JP2016004044A - 熱センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高分子複合材料コンポーネントを含む航空機での過熱の検知を、より速くより低温において反応する熱センサを提供する。
【解決手段】航空機用の熱センサ１００は、第一の電極１０１と、第二の電極１０３と、第一の電極１０１と第二の電極１０３との間に配置された支持層１０５と、支持層内に配置されるように構成された状態変化材料とを含む。状態変化材料は、非導電状態と、閾値温度において第一の電極１０１と第二の電極１０３とを電気的に接続する導電状態との間を遷移する。
【選択図】図１

Description

本開示は、熱センサに関し、より詳細には、航空機及び車両における連続的な熱または過熱の検知に関する。

航空機コンポーネント（例えば、環境制御のための、エンジンからのホットエアダクト）における熱の検知は、過熱化に関してコンポーネントを監視するためにその内部に配置された感熱要素を利用できる。現在のダクトリーク過熱検出システム（ＤＬＯＤＳ）は、ニッケル含有内部コア電極、及び粒状の多孔質セラミックまたはガラス層によって分離されたインコネル６２５外装電極を使用している。この粒状の多孔質セラミック層は、塩混合物で満たされており、閾値温度未満にさらされているときには、電極間の電気的障壁として機能する。塩混合物は、感熱要素であるように、閾値温度で融解することによって、内側電極と外側電極との間の電気的接続を引き起こす。

そのような従来の方法及びシステムは、ほとんどの場合、それらの意図された目的を満足させるものとみなされてきた。しかしながら、当技術分野において、改善された熱センサに対する要求がなおもある。高分子複合材料コンポーネントを含む航空機では、過熱の検知は、より速くより低温において反応することが要求される。本開示は、この要求に対する解決策を提供する。

本開示の少なくとも一つの態様では、航空機用の熱センサは、第一の電極と、第二の電極と、第一の電極と第二の電極との間に配置された支持層と、支持層内に配置されるように構成された状態変化材料と、を含む。状態変化材料は、非導電状態と、閾値温度において第一の電極と第二の電極とを電気的に接続する導電状態との間を遷移する。支持層は、独立した存在物であってもよいし、電極の一部であってもよい。例えば、二つの電極は、ステンレス鋼、アルミニウム、または別の導電性材料であってもよい。支持層は、一つの電極の少なくとも一つの内面における陽極酸化層であってもよい。相変化材料が、陽極酸化された電極面及び非陽極酸化された電極面と部分的に接触するように堆積される。臨界センサ温度に達すると、相変化材料は、固体から液体に変化し、センサ出力をもたらす電気的接続を達成する。

第一の電極及び第二の電極の少なくとも一つは、平板電極であってもよい。第一の電極及び第二の電極は、アルミニウムまたは任意の他の好適な材料から作ることができる。支持層は、粒状セラミック、ガラスまたは粒状の高温ポリマを含むことができる。支持層は、第一の電極及び第二の電極のいずれかの陽極酸化層であってもよい。粒状セラミックまたはポリマの形態は、メッシュ、繊維または膜構造として存在してもよい。好適なセラミック材料は、アルミナなどの非導電性金属酸化物及びガラスを含む。高温ポリマは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、またはポリスルホン（ＰＳＵ）の少なくとも一つを含むことができる。

状態変化材料は、共晶塩、塩混合物、導電性高分子フィルム及び／または任意の他の好適な相もしくは状態変化材料を含むことができる。塩は、例えば、リチウム、ナトリウム及びカリウムカチオンを有する硝酸塩と、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む一以上のカチオンを含有し得るより少量の亜硝酸塩との任意の好適な化学的混合物を含むことができる。亜硝酸塩種の所望の量の範囲は、重量比で約１％〜約１５％である。実施例の塩は、割合がＬｉＮＯ_３：ＮａＮＯ_３：ＫＮＯ_３：ＮａＮＯ_２のものを含み、そしてＣｓＮＯ_３、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＣｌ、ＺｎＳＯ_４、ＫＩ、ＳｎＣＬ_２、ＮＨ_４Ｃｌ及び／またはＭｇＣｌなどの好適な組成を含むことができる。

状態変化材料は、第一の電極と第二の電極との間に挟むことができる。例えば、状態変化材料は、封止剤によって第一の電極と第二の電極との間に密閉される。封止剤は、パーフロロエラストマまたは任意の他の好適な材料を含むことができる。

本開示の少なくとも一つの態様では、熱センサの製造方法は、溶融状態変化材料を使用して支持層を浸漬被覆するステップと、浸漬被覆後に、第一の電極及び第二のアルミニウム板電極を支持層に配置するステップと、第一のアルミニウム板電極と第二のアルミニウム板電極との間に支持層を密閉するステップと、を含む。浸漬被覆は、溶融共晶塩中における支持層の浸漬被覆を含むことができる。

支持層の密閉は、支持層の露出端に封止剤を配置し、封止剤をホットプレスするステップを含むことができる。方法は、第一の電極及び第二の電極、支持層、並びに封止剤を共にホットプレスしてサンドイッチ状にするステップをさらに含むことができる。

