CN1284618C - 多区域高压釜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对装载物料进行热处理的高压釜，其中所述装载物料相对于高压釜的位置、横截面和/或热性能可沿着装载物料(例如客机的大面板)改变。所述高压釜包括：用于接收装载物料的腔，所述腔具有第一端和第二端以及穿过所述第一端和第二端的轴线，所述腔的壁提供所述第一端；提供所述腔的第二端并且提供使装载物料进入和排出的出入口的门。设置用于在所述腔中对气体加热的装置(110、112)；以及设置多个沿着高压釜长度方向间隔的气体循环装置(114-130)，并且每一个气体循环装置产生一个用于加热气体循环的区域。提供装置(74-92；114-130；144-148；150-154)以独立控制在所述区域中的加热气体和装载物料之间的热交换速度，并且所述加热气体循环装置能够产生这样一种循环模式，即，使加热气体非轴向地撞击到装载物料上。

Description

多区域高压釜
发明领域
本发明涉及高压釜以及涉及它们在工件热处理中的使用。
发明背景
EP-B-0176508披露了一种燃气高压釜的设计，所述燃气高压釜例如可用于由纤维/树脂混合物制成的物品的生产和在玻璃、汽车和航空航天工业中的工件热处理，燃气高压釜目前通常具有高达450℃的加工温度和高达68巴的加工压力。用于固化复合物或热处理玻璃物品的高压釜通常可具有3-4米的长度、1-3米的直径以及10-20m3的容积。对于用在汽车工业，例如用于赛车的底盘的热处理中，高压釜通常具有大约为2.75米的直径、大约4.5米的长度以及大约为25m3的容积。对于用在航空航天部件的热处理方面，高压釜通常具有大约为4.25米的直径、大约12米的长度以及大约为170m3的容积。
如图1中所示的，典型的现有技术高压釜是以具有约3.7米(12英尺)的长度和约1.5米(5英尺)的直径的压力容器为基础的，所述容器具有主体10和装料门12。提供真空管线14以与被柔性隔膜覆盖的模制工具(未示出)的模型侧相连，其中待模制的工件位于工具与隔膜之间。该工具通过阀18可与真空相连并可通过阀20与空气相连。阀22可被操作以允许空气通过压力管线16进入到压力容器的内部。通过沿压力容器的长度上下延伸的暴露的辐射管24进行加热。每个管的入口都装有燃气加热器34并且每个管的排出端都装有叶轮36，通过所述叶轮36朝向所述排出端产生负压并且烟气流被保持通过所述管。安装在箱端壁上的马达38驱动径流式叶轮40以在压力容器内产生气体的再循环流。通过箱壁10对气体温度敏感的热电偶42与控制单元44相连接，所述控制单元44以可操作的方式与各个加热器相连以便于接通或切断它们并且将高压釜中的气体氛围保持在预定数值的±1°。EP-A-0333389中披露了变速叶轮的使用在操作循环的冷却部分中能够使得相同的管可用于加热以及用于返回到室温。其他设计的高压釜可为电加热的、蒸汽加热的、油加热的、热空气加热的或气体辐射加热的，但是迄今为止它们都依赖端壁中的叶轮以产生如图1中箭头所示的单一的基本上为轴向的再循环气流形式。
US6240333(Lockheed-Martin)涉及高压釜中的复合部件的制造。Lockheed-Martin提及，F22 Raptor是主要用被称作层板的由柔性石墨纤维构成的复合材料制成的飞行器的一个示例，所述层板被环氧或BMI树脂浸渍，当环氧或BMI树脂被加热时硬化。未固化的层板被放置于工具上，每个工具对应于Raptor的一个复合部件。因此，当石墨树脂混合物在工具上硬化时，复合部件形成适合的形状。Lockheed-Martin接着提及，多种生产技术都可用于构成复合部件。再使用Raptor作为一个示例，在将层板防置于工具上后，在树脂固化期间使用真空袋以便于将层板牢固地固定于工具。真空袋将材料压在工具上并防止气泡的形成和其他材料变形。然后将工具放置于高压釜中以便于依照程序加热，为了避免产生有缺陷的部件，粘附于其上是必要的。
Lockheed-Martin还提及，高压釜操作者必须仔细地将工具分配在高压釜的加热腔室中以确保满足加热速率技术要求，典型的高压釜长15米(50英尺)，但仍通过位于加热腔室一端处的大型风扇吹送空气对其进行加热。它们认识到许多困难，该加热方法被引入到生产工艺中，特别是，如果高压釜将加热速度调节到低水平以避免部件过热，高压釜将需要较长的时间使其他部件固化，增加了整个生产过程需要的时间，并且如果部件分配不适当，高压釜操作者可能不得不违反一些工具的加热速度技术要求，这样在那些工具上浪费部件，以便利用其他工具获得有用的部件。Lockheed-Martin提出的解决方案是，提供用于使工件适合地定位在将要被引入到高压釜中的装载物料内的装载物料分配软件。该软件包括根据(a)所选择的特定的工具；(b)工具的热性能和(c)高压釜的热性能确定在高压釜加热容器中的选择工具的最佳布置的布置引擎，布置引擎在图形用户界面上产生所得到的模式。布置模式是的根据下列因素确定的：
·存储在数据库中的工具的热响应。
·高压釜加热中的径向和轴向变化，布置在高加热区域中的慢响应工具和布置在低加热区域中的快响应工具。
·装载物料周围的均匀空气流。
·以特定的模式装载的可行性。
但是，Lockheed-Martin没有提供关于应该如何写布置引擎以及应该进行什么计算(特别是关于空气流的均匀性)的详细说明。
发明概述
本发明基于这样一个前提，即，为了在一个位置中处理沿着长度方向在质量、形状和横截面等方面都不同的装载物料并且提高整个装载物料可接收将进行的热处理的可能性，最好考虑装载物料的特征来改变高压釜的特征，而不是接受高压釜恰好具有的任何特征并且改变装载物料的特征。
