CN114750963B - 一种低温热二极管防冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于防除冰技术领域，提供了一种低温热二极管防冰装置，包括依次层叠设置的加热层，多孔导热层，间隔支架以及冷凝板；所述设置在加热层待防冰物面的内表面或外表面；还包括蒸发换热剂，所述蒸发换热剂浸没于所述多孔导热层内；所述间隔支架内部具有多条通道，所述通道垂直于所述多孔导热层的表面；所述加热层，多孔导热层，间隔支架，冷凝板以及蒸发换热剂密封在一起。本发明的防冰装置，可以在局部外界温度低时，加快防冰装置内外的传热，在局部温度稍高时，减缓防冰装置内外的传热，从而达到自主性的针对性的局部换热的技术效果。非常方便简单地实现了飞行器表面分区的防除冰控制。

Description

一种低温热二极管防冰装置

技术领域

本发明涉及防除冰技术领域，尤其是涉及一种低温热二极管防冰装置。

背景技术

结冰是导致飞机飞行事故的主要原因之一，飞机机翼、尾翼前缘的结冰，会导致翼型阻力增加，升力下降，临界攻角减小，以及操纵性和稳定性的恶化，造成严重的飞行事故，因此受到人们的广泛关注和研究。根据防冰所采用能量形式的不同，可分成机械除冰***、电脉冲防冰***、液体防冰***、热空气防冰***和电热防冰***。其中电热除冰、热气除冰等防除冰方案目前应用广泛。其中电热方案由于能量利用率高、结构简单等优势，随着工艺成熟逐渐被应用于小型飞机、商业飞机（波音787）上。

由于气动面热防冰***功率适配不当也可能造成水膜沿气动面向下游流动过程中再次冻结，形成溢流冰。因此工程中往往采用增大热防护面积、提高热防护功率的方法，如此则会导致大量的能量被浪费于壁面的气动冷却。这一能源浪费在需要高温防冰的进气道前缘防冰***中尤为突出。

在寒区的船舶和设备热防冰设计时，由于结冰强度与风向有关，采用全向防护时也会存在显著的能源浪费。

为了减少热防冰能源浪费，根据防护表面温度有针对性的分区加热控制是一个理想的解决方案，但是存在传感器和加热控制复杂化的问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低温热二极管待防冰物面防冰装置，在待防冰物面上设置热二极管，利用热二极管的自身性质，可以形成自主针对性的局部换热，从而解决现有技术中分区加热控制复杂的技术问题。

一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，包括依次层叠设置的加热层，多孔导热层，间隔支架以及冷凝板；

所述设置在加热层待防冰物面的内表面或外表面；

还包括蒸发换热剂，所述蒸发换热剂浸没于所述多孔导热层内；

所述间隔支架内部具有多条通道，所述通道垂直于所述多孔导热层的表面；

所述多孔导热层与冷凝板之间的距离为2000μm以内；

所述加热层，多孔导热层，间隔支架，冷凝板以及蒸发换热剂密封在一起。

进一步地，当所述加热层固定设置在所述待防冰物面的内表面时，所述加热层的另一面还设置有隔热层；当所述加热层固定设置在所述待防冰物面的外表面时，所述待防冰物面的内表面还设置有隔热层。

进一步地，所述多孔导热层为超亲水泡沫金属、多孔碳制成品、亲水纤维织物中的一种。

进一步地，所述间隔支架为栅格或条带结构。

进一步地，所述间隔支架的材料选用聚四氟乙烯或记忆合金。

进一步地，所述记忆合金的截面为Y型或V型。

进一步地，所述蒸发换热剂为乙醇，或乙醇与水的混合物。

进一步地，所述冷凝板的内表面为光滑超疏水表面或光滑超亲水表面。

进一步地，所述冷凝板的面内导热系数低于面外导热系数。

进一步地，所述蒸发换热剂的填充比例为加热层与冷凝板所围成空间的10%-50%。

采用本发明的一种低温热二极管防冰装置，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：

1. 采用本发明的一种低温热二极管防冰装置，可以在局部外界温度低时，加快防冰装置内外的传热，在局部温度稍高时，减缓防冰装置内外的传热，从而达到自主性的针对性的局部换热的技术效果。非常方便简单地实现了飞行器表面分区的防除冰控制；

2. 对于低温热二级管防冰装置内外温差小的局部区域，防冰装置内部向外界的传热少，无效的热耗散减少，加热层所需的加热功率减少，能有效减少能源的消耗；

3. 本发明通过设置间隔支架在多孔导热层与冷凝板之间预留适当的距离，使得冷凝板上的水滴可以形成“液桥”，从而提高换热效率；

4. 本发明通过设置间隔支架，加强了自主分区控制的效果；

5. 选用记忆合金，能够在工作温度较低时发生弯曲，减少多孔导热层和冷凝板之间的距离，从而减少了液滴在冷凝板上的凝结后到达导热层所需的距离，加速液桥建立过程，从而加快了在低温时的热交换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1的一种低温热二极管防冰装置结构示意图。

图中：10-隔热层，20-加热层，30-导热层，40-间隔支架，50-冷凝板。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

