JP4173975B2 - セラミック複合材料で形成したインナー・ライナーを備えた燃焼室及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素含有繊維から成る繊維組織体とセラミック系母相とを含んで成る複合材料で形成した少なくとも１つのライナーを備えた、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室に関する。本発明は更に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法に関する。本発明は、本質的に、ロケットエンジンという特定の技術分野において利用し得るだけでなく、航空機用エンジンの技術分野をはじめとする、その他の技術分野においても利用し得るものであり、また、更にその他の様々な技術分野における、種々の燃焼室や燃焼炉にも利用し得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック系母相を含んで成る複合材料使用して形成した、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室は、既に公知となっている。
【０００３】
例えば、ＤＥ１９８５８１９７には、燃焼室を備えたエンジンが開示されており、その燃焼室においては、インナー・ライナー及び断熱層が、炭素繊維強化炭化ケイ素材料（Ｃ／ＳｉＣ）で形成されている。また、ＤＥ１９７３０６７４には、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室が開示されており、その燃焼室は、インナー・ライナーが、繊維状セラミック材料またはグラファイトを用いて形成されており、アウター・ライナーが、繊維状セラミック材料を用いて形成されている。また、ＤＥ３７３４１００には、航空機用エンジンの燃焼室が開示されており、その燃焼室は、内壁部が、炭化ケイ素繊維を編み合わせて製作した多孔性編体材料を用いて形成されており、また外壁部も、炭化ケイ素繊維を編み合わせて製作した網体材料を用いて形成されている。
【０００４】
これらの、セラミック系母相を含んで成る複合材料を用いて形成した少なくとも１つのライナーを備えた従来の燃焼室の構造には、次のような重大な問題が付随している。その問題とは、在来のＣＭＣ材料（ＣＭＣ＝Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、セラミック系母相を含んで成る複合材料）並びにそれに類似した複合材料は、例えば２Ｄ−Ｃ／ＳｉＣや、２Ｄ−Ｃ／Ｃ（Ｃ／Ｃ＝炭素繊維強化炭素材料）などの材料に典型的に見られるように、２次元構造を採用しており、そのため、特にロケットエンジンの推進方向に発生する剪断応力に対する強度（層間剪断強度−ＩＬＳ）が小さいという問題である。これについては、例えば、米国特許第６１９７４１１号公報などを参照されたい。同米国特許公報には、金属系材料から成る母相を含んで成る複合材料における、その種の２次元構造が示されている。熱負荷のために燃焼室に応力が加わると、その応力によって、ＣＭＣ材料の構造中に層間剥離が発生するおそれがあり、この層間剥離が発生すると、燃焼室が機能不全を起こし、場合によっては燃焼室が動作不能に陥ることもある。
【０００５】
また、ロケットエンジンの燃焼室という特別の用途に関しては、特に発射時に大きく作用する、様々な機械的負荷（振動負荷、曲げ負荷、音響的負荷、等々）を考慮する必要がある。それらの負荷に耐えるためには、それらの負荷が加わるエンジンの構造体部分が十分な強度を備えていなければならないと共に、そのエンジンの構造体部分が十分な弾性変形能力（ないしは可撓性）も併せて備えていなければならない。従来公知のセラミック系材料では、その表面部分が、強度は十分であるものの、伸び特性及び弾性変形能力に乏しいきらいがあった。更に、その表面部分は、気体不透過性を備えていなければならない。しかしながら、気体不透過性を備えた繊維束配合セラミック材料（例えばＣ／ＳｉＣや、Ｃ／Ｃなど）は、従来の製造方法では、極めて高い製造コストを甘受しなければ、製造することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、従来技術に付随していた上述の短所を克服した、例えばロケットエンジンなどに用いる、燃焼室及び燃焼室の製造方法を提供することにある。この目的は、請求項１、請求項１１、それに請求項２６の特徴により達成される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その１つの局面においては、燃焼室を包含するものであり、この燃焼室は、炭素含有繊維から成る繊維組織体とセラミック系母相とを含んで成る複合材料で形成した少なくとも１つのライナーを備えた、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室である。この種の燃焼室は、ロケットエンジンの技術分野において利用し得るだけでなく、航空機エンジンの技術分野をはじめとする、その他の技術分野においても利用し得るものであり、また、更にその他の様々な技術分野における、種々の燃焼室や燃焼炉にも利用し得るものである。特に本発明においては、前記繊維組織体が複数の繊維層で構成されており、それら複数の繊維層が３次元構造を形成している。これによって、繊維ないし繊維層が２次元構造を取ることがないようにしており、即ち、繊維ないし繊維層を、明確な３次元構造を取るような配置にしてある。また、繊維ないし繊維層どうしを互いに結合するのにも、適切な結合の仕方を用いて、それらが、明確な３次元構造を確実に取り得るようにしている。この構成とすることにより、剪断力に対する複合材料の安定性を格段に向上させることができる。更に、このように繊維を、明確な３次元構造を取るように配置したことによって、複合材料の伝熱度の調節も良好に行えるようになっており、従って伝熱度の最適化が容易となっている。
【０００８】
特に、前記繊維組織体が、第１繊維層、第２繊維層、及び第３繊維層で構成されており、前記第１繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第１方向に延在し、前記第２繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第２方向に延在し、前記第３繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第３方向に延在しており、それら３つの繊維層が、少なくとも部分的に、互いに交錯しているようにするのがよい。更にその場合に、各々の繊維層を、例えば、互いに平行に配設した多数の繊維ないし繊維束で構成し、隣接する繊維ないし繊維束の間に夫々に間隔をあけておき、３次元空間内の別の方向に延在している別の繊維層を形成している繊維ないし繊維束が、それら間隔により画成された夫々の隙間の中を貫通しているような配置とするのがよい。この構成は、異なった繊維層を形成している繊維ないし繊維束どうしを互いに交錯させるための形態の一例である。
【０００９】
また、前記繊維組織体を構成している前記複数の繊維層どうしが、製布技術を用いて互いに結合されているようにしてもよい。更にその場合に、繊維層どうしが、例えば、編み込みや縫い合わせによって、互いに結合されているようにすることができる。
【００１０】
従来の燃焼室は、炭化ケイ素繊維を使用するものが一般的である。しかしながら、そのような燃焼室においては、炭化ケイ素繊維の耐熱温度が約１２００℃程度でしかないということが短所となる。ロケットエンジンの内部温度は、例えば１５００℃、或いはそれ以上にもなるが、そのような高温環境で使用するのに、炭化ケイ素繊維は全く不適当であるか、或いは、少なくとも付加的な防護手段を講じない限り不適当であるといえる。そのため、１５００℃以上の高温の動作温度で使用するためには、繊維組織体を形成する繊維を炭素繊維とするのがよい。
【００１１】
複合材料の具体的な一例を挙げるならば、炭化ケイ素を含有している複合材料とすることが考えられる。また、そうする場合には、繊維組織体にケイ素を反応させることによって、その炭化ケイ素の少なくとも一部を生成するようにしてもよい。
【００１２】
例えばロケットエンジンの燃焼室のように、その燃焼室に大きな負荷が作用する場合や、複合材料で形成したライナーの構造が小さな負荷にしか耐えられない場合には、その複合材料製ライナーが、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーによって囲繞されている構造とするのもよい。そうした場合には、アウター・ライナーが、複合材料製ライナーを支持する支持構造体として機能し、複合材料製ライナーは、インナー・ライナーを構成するものとなる。ロケットエンジンの燃焼室として用いる場合にアウター・ライナーに要求されることになる、十分な可撓性を確保するためには、アウター・ライナーを、金属系材料から成るものとすることが好ましく、例えば、ニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、ニッケル−銅系合金、或いは、適当な鋼材料などを使用するようにしてもよい。
【００１３】
