JP2935569B2 - 高熱伝導率非金属ハニカム - Google Patents

高熱伝導率非金属ハニカム

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明は一般に、構造体を通しての高い熱伝導率が必
要である状態に用いるための非金属ハニカム構造体に関
する。さらに詳しくは、本発明はハニカム構造体中に高
伝導性ピッチ系炭素繊維を含めることによる、複合材料
製の非金属ハニカムの熱伝導率の改良に関する。
2.関連技術の説明 ハニカム構造体は周知であり、高強度の軽量物質が必
要である多くの用途に広く用いられている。ハニカム構
造体に見られる軽量と強度との特徴の組合せはハニカム
構造体を航空機への使用に特に良好に適したものにす
る。ハニカム構造体は例えばアルミニウムのような金属
を含めた、広範囲な材料から製造されている。樹脂を含
浸させた繊維及び紙から製造された複合材料もハニカム
構造体に広く用いられている。これらの物質はそれらの
軽量、高強度及び剛性のために航空機への使用に特に良
好に適している。軽量と高強度との他に、非金属ハニカ
ム構造体は航空機構造体に用いられる良好な絶縁体であ
り、それらの絶縁性が航空機構造体に有益である。
非金属ハニカムの絶縁性が多くの場合に望ましいが、
高い熱伝導率を有する高強度の軽量材料が望ましい状況
が存在する。例えば、ジェット航空機エンジンは、構造
体の温度負荷を許容できるレベルに維持するために、エ
ンジン構造体を通しての高い熱伝導率を必要とする。従
って、高温コアから外部エンジン室までのエンジン構造
体は、極度に高強度で軽量であると同時に、高い熱伝導
率を有さなければならない。
アルミニウム製のハニカム構造体は強力であり、必要
な熱負荷を高温コアから外部エンジン室まで伝達するた
めに充分な熱伝導率を有する。しかし、アルミニウムは
腐食問題を受けやすい。種々なガラス繊維強化複合ハニ
カム構造体及びポリアクリロニトリル（PAN）系炭素繊
維強化複合材料がジェット航空機エンジンにおけるアル
ミニウムハニカム構造体の有力な代用品として提案され
ている。しかし、このような非金属ハニカム構造体はそ
れらの不良な熱伝導率のために適切ではない。
上記を考慮すると、高い熱伝達負荷が存在する用途に
このような構造体が使用可能であるように、大きい熱伝
導率を有する非金属ハニカム構造体が望ましい。さら
に、構造強度と軽量との望ましい特徴を維持する、この
ような高い熱伝導率の非金属ハニカム構造体を提供する
ことが望ましい。
発明の概要 本発明によると、軽量、高強度であり、かつ高度の熱
伝導率を示す非金属ハニカム構造体を提供する。本発明
は、非金属複合材料中に高伝導性ピッチ系炭素繊維を混
入すると、ハニカム構造体に高レベルの伝導率を与える
ことができるという発見に基づく。
本発明によると、複数の連続壁を含み、この壁に対し
て横断方向に伸びる長さ方向と、この壁に対して平行に
伸びる厚さ方向とを有する複数の連続ハニカムセルが画
定される高熱伝導率非金属ハニカム構造体を提供する。
ハニカム壁は低い熱伝導率を有する複数の非金属繊維を
高い熱伝導率を有する複数の非金属繊維と組み合せて含
む。これらの繊維を樹脂マトリックス中に含浸させる。
本発明の一態様として、高熱伝導率繊維をハニカム構
造体の実質的に長さ方向に伸びるように配向させて、ハ
ニカムを横切る方向の熱伝達を生じさせることができ
る。本発明の他の態様として、高熱伝導率繊維をハニカ
ムの実質的に厚さ方向に伸びるように配向させて、厚さ
方向に、すなわちハニカムの長さに対して垂直に、熱伝
達又は伝導性を生じさせることができる。
本発明の他の態様として、高熱伝導率繊維をハニカム
構造体の長さ方向に対してある角度をなして伸びるよう
に配向させて、厚さと長さ両方向における熱伝達の制御
の他に、構造体に追加の構造強度を与えることができ
る。
非金属ハニカム構造体の伝導率を高めるためのピッチ
系炭素繊維の使用は、高度の伝導率を有する、高強度、
軽量のハニカム構造体を形成し、これらの３種類の性質
を必要とする多様な用途にハニカム構造体を良好に適す
るものとする。
本発明の上記その他の多くの態様及び付随する利点
