JP2863636B2

JP2863636B2 - 熱伝導性の非金属ハニカム及びプロセス

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Publication number: JP2863636B2
Application number: JP7525835A
Authority: JP
Inventors: ダーフラー，スティーヴン・シー
Original assignee: HEKUSERU CORP
Current assignee: HEKUSERU CORP
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1999-03-03
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: ES2207647T3; DE69532193T2; EP0754121A1; EP0754121A4; EP0754121B1; ATE255001T1; WO1995026877A1; JPH09507443A; AU2233695A; DE69532193D1; US5498462A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の分野本発明は、一般的に、高い熱伝導率が必要とされる状
況において使用される非金属ハニカム構造の製造に関す
る。より詳細に言えば、本発明は、非金属複合材料から
熱伝導性のハニカム構造を製造するための新規且つ改善
されたコルゲーションプロセス、及び、その製品に関す
る。

関連技術の説明ハニカム形状の材料は、対応する重量の増大を生ずる
ことなく、構造体の相対的な剛性及び強度を増大させる
ために、長い間使用されてきた。特に、ハニカム構造
は、密度が高く強度の大きい仕上げ材を有するサンドイ
ッチ構造におけるコア材料として採用されてきた。その
ような構造は、通常の材料設計の極めて高い剛性／重量
比を与える。従って、そのような軽量構造は、軍用及び
商用の航空機、自動車ボディ、エンジン要素、レクレー
ション機器、船舶、サポート構造及び貨物コンテナに広
く使用されている。

ハニカムコア材料は、多数のセルが形成されるように
取り付けられた複数の薄いシートから成る製品である。
種々の目的のために、種々のハニカム形態が採用されて
きたが、大部分のハニカム構造は、全体的に最善の特性
をもたらす傾向のある、六角形のセルの組み合わされた
列から構成されている。ハニカムコアの特性は、セルの
形態と共に、セル密度及び製造材料によって、主として
決定される。セル密度が高いと、部品の機械的な性質が
良好になるが、重量が増大するという問題がある。しか
しながら、重量の制約、及び、他の問題は、適宜な材料
を選択することにより、軽減することができる。

望ましい性質を有する構造材料を検討したところ、ハ
ニカム構造用の非金属複合材料が広く開発された。その
理由は、非金属複合材料は、金属ハニカム構造に比較し
て、軽量であり、且つ、耐食性を有するからである。複
合材料は、ガラス、セラミック、又はポリマーの如き、
２又はそれ以上の異なる物質が組み合わされた材料であ
って、個々の組成とは異なる構造的又は機能的な特性を
有する材料が製造される。上記組成すなわち成分は、そ
れぞれの特性を維持しており、顕微鏡スケールで識別し
うる。一般的には、一方の成分は、補強材と分類され、
他方の成分は、マトリックスと分類される。補強材は、
一般的に、複合材料に強度又は剛性を与え、一方、マト
リックスは、補強材を互いに結合して、負荷の分布に貢
献する。

一般的に、複合材料においては、ポリマーの２つの主
要な分類が採用され、熱硬化性ポリマー、及び、熱可塑
性ポリマーとして分類することができる。これら２つの
ポリマーの分類の間の基本的な差異は、架橋の程度、及
び、高い温度に対する応答性である。熱硬化性樹脂すな
わち熱硬化性ポリマーは、広い範囲で架橋され、加熱さ
れたり、あるいは、選択された触媒又は硬化剤と反応し
た時に、非可逆的な変化を行う。重要な熱硬化性マトリ
ックス材料の例は、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、
ポリイミド樹脂、及び、フェノール樹脂である。これと
は対照的に、熱可塑性材料は、一般的に、架橋されてお
らず、加熱されると軟化する。熱可塑性材料は、熱に暴
露された後に、その融解温度よりも低い温度まで冷却さ
れると、その元の状態に戻る。一般的な熱可塑性材料
は、ポリオレフィン、ビニル、ポリアミド、アクリル、
ポリカーボネート、及び、ポリスルフォンを含む。

熱可塑性樹脂は、ガス産物又は過剰の熱の放出を生ず
る化学反応を生じない点において、幾つかの熱硬化性樹
脂に比較して、利点を有している。また、熱可塑性樹脂
は、一般的に、熱硬化性樹脂よりも、延性及び靭性が高
い。構造体を加熱し、成形し、冷却するために必要とさ
れる時間だけによって、処理が限定される。これとは対
照的に、熱硬化性樹脂は、触媒、熱、放射線、及び／又
は、圧力の存在下で、非可逆的な化学反応すなわち硬化
を行う。熱硬化性樹脂は、一旦硬化すると、未硬化の状
態に戻ることができず、流動性を失う。しかしながら、
熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂に比較して、良好な耐化
学性（耐薬品性）、接着性、及び、優れた電気的性質を
示す傾向がある。従来、熱硬化性樹脂は、その取り扱い
及び処理が比較的容易であり、また、その単価が低いの
で、複合体用の基本的なマトリックスであったが、新規
な物質が開発されたので、熱可塑性のマトリックスが、
多くの用途において一般的になりつつある。例えば、幾
つかの高性能熱可塑性樹脂は、今や、温度特性におい
て、大部分の一般的な熱硬化性樹脂に等しい。

同様に、補強材料の機械的な性質の進歩により、ハニ
カム製造における複合材料の使用が増大している。補強
材のタイプ及び形態の選択は、その構造体の設計要件に
従って変化する。望ましい補強材としての一般的な条件
は、高強度、高張力、軽量、低コスト、製造の容易性、
及び、環境的な耐久性を含む。そのような性質の一部又
は全部を有し、補強材を製造するのに有用な一般的な材
料は、ガラス、ポリマー、セラミック、及び、グラファ
イトであり、これら各々の材料は、多くの異なる形態に
することができる。補強材の広く使用されている形態
は、連続的な繊維又はフィラメント、切断された繊維、
マット、織物、粒子、又は、リボンを含む。種々の形態
の補強材が種々の用途に使用されているが、先端複合材
料の開発には、繊維が最も広く使用されており、その理
由は、繊維は、単位重量当たり極めて高い強度及び張力
を与えるからである。また、繊維は、構造体の所望の性
質に応じて、織った状態、切断した状態、あるいは、マ
ットとして使用することができる。

