CN108116694A - 可配置的冷却组件及冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可配置的冷却组件及冷却方法。导热冷却块的组件被配置成在用于热固化复合修理补片的加热毯与由热敏材料形成的结构之间抵靠复合蒙皮放置。冷却块组件将热传导离开蒙皮以防止热敏材料过热。

Description

可配置的冷却组件及冷却方法
技术领域
本公开总体涉及用于冷却结构的系统以及方法，并且更特别论及用于引导热离开结构的可配置冷却块阵列。
背景技术
有时需要使热敏结构免于过热。例如，为了进行诸如复合飞行器蒙皮之类的复合结构的原位修理，加热毯用于热固化放置在需要修理的蒙皮的区域上的复合修理补片。在一些情况下，蒙皮修理区域接近诸如下方镶入的钛或者铝加强筋之类的热敏材料(HSM)定位。
取决于应用的难度，用作散热器的沙袋(shot bag)、冷气流以及/或者风扇可用于冷却加热毯的边缘与HSM之间的蒙皮以便防止HSM过热。然而，在其他应用中，加热毯的边缘与HSM之间的距离可能相当小(例如，近似几英寸)，从而限制冷却风扇的效果。由于复杂的几何结构以及难以到达的修理区域使得防止HSM过热的艰巨任务更困难。
发明内容
本公开总体涉及结构的冷却以防止HSM过热，并且更具体地说，涉及用于将热传导离开粘合修理附近的HSM的可重新配置的冷却组件。
根据一方面，提供一种用于冷却结构的设备，此设备包括能配置的导热冷却块的组件。所述冷却块被配置成抵靠所述结构的表面放置并且配合在邻近所述结构的预定容积的空间内。
根据另一方面，提供一种用于防止借助热源在复合蒙皮上热固化的修理补片附近的热敏材料过热的设备。所述设备包括：导热冷却块的组件，该组件被配置成抵靠复合蒙皮放置以用于在热敏材料与热源之间将热传导离开复合蒙皮。
根据再一方面，提供一种控制热敏材料的温度的方法，该热敏材料邻近利用加热毯在复合蒙皮上热固化的修理补片定位。所述方法包括：配置导热冷却块的组件以装配在所述加热毯与所述热敏材料之间的空间内；并且在所述空间内抵靠所述蒙皮安装导热冷却块的所述组件。
所述冷却组件的优势之一在于：此组件简单、无动力；可以安装在紧凑的空间中；并且可容易配置以适合冷却所需的结构的不寻常或者复杂的几何结构。冷却组件的另一优势在于：可重复使用并且能重新配置以获得不同应用中所需的不同的散热器形状以及冷却水平。冷却组件的再一优势在于：避免当存在邻近的HSM过热的风险时中断复合补片的热固化的需要。
可在本公开的多个实施方式中单独实现特征、功能以及优势，或者可在其它实施方式中合并这些特征、功能以及优势，其中可参照下面的描述与附图理解进一步的细节。
附图说明
所附权利要求中阐明了示例性实施方式的认为是新颖的特征。然而，在结合附图阅读的情况下，通过参照本公开的示例性实施方式的以下详细描述会最好地理解示例性实施方式以及优选的使用模式、示例性实施方式的进一步的目的及优势，在附图中：
图1是复合蒙皮的概略横截面视图的图示，在此复合蒙皮中，HSM位于需要修理的蒙皮的区域附近；
图2是类似于图1的图示，但示出了可配置冷却块组件的安装；
图3是沿图2中的线3-3剖切的剖面图的图示，其中，去掉了剖面中冷却块中的一者以显露内部通孔；
图4是形成可配置冷却块组件的一部分的冷却块中的一者的立体图的图示；
图5是图2与图3中所示的一排冷却块的不完整的侧视图的图示，其中在剖面中块被剖切以显露穿过那排冷却块的连续的空气通道；
图6是若干冷却块的端视图的图示，此图示出了冷却块之间的相互连接的一种形式；
图7是若干冷却块的端视图的图示，此图示出了冷却块之间的相互连接的另一种形式；
图8是若干冷却块的端视图的图示，此图示出了冷却块之间的相互连接的再一种形式；
图9是借助重力保持贴靠下面的复合蒙皮的若干冷却块的端视图的图示；
图10是图9中标记为“图10”的区域的图示；
图11是示出在修理在两个维度中弯曲的复合蒙皮的过程中冷却块的使用的局部立体图的图示；
图12是支撑在下面的波状外形的蒙皮表面上的冷却块中的两者的端视图的图示；
