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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Härtesysteme
und im Besonderen auf ein System und ein Verfahren zum Härten von
Verbundmaterial.
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Hintergrund der Erfindung
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Verbundkonstruktionen
sind in vielen Branchen für
viele Anwendungen erstrebenswert. So werden beispielsweise eine
Vielzahl von Verbundmaterialien bei der Herstellung von Flugzeugen,
Raumschiffen sowie Land- und Wasserfahrzeugen verwendet. Wie dies
auch bei anderen Materialien der Fall ist, müssen Verbundmaterialien manchmal
repariert werden. Einer der in der Regel bei der Reparatur von Verbundmaterialien
zum Einsatz kommenden Prozesse ist der Härteprozess. Ein Härteprozess
wird normalerweise bei erhöhter
Temperatur durchgeführt.
Dieser Härteprozess
mit erhöhter
Temperatur bringt Schwierigkeiten bei der Reparatur einer Verbundkonstruktionen
mit sich, die bereits in einem Flugzeug oder in einem Fahrzeug eingebaut
ist.
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Ein
Reparaturverfahren von Verbundkonstruktionen an beispielsweise einem
Flugzeug besteht darin, das Flugzeug oder einen Teil davon zu zerlegen,
so dass die Verbundkonstruktion repariert und in der Folge in einem
Ofen oder einem Druckbehälter
gehärtet
werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostspielig und erfordert
beim Reparieren eines Flugzeugs einen erheblichen Zeitaufwand.
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Ein
weiteres Verfahren zum Härten
von Verbundstrukturen- bzw. konstruktionen an einem Flugzeug verwendet
ein oder mehrere Heizdecken, die auf die Fläche der zu reparierenden Verbundstruktur aufgelegt
werden. Zu den Problemen, die bei der Verwendung von Heizdecken
auftreten, gehört,
dass viele Heizdecken nur bis zu einer Temperatur von etwa 260° C (550° F) verwendbar
sind und die Heizdecken die Tendenz haben, an dem zu reparierenden
Verbundmaterial anzukleben, was für den Reparaturprozess schädlich sein
kann.
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Ein
weiteres Härteverfahren
für Verbundmaterialien
an einem Flugzeug ist die Verwendung von tragbaren Öfen. Viele
tragbare Öfen
des Stands der Technik, die für
die Reparatur an einem Flugzeug eingesetzt werden, sind aber nur
für niedrige
Temperaturen geeignet, wie maximal 127° C (260°F).
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Das
US-Patent US.A.4,652,319 beschreibt einen
geeigneten Ofen mit flexiblen Seitenwänden, durch die er an eine
konturierte Fläche
angepasst werden und diese abdichten kann.
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Übersicht über die Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung enthält
ein System zum Härten
eines Verbundmaterials einen Ofen mit einer Innenwand, die eine innere
Kammer definiert, eine Außenwand,
die eine äußere Kammer
zwischen der Innenwand und der Außenwand definiert, einen in
der inneren Kammer angeordneten Heißluftverteiler, einen in der äußeren Kammer
angeordneten Kaltluftverteiler und einen Abluftkamin mit einem darin
angeordneten Kaltluftverteilerrohr, das mit der äußeren Kammer verbunden ist.
Das System enthält
weiterhin ein Heißluftzufuhrsystem,
das mit dem Heißluftverteiler
des Ofens verbunden ist, das einsetzbar ist, um Heißluft dem Heißluftverteiler
zuzuführen,
ein Kaltluftverteilersystem, das mit dem Kaltluftverteiler verbunden
ist und ein Kaltluftverteilerrohr, das für die Zufuhr von Kaltluft in
diese einsetzbar ist, sowie eine Vielzahl an Heißluftauslassdurchtritten, die
in der Innenwand des Ofens ausgebildet sind. Die Heißluftauslassdurchtritte
sind angepasst, um die Heißluft
in der inneren Kammer in die äußere Kammer
zu leiten.
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Ein
weiteres Härteverfahren
für Verbundmaterialien
an einem Flugzeug ist die Verwendung eines tragbaren Ofen, der Folgendes
aufweist: einen Ofen mit einer offenen Seite und einer inneren Kammer, eine
erste Isolierung, die die innere Kammer umgibt eine äußere Kammer,
die die erste Isolierung umgibt, und eine zweite Isolierung, die
an einer Außenseite der äußeren Kammer
angebracht ist. Die Stärke
der ersten Isolierung und die Stärke
der zweiten Isolierung sind dergestalt, dass eine Oberflächentemperatur
an der Außenseite
der zweiten Isolierung nicht mehr als 60°C (140°F) beträgt, wenn die innere Kammer
eine Temperatur von mindestens 260°C (500°F) hat. Ein Heißluftverteiler
ist in der inneren Kammer angeordnet, ein Kaltluftverteiler ist
in der äußeren Kammer
angeordnet und ein Abluftkamin mit einem Isoliermaterial, das mit
einer Außenseite
davon verbunden ist, ist mit der äußeren Kammer verbunden. Der
Heißluftverteiler
umfasst einen Verteilerkanal, eine Vielzahl von Verteilerrohren,
die mit dem Verteilerkanal verbunden sind, und eine Vielzahl von Öffnungen,
die in jedem Verteilerrohr ausgebildet sind.
