JP6952910B2 - ダクテットファン装置 - Google Patents
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Description
本発明はダクテットファン装置に関し、更に詳細にはFBO(Fan Blade Out)時のコンテインメント機能を有するダクテットファン装置に関する。
ファン回転中のファンブレードの破損によって発生したファンブレード片が遠心方向に飛散するFBO時のコンテインメント機能を有するダクテットファン装置として、互いに平行に配向された複数の繊維をマトリックス樹脂中に含む樹脂含浸の複合材料により構成され、内部に回転するファンブレードを収容する筒状のファンケースを有し、繊維の配向がファンブレードの先端をファンケースの内周面に投影した投影線を横切る角度(90度プラスマイナス30度の範囲)に設定され、FBO時に飛散したファンブレードの先端がファンケースの内周面に衝突した際の衝撃を繊維によって効率よく吸収し、飛散したファンブレード片をファンケース内に閉じ込めるものが知られている(例えば、特許文献1)。
FBO時のコンテインメント機能を有する他のダクテットファン装置として、繊維−樹脂による樹脂含浸の複合材料により構成され、内部に回転するファンブレードを収容する筒状のファンケースと、繊維−樹脂による樹脂含浸の複合材料により構成され、ファンケースの外周に箍のように設けられた筒状の拘束部材とを有し、拘束部材の樹脂含有率がファンケースの樹脂含有率よりも低く設定され、飛散したファンブレード片を拘束部材によって捕捉するものが知られている。(例えば、特許文献2)。
ファンケースや拘束部材を構成する樹脂含浸による複合材料は脆性が高いため、FBO時に飛散するファンブレード片により破壊される虞があり、FBO時のコンテインメント性を高めるためにはファンケースや拘束部材の板厚を大きくする必要がある。このことはダクテットファン装置の軽量化を阻害する。
本発明が解決しようとする課題は、ダクテットファン装置の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性を高めることである。
本発明の一つの実施形態によるダクテットファン装置(10)は、平面視で円環形状のファンシュラウド(52)と、前記ファンシュラウド(52)の中心に配置されたファンブレード(58、64)を有する電動ファンとを有するダクテットファン装置であって、前記ファンシュラウド(52)は、少なくとも一つの繊維層(74、86、88)及び少なくとも一つの樹脂層(70、72、80、82、84、98)を含む多層構造であり、軸線方向において前記ファンブレード(58、64)の先端と対向する部分を含む対向部分(A)及び前記ファンブレード(58、64)の先端と対向しない非対向部分(B)を有し、前記非対向部分(B)においては前記繊維層(74、86、88)に前記樹脂層(70、72、80、82、84、98)を構成する樹脂の一部が含浸し、前記対向部分(A)においては前記繊維層(74、86、88)に前記樹脂層(70、72、80、82、84、98)を構成する樹脂が含浸していない。
この構成によれば、対向部分(A)の繊維層(74)は、樹脂が含浸しておらず、繊維層(74)を構成する繊維自体の物性により、高い可撓性及び伸縮性を有するから、脆性破壊を生じ難く、ファンブレード片の捕捉を良好に行う。これにより、FBO時のコンテインメント性を高めるためにファンシュラウド(52)の板厚を大きくする必要がなくなり、ダクテットファン装置(50)の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記樹脂層(70)は、前記ファンシュラウド(52)の径方向外方側の面のみに設けられている。
この構成によれば、最小限度の積層構造により、ダクテットファン装置(50)の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記樹脂層(70、72)は、前記繊維層(74)の両面に設けられている。
この構成によれば、繊維層(74)が外部に露呈することがなく、繊維層(74)に異物が付着することがない。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、複数の前記繊維層(86、88)及び複数の前記樹脂層(80、82、84)が交互に設けられている。
この構成によれば、複数の繊維層(86、88)の存在により、FBO時のコンテインメント性がより一層高くなる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記樹脂層(70、72、80、82、84)は熱硬化樹脂を含む。
この構成によれば、熱硬化樹脂により機械的強度が高い樹脂層(70、72、80、82、84)が容易に得られる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記樹脂層(70、72)はプリプレグによるものである。
