JP2006518472A - 冶金学的に固着された変形可能な隔壁を有するハニカム形コア音響ユニットおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

ハニカム形音響ユニットは、第１および第２のハニカム形層（これらの層は、ハニカム形コアから作られており、それぞれが冶金学的結合によって形成されている。）と、２つの相対する面を有する変形可能な隔壁とを有するユニットを提供している。上記第１および第２のハニカム形層は、変形可能な隔壁の上記２つの相対する面に冶金学的に結合されている。

Description

本発明は、冶金学的に固着された変形可能な隔壁を有する音響ハニカム形コアユニットと、このようなコアユニットを作る方法とに関するものである。特に、本発明は、エンジンナセルの高速空気流領域における音減衰パネルまたは音の吸収を必要とする他の用途に使用するための、冶金学的に固着された変形可能な隔壁を有する音響ハニカム形コアユニットに関するものである。

航空宇宙産業においては、ハニカム形コアが、強さおよび低重量を付与するために、種々のパネルおよびアッセンブリの製造において一般的に用いられている。ハニカム形コアパネルは、ハニカム形コアを構成している横断セルを閉塞しているフェースシートの間に結合されているハニカム形コアを備えている。

ハニカム形コアから作られるエンジンナセルパネルは、エンジンノイズを減衰するためのヘルムホルツ共振器として役立つように修正されることができる。このような共振器を作る１つの従来技術方法は、ハニカム形コアのセルが小孔を通して外気と連通するように、１つまたは両方のフェースシートに穴明けすることを必要とする。フェースシートの厚さと同様に、セルおよび孔のサイズは、パネルが予め選択されているエンジン周波数において共鳴するように変えられるために、選択される。ハニカム形コアのセルは、多重共鳴チャンバとして動作し、そこにおいては、音波は、異なったかつ通常はより高い周波数の波に減衰され、そして、音響エネルギーのいくらかは、大気に消散される熱に変換される。米国特許第３，９４８，３４６号明細書および米国特許第３，９１０，３７４号明細書は、このような音響ライナの例を図示している。
米国特許第３，９４８，３４６号明細書 米国特許第３，９１０，３７４号明細書

ハニカム形共鳴器の別の設計は、ハニカム形コアの二重の層を備えかつこれら２つの層の間に結合された隔壁を有する構造を含んでいる。そこでは、フェース材料は、パネルを形成するために、二重の層の両方の面に接着剤で結合される。このタイプの構造は、パネルの強さを低下させる４つの接着結合ラインを必要とする。また、隣接する層の個々のセルを位置合わせさせることは、非常に困難であるかもしれない。さらに、熱変換は、隔壁接着剤結合ラインと、個々のセルが位置合わせされていないこととのために、あまり効率的でなくかつ多様化する。

ハニカム形コア隔壁構造を有するこのような従来技術パネルの典型的な実施例は、アルミニウムまたは複合品の外皮と、この外皮に接着で結合されている第１のハニカム形コア層と、この第１のコア層に接着で結合されている穴明きされたアルミニウムまたは複合品の隔壁と、この隔壁に接着で結合されている第２のハニカム形コア層と、この第２のコア層に接着で結合されている穴明きされたフェースシートとを備えている。このような構造においては、２つのコア層のセルを位置合わせさせることは、非常に困難である。また、接着剤の存在は、或る困難を作り出す。このような音響パネルは、比較的低い温度でのみ用いられることができ、温度の上限は、上記構造において用いられる接着剤の温度耐性によって、少なくとも部分的に決定される。また、もしもハニカム形コアが接着で結合された金属条板を用いて構成されていれば、この接着剤はまた、温度の上限を有するだろう。さらに、接着剤は、繰り返しの熱サイクルの後に破損しやすくなるだろうし、正常なエンジン運転の間においてナセルパネルによって経験される機械的な振動のためにヒビ割れて劣化するだろう。