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Das
System enthält
weiterhin ein Heißluftzufuhrsystem,
das mit dem Heißluftverteiler
des Ofens über
ein Heißluftzufuhrrohr
verbunden ist, um dem Heißluftverteiler überhitzte
trockene Luft zuzuführen, ein
Kaltluftzufuhrsystem, das mit dem Kaltluftverteiler verbunden ist,
um dem Kaltluftverteiler kalte trockene Luft zuzuführen, und
eine Vielzahl von in der Innenwand des Ofens ausgebildeten Heißluftauslassdurchtritten.
Die Heißluftauslassdurchtritte
sind angepasst, um die Heißluft
in der inneren Kammer in die äußere Kammer
zu leiten. Das Verhältnis
der Gesamtfläche
der Heißluftauslassdurchtritte
zur Gesamtfläche
der Öffnungen
der Verteilerrohre ist mindestens gleich 1.
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Das
System enthält
weiterhin eine Isolierdichtung, die um einen Umfang der Innenwand
angeordnet ist, eine Schraube und eine Mutter, die die Innenwand
mit der Außenwand
verbinden und eine Halteplatte, die um die Innenseite der inneren
Kammer nahe dem Umfang verlauft, um die Isolierdichtung an Ort und
Stelle zu halten. Eine Vielzahl von Heißluftführungsplatten sind mit der
Innenwand verbunden und in der äußeren Kammer
angeordnet. Jede Heißluftführungsplatte
hat eine Rinne, die zur Aufnahme von Heißluft aus einem Heißluftauslassdurchtritt
und dem Transport der Heißluft
in der äußeren Kammer
ausgebildet ist. Das System enthält
weiterhin eine Isolierstange, die zwischen dem Innenbehälter und
dem Außenbehälter neben
der ersten Isolierung angeordnet ist und sich um einen Umfang der Innenwand
erstreckt. Eine Handhabungsanordnung ist ebenso an der Außenseite
des Ofens befestigt.
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Dieses
tragbare System wurde in den letzten drei Jahren an B-2-Bombern
experimentell getestet.
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Ausführungsformen
der Erfindung bieten eine Reihe von technischen Vorteilen. Ausführungsformen
der Erfindung können
alle, einige oder keine dieser Vorteile aufweisen. Ein tragbares
System, das gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, erfüllt die
Sicherheitsanforderungen für
Reparaturen von Verbundmaterialien an Flugzeugen. Zum Beispiel hat
eine Außenseite
eines Ofens eines solchen Systems eine Maximaltemperatur von weniger
als 60°C
(140°F).
Hierdurch kann das Flugzeugwartungspersonal arbeiten, ohne Verbrennungen
befürchten
zu müssen.
Eine Ablufttemperatur der Luft, die aus dem Ofen austritt, hat eine
Temperatur von maximal 176°C
(350°F),
was eine geeignete Temperatur zur Vermeidung der Entflammbarkeit
von Materialien oder anderen Substanzen ist. Solch ein System kann
auch hohe Härtetemperaturen
im Ofen für
Verbundmaterialien an Flugzeugen erreichen und diese Temperatur
lange Zeit halten. Dies reduziert die mit dem Zerlegen des Flugszeugs
oder Teile eines Flugzeugs verbundenen Kosten für Reparaturen erheblich und
vermeidet die Probleme, die bei der Verwendung von Heizdecken entstehen.
Solch ein System kann klein und leicht genug sein, um vom Wartungspersonal
einfach gehandhabt und transportiert zu werden.
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Weitere
technische Vorteile sind für
Kenner der Technik einfach aus den folgenden Abbildungen, Beschreibungen
und den Ansprüchen
ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Um
die Erfindung umfassender zu verstehen, und für weitere Merkmale und Vorteile
wird im Folgenden auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Systems für Materialhärtungen an einem Flugzeug gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Ofens des Systems von 1 ist;
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3 eine
Draufsicht auf einen Heißluftverteiler
des Ofens von 2 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
vergrößere Seitenansicht
des Ofens von 2 mit weiteren Details des Ofens
ist;
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5 eine
vergrößere Seitenansicht
des Ofens von 2 ist, die die Verbindung des
Ofens mit einem Kaltluftzufuhrsystem zeigt; und
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6A, 6B und 6C eine
Ausführungsform
eines Heißluftführungselements
zeigen, das mit dem Ofen von 2 verbunden
ist.
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Detaillierte Beschreibung
von beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile werden am besten durch
die folgenden Bezugnahme auf die 1 bis 6C der
Zeichnungen verständlich,
in denen ähnliche
Kennziffern auf ähnliche
Teile verweisen.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Systems 100 für Materialhärtungen
auf einer Verbundstruktur- bzw. konstruktion 101 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das System 100 umfasst einen
Ofen 102, ein Heißluftzufuhrsystem 104,
ein Kaltluftzufuhrsystem 106 und eine Handhabungsanordnung 108.
Gemäß den Inhalten
der vorliegenden Erfindung ist das System 100 ein tragbares,
relativ leichtes System, das in der Lage ist, hohe Härtetemperaturen
für Verbundmaterialien in
Flugzeugen, Fahrzeugen und anderen Strukturen über lange Zeiträume zu erzielen,
währenddessen
sichere Oberflächentemperaturen
und Auslassgastemperaturen für
den Ofen gewährleistet
bleiben. Ein wichtiger technischer Vorteil einiger Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist, dass das System 100 die
mit dem Zerlegen des Flugszeugs oder anderer Fahrzeuge verbundenen
Kosten bei Reparaturen erheblich reduziert und das Problem vermeidet,
Systeme des Stands der Technik zum Härten der Verbundmaterialien
verwenden zu müssen.
