JPH027398A - スパーク抑止装置および抑止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電気的スパークの発生を抑制することに係り
、より詳細には、所要の位置に留め具を取り囲むように
取り付けられて、可燃物又は可燃性蒸気から電気的スパ
ークを発生させないようにする蓋に関する。

［従来の技術］ 複合材料を航空機の構造体に使用する傾向は年を追って
顕著になっている。複合材料で作られている部材は、航
空機の翼面パネル、及び、燃料タンクの取付は部材に使
用されている。複合材料で作られている部材には軽量で
あって大きい強度を有するという長所がある。

複合材料としては例えばグラファイトとエポキシ樹脂と
から成る複合材料があり、この複合材料を含めて、複合
材料で作られている部材は表面部分と内部とを含んでお
り、この表面部分が電気的絶縁性を有する材料で作られ
ており、前記内部が室温における熱伝導度が金属より小
さい。複合材料で作られている部材は金属製のボルトに
よって相互に固定されると共に金属製部材に固定されて
いる。電荷は複合材料で作られている部材の表面部分及
び内部を移動し、移動する電荷の電流密度が結合部の導
電能力を越えた場合に、前記複合材料で作られている部
材から前記金属製留め具に達するアーク放電が発生する
。

［発明が解決しようとする課題］ 雷を受けた時にアークが複合材料で作られている部材か
ら金属製部材に走るような状態で発生する放電が特に危
険である。被雷峙には非常に短時間ではあるが電流が２
００，０００ボルトに達し、電圧が２００，０００アン
ペアに達することがある。航空機が被雷した時には、そ
の航空機の複合材料で作られている部材に大きい電荷が
発生する。

その複合材料から金属製の留め具に到達するアーク放電
が発生した時には、非常に大きいエネルギーが短時間の
うちに拡がる。このエネルギーは、発生したアークの周
囲の空気を加熱する熱エネルギーを含んでいる。他方、
複合材料で作られている部材も、加熱されて小さい粒子
になり、さらにガスに変化することがある。また、複合
材料又は金属で作られている留め具の小さい粒子は、加
熱された時に、その複合材料で作られている部材の温度
を非常に短時間のうちに上昇させて、その部材を破壊す
るという問題がある。被電、被電による熱の発生、及び
、圧力の上昇によって、前記小さい粒子になった複合材
料が噴出し、この噴出した小さい粒子がアークを助長し
て、そのアークを、その発生箇所から数メートル（数フ
ィート）離れている部分まで到達させるように増大させ
ることがある。

燃料タンクの近傍でアークが発生する場合には、スパー
クが発生しても、そのスパークで燃料又は燃料の蒸気に
着火しないようにすることが極めて重要である。

この問題を解消する一つの方法として、誘電性を有する
スパーク発生防止用部材、すなわち、バリアを使用し、
このバリアを用いて留め具を覆い、複合材料で作られて
いる部材と留め具との境界部分を取り囲むように取り付
けることによってアークの発生を防止する方法があり、
その−例が米国特許類４，３８２，０４９号明細書に記
載されている。しかしながら、この方法を採用した場合
には、前記金属製の留め具の数が非常に多く、数千にも
なるから、経費がかさみ時間がかかるという問題が発生
する。

本発明は、複合材料で作られている部材と留め具との境
界部分を取り囲む蓋であり、前記境界部分が比較的大量
のガスを有し、前記ガスがス゛パークを閉じこめる構造
である蓋を提供することを目的としている。

また、本発明は、気密に密閉することができる蓋であり
、内部に大量の空気を含み、この大量の空気によって、
アーク放電が発生した時の前記蓋の内部の空気の温度の
上昇を防止し、この温度の上昇を防止することによって
前記空気の圧力の増大を防止する構造を有する蓋を提供
することを目的としている。

本発明は、さらに、留め具を取り囲む空隙であり、この
空隙がこの空隙より小さい空隙で上昇した圧力を充分に
吸収し得る大きさを有し、この大きさによって、この空
隙より小さい空隙からスパークが数十センチメートル（
数フィート）も飛ばないようにする空隙を提供すること
を目的としている。

