ES2289241T3 - Sistema y procedimiento para curar material compuesto. - Google Patents
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Abstract
Un sistema para curar un material compuesto (101), que comprende: un horno (102), comprendiendo el horno (102): una pared interna (202) que define una cámara interna (200); un colector de distribución de aire caliente (208) dispuesto dentro de la cámara interna (200); un sistema de suministro de aire caliente (104) acoplado al colector de distribución de aire caliente (208) y operable para suministrar aire caliente al colector de distribución de aire caliente (208); y una chimenea de escape (212); caracterizado porque el horno comprende una pared externa (206), definiendo la pared externa (206) y la pared interna (202) una cámara externa (204) entre las mismas; y un colector de distribución de aire frío (210) dispuesto dentro de la cámara externa (204); y en el que la chimenea de escape está acoplada a la cámara externa (204), teniendo la chimenea de escape (212) un conducto de distribución de aire frío (238) dispuesto en la misma; y el sistema comprende además: un sistema de suministro deaire frío (106) acoplado al colector de distribución de aire frío (210) y al conducto de distribución de aire frío (238) y operable para suministrar aire frío al colector de distribución de aire frío (210) y al conducto de distribución de aire frío (238); y una pluralidad de pasajes de escape de aire caliente (216) formados en la pared interna (202), adaptados los pasajes de escape de aire caliente (216) para transportar el aire caliente contenido en la cámara interna (200) a la cámara externa (204).
Description
Sistema y procedimiento para curar material
compuesto.
La presente invención se refiere en general al
campo de los sistemas de curado y, más especialmente, a un sistema
y procedimiento para curar material compuesto.
Las estructuras compuestas son deseables en
muchas industrias para muchas aplicaciones. Por ejemplo, los
vehículos aeronáuticos, espaciales y de tierra/mar emplean una
variedad de materiales compuestos en su fabricación. Como en el
caso con otros materiales, los materiales compuestos a veces tienen
que ser reparados. Uno de los procesos implicados típicamente en la
reparación de materiales compuestos es un proceso de curado. Un
proceso de curado normalmente se lleva a cabo a una temperatura
elevada. Este proceso de curado a temperatura elevada crea
dificultades en la reparación de materiales compuestos cuando el
material compuesto es en la forma de una estructura compuesta que
ya está integrada en una aeronave u otro vehículo.
Un procedimiento para reparar estructuras
compuestas en, por ejemplo, una aeronave es desensamblar la aeronave
o una porción de la misma para que la estructura compuesta pueda
ser reparada y posteriormente curada en un horno o autoclave. Sin
embargo, este procedimiento es a menudo extremadamente costoso y
pierde una cantidad considerable de tiempo cuando se repara una
aeronave.
Otro procedimiento para curar estructuras
compuestas en una aeronave es el uso de una o más mantas de
calentamiento que se tienden en la parte superior del área de la
estructura compuesta que se está reparando. Sin embargo, algunos
problemas asociados con el uso de mantas de calentamiento son que
muchas mantas de calentamiento sólo son buenas hasta una
temperatura de 260ºC (500ºF) aproximadamente y las mantas de
calentamiento tienen una tendencia a adherirse a los materiales
compuestos que se están curando, lo cual puede ser perjudicial para
el proceso de reparación.
Otro procedimiento para curar materiales
compuestos en una aeronave es usar hornos portátiles. Sin embargo,
muchos hornos portátiles anteriores que se han usado para la
reparación en aeronaves de materiales compuestos sólo han sido
adecuados para bajas temperaturas, como un máximo de 127ºC
(260ºF).
La patente estadounidense
US-A-4.652.319 describe un horno
adaptable que tiene paredes laterales flexibles para permitirle
conformarse a y sellarse contra una superficie contorneada.
Según una forma de realización de la invención,
un sistema para curar un material compuesto incluye un horno que
tiene una pared interna que define una cámara interna, una pared
externa que define una cámara externa entre la pared interna y la
pared externa, un colector de distribución de aire caliente
dispuesto dentro de la cámara interna, un colector de distribución
de aire frío dispuesto dentro de la cámara externa y una chimenea
de escape que tiene un conducto de distribución de aire frío
dispuesto en la misma acoplado a la cámara externa. El sistema
incluye además un sistema de suministro de aire caliente acoplado al
colector de distribución de aire caliente del horno que es operable
para suministrar aire caliente al colector de distribución de aire
caliente, un sistema de suministro de aire frío acoplado al colector
de distribución de aire frío y al conducto de distribución de aire
frío que es operable para suministrarles aire frío, y una pluralidad
de pasajes de escape de aire caliente formados en la pared interna
del horno. Los pasajes de escape de aire caliente están adaptados
para transportar el aire caliente contenido en la cámara interna a
la cámara externa.
Otro procedimiento para curar materiales
compuestos en una aeronave es usar un sistema portátil que incluye
lo siguiente: un horno semidescubierto que tiene una cámara interna,
un primer aislamiento que rodea a la cámara interna, una cámara
externa que rodea al primer aislamiento, y un segundo aislamiento
dispuesto en una superficie exterior de la cámara externa. Un
grosor del primer aislamiento y un grosor del segundo aislamiento
son de tal modo que una temperatura de superficie de una superficie
exterior del segundo aislamiento no es de más de 60ºC (140ºF)
cuando la cámara interna está a una temperatura de al menos 260ºC
(500ºF). Un colector de distribución de aire caliente se dispone
dentro de la cámara interna, un colector de distribución de aire
frío se dispone dentro de la cámara externa, y una chimenea de
escape que tiene un material aislante acoplado a un exterior de la
misma está acoplada a la cámara externa. El colector de distribución
de aire caliente comprende una cámara impelente, una pluralidad de
tubos de dispersión acoplados a la cámara impelente, y una
pluralidad de orificios formados en cada tubo de
dispersión.
dispersión.