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Eine
Verbundstruktur 101 wird in dieser Beschreibung als ein
Teil eines Flugszeugs beschrieben; eine Verbundstruktur 101 kann
aber auch ein Teil eines anderen Fahrzeugs oder einer anderen geeigneten
Struktur sein, bei deren Herstellung Verbundstrukturen zum Einsatz
kommen. Eine Verbundstruktur 101 besteht üblicherweise
aus einem Verbundmaterial. Die Verbundstruktur 101 kann
aber auch verschiedene Beschichtungen auf ihrer Oberfläche aufweisen,
die repariert werden müssen.
Bei der Reparatur von Strukturen mit Verbundmaterialien, wie eine
Verbundstruktur 101, ist ein üblicherweise erforderlicher
Verarbeitungsschritt ein Härteschritt mit
erhöhter
Temperatur. Das System 100 führt den Härteschritt mit hoher Temperatur
in sicherer, zuverlässiger
und kostengünstiger
Weise aus.
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Der
Ofen 102 wird im Folgenden ausführlicher in Verbindung mit 2 bis 6C beschrieben.
Im Allgemeinen trifft beim Ofen 102 überhitzte trockene Luft auf
eine Oberfläche
einer Verbundstruktur 101 mit dem Zweck auf, das zur Verbundstruktur 101 gehörige Verbundmaterial
zu härten. Obwohl
der Ofen 102 in 1 so dargestellt ist, dass er
eine im Allgemeinen rechteckige Form aufweist, sind andere geeignete
Formen je nach Anwendungsbereich des Systems 100 und der
Größe und der
Gestaltung der zu reparierenden Verbundstruktur 101 möglich. Gemäß den Inhalten
einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der Ofen 102 in der Lage, Temperaturen
von 316°C
(600°F)
oder höher für längere Zeiträume zu erreichen
und zu halten, um das Härten
des zur Verbundstruktur 101 gehörenden Verbundmaterials zu
vereinfachen; es können
aber auch andere Temperaturen genutzt werden. Der Ofen 102 erreicht
dies auf eine Weise, die verschiedene Sicherheitsanforderungen erfült und Verletzungen
des Wartungspersonals vermeidet.
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Das
Heißluftzufuhrsystem
104 führt dem Ofen
102 überhitzte
trockene Luft zu. Jedes geeignete Heißluftzufuhrsystem kann genutzt
werden. Zum Beispiel ist ein solches Heißluftsystem eine Moen Gas Heating
Console, Modell Nr. HT253, die von Heat Transfer Technologies hergestellt
wird. Ein weiteres Beispiel ist ein tragbares Druckluftheizsystem, das
im
U.S.-Patent Nr. 6,018,614 beschrieben
wird. Das Heißluftzufuhrsystem
104 kann
jede geeignete Größe, Form
oder jeden geeigneten Leistungsbedarf aufweisen. Das Heißluftzuführsystem
104 ist
mit dem Ofen
102 in jeder geeigneten Weise verbunden.
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Das
Kaltluftzufuhrsystem 106 dient der Zuführung kalter trockener Luft
in den Ofen 102 zu dem Zweck, die heißen Abluftgase zu kühlen, bevor
die Gase aus dem Ofen 102 austreten. Jedes geeignete Kaltluftzufuhrsystem
kann verwendet werden, wie ein typisches Werkstattluftsystem, das
in jeder geeigneten Fertigungsanlage zu finden ist. Die durch das Kaltluftsystem 106 zugeführte Kaltluft
wird durch den Druckregulator 110 reguliert. Ein Kaltluftverteilerrohr 112 oder
mehrere Kaltluftverteilerrohre 112 transportieren die kalte
Luft vom Druckregulator 110 an verschiedene Orte im Ofen 102,
wie detaillierter im Folgenden in Verbindung mit 5 beschrieben.
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Die
Handhabungsanordnung 108 ist jede geeignete Gestaltung
der Bauweise, die dem Wartungspersonal erlaubt, den Ofen 102 zu
bedienen. Die Handhabungsanordnung 108 kann auch zur Unterstützung des
Heißluftzufuhrsystems 104 und/oder des
Kaltluftzufuhrsystems 106 und deren zugehörige Komponenten
dienen. Zum Beispiel hat die Handhabungsanordnung 108,
wie in 1 gezeigt, eine Vielzahl von Winkeleisen 114,
die zur Aufnahme des Heißluftzufuhrsystems 104 ausgestaltet
sind. Jede geeignete Verwirklichung der Handhabungsanordnung 108 kann
in Abhängigkeit
von dem zur Bedienung des Ofens 102 verfügbaren Ausstattung
und der Form und/oder Gestaltung des Ofens 102 genutzt werden.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Ofens 102, die weitere Details
des Ofens 102 veranschaulicht. Der Ofen 102 enthält eine
innere Kammer 200, eine Innenwand 202, eine äußere Kammer 204 und einen
Außenwand 206,
die zusammen die allgemeine Form des Ofens 102 definieren.
Der Ofen 102 enthält
weiterhin einen Heißluftverteiler 208,
einen Kaltluftverteiler 210, einen Abluftkamin 212,
eine Dichtung 214, eine Vielzahl von Heißluftauslassdurchtritten 216 und
eine Vielzahl von Heißluftauslass-Führungsplatten 218.
Die Handhabungsanordnung 108 wurde in 2 für eine übersichtlichere
Beschreibung weggelassen.
