JP6062529B2 - 避雷装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温環境下で使用する、雷に対する保護を提供する分野に関する。本発明の特定の、しかし非排他的である分野は、宇宙開発、又は軍事等の目的のランチャーにおけるスラスタ、又は航空エンジンに含まれる高温部品のために、雷に対する保護を提供する分野である。

上記のランチャーに備えられたスラスタ、又は航空エンジンの後部胴体部品は、飛行中に雷に打たれる可能性がある。雷に打たれた部品が、複合材料などの非導電性材料から作られている場合、又は誘電材料で覆われている場合、その構造物は、雷によって生じる電磁パルス、及びアーク放電の連続成分によって深刻な損傷を受ける可能性がある。

雷に対する保護を提供する種々の技術がすでに存在しており、それらは主に、雷による電流が、保護される構造物よりむしろ保護物に流れるように促して、それによって、熱的及び機械的な負荷を低減するように、雷によるアーク放電の発生源（root）、又は“終息末端（termination）” の大きさを迅速に増大させることを目的としている。

現存する解決法では、雷に対する保護を提供する、
・保護される部品の表面に取り付けられた金属素材によって構成される被覆、
・穴を有する金属シートから展開され、かつグリッドを形成するために延伸された金属グリッドであって、同様に保護される部品の表面に取り付けられる金属グリッドによって構成される被覆、
・保護される部品の導電性を増加させるために、保護される部品の表面に、例えばニッケル粒子などの金属粒子を堆積させることによって製造された導電層によって構成される被覆、及び
・保護される複合材料部品の表面に、雷によるアーク放電の発生源を分散させることに適した多くの小さな点を形成するために、保護される複合材料部品を補強する繊維構造体に直接織り込まれた金属繊維によって構成される被覆、
が知られている。

それにも関わらず、これら種々の被覆は特定の課題を有しており、その中の主な課題としては高温耐性が乏しいことが挙げられる。更に、これらの被覆のいくつかは、複雑な形状の構造物に導入することが困難である。

したがって、本発明は、非導電性である、又は誘電体に覆われている構造物のために、雷に対する保護を提供する解決策を提案すること、及びそれを高温環境下で信頼性のある方法で行うこと、を目的とする。

この目的のため、本発明は、保護される構造物上に設ける避雷装置であって、
少なくとも一つの導電性塗料層を含む、表面被覆と、
保護される構造物上に直接、又は表面被覆の導電層上に、間隙を介して配置された複数の導電性素子であって、前記導電性塗料層と接している、前記導電性素子と、
前記表面被覆上に配置された、断熱性、及び導電性を有する材料を含む保護被覆であって、部分的に前記導電性素子を覆う前記保護被覆と、
を少なくとも含む、避雷装置を提供する。

特に、落雷の際に大量の電力をただちに放出すること、及び電磁場を局在的に増幅して、避雷装置上でアーク放電の発生を促すこと、に適しており、それにより下層の構造物を保護する導電性素子が用いられていることにより、この避雷装置は、落雷に対して効果的な保護を提供する。

さらに、断熱性を有する保護被覆が存在することにより、たとえ大きな熱流速にさらされる構造物上で使用される場合でも、本発明の避雷装置の信頼性は保たれる。上記の保護被覆は、導電性も有するため、導電性素子と導電性塗料との間で電気的な導通を提供することによって、避雷装置における全体の電気効率に寄与する。

さらに、避雷装置の構造は、任意のタイプの形状、複雑な形状にさえも適応することに適している。

本発明の避雷装置の第一の態様では、前記導電性素子が、前記保護被覆から突出している少なくとも一つのエッジ部を有する金属細長片を含む。保護被覆の外側に露出した少なくとも一つのエッジ部の存在が、先端効果を生じさせること、及び保護される構造物上ではなく、むしろ避雷装置の導電性素子上でアーク放電の発生を促すこと、を可能にする。この目的のため、前記金属細長片は、特に、三角形、長方形、又は正方形の断面を有してもよい。

本発明の避雷装置の第二の態様では、避雷装置の容量を増加させて電流を放出するように、前記複数の導電性素子の少なくともいくつかが相互に連結されている。導電性素子は、例えばワイヤ、金属編組、導電被覆などといった、任意のタイプの導電体によって、互いに連結されてもよい。

本発明はまた、雷に敏感で、かつ高温環境下で動作する構造物であって、少なくともその一部分が、本発明の避雷装置を備えていることを特徴とする構造物を提供する。前記構造物は特に、スラスタのノズル、後部胴体、又はシュラウドに対応している。

