生产根据本发明第一实施例的加热垫的组装过程的第一阶段中电介 质层的示例立体图。
图 4 是组装过程的第二阶段中的图 3 所示电介质层的示例立体图。
图 5 是组装过程的第三阶段中的图 4 所示电介质层的示例立体图。
图 6 是沿图 5 中剖线所剖取的示例剖视图。
图 7 是图 6 中圆圈区域的示例放大图。
图 8 是用在组装过程中的两个连接件的示例立体图。
图 9 是在组装图 8 所示类型的连接件的组装过程第四阶段中的图 5 所示电介质层 的示例立体图。
图 10 是在组装又一电介质层之后的组装过程第五阶段中的图 9 所示部分组装加 热垫的示例立体图。
图 11 是在火焰喷涂有铜制接地层之后的组装过程第六阶段中的图 10 所示部分组 装加热垫的示例立体图。
图 12 是图 11 中圆圈区域的示例放大剖视图， 并且示出接地层和接地层已喷涂在 其上的电介质层之间的界面。
图 13 是在图 8 所示类型的连接件已连接于接地层之后的组装过程第七阶段中的 图 11 所示部分组装加热垫的示例立体图。
图 14 是在附加又一电介质层之后的组装过程第八阶段中的图 13 所示部分组装加 热垫的示例立体图。图 15 是在附加又一电介质层之后的组装过程第九阶段中的图 14 所示部分组装加 热垫的示例立体图。
图 16 是在火焰喷涂第二接地层之后的组装过程第十阶段中的图 15 所示部分组装 加热垫的示例立体图。
图 17 是在附加又一电介质层和图 8 所示类型的连接件之后的组装过程第十一阶 段中的图 16 所示部分组装加热垫的示例立体图。
图 18 是在加热垫的组装部件已层叠在一起之后的组装过程第十二阶段中的图 17 所示加热垫的示例立体图。
图 19 是示出粘结于防蚀层的图 18 所示加热垫的示例立体图。
图 20 是用于生产根据本发明第二实施例的加热垫的替代组装过程的中间阶段的 示例立体图。
图 21 是在替代组装过程的随后阶段中的图 20 所示部分组装加热垫的示例立体 图。
图 22 是在替代组装过程的随后阶段中的图 21 所示部分组装加热垫的示例立体 图。
图 23 是在替代组装过程的随后阶段中的图 22 所示部分组装加热垫的示例立体 图 24 是在替代组装过程的随后阶段中的图 23 所示部分组装加热垫的示例立体 图 25 是在替代组装过程的随后阶段中的图 24 所示部分组装加热垫的示例立体 图 26 是在替代组装过程的随后阶段中的图 25 所示部分组装加热垫的示例立体 图 27 是在加热垫的各部件层叠在一起之后的图 26 所示加热垫的示例立体图。 图 28 在组装于防蚀层时本发明第二实施例的图 27 所示加热垫的示例立体图。 图 29 是替代区域温度传感器的示例立体图。 图 30 是在组装到图 3 所示电介质层之后的图 29 所示区域温度传感器的示例立体图。
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图。 图 31 是替代连接件的示例立体图。
图 32 是又一替代连接件的示例立体图。
图 33 是示出根据本发明的加热垫以及飞行器的电源和控制电子单元之间的连接 的示意图。
尽管本发明可有各种修改和替换形式， 但在附图中示例性地示出了本发明的若干 具体实施例并在这里将对它们进行了详细描述。 然而， 应理解的是， 具体实施例的附图和详 细说明并不意图将本发明局限于所披露的具体形式。与此相反， 本发明意在涵盖落在由所 附权利要求书限定的本发明精神和范围内的所有更改、 等同物以及替代。
具体实施方式
图 1 是具有机翼 11 的飞行器 1 的平面图， 沿着机翼 11 的前 （向前） 缘定位有五个机翼缝翼 12。每个机翼缝翼 12 都包含电热防冰系统。
图 2 是图 1 所示机翼缝翼 12 中一个的可拆卸机头蒙皮 13 的示例立体图。机头 蒙皮 13 的构造总的与 EP-A-1,757,519（GKN Aerospace（吉凯恩航空） ） 中的构造相同， EP-A-1,757,519 披露了一种机翼缝翼， 该机翼缝翼具有包括机头蒙皮的可拆卸向前部段。
机头蒙皮 13 包括防蚀层 14 和电动加热器 2。
该加热器 2 包括加热毯或加热垫 3 以及连接件束 4， 该连接件束将加热垫 3 连接于 飞行器 1 的电源和控制电子设备。
防蚀层 14 大体是矩形的并且具有凸出弯曲的前表面 141 和凹入弯曲的后表面 142。前表面 141 的顶部 1411 提供飞行器机翼 11 的前缘。
加热垫 3 大体是矩形的并且具有凸出弯曲的前表面 31 和凹入弯曲的后表面 32。 凸形前表面 31 与防蚀层 14 的后表面 142 的形状相适应并且粘结于该后表面 142。于是， 在加热垫 3 运行时产生的热能通过传导作用通向防蚀层 14， 从而提供防冰功能。防蚀层 14 是金属的并且可由铝 （常用材料） 或钛 （较昂贵， 但可提供一定的功能和处理益处） 。防蚀层 14 的重要功能是通过吸收并耗散雷电流来保护飞行器免受雷击。
