KR101975073B1 - 전자기 효과 보호를 제공하는 파스너 시스템 - Google Patents

전자기 효과 보호를 제공하는 파스너 시스템 Download PDF

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Abstract

파스너는, 부재의 스택에 삽입되고, 전자기 효과(EME)에 대해 보호하기 위해건조한 유전체 코팅 및 선택 위치에서의 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나를 갖는 부품으로 종단된다.

Description

전자기 효과 보호를 제공하는 파스너 시스템{FASTENER SYSTEMS THAT PROVIDE EME PROTECTION}
경량 복합 재료는 항공기 산업 용도로 발전할 가능성을 갖고 있다. 섬유 복합 재료는 기존의 금속 합금보다 특정 강도 및 강성의 상당한 개선을 제공한다. 더 나은 특정 강도 및 강성은 연료 절감 및 더 낮은 조작 비용으로 이어지는 무게 저감(경량화)으로 이어진다. 추가적으로, 복합 재료는 알루미늄처럼 부식하지 않으며, 그것들은 피로에 더 저항력이 있다.
이들 항공기의 복합 구조는 낙뢰(lightning strikes)에 의해 발생되는 극단적인 전류 및 전자기력에서 쉽게 퇴장하지 않는다.
복합 구조를 가진 항공기는 낙뢰로부터의 전자기 효과(electromagnetic effects, EME)에 대해 보호를 갖출 수 있다. 예를 들어, 밑에 있는 금속 파스너 시스템에서 떠나서 번개 전류를 우회시키기 위해 도전성 매체가 표면에 제공될 수 있다. 게다가, 파스너 부분과, 파스너 부분과 구조 부재 사이의 간극과의 사이의 간극은 유전체 실란트(sealant, 밀봉재)로 충전될 수 있다. 일부 전류가 우회되지 않았다고 하더라도, 실란트는 간극을 가로지르는 아크 방전(arcing)이나 스파크(sparking, 불꽃)를 방지한다.
실란트는 EME 보호를 제공한다. 그렇지만, 실란트를 주입하는 프로세스는 표면 세정, 실란트 경화 및 과충전 제거를 포함하는 다수의 단계를 수반하기 때문에 시간을 소비한다. 게다가, 실란트는 항공기에 무게를 추가한다. 싱글 파스너 시스템에 추가되는 무게는 대수롭지 않게 보일지도 모른다. 그렇지만, 단일 항공기의 수만의 파스너에 실란트를 적용하는 것은 수백 파운드를 추가할 수 있다.
여기에서 실시예에 따르면, 본 방법은 부재의 스택 내에 파스너를 삽입하는 단계와, 전자기 효과(EME)에 대해 보호하기 위해 선택 위치에서 건조한 유전체 코팅 및 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나를 갖는 부품으로 파스너를 종단하는 단계를 구비한다.
여기에서 다른 실시예에 따르면, 파스너는 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트(interlocking site, 연결 위치)를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드; 및 헤드의 상부 표면을 피복하는 건조한 유전체층을 구비한다. 유전체층은 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹(interlocking, 연결)된다.
여기에서 다른 실시예에 따르면, 파스너를 종단하기 위한 부품이 중앙 개구부를 갖는 파스너 종단 바디(fastener termination body)와, EME 영향에 대해 보호하기 위한 적어도 하나의 기능부를 구비한다. 적어도 하나의 기능부는 선택 위치에서 중앙 개구부를 피복하는 유전체 코팅 및 유전체 씰 중 적어도 하나를 포함한다. 씰(seal)은 바디에 고정되어 있다. 코팅 및 씰은 낙뢰 전류를 억제하기 위한 두께 및 조성을 가진다. 선택 위치는 말단 위치(distal location)와 기단 위치(proximal location) 중 적어도 하나를 포함한다.
여기에서 다른 실시예에 따르면, 체결 시스템(fastening system)은 파스너, 적어도 하나의 파스너 종단 부품, 및 파스너와 각 파스너 종단 부품을 위한 EME 보호 기능부를 구비하고 있다. EME 보호 기능부는, 파스너의 샤프트 상의 도전성 수지 코팅, 파스너의 헤드 상의 인터로킹된 유전체 커버, 파스너 헤드의 기단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 말단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 기단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 말단 위치의 유전체 코팅, 및 종단 부품의 기단 위치의 유전체 코팅으로 이루어진 그룹으로부터 취해진다.
요약하면, 본 발명의 하나의 태양(aspect)에 따르면, 파스너를 부재의 스택에 삽입하는 단계와, 전자기 효과(EME)에 대해 보호하기 위해 선택 위치에서 건조한 절연 코팅 및 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나를 갖는 부품으로 파스너를 종단하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 바람직하게는, 이 방법은 아크 방전(arcing), 스파크(sparking) 및 뜨거운 입자 분출에 대해 보호하기 위해 사용되고, 상기 코팅은 아크 방전 및 스파크로부터 보호하기 위해 사용되는 씰을 포함하고 있다. 바람직하게는, 이 방법은 상기 부재가 복합 재료로 만들어지는 적어도 하나의 항공기 부재이다. 바람직하게는, 이 방법은 상기 부재가 항공기 외판(skin) 및 금속 부재를 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 이 방법은 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가 스택의 관통 구멍 내에 전기적으로 도전성 입자를 포함하는 건조한 수지로 코팅된 파스너 샤프트를 끼워 넣는 단계를 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 이 방법은 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가 스택의 관통 구멍 내에 파스너 샤프트을 끼워 넣는 단계를 포함하되, 파스너가 헤드 및 이 헤드의 말단 위치에 있는 유전체 씰을 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 이 방법은 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드를 삽입하는 단계를 포함하되, 유전체층은 헤드의 상부 표면을 피복하고, 유전체가 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹되도록 되어 있다. 