は、下記の詳細な説明を添付図面に関連づけて参照する
ことによって、さらに良く理解されるであろう。
図面の簡単な説明 図１は、高熱伝導率を有するピッチ系炭素繊維をハニ
カム構造体の厚さ方向に配向させて、厚さ方向における
ハニカムを通る大きい熱伝達を生じさせる、本発明によ
る好ましい、典型的な非金属ハニカム構造体を示す。
図２は、図１に示したハニカム構造体の一部の詳細図
である。
図３は、高熱伝導率を有するピッチ系炭素繊維をハニ
カム構造体の長さ方向に配向させて、長さ方向における
ハニカム構造体を通る大きい熱伝達を生じさせる、本発
明による好ましい、典型的な第２実施態様を示す。
図４は、図３に示したハニカムの一部の詳細図であ
る。
図５は、高熱伝導率を有するピッチ系炭素繊維を長さ
方向に対して＋45゜又は−45゜の角度に配置させて、高
い構造強度と、ハニカム構造体を通る大きい多方向性熱
伝達を生じさせる、本発明による好ましい、典型的な第
３実施態様を示す。
図６は、図５に示したハニカムの一部の詳細図であ
る。
図７は、図１に示したハニカム構造体と類似の、好ま
しい、典型的な第４実施態様を示すが、ハニカム波形の
間に強化用フラットシートを挿入している点で異なる。
好ましい実施態様の説明 本発明は、非金属ハニカム構造体中にピッチ系炭素繊
維を混入すると、このようなハニカム構造体の熱伝導率
を高めることができるという発見に関係する。さらに、
ピッチ系炭素繊維を特定方向に配向させることによって
ハルカニ構造体を通る熱伝導性又は熱伝達を制御し、方
向づけることができることが判明した。
本発明は、多くの種々な用途に用いられる非金属ハニ
カム構造体の熱伝導率を高めるために広範囲に用いられ
る。本発明は、高温コアから外部エンジン室までの熱伝
達が望ましく、高強度で軽量の構造体が望ましいジェッ
ト航空機エンジンに用いるために特に良好に適する。本
発明はこのような航空機タイプの用途に特に良好に適す
るが、本発明によって提供される熱伝導率の増加は、強
度、軽量及び大きい熱伝達が要求される多くの状況に用
いられる非金属ハニカム構造体の熱伝導率の上昇と制御
とに有効に用いられることは、当業者によって理解され
るあろう。
本発明は樹脂含浸ポリアクリロニトリル（PAN）系炭
素繊維から製造されるハニカム構造体の熱伝導率を高め
るために特に良好に適する。本発明はまた、例えば樹脂
含浸ガラス繊維、樹脂含浸ポリアミド繊維及び樹脂含浸
セラミック繊維のような、他の非金属ハニカム構造体の
熱伝導率を高め、制御するためにも用いられる。これら
の種類の複合材料に用いられる樹脂は典型的には熱硬化
性又は熱可塑ポリマーである。適当なポリマーの例はフ
ェノール樹脂、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂を含
む。
PAN、ガラス繊維及びセラミック繊維の熱伝導率は典
型的に100ワット/m゜K未満である。この範囲内の熱伝導
率を有する非金属繊維は低い熱伝導率を有すると考えら
れる。これらの繊維を含浸させてハニカム構造体を製造
する樹脂も、得られるハニカム構造体がこの比較的低い
範囲内に入る総熱伝導率を有するような、低い熱伝導率
を有する。
本発明によると、上記低熱伝導率ハニカム構造体をピ
ッチ系炭素繊維を用いて高熱伝導率ハニカム構造体に転
化させる。ピッチ系炭素繊維は典型的に200ワット/m゜K
〜約1200ワット/m゜Kの程度である高い熱伝導率を有す
る。以下で詳述するように、熱伝達方向を必要に応じて
制御することができる高熱伝導率ハニカムを形成するた
めに、ピッチ系炭素繊維を約１重量％〜約90重量％の範
囲内の量でハニカム構造体中に混入することができる。
図１は、好ましい例としてのハニカム構造体の小部分
を符号10で概略的に示す。ハニカム構造体10は３個のハ
ニカム12、14、16を含む。周知のように、ハニカム構造
体は典型的に数百、数千のこのような連続ハニカムセル
を含む。説明のために、３個のセルのみを示すが、ハニ
カム構造体を典型的に構成する連続ハニカムセルの残部
は図示されていないことは理解されるであろう。
ハニカムセル12、14、16は複数の連続壁18によって形
