CN1414914A - 具有带着探测颗粒流动探测器的固体颗粒喷管的涂层除去系统以及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种从基板除去涂层的设备，包括一个具有一个出口和适于以预定流率引导颗粒流通过的喷管，一个用于发射能够横跨颗粒流信号的信号源，以及一个信号传感器，其位置在一旦信号通过颗粒流时可探测到由信号源发射的信号。引导颗粒流从喷管出口指向基板上的涂层，从基板除去涂层。因为信号源发射的信号在被探测之前横跨颗粒流，由信号传感器探测的信号强度相应于颗粒流的流率，使得由信号传感器探测到的信号强度的后续变化指示出颗粒流的流率变化。还提供了在用于从基板除去涂层的设备中监测颗粒流动的一种方法。

Description

具有带着探测颗粒流动探测器的固体颗粒喷管 的涂层除去系统以及相应的方法
                         发明领域
本发明涉及了一种涂层除去系统，尤其是，涉及了具有带着探测颗粒流动探测器的固体颗粒喷管的涂层除去系统以及相应的方法。
                         发明背景
采用例如由石墨环氧或其他增强塑料制造的复合材料结构已经日益普遍。包括石墨环氧材料的增强复合材料广泛应用于飞机和汽车构造的表面结构。这些结构往往因各种理由而喷漆，包括美观、识别和伪装。但是，这种涂漆表面在它们所承受的气候条件和机械力作用下变坏，因此需要定期地除去和更换漆。
从大而往往易损的表面除去漆和/或其他涂层，如通常在飞机和汽车上看到的情形，是一个困难的过程，它可能由高低不平的不规则形状组合，如铆钉或甚至复杂的曲率。诸如颗粒介质喷砂(PMB)和机械磨削的技术本身具有足够的能力来除去漆，但会损坏复合材料。用化学溶剂除去漆同样不令人满意，因为化学物质不仅侵蚀了漆，也会侵蚀复合材料中的有机粘结材料。另外，高温漆除去方法可以在热敏感复合材料中产生有害的影响。除了强劳动的手工打磨以外，从复合材料结构上除去诸如漆、雷达波吸收材料(RAM)、其他涂层胶粘剂以及多余树脂的一个有效方法包括同时采用辐射能和颗粒流来除去粘结在基板表面上的材料或涂层。
按照这种从基板除去涂层的方法，首先用脉冲的辐射能源加热涂层，使得涂层从表面上热解和蒸发。涂层的热解降低了材料本身的内聚力和对底下基板的粘结力。由较低功率颗粒流能够除去任何余留的已热解涂层，因为这个热解涂层没有很牢地粘结在基板表面上。通常优选的颗粒流包括CO2颗粒，它起到除去热解涂层的磨蚀剂和冷却底下基板的冷却剂的双重作用。因此，脉冲的辐射能源一般完成了大部分涂层的除去，而颗粒流除了用于冷却基板，还用于除去任何残余涂层。
在一个典型形式中，涂层除去设备包括一个中心辐射能源，使相邻的一个颗粒喷管瞄准成相对于辐射能源对基板的运动方向，引导颗粒流并排和稍后于辐射能源。辐射能源提供宽带(范围从红外到紫外)辐射的反复强闪光来从基板上热解和除去涂层。然后引导颗粒流指向余下的已热解涂层，使得还是热的热解涂层几乎立即从基板表面上除去。一般说，靠近辐射能源还提供一个真空系统来收集从基板除去的废物。
例如，颗粒流可以包括二氧化碳颗粒，适于从基板除去已剥落涂层的残余物。通常，希望颗粒流在足够低于室温的温度下，以便迅速冷却基板，使得基板不受热损伤。一般说，通过一个管道或输送管线从远处的气源把颗粒流送到喷管，喷管的构形作成从喷管排出的颗粒可以提供希望的图形或覆盖形状，以优化颗粒的除去效果。但是，例如喷管出口形状为细长的矩形，窄边宽度正好满足颗粒流过。有时，这种喷管可以被气流供应的颗粒阻塞。另外，在喷管出口周围的冷凝湿气也可能使喷管阻塞。