この構成によれば、ファンシュラウド(52)の成形が容易になる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記樹脂層(70、98)のうち最も前記ファンシュラウド(52)の径方向内方側の前記樹脂層(98)は発泡樹脂によるものである。
この構成によれば、FBO時の樹脂層(98)の破壊が容易に行われ、繊維層(74、)によるファンブレード片の捕捉が良好に行われる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記対向部分(A)における前記繊維層(74、86、88)と前記樹脂層(80、82、84)との間に前記繊維層(74、86、88)に対する前記樹脂の含浸を阻止する樹脂絶縁シート(76、78、92、94、96)が配置されている。
この構成によれば、樹脂絶縁シート(76、78、92、94、96)により、対向部分(A)の繊維層(74)に樹脂が含浸していない構造が容易且つ確実に得られる。
上記ダクテットファン装置(10)において、好ましくは、前記繊維層(74、86、88)は高分子繊維及び炭素繊維の少なくとも一方による平織り又は綾織りの織布である。
この構成によれば、繊維層(74、86、88)が網のように作用してFBO時のファンブレード片の捕捉が行われる。
本発明によるダクテットファン装置によれば、軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。
本発明によるダクテットファン装置を適用されたマルチコプタの一つの実施形態を、図1及び図2を参照して説明する。
本実施形態によるマルチコプタ10は、機体12を有する。機体12は、前後に長い直方形状の箱状の主部機体14と、主部機体14の前端から前方に延出し、前方に向かうに従って横幅が小さくなる切頭四角錘形状の箱状の前部機体16と、主部機体14の後端から後方に延出し、後方に向かうに従って横幅が小さくなる切頭四角錘形状の箱状の後部機体18と、前後に長い直方体箱状をなして主部機体14の左側に連接して設けられた左側機体20と、前後に長い直方体箱状をなして主部機体14の右側に連接して設けられた右側機体22とを有する。
前部機体16と後部機体18とは主部機体14の前後方向に延在する中心線に沿って設けられて前後対称の配置である。左側機体20と右側機体22とは、主部機体14の左右両側にあって主部機体14の高さの略1/2の高さを有し、左右対称の配置である。
主部機体14、左側機体20及び右側機体22は、箱状をなしていて、内部に電源バッテリ(不図示)が収納されている。
主部機体14上には箱状の座席台24が取り付けられている。座席台24には乗員用座席26が前向きに取り付けられている。座席台24の前部には乗員用座席26に着座した乗員のための左右のグリップ28を含む固定ハンドル30が取り付けられている。固定ハンドル30或いは乗員用座席26の近傍には飛行操縦装置(不図示)が設けられている。
座席台24には、3軸のジャイロセンサ32、3軸の加速度センサ34、飛行制御装置36及び自律飛行制御装置38が取り付けられている。ジャイロセンサ32は、機体12の姿勢制御が容易且つ適切に行われるべく、平面視で機体12の重心G或いは重心Gに近い位置に配置されている。
機体12の下部には前後方向に長いそり構造の脚体40が取り付けられている。
マルチコプタ10は、図2に示されているように、機体12の重心Gを略中心とする半径R1による第1同心円C1上にあって機体12の前部及び後部に各々左右対称に配置され且つ機体12に取り付けられた揚力発生装置である4個の第1ダクテットファン装置50と、機体12の重心Gを略中心とする第1同心円C1より大径、つまり半径R1により大きい半径R2による第2同心円C2上且つ機体12の前後方向に延在する中心軸線X上にあって機体12の前方及び後方に配置され且つ機体12に取り付けられた揚力発生装置である2個の第2ダクテットファン装置110とを有する。
実施形態1の各第1ダクテットファン装置50は、図1に示されているように、上下に互いに同心に配置された2重反転翼によるものであり、機体12に取り付けられた上下開放の円環形状のファンシュラウド(ダクト)52と、複数の上側アーム54によってファンシュラウド52の中心に配置された上側電動機56と、上側電動機56の回転軸に下向きに取り付けられて上側電動機56によって回転駆動される上側ファンブレード(回転翼)58と、複数の下側アーム60によって上側電動機56と同心配置の下側電動機62と、下側電動機62の回転軸に上向きに取り付けられて下側電動機62によって回転駆動される下側ファンブレード64とを有する。上側ファンブレード58と下側ファンブレード64とは、同心配置で、上下に間隔をおいて互いに対向し、互いに反対方向に回転する。上側電動機56及び上側ファンブレード58と、下側電動機62及び下側ファンブレード64とが各々電動ファンをなす。