し課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は複合材料で作られ
ている部材と留め具とに取り付けられる電気絶縁性を有
するシール用の蓋を提供する。この蓋は留め具から離さ
れており、複合材料で作られている部材と留め具との境
界部分の周囲にガスを存在させ、このガスを用いて、ア
ーク放電のエネルギーを吸収する。このガスの容積は、
スパークのエネルギーと、そのスパークが存続する時間
に比べれば大きい容積である。

［作　用］ 上記のように構成された蓋は、スパークが複合材料で作
られている部材から留め具に達するように発生する時に
、前記留め具の周囲を取り囲んでいる容積の空気の圧力
及び温度の変化が非常に小さいから、これによって、前
記容積の空気が空気の高い圧力を吸収する作用をする。

［発明の効果コ この構造によって、スパークが留め具から伸び出さない
ように、スパークを封じ込め、アーク放電の発生を抑制
することができる。

［実施例］ 実施例について図を参照して説明すると、第１図におい
て、留め具１０はボルト状部祠であり、ねじ部を有する
。この留め具１０は、２つの複合材料で作られている部
材２０．２２を取り付けるために使用される。この複合
材料で作られている部材は、荷重が加えられた時に、こ
の荷重の作用によって、第１図に矢印で示すように、反
対方向に引っ張られる。この複合材料で作られている部
材に作用する力の作用で、留め具と複合材料で作られて
いる部材との間に、小さい空隙が形成される。荷重が加
えられない時にも、これと同様の空隙が留め具に存在す
ることがある。これらの空隙は、ボルト２６の頭部と表
面１２との間の部分に、第１図に示すような空隙３０の
形で存在することもある。これと同様に、空隙３２が表
面１９とナツト２４との間の部分に形成されることもあ
る。

また、空隙３４がボルトのシャフト２８と複合材料で作
られている部材との間の部分に形成されることもある。

アーク放電が、表面１２から空隙３０を貫いてボルトの
頭部２６に到達するように発生することがある。これと
同様に、アーク放電が、ナツト２４と表面１９との間で
空隙２３を横断するように発生することもある。カーボ
ン又はエポキシ樹脂が固体からガスに変化した時には、
それまでに空隙が存在していなかった場合、或いは、空
隙が存在していても非常に小さい場合でも、大きい空隙
が形成される。このようなアーク放電が発生するのは、
アーク放電によって発生する電流密度が、留め具と複合
材料で作られている部材との結合部分の電流を通し得る
能力、すなわち、導電能力を越えた時である。このアー
ク放電は、空隙がない場合にも発生することがある。ま
た、複合材料で作られている部材の内部１６．１７で、
シャフト２８まで、空隙３４を横断するように、アーク
放電が発生することもある。これらの空隙は通常、非常
に小さく、かつ、空気で満たされている。この空隙を横
断するようにアーク放電が発生した時には、この空隙の
内部の空気が急速に非常に高い温度まで加熱される。そ
の温度はアークの温度に近い温度である。この空隙が非
常に小さい場合には、アーク放電の加熱作用のために、
前記空隙の内部の空気の圧力が非常に高くなる。この高
温高圧にされた空気は、前記空隙から、非常に大きい力
を伴なって噴出する。このアーク放電によって発生する
力はエネルギーが大きく温度が高いものであり、その程
度は、カーボン又はボキシ樹脂の非常に小さい粒子を非
常に短時間のうちに固体から気体に変化させ、さらに、
前記空隙の内部の圧力を増大させることができるほどで
あることが珍しくない。

金属、カーボン、又はエポキシ樹脂の小さい粒子は、非
常に高温に加熱されれば、構造体のアーク放電の発生部
位に吹ぎ付けられて、その部位を破壊する。スパークは
高温の前記粒子を含んでおり、この粒子を前記空隙から
高圧空気を非常に大きいエネルギーと共に噴出させる。