当复杂的装载物料在高压釜中被热处理时出现的一个问题是，在沿着高压釜的不同位置处，可能在装载物料的相对位置或者横截面中存在差异，在具有轴向气体循环的高压釜中的所述差异改变循环气体的速度，从而改变传送到装载物料上的热量的速度。
根据本发明，通过一种在高压釜中对上述装载物料进行热处理的方法解决该问题，该方法包括利用沿着装载物料的长度方向间隔的多个气体循环装置使加热气体在装料空间内循环并且每一个气体循环装置使加热气体在装料空间内基本上非轴向地循环和/或非轴向地撞击到装载物料上。
这样，本发明可包括一种用于对装载物料进行热处理的高压釜，所述高压釜包括：
限定可加压的加热腔的壳；
在所述壳内限定装料空间的装置；
用于封闭所述加热腔并且使装载物料进入装料空间和使装载物料从装料空间中排出的至少一个门；
用于在装料空间内对气体加热的装置，以及
沿着加热腔以一定间隔隔开的多个叶轮和各自的驱动装置，每一个叶轮和各自的驱动装置用于使气体在所述装料空间的各个区域中非轴向循环。
本发明还包括一种用于对装载物料进行热处理的高压釜，其中所述装载物料相对于高压釜的位置和/或横截面可沿着装载物料改变，所述高压釜包括：
用于接收装载物料的腔，所述腔具有第一端和第二端以及穿过所述第一端和第二端的轴线，所述腔的壁提供所述第一端；
提供所述腔的第二端并且提供使装载物料进入和排出的出入口的门；
用于在所述腔中对气体加热的装置；以及
加热气体循环装置，所述加热气体循环装置布置成能够产生这样一种循环模式，即，使加热气体在装料空间内基本上非轴向地循环和/或非轴向地撞击到装载物料上。
当复杂的装载物料在高压釜中被热处理时出现的另一个问题是，在沿着高压釜的不同位置处，可能存在装载物料在热性能方面的差异，在具有轴向气体循环的高压釜中仅考虑传热速度与位置关系方面的已知或者预测的差异调节装载物料的分配难以克服所述差异。
根据本发明，通过一种对于热性能沿着装载物料随位置变化的装载物料进行热处理的方法解决该问题，该方法包括在一种高压釜中对装载物料进行加热，所述高压釜具有多个沿着其长度方向间隔的气体循环装置，并且每一个气体循环装置产生一个用于加热气体循环的区域，所述区域中的气体循环可被独立控制。对于这种方法，可变几何结构和质量的装载物料可沿着其长度在不同温度下并且以不同气体循环速度被加热以便以均匀的速率整体提高质量体的温度。
本发明还包括一种用于对热性能沿着装载物料的长度方向随位置变化的装载物料进行热处理的高压釜，所述高压釜包括：
用于接收装载物料的腔，所述腔具有第一端和第二端以及穿过所述第一端和第二端的轴线，所述腔的壁提供所述第一端；
提供所述腔的第二端并且提供使装载物料进入和排出的出入口的门；
用于在所述腔中对气体加热的装置；以及
多个沿着高压釜长度方向间隔的气体循环装置，并且每一个气体循环装置产生一个用于加热气体循环的区域，所述区域中的气体循环可被独立控制。
上述问题相互之间不是排他的，并且实际上将是共同出现的。
这样，在本发明的另一个方面，提供一种用于对装载物料进行热处理的高压釜，其中所述装载物料相对于高压釜的位置、横截面和/或热性能可沿着装载物料改变，所述高压釜包括：
用于接收装载物料的腔，所述腔具有第一端和第二端以及穿过所述第一端和第二端的轴线，所述腔的壁提供所述第一端；
提供所述腔的第二端并且提供使装载物料进入和排出的出入口的门；
用于在所述腔中对气体加热的装置；以及
多个沿着高压釜长度方向间隔的气体循环装置，并且每一个气体循环装置产生一个用于加热气体循环的区域，所述区域中的气体循环可被独立控制，并且所述加热气体循环装置能够产生这样一种循环模式，即，使加热气体非轴向地撞击到装载物料上。
优选特征的描述
上述高压釜在纵向上被分成一系列处理区域，并且最好用于控制加热气体和在每一个区域中的装载物料之间的热交换速度的装置包括叶轮。已经发现，叶轮可提供双重作用：第一，调节循环气体的速度，从而调节装载物料的热交换系数；第二，用作加热气体的热源，这是因为在实践中需要高功率输入以便以所需速度或者质量流产生气体循环，特别是在高压釜中形成5-25巴的典型工作压力的情况下，最好提供能够独立调节由每一个处理区域的叶轮在所述加热气体中产生的摩擦热的装置。在实践中已经发现，在高压釜中提供一个或者多个热电偶以测量气体温度和装载物料温度并且利用所测量的温度和所需的温度之间的温度差产生温度差信号以调节叶轮速度，因此叶轮产生的摩擦热量提供细微的温度控制并且在高压釜处理周期的装载物料加热阶段中可使装载物料的温度达到±1℃。控制在每一个区域中的加热气体和装载物料之间的热交换速度的装置最好可包括用于使在所述区域中循环的气体冷却的冷却装置。沿着高压釜的长度调节在多个区域中或者在一个区域中的不同位置的气流速度的能力在处理周期的冷却部分中是特定的数值以考虑沿着装载物料在不同区域周围的气流路径中的差异以及沿着装载物料在不同位置处的工具和工件的热容量的差异。对于最初加热区域或者在一组区域中的独立调节的提供、在每一个区域中的质量流速、在每一个区域中摩擦热的产生和在每一个区域中的冷却能够达到高稳定性。
对于加热循环气体，电是一种可能的热源，在这种情况下，最好提供一种用于加热在每一个区域中循环的气体的独立的加热器。在气体、蒸气或者油加热的情况下，例如使用辐射管，加热装置可包括一组区域共用的至少一个第一加热器，通常包括用于第一组区域和第二区域的至少一个第一和第二加热器。控制装置可适于以随时间变化的方式在至少一个区域中产生不同的条件，从而在区域之间轴向地传送气体。
