利用低熔点金属的空气数据探头加热器的制作方法

由于环境条件，交通工具上的皮托管，皮托静压管以及其它空气数据探头当在地面上和飞行期间时暴露于冻结温度。暴露于冻结空气温度可以使冰逐渐积累在空气数据探头上，这降低了空气数据探头的性能。为了防止冰逐渐积累，许多空气数据探头包括加热元件。

技术实现要素：

在一个实施例中，空气数据探头包括探头体。该空气数据探头还包括围绕探头体的外壳，其中，在探头体和外壳之间定义了腔室。该空气数据探头还包括设置在探头体和外壳之间的腔室内的加热器元件。该空气数据探头还包括设置在探头体和外壳之间的腔室内的低熔点金属，其中接合加热器元件使至少部分低熔点金属从固态转变为液态。

附图说明

所理解的是附图仅描绘了示例性实施例并且因此不被认为是范围方面的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节描述示例性实施例，其中：

图1是图示了根据本公开的一个实施例的示例性空气数据探头的横截面视图。

图2是图示了根据本公开的一个实施例的示例性空气数据探头组件的部分的横截面视图。

图3是图示了根据本公开的一个实施例的示例性空气数据探头组件的横截面视图。

图4是图示了根据本公开的一个实施例的示例性空气数据探头组件的横截面视图。

图5是图示了根据本公开的一个实施例的示例性空气数据探头组件的横截面视图。

图6是图示了根据本公开的一个实施例的制造空气数据探头的方法的流程图。

图7是图示了根据本公开的一个实施例的制造空气数据探头的方法的流程图。

图8是图示了根据本公开的一个实施例的制造空气数据探头的方法的流程图。

根据通常做法，各种所描述的特征没有按照比例绘制，而是为了强调与示例性实施例相关的特定特征而进行绘制。

具体实施方式

在下面详细的描述中，对形成其一部分的附图进行参考，以及其中通过图示的方式示出了具体的说明性实施例。然而，要理解的是可以利用其它实施例，并且可以进行逻辑、机械以及电学的改变。此外，在附图和说明书中提出的方法不被解释为限制其中执行个体步骤的顺序。下面详细的描述因此不被理解为限制性的含义。

传统的结合加热元件的空气数据探头包括铜焊到空气数据探头外壳的内表面的加热器线缆。为了制造具有加热器线缆的空气数据探头，必须首先将加热器线缆缠绕到心轴上，并且然后将心轴插入到外壳中。提取出心轴，并且然后必须将加热器线缆铜焊到外壳上。该方法要求加热器线缆具有非常精确的形状，并且要求加热器线缆被定位为邻近外壳的内表面。即使加热器线缆被适当地形成，对于靠近外壳的内表面的加热器线缆的整个长度来说很难获得高品质的铜焊。结果，传统的空气数据探头无法对整个外壳提供充分的热分布，并且在冰没有熔化的位置形成冷点。此外，如果热没有从加热器线缆适当地分布开来，在加热器线缆上可能形成热点，并且减少加热器线缆的寿命。由于形成加热器线缆以及将其铜焊到外壳上的复杂性和难度，制造结合有加热器的传统空气数据探头花费高、耗时长。

由于上述原因以及由于在阅读和理解说明书时对本领域技术人员来说将变得显而易见的下面陈述的其它原因，本领域中存在对改进的用于空气数据探头加热以及制造空气数据探头的系统和方法的需要。

本文描述的实施例提供用于加热空气数据探头的系统和方法。本文描述的实施例包括加热元件和低熔点金属，该金属是其熔点低于位于空气数据探头的外壳和探头体之间的腔室内的加热元件的操作温度的金属。当加热元件被接合以对空气数据探头除冰或防止飞行期间结冰，至少部分低熔点金属从固态转变为液态。当处于液态时，低熔点金属可以展示增加的热导率，以及可以对外壳提供更好的热分布，因为相比于传统方法低熔点金属接触外壳内表面的表面积更大。