本発明はまた、保護される構造物上に設けられる避雷装置の製造方法であって、
保護される前記構造物に、少なくとも一つの導電性塗料層を含む表面被覆を堆積させる工程と、
前記表面被覆における前記導電性塗料層上、又は前記表面被覆が形成される前の前記構造物上に直接、間隙を介して配置された、複数の導電性素子を取り付ける工程と、
前記表面被覆上に、断熱性、及び導電性を有する材料を含む保護被覆を堆積させ、部分的に前記導電性素子を前記保護被覆で覆う工程と、
を少なくとも含む、製造方法を提供する。

本発明の製造方法における第一の態様では、前記製造方法が、前記構造物上に直接、又は前記導電性塗料層上に、金属細長片を、例えば接着剤に又は機械的な留め具によって取り付けて、前記導電性素子を形成する工程を含み、それぞれの前記金属細長片が、前記保護被覆から突出している少なくとも一つのエッジ部を含んでいる。

本発明の製造方法における第二の態様では、前記金属細長片が三角形、長方形、又は正方形の断面を有する。

本発明の製造方法における第三の態様では、前記製造方法が、前記複数の導電性素子の少なくともいくつかを、相互に連結させる工程を更に含む。

本発明の他の特徴、及び利点は、非限定的な例として挙げられた本発明における特定の実施形態に関する以下の記述と、添付した図面とを参照することで明らかになる。

図２Ａ〜２Ｆに示した本発明の避雷装置を製造する方法の工程のフローチャートである。 本発明の実施における、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の実施における、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の実施における、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の実施における、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の実施における、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の実施における、避雷装置を製造する方法を示す図である。 図４Ａ〜４Ｅに示した本発明の避雷装置を製造する方法の工程のフローチャートである。 本発明の他の実施に従って、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の他の実施に従って、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の他の実施に従って、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の他の実施に従って、避雷装置を製造する方法を示す図である。 本発明の他の実施に従って、避雷装置を製造する方法を示す図である。

本発明の避雷装置は、電気を通さない材料で製造された、又は、例えばランチャー上に用いられる熱保護被覆にあてはまるような、保護のためにその表面が電気的に絶縁した材料、又は層で覆われた、任意の構造物であって、高温環境下で用いられる構造物に使用されることが好ましいが、これに限定されない。

本発明の実施における避雷装置の製造方法を、図１、及び２Ａ〜２Ｆを参照しながら説明する。

図２Ａは、雷から保護される構造物に相当する軸対称の部品１００を示している。部品１００は、電気を通さない熱構造複合材料で製造されていてもよく、例えば、エンジンから排出される高温気体によって生じる高温にさらされる、ロケットエンジン、又は航空エンジンの部分組立品に相当する。

例として、部品１００は、公知のとおり、ＳｉＣ繊維の強化材によって構成され、かつＳｉＣマトリクスによって高密度化された材料である、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）複合材料で形成されている。ＳｉＣ／ＳｉＣ材料などの熱構造複合材料は、構造部品を構成することに適した高性能な機械的特性、及び高温下でこれらの機械的特性が保たれる能力を特徴としている。

電気を通さない材料で形成された外表面を有する部品１００は、雷に打たれる可能性がある。当該部品、又は当該部品が組み込まれた組立品が雷に打たれた場合、そのときに発生したアーク放電が（直接的、又は間接的な影響で）当該部品を損傷する、又は破壊する可能性がある。同様のことが、保護される構造物の表面を誘電体で被覆した場合にもあてはまる。

このため、及び本発明の実施によれば、高温に耐えることに適した避雷装置は、本例においては雷から保護する部品１００の一部である、部品１００の外表面に形成される。

避雷装置の製造はまず、導電性、又は金属の塗料層２０２を、保護される部品１００の外表面に堆積することから始まる（工程Ｓ２、図２Ｃ）。ここで説明する例では、例えばエポキシ樹脂の下地などの下地層２０１を、導電性塗料の接着性を向上させるために、事前に部品１００の表面に堆積させている（工程Ｓ１、図２Ｂ）。しかし、保護される部品の表面状態が、金属塗料がそこへ接着するのに適している場合には、事前に下地を堆積させる必要はなく、金属塗料を当該部品の表面に直接堆積させてもよい。

導電性塗料、及び必要であれば下地は、噴霧によって、又は手作業によって堆積させてもよい。上記の導電性塗料は、例えば、銀、アルミニウム、銅の粒子などの金属粒子を基礎とした顔料を含むアクリル樹脂によって構成されていてもよい。当該塗料は任意で、塗布前に溶媒で薄められてもよい。さらに、必要な層の厚さを得るために、複数の導電性塗料層を連続して堆積させてもよく、これにより所望の表面伝導率が得られる。