複合材料製インナー・ライナーの材料及び構造と、アウター・ライナーの材料及び構造とは、別々に設計することになるため、結果的に、両者の熱膨張率が大きく異なってしまうこともあり得る。そのような場合には、両者の熱膨張率の差によって大きな応力や亀裂が発生するのを防止するために、前記アウター・ライナーと前記複合材料製ライナーとの間に中間層を設け、該中間層の熱膨張率の値を前記アウター・ライナーの熱膨張率と前記複合材料製ライナーの熱膨張率との間の値にするのがよい。前記中間層を形成する複合材料は、例えば、金属系母相を含んで成る複合材料としてもよく、また、その他の適当な材料を使用してもよい。できるだけ容易に、かつ効率的に熱膨張係数をバランスさせるには、前記金属系母相が、前記アウター・ライナーに含まれている金属系材料と同じ金属系材料を含んでいるようにするのがよい。
【００１４】
本発明は更に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法を包含するものである。特に本発明においては、前記繊維組織体を、複数の繊維層から成る、３次元構造を有する組織体として製作している。これによって、既に説明した、剪断力に対する安定性が向上するという利点と、熱伝導度を容易かつ明確な方法で良好に調節し得るという利点とが得られる。
【００１５】
また特に、前記繊維組織体を、第１繊維層、第２繊維層、及び第３繊維層で製作し、前記第１繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第１方向に延在し、前記第２繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第２方向に延在し、前記第３繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第３方向に延在するようにし、それら３つの繊維層が、少なくとも部分的に、互いに交錯しているようにするのがよい。更にその場合に、各々の繊維層を、例えば、互いに平行に配設した多数の繊維ないし繊維束で構成し、隣接する繊維ないし繊維束の間に夫々に間隔をあけておき、３次元空間内の別の方向に延在している別の繊維層を形成している繊維ないし繊維束が、それら間隔により画成された夫々の隙間の中を貫通しているような配置とするのがよい。この構成は、異なった繊維層を形成している繊維ないし繊維束どうしを互いに交錯させるための形態の一例である。
【００１６】
また特に、前記繊維組織体を構成する前記複数の繊維層どうしを、製布技術を用いて、互いに結合するようにしてもよい。更にその場合に、前記複数の繊維層どうしを、編み込み、及び／または、縫い合わせによって、互いに結合するようにしてもよい。この構成は、繊維ないし繊維束で形成される繊維層どうしを結合するための、特に容易かつ効果的な形態の一例である。
【００１７】
前記繊維組織体の部分に、流路形状の冷却構造を設けるようにしてもよい。かかる冷却構造を製作する方法には様々な方法がある。例えば、前記繊維組織体の表面に、及び／または、前記繊維組織体の内部に、複数の通路形状の間隙を残すようにして、前記複数の繊維層を組合せるようにしてもよい。冷却構造をこのように構成する場合には、前記繊維組織体それ自体によって冷却構造が画成されるため、前記繊維組織体に対して後に更に加工を施す必要がなく、そのような加工によって繊維が損傷することがないという長所が得られる。ただし、先に前記複合材料を完成させてしまい、その後に、前記複合材料の表面に、機械加工によって複数の通路構造部を形成するようにしてもよい。この製造方法の方が、実行が容易である。また更に、例えば、前記繊維組織体を形成する過程において、前記繊維組織体の内部に、複数の通路形状の消滅材を配設するようにしてもよい。配設した消滅材は、前記複合材料を製作する過程において、或いは、それに続く工程において、分解または融解されて除去され、除去されたあとに残る複合材料の内部の空洞が流路を画成する。
【００１８】
前記流路構造に対して更に、密封構造や、荷重伝達のための補強構造を付加するようにしてもよく、特に、前記複合材料の表面のうち少なくとも前記複数の通路構造部が形成されている表面に、金属材料のメッキ層を形成するようにするのがよい。これによって得られる、金属メッキを施した流路構造は、少なくともある種の利用分野においては、その流路に流す冷却媒体の要求条件により良く応え得るものとなる。
【００１９】
前記繊維組織体の表面に流路構造を形成し、それを形成した表面に、別の構造部材を取付ける構成とする場合には、前記繊維組織体の表面の、流路構造を設けるべき位置に、複数の通路形状の消滅材を配設するようにするのがよい。配設した消滅材は、上述の場合と同様に、前記複合材料を製作する過程において、或いは、それに続く工程において、分解または融解されて除去され、除去されたあとに残る複合材料の内部の空洞が流路を画成する。
【００２０】
また特に、ロケットエンジンの燃焼室として用いる場合には、前記複合材料で形成した前記ライナーに、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーを取付けるようにするのがよい。また、その場合には、金属系材料製のアウター・ライナーを取付けるようにするのがよく、その理由は上で述べた通りである。更に、金属材料製のアウター・ライナーを取付けるには、例えば、電気メッキ法、ロウ付け法、または溶接法を用いて取付けるようにするのがよい。
【００２１】
複合材料製インナー・ライナーの材料及び構造と、アウター・ライナーの材料及び構造とは、別々に設計することになるため、結果的に、両者の熱膨張率が大きく異なってしまうこともあり得る。そのような場合には、前記アウター・ライナーと前記複合材料製ライナーとの間に中間層を設け、該中間層の熱膨張率の値を前記アウター・ライナーの熱膨張率と前記複合材料製ライナーの熱膨張率との間の値にするのがよい。かかる中間層を製作する方法の一例は、前記複合材料製ライナーの表面に、金属系母相を含んで成る複合材料から成る中間層を設け、更にその中間層の表面に、金属系材料から成るアウター・ライナーを設けるというものである。
【００２２】
前記中間層の材料として使用することのできる、金属系母相を含んで成る複合材料には、様々な種類のものがある。また、それら複合材料の製造方法のうちには、既に公知となっているものもあり、それについては、例えば米国特許第６，１９７，４１１号公報などを参照されたい。本明細書では、燃焼室のインナー・ライナーとアウター・ライナーとの間に設ける中間層の材料として使用するその種の複合材料を製作するための、改良した製作方法の一例を提示する。その製作方法は、先ず、前記複合材料製ライナーの表面に繊維組織体を設け、続いて、その繊維組織体の表面に金属材料のメッキ層を形成すると共にその繊維組織体に該金属材料を含浸させるというものである。この製作方法によれば、一度の加工工程において、金属系母相を含んで成る複合材料が中間層として形成されると共に、その中間層の上にアウター・ライナーも形成される。また、以上の製作方法において、前記金属材料の前記メッキ層の形成は適宜な方法で行えばよく、例えば、液相メッキ法を用いてもよく、気相メッキ法を用いてもよい。ただし、望ましい方法は、前記金属材料の前記メッキ層の形成を、電気メッキ法を用いて実行するというものである。更に、この製作方法に使用する金属材料には、例えば、ニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、それに、ニッケル−銅系合金などがある。
【００２３】
本発明は更に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用した複合材料でその構造の少なくとも一部分を製作するようにした、例えばロケットエンジンなどの、インナー・ライナーとアウター・ライナーとの間の中間層の製作方法を包含するものである。この製作方法においては、先ず、前記インナー・ライナーの表面に炭素含有繊維から成る繊維組織体を設け、続いて、その繊維組織体の表面に金属材料のメッキ層を形成すると共にその繊維組織体に該金属材料を含浸させるというものである。また、以上の製作方法において、前記金属材料の前記メッキ層の形成は適宜な方法で行えばよく、例えば、液相メッキ法を用いてもよく、気相メッキ法を用いてもよい。ただし、望ましい方法は、前記金属材料の前記メッキ層の形成を、電気メッキ法を用いて実行するというものである。更に、この製作方法において使用する金属材料には、例えば、ニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、それに、ニッケル−銅系合金などがある。
【００２４】