成される。ハニカムセルはハニカム壁18に対して横断方
向に伸び、図１にＬによって示す長さ方向を有する。ハ
ニカムセルはまた、壁18に対して平行に伸び、図１にＴ
によって示す厚さ方向を有する。本発明によると、複数
のピッチ系炭素繊維を、それらが実質的に厚さ方向Ｔに
伸びるように、樹脂マトリックス中に含浸させる。ハニ
カム構造体10中のピッチ系炭素繊維の配向はＴ方向に伸
びる垂直線20によって示す。厚さ方向に実質的に平行な
方向に伸びるピッチ系炭素繊維20の配向は、ハニカム構
造体を通る熱伝導性を高め、Ｔ方向に方向づけられた熱
伝達を生じさせる。
セル壁18の一部を図２に詳細に示す。セル壁18は繊維
層と硬化樹脂とから構成される。繊維層は通常の平織り
パターンで示される非金属繊維22を含む。繊維22は既述
の低伝導率繊維のいずれでもよい。PAN系炭素繊維が好
ましい。PAN系炭素繊維は通常の織り目のいずれでも織
ることができるが、トウあたり約0.5K〜3Kフィラメント
が好ましい。各トウに用いる個々のフィラメントは好ま
しくは約５〜９ミクロンの範囲内の直径を有する。
特定の織り目、フィラメントサイズ及びトウサイズは
ハニカム構造体に必要な構造強度と重量とに依存して広
範囲に変化することができる。樹脂含浸PAN系炭素繊維
からのハニカム構造体の形成は技術上周知である。この
好ましい第１実施態様では、ピッチ系炭素繊維20を低熱
伝導率繊維22に織り合わせて、高熱伝導率ピッチ系炭素
繊維の一方向パターンを形成する。
ピッチ系炭素繊維は商業的に入手可能であるピッチ系
炭素繊維のいずれでもよい。このような繊維は例えばア
モコ（AMOCO）社から商品名トーネル炭素繊維（THORNEL
CARBON FIBER）で入手可能である。ピッチ系炭素繊維
は200ワット/m゜K〜約1200ワット/m゜Kの程度の熱伝導
率を有するべきである。個々のピッチ系炭素繊維は典型
的に約10ミクロン〜約11ミクロンの範囲内の直径を有
し、布に織られたトウはそれぞれ0.5K〜2Kフィラメント
を有する。P120として識別されるピッチ系繊維が好まし
いが、P75繊維も受容される。
PAN系炭素繊維布に織られるピッチ系炭素繊維量は必
要な熱伝導性度に依存して変動する。典型的に約１重量
％〜約90重量％のピッチ系炭素繊維（硬化した複合材料
の総重量を基準とする）が、複合材料の高強度と軽量の
特徴をなおも維持しながら、熱伝導率を実質的に増加さ
せる。
好ましい第２のハニカム構造体を図３において30で示
す。この場合にも、非常に大きいハニカム構造体の中の
３個のセル32、34、36のみを示す。このハニカム構造体
は、ピッチ系炭素繊維がハニカム構造体30の長さ方向に
配向することを除いて、図１と図２に示す非金属ハニカ
ム構造体と基本的に同じてある。ピッチ系炭素繊維の配
向はライン38によって示される。この実施態様では、ハ
ニカム構造体30を通る熱伝達はＬ−方向において最大に
なる。図１と図３に示す構造体から明らかであるよう
に、本発明はハニカム構造体を通る熱伝導性を厚さ方向
又は長さ方向のいずれかで制御する可能性を提供する。
図３のハニカムセル壁40の１つの詳細図を図４に示
す。このセル壁40は、既述したセル壁18と同様に、ポリ
エステル樹脂中に埋封されたPAN系炭素繊維42の織布を
含む。
高熱伝導率ピッチ系炭素繊維38は、ハニカム製造中に
繊維38がハニカム構造体の長さ方向に均一に伸びるよう
に、配向する。必要な場合には、高伝導率ピッチ系炭素
繊維を含む、同じ織物材料を図１又は図３のハニカム構
造体の製造に用いることができる。第１実施態様では、
含浸布層が製造プロセス中に、最終硬化ハニカム構造体
中でピッチ系炭素繊維20が厚さ方向に伸びるように、配
向する。同じピッチ系繊維が図３と図４に示すように長
さ方向に伸びるように、同じ布を製造プロセス中に90゜
回転させることができる。
本発明による好ましい、典型的な第３のハニカム構造
体を図５において50で示す。既述した実施態様と同様
に、３個のハニカムセル52、54、56は数百、数千個のセ
ルを含む総ハニカム構造体を表す小部分にすぎない。ハ