この高温の粒子を含んだスパークは、前記空隙の大きさ
、ガスの増大した圧力、或いは、粒子の大きさ等に応じ
て、空隙からかなり遠くまで噴出するものであり、その
距離は、例えば６０．９６ないし１１５．４４センチメ
ートル（２ないし３フイート）である。しかも、この噴
出した粒子は、飛んでいる間、高温の状態を維持してお
り、この温度は燃料又は可燃物に管火させることができ
る温度である。従って、燃料タンクの燃料がガス状にな
って形成する燃ｔ１の蒸気、電気配線の近傍の部分、或
いは、可燃性を有する積荷等に、アーク放電すなわちス
パークが発生した時には非常に危険な状態になっている
。

本発明においては、キャップ５０はプラスチック材料で
作られている。このキャップ５０は複合材料で作られた
部材２２の表面１９に固定され、さらに、留め具の端部
にも取り付けられて、空隙４０の内部にガス４１を閉じ
こめる作用をする。

このキャップは複合材料で作られている部材２２と留め
具１０との間の境界部分のガスをも閉じこめる作用をす
る。燃料タンクのシール材５１はポリサルファイド・ゴ
ム、又は、その他の適当な材料で作られており、キャッ
プ５０の周囲に適用される。、このシール部材５１は空
隙４０の周囲を気密にシールする作用を行う。この空隙
４０は、航空機が使用されている間、常に存在するもの
である。プラスチック材料で作られているキャップ５０
は留め具から離れるように取り付けられ、このキャップ
５０の何れの部分も留め具に接触してはいない。空間５
２はキャップと留め具との間の部位に留め具を取り囲む
ように設けられており、複合材料で作られている部材の
表面１９に沿っている。また、空隙４０は、留め具及び
ナツトの周囲に設けられており、その容積は既知であり
、空気４１で満たされていて、本発明に基づくアーク放
電を抑制する作用を行う。

第２図に示す留め具はナツトがスパークを発生させない
範囲例えば燃料タンクに取り付けられ、頭部が「スパー
クを発生させても差し支えない」範囲に取り付けられる
。このボルトの頭部２６は燃料タンクの外部で延びてお
り、本発明のキャップ５０で覆われることはない。

留め具と複合材料で作られている部材との間に発生する
アークは、キャップ５０の内部のガス４１によって取り
囲まれる。空隙の内部の圧力は、空隙の容積とスパーク
による空気の加熱作用とに比例して上昇する。アークが
存在する時間は非常に短時間であるから、ガスが加熱さ
れる時間も非常に短時間であり、そのガスが加圧される
時間も非常に短時間である。ガス４１の容積が比較的大
きい場合には、そのガスの温度も圧力も、殆ど上昇しな
い。空隙４０の中のガス４１は圧縮性を有し、留め具と
複合材料で作られている部材との間に形成されて空気で
充填されている空隙に送り込まれる。符号３４を用いて
表しであるような小さい空隙から噴出する高圧ガスを空
隙４ｏの中の大量のガスに導入すれば、留め具からスパ
ークが発生しても、このスパークが外部に漏れ出ないよ
うにする作用を、空隙４０の中の大量のガスにさせるこ
とができる。このようにすれば、スパークと、高温のガ
スと、エポキシ樹脂、カーボン、或いはチタン等の高温
の粒子をキャップ５ｏの中に止どめておくことができ、
従って、小さい空隙がら数十ミリメートル（数インチ）
或いは約数十センチメートル（数フィート）も噴出され
るのを防′止することができる。

空隙の高温のアークの作用は、小さい空隙３４の場合も
大きい空隙４０の場合も、次式で表される理想気体の状
態方程式 ％式％（１） を用いて求めることができる。ここに、ｐは圧力、■は
ガスの容積、ｎはガスのモル数、Ｒは一般ガス定数、Ｔ
は温度である。空隙が非常に小さく、その中のガスの容
積が非常に小さい場合には、温度の変化に対応して、空
隙の内部の圧力が非常に大きくなる。キャップ５０が空
隙４０の中に封じ込めるガス４１の容積は、複合材料で
作られている部材と留め具との間の部分にアーク放電が
発生している間に温度の変化によって生じる容積の変化
量よりも非常に大きいから、このアーク放電が発生して
いる時に発生する圧力の変化は小さい。

