使用热电装置维持材料的温度差异的方法和装置与流程

本公开一般涉及热粘合复合材料重新加工和修复领域。更具体地，本公开涉及复合材料就地热粘合重新加工和修复以及控制邻近或靠近加热的重新加工复合材料的材料的温度。

背景技术：

在复合材料修复或重新加工领域，常常将热量施加到需要修复或重新加工的复合材料的区域。包括但不限于固定结构和物体的结构以及包括但不限于飞机的交通工具以由复合材料制成的百分比不断增加的组件被设计和制造。与例如含金属的部件相比，复合材料提供期望的强度和较小的重量。在飞机和其他交通工具的情况下，通过使用复合材料减轻的重量提高了性能特征，包括例如有效载荷能力和燃料效率。另外，复合材料通常为交通工具，包括例如飞机，上的各种组件提供更长的使用寿命。

复合材料被理解为通过组合两种或更多种组合物而形成的强的轻质材料。例如，复合材料通常包括结合在聚合物树脂基质中的增强纤维。用于复合材料的树脂可是热固性或热塑性树脂。由热塑性树脂制成的复合材料在加热时可能变软，可在冷却时再硬化，并且能够被反复加热和冷却。

在制造复合材料期间，这种材料可具有包含一个或多个不一致或不规则的局部区域。这种不一致或不规则性可能不利地影响由复合材料制成的组件或部件的性能。结果，由具有不一致或不规则区域的复合材料制成的部件的这些区域必须被修复或“重新加工”以改善部件以及包括该部件的整体结构的特性和性能。

可使用机械系统执行对复合材料的不一致进行修复，所述机械系统使用机械紧固件固定。但是，对于某些复合材料部件而言，使用机械系统进行复合材料修复可能不是可能的。另外，使用机械修复解决方案可增加复合不规则部位的应力集中。

已经使用在复合材料不规则的局部位置或区域进行复合材料的例如热粘合修复形式的局部加热作为某些复合材料重新加工的方法。但是，局部加热可能损坏或以其他方式不利地影响复合材料和邻近或以其他方式靠近被重新加工的复合材料的非复合材料。

已经努力维持、调节和以其他方式控制与被重新加工和加热的复合材料相邻的结构的温度。这样的努力包括将调节空气施加到结构上、应用冷冻装置，诸如例如包含冷冻金属丸的喷射袋灯，将结构从被重新加工的复合材料中分离和隔离。在一些情况下，必须去除邻近的结构、组件和部件，这些结构、组件和部件在经由加热对复合材料部件进行重新加工时因为安装位置热敏感。这种部件移除和重新安装会增加移除和重新安装期间的额外部件损坏的风险，并且耗时，劳动密集，成本高昂。

技术实现要素：

本公开的方面涉及一种方法：将热源定位为靠近复合材料的第一侧，所述复合材料具有第一侧和第二侧，并且结构位于靠近所述复合材料的第二侧，所述结构具有第一侧和第二侧，所述结构的第一侧位于靠近所述复合材料的第二侧；将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧，所述热电装置与控制器通信；使所述结构的第二侧与温度感测装置接触，所述温度感测装置与所述控制器通信；激活所述热源；将热从所述热源施加到所述复合材料的第一侧；将所述复合材料加热至第一温度；向所述热电装置提供电流；和将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度。

在另外的方面，在将热源定位为靠近复合材料的第一侧的步骤中，所述热源包括热毯(heatblanket)。

在另一方面，在将热源定位为靠近复合材料的第一侧的步骤中，所述结构包括与所述复合材料不同的材料。

在另外的方面，在将热源定位为靠近复合材料的第一侧的步骤中，所述结构包括金属材料。

在又一个方面，在将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧的步骤中，所述热电装置是珀尔帖装置(peltierdevice)。

在又一个方面，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度的步骤中，所述第二温度小于所述复合材料的第一温度。

在另外的方面，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度的步骤之前，进一步包括监测所述结构的温度。

在又一个方面，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度的步骤中，所述结构的温度维持在小于所述复合材料的第一温度的第二温度。