图13是图12中标记为“图13”的区域的图示；
图14是用于冷却包括HSM的结构的方法的流程图的图示；
图15是飞行器生产以及维护方法的流程图的图示；
图16是飞行器的框图的图示。
具体实施方式
图1示出了诸如复合飞行器蒙皮20之类的复合层压结构，复合飞行器蒙皮20具有这样的区域22(下文中称为“修理区域”)，此区域需要原位修理或者返工以便改正诸如冲击损坏之类的不合规格的状况。尽管附图中未示出，但是利用固化或者未固化的复合层压补片进行修理，复合层压补片利用胶黏剂粘合至蒙皮20。包括加热毯28的固化组件(未示出)用于热固化胶黏剂以及/或者修理补片，加热毯28通常由纤维加强的热固性或者热塑性层压制品组成。固化组件还可以包括真空袋(未示出)，此真空袋用于在固化过程中把修理补片压紧。
修理区域22邻近热敏材料(HSM)24定位，在所示的实施例中，HSM包括结构加强筋24a，结构加强筋24a具有帽26，帽26粘合或者以其他方式固定至蒙皮20的表面20a。加热毯28的边缘28a与HSM 24之间存在最小量的空间34。加强筋24a可以包括HSM 24(例如但不限于镶嵌的钛或者铝)，HSM 24在加热到特定温度以上会受影响。HSM 24受到影响的温度低于修理补片的固化温度(在热固性补片的情况下)或者固结温度(在热塑性补片的情况下)。为了方便，在其余描述中，“固化温度”指的是由热固性聚合物树脂、热塑性聚合物树脂、包含热固性材料与热塑性材料两者的混合材料系统以及用于将这样的补片粘合至下层结构诸如蒙皮20之类的胶黏剂而形成的复合层压修理补片的固化温度。镶嵌钛在暴露至超过200℉的温度时会受到影响，而加热毯28可以产生用于热固性修理补片的远远超出200℉的温度，例如300℉至350℉。在修理补片热固化过程中，由加热毯28产生的热能通过辐射32以及经由蒙皮20的传导30两者传递至加强筋24a，从而升高HSM 24的温度。
现在参照图2至图4，以三维阵列布置的导热冷却块38的组件36(下文“冷却块组件”)抵靠蒙皮20的表面20a放置。如下文将更详细地论述的，冷却块组件36用于控制HSM 24的温度。冷却块组件36被配置成装配在加热毯28的边缘与加强筋24a的帽26之间的空间34(图1)内。在所示的实施例中，冷却块组件36包括各个冷却块38的三维阵列，此三维阵列在保持冷却块组件36抵靠蒙皮表面20a的下层支架39上以五层布置。在附图中，支架39包括平板，此平板被千斤顶或者类似的力施加器向上驱动，从而强迫冷却块38的组件36抵靠蒙皮表面20a。然而，支撑冷却块38并强迫它们抵靠蒙皮表面20a的诸如条带、脚手架之类的多种其他装置是可行的。尽管图2中示出了冷却块38的五个层44，但是取决于应用，多于五个层44或者少至一个层44可能是合适的。而且，尽管在图2与图3中冷却块38的层44被示成相互交错以增大组件的暴露表面积，但是它们可以垂直对准以形成行和列。
冷却块组件36通过作用成散热器，将来自蒙皮的热的一部分46传导离开HSM 24而控制HSM 24的温度，使得仅通过蒙皮20传导的热的其余部分48到达HSM 24。被冷却块组件36传导离开蒙皮20的热的量将取决于若干因素，这些因素包括但不限于与蒙皮20的表面20a接触的冷却块38的数量、冷却块38的导热率、冷却块38的总质量以及冷却块38暴露至周围环境的表面积。除了减少通过蒙皮20传导至HSM 24的热之外，冷却块组件36也吸收由加热毯28辐射32的热，否则，辐射的热将影响HSM 24。
如在图4中最佳所见，各个冷却块38均呈具有相等的高度H尺寸、宽度W尺寸以及长度L尺寸的立方体的形状。然而，在其他实施例中，这些尺寸可以不相等。例如，各个冷却块38可以均是细长的，其中其长度L远大于其高度H或者其宽度W。而且，虽然所示的冷却块38是具有使冷却块38之间的表面接触最大的平坦面的形状，但是其他形状是可行的。例如，冷却块38可以是矩形、圆柱形或者角锥形形状(仅列举几个可行形状)。冷却块38的表面应具有光滑表面(具有最小孔隙率)以便使相邻块38的界面之间的热传递最大化。冷却块38由热导率相对较高并且容易机械加工的材料(例如但不限于铜或者铝或者这两种的合金或者其他导热材料)组成。冷却块38的导热率应足以使得到达HSM 24的余热传导48最小。
