IPC分类号：
A47J41/02 | A47J36/36 | B65D81/38
发明人：
小戴维·H·雷德 | 阿尔内·H·雷德 | 希拉姆·拉达克里希南 | 彼得·罗奇 | 迈克尔·克莱恩·默里
摘要：
提供了隔热模块，所述隔热模块包括第一壳体和第一部件，在其间具有第一密封的抽空隔热空间，以及配置为引起感应加热的载流子。还提供了在包括增材制造和其他应用在内的各种应用中利用公开的隔热模块的方法。
技术问题语段：
在增材制造等应用中，需要加热工作材料，并同时最小化散发到外部环境的多余热量。在其他应用中，需要加热工作材料，并保持加热模块的外部相对凉爽。因此，需要隔热模块，以实现加热工作材料的同时保持其一定程度的隔热。
技术功效语段：
本专利提供了一种隔热模块，适用于各种应用中，包括增材制造和材料加工。该模块可以可控制地加热工作材料，并同时隔热，从而提高工作材料的温度。该模块包括非传导性的第一壳体和传导性的第一部件，以及位于第一壳体内的载流子。通过操作载流子，可以感应加热位于第一壳体内的对感应加热敏感的材料。此外，还提供了一种方法，包括操作模块的载流子以提高工作材料的温度。该模块的设计使得能够可靠地控制工作材料的温度，从而提高生产效率和产品质量。
权利要求：
1.一种隔热模块，其包括：
非传导性第一壳体；
传导性第一部件，
所述第一壳体置于所述第一部件周围，
(a)所述第一壳体包括密封的抽空隔热空间，(b)所述第一壳体和第一部件之间具有第一密封的抽空隔热空间，所述第一部件包括密封的抽空隔热空间，或(a)、(b)和(c)中的任何一个或多个；和
配置为引起感应加热的载流子。
2.一种隔热模块，其包括：
传导性第一壳体；
非传导性第一部件，
所述第一壳体置于所述第一部件周围，
(a)所述第一壳体包括密封的抽空隔热空间，(b)所述第一壳体和第一部件之间具有第一密封的抽空隔热空间，所述第一部件包括密封的抽空隔热空间，或(a)、(b)和(c)中的任何一个或多个；和
配置为引起感应加热的载流子。
3.一种隔热模块，其包括：
非传导性第一壳体；
非传导性第一部件，
所述第一壳体置于所述第一部件周围，
(a)所述第一壳体包括密封的抽空隔热空间，(b)所述第一壳体和第一部件之间具有第一密封的抽空隔热空间，所述第一部件包括密封的抽空隔热空间，或(a)、(b)和(c)中的任何一个或多个；和
配置为引起感应加热的载流子。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的隔热模块，其还包括置于所述第一壳体周围的第二密封的抽空空间，所述第二密封的抽空空间任选地配置为容纳由所述载流子放出的热量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的隔热模块，其中所述隔热模块配置为在所述第一密封的抽空隔热空间内与流体连通。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子置于所述第一壳体周围，所述集电器任选地接触所述第一壳体或者任选地整合到所述第一壳体中。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子置于所述第一密封的抽空隔热空间内，所述集电器任选地接触所述第一壳体和所述第一部件中的一者或两者，或者任选地整合到所述第一壳体和所述第一部件中的一者或两者中。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子置于所述第一部件内，所述集电器任选地接触所述第一部件或者任选地整合到所述第一部件中。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子配置成对置于所述第一部件内的工作材料实现感应加热。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子配置成对置于所述第一壳体外的工作材料实现感应加热。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的隔热模块，其中所述第一壳体包括陶瓷。
12.根据权利要求2或权利要求3所述的隔热模块，其中所述第一部件包括陶瓷。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的隔热模块，其中所述第一壳体和所述第一部件中的一者或两者包括对磁场至少部分不透明的屏蔽体。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的隔热模块，其中所述第一部件在其中限定内腔。
