JP2011509845A - 熱伝導性構造 - Google Patents

Abstract

本明細書では、熱変形を減少および／または排除するように適合された多層ハニカム構造を開示する。いくつかの態様において、ハニカム構造の壁は、第一層と、状況に応じて第二層と、並びに第一層に隣接しているかまたは第一層と第二層との間にあるコア層とを含む。第一層および第二層は、インコネルまたは他の高強度材料の組成物であり得る。コア層は、銅または別の熱伝導性材料であり得る。コア層は、熱を構造の第一領域と第二領域の間において伝達するように適合される。このようにして、熱が、加熱領域から非加熱領域へと伝達されることが可能となり、その結果、領域間の温度差が減少し、それによって熱変形の量が減少する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2008年8月13日に出願された米国特許非仮出願第12／191,208号、および2008年1月11日に出願された米国特許仮出願第61／020,688号に対する優先権を主張するものであり、それらの内容は、参照により本明細書に組み入れられるものとする。

発明の分野
本発明は、概して、熱伝導性構造の分野に関する。詳細には、本発明は、例示的一局面において、熱変形を減少するように適合された熱伝導性構造を提供することを対象とする。

発明の背景
建物、車両、機械装置、および他の建設の工作物の多くの構造要素は、通常、他の領域より高い温度に晒されている領域を含む。例えば、航空機のジェットエンジンでは、エンジンハウジングの内側領域（すなわち、排気口により近いエンジンハウジングの表面）は、通常、外側領域より高い温度に達する。当該温度差は、多くの場合、構造要素の熱伝導性に関連している。

構造要素の熱伝導性が低い場合、熱は、加熱領域からより温度の低い領域へと伝達する際に抵抗を受けるであろう。熱に対する適切な伝達機構を備えていなければ、結果として生じる熱膨張差により、構造または支持材において伸長、引き裂け、および／または変形が生じ得る。構造は、高水準の熱伝導性を有する他の材料を用いて作製することもできるが、これらの材料は、他の理由（例えば、高い価格、重い重量、低強度など）により設計者にとって十分な選択肢ではない。

本発明の様々な態様は、熱変形を減少および／または排除するように適合された多層ハニカム構造を対象とする。ハニカム構造の壁は、第二層を伴うかまたは伴わない第一層と、第一層に隣接するかまたは第一層および第二層の間にあるコア層とを含み得る。第一層および第二層は、インコネルまたは他の高強度材料の組成物であり得、並びに同じまたは異なる材料であり得る。コア層は、銅または別の熱伝導性材料であり得る。コア層は、構造の第一領域から第二領域へと熱を伝達するように適合される。このようにして、2つの領域の温度差を減少させ、それによって熱変形を減少させる。

本発明の態様は、さまざまな用途において使用され得る。そのようなものとしては、ジェットエンジンにおける排気ノズル、排気プラグ、収束型／発散型フラップ、およびシェブロン形状のサウンドバッフルが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

本発明の第一の局面では、ハニカム構造を開示する。一態様において、ハニカム構造は、複数のセル壁を含み、この場合、各セル壁は、第一の材料による第一の波形板と、第二の材料による第二の波形板とを含み、第二の波形板は、第一の波形板に接着されており、第二の材料は、第一の材料より高い熱伝導性を有する材料を含む。

本発明の第二の局面では、ハニカム構造を開示する。一態様において、ハニカム構造は、第一の材料による第一の波形板と、第二の材料による第二の波形板と、並びに第一および第二の波形板に接着されかつその間に位置したコア板とを含み、この場合、コア板は、第一の材料および第二の材料より高い熱伝導性を有する第三の材料を含む。

本発明の第三の局面では、ハニカム構造を開示する。一態様において、ハニカム構造は、複数の波形セル壁と、当該波形セル壁に垂直でかつ波形セル壁の第一の端部に接着された第一の表面と、波形セル壁に垂直でかつ波形セル壁の第二の端部に接着された第二の表面とを含み、この場合、各波形セル壁は、熱を第一の表面から第二の表面へと伝導するように適合されかつそれによって第一の表面の熱変形を減少させる少なくとも1つの層を含む。

本発明の第四の局面では、熱伝導性のシェブロンを製造する方法を開示する。一態様において、当該方法は、第一層と、第一層に接着した、高熱伝導性材料を含む第二層とを含む複数の帯板を形成する工程と、当該複数の帯板から複数の波形帯板を形成する工程と、複数の波形帯板からハニカム構造を形成する工程と、第一の表面をハニカム構造の第一の側面に接着する工程と、並びに第二の表面をハニカム構造の第二の側面に接着する工程とを含む。

本発明の第五の局面では、熱伝導性シェブロンを利用する方法を開示する。一態様において、当該方法は、複数のセル壁から形成された複数の六角形セルと、当該六角形セルに垂直でありかつ当該六角形セルの第一の端部に接着された第一の表面と、並びに当該六角形セルに垂直でありかつ六角形セルの第二の端部に接着された第二の表面とを含む熱伝導性シェブロンを提供する工程であって、この場合、各セル壁は、熱を第一の表面から第二の表面へと伝達するように適合されることにより第一の表面の熱変形を減少させる少なくとも1つの層を含む工程と、並びに、当該熱伝導性シェブロンをエンジンに取り付ける工程とを含む。

1つ以上の様々な態様に従って、以下の図を参照しながら本開示を詳細に説明する。図面は、例証のためだけに提供され、単に本開示の例示的態様を表現しているにすぎない。これらの図面は、当該開示に対する読み手の理解を容易にするために提供されるものであり、本開示の幅、範囲、または適用性を制限すると考えるべきではない。例証を明瞭かつ簡便にするために、これらの図面は必ずしも縮尺通りである必要のないことには注意すべきである。

