JP2018504557A - Ｎｐｒ挙動と改善された応力性能を提供するための、工学設計によるパターンで変形した投影スロットを有するオーゼティック構造体 - Google Patents

Abstract

オーゼティック構造体、吹き出し冷却オーゼティックシート、オーゼティック構造体のシステム及び装置、並びにオーゼティック構造体の使用方法及び製造方法が開示される。背中合わせの上面及び底面を有する、弾性硬質体を含むオーゼティック構造体が開示される。第１及び第２の複数の細長いアパーチャは、弾性硬質体の上面から下面に貫通して延びる。第１の複数の細長いアパーチャは、第２の複数の細長いアパーチャに対して横断方向に延びる。第１及び／又は第２の複数の細長いアパーチャは、斜めの角度で弾性硬質体を貫通するよう投影された変形した形状を有する。細長いアパーチャは、マクロ的な平面荷重条件下の負のポアソン比挙動を示しながら、所望の応力性能を提供するよう協働して構成される。例として、オーゼティック構造体は細長いアパーチャの近位での応力集中を軽減し、ポアソン比が概ね−０．０００１〜−０．９％であることを示すことができる。

Description

本開示は総じて、適合した等方性および異方性のポアソン比を有する、多孔性材料およびセルラーソリッドに関する。より詳細には、本開示の態様は、負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示す工学設計されたパターンを有するオーゼティック構造体、ならびにそのような構造体を使用するシステム、方法、および装置に関する。

本出願は、その全体を本願に引用して援用する２０１５年２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／１１８，８３０号、および２０１５年１月９日に出願された米国仮特許出願第６２／１０１，８５２号の優先権を主張する。

材料を特定の軸に沿って圧縮すると、最も一般的には、その軸方向荷重を横断する方向に拡張することが観測される。その反対に、ほとんどの材料は特定の軸に沿って引張荷重が加えられると、その軸を横断する軸に沿って収縮する。この挙動を特徴とする材料特性は、ポアソン比として知られている。ポアソン比は、軸方向の荷重条件で、横断または側方の歪みの、軸方向または長手方向の歪みに対する比を逆符号にしたものとして定義され得る。大多数の材料は正のポアソン比によって特徴付けられており、ゴムのポアソン比は概ね０．５、アルミニウム、真鍮、および鋼鉄のポアソン比は概ね０．３、ならびにガラスのポアソン比は概ね０．２である。

その他方で、負のポアソン比（ＮＰＲ）を有する材料は、軸方向に圧縮されると（または引っ張られると）、軸方向の横断方向に収縮（または伸張）する。負のポアソン比挙動を示す材料は「オーゼティック」材料と称されることが多い。多くの研究の結果は、オーゼティック挙動は、材料の微細構造とその変形との間に相互作用をもたらすことを示唆する。立法格子を有する金属、自然層を成すセラミック、強誘電性の多結晶セラミック、およびゼオライトが全て、負のポアソン比挙動を示し得るという発見によって、この例は提供される。さらに、凹んだ構造を有する発泡体、階層性の積層、高分子発泡体および金属発泡体を含む、いくつかの形状および機構が、ポアソン比の負の値を実現するために提案されてきた。負のポアソン比の効果はまた、マイクロメータのスケールにおいてはソフトリソグラフィを用いて製造された複合材料を使用して、またナノスケールにおいてはカーボンナノチューブのシートアセンブリを使用して、実証されてきた。

オーゼティック材料を製造する際の大きい困難は、それが通常、ホストマトリックス内で複雑な形状の構造を埋め込むことを伴うことである。したがって、製造プロセスは、適用に向けた実際の開発において障害となってきた。多くのオーゼティック材料の基礎を形成する構造は、セルラーソリッドの構造である。これらの材料の変形に関する研究は、座屈現象の役割、許容荷重、および圧縮荷重下でのエネルギー吸収に重点を置き、比較的発達している。ごく最近、２Ｄの周期的な多孔性構造における機械的な不安定性によって、元の外形に劇的な変化を引き起こすことができることを、実験的研究および計算的研究の組合せの結果から実証した。詳細には、エラストマーマトリックスにおける円形孔の正方形アレイの短軸荷重が、アレイに荷重がかかっている間に、互いに交互に直角となる楕円形のパターンをもたらすことを見出した。これは、加えられた圧力の限界値を超える弾性不安定性から得られる。不安定性で観測された幾何学的な再組織は、裏返し可能かつ繰り返し可能で、加えた荷重の狭い範囲にわたって発生する。さらに、パターンの変化は、２Ｄ構造の単方向の負のポアソン比挙動をもたらすことが示された。すなわち、それは圧縮下でのみ起こる。

米国特許第５，２３３，８２８号（「８２８特許」）は、高温用途に利用される燃焼器ライナまたは「熱シールド」など、工学設計されたボイド構造の例を示す。燃焼器ライナは、一般にガスタービンの燃焼部分に使用される。燃焼器ライナは、排気部分、またはタービンブレードなどのガスタービンの他の部分もしくは構成要素にもまた使用され得る。動作中、燃焼器は華氏約３，０００°Ｆ以上の非常に高温でガスを燃焼する。タービンに出る前に、この激しい熱が燃焼器を損傷させるのを防ぐため、燃焼器ライナが燃焼器の内部に提供され、周りのエンジンを断熱する。燃焼器ライナにわたる温度差および圧力差を最小にするため、連続パターンで配置され離間された冷却孔の形態で、８２８特許に示されるような冷却機能が従来から提供されてきた。別の例として、米国特許第８，０６６，４８２（Ｂ２）号は、ガスタービンの所望の区域の冷却を強める一方で冷却孔内およびその周りの応力レベルを低減するために、楕円形の冷却孔を有する工学設計された構造部材を提示する。同様に欧州特許出願公開第０９７１１７２（Ａ１）号は、ガスタービンの燃焼ゾーンに使用される穴あきライナの別の例を示す。しかし上記の特許書類はどれも、オーゼティック挙動を示す、またはＮＰＲ効果を提供するために工学設計されるように開示された例を提示しない。