これに対して、ガス４１の容積が非常に小さい場合には
、その空隙の中のガスの圧力が非常に大きくなり、その
圧力が複合材料で作られている部材からキャップ５０を
吹き飛ばす。この不具合を回避するために、ガス４１全
体の温度変化と圧力変化とを充分に小さく押さえるため
には、空隙４０の中のガスの容積を充分に大きくしなけ
ればならない。

空隙４０の中のガスの全体の温度の変化は、次式 ％式％（２） を用いて算出することができる。

この（２）式を△Ｔについて解けば、次式ΔＴ＝Ｑ／ρ
ＶＣｐ　　　　　　　　（３）が得られる。ここに、Ｑ
は発生熱量、ρはガスの密度、Ｃｐはガスの熱容積、■
は空隙４ｏの中のガス４１の容積、八Ｔは空隙４０の中
のガス４１の温度変化である。この空隙の中のガスが標
準の温度及び圧力の空気であると仮定すれば、ガスの密
度ρは１．２０２キログラム毎立方メートル（０，０７
５ポンド毎立方フィート）に等しく、ガスの熱容積Ｃｐ
は０．２４ＢＴＵ毎ポンド華氏温度に等しく、また、留
め具がチタンで作られ、複合材料で作られている部材が
グラファイトとエポキシ樹脂から成る場合に、アーク放
電によって発生する熱ｍＱは、各種の試験の結果に基づ
いて１．１９４５ｘｌＯ−５キロカロリー（４，７４Ｘ
１０’ＢＴＵ）である。前記各位を（３）式に代入すれ
ば、次式 ％式％（４） が得られる。この式における空隙４ｏの中の空気の量は
立方インチで表される。空気の容積が４．０９７５立方
センチメートル（０，２５立方インチ）である場合にお
ける、この空気の温度の上昇は摂氏１，０１度（華氏１
．８２度）である。

この温度上昇はキャップ５０とシール部材５１に部分的
に吸収されるので、燃料タンクの中の空気と燃料の蒸気
との温度上昇の値は許容可能の範囲に入り得る程度に充
分に非常に小さい。また、温度Ｔが摂氏１６０１度（華
氏１．８２度）より高く、容積Ｖが一定である場合には
、（１）式、すなわち、状態方程式ｐＶ−ｎＲＴによっ
て算出される圧力上昇の値は非常に小さい。従って、キ
ャップ５０とゴ、ム製シール部材５１とを用いて空隙４
０の中に封じ込めたガスは、スパークの発生を抑制する
ことができる。この容積を有するガスは高温になってい
る小さい粒子のエネルギーを吸収することができるから
、プラスチック材料で作られているキャップが燃えるこ
とはない。

空隙４０の容積は、必要に応じて、大きくすることがで
きる。この空隙４０の容積を、例えば、８．１９５立方
センチメートル（０，５立方インチ）にすれば、その温
度の上昇を摂氏０．　５０６度（華氏０．９１度）にす
ることができる。しかしながら、容積を大きくするため
にはキャップ５０をさらに大きくしなければならず、こ
のキャップ５０を大きくすれば重量が非常に増加する。

これに対して、小さいキャップを使用すれば空隙４０の
容積が小さくなり、そのために圧力が非常に上昇し、複
合材料で作られている部材からキャップを吹き飛ばすと
いう結果を招く。これを具体的に説明すれば、例えば、
空隙の容積を０．０１６４立方センチメートル（０，０
１立方インチ）にした場合には、温度が摂氏 ２５．２７８度（華氏４５．５度）上昇し、空隙の容積
を０．０１８０３立方ミリメートル（０，００１１立方
インチ）にした場合には温度が摂氏２５２．８度（華氏
４５５．０４度）上昇する。この２つの温度の値はいず
れも許容範囲には入らない。空隙４０の好ましい大きさ
は、留め具が約６．３５ミリメートル（約１／′４イン
チ）のチタンで作られていて、グラファイトとエポキシ
樹脂で作られている部材が取り付けられている場合には
、この空隙４０の中の空気は標準状態で２．４５８５な
いし４．９１７立方センチメートル（０，１５ないし０
．３立方インチ）になる大きさである。