本発明の態様によるハニカム構造部分の図である。 本発明の態様による六角形セルを形成する2つの波形板の図である。 本発明の態様によるハニカム構造を形成するために一緒に接着された波形帯板を示しているハニカム構造の断面図である。 本発明の態様によるハニカム構造セルの壁の断面図である。 本発明の態様によるハニカム構造を製造するプロセスを説明する例示的なフローダイヤグラムを示す。 本発明の態様によりタービンエンジンシェブロンが配置され得る場所を示しているタービンエンジンの図である。 本発明の態様によるタービンエンジンシェブロンの図である。 熱勾配のために生じ得るシェブロンの変形を示しているタービンエンジンシェブロンの図である。 熱勾配のために生じ得るシェブロンの変形を示しているタービンエンジンシェブロンの断面図である。 インコネル−625、銅、および高熱伝導性シェブロンセル壁のいくつかの温度における熱伝導度の一覧表を示す。 本発明の3つの態様に従って、材料の3つの組み合わせにおける三層ハニカム壁構造を有するシェブロンの変形における減少を図示する。 本発明の態様によるタービンエンジンシェブロンの内部構造の図である。 本発明の態様による熱伝導性シェブロンを組み立てるプロセスを示している例示的フローダイヤグラムを示す。 本発明の態様による熱伝導性シェブロンを利用するプロセスを説明する例示的フローダイヤグラムを示す。 先行技術において公知である排気ノズル組立体を示す。 先行技術において公知である収束型／発散型フラップ組立体の透視図である。 本発明の一態様によるフラップ組立体を示す。 本発明の一態様による例示的排気ノズルの断面図である。 先行技術において公知の排気プラグを含む排気システムの斜視図である。 本発明の一態様によるハニカム構造を含む排気プラグの断面図である。

例示的態様の以下の説明において、本明細書の一部を形成し本発明が実施され得る特定の態様を例示している添付の図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様を利用し、構造上の変更を行ってもよいことは理解されるべきである。

本発明の態様は、ハニカム構造を含むコア層を用いて説明および例証され得るが、本発明の態様は、そのように制限されるわけではなく、他の構造配置、形状、および／またはセルの幾何学的構造も含み得ることは理解されるべきである。

図1は、本発明の一態様により使用され得るハニカム構造100部分の図である。ハニカム構造100の六角形セルにより、構造は曲げに耐えることが可能となる。この例において、ハニカム構造100は、複数の六角形セル102を含み、この場合、各六角形セル106の壁104は、隣接する表面（図1には示されず）に対して垂直である。壁104は、例えば金属などの材料による単層または多層によって作製され得る。この例において、ハニカム構造100は、以下において詳細に説明されるような波形金属板から形成される。

図2は、ハニカム構造100を形成するために使用され得る2つの波形帯板202／204を示す。2つの波形帯板202／204は、組み合わせて使用すると、図1の六角形セル106と同様の六角形セル208を形成する。金属を波状パターンに波形加工し、一緒に接着することで、以下で説明されるようなハニカム構造100を形成することができる。

図3は、本発明の態様によるハニカム構造300を形成するために一緒に接着された波形層302／304を示すハニカム構造300の断面図である。第一の波形板302は、例えば、第一の波形板302と第二の波形板304の間の接合部306を蝋付けすることにより、第二の波形板304に接着され得る。蝋付けは、2つのぴったりと合わさった部品の間において充填材料を融点まで加熱し、毛管作用を介して2つの部分間に広がらせることによる接合プロセスである。その液体温度では、溶融状態の充填材料が、2つの部品の薄層と相互作用し、冷却されて強くて密封された接合を形成する。一般的に、蝋付け合金の溶融温度は、接合される材料の溶融温度より低い。蝋付け接合は、冶金学的にお互いに接着された異なる層のサンドイッチ型になる。蝋付けは、本明細書において説明した接着の例示的な一方法ではあるが、当業者であれば、蝋付けは本発明において使用することができる接着の一タイプに過ぎないことを認識するであろう。2つの構造物を一緒に接着する他の周知の技術としては、溶接、はんだ付け、粘着（例えば、永久的な粘着剤か接着剤）などの様々なタイプが挙げられる。本発明の1つ以上の態様に従って、当技術分野において公知の接着の任意のタイプを利用することができる。多くの態様において、ハニカム構造800が、金属の2つの層の間にサンドイッチされることに注目されたい。

図4は、本発明の態様による、ハニカム構造セル400の壁の断面図である。ハニカム構造セル400の壁（図1の104も参照のこと）は、接着部406によって第二の波形板404（図3の304と同様）に結合している第一波形板402（図3の302と同様）を含む。接着406（図3の306と同様）は、例えば、蝋付け、接着剤による接着、または溶接によって実施され得る。

ハニカム構造セル100の壁の熱伝導性を向上させるために、高熱伝導性の材料を基材と組み合わせて使用し、波形板402／404を作製する。したがって、各波形板402／404は、基材の1つ以上の層の間にサンドイッチされ接着された高熱伝導性の材料の層を含む。この様にして、各波形板402／404は、第二層412を伴うかもしくは伴わない第一層408と、コア層410とを含み得る。第一層408および第二層412は、例えばインコネル、チタン、またはステンレス鋼などの高強度基材で作製され得るが、これに限定されるわけではない。コア層410は、例えば銅などの高熱伝導性の材料を含み得るが、これに限定されるわけではない。2つの層408／410または3つの層408／410／412の組み合わせは、ハニカム構造セル100の壁の熱伝導性を向上させると同時に、高温耐性の堅固な構造を維持する。

いくつかの態様において、基材を含む第一層と、高熱伝導性材料を含む第二層の2つの層だけが提供されることに注意されたい。一態様において、第二層は、第一層の片面に接着されており、したがって、連続したセル壁の六角形セル内の内側コア材料を形成する。他の態様において、第一層は、高強度材料を含む2つの層によって囲まれている。