主題の開示のシステム及び方法のこれらの及び他の特徴は、図面と併用される以下の詳細な説明から当業者により容易に明らかになる。

主題の開示に属する当業者が、必要以上の実験をせずとも、主題の開示の装置及び方法の製作法及び使用法を容易に理解するように、その実施形態を、特定の図面を参照して本明細書において以下に詳細に記述する。

本開示による熱センサの実施形態の斜視断面図であり、信号処理装置に電気的に接続された熱センサを示す。 封止剤を示す、図１の熱センサの実施形態の部分斜視図である。

同様の参照数字が主題の開示の同類の構造的特徴または態様を特定する図面をここで参照する。限定ではなく、説明及び例証を目的として、本開示による熱センサの実施形態の斜視図を図１及び図２に示し、参照数字１００によって大まかに指定する。本明細書に記述するシステム及び方法を使用することによって、例えば、航空機コンポーネント及び／またはシステムにおいて、温度を検知するまたは閾値温度を表示することができる。

熱センサ１００は、第一の電極１０１と、第二の電極１０３と、第一の電極１０１と第二の電極１０３との間に配置された支持層１０５と、を含む。状態変化材料が、非導電状態と、閾値温度を超えると第一の電極１０１と第二の電極１０３とを通電させる、閾値温度における導電状態との間を遷移するように支持層１０５内に配置される。

示すように、第一の電極１０１及び第二の電極１０３のいずれかまたは両方は、平板電極であってもよいし、任意の他の好適な形状に製造することもできる。第一の電極１０１及び第二の電極１０３は、アルミニウムまたは任意の他の好適な材料から作ることもできる。

一部の実施形態では、支持層１０５は、粒状セラミック、ガラスまたは粒状の高温ポリマを含むことができる。粒状セラミックまたはポリマの形態は、メッシュ、繊維または膜構造として存在してもよい。好適なポリマ材料は、高温ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む。好適なセラミック材料は、アルミナなどの非導電性金属酸化物及びガラスを含む。他の実施形態では、支持層１０５は、任意の他の好適な多孔質材を含むことができる。

支持層１０５は、第一の電極１０１及び第二の電極１０３のいずれかの陽極酸化層（例えば、陽極酸化アルミニウム層Ａｌ_２Ｏ_３）であってもよいし、任意の他の好適な酸化層であってもよい。少なくとも一部の実施形態では、状態変化材料は、塩混合物を含むことができる。そのような実施形態では、陽極酸化層の特性は、センサにエネルギーが印加されたときに、センサ１００の所望のインピーダンス及び／または抵抗を得るように選択できる。例えば、形態、厚さ、多孔性または他の性質は、センサ１００の電気的及び物理的特性を変化させるように変更できる。一部の実施形態では、支持層１０５の厚さは、約２５マイクロメートル（約０．００１インチ）である。

状態変化材料は、共晶塩、塩混合物、導電性高分子フィルム及び／または任意の他の好適な相もしくは状態変化材料を含むことができる。塩は、例えば、リチウム、ナトリウム及びカリウムカチオンを有する硝酸塩と、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む一以上のカチオンを含有し得るより少量の亜硝酸塩との任意の好適な化学的混合物を含むことができる。亜硝酸塩種の所望の量の範囲は、重量比で約１％〜約１５％である。

一部の実施形態では、塩混合物は、化学的割合がＬｉＮＯ_３：ＮａＮＯ_３：ＫＮＯ_３：ＮａＮＯ_２のものを含むことができる。一部の実施形態では、塩組成は、ＣｓＮＯ_３、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＣｌ、ＺｎＳＯ_４、ＫＩ、ＳｎＣＬ_２、ＮＨ_４Ｃｌ及び／またはＭｇＣｌなどの任意の好適な組成を含むことができる。状態変化材料１０７（例えば、塩混合物、共晶塩混合物）は、所望の閾値温度における融解温度（例えば、先の割合では摂氏約９９．５度）を提供するように選択できる。

示すように、状態変化材料は、第一の電極１０１と第二の電極１０３との間に挟み、センサ１００の周囲を密閉する封止剤１０７によって第一の電極１０１と第二の電極１０３との間に密閉することができる。封止剤１０７は、パーフロロエラストマまたは状態変化材料を超える融解温度を有する任意の他の好適な高温封止剤を含むことができる。

センサ１００は、センサ１００のインピーダンス、抵抗、電圧、電流または他の電気的特性を決定するように構成された信号処理システム１０９に電気的に接続できる。示すように、第一の電極１０１及び第二の電極１０３は、任意の好適な手段によって信号処理システム１０９に電気的に接続できる。信号処理システム１０９は、任意の好適な回路のハードウェア、ソフトウェア並びに／または電気的信号を受信及び／もしくは処理するための同等のものを含むことができる。