取决于应用，某些冷却块38可以具有位于其中的一个或者多个通孔40，各个通孔均具有适当的直径。在所示的实施例中，冷却块38的与蒙皮20接触的顶层或者第一层44不具有任何通孔40，而第二层44以及第三层44中的冷却块38均具有单个通孔40，并且第四层44以及第五层44中的冷却块38均具有四个通孔40。通孔40增大冷却块38的暴露表面积并因此增大离开冷却块38辐射到周围环境的热的量。在加热毯28的边缘28a与HSM 24之间的空间34(图1)相当小的应用中，可以期望使用最靠近蒙皮20的不具有通孔40的冷却块38，因为通孔40的缺乏增大了那些冷却块38的热质量，从而允许冷却块更快速地将热传导离开蒙皮20。
现在还参照图5，在一个实施例中，冷却块38布置成：通孔40对齐以形成通过冷却块组件36的连续空气通道42，从而允许被动的对流冷却。可选地，可以通过采用风扇52或者其他强迫空气源强迫空气50通过通道42而实现主动冷却。流经通道42的空气52将热从冷却块组件36引开，因而增强了冷却块组件冷却蒙皮20的能力并且减小了由加热毯28引起的HSM 24的温度的升高。
取决于应用，可能需要或者期望通过可释放的机械互连装置、粘合装置或者其他装置将冷却块38可释放地连接在一起。图6示出了用于利用互锁楔54与滑槽56使冷却块38机械互连的一种布置，互锁楔54与滑槽56允许冷却块38可滑动地相互组装。图7示出了另一种布置，在此布置中，各个冷却块38均包括一个或者多个嵌入磁体58。相邻冷却块38中的磁体58相互对准并且相互吸引，从而借助磁力将组件36中的冷却块38保持在一起。图8示出了再一种布置，在此布置中，销或者可释放的卡扣配合紧固件60(例如但不限于滚珠与插槽连接)用于使冷却块38互连。在一些应用中，紧固件60可以包括简单的销。多种其他技术可用于将冷却块38保持在一起成为组件36(包括但不限于导热粘合剂)。
图9与图10示出了另一实施例，在此实施例中，冷却块38(附图中仅示出了冷却块38中的三者)的组件36利用重力保持抵靠复合蒙皮20。为了使层层的冷却块38相对于彼此定位并安置，各个冷却块38的底部38a均设置有一个或者多个凸起的定位球64，这些定位球被接纳在下层的冷却块38的顶面38b中的相应的索引凹口62中。
冷却块组件36可以用于将热传导离开弯曲的或者波状外形的复合蒙皮20。例如，参照图11至图13，冷却块38的一个或者多个层44布置在复合蒙皮20的顶部上，定位在加热毯28的边缘28a与由HSM 24形成的下层加强筋24a之间的空间34内。复合蒙皮20在两个维度中弯曲，并且冷却块组件36基本遵照蒙皮20的轮廓。尤其参照图12与图13，冷却块38的底部38a基本是平坦的，并因此在冷却块38与蒙皮表面20a之间形成微小间隙68(图13)。
取决于应用，导热液体垫片70可用于填充间隙68以便防止从蒙皮20传递至冷却块38的热减少或者使从蒙皮20传递至冷却块38的热减少量最小化。取决于蒙皮表面20a的弯曲度，相邻冷却块38的壁之间可以形成相当小的馅饼形间隙66。间隙66可以用于允许对流空气流穿过冷却块组件36，可选由强迫空气经过间隙66的风扇(图5)辅助。另选地，可以用液体垫片70填充间隙66。在一些应用中，可以采用导热金属垫片(未示出)填充间隙66、68中的每一者。
图14示出了用于冷却包括热敏材料24的蒙皮20之类的结构的方法。始于步骤72，制造多个冷却块38，并且任选地在步骤74，在至少某些冷却块38中形成至少一个通孔40。在步骤76，配置冷却块38的组件36以装配在加热毯28和热敏材料34之间的空间34内。任选地，使冷却块38互连。在步骤78，在所述空间34内抵靠复合蒙皮20安装冷却块38的组件36。在步骤80，使用冷却块38的组件36将热传递离开复合蒙皮20至外界环境。任选地，如所示在步骤82，可采用主动冷却，例如使用风扇52强迫空气50经过/穿过冷却块38.