ファンシュラウド52は、図3に示されているように、ファンシュラウド52の外周面52Aを構成する外側樹脂層70及びファンシュラウド52の内周面52Bを構成する内側樹脂層72と、外側樹脂層70と内側樹脂層72とに挟まれた繊維層74とを含む多層構造である。つまり、つまり、樹脂層(外側樹脂層70及び内側樹脂層72)は繊維層74の両面に設けられている。
ファンシュラウド52は、軸線方向(図3で見て上下方向)において上側ファンブレード58及び下側ファンブレード64の先端と対向する部分を含む対向部分A、及び対向部分Aの上下に隣接し、ファンブレード58、64の先端と対向しない非対向部分Bを有する。対向部分Aは、FBO時の上側ファンブレード58及び下側ファンブレード64のブレード片の飛散領域に応じて設定される。
外側樹脂層70及び内側樹脂層72は、エポキシ樹脂(EP)等の熱硬化性樹脂、熱硬化性樹脂によるマトリックス樹脂に、ガラス繊維、炭素繊維等による繊維状補強材が含浸されたプリプレグ等によるものである。外側樹脂層70及び内側樹脂層72が熱硬化性樹脂により構成されていることにより、機械的強度が高い外側樹脂層70及び内側樹脂層72が容易に得られる。
図4は、外側樹脂層70及び内側樹脂層72がプリプレグによるものの場合の熱硬化前の分解状態を示されている。プリプレグの使用により、ファンシュラウド52の成形が容易になる。
繊維層74は、アラミド樹脂等による高分子繊維、炭素繊維の織布により構成されている。繊維層74は、好ましくは、図5に示されているように、縦糸74Aがアラミド繊維(APF)により構成され、横糸74Bが炭素繊維により構成された平織り又は綾織りの織布であってよい。
ファンシュラウド52は、非対向部分Bにおいては、繊維層74に外側樹脂層70及び内側樹脂層72を構成する樹脂の一部が含浸し、外側樹脂層70と内側樹脂層72とが繊維層74を挟んで溶着によって互いに結合されている。
ファンシュラウド52は、対向部分Aにおいては、繊維層74に外側樹脂層70及び内側樹脂層72を構成する樹脂が含浸していない。対向部分Aにおいては、繊維層74と外側樹脂層70との間及び繊維層74と内側樹脂層72との間に各々樹脂絶縁シート76、78が配置されている。樹脂絶縁シート76、78は、ポリメタクリルイミド樹脂(PMI)等による独立気泡の発泡樹脂シート等により構成され、成形時に外側樹脂層70及び内側樹脂層72の樹脂が繊維層74に含浸することを阻止する。樹脂絶縁シート76、78の使用により、対向部分Aの繊維層74に樹脂が含浸していない構造が容易且つ確実に得られる。
繊維層74は、対向部分Aにおいては、外側樹脂層70及び内側樹脂層72の樹脂が含浸していないことにより、繊維層74を構成する繊維材(織布)自体の物性により、高い可撓性及び伸縮性を有する。
上述の構成によるファンシュラウド52によれば、非対向部分Bにおいては、繊維層74に外側樹脂層70及び内側樹脂層72を構成する樹脂の一部が含浸し、外側樹脂層70と内側樹脂層72とが繊維層74を挟んで溶着によって互いに結合されているから、高い強度及び剛体が得られる。
ファン回転中の上側ファンブレード58、下側ファンブレード64が破損するFBO時には、上側ファンブレード58、下側ファンブレード64の破損よって発生したファンブレード片は、遠心方力によって径方向外方にファンシュラウド52の内周面52Bのうちの対向部分Aに対応する部分に向けて飛散し、対向部分Aの内側樹脂層72に衝突する。これにより、内側樹脂層72に亀裂等による破壊が生じると、ファンブレード片は、樹脂絶縁シート78を貫通して対向部分Aの繊維層74に突き刺さり、繊維層74に捕捉される。
対向部分Aの繊維層74は、樹脂が含浸しておらず、繊維層74を構成する織布自体の物性により、高い可撓性及び伸縮性を有するから、脆性破壊を生じ難く、網のように作用してファンブレード片の捕捉を良好に行う。これにより、FBO時のコンテインメント性を高めるためにファンシュラウド52の板厚を大きくする必要がなくなり、第1ダクテットファン装置50の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。実施形態1では、繊維層74の両面が外側樹脂層70及び内側樹脂層72によって被覆され、繊維層74が外部に露呈することがないから、繊維層74に異物が付着することがない。
実施形態2の第1ダクテットファン装置50を、図6を参照して説明する。なお、図6において、図3に対応する部分は、図3に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
実施形態2では、実施形態1における内側樹脂層72が省略され、繊維層74がファンシュラウド52の内周面に露呈している。つまり、樹脂層(外側樹脂層70)はファンシュラウド52の径方向外方側の面にのみ設けられている。