바람직하게는, 이 방법은 파스너를 종단하는 단계가, 중앙 개구부 및 EME 효과에 대해 보호하기 위한 적어도 하나의 기능부를 갖는 바디로 파스너를 종단하는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 기능부는 건조한 유전체 코팅 및 중앙 개구부의 선택 부분 상에만 있는 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나이고, 상기 씰은 바디에 고정되되 바디로부터 축방향으로 돌출하도록 되어 있다.
바람직하게는, 이 방법은 체결(fastening)을 수행하기 전에 스택의 상부 표면에 도전성 층을 추가하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드; 및 헤드의 상부 표면을 피복하는 건조한 유전체층을 포함하되, 유전체층이 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹되도록 된 파스너가 제공된다. 바람직하게는, 유전체층, 헤드, 및 파스너 샤프트는 헤드로부터 연장되도록 되어 있다. 바람직하게는, 각 인터로킹 사이트는 상부 표면으로부터 위쪽으로 연장되고 상부 표면에 근접한 언더컷부를 갖는 돌출부를 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 인터로킹 사이트는 격자모양 패턴(grid pattern)으로 배열되도록 되어 있다. 바람직하게는, 인터로킹 사이트는 방사상 패턴(radial pattern)으로 스포크(spoke)로서 배열되도록 되어 있다. 바람직하게는, 표면은 유전체층으로의 유지력을 향상시키기 위해 표면 조도(roughness)를 가지도록 되어 있다. 바람직하게는, 5개와 9개의 인터로킹 사이트 사이는 상부 표면으로부터 돌출하도록 되어 있다. 바람직하게는, 유전체층은 상부 표면 및 인터로킹 사이트와 밀접하게 접촉하도록 되어 있다. 바람직하게는, 파스너는 전기적으로 도전성 입자를 포함하는 건조한 수지로 코팅된 샤프트를 더 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 파스너는 파스너 헤드의 기단 위치에서 건조한 유전체 씰을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 중앙 개구부를 갖는 파스너 종단 바디와, EME 영향에 대해 보호하기 위한 적어도 하나의 기능부를 포함하되, 적어도 하나의 기능부가 선택 위치에서 중앙 개구부를 피복하는 유전체 코팅 및 유전체 씰 중 적어도 하나를 포함하고, 씰은 바디에 고정되어 있으며, 코팅 및 씰은 낙뢰 전류를 억제하기 위한 두께 및 조성을 갖고, 선택 위치는 말단 위치와 기단 위치 중 적어도 하나를 포함하도록 된 파스너를 종단하기 위한 부품이 제공된다. 바람직하게는, 씰은 바디로부터 적어도 7 mils 축방향으로 돌출하도록 되어 있다. 바람직하게는, 부품은 바디의 외부 표면을 완전히 피복하는 유전체 코팅을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 바디는 너트(nut)를 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 유전체 씰은 너트의 말단 위치에 있다. 바람직하게는, 부품은 너트의 외부 기단 위치에서 건조한 유전체 씰을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 기능부는 유전체 코팅 및 유전체 씰 모두를 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 바디는 와셔를 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 기능부는 와셔의 내부 기단 위치에서 씰을 포함하도록 되어 있다. 바람직하게는, 기능부는 말단 위치에서 제2 씰을 포함하되, 이들 씰은 간극에 의해 분리되도록 되어 있다. 바람직하게는, 부품은 와셔의 외부 표면 상의 유전체 코팅을 더 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 부품은 와셔의 적어도 한쪽 면으로부터 돌출하는 동심 리지(concentric ridge)를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 파스너, 적어도 하나의 파스너 종단 부품, 및 파스너와 각 파스너 종단 부품을 위한 EME 보호 기능부를 구비하되, EME 보호 기능부가 파스너의 샤프트 상의 도전성 수지 코팅, 파스너의 헤드 상의 인터로킹된 유전체 커버, 파스너 헤드의 기단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 말단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 기단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 말단 위치의 유전체 코팅, 및 종단 부품의 기단 위치의 유전체 코팅으로 이루어진 그룹으로부터 취해지도록 된 체결 시스템이 제공된다. 바람직하게는, 유전체 씰은 아크 방전, 스파크 및 뜨거운 입자 분출에 대해 보호하기 위해 사용되고, 상기 코팅은 아크 방전 및 스파크로부터 보호하기 위해 사용되도록 되어 있다.
이들 특징 및 기능은 여러 가지 실시예에서 독립적으로 달성될 수 있거나 또는 다른 실시예에서 조합될 수 있다. 실시예의 더 자세한 내용은 다음의 설명 및 도면을 참조하여 명확히 알 수 있다.
도 1은 부재의 스택을 체결하는 방법의 설명도이다.
도 2는 상용 항공기(commercial aircraft)를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 EME 보호 파스너의 제1 실시예의 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 EME 보호 파스너의 제2 실시예의 도면이다.