El sistema incluye además un sistema de
suministro de aire caliente acoplado al colector de distribución de
aire caliente del horno a través de un tubo de suministro de aire
caliente para suministrar aire seco sobrecalentado al colector de
distribución de aire caliente, un sistema de suministro de aire frío
acoplado al colector de distribución de aire frío del horno para
suministrar aire seco frío al colector de distribución de aire frío,
y una pluralidad de pasajes de escape de aire caliente formados en
la pared interna del horno. Los pasajes de escape de aire caliente
están adaptados para transportar el aire caliente contenido en la
cámara interna a la cámara externa. Una relación de un área total
de los pasajes de escape de aire caliente a un área total de los
orificios de los tubos de dispersión es igual a al menos uno.
El sistema incluye además un sello aislante
dispuesto alrededor de un perímetro de la pared interna, un perno y
una tuerca que acoplan la pared interna y la pared externa, y una
placa de retención que se extiende alrededor de un interior de la
cámara interna adyacente al perímetro para retener el sello aislante
en su lugar. Una pluralidad de placas guía de aire caliente están
acopladas a la pared interna y dispuestas dentro de la cámara
externa. Cada placa guía de aire caliente tiene un canal adaptado
para recibir aire caliente desde un pasaje de escape de aire
caliente respectivo y transportar el aire caliente dentro de la
cámara externa. El sistema incluye además una cuerda aislante
dispuesta entre la caja interna y la caja externa adyacente al
primer aislamiento y que se extiende alrededor de un perímetro de
la pared interna. Una estructura de manipulación también está
acoplada a un exterior del horno.
Este sistema portátil ha sido probado de forma
experimental en bombarderos B-2 durante los tres
últimos años.
Las formas de realización de la invención
proporcionan un número de ventajas técnicas. Las formas de
realización de la invención pueden incluir todas, algunas, o
ninguna de estas ventajas. Un sistema portátil manufacturado según
una forma de realización de la presente invención reúne los
requisitos de seguridad para reparaciones en aeronaves de
materiales compuestos. Por ejemplo, una superficie exterior de un
horno de tal sistema obtiene una temperatura máxima que es de menos
de 60ºC (140ºF). Esto permite al personal de mantenimiento de la
aeronave trabajar sin miedo a quemarse. Una temperatura de escape
del aire que sale del horno obtiene una temperatura de no más de
176ºC (350ºF) aproximadamente la cual es una temperatura adecuada
para evitar la inflamabilidad de materiales u otras sustancias. Tal
sistema también es capaz de alcanzar altas temperaturas de curado
dentro del horno para materiales compuestos en la aeronave y
mantener esta temperatura durante largos periodos. Esto reduce de
forma significativa el coste asociado con tener que desensamblar una
aeronave o porciones de una aeronave para reparaciones y elimina
los problemas de tener que usar mantas de calentamiento. Tal sistema
también puede ser lo suficientemente pequeño y lo suficientemente
ligero para ser manipulado y transportado con facilidad por el
personal de mantenimiento.
Otras ventajas técnicas son fácilmente evidentes
para alguien experto en la materia por las siguientes figuras,
descripciones y reivindicaciones.
Para un entendimiento más completo de la
invención, y para características y ventajas adicionales, se hace
ahora referencia a la siguiente descripción, tomada en conjunción
con los dibujos adjuntos, en los que:
la Fig. 1 es una vista en perspectiva de un
sistema para curados de materiales en aeronaves según una forma de
realización de la presente invención;
la Fig. 2 es una vista en sección transversal
de un horno del sistema de la Fig. 1;
la Fig. 3 es una vista en planta de un
colector de distribución de aire caliente del horno de la Fig. 2
según una forma de realización de la presente invención;
la Fig. 4 es una vista a escala ampliada de
un lado del horno de la Fig. 2 que muestra detalles adicionales del
horno;
la Fig. 5 es una vista a escala ampliada de
un lado del horno de la Fig. 2 que muestra el acoplamiento del
horno a un sistema de suministro de aire frío; y
las Figs. 6A, 6B y 6C ilustran una forma de
realización de un elemento de guía de aire caliente asociado con el
horno de la Fig. 2.
Las formas de realización ejemplares de la
presente invención y sus ventajas son mejor entendidas por la
referencia ahora a las Figs. 1 a 6C de los dibujos, en los que
números similares se refieren a partes similares.
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un
sistema 100 para curados de materiales en aeronaves de una
estructura compuesta 101 según una forma de realización de la
presente invención. El sistema 100 incluye un horno 102, un sistema
de suministro de aire caliente 104, un sistema de suministro de aire
frío 106 y una estructura de manipulación 108. Según las enseñanzas
de la presente invención, el sistema 100 es un sistema portátil de
peso ligero relativamente que es capaz de alcanzar altas
temperaturas de curado para materiales compuestos en aeronaves,
vehículos y otras estructuras durante largos periodos de tiempo,
mientras que mantiene temperaturas de la superficie y temperaturas
del gas de escape seguras para el horno. Una ventaja técnica
importante de algunas formas de realización de la presente
invención es que el sistema 100 reduce de forma significativa los
costes asociados con tener que desensamblar una aeronave u otro
vehículo para reparaciones y elimina los problemas de tener que
usar sistemas anteriores para curar materiales compuestos.
La estructura compuesta 101 se describe en esta
invención como una porción de una aeronave; sin embargo, la
estructura compuesta 101 puede ser una porción de otros vehículos u
otras estructuras apropiadas que empleen estructuras compuestas en
su fabricación. La estructura compuesta 101 consiste típicamente en
un material compuesto. Sin embargo, la estructura compuesta 101
también puede tener diversos revestimientos en su superficie que
necesiten ser reparados. Cuando se reparan estructuras que tienen
materiales compuestos, como la estructura compuesta 101, una etapa
de procesamiento que es típicamente requerida es una etapa de curado
a temperatura elevada. El sistema 100 realiza esta etapa de curado
a alta temperatura de una manera segura, fiable, y rentable.