当喷管阻塞时，颗粒流动的中断会造成几个有害影响。例如，颗粒源可能继续产生颗粒并力图把颗粒送到喷管中，由此如果不及时发现和打通喷管，可能损坏气源。另外，辐射能源可能继续热解涂层而不使颗粒从喷管流出来除去热解涂层和提供基板的必要冷却，由此可能导致基板的热损坏。基板的热损坏可能由于阻塞喷管造成的没有颗粒冷却效应，以及/或者由于一旦喷管打通，后一次涂层除去系统把热量施加在前一次涂层除去系统中已使涂层热解的基板部分上。例如，目前辐射能/颗粒流类型的涂层除去系统利用喷管输送管道中的热电偶来接受和探测管道中的颗粒流动。但是，通常靠近颗粒源放置热电偶，一般具有慢的响应时间，由此在探测因热电偶和喷管出口之间喷管和/或输送管道阻塞的颗粒流动损失中，造成了时间上的滞后。因此，需要一个有效的装置和方法，用于在一个辐射能/颗粒流涂层除去系统中以短的响应时间来探测被阻塞的喷管出口，以便防止对基板和/或设备的可能损伤。探测系统最好简单、易于实现和能够可靠地指示喷管出口处的颗粒流动状态。
                     发明概述
本发明满足了以上和其他需求，在一个实施例中，本发明提供了一种从基板除去涂层的设备，包括一个具有一个出口和适于以预定流率引导颗粒流通过的喷管，一个用于发射能够横跨颗粒流信号的信号源，以及一个信号传感器，其位置在一旦信号通过颗粒流时可探测到由信号源发射的信号。引导颗粒流从喷管出口指向基板上的涂层，从基板除去涂层。一旦信号通过颗粒流，信号传感器适于探测到信号源发射的信号强度，使得由信号传感器探测到的信号强度的后续变化指示出颗粒流的流率变化。
按照本发明的一个有利的实施例，例如，信号源可以是发光二极管、激光源、白炽灯、排气灯之类，能够发射至少一个波长的光。因此，例如信号传感器可以是光二极管、光电倍增器、辐射热测量计之类，能够探测信号源发射的至少一个波长的光。为了进一步促进除去涂层，设备还可以包括一个设置在喷管附近的辐射能源，其中辐射能源对涂层目标区辐射一定能量，足以至少热解涂层。
因为辐射能源使涂层暴露在宽频(红外到紫外)辐射的反复强闪光中来使涂层适于被颗粒流除去，并且因为在本发明的某些实施例中信号源和传感器包括一个光学探测系统，所以信号源和信号传感器的构形最好使得受辐射能源的干扰为最小。此外，因为信号源和传感器暴露在喷管出口周围的严酷环境中，本发明的实施例还包括一个防护装置，例如用于对颗粒流和/或冷凝水蒸气防护每个信号源和信号传感器。通常，颗粒流包括二氧化碳颗粒，信号源和信号传感器设置在靠近出口的喷管之内或之外。
本发明的另一个有利方面是包括了在用于从基板除去涂层的设备中的一个监测颗粒流动的方法。首先，具有预定流率的颗粒流流经一个具有出口的喷管。引导颗粒流从喷管出口指向基板上的涂层，从基板上除去涂层。当颗粒流流经喷管时，从信号源发射一个信号，使得信号横跨颗粒流。然后一旦信号横跨颗粒流，用信号传感器来探测信号。在某些特别有利的实施例中，探测信号包括探测在信号传感器上的信号强度，它相应于颗粒流的预定流率，使得在信号传感器上信号强度的后续变化指示出颗粒流流率从预定流率的变化。在某些情形下，例如颗粒流包括二氧化碳颗粒。
在一个特别有利的实施例中，信号源和信号传感器包括一个光学探测系统，其中发射步骤包括从信号源发射一个至少包括一个波长的光，以及探测步骤包括用信号传感器探测从信号源发射的至少一个波长的光。发射和探测步骤还最好发生在喷管出口附近，在喷管之内或之外。按照本发明方法的实施例还可以包括在流动步骤期间用防护装置防护每个信号源和信号传感器的步骤，其中防护装置的构形可以引导一个净化气体流通过每个信号源和信号传感器。
因此，按照本发明的设备和方法的实施例能够探测喷管出口周围颗粒流的流动减弱或阻塞，并且以短的响应时间把这个信息传递到设备的控制系统，由此减小了由于颗粒流非正常的低流动造成基板的可能损坏和/或其他有害影响。因为信号源和信号传感器在现有探测除去系统的构形中易于实现，本发明的实施例比较简单，易于实现，以及能够可靠地指示在喷管出口处颗粒流的流动状态。
                        附图简述
已经说明了本发明的一些有利点，其他将在结合附图进行的描述中出现，附图不需要按比例，其中：
图1是一个辐射能/颗粒流涂层除去设备例的侧视图。
图2是一个固体颗粒喷管例的透视图。