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Die
innere Kammer 200 befindet sich an der Stelle, an der die überhitzte
trockene Luft ihre Funktion ausführt,
das Verbundmaterial der Verbundstruktur 101 zu härten. Eine
Gestaltung und ein Volumen der inneren Kammer 200 sind durch
einen Innenbehälter 220 definiert.
Dementsprechend kann die innere Kammer jedes geeignete Volumen in
jeder geeigneten Gestaltung annehmen. In der veranschaulichten Ausführungsform
hat die innere Kammer 200 im Allgemeinen eine rechteckige
Gestaltung mit einer Tiefe von etwa 127 mm (5 Zoll). Die innere
Kammer 200 kann jedoch jede geeignete Gestaltung und jede geeignete
Tiefe aufweisen, in Abhängigkeit
von der Oberflächenausdehnung
der zu reparierenden Verbundstruktur 101 zusammen mit der
Menge der Heißluft
und der Temperatur von Heißluft,
die in die innere Kammer eintritt. In einer Ausführungsform wird die innere
Kammer 200 auf einer Temperatur von etwa 316° C (600°F) gehalten,
wobei die innere Kammer 200 aber auch auf einer niedrigeren
oder höheren
Temperatur gehalten werden kann, in Abhängigkeit von der Art des Verbundmaterials,
das in der Verbundstruktur 101 gehärtet wird. Der Innenbehälter 220 ist
ein dünnes
Metallblech oder ein anderes geeignetes Material, das das Volumen
und die Gestaltung der inneren Kammer 200, wie oben beschrieben,
definiert. In einer Ausführungsform
ist der Innenbehälter 220 aus
Edelstahl mit einer Starke von etwa 0,81 mm (0,032 Zoll) gebildet.
Es können
aber auch andere geeignete Materialien mit jeder geeigneten Stärke verwendet
werden, um den Innenbehälter 220 auszubilden.
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Die
Innenwand 202 des Ofens 102 enthält den Innenbehälter 220,
den Zwischenbehälter 222 und
eine dazwischen angebrachte Isolierung 224. Die Innenwand 200 dient
der Isolierung der äußeren Kammer 204 von
der inneren Kammer 200, so dass die äußere Kammer 204, wie
weiter unten beschrieben, auf einer geeigneten Temperatur gehalten
wird. Die Innenwand 202 weist eine Gestaltung auf, die
der allgemeinen Gestaltung des Ofens 102 entspricht; aber
es können
auch andere geeignete Gestaltungen eingesetzt werden. Der Zwischenbehälter 222 ist
ein dünnes
Metallblech oder ein anderes geeignetes Material, das in der Regel
dieselbe allgemeine Form wie der Innenbehälter 220 aufweist.
In einer Ausführungsform
ist der Innenbehälter 222 aus
Aluminium mit einer Starke von etwa 0,81 mm (0,032 Zoll) gebildet.
Es können
aber für
die Gestaltung des Zwischenbehälters 222 auch
andere geeignete Materialien mit jeder geeigneten Stärke verwendet
werden. Die Isolierung 224, die zwischen dem Innenbehälter 220 und
dem Zwischenbehälter 222 in
jeder geeigneten Weise angeordnet sein kann, kann aus jeder geeigneten
Isolierung mit jeder geeigneten Stärke gebildet sein. In einer
bestimmten Ausführungsform wird
die Isolierung 224 aus einer Saffill-Isolierung mit einer
Stärke
von etwa 31,8 mm (1 1/4 Zoll) gebildet, bevor sie zwischen der Innenwand 220 und
der Zwischenwand 222 auf eine Stärke von 15,9 mm (5/8 Zoll)
gepresst wird. Die Innenwand 202 enthält auch Heißluftauslassdurchtritte 216,
die um eine Wand davon beabstandet sind, wie im Folgenden ausführlicher
beschrieben. Die Innenwand 202 enthält auch eine Glasfaserstange 400,
die um einen Umfang davon angeordnet ist. Die Glasfaserstange 400 und
andere Einzelheiten der Innenwand 202 werden im Folgenden
ausführlicher
in Verbindung mit 4 beschrieben.
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Die äußere Kammer 204 ist
der Raum, der durch den Zwischenbehälter 222 im Außenbehälter 226 definiert
wird. Die äußere Kammer 204 übernimmt
Heißluft
von der inneren Kammer 200, die durch die Heißluftauslassdurchtritte 216 austritt
und übernimmt
auch Kaltluft vom Kaltluftverteiler 210 und transportiert
die gemischte Heiß-
und Kaltluft in den Abluftkamin 212. Die äußere Kammer 204 hat
in der Regel dieselbe allgemein Form wie der Ofen 102;
die äußere Kammer 204 kann
jedoch andere geeignete Formen aufweisen. Der Außenbehälter 226 kann aus einem
beliebigen geeigneten Material mit jeder geeigneten Stärke gebildet
werden. In einer bestimmten Ausführungsform
ist der Außenbehälter aus
einem 1,27 mm (0,05 Zoll) starken Aluminium gebildet. Die Außenkammer 204 enthält auch
Heißluftauslass-Führungsplatten 218,
die die Heißluft
von der inneren Kammer 200 aufnehmen. Die Details der Heißluftauslass-Führungsplatten 218 werden
im Folgenden in Verbindung mit 6A bis 6C beschrieben.