在另外的方面，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度的步骤中，所述结构的第二温度和所述复合材料的之间的差在约20°f至约150°f的范围内。

根据本发明的另外的方面，上述方法进一步包括修复复合材料的步骤。

根据本公开，另外的方面涉及一种装置，该装置用于在所述复合的第一材料的修复期间维持位于靠近第二材料的复合的第一材料之间的温度差异，所述装置包括位于靠近所述第二材料的热电装置。

在另一方面中，所述热电装置被配置为接触所述第二材料。

在另外的方面中，所述第二材料包括金属材料。

在又一个方面中，所述热电装置是珀尔帖装置。

在另外的方面中，所述复合的第一材料和所述第二材料之间的温度差在从约20°f至约150°f的范围内。

在又一个方面中，所述热电装置与热电偶通信。

另一方面涉及一种组件，包括修复的复合的第一材料，根据以下方法修复该复合材料，所述方法包括将热源定位为靠近复合材料的第一侧，并且复合材料具有第一侧和第二侧，并且结构靠近所述复合材料的第二侧，所述结构具有第一侧和第二侧，所述结构的第一侧位于靠近所述复合材料的第二侧；将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧，所述热电装置与控制器通信；使所述结构的第二侧与温度感测装置相接触，温度感测装置与控制器通信，激活热源；将来自热源的热量施加到复合材料的第一侧；将复合材料加热到第一温度，向热电装置提供电流，以及将所述结构的温度基本上保持在不同于所述复合材料的第一温度的第二温度。

在又一个方面中，热电装置包括热电偶。

在又一个方面中，热电装置与热电偶通信。

在另外的方面中，热电偶和热电装置两者都与控制器通信，所述控制器被配置为控制从电源引导到热电装置的电流。

在又一个方面，控制系统包括控制器，其中，所述控制系统与热电装置和热电偶通信。

另外的方面涉及一种物体，该物体包括组件，该组件包括修复的复合的第一材料，所述复合材料根据以下方法修复，所述方法包括：将热源定位为靠近复合材料的第一侧，并且复合材料具有第一侧和第二侧，并且结构靠近所述复合材料的第二侧，并且所述结构具有第一侧和第二侧，并且所述结构的第一侧位于靠近所述复合材料的第二侧；将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧，所述热电装置与控制器通信；使所述结构的第二侧与温度感测装置接触，温度感测装置与控制器通信，激活热源；将来自热源的热量施加到复合材料的第一侧；将复合材料加热到第一温度，向热电装置提供电流；以及将所述结构的温度基本上保持在不同于所述复合材料的第一温度的第二温度。

根据另外的方面，固定物体包括组件，该组件包括修复的复合的第一材料，所述复合材料根据以下方法修复，所述方法包括：将热源定位为靠近复合材料的第一侧，并且复合材料具有第一侧和第二侧，并且结构靠近所述复合材料的第二侧，所述结构具有第一侧和第二侧，并且所述结构的第一侧位于靠近所述复合材料的第二侧；将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧，所述热电装置与控制器通信；使所述结构的第二侧与温度感测装置接触，并且温度感测装置与控制器通信；激活热源；将热量从热源施加到复合材料的第一侧；将复合材料加热到第一温度，向热电装置提供电流；以及大致将所述结构的温度保持在不同于所述复合材料的第一温度的第二温度。

又一方面涉及一种交通工具，该交通工具包括组件，该组件包括修复的复合的第一材料，所述复合材料根据以下方法修复，所述方法包括：将热源定位为靠近复合材料的第一侧，并且复合材料具有第一侧和第二侧，并且结构靠近所述复合材料的第二侧，并且所述结构具有第一侧和第二侧，并且所述结构的第一侧位于靠近所述复合材料的第二侧；将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧，所述热电装置与控制器通信；使所述结构的第二侧与温度感测装置接触，温度感测装置与控制器通信；激活热源；将来自热源的热量施加到复合材料的第一侧；将复合材料加热到第一温度，向热电装置提供电流；并且将所述结构的温度基本上保持在不同于所述复合材料的第一温度的第二温度。