El horno 102 se describe en mayor detalle
posteriormente en conjunción con las Figs. 2 a 6C. En general, el
horno 102 impacta aire seco sobrecalentado contra una superficie de
la estructura compuesta 101 con el fin de curar el material
compuesto asociado con la estructura compuesta 101. Aunque el horno
102 es ilustrado en la Fig. 1 teniendo una forma generalmente
rectangular, otras formas apropiadas son posibles dependiendo de la
aplicación para el sistema 100 y el tamaño y configuración de la
estructura compuesta 101 que se está reparando. Según las
enseñanzas de una forma de realización de la presente invención, el
horno 102 es capaz de alcanzar y mantener temperaturas de 316ºC
(600ºF) o más durante largos periodos de tiempo para facilitar el
curado del material compuesto asociado con la estructura compuesta
101; sin embargo, se pueden utilizar otras temperaturas. El horno
102 logra esto de una manera que reúne diversos requisitos de
seguridad y evita lesiones al personal de mantenimiento.
El sistema de suministro de aire caliente 104
suministra aire seco sobrecalentado al horno 102. Cualquier sistema
de suministro de aire caliente apropiado puede ser utilizado. Por
ejemplo, un sistema de suministro de aire caliente de ese tipo es
una consola de calentamiento a gas Moen, Modelo Número HT253,
manufacturada por Heat Transfer Technologies. Otro ejemplo es un
sistema de calentamiento de aire comprimido portátil descrito en la
patente estadounidense número 6.018.614. El sistema de suministro de
aire caliente 104 puede tener cualquier tamaño, forma, o requisitos
de potencia apropiados. El sistema de suministro de aire caliente
104 se acopla al horno 102 de cualquier manera apropiada.
El sistema de suministro de aire frío 106
funciona para suministrar aire seco frío al horno 102 con el fin de
enfriar los gases de escape calientes antes de que los gases salgan
del horno 102. Se puede utilizar cualquier sistema de suministro de
aire frío apropiado, como el aire de taller típico encontrado en
cualquier planta de fabricación apropiada. El aire frío
suministrado por el sistema de suministro de aire frío 106 es
regulado por un regulador de presión 110. Uno o más conductos de
aire frío 112 transportan el aire frío desde el regulador de
presión 110 hasta diversos lugares en el horno 102, como se describe
en más detalle posteriormente en conjunción con la Fig. 5.
La estructura de manipulación 108 es cualquier
configuración estructural apropiada que permite al personal de
mantenimiento manipular el horno 102. La estructura de manipulación
108 también puede funcionar para soportar el sistema de suministro
de aire caliente 104 y/o el sistema de suministro de aire frío 106 y
sus componentes asociados. Por ejemplo, como se muestra en la Fig.
1, la estructura de manipulación 108 tiene una pluralidad de
hierros angulares 114 configurados para aceptar el sistema de
suministro de aire caliente 104. Se puede utilizar cualquier
disposición apropiada de estructura de manipulación 108 dependiendo
del equipo disponible para manipular el horno 102 y la forma y/o
configuración del horno 102.
La Fig. 2 es una vista en sección transversal
del horno 102 que ilustra detalles adicionales del horno 102. El
horno 102 incluye una cámara interna 200, una pared interna 202, una
cámara externa 204, y una pared externa 206 que definen
colectivamente la forma general del horno 102. El horno 102 incluye
además un colector de distribución de aire caliente 208, un
colector de distribución de aire frío 210, una chimenea de escape
212, un sello 214, una pluralidad de pasajes de escape de aire
caliente 216, y una pluralidad de placas guía de escape de aire
caliente 218. La estructura de manipulación 108 no es mostrada en la
Fig. 2 con fines de claridad de descripción.
La cámara interna 200 es donde el aire seco
sobrecalentado realiza su función para curar el material compuesto
de la estructura compuesta 101. Una configuración y un volumen de la
cámara interna 200 es definido por una caja interna 220. Como
consecuencia, la cámara interna 200 puede tener cualquier volumen
apropiado en cualquier configuración apropiada. En la forma de
realización ilustrada, la cámara interna 200 tiene una configuración
generalmente rectangular con una profundidad de aproximadamente 127
mm (cinco pulgadas). Sin embargo, la cámara interna 200 puede tener
cualquier configuración apropiada y cualquier profundidad apropiada
dependiendo del área de la superficie de la estructura compuesta
101 que se está reparando junto con la cantidad de aire caliente y
temperatura de aire caliente que entra en la cámara interna 200. En
una forma de realización, la cámara interna 200 es mantenida a una
temperatura de aproximadamente 316ºC (600ºF); sin embargo, la cámara
interna 200 puede ser mantenida a temperaturas inferiores o
superiores dependiendo del tipo de material compuesto que se está
curando en la estructura compuesta 101. La caja interna 220 es una
hoja de metal fina u otro material apropiado que define el volumen
y configuración de la cámara interna 200, como se describe
anteriormente. En una forma de realización, la caja interna 220
está formada de acero inoxidable que tiene un grosor de
aproximadamente 0,81 mm (0,032 pulgadas). Sin embargo, otros
materiales apropiados que tengan cualquier grosor apropiado se
pueden usar para formar la caja interna 220.
La pared interna 202 del horno 102 incluye la
caja interna 220, una caja intermedia 222, y un aislamiento 224
dispuesto entre las mismas. La pared interna 200 funciona para
aislar la cámara externa 204 de la cámara interna 200 para que la
cámara externa 204 sea mantenida a una temperatura adecuada, como se
describe más aún a continuación. La pared interna 202 tiene una
configuración que se ajusta a la configuración general del horno
102; sin embargo, se pueden utilizar otras configuraciones
apropiadas. La caja intermedia 222 es una hoja de metal fina u otro
material apropiado que típicamente tiene la misma forma general que
la caja interna 220. En una forma de realización, la caja
intermedia 222 está formada de aluminio que tiene un grosor de
aproximadamente 0,81 mm (0,032 pulgadas). Sin embargo, otros
materiales apropiados que tengan cualquier grosor apropiado se
pueden usar para formar la caja intermedia 222. El aislamiento 224,
que puede estar dispuesto entre la caja interna 220 y la caja
intermedia 222 de cualquier manera apropiada, puede estar formado de
cualquier aislamiento apropiado que tenga cualquier grosor
apropiado. En una forma de realización particular, el aislamiento
224 está formado de aislamiento saffill que tiene un grosor de
aproximadamente 31,8 mm (1¼ pulgadas) antes de ser comprimido entre
la pared interna 220 y la pared intermedia 222 a un grosor de 15,9
mm (5/8 pulgadas). La pared interna 202 también incluye pasajes de
escape de aire caliente 216 separados alrededor de una pared de la
misma, como se describe en más detalle posteriormente. La pared
interna 202 también incluye una cuerda de fibra de vidrio 400
dispuesta alrededor de un perímetro de la misma. La cuerda de fibra
de vidrio 400, y otros detalles de la pared interna 202, se
describen en más detalle posteriormente en conjunción con la Fig.
