JP2015519524A - 注入可能なナットキャップ - Google Patents

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Abstract

本発明は、固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成し、これによって固定具に落雷が発生した場合にガス放出およびスパークの事象を封じ込めるためのキャップを提供する。本発明は、そのようなキャップを備えるジョイント、部品キット、そのようなキャップを設置する方法も提供する。本発明によるキャップは、固定具の一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲しているエッジで終わっている環状ベースを有する内キャップ部材;および、環状ベースから径方向外側に広がる環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、環状スカート又はフランジと環状ベースとの、この両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材を備える。キャップは、環状シール空洞と流体連通している開口部を外キャップ部材に備えるシール材入口であって、開口部が、シール材注入装置と相互結合してシール材入口から環状シール空洞への硬化可能なシール材の流れを起こすように構成される、シール材入口も備える。【選択図】図3

Description

本発明は、固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するためのキャップ、そのようなキャップを備えるジョイント、ならびにそのようなキャップを設置するための部品キットおよび方法に関する。
図1は、パネル1を貫通する固定具アセンブリの一部の側面図であり、パネルは、複合材料製又は金属製のパネルであってよい。アセンブリは、外側にねじを切ったボルト2、内側にねじを切ったナット3、およびワッシャ4を備える固定具を備えている(固定具は、このようにする代わりに、リベットやスエージによる固定具など、その他の任意の公知の固定具の類を備えていてもよい)。万一落雷が発生してパネル1に当たり、固定具に到達すると、図1に符号5で表記した場所にスパーク、プラズマ又はガス放出が起こるおそれがある。
スパーク抑制を起こす公知の方法が、欧州特許第A−0334011号に記載されている。ある量のガスがキャップによって固定具の周りに密閉されている。ガスは、落雷過程で合成構造と金属製固定具との間に起こり得るアーク放電に対してスパーク抑制を起こす。
本発明の第1の態様は、固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するためのキャップであって:固定具の一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲しているエッジで終わっている環状ベースを有する内キャップ部材;環状ベースから径方向外側に広がる環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、環状スカート又はフランジと環状ベースとの、この両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材;および、環状シール空洞と流体連通している開口部を外キャップ部材に備えるシール材入口であって、開口部が、シール材注入装置と相互結合してシール材入口から環状シール空洞への硬化性シール材の流れを起こすように構成される、シール材入口とを備えるキャップを提供する。
シール材は、キャップを固定具の一端部の上に位置決めした後に注入されることができるため、短い取り扱い時間および硬化時間でシール材を使用することが可能である。シール材は、塗布時にシール材注入装置内で混合されることができ、それによって、材料がその可使時間中および硬化し始める前に塗布されるのが確実になる。急速に硬化するシール材は、安定した接着を極めて急速に実現するという利点を有する。つまり、設置されたキャップは、短い時間枠内で組み立て作業員から受ける偶発的な打撃などに耐えられる。
環状シール空洞は、シール用に大きな接触面積を提供し、一方この接触面積は、比較的小さい設置面積内でキャップと構造体との間に強力で信頼性の高い接着を提供する。キャップと構造体との間の良好なシールは、空気空洞が落雷中に起こるガス放出およびスパークを安全に封じ込められるように、シールした空気量を空気空洞内に維持するとともに、燃料が空気空洞内に漏れるのを防止するためにも不可欠である。
本発明のキャップは、硬化したシール部内の空気間隙を防止し、清潔で一貫した塗布工程を提供する。シール材中の空気間隙を防止することが特に重要である。なぜなら、そのような空気間隙はシール部(接着ライン)を損ない、それによって空気空洞への燃料漏れを許してしまうからである。
環状シール空洞内のシール材は、ナットキャップが構造体を貫通している固定具の上に設置される際に空気空洞をシールするという主な機能を有するが、キャップを構造体に接着させるという機能を有していてもよい。そのため、シール材は、シール材と接着材料とを含んでいてよい。同じように、環状シール空洞は、環状シール空洞と接着空洞とを含んでいてよい。
キャップは、シール材入口の開口部および環状シール空洞と流体連通している相互接合空洞を備えていてよい。組み立て過程では、相互接合空洞は、硬化性シール材の流れをシール材入口から環状シール空洞へ運搬する。注入されたシール材が相互接合空洞内で硬化した後、シール材は、内キャップ部材を外キャップ部材に接着する役割を果たす。この接着は、キャップに補足的な強度、柔軟性および衝撃耐性を与えるほか、燃料侵入に対する耐性を強化させる。
シール材入口の開口部は、外キャップ部材の中央軸に中心が置かれることが好ましい。このような中心位置により、環状シール空洞の周囲全体に対するむらのない流れを確保する。このようにする代わりに、いくつかの実施形態では、キャップを限られたスペース内に設置できるように、開口部は中央軸からずれていてもよい。このような場合は、、シーラント材の流れがむらのないシール部(接着ライン)を実現できることを確実にするために、補足的な制限特徴部又はその他の特徴部をキャップに組み入れることが必要なことがある。
相互接合空洞は、硬化性シール材が開口部から環状シール空洞へ流れるのを制限するように構成された流れ制限特徴部を備えていてよい。このような流れ制限特徴部は、相互接合空洞の断面積が小さい領域を備えていてよい。流れ制限特徴部は、相互接合空洞全体がシール材で充填されるまで、シール材が環状シール空洞に流れるのを防止する役割を果たす。充填されると、シール材内の圧力は、流れ制限特徴部によって生じる抵抗を越えるほど十分に増大し、それによってシール材を環状シール空洞の周囲全体にむらなく送り出す。