米国特許出願公開第２０１０／０００９１２０（Ａ１）号は、限界マクロ的応力または歪みを適用する際に構造構成において変化を受ける、エラストマーすなわち弾性プラスチック周期固体を含む、様々に変化する周期構造を開示する。前記変化は、幾何学パターンを改変し、変化させる周期構造内の特徴部の間隔および形状を変える。限界マクロ的応力または歪みを取り除くと、これらのエラストマー周期固体は元の形状に戻る。比較として、米国特許出願公開第２０１１／００５９２９１（Ａ１）号は、構造化された多孔性材料を開示する。多孔性構造は適合されたポアソン比挙動を提供する。これら多孔性構造は、ボイドの変形の力学および材料の変形の力学を介して適合されたエラストマーシートにおける楕円または楕円状のボイドのパターンから構成され、負のまたはゼロのポアソン比を提供する。前述の特許書類は全て、それぞれの全体および全ての目的について、本願に引用して援用する。

米国特許第５，２３３，８２８号明細書 米国特許第８，０６６，４８２号明細書 欧州特許出願公開第０９７１１７２号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０００９１２０号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００５９２９１号明細書

本開示の態様は、所望の負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を提供し、応力性能を向上させるために工学設計される細長いアパーチャ（本明細書では「ボイド」または「スロット」とも称される）の繰り返しパターンを有する、オーゼティック構造体を対象とする。構造材料を貫通し、一定の三次元（３Ｄ）外形で材料の厚さを横断し、材料の平面から直角方向に延びる先行技術のＮＰＲボイドの形状とは異なり、本明細書で開示するＮＰＲボイドは、可変の３Ｄ外形（たとえば、斜めの角度で材料を貫通するよう投影され変形した形状）で材料の厚さを横断する。これらのボイド構成は、低い空隙率を保持し、かつ所望のＮＰＲ挙動を提供しながら、構造体の応力性能を向上させる。本開示の他の態様は、ガスタービンの高温部分における可変３Ｄ外形の通気道を有する多機能ＮＰＲ構造体を対象とする。追加の態様は、特に熱、減衰、および／または音の機能性を提供する工学設計された可変３Ｄ外形の、ボイド特徴部を有する材料による壁で作製されたガスタービン燃焼器を対象とする。このような機能性として、たとえば音響減衰（またはノイズ減衰）、応力の軽減（または荷重減衰）、および温度冷却（または熱減衰）が挙げられる。

本開示の態様によると、変形したＮＰＲスロットを有するオーゼティック構造体が開示される。例において、オーゼティック構造体は、互いに背中合わせの上面および底面を有する金属製シート、または他の十分に弾性を有する固体材料のような、弾性を有する硬質体（以下、弾性硬質体と記す。）を含む。第１および第２の複数の細長いアパーチャは、弾性硬質体の上面から下面に貫通して延びる。第１の複数の細長いアパーチャは、第２の複数の細長いアパーチャに対して横断して（たとえば直角に）延びる。第１および／または第２の複数の細長いアパーチャは、斜めの角度で弾性硬質体を貫通するよう投影され変形した形状を有する。例において、外面（上面または底面）に現われる角度が付いた各ＮＰＲスロットの外形は、元の純正像の変形した投影像であり得る。さらに、各スロットは、材料の面に対して斜め（たとえば約４０°〜７５°）の角度で、シート材料の厚さを横断する。細長いアパーチャは、マクロ的な平面荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示しながら、所望の応力性能を提供するよう協働して構成される。例により、細長いアパーチャは、既定の空隙率、所定のパターン、および／または所定のアスペクト比によって工学設計され、所望のＮＰＲ挙動を実現する。オーゼティック構造体は、細長いアパーチャのうちの１つ以上または全ての長手方向端部の近位における、応力集中を軽減すること、空隙率が約０．３〜９％であること、およびポアソン比が約−０．０００１〜約−０．９％であることを示してよい。

他の態様によると、吹き出し冷却オーゼティックシート構造体が特徴付けられる。例において、背中合わせの上面および底面を有する金属製シートを含む吹き出し冷却オーゼティックシート構造体が提示される。第１および第２の複数の細長いアパーチャは、金属製シートの上面から下面に貫通して延びる。第１の複数の細長いアパーチャは、幾何学的特徴の第１のセットを有し、第１のパターンで配置される。同様に、第２の複数の細長いアパーチャは、幾何学的特徴の第２のセットを有し、第２のパターンで配置される。第１の複数の細長いアパーチャは、第２の複数の細長いアパーチャに対して直角に配向される。細長いアパーチャは、斜めの角度で弾性硬質体を貫通するように投影された、変形した形状を有する。第１の複数の細長いアパーチャの幾何学的特徴およびパターンは、第２の複数の細長いアパーチャの幾何学的特徴およびパターンと協働して構成され、マクロ的な平面荷重条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示しながら、所望の応力性能を提供する。

本開示の他の態様は、オーゼティック構造体の製造方法、およびオーゼティック構造体の使用方法を対象とする。例において、オーゼティック構造体の製造方法が提示される。前記方法は、背中合わせの上面および底面を有する弾性硬質体を提供することと、弾性硬質体に、その上面から底面に貫通して延びて行と列に配置される、第１の複数のアパーチャを加えることと、弾性硬質体に、その上面から底面に貫通して延びて行と列に配置される、第２の複数のアパーチャを加えることと、を含む。第１および／または第２の複数の細長いアパーチャの各アパーチャは、斜めの角度で弾性硬質体を貫通する変形した投影形状を有する。第１および第２の複数のアパーチャは、マクロ的な平面荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示しながら、所望の応力性能を提供するよう協働して構成される。例として、細長いアパーチャは、既定の空隙率、所定のパターン、および／または所定のアスペクト比によって工学設計され、所望のＮＰＲ挙動を実現する。オーゼティック構造体は、細長いアパーチャのうちの１つ以上または全ての近位に応力集中するのを軽減すること、およびポアソン比が約−０．０００１〜約−０．９％であることを示してよい。弾性硬質体は、金属製シートまたは他の十分に弾性である固体材料のような、様々な形状をとってよい。

