(57)【要約】【課題】本開示は、加熱パネルに関し、特に、航空宇宙分野の適用に使用されるような多層の除氷／加熱フロアパネルに関する。【解決手段】パネルは、基板及び基板上に配置される電熱層を含む。熱伝導性で電気絶縁の最上層が、電熱層上に配置される。最上層、電熱層、及び基板は全て、プリント層とすることができる。電熱層は、第１の電熱層とすることができ、最上層は、第１の最上層とすることができ、少なくとも１つの追加の電熱層及び少なくとも１つの追加の最上層が、第１の最上層上に配置され、追加の電熱層及び最上層は、交互の順序で配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された電熱層と、
前記電熱層上に配置された熱伝導性及び電気絶縁の最上層と、
を備える、パネル。
【請求項２】
前記電熱層は、第１の電熱層であり、前記最上層は、第１の最上層であり、少なくとも１つの追加の電熱層及び少なくとも１つの追加の最上層が、前記第１の最上層に配置され、前記追加の電熱及び最上層は、交互の順序で配置される、請求項１に記載のパネル。
【請求項３】
前記基板は、構成部品を加熱するために前記構成部品に接着するように構成された接着層を含む、請求項１に記載のパネル。
【請求項４】
前記基板は、構成部品を加熱するために前記構成部品に組み込まれる、請求項１に記載のパネル。
【請求項５】
前記基板は、前記電熱層よりも低い熱伝導性を有する熱可塑性材料または熱硬化性材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のパネル。
【請求項６】
前記基板は、構造的特性のために及び／または残留応力及び歪みを軽減するために少なくとも１つの添加剤を含む、請求項１に記載のパネル。
【請求項７】
前記少なくとも１つの添加剤は、前記基板にプリントされるか、または前記基板に予め混合される、請求項６に記載のパネル。
【請求項８】
前記最上層は、前記電熱層よりも高い熱伝導性及び低い導電性を有する、請求項１に記載のパネル。
【請求項９】
前記電熱層は、前記基板上にスクリーンプリントされる、請求項１に記載のパネル。
【請求項１０】
前記電熱層は、Ａｇ、Ｃｕ、ＮｉＣｒ（ニクロム）、もしくはＣｕＣｒのうちの少なくとも１つを含む金属もしくは金属合金に基づくインク、炭素含有インク、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、もしくはグラフェンのうちの少なくとも１つを含む非金属導電体、正温度係数（ＰＴＣ）材料（複数可）、及び／またはＭｏＳｉ２、ＳｉＣ、Ｐｔ、Ｗ、ＬａＣｒ２Ｏ４、ＦｅＣｒＡｌ、ＣｕＮｉ、ＮｉＦｅ、もしくはＮｉＣｒＦｅのうちの少なくとも１つを含む他の材料、のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載のパネル。
【請求項１１】
前記電熱層は、冗長な電流経路を有するパターンを含む、請求項１に記載のパネル。
【請求項１２】
前記最上層は、前記電熱層を密封する、請求項１に記載のパネル。
【請求項１３】
前記最上層は、ダイヤモンド、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素及び／またはバナジウム、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、及び／または亜鉛に基づく酸化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のパネル。
【請求項１４】
前記最上層は、前記電熱層上に及び／または前記基板上にプリントされる、請求項１に記載のパネル。
【請求項１５】
前記最上層、電熱層、及び基板は全て、プリント層である、請求項１に記載のパネル。
【請求項１６】
前記パネルは、除氷パネルである、請求項１に記載のパネル。
【請求項１７】
パネルを形成する方法であって、
電熱層を基板上にプリントすることと、
最上層を前記電熱層上に及び／または前記基板上にプリントすることであって、前記最上層は、前記電熱層よりも高い熱伝導性及び低い導電性を有する、前記プリントすることと、
を備える、前記方法。
【請求項１８】
前記基板を底基板上にプリントすることをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加熱パネルに関し、特に、航空宇宙分野の適用に使用されるような多層の除氷／加熱フロアパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
加熱回路は、除氷及び防氷保護システムなどのために、電熱パネルに使用される。加熱回路は一般的に、基板上で金属合金ホイルを光化学的にエッチングし、その後、電熱ヒーター複合材に組み込むことによって作成され、例えば、ホイルは、エッチングの前に基板に取り付けられる。製造のそれらの方法に関する制約は、オーバエッチングまたはアンダエッチング、フォトレジストの整合の問題、フォトレジストの層間剥離、及び基板への接着不良などに起因した再現性を含む。それらの従来の工程は、時間及び労働集約的であり、関連する化学廃棄物を取り扱うための特別な方策を必要とする。