4.
La cámara externa 204 es el espacio que se
define por la caja intermedia 222 y una caja externa 226. La cámara
externa 204 acepta aire caliente de la cámara interna 200 que es
extraído a través de pasajes de escape de aire caliente 216 y
también acepta aire frío del colector de distribución de aire frío
210 y transporta el aire caliente y frío mezclado a la chimenea de
escape 212. La cámara externa 204 típicamente tiene la misma forma
general que el horno 102; sin embargo, la cámara externa 204 puede
tener otras formas apropiadas. La caja externa 226 puede estar
formada de cualquier material apropiado que tenga cualquier grosor
apropiado. En una forma de realización particular, la caja externa
226 está formada de aluminio de 1,27 mm (0,05 pulgadas) de grosor.
La cámara externa 204 también incluye placas guía de escape de aire
caliente 218 que aceptan el aire caliente de la cámara interna 200.
Detalles de las placas guía de escape de aire caliente 218 se
describen posteriormente en conjunción con las Figs. 6A a 6C.
La pared externa 206 comprende la pared externa
del horno 102. La pared externa 206 incluye la caja externa 226 y
un aislamiento 228. El aislamiento 228, que se puede acoplar a la
caja externa 226 de cualquier manera apropiada, puede estar formado
de cualquier aislamiento apropiado que tenga cualquier grosor
apropiado. En una forma de realización particular, el aislamiento
228 está formado de fieltro Nomex^{TM} que tiene un grosor de
aproximadamente 7,93 mm (5/16 pulgadas) y unido a la caja externa
226 usando un adhesivo de silicio gris 46146 como agente de unión.
Dependiendo de la combinación del tipo de aislamiento usado y su
grosor, una consideración importante es la temperatura de la
superficie exterior del aislamiento 228. Por ejemplo, ya que la
superficie exterior del aislamiento 228 está expuesta al personal de
mantenimiento, entonces la temperatura de su superficie debería
estar a una temperatura segura para que el personal de mantenimiento
no se lesione. Por ejemplo, en una forma de realización, una
temperatura de la superficie exterior máxima del aislamiento 228 es
aproximadamente de 60ºC (140ºF). Las normas de seguridad federales
y/o empresariales pueden exigir que la temperatura de la superficie
del aislamiento 228 esté a una temperatura inferior.
El colector de distribución de aire caliente 208
recibe aire seco sobrecalentado del sistema de suministro de aire
caliente 104 (Fig. 1) a través de un tubo de suministro de aire
caliente 209 y reparte el aire seco sobrecalentado a la cámara
interna 200, como se describe en más detalle a continuación en
conjunción con la Fig. 3.
La Fig. 3 es una vista en planta desde abajo que
ilustra detalles adicionales del colector de distribución de aire
caliente 208. Como se ilustra, el colector de distribución de aire
caliente 208 incluye una cámara impelente 300 y una pluralidad de
tubos de dispersión 302 que tienen una pluralidad de agujeros 304
formados en los mismos. El aire seco sobrecalentado entra en la
cámara impelente 300 a través del tubo de suministro de aire
caliente 209. El aire seco sobrecalentado que entra en el colector
de distribución de aire caliente 208 es presurizado a cualquier
presión apropiada. En una forma de realización, la presión del aire
seco sobrecalentado es entre aproximadamente 68,9 y 206,8 kPa (10 y
30 psi). El aire seco sobrecalentado es distribuido a cada uno de
los tubos de dispersión 302 para que el aire seco sobrecalentado
pueda entrar en la cámara interna 200 a través de los agujeros 304.
La configuración general del colector de distribución de aire
caliente 208 como se muestra en la Fig. 3 es sólo una de muchas
configuraciones que son posibles. La configuración del colector de
distribución de aire caliente 208 es determinada por la
configuración del horno 102 y/o el área de la superficie de la
estructura compuesta 101 que se está reparando. Tanto la cámara
impelente 300 como los tubos de dispersión 302 pueden estar
formados de cualquier material apropiado que tenga cualquier
configuración apropiada. En una forma de realización, tanto la
cámara impelente 300 como los tubos de dispersión 302 están
formados de tubos de metal, como tubos de acero inoxidable. En una
forma de realización particular, la cámara impelente 300 está
formada de un tubo de acero inoxidable de 31,8 mm (1¼ pulgadas) de
diámetro que tiene una pared de 0,89 mm (0,035 pulgadas) de grosor
y los tubos de dispersión 302 están formados de un tubo de acero
inoxidable de 9,52 mm (3/8 pulgadas) de diámetro que tiene una pared
de 0,89 mm (0,035 pulgadas) de grosor.
Los agujeros 304 son seleccionados para que el
aire seco sobrecalentado se disperse e impacte de manera uniforme
contra la superficie de la estructura compuesta 101. Como ejemplo,
los agujeros 304 tienen un diámetro de 1,27 mm (0,05 pulgadas); sin
embargo, se pueden utilizar otros orificios de tamaño apropiado.
Además, se puede utilizar cualquier número apropiado de agujeros
304. Tanto el número como el diámetro de los agujeros 304 se basan
tanto en el área de la superficie de la estructura compuesta 101 que
se está reparando como en la cantidad de aire caliente que está
entrando en el colector de distribución de aire caliente 208.
Con referencia de nuevo a la Fig. 2, el colector
de distribución de aire caliente 208 está acoplado al horno 102 a
través del tubo de suministro de aire caliente 209 de cualquier
manera apropiada. El tubo de suministro de aire caliente 209 puede
estar formado de cualquier material apropiado. En una forma de
realización, el tubo de suministro de aire caliente 209 está
formado de un tubo de acero inoxidable de 19 mm (3/4 pulgadas) de
diámetro que tiene un grosor de pared de 1,47 mm (0,058 pulgadas).
