利用低熔點金屬的空氣數據探頭加熱器的制作方法

由于環境條件，交通工具上的皮托管，皮托靜壓管以及其它空氣數據探頭當在地面上和飛行期間時暴露于凍結溫度。暴露于凍結空氣溫度可以使冰逐漸積累在空氣數據探頭上，這降低了空氣數據探頭的性能。為了防止冰逐漸積累，許多空氣數據探頭包括加熱元件。

技術實現要素：

在一個實施例中，空氣數據探頭包括探頭體。該空氣數據探頭還包括圍繞探頭體的外殼，其中，在探頭體和外殼之間定義了腔室。該空氣數據探頭還包括設置在探頭體和外殼之間的腔室內的加熱器元件。該空氣數據探頭還包括設置在探頭體和外殼之間的腔室內的低熔點金屬，其中接合加熱器元件使至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態。

附圖說明

所理解的是附圖僅描繪了示例性實施例并且因此不被認為是范圍方面的限制，將通過使用附圖以附加的特征和細節描述示例性實施例，其中：

圖1是圖示了根據本公開的一個實施例的示例性空氣數據探頭的橫截面視圖。

圖2是圖示了根據本公開的一個實施例的示例性空氣數據探頭組件的部分的橫截面視圖。

圖3是圖示了根據本公開的一個實施例的示例性空氣數據探頭組件的橫截面視圖。

圖4是圖示了根據本公開的一個實施例的示例性空氣數據探頭組件的橫截面視圖。

圖5是圖示了根據本公開的一個實施例的示例性空氣數據探頭組件的橫截面視圖。

圖6是圖示了根據本公開的一個實施例的制造空氣數據探頭的方法的流程圖。

圖7是圖示了根據本公開的一個實施例的制造空氣數據探頭的方法的流程圖。

圖8是圖示了根據本公開的一個實施例的制造空氣數據探頭的方法的流程圖。

根據通常做法，各種所描述的特征沒有按照比例繪制，而是為了強調與示例性實施例相關的特定特征而進行繪制。

具體實施方式

在下面詳細的描述中，對形成其一部分的附圖進行參考，以及其中通過圖示的方式示出了具體的說明性實施例。然而，要理解的是可以利用其它實施例，并且可以進行邏輯、機械以及電學的改變。此外，在附圖和說明書中提出的方法不被解釋為限制其中執行個體步驟的順序。下面詳細的描述因此不被理解為限制性的含義。

傳統的結合加熱元件的空氣數據探頭包括銅焊到空氣數據探頭外殼的內表面的加熱器線纜。為了制造具有加熱器線纜的空氣數據探頭，必須首先將加熱器線纜纏繞到心軸上，并且然后將心軸插入到外殼中。提取出心軸，并且然后必須將加熱器線纜銅焊到外殼上。該方法要求加熱器線纜具有非常精確的形狀，并且要求加熱器線纜被定位為鄰近外殼的內表面。即使加熱器線纜被適當地形成，對于靠近外殼的內表面的加熱器線纜的整個長度來說很難獲得高品質的銅焊。結果，傳統的空氣數據探頭無法對整個外殼提供充分的熱分布，并且在冰沒有熔化的位置形成冷點。此外，如果熱沒有從加熱器線纜適當地分布開來，在加熱器線纜上可能形成熱點，并且減少加熱器線纜的壽命。由于形成加熱器線纜以及將其銅焊到外殼上的復雜性和難度，制造結合有加熱器的傳統空氣數據探頭花費高、耗時長。

由于上述原因以及由于在閱讀和理解說明書時對本領域技術人員來說將變得顯而易見的下面陳述的其它原因，本領域中存在對改進的用于空氣數據探頭加熱以及制造空氣數據探頭的系統和方法的需要。

本文描述的實施例提供用于加熱空氣數據探頭的系統和方法。本文描述的實施例包括加熱元件和低熔點金屬，該金屬是其熔點低于位于空氣數據探頭的外殼和探頭體之間的腔室內的加熱元件的操作溫度的金屬。當加熱元件被接合以對空氣數據探頭除冰或防止飛行期間結冰，至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態。當處于液態時，低熔點金屬可以展示增加的熱導率，以及可以對外殼提供更好的熱分布，因為相比于傳統方法低熔點金屬接觸外殼內表面的表面積更大。