【０００３】
従来技術は、それらの意図された目的のために満足できるものと考えられてきた。しかしながら、改良された加熱回路及びそれを作成する方法に対する、絶えず存在する必要性がある。この開示は、この課題に対する解決策を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
パネルは、基板及び基板上に配置される電熱層を含む。熱伝導性で電気絶縁の最上層が、電熱層上に配置される。最上層、電熱層、及び基板は全て、プリント層とすることができる。電熱層は、第１の電熱層とすることができ、最上層は、第１の最上層とすることができ、少なくとも１つの追加の電熱層及び少なくとも１つの追加の最上層が、第１の最上層上に配置され、追加の電熱層及び最上層は、交互の順序で配置される。パネルは、例えば、除氷パネルとすることができる。
【０００５】
基板は、構成部品を加熱するために構成部品に接着するように構成された接着層を含むことができる。さらに、基板は、構成部品を加熱するために構成部品に組み込まれても良いことが企図される。基板は、電熱層よりも低い熱伝導性を有する熱可塑性材料または熱硬化性材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。基板は、構造的特性のために及び／または残留応力及び歪みを軽減するために少なくとも１つの添加剤を含むことができる。少なくとも１つの添加剤は、基板にプリントするか、または基板に予め混合することができる。
【０００６】
電熱層は、基板上にスクリーンプリントすることができる。電熱層は、Ａｇ、Ｃｕ、ＮｉＣｒ（ニクロム）、もしくはＣｕＣｒのうちの少なくとも１つを含む金属もしくは金属合金に基づくインク、及び／または炭素含有インク、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、グラフェン、もしくは任意の他の適切な炭素材料などの非金属導電体を含むことができる。さらに、任意の適切な正温度係数（ＰＴＣ）の材料（複数可）を電熱層に使用できることが企図される。電熱層に対する他の例示的な材料は、ＭｏＳｉ２、ＳｉＣ、Ｐｔ、Ｗ、ＬａＣｒ２Ｏ４、ＦｅＣｒＡｌ、ＣｕＮｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒＦｅ、または任意の他の適切な材料を含む。電熱層は、冗長な電流経路を有するパターンを含むことができる。
【０００７】
最上層は、電熱層よりも高い熱伝導性及び低い導電性を有することができる。最上層は、電熱層を密封することができる。最上層は、ダイヤモンド、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ならびにバナジウム、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、及び亜鉛など、ならびにそれらの組み合わせに基づく金属酸化物のうちの少なくとも１つ、または任意の他の適切な材料を含むことができる。最上層は、電熱層上に及び／または基板上にプリントすることができる。
【０００８】
パネルを形成する方法は、電熱層を基板上にプリントすること、ならびに最上層を電熱層上に及び／または基板上にプリントすることを含み、最上層は、電熱層よりも高い熱伝導性及び低い導電性を有する。基板は、底基板上にプリントすることができる。
【０００９】
主題の開示のシステム及び方法のこれらの特長及び他の特長は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を図面とともに受けることによって当業者にとってさらに容易に明らかになるであろう。
【００１０】
主題の開示が属する技術分野の当業者が、必要以上な実験なしに主題の開示のデバイス及び方法をどのように作成及び使用するかを容易に理解するように、その好ましい実施形態が、ある特定の図面を参照して本明細書で以下に詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】基板、電熱層、及び最上層を示す、本開示に従って製造されるパネルの例示的な実施形態の概略的な断面の正面図である。
【図２】任意選択の追加の交互の電熱層及び最上層を示す、図１のパネルの概略的な断面の正面図である。
【図３】上に最上層を配置する前の、基板上にプリントされる電熱層を示す、図１のパネルの一部分の平面図である。
【図４】上に最上層を配置しない図１のパネル上の位置に応じた温度を示すグラフである。