前述のように、センサ１００を使用して、（例えば、インピーダンス測定または他の好適な電気的分析を通じて）温度を決定し、かつ／または閾値温度未満では支持層１０５が状態変化材料と電極のいずれかまたは両方との間の電気絶縁体として機能することによって電気的信号がそこを通ることを防ぐため、温度が閾値を超えたかを決定できる。閾値温度に到達またはそれを超えると、状態変化材料は、融解して第一の電極１０１と第二の電極１０３との間の回路を閉じる。信号処理システム１０９は、このことが発生した時を決定し、好適なシステム（例えば、オンボードコンピュータ）、またはセンサ１００が位置する所の温度が閾値温度を超えたことを示すための任意の他の好適なインジケータに信号を送ることができる。

平坦形状及び／またはより軽い電極材料を使用することにより、センサ１００は、従来のセンサよりも薄くかつ軽くできる。また、センサ１００は、例えば、ホットエアダクト壁に対してその平坦面に面して位置付けることによって（例えば、高温接着剤によって）航空機システムに取り付ける、または（例えば、ダクトの近位に）位置付けることができ、これにより、従来の管状形状と比較して熱伝達のための表面積を増大し、それによって、センサ１００の反応時間を短縮できる。従来型の民間航空機には多くの過熱検出センサが使用されているため、本明細書に開示するようなセンサ１００の使用によって、例えば、およそ数十ポンド、航空機の重量を減少できることが予期される。また、開示したセンサの一部の実施形態は、構成材料に起因して、従来のセンサよりも高い幾何学的柔軟性を示し、センサを動作不能にする支持層の亀裂または損傷のリスクを冒さずに、連続的なセンサをダクトの形状に適合させることができる。

本開示の少なくとも一つの態様では、熱センサ１００の製造方法は、溶融状態変化材料を使用して支持層１０５を浸漬被覆するステップと、浸漬被覆後に、第一の電極１０１及び第二の電極１０３を支持層１０５に配置するステップと、第一の電極１０１と第二の電極１０３との間に支持層を密閉するステップと、を含む。浸漬被覆は、溶融共晶塩中における支持層１０５の浸漬被覆を含むことができる。

支持層１０５の密閉は、支持層１０５の露出端に封止剤１０７を配置し、封止剤１０７をホットプレスするステップをさらに含むことができる。方法は、第一の電極１０１及び第二の電極１０３、支持層１０５、並びに封止剤１０７を共にホットプレスしてサンドイッチ状にするステップをさらに含むことができる。

前述し、図面に示す本開示の方法、装置及びシステムは、より軽量であることを含む優れた性質を持ち、かつ反応時間がより速い熱センサを提供する。主題の開示の機械及び方法を、実施形態を参照して示しかつ記述したが、当業者は、主題の開示の本質及び範囲から逸脱することなく、それに変化及び／または変更を為せることを容易に認識する。

１００ 熱センサ
１０１ 第一の電極
１０３ 第二の電極
１０５ 支持層
１０７ 状態変化材料
１０９ 信号処理システム

Claims (14)

1. 第一の電極と、
   第二の電極と、
   前記第一の電極と前記第二の電極との間に配置された支持層と、
   前記支持層内に配置された状態変化材料と、
   を備えており、前記状態変化材料が、非導電状態と、閾値温度において前記第一の電極と前記第二の電極とを電気的に接続する導電状態との間を遷移するように構成された、航空機用の連続的な熱または過熱センサ。
2. 前記第一の電極及び第二の電極の少なくとも一つが平板電極である、請求項１に記載の熱センサ。
3. 前記第一の電極及び第二の電極がアルミニウムから作られた、請求項１に記載の熱センサ。
4. 前記支持層が、多孔質セラミックまたは多孔質高温ポリマの少なくともいずれかを含むことができる、請求項１に記載の熱センサ。
5. 前記多孔質セラミックが、少なくとも一つのガラス繊維を含み、前記多孔質高温ポリマが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、またはポリスルホン（ＰＳＵ）を含む、請求項４に記載の熱センサ。
6. 前記支持層が前記第一の電極及び第二の電極のいずれかの陽極酸化層である、請求項１に記載の熱センサ。
7. 前記状態変化材料が塩混合物を含む、請求項１に記載の熱センサ。
8. 前記塩混合物が、化学的割合がＬｉＮＯ_３：ＮａＮＯ_３：ＫＮＯ_３：ＮａＮＯ_２のものを含む、請求項７に記載の熱センサ。
9. 前記状態変化材料が、前記第一の電極と前記第二の電極との間に挟まれており、封止剤によって前記第一の電極と前記第二の電極との間に密閉される、請求項１に記載の熱センサ。
10. 前記封止剤がパーフロロエラストマを含む、請求項１１に記載の熱センサ。
11. 溶融状態変化材料を使用して支持層を浸漬被覆するステップと、
    浸漬被覆後に、第一のアルミニウム板電極及び第二のアルミニウム板電極を前記支持層に配置するステップと、
    前記第一のアルミニウム板電極と前記第二のアルミニウム板電極との間に前記支持層を密閉するステップと、
    を含む、連続的な熱または過熱センサの製造方法。
12. 浸漬被覆が溶融または水性塩混合物中における前記支持層の浸漬被覆を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記支持層の密閉が、前記支持層の露出端に封止剤を配置し、前記封止剤をホットプレスするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 第一及び第二の電極、前記支持層、並びに前記封止剤を共にホットプレスしてサンドイッチ状にするステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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