도 5 및 도 6은 EME 보호 파스너의 다른 실시예의 도면이다.
도 7은 복합 부재와 도전성 층을 포함하는 스택을 나타내는 도면이다.
도 8은 너트 상의 선택 EME 보호 위치를 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 12는 EME 보호 기능을 갖는 와셔와 너트의 다른 실시예 및 와셔와 너트의 다른 조합을 나타내는 도면이다.
도 13은 항공기 구조를 나타내는 도면이다.
부재의 스택을 고정하는 방법을 설명하는 도 1에 대해 참조가 이루어진다. 스택은 2개 이상의 부재를 가지고 있다. 일부 실시예에서, 스택 내의 모든 부재는 금속(예를 들어, 알루미늄, 티타늄)으로 만들어진다. 다른 실시예에서, 스택의 부재 중 적어도 하나는 복합 재료로 만들어진다. 예를 들어, 외부 부재는 복합 재료로 만들어지고, 내부 부재는 금속으로 만들어진다. 다른 실시예에서, 스택의 모든 부재는 복합 재료로 만들어질 수도 있다.
이 방법은 스택 내에 파스너를 삽입하는 단계를 포함한다(블록 110). 일부 실시예에서는, 파스너가 스택의 미리 형성된 관통 구멍(through-hole)에 삽입된다. 다른 실시예에서는, 파스너는 구멍을 드릴링하는 일없이 삽입된다. 파스너는 외부 표면이 항공 유연성(aero smoothness)을 필요로 하는 외부 부재(예를 들어, 항공기 외판)에 대해 원뿔형으로 넓혀질 수 있다. 파스너는 파스너 헤드의 상부 표면에 인터로킹되는 건조한 유전체층 및 파스너 헤드의 하부 표면의 건조한 유전체 씰을 포함하는 EME 보호 기능부를 가질 수 있다.
이 방법은, EME 보호 기능을 갖는 부품으로 파스너를 종단하는 단계를 더 포함하고 있다. 종단 부품에 대한 EME 보호 기능은 선택 위치에서 건조한 유전체 코팅 및 건조한 유전체 씰(예를 들어, 유전체 슬리브(dielectric sleeve))을 더 포함하고 있다(블록 120).
이들 EME 보호 기능이 없으면, 아크 방전이나 스파크가 발생할 수 있다. 아크 방전은 2개의 금속 부품이 거의 접촉하고 있을 때 발생하고, 그 사이의 매체의 유전 특성은 부품 사이를 흐르는 고전류로 인해 브레이크 다운(break down)된다. 스파크는 고전류가 두 부품 사이의 간극의 공기를 이온화할 때 발생하고, 공기는 브레이크 다운되며, 전류는 간극을 가로질어 흐른다. 뜨거운 입자 분출은, 복합 부품의 고전류가 복합 재료를 화학적으로 브레이크 다운하여 고온 팽창 가스를 생성할 때 발생한다.
유전체 코팅 및 유전체 씰은 모두 부품 사이의 전기적 결합 경로(bonding path)를 차단함으로써 아크 방전 및 스파크를 방지한다. 유전체 코팅 및 유전체 씰은, 단독 및 조합해서, 파스너 부품 사이의 간극(예를 들어, 파스너와 너트 사이의 간극, 및 와셔와 너트 사이의 간극) 및 파스너 부품과 구조 사이의 간극(예를 들어, 파스너와 구조, 너트와 구조, 및 와셔와 구조 사이의 간극)을 가로지르는 아크 방전 및 스파크를 차단한다. 유전체 씰은, 뜨거운 가스가 간극을 가로질러 분출되는 것을 방지하여 체결 시스템 내의 가스를 유지하는 추가적인 기능을 수행한다.
그에 더하여 또는 변형으로, 파스너의 일부 실시예는 전기적 결합 경로를 개선하여 아크 방전, 스파크 및 뜨거운 입자 분출을 저감할 수 있다. 이들 실시예에서, 파스너의 샤프트는 파스너와 스택 사이의 전기적 결합을 향상시키고, 그에 따라 접촉 저항을 저감하기 위해 도전성 코팅(예를 들어, 도전성 수지)로 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 파스너는 구멍에 맞춰지는 공극(clearance)일 수 있다. 다른 실시예에서, 파스너는 구멍에 맞춰지는 죔쇠(interference)일 수 있다. 죔쇠 끼워맞춤(interference fit)은 (표면 접촉 면적을 증가시킴으로써) 전류 밀도를 감소시키고 전체적인 경로 저항을 낮추는 파스너와 스택 사이의 전기적 결합을 향상시킨다.
파스너 시스템의 부품 상에서의 건조한 유전체 코팅의 사용은, 간극을 충전하기 위해 실란트를 사용하는 것에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 그 장점은 설치의 용이성과 속도를 포함한다. 건조한 유전체는, 체결 중에 단지 파스너가 설치되기만 하면 되도록 설치 전에 파스너 부품에 코팅될 수 있다. 스택의 부품을 마스킹하고, 실란트를 주입하며, 실란트를 경화시키는 등과 같은 추가의 단계가 배제된다.
다른 장점은 무게의 저감이다. 건조한 유전체 코팅 및 씰은 실란트의 층들보다 더 얇아질 수 있다. 일부 실시예에서, 유전체 코팅 또는 씰의 두께는 30 mils ± 10 mils일 수 있다. 게다가, 파스너 부품의 전 표면이 건조한 유전체 코팅 또는 건조한 유전체 씰로 피복되어 있지 않기 때문에, 적은 표면적이 피복된다.
또 다른 장점은 불필요한 EME 보호이다. 파스너의 다른 실시예는 EME에 대해 다수의 레벨의 보호를 제공하기 위해 종단 부품(예를 들어, 너트와 와셔)의 다른 실시예와 조합해서 사용될 수 있다.
이들 장점은, 도 2에서 나타낸 상용 항공기(200)와 같은 상용 항공기에 관하여 상당하다. 항공기(200)는 기체(fuselage; 210), 날개 어셈블리(220), 꼬리(230) 및 랜딩 기어 어셈블리(240)를 포함하고 있다. 이 상용 항공기(200)에서는, 일백만 파스너 시스템이 각종의 구성요소(210∼240)와 그들의 하부 구성요소와 함께 파스너에 사용될 수 있다.
항공기(200)의 특정 위치에서는 EME 보호가 바람직할 수 있다. 예를 들어, EME 보호는 날개 어셈블리 및 다른 구조에 대해 바람직하다. EME 보호를 제공하기 위해, 날개 어셈블리(220)는 여기에서의 방법에 따라 20,000 파스너만큼이나 많은 파스너로 조립될 수 있다. 무게 저감 및 그들 20,000 파스너를 설치하는 시간 및 용이성에 의해 실현되는 장점은 꽤 상당하다.