可拆卸机头蒙皮 13 是便利的， 这是由于可从机翼缝翼 12 的主要部段或后部段中 仅仅拆除机头蒙皮， 以使得机头蒙皮能在受损时进行维修或更换， 或者能够在加热器 2 上 执行维护。 如果发现加热器 2 已失效， 可例如通过拆下或释放诸如螺钉之类的可释放固定装 置来从机翼缝翼 12 的主要部段或后部段拆除机头蒙皮 13。然后， 可对加热器 2 进行检查 和测试。如果可能的话， 在原位对加热器 2 进行维修。如果不可能的话， 从机头蒙皮 13 的 防蚀层 14 拆除加热垫 3， 并且将新加热器的加热垫固定于 （例如， 粘结或胶合至） 防蚀层 14。 然后， 机头蒙皮 13 准备好回复使用。在对旧的机头蒙皮进行维修的同时， 可将备用的新机 头蒙皮装配于机翼缝翼 12， 以使飞行器保持飞行条件。
现在将参见图 3-19 来描述用于生产根据本发明第一实施例的加热垫的组装过 程， 这些附图以相当示例性的方式示出加热垫的各部件并且示出如何将这些部件组装在一 起生产出加热垫， 并且示出然后如何将加热垫粘结至防蚀层。
图 3-19 所示的各部件是相当示例性的。例如， 关于图 3 所示的电介质层 50， 为了 清楚起见而夸大了厚度。此外， 为了清楚起见， 将电介质层的宽度和长度减小。在一特定的 实施例中， 电介质层大体是矩形的， 并且是具有通常在从 0.25m 至 1m 范围的宽度和通常在 从 1m 至 4m 范围的长度的板。在使用中， 板的宽度通常围绕在机翼前缘处翼弦的周围， 而板 的长度通常沿着机翼的翼展延伸。电介质板 （电介质层） 通常还具有 0.05mm 至 2mm 的厚度。
电介质层 50 由高温工程热塑性材料或者浸渍有高温工程热塑性材料的强化材料 （例如玻璃纤维） 制成。
从高温工程热塑性材料的类别中， 我们当前使用 ： PEEK（聚醚醚酮） ， PEKK（聚醚酮 酮） ， PPS（聚苯硫醚） ， PEI（聚醚酰亚胺） 或 PES（聚醚砜） 或它们的混合物。
基于对于合适玻璃转变温度和合适热疲劳性能的需求来选择这些材料。PEEK 和 PEKK 是尤其较佳的， 这是由于 PEEK 具有所需的机械性能并且尤其易于接受火焰喷涂金属 涂层， 而 PEKK 具有类似的特性， 但更易于粘结于金属材料。
加热垫的其它部件 （之后进行描述） 各自选择成由与电介质层 50 的材料相同或者
兼容的材料制成， 从而当在组装过程结束时将各部件层叠在一起时， 各部件能融合或熔化 在一起使得加热垫成一体。这意味着， 加热垫的各层叠部件不会彼此分层。由于离散层之 间不存在不连续性， 从而在相邻基底层之间的 （成形件） 界面处不会产生裂缝， 并且这改进 了加热垫的抗疲劳性。
图 3 示出了已敷设在电介质基底层 50 的上部主表面 502 上的加热元件 501 的轨 道。加热元件 501 从第一端子 503 延伸到第二端子 504。加热元件 501 在图 3 中示作具有 简易 “C” 形。实际上， 加热元件 501 可具有更复杂的形状， 例如从第一端子 503 至第二端子 504 反复曲折 (Z 字形 ) 的形状。为了清楚地示出视图， 加热元件 501 在图 3 中示作具有简 易形状。
电介质层 50 具有四个通孔 505， 这些通孔从上部主表面 502 贯穿延伸至下部主表 面 506（参见图 5） 。使用掩模来将加热元件 501 的轨道火焰喷涂到电介质层 50 的上部主 表面 502 上， 使得轨道从第一端子 503 行进至第二端子 504。加热元件 501 由诸如铜之类的 电阻金属或者诸如铜锰合金之类的金属合金制成。 火焰喷涂或熔融金属喷涂是可追溯许多 年的沿用许久的技术， 例如追溯至 GB-833,675 （D. 纳皮尔父子有限公司 （D.Napier & Sons Limited） ） ， 其涉及对用于飞行器的电除冰或防冰设备的各个金属层进行熔融金属喷涂， 并 且读者可参考本文通过参见的方式所引入的 GB-833,675。执行喷涂， 使得加热元件 501 多 孔， 且孔隙度取决于喷枪经过的次数以及形成加热元件 501 的金属涂层的厚度。一种合适 的喷枪是由英国中西部达德利的金属喷镀有限公司 （Metallisation Limited of Dudley） 生产的 Mark66E-Man 连同其相关的控制设备。 在对加热元件 501 进行火焰喷涂之前， 形成通孔 505。每个孔通常具有 3.5mm 的 直径， 但直径可在从 1mm 至 6mm 的范围， 较佳地在 2 至 5mm 的范围内， 或者在 3 至 4mm 的范 围。在火焰喷涂过程中， 将加热元件 501 的其中一些材料向下喷涂到第一和第二端子 503、 504 处的两个孔 505 中。