当該避雷装置の製造では、続いて金属塗料上に導電性素子を設ける（工程Ｓ４、図２Ｅ）。ここで説明する例では、導電性素子は、例えばアルミニウム、又は銅で製造された金属細長片２０４によって構成されており、外側に向いたエッジ部２０４０を形成する三角形の断面を有している。

ここで説明する例では、金属細長片２０４は、金属塗料層２０２に、例えば単一成分のシリコーンエラストマーなどの熱伝導接着剤により接合している。このため、金属細長片２０４の接着性を向上させるために、例えば導電性粒子で満たされたエポキシ樹脂の下地といった下地層２０３を、金属塗料層２０２上にあらかじめ堆積させている（工程Ｓ３、図２Ｄ）。

雷をよりひきつけるための先端効果を生じさせるために、避雷装置に使用されるそれぞれの導電性素子は、当該素子が金属塗料上に取り付けられる場合に、装置の外側に面したエッジ部を少なくとも一つ含んでいることが好ましい。したがって、金属細長片は、三角形の断面以外の断面を有していてもよい。例として、導電性素子は、正方形、又は三角形の断面を有する金属細長片によって構成されていても、同様によい。

ここで説明する例では、金属細長片２０４は、下地層２０３を介して金属塗料層２０２と接合している。しかし、金属細長片を固定するために、機械的な固定手段を用いることも可能である。特に、金属細長片を固定するために、事前に下地層に接合されたクランプカラー、又は任意の他の機械的システムを用いることができる。

金属細長片に流れる電流は、導電性塗料層を通じて、少なくともある程度他の金属細長片に伝わることができ、それにより一つ、又はより多くの金属細長片に蓄積された電気が放出されやすくなる。必要であれば、電気を放出する避雷装置の容量を、金属細長片のいくつか、又は全てを、金属編組、ワイヤなどの導電性素子を用いて、直接互いに連結させることによって、さらに増加させてもよい。

一旦、金属細長片２０４を下地層２０３上に取り付けたあと、保護被覆２０５を、本例の下地層２０３にあたる、金属細長片の間の表面被覆上、及び金属細長片２０４の一部の上に、堆積させる（工程Ｓ５、図２Ｆ）。各金属細長片のエッジ部２０４０が保護被覆２０５によって覆われず、かつその先端効果の機能を十分に発揮できるように、堆積した保護被覆の厚さは、金属細長片２０４の高さよりも小さい。

保護被覆２０５は、周囲の熱流束から金属塗料を保護するための断熱性、及び金属細長片と金属塗料との間の電気伝導を向上させるための導電性、のどちらも有している。保護被覆２０５は、０．１ワットパーメートルパーケルビン（Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1）未満の熱伝導率、及び２００オームパースクエア未満の表面抵抗率を有することが好ましい。保護被覆２０５は、銀粒子などの導電性粒子で満たされたシリコーン樹脂によって構成されていてもよい。上記の保護被覆を、噴霧によって堆積させてもよい。当該保護被覆は、所望の厚さを得るため、複数の連続層として堆積させてもよく、これにより所望の表面導電率が得られる。金属細長片２０４のエッジ部２０４０は、噴霧中にその表面に保護被覆が堆積することを防ぐために、除去可能な保護物によって事前に覆われていてもよい。

図２Ｆに示すとおり、避雷装置２００は、部品１００の表面１００ａ上に得られ、当該避雷装置は、
本例においては、第一の下地層２０１、金属塗料層２０２、及び第二の下地層２０３によって構成された表面被覆と、
第二の下地層２０３を介して金属塗料層２０２と接している複数の金属細長片２０４と、
金属細長片間に配置され、さらに金属細長片の一部を覆う保護被覆２０５と、
を含む。

図３、及び４Ａ〜４Ｅは、本発明における避雷装置の他の実施形態を示しており、当該実施形態は、金属細長片が、保護される構造物の表面に直接取り付けられ、続いて金属塗料で覆われている点において、上述の避雷装置２００と異なる。

より正確には、避雷装置の製造はまず、雷から保護される構造物３００上に複数の導電性素子を設けることによって始まり、本例において当該素子は、三角形の断面を有する金属細長片４０４によって構成されており、いずれも外側に向いたエッジ部４０４０を形成している（工程Ｓ１、図４Ａ）。金属細長片４０４は、構造物３００に接着により接合されていてもよく、及び／又は機械的手段（カラー、ネジなど）を利用して固定されていてもよい。

導電性、又は金属の塗料層４０２を、保護される構造物３００の外表面に堆積させる（工程Ｓ３、図４Ｃ）。ここで説明する例では、導電性塗料の接着性を向上させるために、例えばエポキシ樹脂の下地といった下地層４０１を、事前に構造物３００の表面に堆積させている（工程Ｓ２、図４Ｂ）。しかし、保護される部品の表面状態が、金属塗料が接着するのに適している場合、事前に下地を堆積させる必要はなく、金属塗料を部品の表面に直接堆積させてもよい。