气体循环的方式是非轴向的并且与通常具有大于1的长宽比的装料空间的轴线或者纵向尺寸横交。最好在每一个区域中提供用于建立一种周向二叶式气体循环的装置，所述周向二叶式循环的平面基本上与所述纵向尺寸或者轴线成直角。为了达到这样一种循环形式，高压釜还可包括：间隔的相对的内壁部分，所述内壁部分与所述腔侧壁限定用于使气体沿着所述腔的周边流动的空间；限定在所述内壁部分之间用于使气体进入到所述流动空间中的第一孔；以及限定在所述内壁部分之间并且与所述第一孔相对的用于使气体离开流动空间并且流过所述腔流向第一孔的第二孔。为了增大在装载物料上通过的加热气体的质量流并且从而增大热交换系数，最好提供用于减少在装载物料上方的气体体积并且因而增大气体速度的装置。为此，最好在所述高压釜中提供至少一个气体偏转装置以改变靠近装载物料的气体速度，并且致动器装置最好与气体偏转装置相连以从所述腔的外部调节其位置。
上述高压釜可用于对最长尺寸基本上平行于高压釜轴线的细长物品进行热处理，并且执行热处理以根据一种预定模式对物品加热，通常使其沿着长度方向均匀地升高温度。所述物品在其纵向上可是非线性的，例如，具有纵向曲率和横向曲率的飞行器机翼的面板。
装载物料通常包括这样的物品，即，每一个物品都包括与工具接触的工件，通过在复合体和成型工具之间的界面抽气和在高压釜内的热气态氛围施压压力的组合使采用复合体形式的工件通过与工具接触被热处理和成型。高压釜的一个主要应用是，处理沿着高压釜的内部空间的主要部分延伸的一个工件和一个成型工具。它也可用于沿着高压釜的内部空间的主要部分并排延伸的多个工件和成型工具的热处理。它也可用于沿着内部空间以端对端串联的方式设置的多个工件和成型工具的热处理。制造异型部件高压釜的使用不限于由可硬化的塑料或者复合材料制成的部件的生产，而且包括由需要经受热处理以改变它们的形状和提高它们的性能的由金属制造的部件。
时效蠕变成型是一种可用于使金属板形成所需外形的工艺，例如为铝或者合金机翼面板提供其翼型。包括在时效蠕变成型中的实际步骤与在模制一种可硬化的合成物中所包括的步骤非常类似。在机加工后，将金属板放置在模型上并且覆有能够抵抗高温的塑料片。该组件被放置在高压釜中，将面板紧密压在模型上，并且高压釜被加热，例如被加热到220℃。经过24小时后，使面板被冷却到室温并且从高压釜中移除。US-A-4188811(Chem-tronics)披露了在一种使用单面压型并且利用加热和加压通过蠕变成型使工件与压型形状相符的金属工件成型方法。特别是，该专利披露了一种改变金属工件的工艺，该工艺包括下列步骤：将工件放置在压型表面上，该压型表面具有工件所需的外形，并且同时对工件加热并且通过由耐热的不连续的部件构成的屈从主体在其上施加压力，压力透过材料并且作用在工件中与压型相对的侧面上，工件加热温度和施加在其上的压力被这样调节，即，使工件金属在低于其屈服强度的应力下塑性流动与所述压型的表面接触，从而为工件提供所需的外形。更近关于蠕变成型的内容参见US-A-5345799(Aliteco AG)和6264771(Bornschlegel)。
如上所述，一种在高压釜的区域内的优选气体循环模式是二叶式的，并且在每一个区域中的二叶式循环的平面与所述高压釜的轴线横交，其中在所述二叶式循环的中心区域处的气体冲击在工具上和/或通过所述工具。所述工具最好具有气体接收开口，所述气体接收开口面对已经沿着其循环路径的周向部分流动的气体进入到其循环路径中使气体流经装料空间的中心部分的位置。第二优选气体循环是四叶式，并且当在截面形式观察高压釜时，第一和第二叶轮设置在0度和180度的位置处，并且具有处于90度位置和处于270度位置的由在内部装料空间限定壁中的不连续部分限定的出口以使第一和第二向内的加热空气流可被产生，从而可从相反的方向冲击在工件上。
附图的简要说明
现将参照附图结合示例对本发明的实施进行描述，在附图中：
图1是一种已知的高压釜的纵向垂直截面的简图；
图2是一种高压釜的纵向垂直截面的简图，其中从一端进行空气循环并且具有至少沿着其纵向弯曲的细长工件；
图3是与图2类似的高压釜和工件的简图，不同之处在于，至少一部分是径向的空气循环是由沿着高压釜间隔设置的一系列叶轮产生的；
图4a-图4h是表示空气循环模式的高压釜的横截面图；
图5a-图5c是高压釜及其相关的控制系统的图表的上部、中部和下部；
图6是本发明所涉及的另一种高压釜的横截面图；
图7a-7b和图8a-8c是图3和图4a-图4h的高压釜的示意图，其中示出了使空气从一个区域到另一个区域轴向移动的压力波产生的示意图；
图9和图10分别是本发明所涉及的另一种高压釜的侧视图和横截面图；以及
图11和图12分别是本发明所涉及的另一种高压釜的局部剖视的侧视图和横截面图，图13是形成该高压釜的一部分的一个燃烧器和热交换单元的线路图；以及图14是表示一种形式的冷却器的高压釜的其中一个加热区域和冷却区域的示意图。
优选实施例的详细描述
本发明特别，但非排他地用于具有高长宽比、高体积或者高长宽比和高体积的高压釜。尺寸较小但具有高长宽比的高压釜例如可用于游艇桅杆的热处理或者成型中，并且可具有例如20米的长度和1米的直径，并且内部体积为12立方米。在高体积和高长宽比的情况下，高压釜可具有15米的长度，在一种典型的设备中，长度可为35米，其长度没有特定的上限，这是由于已经选择的非轴向流动形式。高压釜的体积可大于250立方米，通常大于500立方米，在一种典型的设备中，大于750立方米。在高压釜内的装料空间的长宽比(长度与直径或者最大横向尺寸的比)可大于3，通常大于5，在一种典型的设备中为7。