图1是根据本公开的一个实施例的空气数据探头100的横截面视图。空气数据探头100包括探头部分102和将探头部分102连接到交通工具上的支柱部分104。在示例性实施例中，探头部分102为皮托管、皮托静压管等。探头102定位成使得空气通过入口106进入探头部分102。在一个实施方式中，空气数据探头用于确定飞机的空速。

图2图示了已经形成探头部分102后，探头部分102的一个侧面的部分横截面。探头部分102包括探头体202和外壳204。探头部分102进一步包括定位在探头体202和外壳204之间定义的腔室210内的加热器元件206和低熔点金属208。在示例性实施例中，可以通过绕着轴212旋转剖面来代表完整的探头部分102。

外壳204围绕探头体202，使得腔室210形成于探头体202和外壳204之间。在示例性实施例中，探头体202为心轴。在示例性实施例中，探头体202和外壳204包括具有高热导率的金属或金属合金。外壳204和探头体202通过入口106附接在探头部分102的一端。在示例性实施例中，外壳204和探头体202焊接在一起或使用本领域技术人员已知的适合的方法来进行附接。

加热器元件206位于腔室210内。在示例性实施例中，加热器元件206包括加热器线缆。在示例性实施方式中，加热器元件206是同轴线缆，其包括由矿物绝缘体围绕并被金属护套(例如Inconel)覆盖的电阻线。在示例性实施例中，加热器元件206通常具有螺旋形状，使得其缠绕探头体202。加热器元件206不需要具有特定的尺寸，并且不需要定位成邻近外壳204的内表面。此外，加热器元件206不需要铜焊到外壳204上，因为其置于低熔点金属208内。加热器元件206被接合从而或者在起飞前对外壳204除冰或者防止飞行期间结冰。在示例性实施例中，驱动加热器元件206的电能通过支柱部分104和连接器108进行递送。在示例性实施例中，加热器元件206的操作温度遍及整个加热器元件206的所有部分不是均匀的。例如，加热器元件206靠近入口106的部分可以具有比加热器元件206的其它部分更高的操作温度。

低熔点金属208设置在探头体202和外壳204之间的腔室内210内。在示例性实施例中，低熔点金属208包括高热导率、低熔点金属或金属合金。例如，低熔点金属208可以是钠、银焊料、铅-锡焊料、锑-锡焊料、铟-银焊料或本领域技术人员已知的其他高热导率、低熔点金属或金属合金。在示例性实施例中，低熔点金属208基本上充满腔室210。也就是说低熔点金属208充满腔室210以基本上消除腔室210内所有的空气缝隙并且与外壳204的整个内表面接触。在示例性实施例中，低熔点金属208围绕加热器元件206。

当加热器元件206被接合时，至少部分低熔点金属208从固态转变为液态。在示例性实施例中，低熔点金属208的熔点位于当被提供能量时加热器元件206的最低操作温度和最大操作温度之间。在示例性实施例中，低熔点金属的熔点位于大约94到204摄氏度之间(大约200到400华氏度)。在某些实施例(诸如那些加热器元件206的操作温度遍及整个加热器元件206的所有部分不均匀的实施例)中，当加热器元件206被接合时，只有部分低熔点金属208从固态转变为液态。在另外的实施例中，当加热器元件206被接合时，基本上所有的低熔点金属208从固态转变为液态。当处于液态时，低熔点金属208将热从加热器元件206平均分布到外壳204。特别地，低熔点金属208从加热器元件206传导热并且将热分布到外壳204的基本整个内表面上。当处于其液态时，低熔点金属208可以接触外壳204的部分，其是锐利的或奇形怪状的。特别地，低熔点金属208可以通过入口106在外壳204的尖端接触外壳204的整个内表面，这对于传统的空气数据探头加热器来说已是困难的。在示例性实施例中，低熔点金属在液态下的热导率高于在固态下。