隔壁が個々のセル内において種々の深さを有することを付与している従来技術方法によるコア構造の製造においては、複合的な機械加工およびアセンブリの技術が必要とされる。このことは、高価であり、そして、時間の浪費である。

ハニカム形コアの単一の層がそこにおいて音の障壁を形成するために押しつぶされるコア内に断続する区域を付与されている従来技術の音響コアが報告された。個々のセルが単一のセル深さまで発泡体のプラグを充填されている単一層ハニカム形コア構造もまた、報告された。この構造は、種々の深さのセルを提供していない。さらに別の音吸収ハニカム形コア構造は、セルの効果的な長さが切断の面に沿って異なるように斜めに切断されたセル形状のアレイを提供している。

米国特許第４，２５７，９９８号明細書および米国特許第４，２６５，９５５号明細書は、隔壁を有するハニカム形コアを作る「ろう原型」法を開示している。ろう型は、所望の頂面構造を付与され、そして、樹脂のような硬化可能な材料が型の頂面上に拡げられる。ついで、ハニカム形コアは、樹脂およびろうを通して所望の深さに加圧される。アセンブリ全体は、樹脂を硬化させるために加熱され、そして、所定の位置にそれを配置する。ついで、アセンブリは、ろうが溶け去るのを許容するために、さらに加熱される。この結果として得られる構造は、樹脂隔壁を有するコアである。樹脂隔壁は、穴明けされることもできるし、穴明けされないこともできる。もしも穴明けされることが望まれれば、樹脂隔壁は、コアに挿入された後に穴明けされなければならない。しばしば、それぞれのセルにおける樹脂隔壁のそれぞれの部分は、セル壁に付着するように、その端部の周囲で仕上げをされなければならない。また、樹脂隔壁は、全体構造に強さを付与せず、そして、機械的荷重を担持することができない。
米国特許第４，２５７，９９８号明細書 米国特許第４，２６５，９５５号明細書

米国特許第４，４７５，６２４号明細書および米国特許第４，５９４，１２０号明細書は、樹脂隔壁を有する音響コアを形成する方法を開示し、そこにおいては、隔壁は、隔壁材料の溶解温度と硬化温度との間に融解温度を有する２つの支持材料層の間にまずサンドイッチされる。ハニカム形コアは、ハニカム形セルにおける所定の深さに隔壁を位置付けするために、支持材料および隔壁内に圧入される。この結果として得られるアセンブリは、隔壁が溶解してハニカム形コアに付着することを許容するために、十分に加熱される。この結果として得られるアセンブリは、ついで、区分された隔壁をコア内の所定の位置に残しながら、支持材料を融解し、そして、それが徐々に排出されることを許容するために、十分に加熱される。このシステムは、ろう原型システムのように、つぎに記載のような欠点を有している。すなわち、支持材料が溶出した後に、それぞれのハニカム形セルにおける樹脂隔壁の部分は、硬化した接着剤または樹脂がセル壁から抜け出しているそれらの端部において、個々に仕上げを施されなければならない。また、この樹脂隔壁は、全体構造に強さを付与せず、そして、機械的な荷重を担持することができない。
米国特許第４，４７５，６２４号明細書 米国特許第４，５９４，１２０号明細書

米国特許第４，３３６，２９２号明細書は、少なくとも４つの金属ハニカム形セル状コアと、ハニカム形コアの間に配置された少なくとも３つの金属隔壁シートと、熱障壁材料のどちらかの面に配置されている第１および第２のフェースシートとを備えている多層ハニカム形熱障壁材料を開示している。熱障壁材料は、チタン合金、ＴＤニッケル、ニオビウムまたは他の超合金から完全に形成され、このような材料の条板は、ハニカム形コア構造を形成するために、互いに抵抗溶接されることができる。抵抗溶接されたコアは、ブレージングによって、または、液体のインターフェース拡散接合のようなこの米国特許明細書に記載されている技術によって、隔壁に結合される。この結果として得られる構造は、剛性である。
米国特許第４，３３６，２９２号明細書

