JP5395441B2 - ヒータ構造の製造方法およびヒータ構造 - Google Patents

Description

本願発明は、ヒータ構造の製造方法およびそのヒータ構造に関する。ヒータ構造は多くの分野で使用されている。例えば、ヒータ構造は飛行機の部品およびその構造部材に使用されている。特に、ウイング、エアインテークおよびロータブレードのような飛行機の外面の構成部材に使用されている。ヒータ構造は、自動車のウイングミラー、シートのヒータ、鉄道列車、客車のヒータ、鉄道軌道およびポイントのヒータなどのようにヒータが必要とされるところであれば、使用することができる。ヒータは除氷機能を付与するために使用することができる。

ヒータ構造を製造する既存の方法は、まず層構造を提供することである。その層構造は、一般的に、堅くするために樹脂で硬化させたガラスクロスのような補強材料を有している。樹脂で硬化させた堅いガラスクロスにはグリットが吹き付けられて外表面の樹脂のいくらかは除去されて、下部にあるガラスクロスが露出される。露出したガラスクロスに金属層を固着させるために、銅合金のような金属が露出したガラスクロスにスプレーで付着される。樹脂で硬化させたガラスクロスは、金属層がヒータ要素として使用される適当なパターンを形成するように被覆される。使用時に、ヒータ要素として作用する金属層が電気抵抗によって熱を生成する電気回路を形成するように、ヒータ要素は適当な電気器具に接続される。ヒータ構造は、例えば、除氷機能を付与するために、飛行機の外面のような好ましい場所に使用することができる。

しかしながら、従来のヒータ構造の製造方法には、改善すべき点がたくさんある。

例えば、ヒータの耐久性を改善して寿命を延長するために樹脂で硬化させたガラスクロスの表面にグリットを吹き付けることは、ヒータ構造を損傷して弱くするために好ましいことではない。スプレーによる金属層と、グリットを吹き付けられた樹脂で硬化させたガラスクロスとの接合を改善することが好ましい。

多数の異なる金属および金属の付着方法を使用できることは好ましい。異なる金属または合金を使用すれば、電気抵抗値の範囲が広がり、金属の特殊な性質を利用できるようになる。例えば、スプレーガンを使用して金属層を付着させる従来の方法において、付着させる金属の温度は、樹脂で硬化させたガラスクロス中の樹脂を溶解しないように低く保持しなければならない。この温度制限によって比較的低い温度プロセスに金属の用途を限定してしまうので、使用できる金属の範囲が制限されてしまう。

さらに、従来の方法においては、金属が付着される前に樹脂で硬化させた堅いガラスクロスの形状を成形しなければならない。この形状はしばしば多数の曲線部を含み、ウイングまたはロータブレードのような飛行機の外面に適応させるために曲げることが必要になる。付着される金属層が曲線部において実質的に一定の厚みを有し、表面に実質的に一定の熱が供給されるように曲げるためには、その作業のために相当な時間が必要である。

内部の電気的接続を許容するために、各層間の多層構造にはブスバーが使用される。ブスバーは、典型的には、ベリリウムおよび銅からなる金属ストリップであり、金属を付着させる前にその位置を固定するために構造のベース層が予備成形される。しかし、ブスバーは比較的高価であり、成形作業が困難で骨が折れる。

本願発明の第一の実施形態に従ってヒータ構造の製造方法が提供され、その方法は、 多孔質の補強材料を準備することと、
付着される金属の少なくとも一部が上記多孔質の補強材料に吸収されるように、上記多孔質の補強材料に金属または合金を付着させることと、
金属を付着させた上記多孔質の補強材料に樹脂を付着させることからなる。

その構造を堅くするために樹脂を付着させる前にガラスクロスのような多孔質の補強材料に金属を付着させることによって、グリットを吹き付ける必要がなく、その構造の疲労寿命を改善しうる。