キャップはさらに、開口部からくる硬化性シール材を受け入れて、このシール材を環状シール空洞に分布させるように構成された貯蔵部を備えていてよい。貯蔵部は、開口部と軸沿いに並んでいる(すなわち直下に位置している)、上部が開口したチャンバを備えていてよい。貯蔵部は、シール材で充填されると、周縁(すなわち上方エッジ)を通って溢れてシール材を全径方向に均一に流すように構成されてよい。
相互接合空洞は、環状の断面形状を有していてよい。そのため、相互接合空洞の周囲全体の周りにシール材が均一に流れ、それに応じて環状シール空洞内に均一に流れる。
内キャップ部材は、環状ベースから拡張する実質的にドーム型の部分を備えていることが好ましく、外キャップ部材は、これに合致する、環状スカート又はフランジから拡張する実質的にドーム型の部分を備えていることが好ましい。外キャップ部材のドーム形状は、組み立て作業員による偶発的な衝撃などによってキャップが損傷する可能性を低減し、応力が集中するのを最小に抑える。内キャップ部材のドーム形状は、空気空洞の体積を最小にでき、したがってキャップ全体のサイズおよび質量を最小にする。このようにドーム形状は、所与の重さおよび空間のエンベロープに対して空気空洞の体積を最大にする。そのため、相互接合空洞がある場合、その相互接合空洞は、内キャップ部材のドーム型部分と外キャップ部材のドーム型部分との間に画成される、薄壁でドーム型の空洞を備えている。相互接合空洞のドーム形状により、注入されたシール材に対して抵抗の少ない流体流路ができる。
キャップは、内キャップ部材の外面か外キャップ部材の内面のいずれかに形成される複数のチャネルを備えていてよく、各チャネルは、シール材入口の開口部および環状シール空洞に流体連通している。
チャネルは、内キャップ部材と外キャップ部材との間の間隙の一部のみに広がる浅いチャネルであってよく、残りの間隙が連続した相互接合領域になる。さらに好ましくは:チャネルは、内キャップ部材の外面に形成されて外キャップ部材の内面に当接する隆起部で隔てられるか;又はチャネルは、外キャップ部材の内面に形成されて、外キャップ部材の外面に当接する隆起部で隔てられるかのいずれかである。そのため、この場合隆起部は、内キャップ部材と外キャップ部材との間の間隙を複数のチャネルに分割し、シール材がチャネルどうしの間を流れないようにする。隆起部は、もう一方のキャップ部材に接合されてよく、この場合隆起部は、そのもう一方のキャップ部材に当接する。
通常各チャネルは、シール材入口からくる硬化性シール材の流れを受け入れるように構成されたチャネル入口と、硬化性シール材の流れを環状シール空洞に供給するように構成された出口とを有する。チャネルは、内キャップ部材の環状ベースのエッジまでずっと続いていてよいが、さらに好ましくは、チャネルの出口は、内キャップ部材の環状ベースのエッジから軸方向に戻った所に設定される。
内キャップ部材は、環状ベースをこれよりも直径の小さい外側部に接合する肩部を備えていてよく、チャネルの出口は、肩部又は肩部の近傍から軸方向に戻った所に設定されてよい。
内キャップ部材又は外キャップ部材は、片側のみにチャネルで形成されてよいが、さらに好ましくは、内キャップ部材又は外キャップ部材は、波形形状である。つまり:チャネルは、内キャップ部材の外面に形成されて、これに合致する複数のチャネルが内キャップ部材の内面に形成されるか;又はチャネルは、外キャップ部材の内面に形成されて、これに合致する複数のチャネルが外キャップ部材の外面に形成されるかのいずれかである。内キャップ部材又は外キャップ部材をそのような波形で形成すると、余分な重量が多くならずに比較的細いチャネルを形成できる。
内キャップ部材又は外キャップ部材は通常、壁厚が実質的に均一のチャネルを形成する側壁を有する。これがキャップの重量を最小に抑える。
各チャネルは、環状シール空洞に向かって広がるにつれて大きくなる幅を有していてよい。これによって、シール材がチャネルを出る際に、異なるチャネルからくるシール材の別々の流れの合流を促す。
各チャネルは、環状シール空洞に向かって広がるにつれて浅くなる深さを有していてよい。
好ましくは、外キャップ部材の環状スカート又はフランジは、エッジで終わり、環状スカート又はフランジのエッジは、内キャップ部材の環状ベースのエッジから軸方向にずれている。つまり、キャップが固定具の端部が空気空洞内に密閉される所定の位置にあり、内キャップ部材のエッジが、固定具が貫通している構造体に当接しているとき、通常は、環状スカート又はフランジのエッジと構造体との間には間隙がある。この間隙は、シール材が環状シール空洞から流出するのを可能にし、その結果シール材は、キャップの周りに目に見える輪を形成し、それによって完全かつ均一なシールを視覚的に示す。ずれているエッジも、キャップの構造体への嵌合を可能にし、構造体は、内キャップ部材のエッジ近くに、フィレットのアール部又は段部などの盛り上がった領域を有する。
内キャップ部材および外キャップ部材は、好ましくは別々の部品として形成され、任意の一方をもう一方に接着して組み立てた後に相互接合空洞内でシーラントが硬化する。2つの部材を別々の部品をとして形成することで、製造工程が大幅に簡易化される。内キャップ部材および外キャップ部材は、好ましくはガラス充填ポリエーテルイミド(PEI)などの熱可塑性プラスチック材料から射出成形によって形成されてよい。適切なガラス充填PEIがUltem(登録商標)2400であり、これは体積の40%がガラス繊維である。2つの部品は、合致する形状にされてよく、このようにして、組み立てて合わせる際に両者の間に締まり嵌めがあるようにし、これによって不注意による分解を防止し、シール材が硬化する間、キャップを固定具上に保持するための把持力を起こす。このようにする代わりに、2つの部品は、シール材が挿入される前に(例えば溶接によって)接合されてよい。このようにする代わりに、2つのキャップ部材は、例えば追加の層を製造することによって1つの一体部品として合わせて形成されてよい。
任意に、外キャップ部材は、シール材が注入される際にシール材を観察するために、透明である。
環状シール空洞は、全体的に末広がりの形状であってよいため、その断面積は、環状ベースのエッジから距離を置くにつれて小さくなる。そのため、キャップが接着される構造体に接触しているシール材の面積は、キャップの直径全体を増大することなく最大にされることができる。そのため、環状スカート又はフランジは、好ましくは環状ベースに対して径方向外側に鋭角をなして環状ベースから広がる。このようにする代わりに、環状スカート又はフランジは、環状ベースに対して径方向外側に直角に環状ベースから広がってもよい。