本発明の１つの目的は、ハニカム形に冶金学的に固着された変形可能な隔壁を有するハニカム形音響障壁ユニットを提供することである。

本発明の別の目的は、接着剤を使用しないで構成されることができるハニカム形音響障壁ユニットを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、製造およびアセンブルが簡単なハニカム形音響障壁ユニットを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、機械的な荷重を担持することができる隔壁を有するハニカム形音響障壁ユニットを提供することである。

本発明に従えば、ハニカム形音響ユニットは、第１の金属ハニカム形コア層と、冶金学的に固着されている変形可能な金属隔壁と、第２の金属ハニカム形コア層とを備え、上記金属隔壁は、上記第１および第２のハニカム形コア層のそれぞれに冶金学的に結合されている。上記ハニカム形コアのそれぞれの層は、（好ましくは、レーザ溶接によって）互いに冶金学的に結合され、ついで、ハニカムコア構造を形成するために拡張される金属条板から形成されている。接着剤がハニカム形コア層の構造に用いられていないために、それぞれのハニカム形コア層は、隔壁に冶金学的に結合されることができる。隔壁は、音響構造に強さを与え、そして、機械的な荷重を担持することができる。さらに、ハニカム形コア層が、レーザ溶接されることができる金属および合金から作られることができるために、コア材料の選択は、抵抗溶接のみを施されることができるような金属に限定されることはなく、アルミニウムおよび銅のような他の金属を含ませることができる。隔壁は、特定の用途における音響必要性に従って所望されるように、穴明けされることもできるし、穴明けされないこともできる。

本発明に従った、音響ユニットを作る方法は、第１のハニカム形コア層および第２のハニカム形コア層（上記第１および第２のハニカム形コア層は、冶金学的結合によって形成されている。）を用意することと、変形可能な金属隔壁層を用意することと、上記第１のハニカム形層を上記隔壁層の一方の面に冶金学的に結合することと、上記第２のハニカム形層を上記隔壁層の他方の面に冶金学的に結合することとのステップを備えている。もしも上記隔壁が穴明けされるのであれば、この穴明けは、隔壁が音響構造にアセンブルされる前、もしくは、アセンブルプロセスの任意の段階またはアセンブルプロセスの後のいずれかにおいて行われることができる。

図１および図２に示されているように、本発明の音響障壁ユニット１０は、第１のハニカム形コア層１２と、シート材料から製造された変形可能な金属隔壁１４と、第２のハニカム形コア層１６とを備えている。第１および第２のハニカム形コア層１２、１６は、接着剤を用いることなしに作られていて、本発明の発明者でもあるジョンソン氏のために米国特許第５，４３７，９３６号明細書において開示されている方法に従ってレーザ溶接によって作られている。なお、この米国特許明細書の開示は、その全部において参照としてここに組み込まれている。この米国特許明細書に開示されているように、ハニカム形コアは、金属箔シートの間に多数の溶接部１９を有する金属箔シートの組み合わせ（この組み合わせは、接触しているそれらの相対する面を有するように積み重ね状態に配置されている多数の箔シートの形態である。）から作られている。そして、上記積み重ねがその頂部およびその底部に引っ張り力を加えられたときに上記積み重ねがハニカム形状になるために拡張するように、上記溶接部は、離れた間隔で一様に分布している。特に好ましい実施例においては、ハニカム形コア層の溶接部１９は、レーザ溶接部である。
米国特許第５，４７３，９３６号明細書

本発明のハニカム形音響障壁ユニットにおいては、金属隔壁１４は、冶金学的結合２０によって第１のハニカム形の層１２に固着されている。金属隔壁１４は、図２において明白なように、冶金学的な結合２１によってハニカム形の層１６に同様に固着されている。このために、金属隔壁１４は、上記ユニットの荷重担持要素となり、そして、機械的な強さを与えている。