图 4 中示出组装过程的下一阶段。掩模用于将区域温度传感器 507 火焰喷涂到上 部主表面 502 上。因此， 温度传感器 507 存在于与加热元件 501 相同的基底层上。温度传 感器 507 的轨道从第一端子 508 延伸到第二端子 509。端子 508、 509 中的每个位于相应的 通孔 505 处。在火焰喷涂过程中， 将温度传感器 507 的其中一些材料向下喷涂到端子 508、 509 处的两个孔 505 中。
区域温度传感器 507 用作控制回路的一部分， 从而为用于加热器 2 的控制单元提 供温度控制和防热损信息。温度传感器 507 是电阻温度装置 （RTD） 传感器。火焰喷涂敷设 具有合适电阻温度系数的导电金属轨道。尽管具有高电阻温度系数的任何金属都可使用， 只要该金属适合于通过火焰喷涂工艺来施加即可， 但合适的金属包括镍和镍基合金。导电 金属涂层可用于形成从第一端子 508 至第二端子 509 的整个温度传感器 507。或者， 如图 4 所示， 可火焰喷涂具有合适电阻温度系数的导电金属涂层， 从而形成位于传感器 507 的轨 道上的两个中间边界 5011 之间的传感器头部 5010。引导件 5012 从边界 5011 火焰喷涂至 端子 508、 509， 从而将传感器头部 5010 连接于端子 508、 509。引导件 5012 可以是诸如铜之 类的导电金属。
图 5 中示出组装过程的下一阶段。该阶段包括将电介质层 50 翻转， 使得下部主表 面 506 面向上。然后， 使用掩模来喷涂导电金属 （例如， 铜） 或合金， 以形成围绕通孔 505 的
端子或接触垫 5013。 在此种火焰喷涂过程中， 端子 5013 的其中一些材料对每个通孔 505 的 孔腔进行涂覆。这在图 6 中更清楚地示出， 图 6 是沿图 5 中剖线所剖取的剖视图。加热元 件 501 在图 6 中示作具有大体柱形突部 5014， 该柱形突部从主表面 502 延伸到通孔 505 中， 并且在通孔 505 内部形成径向外涂层。
端子 5013 在图 6 中示作具有大体柱形突部 5015， 该柱形突部从主表面 506 延伸到 通孔 505 中， 并且形成通孔 505 的径向内涂层。
在图 6 中， 涂覆材料的柱形突部 5015 示作使孔 505 保留具有通孔腔 5016。如果端 子 5013 的涂覆厚度及其突部 5015 足够厚， 和 / 或如果通孔 505 的直径足够小， 则突部 5015 会堵塞或阻塞通孔 505 的径向内部， 从而形成中心塞件。在这些情形下， 在施加两个涂层 501、 5013 之后， 不再存在通孔腔 5016。
如图 6 所示， 涂覆突部 5014 的自由端 5017 延伸超过涂覆突部 5015 的自由端 5018。 因此， 突部 5014 与孔 505 内的突部 5015 交迭。 自由端 5017 图示为停止在未达到主表面 506 的位置处， 但该自由端可以基本上延伸至主表面 506， 甚至有时稍稍延伸到主表面 506 上。 例如， 如果形成电介质层 50 的电介质材料板定位在金属喷涂机的工作台上， 并且材料板在 火焰喷涂过程中振动时会发生此种情形。此种振动会便于产生 “贯穿镀覆” 效应， 其中， 经 喷涂的金属一直穿过孔 505， 并且稍稍继续， 从而对围绕孔 505 的远侧表面 506 进行涂覆。
类似地， 端子 5013 的涂覆突部 5015 图示为所具有的自由端 5018 停止在未达主表 面 502 的位置处。火焰喷涂或其它应用工艺能设置成确保自由端 5018 基本上延伸至主表 面 502， 或者可甚至环绕地延伸到主表面 502 的与通孔 505 邻近的一部分上。当然， 在这些 情形下， 加热元件 501 会置于自由端 5018 和主表面 502 之间。
由于自由端 5017 和自由端 5018 之间的交迭， 因而在主表面 502 和主表面 506 之 间存在连续导电路径。这适合于使从两个端部经受 “喷镀” 的每个通孔 505 形成连续直通 连接。
为了实现令人满意的直通连接， 有益的是， 使电介质层具有在 0.05mm 至 2mm 范围 内的厚度。
图 7 是图 6 所示圆圈区域的放大视图， 并且示出形成突部 5014、 5015 的两个涂层 之间的交迭部。火焰喷涂产生一涂层， 该涂层具有平均直径通常在 30-150 微米之间的颗 粒。此外， 每个涂层 5014、 5015 形成微孔导体。在突部 5014 和突部 5015 之间的界面处的 涂层颗粒紧密接触， 从而在加热元件 501 和端子 5013 之间形成良好的电连接。
图 8 示出两个连接件 41、 42， 这两个连接件构成图 2 所示连接件束 4 的一部分， 并 且用于将加热垫 3 电连接于飞行器 1 的电源和控制电子单元 6（参见图 33） 。