【図５】上に最上層を配置した図１のパネル上の位置に応じた温度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで図面への参照がなされ、図面では類似の参照番号が主題の開示の同一の構造的特長または態様を特定する。説明及び例示を目的に、かつ限定を目的とせずに、開示に従ったパネルの例示的な実施形態の部分的な図が図１に示され、参照数字１００によって全体的に指定される。開示に従ったパネルの他の実施形態、またはその態様が、記載されるように図２〜５において提供される。本明細書で記載されるシステム及び方法は、従来の配置と比較して、除氷、防氷のための温度分散及び全体的な性能、ならびに加熱パネルを改良するために使用することができる。
【００１３】
この開示は、光化学エッチングなどの従来技術に伴う制約の多くを克服するために、直接書き込み方法、例えば、エアロゾルプリント、プラズマスプレー、熱スプレー、噴出、スクリーンプリント、超音波分注、選択区域原子層、または化学蒸着などを、加熱パネル回路の電気及び熱構成部品を所望の基板またはその一部に直接プリントするために、どのように使用することができるかを記載する。エッチング金属ホイルなどの従来技術の制約は、結果として生じる廃棄物を取り扱うために必要とされる一括処理に限定される製造及び環境対策を含む。本明細書で記載される方法では、電熱金属、断熱材及び熱伝導誘電体の多層が絶縁基板上にプリントされて加熱回路を形成する。
【００１４】
パネル１００は、基板１０２及び基板１０２上に配置された電熱層１０４を含む。熱伝導性で電気絶縁の最上層１０６が、電熱層１０４上に及び／または基板１０２上に配置され、すなわち、最上層１０６は、電熱層１０４上に配置され、電熱層１０４内に孔が存在する部分では、最上層は、基板１０２上に直接配置される。最上層１０６、電熱層１０４、及び基板１０２は全て、プリント層とすることができる。図２に示されるように、電熱層１０４は、第１の電熱層とすることができ、最上層１０６は、第１の最上層とすることができ、少なくとも１つの追加の電熱層１０４及び少なくとも１つの追加の最上層１０６は、第１の最上層１０６上に配置され、追加の電熱層及び最上層１０４及び１０６は、交互の順序で配置される。図２における省略記号は、電熱層１０４及び最上層１０６のパターンが所与の適用に適するだけ多くの層に対して繰り返することができることを示す。
【００１５】
基板は、構成部品を加熱し、取り扱い、または処理するために構成部品に接着するように構成される任意選択の接着基層１０８を含むことができる。基板１０２は、例えば、航空機などのパネル上に、その構成部品を加熱し、取り扱い、または処理するために、直接基板１０２をプリントすることによって、構成部品に組み込むことができ、構成部品が基層１０８の役割を果たすようになることが企図される。基板１０２は、電熱層１０４よりも低い熱伝導性を有する熱可塑性材料または熱硬化性材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。基板１０２によってもたらされるこの熱抵抗は、効率的な加熱もしくは除氷または他の熱管理上の必要のために、最上層１０６を通じてパネルまたは基板１０２からの熱を外に追いやる。基板１０２は、構造的特性のために及び／または残留応力及び歪みを軽減するために少なくとも１つの添加剤を含むことができる。少なくとも１つの添加剤は、基板にプリントするか、または基板に予め混合することができる。窒化ホウ素、酸化アルミニウム、及び窒化アルミニウムなどの電気絶縁及び熱伝導性である添加剤は、プリント基板の熱伝導性を制御するためにこのステップで使用することができる。導電性、熱伝導性の添加剤は、伝導グラフェンシートもしくはフレーク、炭素ナノ繊維、またはダイヤモンド粒子などを含み、これらは、基板１０２にも添加することができる。ガラス及びセラミック粉末などの添加剤を、基板の構造的特性を強化し、残留応力及び歪みを軽減するためにこのステップで使用することができることが企図される。添加剤は、基板を作成するためにプリント可能な材料の製剤と予め混合することができ、または例えば、蒸着ヘッドを使用することによって元の位置で基板上にスプレーすることができる。選択肢は、所望の／適合可能な特性に基づいて形成された基板１０２の層を用いること、ならびに基層、例えば、底基板１０８上の添加剤の別個に堆積された層を用いることを含む。
【００１６】
基板１０２の空間的な設計は、回路のフットプリント、すなわち、以下に記載される電熱層１０４のパターンの考慮の下に、十分な構造的完全性を保証しながら、重量を低減させるように最適化することができる。したがって、基板１０２の設計は、トポロジの最適化のための電熱層１０４の設計から導出することができる。
【００１７】