これより、図１〜図３を参照しつつ、具体的な実施の形態について説明して行く。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ここでは、炭素繊維を材料として使用し、例えば編み込みや縫い合わせなどの製布技術を用いて、３次元構造を有する繊維組織体を製作し、続いて、その繊維組織体にケイ素を含浸させて、炭化ケイ素を含んで成る複合材料を形成する。そのような繊維組織体を、図１の（ａ）及び（ｂ）に示した。これらの図には、繊維ないし繊維束１０で形成された複数の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃが示されており、それらのうち、繊維層１ａを形成している繊維ないし繊維束はｙ方向に延在し、繊維層１ｂを形成している繊維ないし繊維束はｘ方向に延在し、繊維層１ｃを形成している繊維ないし繊維束はｚ方向に延在している。従って、複数の繊維層が、３次元空間内の互いに異なった方向に延在しており、換言すれば、それら複数の繊維層を形成している夫々の繊維ないし繊維束１０が、３次元空間内の互いに異なった方向に延在している。更に、多数の繊維ないし繊維束１０が寄り集まって大繊維束１１を形成しており、各々の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃにおいて、隣接する大繊維束１１の間には夫々に間隔をあけてある。また、その間隔の大きさは、ある繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを形成している大繊維束１１の間に画成されている間隙の中を、１本または２本以上の、別の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを形成している大繊維束１１が貫通できるような大きさにしてある。そして、そのように大繊維束１１を交錯させることで、複数の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを、互いに編み込んで結合している。それら繊維層を編み込んで結合した状態を図１の（ｂ）に示した。ただし、繊維層どうしを互いに編み込む代わりに、或いは、繊維層どうしを互いに編み込むことに加えて、それら繊維層１ａ、１ｂ、１ｃどうしを互いに縫い合わせたり、それら繊維層を形成している繊維ないし繊維束１０、或いは、大繊維束１１を縫い込むようにしてもよい。
【００２６】
このように、夫々が３次元空間内の異なった３方向ｘ、ｙ、ｚに延在する繊維ないし繊維束１０で形成されている繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを組合せて、明確な３次元構造を有する繊維組織体としているため、この繊維組織体を使用して製作した複合材料は、確実に大きな剪断強度を備えたものとなる。これに関して、例えばロケットエンジンでは、その推進力のために、燃焼室に大きな剪断力が作用する。従来公知の繊維組織体は、２次元構造を有する繊維組織体であったため、大きな剪断強度を備えておらず、大きな剪断力が作用したときには、いわゆる層間剥離を発生するおそれがあった。明確な３次元構造を有する繊維組織体とすることによって得られる大きな利点の１つは、許容損耗度が増大することである。更に、使用する繊維の種類と母相の相形態とを適宜選定することによって、その繊維組織体を使用して製作する複合材料の機械特性および物理特性（例えば熱伝導度や熱膨張率など）を、個々の要求条件に適合するように調節することも可能である。
【００２７】
この３次元構造を有する繊維組織体を、例えば図２（ａ）に模式図で示したような蒸発冷却式の燃焼室の構造に採用して、この繊維組織体の多孔度を、蒸発冷却に適した適当な値（適当な多孔度の値は１０％〜３０％であり、約２０％とすれば更に望ましい）としたときに、この３次元構造を有する繊維組織体は、２次元構造を有する繊維組織体とは対照的に、十分な結合強度及び十分な許容損耗度を、確実に提供することができ、このことは特に、３次元空間内の様々な方向の荷重を受ける部品の材料として使用する場合に大きな利点となる。
【００２８】
特にロケットエンジンの燃焼室においては、その燃焼室の構造体に多数の冷却通路５ａが組込まれることがある。冷却通路５ａを組込む方法の１つは、燃焼室の構造体の製造過程で流出または分解する消滅材を使用するというものであり、これは、加熱することで融解または熱分解して除去することのできる、いわゆる消滅コア（例えば、プラスチックやワックスで形成したコア）を用いるものである。この方法を採用する場合には、繊維組織体から複合材料を製作する前の段階で、その繊維組織体に複数の消滅材を配設するようにしてもよく、或いは、完成後の複合材料に形成した複数の流路に、夫々に消滅材を嵌装した上で、別部材として製作した蓋部材でそれら流路形状部分を閉塞するようにしてもよい。特に後者の場合、完成した複合材料に流路５ａを形成するには、その複合材料に機械加工（例えばフライス加工）を施して、流路５ａを削設するようにしてもよい。また、流路５ａを形成するための別の方法として、製布技術を用いて（例えば、流路形状の溝形部分が残るように編み込みを行うなどして）、流路を設けるべき箇所に直接形成するという方法もある。
【００２９】
燃焼室を画成しているセラミック系母相を有する複合材料から成るインナー・ライナー４ａと、荷重を担う外側構造体を画成している金属系材料から成るアウター・ライナー８ａとの間に、それらの中間的な材料から成る中間層７ａを設けることによって、結合領域（金属／セラミックス結合領域）に作用する応力を、破壊限度以下に抑えることができる。更に、そのような中間層７ａを設ける場合には、その中間層７ａの熱膨張率の値が、インナー・ライナー４ａの材料の熱膨張率とアウター・ライナー８ａの材料の熱膨張率との間の値になるように、その中間層７ａを形成する（即ち、熱膨張率が次第に変化してゆく構造にする）。また、中間層７ａの材料としては、例えば、ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、金属系母相を含んで成る複合材料）などを使用することができる。ＭＭＣから成る中間層７ａを製作するには、例えば次のような方法を用いればよい。この方法においては、先ず、インナー・ライナーの表面に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を設ける。ここでいう炭素含有繊維とは、例えば炭化ケイ素繊維や炭素繊維などである。また、ここでいう炭素組織体は、例えば、インナー・ライナーの繊維組織体と同様に、編み込みや縫い合わせによって形成した繊維組織体であってもよく、或いは、長繊維または単繊維をフリース状またはフェルト状にして形成した繊維組織体であってもよい。この方法においては、続いて、その繊維組織体に対して、電気メッキ方を用いて加工を施し、その繊維組織体に、例えばニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、或いはニッケル−銅系合金などの金属材料を含浸させると、それと同時に、その繊維組織体の表面に電気メッキによって、その金属材料のメッキ層が形成され、そのメッキ層によってアウター・ライナー８ａが形成される。また、以上とは別の方法として、炭素含有粒子材料を用いてＭＭＣだけを形成するようにしてもよい。また、その他の従来公知の方法を用いてＭＭＣを形成するようにしてもよい。それらの方法によって、ＭＭＣだけを形成した場合には、それに続いて、例えば反応性ロウを用いたロウ付け法や、電気めっき法などにより、金属系材料から成る外側構造体８ａを接合すればよい。
【００３０】
これより、本発明に係る製造方法の幾つかの具体例について説明する。
【００３１】
具体例Ａ（これは、再生冷却方式のエンジンの燃焼室を製造する場合であり、図２の（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する）
１．複数の繊維層を組合せた、２次元構造を有する繊維組織体１ａ、１ｂを製作する。これは、例えば、繊維ないし繊維束１０を絡み合わせて熱硬化性樹脂を含浸させたり、編み込んだりするなどして行う。
２．更に、第３の繊維層１ｃを組み合わせる。これは、製布技術（括る、縫い合わせる、編み込む、等々）を用いて行う。
３．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）樹脂を含浸させた場合には、硬化処理を施して形状を安定させる（ＣＦＫ状態にする）。
４．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）燃焼室に作用する応力を低減するために、燃焼室の構造体にセグメンテーションを施す（即ち、すり割り溝３ａを削設する）。
５．多次元構造を有する繊維組織体に対して熱分解／炭化処理を施す。このとき、熱分解／炭化処理の直後にケイ素充填処理を施すという手順を反復することで、稠密なＣ／ＳｉＣ構造ないしＣ／Ｃ構造４ａを形成する（この方法は、基本的に従来公知の方法である）。
６．冷却通路５ａを形成する。これは、完成した複合材料に対して機械加工を施して形成してもよく、また、繊維組織体を形成する際に製布技術を用いて形成してもよく、また、複合材料の完成前に消滅材を組込むことによって形成してもよい。
７．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）冷却通路５ａの表面に金属材料のメッキ層６ａを「コーティング」して、エンジン運転時に冷却通路を流れる冷却媒体に対する耐圧性及び密閉性を高める。
８．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）金属材料のメッキ層をコーティングした冷却通路の表面に、フライス加工による仕上げ加工を施す。
９．（本項のステップは、後に第１１項において電気メッキを実行する場合のみ実行する）冷却通路５ａの中に消滅材を嵌装する（この消滅材は、例えば導電性ワックスなどで形成したものである）。
１０．金属系材料（例えばＭＭＣ）から成る中間層７ａを設ける。この中間層７ａの金属系材料は、その熱膨張率が、インナー・ライナー４ａの材料（セラミック系複合材料）の熱膨張率とアウター・ライナー８ａの材料（金属系材料）の熱膨張率との間の所定の値を有するものである。
１１．金属材料製のアウター・ライナー８ａを設ける。これは、その金属材料が例えばニッケルである場合には、電気メッキ法を用いて行い、また、その金属材料が例えばインコネル７１８合金（これはニッケル系合金である）である場合には、反応ロウ付け法を用いて行う。