每个连接件 41、 42 都包括电介质基底层 411、 421， 该电介质基底层是具有连接件 为执行其连接功能所需要长度的带。
每个基底层 411、 421 由高温工程热塑性材料制成， 该高温工程热塑性材料与加热 器 2 的其它部件、 电介质层以及连接件的材料相同或兼容， 从而当组装过程结束时， 加热器 的各部件层叠在一起， 且基底层 411、 421 令人满意地扩散到相邻的电介质层和 / 或连接件 中， 使得加热器的各部件形成令人满意的一体单元， 而无需使用胶合剂来将电介质基底层 和连接件连接在一起。
因此， 用于电介质基底层 411 或 421 的当前较佳材料是 PPS、 PEI、 PEKK 以及 PES。在这些材料中， 我们目前尤其优选 PEKK 或 PEEK。这些材料具体的优良之处在于， 确保加热 器 2 的各部件熔化或粘结在一起， 以变为一体并且不会分层。
较佳的是， 每个基底层 411、 421 由与其它部件相同的热塑性材料制成， 因为在将 热塑性材料加热至其熔点以上并且将压力施加于经组装部件的堆叠时， 这有助于确保经组 装部件的堆叠彼此扩散或融合以形成一体单元。
如果每个基底层 411、 421 的材料并不与其它部件的材料相同， 而是仅仅与其它部 件的材料兼容， 则能够通过选择基底层 411、 421 的热塑性来实现此种兼容性， 从而在层叠 过程中， 无需使用粘合剂就可将基底层粘结于堆叠中其它部件的热塑性材料。当将经组装 部件的堆叠加热至其中一个抵接材料的熔点之上时， 通过使一种热塑性材料 （例如， PEEK） 熔化到而不扩散到另一种热塑性材料 （例如， PEKK） 中来将此种不同但兼容的材料在每个界 面处彼此粘结。
在切割电介质材料板来形成条状基底层 411、 421 之后， 使用掩模来将导电金属 （例如， 铜） 或金属合金火焰喷涂到主表面 412、 422 上， 从而敷设动力或信号轨道。在连接件 41 的情形中， 动力轨道 413 沿电介质带 411 的纵向方向敷设， 并且终止在连接件 41 的端部 415 处的端子 414 中。 在连接件 42 的情形中， 使用火焰喷涂来敷设两个大体平行的信号轨道 423， 并且 每个信号轨道终止在连接件 42 的端部 425 处的端子 424 中。
轨道 413、 423 中每个的另一端可以以任何合适的方式终止， 用以连接于电源和控 制电子单元 6。
图 9 示出组装过程的下一阶段。在这一阶段， 图 5 所示的电介质层 50 组装有两个 连接件 41 个和单个连接件 42。如图 9 所示， 这三个连接件 41、 42 定位成使得它们的端子 414、 424 面向下朝向电介质层 50 的端子 5013。然后， 端子 414、 424 熔焊或软钎焊至端子 5013。
于是， 这两个连接件 41 连接于加热元件 501 的端部， 使得加热元件 501 能经由连 接件 41 而由电源和控制电子单元 6 供电。温度传感器 507 的端部经由连接件 42 连接于电 源和控制电子单元 6。
图 10 示出组装过程的下一阶段。图 9 所示的部分组装加热垫具有又一电介质层 51， 该又一电介质层 51 定位在电介质层 50 的主表面 506 上。 电介质层 50、 51 由相同的材料 制成， 例如 PEEK 或 PEKK。虽然在图 10 中， 电介质层 51 并不覆盖连接件 41、 42 的端部 415、 425， 但是该电介质层能设置成覆盖这些端部， 使得电介质层 51 大体具有与电介质层 50 相 同的尺寸和形状。在组装过程结尾的层叠过程中， 电介质材料在端部 415、 425 处的增大厚 度会由于层叠过程中施加的热量和压力而至少部分地扩散或散开。此外， 在完成的加热垫 3 中， 如果由于电介质材料存在增大厚度使得完工产品 （层叠产品） 在某些位置一定程度上 局部略厚， 并没有关系。
图 11 中示出组装过程的下一阶段。在这一阶段， 将接地层 71 火焰喷涂到图 10 所 示部分组装加热垫的电介质层 51 的上部主表面 511 上。接地层包括火焰喷涂的铜或铜合 金， 并且通常是 0.05mm 厚， 但厚度可在从 0.01mm 至 0.5mm 的范围或者在从 0.03mm 至 0.2mm 的范围。可根据需要的导电性来选择实际厚度。
接地层 71 的目的是探测由加热元件 501 中加热器故障而产生的故障电流。例如，
故障可以是诸如加热器烧坏之类的损坏。接地层 71 连接于飞行器接地构件 143（参见图 19） 以及电源和控制电子单元 6， 使得控制电子单元 6 在故障发生时探测电流变化。