当诸如大型飞行器机翼的面板的部件在常规的利用风扇52使空气轴向循环的高压釜50中被热处理时产生的问题如图2中所示，所述面板在机翼与飞行器的机身接合的位置升高。机翼面板54例如可由铝合金制成，截面通常具有在横向和纵向上分别朝向其基部40mm的曲率和朝向其尖部的4毫米的曲率，并且截面一直沿着其长度逐渐变化。通常为10毫米厚的金属板的工具支撑将蠕变成型的面板54，并且面板或者工件被下拉到由沿着工具和横穿工具分布的螺旋千斤顶限定的基准面上。面板被橡胶片覆盖并且利用真空和高压釜内的气体压力使得面板被下拉到基准面上，空气压力通常为高达20巴和200巴的压力。
为了蠕变成型，面板54经受的热状况的常规技术要求应该是被加热到其目标温度的±2℃以及目标的最厚部分应该最薄部分的一个小时内达到其目标温度。主要通过使加热气体冲击在橡胶覆盖片上使热量达到目标，因此需要模拟空气中的对流、通过橡胶覆盖片的传导和铝面板的热容量。
在图2中，为了清楚起见，省略工具。可以明显地看出，如箭头60所示，气体远离在高压釜的侧壁56和内壁58之间的风扇52轴向流动并且向内返回以提供轴向返回流62。辐射管加热元件(未示出)设置在壁56和58之间。高压釜形成三段，距离风扇最远的一段62、中央段64和距离风扇最近的一段66。在距离风扇52最远的一段62中，面板54处于与内壁58保持较宽间隔的位置处并且气流较慢。在中段64中，面板54和内壁58之间的间隙变窄，并且气流加速并且热交换系数相应地增大。在距离风扇52最近的一段66中，由于面板54的相反曲率而使加热气体不再直接冲击在橡胶覆盖层上，而是如箭头80所示，一部分加热气体绕过橡胶覆盖层直接返回风扇，同时其余的加热气体如箭头80所示变得紊乱。为了克服由于不同气流状态以及相应的装载物料(工件和/或工具)热交换系数的差异所导致的问题，风扇52必须产生能够克服由流动路径的长度和在该路径的流出部分中由加热器提供的阻塞和在该路径的返回部分中的装载物料所导致的高静压头的很高的气流。通过工具的气流不会为处理提供很大的帮助，这是因为大部分气流在所示的面板54表面上方。装载物料的一端不可避免地比另一端冷。需要MW的风扇功率，具有高投资费用，并且具有零差异因数。
如图3中所示，本发明以这样的方式克服这些问题，即，通过提供加热气体的基本上为非轴向流动模式，并且气体在高压釜的内壁和外壁之间周向循环并且横向通过装料空间以如箭头72所示使气流冲击在装载物料上，其中气体流过辐射管可被加热。在与高压釜的轴线基本上成直角的平面中的气体循环模式提供将装料空间分成多个处理区域的可能性，在所述多个处理区域中使气流(速度和温度)被独立控制以使具有差异因数装载物料保持均匀的温度。在本实施例中，每一段的周向流动被引导通过沿着高压釜的最靠上的区域安装并轴向间隔的冷却单元并且接着从冷却单元被向下引导，冷却单元第一可用于在处理周期的加热部分中调节循环气体的温度并且防止高压釜的轻装载或者未装载的区域过热，第二有助于在处理周期的冷却部分中使温度回到环境温度。冷却单元74、76和78设置在段62中，冷却单元80、82和84设置在段64中以及冷却单元88、90和92设置在段66中。周向流进入冷却单元接着如图中所示被向下引向装载物料。对于气体移动的返回部分，在高压釜的底壁下方的匹配单元中的叶轮使来自于装料空间的气体返回以在壁56、58之间周向流动。
沿着高压釜以一定间隔设置的多个叶轮的使用除了共享装载物料以外还在每一个叶轮处产生低的静压头，以使较小的马达可被使用并且不会牺牲高压釜的空气移动要求。较小的马达比较容易制造和安装并且能够提高控制，第一这是因为由每一个马达控制的横向流动路径比常规高压釜的轴向流动路径短，另外由于叶轮速度的调节不仅可用于控制质量流而且还能够控制在每一个叶轮处通过的摩擦热量，特别是在较高的高压釜的内部压力时可提供大比例的热输入。马达最好具有大于气体循环所需的额定功率输出，从而附加的功率可用于在区域中的气体的摩擦加热。如果负荷由多个马达和沿着高压釜以一定间隔设置的叶轮共享并且不是如同在现有技术中所涉及的高压釜中仅利用在端壁中的一个马达负担，那么在处理周期中的保持部分中可能是重要的摩擦加热的使用是有利的。
图4a-图4h中示出了图3的高压釜的横截面，其中可以明显地看出，高压釜具有侧壁56和相对的拱形侧壁58、58a，拱形侧壁58、58a与侧壁56限定包含燃气辐射加热管96的周向气体循环空间95。从图4a中可以明显地看出，每一个段具有六个辐射管，每一侧由六个气体燃烧器点燃，为每一段提供了12个辐射管和气体燃烧器。应该理解的是，燃气辐射管仅是一个示例，也可使用其他加热形式。装料空间98被限定在内壁58、58a、顶壁100和底壁102之间，冷却单元，在这种情况下单元76安装在顶壁上，叶轮104安装在底壁上。装载物料106存在于装料空间中并且采用将被形成的面板和成型工具的形式，并且成型工具带有由可变形的材料制成的覆盖层或者覆盖面板的工具的刚性第二部分并且带有用于在面板下方提供真空以有助于成型操作的装置(未示出)。
如顺序图中的箭头所示，来自于装载物料106下侧的加热气体通到叶轮或者风扇104(图4b)中，加热气体从那里排向气体循环空间95，加热气体周向流过气体循环空间95(图4d、图4e)，直至其达到冷却装置76。叶轮或者风扇通常是一种离心风扇，具有；壳体；与在底壁(在该实施例中)中的开口相连的进气道；以及与高压釜横交的相对的第一和第二排气道。这样，气体从装料空间在区域内流过在高压釜的相对两侧的周围空间流向各个冷却单元，例如76。离开冷却单元的气体在回到装载物料下侧之前(图4b)向下通到成型工具上或者中接着通过构成装载物料106(图4f、4g、4h)的一部分的成型工具。因此，在每一个区域中建立一种周向二叶式循环模式，并且装载物料在中央区域中或者来自于两叶的气流结合的装料空间中，在气体横向通过装料空间的情况下，在这种情况下气体向下流动并且可冲击到工具上以产生局部紊流的热交换流动模式。