圖1是根據本公開的一個實施例的空氣數據探頭100的橫截面視圖。空氣數據探頭100包括探頭部分102和將探頭部分102連接到交通工具上的支柱部分104。在示例性實施例中，探頭部分102為皮托管、皮托靜壓管等。探頭102定位成使得空氣通過入口106進入探頭部分102。在一個實施方式中，空氣數據探頭用于確定飛機的空速。

圖2圖示了已經形成探頭部分102后，探頭部分102的一個側面的部分橫截面。探頭部分102包括探頭體202和外殼204。探頭部分102進一步包括定位在探頭體202和外殼204之間定義的腔室210內的加熱器元件206和低熔點金屬208。在示例性實施例中，可以通過繞著軸212旋轉剖面來代表完整的探頭部分102。

外殼204圍繞探頭體202，使得腔室210形成于探頭體202和外殼204之間。在示例性實施例中，探頭體202為心軸。在示例性實施例中，探頭體202和外殼204包括具有高熱導率的金屬或金屬合金。外殼204和探頭體202通過入口106附接在探頭部分102的一端。在示例性實施例中，外殼204和探頭體202焊接在一起或使用本領域技術人員已知的適合的方法來進行附接。

加熱器元件206位于腔室210內。在示例性實施例中，加熱器元件206包括加熱器線纜。在示例性實施方式中，加熱器元件206是同軸線纜，其包括由礦物絕緣體圍繞并被金屬護套(例如Inconel)覆蓋的電阻線。在示例性實施例中，加熱器元件206通常具有螺旋形狀，使得其纏繞探頭體202。加熱器元件206不需要具有特定的尺寸，并且不需要定位成鄰近外殼204的內表面。此外，加熱器元件206不需要銅焊到外殼204上，因為其置于低熔點金屬208內。加熱器元件206被接合從而或者在起飛前對外殼204除冰或者防止飛行期間結冰。在示例性實施例中，驅動加熱器元件206的電能通過支柱部分104和連接器108進行遞送。在示例性實施例中，加熱器元件206的操作溫度遍及整個加熱器元件206的所有部分不是均勻的。例如，加熱器元件206靠近入口106的部分可以具有比加熱器元件206的其它部分更高的操作溫度。

低熔點金屬208設置在探頭體202和外殼204之間的腔室內210內。在示例性實施例中，低熔點金屬208包括高熱導率、低熔點金屬或金屬合金。例如，低熔點金屬208可以是鈉、銀焊料、鉛-錫焊料、銻-錫焊料、銦-銀焊料或本領域技術人員已知的其他高熱導率、低熔點金屬或金屬合金。在示例性實施例中，低熔點金屬208基本上充滿腔室210。也就是說低熔點金屬208充滿腔室210以基本上消除腔室210內所有的空氣縫隙并且與外殼204的整個內表面接觸。在示例性實施例中，低熔點金屬208圍繞加熱器元件206。

當加熱器元件206被接合時，至少部分低熔點金屬208從固態轉變為液態。在示例性實施例中，低熔點金屬208的熔點位于當被提供能量時加熱器元件206的最低操作溫度和最大操作溫度之間。在示例性實施例中，低熔點金屬的熔點位于大約94到204攝氏度之間(大約200到400華氏度)。在某些實施例(諸如那些加熱器元件206的操作溫度遍及整個加熱器元件206的所有部分不均勻的實施例)中，當加熱器元件206被接合時，只有部分低熔點金屬208從固態轉變為液態。在另外的實施例中，當加熱器元件206被接合時，基本上所有的低熔點金屬208從固態轉變為液態。當處于液態時，低熔點金屬208將熱從加熱器元件206平均分布到外殼204。特別地，低熔點金屬208從加熱器元件206傳導熱并且將熱分布到外殼204的基本整個內表面上。當處于其液態時，低熔點金屬208可以接觸外殼204的部分，其是銳利的或奇形怪狀的。特別地，低熔點金屬208可以通過入口106在外殼204的尖端接觸外殼204的整個內表面，這對于傳統的空氣數據探頭加熱器來說已是困難的。在示例性實施例中，低熔點金屬在液態下的熱導率高于在固態下。