いずれにしても、ハニカム構造は、一般的に、採用さ
れる材料の性質、及び、望まれるセルの形態に応じて、
膨張プロセス、又は、コルゲーションプロセスを用いて
製造される。膨張プロセスにおいては、所望の補強材料
のシートが、所望の形状に切断され、接着剤のストリッ
プ（条線）が塗布される。接着剤は、切断の前に、シー
ト材料の上に実際にプリントされることが極めて多い。
切断された材料は、次に、複数の層に積み重ねられ、選
択された接着点で接合される。通常は、交互のシート
が、膨張時に適正な形状を与えるように配列された、接
着剤塗布位置を有している。接合されたスタックは次
に、所望の形態に切断され、機械的に膨張される。非金
属ハニカムにおいては、膨張されたスタックは、熱可塑
性マトリックス又は熱硬化性マトリックスで含浸され、
その形態を維持するように硬化されることが多い。

非金属ハニカムを製造するためのコルゲーションプロ
セスは、予備含浸されたシート状の補強材料（プリプレ
グ）を用いることが多い。プリプレグは、繊維、織物又
は紙の補強材を熱可塑性又は熱硬化性のマトリックスで
含浸させることにより、得られる。この方法の１つの例
においては、単プライ又は多プライのプリプレグ材料
が、組み合わされたコルゲーションローラに通されて、
波形シートを形成する。真空成形、又は、圧力成形の如
き他の方法を用いて、そのような構造体を形成すること
もできる。次に、波形シートを積み重ねて整合して、ハ
ニカム列を形成し、適宜な点において互いに硬化又は他
の方法で接合して、ハニカムパネルを形成する。

コルゲーション技術を用いてハニカム構造を製造する
ことは、当業界では周知である。例えば、米国特許第5,
030,305号（取り下げられた）は、補強された熱可塑性
のハニカム構造を製造する方法を記載している。繊維補
強材は、真空、成形、又は、ローラ法を用いてコルゲー
ションされた（波形にされた）、織られた又は織られて
いないウエブの形態とすることができる。熱可塑性樹脂
は、ウエブを融解コーティングするか、あるいは、予成
形された熱可塑性樹脂フィルムをウエブに積層すること
によって、非織物ウエブの中に混合されたステープル繊
維の形態で導入することができる。そのようにして形成
されたシートを積み重ね、選択された点を加熱して、所
望のハニカム構造を製造する。

熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の複合材料から形成さ
れたハニカム構造は、その製造の容易性、及び、固有の
物理的性質の点において、特に魅力的である。例えば、
ガラス繊維のハニカム材料は、その電気的な特性が優れ
ているので、レードーム（レーダードーム）及びアンテ
ナの窓のためのコアとして、40年以上にわたって使用さ
れてきた。同様に、非金属ハニカム構造は、軽量及び高
張力であることに加えて、良好な熱絶縁材料として作用
することが多く、この機能の故に産業的に頻繁に使用さ
れている。特に、炭素−炭素材料、及び、炭素−フェノ
ール材料が、熱保護システムのために開発されている。
そのような材料の１つの重要な用途は、大気の摩擦によ
り大きな空気力学的な熱負荷を受ける。航空機の前縁面
である。空気のデッドスペースを有する絶縁性のハニカ
ム構造を用いると、航空機の内部環境に悪影響を与える
ことなく、熱を徐々に消散させることができる。

非金属ハニカムの熱絶縁性は、多くの場合において望
ましいが、高い熱伝導率を有する高強度で軽量の材料を
設けることが効果的である場合がある。例えば、航空機
のジェットエンジンは、許容できるレベルの構造的な温
度負荷を維持するために、エンジン構造を通る高度の熱
伝達を必要とする。従って、燃焼室から外側ナセルまで
のエンジン構造は、熱伝導性のヒートシンクとして機能
し、同時に、極めて強固で軽量でなければならない。

アルミニウムから形成された従来技術のハニカム構造
は、必要とされる強度、並びに、コアの流路からファン
のバイパス流路までの必要な熱伝達、あるいは、ナセル
及び／又は逆スラスト構造における必要な熱伝達を許容
するに十分な熱伝導率を有していることが証明されてい
る。しかしながら、アルミニウムは、腐食、熱膨張、及
び、関連する応力の問題を生じる。そのような問題を解
消するために、航空機のジェットエンジンにおけるアル
ミニウムのハニカム構造の可能性のある代替物として、
ガラス繊維で強化された種々の複合材料のハニカム構
造、及び、ポリアクリロニトリル（PAN）系炭素繊維で
強化された複合材料が提案されてきた。しかしながら、
そのような非金属ハニカム構造は、一般的に、熱伝導率
が小さいので、適したものではない。

非金属ハニカム構造における熱伝導率が低いというそ
のような問題に対する１つの解決策が、本件出願と同時
に係属されている米国特許出願No.07/853,957に開示さ
れており、該米国特許出願は、本明細書に参考として含
まれている。上記米国特許出願は、高度の熱伝導率を示
す、強固で軽量の非金属ハニカム構造を提案している。
そのような新規なハニカム構造は、高熱伝導性のピッチ
系炭素繊維を非金属の複合補強材の中に織り込んで、所
望のレベルの熱伝導率を与えることができるという、驚
くべき発見に基づいている。伝導性の炭素繊維は、種々
の性質を有する広い範囲の補強織物材料と一体化するこ
とができるので、熱伝導性のハニカム構造を設計して、
所望の機械的性質を示すように製造することができる。

より詳細に言えば、熱伝導性のハニカムの壁部は、高
熱伝導率を有する多数の非金属繊維と組み合わされる、
低熱伝導率を有する多数の非金属繊維を含んでいる。織
り込まれた両方の繊維は、樹脂マトリックスの中に含浸
され、次に、通常の製造技術を用いてハニカム構造を製
造するために使用される。上記米国特許出願は、更に、
熱伝導性の繊維を、ハニカム構造の長手方向の軸線に対
して、角度をなして、又は、平行にあるいは直交して、
配向した状態で含めることができることを特に開示して
いる。この発明の好ましい実施例においては、ピッチ系
の炭素繊維は、長さ軸線に対して角度をなして配列され
ており、これにより、熱伝導性の構造に機械的な強度を
付加している。その結果生ずる構造は、強固であり且つ
軽量であり、驚くべき程に高い熱伝導率を示す。