石棉的内部隔热层59或者其他惰性绝热的隔热材料被通过作为高压釜的外壳的衬以在加热过程中降低传送到高压釜壳的热量从而减小在壳上的热应力，并且还能够在处理周期的冷却阶段过程中减少从壳传输回到装料空间中的热量。这样，每一个周期的能量要求比较接近加热和冷却装载物料或者处理物质所需的能量要求并且很少的能量进入包括容器或者壳及其门的物质的高压釜的总物质的加热和冷却。在每一个处理周期中进入高压釜壳的加热和冷却的能量是浪费能量并且需要达到最小。拱形侧壁58、58a、顶壁100和底壁102形成连续表面以使来自于叶轮104的所有气流通过气体循环空间95流到冷却单元76并且没有可能导致溢出的空气间隙。空气间隙的缺少不是重要的，例如端口可形成在侧壁58、58a中以将加热空气引导到工件和成型工具的特定区域上，但这不是优选的，这是因为这样的端口对于特定的工具和工件是特定的，从而对于每一次工作都必须使高压釜被特别设定。
图5中示意性地示出了图3的高压釜的布置，该图是高压釜和相关的控制系统的布置图。例如在EP-B-0176508和EP-B-0333389中所述的，段62、64、66被辐射管110加热和由气体燃烧器112点燃。辐射管以构成图5的一部分的图示截面的形式被示出，辐射管用G1-G12表示，并且被轴向引导，每一个辐射管通过三个加热区域，每一个加热区域是由独立控制的冷却器74、76、78、80、82、84、88、90、92和独立控制的叶轮114、116、118；120、122、124；和126、128、130限定的。用于每一段的气体燃烧器具有相关的热电偶G1-G12，热电偶G1-G12测量周向空气的温度并且使信号通向每一个段加热器逻辑单元ICU7、ICU9和ICU11，每一个段加热器逻辑单元ICU7、ICU9和ICU11接着使命令信号通向与各个段相关的累进气体燃烧器控制器132、134、136(冷＜SP)。该三个加热器逻辑单元从用于这三段的风扇和冷却器逻辑单元ICU6、ICU8和ICU10接收热量启动指令138、140、142。
在第一区域中，热电偶A1和A2测量离开叶轮114的气流温度，热电偶A3和A4测量进入冷却器单元74的气流温度，温度差提供由装载物料吸收的热量或者在周期的冷却部分中从装载物料释放能量的测量，热电偶是成对出现的，这是因为二叶流动模式。在第二区域中，热电偶A5和A6测量离开叶轮116的气流温度，热电偶A7和A8测量进入冷却器单元76的气流温度。在第三区域中，热电偶A9和A10测量离开叶轮118的气流温度，热电偶A11和A12测量进入冷却器单元78的气流温度。来自于十二个热电偶的信号被提供给单元ICU6、ICU7和ICU8，单元ICU6、ICU7和ICU8除了提供气体燃烧器信号以外还为比例冷却阀144、146和148(热＞SP)提供指令信号Z1、Z2、Z3以及为用于每一个区域的叶轮的摩擦热变换器150、152、154(热±SP)提供类似的信号。因此，如果在任何区域中的气体完全在设定值以下，那么辐射管1109的气体燃烧器112可被接通。如果在任何区域中的气体温度在设定值以上，冷却可被启动，并且调节每一个区域的变换器功率可补偿气体温度的细微差异。
高压釜的操作不仅取决于对加热系统温度的测量和气体温度的测量而且还取决于装载物料(工具或者工件)温度的测量。为此，装载物料传感器热电偶1-33和参考热电偶1-4被分配给段62；装载物料传感器热电偶34-67和参考热电偶5-8被分配给段64；以及装载物料传感器热电偶68-100和参考热电偶9-12被分配给段66。逻辑单元ICU1-ICU4将它们检测的关于最热和最冷的热电偶组的信号提供给温度控制逻辑ICU5。这样，处理物质(工具+工件)的温度可在区域范围被检测并且控制单元可对整个处理物质相对于预期温度的偏差以及在各个区域内相对于预期温度的偏差作出响应。
如156所示(图5c)，被存储在装置156的由高压釜执行的处理周期通常包括比较简单的压力周期158，压力周期158提供对高压釜的加压、保持压力和在处理周期的冷却阶段完成时释放压力。与压力周期相符的工件处理周期160具有预定的温度升高速度、在预期的处理温度下的停留时间和温度返回环境温度的预定速度。处理气体温度周期162通常比较复杂，在周期的加热部分中控制工件温度的气体温度，在这些温度之间的比是确定热交换系数的因素。信息从装置156被提供给用于该三段的压力控制器164，温度设定值从装置156被提供给空气/装载物料温度比控制器166、168、170。
如果工件或者控制热电偶的任何一个显示的温度太低，那么逻辑ICU5(图5c)将信息提供给停留/冷/固定逻辑165，还为停留/冷/固定逻辑165提供温度设定值并且停留/冷/固定逻辑165可将信号返回装置165以便例如改变空气温度设定值。装置ICU5还与散布控制相关。如果该组中的一个热电偶处于所需温度或者接近所需温度而其他热电偶的温度太低，那么该逻辑使得附加热量的提供减少(固定)直至冷区域的温度赶上。如果在任何一段中的一个热电偶是热的，那么信号被送至比率控制器166、168或者170以减少在所述热电偶所处的段中加热。信号通向段加热器逻辑单元ICU7、9或者11并且还通向用于邻近段的冷却器逻辑单元。这样，如果热电偶1-33中的一个或者参考热电偶1-4中的一个提供HOT信号，那么信号被通向用于段62的比率控制器166以减少气体燃烧器热量和/或叶轮摩擦热并且通向用于相邻段64的风扇和冷却器逻辑ICU8的脉冲速度输入以调节在该段中的一些区域或者所有区域产生的摩擦热。