この空隙４０の中の空気の量は、グラファイトとエポキ
シ樹脂とから成る複合材料で作られている部材を使用す
る場合を基礎として算出して、標準状態の空気に換算し
たガスの値である。異なるガスを使用する場合には、温
度及び圧力の増加する量を吸収するために必要なガスの
量は変化する。

その値は既に説明した方法を用いて求めることができる
。

空隙４０の中の空気の量は、グラファイトとエポキシ樹
脂から成る複合材料で作られている部材によって決まる
。この部材はガラス繊維又は発泡材料等の材料を用いて
作ることができ、これらの材料には電気的絶縁性を有す
る材料が含められる。

これとは異なる複合材料を使用する場合には前記ガスの
所要量は変化する。

空隙４０を形成するために必要なキャップ５゜の大きさ
は空気の所要量によって決まる。その場合には、キャッ
プ５０で囲まれる部分の内部まで留め具１０を延ばすこ
とも考慮しなければならない。留め具１０とナツト２を
キャップの中に充分に延ばす場合には、キャップ５０の
寸法を、第３図に示すように、所要の量の空気を空隙４
０の中に取り囲むことができるように大きくしなければ
ならない。留め具をキャップの内部まで延ばさない場合
には、そのキャップをやや小さくすることができる。こ
の場合には、第３図に示すように、キャップ５０より小
さいキャップ５０ａを用いても、キャップ５０を用いた
時と同じ空気の二にすることができる。

留め具の周囲を取り囲んでいる空間５２は、複合材料で
作られている部材と留め具との間に形成されている空隙
を大きい空隙４ｏに接続する作用をする。複合材料で作
られている構造体とナツトとの間に形成される空隙は非
常に小さいから、この空隙の内部のガスを、キャップ５
０で取り囲まれている空隙の中の大量の空気に逃がすこ
とによって、ガスの全体の圧力の変化を小さくすること
ができる。

第３図に示すキャップ５０．５０８のアーク放電を抑制
する作用及び特徴は、第２図を参照して説明したキャッ
プの作用及び特徴と同様である。

第３図に示す形態においては、保護キャップは留め具の
両端部の空隙に施されて、スパークを抑制する作用をし
ている。

第４図に示す形態の場合には、ゴムのシール材なしにキ
ャップ５０を使用している。このキャップは、複合材料
で作られている部材２２の表面１９に、適当な接着剤６
０で保持されている。ゴムのシール材を使用ない構造の
キャップも、既に第２図を参照して説明した本発明の長
所と同様の長所を備えている。第４図に示す形態の構造
体は、第２図に示したゴムのシール材で囲まれている形
態の構造体よりも非常に軽い。このゴムのシール材はキ
ャップを腐蝕性を有する燃料の蒸気から保護するために
使用することができる。また、キャップ５０を必要に応
じて非腐蝕性材料で作ることができる。また、このキャ
ップ５０を、腐蝕性燃料を接触させない部分に取り付け
ることも可能である。さらに、このキャップを耐火性材
料で作ることもできる。