Además, el tubo de suministro de aire caliente 209 puede estar
envuelto con un aislamiento 211. El aislamiento 211 puede tener
cualquier grosor apropiado y puede estar formado de cualquier
material apropiado, como material de fibra de vidrio.
El colector de distribución de aire frío 210
está dispuesto dentro de la cámara externa 204 alrededor de un
perímetro del horno 102 cerca de la parte inferior abierta del horno
102. La función del colector de distribución de aire frío 210 es
repartir aire frío a la cámara externa 204 para que se pueda mezclar
con el aire caliente de la cámara interna 200 antes de extraerse
fuera de la chimenea de escape 212. En la forma de realización
ilustrada, el colector de distribución de aire frío 210 está formado
de una tubería rectangular, que puede ser cualquier material
apropiado que tenga cualquier grosor de pared apropiado. En una
forma de realización, el colector de distribución de aire frío está
formado de una tubería rectangular de 25,4 mm x 12,7 mm x 3,18 mm
(1 pulgada x 1/2 pulgada x 1/8 pulgada) de pared. Detalles
adicionales del colector de distribución de aire frío 210 se
describen posteriormente en conjunción con la Fig. 5.
La chimenea de escape 212 incluye un tubo 232
envuelto por un aislamiento 234. La chimenea de escape 212 también
puede tener una brida 236 y un colector de distribución de aire frío
238. La chimenea de escape 212 funciona para extraer el aire
caliente y el aire frío mezclados de la cámara externa 204 a la
atmósfera. Una ventaja técnica importante de algunas formas de
realización de la presente invención es que el aire que muestra la
chimenea de escape 212 está a una temperatura relativamente segura.
Por ejemplo, una temperatura del aire que se extrae de la chimenea
de escape 212 está a una temperatura máxima de 177ºC (350ºF).
Además, una longitud de la chimenea de escape 212 es tal que el
aire se extrae a una distancia apropiada por encima de la pared
externa 206 del horno 102. Generalmente, la altura de la chimenea de
escape 212 está determinada por normas de seguridad federales y/o
empresariales.
En una forma de realización, el tubo 232 está
formado de un aluminio 6061-T6 de dos pulgadas de
diámetro que tiene un grosor de pared de 1,25 mm (0,049 pulgadas);
sin embargo, el tubo 232 puede estar formado de cualquier material
apropiado que tenga cualquier forma apropiada y grosor de pared
apropiado. El aislamiento 234 puede ser cualquier aislamiento
apropiado que tenga cualquier grosor apropiado. En una forma de
realización, el aislamiento 234 está formado de fibra de vidrio. La
chimenea de escape 212 se puede acoplar al horno 102 de cualquier
manera apropiada. En la forma de realización ilustrada, la chimenea
de escape 212 se acopla a la caja externa 226 de la pared externa
206 a través de la brida 236. La brida 236 se puede acoplar a la
caja externa 226 mediante remachado, empernado, soldadura, u otros
procedimientos apropiados. El colector de distribución de aire frío
238 se puede usar en algunas formas de realización para inyectar
aire frío adicional a la chimenea de escape 212 con el fin de
enfriar los gases de escape de la cámara externa 204 antes de que
salgan a la atmósfera. La cantidad de aire frío que entra en la
chimenea de escape 212 desde el colector de distribución de aire
frío 238 puede ser controlada por el regulador de presión 110 (Fig.
1). El colector de distribución de aire frío 238 se puede acoplar
en el interior de la chimenea de escape 212 usando cualquier
procedimiento apropiado.
El sello 214 se extiende alrededor de un
perímetro del horno 102 para facilitar el sellado del horno 102 a
la estructura compuesta 101 para que el aire caliente contenido en
la cámara interna 200 no se pueda escapar. El sello 214 puede estar
formado de cualquier material apropiado. En una forma de
realización, el sello 214 está formado de cuerda de fibra de vidrio
y envuelto con una cinta de fibra de vidrio gruesa y cosido en una
forma apropiada para la fácil instalación. El sello 214 se acopla al
horno 102 como se describe posteriormente en conjunción con la Fig.
4. La configuración y tipo de sello 214 se elige en base al contorno
de la estructura compuesta 101 para que pueda tener lugar el
correcto sellado.
Los pasajes de escape de aire caliente 216
facilitan la extracción del aire caliente contenido en la cámara
interna 200 a la cámara externa 204. Los pasajes de escape de aire
caliente 216 están formados en la pared interna 202 y separados de
forma similar aproximadamente alrededor de la pared interna 202. Los
pasajes de escape de aire caliente 216 pueden tener cualquier
tamaño y forma apropiados; sin embargo, en una forma de
realización, los pasajes de escape de aire caliente 216 se forman
utilizando una pluralidad de remaches huecos 240, como se ilustra.
Los remaches huecos 240 pueden estar formados de cualquier material
apropiado, como aluminio. El número y tamaño de los pasajes de aire
caliente 216 dependen de cuánto aire está entrando en la cámara
interna 200 a través del colector de distribución de aire caliente
208. El área total de los pasajes de escape de aire caliente 216 es
mayor que o igual al área total de los agujeros 304 del colector de
distribución de aire caliente 208 para que se pueda producir una
correcta extracción. En una forma de realización, un área total de
los pasajes de escape de aire caliente 216 es de una a una vez y
media el área total de los agujeros 304 del colector de
distribución de aire caliente 208. Sin embargo, se pueden utilizar
otras relaciones apropiadas.
Las placas guía de escape de aire caliente 218
funcionan para aceptar aire caliente que se desplaza por los
pasajes de escape de aire caliente 216 y transportar el aire
caliente a la cámara externa 204 para que se pueda mezclar con el
aire frío que viene del colector de distribución de aire frío 210.
Las placas guía de escape de aire caliente 218 se pueden acoplar a
la caja intermedia 222 de la pared interna 202 de cualquier manera
apropiada, como el remachado, empernado, soldadura, u otros
procedimientos apropiados. Detalles de las placas guía de escape de
aire caliente 218 se describen posteriormente en conjunción con las
Figs. 6A a 6C.