类似地，如果热电偶34-67中的一个或者参考热电偶5-8中的一个提供HOT信号，那么信号被通向用于段64的比率控制器168以减少气体燃烧器热量和/或叶轮摩擦热并且通向用于相邻段62和66的风扇和冷却器逻辑ICU6和ICU10的脉冲速度输入以调节在这些段中的一些区域或者所有区域产生的摩擦热。另外，如果热电偶68-100中的一个或者参考热电偶9-12中的一个提供HOT信号，那么信号被通向用于段66的比率控制器170以减少气体燃烧器热量和/或叶轮摩擦热并且通向用于相邻段64的风扇和冷却器逻辑ICU8的脉冲速度输入以调节在该段中的一些区域或者所有区域产生的摩擦热。因此，控制电路对于气体、工具或者工件温度的较大的低或者高的偏差能够在段范围内执行比较粗略的响应，利用在区域范围的冷却、通过叶轮速度的改变在区域范围内调节质量流速和摩擦热产生的区域范围的改变可以对与预期的热处理周期之间的较小的温度波动作出在区域范围内的比较细微的调节响应。
如上所述，提供装载物料传感器对TC-1至TC-100，这些装载物料传感器对例如可位于工具的下侧和/或在工具和工件之间的界面处和/或工件的自由表面处。基于测量的局部工具温度通过叶轮控制被供给的摩擦热的能力是本发明的一个重要优点。已经发现，尽管在加热到所需处理温度过程中来自于气体燃烧器的热量是重要的，但当例如在7-15巴的压力下工作时，如果不是需要所有的热量在装料空间内保持所需的稳定温度，那么来自于叶轮的摩擦热可提供大部分热量。本申请人已经制造了上述高压釜的实施例并且已经直接在设备上达到在直径为5.5米和40米长内的±1.2℃的总空间均匀度，并且在放置总质量为几十吨的工具和工件的情况下已经达到±0.6℃的总空间均匀度。本申请人认为当高压釜最终构成和调试时能够达到更高的总空间均匀度。
图6是本发明的高压釜的另一个实施例的截面图，其中利用安装在顶壁的加热器对每一个区域进行电加热并且如果需要的话利用安装在底壁的散热器对每一个区域冷却，穿过装料腔的气流从其下侧冲击在模制工具上。该高压釜的一种可能的应用是用于客机上的由树脂强化碳纤维或者其他复合材料制成的大面板的模制和硬化。高压釜具有侧壁180和内壁182、182a，侧壁180和内壁182、182a与顶壁186和底壁188共同限定了用于使加热气体周向流动的通道184、184a。叶轮190使得气流从装料空间191通过电加热器192、192a和通过通道184、184a流到散热器194，散热器194包含冷却元件，并且气体从散热器194返回装料空间191。进入装料空间的气体通过台车196和工具198以使其冲击在工具的模制表面的下侧。需要模制的面板在工具的上表面上并且厚度可忽略，并且为了清楚起见已经被省略。面板的上表面也可能需要被模制，例如由于它具有一个或者多个直立的整体成形的筋，因此碳纤维树脂浸渍增强材料可被覆有工具的第二部分，并且为了清楚起见也被省略。如箭头所示，气体沿着工具的上侧流向高压釜的周边，并且返回工具以对利用可移动的挡板200、200a支撑在碳纤维树脂浸渍增强材料上的上模制部分加热，利用致动器202、202a可从高压釜外部调节可移动的挡板200、200a的位置。如图中所示，在挡板200、200a之间的间隙使得气体返回叶轮190。挡板200、200a减少在工具198上方的气体体积，因此可增大气体速度，从而增大其热交换系数。
为了使装载物料温度在高压釜的轴向上的差异达到最小，可能需要提供在轴向上从一个区域到其他区域输送气体的装置。为了实现这样的输送，可在高压釜轴向上移动的至少一个区域上提供循环状况循环改变模式。例如，如图7a和图7b中所示，相邻的区域可单独和循环地随温度改变。或者，如图8a-8c所示，高温区域可跟着两个较低的温度区域。最好通过利用逻辑单元ICU6-ICU10和变换器150-154调节叶轮114-130的摩擦热来实现从区域到区域的温度循环改变。
在不脱离本发明的情况下可对所示实施例进行各种变型。
例如，附图已经示出了这样的情况，第一种情况是，加热器在顶壁中，并且冷却散热器在底壁中，气体向下流动通过装料空间以从上方提供热空气冲击，第二情况是，冷却散热器位于顶壁中并且热空气被导入以从底壁下方向上进入装料空间中，热空气向上流过装料空间进入工具的基部以从下面提供热空气冲击。尽管这些气流方向通常是适合的，但气流方向是任意的，例如可是并排的，加热器和冷却散热器被相应的设置。另外，每一个区域利用多于一个叶轮建立流动，风扇位于工件和工具的上方和下方或者工件和工具的两侧以从上方或者下方或者相对两侧提供热空气冲击。
图9中示出了具有一个大的容器而不是三个串联的容器的高压釜，并且其长宽比小于3。容器的一端222被封闭并且另一端被门224封闭，可利用门式起重机226操控门224。如在前面实施例中的，高压釜被纵向分成多个加热区域，并且图10中示出了这样一种区域的横截面。一对叶轮228、230在壳232内的位置相隔180度，壳232在内部被例如由石棉制成的隔热部分234隔开。侧壁229、231使装料空间与加热器236、238分离，加热器236、238出现在分别与各自叶轮相关的两个台架中。用于在每一个处理周期使高压釜内的气体强制冷却的冷却器(未示出)也与每一个叶轮相关。侧壁229和231在高压釜的赤道区域处隔开以在它们之间限定用于将空气喷射到装料空间中的开口240、242(如箭头244、246所示)。当工件和工具存在于装料空间中时，这些射流将从相反的方向冲击在工件和工具上，并且可建立这样的气流，即，在从横截面看过去为4叶式。在需要保持高水平的质量气流同时使马达保持合理比例的情况下，可能需要这样一种多区域布置。如果需要的话，可利用各自的控制装置独立控制叶轮228和230的速度以不仅能够为沿着高压釜的每一个独立的区域提供独立地可控制的加热和冷却而且能够为在每一个这样的区域内的各个区域提供独立地可控制的加热和冷却。