根据另外的方面，交通工具包括载人飞机、无人飞机、载人航天器、无人航天器、卫星、火箭、导弹、载人地面交通工具、无人地面交通工具、载人水面交通工具、无人水面交通工具、载人水下交通工具或无人水下交通工具。

附图说明

已经概括性地描述了本公开的多个变型，现在将参照附图，这些附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1是飞机的透视图；

图2是示出本公开的一个方面的飞机的内部部分的透视图；

图3是本公开的一个方面的放大的横截面透视图；和

图4是概述根据本公开的一个方面的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图(即多个图)更详细地描述目前公开的主题，在附图中示出了当前公开的主题的一些但不是全部的方面。相同的数字在整个过程中指相同的元件。目前公开的主题可包括许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文中所阐述的方面；相反，提供了许多方面，使得本公开将满足适用的法律要求。实际上，本文所阐述的目前公开的主题的许多修改和其他替代方案将会被本领域技术人员考虑到，目前公开的与本领域相关的主题具有前述描述和相关联的附图中呈现的教导的益处。因此，应当理解，目前公开的主题不限于所公开的特定方面，并且修改和其他方面旨在被包括在所附权利要求的范围内。

本公开的方面涉及方法、系统和装置，用于就地处理和重新加工和修复复合材料，以去除复合材料不一致性和/或不规则性，而不会不利地影响邻近的，相邻的或靠近定位的组件部件，这些部件可能是或可能不是由复合材料制成。出于本公开的目的，术语“不一致”和“不规则”是可互换使用的等效术语。

更具体地，本公开的方面涉及方法、系统和装置，用于通过基本上控制和维持与另一结构相邻的一个结构的温度来就地控制相邻材料的温度，所述另一结构包括但不限于正被修复或重新加工的复合材料。如本文所公开的，第一结构的温度保持在不同于并且低于正被返修的相邻复合材料的温度的温度，所述结构的温度和所述复合材料的温度之间的差异在约20°f至约150°f的范围。出于本公开的目的，术语“相邻”、“邻近”和“靠近”是可互换使用的等同术语。

根据本公开的方面，对需要修复或重新加工的复合材料进行的处理就地进行，而不会不利地影响邻近或靠近复合材料的组件和部件的温度，而待修复或重新加工的复合材料在其安装位置作为更大的结构、装置或物体等的一部分，包括但不限于诸如建筑物等的静止物体以及诸如交通工具的移动物体，所述交通工具包括但不限于载人和无人驾驶飞机、航天器、陆地交通工具以及水面和水下交通工具等。

本公开的方面考虑了方法、系统和装置，用于直接和可控地局部冷却热敏材料的，其不依赖于冷却液体、调节空气或任何其它传热介质来影响温度，而是使用热电装置，该装置使用半导体的珀尔帖效应产生固态，电驱动局部冷却装置。如果需要，现在已经确定使用珀尔帖效应的热电装置可被使用(例如，通过反向提供给热电装置的电流)来在需要减轻散热的区域中提供额外的热输入。

图1示出了飞机10，其包括飞机部分(aircraftsection)12，该飞机部分包括由复合材料制成的至少一个内部部件。图2示出了飞机部分12的透视内部视图。如图2中所示，翼梁(in-sparrib)14被示出为经由紧固件18附接到机翼蒙皮下壁板16。机翼蒙皮下壁板16包括复合材料。热电装置20被示出为靠近剪切连接件(sheartie)30的位置。剪切连接件30包括诸如铝合金的金属。热电装置20被示出为经由电力线24连接到热电装置电源22。热电装置20还示出为与第一热电偶(未示出)接触，第一热电偶附接到热电偶线26，热电偶线26连接到第一控制器28。

图3是图2中所示飞机部分12的内部视图的横截面透视图和放大视图。示出了热电装置20在靠近剪切连接件30的位置。如图3中所示，翼梁14被示出为经由紧固件18附接到机翼蒙皮下壁板16，并且示出了热电装置20在靠近剪切连接件30的位置。机翼蒙皮下壁板16包括复合材料。热电装置20被示出为经由电力线24连接到热电装置电源22，并且还与第一热电偶38接触，第一热电偶附接到热电偶线26，热电偶线26连接到第一控制器28。还如图3所示，热源31被示出为经由热源线33与热源电源32接触。第二热电偶34被示出为与热源31接触。热电偶线37被示出为与热电偶34和第二控制器36接触。机翼蒙皮下壁板16被示出为具有需要修理和重新加工的材料的不规则处(materialirregularity)39。