當材料從固態轉變為液態時，其將經歷熱膨脹到一定程度。此外，材料的熱膨脹系數通常隨溫度變化并且可以是非線性的。因此當從固態轉變為液態時，必須要考慮低熔點金屬208的熱膨脹的量。在某些實施例中，基于空氣數據探頭的操作溫度下低熔點金屬208的熱膨脹系數來調整設置在腔室210內的低熔點金屬208的量。在另外的實施例中，可以在空氣數據探頭設計中包括膨脹室從而允許使用的低熔點金屬的量中的更大的靈活性。

圖3為結合膨脹室的示例性空氣數據探頭的橫截面視圖。空氣數據探頭300包括探頭部分102，支柱部分104，以及通過連接通道304連接到腔室210的膨脹室302。膨脹室302通過連接通道304耦合到探頭部分102的腔室210。在示例性實施例中，膨脹室302定位在支柱部分104內，使得其在操作期間總是位于腔室210上方，因此低熔點金屬208沒有漏出腔室210。如果低熔點金屬208從腔室210漏出，那么空氣縫隙就會被引入腔室210中，并且將降低空氣數據探頭300的性能。在示例性實施例中，膨脹室302可以為儲存器、可膨脹波紋管等。

在示例性實施例中，連接通道304具有連接到第二部分的至少第一部分。第一部分從腔室210橫向延伸進入支柱中并且第二部分垂直延伸穿過支柱部分104。在示例性實施例中，連接通道304由與探頭體202類似的材料或本領域技術人員已知的其他合適材料制成。

圖4為結合了儲存器的示例性空氣數據探頭400的橫截面視圖。空氣數據探頭400包括探頭部分102，支柱部分104，以及通過連接通道304連接到腔室210的儲存器402。在示例性實施例中，儲存器402由與探頭體202類似的材料或本領域技術人員已知的其他合適材料制成。由于與上面討論的關于膨脹室302的原因類似的原因，儲存器402定位在支柱部分104內，使得其在操作過程中總是位于腔室210上方。

儲存器402可以包括一個或多個室并且所述室可以具有任意適合的形狀。例如，所述室可以是球形的。在利用一個室的實施例中，單個室被直接耦合到連接通道304的第二部分。在利用兩個室的實施例中，如圖4所示，第一和第二室404、406通過儲存器管408連接。在操作期間，第一室404定位在第二室406上面。在這樣的實施例中，連接通道304包括耦合到儲存器通道408的第三部分310，使得低熔點金屬408可以膨脹到儲存器402中。在這樣的實施例中，整個連接通道304，整個第二室406，以及至少一半儲存器通道408含有低熔點金屬208，從而確保低熔點金屬208從液態到固態的任何轉變不導致低熔點金屬208從腔室210損失。特別地，低熔點金屬208的膨脹會發生在儲存器通道408的上半部分以及第一室404中。

圖5是結合可膨脹波紋管的示例性空氣數據探頭500的橫截面視圖。空氣數據探頭500包括探頭部分102，支柱部分104，以及通過連接通道304耦合到腔室210的可膨脹波紋管502。連接通道304包含與上面結合圖3討論的連接通道304相同的特征。可膨脹波紋管502可以包括本領域已知的任何適合的可膨脹波紋管。由于與上面討論的關于膨脹室302相類似的原因，可膨脹波紋管502定位在支柱部分104內，使得其在操作期間總是位于腔室210上方。

圖6是圖示了一種制造根據本公開的一個實施例的空氣數據探頭的方法600的流程圖。例如，方法600可以用于制造如上文所討論的空氣數據探頭100。方法600在602處以將加熱器線纜插入到空氣數據探頭的外殼和探頭體之間定義的腔室中而開始。

方法600繼續進行到604，將低熔點金屬插入到外殼和探頭體之間的腔室中，其中當加熱器線纜被接合時，至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態。在某些實施例中，在低熔點金屬插入腔室中時其處于液態。在另一些實施例中，在低熔點金屬插入腔室中時其處于固態。