ニカム構造体50は第１及び第２ハニカム実施態様の製造
に用いた、同じ通常の製造方法によって製造される。
この第３のハニカムの実施態様と上述の実施態様との
間の主要な差は、セル壁58の形成に用いた布が長さ方向
Ｌと厚さ方向Ｔに対して＋45゜又は−45゜の角度に配向
するピッチ系炭素繊維を含むことである。ピッチ系繊維
の配向はライン60によって表す。樹脂含浸ハニカム壁の
織り目の詳細図を図６に示す。ポリアクリロニトリル系
炭素繊維の織り目は上述の実施態様と同じである。しか
し、既述したように、種々な非金属低熱伝導率繊維を用
いた多様な織り目が使用可能である。この実施態様で
は、ピッチ系炭素繊維は２方向性織り目に配向して、ハ
ニカム構造体の長さ方向と厚さ方向の両方における熱伝
達を生じさせる。
図５に示したピッチ繊維の＋／−45゜配向が好ましい
配向である。本発明によると、他の＋／−繊維配向角度
が可能である。ハニカム構造体に構造強度と熱伝達性と
の種々な異なる組合せを与えるために、例えば、30゜〜
60゜の範囲内の＋／−角度が可能である。また、ピッチ
系繊維の全てを30゜〜60゜範囲内の＋角度に配向させる
ことができる、又はこの繊維の全てを30゜〜60゜範囲内
の−角度に配向させることができる。種々な量の＋角度
の線と−角度の繊維との混合物を用いて、ハニカム構造
体を通る熱伝達方向をさらに制御することができる。
好ましい、典型的な第４のハニカム構造体を図７にお
いて70で示す。ハニカム70は、ハニカム構造体を形成す
る波形シート間にフラットシート72を挿入すること以外
は、図１に示したハニカム構造体と同じである。フラッ
トシート72はセルの中央を通って伸び、必要な場合に、
付加的な強化と熱伝達を与える。フラットシート70の形
成に用いる布は、ハニカムの壁の形成に用いる非金属複
合材料から選択される。
実施例を以下に述べる。
実施例 １ 図１に示す織り目を含む壁を有するハニカム構造体を
製造した。この布は表１に示す仕様を有した。
T300PAN繊維はトーレ（Toray）から入手した。布に35
重量％ポリアミド樹脂を含浸させ、通常の製造方法によ
って図１に示すハニカム構造体に形成した。得られたハ
ニカム構造体は36重量％のピッチ系炭素繊維（P120）を
含み、P120繊維なしで製造した同じハニカム構造体より
も“T"方向において有意に大きい熱伝導率を有した。P1
20繊維を用いて製造したハニカムの構造強度はP120繊維
なしで製造した同じハニカム構造体の構造強度に等しか
った。
実施例 ２ 図５に示す織り目を含む壁を有するハニカム構造体を
実施例１に用いた同じ布と樹脂とを用いて製造した。得
られたハニカム構造体は、＋及び−45゜に伸びるピッチ
系炭素繊維を混入せずにさ製造した同じハニカム構造体
よりもＴ及びＬ方向において実質的に大きい熱伝導率を
有した。ピッチ系繊維を用いて製造したハニカムの構造
強度はピッチ系繊維なしで製造した同じハニカム構造体
の構造強度に等しかった。
実施例 ３ 図７に示す形状を有するハニカム構造体を実施例１で
用いたのと同じ方法に従って製造した。フラット強化層
の形成に用いた布層（図７における72）は表２に示す仕
様を有した。
ハニカム壁の形成に用いた布は10重量％のP120ピッチ
炭素繊維を有するT300−3K、型式282PANを含有した。得
られたハニカム構造体はピッチ系炭素繊維を混入せずに
製造した同じハニカム構造体よりも有意に大きい熱伝導
率を有した。
以上に本発明の具体的な実施態様を説明したが、開示
の範囲内でこれらの実施態様が例示に過ぎす、種々な他
の代替、調節呼び変更が本発明の範囲内でなされ得るこ
とは、当業者によって認められるであろう。従って、本
発明はここに説明した特定の実施態様に制限されず、下
記の請求の範囲によってのみ限定される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B32B 3/12 F02K 9/34

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】壁に対して横断方向に伸びる長さ方向と、
    この壁に対して平行に伸びる厚さ方向とを有する複数の