实施例1

一种低温热二极管防冰装置，如图1所示，包括依次层叠设置的加热层20，多孔导热层30，间隔支架40以及冷凝板50；

所述设置在加热层20待防冰物面的内表面或外表面；

还包括蒸发换热剂，所述蒸发换热剂浸没于所述多孔导热层30内；

所述间隔支架40内部具有多条通道，所述通道垂直于所述多孔导热层30的表面；

所述多孔导热层30与冷凝板50之间的距离为2000μm以内；

所述加热层20，多孔导热层30，间隔支架40，冷凝板50以及蒸发换热剂密封在一起。

本实施例中，控制多孔导热层与冷凝板之间的距离，是为了在多孔导热层与冷凝板之间搭建“液桥”。具体地，当外界低温情况下，待防冰物面内表面或外表面的加热层加热时，多孔导热层由于毛细作用吸附的蒸发换热剂蒸发或沸腾，穿过间隔支架到达冷凝板内表面；由于冷凝板外表面的温度低，蒸发换热剂快速凝结成液滴。一方面，液滴凝结时释放热量，对冷凝板外表面传热；更重要的，液滴集聚形成大液滴，在多孔导热层与冷凝板之间形成“液桥”，连接多孔导热层与冷凝板，将多孔导热层的热量通过“液桥”传递给冷凝板，从而防止冷凝板的外表面结冰或对冷凝板的外表面进行除冰。当蒸发换热剂在冷凝板内表面积聚为球形液滴掉落后，穿过间隔支架重新被多孔导热层吸附，如此循环。

相反地，当冷凝板端的温度较高时，由于冷凝板内表面的液滴较少，液滴蒸发有限，所以不会出现反向的热能传递。因此将该结构称为“热二极管”。

本发明通过这样的设置，凝结在冷凝板内表面的液滴在多孔导热层与冷凝板之间形成“液桥”来进行传热，这样尺度的液滴的传热，几乎不受液滴重量的影响，克服了传统的热二极管严重依赖于相变介质的重力的问题，适用于飞机表面任意位置的防除冰。

本实施例中，待防冰物面可以是飞行器如飞机的蒙皮，用于对飞机蒙皮表面进行防除冰，加热层可以设置在蒙皮的外表面，也可以设置在蒙皮的内表面。本领域技术人员可以理解，加热层可以采用本领域常用的电加热结构，加热膜膜等，不作为对本发明的限制。

为了避免热量的无效流失，可以在热源的下面设置隔热层。当所述加热层20固定设置在所述待防冰物面的内表面时，所述加热层20的另一面还设置有隔热层10；当所述加热层20固定设置在所述待防冰物面的外表面时，所述待防冰物面的内表面还设置有隔热层10。隔热材料的选取是本领域技术人员熟知的，例如可以选用碳气凝胶隔热层，但是具体隔热层材料的选取不作为对本发明的限制，只要能实现隔热作用即可。

本实施例中，多孔导热层30一方面可以吸附蒸发换热剂，另一方面起到了导热的作用。因而，多孔导热层30应具有良好延展性和一定压缩性的基础材料制成多孔材料，并针对蒸发换热剂将多孔材料表面改性，使其具有良好毛吸作用。作为优选，多孔导热层30可选用超亲水泡沫金属、多孔碳制成品、亲水纤维织物中的一种，例如可选用泡沫铜，在加热层20表面或待防冰物面上布设50~200目、垂直厚度200μm的泡沫铜，为了提高传热效果，泡沫铜可提前经过氢氧化钠和过硫酸钾混合溶液浸泡后形成超亲水性粗糙微纳表面。

本实施例中，间隔支架40设置在多孔导热层30与冷凝板50之间，间隔支架40为栅格或条带结构，只要是能为多孔导热层内的蒸发换热剂提供上行下行的通道即可，例如可以是多行或多列的结构，或者是规则或不规则的多边形栅格等。

间隔支架40主要有三方面的作用，第一，对整个装置起到支撑作用，但这一作用并不那么重要；第二，控制多孔导热层30与冷凝板50之间的距离，使得在多孔导热层与冷凝板之间形成“液桥”；第三，对该装置进行分区，每个分区内独立运行，互相之间影响较小，从而有利于实现自主的分区控制。

间隔支架的高度设置根据导热需求与多孔导热层-冷凝板之间的距离相适应。另外，为了降低热阻，将泡沫铜采用融锡方式焊接在相邻的两层之间。

间隔支架40可以为温度不敏感的绝热材料，也可以根据工程需要设计为温度敏感的热胀、冷胀材料结构件，或者对温度敏感的记忆合金结构件。作为优选，间隔支架40的材料选用具有良好耐候性和疏水性的聚四氟乙烯或记忆合金。更优选地，选用镍钛记忆合金，在0℃低温附近间隔支架丧失刚度，间隔变小，更容易与导热层之间形成液桥，利于散热；在30℃以上较高温度时间隔支架恢复刚度，间隔变大，热传导效率降低，从而能够配合低温二极管防冰装置的自主性，在需要防除冰时，例如零度附近，多孔导热层与冷凝板之间的距离减小，蒸发换热剂需要走的路程变短，并且冷凝板上凝结的液滴，更容易与导热层之间形成“液桥”，从而能够更快速地进行换热，能够提高局部换热效率。