電熱層１０４は、基板１０２上にスクリーンプリントすることができる。任意の他の適切な直接書き込み方法を、本明細書で記載されるプリントオペレーションに対して使用することができる。電熱層１０４は、Ａｇ、Ｃｕ、ＮｉＣｒ（ニクロム）、もしくはＣｕＣｒのうちの少なくとも１つを含む金属もしくは金属合金に基づくインク、及び／または炭素含有インク、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、グラフェン、もしくは任意の他の適切な炭素物質などの非金属導電体を含むことができる。さらに、任意の適切な正温度係数（ＰＴＣ）の材料（複数可）を電熱層に使用できることが企図される。電熱層に対する他の例示的な材料は、ＭｏＳｉ２、ＳｉＣ、Ｐｔ、Ｗ、ＬａＣｒ２Ｏ４、ＦｅＣｒＡｌ、ＣｕＮｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒＦｅ、または任意の他の適切な材料を含む。インクは任意選択で、例えば、紫外線照射、熱硬化ステップ、レーザ、もしくはプラズマなどの適用される指向性エネルギーで、及び／または大気露出で硬化することができる。電熱層１０４は、図３に示される冗長な電流経路を有するパターンを含むことができ、そこでは、最上層１０６が、冗長な電流経路を示すように除去される。そのような非常に冗長な電流経路は、いずれの局所的な損傷も、加熱または熱管理を除氷／加熱システムの有意の領域から除外しないことを保証する。
【００１８】
図１を再度参照すると、最上層１０６は、電熱層１０４よりも高い熱伝導性及び低い導電性を有する。この最上層１０６は、電熱層１０４の構造的整合性、密封及び／または環境保護を依然としてもたらし、最上面上で温度を均一に分散させながら、重量低減のために最適化することができる。最上層１０６は、ダイヤモンド、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ならびにバナジウム、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、及び亜鉛など、ならびにそれらの組み合わせに基づく金属酸化物、またはこれらの電気及び熱特性をもたらす任意の他の適切な材料を含むことができる。高熱伝導性を有する追加添加剤を、最上層１０６の材料に追加することができる。最上層１０６は、電熱層１０４を密封する。これは、電熱層１０４の短絡を防止する電気絶縁性、及び最上層１０６がないときよりもさらに均一に温度を分散するための熱伝導性をもたらす。図４は、最上層１０６なしのパネル１００上の位置の範囲にわたる温度変動を示し、温度スケールは、任意のＸ単位からＹ単位の範囲であり、位置は、任意のＷ単位からＺ単位の範囲である。図５は、比較して、図４にあるように縦軸での同一の温度スケールで、同一の位置の範囲にわたる温度変動を示す。図４及び５を比較することによって分かるように、温度は、最上層１０６が存在する場合、変動が大幅により低く、その熱伝導性が、熱変動を約３倍均一化することを助ける。よって、最上層１０６は、多機能であり、それは、熱変動を低減させ、加熱要素の疲労／不具合のリスク（面内の熱伝導性に基づいて非加熱領域に対して加熱をもたらす）を軽減するための電気絶縁及び熱伝導性である。
【００１９】
パネル、例えば、パネル１００を形成する方法は、電熱層、例えば、電熱層１０４を基板、例えば、基板１０２上にプリントすること、ならびに最上層、例えば、最上層１０６を電熱層上に及び／または基板上にプリントすることを含み、最上層は、電熱層よりも高い熱伝導性及び低い導電性を有する。基板は、底基板、例えば、底基板１０８上に、または航空機パネルなどの構成部品上に直接にプリントすることができる。
【００２０】
本明細書で開示される実施形態は、加熱効率を増大させ、電熱要素の不具合のリスクを軽減することができる、正確に設計された熱及び電気特性を有する軽量加熱部品を提供する、可能性のある利点をもたらすことができる。この開示における実施形態で開示されるパネルの追加の可能性のある利点は、除氷／加熱フロアパネルの低コストの層化添加剤の製造、大面積の構造を加工することに対する適切性、最適化された性能のための層の特性を制御する能力、非常に低い重量及びサイズをもたらすトポロジの最適化された設計、大容量のシート及びロールに基づくオペレーションなどの自動化された製造に適したＲ２Ｒ（ロールツーロール）及びロボット制御工程を使用すること可能性に起因した低コストの製造、必要な材料のみが加工の間に使用され、再加工／破棄が最小化されることから有害な化学廃棄物の生産物の除去を含む従来技術と比較して低減した重量、ならびに従来の配置と比較しデバイスの効率性／整合性を改良し、重量を低減させるための多機能層を含む。
【００２１】
上で記載され、図面で示された本開示の方法及びシステムは、従来の配置と比較して改良された温度分布及び改良された製造可能性を含むより優れた特性を有する除氷／加熱パネルを提供する。主題の開示の装置及び方法が好ましい実施形態を参照して示され、及び記載されたが、当業者は、主題の開示の範囲から逸脱することなく、それらに変更及び／または修正がなされても良いことを容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００２２】
１００  パネル
１０２  基板
１０４  電熱層
１０６  最上層
１０８  底基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
2018073834000001.pdf