图 12 是图 11 中圆圈区域的放大剖视图， 并且示出接地层 71 和接地层已喷涂在其 上的电介质层 51 之间的界面。接地层 71 的颗粒是微多孔的， 从而在层叠过程的加热和加 压过程中， 相邻电介质层的热塑性材料会穿过或迁移通过接地层， 作为赋予加热垫 3 一体 结构的部分。此种迁移通过箭头 711 来指示， 该箭头 711 示出接地层 71 的颗粒 712 之间的 迁移路径。注意到， 在图 12 中， 为了清楚起见， 仅仅标出其中一些颗粒 712。颗粒 712 在喷 涂作用下随机定位并且具有随机尺寸范围， 其中平均直径通常在 30-150μm 的范围。
图 13 中示出组装过程的下一阶段。
在这一阶段， 与连接件 41 相同的连接件 43 电连接于图 11 所示部分组装加热垫的 接地层 71。该连接件 43 在其底面上具有轨道 433， 该轨道终止在端子处， 而该端子熔焊或 软钎焊于接地层 71。于是， 接地层 71 经由连接件 43 电连接于电源和控制电子单元 6。
图 14 中示出组装过程的下一阶段。电介质层 52 敷设在图 13 所示部分组装加热 垫的接地层 71 的顶部。电介质层 52 由与电介质层 50、 51 相同的材料制成。该电介质层 52 示作在连接件 43 的区域中具有切口。然而， 电介质层 52 可以具有与电介质层 50 相同的尺 寸和形状， 从而该电介质层会覆盖连接件 43 的端部 435。 图 15 中示出组装过程的下一阶段。将图 14 所示的部分组装加热垫倒置， 并且将 又一电介质层 53 定位在电介质层 50 的主表面 502 上。电介质层 53 具有与电介质层 50 相 同的尺寸和形状， 并且由与其它电介质层 50、 51 和 52 相同的材料制成。在图 15 中， 可观察 到连接件 41 的轨道 413、 连接件 42 的轨道 423 以及连接件 43 的轨道 433。
图 16 中示出组装过程的下一阶段。在这一阶段， 图 15 所示的部分组装加热垫具 有第二接地层 72， 该第二接地层 72 火焰喷涂到电介质层 53 的暴露的主表面 531 上。第二 接地层 72 的特性与第一接地层 71 的特性相同。具体地说， 接地层 71、 72 较佳地应是火焰 喷涂的铜。
图 17 中示出组装过程的下一阶段。在这一阶段， 又一电介质层 54 定位在图 16 所 示部分组装加热垫的接地层 72 的顶部。电介质层 54 由与其它电介质层 50、 51、 52、 53 相同 的材料制成。连接件 44 大体与连接件 41 相同， 并且在图 17 中的下表面上具有轨道， 该轨 道引向连接件 44 的端部 445 处的端子。连接件 44 的该端子通过熔焊或软钎焊而电连接于 第二接地层 72， 从而在接地层 72 以及电源和控制电子单元 6 之间建立电连接件。
总而言之， 连接件 41、 42、 43、 44 包括在图 2 中示例性示出的连接件束 4。
在图 17 中， 电介质层 54 示作在连接件 44 的端部 445 周围具有切口。电介质层 54 可替代地省略缺口， 使得该电介质层 54 具有与下置电介质层 53 相同的矩形形状和尺寸。 这 意味着电介质层 54 会覆盖连接件 44 的端部 445。这会致使在层叠之后、 加热垫在端部 445 附近的厚度略有局部增大。
在叠置电介质层的过程中， 强化材料可包括在加热垫的各部件的堆叠中。强化材 料可以是纤维质的， 强化材料的示例包括玻璃纤维， 例如作为单向带或者织造纤维， 且该强 化材料在层叠过程中会渗透到相邻的热塑性电介质层。任何强化需要是不导电的， 从而保 持由电介质层所提供的绝缘作用。此外， 应将强化材料选择得尽可能薄。
在图 17 中， 加热垫 3 的所有部件都就位来准备好层叠在一起。在图 18 中示例性
地示出层叠过程。将热量和压力施加于部件的堆叠， 以使层叠件坚固成一体结构。结果是 电介质层和连接件的嵌入端部彼此扩散， 且电介质层和连接件的端部融合或熔化在一起而 成一体， 并且电介质层和连接件的嵌入端部都由相同或兼容的工程热塑性材料制成。 于是， 各电介质层和连接件的各端部不会由于在界面处存在不连续性而分层， 此种不连续性由于 不兼容并且不与相邻热塑性材料融合的热塑性材料所导致。在层叠过程中， 连接件的嵌入 端部有效地变为加热垫的一部分。
可使用传统的高压釜、 热压机或者大型层压机来执行层叠。此种机器可用于在施 加压力的同时将各部件的堆叠加热至热塑性材料的熔点以上， 以坚固层叠件。
如果强化材料存在于各部件的堆叠中， 则层叠过程的压力将强化材料压到相邻层 的热塑性材料中， 以形成强化热塑性层叠件。 如果强化材料是织造纤维， 则应采取措施来确 保在编织和精整过程中施加于该织造纤维的处理与在 400° C 量级上的层叠温度兼容。