다음의 단락에서는, 다른 유형의 EME 보호 파스너 부품에 대해 설명한다. 이들 파스너 부품은 파스너 및 파스너를 종단하는 부품(예를 들어, 너트 및 와셔) 을 포함하고 있다. 이들 파스너 부품은 EME에 대해 보호하기 위해 선택 위치에서 건조한 유전체 코팅 및/또는 건조한 유전체 씰을 가질 수 있다.
먼저, EME 보호 파스너에 대해 설명한다. 파스너의 예는 볼트와 리벳을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이제, EME 보호 파스너(310)의 제1 실시예를 나타내는 도 3a 및 도 3b에 대해 참조가 이루어진다. 도 3b는 도 3a의 선 3b-3b에 따른 단면도이다. 파스너(310)는 헤드(320)와 샤프트(330)를 포함하고 있다. 파스너 헤드(320)의 상부 표면(322)은 유전체층(340)을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 가지고 있다. 각 인터로킹 사이트는 상부 표면(322)으로부터 위쪽으로 연장되는 돌출부(324)를 포함하고 있다. 돌출부(324)는 상부 표면(322)에 근접하여 언더컷부(undercut portion; 326)를 가지고 있다. 도 3a 및 도 3b의 실시예에 있어서, 돌출부(324)는 반경 방향으로 외측으로 연장되고 역삼각형의 단면을 가지는 스포크(spoke; 324)일 수도 있다.
파스너(310)는 파스너 헤드(320)를 피복하는 유전체층(340)을 더 포함하고 있다. 유전체층(340)은 어떤 특정 유전체 재료에 한정되는 것은 아니다. 예로서는 열경화성 수지(thermoset), 열가소성 수지(thermoplastic), 고무, 세라믹, 엘라스토머(elastomer, 탄성체)를 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
유전체층(340)은 언더컷부 및 돌출부(324) 사이의 모든 다른 공간을 충전(fill)한다. 유전체(340)는 또한 상부 표면(322) 및 돌출부(324)와 밀접하게 접촉하고 있다.
일부 실시예에서, 유전체층(340)은 파스너 헤드(320) 전면에 유전체 재료를 흘림으로써 형성될 수 있다. 유전체 재료가 표면(322) 위를 흐를 때, 그것이 언더컷(326) 및 돌출부(324) 사이의 모든 공간을 충전한다. 일단 유전체 재료가 경화되면, 이것은 돌출부(324)와 인터로킹되고, 그에 따라 파스너 헤드(320)에 고정된다. 다른 실시예에서, 유전체층(340)은 분말 코팅, 도장, 도금, 분무(spraying, 용사), 스퍼터링, 증착 또는 유전체 재료(dielectric material)가 언더컷부(326)를 충전하는 것을 허용하는 임의의 다른 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
이와 같이, 유전체층(340)은 파스너 설치 전에 기계적으로 인터로킹 사이트와 인터로킹된다. 유전체층(340)을 가진 파스너(310)가 헤드(320)에 사전 설치된다.
유전체층(340)의 파스너 헤드(320)에 대한 인터로킹은 낙뢰에 대해 특히 유리하다. 인터로킹은 유전체층(340)이 그러한 이벤트 중 및 이벤트 후에 파스너 헤드(320)와 밀접한 접촉을 유지하는 것을 보장한다.
유전체층(340)은 추가의 수단에 의해 유지될 수 있다. 제1의 예로는, 표면(322)이 유전체층(340)으로의 유지력을 강화하기 위해 표면 조도를 가질 수 있다. 제2의 예로는, 유전체층(340)이 표면(322)에 접착하는 재료(예를 들어, 접착 실란트)로 만들어질 수 있다.
EME 보호 파스너의 다른 실시예에서는, 인터로킹 사이트는 다른 단면을 가질 수도 있고, 그들은 다른 패턴으로 배열될 수도 있다. 다른 단면의 예로는, 정사각형 또는 원형의 단면을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 높은 응력 집중의 영역을 가지는 단면(예를 들어, 모서리 부분)은 바람직하지 않다. 둥근 단면은 더 좋은 기계적 특성을 제공한다.
여기에서 EME 보호 파스너는 임의의 특정 개수의 인터로킹 사이트에 제한되지 않는다. 그렇지만, 5개 내지 9개의 인터로킹 사이트의 범위가 (유전체층이 있는 경우의) 인터로킹 강도와 파스너 클램프 업(clamp-up) 강도 사이에 양호한 균형을 제공하는 것으로 확인되었다.
이제, EME 보호 파스너(410)의 제2 실시예를 나타내는 도 4a 및 도 4b에 대해 참조가 이루어진다. EME 보호 파스너(410)는 격자모양으로 배열된 인터로킹 사이트(interlocking site; 420)를 포함하고 있다. 각 인터로킹 사이트(420)는 파스너 헤드(412)의 상부 표면(414)으로부터 위쪽으로 연장되는 포스트(post; 422)를 포함하고 있다. 포스트(422)는 노브(424)에서 종단된다. 포스트(422) 및 노브(424)와 파스너 헤드(412) 사이의 표면은 언더컷부(426)를 정의한다.
이제, 헤드(512, 612) 및 유전체 씰(520, 620)을 포함하고 있는 파스너(510, 610)의 실시예를 나타내는 도 5 및 도 6에 대해 참조가 이루어진다. 씰(520, 620)은 기계적으로 파스너 헤드(512, 612)에 장착될 수 있다. 씰(520, 620)은 폴리테트라 플루오르 에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)과 같은 폴리머 재료, 또는 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone, PEEK), 폴리아미드 이미드(polyamide-imide) 등과 같은 열가소성 폴리머로 만들어진다. 파스너(510 또는 610)가 스택 내에 삽입되어 종단될 때, 그 씰(520 또는 620)은 스택과 압축 접촉(cpressive contact)을 한다.
도 5의 파스너(510)에서, 씰(520)은 파스너 헤드(512)의 주변 주위에 맞춰진다. 씰(520)은 파스너 헤드(512)의 홈에 맞춰지는 리지(ridge; 522)를 가질 수 있다. 씰(520)은 파스너 헤드(520)의 단부(edge)에서 아크 방전 및 스파크를 억제하고, 이것은 헤드(512) 밑으로 뜨거운 팽창 가스가 유출되는 것을 막는다.
