(57)【要約】【課題】熱に曝される装置のための防護シールドを提供する。【解決手段】本防護シールド（６０）は、粒状物充填層（６２）、ナノ粒子層、金属発泡体層（７６）、断熱皮膜（７８）又はそれらの組合せを含む。本シールド（６０）は、装置に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される。装置がオイル溜め（１４）を含み、粒状物充填層、ナノ粒子層、金属発泡体層（７６）、断熱皮膜（７８）又はそれらの組合せが、オイル溜め（１４）上に設けられてもよい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱に曝される装置のための防護シールド（６０）であって、
粒状物充填層（６２）、ナノ粒子層、金属発泡体層（７６）、断熱皮膜（７８）又はそれらの組合せ、を含み、
該シールド（６０）が、前記装置に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される、
シールド（６０）。
【請求項２】
前記装置が、航空機エンジン（１０）内に配置されたオイル溜め（１４）を含み、
前記粒状物充填層、ナノ粒子層、金属発泡体層（７６）、断熱皮膜（７８）又はそれらの組合せが、前記オイル溜め（１４）上に設けられる、
請求項１記載のシールド（６０）。
【請求項３】
前記粒状物充填層（６２）、ナノ粒子層、金属発泡体層（７６）、断熱皮膜（７８）又はそれらの組合せ上に設けられた超親水性皮膜（６８）をさらに含み、
前記超親水性皮膜（６８）が、液膜を形成して熱抵抗をもたらすように構成される、
請求項１または２記載のシールド（６０）。
【請求項４】
前記オイル溜め（１４）の内表面（７２）上に設けられた親油性皮膜（７０）をさらに含み、
前記親油性皮膜（７０）が、油膜を形成して熱抵抗をもたらすように構成される、
請求項２記載のシールド（６０）。
【請求項５】
複数の金属熱絶縁層（８２、８４、８６）をさらに含み、
前記粒状物充填層（６２）、ナノ粒子層、金属発泡体層（７６）、断熱皮膜（７８）又はそれらの組合せが、前記複数の金属熱絶縁層（８２、８４、８６）間に配置される、
請求項１乃至４のいずれか１項記載のシールド（６０）。
【請求項６】
オイル溜め（１４）であって、
潤滑オイルを収容するように構成されたエンクロージャ（６５）の外表面（６４）の周りに配置された防護シールド（６０）を含み、
前記シールド（６０）が、該オイル溜め（１４）に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される、
オイル溜め（１４）。
【請求項７】
潤滑オイルを収容するように構成されたオイル溜め（１４）のための防護シールド（６０）であって、
前記オイル溜め（１４）の外表面（６４）上に設けられたナノ粒子層（６２）を含み、
該シールド（６０）が、前記オイル溜め（１４）に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される、
シールド（６０）。
【請求項８】
金属ケーシング（６６）をさらに含み、
前記ナノ粒子層（６２）が、前記金属ケーシング（６６）と前記オイル溜め（１４）の外表面（６４）との間に配置される、
請求項７記載のシールド（６０）。
【請求項９】
潤滑オイルを収容するように構成されたオイル溜め（１４）のための防護シールド（６０）であって、
前記オイル溜め（１４）の外表面（６４）上に設けられた金属発泡体層（７６）を含み、
該シールド（６０）が、前記オイル溜め（１４）に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される、
シールド（６０）。
【請求項１０】
潤滑オイルを収容するように構成されたオイル溜め（１４）のための防護シールド（６０）であって、
前記オイル溜め（１４）の外表面（６４）上に設けられた少なくとも１つの断熱皮膜（７８）を含み、
前記少なくとも１つの断熱皮膜（７８）が、電子ビーム物理蒸着によって形成され、
該シールド（６０）が、前記オイル溜め（１４）に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される、
シールド（６０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には防護シールドに関し、より具体的には、例えば航空機エンジン内のオイル溜めのような装置の熱保護並びに振動及び音響の減衰のための防護シールドに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動エンジンは、湿式オイル溜め又は乾式オイル溜めオイルシステムのいずれかを使用している。航空機エンジンでは、オイル溜めは、軸受及び潤滑オイルを収容するエンクロージャである。乾式オイル溜めシステムでは、オイルは、別個のタンク内に収容されており、ポンプを使用してエンジンを通して循環される。湿式オイル溜めシステムでは、オイルは、エンジンの一体形部分であるオイル溜め内に収容されている。