当材料从固态转变为液态时，其将经历热膨胀到一定程度。此外，材料的热膨胀系数通常随温度变化并且可以是非线性的。因此当从固态转变为液态时，必须要考虑低熔点金属208的热膨胀的量。在某些实施例中，基于空气数据探头的操作温度下低熔点金属208的热膨胀系数来调整设置在腔室210内的低熔点金属208的量。在另外的实施例中，可以在空气数据探头设计中包括膨胀室从而允许使用的低熔点金属的量中的更大的灵活性。

图3为结合膨胀室的示例性空气数据探头的横截面视图。空气数据探头300包括探头部分102，支柱部分104，以及通过连接通道304连接到腔室210的膨胀室302。膨胀室302通过连接通道304耦合到探头部分102的腔室210。在示例性实施例中，膨胀室302定位在支柱部分104内，使得其在操作期间总是位于腔室210上方，因此低熔点金属208没有漏出腔室210。如果低熔点金属208从腔室210漏出，那么空气缝隙就会被引入腔室210中，并且将降低空气数据探头300的性能。在示例性实施例中，膨胀室302可以为储存器、可膨胀波纹管等。

在示例性实施例中，连接通道304具有连接到第二部分的至少第一部分。第一部分从腔室210横向延伸进入支柱中并且第二部分垂直延伸穿过支柱部分104。在示例性实施例中，连接通道304由与探头体202类似的材料或本领域技术人员已知的其他合适材料制成。

图4为结合了储存器的示例性空气数据探头400的横截面视图。空气数据探头400包括探头部分102，支柱部分104，以及通过连接通道304连接到腔室210的储存器402。在示例性实施例中，储存器402由与探头体202类似的材料或本领域技术人员已知的其他合适材料制成。由于与上面讨论的关于膨胀室302的原因类似的原因，储存器402定位在支柱部分104内，使得其在操作过程中总是位于腔室210上方。

储存器402可以包括一个或多个室并且所述室可以具有任意适合的形状。例如，所述室可以是球形的。在利用一个室的实施例中，单个室被直接耦合到连接通道304的第二部分。在利用两个室的实施例中，如图4所示，第一和第二室404、406通过储存器管408连接。在操作期间，第一室404定位在第二室406上面。在这样的实施例中，连接通道304包括耦合到储存器通道408的第三部分310，使得低熔点金属408可以膨胀到储存器402中。在这样的实施例中，整个连接通道304，整个第二室406，以及至少一半储存器通道408含有低熔点金属208，从而确保低熔点金属208从液态到固态的任何转变不导致低熔点金属208从腔室210损失。特别地，低熔点金属208的膨胀会发生在储存器通道408的上半部分以及第一室404中。

图5是结合可膨胀波纹管的示例性空气数据探头500的横截面视图。空气数据探头500包括探头部分102，支柱部分104，以及通过连接通道304耦合到腔室210的可膨胀波纹管502。连接通道304包含与上面结合图3讨论的连接通道304相同的特征。可膨胀波纹管502可以包括本领域已知的任何适合的可膨胀波纹管。由于与上面讨论的关于膨胀室302相类似的原因，可膨胀波纹管502定位在支柱部分104内，使得其在操作期间总是位于腔室210上方。

图6是图示了一种制造根据本公开的一个实施例的空气数据探头的方法600的流程图。例如，方法600可以用于制造如上文所讨论的空气数据探头100。方法600在602处以将加热器线缆插入到空气数据探头的外壳和探头体之间定义的腔室中而开始。

方法600继续进行到604，将低熔点金属插入到外壳和探头体之间的腔室中，其中当加热器线缆被接合时，至少部分低熔点金属从固态转变为液态。在某些实施例中，在低熔点金属插入腔室中时其处于液态。在另一些实施例中，在低熔点金属插入腔室中时其处于固态。