ここで説明する例では、金属塗料層４０２は、金属細長片４０４を覆っている。しかし、金属細長片が金属塗料層で覆われてしまうことを防ぐために、金属塗料層を堆積させている間、金属細長片を一時的に保護してもよい。

避雷装置の製造では、続いて、本例において下地層４０１にあたる、金属細長片間にある表面被覆上と、金属細長片４０４の一部の上と、に保護被覆４０５を堆積させる（工程Ｓ５、図４Ｅ）。各金属細長片のエッジ部が保護被覆４０５から突出し、かつ十分に先端効果の機能を発揮するように、堆積した保護被覆の厚さは、金属細長片４０４の高さよりも小さい。ここで説明する例では、事前に下地層４０３を、金属細長片４０４間の金属塗料上に堆積させている（工程Ｓ４、図４Ｄ）。

保護被覆４０５は、周囲の熱流束から金属塗料を保護するための断熱性、及び金属細長片と金属塗料との間の電気伝導を向上させるための導電性、のどちらも有している。保護被覆２０５は、０．１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1未満の熱伝導率、及び２００オームパースクエア未満の表面抵抗率を有することが好ましい。上記の保護被覆は、銀粒子などの導電性粒子で満たされたシリコーン樹脂によって構成されていてもよい。当該保護被覆を、噴霧によって堆積してもよい。当該保護被覆は、所望の厚さを得るため、複数の連続層として堆積させてもよく、これにより所望の表面導電率が得られる。金属細長片４０４のエッジ部４０４０は、噴霧中にその表面に保護被覆が堆積することを防ぐために、除去可能な保護物によって事前に覆われていてもよい。

図４Ｅに示すとおり、避雷装置４００は、部品３００の表面上に得られ、当該装置は、
構造物３００と接している複数の金属細長片４０４と、
本例においては、第一の下地層４０１、金属塗料層４０２、及び第二の下地層４０３で構成された表面被覆と、
金属細長片間に配置され、さらに金属細長片の一部を覆う保護被覆４０５と、
を含んでいる。

Claims (11)

1. 保護される構造物上に設ける避雷装置であって、
   少なくとも一つの導電性塗料層を含む、表面被覆と、
   前記構造物上に間隙を介して配置された複数の導電性素子であって、前記導電性塗料層と接している、前記導電性素子と、
   前記表面被覆上に配置された、断熱性、及び導電性を有する材料を含む保護被覆であって、部分的に前記導電性素子を覆う、前記保護被覆と、
   を少なくとも含む、避雷装置。
2. 前記導電性素子が、前記保護被覆から突出している少なくとも一つのエッジ部を有する金属細長片を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記金属細長片が、三角形の断面を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記複数の導電性素子の少なくともいくつかが、相互に連結されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 雷に敏感であり、かつ高温環境下で動作する構造物であって、少なくともその一部分が、請求項１〜４のいずれか一項に記載の避雷装置を備える構造物。
6. 次のスラスタの素子：ノズル、後部胴体、及びシュラウド、の少なくとも一つを構成する、請求項５に記載の構造物。
7. 保護される構造物上に設けられる避雷装置の製造方法であって、
   保護される前記構造物上に、少なくとも一つの導電性塗料層を含む表面被覆を堆積させる工程と、
   前記表面被覆における前記導電性塗料層上に、間隙を介して配置された、複数の導電性素子を取り付ける工程と、
   前記表面被覆上に、断熱性、及び導電性を有する材料を含む保護被覆を堆積させ、部分的に前記導電性素子を前記保護被覆で覆う工程と、
   を少なくとも含む、製造方法。
8. 保護される構造物上に設けられる避雷装置の製造方法であって、
   前記構造物上に、間隙を介して配置された、複数の導電性素子を取り付ける工程と、
   保護される前記構造物上に、少なくとも一つの導電性塗料層を含む表面被覆を堆積させる工程と、
   前記表面被覆上に、断熱性、及び導電性を有する材料を含む保護被覆を堆積させ、部分的に前記導電性素子を前記保護被覆で覆う工程と、
   を少なくとも含む、製造方法。
9. 前記製造方法が、前記導電性素子を形成するように、複数の金属細長片を前記導電性塗料層、又は前記構造物上に取り付ける工程を含んでおり、それぞれの前記金属細長片が、前記保護被覆よりも上方に伸びている少なくとも一つのエッジ部を含む、請求項７又は８に記載の製造方法。
10. 前記金属細長片のそれぞれが、三角形の断面を有する、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記複数の導電性素子の少なくともいくつかを、相互に連結させる工程を更に含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の製造方法。
    
    
    

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