１２．（本項のステップは、上の第１１項で電気メッキ法を用いるようにした場合のみ実行する）消滅材を除去する。これは、ワックスを融解して流出させるなどして行う。
【００３２】
具体例Ｂ（これは、蒸発冷却方式のエンジンであるため、その燃焼室の構造体が多孔性である場合であり、これも図２のａ及びｂを参照して説明する）
１．複数の繊維層を組合せた、２次元構造を有する繊維組織体１ａ、１ｂを製作する（具体例Ａと同様である）。これは、例えば、繊維ないし繊維束１０を絡み合わせて熱硬化性樹脂を含浸させたり、編み込んだりするなどして行い、またその際に、同時に、消滅材として形成した、空間確保部材（予め仕込んでおくためのコア）を、その繊維組織体に嵌装しておく。
２．更に、第３の繊維層１ｃを組み合わせる。これは、製布技術（括る、縫い合わせる、編み込む、等々）を用いて行う（具体例Ａと同様である）。
３．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）樹脂を含浸させた場合には、硬化処理を施して形状を安定させる（ＣＦＫ状態にする）。
４．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）燃焼室に作用する応力を低減するために、燃焼室の構造体にセグメンテーションを施す（即ち、すり割り溝３ａを削設する）（具体例Ａと同様である）。
５．多次元構造を有する繊維組織体に対して熱分解／炭化処理を施して、多数の空孔ないし微細裂開を含む多孔質（連続空孔形の多孔質）のＣ／ＳｉＣ構造ないしＣ／Ｃ構造４ａを形成すると共に、前記空間確保部材を、加熱により熱分解して除去する。尚、これによって得られる多孔質構造体の多孔度は、例えばケイ素の含浸濃度を調節することで制御することができる（この方法は、基本的に従来公知の方法である）。
６．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）更に、冷却通路５ａを形成する。これは、機械加工によって形成してもよく、消滅材を組込むことによって形成してもよい（具体例Ａと同様である）。
７．（本項のステップは、後に第９項において電気メッキを実行する場合のみ実行する）冷却通路の中に消滅材を嵌装する。この消滅材は、例えば導電性ワックスなどで形成したものである（具体例Ａと同様である）。
８．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）金属系材料（例えばＭＭＣ）から成る中間層７ａを設ける。この中間層７ａの金属系材料は、その熱膨張率が、インナー・ライナー４ａの材料（セラミック系複合材料）の熱膨張率とアウター・ライナー８ａの材料（金属系材料）の熱膨張率との間の所定の値を有するものである。
９．金属材料製のアウター・ライナー８ａを設ける。これは、その金属材料が例えばニッケルである場合には、電気メッキ法を用いて行い、また、その金属材料が例えばインコネル７１８合金（これはニッケル系合金である）である場合には、反応ロウ付け法を用いて行う。
１０．（本項のステップは、上の第９項で電気メッキ法を用いるようにした場合のみ実行する）消滅材を除去する。これは、ワックスを融解して流出させるなどして行う。
【００３３】
具体例Ｃ（これは、再生冷却方式のエンジンの燃焼室を製造する場合であり、図３を参照して説明する）
１．具体例Ａ及び具体例Ｂと同様にして、ＳｉＳｉＣなどの明確な３次元構造を有する繊維組織体を含んで成る繊維結合セラミック系材料で、Ｕ形材（断面がＵ字形の形材）４ｃを製作する。
２．多数のＵ形材４ｃを並べて互いに結合する。
３．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）Ｕ形材４ｃの少なくとも内面側の表面に（例えば銅やニッケルなどを）電気メッキすることによって、表面メッキ層２ｃをコーティングし、エンジン運転時に冷却通路を流れる冷却媒体に対する耐圧性及び密閉性を高める。
４．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）Ｕ形材４ｃにコーティングした表面メッキ層２ｃに仕上げ加工を施し、更に、冷却通路を形成したＵ形材からなる構造体５ａに消滅材を嵌装する。この消滅材は、例えば導電性ワックスなどで形成したものである。
５．金属材料製のアウター・ライナー３ｃを、電気メッキ法を用いて（例えばその金属材料がニッケルの場合）接合する。
６．ワックスを融解して除去する。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱負荷及び様々な機械的負荷に耐え得る、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、３次元空間内の２つの方向に夫々延在する繊維で形成された、２つの繊維層を備えた繊維組織体を示した図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した２つの繊維層に更にもう１つの繊維層を加え、それら３つの繊維層を互いに編み込んだ繊維組織体を示した図である。
【図２】（ａ）は、中間層を備えた再生冷却方式のロケット燃焼室の壁部構造を示した詳細図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したロケット燃焼室の断面図である。
【図３】図２のロケット燃焼室とは異なる形態の、中間層を備えていない再生冷却方式のロケット燃焼室の壁部構造を示した詳細図である。
【符号の説明】
１０ 繊維束
１１ 大繊維束
１ａ、１ｂ、１ｃ 繊維層
４ａ インナー・ライナー
５ａ 冷却通路
７ａ 中間層
８ａ アウター・ライナー
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素含有繊維から成る繊維組織体とセラミック系母相とを含んで成る複合材料で形成した少なくとも１つのライナーを備えた、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室に関する。本発明は更に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法に関する。本発明は、本質的に、ロケットエンジンという特定の技術分野において利用し得るだけでなく、航空機用エンジンの技術分野をはじめとする、その他の技術分野においても利用し得るものであり、また、更にその他の様々な技術分野における、種々の燃焼室や燃焼炉にも利用し得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック系母相を含んで成る複合材料使用して形成した、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室は、既に公知となっている。
【０００３】
例えば、ＤＥ１９８５８１９７には、燃焼室を備えたエンジンが開示されており、その燃焼室においては、インナー・ライナー及び断熱層が、炭素繊維強化炭化ケイ素材料（Ｃ／ＳｉＣ）で形成されている。また、ＤＥ１９７３０６７４には、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室が開示されており、その燃焼室は、インナー・ライナーが、繊維状セラミック材料またはグラファイトを用いて形成されており、アウター・ライナーが、繊維状セラミック材料を用いて形成されている。また、ＤＥ３７３４１００には、航空機用エンジンの燃焼室が開示されており、その燃焼室は、内壁部が、炭化ケイ素繊維を編み合わせて製作した多孔性編体材料を用いて形成されており、また外壁部も、炭化ケイ素繊維を編み合わせて製作した網体材料を用いて形成されている。
【０００４】
これらの、セラミック系母相を含んで成る複合材料を用いて形成した少なくとも１つのライナーを備えた従来の燃焼室の構造には、次のような重大な問題が付随している。その問題とは、在来のＣＭＣ材料（ＣＭＣ＝Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、セラミック系母相を含んで成る複合材料）並びにそれに類似した複合材料は、例えば２Ｄ−Ｃ／ＳｉＣや、２Ｄ−Ｃ／Ｃ（Ｃ／Ｃ＝炭素繊維強化炭素材料）などの材料に典型的に見られるように、２次元構造を採用しており、そのため、特にロケットエンジンの推進方向に発生する剪断応力に対する強度（層間剪断強度−ＩＬＳ）が小さいという問題である。これについては、例えば、米国特許第６１９７４１１号公報などを参照されたい。同米国特許公報には、金属系材料から成る母相を含んで成る複合材料における、その種の２次元構造が示されている。熱負荷のために燃焼室に応力が加わると、その応力によって、ＣＭＣ材料の構造中に層間剥離が発生するおそれがあり、この層間剥離が発生すると、燃焼室が機能不全を起こし、場合によっては燃焼室が動作不能に陥ることもある。
【０００５】