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Die
Außenwand 206 umfasst
die Außenwand
des Ofens 102. Die Außenwand 206 umfasst einen
Außenbehälter 226 und
eine Isolierung 228. Die Isolierung 228, die mit
einem Außenbehälter 226 in
jeder geeigneten Weise verbunden sein kann, kann aus jeder geeigneten
Isolierung mit jeder geeigneten Stärke gebildet sein. In einer
bestimmten Ausführungsform
ist die Isolierung 228 aus NomexTM-Filz gebildet,
der eine Stärke
von etwa 7,93 mm (5/16 Zoll) aufweist und am Außenbehälter 226 mit einem grauen
46146-Silikonkleber als Klebemittel befestigt ist. Je nach Kombination
der Art der verwendeten Isolierung und dessen Stärke ist die Temperatur an der
Außenseite
der Isolierung 228 eine wichtige Überlegung. Da zum Beispiel
das Wartungspersonal auf die Außenseite
der Isolierung 228 zugreifen kann, sollte sich die Oberflächentemperatur
eine sichere Temperatur aufweisen, so dass niemand verletzt wird.
Zum Beispiel beträgt
in einer Ausführungsform die
maximale Temperatur der Außenseiten
der Isolierung 228 etwa 60°C (140°C). Staatliche und/oder unternehmensinterne
Sicherheitsstandards können
fordern, dass die Oberflächentemperatur
der Isolierung 228 niedriger ist.
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Der
Heißluftverteiler 208 erhält überhitzte trockene
Luft von einem Heißluftzufuhrsystem 104 (1) über ein
Heißluftzufuhrrohr 209 und
liefert die überhitzte
trockene Luft in die innere Kammer 200, wie detaillierter
im Folgenden in Verbindung mit 3 beschrieben.
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3 ist
eine Draufsicht auf den Boden, die weitere Einzelheiten eines Heißluftverteilers 208 veranschaulicht.
Wie dargestellt, enthält
der Heißluftverteiler 208 einen
Verteilerkanal 300 und eine Vielzahl an Verteilerrohren 302 mit
einer Vielzahl darin ausgebildeter Löcher 304. Überhitzte
trockene Luft tritt in den Verteilerkanal 300 über das
Heißluftzufuhrrohr 209 ein.
Die überhitzte
trockene Luft, die in den Heißluftverteiler 208 eintritt,
wird mit einem beliebigen geeigneten Druck unter Druck gesetzt.
In einer Ausführungsform
beträgt
der Druck der überhitzten
trockenen Luft zwischen etwas 68,9 und 206,8 kPa (10 und 30 psi).
Die überhitzte
trockene Luft wird an jedes der Verteilerrohre 302 verteilt,
so dass die überhitzte
trockene Luft in die innere Kammer 200 über Löcher 304 eintreten
kann. Die Gesamtgestaltung des Heißluftverteilers 208,
wie in 3 dargestellt, ist nur eine der vielen möglichen
Gestaltungen. Die Gestaltung des Heißluftverteilers 208 wird
durch die Gestaltung des Ofens 102 und/oder der Flächenausdehnung
der zu reparierenden Verbundstruktur 101 bestimmt.
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Sowohl
der Verteilerkanal 300 als auch die Verteilerrohre 302 können aus
jedem geeigneten Material in jeder geeigneten Gestaltung geformt
sein. In einer Ausführungsform
sind sowohl der Verteilerkanal 300 und die Verteilerrohre 302 aus
Metallrohren, wie Edelstahlrohren, gebildet. In einer bestimmten Ausführungsform
ist der Verteilerkanal 300 aus einem Edelstahlrohr mit
31,8 mm (1 1/4 Zoll) Durchmesser mit einer Wandstärke von
0,89 mm (0,035 Zoll) gebildet und die Verteilerrohre 302 sind
aus einem Edelstahlrohr mit 9,52 mm (3/8 Zoll) Durchmesser und einer
Wandstärke
von 0,89 mm (0,035 Zoll) gebildet.
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Löcher 304 werden
ausgewählt,
so dass überhitzte
trockene Luft gleichmäßig verteilt
wird und auf die Oberfläche
der Verbundstruktur 101 auftrifft. Als Beispiel weisen
die Löcher 304 einen
Durchmesser von 1,27 mm (0,05 Zoll) auf; es können aber auch andere Öffnungen
in geeigneter Größe verwendet werden.
Darüber
hinaus kann jede geeignete Anzahl von Löchern 304 verwendet
werden. Sowohl die Anzahl und der Durchmesser der Löcher 304 basieren sowohl
auf der Flächenausdehnung
der zu reparierenden Verbundstruktur 101 und der Menge
an Heißluft,
die in den Heißluftverteiler 208 eintritt.
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Im
Folgenden wird erneut auf 2 Bezug genommen.
Der Heißluftverteiler 208 ist
mit einem Ofen 102 aber ein Heißluftzufuhrrohr 209 in
einer beliebigen geeigneten Weise verbunden. Das Heißluftzufuhrrohr 209 kann
aus jedem geeignetem Material gebildet sein. In einer Ausführungsform
ist das Heißluftzufuhrrohr 209 aus
einem Edelstahlrohr mit 19 mm (3/4 Zoll) Durchmesser mit einer Wandstärke von 1,47
mm (0,058 Zoll). Darüber
hinaus kann das Heißluftzufuhrrohr 209 mit
einer Isolierung 211 umwickelt sein. Die Isolierung 211 kann
jede geeignete Stärke aufweisen
und kann aus jedem geeigneten Material, wie Glasfaser, gebildet
sein.