15.根据权利要求14所述的隔热模块，其中内壳的所述内腔限定近端和远端。
16.根据权利要求15所述的隔热模块，其中(a)所述近端限定横截面，(b)所述远端限定横截面，和(c)所述近端的横截面不同于所述远端的横截面。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的隔热模块，其中所述第一部件的所述内腔与流体源流体连通。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的隔热模块，其中所述第一壳体和所述第一部件中的至少一个基本上抵抗发散的感应热。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子的特征在于为螺旋形的。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的隔热模块，其中所述载流子与被配置为调制通过所述载流子传递的电流的装置通信。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的隔热模块，还包括布置在所述第一部件内的一定量的热敏工作材料。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的隔热模块，还包括布置在所述第一壳体外部的一定量的热敏工作材料。
23.根据权利要求21-22中任一项所述的隔热模块，其中所述热敏工作材料包括金属。
24.根据权利要求23所述的隔热模块，其中所述热敏工作材料的特征在于为电线。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的隔热模块，其中所述热敏工作材料包括聚合物材料。
26.根据权利要求22-25中任一项所述的隔热模块，其中所述热敏工作材料包括焊剂材料。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的隔热模块，还包括被配置为由所述载流子感应加热的元件。
28.根据权利要求27所述的隔热模块，其中所述元件设置在所述第一部件内。
29.根据权利要求27所述的隔热模块，其中所述元件设置在所述第一密封的抽空隔热空间内。
30.根据权利要求27所述的隔热模块，其中所述元件设置在所述第一壳体的外部。
31.根据权利要求1所述的隔热模块，其中所述第一部件的特征在于构造为罐或管，所述第一部件具有限定所述第一部件的内部体积的内表面。
32.根据权利要求31所述的隔热模块，其中所述第一壳体的特征在于为管状或罐状构造。
33.根据权利要求32所述的隔热模块，其中所述第一部件和所述第一壳体关于第一轴线彼此同轴地布置。
34.根据权利要求32-33中任一项所述的隔热模块，其中所述第一部件包括形成在其中的凹部，所述凹部延伸到所述第一部件的内部空间中。
35.根据权利要求34所述的隔热模块，还包括线圈容器，其布置在所述载流子周围，所述线圈容器布置在所述凹部内，并且所述载流子至少部分地布置在所述线圈容器内。
36.根据权利要求35所述的隔热模块，其中所述线圈容器包括内壁、外壁以及在它们之间形成的密封的抽空空间。
37.根据权利要求36所述的隔热模块，其中从所述隔热模块的第一轴线径向向外且正交地延伸的线延伸穿过所述线圈容器、所述凹部、所述第一部件和所述第一壳体。
38.一种方法，包括：操作根据权利要求1-37中任一项所述的隔热模块的载流子，以通过感应加热提高布置在所述隔热模块的内壳内的工作材料的温度。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括加热所述工作材料以使所述工作材料可流动。
40.根据权利要求38-39中任一项所述的方法，其中所述工作材料是聚合物材料、金属材料或其任意组合。
41.根据权利要求38-40中任一项所述的方法，其中所述工作材料被所述载流子感应加热。
42.根据权利要求38-41中任一项所述的方法，其中所述工作材料被加热以便实现所述材料的相变。
43.根据权利要求38-42中任一项所述的方法，还包括在所述模块内传送所述工作材料，以实现工件的增材制造。
44.根据权利要求38-43中任一项所述的方法，还包括使覆盖流体在第一密封抽空隔热空间内连通。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述流体以液体形式引入并蒸发成气体形式。
46.一种隔热模块，其包括：第一壳体，所述第一壳体包括对感应加热敏感的材料，所述第一壳体在其中具有第一密封的抽空隔热空间；以及载流子，其被配置
技术领域：
[0003]本公开涉及隔热部件领域和感应加热器领域。