そのような構造の熱伝達特性は、従来技術を大幅に改
善するが、構造的な考慮及び製造技術が、ハニカム構造
の熱特性に影響を与える。例えば、極めて大きな切断特
性を有するハニカム構造を得るためには、熱伝導性の繊
維は、コルゲーションプロセスを実行する前に、45゜の
バイアスで配向することが好ましい。これは、熱伝達の
経路長さを増大させ、従って、ハニカム構造の絶縁能力
を増大させるので望ましくない。また、脆い熱伝導性の
繊維を補強材に織り込むプロセスは、繊維の破断を生じ
させ、これにより、その結果生ずる材料の構造的及び熱
的な完全性の間の妥協をもたらす。上記経路長さの増大
と同様に、繊維の不連続性は、ハニカム構造の熱容量を
増大させ、これに対応して、熱伝達能力が減少する。ま
た、織り込まれた熱伝導性の補強繊維の製造は、製造工
程の数を増大することにより、ハニカム構造の製造を複
雑にすると共に、単位コストを増大させるので、望まし
くない。

従って、本発明の目的は、比較的高い熱伝導率を示
す、強固で軽量の非金属ハニカム構造を提供することで
ある。

本発明の別の目的は、強固で軽量な熱伝導性の非金属
ハニカム構造を製造するための、効率的で費用対効果が
優れたプロセスすなわち方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、熱伝導性のハニカム構造を
形成するための従来技術に伴う上述の問題を解消するこ
とである。

本発明の更に別の目的は、熱エネルギの伝達が必要と
される、例えば、航空機のエンジン構造の如き用途に使
用される、熱伝導性の非金属ハニカム構造を提供するこ
とである。

発明の概要一般的に言えば、本発明は、熱伝導性の非金属複合材
料のハニカム構造を製造するために使用することのでき
る共コルゲーションプロセスによって、上述の目的を達
成する。本発明のハニカム構造は、熱伝導性の単方向性
繊維、及び、高強度補強材料を含む複数の多プライ壁部
から構成される。その結果生ずるハニカム構造は、高度
の熱伝導率を示すことに加えて、強固であり且つ軽量で
ある。また、本発明のハニカム構造は、耐久性、設計の
柔軟性、及び、耐食性を含む、非金属複合材料の総ての
利点を備えている。補強材料の中に直接織り込まれた場
合に、比較的脆い熱伝導性の繊維の中のかなりの割合が
破断する傾向を有する、従来技術の試みとは異なり、本
発明は、補強材料とは別の所望の構造の中に熱伝導性の
繊維を含める。これにより、ほんの少量の破断したスト
ランドが、ハニカム壁の中に一体化され、従って、完成
された構造の熱伝達能力を大幅に改善する。更に、本ハ
ニカム構造は、通常の補強材料を製造することを必要と
せず、従って、従来技術の構造に比較して、コスト及び
労力という意味において、より効率的な製造が可能とな
る。

本発明によれば、熱伝導性の非金属複合材料のハニカ
ム構造が提供され、このハニカム構造においては、高い
熱伝導率を示す単方向繊維と、比較的低い熱伝導率を有
する強固な補強材料とが組み合わされている。本発明
は、また、熱伝導性ハニカム構造を効率的に製造するた
めの、新規な製造方法を提供する。この製造方法は、通
常の製造技術を用いて、少なくとも２つの予備含浸され
た材料（プリプレグ）の層を共コルゲーションにて、波
形シートを形成する工程を備える。共コルゲーションさ
れた一方の層は、高い熱伝導率を有する単方向繊維を含
むプリプレグであり、一方、他方の層は、補強材料を含
むプリプレグである。上記プリプレグ層すなわちプライ
は、完成されたハニカム構造に適正な熱的及び機械的な
特性を与えるように、コルゲーション装置の中で配向さ
れる。次に、そのような複数の熱伝導性の波形シートを
整合させ、通常の硬化技術又は接合技術を用いて、接合
し、これにより、所望のハニカム構造を形成する。

本発明の他の目的、特徴、及び、利点は、以下の詳細
な説明、及び、その代表的な好ましい実施例を検討する
ことにより、当業者には明らかとなろう。

図面の簡単な説明図１は、本発明の代表的な好ましい共コルゲーション
プロセス、及び、その結果生ずる熱伝導性のコルゲート
シート（波形シート）を示しており、該コレゲートシー
トにおいては、熱伝導性の単方向性繊維が、形成された
シートの幅に対して平行な方向に配向されている。

図２は、本発明の教示に従って製造された、完成され
た熱伝導性ハニカム構造の詳細図であって、このハニカ
ム構造においては、熱伝導性の単方向性繊維が、該ハニ
カム構造の厚みに対して平行な方向に配向されている。

図３は、本発明に従って形成された、代表的な好まし
いハニカム構造の斜視図であって、該ハニカム構造にお
いては、熱伝導性の単方向性繊維が、当該ハニカム構造
の厚みに対して平行な方向に配向されていて、そのよう
な構造を通る熱伝導率を増大させている。

図４は、本発明の教示に従う代表的な第２の好ましい
実施例の斜視図であって、この実施例においては、熱伝
導性の単方向性繊維が、ハニカム構造の厚みに対して直
交する方向に配向されていて、該構造に沿う熱伝導率を
増大させている。

図５は、図１に示すように製造されたハニカム壁の一
部の断面図であって、補強布に対する熱伝導性の単方向
性繊維の位置を示している。

図６は、本発明の教示に従って製造されたハニカム壁
の一部の断面図であって、採用された熱伝導性の単方向
性繊維に対する２つの別個の補強布プライの位置を示し
ている。