上記の発明の概要は、本開示の全ての実施形態、または全ての態様を提示することを意図しない。むしろ、上記の発明の概要は、本明細書に記載されるいくつかの新規の態様および特徴の例示を提供するに過ぎない。上記の特徴および利点、ならびに単独および任意の組合せで進歩性を有すると考えられる、本開示の他の特徴および利点は、添付の図面および付随の特許請求の範囲と共に、本開示を実行するための代表的な実施形態およびモードの以下の詳細な説明から、容易に明らかとなろう。

本開示の態様による、細長い貫通孔を有する代表的な構造体のポアソン比挙動を例示する、公称歪み対ポアソン比のグラフである。 グラフの特定のデータポイントに対応する、図１の代表的な構造体の例示である。 グラフの特定のデータポイントに対応する、図１の代表的な構造体の例示である。 グラフの特定のデータポイントに対応する、図１の代表的な構造体の例示である。 本開示の態様による、変形投影像ＮＰＲスロットの、それぞれ側面図および斜視図である。 本開示の態様による、変形投影像ＮＰＲスロットの、それぞれ側面図および斜視図である。 本開示の態様による、可変キャップの回転を伴う、変形したＮＰＲのＳ型貫通スロット、および変形したＮＰＲのＺスロットそれぞれの平面図である。 本開示の態様による、可変キャップの回転を伴う、変形したＮＰＲのＳ型貫通スロット、および変形したＮＰＲのＺスロットそれぞれの平面図である。 本開示の態様による、０°の角度を示すＮＰＲのＳ型貫通スロットを示す平面図である。 本開示の態様による、４５°の角度を示す変形投影像ＮＰＲ＿Ｓ型貫通スロットを示す平面図である。 本開示の態様による、５５°の角度を示す変形投影像ＮＰＲ＿Ｓ型貫通スロットを示す平面図である。 本開示の態様による、６５°の角度を示す変形等映像ＮＰＲ＿Ｓ型貫通スロットを、それぞれ示す平面図である。 本開示の態様による、Ｓ型貫通スロットを有する円筒構造体が軸方向張力を受けて径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。 本開示の態様による、Ｓ型貫通スロットを有する円筒構造体が軸方向張力を受けて径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。 本開示の態様による、Ｓ型貫通スロットを有する円筒構造体が軸方向張力を受けて径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。 本開示の態様による、変形したＮＰＲのＳ型貫通スロットを有する円筒オーゼティック構造体が、軸方向張力を受けて径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。 本開示の態様による、変形したＮＰＲのＳ型貫通スロットを有する円筒オーゼティック構造体が、軸方向張力を受けて径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。 本開示の態様による、変形したＮＰＲのＳ型貫通スロットを有する円筒オーゼティック構造体が、軸方向張力を受けて径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。

本開示は様々な変形および代替の形態が可能で、いくつかの代表的な実施形態が図面で例として示され、明細書の詳細が説明される。しかしながら、本開示の進歩的な態様は図面に示された特定の形状に限定されないということを理解すべきである。むしろ本開示は、全ての変形、同等物、組合せ、および部分的組合せ、ならびに添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨および範囲内に納まる代替を含む。

本開示は、多くの異なる形状の実施形態が可能である。本開示が、本開示の原理の例示であると考えられ、本開示の広範な態様を、示された実施形態に限定することを意図しない、という理解を伴う代表的な実施形態について、図面に示され、詳細が本明細書で説明される。その範囲で、たとえば発明の概要、要約書、および発明を実施するための形態のセクションで開示されるが、特許請求の範囲では明示的に説明されない要素および制限は、暗示、推定またはその他によって、単独もしくは集合的に特許請求の範囲に組込むべきではない。この詳細の説明では、具体的に否定するか、または論理的に禁止しない限り、単数形は複数を含みかつその逆も成り立つ。「含んでいる」、もしくは「備えている」、または「有している」という用語は、「制限なく含んでいる」を意味する。さらに、「約」、「ほぼ」、「実質的に」、「概ね」などの推定の用語は、本明細書ではたとえば、「において、近くで、またはもう少しで」、もしくは「その３〜５％以内」、または「許容製作公差内」、あるいはそれらの任意の論理的な組合せ、という意味で使用される。

本開示の態様は、マクロ的に荷重をかけた場合の、負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を提供する角度付きのスロットの繰り返しパターンを含む、オーゼティック構造体を対象とする。ポアソン比（または「ポアソン率」）は、引っ張られた物体における、横方向の収縮歪みの縦方向の伸張歪みに対する比として、一般に表わされ得る。多くの合金、ポリマー、ポリマー発泡体、および多孔質体（cellular solid：セルラーソリッド）を含む、引っ張られると断面が薄くなる大多数の材料では、ポアソン比は一般に正である。本明細書で開示されるオーゼティック構造体は、負のポアソン比挙動を示す。

開示される概念の態様によると、オーゼティック構造体が１つの軸に沿って（たとえばＹ方向）圧縮されるとき（たとえばＹ方向）、隣接するアパーチャの配置の仕方ために圧縮の軸に沿った歪みによって各セルの中心周りのモーメントが生じる。次に、これによってセルは回転する。各セルは、直近のセルの回転とは反対方向に回転する。この回転によって、水平方向に隣接するセル間の横軸（Ｘ方向）距離は減少する。換言すると、構造体をＹ方向に圧縮すると、構造体はＸ方向に収縮する。反対に、Ｙ方向の引張りはＸ方向の拡張をもたらす。構造体全体のスケールでは、これはオーゼティック材料の挙動を模倣する。しかし、本明細書で開示される多くの構造体は、従来の材料から構成される。したがって、純粋な材料自体は正のポアソン比を有し得るが、その構造体を本明細書で開示する変形したＮＰＲスロットパターンを導入して改造することによって、その構造体は負のポアソン比を有するような挙動をする。