実施形態2では、FBO時のファンブレード片は、対向部分Aの繊維層74に直接に突き刺さり、繊維層74に捕捉され、最小限度の積層構造により第1ダクテットファン装置50の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。
実施形態2でも、対向部分Aの繊維層74は、樹脂が含浸しておらず、繊維層74を構成する織布自体の物性により、高い可撓性及び伸縮性を有するから、脆性破壊を生じ難く、ファンブレード片の捕捉を良好に行う。これにより、FBO時のコンテインメント性を高めるためにファンシュラウド52の板厚を大きくする必要がなく、第1ダクテットファン装置50の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。内側樹脂層72が省略されるから、内側樹脂層72の破壊を観ることがない。
実施形態3の第1ダクテットファン装置50を、図7を参照して説明する。なお、図7において、図3に対応する部分は、図3に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
実施形態3では、ファンシュラウド52の外周面52Aを構成する外側樹脂層80と、ファンシュラウド52の内周面52Bを構成する内側樹脂層82と、外側樹脂層80と内側樹脂層82との間に配置された中間樹脂層84と、外側樹脂層80と中間樹脂層84とに挟まれた繊維層86と、内側樹脂層82と中間樹脂層84とに挟まれた繊維層88とを含む多層構造になっている。
対向部分Aにおける繊維層86と外側樹脂層70との間、繊維層86と中間樹脂層84との間、繊維層88と中間樹脂層84との間、繊維層88と内側樹脂層82との間の各々には樹脂絶縁シート90、92、94、96が配置されている。
実施形態3では、FBO時のファンブレード片は、内側樹脂層82を破壊して対向部分Aの繊維層88に突き刺さり、繊維層74に捕捉される。ファンブレード片が繊維層74を通過しても、ファンブレード片は、中間樹脂層84を破壊して対向部分Aの繊維層86突き刺さり、繊維層74或いは76の何れかによって捕捉される。これにより、FBO時のコンテインメント性がより一層向上する。
実施形態4の第1ダクテットファン装置50を、図8を参照して説明する。なお、図8において、図3に対応する部分は、図3に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
実施形態4では、実施形態3との相違点として、外側樹脂層80と中間樹脂層84との間には樹脂絶縁シート90、92が設けられていない。外側樹脂層80と繊維層86と中間樹脂層84とによる多層構造部は、その全体が高い剛性を示すから、ファンシュラウド52の強度が向上する。
尚、図示しないが、外側樹脂層80と中間樹脂層84との間には樹脂絶縁シート90、92を設け、内側樹脂層82と中間樹脂層84との間には樹脂絶縁シート90、92を設けない積層構造としてもよい。
実施形態5の第1ダクテットファン装置50を、図9を参照して説明する。なお、図9において、図3に対応する部分は、図3に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
実施形態4では、内側樹脂層98がポリメタクリルイミド樹脂(PMI)等による独立気泡の発泡樹脂によって構成されている。内側樹脂層98は、非対向部分Bにおいてフィルム接着剤による接着層100によって繊維層86に貼着されている。
実施形態4では、繊維層74は、対向部分Aにおいては、外側樹脂層70の樹脂が含浸しておらず、内側樹脂層98が貼り合わせられていないから、繊維層74を構成する繊維材(織布)自体の物性により、高い可撓性及び伸縮性を有する。
実施形態4では、FBO時のファンブレード片は、内側樹脂層98を破壊して対向部分Aの繊維層74に突き刺さり、繊維層74に捕捉される。これにより、FBO時のコンテインメント性を高めるためにファンシュラウド52の板厚を大きくする必要がなく、第1ダクテットファン装置50の軽量化を阻害することなくFBO時のコンテインメント性が高くなる。
第2ダクテットファン装置110は第1ダクテットファン装置50と実質的に同一の構造であるので、第2ダクテットファン装置110の説明は省略する。
以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、対向部分Aにおいて繊維層74は樹脂が含浸しないようにすることは、樹脂絶縁シート76等によらずに、ファンシュラウド52の成形時の外側樹脂層70、内側樹脂層72の溶融、硬化を非対向部分Bに限定すること等によって行うこともできる。