代表的な実施例の詳細な説明本発明は、高熱伝導性の非金属ハニカム構造を提供
し、該ハニカム構造においては、相互に接続された複数
の壁部が、相互に接続された複数のハニカムセルを形成
しており、そのようなハニカムセルは、上記壁部を横断
する方向に伸長する長さ方向と、上記壁部に対して平行
に伸長する厚み方向とを有している。そのようなハニカ
ム壁は、積層体を備えており、該積層体は、複数の熱伝
導性の単方向性繊維から成る少なくとも１つのプライと
組み合わされる、非金属補強材料から成る少なくとも１
つのプライを有している。上記ハニカム壁の積層体は、
単純に、上記補強材料から成る１つのプライと、上記熱
伝導性の単方向性繊維から成る１つのプライとを備える
ことができるが、上記２つの材料の各々を複数含むマル
チプライ構造を用いて、所望の特性を与えることもでき
る。製造した後に、ハニカム壁の積層体の個々のプライ
は、含浸マトリックス材料の接着性によって、互いに接
合される。

上述のように、本発明の熱伝導性の非金属ハニカム構
造は、特別に製造される熱伝導性の織物補強材を必要と
しない、新規な共コルゲーションプロセスを用いて、容
易に製造することができる。より詳細に言えば、熱伝導
性の繊維は、マトリックスの含浸及びコルゲーションの
前に、布補強材の中に編み込まれるのではなく、別個の
プリプレグの中で単方向に配向される。従って、本発明
の製造プロセスすなわち製造方法は、熱伝導性の単方向
性繊維のプリプレグを、所望の剪断特性を有する補強プ
リプレグと共に、共コルゲーションする工程を含む。テ
ープの形態とすることのできる単方向繊維のプリプレ
グ、及び、補強材のプリプレグの、コルゲーションを行
う前の配向は、重要ではなく、完成されたハニカム構造
に最適な熱的及び機械的な性質が与えられるように、調
節することができる。同様に、共コルゲーションされた
シートを製造するために使用される方法は、重要ではな
く、幾つかの通常の共コルゲーションプロセスの中の１
つを含むことができる。例えば、単方向繊維のプリプレ
グ及び布補強材のプリプレグから成る形成された複合体
を一体化して、真空成形技術、固定金型処理、又は、ロ
ーラ金型処理を用いて共コルゲーションすることができ
る。波形のマルチプライシートを製造した後に、当業界
では周知の技術を用いて、そのような複数のシートの整
合及び取り付けを行って、所望の熱伝導率を有するハニ
カム構造を製造する。次に、熱伝導性のハニカム構造
を、トリミング、成形、又は他の方法で成形して、完成
部品を製造することができる。

所望の特性に応じて、種々のタイプの材料を本発明の
個々の成分に用いることができる。例えば、本発明に使
用することのできる繊維強化プリプレグとしては、バイ
アス型及び非バイアス型の布プリプレグ、編んだ及び縫
った布プリプレグ、並びに、「パワーコーティングされ
た（power coated）」プリプレグが挙げられる。プリプ
レグを製造するために使用される補強材料は、織物、
布、粒子、マット又はウィスカーの形態とすることがで
きる。また、含浸される補強材すなわち含浸補強材は、
ガラス、アラミド、炭素、グラファイト、ホウ素、及
び、炭化ケイ素を含む、必要とされる切断特性を示す適
宜な材料から誘導することができる。本発明は、樹脂含
浸されたポリアクリロニトリル（PAN）系の炭素繊維か
ら形成されるハニカム構造の熱伝導率を増大させるの
に、特に適している。また、当業者は、種々の補強材及
び形態を組み合わせて、その結果生ずるハニカム構造の
特性を任意に調節することができることを理解すること
ができよう。

一般的に、上述の補強繊維は、比較的低い熱伝導率を
有している。例えば、PAN、ガラス及びセラミックの繊
維の熱伝導率は、一般的には、100ワット/m゜K程度かあ
るいはそれ以下である。そのような範囲の熱伝導率を有
する非金属繊維は、通常、当業者には比較的良好な絶縁
材料と考えられている。また、一般的には上述のような
繊維が含浸されて複合構造を形成している樹脂マトリッ
クスも、低い熱伝達特性を有する傾向があり、従って、
通常のハニカム構造は一般に、比較的低い範囲内に入る
全体的な熱伝導率を有している。

通常の従来技術の補強材と同様に、商業的に入手可能
な大部分の熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂は、本発明に
適合することができ、単方向繊維プリプレグ及び補強さ
れたプリプレグすなわち補強プリプレグを形成するため
に使用することができる。例えば、ポリエステル樹脂、
エポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリウレタン樹脂等
の如き、熱硬化性樹脂は総て、本明細書に記載する共コ
ルゲーションプロセスに適合し、従って、本発明の範囲
内にある。更に、不良環境で使用される本発明の実施例
は、硬化されたマトリックス中で熱的及び酸化的な安定
性を示す、熱硬化性樹脂を用いることができる。そのよ
うな特性を有する代表的な材料としては、ビスマレイン
酸イミド樹脂（bismaleimides）、マレイン酸イミド樹
脂（maleimide）−エポキシ混合物、フェノール樹脂、
ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリフェニールキノキ
サリン、及び、ポリベンズイミダゾール樹脂が挙げられ
る。本発明の他の実施例は、製造コスト及び製造の容易
性の如き別の利点を有する熱硬化性マトリックス材料を
用いることができる。同様に、熱可塑性樹脂を用いて、
共コルゲーションされたアセンブリを形成する前に、単
方向繊維のプリプレグ及び補強プリプレグを形成するこ
とができる。本発明に使用するに適した代表的な熱可塑
性材料としては、ポリエーテルイミド樹脂、アクリル樹
脂、ポリスルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン
樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙
げられる。また、単方向繊維のプリプレグのマトリック
スとして、補強プリプレグに使用されたものと同じ樹脂
を用いる必要はないことは、重要である。いずれにして
も、マトリックス材料は、完成されたハニカム構造の所
望の物理的な特性、製造上の考慮事項、及び、コストの
制約を含む多くのファクタに基づいて、最終的に決定さ
れる。