さらに、樹脂を付着させる前にガラスクロスのような多孔質の補強材料に金属を付着させるので、グリットを吹き付けられる樹脂で硬化されたガラスクロスの表面に金属が層を形成する従来の方法よりもずっと容易に金属が補強材料の孔に吸収されやすくなる。金属は多孔質の補強材料にスプレーすることができる。金属は多孔質の補強材料に少なくとも２５μｍまたは少なくとも５０μｍ吸収されることができる。例えば、スプレーを使用する、この金属付着プロセスによれば均一性と全体の抵抗を制御することがはるかに容易になる。この方法によれば、金属の付着プロセスの自動化が容易になり、樹脂が溶解しないので、使用される金属の付着温度を高くすることができる。さらに、この方法によって製造されたヒータ構造によれば、従来の方法においてグリットを吹き付けられる樹脂で硬化されたガラスクロスの表面に金属が層を形成するのではなく、金属はガラスクロスの孔に容易に吸収されるので、従来の方法によって製造された構造よりも剪断強度が高くなる。

その構造を堅くするために樹脂を付着させる前に、金属を付着させた補強材料を曲線部、湾曲部および三次元の曲線部を備えた適当な形状にするための操作が可能である。実質的に一定の厚さの金属が付着されるように補強材料を平坦とし、その構造を堅くするために樹脂を付着させる前に補強材料を好ましい形状にしうるように、その構造に金属を付着させうる。また、補強材料を三次元形状もしくは二重曲面形状のような適当な形状に予備成形し、予備成形された補強材料に金属を付着させ、それから樹脂を付着させることができる。これによって複雑な形状のヒータ構造の成形が可能になる。補強材料は成形型を使用して好ましい形状に成形できる。

多層構造のヒータマットを形成するようにブスバーをヒータ構造の間に介在させることもできる。ブスバーは、金属が付着されたガラスクロスのストリップのような多孔質の補強材料のストリップからなる。そのようなブスバーを使用することで、製造されるヒータ構造またはマットを、従来の方法により製造されるものに比べてシンプルな構造にし、安価なものとすることができる。

本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

図１に示し、上記したようにヒータ構造を製造する方法は、多孔質の補強材料を準備すること（１）と、その多孔質の補強材料に金属を付着させること（２）と、金属を付着させた多孔質の補強材料に樹脂を付着させること（３）からなる。

多孔質の補強材料は、例えば、織ったガラスクロスまたは織ったセラミックのような適当な形態をとることができる。

金属はスプレーのように当業者によく知られている適当な方法によって多孔質の補強材料に付着させることができる。スプレーによる金属の付着は、プロパン／酸素の火炎の中で銅合金のワイヤを徐々に溶解させ、溶解した材料がばらばらになって圧縮空気流によって多孔質の補強材料上に吹き付けられるというような方法によって実行することができる。スプレー可能な金属を生み出すアークスプレーのような他のプロセスを使用してほとんどの金属を溶解させて多孔質の補強材料に向けてスプレーすることができる。限定要因は、織ったセラミックが多孔質の補強材料として使用されるとき、比較的高くなる、その多孔質の補強材料が耐えることができる最高温度である。

アークスプレーのような高温プロセスが使用されるとき、多くの異なる種類の金属を多孔質の補強材料に付着させることができる。低い周囲の温度よりも高い温度に加熱することによって大きな熱抵抗係数を付与し、高い周囲の温度よりも低い温度に加熱することによって低い熱抵抗係数を付与するように、チタンのような適当な特性を備えた金属を選択することができる。これは、樹脂が溶けないように、樹脂で被覆されたガラスクロスに金属を付着させるために比較的低い温度を使用しなければならず、使用することができる金属の範囲が制限される従来の方法とは対照的である。

スプレーされる金属は多孔質の補強材料に、代表的には少なくとも２５μｍ（千分の１インチである１ミル）吸収され、一般的には２５μｍから１００μｍ（１ミルから４ミル）の範囲で吸収され、より代表的には５０μｍから７５μｍ（２ミルから３ミル）の範囲で吸収される。その金属層は、グリットを吹き付けられて樹脂で被覆されたガラスクロスの露出した表面に付着される従来の金属層よりもずっと大きな剪断強度を有している。

補強材料および付着される金属が比較的高い温度に耐えることができるので、樹脂が溶融せずに耐え得ることができる制限温度まで、ヒータ電力を使用することができる。さらに、多孔質の補強材料に金属を付着させるこの方法によれば、どのような樹脂付着システムが使用されても、上記と同じことが言える。これは、使用される樹脂に応じて付着させる金属として異なるものを用いることが必要である従来の方法とは対照的である。