【０００３】
湿式オイル溜めシステムの主要構成要素は、オイルポンプであり、該システム内で、オイルポンプは、オイル溜めからオイルを吸い込みかつそのオイルをエンジンに送る。オイルは、エンジンを通って流れた後に、オイル溜めに送られる。幾つかのエンジンにおいては、エンジンの一部分上にオイルを撥ねかける回転クランクシャフトによって付加的な潤滑が行なわれる。乾式オイル溜めシステムでは、オイルポンプがオイルに圧力を与えるが、オイルの供給源は、エンジンの外部に設置された別個のオイルタンクである。オイルは、エンジンを通して送られた後に、排油ポンプを使用して圧送されて、エンジン内の様々な部位からオイルタンクに戻る。
【０００４】
オイル溜め内における潤滑オイルの引火点は一般的に、４００°Ｆ前後である。航空機エンジン内のオイル溜めの外部の空気は、約７００°Ｆ前後の温度に達する可能性があり、これは、潤滑オイルの引火点よりも大幅に高い。１つ又はそれ以上の圧縮機段からの冷却空気をオイル溜めの周りに循環させて、オイル溜めの温度を潤滑オイルの引火点よりも低く維持することができる。しかしながら、より高い推力を有するエンジンを製造する場合には、圧縮機段から供給される空気の温度も上昇して、オイル溜めの冷却を困難にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，７７５，０４９  Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第５，８２０，３４８  Ａ号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.K.VARANASI and S.A.NAYFEH; "Damping of flexural vibration using low-density, low-wave-speed media", Journal of Sound and Vibration 292(2006) 402-414.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
オイル溜めの温度を該オイル溜め内に収容された潤滑オイルの引火点よりも低く維持するように該オイル溜めを熱保護するためのシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの例示的な実施形態によると、熱に曝される装置のための防護シールドは、粒状物充填層、ナノ粒子層、金属発泡体層、断熱皮膜又はそれらの組合せを含む。本シールドは、装置に対して熱抵抗並びに振動及び音響の減衰をもたらすように構成される。
【０００９】
本発明の別の例示的な実施形態によると、潤滑オイルを収容するように構成されたエンクロージャの外表面の周りに配置された防護シールドを有するオイル溜めを開示する。
【００１０】
本発明の別の例示的な実施形態によると、潤滑オイルを収容するように構成されたオイル溜めのための防護シールドを開示する。本シールドは、オイル溜めの外表面上に設けられたナノ粒子層を含む。
【００１１】
本発明の別の例示的な実施形態によると、潤滑オイルを収容するように構成されたオイル溜めのための防護シールドを開示する。本シールドは、オイル溜めの外表面上に設けられた金属発泡体層を含む。
【００１２】
本発明の別の例示的な実施形態によると、潤滑オイルを収容するように構成されたオイル溜めのための防護シールドを開示する。本シールドは、オイル溜めの外表面上に設けられた断熱皮膜を含む。
【００１３】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより一層よく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の例示的な実施形態による防護シールドを備えたオイル溜めを有するエンジンの概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、粒状物充填層又はナノ粒子層を有する防護シールドを備えたオイル溜めの概略図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、金属発泡体を有する防護シールドを備えたオイル溜めの概略図。