도 6의 파스너(610)에서, 씰(620)은 O-링의 모양을 하고 있고, 파스너 헤드(612)의 아래쪽에 있는 홈에 맞춰진다. 씰(620)은 아크 방전 및 스파크를 억제하고, 이것은 스택과 파스너의 샤프트(614) 사이에서의 임의의 뜨거운 팽창 가스의 유출을 막는다. 파스너 헤드(612)의 상부 표면과 측면은 파스너 헤드(612)의 단부에서 아크 방전과 스파크를 방지하기 위해 유전체 코팅(630)으로 피복될 수 있다.
이제, 복합 부재(710) 및 이 복합 부재(710)를 피복하는 도전층(720; 예를 들어, 금속 스트립, 팽창 호일)을 포함하고 있는 스택(700)을 나타내는 도 7에 대해 참조가 이루어진다. EME 보호 파스너(750)는, 복합 부재(710)의 관통 구멍(730)에 삽입되어 도전층(720)으로 원뿔형으로 넓혀진다. 파스너 헤드(754)의 유전체층(752)은 도전층(720)과 동일 평면 상에 있다.
일부 실시예에서, 전체 파스너 샤프트(230)는 (폴리머 매트릭스로 분산된) 전기적으로 도전성 입자를 갖는 (회색으로 음영된) 건조한 도전성 수지 코팅(756)으로 코팅될 수 있다. 도전성 입자의 예로는 금속 입자, 나노 튜브(nanotube)를 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 수지가 죔쇠 끼워맞춤과 조합해서 파스너(750)와 복합 부재(710) 사이의 전기적 결합 경로를 향상시키는 것으로 확인되었다. 수지는 파스너 샤프트(758)와 복합 부재(710) 사이의 공극을 충전한다. 이렇게 함으로써, 수지는 복합 부재(710)의 섬유와의 유효 접촉 면적을 증가시킨다.
파스너(750)가 종단됨에 따라(예를 들어, 너트가 파스너(750) 상으로 렌치(wrench)됨에 따라), 이것은 관통 구멍(730) 내에서 회전해서는 안된다. 유전체층(752)에 손상을 주지 않고 회전을 방지하기 위해, 회전방지 조치(anti-rotation measure)가 사용될 수 있다. 회전방지 조치의 예로서는, 파스너 샤프트(758)와 부재(710) 사이에 죔쇠(또는 마찰) 끼워맞춤을 생성하는 것; 샤프트(758)에 회전을 방지하는 단면 모양(예를 들어, 샤프트와 관통 구멍에 대해 육각형 모양)을 제공하는 것, 및 부재(710)에 대해 샤프트(758)를 맞추는 것을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기에서 파스너는 항공기의 어디에나 위치될 수 있다. 예로서, 여기에서 파스너는 문 가장자리(door surround), 전기 장비 하우징 및 접지 고장 전류(ground fault current)를 받는 부품에서 사용될 수 있다. 여기에서 파스너는 표준 부품(예를 들어, 표준 너트)으로 종단될 수 있거나, 또는 그들은 여기에서 EME 보호 부품으로 종단될 수 있다.
다음의 단락에서는, EME 보호 파스너 종단 부품의 다른 유형에 대해 설명한다. 이들 부품은 너트와 와셔를 포함한다.
이제, 스택(800)의 부재를 통해 연장되는 파스너(830), 및 파스너(830)를 종단하는 와셔(810)와 너트(820)를 나타내는 도 8에 대해 참조가 이루어진다. 도 8은 또한 EME에 대해 보호하기 위해 건조한 유전체 코팅 및 유전체 씰로 피복될 수 있는 와셔(810) 및 너트(820) 상의 여러 위치를 나타내고 있다. 너트(820) 상의 위치는 내부 말단 위치(840), 외부 기단 위치(850) 및 내부 기단 위치(860)를 포함한다. 와셔(810) 상의 위치는 내부 기단 위치(870) 및 내부 말단 위치(880)를 포함한다. 용어 "기단(proximal)" 및 "말단(diatal)"은 스택(800)으로부터의 거리를 나타낸다. 예를 들어, 너트(820)의 기단 위치는 말단 위치보다 스택(800)에 더 가깝다. 용어 "내부" 및 "외부"는 파스너 샤프트로부터의 거리를 나타낸다.
EME에 대해 보호하기 위해 실란트로 전 와셔(810) 및 너트(820)를 피복하는 대신에, 단지 이들 위치(840∼880)의 하나 또는 그 이상이 건조한 유전 재료로 피복 또는 밀봉될 수 있다.
씰이 사용되는 경우, 씰은 바디(body)의 중앙 개구부에 고정되고 바디로부터 축방향으로 돌출하고 있다. 일부 실시예에서, 씰은 바디로부터 적어도 7 mils 돌출하고 있다. 씰은 폴리테트라 플루오르 에틸렌(PTFE)과 같은 폴리머 재료, 또는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 및 폴리아미드 이미드 등과 같은 열가소성 폴리머로 만들어질 수 있다. 씰은 폴리머 재료가 언더컷으로 흐르도록 허용하는 돌기나 언더컷을 사용함으로써 기계적으로 장착될 수 있다.
일부 실시예에서, 바디의 외부 표면은 유전체 코팅에 의해 완전히 피복된다. 유전체 코팅에 대한 조성물의 예로서는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 세라믹, 유리 및 엘라스토머를 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 유전체 코팅은 전기화학적 표면 화성 처리(electrochemical surface conversion treatment)인 양극 화성 코팅(예를 들어, 플라즈마 전해 산화)과 같은 프로세스에 의해 적용될 수 있다. 유전체를 적용하는 다른 프로세스로서는, 분말 코팅, 분무, 도금, 스퍼터링 및 증착을 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이제, 내부 기단 위치에서 씰(920)을 가진 와셔(910)를 포함하는 조합을 나타내는 도 9에 대해 참조가 이루어진다. 말단 위치는 피복되어 있지 않다. 와셔(910)의 외부 표면은 유전체 재료로 코팅되어 있다.
조합은 또한 외부 기단 위치에서 씰(960), 내부 기단 위치에서 씰(970), 및 말단 위치에서 유전체 코팅(980)을 가진 너트(950)를 포함하고 있다. 너트(950)의 외부 표면에는 유전체 코팅은 없다.
너트(950) 및 와셔(910)가 스택과 결합되어 있는 경우, 와셔(910)의 내부 기단 씰(920)은 스택에 대해 눌리고, 너트(950)의 내부 기단 씰(970)은 와셔(910)의 중앙 개구부 내에 수용된다. 너트(950)가 조여짐에 따라, 와셔 씰(920)은 거꾸로 접히고, 스택에 대해 밀어 넣어짐으로써, 와셔(910)와 스택 사이의 모든 공극을 충전한다.