環状スカート又はフランジは、環状ベースからその全長に沿って径方向外側に広がってよい。このようにする代わりに、環状スカート又はフランジは、環状ベースに平行に広がる筒状部と、環状ベースから径方向外側に広がって筒状部(ドーム型であってよい)を外キャップ部材の外側部に接合する肩部とを備えていてよい。肩部は、環状ベースに対して鋭角をなして、もしくは環状ベースに対して直角に、環状ベースから径方向外側へ広がってよい。
シール材入口は、外キャップ部材に突起部(ボスなど)を備えていてよく、突起部は、開口部を含み、シール材注入装置と相互結合するように構成される。
キャップの環状部分(つまり、環状ベース、環状スカート又はフランジ、および環状シール空洞)は、全体的に、断面が円形であってもよいし、(例えば固定具を六角形又は正方形で密閉するために)六角形や正方形など、断面がその他の任意の閉形状であってもよい。
本発明の第2の態様は、ジョイントであって:構造体;構造体を貫通する固定具;第1の態様によるキャップであって、内キャップ部材の空気空洞が固定具の一端部を密閉し、内キャップ部材のエッジが構造体に当接するキャップ;および、キャップの環状シール空洞を充填し、構造体に接触して空気空洞をシールするシール材を備える、ジョイントを提供する。
そのため、環状シール空洞内のシール材は、シール部(接着部)の厚みを最大にするとともに、シール部(接着部)の外側と空気空洞(内空洞)との間のリークパスの長さを最大にする役割を果たす。
好適な実施形態では、シール材(又はシール兼接着材料)は、環状シール空洞を充填するほか、キャップを構造体に接着する。そのため、キャップと構造体との間の接着部は、キャップとシーラント材とを接着し、シーラント材と構造体とを接着することで形成される。
第1の態様によるキャップは、固定具の各端部を包囲してよく、その結果ジョイントは、構造体の両側からシールされる。
構造体は、好ましくは航空機の構造構成部品であり、さらに好ましくは航空機の翼の構造構成部品であり、最も好ましくは燃料タンクの境界壁を形成する航空機の翼の構造構成部品である。構造体は、好ましくは複合材料製の構造構成部品を備え、固定具は、金属製の固定具であってよい。このような場合、固定具に落雷が発生する可能性が特にある。構造体は通常、固定具によって接合される1対の構造部品を備えている。このような航空機の用途では、キャップの空気空洞はエアポケットになり、落雷が起きた場合に、このエアポケット内において、制御されたガス放出又はスパークの事象が、安全に発生できる。シール材は、固定具の端部周りで液密シールにもなり、それによって固定具が貫通する構造体の孔を通って燃料が漏れるのを防止する。
シール材は、好ましくはエポキシ系接着剤を含み、最も好ましくは3M(登録商標)社製のScotch−Weld(登録商標)7256B/Aなどの二液型エポキシ系構造接着剤を含む。このようなエポキシ系材料は、普通は主要な(又は唯一の)目的が接着剤として作用することである用途で使用されるが、本発明では、接着剤としてもシーラントとしても作用する。このような二液型接着剤は通常、カートリッジ(50mlのカートリッジが好ましい)の形態で供給され、使用時に注入ガンのノズル内で混合される。エポキシ系接着剤は、自由流動であり、粘性が低く、室温で急速に硬化する。塗布時に二液型接着剤を混合することで、極めて短い可使時間、例えばわずか2〜3分の可使時間で接着剤を使用することが可能である。このような接着剤は、キャップを固定具の端部の上方に組み立てる前に塗布し、かつ/又は手で塗布する必要がある公知のシールキャップに使用されることはできない。
シール材用に適した代替材料が、二液型ポリサルファイド系シーラント又はシリコン系シーラントなどのシーラント材である。そのため、シール材は通常、エラストマーである。適切なポリサルファイド系シーラントが、Chemetall(登録商標)社製のMC−238 Class A/Bである。二液型シーラントは、塗布ガンを介して塗布するためのカートリッジ内に供給されることができ、通常は、ガンのノズルを介して送り出す前にカートリッジ内で混合される。このようなシーラントは通常、二液型接着剤よりも硬化時間が遙かに長い。特に、偶発的な打撃等に耐え得る堅剛なシールを実現するのにかかる時間は、エポキシ接着剤では約1時間であるのに比して、12時間以上になることがある。
内キャップ部材は、固定具に当接してもしなくてもよい。内キャップ部材が固定具に当接する場合は、内キャップ部材の内面から突出している複数のリブを介して固定具と当接してよい。
固定具は、構造体から突出していてもよいし、構造体内で皿もみ加工されてもよい。
本発明の第3の態様は、固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するための部品キットであって:
キャップであって:固定具の一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲しているエッジで終わっている環状ベースを有する内キャップ部材;環状ベースから径方向外側に広がる環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、環状スカート又はフランジと環状ベースとの、この両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材;および、環状シール空洞と流体連通しているシール材入口、を備えるキャップ;ならびに
キャップのシール材入口と相互結合して硬化性シール材の流れを環状シール空洞の中へ誘導するように構成されたノズルを有するシール材注入装置
を備える、部品キットを提供する。
硬化性シール材とは別にキャップを提供することで、シール材は、可使時間が短いタイプの急速に硬化するシール材になることができる。なぜなら、シール材は、任意に静的混合ノズルを介して、組み立てられたキャップに直接塗布されるからである。部品キットは、第2の態様のジョイントを形成するために使用されることができ、これによって関連する利益を得る。キャップは、第1の態様によるキャップを備えていてよい。
注入装置は、手動、電気、又は圧縮空気で動かされてよい。注入装置は、一定量のシール材を送り出すように構成されてよく、このようにして制御された一貫した塗布工程を実現する。