層408／410／412に使用される材料の選択は、温度および他の環境要因、例えば圧力など、の下での構造要素の変化の仕方に影響を及ぼし得る。第一層408および第二層412が用いられる場合、それらは、同じかまたは異なる材料の層で作製され得る。一態様により、第一層408と第二層412は、両方ともインコネル−625で作製され得る。別の態様により、第一層408はインコネル−625で作製され得、並びに第二層412はステレンス鋼で作製され得る。一態様により、コア層410の高熱伝導性材料は、銅または他の高伝導性材料を含み得る。

層408／410／412に使用される材料の選択は、構造要素の重さにも影響を及ぼし得る。例えば、上で説明されるように、インコネルおよび銅によって作製されたシェブロンは、純粋なチタンによるシェブロンより約65％軽量であり得る。

層408／410／412はさらに、様々な厚さを有し得る。例えば、インコネル（例えば、インコネル−625）またはステンレス鋼の第一層408は、0.002インチの厚さを有し得る。銅のコア層410は、0.004インチの厚さを有し得、並びにインコネル（例えば、インコネル−625）またはステンレス鋼の第二層412が用いられる場合には、それは、0.002インチの厚さを有し得る。

図5は、本発明の一態様によるハニカム構造を製造するためのプロセス500を説明する例示的なフローダイヤグラムを示す。プロセス500に関連して実施される様々なタスクは、手動により、あるいは加工方法を制御し操作するためのハードウェア、ソフトウェア、ファームウエア、コンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ読み込み可能メディア、またはそれらの組み合わせにより実施され得る。プロセス500は、任意の数のさらなる代替タスクを含んでいてもよく、図5に示されるタスクは、必ずしもその順序で実施される必要はなく、並びにプロセス500は、本明細書では詳細には説明されないさらなる機能を有するより包括的な手法またはプロセスに組み込まれ得るということは理解されるべきである。

プロセス500は、第一層と、場合によっては第二層と、並びに第一層に接着されているかまたは第一層および第二層に接着されかつ間にサンドイッチされているコア層とを含む複数の三層帯板を形成する工程（タスク502）により開始され得る。一態様において、2層または3層帯板を形成する方法は、各タイプの材料の帯板の別々のリールを受け取る工程と、2つまたは3つの帯板のそれぞれを積層する工程と、並びにそれらが一緒に接着するように十分な力でそれらをプレスする工程とを含む。別の態様では、2層または3層帯板を形成する方法は、各タイプの材料の帯板の別々のリールを受け取る工程と、それぞれの帯板を積層する工程と、並びに接着剤を使用して当該帯板を2層または3層の帯板へと接着する工程とを含む。無数の他の方法が、本発明の態様により使用され得ることには注意されたい。

さらに、第一層および第二層は、インコネル−625などのインコネル合金、ステレンス鋼、または別の高強度合金を含み得る。コア層は、銅または高い熱伝導性を有する別の材料を含み得る。

次に、複数の波形帯板302／304（図3）が、2層または3層帯板から形成され得る（タスク504）。一態様において、2層または3層帯板から波形帯板302／304を形成する方法は、2層または3層帯板リールを受け取る工程と、並びにロールプレスを用いて2層または3層帯板に波形形状をプレスする工程とを含む。2層または3層帯板から波形帯板を形成する別の方法は、2層または3層帯板を受け取る工程と、並び2層または3層帯板に波形形状をスタンプする工程とを含む。波形帯板のそれぞれの波形は、ハニカムセル構造400（図4）の六角形セル402／404の半分を形成する。

プロセス500の次の工程は、複数の波形帯板からハニカム構造100（図1）を形成する工程（タスク506）を含む。複数の波形帯板は、六角形セル106（図1）を形成するために整列され、当該複数の波形帯板が一緒に接着されてハニカム構造100が形成される。接着を向上させるために、帯板の間に充填材料を挿入され得る。例えば、蝋付けによって接着形成を行う場合、充填材料として蝋付けホイルまたは粉末が使用され得る。蝋付けに好適な任意の金属、金属合金、またはそれらの組み合わせが、本発明の範囲内であると考えられる（例えば、銅、アルミニウム、チタン等）ことは理解される。さらに、シート、ホイル、スプレー、粉末、ペースト、またはスラリーの形態における任意のタイプの既知の蝋付け材料が、本発明に従って利用され得る。その上、本発明のいくつかの態様は、非金属コア材料および非金属外部板を利用し得ると考えられる。例えば、公知の合成および／またはポリマー材料（例えば、ケブラー）を用いて射出成形コアを形成し、その後、外部の合成および／またはポリマー板に接着（例えば、超音波溶接および／または振動溶接）してもよい。

ハニカム構造100は、構造要素において使用するために、適切な形状に切断または機械加工され得る。当該切断または機械加工は、構造要素の表面がハニカム構造100に接着される前または後に実施され得る。切断または機械加工は、水噴射、レーザー、または他の切断法または機械加工法によって実施され得る。例えば、ハニカム構造100は、適切な厚さおよび／または形状にワイヤ放電加工（ワイヤEDM:Electrical Discharge Machining）するための保持固定具としての金属板に仮付け溶接してもよい。仮付け溶接は、小さい別個の溶接部による溶接、または、別々のポイントでの個々の溶接部による2つ以上の金属の溶接を含む。

放電加工（EDM）は、硬質金属または伝統的技術で機械加工することが不可能であり得るものに使用される機械加工法である。EDMは、電極と機械加工される金属片との間に、瞬時に一連の反復放電を発生させることにより金属を除去し得る。反復放電は、最終的な形状が得られるまで、工作物に次々とより深いクレーターを作製する。工作物から除去される少量の材料は、連続的に流動する流体によって流し去ってもよい。EDMは、電気伝導性の材料に対して機能する。EDMで機械加工することができる金属としては、例えば、鉄鋼、チタン、およびインコネルなどが挙げられる。EDMは、他の切削工具で製造するのが難しいであろう複雑な輪郭または繊細な空洞を切断するために有用であり得る。