背景技术：
[0004]在许多应用-包括，例如增材制造中，需要加热工作材料，同时将散发到工作材料外部环境的多余热量减到最少。在其他应用中，需要加热工作材料，同时用于加热工作材料的模块保持相对较凉的外部。因此，本领域长期需要隔热模块，其允许加热工作材料，同时保持加热的工作材料一定程度隔热。
发明内容：
[0005]为了满足所描述的长期需求，本公开提供了适于在各种应用中使用的隔热模块，包括诸如增材制造和材料加工的高性能应用。所公开的模块尤其允许可控制地加热工作材料，同时还使该工作材料隔热。
[0006]在一个方面，本公开提供了隔热模块，包括：非传导性第一壳体；传导性第一部件，第一壳体围绕第一部件布置，所述第一壳体包括密封的抽空隔热空间，(b)所述第一壳体和第一部件之间具有第一密封的抽空隔热空间，所述第一部件包括密封的抽空隔热空间，或(a)、(b)和(c)中的任何一个或多个；和载流子，其被配置为引起感应加热。
[0007]还提供了隔热模块，包括：传导性第一壳体；非传导性第一部件，第一壳体围绕第一部件布置，所述第一壳体包括密封的抽空隔热空间，(b)所述第一壳体和第一部件之间具有第一密封的抽空隔热空间，所述第一部件包括密封的抽空隔热空间，或(a)、(b)和(c)中的任何一个或多个；和载流子，其被配置为引起感应加热。
[0008]还提供了隔热模块，包括：非传导性第一壳体；非传导性第一部件，第一壳体围绕第一部件布置，所述第一壳体包括密封的抽空隔热空间，(b)所述第一壳体和第一部件之间具有第一密封的抽空隔热空间，所述第一部件包括密封的抽空隔热空间，或(a)、(b)和(c)中的任何一个或多个；和载流子，其被配置为引起感应加热。
[0009]还提供了方法，包括：操作根据本公开的隔热模块的载流子，以便通过感应加热来提高布置在隔热模块的内壳内的工作材料的温度。
[0010]另外提供了隔热模块，其包括：第一壳体，该第一壳体包括对感应加热敏感的材料，该第一壳体在其中具有第一密封的抽空隔热空间；以及载流子，其被配置为引起对感应加热敏感的材料的感应加热。
[0011]进一步公开了隔热模块，其包括：第一壳体，其包括密封的抽空隔热空间；第一部件，第一部件设置在第一壳体内，并且第一部件包括对感应加热敏感的材料，第一部件设置在第一壳体内，第一部件配置成容纳消耗品；感应加热线圈，该感应加热线圈被配置为引起第一部件的感应加热。
具体实施方式：
[0026]通过参考以下结合附图和实例的详细描述，可以更容易地理解本公开，附图和实例构成了本公开的一部分。应当理解，本发明不限于在此描述和/或示出的特定装置、方法、应用、条件或参数，并且在此使用的术语仅出于通过举例描述特定实例的目的，并非旨在限制要求保护的发明。
[0027]同样，如在包括所附权利要求的说明书中所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数，并且除非上下文另有明确说明，否则对特定数值的提及至少包括该特定值。如本文所用，术语“多个”是指多余一个。当表达值的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当通过使用先行词“约”来将值表示为近似值时，应当理解的是所述特定值形成了另一实施例。所有范围都是包括性的和可组合的，并且应当理解，可以以任何顺序执行步骤。
[0028]应理解，为清楚起见，本文在单独实施例的上下文中所述的本发明某些特征也可以单个实施例的组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中所述的本发明的各种特征也可以分开提供或以任何子组合的形式提供。出于任何和所有目的，将本文引用的所有文献的全部内容并入本文。
[0029]进一步，提及以范围表示的值包括该范围内的各个和每个值。另外，术语“包含”应理解为具有其标准的、开放式的含义，但也应理解为包括“由...组成”。例如，包含零件A和零件B的装置可以包括零件A和零件B之外的部件，但也可以仅由零件A和零件B形成。
[0030]如本文所用，“对…敏感”还可以意指“易受…影响”。
[0031]如在美国专利7,681,299和7,374,063(出于任何目的和所有目的通过引用整体并入本文)中所解释的，隔热空间的几何形状可以使得其将空间内的气体分子引导向空间的排气口或其他出口。真空隔热空间的宽度不必在整个空间的长度上是不均匀的。所述空间可包括成角度的部分，使得限定所述空间的一个表面朝着限定所述空间的另一表面会聚。隔热空间可以包括减少或消除在其间形成隔热空间的壁之间的直接接触的材料(例如，陶瓷线、陶瓷带、陶瓷带)。