硬化性シール材は、二液型接着剤又はシーラント材であってよく、シール材の二液は、キャップ内に注入される前に注入装置のノズル内で一緒に混合される。このようにする代わりに、二液は、注入装置のノズルを介して送り出される前に事前に混合されてもよい。硬化性シール材は、好ましくは流動特性が良好なエポキシ系接着剤、最も好ましくは3M(登録商標)社製のScotch−Weld(登録商標)7256B/Aなどの二液型エポキシ系接着剤を含む。このような二液型接着剤は、注入装置内に搭載されることができるカートリッジ(50mlのカートリッジ、又はこれ以上のカートリッジが好ましい)の形態で供給される。接着剤の二液は、塗布時に注入ガンのノズル内で混合される。
エポキシ系接着剤は、自由流動であり、粘性が低く、室温で急速に硬化する。塗布時に二液型の接着剤を混合することで、極めて短い可使時間、例えばわずか2〜3分の可使時間で接着剤を使用することが可能である。このような接着剤は、キャップを固定具の端部の上方に組み立てる前に塗布し、かつ/又は手で塗布する必要がある公知のシールキャップに使用されることはできない。
シール材用に適した代替材料が、二液型ポリサルファイド系シーラント又は二酸化マンガン系シーラントなどのシーラント材である。適切なポリサルファイド系シーラントが、Naftoseal(登録商標)社製のMC−238 Class A/Bである。二液型シーラントは、前述したように、送出前に塗布ガン内で混合されることができるが、通常は、二液型接着剤よりも硬化時間が遙かに長い。特に、偶発的な打撃等に耐え得る堅剛なシールを実現するのにかかる時間は、エポキシ接着剤では約1時間であるのに比して、12時間以上になることがある。
本発明の第4の態様は、構造体を貫通する固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するためのキャップを設置する方法であって、キャップは:固定具の一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲しているエッジで終わっている環状ベースを有する内キャップ部材;環状ベースから径方向外側に広がる環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、環状スカート又はフランジと環状ベースとの、この両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材;および、環状シール空洞と流体連通している開口部を外キャップ部材に備えるシール材入口を備える、方法において:
固定具の一方の端部の上にキャップを設置して、キャップが内キャップ部材の空気空洞内に密閉され、環状ベースのエッジが構造体に当接するようにし;
硬化性シール材をシール材入口を通って環状シール空洞内に注入して、硬化性シール材が構造体に接触するようにし;
硬化性シール材を硬化させて空気空洞をシールすること
を含む、方法を提供する。
そのため、硬化したシール材は、空気空洞周りに連続したボイドレスのシール部(接着部)を形成してよい。
硬化性シール材を硬化するステップは、キャップを構造体に接着させることも含んでよい。
キャップは、第1の態様によるキャップを備えていてよく、本方法では、結果として第2の態様によるジョイントを生じてよい。本方法では、第3の態様による部品キットを使用してよい。
構造体は、好ましくは航空機の構造構成部品、さらに好ましくは航空機の翼の構造構成部品、最も好ましくは燃料タンクの境界壁を形成する航空機の翼の構造構成部品を備えている。構造体は、好ましくは、複合材料製の構造構成部品又は複合材料製の構造構成部品と金属製の構造構成部品との混合アセンブリを備え、固定具は、金属製の固定具を備えている。このような場合、固定具又は固定具を直に包囲する領域に落雷が発生する可能性が特にある。構造体は通常、固定具で接合された1対の構造部品を備えている。このような航空機の用途では、キャップの空気空洞はエアポケットになり、このエアポケットは、落雷が起きた場合にガス放出又はスパークの事象を安全に封じ込める。シール材は、固定具の端部周りで液密シールにもなり、それによって燃料が内空気空洞内に漏れるのを防止する。
硬化性シール材は、好ましくは第3の態様に関して前述したエポキシ系接着剤を含む。
本発明のいずれかの態様に関して上記又は下記に考察した、任意で備える特徴部又は望ましい特徴部のいずれも、個別に又は任意に組み合わせて、その他の任意の態様に適用されてよい。
ここで、本発明の実施形態は、添付の図面を参照して記載される。
図1は、先行技術によるナットとボルトとのアセンブリの側面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態によるナットキャップの断面図である。 図3は、本発明の第2の実施形態によるナットキャップの断面図である。 図4は、本発明の第3の実施形態によるナットキャップを設置した状態の平面図である。 図5は、図4の線D−Dに沿って切り取った断面図である。 図6は、図4のナットキャップの内キャップ部材の側面図である。 図7は、図6の内キャップ部材の平面図である。 図8は、図6の線A−Aに沿って切り取った断面図である。 図9は、図6の内キャップ部材を下からかつ片側から見た等角図である。 図10は、図4のナットキャップの外キャップ部材の側面図である。 図11は、図10の外キャップ部材の平面図である。 図12は、図10の線B−Bに沿って切り取った断面図である。 図13は、図10の外キャップ部材を上からかつ片側から見た等角図である。 図14は、本発明の第4の実施形態によるナットキャップの内キャップ部材の等角図である。 図15は、図14の内キャップ部材の下面図である。 図16は、本発明の第4の実施形態によるナットキャップの外キャップ部材の等角図である。 図17は、図16の外キャップ部材の断面図である。 図18は、本発明の第4の実施形態によるナットキャップを設置した状態でナットキャップが構造体に面している図の一部を示す拡大断面図である。
図2は、簡略化した本発明の実施形態を示しているのに対し、図3は、さらに詳細な実施形態を示している。各実施形態の同等の特徴は、同一の符号で識別されている。
本発明の注入可能なナットキャップ100は、内キャップ部材10および外キャップ部材20を備えている。内キャップ部材および外キャップ部材10、20は、ガラス充填ポリエーテルイミド(PEI)などの熱可塑性プラスチック材料から射出成形される。適切なガラス充填PEIがUltem(登録商標)2400であり、これは、体積の40%がガラス繊維である。内キャップ部材および外キャップ部材は、このようにする代わりに、成形によって作製されるか、補足的な製造工程で作製されるか、又はその他の任意の適切な工程で作製されてよい。