ワイヤ放電加工において、電極は細いワイヤであり得、当該ワイヤは、ハニカム構造を通して引かれ得る。ワイヤは、切断される金属に接触する必要はない。むしろ、放電が、ハニカム構造を切断し得る。放電は、少量の材料を除去し得、並びにワイヤがハニカム構造を通して動くことを可能にする。ワイヤの経路は、通常、コンピュータによって制御され、これによって複雑な形状を製造することが可能となる。ワイヤEDMは、水または他の液体の浴において実施され得、並びに最も固い導電性材料を切断するために使用することができる。

ハニカム構造が形成された後に、構造要素の外部表面がハニカム構造に接着され得る（タスク508）。例えば、内側表面が、ハニカム構造100の第一の側面に接着され得、一方、外側表面は、ハニカム構造100の第二の側面に接着され得る。状況に応じて、端部表面および／または取り付けブラケットも、ハニカム構造並びに／あるいは内側表面および外側表面に接着され得る。次に、結果として得られる構造体が、水噴射、レーザー、または別の切断法により、適切な形状に切断され得る。次に、形成された構造体が、（例えば、EDMにより）機械加工されて、平滑化され、並びに、例えばビーズブラストなどにより仕上げ加工され得る。

図6は、本発明の一態様によりタービンエンジンシェブロンが配置され得る例示的な位置を示すタービンエンジン600の図である。シェブロン610／612は、タービンエンジン600からの雑音を減少させるために、エンジン排ガス流602（排出ガス流616／618を含む）に対して配置され得る。例えば、シェブロン612は、ジェットエンジン排気ノズル614の後部と結合され得るが、この場合、高温排気ガス618により、シェブロンが変形する場合がある。シェブロン612は、排ガス618とターボファン排出ガス流（ファンにより送られたバイパス空気）616との適切な混合を可能にし得る。同様に、シェブロン610はエンジンナセル608の後部に結合され得、ターボファン排気ガス流（ファンにより送られたバイパス空気）616と周囲空気流620との適切な混合を可能にする。この様にして、シェブロン610／612は、ガス流620／616／618のより良好な混合を実施することによって、タービンエンジン600からの騒音を減少させることができる。

シェブロン610／612は、シェブロンの反対側からのガス流の混合において乱気流を減少させることにより騒音を減少させる。エンジン排気ノズル614を通って流れるエンジンのコア（図示されず）からのエンジンコア排ガス618は、第一のガス流である。ナセル108を通って流れる、ファンにより送られるバイパス空気616は、第二のガス流である。ナセル608の周りを流れる周囲空気620は、第三のガス流れである。これらの3つのガス流が、シェブロン610／612によって適切に混合される場合、エンジンの騒音は減少する。しかしながら、上記において言及したように、変形は、混合乱気流騒音の減少におけるエンジン排気ノズルシェブロン612の有効性を減少させ得る。これは、以下における図8の説明においてより詳細に説明される。

図7は、本発明の態様によるタービンエンジンシェブロン700の図である。タービンエンジンシェブロン700は、内側表面702、外側表面704、端部表面706、および取り付けブラケット708を含み得る。一態様において、内側表面702は、エンジンコア排気ガス流710に面している、タービンエンジンシェブロン700の側面であり得（図6の618も参照のこと）、並びに外側表面704は、エンジンコア排気流710に面していない、シェブロンの側面であり得る。端部表面706は、タービンエンジンシェブロン700の内部構造を覆い保護する。取り付けブラケット708は、タービンエンジンシェブロン700を、例えば、ターボジェットエンジン排気ノズル614の後部、またはエンジンナセル608の後部に接続するために使用され得る（図6）。内側表面702、外側表面704、端部表面706、および取り付けブラケット708は、塗料または他の装飾的もしくは保護的な塗料によりコーティングされていてもよい。

エンジンコア排気流618の熱は、主として内側表面702に晒されるため、内側表面702と外側表面704の間に温度差が発生し得る。その上、不均一な加熱のために、シェブロンの表面にも温度差が発生し得る。本明細書で使用される場合、熱勾配は、タービンエンジンシェブロン700上の様々な位置の間の温度差を含む。

熱勾配は、排気が当たる側と当たらない側との間に熱膨張の差を生じ得る。図8は、熱勾配のために生じ得るタービンエンジンシェブロンの変形を示すタービンエンジンシェブロン800の図である。第一の状態804は、エンジンコア排気流710から熱せられる前のタービンエンジンシェブロン800の形状を示している。第二の状態806は、エンジンコア排気流710によって熱せられた後のタービンエンジンシェブロン800の形状を示している。

図9は、熱勾配のために生じ得るシェブロンの変形uを示すタービンエンジンシェブロン900の断面図である。第一の状態904は、エンジンコア排気流710から熱せられる前のタービンエンジンシェブロン900の形状を示している。第二の状態906は、エンジンコア排気流210によって熱せられた後のタービンエンジンシェブロン902の形状を示している。変形量uは、温度およびタービンエンジンシェブロン900を作製するために使用される材料に応じて変わる。

変形uを最小にするために、タービンエンジンシェブロンは、高強度を有する材料を使用して作製されている。インコネルは、高温（例えば、約1000℃以上）におけるその高強度のために、タービンエンジンシェブロンを作製するために使用されるそのような材料の1つである。しかしながら、インコネルの熱伝導率は限られており（例えば、9.8W／m・K）、そのため、高温での変形uの増加の原因となり得る。インコネルによって提供される熱伝導率より高い熱伝導率であれば、シェブロンの熱勾配を減少させることができる。本明細書で説明されている本発明の態様は、熱伝導性を向上させ、熱勾配を減少させて、変形uを最小にするために、インコネル、チタン、ステンレス鋼などの基材と組み合わせて高熱伝導性の材料を使用する。