[0032]结果，分隔表面的距离可在排气口附近变化，使得该距离在排气口与真空空间连通的位置附近最小。在低分子浓度的条件下，气体分子与可变距离部分之间的相互作用用于将气体分子引向排气口。
[0033]相比于施加在结构外部以排空空间的真空，引导分子的空间几何形状提供了更深的真空被密封在空间内。由于本发明的几何形状显著增加了气体分子离开空间而不是进入空间的可能性，因此获得了在空间内更深的真空的这种与直觉相反的结果。实际上，隔热空间的几何形状像单向阀一样起作用，以促进气体分子在一个方向上(通过排气口限定的出口通道)自由通过，同时阻止相反方向的通过。
[0034]与隔热空间的几何形状提供的更深真空相关的另一个好处是，无需在抽空空间内使用吸气剂材料即可实现真空。在没有吸气剂材料的情况下发展这种深真空的能力在小型装置和具有窄宽度隔热空间的装置中提供了更深的真空，在所述装置中空间限制会限制吸气剂材料的使用。
[0035]还可以包括其他增强真空的特征，例如在限定真空空间的表面上的低辐射涂层。在本领域中通常已知的这种涂层的反射表面倾向于反射辐射能的传热射线。限制辐射能量通过涂层表面的通道可增强真空空间的隔热效果。
[0036]在一些实施例中，制品可包括第一壁和第二壁，所述第一壁和第二壁以一定距离间隔开以在其间限定隔热空间；以及与所述隔热空间连通的排气口，以提供用于气体分子从所述隔热空间出来的出口路径。排气口是可密封的，用于在气体分子通过排气口排出后在隔热空间内保持真空。
[0037]第一壁和第二壁之间的距离在邻近排气口的隔热空间的一部分中是可变的，使得在排空隔热空间期间，隔热空间内的气体分子被引导向排气口。相对于隔热空间，气体分子朝向排气口的方向使气体分子具有比进入更大的离开可能性，从而提供了更深的真空，而在隔热空间中不需要吸气剂材料。
[0038]根据本发明的具有气体分子引导几何形状的结构的构造不限于任何特定种类的材料。根据本发明，用于形成结合有隔热空间的结构的合适材料包括例如金属、陶瓷、准金属或其组合。
[0039]空间的会聚以以下方式提供分子的引导。当在抽空空间期间气体分子浓度变得足够低以致于结构几何形状成为一阶效应时，空间的可变距离部分的会聚壁将空间中的气体分子引向排气口。
[0040]真空空间的会聚壁部分的几何形状像止回阀或二极管一样起作用，因为大大增加了气体分子离开该空间而不是进入该空间的可能性。
[0041]通过将真空空间的会聚壁部分模拟为面对粒子流的漏斗，可以理解结构的分子引导几何结构对分子离开相对于进入的相对概率的影响。
[0042]取决于漏斗相对于粒子流的取向，通过漏斗的粒子数量将有很大的不同。显然，当将漏斗定向成使得粒子流首先接触漏斗入口而不是漏斗出口的会聚表面时，会有更多的粒子通过漏斗。
[0043]在此提供了装置的各种实例，这些装置结合有用于隔热空间的会聚壁出口几何形状以像漏斗一样引导来自该空间的气体粒子。应当理解，本发明的气体引导几何形状不限于会聚壁漏斗构造，而是可以利用其他形式的气体分子引导几何形状。
[0044]一些示例性的真空隔热空间(以及用于形成和使用这种空间的相关技术)可以在例如PCT/US2017/020651；PCT/US2017/061529；PCT/US2017/061558；PCT/US2017/061540；和美国公开专利申请2017/0253416；2017/0225276；2017/0120362；2017/0062774；2017/0043938；2016/0084425；2015/0260332；2015/0110548；2014/0090737；2012/0090817；2011/0264084；2008/0121642；和2005/0211711中找到，出于任何和所有目的，通过引用将其全部内容并入本文。这样的空间可以称为InsulonTM空间。然而，应理解，前述构造仅是说明性的，并且不必根据任何前述构造来制造所公开的技术。
[0045]图
[0046]在此提供了关于所附非限制性附图的附加细节。
[0047]图1A提供了根据本公开的制品的非限制性剖视图。如图1A所示，隔热模块可以包括第一壳体102。模块可以进一步包括第一部件106。如图所示，第一部件106可以是管，但这不是必需的，因为第一部件106可以是实心的，例如是圆柱形的。密封的、抽空的隔热空间104可以设置在第一壳体102和第一部件106之间。示例性的密封的、抽空的隔热空间(以及用于形成和使用这种空间的相关技术)可以在例如PCT/US2017/020651；PCT/US2017/061529；PCT/US2017/061558；PCT/US2017/061540；和美国公开专利申请2017/0253416；2017/0225276；2017/0120362；2017/0062774；2017/0043938；2016/0084425；2015/0260332；2015/0110548；2014/0090737；2012/0090817；2011/0264084；2008/0121642；和2005/0211711中找到，出于任何和所有目的，通过引用将其全部内容并入本文。