ファンシュラウド52は、図10に示されているように、中空構造であってもよい。この場合には、中空構造体の内壁(上側ファンブレード58及び下側ファンブレード64に臨む側)による対向部分Aにのみ樹脂絶縁シート76、78が設けられ、それ以外の部分は、樹脂絶縁シート76、78を含まず、外側樹脂層70、繊維層74、内側樹脂層72による積層構造であってよい。これにより、対向部分A以外にも樹脂絶縁シート76、78が設けられている場合よりファンシュラウド52の強度が向上する。
尚、図示しないが、中空構造体の外壁(上側ファンブレード58及び下側ファンブレード64に臨む側とは反対側)による対向部分にのみ樹脂絶縁シート76、78が設けられ、それ以外の部分は、樹脂絶縁シート76、78を含まず、外側樹脂層70、繊維層74、内側樹脂層72による積層構造であってもよい。
上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
10 :マルチコプタ
12 :機体
14 :主部機体
16 :前部機体
18 :後部機体
20 :左側機体
22 :右側機体
24 :座席台
26 :乗員用座席
28 :グリップ
30 :固定ハンドル
32 :ジャイロセンサ
34 :加速度センサ
36 :飛行制御装置
38 :自律飛行制御装置
40 :脚体
50 :第1ダクテットファン装置
52 :ファンシュラウド
52A :外周面
52B :内周面
54 :上側アーム
56 :上側電動機
58 :上側ファンブレード
60 :下側アーム
62 :下側電動機
64 :下側ファンブレード
70 :外側樹脂層
72 :内側樹脂層
74 :繊維層
74A :縦糸
74B :横糸
76 :樹脂絶縁シート
78 :樹脂絶縁シート
80 :外側樹脂層
82 :内側樹脂層
84 :中間樹脂層
86 :繊維層
88 :繊維層
90 :樹脂絶縁シート
92 :樹脂絶縁シート
94 :樹脂絶縁シート
96 :樹脂絶縁シート
98 :内側樹脂層
100 :接着層
110 :第2ダクテットファン装置
A :対向部分
B :非対向部分
12 :機体
14 :主部機体
16 :前部機体
18 :後部機体
20 :左側機体
22 :右側機体
24 :座席台
26 :乗員用座席
28 :グリップ
30 :固定ハンドル
32 :ジャイロセンサ
34 :加速度センサ
36 :飛行制御装置
38 :自律飛行制御装置
40 :脚体
50 :第1ダクテットファン装置
52 :ファンシュラウド
52A :外周面
52B :内周面
54 :上側アーム
56 :上側電動機
58 :上側ファンブレード
60 :下側アーム
62 :下側電動機
64 :下側ファンブレード
70 :外側樹脂層
72 :内側樹脂層
74 :繊維層
74A :縦糸
74B :横糸
76 :樹脂絶縁シート
78 :樹脂絶縁シート
80 :外側樹脂層
82 :内側樹脂層
84 :中間樹脂層
86 :繊維層
88 :繊維層
90 :樹脂絶縁シート
92 :樹脂絶縁シート
94 :樹脂絶縁シート
96 :樹脂絶縁シート
98 :内側樹脂層
100 :接着層
110 :第2ダクテットファン装置
A :対向部分
B :非対向部分
Claims (9)
- 平面視で円環形状のファンシュラウドと、前記ファンシュラウドの中心に配置されたファンブレードを有する電動ファンとを有するダクテットファン装置であって、
前記ファンシュラウドは、少なくとも一つの繊維層及び少なくとも一つの樹脂層を含む多層構造であり、軸線方向において前記ファンブレードの先端と対向する部分を含む対向部分及び前記ファンブレードの先端と対向しない非対向部分を有し、
前記非対向部分においては前記繊維層に前記樹脂層を構成する樹脂の一部が含浸し、前記対向部分においては前記繊維層に前記樹脂層を構成する樹脂が含浸していないダクテットファン装置。 - 前記樹脂層は、前記繊維層の、前記ファンシュラウドの径方向外方側の面のみに設けられている請求項1に記載のダクテットファン装置。
- 前記樹脂層は、前記繊維層の両面に設けられている請求項1に記載のダクテットファン装置。
- 複数の前記繊維層及び複数の前記樹脂層が交互に設けられている請求項1に記載のダクテットファン装置。
- 前記樹脂層は熱硬化樹脂を含む請求項1〜4の何れか一項に記載のダクテットファン装置。
- 前記樹脂層はプリプレグによるものである請求項1〜4の何れか一項に記載のダクテットファン装置。
- 前記樹脂層のうち最も前記ファンシュラウドの径方向内方側の前記樹脂層は発泡樹脂によるものである請求項1〜4の何れか一項に記載のダクテットファン装置。
- 前記対向部分における前記繊維層と前記樹脂層との間に前記繊維層に対する前記樹脂の含浸を阻止する樹脂絶縁シートが配置されている請求項1〜4の何れか一項に記載のダクテットファン装置。
- 前記繊維層は高分子繊維及び炭素繊維の少なくとも一方による平織り又は綾織りの織布である請求項1〜4の何れか一項に記載のダクテットファン装置。
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