La Fig. 4 es una vista a escala ampliada de una
porción del horno 102 que muestra detalles del horno 102 en mayor
detalle. Como se ilustra, la pared interna 202 y la pared externa
206 se acoplan entre sí a través de un perno 230 y una tuerca 231.
Este acoplamiento es facilitado al tener un separador hueco 402
dispuesto dentro de la cuerda de fibra de vidrio 400 y al tener
aberturas formadas en el colector de distribución de aire frío 210.
Por lo tanto, cuando el perno 230 está instalado, el perno 230 se
dispone por las aberturas en el aislamiento 228, la caja externa
226, el colector de distribución de aire frío 210, la caja
intermedia 222, el separador 402, la caja interna 220, el sello
214, y una placa de titanio 404. Tanto el perno 230 como la tuerca
231 pueden estar formados de cualquier material apropiado. Por
ejemplo, el perno 230 puede ser un perno de aluminio de 4,76 mm
(3/16 pulgadas) de diámetro y 38,1 mm (1-1/2
pulgadas) de largo.
El separador 402, en una forma de realización,
es un tubo de aluminio hueco que se dispone dentro de la cuerda de
fibra de vidrio 400 y se extiende desde la caja interna 220 a la
caja intermedia 222. Otros materiales y componentes apropiados se
pueden usar como separador 402. Si el separador 402 es un tubo
hueco, puede tener cualquier diámetro apropiado, como 15,88 mm (5/8
de una pulgada). Como se describe anteriormente, la cuerda de fibra
de vidrio 400 se instala entre la caja interna 220 y la caja
intermedia 222 alrededor de un perímetro de la pared interna 202.
Tras la instalación de la cuerda de fibra de vidrio 400, un adhesivo
de silicio gris 46146 u otro adhesivo apropiado es aplicado a la
misma para retener la cuerda de fibra de vidrio 400 en ese
lugar.
La placa de titanio 404 se extiende alrededor
del perímetro del horno 102 adyacente a la caja interna 220 y
funciona para retener el sello 214 en su posición. Como se ilustra,
el sello 214 puede tener una cola 405 que está emparedada entre la
placa de titanio 404 y la caja interna 220. La tuerca 231 realiza
esta función. La placa de titanio 404 puede tener cualquier grosor
apropiado y puede estar formada de otros materiales apropiados
aparte de titanio.
La Fig. 5 es una vista a escala ampliada de una
porción del horno 102 que muestra los detalles de cómo es inyectado
el aire frío en la cámara externa 204 a través del colector de
distribución de aire frío 210. La sección transversal ilustrada en
la Fig. 5 está en un lugar diferente alrededor del perímetro del
horno 102 que el de la Fig. 4. En este lugar, el aire frío se
desplaza por la tubería de aire frío 112 por uno o más conectores
500 y al colector de distribución de aire frío 210. Una pluralidad
de agujeros 502 separados de forma similar aproximadamente se
forman en un lado superior del colector de distribución de aire frío
210 para que el aire frío pueda entrar en la cámara externa 204 y
mezclarse finalmente con el aire caliente de la cámara interna 200.
El aire frío es regulado por el regulador de presión 110 (Fig. 1) y
puede tener cualquier temperatura apropiada. Típicamente, se usa
temperatura atmosférica; sin embargo, también se pueden utilizar
temperaturas más frías o temperaturas más calientes. El aire frío
puede ser presurizado a una presión en cualquier punto del
intervalo desde 17,2 a 68,9 kPa (2½ a 10 psi).
Los agujeros se separan alrededor del perímetro
del colector de distribución de aire frío 210 de cualquier manera
apropiada. En una forma de realización, se usa una separación de una
pulgada. Además, se puede usar cualquier diámetro apropiado para
los agujeros 502. En una forma de realización, los agujeros 502 son
agujeros #40, lo cual significa que su diámetro es aproximadamente
de 2,49 mm (0,098 pulgadas). El aire frío que entra en la cámara
externa 204 es típicamente aire de taller que es seco y a
temperatura ambiente.
Las Figs. 6A-6C ilustran una
forma de realización de las placas guía de escape de aire caliente
218. Como se ilustra, la placa guía de escape de aire caliente 218
está formada de una pieza plana de metal que tiene un canal 600
formado en la misma para formar un pasaje para el aire caliente que
viene de la cámara interna 200. En una forma de realización, la
placa guía de escape de aire caliente 218 está formada de aluminio
que tiene un grosor de 0,51 mm (0,020 pulgadas). Sin embargo, se
pueden utilizar otros materiales y grosor apropiados. El canal 600
puede tener cualquier longitud apropiada y es típicamente de una
longitud que evita puntos calientes en la caja externa 226. En
otras palabras, el aire caliente que entra en el canal 600 desde la
cámara interna 200 no impacta directamente contra la caja externa
226 sino que se desplaza hacia arriba por el canal 600 antes de
mezclarse con el aire frío en la cámara externa 204. La placa guía
de escape de aire caliente 218 se puede acoplar a la caja
intermedia 222 de cualquier manera apropiada, como el remachado, la
soldadura, o el empernado.
En el funcionamiento del sistema 100, y con
referencia a la Fig. 2, el horno 102 se coloca sobre una superficie
de la estructura compuesta 101 para facilitar el curado del material
compuesto de la estructura compuesta 101. La estructura de
manipulación 108 se usa por el personal de mantenimiento para
posicionar el horno 102 encima de la superficie de la estructura
compuesta 101. El personal de mantenimiento garantiza que se
mantenga un buen sellado entre el sello 214 y la superficie de la
estructura compuesta 101. Tanto el sistema de suministro de aire
caliente 104 como el sistema de suministro de aire frío 106 y sus
cañerías asociadas se conectan entonces de manera apropiada al
horno 102. Por ejemplo, el sistema de suministro de aire caliente
104 se acopla al tubo de suministro de aire caliente 209 y el
sistema de suministro de aire frío 106 se acopla al regulador de
presión 110 (Fig. 1).