また、ロケットエンジンの燃焼室という特別の用途に関しては、特に発射時に大きく作用する、様々な機械的負荷（振動負荷、曲げ負荷、音響的負荷、等々）を考慮する必要がある。それらの負荷に耐えるためには、それらの負荷が加わるエンジンの構造体部分が十分な強度を備えていなければならないと共に、そのエンジンの構造体部分が十分な弾性変形能力（ないしは可撓性）も併せて備えていなければならない。従来公知のセラミック系材料では、その表面部分が、強度は十分であるものの、伸び特性及び弾性変形能力に乏しいきらいがあった。更に、その表面部分は、気体不透過性を備えていなければならない。しかしながら、気体不透過性を備えた繊維束配合セラミック材料（例えばＣ／ＳｉＣや、Ｃ／Ｃなど）は、従来の製造方法では、極めて高い製造コストを甘受しなければ、製造することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、従来技術に付随していた上述の短所を克服した、例えばロケットエンジンなどに用いる、燃焼室及び燃焼室の製造方法を提供することにある。この目的は、請求項１、請求項１１、それに請求項２６の特徴により達成される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その１つの局面においては、燃焼室を包含するものであり、この燃焼室は、炭素含有繊維から成る繊維組織体とセラミック系母相とを含んで成る複合材料で形成した少なくとも１つのライナーを備えた、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室である。この種の燃焼室は、ロケットエンジンの技術分野において利用し得るだけでなく、航空機エンジンの技術分野をはじめとする、その他の技術分野においても利用し得るものであり、また、更にその他の様々な技術分野における、種々の燃焼室や燃焼炉にも利用し得るものである。特に本発明においては、前記繊維組織体が複数の繊維層で構成されており、それら複数の繊維層が３次元構造を形成している。これによって、繊維ないし繊維層が２次元構造を取ることがないようにしており、即ち、繊維ないし繊維層を、明確な３次元構造を取るような配置にしてある。また、繊維ないし繊維層どうしを互いに結合するのにも、適切な結合の仕方を用いて、それらが、明確な３次元構造を確実に取り得るようにしている。この構成とすることにより、剪断力に対する複合材料の安定性を格段に向上させることができる。更に、このように繊維を、明確な３次元構造を取るように配置したことによって、複合材料の伝熱度の調節も良好に行えるようになっており、従って伝熱度の最適化が容易となっている。
【０００８】
特に、前記繊維組織体が、第１繊維層、第２繊維層、及び第３繊維層で構成されており、前記第１繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第１方向に延在し、前記第２繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第２方向に延在し、前記第３繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第３方向に延在しており、それら３つの繊維層が、少なくとも部分的に、互いに交錯しているようにするのがよい。更にその場合に、各々の繊維層を、例えば、互いに平行に配設した多数の繊維ないし繊維束で構成し、隣接する繊維ないし繊維束の間に夫々に間隔をあけておき、３次元空間内の別の方向に延在している別の繊維層を形成している繊維ないし繊維束が、それら間隔により画成された夫々の隙間の中を貫通しているような配置とするのがよい。この構成は、異なった繊維層を形成している繊維ないし繊維束どうしを互いに交錯させるための形態の一例である。
【０００９】
また、前記繊維組織体を構成している前記複数の繊維層どうしが、製布技術を用いて互いに結合されているようにしてもよい。更にその場合に、繊維層どうしが、例えば、編み込みや縫い合わせによって、互いに結合されているようにすることができる。
【００１０】
従来の燃焼室は、炭化ケイ素繊維を使用するものが一般的である。しかしながら、そのような燃焼室においては、炭化ケイ素繊維の耐熱温度が約１２００℃程度でしかないということが短所となる。ロケットエンジンの内部温度は、例えば１５００℃、或いはそれ以上にもなるが、そのような高温環境で使用するのに、炭化ケイ素繊維は全く不適当であるか、或いは、少なくとも付加的な防護手段を講じない限り不適当であるといえる。そのため、１５００℃以上の高温の動作温度で使用するためには、繊維組織体を形成する繊維を炭素繊維とするのがよい。
【００１１】
複合材料の具体的な一例を挙げるならば、炭化ケイ素を含有している複合材料とすることが考えられる。また、そうする場合には、繊維組織体にケイ素を反応させることによって、その炭化ケイ素の少なくとも一部を生成するようにしてもよい。
【００１２】
例えばロケットエンジンの燃焼室のように、その燃焼室に大きな負荷が作用する場合や、複合材料で形成したライナーの構造が小さな負荷にしか耐えられない場合には、その複合材料製ライナーが、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーによって囲繞されている構造とするのもよい。そうした場合には、アウター・ライナーが、複合材料製ライナーを支持する支持構造体として機能し、複合材料製ライナーは、インナー・ライナーを構成するものとなる。ロケットエンジンの燃焼室として用いる場合にアウター・ライナーに要求されることになる、十分な可撓性を確保するためには、アウター・ライナーを、金属系材料から成るものとすることが好ましく、例えば、ニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、ニッケル−銅系合金、或いは、適当な鋼材料などを使用するようにしてもよい。
【００１３】
複合材料製インナー・ライナーの材料及び構造と、アウター・ライナーの材料及び構造とは、別々に設計することになるため、結果的に、両者の熱膨張率が大きく異なってしまうこともあり得る。そのような場合には、両者の熱膨張率の差によって大きな応力や亀裂が発生するのを防止するために、前記アウター・ライナーと前記複合材料製ライナーとの間に中間層を設け、該中間層の熱膨張率の値を前記アウター・ライナーの熱膨張率と前記複合材料製ライナーの熱膨張率との間の値にするのがよい。前記中間層を形成する複合材料は、例えば、金属系母相を含んで成る複合材料としてもよく、また、その他の適当な材料を使用してもよい。できるだけ容易に、かつ効率的に熱膨張係数をバランスさせるには、前記金属系母相が、前記アウター・ライナーに含まれている金属系材料と同じ金属系材料を含んでいるようにするのがよい。
【００１４】
本発明は更に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法を包含するものである。特に本発明においては、前記繊維組織体を、複数の繊維層から成る、３次元構造を有する組織体として製作している。これによって、既に説明した、剪断力に対する安定性が向上するという利点と、熱伝導度を容易かつ明確な方法で良好に調節し得るという利点とが得られる。
【００１５】
また特に、前記繊維組織体を、第１繊維層、第２繊維層、及び第３繊維層で製作し、前記第１繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第１方向に延在し、前記第２繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第２方向に延在し、前記第３繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第３方向に延在するようにし、それら３つの繊維層が、少なくとも部分的に、互いに交錯しているようにするのがよい。更にその場合に、各々の繊維層を、例えば、互いに平行に配設した多数の繊維ないし繊維束で構成し、隣接する繊維ないし繊維束の間に夫々に間隔をあけておき、３次元空間内の別の方向に延在している別の繊維層を形成している繊維ないし繊維束が、それら間隔により画成された夫々の隙間の中を貫通しているような配置とするのがよい。この構成は、異なった繊維層を形成している繊維ないし繊維束どうしを互いに交錯させるための形態の一例である。
【００１６】
また特に、前記繊維組織体を構成する前記複数の繊維層どうしを、製布技術を用いて、互いに結合するようにしてもよい。更にその場合に、前記複数の繊維層どうしを、編み込み、及び／または、縫い合わせによって、互いに結合するようにしてもよい。この構成は、繊維ないし繊維束で形成される繊維層どうしを結合するための、特に容易かつ効果的な形態の一例である。
【００１７】
前記繊維組織体の部分に、流路形状の冷却構造を設けるようにしてもよい。かかる冷却構造を製作する方法には様々な方法がある。例えば、前記繊維組織体の表面に、及び／または、前記繊維組織体の内部に、複数の通路形状の間隙を残すようにして、前記複数の繊維層を組合せるようにしてもよい。冷却構造をこのように構成する場合には、前記繊維組織体それ自体によって冷却構造が画成されるため、前記繊維組織体に対して後に更に加工を施す必要がなく、そのような加工によって繊維が損傷することがないという長所が得られる。ただし、先に前記複合材料を完成させてしまい、その後に、前記複合材料の表面に、機械加工によって複数の通路構造部を形成するようにしてもよい。この製造方法の方が、実行が容易である。また更に、例えば、前記繊維組織体を形成する過程において、前記繊維組織体の内部に、複数の通路形状の消滅材を配設するようにしてもよい。配設した消滅材は、前記複合材料を製作する過程において、或いは、それに続く工程において、分解または融解されて除去され、除去されたあとに残る複合材料の内部の空洞が流路を画成する。
【００１８】