层叠过程意图最小化或消除所得到层叠件中的不连续性。呈具有连接件束 4 的嵌 入端部的加热垫 3 形式的完工产品具有一体结构， 该一体结构在加热使能够经受大体均匀 的膨胀。这减小加热垫 3 上的热机械应力。一个重要的考虑是， 热机械应力大于加热垫 3 在安装于飞行器 1 中时经受的空气动力学应力。 在传统的层叠产品中， 使用胶合剂， 而胶合剂是在层叠件的相邻层之间界面处的 弱点。在电介质层在层叠件中胶合在一起的传统加热器中， 胶合界面是疲劳载荷下会发生 分层的位置。
如图 18 所示的本发明第一实施例的加热垫的优点是不含胶合剂。确切地说， 不使 用胶合剂来将电介质层和连接件的嵌入端部层叠在一起。
图 19 示出如何将加热垫 13 向上提供给防蚀层 14 的后表面 142。使用合适的粘合 剂来将加热垫 3 的前表面 31 胶合或粘结于防蚀层 14 的后表面 142。 为了便于说明， 在图 19 中， 加热垫 3 和防蚀层 14 示作是平坦的。在如图 2 所示的实际代表性安装中， 前表面 31 凸 出弯曲， 而后表面 142 相对应地凹入弯曲。加热垫 3 类似于一较大板， 该板相对于其厚度相 当长且宽， 因此加热垫 3 是挠性的并且可易于弯曲来适应防蚀层 14 的后表面 142 的形状。
当将加热垫 3 安装在防蚀层 14 的后面之后， 并且当机头蒙面 13 装配到飞行器 1 上时， 连接件 41、 42、 43 和 44（共同地形成连接件束 4） 可连接于飞行器 1 的电源和控制电 子单元 6。因此， 加热器 3 现在准备好使用。
在参见图 3-19 的上述加热垫的第一实施例中， 加热垫包含两个接地层 （接地层 71 和接地层 72） 。当飞行器 1 受到防蚀层 14 上的雷击时， 极短时间内的极大直流电 （例如， 200000 安培） 通过防蚀层 14 耗散至飞行器接地构件 143。在雷击过程中在防蚀层中流动 的极大电流会由于电磁耦合而在任何下置平行导体中感应出电流。 这些平行导体包括加热 元件 501 和温度传感器 507。如果加热元件 501 和温度传感器 507 并未适当地屏蔽电磁耦 合， 则在该加热元件和温度传感器中感应出的电流会在 1000 安培的量级上， 且该电流会沿 着连接件束 4 通向电源和控制电子单元 6。结果是会在电源和控制电子单元 6 中产生电流 浪涌， 而电源和控制电子单元仅仅设计成应付 10 安培量级上的电流。由于电流浪涌会损坏 单元 6 内部的电子器件， 因而电流浪涌会是不希望的。
对于具有单个接地层的传统加热垫来说， 在接地层中会感应出一些电流， 且这些 电流会通向飞行器接地构件。
在参见图 3-19 的本发明第一实施例的加热垫 3 中， 该加热垫 3 包含两个接地层 71 和 72。这些接地层 71、 72 定位在加热元件 501 和温度传感器 507 的上方和下方， 使得加热 元件 501 和温度传感器 507 由两个接地层 71、 72 “电磁屏蔽” 。此种屏蔽相当类似于线缆中 的同轴屏蔽概念。
接地层通常具有低电阻。由于两个接地层夹有易损加热元件、 温度传感器 507 以 及连接件束 4 的连接于加热元件 501 和温度传感器 507 的嵌入端部， 因而这两个接地层屏 蔽这些部件， 且在雷击过程中感应出的电流较佳地在两个接地层 71、 72 中感应出并且通向 飞行器接地构件 143。在加热元件 501、 温度传感器 507 以及从加热元件 501 和温度传感器 507 引出的连接件束的嵌入端部中感应出锐减电流， 由此降低使电源和控制电子单元 6 中 电子仪器损坏的风险。
现在在一替代构建过程中进行描述。确切地说， 图 20-28 示出用于生产根据本发 明第二实施例的加热垫的替代组装过程的相关方面。图 20-28 仅仅示出构建过程中与参照 本发明第一实施例的图 3-19 中示出的各方面不同的那些方面。
因此， 在图 20 中， 第二实施例采用第一实施例中图 4 所示的电介质层 50 并且将其 倒置， 然后将接地层 73 火焰喷涂到电介质层 50 的主表面 506 上， 使得接地层 73 具有与接 地层 71 相同的特性。
然后， 在第二实施例的此种替代组装过程的下一阶段， 将电介质层 55 定位在接地 层 73 的顶部 （参见图 21） 。电介质层 55 由与电介质层 50 相同的材料制成。连接件 45（与 第一实施例的连接件 43 相对应） 电连接于接地层 73。虽然该电介质层 55 在连接件 45 的 端部 455 周围具有切口， 但可省略该切口且电介质层 55 可具有与电介质层 50 相同的尺寸 和形状， 使得电介质层 55 覆盖端部 455。
图 22 中示出第二实施例的组装过程的下一阶段。电介质层 50 的通孔 505 延伸通 过接地层 73 和电介质层 55。然后， 将端子或接触垫 5513 火焰喷涂到电介质层 55 的上部主 表面 552 上， 且第二实施例的端子 5513 具有与第一实施例的端子 5013 相同的特性。