内キャップ部材10は、全体的に薄壁でドーム型の部材であり、それに合致するドーム型の内空気空洞12を有し、この空気空洞は、構造要素から突出している固定具の末端を密閉し、構造要素は、この実施形態では複合材料製の航空機構造部品50だが、複合材料と金属との混合部品であってもよい。つまり、空気空洞12は、構造要素50から突出しているボルト2の一部と、このボルト2に固定されているナット3およびワッシャ4とを密閉している。内キャップ部材10は、全体的に、下筒状部13と、この下筒状部13をこれよりも直径の小さい中筒状部15に接合している肩部14と、中筒状部15から中央凹部17まで広がる上方ドーム部16とでできている。使用時は、下筒状部13の曝露しているエッジ18は、構造要素50に当接して固定具2、3、4の末端を空気空洞12内部に完全に封印する。下筒状部15は、締まり嵌めで固定具2、3、4にぴったりとフィットして、シール材を注入して硬化させる間、キャップをしかるべき場所に保持する直径を有する(以下を参照)。いくつかの実施形態(図示せず)では、内キャップ部材10と固定具2、3、4との間に機械的結合を起こすために、機械的にロックする特徴部を組み入れてよい。例えば、ワッシャ4は、下筒状部15のスナップフィット機構で相互結合する突出部を組み入れてよい。
外キャップ部材20も、全体的に薄壁でドーム型の部材であり、内キャップ部材10の上方にフィットする形状で、両部材の間に連続したシール空間30ができるようになっている。外キャップ部材20は、全体的に中央ドーム部23と中筒状部24とでできていて、中筒状部はドーム部23を環状で末広がりのスカート又はフランジ部25に結合し、フランジ部は、その自由端に隆起したリップ26を有する。外キャップ部材20は、中央ドーム部23に中央開口部22を有し、この開口部は、図3に示したように、シール材注入ガンのノズル200と相互結合するサイズである。ノズル200は、シール材210の連続的な流れを開口部22を通してシール空間30に送り出す。本実施形態では、3M(登録商標)社製のScotch−Weld(登録商標)7256B/Aなどの二液型エポキシ系構造接着剤が好ましい。この接着剤は、カートリッジ形態(50mlのカートリッジが好ましい)で供給され、注入ガンで塗布される際にノズル200内で混合される。このようなエポキシ系接着剤は、自由流動であり、粘性が低く、室温で急速に硬化する。適切な代替材料は、Naftoseal(登録商標)社製のMC−238ClassA/Bなどの二液型ポリサルファイド系シーラントである。
内キャップ部材と外キャップ部材10、20との間にあるシール空間30は、3つの主な領域を有する。貯蔵部32(図2の実施形態には示していない);環状シール空間34;および、貯蔵部32と環状シール空間34とを相互結合する相互接合空間36である。貯蔵部32は、内キャップ部材10の凹部17で形成され、開口部22の直下にあってこの開口部からシール材210を直接受け入れるようになっている。貯蔵部32は、比較的小さい流れ抵抗を提供してシール材210がシール空間30の中に流れるのを促進する役割を果たすとともに、相互接合空間36の中にむらなく均一な流れを提供する役割も果たす。相互接合空間36は、全体的に薄壁でドーム型の空間を備え、この空間を通ってシール材210は、組み立て過程で貯蔵部32から環状シール空間34へ流れることができる。相互接合空間36のドーム形状は、このシール材210の流れを補助する役割を果たしている。なぜなら、このドーム形状は、例えば、急な方向変更部又は鋭利な角を組み入れた空間に比して、流れ抵抗が小さいからである。相互接合空間36内のシール材210は、硬化すると、内キャップ部材10と外キャップ部材20とを接着する役割を果たし、キャップ100に構造上の剛性を付加する。
環状シール空間34は、外キャップ部材20の末広がりのスカート又はフランジ25と内キャップ部材10の下部との間に形成される。スカート又はフランジ25は、環状ベース13から径方向外側に、全長に沿ってわずかな鋭角をなして広がり、この鋭角はリップ26で大きくなる。そのため、環状シール空間34は、全体的に末広がりの形状で、その断面積は開口部22から距離を置くにつれて増大するようになっている。環状シール空間34は、下方の面で開口し、シール材210がシール空間30から外側に流れて構造要素50と接触できるようになっている。環状シール空間34の末広がりの形状は、シール材210に対して大きな接着面積を提供し、シール材は、硬化すると、キャップ100を構造要素50にシールするように作用する。さらに、この大きな接着面積は、構造要素上の比較的小さな設置面積内にて達成される。
外キャップ部材20の隆起したリップ26は、図3の実施形態にある内キャップ部材10の下エッジ18から軸方向にずれている。この構成は、固定具が構造要素の斜面やアール部(フィレット)などの特徴部の極めて近くに位置している場合に、外キャップ部材20がそのような特徴部と衝突しないことを確実にしている。このような潜在的な衝突は、航空機の構造体では珍しくなく、固定具の外側エッジが半径5mmのフィレットのエッジからわずか1.6mmのところに位置していることも有り得る。この構成は、シールが、構造要素の表面形状の小さなぶれを収容できて、かつ、硬化するとある程度の柔軟性を持つように十分に厚くなるようにもする。
図3の実施形態にあるシール空間30は、相互接合空間36と環状シール空間34との間に断面積が縮小した領域を備える、流れ制限領域39も有する。流れ制限領域39は、シール材210の流れに対して抵抗が増大している領域を提供する役割を果たす。これによって、シール材210が環状シール空間34の周囲にむらなく分布する。なぜなら、シール材210は、相互接合空間36全体にシール材210が充填されるまで流れ制限領域39の上で「停滞した」状態になるからである。相互接合空間36が完全に充填されると、この空間内の圧力は、シール材が抵抗を越えて流れ制限領域39を通って環状シール空間34内に流れるほど十分に増大する。このように、この流れは、環状シール空間34の周囲近辺で均一になる。
内キャップ部材と外キャップ部材10、20との間のシール空間30の形状は、外キャップ部材20の内面から径方向内側に広がる複数の羽根(図示せず)であって、シール空間の周囲近辺に均等に間隔をあけて広がっている羽根によって、(少なくともシール材210を注入する前および注入中)維持される。羽根は、内キャップ部材10の外面に当接して、外キャップ部材20が内キャップ部材10に対して正しく位置するようにする。羽根は、羽根の径方向の寸法を利用して、外キャップ部材20の径方向の相対的な位置を制御してよい。つまり、軸沿いに幅が等しい羽根を均一に分布されることで、外キャップ部材20が内キャップ部材10と同軸になるようにする。羽根は、両キャップ部材の相対的な位置を軸方向に制御してもよい。