変形は、シェブロンの空力的形状を曲げるかまたは変更し得、それが原因で抵抗力および／または騒音が増加し得るので、変形は望ましくない。例えば、図10は、2つの温度1002（21℃と537℃）におけるインコネル−625 1004、銅1006、および高熱伝導性シェブロンセル壁1008（図4の402／404）の熱伝導率1000の一覧を示している。この例では、高熱伝導性シェブロンセル壁1008は、0.002インチのインコネル−625（層408／412）および0.005インチの銅（コア層410）を含む。図10に示されているように、温度1002において、銅1006は、インコネル−625 1004より高い熱伝導率を有する。さらに、温度1002において、高熱伝導性シェブロンセル壁1008（インコネル−625および銅の両方を有する）は、インコネル−625 1004単独よりも高い熱伝導率を有する。したがって、本発明の様々な態様により、熱伝導性シェブロンは、すべてインコネル−625 1004であるシェブロンと比較して、変形uをかなり減少させ得る。

図11は、材料の3つの組み合わせにおけるシェブロンの変形uの減少を示している。第一の材料組み合わせ1102は、すべてインコネル−625を含む（すなわち、第一層408、コア層410、および第二層412が、すべてインコネル−625であるか、またはインコネル−625の単層で構成される）。第一の材料組み合わせ1102に対する変形uの測定量は、この例において約11.3ミリメートル（mm）であり得る。本発明の態様により、第二の材料組み合わせ1104は、インコネル−625の第一層408、銅などの高温度伝導性材料（HTC:high−temperature conductivity）のコア層410、およびステンレス鋼の第二層412を含む。第二の材料組み合わせ1104に対する変形uの測定量は、この例において2.7mmであり、これは、第一の材料組み合わせ1102の変形uより少ない。別の態様により、第三の材料組み合わせ1106は、インコネル−625の第一層408、銅などの高熱伝導性材料（HTC:high−thermal conductivity）のコア層410、およびステレンス鋼の第二層412を含む。第三の材料組み合わせ1106に対する変形uの測定量は、この例において1.5mmであり、これは、第一の材料組み合わせ1102および第二の材料組み合わせ1104の両方より少ない。

図12は、本発明の態様によるタービンエンジンシェブロン700の内部構造1200の図である。内部構造1200は、内側表面1202（コーティングされていない内側表面702に対応）、外側表面1204（コーティングされていない外側表面704に対応）、およびハニカム構造1206を含み得る。内部構造1200は、タービンエンジンシェブロン700の物理的支持を提供し、一般的に、空力的負荷による変形を減少させるために軽くて堅い材料で作製されている。

内側表面1202および外側表面1204は、ハニカム構造1206に取り付けられており、並びに同じかまたは異なる材料であり得る。内側表面および外側表面1202／1204を形成するのに使用される材料の種類は、シェブロン700の有用性に応じて変わり得る。例えば、内側表面1202が直接エンジンコア排気流710に晒され、外側表面1202が晒されていない場合、内側表面1202を、より耐熱性の材料および／または外側表面1202より低い熱膨張係数を有する材料から製造することが適切であり得る。シェブロン700を製造するために使用される材料の耐熱性は、エンジンコア排気流710との接触の度合いに加えて、ハニカム構造1206を介しての熱伝導の度合いに応じて変わり得る。

一態様において、内側表面1202は、高温（例えば、約1000℃を超える温度）に耐えることができる高温材料を含み得る。インコネル−625は、そのような材料の一例である。インコネル−625は、非磁性の、耐食性および耐酸化性のニッケルベースの合金である。約2000°F（約1093℃）までの温度におけるその傑出した強度と靭性は、主として、ニッケル−クロムマトリックスにおける耐熱金属、コロンビウム、およびモリブデンの固溶効果に由来する。インコネル−625は、素晴らしい疲労強度と塩素イオンに対する負荷−腐食亀裂耐性を有する。

外側表面1204も、高温に耐えることができる高温材料を含み得るが、エンジンコア排気流に直接には接触し得ないので、より低い要件（約200°F〜300°F）を有し得る。したがって、外側表面1204もインコネル−625を含み得るか、あるいは別の種類のステレンス鋼などの材料を含み得る。ステレンス鋼は、インコネルよりかなり高い熱膨張係数を有し、サンドイッチ構造の熱変形を最小にすることに貢献する。

図1〜3に関して上記において説明したように、ハニカム構造1206は、軽量かつ高強度を提供するように組み立てられた部材の接着された帯板によって構成された中空構造体である。六角形セルの中空内部は、内側表面502と外側表面504との間に複数の中空管を形成する。ハニカム構造の中空性質が、シェブロンを軽量にしている。

図13は、本発明の一態様による熱伝導性シェブロンを組み立てるプロセス1300を示す例示的なフローダイヤグラムを示している。外部表面（例えば、図7に示されている表面702／704／706／708）は、蝋付けされる前に、形成されたコアハニカム構造1206に仮付け溶接され、これが、その後の蝋付けの向上および熱伝導性シェブロン700の品質の向上を可能にする。これらの表面（「スキン」としても知られる）は、シェブロンを形成するために、（例えば、水噴射により）適切なサイズに切断され得る。シェブロン700の外側表面704は、外径（O.D.:outer diameter）スキンとしても知られており、内側表面702は、内径（I.D.:inner diameter）スキンとしても知られており、端部表面706は、セグメント化風損板としても知られている。プロセス1300は、任意の数の追加タスクまたは代替タスクを含んでいてもよく、図13に示されるタスクは、必ずしも図示されている順序で実施される必要はなく、並びにプロセス1300は、本明細書では詳細には説明されないさらなる機能を有するより包括的な手法またはプロセスに組み込まれていてもよいということは理解されるべきである。