前記流路構造に対して更に、密封構造や、荷重伝達のための補強構造を付加するようにしてもよく、特に、前記複合材料の表面のうち少なくとも前記複数の通路構造部が形成されている表面に、金属材料のメッキ層を形成するようにするのがよい。これによって得られる、金属メッキを施した流路構造は、少なくともある種の利用分野においては、その流路に流す冷却媒体の要求条件により良く応え得るものとなる。
【００１９】
前記繊維組織体の表面に流路構造を形成し、それを形成した表面に、別の構造部材を取付ける構成とする場合には、前記繊維組織体の表面の、流路構造を設けるべき位置に、複数の通路形状の消滅材を配設するようにするのがよい。配設した消滅材は、上述の場合と同様に、前記複合材料を製作する過程において、或いは、それに続く工程において、分解または融解されて除去され、除去されたあとに残る複合材料の内部の空洞が流路を画成する。
【００２０】
また特に、ロケットエンジンの燃焼室として用いる場合には、前記複合材料で形成した前記ライナーに、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーを取付けるようにするのがよい。また、その場合には、金属系材料製のアウター・ライナーを取付けるようにするのがよく、その理由は上で述べた通りである。更に、金属材料製のアウター・ライナーを取付けるには、例えば、電気メッキ法、ロウ付け法、または溶接法を用いて取付けるようにするのがよい。
【００２１】
複合材料製インナー・ライナーの材料及び構造と、アウター・ライナーの材料及び構造とは、別々に設計することになるため、結果的に、両者の熱膨張率が大きく異なってしまうこともあり得る。そのような場合には、前記アウター・ライナーと前記複合材料製ライナーとの間に中間層を設け、該中間層の熱膨張率の値を前記アウター・ライナーの熱膨張率と前記複合材料製ライナーの熱膨張率との間の値にするのがよい。かかる中間層を製作する方法の一例は、前記複合材料製ライナーの表面に、金属系母相を含んで成る複合材料から成る中間層を設け、更にその中間層の表面に、金属系材料から成るアウター・ライナーを設けるというものである。
【００２２】
前記中間層の材料として使用することのできる、金属系母相を含んで成る複合材料には、様々な種類のものがある。また、それら複合材料の製造方法のうちには、既に公知となっているものもあり、それについては、例えば米国特許第６，１９７，４１１号公報などを参照されたい。本明細書では、燃焼室のインナー・ライナーとアウター・ライナーとの間に設ける中間層の材料として使用するその種の複合材料を製作するための、改良した製作方法の一例を提示する。その製作方法は、先ず、前記複合材料製ライナーの表面に繊維組織体を設け、続いて、その繊維組織体の表面に金属材料のメッキ層を形成すると共にその繊維組織体に該金属材料を含浸させるというものである。この製作方法によれば、一度の加工工程において、金属系母相を含んで成る複合材料が中間層として形成されると共に、その中間層の上にアウター・ライナーも形成される。また、以上の製作方法において、前記金属材料の前記メッキ層の形成は適宜な方法で行えばよく、例えば、液相メッキ法を用いてもよく、気相メッキ法を用いてもよい。ただし、望ましい方法は、前記金属材料の前記メッキ層の形成を、電気メッキ法を用いて実行するというものである。更に、この製作方法に使用する金属材料には、例えば、ニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、それに、ニッケル−銅系合金などがある。
【００２３】
本発明は更に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用した複合材料でその構造の少なくとも一部分を製作するようにした、例えばロケットエンジンなどの、インナー・ライナーとアウター・ライナーとの間の中間層の製作方法を包含するものである。この製作方法においては、先ず、前記インナー・ライナーの表面に炭素含有繊維から成る繊維組織体を設け、続いて、その繊維組織体の表面に金属材料のメッキ層を形成すると共にその繊維組織体に該金属材料を含浸させるというものである。また、以上の製作方法において、前記金属材料の前記メッキ層の形成は適宜な方法で行えばよく、例えば、液相メッキ法を用いてもよく、気相メッキ法を用いてもよい。ただし、望ましい方法は、前記金属材料の前記メッキ層の形成を、電気メッキ法を用いて実行するというものである。更に、この製作方法において使用する金属材料には、例えば、ニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、それに、ニッケル−銅系合金などがある。
【００２４】
これより、図１〜図３を参照しつつ、具体的な実施の形態について説明して行く。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ここでは、炭素繊維を材料として使用し、例えば編み込みや縫い合わせなどの製布技術を用いて、３次元構造を有する繊維組織体を製作し、続いて、その繊維組織体にケイ素を含浸させて、炭化ケイ素を含んで成る複合材料を形成する。そのような繊維組織体を、図１の（ａ）及び（ｂ）に示した。これらの図には、繊維ないし繊維束１０で形成された複数の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃが示されており、それらのうち、繊維層１ａを形成している繊維ないし繊維束はｙ方向に延在し、繊維層１ｂを形成している繊維ないし繊維束はｘ方向に延在し、繊維層１ｃを形成している繊維ないし繊維束はｚ方向に延在している。従って、複数の繊維層が、３次元空間内の互いに異なった方向に延在しており、換言すれば、それら複数の繊維層を形成している夫々の繊維ないし繊維束１０が、３次元空間内の互いに異なった方向に延在している。更に、多数の繊維ないし繊維束１０が寄り集まって大繊維束１１を形成しており、各々の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃにおいて、隣接する大繊維束１１の間には夫々に間隔をあけてある。また、その間隔の大きさは、ある繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを形成している大繊維束１１の間に画成されている間隙の中を、１本または２本以上の、別の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを形成している大繊維束１１が貫通できるような大きさにしてある。そして、そのように大繊維束１１を交錯させることで、複数の繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを、互いに編み込んで結合している。それら繊維層を編み込んで結合した状態を図１の（ｂ）に示した。ただし、繊維層どうしを互いに編み込む代わりに、或いは、繊維層どうしを互いに編み込むことに加えて、それら繊維層１ａ、１ｂ、１ｃどうしを互いに縫い合わせたり、それら繊維層を形成している繊維ないし繊維束１０、或いは、大繊維束１１を縫い込むようにしてもよい。
【００２６】
このように、夫々が３次元空間内の異なった３方向ｘ、ｙ、ｚに延在する繊維ないし繊維束１０で形成されている繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを組合せて、明確な３次元構造を有する繊維組織体としているため、この繊維組織体を使用して製作した複合材料は、確実に大きな剪断強度を備えたものとなる。これに関して、例えばロケットエンジンでは、その推進力のために、燃焼室に大きな剪断力が作用する。従来公知の繊維組織体は、２次元構造を有する繊維組織体であったため、大きな剪断強度を備えておらず、大きな剪断力が作用したときには、いわゆる層間剥離を発生するおそれがあった。明確な３次元構造を有する繊維組織体とすることによって得られる大きな利点の１つは、許容損耗度が増大することである。更に、使用する繊維の種類と母相の相形態とを適宜選定することによって、その繊維組織体を使用して製作する複合材料の機械特性および物理特性（例えば熱伝導度や熱膨張率など）を、個々の要求条件に適合するように調節することも可能である。
【００２７】
この３次元構造を有する繊維組織体を、例えば図２（ａ）に模式図で示したような蒸発冷却式の燃焼室の構造に採用して、この繊維組織体の多孔度を、蒸発冷却に適した適当な値（適当な多孔度の値は１０％〜３０％であり、約２０％とすれば更に望ましい）としたときに、この３次元構造を有する繊維組織体は、２次元構造を有する繊維組織体とは対照的に、十分な結合強度及び十分な許容損耗度を、確実に提供することができ、このことは特に、３次元空間内の様々な方向の荷重を受ける部品の材料として使用する場合に大きな利点となる。
【００２８】
特にロケットエンジンの燃焼室においては、その燃焼室の構造体に多数の冷却通路５ａが組込まれることがある。冷却通路５ａを組込む方法の１つは、燃焼室の構造体の製造過程で流出または分解する消滅材を使用するというものであり、これは、加熱することで融解または熱分解して除去することのできる、いわゆる消滅コア（例えば、プラスチックやワックスで形成したコア）を用いるものである。この方法を採用する場合には、繊維組織体から複合材料を製作する前の段階で、その繊維組織体に複数の消滅材を配設するようにしてもよく、或いは、完成後の複合材料に形成した複数の流路に、夫々に消滅材を嵌装した上で、別部材として製作した蓋部材でそれら流路形状部分を閉塞するようにしてもよい。特に後者の場合、完成した複合材料に流路５ａを形成するには、その複合材料に機械加工（例えばフライス加工）を施して、流路５ａを削設するようにしてもよい。また、流路５ａを形成するための別の方法として、製布技術を用いて（例えば、流路形状の溝形部分が残るように編み込みを行うなどして）、流路を設けるべき箇所に直接形成するという方法もある。