設置過程では、キャップ100はまず、図3に示した位置に置かれ、固定具の末端(又は代わりに頭端)が空気空洞12内に密閉される状態になる。次に、シール材注入ガンのノズル200が開口部22に挿入されて、両者の間に一時的なシールを形成する。次に、事前に混合されたシール材210がノズル200から貯蔵部32へ注入され、そこにシール材が溜まる。貯蔵部32が満杯になると、シール材が溢れ、シール材210の流れを相互接合空間36内にむらなく分布させる。シール材210の流れは、最初に流れ制限領域39によって阻止されるが、それは相互接合空間36が完全に充填されるまでのことである。相互接合空間36が充填されると、シール材210の圧力は、シール材が流れ制限領域39を通って環状シール空間34に流されるレベルまで増大する。シール材210は、流出して構造体50と接触するまで環状シール空間34を完全に充填し、その時点でノズル200からのシール材210の流れは停止する。
硬化性シール材210をシール空間30に注入した後、ノズル200は撤去され、注入されたシール材210は、硬化するように放置される。硬化の際に、シール材は、キャップ100と構造体50との間および内キャップ部材と外キャップ部材10、20との間で、強力な接着剤になる。前述したようにシール材がエポキシ系接着剤の場合、シール材は、約1時間以内に取り扱い強度(すなわち、組み立て作業員から受ける打撃などに耐える十分な強度になるのに適した程度)まで硬化し得る。これは、ポリサルファイド又は二酸化マンガン系シーラントが12時間以上かかって取り扱い強度まで硬化する時間に匹敵する。
硬化した注入シール材210は、空気空洞12を完全にシールする役割も果たす。そのため、空気空洞12内に捕らえられた空気は、安全な環境を提供でき、この環境内に、落雷過程で起きたスパークおよびガス放出の事象を封じ込めることができる。燃料、水又はその他の汚染物質が空気空洞12に侵入するのも防止される。
本発明のシール材注入方法は、シール材を均一に分布した被覆が達成されるため、エアポケット(すなわち空気の取り込み)がシール空間30に蓄積するのを回避する。このようなエアポケットは特に望ましくない。なぜなら、エアポケットは、制御されていないスパークやガス放出の事象に場所を提供するおそれがあるほか、シールを弱めることもあり、その結果、燃料が固定具の接合部から漏れるおそれがあるからである。極端な場合、そのように制御されていないスパークやガス放出の事象は、燃料点火を引き起こすことさえある。
図4および図5は、本発明の第3の実施形態による注入可能なナットキャップ300を示している。前回の実施形態と同等の特徴部は、同じ符号で識別されている。
ナットキャップは、図6〜図13に示した内キャップ部材310および外キャップ部材320を有する。内キャップ部材310は、全体的に薄壁でドーム型の部材であり、それに合致するドーム型の内空気空洞312を有し、この空気空洞は、図5に示した固定具の末端を密閉している。
図5を参照すると、内キャップ部材310は、全体的にベース311およびドーム部310でできている。ベース311は、筒状部313および肩部314を有する。肩部314は、筒状部313をこれよりも直径の小さいドーム部310に接合し、ドーム部は、ベース311から頂点317まで広がっている。図5の設置状態では、筒状部313の曝露した内側エッジ318は、構造要素50に当接して固定具の末端を空気空洞312内に完全に封印する。固定具は、ボルト304の上に締めたナット302、およびワッシャ304を備えている。ベース311の筒状部313は、内キャップ部材310と固定具との機械結合を提供するための機械ロック特徴部を有する。この例では、ワッシャ304は、突出部305を組み込んでいて、この突出部は、筒状部313の内面から突出する3つのスナップフィット突起部306と相互結合する。これらの突起部306は、シーラント材が注入された際の圧力でキャップが構造体50から離されるのを防止する。内キャップ部材は、軸沿いに広がる3つのリブ307も有し、このリブは、図5に示したようにワッシャ304の側面を把持する。
図10を参照すると、外キャップ部材320も同じく、全体的に薄壁でドーム型の部材であり、内キャップ部材310の上方にフィットする形状である。外キャップ部材320は、全体的に、環状スカート340と、これよりも直径の小さいドーム型の外側部343とでできている。環状スカート340は、筒状部341と、筒状部341をドーム型の外側部343に接合する肩部342と、自由端に末広がりのリップ326とを有する。ドーム型外側部343の頂点にあるテーパ状のボス344は、開口部322を備えている。ボス344の外径は、図5に示したように、シール材注入ガン309のノズル内に受け入れられるサイズである。ボス344の上からノズルを嵌合する方が(その逆よりも)好ましい。なぜなら、その方がシーラント材の流れを制限せず、シーラントがキャップ内に流れる方向性が少なくなるからである。任意に、ノズルは、差し込み式の嵌合等でボスと相互結合してもよい。
内キャップ部材は、壁厚が実質的に均一な側壁を有する。側壁は、内キャップ部材の外面に6つの外向き隆起部351およびチャネル350を形成し、内キャップ部材の内面に、これに合致する同数の内向き隆起部352およびチャネル353を形成するように波形になっている。隆起部351は、図5に示したように、シール材がチャネル350どうしの間を流れられないように外キャップ部材のドーム部343の内面に当接している。任意に、隆起部351は、超音波溶接によって外キャップ部材320の内面に取り付けられてもよい。
内キャップ部材と外キャップ部材310、320との間のシール空間は、3つの主要領域を有する。貯蔵部332;スカート340とベース311との間の環状シール空間(又はポケット)334a〜c;および、貯蔵部332と(前回の実施形態のように単一の連続する環状相互接合空間ではなく)環状シール空間334a〜cとを相互結合しているチャネル350である。
貯蔵部332は、開口部322の直下にあって、この開口部からシール材を直接受け入れるようになっている。貯蔵部332は、比較的小さい流れ抵抗を提供してシール材がシール空間334a〜cの中に流れるのを促進する役割を果たすとともに、チャネル350の中にむらなく均一な流れを提供する役割も果たす。チャネル350内のシール材は、硬化すると、内キャップ部材310と外キャップ部材320とを接着する役割を果たし、キャップ300に構造上の剛性を付加する。
環状シール空間は、図5に示した3つの部分を有する。肩部314、342の間にある上方部分334a;筒状部341、313の間にある筒状部分334b;および、ベース311とリップ326との間にある下方部分334cである。