方法600繼續進行以密封腔室。在示例性實施例中，密封腔室包括將外殼的第一端附接到探頭體的第一端，以及將外殼的第二端附接到探頭體的第二端。

在某些實施例中，該方法進一步包括將支柱附接到空氣數據探頭的外殼上。進一步，該方法還可以包括將膨脹室(諸如例如，膨脹室302)附接到腔室，如上文參照圖1-4所討論的。

圖7是圖示了一種制造根據本公開的一個實施例的空氣數據探頭的方法700的流程圖。例如，方法700可以用來制造如上文所討論的空氣數據探頭100。

該方法在702處以將加熱器元件纏繞到探頭體上而開始。在示例性實施例中，加熱器元件以基本上螺旋圖案纏繞到探頭體上。在示例性實施例中，探頭體為心軸。

方法繼續進行到704，以用外殼圍繞探頭體，使得在外殼和探頭體之間定義腔室，并且加熱器元件位于該腔室內。在示例性實施例中，用外殼圍繞探頭體包括將外殼的第一端附接到探頭體的第一端以密封腔室的一端。

方法繼續進行到706，以將低熔點金屬注入到外殼和探頭體之間的腔室中。當被注入腔室中并圍繞加熱器元件時，低熔點金屬處于液態。低熔點金屬具有與上文參照圖1-4所討論的低熔點金屬相類似的性質。例如，當加熱器元件被接合時，至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態。

方法繼續進行到708，以密封腔室。在示例性實施例中，密封腔室包括將將外殼的第二端附接到探頭體上。

在某些實施例中，該方法進一步包括將支柱附接到空氣數據探頭的外殼上。進一步，該方法還可包括將膨脹室(諸如例如，膨脹室302)附接到腔室，如上文參照圖1-4所討論的。

圖8是圖示了一種制造根據本公開的一個實施例的空氣數據探頭的方法800的流程圖。方法800利用模塊化途徑來制造空氣數據探頭。

方法在802處以將預先形成的加熱器元件插入到模具中而開始，該模具具有與空氣數據探頭的外殼和探頭體之間的腔室相對應的尺寸。在示例性實施例中，該模具可以為金屬模具，其用于將低熔點金屬形成到腔室的形狀中。在示例性實施例中，通過將加熱器元件以螺旋圖案纏繞在心軸上從而將加熱器元件預先形成。

方法繼續進行到804，以將處于液態的低熔點金屬注入模具中，其中在模具中低熔點金屬圍繞加熱器元件。該低熔點金屬具有與上文參照圖1-4所討論的低熔點金屬相類似的性質。當加熱器元件被接合時，至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態。

方法繼續進行到806，以冷卻低熔點金屬，因此低熔點金屬轉變為固態。加熱器元件位于低熔點金屬內。冷卻的低熔點金屬和加熱器元件形成套筒(cartridge)或模塊。在低熔點金屬被冷卻后，該方法繼續進行到808，以從模具中移除套筒。該方法繼續進行到810，以將套筒插入到空氣數據探頭的外殼和探頭體之間的腔室中。該方法繼續進行到812，以密封該腔室。

在某些實施例中，該方法進一步包括將支柱附接到空氣數據探頭的外殼。進一步，該方法還包括將膨脹室302附接到腔室，如上文參照圖1-4所討論的。

在上面討論的本申請中的用于加熱空氣數據探頭的系統和方法關于傳統的空氣數據探頭提供若干益處。通過在探頭體和外殼之間使用低熔點金屬，由于加熱器元件在腔室內在低熔點金屬中浮動，減輕了加熱器元件上的熱應力。

加熱器元件不再需要被精確成型，被精確地放置在空氣數據探頭的外殼內，或者被銅焊到空氣數據探頭的外殼，這顯著地降低了制造過程的費用和復雜性。這同樣降低了由于傳統方法期間的在上面形成(over-forming)導致的加熱器元件上的磨損。