图4是概述根据本公开的一个方面的方法40的流程图，所述方法包括：步骤41，将热源定位为靠近复合材料的第一侧；步骤42，将结构的第一侧定位为靠近复合材料的第二侧；步骤42a，将热电装置定位为靠近结构的第二侧；步骤43，使结构的第二侧与温度感测装置接触；步骤44，激活热源；步骤45，将来自热源的热量施加到复合材料的第一侧；步骤46，将复合材料加热到第一温度，向热电装置提供电流；步骤48，将结构的温度基本上维持在不同于第一温度的第二温度并重新加工复合材料。尽管图4中所示的方法包括在向热电装置提供电流之前对复合材料进行加热的步骤，根据另外的方面，可与将热量从热源施加到复合材料的步骤同时向热电装置提供电流，或者可在将热量从热源施加到复合材料的步骤之前向热电装置提供电流。

根据本公开的方面，热电装置用于影响邻近或靠近第二结构的第一结构的温度。在另一方面，热电装置用于将邻近或靠近第二结构的第一结构加热或冷却到预定温度。此外，热电装置是珀尔帖装置，使用珀尔帖效应以在装置内的两种不同类型的材料的连接点之间产生通量。帕尔帖冷却器或加热器实际上是固态有源热泵，其根据电流的方向将热量从设备的一侧传递到设备的另一侧，消耗电能。珀尔帖装置通常也被称为珀尔帖热泵、固态冰箱、热电冷却器(tec)等。如上所述，珀尔帖装置可用于预期地加热或冷却，并且可与加热或冷却的温度控制结合使用。当作为冷却器运行时，在装置上施加电压，两侧之间将产生温差。当作为发电机操作时，装置的一侧被加热到比另一侧大的温度，并且电压差会在两侧之间产生所谓的塞贝克效应(seebeckeffect)。

珀尔帖装置被理解为对于需要从毫瓦至几千瓦特的热去除的应用是有用的。单级珀尔帖装置可在其热侧和冷侧之间产生约70℃的最大温差。根据本公开，可将多个珀尔帖装置布置在一起组合以给出维持预定结构温度所需的要求的温差。也就是说，可根据需要将多个珀尔帖装置设置在基板表面上以横向串联运行。在替代方案中或另外地，可根据需要将多个珀尔帖装置设置在基板表面上以按堆叠方向串联运行。

对于珀尔帖装置，由于装置中的材料需要不同的电子密度，所以使用两种独特的半导体，一种n型和一种p型。半导体通常以热并联的方式放置，以电串联的方式串联，然后在每一侧与导热板接合。当向两个半导体的自由端施加电压时，直流电流流过半导体的节点，导致温度差。具有冷却板的一侧吸收热量，然后将热量移动到散热器所在的装置的另一侧。根据本公开的方面，珀尔帖装置可并排连接并且置于靠近与需要经由加热重新加工的复合材料相邻的材料。以这种方式，即使当结构邻接或靠近经由加热进行重新加工的复合材料时，诸如例如在热粘合修复期间，可能是温度敏感的结构可使结构的温度受到调节和控制。

根据本公开的方面，珀尔帖装置是柔性的或可模制的，并且因此即使结构包括复杂形状并且以其它方式不平面，也能够紧密地接触结构表面。根据另外的方面，将多于一个的珀尔帖装置放置成结构表面接触，所述结构邻近或以其它方式靠近需要经由加热所述复合材料进行重新加工和修复的复合材料。