图 23 中示出组装过程的下一阶段。在该阶段， 图 22 所示的部分组装加热垫具有 又一电介质层 56， 该又一电介质层 56 定位在电介质层 55 的顶部。两个连接件 46（与第一 实施例的两个连接件 41 相对应） 和连接件 47（与第一实施例的连接件 42 相对应） 使它们 的端部 465、 475 与端子 5513 电接触。将第二接地层 74 火焰喷涂到电介质层 56 上， 且该第 二接地层 74 具有与第一实施例的第二接地层 72 相对应的特性。在图 23 中， 电介质层 56 并不覆盖连接件 46、 47 的端部 465、 475。该电介质层替代地可设置成覆盖端部 465、 475， 并 且这会在完工产品 （第二实施例的层叠加热垫） 中使加热垫局部略微增大厚度。
图 24 中示出第二实施例的组装过程的下一阶段。将电介质层 57 定位在第二接地 层 74 的顶部。连接件 48（与第一实施例的连接件 44 相对应） 具有电连接于第二接地层 74 的端部 485。该电介质层 57 示作在端部 485 周围具有切口。可省略该切口， 且电介质层 57 可在端部 485 上延伸。
图 25 中示出组装过程的下一阶段。使又一电介质层 58 与电介质层 50 的主表面 502 接触， 使得该又一电介质层覆盖加热元件 501 和区域温度传感器 507。结果示于图 26 中。在图 26 中， 加热垫 3 的所有部件以及连接件 45、 46、 47、 48 的嵌入端部都就位并准备好 层叠在一起。将热量和压力施加于图 26 所示的部件堆叠， 以产生图 27 所示的加热垫 3 的一体 层叠件。所有的电介质层 50、 55、 56、 57、 58 都由相同的或兼容的高温工程热塑性材料 （根据 第一实施例中的材料） ， 且由此在层叠过程中熔化在一起。在需要的情形下， 热塑性材料流 过多孔接地层 73、 74， 并且流过多孔加热元件 501 和多孔温度传感器 507。由于热塑性材料 在图 26 所示堆叠部件之间界面处融合或熔化在一起， 因而界面基本上消失， 由此在完工产 品 （第二实施例的加热垫 3） 中实际上并不存在界面中断。中断是不希望的， 因为它们成为 出现裂纹开裂的部位， 而这些部位是具有潜在的结构或疲劳缺点的部位。 从完工产品 （层叠 加热垫 3） 中基本上消除中断会生产出更耐用的加热垫。
然后， 如图 28 所示， 第二实施例 （图 27） 的加热垫使其前表面 31 粘合地粘结于防 蚀层 14 的后表面 142。
连接件 45、 46、 47、 48 共同形成连接件束 4， 该连接件束用于将加热垫 3 电连接于电 源和控制电子单元 6。
在该第二实施例中， 两个接地层 （接地层 73、 74） 相对于加热元件 501 和温度传感 器 507 具有与第一实施例的两个接地层 （接地层 71、 72） 相比不同的位置。
在该第二实施例中， 加热元件 501 和温度传感器 507 并不夹在两个接地层 73、 74 之间。反而， 这两个接地层 73、 74 定位在加热元件 501 和温度传感器 507 远离防蚀层 14 的 一侧上。换言之， 加热元件 501 和温度传感器 507 夹在 （i） 防蚀层 14 和 （ii） 两个接地层 73、 74 之间。与仅仅具有单个接地层的加热器相比， 第二实施例的两个接地层 73、 74 提供 对于雷击的改进防护， 以免雷击在加热元件 501、 温度传感器 507 以及从加热元件 501 和温 度传感器 507 引出的连接件束 4 的嵌入端部中感应出过大电流。然而， 此种防护没有第一 实施例的两个接地层的构造所提供的防护有效， 这是由于在第一实施例中， 两个接地层 71、 72 夹有加热元件 501 和温度传感器 507， 由此为加热元件 501 和温度传感器 507 提供一种 类型的 “同轴屏蔽” 。
图 29 和 30 示出替代区域温度传感器。在图 29 中， 区域温度传感器 507 定位在与 电介质层 50 分开的载体 5019 上。 载体 5019 具有比电介质层 50 小的宽度和长度， 但较佳地 由与电介质层 50 相同的高温工程热塑性材料制成。替代地但非那么期望， 载体 5019 由与 加热垫 3 的电介质层 50 和其它部件兼容的高温工程热塑性材料制成， 并且在层叠过程中， 该载体会与加热垫 3 的该电介质层和其它部件熔合。用于载体 5019 的当前较佳材料包括 PPS、 PEI、 PEKK、 PEEK 以及 PES。在这些材料中， PEKK 和 PEEK 是尤其较佳的。
