[发明专利]一种表面结冰探测和融冰复合结构及其方法

权利要求书

1.一种表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：包括均温体、加热件、温度探头、隔热环和隔热盖、解算控制器，加热件和温度探头与解算控制器通过引线连接。

2.根据权利要求1所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：均温体采用导热性能良好的耐腐蚀材料制作，安装在被探测表面的内侧，二者之间的接触部位设有导热硅脂。

3.根据权利要求2所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：均温体与被探测表面的接触面轮廓为任意形状。

4.根据权利要求3所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：加热件为电加热部件，安装在均温体的表面或内部，二者之间的接触部位设有导热硅脂。

5.根据权利要求4所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：所述加热件为电加热件。

6.根据权利要求4所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：温度探头置于均温体内，二者之间的接触部位设有导热硅脂。

7.根据权利要求6所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：隔热环安装在均温体外围，覆盖隔热盖，共同构成隔热罩，将均温体、加热件、温度探头隔离在腔体内。

8.根据权利要求7所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：加热件和温度探头的引线穿过隔热盖连接至解算控制器。

9.根据权利要求8所述的表面结冰探测和融冰复合结构，其特征在于：解算控制器内装有微控制单元、温度探头接口和直流程控功率源，内置嵌入式软件，通过接口与上位机通信；温度探头接口与温度探头连接；直流程控功率源与加热件连接；解算控制器内置的嵌入式软件包括温度读取、输出指定直流加热功率功能，单独或由上位机完成热阻抗分析功能。

10.权利要求1-9任一所述表面结冰探测和融冰复合结构的探测和融冰方法，其特征在于：

(1)温度探测

使用解算控制器读取温度探头的实时温度，并反馈上位机；

(2)时间温度曲线记录

按照设定的时间间隔，使用解算控制器读取温度探头的实时温度，记录时间温度曲线，并反馈上位机；

(3)升温或降温热响应曲线记录

使用解算控制器控制直流程控功率源，对加热件实施阶跃功率变化激励；阶跃功率从零功率变化为设定的功率时，加热件升温；阶跃功率由设定的功率变化为零功率时，加热件降温；

在实施阶跃功率快速变化的同时，按照设定的时间间隔，使用解算控制器读取温度探头的实时温度，记录升温或降温的热响应曲线，直至温度变化趋于平衡，并反馈上位机；

记录升温曲线时，施加阶跃功率前的温度记录为环境温度T_amb，记录降温曲线时，阶跃功率变化为0且趋于平衡时的温度为环境温度T_amb；

(4)热阻抗分析

对步骤(3)所获取的升温或降温热响应曲线，参考固态技术协会标准JESD51-14《基于瞬态双界面法的单一散热路径半导体器件结壳热阻检测和评价方法》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出热传输路径上各层的热阻抗参数，包括热阻R_t和热容C_t；

(5)冰层参数分析准备

针对某一具体的表面结冰探测和融冰复合结构及工作条件，绘制单位热容下热阻与热导率的关系图，具体步骤包括：

①绘制冰层密度和热导率关系图

通过实验或查询文献等方法，绘制特定温度、气压和风速范围下的冰层密度—热导率关系图；

②绘制单位热容下热阻与热导率的关系图

采用理论计算或计算机仿真等手段，应用步骤①的数据，针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构计算单位热容下热阻与热导率的关系图；

针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构及其工作条件，步骤(5)的准备工作只需做一次；

(6)计算冰层参数

①判断是否为纯结冰状态

如环境温度T_amb该气压条件下的冰点，则不具备结冰条件，不是结冰状态；

如T_amb≈该气压条件下的冰点，且步骤(5)计算出的热阻R_t很小，热容C_t很大时，即使用公式计算冰层单位热容下的热阻R_tc，对比预先准备的单位热容下热阻与热导率的关系图，当R_tc明显处于曲线对应的X轴值域范围之外时，为冰层和表面之间有液态融冰，处于正在融化的状态；

当处于上述两种状态时，不为纯结冰状态，无法进行后续冰层参数的计算；此时，将状态信息反馈上位机；

当不处于上述状态时，为结冰状态，此时，可进行后续冰层参数的计算，并将后续计算结果反馈上位机；

②计算冰层质量

使用公式计算冰层质量，其中m为冰层质量，C_t为步骤(4)计算得到的热容，c为冰的比热容；

③计算单位热容下的热阻

使用公式计算冰层单位热容下的热阻，其中，R_tc为单位热容下的热阻，热阻R_t和热容C_t为步骤4的计算结果；

④计算冰层热导率

通过将上述步骤②得到的单位热容下的热阻与预先准备的单位热容下热阻与热导率的关系图相比较，使用近似曲线等方式，计算得到冰层热导率λ_i；

⑤计算冰层密度

通过将上述步骤③得到的冰层热导率λ_i，与预先准备的冰层密度—热导率关系图相比较，使用近似曲线等方式，计算得到冰层密度ρ_i；

⑥计算冰层厚度

使用公式计算冰层厚度，其中d_i为冰层厚度，m为冰层质量，ρ_i为步骤4得到的冰层密度，S为结构传热面积；

(7)加热除冰

使用解算控制器控制直流程控功率源，对加热件输出一定的电加热功率，使表面温度提升至冰点以上，以融化附着的冰层，加热功率和时间可程序控制。