組み立て工程は、外側表面704を組み立て取り付け具に仮付け溶接することから開始され得る（タスク1302）。組み立て取り付け具は、組み立て中に対象物を保持するためのフレームである。組み立て取り付け具は、当技術分野において周知であり、そのため、そのような組み立て取り付け具の詳細については、本明細書では説明していない。次に、ハニカム構造が、外側表面704上に配置され仮付け溶接され得る。端部表面706は、例えば、外側表面に対する端部表面の密閉を確実にするために約0.030インチのワイヤを使用して外側表面704の端部に仮付け溶接され得る（タスク1304）。一態様において、当該ワイヤは、シェブロンの内部が空気または異物に晒されることを防ぐために適合された閉鎖ワイヤを含む。次に、ハニカム構造1206が、例えば約0.010インチのワイヤを使用して、外側表面704上に配置され仮付け溶接され得る（タスク1306）。次いで、内側表面702が、例えば約0.030インチのワイヤを使用して、ハニカム構造1206および端部表面706に仮付け溶接され得る（タスク1308）。結果として、組み立てられたシェブロン700が得られる。組み立てられたシェブロン700は、次に、蝋付けプロセスを完了するために加熱され（タスク1310）、次いで、例えば、CNCミリング、EDM、およびビーズブラストによって機械加工され仕上げ処理される（タスク1312）。

図14は、本発明の態様による熱伝導性シェブロン700を利用するプロセス1400を説明する例示的なフローダイヤグラムを示している。プロセス1400は、任意の数の追加タスクまたは代替タスクを含んでいてもよく、図14に示されるタスクは、必ずしも図示されている順序で実施される必要はなく、並びにプロセス1400は、本明細書では詳細には説明されないさらなる機能を有するより包括的な手法またはプロセスに組み込まれていてもよいということは理解されるべきである。

熱伝導性シェブロンを利用するためのプロセス1400は、シェブロン700を提供し（タスク1402）、シェブロン700をエンジン600に取り付けること（タスク1404）によって開始され得る。この例では、シェブロン200は、様々な取り付け方法を用い、マウンティングブラケット708を介してターボジェットエンジン排気ノズル614の後部（または他の位置）に取り付けられ得る。例えば、マウンティングブラケット708は、例えばボルト締め、リベット締め、溶接、蝋付け、緊結、クリッピングなどによってエンジン排気602に接着され得る。次いで、プロセス1400は、エンジン600からの騒音を減少させるために取り付けられたシェブロン700を伴うエンジン600を操作する（タスク1406）ことにより継続する。

図1〜3を参照して説明したハニカム構造は、本発明のいくつかの態様による収束型／発散型フラップを実現するためにも使用され得る。例えば、これらのフラップは、ジェットエンジンの排気ノズルにおける流体流動の向きを変更するために使用される。

多くの従来のジェットエンジンは、エンジンに入る空気の圧力を上げるための圧縮工程を成すコア部分と、空気を燃料と混合し、当該混合物を燃焼させて高エネルギーガス流を作り出すための燃焼室と、圧縮工程を実施するために高エネルギーガスからパワーを取り出すためのタービン段と、並びにエンジンから放出される前にガス流のエネルギーレベルを上げるためのアフターバーナーとを具備する。排気ノズルは、通常、排ガスを放出するために使用される。

図15は、先行技術において公知の排気ノズル組立体1500を図示している。アフターバーナーからのガスは、排気ノズル組立体1500の下流端において円形開口部1502を通ってエンジンから放出される。排気ノズル組立体1500は、通常、排気ガス流が通る開口部1502の直径を変更するために展開可能な、周方向に整列された複数のセグメント（発散型フラップ1504と呼ばれる）を含む。発散型フラップ1504は、ジェット機の運行の速度および／または方向を調節するために、排気ノズル組立体1500における流体流動の向きを変更するために使用される。

排気ノズル組立体1500の幾何学的構造は、開口部1502の可変上流でもあり得る。例えば、複数の収束型フラップ1506は、所定のノズル喉面積での流出ガス速度を最大にするために、流路を制限するため使用され得る。ジェット機の速度および加速は、収束型フラップ1506に対して発散型フラップ1504の構成に一部依存するので、両方のフラップ（1504／1506）のセットが、ジェット機の様々な速度および加速を達成するために使用され得るということに注意されたい。

図16は、従来の収束型／発散型フラップ組立体1600の透視図である。図によって示されているように、収束型フラップ1606は、排気開口部1502の中心に向かって流体流動1602の向きを変更するように適合されている。その後に、発散型フラップ1604が、収束型フラップ1606からの下流の流出口経路の直径を変更する。この様にして、排気ガス速度は増加させることができ、例えば、航空機が超音速に達するのを可能にする。

従来のフラップ（収束型1506／1606および発散型1504／1604の両方）は、流体流動1602により近いために比較的高い温度に晒されるフラップ部分と、流体流動1602から離れて位置しているフラップ部分との間に発生する温度勾配に晒される。フラップが適切な熱伝導性を有していない場合、熱は伝達せずに、流体流動1602により近いフラップの領域内に蓄積し、流体流動から離れているフラップの領域は、より冷たい状態のままであり得る。結果として生じる熱膨脹差が原因となって、支持材の伸長、引き裂け、および／または熱変形が生じ得る。これは、フラップに対する損耗または損傷の原因となり得、時には、図8、9、および11に図示されているのと同様の変形を生じ得る。

上記において説明したハニカム構造（図1〜3および付随のテキストを参照のこと）は、熱伝導性シェブロンに関して上記において説明したのと同様の方法において熱伝導性を促進し、それによって前述の各効果を緩和および／または防ぐために使用され得る。