本实施例中，如图1所示，记忆合金的截面为Y型或V型，具有更好的分区效果，并且增加了栅格在高低温环境切换过程中的结构稳定性。

本实施例中，所述蒸发换热剂为乙醇，或乙醇与水的混合物。例如可以使用重量百分浓度为95.63%的乙醇与4.37%的水混合溶液作为正共沸物，实现高温差下的高效沸腾换热。

所述冷凝板50的内表面为光滑超疏水表面或光滑超亲水表面。由于光滑超疏水表面能够使得液滴更快速地形成大的球形液滴，快速地在多孔导热层与冷凝板之间搭建“液桥”，所以换热效率高；而光滑超亲水表面由于吸附液滴的效果好，可以吸附更大的球形液滴，多孔导热层与冷凝板之间搭建的“液桥”更稳定，因而也具有更好的传热效率。本实施例中，冷凝板使用0.2mm厚度合金铝板，下表面采用全氟硅烷修饰后，形成超疏水表面。

作为优选，所述冷凝板50的面内导热系数低于面外导热系数。也就是，冷凝板内部水平方向的导热系数低于冷凝板与内表面和外表面的垂直方向的导热系数，即冷凝板主要实现冷凝板两侧空间的传热，而冷凝内部的传热较小，这样更利于实现有针对性的局部自主的换热。

所述蒸发换热剂的填充比例为加热层20与冷凝板50所围成空间的10%-50%。

本发明一种低温热二极管防冰装置的原理为：当外界低温情况下，待防冰物面内表面或外表面的加热层加热时，多孔导热层由于毛细作用吸附的蒸发换热剂蒸发或沸腾，穿过间隔支架到达冷凝板内表面；由于冷凝板外表面的温度低，蒸发换热剂快速凝结成液滴。一方面，液滴凝结时释放热量，对冷凝板外表面传热；更重要的，液滴集聚形成大液滴，在多孔导热层与冷凝板之间形成“液桥”，连接多孔导热层与冷凝板，将多孔导热层的热量通过“液桥”传递给冷凝板，从而防止冷凝板的外表面结冰或对冷凝板的外表面进行除冰。当蒸发换热剂在冷凝板内表面积聚为球形液滴掉落后，穿过间隔支架重新被多孔导热层吸附，如此循环。

如果局部外界温度较低，在该局部范围内，冷凝板内外表面的传热更快，蒸发换热剂在冷凝板内表面的凝结速度更快，该低温热二极管防冰装置在该局部的传热就更快；而其余温度稍高的区域，冷凝板内外表面的温差较小，因而冷凝板内外表面的传热稍慢，并且由于冷凝板内表面温度稍高，蒸发换热剂在该局部范围内冷凝板内表面的凝结速度变慢，低温热二极管防冰装置在该局部的传热就变慢；由此达到自主针对性的局部换热的技术效果。

并且，对于低温热二级管防冰装置内外温差小的情况，防冰装置内部向外界的传热少，无效的热耗散减少，加热层所需的加热功率减少，还能减少能源的消耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，包括依次层叠设置的加热层（20），多孔导热层（30），间隔支架（40）以及冷凝板（50）；

所述加热层（20）设置在待防冰物面的内表面或外表面；

还包括蒸发换热剂，所述蒸发换热剂浸没于所述多孔导热层（30）内；

所述间隔支架（40）内部具有多条通道，所述通道垂直于所述多孔导热层（30）的表面；

所述多孔导热层（30）与冷凝板（50）之间的距离为2000μm以内；

所述加热层（20），多孔导热层（30），间隔支架（40），冷凝板（50）以及蒸发换热剂密封在一起。

2.根据权利要求1所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，当所述加热层（20）固定设置在所述待防冰物面的内表面时，所述加热层（20）的另一面还设置有隔热层（10）；当所述加热层（20）固定设置在所述待防冰物面的外表面时，所述待防冰物面的内表面还设置有隔热层（10）。

3.根据权利要求1或2所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述多孔导热层（30）为超亲水泡沫金属、多孔碳制成品、亲水纤维织物中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述间隔支架（40）为栅格或条带结构。

5.根据权利要求4所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述间隔支架（40）的材料选用聚四氟乙烯或记忆合金。

6.根据权利要求5所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述记忆合金的截面为Y型或V型。

7.根据权利要求1,2,4-6任一所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述蒸发换热剂为乙醇，或乙醇与水的混合物。

8.根据权利要求6所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述冷凝板（50）的内表面为光滑超疏水表面或光滑超亲水表面。

9.根据权利要求6所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述冷凝板（50）的面内导热系数低于面外导热系数。

10.根据权利要求6所述的一种低温热二极管防冰装置，其特征在于，所述蒸发换热剂的填充比例为加热层（20）与冷凝板（50）所围成空间的10%-50%。

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