方法600继续进行以密封腔室。在示例性实施例中，密封腔室包括将外壳的第一端附接到探头体的第一端，以及将外壳的第二端附接到探头体的第二端。

在某些实施例中，该方法进一步包括将支柱附接到空气数据探头的外壳上。进一步，该方法还可以包括将膨胀室(诸如例如，膨胀室302)附接到腔室，如上文参照图1-4所讨论的。

图7是图示了一种制造根据本公开的一个实施例的空气数据探头的方法700的流程图。例如，方法700可以用来制造如上文所讨论的空气数据探头100。

该方法在702处以将加热器元件缠绕到探头体上而开始。在示例性实施例中，加热器元件以基本上螺旋图案缠绕到探头体上。在示例性实施例中，探头体为心轴。

方法继续进行到704，以用外壳围绕探头体，使得在外壳和探头体之间定义腔室，并且加热器元件位于该腔室内。在示例性实施例中，用外壳围绕探头体包括将外壳的第一端附接到探头体的第一端以密封腔室的一端。

方法继续进行到706，以将低熔点金属注入到外壳和探头体之间的腔室中。当被注入腔室中并围绕加热器元件时，低熔点金属处于液态。低熔点金属具有与上文参照图1-4所讨论的低熔点金属相类似的性质。例如，当加热器元件被接合时，至少部分低熔点金属从固态转变为液态。

方法继续进行到708，以密封腔室。在示例性实施例中，密封腔室包括将将外壳的第二端附接到探头体上。

在某些实施例中，该方法进一步包括将支柱附接到空气数据探头的外壳上。进一步，该方法还可包括将膨胀室(诸如例如，膨胀室302)附接到腔室，如上文参照图1-4所讨论的。

图8是图示了一种制造根据本公开的一个实施例的空气数据探头的方法800的流程图。方法800利用模块化途径来制造空气数据探头。

方法在802处以将预先形成的加热器元件插入到模具中而开始，该模具具有与空气数据探头的外壳和探头体之间的腔室相对应的尺寸。在示例性实施例中，该模具可以为金属模具，其用于将低熔点金属形成到腔室的形状中。在示例性实施例中，通过将加热器元件以螺旋图案缠绕在心轴上从而将加热器元件预先形成。

方法继续进行到804，以将处于液态的低熔点金属注入模具中，其中在模具中低熔点金属围绕加热器元件。该低熔点金属具有与上文参照图1-4所讨论的低熔点金属相类似的性质。当加热器元件被接合时，至少部分低熔点金属从固态转变为液态。

方法继续进行到806，以冷却低熔点金属，因此低熔点金属转变为固态。加热器元件位于低熔点金属内。冷却的低熔点金属和加热器元件形成套筒(cartridge)或模块。在低熔点金属被冷却后，该方法继续进行到808，以从模具中移除套筒。该方法继续进行到810，以将套筒插入到空气数据探头的外壳和探头体之间的腔室中。该方法继续进行到812，以密封该腔室。

在某些实施例中，该方法进一步包括将支柱附接到空气数据探头的外壳。进一步，该方法还包括将膨胀室302附接到腔室，如上文参照图1-4所讨论的。

在上面讨论的本申请中的用于加热空气数据探头的系统和方法关于传统的空气数据探头提供若干益处。通过在探头体和外壳之间使用低熔点金属，由于加热器元件在腔室内在低熔点金属中浮动，减轻了加热器元件上的热应力。

加热器元件不再需要被精确成型，被精确地放置在空气数据探头的外壳内，或者被铜焊到空气数据探头的外壳，这显著地降低了制造过程的费用和复杂性。这同样降低了由于传统方法期间的在上面形成(over-forming)导致的加热器元件上的磨损。

相比于涉及将加热器元件铜焊到外壳的内表面上的传统方法，低熔点金属当处于液态时将热从加热器元件更平均地分布遍及整个外壳。特别地，低熔点金属比使用传统方法所可能实现的接触更大量的外壳的表面。本公开的实施例在外壳上实现更好的更少的不期望冷点，以及除冰更好并且预防结冰。