내부 기단 위치에서 씰(1020)을 가진 와셔(1010); 및 내부의 기단 위치에서 씰(1060), 말단 위치에서 유전체 코팅(1070) 및 (외부 기단 위치에서 씰 대신에) 외부 표면의 유전체 코팅(1080)을 가진 너트(1050)를 포함하는 조합을 나타내는 도 10에 대해 참조가 이루어진다.
내부 기단 위치에서 씰(1120)을 가진 와셔(1110), 및 와셔(1110)의 주변에 형성된 동심 리지(1130)를 포함하는 조합을 나타내는 도 11에 대해 참조가 이루어진다. 조합은 또한 내부 말단 위치에서 씰(1160), (외부 기단 위치에서 씰 대신에) 외부 표면의 유전체 코팅(1170), 및 내부 말단 위치에서 씰(1180)을 가진 너트(1150)를 포함하고 있다.
너트(1150) 및 와셔(1110)가 스택과 결합되어 있는 경우, 와셔(1110)의 내부 기단 씰(1120) 및 리지(1130)는 스택에 대해 눌리고, 너트(1150)의 내부 기단 슬리브(1160)는 와셔(1110)의 중앙 개구부 내에 수용된다. 너트(1150)가 조여짐에 따라, 와셔(1110)의 내부 기단 씰(1120)은 거꾸로 접히고 스택에 대해 밀어 넣어진다. 동심 리지(1130)는 또한 와셔(1110)의 표면이 스택의 바닥면과 평행하지 않더라도, 와셔(1110)와 스택 사이의 밀봉을 유지한다.
이제, 내부 기단 및 말단 위치에서 씰(1220, 1230)을 가진 와셔(1210)를 포함하는 조합을 나타내는 도 12에 대해 참조가 이루어진다. 이들 씰(1220, 1230) 사이에는 간극이 있다. 조합은 전 외부 표면에 걸쳐 유전체 코팅(1270) 및 내부 기단 위치에서 코팅(1260)을 갖는 너트(1250)를 포함하고 있다.
너트(1250) 및 와셔(1210)가 스택과 결합되어 있는 경우, 와셔(1210)의 기단 씰(1220)은 스택에 대해 눌리고, 와셔(1210)의 말단 씰(1230)은 너트(1250)의 내부 기단 위치에 수용된다. 너트(1250)가 조여짐에 따라, 와셔(1210)의 기단 씰(1220)은 거꾸로 접히고 스택에 대해 밀어 넣어지며, 와셔(1210)의 말단 씰(1230)은 거꾸로 접히고 너트(1250)에 대해 밀어 넣어진다.
여기에서 와셔는 주변에서의 동심 리지에 한정되는 것은 아니다. 와셔의 다른 실시예는, 와셔의 상부 표면의 중앙 및 내부 부분에서 동심 리지를 가질 수도 있다. 일부 실시예는 양면에 동심 리지를 가질 수도 있다.
일부 실시예에서, 동심 리지는 와셔에 동심 홈을 스탬핑하고 유전체 링으로 홈을 충전함으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 리지는 와셔에 스탬핑될 수도 있다.
도 9∼도 12는 양 단부에서 개방되어 있는 너트(950, 1050, 1150, 1250)를 나타내고 있지만, 여기에서 너트는 그렇게 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 여기에서 너트의 일단은 캡(cap)을 형성하도록 폐쇄(close)될 수 있다. 캡은 유전체 재료로 만들어질 수 있거나, 또는 캡은 유전체 재료로 피복된 그 내부 표면과 더불어 금속으로 만들어질 수 있다. 이러한 캡은 말단 아크 방전이나 스파크에 대해 추가적인 보호를 제공하는 것이다.
여기에서 체결 시스템은 상술한 파스너, 너트, 와셔의 조합에 한정되는 것은 아니다. 다양한 EME 보호 기능부가 혼합되어 정합될 수 있다. 다른 특징을 갖는 다수의 부품이 사용될 수도 있다. 예를 들어, EME 보호 기능부는 파스너의 샤프트 상의 도전성 수지 코팅, 파스너의 헤드 상의 인터로킹된 유전체 커버, 파스너 헤드의 기단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 말단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 기단 위치의 유전체 씰, 종단 부품의 말단 위치의 유전체 코팅, 및 종단 부품의 기단 위치의 유전체 코팅으로 이루어진 군으로부터 취해질 수 있다.
이제, 항공기의 날개(1310)의 일부분을 나타내는 도 13에 대해 참조가 이루어진다. 날개(1310)는, 예를 들어 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)과 같은 복합 재료로 만들어진 외판(1320)을 포함하고 있다. 외판(1320)는 금속 파스너 부품(1340, 1380, 1390)에 의해 하부 구조(브라켓으로 표시; 1330)에 체결될 수 있다. 외판(1320)은 번개에 민감한 영역(1350)을 정의한다.
각 파스너(1340)는 파스너 헤드(1344)와 인터로킹되는 유전체층(1342)을 가지고 있다. 각 파스너(1340)는 그 샤프트(1346) 상에 도전성 수지 코팅을 가질 수도 있다.
각 파스너(1340)는 외판(1320) 내로 원뿔형으로 넓혀져 있다. 유전체층(1342)은 외판(1320)의 상부 표면과 동일 면으로 되어 있다. 금속박(1360)은 EME 전류를 발산하기 위해 외판(1320)을 피복하고 있다. 표면 형성 막(예를 들어, 유리-에폭시층; 1365)은 외판(1320) 전면에 도포되고, 표면 형성 막(1365)은 페인트(1370)로 피복되어 있다.
각 파스너(1340)는 와셔(1380)와 너트(1390)로 종단되어 있다. 와셔(1380)와 너트(1390)는 다양한 EME 보호 기능을 가진다.
날개(1310)에는 수만의 파스너(1340), 와셔(1380) 및 너트(1390)가 있을 수 있다. 여기에서는 실란트를 주입하는 대신에 EME 보호 기능을 사용함으로써, 설치 시간의 절약이 상당하다. 무게의 저감도 또한 상당하다.
도 13은 약간 편향된 와셔(1380) 및 브라켓(1330)의 표면을 나타내고 있다. 와셔(1380)가 상부 표면에 상부 슬리브 또는 동심 리지를 갖추고 있는 경우, 와셔(1380)와 브라켓(1370) 사이의 임의의 간극은 유전체 재료로 충전되어 밀봉된다.
마찬가지로, 너트(1390)가 와셔(1380)에 대해 약간 편향되어 있거나, 또는 와셔가 사용되지 않고 너트가 스택에 대해 약간 편향되어 있는 경우, 너트와 와셔 사이 또는 너트와 스택 사이의 임의의 간극이 유전체 재료로 충전되어 밀봉된다.
따라서, EME 보호 기능은 형상에 덜 의존하는 구조를 만드는 추가적인 장점을 제공한다. 종단 부품의 결합면이 완전히 동일 평면으로 되어 있지 않더라도, EME 보호가 여전히 제공된다.