本公开的实施方式可以发现在多种潜在应用中的用途，尤其在包括例如航空航天、航海、汽车应用以及必须使热敏材料免于过热的其他应用的运输工业中。因此，现在参照图15以及图16，可在如图15所示的飞行器制造和保养方法84和如图16所示的飞行器86的背景下描述本公开的示例。本公开的实施方式的飞行器应用可以包括例如但不限于使用容纳加压流体的管的燃料与液压系统。在前期生产过程中，示例性方法84可包括飞行器86的规格和设计88及材料采购90。在生产过程中，进行飞行器86的部件和子组件制造92以及系统整合94。此后，飞行器86可经过检定和交付96以便投入服役98。在由客户保养期间，飞行器86被安排进行例行维护检修100(这也可包括改造、重新配置、翻新等)。
可由系统集成商、第三方及/或操作员(例如客户)进行或执行示例性方法84的各个过程。为了本描述之目的，系统集成商可包括但不限于任一数量的飞行器制造商与主系统分包商；第三方可包括但不限于任一数量的供应商、转包商以及供货商；并且操作员可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图16所示，由示例性方法84生产的飞行器86可包括具有多个系统104与内饰106的机体102。机体102可以包括在例如复合修理的热固化过程中必须免于过热的热敏材料。高级系统104的实施例包括推进系统108、电气系统110、液压系统112以及环境系统114中的一个或多个。可包括任一数量的其它系统。尽管示出了航空航天的实施例，但是本发明的原理可尤其应用于诸如军属工业以及汽车工业之类的其它工业。
在此实施的设备与方法可在制造和维护方法84的任一个或多个阶段中采用。例如，能以类似飞行器86在服务中生产部件或子组件的方式装配或制造对应于生产过程92的部件或子组件。而且，可在生产阶段92和94期间利用所述设备实施方式、方法实施方式的一个或多个方面或者这些方面的组合，例如大幅地加快飞行器86的装配或减少飞行器86的成本。类似地，可在例如但不限于飞行器86在保养时(例如维护检修100时)利用所述设备、方法的一个或多个方面或者这些方面的组合。
而且，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1：一种用于冷却结构的设备，该设备包括：可配置的导热冷却块的组件，该组件被配置成抵靠结构的表面放置并且装配在邻近所述结构的预定容积的空间内。
条款2：根据条款1所述的设备，其中，所述组件包括以三维阵列布置的多个冷却块。
条款3：根据条款1所述的设备，其中，各个冷却块均由铜和铝中的一者形成。
条款4：根据条款1所述的设备，其中，冷却块包括可释放的连接装置，这些可释放的连接装置将冷却块联接在一起，并且允许冷却块重新配置。
条款5：根据条款1所述的设备，其中，至少某些冷却块包括至少一个通孔，通孔允许空气由此通过。
条款6：根据条款1所述的设备，其中，所述组件包括多个冷却块，这些冷却块布置成行并且冷却块中具有通孔，所述通孔对齐以形成穿过成行的冷却块的空气通道。
条款7：根据条款6所述的设备，该设备包括配置成强迫空气穿过空气通道的风扇。
条款8：一种用于防止在复合蒙皮上借助热源热固化的修理补片附近的热敏材料过热的设备，该设备包括：导热冷却块的组件，该组件被配置成抵靠复合蒙皮放置以用于在热敏材料与热源之间将热传导离开复合蒙皮。
条款9：根据条款8所述的设备，其中，冷却块由铜和铝中的一者形成。
条款10：根据条款8所述的设备，其中，各个冷却块均是立方体形的。
条款11：根据条款8所述的设备，其中，冷却块以三维阵列布置。
条款12：根据条款8所述的设备，其中，冷却块包括互连装置，这些连接装置将冷却块联接在一起。
条款13：根据条款12所述的设备，其中，所述互连装置可释放以允许重新配置冷却块的组件的形状。
条款14：根据条款12所述的设备，其中，所述互连装置包括以下中的一者：形成在各个冷却块中的滑槽与楔；冷却块之间的销；卡扣配合紧固件；磁体；以及冷却块之间的传导性粘合剂。
条款15：根据条款8所述的设备，其中，至少某些冷却块包括位于其中的至少一个通孔，通孔允许空气由此通过。