图3A是本发明一个实施例的涂层除去设备的平面视图，说明了一个探测系统在喷管之内或之外的设置。
图3B是本发明一个实施例的探测除去系统的剖视图，说明了一个探测系统在喷管之内或之外的设置，取自沿图3A的3B-3B线。
图4是本发明一个供替代实施例的探测除去系统的平面视图，说明了一个用纤维光缆与喷管连接的远距探测系统。
图5是本发明一个实施例的涂层除去系统的示意剖视图，说明了设置在喷管内和靠近出口(图3A和3B中位置X)的探测系统，具有与喷管连接的纤维光缆，每个由防护装置保护。
图6是本发明一个实施例的涂层除去系统的示意剖视图，说明了设置在喷管外和靠近出口(图3A和3B中位置Y)的探测系统，具有与喷管连接的纤维光缆，每个由防护装置保护。
                      本发明详述
现在参照附图在下面更充分地描述本发明，其中表示了优选的实施例。但是，本发明可以体现成许多不同的形式，不应该认为是限于这里提出的实施例；相反，提供这些实施例使得所公布的内容彻底而完备，对熟悉该技术的人员充分传达了本发明的范围。所有附图中相同编号指相同零部件。
图1公开了从基板除去涂层设备的一个实施例，设备用编号110概括地表示，它包括了本发明的特征。涂层除去系统110一般包括一个辐射能源120，一个固体颗粒喷管140，一个颗粒流动探测系统160，以及一个协同从基板220除去涂层200的真空系统180。一般说，涂层除去系统110放在基板220涂层200附近。然后用辐射能源120把辐射能辐射到涂层200的目标区，辐射能量足以在热解过程中断开或削弱涂层200中的化学键。然后用从喷管140出口142发射的颗粒流轰击目标区，从基板220上剥落已热解的涂层200。然后由真空系统180收集已剥落材料，以便防止剥落材料阻碍涂层除去系统110的继续工作。在Cates等的美国专利号5,328,517和5,782,253中进一步描述了这种涂层除去系统110的结构和工作，引入这里作为参考。
在本发明的一个有利的实施例中，涂层除去系统110发射例如冷冻CO2颗粒的冷冻颗粒来除去被辐射能源120热解的涂层200。如图2所示，喷管140最好构形为把冷冻CO2从颗粒源(图中未示)沿输送管线144送到喷管140，在那里CO2颗粒通过喷管出口142排出。喷管140发射的颗粒流图形或覆盖形状通常由喷管出口142的尺寸和形状所确定。但是，喷管140的构形还必须使得出口142足以流动颗粒或其碎片，并且使得喷管140不会因冷凝湿气或颗粒本身而被阻塞。例如，对平均尺寸0,125英寸的颗粒，具有矩形出口142的喷管140可以在出口142上具有约0.062英寸的最小窄边宽度146。提供了比颗粒平均尺寸小的窄边宽度146尺寸，使得颗粒由于排出喷管140而被打碎或者分裂，由此提供了一定的颗粒碎片覆盖形状。以预定流率和具有规定覆盖形状的颗粒流动对涂层除去系统110的适当工作是关键的。例如，不太优化的颗粒流动会造成基板220的过热和退化，并且损坏喷管140和/或颗粒供应源(图中未示)。因此，本发明有利的实施例还包括一个探测系统160，用于监测靠近喷管出口142通过喷管140的颗粒流动。
如图2，3A和3B所示，探测系统160一般包括一个能够发射信号的信号源162。最好是，信号源162设置在出口142附近，使得引导发射信号横跨颗粒流。探测系统160还包括一个信号传感器164，定位成一旦信号已经通过颗粒流，可以探测到由信号源162发射的信号。在一个特别有利的实施例中，信号传感器164适于探测信号的强度，它相应于颗粒流的预定流率。例如，在CO2颗粒从喷管出口142以希望的流率产生希望的覆盖形状和基板220上涂层200的剥落时，仅信号源162发射的一定量信号横跨颗粒流并被信号传感器164探测。所以，在希望的颗粒流的流率上，探测系统160能够确定横跨颗粒流信号的相应强度。因此，由信号传感器164探测到的任何后续信号的强度变化将指示出颗粒流的流率变化。