절 1. 파스너를 부재의 스택 내에 삽입하는 단계와, 전자기 효과(EME)에 대해 보호하기 위해 선택 위치에서 건조한 절연 코팅 및 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나를 갖는 부품으로 파스너를 종단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

절 2. 씰은 아크 방전(arcing), 스파크(sparking) 및 뜨거운 입자 분사에 대해 보호하기 위해 사용되고, 상기 코팅은 아크 방전 및 스파크로부터 보호하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 절 1에 기재된 방법.

절 3. 부재가 복합 재료로 만들어지는 적어도 하나의 항공기 부재인 것을 특징으로 하는 절 1 또는 2에 기재된 방법.

절 4. 부재가 항공기 외판 및 금속 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 선행하는 절 중 어느 하나에 기재된 방법.

절 5. 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가, 스택의 관통 구멍 내에 전기적으로 도전성 입자를 포함하는 건조한 수지로 코팅된 파스너 샤프트을 끼워 넣는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선행하는 절 중 어느 하나에 기재된 방법.

절 6. 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가, 스택의 관통 구멍 내에 파스너 샤프트을 끼워 넣는 단계를 포함하되, 파스너가 헤드 및 이 헤드의 말단 위치에 있는 유전체 씰을 포함하는 것을 특징으로 하는 선행하는 절 중 어느 하나에 기재된 방법.

절 7. 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가, 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드를 삽입하는 단계를 포함하되, 유전체층은 헤드의 상부 표면을 피복하고, 유전체가 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹되는 것을 특징으로 하는 선행하는 절 중 어느 하나에 기재된 방법.