[0048]模块也可以包括一定量的工作材料110。工作材料110可以是热敏的，例如，材料110在暴露于加热时可以经历相变(例如，从固体到液体、从固体到蒸气、从固体到烟气等)。工作材料110可以是固体，但也可以是半固体。作为实例，工作材料110可以被加热以便液化。可替代地，可以加热工作材料110以使其汽化或冒烟。工作材料110可以燃烧，但是也可以不燃烧而被加热，例如以不燃烧的方式加热
[0049]尽管未示出，但是根据本公开的模块可以包括一个或多个传感器。传感器可以是例如温度传感器、压力传感器、湿度传感器。除了前述之外，还可以考虑其他传感器。作为实例，根据本公开的模块可以包括监测第一部件106内的温度的温度传感器。温度传感器也可以被配置为监视工作材料110周围的环境中的温度。如图1A所示，温度传感器还可被配置为监视元件114和118之一或两者的温度，在此进一步描述这些元件。
[0050]工作材料110还可在其中包括孔、通道或其他空隙。另外，工作材料110可以是单块“整体”工作材料，例如铸锭或金属丝，但是也可以是材料的多个部分，例如，单独的片段、微粒、薄片等。工作材料110可以是耗材盒或插件。
[0051]聚合物材料被认为是合适的工作材料，但是对可置于模块内的工作材料没有限制。工作材料可以包括金属、蜡等。工作材料可以包括对感应加热敏感的材料。
[0052]根据本公开的模块还可以包括集电器112。如图所示，集电器可以作为线圈存在，并且在一些实施例中，可以在第一壳体102周围设置，如图1A所示。不受任何特定实施例的限制，集电器可被配置为感应线圈，其在根据本公开的模块内部(或外部)引起感应加热。模块可以包括一个或多个部分的磁屏蔽层；这种屏蔽可用于屏蔽模块的一个或多个元件免受磁场和/或电场或电流的影响。应当理解，集电器112不必以线圈形式存在。在一些实施例中，集电器112可以是彼此相对布置的一根或多根线的形式，使得通过线的电流的交替或顺序施加引起位于线之间的材料(例如，工作材料、用作加热材料的金属元素)的感应加热。
[0053]认为线圈状集电器是特别合适的，因为这样的构造可以用于实现对布置在线圈内的工作材料的感应加热。不受任何特定理论的束缚，电源(例如，固态RF)可以发送电流通过集电器。电流的频率可以恒定的或变化的。对于相对较厚的工作材料(例如，直径为50mm或更大的杆)，范围在约5kHz至约30kHz的频率可能有用。对于相对较小的工件或需要较浅的热渗透的情况，范围在约100至约400kHz的频率可能有用。400kHz或更高的频率对于特别小的工件可能有用。
[0054]集电器可以被冷却(例如，空气冷却或甚至液体冷却)。集电器可以是实心的(即，不是空心的)，但是在构造上也可以是空心的。
[0055]可以将工作材料放入集电器中。集电器用作变压器的初级，工作材料(待加热)成为短路的次级。然后在工作材料内感应出循环的涡流。涡流会逆着工作材料的电阻流动，这又会在集电器和工作材料之间没有物理接触的情况下产生热量。
[0056]通过磁滞在磁性零件内产生额外的热量–磁性零件通过集电器时产生内部摩擦。磁性工作材料自然为电感器中快速变化的磁场提供了电阻。这种阻力产生内部摩擦，进而产生热量。在加热工作材料的过程中，电感器和工作材料之间不需要接触。可以将待加热的工作材料放置在与电源隔离的位置。
[0057]模块也可以包括第一元件108，尽管应当理解，这样的元件是可选的。这样的第一元件可以是金属的，并且可以设置在第一部件106内。第一元件可以以线、带、线圈、层、涂层或基本上任何形式存在。在一些实施例中，第一元件108可以是在第一部件106的内腔周围部分地周向延伸的套筒或环。在一些实施例中，第一元件被集电器感应加热。
[0058]在一些实施例中，模块可以包括第二元件114。第一元件108和第二元件114可以由相同的材料或不同的材料形成。在一些实施例中，第一和第二元件中的一个或两个被集电器感应加热。作为实例，第一元件108和114中的一个或两个可以由可以感应加热的金属或其他材料形成。
[0059]可以配置模块，使得材料110接触第一元件108和/或第二元件114，尽管这不是必须的。作为一个实例，工作材料110可以经由对流和/或辐射加热经由元件108和/或114加热。在一些实施例中，第一部件106被集电器112感应加热。在一些实施例中，工作材料110能够被感应加