根据本公开的方面，当在复合材料中发现不规则时，这种材料需要重新加工，通常通过根据本领域理解的热粘合方法施加热量来进行。热量由热源提供，诸如包括但不限于热毯、加热灯、热风机、感应加热元件等。为了出于消除不规则性对复合材料进行重新加工，在高达约350°f的温度下将热施加到复合材料预定的持续时间。相邻的或邻近的部件可能不会对持续的350°f的加热有良好反应。例如，金属部件，例如可附接到或以其他方式邻接到加热的复合材料部件上的铝合金部件，可仅被评定为暴露在不超过约200°f的温度。结果，在这种情况下，希望将金属部件保持在不超过约200°f的温度。本发明的方法、系统和装置考虑将诸如珀尔帖装置之类的热电装置定位为靠近金属部件，以便大致将部件的温度维持在约200°f以下，或者任何期望或需要的温度。如本文所用，术语“基本上保持”或“基本上控制”是等同术语，意味着温度在从约+/-1°f至约5°f的范围内保持可控制或温度保持在该范围，出于以限定、期望和/或预定值的温度调节的目的，允许暂时波动，该波动可通过向热电装置提供更多的功率或更少的功率来解决。

另外，尽管本申请的各方面公开了使用热电偶来感测和监测表面温度，但是应当理解，可使用用于测量和中继关于温度的信息，和/或控制或调节温度的任何装置，包括但不限于非接触式红外线温度计、不可逆温度标签、无线温度监测装置等，以及其组合。有用的控制器包括但不限于并入例如复合材料专用修复粘合控制台的控制器，诸如由atacs(西雅图，wa)；wichitech(巴尔的摩,，md)；briskheat(哥伦布,oh)；heatcon(塔克维拉，wa)等制造的那些。

进一步地，应当理解，本文公开的热电偶和热源可适当地耦合到必要的控制器和软件、硬件、计算机和计算机程序等或以其他方式与之进行通信，以运行这样的软件、硬件和控制器等。另外，用于控制和维持在重新加工和修理期间邻近或位于靠近加热的复合材料的材料的温度的方法、系统和装置可进一步按新需求被控制以远程地，和/或自动地运行或可手动地操作。

根据另外的方面，进一步考虑本公开，将用于将结构维持在与邻接的复合材料的温度不同的温度的热电装置结合到粘合控制台的控制系统中或以其他方式与之进行通信，所述控制台用于控制提供给复合材料的热输入，用于例如重新加工，包括但不限于热粘合修复。以这种方式，根据本公开的方面，可从单个控制器自动或手动地控制期望的加热和冷却功能，或者如果需要，可使用多个控制器，其中控制器或多个控制器与定位以感测温度的传感器通信，然后将关于感测到的温度的信息中继或信号传送到控制器或多个控制器。

实例

根据本公开的方面，考虑以下协议。进行涉及嵌接和重建复合材料机翼蒙皮的冲击伤害的修复。机翼蒙皮下壁板的内部部分定位成与铝剪切连接件相邻。剪切连接件由铝合金2024制成，尽管考虑不能安全地暴露于高于例如200°f的温度下，而不会对疲劳性能产生不利影响的任何金属或非金属材料，包括但不限于铝合金2024，7050，7075等。如图2的(20)所示，热电装置(珀尔帖装置)被放置在剪切连接件“脚”上。热电偶沿剪切连接件“脚”放置在多个位置，并经由热电偶线附接到热电装置控制器。控制器设置为在蒙皮修复的整个固化周期期间将剪切连接件“脚”的温度保持在不超过200°f的温度。然后激活珀尔帖装置。将热源置于靠近由复合材料制成的机翼蒙皮。激活热源，然后在350°f固化蒙皮，而热电装置将剪切连接件“脚”的温度保持在不超过200°f的温度。

本公开的变型和替代方案涉及组件和部件的制造和使用，诸如例如任何尺寸的复合材料组件部件，包括在制造较大部件和结构中组件和部件的制造和使用。这种装置包括但不限于设计成定位在静止物体的外部或内部的组件和部件，包括但不限于一般施工对象、建筑物等。进一步的物体包括但不限于大气和航空航天交通工具和其他物体和设计用于太空或其他上层大气环境的结构，诸如例如载人或无人驾驶的交通工具和物体。考虑的物体包括但不限于诸如例如载人和无人飞机、航天器、旋翼飞机、卫星、火箭、导弹、陆地交通工具、非陆地交通工具，甚至水面和水下交通工具和物体。