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、断熱皮膜を有する防護シールドを備えたオイル溜めの概略図。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、複数の熱絶縁層を有する防護シールドを備えたオイル溜めの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細に後述するように、本発明の実施形態は、熱保護並びに振動及び音響の減衰のためのシステム及び方法を含む。防護シールドは、粒状物充填層、ナノ粒子層、金属発泡体層、断熱皮膜又はそれらの組合せを含む。本明細書に説明した実施形態は、航空機エンジン内のオイル溜めに関するものであるが、このオイル溜めはまた、蒸気タービン用途、ガスタービン用途又はそれらに類したものを含むその他の用途にも適している。本明細書ではまた、防護シールドは、熱絶縁が懸案事項であるあらゆるその他の装置にも適用可能であることに注目されたい。本解決方法は、例えばオイル溜めのような装置の周りに防護シールドを設けて高い熱（貫流）抵抗をもたらし、それによって装置内部の温度を低下させるようにすることを含む。オイル溜めエンクロージャの外側は、伝統的な熱絶縁材料よりも遙かに低いレベルである熱伝導率を有する超低熱伝導性材料を含むシールドで熱絶縁される。これにより、熱経路内に高い熱抵抗が生じて、オイル溜め内部の温度が大幅に低下することになる。加えて、防護シールドはまた、装置に対して振動及び音響の減衰をもたらす。
【００１６】
次に図１を参照すると、例示的なエンジン１０を示している。エンジン１０は、オイル溜め１４を備えたクランクケース１２を含み、オイル溜め１４は、クランクケース１２の下方部分内に設けられている。エンジン１０としては、レースエンジン、航空機エンジン又はそれらに類したものを含むことができる。エンジン１０はまた、カムハウジング１６を含み、またクランクケース１２の外側に設置されたオイルタンク１８を含む。オイルタンク１８は一般的に、比較的小さく、エンジン１０を連続潤滑するためにクランクケース１２に供給されるべき量のオイルを収容するのに十分な容積を有すればよい。
【００１７】
オイルタンク１８は、ブリーザ導管２０によってクランクケース１２に結合される。タンク１８は、導管２６を介してポンプ及び空気セパレータ組立体２４の圧力ポンプセクション２２に結合される。組立体２４はさらに、排油ポンプセクション２８及び空気セパレータセクション３０を含む。オイルは、導管３２を介して圧力ポンプセクション２２からオイル溜め１４へ戻される。同伴空気を含むオイルは、導管３４を介して排油ポンプセクション２８に送込まれる。排油ポンプセクション２８は、オイルを空気セパレータ３０に供給する。空気セパレータ３０には、それぞれ分離したオイル及び空気を流出させるための２つの出口３６及び３８が設けられている。オイルは、出口３６から導管４０を通って流れてオイルタンク１８に戻る。
【００１８】
分離空気は、出口３８から導管４１を介してキャニスタ又は容器４４の入口４２に流れる。容器４４には、該容器４４を大気と通気させるための通気口４６が設けられている。容器４４にはまた、該容器４４の底部に近接して設置されたオイル出口４８が設けられている。容器４４内で分離空気から凝縮させたオイルは、導管５２を介してカムハウジング１６の入口５０に戻すことができる。この図示した好ましい実施形態では、連結は、カムハウジング１６上で行なわれる。オイルタンク１８はまた、圧力逃がし弁５８を備えた導管５６を介して容器４４の入口５４に結合されている。本明細書では、エンジン１０の構成は、用途に応じて変化させることができることに注目されたい。
【００１９】
ここで再びオイル溜め１４を参照すると、オイル溜め１４に対して、防護シールド６０が取付けられている。シールド６０は、高い熱抵抗をもたらし、それによってオイル溜め１４内部の温度を低下させるように構成される。加えて、防護シールド６０はまた、オイル溜め１４に対して振動及び音響の減衰をもたらす。たとえ防護シールド６０の適用をエンジン１０のオイル溜め１４について説明したとしても、本シールド６０は、熱絶縁が重要懸案事項であるようなその他の装置に対しても同様に適用可能であることに注目されたい。シールド６０の詳細については、後続する図を参照しながら一層詳細に説明する。
【００２０】