本発明によれば、上述の低熱伝導性のハニカム構造
は、単方向繊維のプリプレグの形態の高熱伝導性の繊維
を共コルゲーションすることにより、高熱伝導性のハニ
カム構造に転化される。そのような単方向繊維のプリプ
レグは、テープの形態であるのが好ましい。多くの材料
を用いて熱伝導性の繊維を製造することができ、そのよ
うな熱伝導性の繊維は、次に、熱可塑性樹脂又は熱硬化
性樹脂の中に単方向に埋め込まれて、所望のプリプレグ
を形成する。コストに関する考慮事項、及び、製造上の
問題から、本発明に使用される特に好ましい熱伝導性の
繊維は、ピッチ系の炭素繊維である。しかしながら、炭
素繊維のプリプレグに加えて、熱伝導性のホウ素、ガラ
ス、石英又はサファイアの繊維を含む、単方向繊維のプ
リプレグも、本発明に適する。

そのような熱伝導性の繊維は総て、非熱伝導性の補強
材よりも、実質的に高い伝熱特性を有している。例え
ば、商業的に入手可能なピッチ系の炭素繊維は、高い熱
伝導率を有しており、その値は一般的に、200ワット/m
゜K乃至約1,200ワット/m゜Kである。そのような繊維
は、AMOCOによってTHORNEL カーボンファイバの商品名
で製造されているものを含む。一般的に、個々のピッチ
系の炭素繊維は、約10μｍ程度の直径を有しており、望
ましい伝熱量に応じて、１インチ（2.54cm）当たり数個
の繊維から１インチ（2.54cm）当たり数百個の繊維の範
囲で、単方向性プリプレグの中に含めることができる。
P120として特定されるピッチ系の繊維が好ましく、ま
た、P75繊維も許容できる。本発明に使用することので
きる他の高張力高熱伝導性のピッチ系繊維は、K1100、K
950、K650等として特定されるものを含む。単方向性の
テープの形態であるのが好ましいピッチ系炭素繊維を、
約１重量％から約90重量％の範囲の量でハニカム構造の
中に含めて、本発明のハニカム構造に高い熱伝導率を与
えることができる。

種々の材料を用いることに加えて、本発明の範囲内
で、繊維の相対的な配向を変えることもできる。より詳
細に言えば、完成されたハニカム構造に所望の伝熱性及
び機械的な性質を与えるように、共コルゲーションの前
に、補強プリプレグ及び単方向繊維のプリプレグを配向
させることができる。同様に、いずれかのタイプのプリ
プレグ材料から成る数枚のプライを用いて、共コレゲー
ションされたアセンプリを形成する場合には、そのよう
なプライは、繊維が互いに平行に伸長するように、ある
いは、片寄るようにして、２以上の構造軸線に沿って、
強度を高めるか又は伝熱性を調整することができる。勿
論、熱伝導性の層の数、又は、補強層の数を単に変える
ことにより、そのような特性を変更することも可能であ
る。同様に、熱伝導性のハニカム構造の性質は、種々の
補強材、マトリックス材料、又は、熱伝導性の繊維の種
々の組み合わせによって、容易に調節することができ
る。

例えば、高熱伝導性の繊維を、ハニカム構造の厚みに
対して実質的に直交するように配向して、ハニカムを横
断する方向の熱伝達を効率的にすることができる。反対
に、熱伝導性の繊維を、ハニカムの厚み方向に対して実
質的に平行に伸長するように配向し、これにより、その
方向（すなわち、ハニカムのセル壁に対して実質的に平
行な方向）における伝熱性すなわち熱コンダクタンスを
与えることができる。また、完成部品の所望の熱的性質
に応じて、繊維を中間の角度に沿って整合させることも
できることは、当業者には理解されよう。より詳細に言
えば、高熱伝導性の繊維を、ハニカム構造の厚みに対し
て角度をなして伸長するように配向し、これにより、平
行な方向及び横断する方向の両方の方向において、伝熱
性を調整することに加えて、構造強度を増大させること
ができる。

本発明の特に有用な実施例においては、単一の平織物
の補強プリプレグが、その繊維が完成されたハニカムの
厚みに対して約45゜の角度で伸長するように、配向され
る。同時に、共コルゲーションを行う前に、熱伝導性の
単方向繊維を有するプリプレグテープから成る単一の層
を、繊維が完成部品の厚みに対して平行に伸長するよう
に、配置する。熱伝導性の繊維のそのような配向は、そ
のような構造を通る熱伝達を非常に効率的にし、一方、
補強繊維の中の繊維の角度が、ハニカムの重量に関する
剪断強度を極めて大きくする。より詳細に言えば、上記
構造は、１つのハニカム面から他のハニカム面までの経
路長さが極めて短く、従って、構造体を横断する熱消散
が極めて大きくなるように配向された、高熱伝導性の繊
維を有するハニカムウエブを提供する。

次に、図面を参照すると、図１は、本発明の教示に従
って熱伝導性の波形積層シートを形成するためのローラ
ダイを示している。熱伝導性の単方向性プリプレグテー
プが、織物補強プリプレグのロール４と共に、ロール２
に設けられている。熱伝導性の単方向性繊維３が、上記
テープの長さに対して直交するように配向されている。
熱伝導性の繊維を織物補強材の中に直接編み込むものと
は異なり、単方向性のテープを用いることにより、熱伝
導性の繊維の破断しない状態が製造プロセス全体を通じ
てほぼ維持される。上述のように、織物補強プリプレグ
は、熱可塑性又は熱硬化性の材料と、多数の織物補強材
の適宜な１つとを含むことができる。織物で補強された
プリプレグ６のシートは、当業界で周知のローラ（図示
せず）又は他の技術を用いて、ロール４から引き出され
て、熱伝導性の単方向性テープ８のシートに接触され
て、複合されたシートを形成する。熱伝導性の単方向性
繊維は、複合されたシートの長さに対して直交する方向
に配向されたままである。