金属の付着中、多孔質の補強材料は、ヒータ要素パターンが露出されたままであるように当業者によく知られている簡単な手段によって覆うことができる。金属は、金属の平らな被覆が形成されるように露出された補強材料に付着させることができる。十分な金属を付着させることで、一様な導電性材料のストリップを得ることができる。図２はマスクを使用して形成された代表的なスプレーによる金属付着ヒータ１０の平面図である。この例において、金属付着ヒータ１０は、比較的低い抵抗の導体１２が両端部に接続された比較的高い抵抗の多数の導体１１を有している。この電気回路は適当な電源から電気を供給することによって作動して回路の抵抗によって熱を生成することができる。

金属をスプレーされたガラスクロスのような補強材料は形状を操作する上での柔軟性に優れている。この特性によって、平坦な形状のガラスクロスを別の形状に変化させて有用な構造に組み込めるように、形状を変化させたガラスクロスに金属をスプレーすることができる。金属をスプレーされた平坦なシート形状の１枚のガラスクロスはウイングまたはロータブレードのリーディングエッジのような曲線形状に組み込むことができるように、簡単な手段で形状を操作することができる。金属をスプレーされた表面が曲面の内側面または半径方向である場合、それは効率的に圧縮され、そのシステムを３mm(0.125インチ)未満の非常に小さい半径のものにすることができる。

特に、この特徴ある方法で製造される利点は、ヒータ構造を平らな条件で製造し、それからその構造に別の形状を付与できることである。いままで、金属は予め硬化した形状のものに付着させねばならなかった。平らな材料に金属をスプレーし、それからその平らな材料を別の形状にし、続いて堅くするために樹脂を付着させることによって、スプレーによる金属付着プロセスのメカニズムをより簡単にする。そのような特徴によって、ヒータシステムを雌型または雄型成型プロセスに導入することができる。既存のスプレーによる金属付着プロセスは、金属スプレー設備の大きさ及び特徴によって雌型成型の内側（特に狭いリーディングエッジを伴うもの）に適用するのが困難で、雌型の許容範囲にスプレーすることが困難である。

また、補強材料は、金属および樹脂を付着させる前に適当な形状にされる。ガラスクロスのような可撓性の補強材料は、型を使用して三次元または二重曲面形状のような適当な形状に予備成形される。それから、ヒータ構造を形成するために金属および樹脂が付着される。補強材料を予備成形することによって、スプレーにより金属を付着された補強材料を過度に変形させることによって起こる金属ヒータ要素の損傷の危険性を回避して、複雑な形状のヒータ構造の形成が可能になる。

そのようなスプレーにより金属を付着された補強層には、当業者に知られている適当な方法によって、樹脂が付着される。その方法には、例えば、プリプレグ複合構造に含まれる樹脂注入、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）プロセスによる液状樹脂の圧入による樹脂注入、樹脂射出成形（ＲＩＭ）プロセスによる樹脂注入を含む。

樹脂複合物は、一般的に、硬化可能な液状プリポリマーと補強材料の層との混合層である。電気ヒータ構造としては、補強層は電気絶縁特性を有することが必要であるので、複数の補強層は、使用時にスプレーによる金属付着ヒータ層に隣接するように配置される。他の層は、その用途に適合するような材料とすることができる。

スプレーにより金属を付着された補強材料には液状樹脂を注入することが必要である。コスト面で優れ、実用的なシステムとして、スプレーにより金属を付着された補強層には複合構造の他の部分と同時に液状樹脂を注入することができる。

工業的に利用できるプリプレグシステムは、半固体状態の複合補強物および樹脂を含んでいる。そのような材料は、産業界の普通の製造工程と矛盾しないようにスプレーにより金属を付着された補強材料の側面に配置することができる。均一な複合構造を製造するプロセスは、一般的に、適当な型内に配置されて、適当な膜で減圧下におかれた積層構造であり、外圧が付加され、樹脂を液化して硬化させる温度まで昇温される。そのようなプロセスは、オートクレーブ硬化として産業界に知られている。その硬化中に、液状樹脂は毛細管作用によって乾燥した補強材料およびスプレーによる金属付着箇所に注入される。