相比于涉及將加熱器元件銅焊到外殼的內表面上的傳統方法，低熔點金屬當處于液態時將熱從加熱器元件更平均地分布遍及整個外殼。特別地，低熔點金屬比使用傳統方法所可能實現的接觸更大量的外殼的表面。本公開的實施例在外殼上實現更好的更少的不期望冷點，以及除冰更好并且預防結冰。

示例性實施例

示例1包括空氣數據探頭，其包括：探頭體；圍繞探頭體的外殼，其中在探頭體和外殼之間定義一腔室；加熱器元件設置在探頭體和外殼之間的腔室內；并且低熔點金屬設置在探頭體和外殼之間的腔室內，其中接合加熱器元件導致至少部分低熔點金屬從固態轉變液態。

示例2包括示例1的空氣數據探頭，其中低熔點金屬包括鈉、銀焊料、鉛-錫焊料、銻-錫焊料、銦-銀焊料中的至少一種。

示例3包括示例1-2中任意一個的空氣數據探頭，其中加熱器元件為加熱器線纜，其包括被礦物絕緣體圍繞并被金屬護套覆蓋的電阻線。

示例4包括示例3的空氣數據探頭，其中加熱器元件為螺旋形并且圍繞探頭體。

示例5包括示例1-4中任意一個的空氣數據探頭，進一步包括與外殼附接的支柱。

示例6包括示例5的空氣數據探頭，進一步包括支柱內的膨脹室，其中膨脹室通過通道耦合到腔室。

示例7包括示例6的空氣數據探頭，其中膨脹室為包括一個或多個室的儲存器。

示例8包括示例7的空氣數據探頭，其中通道和一個或多個室包括過量的低熔點金屬。

示例9包括示例6-8中任意一個的空氣數據探頭，其中膨脹室為可膨脹波紋管。

示例10包括示例5-9中任意一個的空氣數據探頭，其中當空氣數據探頭在運動中時，膨脹室位于支柱內從而位于腔室上方。

示例11包括示例1-10中任意一個的空氣數據探頭，其中低熔點金屬在液態下具有的熱導率在高于固態下。

示例12包括示例1-11中任意一個的空氣數據探頭，其中低熔點金屬圍繞加熱器元件。

示例13包括一種制造空氣數據探頭的方法，其包括：將加熱器元件插入到空氣數據探頭的外殼和探頭體之間所定義的腔室中；將低熔點金屬插入到外殼和探頭體之間的腔室中，其中當加熱器元件被接合時，至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態；以及密封該腔室。

示例14包括示例13的方法，其中將低熔點金屬插入到外殼和探頭體之間的腔室中包括將低熔點金屬注入腔室中，其中當注入腔室中時低熔點金屬處于液態，其中低熔點金屬圍繞加熱器元件。

示例15包括示例13-14中任意一個的方法，其中低熔點金屬在具有腔室尺寸的模具中預先形成，其中低熔點金屬被以液態注入模具中并被冷卻到固態，其中當被插入腔室中時低熔點金屬處于固態。

示例16包括示例15的方法，其中加熱器元件在心軸上預先形成，其中預先形成的加熱器元件插入到具有腔室尺寸的模具中，其中當低熔點金屬以液態被注入模具中時，該低熔點金屬圍繞加熱器元件，其中當被冷卻到固態時，加熱器元件位于低熔點金屬中。

示例17包括示例13-16中任意一個的方法，進一步包括將支柱附接到空氣數據探頭的外殼。

示例18包括示例17的方法，進一步包括將通道和儲存器附接到腔室，其中通道和儲存器被定位在支柱內。

示例19包括示例17-18中任意一個的方法，進一步包括將通道和波紋管附接到腔室，其中通道和波紋管被定位在支柱內。

示例20包括空氣數據探頭，其包括：心軸；圍繞心軸的外殼，其中腔室定義于外殼和心軸之間；加熱器元件設置于腔室內；以及低熔點金屬設置于外殼和心軸之間定義的腔室內，其中當加熱器元件被接合時，至少部分低熔點金屬從固態轉變為液態。

盡管本文中已經圖示和描述了具體的實施例，但本領域普通技術人員將領會的是，打算實現相同目的任何布置可以代替所示出的的具體實施例。因此顯然意圖僅通過權利要求及其等同物來限制本發明。