图11和图12示出了本发明所涉及的另一种高压釜，其中利用门302、304在相对两端处分别基本上为圆柱形的壳300并且具有在纵向上被分成五个可独立控制的加热区域306a-306e的内部装料空间。每一个加热区域具有由马达310a-310e驱动的相关的叶轮308a-308e、利用气态燃烧产物加热在装料空间中的气体的第一热交换器312a-312e和利用与通过冷却管循环的水接触对装料空间中的气体冷却的第二热交换器312c(图14；图11中未示出第二热交换器)。通过与第一热交换器相关的燃气进行热交换和利用由叶轮产生的摩擦热使得在每一个区域中的气体被加热并且可被冷却以便在处理循环的加热部分中有助于在该区域中的气体的温度控制以及在处理循环的冷却部分中迅速回到环境温度。参照图5a-5c描述控制系统，特别是它可根据附于高压釜内的装载物料上的热电偶所检测的温度利用各个叶轮308a-308e提供在每一个区域中产生的摩擦热的反馈控制。在高压釜壳的每一个端部处设置门302和304能够使高压釜位于产品生产线内以使未经过处理的产品在高压釜的一端进入并且从另一端排出，本发明的非轴向气流能够使高压釜的门摆脱可能增加重量和体积的叶轮和用于叶轮的驱动马达。如在图12中明显看出的，容器300衬有一层或者多层绝热材料316，并且装料空间是由门318、侧壁320a、320b和顶壁322限定的，底壁318中的开口通向叶轮308c，顶壁322中的开口从热交换器310c引入到装料空间中。叶轮的操作在侧壁320a、320b之间建立来自于装料空间的气体的超环面循环接着如箭头324所示，从第一热交换器310c返回到装料空间中。
参见图12和图13，管线330中的气体和管线332中的空气在燃烧空间中被供给到在燃烧器334。燃烧产物通过管线338被供给到热交换器管组342的歧管340。在与燃烧空间中的气体热交换后来自于管组342的气体通过歧管344和管线346抽到可选择的风扇348，接着排出。通常，被供给到燃烧器244的气体混合物被300％过度充气以降低通过热交换器管的燃烧产物的温度和热交换器管的硬度和脆性。根据在任何特定的设备中所需的热交换特征，阵列342的管可是平的或者可带有鳍片，第二热交换器的管也是如此。用于每一个区域的冷却器可是在叶轮308的上游侧或者向右侧位于底壁318的下方的一个或者多个充填水的冷却管组，它可是位于壁320a、320b和设备316之间的蛇形管314c(平的或者可带有鳍片)或者它可位于热交换器312a-312e的上游或者下游在顶壁322上方的空间中。

Claims (46)

1.一种形成细长型面板的方法，其包括：
通过将所述面板与用于成型所述面板的成型工具接触而形成装载物料；
在体积大于250立方米和装料空间长宽比大于3的高压釜内对所述装载物料进行热处理，所述物品的最长尺寸基本上平行于所述高压釜的轴，所述面板和所述成型工具沿所述高压釜的内部空间的主要部分延伸，所述装载物料的热性能沿装载物料随位置而变化，所述高压釜具有多个沿其长度间隔的气体循环装置，且每一个气体循环装置产生一个用于加热气体循环的区域，所述加热气体导致非轴向地撞击到装载物料上，并可导致沿着装载物料的长度在不同温度下和/或以不同气体循环速度加热装载物料，以便以均匀的速度整体提高装载物料的温度。
2.如权利要求1的方法，其中所述面板为可硬化的碳纤维基材料。
3.如权利要求2的方法，其中所述面板包括客机上使用的树脂强化碳纤维或其他复合材料的大面板，但与所述成型工具相比，其厚度可忽略不计；
所述面板在所述成型工具的上表面上；以及
加热气体撞击所述工具的下侧。
4.如权利要求1的方法，其中面板是金属的且所述热处理包括蠕变成型。
5.如权利要求4的方法，其中所述面板在所述成型工具的上表面上，所述加热气体向下朝向所述面板和所述成型工具。
6.如前述权利要求中任一项的方法，进一步包括测量所述面板和工具区域内的温度，并且可对工具和面板相对于预期温度的偏差以及在各个区域内相对于预期温度的偏差作出响应。
7.如权利要求1的方法，其中所述高压釜的体积大于500立方米。
8.如权利要求1的方法，其中所述高压釜的体积大于750立方米。
9.如权利要求1的方法，其中所述高压釜的长宽比大于5。
10.如权利要求1的方法，其中所述高压釜的长宽比约为7。
11.如权利要求1的方法，其中所述高压釜使用沿着所述加热腔以一定间隔隔开多个叶轮和各自的驱动装置，每一个叶轮和各自的驱动装置用于使气体在所述装料空间的各个区域内非轴向循环。
12.如权利要求11的方法，其中所述高压釜具有壳内的壁，其至少部分符合所述壳，并与所述壳分隔开以限定所述装料空间和用于使气体在装料空间周围循环的空间，其中每一个区域具有至少一个穿过所述壁的第一开口，用于使气体从所述装料空间流到所述包围空间，以及至少一个穿过所述壁的第二开口，用于使气体从所述包围空间返回到所述装料空间中。
13.如权利要求12的方法，其中每一个区域具有一个穿过所述壁并且能够使气体从装料空间流到所述包围空间中的第一开口和一个穿过所述壁并且能够使气体从包围空间返回装料空间的第二开口以在所述区域中建立基本上为超环面的气体循环。
14.如权利要求11的方法，其中用于一个或多个区域的所述叶轮和驱动装置用来对一个或各个区域内的气体可调节地提供摩擦热。
15.如权利要求14的方法，其中温度控制装置具有用于所述装料空间内的热电偶的输入装置，所述温度控制装置用于依据来自所述热电偶的输入调节提供到所述一个或多个区域内的摩擦热。