隔壁１４は、変形可能でかつコアに冶金学的に結合されているシート材料から作られている。このような材料は、例示のためであって、限定のためではないが、チタンおよびその合金、ステンレス鋼合金、ニッケル系合金、アルミニウムおよび銅を含むもののような非鉄合金、炭素鋼ならびに合金鋼を含んでいる。

コア層に隔壁を結合するのに適している冶金学的結合のタイプは、ブレージング、前述の米国特許第４，３３６，２９２号明細書に開示されているような液体のインターフェース拡散結合（これは、共晶インターフェース拡散結合としても知られている。）、拡散結合、ろう付けおよび種々のタイプの溶接（これは、レーザ溶接、抵抗溶接および摩擦圧接を含んでいる。）を含んでいる。冶金技術における当業者は、本発明の音響障壁ユニットにおいてこのような結合に用いるのに適した別のタイプの冶金学的結合を認識するだろう。
米国特許第４，３３６，２９２号明細書

好ましい実施例においては、ハニカム形コアの隔壁１４および層１２、１６はチタンですべて作られ、そして、結合２０、２１はブレージングによって作られている。

図１および図２に示されている音響障壁ユニットを作るための本発明の方法は、第１のハニカム形コア層および第２のハニカム形コア層（これら第１および第２のコア層は、冶金学的結合によって形成されている。）を用意することと、変形可能な金属隔壁層を用意することと、第１のハニカム形の層を隔壁層の一方の面に冶金学的に結合することと、第２のハニカム形の層を隔壁層の他方の面に冶金学的に結合することとのステップを備えている。隔壁が穴明けされるのであれば、この穴明けは、隔壁が音響ユニットにアセンブルされる前、もしくは、アセンブルプロセス中の任意の段階またはアセンブルプロセスの後のいずれかにおいて、行われることができる。

音響ナセルパネル設計の当業者は、セル構造、セルサイズ、セル密度および隔壁厚さのすべてを特定の用途における設計要求に従って変えることができることを認識するであろう。例えば、第１のハニカム形層および第２のハニカム形層のセルは、同一のサイズである必要はない。ハニカム形の層が隔壁に冶金学的に結合されているという事実は、音響の技術者が任意の特定の用途のために所望の音響効果が得られるように、それぞれのハニカム形の層のセルサイズを選択することを許容する。

図３および図４は、その隔壁がそれぞれのハニカムセルに１つの穴を有している、本発明に従って作られたハニカム形音響障壁を示している。図３および図４に示されている本発明の音響障壁ユニット１０２は、第１のハニカム形コア層１２２と、シート材料から製造された変形可能な金属隔壁１４２と、第２のハニカム形コア層１６２とを備えている。特に好ましい実施例においては、ハニカム形コア層の溶接部は、図３および図４において符号１９で示されているレーザ溶接部である。

金属隔壁１４２は、冶金学的結合２０２によって第１のハニカム形の層１２２に固着されている。金属隔壁１４２は、図３および図４においては図示されていないが、冶金学的結合によって第２のハニカム形の層１６２に同様に固着されている。このために、金属隔壁１４２は、上記ユニットの荷重担持要素となり、そして、機械的な強さを与えている。第１のハニカム形層１２２が多数のセル１３２を備えていることは、図３および図４に示され、そして、第２のハニカム形層１６２が多数のセル１７２を備えていることは、図３に示されている。それぞれのセル１７２における隔壁１４２の部分が穴１５２を有することも、また示されている。これらの穴１５２は、セル１３２とセル１７２との間における音波の伝達を容易にする。穴１５２は、レーザ穿孔のような既知の方法によって形成されることができる。穴を付与する別の方法は、当業者によって認識されるだろう。穴は、ハニカム形の層が隔壁に結合される前または後のいずれにおいても付与されることができる。音響の技術者は、所望の音響効果を達成するために、穴１５２の数、サイズおよび分布を変えることができる。