示例性实施例

示例1包括空气数据探头，其包括：探头体；围绕探头体的外壳，其中在探头体和外壳之间定义一腔室；加热器元件设置在探头体和外壳之间的腔室内；并且低熔点金属设置在探头体和外壳之间的腔室内，其中接合加热器元件导致至少部分低熔点金属从固态转变液态。

示例2包括示例1的空气数据探头，其中低熔点金属包括钠、银焊料、铅-锡焊料、锑-锡焊料、铟-银焊料中的至少一种。

示例3包括示例1-2中任意一个的空气数据探头，其中加热器元件为加热器线缆，其包括被矿物绝缘体围绕并被金属护套覆盖的电阻线。

示例4包括示例3的空气数据探头，其中加热器元件为螺旋形并且围绕探头体。

示例5包括示例1-4中任意一个的空气数据探头，进一步包括与外壳附接的支柱。

示例6包括示例5的空气数据探头，进一步包括支柱内的膨胀室，其中膨胀室通过通道耦合到腔室。

示例7包括示例6的空气数据探头，其中膨胀室为包括一个或多个室的储存器。

示例8包括示例7的空气数据探头，其中通道和一个或多个室包括过量的低熔点金属。

示例9包括示例6-8中任意一个的空气数据探头，其中膨胀室为可膨胀波纹管。

示例10包括示例5-9中任意一个的空气数据探头，其中当空气数据探头在运动中时，膨胀室位于支柱内从而位于腔室上方。

示例11包括示例1-10中任意一个的空气数据探头，其中低熔点金属在液态下具有的热导率在高于固态下。

示例12包括示例1-11中任意一个的空气数据探头，其中低熔点金属围绕加热器元件。

示例13包括一种制造空气数据探头的方法，其包括：将加热器元件插入到空气数据探头的外壳和探头体之间所定义的腔室中；将低熔点金属插入到外壳和探头体之间的腔室中，其中当加热器元件被接合时，至少部分低熔点金属从固态转变为液态；以及密封该腔室。

示例14包括示例13的方法，其中将低熔点金属插入到外壳和探头体之间的腔室中包括将低熔点金属注入腔室中，其中当注入腔室中时低熔点金属处于液态，其中低熔点金属围绕加热器元件。

示例15包括示例13-14中任意一个的方法，其中低熔点金属在具有腔室尺寸的模具中预先形成，其中低熔点金属被以液态注入模具中并被冷却到固态，其中当被插入腔室中时低熔点金属处于固态。

示例16包括示例15的方法，其中加热器元件在心轴上预先形成，其中预先形成的加热器元件插入到具有腔室尺寸的模具中，其中当低熔点金属以液态被注入模具中时，该低熔点金属围绕加热器元件，其中当被冷却到固态时，加热器元件位于低熔点金属中。

示例17包括示例13-16中任意一个的方法，进一步包括将支柱附接到空气数据探头的外壳。

示例18包括示例17的方法，进一步包括将通道和储存器附接到腔室，其中通道和储存器被定位在支柱内。

示例19包括示例17-18中任意一个的方法，进一步包括将通道和波纹管附接到腔室，其中通道和波纹管被定位在支柱内。

示例20包括空气数据探头，其包括：心轴；围绕心轴的外壳，其中腔室定义于外壳和心轴之间；加热器元件设置于腔室内；以及低熔点金属设置于外壳和心轴之间定义的腔室内，其中当加热器元件被接合时，至少部分低熔点金属从固态转变为液态。

尽管本文中已经图示和描述了具体的实施例，但本领域普通技术人员将领会的是，打算实现相同目的任何布置可以代替所示出的的具体实施例。因此显然意图仅通过权利要求及其等同物来限制本发明。