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Der
Kaltluftverteiler 210 ist in der äußeren Kammer 204 um
einen Umfang von Ofen 102 nahe des offenen Bodens von Ofen 102 angeordnet.
Die Funktion des Kaltluftverteilers 210 ist, Kaltluft in
die äußere Kammer 204 zu
liefern, so dass sich diese mit der Heißluft aus der inneren Kammer 200 mischen kann,
bevor sie aus dem Abluftkamin 212 austritt. In der veranschaulichten
Ausführungsform
ist der Kaltluftverteiler 210 aus einem Vierkantrohr gebildet,
das aus einem beliebigen geeigneten Material mit einer beliebigen
geeigneten Stärke
sein kann. In einer Ausführungsform
wird der Kaltluftverteiler durch ein Wandvierkantrohr in den Abmessungen
25,4 mm × 12,7
mm × 3,10
mm (1 Zoll × 1/2
Zoll × 1/8
Zoll) gebildet. Weitere Einzelheiten des Kaltluftverteilers 210 werden
im Folgenden in Verbindung mit 5 beschrieben.
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Der
Abluftkamin 212 enthält
auch ein mit einer Isolierung 234 umwickeltes Rohr 232.
Der Abluftkamin 212 kann auch einen Flansch 236 und
einen Kaltluftverteiler 238 aufweisen. Der Abluftkamin 212 dient
zum Ablassen der gemischten Heißluft
und Kaltluft aus der äußeren Kammer 204 in
die Atmosphäre.
Ein wichtiger technischer Vorteil einiger Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist, dass die Luft, die aus dem Abluftkamin 212 austritt,
eine relativ sichere Temperatur hat. Zum Beispiel liegt die Temperatur
von Luft, die aus dem Abluftkamin 212 austritt, bei maximal
177° C (350°F). Darüber hinaus ist
die Länge
des Abluftkamin 212 dergestalt, dass die Luft in einem
geeigneten Abstand über
die Außenwand 206 des
Ofens 102 austritt. Im Allgemeinen wird die Höhe des Abluftkamins 212 durch
staatliche oder unternehmensinterne Sicherheitsstandards festgelegt.
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In
einer Ausführungsform
ist das Rohr 232 aus einem 6061-T6-Aluminum mit 2 Zoll
Durchmesser mit einer Wandstärke
von 1,25 mm (0,49 Zoll) gebildet, wobei das Rohr 232 aber
aus jedem beliebigen geeigneten Material in jeder geeigneten Form und
jeder geeigneten Wandstärke
gebildet werden kann. Die Isolierung 234 kann jede geeignete
Isolierung mit jeder geeigneten Stärke sein. In einer Ausführungsform
ist die Isolierung 234 aus Glasfaser gebildet. Der Abluftkamin 212 kann
mit dem Ofen 102 in jeder geeigneten Weise verbunden sein.
In der dargestellten Ausführungsform
ist der Abluftkamin 212 mit dem Außenbehälter 226 der Außenwand 206 über den
Flansch 236 verbunden. Der Flansch 236 kann mit
dem Außenbehälter 226 durch
Nieten, Verschrauben, Schweißen
oder andere geeignete Verfahren verbunden werden. Der Kaltluftverteiler 238 kann
in einigen Ausführungsformen
zum Zuleiten von zusätzlicher
Kaltluft direkt in den Abluftkamin 212 verwendet werden,
damit die Abluftgase von der äußeren Kammer 204 vor
dem Eintritt in die Atmosphäre
gekühlt
werden. Die Menge Kaltluft, die in den Abluftkamin 212 über den
Kaltluftverteiler 238 einfließt, kann durch einen Druckregulator 110 (1)
gesteuert werden. Der Kaltluftverteiler 238 kann im Abluftkamin 212 mit
jedem beliebigen geeigneten Verfahren angebunden werden.
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Die
Dichtung 214 erstreckt sich um den Umfang von Ofen 102,
um die Abdichtung des Ofens 102 an der Verbundstruktur 101 zu
vereinfachen, so dass in der inneren Kammer 200 keine Heißluft entweichen
kann. Die Dichtung 214 kann aus jedem geeigneten Material
gebildet sein. In einer Ausführungsform
wird die Dichtung 214 aus einer Glasfaserstange gebildet
und mit einem dicken Glasfaserband umwickelt und zur einfachen Anbringung
in eine geeignete Form genäht.
Die Abdichtung 214 ist mit dem Ofen 102 wie im
Folgenden in 4 beschrieben verbunden. Die
Gestaltung und Art der Dichtung 214 wird basierend auf
der Kontur der Verbundstruktur 101 so gewählt, dass
eine korrekte Versiegelung stattfinden kann.
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Die
Heißluftauslassdurchtritte 216 vereinfachen
den Austritt von Heißluft
von der inneren Kammer 200 in die äußere Kammer 204. Die
Heißluftauslassdurchtritte 216 sind
in der Innenwand 202 ausgebildet und in etwa gleich um
die Innenwand 202 beabstandet. Die Heißluftauslassdurchtritte 216 können jede
geeignete Größe und Form
aufweisen; in einer Ausführungsform
jedoch werden die Heißluftauslassdurchtritte 216 durch
Einsatz einer Vielzahl von Hohlnieten 240, wie dargestellt,
ausgebildet. Die Hohlnieten 240 können aus jedem geeigneten Material,
wie Aluminium, gebildet sein. Die Anzahl und Größe der Heißluftdurchtritte 216 hängt davon
ab, wie viel Luft in die innere Kammer 200 über den
Heißluftverteiler 208 einfließt. Die
Gesamtfläche
der Heißluftauslassdurchtritte 216 ist
größer oder
gleich der Gesamtfläche
des Löcher 304 des
Heißluftverteilers 208,
so dass ein korrekter Luftaustritt auftreten kann. In einer Ausführungsform
ist die Gesamtfläche
der Heißluftauslassdurchtritte 216 1
bis 1½ mal
die Gesamtfläche
der Löcher 304 des
Heißluftverteilers 208.