本発明のハニカム形音響障壁ユニットを輪郭付けされる形状に形成することもまた可能である。ジョンソン氏のために米国特許第５，４３７，９３６号明細書に開示されているように、レーザ溶接されたコアは、それが用いられるであろう環境の輪郭に適合するように変形可能であるように作られることができる。このような変形可能なコアが本発明に従って変形可能な隔壁とともに用いられるとき、コア−隔壁−コア・ユニットの全体は、特定の最終用途のために必要とされるように、変形されることができる。例えば、図５は、本発明の実施例を示しており、そこにおいては、ハニカム形音響ユニット１０３は、隔壁１４３にそれぞれ冶金学的に結合されている第１のハニカム形の層１２３および第２のハニカム形の層１６３を備えている。これらの層１２３、１６３および隔壁１４３は、ユニット１０３の全体が変形可能であるように、冶金学的に互いに結合された後でさえそれぞれ変形可能である。変形可能なユニット１０３は、装着および使用を容易にするために、エンジンナセルの湾曲した内側面に一致させられることができる。
米国特許第５，４３７，９３６号明細書

さらに別の実施例においては、コア層は、相補形の様式で斜角を付けられることができ、そして、非平面形であることができる隔壁の互いに対向する側に結合されることができる。このような実施例の一例が図６に示されており、そこにおいては、ハニカム形の音響ユニット１０４は、隔壁１４４にそれぞれ冶金学的に結合されている第１のハニカム形層１２４および第２のハニカム形層１６４を備えている。層１２４、１６４のそれぞれは、前述のように、冶金学的結合（好ましくは、レーザ溶接）を用いて製造される。第１のハニカム形層１２４および第２のハニカム形層１６４は、これら２つのハニカム形層が非平面形の隔壁１４４に結合されることができるように、相補形に斜角を付けられた面１３４、１５４および１７４、１９４を付与されていることが認められるかもしれない。この特徴は、所望の音響効果を達成するために、単一のハニカム形音響ユニット内でセルの深さを変えることを音響の技術者に許容する。

本発明は、従来技術に対して有意義な利点を有している。冶金学的に結合された隔壁は、音響ユニットの強さを著しく増加させる。このために、上記ユニットは、従来技術の構造よりも強くかつさらに軽量になる。音響障壁ユニットにおけるこのような付加的な強さは、上記ユニットから作られるパネルの構造においてより薄くかつより軽量なフェースシートの使用を許容する。しかも、ハニカム形コアにおいて、または、コア層と隔壁との間の結合において、接着剤が存在しないので、本発明による音響障壁ユニットは、繰り返しの熱サイクルからの、または、機械的な振動からの劣化の傾向がない。コアおよび隔壁が同種の金属から作られるとき、異種の金属から作られるときに生じ得る電解腐食は、除去される。

以上において、音響ハニカム形コアユニットおよびこのようなユニットを備えた音響パネルならびにこのようなものを作る方法についての種々の実施例が開示されているが、以上のすべてに関しての変形が、ここに開示されている発明の範囲から実質的に逸脱することなしになされ得ることは、当業者にとって明らかであろう。

本発明に従って作られたハニカム形音響障壁ユニットの透視図である。 図１のハニカム形音響障壁ユニットの側面図である。 その隔壁がそれぞれのハニカムセルに１つの穴を有している、本発明に従って作られた別のハニカム形音響障壁の透視図である。 図３のハニカム形音響障壁コアの平面図である。 ハニカム形音響障壁ユニットがナセルにおける装着および使用を容易にするために製造後に変形させられた、本発明に従って作られたハニカム形音響障壁ユニットの透視図である。 その隔壁が非平面形である、本発明に従って作られたハニカム形音響障壁ユニットの透視図である。

Claims (16)