図１は、図２Ａ〜図２Ｃに示される３つの代表的なボイド構造体の、ポアソン比挙動を例示する公称歪みに対するポアソン比（ＰＲ）のグラフである。図１のチャートは、荷重をかけた各テストピースのポアソン比を示す。変形の特定のレベルにおいて、「瞬間の」ＰＲが決定され、かつパラメータ（たとえば公称歪み）に対してプロットされ、変形のレベルを表わすことができる。設計者に、意図する適用のための所望のＮＰＲがある場合、そのＰＲに対応する変形レベルが決定され、その条件における孔の外形が決定され得る。次に、この孔の形状パターンは、所望のＰＲを有する構成要素を実現するために、応力が発生しない部分で加工（製作）され得る。

図２Ｂおよび図２Ｃに見られるように、ＮＰＲアパーチャパターンは、水平および垂直に配向された細長い孔（「アパーチャ」、「ボイド」または「スロット」とも称される）で構成され得、楕円形の貫通スロットとして示される。これらの細長い孔は、垂直ラインおよび水平ラインが両次元で等間隔（Δｘ＝Δｙ）となるよう、水平ラインおよび垂直ライン（たとえば図２Ｂにおける正方形アレイの行および列）に配置される。各スロットの中心は、２本のラインの交点上にある。水平に配向されたスロットおよび垂直に配向されたスロットは、任意の垂直に配向されたスロットが水平に配向されたスロットに囲まれるよう（逆の場合も同じ）垂直ラインおよび水平ラインに交互に並び、一方で次の垂直に配向されたスロットは両対角に現われる。これらのボイドは、冷却孔および／または減衰孔としての役割を担うことができ、それらの配置により、応力軽減特徴部としての役割も担うことができる。本明細書で示されるスロットの１つ以上は、細長いＮＰＲ突起部、または半球形のＮＰＲ窪みに取り替えることができる。

さらに開示されるのは、本明細書で開示される特定のオーゼティック構造構成のいずれかを有する材料から１つ以上の壁を有して作られる、ガスタービン燃焼器である。いくつかの実施形態において、製造中に金属構造を壊すことなく金属本体にＮＰＲ挙動を付けるため、アパーチャが、外部荷重のかかったゴムに見られるつぶれたボイド形と同等であるように、ＮＰＲスロットはストレスフリー状態で金属本体に直接生成される。様々な製造手段が、金属構成要素にボイドパターンを複製するために使用され得る。製造には、必ずしも処理工程の１つとしてのバックリングは必要ではない。本明細書で開示されるオーゼティック構造体は、燃焼器壁に限定されず、むしろこれらの特徴は、タービンの他の部分（たとえばブレード、羽根など）に組入れることができる。

従来の燃焼器壁において、空気流の冷却および減衰に使用される孔は、応力集中部としての役割も担う。開示される実施形態のうちのいくつかにおいて、高温箇所の壁材料をその周りの材料に、たとえば垂直方向に押し付けるとき、負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動は壁材料を水平方向に収縮させ、その逆も成り立つ。この挙動は、高温箇所の応力を大幅に軽減させる。この効果は、剛性を下げる影響よりも大きい。高温箇所の応力は、たとえば５０％軽減され、それによって、桁違いの応力疲労寿命の増加をもたらす。ＮＰＲ挙動による応力軽減は、燃焼器壁の空気消費量を増加させない。このように長寿命として使用されるか、または原材料費を低減するために壁材料をより安いものに取り換えることができる。

円形燃焼器の冷却孔を、２〜３％だけ、細長く角度の付いた空気通路に置き換えることによって、冷却性能および減衰性能を維持したまま、少なくとも５倍の熱機械的応力を減少させることが実証された。たとえば、燃焼器の楕円形の冷却孔は、最悪の主応力に５倍の減少をもたらすと予想されてきた。したがって、従来の冷却孔と比べ、ＮＰＲ挙動が最悪の主応力において５倍の減少を生じさせるという点で、ＮＰＲ挙動を誘発することによって、燃焼器の冷却孔にさらなる機能性を追加する。燃焼器に特有の超合金における応力疲労において、構成要素の応力を半分にすることは、疲労寿命を１０倍を超えて延ばす。いくつかの実施形態において、超合金は、インコネル（たとえばＩＮ１００、ＩＮ６００、ＩＮ７１３）、ワスパロイ、レネ合金（たとえばレネ４１、レネ８０、レネ９５、レネＮ５）、ハイネス合金、インコロイ、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金、ＣＭＳＸ（たとえばＣＭＳＸ−４）単結晶合金などの、ニッケルベースの超合金とすることができる。

最適化された空隙率は、向上した冷却機能を提供することが示されてきた。本明細書で使用する「空隙率」は、アパーチャの表面積であるＡＡを、構造体の表面積であるＡＳで除算する、すなわち、空隙率＝ＡＡ／ＡＳと定義され得る。いくつかの実施形態において、所与のボイド構造体の空隙率は概ね０．３〜９．０％、いくつかの実施形態において概ね１〜４％、またはいくつかの実施形態において概ね２％が望ましい場合がある。比較すると、多くの先行技術の配置では４０〜５０％の空隙率を要する。

所望のＮＰＲ挙動を実現するために、細長いアパーチャの所定の最適なアスペクト比が存在し得る。本明細書で使用されるように、アパーチャの「アスペクト比」は、長さを幅で除算、すなわちアパーチャの長軸の長さを短軸の長さで除算した値であると定義され得る。いくつかの実施形態において、アパーチャのアスペクト比は概ね５〜４０、またはいくつかの実施形態において概ね２０〜３０であることが望ましい場合がある。最適なＮＰＲは、たとえば０〜約−０．９のＰＲ、またはいくつかの実施形態において約−０．５のＰＲを含んでよい。開示される概念の態様は、ミリメータのパターン長の尺度で作られる構造パターンにおいて実証され得、ユニットセルが構造体内で適していれば、より小さい長さ尺度（たとえばマイクロメータ、マイクロメータ未満、およびナノメータの長さ尺度）、またはより大きい長さ尺度の同じ規則的なパターンを有する構造体に、同様に適用可能である。