例えば、図17は、本発明の一態様によるフラップ組立体1700を図示している。フラップ組立体1700は、第一の外部表面1704（1）から第二の外部表面1704（2）への熱の伝達を可能にするように適合させたハニカムコア層1702を含む。いくつかの態様では、ハニカム構造1702を外部応力、汚染、または熱変形から保護するために、1つ以上の端部表面1706がハニカム構造1702の周囲周りに配置され得る。

第一および第二の外部表面1704は、インコネル−625などのインコネル合金またはステレンス鋼を含み得る。ハニカム構造1702は、銅または高熱伝導性を有する他の材料と一緒に、インコネルなどの高強度材料を含み得る。図17に表現されているフラップ組立体1700は、上記において説明した方法（図5および付随のテキストを参照のこと）により製造され得ることに注意されたい。

図1〜3を参照して説明したハニカム構造は、本発明の態様による排気ノズルの1つ以上の表面を実現するためにも使用され得る。排気ノズルは、例えば、ジェットエンジン、ロケットエンジン、弾道兵器、芝刈機などのようなエンジン駆動器具、車両（例えば、車、オートバイ、三輪バギーなど）、並びに他の機関車用途を含む様々な用途において使用され得る。

図18は、本発明の一態様によるハニカム構造1808を実現した例示的な排出ノズル1800の断面図である。排気ノズル1800は、排気ノズル1800の遠位末端に向かって排気流1802を排出するように適合されている。図18の排気ノズル1800は、実質的に筒状に表現されているが、当該排気ノズルは、本発明の態様により、多くの形状、構成、および／または幾何学的構造を取り得る。いくつかの態様において、例えば、排出ノズルは多角形構成を含み、これより、その周囲に層（1804／1806）を伴うハニカム構造1808のフラットセグメントの利用が可能となる。

排気ノズル1800は、熱を消散させてそれによって熱変形の影響を緩和または排除するように適合されたハニカム構造1808を含む。排気流1802が、排気ノズル1800の内側表面1804を加熱する場合、ハニカム構造1808は、熱が外側表面180へと伝達されるのを可能にし、それによって熱勾配を減少させる。この様にして、熱変形はかなり減少させることができる。

上記において説明したハニカム構造は、本発明の態様による排気プラグの1つ以上の表面を実現するためにも使用され得る。

図19は、先行技術において公知の排気プラグ1902を含む排気システム1900の斜視図である。排気プラグ2903は、通常、従来の方法において推進力を生み出すために一次空気およびコア空気が排気されるエンジンの排気セクションに取り付けられる。

適切な熱伝導性を有していない場合、熱は、排気プラグ1902の内側表面内に蓄積され、それが原因となって、支持材の伸長、引き裂け、および／または熱変形を生じ得る。したがって、本発明のいくつかの態様は、排気プラグ1902の内部構造の熱伝導性を増加させる。

図20は、本発明の一態様によるハニカム構造2008を含む排気プラグ2000の断面図である。排気プラグは、内側表面2004および外側表面2006を含み、その場合、各表面は、ハニカムコア2008に接着されている。ハニカムコアは、熱が、比較的より高い温度を有する表面から、比較的より低い温度を有する表面へと伝達されることを可能にする。この熱伝達は、表面間の温度差を減少させ、その結果、熱変形を減少させる。

図20に表現された排気プラグは、実質的に円錐の形状であるが、本発明の範囲に従って無数の他の幾何学的構造も可能であることには注意されたい。さらに、内側表面2004および外側表面2006は、同じかまたは異なる材料を含み得る。

本発明は、添付図面を参照してその態様に関連して完全に説明されたが、様々な変化および変更が当業者に明らかとなるであろうことは注意されるべきである。そのような変化および変更は、添付された特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に含まれているとして理解されるべきである。

本明細書において使用される用語および句、並びにそれらの変形は、そうでないことが明確に述べられていない限り、限定的とは対照的なオープンエンド形式として理解されるべきである。前記の例として、「含む（”including”）」という用語は、「含むが、これに限定されるわけではない」などの意味として理解されるべきであり、「例」という用語は、説明における品目の例示的な例を提供するために使用されるものであって、その品目の網羅的または限定的な一覧ではなく、並びに「従来の（”conventional”）」、「伝統的な（”traditional”）」、「通常の（”normal”）」、「標準的な（”standard”）」、「公知の（”known”）」などの形容詞並びに同様の意味の用語は、説明されている品目を所定の期間に限定したりまたは所定の期間から利用可能な品目に限定したりするものとして解釈するべきではなく、従来の、伝統的な、通常の、あるいは標準的な、現在または将来の任意の時点で利用可能もしくは公知となり得る技術を包含すると読まれるべきである。同様に、「および」という接続詞で一覧された品目の群は、それらの品目のそれぞれすべてが群の中に存在することを必要とするように理解されるべきではなく、むしろ、そうでないことが明確に記載されていない限り、「および／または」として理解すべきである。同じように、「または」という接続詞で一覧された品目の群は、その群の中で相互に排他的であることを必要とするように読まれるべきではなく、むしろ、そうでないことが明確に記載されていない限り、「および／または」として理解すべきである。さらに、本開示の品目、要素、構成要素は、単数で説明され、特許請求され得るが、明確に単数に限定されることが記載されていない限り、複数も本開示の範囲内にあると考えられる。いくつかの例における「1つ以上」、「少なくとも」、「だが、これらに限定されるわけではない」などの拡張する語句の存在は、そのような拡張する句が無い例においてより狭い範囲が意図または必要とされているという意味に理解されるべきではない。

Claims (38)