補強されたプリプレグ材料、及び、熱伝導性の単方向
性テープから成る複合されたシートは、次に、一対のコ
ルゲーションローラ10の間に通される。これらコルゲー
ションローラは、かみ合う歯12を有しており、これらの
歯は、圧力を与えて、所望のパターンを示す波形積層シ
ートを形成する。プリプレグに熱可塑性材料を用いる場
合には、ローラ10は、複合されたシートを成形しなが
ら、樹脂を軟化させるように、加熱することができる。
熱可塑性樹脂又は熱硬化性材料のいずれを用いる場合で
も、コルゲーションローラ10によって与えられる圧力
は、熱伝導性の単方向性プリプレグテープ８が補強され
たプリプレグ６にしっかりと取り付けられるようにす
る。図示の例においては、波形シート18は、交互に繰り
返される谷部14及び山部16から成る実質的に正弦波状の
パターンを示している。コルゲーションローラ10を出る
と、波形シート18は、その寸法を計って所望の寸法に切
断することができる。

上述のように、多数の波形積層シート18が取り付けら
れて、図２に示す波形パネル20を形成する。より詳細に
言えば、波形積層シート18は、下方の層の山部16がその
直ぐ上のシートの谷部14に接触した状態で、積み重ねら
れる。次に、谷部及び山部を接着剤によって互いに接合
する（熱可塑性樹脂のプリプレグを用いる場合には、融
解接合により接合する）。同様に、熱硬化性樹脂を用い
る場合には、上記接合は、形成されたシートを接触させ
た状態で完全に硬化させることにより、行うことができ
る。

ハニカム構造の基本的なセル形状としては、六角形、
過膨張、おび、フレックスコアが挙げられる。六角形
は、最も一般的なタイプであり、従って、本発明の特徴
を示すために使用される基本的な形態である。しかしな
がら、ハニカム構造を円筒形の形状又は複雑な曲線に形
成する場合には、過膨張及びフレックスコアの如き他の
形態が使用される。本発明の共コルゲーションプロセス
を用いて、「補強コア」又は「チューブコア」の如き更
に別のハニカムの形態も製造することができる。従っ
て、本明細書に開示する共コルゲーションプロセスを用
いて製造することのできるどのようなハニカムセル構造
も、本発明の範囲内に入るものと考えられる。

図２は、代表的な波形パネル20を示しており、この波
形パネルは、積層シート18の波状部によって形成される
壁部24を有する、複数の六角形のハニカムセル22を備え
ている。このハニカム構造20は、ハニカムセル22を横断
する方向に伸長する長さ方向（図２にＬで示されてい
る）を有している。このハニカム構造は、また、ハニカ
ムセル22に対して平行に伸長する厚み方向（図２にＴで
示されている）を有している。この例においては、図２
のセル22は、六角形であって、６つのセル壁24によって
形成されている。しかしながら、そのようなセルの形状
は、所望の物理的性質を有する適宜なセル構造を製造す
るように変更することのできる波形パターンによって決
定されることは、当業者には理解されよう。

図２は、また、ハニカムセル22のセル壁24の中に含ま
れる、熱伝導性の単方向性繊維３を示している。本発明
によれば、複数の熱伝導性の繊維が、樹脂マトリックス
の中に実質的に含浸されていて、厚み方向Ｔに伸長して
いる。ハニカム構造の厚みに対して実質的に平行な熱伝
導性の繊維３の配向すなわち向きは、Ｔ軸線に沿ってハ
ニカム構造を通る熱伝導性を増大させている。

図３は、本発明の教示に従って製造されたハニカム構
造30の代表的な好ましい実施例の極く一部を示してい
る。図３においては、ハニカム構造30は、２つの完全な
ハニカムセル32、34と、その構造を示すために切断され
た幾つかのセルの一部とを含んでいる。周知のように、
ハニカム構造は、一般的に、そのような相互に接続され
たハニカムセルを数百個又は数千個備えている。図示の
便宜上、２つの完全なセルだけを示しているが、一般的
にハニカム構造を形成する相互に接続されたハニカムセ
ルの残りが図示されていないことを理解する必要があ
る。

図３においては、ハニカムセル32、34は、相互に接続
された複数のセル壁36から形成されている。そのような
相互に接続されたセル壁は、本発明の教示に従って、補
強された非金属プリプレグと、熱伝導性の単方向性プリ
プレグとを用いて形成されている。図２と同様に、ハニ
カム構造30は、相互に接続されたセル32、34を横断する
向きの、長さ方向（図３にＬで示されている）を有して
いる。ハニカム構造30は、相互に接続されたセル32、34
に対して実質的に平行な、厚み（図３にＴで示されてい
る）も有している。

図３は、また、ハニカム構造30の相互に接続されたセ
ル壁36に含まれた、高熱伝導性の繊維38の単方向性のパ
ターンも示している。この代表的な実施例においては、
図２に示す実施例と同様に、熱伝導性の繊維38は、ハニ
カム構造の厚みに対して平行な方向に配向されている。
従って、図３に示すハニカム構造は、Ｔ軸線に沿ってハ
ニカムを通る熱コンダクタンスを増大させることにな
る。

熱伝導性の単方向性プリプレグを用いてセル32、34を
形成する際には、熱伝導性の繊維38は、各々のハニカム
セル壁36の中で均一に分布され、これにより、最適な熱
分散が可能となる。従って、熱伝達の速度は、セル壁36
当たりに含まれる熱伝導性の繊維の数、使用される熱伝
導性の繊維のタイプ、及び、繊維の連続性に大きく依存
する。しかしながら、熱伝導性の繊維は、一般的に、本
発明の共コルゲーションプロセスの間に、破断しない状
態で維持されるので、熱伝達の量は、予測可能であり、
単方向繊維のプリプレグに使用される繊維のタイプ及び
量を単に変えることによって、容易に調節される。

他の好ましいハニカム構造が、図４に示されている。
図３と同様に、かなり大きなハニカム構造の幾つかのセ
ル42、44、46、48だけが示されており、長さ方向は、相
互に接続されたセルを横断する方向（図４にＬで示され
ている）である。このハニカム構造40は、相互に接続さ
れたセルに対して実質的に平行な厚み（図４にＴで示さ
れている）も有している。より詳細に言えば、ハニカム
構造40は、図３に示す非金属ハニカム構造30と実質的に
同じであるが、熱伝導性の単方向性繊維52が、ハニカム
構造40の厚みに対して直交する方向に配向されている点
が異なっている。この実施例においては、ハニカム構造
40を通る熱伝達は、Ｌ軸線、すなわち、セル42、44、4
6、48に対して直交する軸線に沿って、最適化されるこ
とになる。この方向における熱伝導性の繊維の経路は、
その構造の厚みに対して平行な経路ほどに直進的ではな
いが、そのような繊維の熱的な特性は、依然として、Ｌ
軸線に沿う熱伝達を効率的にする。