例如，如果信号源162和信号传感器164设在出口142附近的喷管140内，并且喷管140或输送管线144因冷凝湿气和/或CO2颗粒而阻塞，则探测系统160探测到的信号强度将增加，因为探测系统160上游的阻塞更能够使信号横跨喷管140并达到信号传感器164。然后可以把被探测信号的强度变化通知涂层除去系统110的控制系统(图中未示)和/或阻塞喷管140或管线144的操作者，以采取纠正措施。最好是，探测系统160具有短的响应时间，例如小于50毫秒，并且能够在基板220和/或涂层除去系统110受损之前通知涂层除去系统110的控制系统和/或操作者。
为了完成对通过喷管140颗粒流流动的监测，信号源162和信号传感器164可以设在出口142附近的喷管140内(如图3A和3B的位置X所示)。或者是，信号源162和信号传感器164可以设在靠近出口142的喷管140外(如图3A和3B的位置Y所示)。
固体颗粒喷管140出口142附近的环境通常是一个严酷的环境，由于CO2颗粒流动，它同时承受磨蚀的CO2颗粒和非常冷和冷凝的水蒸气。因此，在图4所示的本发明一个特别有利的实施例中，探测系统160可以包括远离喷管出口142的信号源162a和164a。如图5和6所示，然后用例如可以是纤维光缆的导线162b和164b，把信号源162a和信号传感器164a连接到设在出口142附近的喷管140内或外的相应检测口162c和164c。例如，这可以采用商用探测系统来完成，如采用连接纤维光缆目录号HPE-T001-H的目录号HPX-X1-H，两者均由HeneywellMicro Switch Sensing and Control Division制造。如图5所示，纤维光缆，尤其是信号源和传感器的纤维光缆162b，164b，可以用在操作上通过喷管140壁的检测口162c，164c连接到出口142附近的喷管140中。最好是，纤维光缆162b，164b和检测口162c，164c的设置使得纤维光缆162b，164b具有从喷管140内部到检测口的无障碍通道。每个检测口162c，164c还可以包括一个接头166，在纤维光缆162b，164b和相关检测口162c，164c的出口168之间在操作上与检测口连接。最好是，一个净化气体流169与每个接头166连接，引导净化气体通过接头166，进入相关检测口162c，164c内部，并且通过出口168进入喷管140内部。因此净化气体流169防止了污染物进入检测口162c，164c和对可能影响探测系统160性能的污染物保护了纤维光缆162b，164b。图6说明了本发明的一个实施例，其中检测口162c，164c设置在喷管140之外，每一个用一个支架170与喷管连接。探测系统160各部分的纤维光缆162b，164b的构形和功能在其他方面与图5讨论的实施例相同。
按照本发明的实施例，探测系统160可以包括一个信号源162，它发射至少包括一个波长的光，例如发光二极管、激光源、白炽灯之类。因此，信号传感器164最好能够探测由信号源162发射的至少一个波长的光，例如可以包括光电二极管、光电倍增器之类的装置，能够探测由信号源162发射的光。在一个特别有利的实施例中，探测系统160包括一个光电传感器装置，用纤维光接头和光缆在操作上与喷管140连接。但是，因为辐射能源120利用了宽频(红外到紫外)辐射的强反复闪光来热解涂层200，最好是，由辐射能源120提供的闪光不与上述类型的光学探测系统160相干扰。所以，例如依靠在辐射能源120闪光期间控制信号传感器164及其相应电子线路处于“关闭”模式，或者例如依靠调制信号强度在特定光频率上和采用信号传感器164的同步探测，可以尽量减少辐射能源120和探测系统160之间的干扰。此外最好是，信号源162和信号传感器164的构形使干燥空气或其他气体的净化气流通过它们，防止对信号源162和信号传感器164的湿气冷凝或污染。这种设置可提供气体净化流来防护信号源162和信号传感器164在颗粒流流动时免受磨蚀颗粒和/或极冷影响，以及在颗粒流不流动时免受环境湿气的影响。另外，可以理解到，信号源和信号传感器的数目和位置可以根据在本发明精神和范围内的特定应用需要而改变。例如，可以沿输送管道144和喷管140设置许多探测系统160，容许探测实际的阻塞位置。