16.如权利要求15的方法，其中所述温度控制装置具有与所述装载物料相关的热电偶的输入装置，所述温度控制装置用于依据来自于所述装载物料的热电偶的输入调节提供到所述一个或各个区域中的热摩擦。
17.如权利要求1的方法，其中所述面板是大型飞机机翼面板。
18.一种用于对装载物料进行热处理的高压釜，所述高压釜包括：
限定可加压的加热腔的壳；
在所述壳内限定装料空间的装置；
用于封闭所述加热腔并且使装载物料进入所述装料空间和使装载物料从所述装料空间中排出的至少一个门；
用于在所述装料空间内对所述气体加热的加热装置；
沿着所述加热腔以一定间隔隔开的多个叶轮和各自的驱动装置，每一个叶轮和各自的驱动装置用于使气体在所述装料空间的各个区域内非轴向循环；其特征在于：
用于控制一个或多个区域内的所述驱动装置的控制装置，从而将摩擦热可调节地提供给一个或各个区域内的气体。
19.如权利要求18的高压釜，其中所述控制装置包括温度控制装置，所述温度控制装置具有用于所述装料空间内的热电偶的输入装置，所述温度控制装置布置成根据来自于所述热电偶的输入调节被提供到所述区域中的摩擦热。
20.如权利要求19的高压釜，其中所述温度控制装置具有用于与所述装载物料相关的热电偶的输入装置，所述温度控制装置布置成根据来自于所述热电偶的输入调节分别被提供到所述一个或各个区域内的摩擦热。
21.如权利要求18的高压釜，其特征在于，所述高压釜还包括用于在所述区域内循环的冷却气体的冷却装置。
22.如权利要求18的高压釜，其特征在于，所述高压釜还包括在所述壳内的壁，所述壁至少部分符合所述壳并且与所述壳隔开以限定装料空间和用于使气体在装料空间周围循环的空间，每一个区域具有至少一个穿过所述壁并且能够使气体从装料空间流到所述包围空间中的第一开口和至少一个穿过所述壁并且能够使气体从包围空间返回装料空间的第二开口。
23.如权利要求22的高压釜，其特征在于，所述高压釜的每一个区域具有一个穿过所述壁并且能够使气体从装料空间流到所述包围空间中的第一开口和一个穿过所述壁并且能够使气体从包围空间返回装料空间的第二开口以在所述区域中建立基本上为超环面的气体循环。
24.如权利要求22的高压釜，其中每一个区域具有穿过所述壁并且能够使气体从装料空间流到所述包围空间中的第一开口和第三开口以及穿过所述壁并且能够使气体从包围空间返回装料空间的第二开口和第四开口，第一开口和第三开口与第二开口和第四开口相对并且穿过第一开口和第三开口的线基本上以直角指向穿过第二开口和第四开口的线以在所述区域中建立基本上为超环面的气体循环。
25.如权利要求22的高压釜，其中每一个区域具有第一叶轮，所述第一叶轮具有与用于接收来自于装料空间的气体的第一开口相连的进气道，并且当具有第三开口时，每一个区域具有第二叶轮，所述第二叶轮具有与用于接收来自于装料空间的气体的第三开口相连的进气道，每一个叶轮具有开口在气体循环空间中的相对的第一和第二排气道，所述第一和第二排气道的方向与所述壳基本上是横向以使气体朝向第二开口沿着所述壳的相对两侧循环。
26.如权利要求18的高压釜，其中所述每一个叶轮包括离心风扇。
27.如权利要求18的高压釜，其中所述加热装置包括用于每一个区域的对在所述区域中循环的气体独立加热的加热器。
28.如权利要求27的高压釜，其中所述加热装置是燃气的。
29.如权利要求27的高压釜，其中所述加热装置是电的。
30.如权利要求18的高压釜，其中所述加热装置包括多个区域共用的加热器。
31.如权利要求30的高压釜，其中加热装置包括至少一个辐射管加热器。
32.如权利要求31的高压釜，其中所述加热器是燃气的。
33.如权利要求18的高压釜，其特征在于，所述高压釜还包括适于以随时间改变的模式在至少一个区域中产生不同的条件的控制装置，由此将气体在区域之间轴向传送。
34.如权利要求18的高压釜，其特征在于，所述高压釜还包括在装料空间中的用于改变与装载物料相邻的气体速度的至少一个气体偏转装置。
35.如权利要求34的高压釜，其特征在于，所述高压釜还包括与所述气体偏转装置相连的并且用于从所述壳外部调节其位置的致动器装置。
36.如权利要求18的高压釜，其中高压釜具有大于3的长宽比。
37.如权利要求18的高压釜，其中所述装料空间具有大于250立方米的体积。
38.如权利要求18的高压釜的用途，其特征在于，所述高压釜用于装载物料的热处理，所述装载物料包括其最长尺寸基本上平行于高压釜轴线的细长物品，并且根据预定模式对其进行热处理以加热所述物品。
39.如权利要求38的用途，其中所述物品被加热，从而其温度沿着长度方向均匀升高。
40.如权利要求38的用途，其中所述物品在其纵向上是非线性的。
41.如权利要求38的用途，其中所述物品包括与工具接触的工件，通过与所述工具接触而使工件被加热处理并且成型。
42.如权利要求41的用途，其中所述区域中的气体循环是二叶式的，并且在每一个区域中的二叶式循环的平面与所述高压釜的轴向横交，在所述二叶式循环的中心区域处的气体至少部分地通过所述工具。
43.如权利要求42的用途，其中所述工具具有气体接收开口，所述气体接收开口面对已经沿着其循环路径的周向部分流动的气体进入到其循环路径中使气体流经装料空间的中心部分的位置。
44.如权利要求18的用途，其中所述工件是片或者面板。
45.如权利要求44的用途，其中所述工件包括一种可硬化的复合材料。
46.如权利要求44的用途，其中所述工件包括金属并且所述热处理包括蠕变成型。
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