절 8. 파스너를 종단하는 단계가, 중앙 개구부 및 EME 효과에 대해 보호하기 위한 적어도 하나의 기능부를 갖는 바디로 파스너를 종단하는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 기능부는 건조한 유전체 코팅 및 중앙 개구부의 선택 부분 상에만 있는 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나이고, 상기 씰은 바디에 고정되되 바디로부터 축방향으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 선행하는 절 중 어느 하나에 기재된 방법.

절 9. 체결을 수행하기 전에 스택의 상부 표면에 도전성 층을 추가하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선행하는 절 중 어느 하나에 기재된 방법.

절 10. 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드; 및
헤드의 상부 표면을 피복하는 건조한 유전체층을 구비하되, 유전체층이 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹되는 것을 특징으로 하는 파스너.

절 11. 유전체층, 헤드, 및 헤드로부터 연장되는 파스너 샤프트로 구성되는 것을 특징으로 하는 절 10에 기재된 파스너.

절 12. 각 인터로킹 사이트는 상부 표면으로부터 위쪽으로 연장되고 상부 표면에 근접한 언더컷부를 갖는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절 10 또는 절 11에 기재된 파스너.

절 13. 전기적으로 도전성 입자를 포함하는 건조한 수지로 코팅된 샤프트를 더 구비한 것을 특징으로 하는 절 10, 11 또는 12에 기재된 파스너.

절 14. 파스너, 적어도 하나의 파스너 종단 부품, 및 파스너 및 각 파스너 종단 부품을 위한 EME 보호 기능부를 구비하되, EME 보호 기능부가
파스너의 샤프트 상의 도전성 수지 코팅;
파스너의 헤드 상의 인터로킹된 유전체 커버;
파스너 헤드의 기단 위치의 유전체 씰;
종단 부품의 말단 위치의 유전체 씰;
종단 부품의 기단 위치의 유전체 씰;
종단 부품의 말단 위치의 유전체 코팅; 및
종단 부품의 기단 위치의 유전체 코팅으로 이루어진 군으로부터 취해지는 것을 특징으로 하는 체결 시스템.

절 15. 씰은 아크 방전, 스파크 및 뜨거운 입자 분사에 대해 보호하기 위해 사용되고, 상기 코팅은 아크 방전 및 스파크로부터 보호하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 절 14에 기재된 체결 시스템.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 파스너를 부재의 스택 내에 삽입하는 단계와, 전자기 효과(EME)에 대해 보호하기 위해 선택 위치에서 건조한 절연 코팅 및 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나를 갖는 부품으로 파스너를 종단하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계는 스택의 관통 구멍 내에 파스너 샤프트를 끼워 넣는 단계를 포함하고, 상기 파스너 샤프트는 전기 도전성 입자를 포함하는 건조한 수지로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 씰은 아크 방전(arcing), 스파크(sparking) 및 뜨거운 입자 분출에 대해 보호하기 위해 사용되고, 상기 코팅은 아크 방전 및 스파크로부터 보호하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부재가 복합 재료로 만들어지는 적어도 하나의 항공기 부재인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부재가 항공기 외판 및 금속 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가, 스택의 관통 구멍 내에 파스너 샤프트를 끼워 넣는 단계를 포함하되, 파스너가 헤드 및 이 헤드의 말단 위치에 있는 유전체 씰을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 파스너를 삽입하는 단계가, 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드를 삽입하는 단계를 포함하되, 유전체층은 헤드의 상부 표면을 피복하고, 유전체가 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 파스너를 종단하는 단계가, 중앙 개구부 및 EME 효과에 대해 보호하기 위한 적어도 하나의 기능부를 갖는 바디로 파스너를 종단하는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 기능부는 건조한 유전체 코팅 및 중앙 개구부의 선택 부분 상에만 있는 건조한 유전체 씰 중 적어도 하나이고, 상기 씰은 바디에 고정되되 바디로부터 축방향으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 체결을 수행하기 전에 스택의 상부 표면에 도전성 층을 추가하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 유전체층을 유지하도록 구성된 다수의 기계적 인터로킹 사이트를 갖는 상부 표면을 가진 파스너 헤드;
    헤드의 상부 표면을 피복하는 건조한 유전체층; 및
    전기 도전성 입자를 포함하는 건조한 수지로 코팅된 파스너 샤프트를 포함하고,
    상기 유전체층이 상기 인터로킹 사이트와 기계적으로 인터로킹되는 것을 특징으로 하는 파스너.
  11. 제10항에 있어서, 유전체층, 헤드, 및 파스너 샤프트가 헤드로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 파스너.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 각 인터로킹 사이트는 상부 표면으로부터 위쪽으로 연장되고 상부 표면에 근접한 언더컷부를 갖는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파스너.
  13. 삭제
  14. 상기 제10항에 기재된 파스너 및 적어도 하나의 파스너 종단 부품을 포함하는 체결 시스템으로서,
    상기 체결 시스템은 파스너 및 각 파스너 종단 부품을 위한 EME 보호 기능부를 더 포함하되, 상기 EME 보호 기능부가:
    상기 파스너 샤프트 상의 도전성 수지 코팅;
    파스너의 헤드 상의 인터로킹된 유전체 커버;
    파스너 헤드의 기단 위치의 유전체 씰;
    종단 부품의 말단 위치의 유전체 씰;
    종단 부품의 기단 위치의 유전체 씰;
    종단 부품의 말단 위치의 유전체 코팅; 및
    종단 부품의 기단 위치의 유전체 코팅으로 이루어진 군으로부터 취해지는 것을 특징으로 하는, 체결 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 씰은 아크 방전, 스파크 및 뜨거운 입자 분출에 대해 보호하기 위해 사용되고, 상기 코팅은 아크 방전 및 스파크로부터 보호하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 체결 시스템.
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