因此，在按照本发明实施例的涂层除去系统中固体颗粒喷管的探测系统提供了一个易于实现和花费比较少的评估固体颗粒喷管出口状态的方法，如果阻塞妨碍了颗粒流流动通过喷管，通知涂层除去系统的控制系统，以防止对复合材料基板和/或涂层除去系统的损害。本发明设备和方法的实施例还提供一个具有快速响应时间的探测系统来及时探测喷管中阻塞的存在。因此，对于这里描述的利用辐射能和颗粒流从复合材料结构除去涂层的目前涂层除去系统，本发明实施例提供了明显的好处。
对于熟悉与本发明有关技术的人员，可以想到许多修改和其他实施例具有以上描述和附图中提出内容的好处。所以，可以理解到，本发明不限于所公布的具体实施例，各种修改和其他实施例可以包括在所附权利要求的范围内。虽然这里采用了具体的术语名称，它们仅是在一般意义和描述意义上的应用，并不是为了加以限制。

Claims (18)

1.一种从基板除去涂层的设备；上述设备包括：
一个具有一个出口和适于以预定流率引导颗粒流通过的喷管，引导颗粒流从喷管出口指向基板上的涂层，从基板除去涂层；
一个用于发射能够横跨颗粒流信号的信号源；以及
一个信号传感器，其位置在一旦信号通过颗粒流时可探测到由信号源发射的信号，信号传感器适于探测到相应于颗粒流流率的信号强度，使得由信号传感器探测到的信号强度的后续变化指示出颗粒流的流率变化。
2.按照权利要求1的一种设备，其中信号源至少是发光二极管、激光源、白炽灯和排气灯之一。
3.按照权利要求2的一种设备，其中信号传感器至少是光二极管、光电倍增器和辐射热测量计之一。
4.按照权利要求1的一种设备，还包括一个设置在喷管和涂层基板附近的辐射能源，辐射能源用于产生辐射能和对涂层目标区辐射一定能量，足以至少热解涂层。
5.按照权利要求4的一种设备，其中信号源和信号传感器的构形使得尽量减少受辐射能源的干扰。
6.按照权利要求1的一种设备，还包括一个防护装置，用于防护每个信号源和信号传感器。
7.按照权利要求6的一种设备，其中防护装置的构形作成引导净化气流通过每个信号源和信号传感器。
8.按照权利要求1的一种设备，其中喷管适于引导二氧化碳颗粒的颗粒流通过它。
9.按照权利要求1的一种设备，其中信号源和信号传感器设置在出口附近的喷管之内。
10.按照权利要求1的一种设备，其中信号源和信号传感器设置在出口附近的喷管之外。
11.在用于从基板除去涂层的设备中监测颗粒流动的一种方法，上述方法包括：
使具有预定流率的颗粒流流经一个具有出口的喷管；
引导颗粒流从喷管出口指向基板上的涂层；
发射一个横跨颗粒流的信号；
一旦信号横跨颗粒流时探测信号，探测信号包括探测相应于颗粒流预定流率的信号强度，使得信号强度的后续变化指示出颗粒流流率从预定流率的变化。
12.按照权利要求11的一种方法，其中流动步骤还包括通过喷管流动二氧化碳颗粒的颗粒流。
13.按照权利要求11的一种方法，其中发射和探测步骤还包括在喷管内和出口附近发射和探测信号。
14.按照权利要求11的一种方法，其中发射和探测步骤还包括在喷管外和出口附近发射和探测信号。
15.按照权利要求11的一种方法，其中由一个信号源发射信号和由一个信号传感器探测信号，其中，该方法还包括在流动步骤期间防护每个信号源和信号传感器的步骤。
16.按照权利要求15的一种方法，其中防护步骤还包括引导净化气流通过每个信号源和信号传感器。
17.按照权利要求11的一种方法，其中发射步骤还包括控制信号使得信号有选择地横跨颗粒流。
18.按照权利要求11的一种方法，其中发射和探测步骤还包括在进行探测的预定频率上调制信号。
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