図３〜図５に目を向けると、本開示による、所望のＮＰＲ挙動を表わす変形したスロットのオーゼティック構造体、および向上した応力緩和性能の、様々な例が示される。たとえば図３Ａおよび図３Ｂは、全体的に３００で示され、細長く非対称の交互パターンを利用するオーゼティック構造体を例示する。前述のスロットは、そのそれぞれが短軸（たとえば幅）より長くて垂直である長軸（たとえば長さ）を有するように、伸張される。示されるように、オーゼティック構造体３００は弾性硬質体３１０から成り、金属シートの形状、またはマクロ的な荷重条件が大幅に低減されるかもしくは除去されると、その元の形状に実質的にもしくは完全に戻るような、適切な弾性を有する他の固体材料の形状としてよい。弾性硬質体３１０は、第２の（底部）表面３１６の反対側の、離間した第１（上部）の表面３１４を有する。弾性硬質体３１０に組込まれるのは、第１の複数のＳ型貫通スロット（本明細書では「アパーチャ」、「ボイド」、または「スロット」とも称される）であり、本明細書ではスロット３１２で表され、本体３１０を上面３１４から底面３１６まで貫通して延びる。本明細書でスロット３１８と表される、第２の複数のＳ型貫通スロット／アパーチャもまた、弾性硬質体３１０を上面３１４から底面３１６に貫通して延びる。弾性硬質体３１０に存在する細長いアパーチャのパターンは、図２Ｂおよび図２Ｃに見られる配置と同様なものであってよい。

Ｓ型貫通スロット３１２、３１８は、第１の複数の細長いアパーチャ３１２が、第２の複数の細長いアパーチャ３１８に対して横方向に延びて、行および列のアレイすなわちマトリックスに配置される。なお、構造体内部のスロット３１８の構造構成を示す隠線は、スロット３１２の構造体内部の構造構成をより明白に示すために、図３Ａおよび図３Ｂから省略した。少なくともいくつかの実施形態において、行間は等間隔であり、同様に列間も等間隔である。図３Ａおよび図３Ｂの例示された実施形態によると、たとえば各行および各列は、水平方向に配向されたＳ型貫通スロット３１８が介挿された、垂直方向に配向されたＳ型貫通スロット３１２を備える。実際、垂直方向に配向された各貫通スロット３１２は、水平方向に配向された貫通スロット３１８によって４辺に隣接され、一方で、水平方向に配向された各貫通スロット３１８は、垂直方向に配向された貫通スロット３１２によって４辺に隣接される。この配置によると、第１の複数のＳ型貫通スロット３１２の短軸はアレイの行と平行であり、その一方で第２の複数のＳ型貫通スロット３１８の短軸はアレイの列と平行である。したがって、アレイの行と平行である貫通スロット３１８の長軸は、アレイの列と平行である貫通スロット３１２の長軸と垂直である。ＮＰＲ挙動を実現する他のパターンおよび配置は、本開示の範囲および趣旨の内であることもまた、考えられる。

例示の細長く角度の付いたスロットのパターンは、マクロ的な平坦荷重条件下（たとえば引張力または圧縮力がシートの平面に加えられる場合）で、特定の空隙率（たとえば約０．３〜約９．０％の空隙率）、および所望の応力性能（たとえば低い応力集中係数）を実現する一方で、所望の負のポアソン比挙動（たとえば約−０．０００１〜約−０．９のＰＲ）を示す。オーゼティック構造体３００が引っ張られると、たとえば垂直軸Ｙに沿った引張力Ｆ_Ｔを介して、垂直方向の軸応力によって各セルの中心の周りにモーメントが生じ、それによってセルを回転させる。セルは、垂直方向に隣接する２つの水平スロットと整合した、横方向に隣接する２つの垂直スロットから成り、正方形のユニットを形成する。各セルは、直近のセルの回転とは反対向きに回転する。この回転は、水平方向に隣接するセル間のＸ方向の距離を大きくし、そのため、構造体をＹ方向に引き伸ばすことによってＸ方向に引き伸ばすことになる。第１の複数のＳ型貫通スロット３１２は、既定の外形および既定のアスペクト比を含む（第１の）工学設計された幾何学的特徴を有し、一方で第２の複数のＳ型貫通スロット３１８は、既定の外形および既定のアスペクト比を含む（第２の）工学設計された幾何学特徴を有する。それらの工学設計された幾何学的特徴は、ＮＰＲスロットの密度およびセルの配置を含んだ、アパーチャのパターンの（第３の）工学設計された幾何学的特徴と共に協働的に構成され、マクロ的な荷重条件下で所望のＮＰＲ挙動を実現する。

第１および／または第２の複数の細長いＳ型スロット３１２、３１８の各スロットは、斜めの角度で弾性硬質体を貫通するよう投影された変形した形状を有する。例として、オーゼティック構造の本体の外面に現われる、角度が付いた各ＮＰＲスロットの形状は、元の純正な像の変形した投影像であり得る。図示された例によると、Ｓ型貫通スロット３１２の上面の形状３１２Ａおよび底面の形状３１２Ｂのそれぞれは、所望の斜め角度で弾性硬質体３１０を貫通して標準的なＳ型を投影することによって生成される。その際、本体３１０の上面３１４および底面３１６に現われるＮＰＲスロット３１２の形状３１２Ａ、３１２Ｂは、元の像３２０から変形される。変形の程度は、たとえば所望の冷却性能または所望の応力緩和を実現するための、たとえばスロットの所望の角度および／または所望の配向によって変わり得る。Ｓ型の貫通スロット３１８の上面および底面の形状は、同様の方法によって生成され得る。たとえばオーゼティック構造体の本体３１０が比較的平坦で、投影角度が貫通スロットの両セットで共通である場合の適用において、Ｓ型貫通スロット３１２の表面形状は、Ｓ型貫通スロット３１８の表面形状と同一であることが考えられる。対照的に、たとえばオーゼティック構造体の本体３１０が湾曲している場合、および／またはＳ型貫通スロット３１２の投影角度がＳ型貫通スロット３１８の投影角度と異なる場合は、Ｓ型貫通スロット３１２の表面外形は、Ｓ型貫通スロット３１８の表面外形とは異なる場合がある。