Es können
aber auch andere geeignete Verhältnisse verwendet
werden.
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Die
Heißluftauslass-Führungsplatten 218 dienen
der Aufnahme der Heißluft,
die durch die Heißluftauslassdurchtritte 216 fließt und leiten
die Heißluft
in die äußere Kammer 204,
so dass sie sich mit Kaltluft vom Kaltluftverteiler 210 mischen
kann. Die Heißluftauslass-Führungsplatten 218 können mit einem
Zwischenbehälter 222 der
Innenwand 202 in jeder geeigneten Weise verbunden sein,
wie durch Nieten, Verschrauben, Schweißen oder anderen geeigneten
Verfahren. Details der Heißluftauslass-Führungsplatten 218 werden
im Folgenden in Verbindung mit 6A bis 6C beschrieben.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Ofenteils 102, die Details des Ofens 102 ausführlicher
darstellt. Wie gezeigt, sind die Innenwand 202 und die
Außenwand 206 miteinander
durch die Schraube 230 und die Mutter 231 verbunden.
Die Verbindung wird durch ein hohles Abstandsstück 402 vereinfacht,
das in einer Glasfaserstange 400 angebracht ist und Öffnungen
aufweist, die im Kaltluftverteiler 210 ausgebildet sind.
Wenn daher die Schraube 230 angebracht wird, ist die Schraube
durch die Öffnungen
in der Isolierung 228, dem Außenbehälter 226, dem Kaltluftverteiler 210,
dem Zwischenbehälter 222,
dem Abstandsstück 402,
dem Innenbehälter 220,
der Dichtung 214 und der Titanplatte 404 angeordnet.
Sowohl die Schraube 230 als auch die Mutter 231 können aus
jedem geeigneten Material gebildet sein. Zum Beispiel kann eine
Schraube 230 eine 38,1 mm (1 1/2 Zoll) lange Aluminiumschraube
mit 4,76 mm (3/16 Zoll) Durchmesser sein.
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Das
Abstandsstück 402 ist
in einer Ausführungsform
ein in der Glasfaserstange 400 angeordnetes Aluminiumhohlrohr,
das vom Innenbehälter 220 zum
Zwischenbehälter 222 verläuft. Andere
geeignete Materialien und Komponenten können als Abstandsstück 402 verwendet
werden. Wenn das Abstandsstück 402 ein
Hohlrohr ist, kann es jeden geeigneten Durchmesser, wie 15,88 mm
(5/8 Zoll), aufweisen. Wie oben beschrieben, ist eine Glasfaserstange 400 zwischen
dem Innenbehälter 220 und dem
Zwischenbehälter 222 um
einen Umfang der Innenwand 202 eingebaut. Nach Einbau der
Glasfaserstange 400 wird ein grauer 46146-Silikonkleber
oder ein anderer geeigneter Kleber daran aufgetragen, um die Glasfaserstange 400 hier
zu befestigen.
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Die
Titanplatte 404 verläuft
um den Umfang des Ofens 102 neben dem Innenbehälter 220 und dient
dazu, die Dichtung 214 in ihrer Position zu halten. Wie
dargestellt, kann die Dichtung 214 ein Endstück 405 aufweisen,
das zwischen der Titanplatte 404 und dem Innenbehälter 220 eingelegt
ist. Die Mutter 231 übt
diese Funktion aus. Die Titanplatte 404 kann jede geeignete
Stärke
aufweisen und aus anderen geeigneten Materialien als Titan hergestellt sein.
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils eines Ofens 102, die im Detail darstellt, wie
Kaltluft über
den Kaltluftverteiler 210 in die äußere Kammer 204 fließt. Der
in 5 dargestellte Querschnitt befindet sich an einer
anderen Position um dem Umfang von Ofen 102 als der in 4.
An dieser Position fließt
Kaltluft durch die Kaltluftleitung 112 durch ein oder mehrere
Anschlussstücke 500 und
in den Kaltluftverteiler 210. Eine Vielzahl von in etwa
gleich beabstandeten Löchern 502 sind
in einer Oberseite des Kaltluftverteilers 210 ausgebildet,
so dass die Kaltluft in die äußere Kammer 204 eintreten
und sich unter Umständen
mit der Heißluft
aus der inneren Kammer 200 mischen kann. Die Kaltluft wird
durch den Druckregulator 110 (1) reguliert
und kann jede geeignete Temperatur aufweisen. Üblicherweise wird die Außenlufttemperatur
verwendet, es können aber
auch kühlere
oder wärmere
Temperaturen verwendet werden. Die Kaltluft kann von 17,2 bis 68,9 kPa
(2½ bis
10 psi) beliebig unter Druck gesetzt werden.