図２、図３及び図４に示す構造から明らかなように、
本発明は、ハニカム構造の厚みに対して平行な方向、又
は、直交する方向に、ハニカム構造を通る熱コンダクタ
ンスを制御する機能を提供する。また、熱伝導性の単方
向性繊維は、平行な方向と直交する方向との間の別個の
角度に配向することができる。例えば、ある好ましい実
施例は、ハニカム構造の厚みに対してプラス又はマイナ
スの45゜の角度で配向される熱伝導性の繊維をもたら
す。他の好ましい実施例は、厚みに対して30゜から60゜
の範囲の角度で配向された熱伝導性の単方向性繊維を含
み、これにより、機械的な強度及び伝熱特性の種々の異
なる組み合わせを、ハニカムに与える。いずれにして
も、その結果生じたハニカム構造を通る熱伝導性は、熱
伝導性の単方向性繊維の配向を変えることにより、共コ
ルゲーションプロセスの間に容易に調節される。

上述のように、本発明の波形積層シートを製造するた
めに使用されるプライの数を変えることにより、ハニカ
ム構造の物理的及び熱的な性質を変えることも可能であ
る。補強プリプレグの２以上のプライを組み合わせて、
熱伝導性の単方向性プリプレグの１又はそれ以上のプラ
イと共コルゲーションすることができる。これは、波形
積層シートを形成する前に、任意の組み合わせ又は順序
で複数のプライを重ねて積層することにより、共コルゲ
ーション製造プロセスの間に、容易に実行される。ま
た、種々のプライを種々の角度で配向して、強度を高め
るか、あるいは、特定の熱コンダクタンスのパターンを
発生することができる。その結果生ずるハニカム構造
は、若干重たいが、強度が大きく、熱分布をより微妙に
調節することができる。

本発明の波形積層シートの２つの好ましい形態が、図
５及び図６に示されている。より詳細に言えば、図５
は、ハニカムセル壁に相当する積層構造60の断面図であ
り、この積層構造は、補強プリプレグの単一のプライ、
及び、熱伝導性の単方向性テープの単一のプライを用い
て形成されている。この代表的な実施例においては、補
強材料62は、樹脂マトリックスの中である程度まで均一
に含浸されている熱伝導性の単方向性繊維64に隣接して
いる。そのような形態は、図１に示す共コルゲーション
プロセスを用いて製造することができる。一方、図６
は、複数の補強プリプレグ層を有する本発明の好ましい
実施例の断面図を示している。より詳細に言えば、これ
もハニカムセル壁に相当する積層構造70の断面は、積層
シートを共コルゲーションする前に、補強プリプレグの
２つのプライの間にサンドイッチ状に挟まれた、熱伝導
性の単方向性プリプレグの１つのプライを用いて、形成
されている。積層構造70は、上側補強プライ72と下側補
強プライ76とを備えており、これら上側補強プライ及び
下側補強プライは、複数の熱伝導性の単方向性繊維74を
包囲している。

下の非限定的な実施例を考慮することにより、本発明
を更に理解することができる。

実施例１図２に示す六角形のセル形態を有するハニカム構造
は、図１に示す共コルゲーションプロセスを用いて製造
されている。補強材料、及び、熱伝導性の繊維は、表１
に示す仕様を有している。表１補強材料の仕様値繊維のタイプ縦糸 T300 1K 横糸 T300 1K 織物の構造平織りヤーンカウント縦糸（１インチ当たり） 16 横糸（１インチ当たり） 16 織物の面積重量（計算値） G/M² 85 OZ/YD² 2.5 樹脂系 F175（ポリイミド）単方向性のテープ値繊維のタイプ P120 カウント（１インチ当たり） 8.5 テープ面積重量（計算値） G/M² 110 樹脂系 F584（エポキシ）繊維濃度 65wt−％ T300ポリアクリルニトリル系の炭素繊維は、東レ（To
ray）から入手され、平織りの織物に織られた。その結
果生じた織物は、当業界で周知の技術を用いて、35wt−
％のF175ポリイミド樹脂によって、含浸された。同様
に、P120ピッチ系炭素繊維は、AMOCOから入手され、通
常の技術を用いて、F584エポキシ樹脂を有するプリプレ
グテープの中に単方向に含浸された。上記単方向性のプ
リプレグテープは、１インチ当たりの繊維が約8.5であ
るファイバカウントを有しており、完成された構造にお
ける熱伝導性の繊維の濃度を36.7wt％とした。２つのプ
リプレグを部分的に硬化させ、次に、商業的に入手可能
な装置を用いて共コルゲーションを行って、図１に示す
ように波形積層シートを形成した。次に、接触面に接着
剤を塗布した後に、そのような波形積層シートを整合さ
せ、樹脂を完全に硬化させることにより接合して、図２
に示すようなハニカム構造を製造した。その結果生じた
ハニカム構造は、熱伝導性の繊維を用いずに製造された
ハニカム構造に比較して、十分に高い厚み方向の熱伝導
率を有していた。また、２つのハニカム構造の強度は、
実質的に等しかった。