【００２９】
燃焼室を画成しているセラミック系母相を有する複合材料から成るインナー・ライナー４ａと、荷重を担う外側構造体を画成している金属系材料から成るアウター・ライナー８ａとの間に、それらの中間的な材料から成る中間層７ａを設けることによって、結合領域（金属／セラミックス結合領域）に作用する応力を、破壊限度以下に抑えることができる。更に、そのような中間層７ａを設ける場合には、その中間層７ａの熱膨張率の値が、インナー・ライナー４ａの材料の熱膨張率とアウター・ライナー８ａの材料の熱膨張率との間の値になるように、その中間層７ａを形成する（即ち、熱膨張率が次第に変化してゆく構造にする）。また、中間層７ａの材料としては、例えば、ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、金属系母相を含んで成る複合材料）などを使用することができる。ＭＭＣから成る中間層７ａを製作するには、例えば次のような方法を用いればよい。この方法においては、先ず、インナー・ライナーの表面に、炭素含有繊維から成る繊維組織体を設ける。ここでいう炭素含有繊維とは、例えば炭化ケイ素繊維や炭素繊維などである。また、ここでいう炭素組織体は、例えば、インナー・ライナーの繊維組織体と同様に、編み込みや縫い合わせによって形成した繊維組織体であってもよく、或いは、長繊維または単繊維をフリース状またはフェルト状にして形成した繊維組織体であってもよい。この方法においては、続いて、その繊維組織体に対して、電気メッキ方を用いて加工を施し、その繊維組織体に、例えばニッケル、銅、ニッケル系合金、銅系合金、或いはニッケル−銅系合金などの金属材料を含浸させると、それと同時に、その繊維組織体の表面に電気メッキによって、その金属材料のメッキ層が形成され、そのメッキ層によってアウター・ライナー８ａが形成される。また、以上とは別の方法として、炭素含有粒子材料を用いてＭＭＣだけを形成するようにしてもよい。また、その他の従来公知の方法を用いてＭＭＣを形成するようにしてもよい。それらの方法によって、ＭＭＣだけを形成した場合には、それに続いて、例えば反応性ロウを用いたロウ付け法や、電気めっき法などにより、金属系材料から成る外側構造体８ａを接合すればよい。
【００３０】
これより、本発明に係る製造方法の幾つかの具体例について説明する。
【００３１】
具体例Ａ（これは、再生冷却方式のエンジンの燃焼室を製造する場合であり、図２の（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する）
１．複数の繊維層を組合せた、２次元構造を有する繊維組織体１ａ、１ｂを製作する。これは、例えば、繊維ないし繊維束１０を絡み合わせて熱硬化性樹脂を含浸させたり、編み込んだりするなどして行う。
２．更に、第３の繊維層１ｃを組み合わせる。これは、製布技術（括る、縫い合わせる、編み込む、等々）を用いて行う。
３．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）樹脂を含浸させた場合には、硬化処理を施して形状を安定させる（ＣＦＫ状態にする）。
４．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）燃焼室に作用する応力を低減するために、燃焼室の構造体にセグメンテーションを施す（即ち、すり割り溝３ａを削設する）。
５．多次元構造を有する繊維組織体に対して熱分解／炭化処理を施す。このとき、熱分解／炭化処理の直後にケイ素充填処理を施すという手順を反復することで、稠密なＣ／ＳｉＣ構造ないしＣ／Ｃ構造４ａを形成する（この方法は、基本的に従来公知の方法である）。
６．冷却通路５ａを形成する。これは、完成した複合材料に対して機械加工を施して形成してもよく、また、繊維組織体を形成する際に製布技術を用いて形成してもよく、また、複合材料の完成前に消滅材を組込むことによって形成してもよい。
７．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）冷却通路５ａの表面に金属材料のメッキ層６ａを「コーティング」して、エンジン運転時に冷却通路を流れる冷却媒体に対する耐圧性及び密閉性を高める。
８．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）金属材料のメッキ層をコーティングした冷却通路の表面に、フライス加工による仕上げ加工を施す。
９．（本項のステップは、後に第１１項において電気メッキを実行する場合のみ実行する）冷却通路５ａの中に消滅材を嵌装する（この消滅材は、例えば導電性ワックスなどで形成したものである）。
１０．金属系材料（例えばＭＭＣ）から成る中間層７ａを設ける。この中間層７ａの金属系材料は、その熱膨張率が、インナー・ライナー４ａの材料（セラミック系複合材料）の熱膨張率とアウター・ライナー８ａの材料（金属系材料）の熱膨張率との間の所定の値を有するものである。
１１．金属材料製のアウター・ライナー８ａを設ける。これは、その金属材料が例えばニッケルである場合には、電気メッキ法を用いて行い、また、その金属材料が例えばインコネル７１８合金（これはニッケル系合金である）である場合には、反応ロウ付け法を用いて行う。
１２．（本項のステップは、上の第１１項で電気メッキ法を用いるようにした場合のみ実行する）消滅材を除去する。これは、ワックスを融解して流出させるなどして行う。
【００３２】
具体例Ｂ（これは、蒸発冷却方式のエンジンであるため、その燃焼室の構造体が多孔性である場合であり、これも図２のａ及びｂを参照して説明する）
１．複数の繊維層を組合せた、２次元構造を有する繊維組織体１ａ、１ｂを製作する（具体例Ａと同様である）。これは、例えば、繊維ないし繊維束１０を絡み合わせて熱硬化性樹脂を含浸させたり、編み込んだりするなどして行い、またその際に、同時に、消滅材として形成した、空間確保部材（予め仕込んでおくためのコア）を、その繊維組織体に嵌装しておく。
２．更に、第３の繊維層１ｃを組み合わせる。これは、製布技術（括る、縫い合わせる、編み込む、等々）を用いて行う（具体例Ａと同様である）。
３．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）樹脂を含浸させた場合には、硬化処理を施して形状を安定させる（ＣＦＫ状態にする）。
４．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）燃焼室に作用する応力を低減するために、燃焼室の構造体にセグメンテーションを施す（即ち、すり割り溝３ａを削設する）（具体例Ａと同様である）。
５．多次元構造を有する繊維組織体に対して熱分解／炭化処理を施して、多数の空孔ないし微細裂開を含む多孔質（連続空孔形の多孔質）のＣ／ＳｉＣ構造ないしＣ／Ｃ構造４ａを形成すると共に、前記空間確保部材を、加熱により熱分解して除去する。尚、これによって得られる多孔質構造体の多孔度は、例えばケイ素の含浸濃度を調節することで制御することができる（この方法は、基本的に従来公知の方法である）。
６．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）更に、冷却通路５ａを形成する。これは、機械加工によって形成してもよく、消滅材を組込むことによって形成してもよい（具体例Ａと同様である）。
７．（本項のステップは、後に第９項において電気メッキを実行する場合のみ実行する）冷却通路の中に消滅材を嵌装する。この消滅材は、例えば導電性ワックスなどで形成したものである（具体例Ａと同様である）。
８．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）金属系材料（例えばＭＭＣ）から成る中間層７ａを設ける。この中間層７ａの金属系材料は、その熱膨張率が、インナー・ライナー４ａの材料（セラミック系複合材料）の熱膨張率とアウター・ライナー８ａの材料（金属系材料）の熱膨張率との間の所定の値を有するものである。
９．金属材料製のアウター・ライナー８ａを設ける。これは、その金属材料が例えばニッケルである場合には、電気メッキ法を用いて行い、また、その金属材料が例えばインコネル７１８合金（これはニッケル系合金である）である場合には、反応ロウ付け法を用いて行う。
１０．（本項のステップは、上の第９項で電気メッキ法を用いるようにした場合のみ実行する）消滅材を除去する。これは、ワックスを融解して流出させるなどして行う。
【００３３】
具体例Ｃ（これは、再生冷却方式のエンジンの燃焼室を製造する場合であり、図３を参照して説明する）
１．具体例Ａ及び具体例Ｂと同様にして、ＳｉＳｉＣなどの明確な３次元構造を有する繊維組織体を含んで成る繊維結合セラミック系材料で、Ｕ形材（断面がＵ字形の形材）４ｃを製作する。
２．多数のＵ形材４ｃを並べて互いに結合する。
３．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）Ｕ形材４ｃの少なくとも内面側の表面に（例えば銅やニッケルなどを）電気メッキすることによって、表面メッキ層２ｃをコーティングし、エンジン運転時に冷却通路を流れる冷却媒体に対する耐圧性及び密閉性を高める。