材料の水平面に対して斜めの角度で、本体３１０の全厚さにわたるスロット３１２が図３Ａに示される。少なくともいくつかの実施形態では、オーゼティック構造の本体３１０の上面３１４および底面３１６に対して、各アパーチャは概ね２０〜８０°、いくつかの実施形態においては４５〜７５°の角度φを有する。これらマクロ的にパターン化されたＮＰＲボイド、すなわちＳ型角度付きスロット（または同等に、Ｉ型角度付きスロット、バーベル型角度付きスロット、楕円型角度付きスロット、Ｚ型角度付きスロット、Ｃ型角度付きスロットなど）は、冷却流体ＦＬがオーゼティック構造体の一表面を横断し、図３Ａで示されるように傾斜角αで本体を貫通して、オーゼティック構造体の反対側の表面に横断するのを可能にする、吹き出し冷却孔の役割を担う。この構成は、本体の厚さに対して直角で、そのため冷却液の流れに対してより制限的である従来の冷却スロット／孔と比較すると、膜冷却性能を向上させる。傾斜角αは、注入ベクトルとこれの材料面上への投影像との角度と定義することができる。この傾斜角αは、オーゼティック挙動および膜冷却性能について、多くの所望の組合せを実現するために、３つの回転軸を使用して３６０°の回転自由度で変化され得る。傾斜角αは、任意の面、または任意の２つの平面の合成に対して変化され得、形状の横断方向に３つの回転自由度を与える。パターン化され角度付けされたＮＰＲスロット特徴部は、スロットの内部表面積が垂直円形孔または垂直スロットよりも大きいため、従来の直角（垂直）の円形穴および冷却スロットよりも、著しく良好に冷却することが示された。たとえば、表面にわたって冷却空気をより均一に分配し、冷却ジェットが主流へ侵入することが軽減されるため、従来の垂直な冷却孔およびスロットと比較して、断熱膜の冷却有効性も増す。

オーゼティック構造体３００は、全ての細長いアパーチャ３１２、３１８のうちの１つ以上の近位の応力集中を軽減することを実現する。パターン化され角度付けされたＳ型スロット構造は、低い応力集中係数を提供しながら、従来の円形穴よりも著しく良好な吹き出し冷却特性を実現する。オーゼティック構造体の表面上に冷却孔を投影することで、細長い貫通スロット（たとえば楕円形またはＳ型スロット）を形成し、それによってスロットの両端に高い応力集中をもたらし得る。図３Ａおよび図３Ｂに示されるようなマクロ的にパターン化されたボイドは、投影されるときにより滑らかな曲率となり、したがって低い応力集中係数を有する。管状の構成要素の円筒形表面のような、弾性硬質体の外面に投影するときに変形する形状によって起きる応力集中を軽減するために、各アパーチャの投影ベクトル３２２は、弾性硬質体の荷重方向に対して実質的にまたは完全に平行となり得る。図５Ａ〜図５Ｄは、管状のオーゼティック構造体の外面におけるスロットの変形を示す。たとえば図５Ａは、０°の投影角度を表わす標準的なＮＰＲのＳ型貫通スロットを示す。比較として、図５Ｂは荷重方向に平行な投影ベクトルに対して４５°の投影角度を表わす、角度付けされたＮＰＲのＳ型貫通スロットを示し、図５Ｃは荷重方向に平行な投影ベクトルに対して５５°の投影角度を表わす、角度付けされたＮＰＲのＳ型貫通スロットを示し、図５Ｄは荷重方向に平行な投影ベクトルに対して６５°の投影角度を表わす、角度付けされたＮＰＲのＳ型スロットを示す。引張荷重が貫通穴を分離するように作用するため、荷重方向に沿って投影することによって、ボイドが硬質体の変形の全体を通して相互作用を続けるよう作用する。

荷重方向に沿って変形したスロットを投影することによって、そうでなければはっきりと正のポアソン比（たとえば図６Ａ〜図６Ｃは傾斜角α＝０°でポアソン比＝０．２７をもたらすことを示す）を表わすボイドの配置が、負のポアソン比（たとえば図７Ａ〜図７Ｃは傾斜角α＝７５°でポアソン比＝−０．０００１をもたらすことを示す）を実現する。変形され、かつ角度付けされたＳ型貫通スロットは、標準的なＮＰＲのＳ型スロットよりも低い空隙率で、ＮＰＲ挙動を保持する助けとなる。標準的なＮＰＲのＳ型スロットが所望の距離だけ離間されて、所要の低い空隙率を実現する場合、水平および垂直のＳ型貫通スロットは変形中の相互作用を停止して、構造体はＮＰＲ挙動を失う傾向がある。変形して角度付けされたＳ型貫通スロット構造によって、Ｓ型スロットは材料の厚さ内で引延ばされ、ＮＰＲ挙動を保持したまま、標準Ｓ型スロットよりも大きく離間することができる。角度付けされたＳ型貫通スロットの、改善された膜の冷却有効性によって、構造体の温度は低減されて熱応力の軽減をもたらす。