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Die
Löcher 502 sind
um den Umfang des Kaltluftverteilers 210 in einer beliebigen
geeigneten Weise beabstandet. In einer Ausführungsform wird ein Abstand
von einem Zoll verwendet. Darüber
hinaus kann jeder geeignete Durchmesser für die Löcher 502 verwendet
werden. In einer Ausführungsform
sind die Löcher 502 #40-Löcher, das
heißt,
ihr Durchmesser beträgt
in etwa 2,49 mm (0,098 Zoll). Die Kaltluft, die in die äußere Kammer 204 eintritt,
ist in der Regel Werkstattluft, die trocken ist und Umgebungstemperatur
hat.
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6A–6C veranschaulichen
eine Ausführungsform
der Heißluftauslass-Führungsplatten 218.
Wie dargestellt, ist die Heißluftauslass-Führungsplatte 218 auf
einem flachen Stück
Metall mit einer darin ausgebildeten Rinne 600 gestaltet,
um einen Durchgang für
die Heißluft
zu bilden, die aus der inneren Kammer 200 kommt. In einer
Ausführungsform
ist die Heißluftauslass-Führungsplatte 218 aus Aluminium
mit einer Stärke
von etwa 0,51 mm (0,020 Zoll) gebildet. Es können aber andere geeignete
Materialien und Stärken
verwendet werden. Die Rinne 600 kann jede geeignete Länge aufweisen
und hat in der Regel eine Länge,
die keine heiße
Stellen am Außenbehälter 226 verursacht.
Anders ausgedrückt, stößt die Heißluft, die
von der inneren Kammer 200 in die Rinne 600 einfließt, nicht
direkt an den Außenbehälter 226,
sondern fließt
nach oben durch die Rinne 600, bevor sie sich mit der Kaltluft
in der äußeren Kammer 204 mischt.
Die Heißluftauslass- Führungsplatten 218 können mit
einem Zwischenbehälter 222 in
jeder geeigneten Weise verbunden sein, wie durch Nieten, Verschrauben,
Schweißen.
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Bei
Betrieb des Systems 100 und mit Bezugnahme auf 2 wird
der Ofen 102 auf die Oberfläche einer Verbundstruktur 101 aufgesetzt,
um das Härten
des Verbundmaterials der Verbundstruktur 101 zu vereinfachen.
Die Handhabungsanordnung 108 wird vom Wartungspersonal
zum Positionieren des Ofens 102 auf der Oberfläche der
Verbundstruktur 101 verwendet. Das Wartungspersonal stellt
sicher, dass eine gute Abdichtung zwischen der Abdichtung 214 und
der Oberfläche
der Verbundstruktur 101 beibehalten wird. Sowohl das Heißluftzufuhrsystem 104 als
auch das Kaltluftzufuhrsystem 106 wie die zugehörigen Rohrleitungen
sind hier korrekt mit dem Ofen 102 verbunden. Zum Beispiel
ist das Heißluftzufuhrsystem 104 mit
dem Heißluftzufuhrrohr 209 und
das Kaltluftzufuhrsystem 106 mit dem Druckregulator 110 verbunden
(1).
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Danach
wird dem Heißluftverteiler 208 überhitzte
trockene Luft zugeleitet. Die überhitzte
trockene Luft wird auf die Oberfläche der Verbundstruktur 101 über Löcher 304 der
Verteilerrohre 302 gestoßen. Ist die gewünschte Härtetemperatur
erreicht, wird sie für
einen bestimmten Zeitraum gehalten. Während des Härteprozesses tritt Heißluft durch
die Heißluftauslassdurchtritte 216 in
die äußere Kammer 204,
in der sie sich mit Kaltluft vom Kaltluftverteiler 210 mischt.
Die gemischte Heiß-
und Kaltluft fließt durch
die äußere Kammer 204 bis
sie den Abluftkamin 212 erreicht, in den weitere Kaltluft über den
Kaltluftverteiler 238 eingeleitet wird, um die Gase vor dem
Verlassen des Ofens 102 weiter zu kühlen.
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Die überhitzte
trockene Luft wird mit einem Druck zwischen 68,9 und 206,8 kPa (10
und 30 psi) unter Druck gesetzt und die Kaltluft wird mit einem Druck
vom 17,2 und 68,9 kPa (2½ bis
10 psi) unter Druck gesetzt. Das Zusammenspiel von Isolierung 224,
Kaltluft aus dem Kaltluftverteiler 210 und der Isolierung 228 hält die Außenseite
der Isolierung 228 auf einer angemessenen Temperatur, um
Verletzungen des Wartungspersonals zu vermeiden. Darüber hinaus
verhindern Heißluftauslass-Führungsplatten 218 etwaige
heiße
Stellen auf einer Außenseite der Isolierung 228 um
die Seiten von Ofen 102. Nachdem die Verbundstruktur 101 ausreichend
gehärtet
ist, können
sowohl das Heißluftzufuhrsystem 104 als auch
das Kaltluftzufuhrsystem 106 abgeschaltet werden und der
Ofen 102 von der Verbundstruktur 101 entfernt
werden, so dass der Ofen 102 an eine andere Stelle transportiert
und verwendet werden kann, um andere Verbundstrukturen zu härten. Die
Tragbarkeit und das leichte Gewicht des Ofens 102 erleichtern
das einfache und schnelle Harten der Verbundstrukturen auf kostengünstige Weise.
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Obwohl
Ausführungsformen
der Erfindung und deren Vorteile im Detail beschrieben wurden, kann
ein Kenner der Technik verschiedene Abänderungen, Hinzufügungen und
Weglassungen vornehmen, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen, wie dieser in den angehängten Ansprüchen definiert ist.