进一步地，本公开包括根据以下条款的实例：

条款1.一种方法，包括：

将热源(31)定位为靠近复合材料(16)的第一侧(41)，所述复合材料具有第一侧和第二侧，并且结构(30)位于靠近所述复合材料的第二侧，所述结构具有第一侧和第二侧，所述结构的第一侧位于靠近所述复合材料的第二侧(42)；

将热电装置(20)定位为靠近所述结构的第二侧(42a)，所述热电装置与控制器(28)通信；

使所述结构的第二侧与温度感测装置(20)相接触(43)，所述温度感测装置与所述控制器(28)通信；

激活所述热源(44)；

将来自所述热源的热量施加到所述复合材料的第一侧(45)；

将所述复合材料加热至第一温度(46)；

向所述热电装置提供电流(47)；和

将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的第一温度的第二温度(48)。

条款2.根据条款1所述的方法，其中，在将热源定位为靠近复合材料的第一侧的步骤中，所述热源包括热毯。

条款3.根据条款1所述的方法，其中，在将热源定位为靠近复合材料的第一侧的步骤中，所述结构包括与所述复合材料不同的材料。

条款4.根据条款1所述的方法，其中，在将热源定位为靠近复合材料的第一侧的步骤中，所述结构包括金属材料。

条款5.根据条款1所述的方法，其中，在将热电装置定位为靠近所述结构的第二侧的步骤中，所述热电装置是珀尔帖装置。

条款6.根据条款1所述的方法，其中，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的第一温度的第二温度的步骤中，所述第二温度维持在小于所述复合材料的第一温度的温度。

条款7.根据条款1所述的方法，其中，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度的步骤之前，进一步包括监测所述结构的温度。

条款8.根据条款1所述的方法，其中，在将所述结构的温度基本上维持在不同于所述复合材料的温度的第二温度的步骤中，所述结构的第二温度与所述复合材料的第一温度之间的差在约20°f至约150°f的范围内。

条款9.根据条款1所述的方法，进一步包括：

修复所述复合材料(49)。

条款10.一种包含根据条款1所述的方法修复的复合材料的组件。

条款11.一种用于在所述复合的第一材料的修复期间维持位于靠近第二材料(30)的复合的第一材料(14)之间的温度差异的装置，所述装置包括：

热电装置(20)，位于靠近所述第二材料。

条款12.根据条11所述的装置，其中，所述热电装置被配置为接触所述第二材料。

条款13.根据条款11所述的装置，其中，所述第二材料包括金属材料。

条款14.根据条款11所述的装置，其中，所述第二材料包括非金属材料。

条款15.根据条款11所述的装置，其中，所述热电装置是珀尔帖装置。

条款16.根据条款11所述的装置，其中，所述复合的第一材料和所述第二材料之间的温度差在约20°f至约150°f的范围内。

条款17.根据条款11所述的装置，其中，所述热电装置包括热电偶。

条款18.根据条款11所述的装置，其中，所述热电装置与热电偶通信。

条款19.根据条款17所述的装置，其中，所述热电偶和所述热电装置两者都与控制器通信，并且其中，所述控制器被配置为控制从电源引导到所述热电装置的电流。

条款20.根据条款19所述的装置，其中，控制系统包括控制器，其中，所述控制系统与所述热电装置和热电偶通信。

当介绍本公开的元件或其示例性方面时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包容性的，并且意味着除了所列出的元件之外可存在附加元件。虽然已经关于具体方面描述了本公开，但是这些方面的细节不被解释为限制。虽然已经示出和描述了本公开的优选变型和替代方案，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可在其中进行各种改变和替换。

部件列表

10飞机

12飞机部分

14翼梁

16机翼蒙皮下壁板

18紧固件

20热电装置

22热电装置电源

24电力线

26第一热电偶线

28第一控制器

30剪切连接件

31热源

32热源电源

33热源线

34第二热电偶

36第二控制器

37第二热电偶线

38第一热电偶

39复合材料部件的不规则处