本発明は、その精神又は中心的な属性から逸脱するこ
となく、他の特定の形態で実施することができること
は、当業者には理解されよう。本発明に関する上述の記
載は、本発明の代表的な実施例を開示しているだけであ
って、本発明の範囲内で他の変形例を考えることができ
ることを理解する必要がある。従って、本発明は、本明
細書に詳細に説明した特定の実施例に限定されるもので
はない。そうではなく、本発明の範囲及び内容を確定す
るためには、添付の請求の範囲を参照すべきである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高熱伝導性の非金属ハニカム構造であっ
て、相互に接続された複数の壁部であって、これら壁部を横
断する方向に伸長する長さ方向、及び、前記壁部に対し
て平行に伸長する厚み方向を有する、相互に接続された
複数のハニカムセルを形成している、複数の壁部と、低熱伝導率を有する複数の非金属繊維、及び、前記低熱
伝導率の繊維がその中に含浸される樹脂マトリックスを
含んでいる、低熱伝導率を有する少なくとも１つの補強
層と、高熱伝導率を有する複数の非金属繊維、及び、前記高熱
伝導率の繊維がその中に含浸される樹脂マトリックスを
含んでいる、少なくとも１つの熱伝導層とを備えてお
り、前記高熱伝導率の繊維が、前記熱伝導層の中で、当
該ハニカム構造を通る熱コンダクタンスの方向が調節さ
れるように、配向されていることを特徴とする、高熱伝
導性の非金属ハニカム構造。
【請求項２】前記高熱伝導率の繊維が、単方向に配向さ
れていることを特徴とする、請求項１記載の高熱伝導性
の非金属ハニカム構造。
【請求項３】前記高熱伝導率の繊維が、前記ハニカム壁
部の前記厚み方向に対して平行な方向において、単方向
に配向されていることを特徴とする、請求項１記載の高
熱伝導性の非金属ハニカム構造。
【請求項４】前記高熱伝導率の繊維が、前記ハニカム壁
部の前記長さ方向に対して平行な方向において、単方向
に配向されていることを特徴とする、請求項１記載の高
熱伝導性の非金属ハニカム構造。
【請求項５】前記壁部は、２つの補強層の間に位置す
る、熱伝導層を含んでいることを特徴とする、請求項１
記載の高熱伝導性の非金属ハニカム構造。
【請求項６】前記補強層の中の前記低熱伝導率の非金属
繊維が、ガラス繊維、セラミック繊維、及び、ポリアク
リロニトリル系炭素繊維から成る群から選択されること
を特徴とする、請求項１記載の高熱伝導性の非金属ハニ
カム構造。
【請求項７】前記熱伝導層の中の前記高熱伝導率の非金
属繊維が、ピッチ系炭素繊維から成る群から選択される
ことを特徴とする、請求項１記載の高熱伝導性の非金属
ハニカム構造。
【請求項８】互いに接続されて複数の相互に接続された
ハニカムセルを形成する複数の壁部を含み、前記ハニカ
ムセルが、前記壁部を横断する方向に伸長する長さ方向
と、前記壁部に対して平行に伸長する厚み方向とを有し
ている、高熱伝導性の非金属ハニカム構造を形成するた
めに使用される壁部を製造するための方法であって、前
記壁部は、低熱伝導率を有する複数の非金属繊維と、前記低熱伝導
率の繊維がその中に含浸される樹脂マトリックスとを含
む、低熱伝導率を有する少なくとも１つの補強層を準備
する工程と、高熱伝導率を有する複数の非金属繊維と、該高熱伝導率
の繊維がその中に含浸される樹脂マトリックスとを含
む、熱伝導層であって、前記高熱伝導率の繊維が、前記
ハニカム構造を通る熱コンダクタンスの方向が調節され
るように、前記熱伝導層の中で配向されている、少なく
とも１つの熱伝導層を準備する工程と、前記少なくとも１つの補強層を前記少なくとも１つの熱
伝導層と組み合わせて、前記壁部を形成する工程とから
製造されることを特徴とする、高熱伝導性の非金属ハニ
カム構造を形成する際に使用される壁部を製造するため
の方法。
【請求項９】前記補強層と熱伝導層を組み合わせる前記
工程が、形成された前記壁部を、実質的に正弦波状の断
面を有する波形の壁部に成形する工程を含むことを特徴
とする、請求項８記載の高熱伝導性の非金属ハニカム構
造を形成する際に使用される壁部を製造するための方
法。
【請求項１０】複数の前記壁部を互いに組み合わせて、
前記ハニカム構造を形成する相互に接続された複数の壁
部を形成する工程を更に備えることを特徴とする、請求
項８記載の高熱伝導性の非金属ハニカム構造を形成する
際に使用される壁部を製造するための方法。
【請求項１１】前記複数の波形の壁部を互いに組み合わ
せて、前記ハニカム構造を形成する相互に接続された複
数の波形の壁部を形成する工程を更に備えることを特徴
とする、請求項９記載の高熱伝導性の非金属ハニカム構
造を形成する際に使用される壁部を製造するための方
法。
【請求項１２】前記高熱伝導率の繊維が、単方向に配向
されることを特徴とする、請求項８記載の高熱伝導性の
非金属ハニカム構造を形成する際に使用される壁部を製
造するための方法。
【請求項１３】前記高熱伝導率の繊維が、前記ハニカム
構造の前記厚み方向に対して平行な方向において、単方
向に配向されることを特徴とする、請求項10記載の高熱
伝導性の非金属ハニカム構造を形成する際に使用される
壁部を製造するための方法。
【請求項１４】前記高熱伝導率の繊維が、前記ハニカム
構造の前記長さ方向に対して平行な方向において、単方
向に配向されることを特徴とする、請求項10記載の高熱
伝導性の非金属ハニカム構造を形成する際に使用される
壁部を製造するための方法。
【請求項１５】前記補強層及び熱伝導層が組み合わされ
て、２つの補強層の間に位置する熱伝導層を含む壁部を
形成することを特徴とする、請求項８記載の高熱伝導性
の非金属ハニカム構造を形成する際に使用される壁部を
製造するための方法。
【請求項１６】前記補強層の中の前記低熱伝導率の非金
属繊維が、ガラス繊維、セラミック繊維、及び、ポリア
クリロニトリル系炭素繊維から成る群から選択されるこ
とを特徴とする、請求項８記載の高熱伝導性の非金属ハ
ニカム構造を形成する際に使用される壁部を製造するた
めの方法。
【請求項１７】前記熱伝導層の中の前記高熱伝導率の非
金属繊維が、ピッチ系炭素繊維から成る群から選択され
ることを特徴とする、請求項８記載の高熱伝導性の非金
属ハニカム構造を形成する際に使用される壁部を製造す
るための方法。