图 29 还示出温度传感器 507 如何可选地部分封装在封装层 5020 内， 该封装层 5020 由与载体 5019 相同的材料制成。 在图 29 的点划线中示出封装层 5020。 当封装层 5020 定位在载体 5019 上时， 该封装层 5020 覆盖传感器头部 5010 的所有部分和引导件 5012 的 相邻第一部分。
将区域温度传感器 507 火焰喷涂到载体 5019 的上部主表面 50191 上。温度传感 器 507 的火焰喷涂致使温度传感器的第一和第二端子 508、 509 定位在载体层 5019 的通孔 5021 周围。
然后， 如图 30 所示， 载体 5019 定位在图 3 所示的电介质层 50 上。此种定位使得 载体 5019 的通孔 5021 与电介质层 50 的相关通孔 505 对准。
用于生产加热垫的制造过程的其它方面与参见图 3-19 所描述的第一实施例或者参见图 20-28 所描述的第二实施例相同。
图 31 是示出作为图 8 所示连接件 41 的变型的连接件 49。
关于连接件 49， 该连接件 49 使用与图 8 所示连接件 41 相同的电介质基底层 411、 主表面 412、 动力轨道 413、 端子 414 以及端部 415。不同之处在于， 图 31 所示的连接件 49 附加地包括封装层 491， 该封装层由与电介质基底层 411 相同或兼容的高温工程热塑性材 料制成。封装层 491 停止在主表面 412 的位置 492 处， 留下暴露的端子 414 和动力轨道 413 的相邻较短长度。连接件 49 可用于更换第一实施例的连接件 41、 43 和 44 或者第二实施例 的连接件 45、 46 和 48。选择连接件 49 的位置 492， 使得封装层 491 的端部 493 平接于但并 不进入加热垫 3 的层叠部件。
当生产连接件 49 时， 将热量和压力施加于各层 411、 491， 使得各层融合或熔化在 一起以形成层叠结构。
然而， 由于封装层 491 并不渗入加热垫 3 的层叠部件， 可将封装层 491 的材料改变 成例如喷涂的防护膜。由于封装层 491 的材料不会渗入形成加热垫 3 的部件堆叠， 因而喷 涂膜的材料性质尤其不会对加热垫 3 的各部件层叠在一起造成影响。
图 32 示出又一替代连接件 41A， 该连接件大体与图 8 所示的连接件 41 相同， 除了 金属 （例如， 铜） 塞件 416 附连 （例如， 通过熔焊或软钎焊） 于图 8 所示的端子 414， 由此产生 作为图 8 所示连接件 41 变型的连接件 41A。塞件 416 在图 32 中示作具有圆形基部 4161 和 圆形上部 4162， 该圆形上部具有比基部 4162 小的直径。将上部 4162 的直径较佳地设定为 与图 3 所示孔 505 的直径相同。因此， 在图 9 所示的变型中， 当连接件 41A 更换连接件 41 时， 塞件 416 的上部 4162 将突入并便利地嵌套在电介质层 50 的相对应通孔 505 内部。 图 33 是加热垫 3 以及电源和控制电子单元 6 之间的连接的示意图。
本发明的加热垫可包含在飞行器中在飞行过程中易于形成冰的任何 （例如， 前向） 表面中。例如， 作为将加热垫包含在机翼前缘中的替代包括将该加热垫包含在安定翼或尾 翼的前缘中， 或者包含在发动机的进气口处， 或者包含在尾翼襟翼中以防止在襟翼展开时 在襟翼上形成冰， 或者包含在副翼中。
在上述第一和第二实施例中， 在将加热垫 3 附连于防蚀层 14 之前， 独立地组装该 加热垫， 然后层叠该加热垫。替代方案是从防蚀层 14 开始， 然后将加热垫的各部件以及连 接件按序堆叠在防蚀层上。第一部件能粘结于防蚀层。然后， 当各部件的完整堆叠已组装 到第一部件上时， 可将热量和压力施加于各部件和防蚀层， 从而将加热垫的各部件以及连 接件在防蚀层上就地层叠在一起。
已描述了用于防冰系统的电热式加热垫 3 的第一和第二实施例， 其中 ： 加热垫 3 是 层叠加热垫并且包括电介质层 50-58、 加热元件 501 和第一导电接地层 71-74 ； 电介质层的 至少第一电介质层包括热塑性材料 ； 以及第一接地层 71-74 包括沉积在所述第一电介质层 50、 51、 53、 56 上的喷涂金属。
还描述了一种制造加热垫 3 的第一和第二实施例的方法， 包括如下步骤 ： 提供多 个电介质层 50-58， 这些电介质层的至少第一电介质层包括热塑性材料 ； 将金属火焰喷涂 到所述第一电介质层 50、 51、 53、 56 的热塑性材料上， 以形成第一导电接地层 71-74 ； 形成包 括电介质层 50-58 和加热元件 501 的堆叠， 其中加热元件 501 在堆叠中通过电介质层 50、 51、 53、 55、 56 中的至少一个与第一接地层 71-74 分开 ； 以及将堆叠的电介质层 50-58 层叠
在一起。