たとえばＺ型スロット４１２Ａ（図４Ａ）およびＳ型スロット（図４Ｂ）のような変形したＮＰＲスロット形状は、キャップ長４１１Ａおよび４１１Ｂ、ならびに／またはキャップ高４１３Ａおよび４１３Ｂを変えることによって構築でき、既存のまたは「標準」Ｓ型／Ｚ型とは異なる水平投影像を提供する。キャップのサイズおよび形状は、オーゼティック挙動と膜冷却性能との所望の組合せを実現するために変えることができる。角度付けされた吹き出しＳ型スロット、または同等のＺ型スロットの膜冷却性能は、高温表面の上に、より長い冷却熱層を生成することによって改善され得る。より長い冷却熱層は、Ｓ型スロットのキャップを左回転方向（またはＺ型スロットのキャップは右回転方向）に回転させることによって、自由な主流流体に対して直角なスロットの側面積を増加させることによって作ることができる。このキャップの回転角度４１５Ａおよび４１５Ｂは、オーゼティック挙動と膜冷却性能との所望の組合せを実現するために変えることができる。Ｓ型スロットのキャップを左回転方向に回転させることによって、キャップの頂部における最大機械的応力は軽減され、吹き出しスロットの膜冷却性能は、高熱表面の上の冷却熱層の適用範囲を拡げることによって改善され得る。

開示された特徴の例示的な実装として、シート金属壁を伴う燃焼器ライナが考えられ、その中では、従来の円形吹き出し穴すなわち標準の吹き出しスロットが、オーゼティック構造体を形成する角度が付いて変形したＳ型貫通スロットのパターンで、置き換えられる。スロットに供給される冷却空気は、熱を構造体から取り除き、表面にわたり冷却空気を均一に分配する。内部の表面積を増加させた、これら角度の付いたスロットは、膜冷却性能を向上させ、機械的応答を改善する。さらに、角度が付いて変形したＮＰＲスロットは、より高い火炎温度に耐えることが可能で、標準の吹き出しボイドを有する従来のシートと比較して、より長い寿命をシートに与えるのに役立つ。

図６Ａ〜図６Ｃは、標準のＳ型貫通スロットを有する円筒構造体が軸方向張力を受けて、径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。比較として、図７Ａ〜図７Ｃは、変形したＮＰＲのＳ型貫通スロットを有する円筒オーゼティック構造体が軸方向張力を受けて、径方向の移動を示す、有限要素（ＦＥ）モデルである。円筒の長手方向軸は図示の例では水平であり、それは、これらの円筒に加えられる引張力の方向である。上記で示したように、図６Ａ〜図６Ｃのボイド構成は、構造体の厚さに対して垂直（すなわち傾斜角α＝０°）であるＳ型貫通スロットから成り、正のポアソン比ＰＲ＝０．２７をもたらす。対照的に、図７Ａ〜図７Ｃのボイド構成は、構造体の厚さに対して斜め（すなわち傾斜角α＝７５°）である変形したＳ型ＮＰＲスロットから成り、負のポアソン比ＰＲ＝−０．０００１をもたらす。また、スロットに角度を付けることは、ポアソン比の値をさらに減少させる。青の領域６０１、７０１はＮＰＲタイプの挙動を示し、一方で赤の領域７０３は非ＮＰＲタイプの挙動を示す。図６Ａにおいて、ボイドは０°の角度で切り取られているため、投影ベクトルはない。図６Ｂは水平Ｓ型スロットの１つの拡大図で、図６Ｃは垂直Ｓ型スロットの１つの拡大図である。図７Ａにおいて、スロットの投影ベクトルは引張荷重の方向に対して平行である。

本開示の態様は、オーゼティック構造体の製造方法、およびオーゼティック構造体の使用方法も対象とする。例として、方法は、図３〜図５に関して上記で説明したオーゼティック構造体などの、オーゼティック構造体を製造するために提示される。方法は、図３Ａおよび図３Ｂの弾性硬質体３１０のような背中合わせの上面および底面を有する弾性硬質体を提供することと、弾性硬質体を貫通して上面から底面に延びる、図３Ａおよび図３Ｂの細長いＳ型スロット３１２のような第１の複数のアパーチャを弾性硬質体に加えることと、弾性硬質体を貫通して上面から底面に延びる、図３Ａおよび図３Ｂの細長いＳ型スロット３１８のような第２の複数のアパーチャを弾性硬質体に加えることとを、包括的でその上非排他的な行為のセットとして含む。第１および第２の複数のアパーチャは、行および列に配置される。第１および／または第２の複数のアパーチャは、斜めの角度で弾性硬質体を貫通して投影された変形した形状を有する。第１および第２の複数のアパーチャは、マクロ的な平面荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示しながら、所望の応力性能を提供するよう協働して構成される。例として、細長いアパーチャは、既定の空隙率、所定のパターン、および／または所定のアスペクト比によって工学設計され、所望のＮＰＲ挙動を実現する。

いくつかの実施形態において、方法は、少なくとも上記で列挙され、図面に示されたステップを含む。工程を省略すること、追加の工程を含むこと、および／または上記で表した順序を変更することもまた、本発明の範囲および趣旨内である。前述の方法は、オーゼティック構造体を工学設計するための、および製造するための１つの順序を代表するものであり得ることに、さらに留意されたい。しかしながら、方法は体系的かつ反復的な方法で実施されるものと想定される。

本発明は、本明細書で開示される厳密な構成および組成物に限定されない。むしろ、前述の説明から明らかな、任意ならびに全ての変形、変化、組合せ、置換、および差異は、添付の特許請求の範囲で定義されるように、本発明の範囲および趣旨内である。さらに本概念は、前述の要素および態様の任意かつ全ての組合せおよび部分組合せを明示的に含む。

Claims (29)