Después de eso, se suministra aire seco
sobrecalentado al colector de distribución de aire caliente 208. El
aire seco sobrecalentado es impactado contra la superficie de la
estructura compuesta 101 a través de los agujeros 304 de los tubos
de dispersión 302. Una vez que se obtiene la temperatura de curado
deseada, se mantiene durante una cantidad predeterminada de tiempo.
Durante el proceso de curado, el aire caliente se extrae por los
pasajes de escape de aire caliente 216 a la cámara externa 204 donde
se mezcla con el aire frío que viene del colector de distribución
de aire frío 210. Este aire caliente y frío mezclado se desplaza por
la cámara externa 204 hasta que llega a la chimenea de escape 212
donde se inyecta aire frío adicional a través del colector de
distribución de aire frío 238 para enfriar aún más los gases de
escape antes de salir del horno 102.
El aire seco sobrecalentado es presurizado a una
presión de entre 68,9 y 206,8 kPa (10 y 30 psi) y el aire frío es
presurizado a una presión de entre 17,2 a 68,9 kPa (2½ a 10 psi). La
combinación del aislamiento 224, el aire frío del colector de
distribución de aire frío 210, y el aislamiento 228 mantiene una
superficie externa del aislamiento 228 a una temperatura apropiada
para evitar lesiones al personal de mantenimiento. Además, las
placas guía de escape de aire caliente 218 evitan cualquier punto
caliente en una superficie exterior del aislamiento 228 alrededor
de los lados del horno 102. Después de que la estructura compuesta
101 esté lo suficientemente curada, tanto el sistema de suministro
de aire caliente 104 como el sistema de suministro de aire frío 106
pueden ser apagados y el horno 102 retirado de la estructura
compuesta 101 para que el horno 102 pueda ser movido a otro lugar y
usado para curar otras estructuras compuestas. La portabilidad y el
peso ligero del horno 102 facilitan el curado fácil y rápido de
estructuras compuestas de una manera rentable.
Aunque las formas de realización de la invención
y sus ventajas se describen en detalle, una persona experta en la
materia podría hacer diversas alteraciones, adiciones, y omisiones
sin desviarse del ámbito de la presente invención como se define
por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (24)
1. Un sistema para curar un material compuesto
(101), que comprende:
- un horno (102), comprendiendo el horno (102):
- una pared interna (202) que define una cámara interna (200);
- un colector de distribución de aire caliente (208) dispuesto dentro de la cámara interna (200);
- un sistema de suministro de aire caliente (104) acoplado al colector de distribución de aire caliente (208) y operable para suministrar aire caliente al colector de distribución de aire caliente (208); y
- una chimenea de escape (212);
- caracterizado porque el horno comprende una pared externa (206), definiendo la pared externa (206) y la pared interna (202) una cámara externa (204) entre las mismas; y un colector de distribución de aire frío (210) dispuesto dentro de la cámara externa (204); y
- en el que la chimenea de escape está acoplada a la cámara externa (204), teniendo la chimenea de escape (212) un conducto de distribución de aire frío (238) dispuesto en la misma; y el sistema comprende además:
- un sistema de suministro de aire frío (106) acoplado al colector de distribución de aire frío (210) y al conducto de distribución de aire frío (238) y operable para suministrar aire frío al colector de distribución de aire frío (210) y al conducto de distribución de aire frío (238); y
- una pluralidad de pasajes de escape de aire caliente (216) formados en la pared interna (202), adaptados los pasajes de escape de aire caliente (216) para transportar el aire caliente contenido en la cámara interna (200) a la cámara externa (204).
2. El sistema de la reivindicación 1, en el
que
- la pared interna (202) tiene un primer aislamiento (224);
- la pared externa (206) tiene un segundo aislamiento (228); y
- el horno (102) comprende:
- un tubo de suministro de aire caliente (209) que se extiende desde el interior de la cámara interna (200) hasta el exterior de la cámara externa (204); y
- el colector de distribución de aire caliente (208) comprende:
- una cámara impelente (300) acoplada al tubo de suministro de aire caliente (209);
- una pluralidad de tubos de dispersión (302) acoplados a la cámara impelente (300); y
- una pluralidad de orificios (304) formados en cada tubo de dispersión (302); en el que
- el sistema de suministro de aire caliente (104) es operable para suministrar aire seco sobrecalentado al colector de distribución de aire caliente (208); y
- el sistema de suministro de aire frío (106) es operable para suministrar aire seco frío al colector de distribución de aire frío (210) y al conducto de distribución de aire frío (238); y
- el sistema comprende además:
- una placa guía de aire caliente (218) asociada con cada pasaje de escape de aire caliente (216), acoplada la placa guía de aire caliente (218) a la pared interna (202) y dispuesta dentro de la cámara externa (204), teniendo la placa guía de aire caliente (218) un canal (600) adaptado para recibir aire caliente de su pasaje de escape de aire caliente asociado (216) y dirigir el aire caliente dentro de la cámara externa (204); y
- un sello aislante (214) dispuesto alrededor de un perímetro de la pared interna.
3. El sistema de la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, que comprende además una estructura de
manipulación (108) acoplada a un exterior del horno.
4. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, que comprende además un sello aislante (214) dispuesto
alrededor de un perímetro de la pared interna.
5. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, que comprende además:
- un perno (230) y una tuerca (231) que acoplan la pared interna (202) y la pared externa (206); y
- una placa de retención (404) que se extiende alrededor de un interior de la cámara interna (200) adyacente al perímetro, adaptada la placa de retención (404) para trabajar en conjunción con el perno (230) y la tuerca (231) para retener el sello aislante (214).
6. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, que comprende además una pluralidad de placas guía de
aire caliente (218) acopladas a la pared interna (202) y dispuestas
dentro de la cámara externa (204), teniendo cada placa guía de aire
caliente (218) un canal (600) adaptado para recibir aire caliente de
un pasaje de escape de aire caliente respectivo (216) y transportar
el aire caliente dentro de la cámara externa (204).
7. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, en el que la pared interna (202) comprende un o el
primer aislamiento (224) dispuesto entre una caja interna (220) y
una caja intermedia (222), y en el que la pared externa (206)
comprende un o el segundo aislamiento (228) dispuesto en una
superficie exterior de una caja externa (226).
8. El sistema de la reivindicación 7 o de la
reivindicación 2 o cualquier reivindicación dependiente directamente
o indirectamente de la reivindicación 2, en el que un grosor del
primer aislamiento (224) y un grosor del segundo aislamiento (228)
son tales que una temperatura de la superficie de un exterior del
segundo aislamiento (228) no es de más de 60ºC (140ºF
aproximadamente) cuando la cámara interna (200) está a una
temperatura de al menos 260ºC (500ºF aproximadamente).
9. El sistema de la reivindicación 7 o la
reivindicación 8, que comprende además una cuerda aislante (400)
dispuesta entre la caja interna (220) y la caja externa (226)
adyacente al primer aislamiento (224) y que se extiende alrededor
de un perímetro de la pared interna (202).
10. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, que comprende además un tubo de suministro de aire
caliente (209) dispuesto entre el sistema de suministro de aire
caliente (104) y el colector de distribución de aire caliente
(208).
11. El sistema de la reivindicación 10, en el
que el colector de distribución de aire caliente (208)
comprende:
- una cámara impelente (300) acoplada al tubo de suministro de aire caliente (209);
- una pluralidad de tubos de dispersión (302) acoplados a la cámara impelente (300); y
- una pluralidad de orificios (304) formados en cada tubo de dispersión (302).
12. El sistema de la reivindicación 11 o la
reivindicación 2 o cualquier reivindicación dependiente directamente
o indirectamente de la reivindicación 2, en el que una relación de
un área total de los pasajes de escape de aire caliente (216) a un
área total de los orificios (304) es igual a al menos uno.
13. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, en el que la chimenea de escape (212) comprende además
un material aislante (234) acoplado a un exterior de la misma.
14. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, en el que el sistema de suministro de aire caliente
(104) es operable para suministrar aire seco sobrecalentado y el
sistema de suministro de aire frío (106) es operable para
suministrar aire seco frío.
15. Un procedimiento para curar un material
compuesto (101), que comprende:
- la provisión de un horno (102), comprendiendo el horno (102):
- una pared interna (202) que define una cámara interna (200);
- un colector de distribución de aire caliente (208) dispuesto dentro de la cámara interna (200); y
- la disposición del horno (102) adyacente al material (101) para que un perímetro de la pared interna (202) rodee al material compuesto (101);
- el suministro de aire caliente al colector de distribución de aire caliente (208) a través de un sistema de suministro de aire caliente (104);
- la dirección del aire caliente hacia el material compuesto (101); caracterizado por
- la provisión al horno de una pared externa (206), definiendo la pared externa (206) y la pared interna (202) una cámara externa (204) entre las mismas; y
- un colector de distribución de aire frío (208) dispuesto dentro de la cámara externa (204);
- la provisión de una pluralidad de pasajes de escape de aire caliente (216) en la pared interna (202) para que el aire caliente se mueva desde la cámara interna (200) hasta la cámara externa (204);
- el suministro de aire frío al colector de distribución de aire frío (210) a través de un sistema de suministro de aire frío (106);
- la mezcla del aire caliente con el aire frío en la cámara externa (204);
- la dirección del aire caliente y el aire frío mezclados a una chimenea de escape (212) acoplada a la pared externa (206);
- la disposición de un conducto de distribución de aire frío (238) dentro de la chimenea de escape (212); y
- el suministro de aire frío al conducto de distribución de aire frío (238) a través del sistema de suministro de aire frío (106).
16. El procedimiento de la reivindicación 15,
que comprende además la disposición de un sello aislante (214)
alrededor del perímetro de la pared interna (202) antes de disponer
el horno (102) adyacente al material compuesto (101).
17. El procedimiento de la reivindicación 16,
que comprende además:
- la extensión de una placa de retención (404) alrededor de un interior de la cámara interna (200) adyacente al perímetro;
- el acoplamiento de la pared interna (202) y la pared externa (206) con un perno (230) y una tuerca (231); y
- la retención del sello aislante (214) entre la placa de retención (404) y el interior de la cámara interna (200).
18. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 17, que comprende además el acoplamiento de
una pluralidad de placas guía de aire caliente (218) a la pared
interna (202) dentro de la cámara externa (204), y la dirección, a
través de las placas guía de aire caliente (218), del aire caliente
recibido de los pasajes de escape de aire caliente (216) a la
cámara externa (204).
19. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 18, que comprende además la provisión a la
pared interna (202) de un primer aislamiento (224) dispuesto entre
una caja interna (220) y una caja intermedia (222), y a la pared
externa (206) de un segundo aislamiento (228) dispuesto en una
superficie exterior de una caja externa (226).
20. El procedimiento de la reivindicación 19,
que comprende además la selección de un grosor del primer
aislamiento (224) y la selección de un grosor del segundo
aislamiento (228) para que una temperatura de la superficie de un
exterior del segundo aislamiento (228) no sea de más de 60ºC (140ºF)
cuando la cámara interna (200) esté a una temperatura de al menos
260ºC (500ºF).
21. El procedimiento de la reivindicación 19 o
la reivindicación 20, que comprende además la disposición de una
cuerda aislante (400) entre la caja interna (220) y la caja externa
(226) adyacente al primer aislamiento (224) y la extensión de la
cuerda aislante (400) alrededor del perímetro de la pared interna
(202).
22. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 21, que comprende además:
- la provisión al colector de distribución de aire caliente (208) de una cámara impelente (300) que tiene una pluralidad de tubos de dispersión (302); y
- la provisión a cada tubo de dispersión (302) de una pluralidad de orificios (304).
23. El procedimiento de la reivindicación 22,
que comprende además la provisión de una relación de un área total
de los pasajes de escape de aire caliente (216) a un área total de
los orificios (304) igual a al menos uno.
24. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 23, en el que el aire caliente suministrado a
través del sistema de suministro de aire caliente (104) es aire seco
sobrecalentado y el aire frío suministrado a través del sistema de
suministro de aire frío (106) es aire seco frío.
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