1. 複数のセル壁を含むハニカム構造であって、該セル壁のそれぞれが、
   第一の材料からなる第一の波形板と、
   第二の材料からなる第二の波形板であって、該波形板は第一の波形板に接着され、かつ、該第二の材料は第一の材料よりも高い熱伝導性を有する材料を含む、第二の波形板と
   を含む、ハニカム構造。
2. 第一の材料が、金属、高強度金属、インコネル、インコネル−625、およびステンレス鋼からなる群からの材料を含む、請求項1記載のハニカム構造。
3. 第二の材料が銅を含む、請求項1記載のハニカム構造。
4. 第一の波形板が、約0.002インチの厚さを有する、請求項1記載のハニカム構造。
5. 第二の波形板が第一の波形板より厚い、請求項1記載のハニカム構造。
6. 各セル壁が第三の材料からなる第三の波形板を含み、該第三の波形板が第二の波形板に接着されている、請求項1記載のハニカム構造。
7. 第三の材料が、金属、高強度金属、インコネル、インコネル−625、およびステンレス鋼からなる群からの材料を含む、請求項6記載のハニカム構造。
8. 第三の波形板が、約0.002インチの厚さを有する、請求項6記載のハニカム構造。
9. 熱伝導性シェブロン内に配置された、請求項1記載のハニカム構造。
10. サウンドバッフル内に配置された、請求項1記載のハニカム構造。
11. 排気ノズル組立体内に配置された、請求項1記載のハニカム構造。
12. 排気プラグ組立体内に配置された、請求項1記載のハニカム構造。
13. 熱伝導性フラップ内に配置された、請求項1記載のハニカム構造。
14. 複数のセル壁を含むハニカム構造であって、該セル壁のそれぞれが、
    第一の材料からなる第一の波形板と、
    第二の材料からなる第二の波形板と、
    第一の材料および第二の材料より高い熱伝導性を有する第三の材料を含む、第一および第二の波形板に接着されかつその間に配置されたコア板と
    を含む、ハニカム構造。
15. 第一の材料が、金属、高強度金属、インコネル、インコネル−625、およびステンレス鋼からなる群からの材料を含む、請求項14記載のハニカム構造。
16. 第二の材料が、金属、高強度金属、インコネル、インコネル−625、およびステンレス鋼からなる群からの材料を含む、請求項14記載のハニカム構造。
17. 第三の材料が銅を含む、請求項14記載のハニカム構造。
18. 第一の材料および第二の材料が同じ材料を含む、請求項14記載のハニカム構造。
19. 第一の材料および第二の材料が異なる材料を含む、請求項14記載のハニカム構造。
20. シェブロン形状のサウンドバッフル内に配置された、請求項14記載のハニカム構造。
21. 排気ノズル内に配置された、請求項14記載のハニカム構造。
22. 排気プラグ内に配置された、請求項14記載のハニカム構造。
23. 収束型フラップ内に配置された、請求項14記載のハニカム構造。
24. 発散型フラップ内に配置された、請求項14記載のハニカム構造。
25. 複数の波形セル壁と、
    該波形セル壁に垂直でかつ波形セル壁の第一の端部に接着された第一の表面と、
    該波形セル壁に垂直でかつ波形セル壁の第二の端部に接着された第二の表面と
    を含み、
    該波形セル壁のそれぞれが、熱を第一の表面から第二の表面へと伝導するように適合されかつそれによって第一の表面の熱変形を減少させる少なくとも1つの層を含む、
    構造。
26. 熱伝導性シェブロン内に配置された、請求項25記載の構造。
27. 排気ノズル内に配置された、請求項25記載の構造。
28. 排気プラグ内に配置された、請求項25記載の構造。
29. 収束型／発散型フラップ組立体内に配置された、請求項25記載の構造。
30. 以下の工程を含む、熱伝導性シェブロンを製造する方法：
    第一層と、高熱伝導性材料を含む、第一層に接着した第二層とを含む、複数の帯板を形成する工程、
    当該複数の帯板から複数の波形帯板を形成する工程、
    複数の波形帯板からハニカム構造を形成する工程、
    第一の表面をハニカム構造の第一の側面に接着する工程、および
    第二の表面をハニカム構造の第二の側面に接着する工程。
31. 複数の波形帯板の少なくとも1つの波形が、六角形の半分を形成する、請求項30記載の方法。
32. ハニカム構造が、複数の六角形セルを含む、請求項30記載の方法。
33. 複数の帯板が、第二層に接着された第三層をさらに含み、該第二層が第一層と第三層との間に位置している、請求項30記載の方法。
34. 以下の工程を含む、熱伝導性シェブロンを利用する方法：
    熱伝導性シェブロンを提供する工程であって、ここで該熱伝導性シェブロンが、
    複数のセル壁から形成された複数の六角形セルと、
    該六角形セルに垂直でかつ該六角形セルの第一の端部に接着された第一の表面と、
    該六角形セルに垂直でかつ該六角形セルの第二の端部に接着された第二の表面とを含み、ここで、該セル壁のそれぞれが、熱を第一の表面から第二の表面へと伝達するように適合されることによって第一の表面の熱変形を減少させる少なくとも1つの層を含む、工程、
    および
    該熱伝導性シェブロンをエンジンに取り付ける工程。
35. エンジンからの騒音を減少させるためにエンジンに取り付けられた熱伝導性シェブロンを備えたエンジンを操作する工程をさらに含む、請求項34記載の方法。
36. 熱伝導性シェブロンをエンジンに取り付ける工程が、エンジンの排気ノズルに該熱伝導性シェブロンを取り付ける工程を含む、請求項34記載の方法。
37. 熱伝導性シェブロンをエンジンに取り付ける工程が、エンジンのターボファンナセルに該熱伝導性シェブロンを取り付ける工程を含む、請求項34記載の方法。
38. エンジンがタービンエンジンを具備している、請求項34記載の方法。

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