キャップ５０を用いて、複合材料で作られている部材を
気密にシールすることができる。このようにすれば、加
熱された粒子又はスパークを噴出させることがなく、空
気の瓜を多くして、如何なる高度においてもガス及び粒
子を充分に冷却し得るようにすることが可能になる。ま
た、航空機によっては、必要に応じて、キャップ５０に
空゛気の逃気口を設けることもできる。ただし、燃料タ
ンク等のスパークの発生を完全に防止しなければならな
い部分では、このキャップ５０に空気の逃気口を設けて
はならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は新規なキャップを使用することなく２つの複合
部材を貫く留め具の部分断面図、第２図は新規なキャッ
プによって一方の端部のみが閉じられている留め具の部
分断面図、第３図は両端部が閉じられている留め具の部
分断面図、第４図はキャップを構造体に接続する他の形
態の図である。 １０・・・留め具、１２・・・ボルトの表面、１６゜１
７・・・複合材料で作られている部材の内部、２０゜２
２・・・複合材料で作られている部材、２６・・・ボル
ト、３４・・・小さい空隙から噴出する高圧ガス、４０
・・・空隙、４１・・・キャップの内部のガス、５０゜
５０ａ・・・プラスチック材料で作られているキャップ
、５１・・・燃料タンクのシール部材、５２・・・空隙
、６０・・・接着剤。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複合材料で作られている第１部材と； 複合材料で作られている第２部材と； 前記第１部材を貫いて前記第２部材の内部まで延びて前
   記第１部材と前記第２部材とを結合する導電性を有する
   留め具と； 前記第１部材に前記第１部材を取り囲むように取り付け
   られて前記第１部材を気密にシールすると共に前記留め
   具から離された状態に取り付けられて前記留め具との間
   に空気で満たされた空隙を形成する作用をする電気的絶
   縁性を有する蓋とを有して成るスパーク抑止装置。 ２、前記空隙の中の前記ガスの容積が ２．４５９ないし４．９１７立方センチメートル（０．
   １５ないし０．３立方インチ）である請求項１に記載の
   スパーク抑止装置。 ３、前記ガスが標準の温度及び圧力における空気である
   請求項１又は２に記載のスパーク抑止装置。 ４、前記空隙の内部の前記ガスの容積がアーク放電と式
   ΔＴ＝Ｑ／ρＶＣｐとに基因する温度上昇を摂氏１．１
   １１度（華氏２度）未満に止どめることができる容積で
   ある前記請求項のいずれかに記載のスパーク抑止装置。 ５、さらに、電気的絶縁性を有する蓋を含み、前記蓋が
   前記留め具に前記留め具を気密にシールするように取り
   付けられると共に前記留め具から離れる状態になるよう
   に取り付けられて、前記留め具と前記蓋との間にガスで
   満たされた空隙を形成する前記請求項のいずれかに記載
   のスパーク抑止装置。 ６、さらに、ゴムで作られたシール材を含み、前記シー
   ル材が前記蓋を取り囲んで腐蝕性を有する燃料から前記
   蓋を保護する作用を行う構造である前記請求項のいずれ
   かに記載のスパーク抑止装置。 ７、複合材料で作られた部材から発生して前記複合材料
   で作られている部材に結合された金属製の留め具に到達
   するアーク放電の発生を抑止するためのスパーク抑止方
   法において、前記複合材料で作られている部材と前記留
   め具との境界部分を取り囲んでいるガスを、前記複合材
   料で作られている部材に取り付けられた電気的絶縁性を
   有する蓋を用いて気密に取り囲み、前記ガスが圧縮され
   て前記アーク放電のエネルギーを吸収するスパーク抑止
   方法。 ８、前記蓋の周囲にゴムによるシール部分を形成し、前
   記シール部分が前記ガスを取り囲む補助気密シールを形
   成する前記請求項７に記載のスパーク抑止方法。 ９、前記蓋が前記複合材料で作られている部材に取り付
   けられると共に前記留め具から離された状態で取り付け
   られる構造である前記請求項７に記載のスパーク抑止方
   法。 １０、前記留め具が前記複合材料で作られている部材か
   ら突出すると共に前記第１部材を貫いて延びており、ガ
   スが前記留め具を部分的に取り囲んでおり、前記ガスが
   前記第１部材と前記留め具との間にアーク放電が発生す
   ることを抑制する作用を行う構造である前記請求項のい
   ずれかに記載の装置。 １１、前記留め具がプラスチック材料で作られている構
   造を有する前記請求項１ないし６及び１０のいずれかに
   記載の装置。 １２、前記部材がグラファイトとエポキシ樹脂とを含ん
   だ構造である前記請求項１ないし６及び１０のいずれか
   に記載の装置。 １３、前記第１部材がガラス繊維を含んで成る構造であ
   る前記請求項１ないし６及び１０のいずれかに記載の装
   置。 １４、前記第２部材が金属製の部材である構造を有する
   前記請求項１ないし６及び１０ないし１３のいずれかに
   記載の装置。 １５、前記表面が航空機の燃料タンクの内面である前記
   請求項１０ないし１４のいずれかに記載の装置。