肩部342は、キャップの中央軸370から大きな鋭角をなして径方向外側に広がり、この鋭角は肩部314の鋭角よりも大きい。したがって、肩部342の内面は、肩部314の外面から小さな鋭角をなして径方向に広がり、環状シール空間334の上方部分334aは、開口部322から距離を置くにつれて断面積が増大する末広がり形状になる。環状シール空間の下方部分334cも、末広がりのリップ326があることにより末広がり形状になっているため、その断面積は開口部322から距離を置くにつれて増大する。環状シール空間334a〜cは下面が開口しているため、シール材は環状シール空間から外側に流れて構造要素50と接触できる。リップ326は、内キャップ部材310の下エッジ318から軸沿いにずれている。
図6を参照すると、各チャネル350は、シール材入口から硬化性シール材が流れてくるのを受け入れるように構成された入口360と、硬化性シール材の流れを環状シール空間の上方部分334aに供給するように構成された出口361とを有する。チャネル350は、出口361がベース311のエッジ318から軸方向に離れたところに設定されるように、肩部314で終わっている。
前回の実施形態の連続した相互接合領域36を一連のチャネル350に置き換える利点は、チャネルの方が流れる抵抗が少なく、それによってシール材が貯蔵部から環状シール空間へ一層自由に流れられるという点である。これは、2つの構成の単位体積当たりの表面積を比較することで評価されることができる。前回の実施形態の薄い連続した相互接合空間36は、チャネル350よりも単位体積当たりの表面積が大きいために、チャネルよりも抵抗が大きい。
図5の左側を見ればわかるように、各チャネル350の深さは、流れ方向に徐々に浅くなっている。図6を見ればわかるように、各チャネル350の周囲の幅も、チャネルが流れ方向に環状シール空間に向かって広がるにつれて大きくなっている。これにより、シール材がチャネル350を出て環状シール空間334a〜cに入る際に、チャネルからくるシール材の流れが合流するのを促進する。
図14〜図17は、本発明の第4の実施形態による注入可能なナットキャップを形成するための部品キットを示している。このキットは、内キャップ部材410および外キャップ部材420を含む。内キャップ部材410は、全体的に、筒状ベース部413と、ベース部413から平坦な頂点417まで広がるドーム部416とでできている。
外キャップ部材420も、全体的に薄壁でドーム型の部材であり、内キャップ部材410の上方にフィットする形状である。外キャップ部材420は、全体的に環状フランジ440と、筒状ベース441と、ドーム型外側部442とでできている。ドーム型外側部442は、シール材注入ガン(図示せず)のノズルと相互結合するサイズの開口部422を有する。
内キャップ部材は、壁厚が実質的に均一な側壁を有する。複数の外向き隆起部451およびチャネル450は、内キャップ部材の外面に形成され、これに合致する同数の内向き隆起部452およびチャネル453は、内キャップ部材の内面に形成される。隆起部451は、シール材がチャネルどうしの間を流れられないように、キャップが組み立てられる際に外キャップ部材420の内面に当接する。任意に、隆起部451は、超音波溶接によって外キャップ部材420の内面に取り付けられてもよい。
図18に示したように組み立てられた場合、小さい環状シール空間(又はポケット)470が、環状フランジ440の湾曲したアール部407と内キャップ部材のベース413との間に形成される。図14を参照すると、各チャネル450は、シール材入口からくる硬化性シール材の流れを受け入れるように構成された入口460と、硬化性シール材の流れを環状シール空間470に供給するように構成された出口461とを有する。前回の実施形態とは異なり、チャネル450は、ベース413のエッジ414で終わっている。チャネル450は、略半円形の断面形状を有し、流れ抵抗が低い。各チャネル450の深さおよび幅は、チャネルの長さに沿って実質的に一定のままである。
外キャップ部材のベース441の内面は、環状突起部480で形成され、この環状突起部は、内キャップ部材の外面にあるこれに対応する凹部481にスナップフィットとして受け入れられて、シーラントが硬化する前にキャップ部材どうしを接着させる。
上記の本発明の第3および第4の実施形態では、隆起部およびチャネルは、内キャップ部材に形成され、外キャップ部材は、滑らかな外面を有する。外キャップ部材の滑らかな外面は汚れを引き寄せず、キャップの上の水又は液体の流れに及ぼす影響が少ないという特性を有するため、この方が好ましい。しかしながら、代替実施形態(図示せず)では、内キャップ部材の代わりに外キャップ部材が波形にされて隆起部およびチャネルを形成してもよい。
本発明は、1つ以上の好適な実施形態を参照して上記に説明されているが、付属の請求項に規定した本発明の範囲を逸脱しないかぎり、様々な変更又は修正が加えられてよいことが理解されるであろう。

Claims (26)

  1. 固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するためのキャップであって:
    固定具の一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲するエッジで終わる環状ベースを有する内キャップ部材;
    環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、前記環状スカート又はフランジと環状ベースとの該両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材;および
    前記環状シール空洞と流体連通している開口部を前記外キャップ部材に備えるシール材入口であって、前記開口部は、シール材注入装置と相互結合して前記シール材入口から前記環状シール空洞への硬化性シール材の流れをもたらすように構成される、シール材入口
    を備えるキャップ。
  2. 前記シール材入口の前記開口部および前記環状シール空洞と流体連通している相互接合空洞を備える、
    請求項1に記載のキャップ。
  3. 前記シール材入口の前記開口部は、前記外キャップ部材の中央軸に中心がある、
    請求項1又は2に記載のキャップ。
  4. 前記相互接合空洞は、硬化性シール材が前記開口部から前記環状シール空洞へ流れるのを制限するように構成された流れ制限特徴部を備える、
    請求項2又は3に記載のキャップ。
  5. 前記相互接合空洞は、前記開口部からくる硬化性シール材を受け入れて該硬化性シール材を前記環状シール空洞に送るように構成されたシーラント貯蔵部を備える、
    請求項2〜4のいずれか一項に記載のキャップ。
  6. 前記相互接合空洞は、環状の断面形状を有する、