プリプレグ樹脂注入はポリマー特性が許容するプロセスのみ、熱および減圧下で実行することができる。

金属のスプレー層は本来多孔質であり、これによって樹脂が貫通し、付着した金属粒子を樹脂が囲むことができる。そのような注入プロセスの結果として、ヒーター要素に含まれる複合構造の樹脂は濡れている。

また、金属をスプレーされた補強層は、ＲＴＭ（樹脂トランスファー成形）プロセスのような産業界で知られている手段で乾燥した補強材料の積層体とすることができる。このプロセスにおいて、補強材料の積層体は閉鎖した型内に配置され、液状樹脂が圧力下または減圧下で導入される。このプロセスにおいて、補強材料とスプレーされる金属は均一な構造を得るように十分に注入される。

また、金属をスプレーされた補強層は、ＲＩＭ（樹脂射出成形）プロセスのような産業界で知られている手段で乾燥した補強材料の積層体とすることができる。このプロセスにおいて、補強材料の積層体は減圧下の袋内に配置され、液状樹脂が減圧下で導入される。このプロセスにおいて、補強材料とスプレーされる金属は均一な構造を得るように十分に注入される。

図３は上記の方法によって製造されたヒータ構造の一例を示す。この例において、多孔質の補強材料２０はガラスクロスであり、金属層３０を有しており、金属層３０は、多孔質の補強材料２０に約５０μｍから７５μｍ（２ミルから３ミル）吸収されている。金属を付着された多孔質の補強材料２０は、その後の用途（図示せず）のために好ましい形状にすることができる。また、多孔質の補強材料は金属層３０を付着する前に好ましい形状にすることができる。樹脂４０は、それを堅くするために金属が付着された多孔質の補強材料２０に付着される。樹脂４０は金属が付着された多孔質の補強材料２０を囲んでいる。使用時に、ヒータ要素の形状である金属層は加熱できる構造にするために電力源（図示せず）と接続される。

本発明の範囲から逸脱しない限り、上記実施形態に変形を加えることができる。例えば、適当な多孔質の補強材料を使用することができ、適当な方法によって、金属および樹脂を付着させることができる。ヒータ構造は好ましい用途に使用することができる。例えば、ウイング、エアインテークまたはロータブレードのような飛行機の外面に使用することとができる。例えば、車両のウイングミラー、シートのヒータ、鉄道列車、客車のヒータ、鉄道軌道およびポイントのように車両で使用することができる。

図１は本発明の方法の実施形態を示すフロー図である。 図２は代表的なヒータパターンの平面図である。 図３は図１に示す方法によって製造されたヒータ構造の一例を示すである。

符号の説明

１０ ヒータ
１１ 高い抵抗の導体
１２ 低い抵抗の導体
２０ 補強材料
３０ 金属層
４０ 樹脂

Claims (10)

1. ヒータ構造の製造方法であって、
   多孔質の補強材料を準備し、
   付着される金属の少なくとも一部が当該補強材料に吸収されるように、当該金属を当該補強材料に付着させ、および、
   当該金属を付着させた当該補強材料に樹脂を付着させる工程を含み、
   当該金属が付着された当該補強材料が、当該樹脂の付着前に展性を有し、かつ当該金属および当該樹脂が付着された当該補強材料が、当該樹脂の付着後に堅くなる、ことを特徴とする方法。
2. 前記金属が、前記補強材料にスプレーされる請求項１に記載の方法。
3. 前記金属が、前記補強材料に吸収されるように付着される請求項１または２に記載の方法。
4. 前記金属が、前記補強材料に少なくとも２５μｍ吸収される請求項３に記載の方法。
5. 前記金属が、前記補強材料に少なくとも５０μｍ吸収される請求項３に記載の方法。
6. 前記補強材料が、前記金属が付着されるときに、実質的に平坦である請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記金属が付着された前記補強材料が、曲線形状に成形され、引き続いて、前記樹脂が付着される請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記補強材料が、前記金属および前記樹脂の付着前に好ましい形状に予備成形される請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
9. 前記金属が、付着される前記樹脂の溶融温度よりも高い温度で前記補強材料に付着される請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 前記金属が、得られる金属のパターンがヒータ要素として作用するようにマスクを使用して、前記補強材料に付着される請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。

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