条款16：一种控制邻近利用加热毯在复合蒙皮上热固化的修理补片定位的热敏材料的温度的方法，包括：配置导热冷却块的组件以装配在加热毯与热敏材料之间的空间内；并且在所述空间内抵靠蒙皮安装所述导热冷却块的组件。
条款17：根据条款16所述的方法，其中，所述配置的步骤包括：以行列布置放置冷却块；并且保持冷却块处于此布置。
条款18：根据条款16所述的方法，其中，所述配置的步骤包括：在至少某些冷却块中形成通孔从而允许空气穿过。
条款19：根据条款18所述的方法，包括通过迫使空气穿过通孔而将热从冷却块引开。
条款20：根据条款16所述的方法，该方法还包括：
拆开冷却块的组件；并且
以另一配置重组装冷却块。
用在本文中时，短语“……中的至少一个”在与一系列项目一起使用时意思是可使用这系列项目中的一者或者多者的不同组合并且可能仅需要系列中各个项目中的一者。例如，“项目A、项目B以及项目C中的至少一个”可以包括但不限于项目A、项目A与项目B或者项目B。此实施例还可以包括项目A、项目B与项目C或者项目B与项目C。项目可以是特别的物体、事件或者种类。换而言之，可以使用来自系列的任一组合项目以及若干项目中的至少一个但是不需要系列中的所有项目。
已经为了阐明或描述之目的描述了不同的示例性实施方式，并不意图穷举或限制于公开形式的实施方式。一些变型与变更对本领域普通技术人员而言会是显而易见的。而且，相对于其它示例性的实施方式而言，不同的示例性实施方式可提供不同的功能。选出并描述了所选的实施方式以便最好地解释实施方式的原理、实际应用，并且使本领域普通技术人员能够针对具有适于所构想的具体应用的各种变更的各种实施方式理解本公开。

Claims (14)

1.一种用于冷却结构的设备，该设备包括：
能配置的导热冷却块的组件，所述组件被配置成抵靠所述结构的表面放置并且装配在邻近所述结构的预定容积的空间内。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述组件包括以三维阵列布置的多个所述冷却块。
3.根据权利要求1或者2所述的设备，其中，各个所述冷却块均由铜和铝中的一者形成。
4.根据权利要求1或者2所述的设备，其中，所述冷却块包括互连装置，所述互连装置将所述冷却块联接在一起。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述互连装置能释放以允许重新配置所述冷却块的所述组件的形状。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述互连装置包括以下中的一者：
形成在各个所述冷却块中的滑槽与楔；
所述冷却块之间的销；
卡扣配合紧固件；
磁体；以及
所述冷却块之间的传导性粘合剂。
7.根据权利要求1或者2所述的设备，其中，至少某些所述冷却块包括至少一个通孔，所述通孔允许空气由此通过。
8.根据权利要求1或者2所述的设备，其中，所述组件包括多个所述冷却块，所述冷却块布置成行并且所述冷却块中具有通孔，这些通孔对齐以形成穿过成行的所述冷却块的空气通道。
9.根据权利要求8所述的设备，该设备包括配置成强迫空气穿过所述空气通道的风扇。
10.一种控制热敏材料的温度的方法，该热敏材料邻近利用加热毯在复合蒙皮上热固化的修理补片定位，该方法包括：
配置导热冷却块的组件以装配在所述加热毯与所述热敏材料之间的空间内；并且
在所述空间内抵靠所述蒙皮安装导热冷却块的所述组件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述配置的步骤包括：
以行列布置放置所述冷却块；并且
保持所述冷却块处于所述布置。
12.根据权利要求10或者11所述的方法，其中，所述配置的步骤包括：在至少某些所述冷却块中形成通孔从而允许空气穿过。
13.根据权利要求12所述的方法，该方法包括通过迫使空气穿过所述通孔而将热从所述冷却块引开。
14.根据权利要求10或者11所述的方法，该方法还包括：
拆开所述冷却块的所述组件；并且
以另一配置重组装所述冷却块。
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