    請求項2〜5のいずれか一項に記載のキャップ。
  7. 前記内キャップ部材の外面か前記外キャップ部材の内面のいずれかに形成される複数のチャネルをさらに備え、各チャネルは、前記シール材入口の前記開口部および前記環状シール空洞に流体連通している、
    請求項1に記載のキャップ。
  8. 前記チャネルは、前記内キャップ部材の外面に形成されて、前記外キャップ部材の内面に当接するチャネルで隔てられるか;又は前記チャネルが前記外キャップ部材の内面に形成されて、前記外キャップ部材の外面に当接する隆起部で隔てられるかのいずれかである、
    請求項7に記載のキャップ。
  9. 各チャネルは、前記シール材入口からくる硬化可能なシール材の前記流れを受け入れるように構成されたチャネル入口と、硬化可能なシール材の前記流れを前記環状シール空洞に供給するように構成された出口とを有し、前記チャネルの前記出口は、前記内キャップ部材の前記環状ベースの前記エッジから軸方向に戻った所に設定される、請求項7又は8に記載のキャップ。
  10. 各チャネルは、前記環状シール空洞に向かって広がるにつれて大きくなる幅を有する、請求項7、8及び9のいずれか一項に記載のキャップ。
  11. 各チャネルは、前記環状シール空洞に向かって広がるにつれて浅くなる深さを有する、請求項7、8、9及び10のいずれか一項に記載のキャップ。
  12. 前記チャネルは、前記内キャップ部材の外面に形成されて、これに合致する複数のチャネルは、前記内キャップ部材の内面に形成されるか;又は前記チャネルは、前記外キャップ部材の内面に形成されて、これに合致する複数のチャネルは、前記外キャップ部材の外面に形成されるかのいずれかである、
    請求項7〜11のいずれか一項に記載のキャップ。
  13. 前記内キャップ部材は、壁厚が実質的に均一な側壁を有し、前記チャネルは、前記内キャップ部材の外面に形成され、これに合致する複数のチャネルは、前記内キャップ部材の内面に形成されるか;又は前記外キャップ部材は、壁厚が実質的に均一な側壁を有し、前記チャネルは、前記外キャップ部材の内面に形成され、これに合致する複数のチャネルは、前記外キャップ部材の外面に形成される、
    請求項12に記載のキャップ。
  14. 前記内キャップ部材は、前記環状ベースから拡張する実質的にドーム型の部分を備え、前記外キャップ部材は、これに合致する、前記環状スカート又はフランジから拡張する実質的にドーム型の部分を備える、
    請求項1〜13のいずれか一項に記載のキャップ。
  15. 前記外キャップ部材の前記環状スカート又はフランジは、エッジで終わり、前記環状スカート又はフランジの前記エッジは、前記内キャップ部材の前記環状ベースの前記エッジから軸方向にずれている、
    請求項1〜14のいずれか一項に記載のキャップ。
  16. 前記内キャップ部材および外キャップ部材は、別々の部品として形成される、
    請求項1〜15のいずれか一項に記載のキャップ。
  17. 前記シール材入口は、前記外キャップ部材に突起部を備え、該突起部は、前記開口部を有し、前記シール材注入装置と相互結合するように構成される、
    請求項1〜16のいずれか一項に記載のキャップ。
  18. 前記外キャップ部材の前記内面と前記内キャップ部材の前記外面との間に複数の羽根をさらに備える、
    請求項1〜17のいずれか一項に記載のキャップ。
  19. ジョイントであって、
    構造体;
    前記構造体を貫通する固定具;
    請求項1〜18のいずれか一項に記載のキャップであって、前記内キャップ部材の前記空気空洞が前記固定具の一端部を密閉し、前記内キャップ部材の前記エッジが前記構造体に当接するキャップ;および
    前記キャップの前記環状シール空洞を充填し、前記構造体に接触して前記空気空洞をシールするシール材
    を備えるジョイント。
  20. 前記構造体は、航空機の構造構成部品である、
    請求項19に記載のジョイント。
  21. 前記シール材は、エポキシ系接着剤を含む、
    請求項19又は20に記載のジョイント。
  22. 固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するための部品キットであって:
    固定具の前記一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲するエッジで終わる環状ベースを有する内キャップ部材;
    前記環状ベースから径方向外側に広がる環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、前記環状スカート又はフランジと環状ベースとの該両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材;および
    前記環状シール空洞と流体連通しているシール材入口
    を備えるキャップ;ならびに、
    前記キャップの前記シール材入口と相互結合して硬化性シール材の流れを前記環状シール空洞の中へ誘導するように構成されたノズルを有するシール材注入装置
    を備える部品キット。
  23. 前記硬化可能なシール材は、エポキシ系接着剤を含む、
    請求項22に記載の部品キット。
  24. 構造体を貫通する固定具の一方の端部周りにシールした空洞を形成するためのキャップを設置する方法であって、キャップは:固定具の前記一方の端部を密閉するための空気空洞へ続く開口部を包囲するエッジで終わる環状ベースを有する内キャップ部材;前記環状ベースから径方向外側に広がる環状スカート又はフランジを有する外キャップ部材であって、前記環状スカート又はフランジと環状ベースとの該両者の間が環状シール空洞を画成する、外キャップ部材;および、前記環状シール空洞と流体連通している開口部を前記外キャップ部材に備えるシール材入口を備える、方法において:
    前記固定具の前記一方の端部の上方にキャップを設置して、前記キャップが前記内キャップ部材の前記空気空洞内に密閉され、前記環状ベースの前記エッジが前記構造体に当接するようにし;
    硬化性シール材を前記シール材入口を通って前記環状シール空洞内に注入して、前記硬化性シール材が前記構造体に接触するようにし;
    硬化性シール材を硬化させて前記空気空洞をシールすること
    を含む方法。
  25. 前記構造体は、航空機の構造構成部品を備える、
    請求項24に記載の方法。
  26. 前記硬化可能なシール材は、エポキシ系接着剤を含む、
    請求項24又は25に記載の方法。
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