４．（本項のステップは、必要な場合だけ実行する）Ｕ形材４ｃにコーティングした表面メッキ層２ｃに仕上げ加工を施し、更に、冷却通路を形成したＵ形材からなる構造体５ａに消滅材を嵌装する。この消滅材は、例えば導電性ワックスなどで形成したものである。
５．金属材料製のアウター・ライナー３ｃを、電気メッキ法を用いて（例えばその金属材料がニッケルの場合）接合する。
６．ワックスを融解して除去する。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱負荷及び様々な機械的負荷に耐え得る、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、３次元空間内の２つの方向に夫々延在する繊維で形成された、２つの繊維層を備えた繊維組織体を示した図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した２つの繊維層に更にもう１つの繊維層を加え、それら３つの繊維層を互いに編み込んだ繊維組織体を示した図である。
【図２】（ａ）は、中間層を備えた再生冷却方式のロケット燃焼室の壁部構造を示した詳細図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したロケット燃焼室の断面図である。
【図３】図２のロケット燃焼室とは異なる形態の、中間層を備えていない再生冷却方式のロケット燃焼室の壁部構造を示した詳細図である。
【符号の説明】
１０ 繊維束
１１ 大繊維束
１ａ、１ｂ、１ｃ 繊維層
４ａ インナー・ライナー
５ａ 冷却通路
７ａ 中間層
８ａ アウター・ライナー
Claims (24)
- 炭素含有繊維から成る繊維組織体とセラミック系母相とを含んで成る複合材料で形成した少なくとも１つのライナーを備えた、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室において、
前記繊維組織体が複数の繊維層で構成されており、それら複数の繊維層が３次元構造を形成しており、
前記複合材料で形成した前記ライナーが、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーによって囲繞されており、該アウター・ライナーが金属系材料から成ることを特徴とする燃焼室。 - 炭素含有繊維から成る繊維組織体とセラミック系母相とを含んで成る複合材料で形成した少なくとも１つのライナーを備えた、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室において、
前記繊維組織体が複数の繊維層で構成されており、それら複数の繊維層が３次元構造を形成しており、
前記複合材料で形成した前記ライナーが、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーによって囲繞されており、前記アウター・ライナーと前記複合材料製ライナーとの間に中間層を設けてあり、該中間層の熱膨張率の値を前記アウター・ライナーの熱膨張率と前記複合材料製ライナーの熱膨張率との間の値にしたことを特徴とする燃焼室。 - 前記中間層を形成している複合材料が、金属系母相を含んで成る複合材料であることを特徴とする請求項２記載の燃焼室。
- 前記金属系母相が、前記アウター・ライナーに含まれている金属系材料と同じ金属系材料を含んでいることを特徴とする請求項３記載の燃焼室。
- 前記繊維組織体が、第１繊維層、第２繊維層、及び第３繊維層で構成されており、前記第１繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第１方向に延在し、前記第２繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第２方向に延在し、前記第３繊維層を形成している繊維は３次元空間内の第３方向に延在しており、それら３つの繊維層が、少なくとも部分的に、互いに交錯していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃焼室。
- 前記繊維組織体を構成している前記複数の繊維層どうしが、製布技術を用いて互いに結合されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃焼室。
- 前記繊維組織体が炭素繊維で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の燃焼室。
- 前記複合材料が炭化ケイ素を含有していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の燃焼室。
- 炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法において、
前記繊維組織体を、複数の繊維層から成る、３次元構造を有する組織として製作し、
前記繊維組織体の表面に、及び／または、前記繊維組織体の内部に、複数の通路形状の間隙を残すようにして、前記複数の繊維層を組合せることを特徴とする方法。 - 前記複合材料の表面のうち少なくとも前記複数の通路構造部が形成されている表面に、金属材料のメッキ層を形成することを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法において、
前記繊維組織体を、複数の繊維層から成る、３次元構造を有する組織として製作し、
前記繊維組織体の表面に、及び／または、前記繊維組織体の内部に、複数の通路形状の消滅材を配設することを特徴とする方法。 - 前記複合材料で形成した前記ライナーに、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーを取付けることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項記載の方法。
- 炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法において、
前記繊維組織体を、複数の繊維層から成る、３次元構造を有する組織として製作し、
前記複合材料で形成した前記ライナーに、荷重を担う構造体である金属系材料製のアウター・ライナーを取付けることを特徴とする方法。 - 前記アウター・ライナーを、電気メッキ法、ロウ付け法、または溶接法を用いて取付けることを特徴とする請求項１３記載の方法。
- 炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用し、該繊維組織体にケイ素を供給して炭化ケイ素母相を形成することで、セラミック系母相を含んで成る複合材料を製作し、該複合材料で少なくとも１つのライナーを形成するようにした、例えばロケットエンジンなどに用いる燃焼室の製造方法において、
前記繊維組織体を、複数の繊維層から成る、３次元構造を有する組織として製作し、
前記複合材料で形成した前記ライナーに、荷重を担う構造体であるアウター・ライナーを取付け、
前記アウター・ライナーと前記複合材料製ライナーとの間に中間層を設け、該中間層の熱膨張率の値を前記アウター・ライナーの熱膨張率と前記複合材料製ライナーの熱膨張率との間の値にすることを特徴とする方法。 - 前記複合材料製ライナーの表面に、金属系母相を含んで成る複合材料から成る中間層を設け、更にその中間層の表面に、金属系材料から成るアウター・ライナーを設けることを特徴とする請求項１５記載の方法。
- 先ず、前記複合材料製ライナーの表面に繊維組織体を設け、続いて、その繊維組織体の表面に金属材料のメッキ層を形成すると共にその繊維組織体に該金属材料を含浸させることを特徴とする請求項１６記載の方法。
- 前記金属材料の前記メッキ層の形成を、電気メッキ法を用いて実行することを特徴とする請求項１７記載の方法。
- 前記複合材料の表面に、機械加工によって複数の通路構造部を形成することを特徴とする請求項１３乃至１８の何れか１項記載の方法。
- 前記繊維組織体を、第１繊維層、第２繊維層、及び第３繊維層で製作し、前記第１繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第１方向に延在し、前記第２繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第２方向に延在し、前記第３繊維層を形成している繊維が３次元空間内の第３方向に延在するようにし、それら３つの繊維層が、少なくとも部分的に、互いに交錯しているようにすることを特徴とする請求項９乃至１９の何れか１項記載の方法。
- 前記繊維組織体を構成する前記複数の繊維層どうしを、製布技術を用いて、互いに結合することを特徴とする請求項９乃至２０の何れか１項記載の方法。
- 前記複数の繊維層どうしを、編み込み、及び／または、縫い合わせによって、互いに結合することを特徴とする請求項２１記載の方法。
- 炭素含有繊維から成る繊維組織体を使用した複合材料でその構造の少なくとも一部分を製作するようにした、例えばロケットエンジンなどの、インナー・ライナーとアウター・ライナーとの間の中間層の製作方法において、
先ず、前記インナー・ライナーの表面に炭素含有繊維から成る繊維組織体を設け、続いて、その繊維組織体の表面に金属材料のメッキ層を形成すると共にその繊維組織体に該金属材料を含浸させることを特徴とする方法。 - 前記金属材料の前記メッキ層の形成を、電気メッキ法を用いて実行することを特徴とする請求項２３記載の方法。
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