1. 第１の金属ハニカム形コア層と、変形可能な金属隔壁と、第２の金属ハニカム形コア層とを備えているハニカム形音響コアユニットであって、
   上記第１および第２の金属ハニカム形コア層のそれぞれは、金属箔シートの間に分布している多数の溶接部を有する金属箔シートの組み合わせから形成され、
   上記変形可能な隔壁は、上記第１および第２のハニカム形コア層のそれぞれに冶金学的に結合され、
   上記音響コアユニットが音の減衰に対して有用であることを特徴とする音響コアユニット。
2. 上記組み合わせの上記箔シートの間に分布している上記多数の溶接部がレーザ溶接部であることを特徴とする請求項１に記載の音響コアユニット。
3. 上記第１および第２のハニカム形コア層のそれぞれが、チタンおよびその合金、ステンレス鋼合金、ニッケル系合金、非鉄合金、炭素鋼ならびに合金鋼から成るグループから選択された少なくとも１つの材料から作られていることを特徴とする請求項１に記載の音響コアユニット。
4. 上記隔壁と、上記第１および第２のハニカム形コアのそれぞれとの間の冶金学的結合が、ブレージング、液体のインターフェース拡散接合、拡散接合、ろう付け、レーザ溶接、抵抗溶接および摩擦圧接から成るグループから選択されていることを特徴とする請求項１に記載の音響コアユニット。
5. 上記第１および第２のハニカム形コアのそれぞれが、レーザ溶接部を有するチタン箔シートの組み合わせから形成され、
   上記隔壁が、チタンであり、
   上記隔壁が、ブレージングによって上記第１および第２のハニカム形コア層のそれぞれに結合されていることを特徴とする請求項１に記載の音響コアユニット。
6. 上記ユニットが変形可能であることを特徴とする請求項１に記載の音響コアユニット。
7. 上記変形可能な金属隔壁が穴明けされていることを特徴とする請求項１に記載の音響コアユニット。
8. ハニカム形音響ユニットを作る方法であって、
   第１のハニカム形層および第２のハニカム形層（上記第１および第２のハニカム形層のそれぞれは、金属箔シートの間に分布している多数の溶接部を有する金属箔シートの組み合わせから形成されている。）を用意することと、
   上記２つの相対する面を有する変形可能な金属隔壁を用意することと、
   上記第１のハニカム形層を上記隔壁の一方の面に冶金学的に結合することと、
   上記第２のハニカム形層を上記隔壁の他方の面に冶金学的に結合することとを備え、
   この結果として得られる上記ユニットが音の減衰に対して有用であることを特徴とする方法。
9. 上記組み合わせの上記箔シートの間に分布している上記多数の溶接部がレーザ溶接部であることを特徴する請求項８に記載の方法。
10. 上記第１および第２のハニカム形コア層のそれぞれが、チタンおよびその合金、ステンレス鋼合金、ニッケル系合金、非鉄合金、炭素鋼ならびに合金鋼から成るグループから選択された少なくとも１つの材料から作られていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 上記隔壁と、上記第１および第２のハニカム形コアのそれぞれとの間の冶金学的結合が、ブレージング、液体のインターフェース拡散接合、拡散接合、ろう付け、レーザ溶接、抵抗溶接および摩擦圧接から成るグループから選択されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 上記第１および第２のハニカム形コアのそれぞれが、レーザ溶接部を有するチタン箔シートの組み合わせから形成され、
    上記隔壁が、チタンであり、
    上記隔壁が、ブレージングによって上記第１および第２のハニカム形コア層のそれぞれに結合されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 上記ユニットが変形可能であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
14. 上記変形可能な金属隔壁が穴明けされていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
15. 上記コア層への結合に先立って、上記穴が上記隔壁に存在していることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 上記隔壁が上記ハニカム形層の少なくとも一方に結合された後に、上記穴が上記隔壁に付与されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

Images