    連続ハニカムセルを画定する複数の連続壁を含み、前記
    連続壁が、 低熱伝導率を有する複数の非金属繊維と； 高熱伝導率を有する複数の非金属繊維と； 前記低熱伝導性繊維と前記高熱伝導性繊維とに含浸させ
    て、熱伝導性のハニカム構造体を形成するための樹脂マ
    トリックスと を含む、高熱伝導率非金属ハニカム構造体。
  2. 【請求項２】前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前記
    長さ方向に伸びる、請求項１記載の熱伝導性ハニカム構
    造体。
  3. 【請求項３】前記複数の高熱伝導繊維が実質的に前記厚
    さ方向に伸びる、請求項１記載の熱伝導性ハニカム構造
    体。
  4. 【請求項４】前記複数の高熱伝導率繊維が前記長さ方向
    に対して＋又は−30゜〜60゜の角度をなして伸びる、請
    求項１記載の熱伝導性ハニカム構造体。
  5. 【請求項５】前記高熱伝導率繊維が本質的にピッチ系炭
    素から成る、請求項１記載の熱伝導性ハニカム構造体。
  6. 【請求項６】前記低熱伝導率繊維がポリアクリロニトリ
    ル系炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維及びセラ
    ミック繊維から成る群から選択される、請求項１記載の
    熱伝導性ハニカム構造体。
  7. 【請求項７】前記低熱伝導率繊維が本質的にポリアクリ
    ロニトリル系炭素から成る、請求項５記載の熱伝導性ハ
    ニカム構造体。
  8. 【請求項８】前記ハニカムが約１〜90重量％の前記ピッ
    チ系繊維を含む、請求項７記載の熱伝導性ハニカム構造
    体。
  9. 【請求項９】壁に対して横断方向に伸びる長さ方向と、
    この壁に対して平行に伸びる厚さ方向とを有する複数の
    連続ハニカムセルを画定する複数の連続壁を含み、前記
    セル壁が樹脂マトリックス中で含浸させた複数の低熱伝
    導率非金属繊維を含む非金属ハニカム構造体において、
    前記樹脂マトリックス中に複数の高熱伝導率非金属繊維
    を混入することによって、ハニカム構造体に大きい熱伝
    導率を与える改良を施した、ハニカム構造体。
  10. 【請求項１０】前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前
    記長さ方向に伸びる、請求項９記載の改良熱伝導性ハニ
    カム構造体。
  11. 【請求項１１】前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前
    記厚さ方向に伸びる、請求項９記載の改良熱伝導性ハニ
    カム構造体。
  12. 【請求項１２】前記複数の高熱伝導率繊維が前記長さ方
    向に対して＋又は−45゜の角度をなして伸びる、請求項
    ９記載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
  13. 【請求項１３】前記高熱伝導率繊維が本質的にピッチ系
    炭素からなる、請求項９記載の改良伝導性ハニカム構造
    体。
  14. 【請求項１４】前記低熱伝導率繊維がポリアクリロニト
    リル系炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維及びセ
    ラミック繊維から成る群から成る選択される、請求項９
    記載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
  15. 【請求項１５】前記低熱伝導率繊維が本質的にポリアク
    リロニトリル系炭素からなる、請求項13記載の改良熱伝
    導性ハニカム構造体。
  16. 【請求項１６】前記ハニカムが約１〜90重量％の前記ピ
    ッチ系繊維を含む、請求項15記載の改良熱伝導性ハニカ
    ム構造体。
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