1. オーゼティック構造体であって、
   弾性硬質体であって、互いに背中合わせの上面および底面と、当該弾性硬質体の前記上面から前記底面まで貫通して延びる、第１および第２の複数の細長いアパーチャとを備え、前記第１の複数の細長いアパーチャは、前記第２の複数の細長いアパーチャに対して横断方向に延び、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャは、前記弾性硬質体を斜めの角度で貫通するよう投影された変形した形状を有する、弾性硬質体、
   を有し、
   前記第１および前記第２の複数の細長いアパーチャは、マクロ的な平面荷重条件下で所望の負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示しながら、所望の応力性能を提供するよう協働して構成されることを特徴とするオーゼティック構造体。
2. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが弾性硬質体の上面に対して概ね４０〜７５°の角度が付けられることを特徴とするボイド構造体。
3. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャの投影ベクトルが、少なくとも前記弾性硬質体の荷重方向に対して実質的に平行であることを特徴とするボイド構造体。
4. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第２の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが、前記弾性硬質体を斜めの角度で貫通するよう投影された変形した形状を有することを特徴とするボイド構造体。
5. 請求項４に記載のボイド構造体であって、前記第２の複数の細長いアパーチャの各アパーチャの投影ベクトルが、少なくとも前記弾性硬質体の荷重方向に対して実質的に平行であることを特徴とするボイド構造体。
6. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記所望の応力性能が、前記複数の細長いアパーチャの近位での応力集中を軽減することを含むことを特徴とするボイド構造体。
7. 請求項１に記載のボイド構造体であって、ＮＰＲ挙動が約−０．０００１〜約−０．９のポアソン比を含むことを特徴とするボイド構造体。
8. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャが約０．３〜約９％の所定の空隙率を有することを特徴とするボイド構造体。
9. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャが既定の空隙率、所定のパターン、もしくは所定のアスペクト比、またはそれらの任意の組合せによって工学設計され、前記ＮＰＲ挙動を実現することを特徴とするボイド構造体。
10. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが概ね５〜４０のアスペクト比を有することを特徴とするボイド構造体。
11. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１もしくは前記第２、またはその両方の複数の細長いアパーチャのそれぞれが、Ｓ型平面形状を有することを特徴とするボイド構造体。
12. 請求項１１に記載のボイド構造体であって、前記第１および前記第２の複数の細長いアパーチャが、行および列のアレイに配置されることを特徴とするボイド構造体。
13. 請求項１２に記載のボイド構造体であって、前記行が等間隔であり、前記列が等間隔であることを特徴とするボイド構造体。
14. 請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが、短軸に対して垂直である長軸を有し、前記第１の複数の細長いアパーチャの前記長軸が、前記第２の複数の細長いアパーチャの前記長軸に対して実質的に垂直であることを特徴とするボイド構造体。
15. 吹き出し冷却オーゼティックシート構造体であって、
    金属製シートであって、互いに背中合わせの上面および底面と、当該金属製シートの前記上面から前記底面に貫通して延びる第１および第２の複数の細長いアパーチャとを備え、前記第１の複数の細長いアパーチャは幾何学的特徴の第１のセットおよび第１のパターンを有し、前記第２の複数の細長いアパーチャは幾何学的特徴の第２のセットおよび第２のパターンを有し、前記第１の複数の細長いアパーチャは前記第２の複数の細長いアパーチャに対して直角に配向され、前記細長いアパーチャは弾性硬質体を斜めの角度で貫通するよう投影された変形した形状を有する金属製シートを有し、前記第１の複数の細長いアパーチャの前記第１の幾何学的特徴およびパターンは、前記第２の複数の細長いアパーチャの前記第２の幾何学的特徴およびパターンと協働するよう構成されて、マクロ的な平面荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）を示しながら、所望の応力性能を実現することを特徴とする吹き出し冷却オーゼティックシート構造体。
16. オーゼティック構造体を製造する方法であって、
    互いに背中合わせの上面および底面を有する弾性硬質体を提供することと、
    前記弾性硬質体の前記上面から前記底面に貫通して延びて、行および列に配置され、各アパーチャは前記弾性硬質体を斜めの角度で貫通するよう投影された変形した形状を有する第１の複数のアパーチャを、前記弾性硬質体に加えることと、
    前記弾性硬質体の前記上面から前記底面に貫通して延びて行および列に配置される第２の複数のアパーチャを、前記弾性硬質体に加えることと、を備え、
    前記第１および前記第２の複数のアパーチャは、マクロ的な平面荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示しながら、所望の応力性能を提供するよう協働して構成されることを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが前記弾性硬質体の上面に対して概ね４０〜７５°の角度が付けられることを特徴とする方法。
18. 請求項１６に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャの投影ベクトルが、少なくとも前記弾性硬質体の荷重方向に対して実質的に平行であることを特徴とする方法。
19. 請求項１６に記載の方法であって、前記第２の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが、前記弾性硬質体を斜めの角度で貫通するよう投影されたた変形した形状を有することを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、前記第２の複数の細長いアパーチャの投影ベクトルが、少なくとも前記弾性硬質体の荷重方向に対して実質的に垂直であることを特徴とする方法。
21. 請求項１６に記載の方法であって、前記所望の応力性能が、前記複数の細長いアパーチャの近位での応力集中を軽減することを含むことを特徴とする方法。
22. 請求項１６に記載の方法であって、ＮＰＲ挙動が約−０．０００１〜約−０．９のポアソン比を含むことを特徴とする方法。
23. 請求項１６に記載の方法であって、前記細長いアパーチャが約０．３〜約９％の所定の空隙率を有することを特徴とする方法。
24. 請求項１６に記載の方法であって、前記細長いアパーチャが既定の空隙率、所定のパターン、もしくは所定のアスペクト比、またはそれらの任意の組合せによって工学設計され、前記ＮＰＲ挙動を実現することを特徴とする方法。
25. 請求項１６に記載の方法であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが概ね５〜４０のアスペクト比を有することを特徴とする方法。
26. 請求項１６に記載の方法であって、前記第１もしくは前記第２、またはその両方の複数の細長いアパーチャのそれぞれがＳ型平面形状を有することを特徴とする方法。
27. 請求項１６に記載の方法であって、前記第１および前記第２の複数の細長いアパーチャが、行および列のアレイに配置されることを特徴とする方法。
28. 請求項２７に記載の方法であって、前記行が等間隔であり、前記列が等間隔であることを特徴とする方法。
29. 請求項１６に記載の方法であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが、短軸に対して垂直である長軸を有し、前記第１の複数の細長いアパーチャの前記長軸が、前記第２の複数の細長いアパーチャの前記長軸に対して実質的に垂直であることを特徴とする方法。