図２を参照すると、本発明の例示的な実施形態による防護シールド６０を示している。防護シールド６０は、オイル溜め１４の周りに設けられる。この図示した実施形態では、シールド６０は、オイル溜めエンクロージャ６５の外表面６４と金属ケーシング６６との間に設けられた層６２を含む。１つの実施形態では、層６２は、粒状物充填層とすることができる。粒状物充填層は、砂、鉛ショット、鋼球又はそれらに類したものを含むことができる。熱抵抗及び構造振動の大きな減衰は、その中では熱、振動及び音響伝播の速度が比較的低い粒状粒子のような低密度媒体を結合することによって達成することができる。本明細書では、砂のような粒状材料は、連続体として設計することができること、またそのような粒状材料で充填された構造体における熱抵抗及び減衰は増大して、該構造体の共振振動数において定常波が粒状材料内で発生するようにすることができることに注目されたい。低密度粒状物充填材料は、広範囲の振動数にわたり構造振動の高い減衰をもたらすことができる。
【００２１】
別の実施形態では、層６２は、ナノ粒子層とすることができる。ナノ粒子層は、比較的低い熱伝導率を有するセラミック粒子、ポリマー粒子又はそれらの組合せを含むことができる。セラミック粒子には、それに限定されないが、セラミック酸化物、セラミック炭化物、セラミック窒化物又はそれらの組合せが含まれる。これらのセラミック材料の大部分は、比較的高い融点（例えば、１５００℃よりも高い）を有しており、従って高温用途に適するものとなる。セラミック酸化物には、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、イットリウム安定化ジルコニウム又はそれらの組合せが含まれる。本明細書では、ナノレベルにおける材料特性は、マクロレベルにおける材料特性とは異なることに注目されたい。例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のケースでは、それらの軸方向熱伝導率は、バルク炭素の軸方向熱伝導率よりも遙かに大きいレベルで高い。
【００２２】
その主な理由は、軸方向に沿った熱の弾道輸送を可能にするＣＴＮの特異な幾何学的形状にある。これに対して、材料における形状寸法を減少させることは、特定の特性の低下を引き起こす場合がある。例えば、ミクロン寸法の又はそれよりも大きい粒子の代わりにナノ粒子を使用することにより、一部の材料のシステムにおける熱伝導率を低下させるのを助けることができる。加えて、ナノ粒子のシステムにおける熱輸送に影響を及ぼす１つの要因は、ミクロン寸法又はそれよりも大きい粒子と比較して、ナノ粒子の表面積対体積比が増大することであると考えられる。表面積対体積比の増大により、ナノ粒子システムは、熱輸送に対して比較的より高い抵抗を示すことになる。これは、粒子とマトリックスとの間の及び粒子自体間の界面数の増加によって引き起こされる。
【００２３】
従って、マトリックス内に埋込まれたナノ粒子を有する皮膜材料を使用することは、熱障壁としての潜在的用途を有する。熱障壁用途の場合には、皮膜材料は、非金属とすることができる。そのような材料では、熱は、フォノン（電気輸送における電子と類似している）によって輸送される。フォノンは一般的に、それらの振動数及び平均自由行程（ｍｆｐ）における大きな変動を有する。しかしながら、熱の大部分は、室温において約１〜約１００ｎｍの間の範囲内のｍｆｐを有するフォノンによって運ばれる。平均自由行程は、フォノンが格子又は不純物のような何か他のものと衝突する前にフォノンが移動する距離として定義される。従って、フォノンは、それらの熱伝導率に大きな影響を有する。１つの実施形態では、オイル溜めエンクロージャの表面上にナノ粒子を被着させるために、低温液体支援スプレー法が使用される。本明細書では、ナノ粒子層は、液相ウエッティング法、化学蒸着法、焼結法、焼なまし法又はそれらの組合せを含む様々な方法によって形成することができることに注目されたい。
【００２４】
金属ケーシング６６に沿った熱抵抗は、層６２を横切ってオイル溜め１４内への熱抵抗よりも比較的低い。金属ケーシング６６は、それに限定されないが、鉄、チタン、銅、ジルコニウム、アルミニウム及びニッケルを含むことができる。その結果、熱は、金属ケーシング６６に沿って伝導するのと比べて、層６２を横切ってより緩やかに伝導し、それによって有効な熱シールドを形成する。層６２はまた、オイル溜め１４の振動及び音響の減衰も可能にする。
【００２５】
一部の実施形態では、シールド６０はさらに、金属ケーシング６６上に設けられた超親水性皮膜６８を含むことができる。超親水性皮膜６８の形成により、該皮膜６８の表面上に水膜を形成して熱抵抗を高めることが可能になる。超親水性皮膜６８は、それに限定されないが、粗面仕上げ、研削、ショットピーニング、マイクロ加工、グリッドブラスト、コーティング又はそれらの組合せを含む様々な方法によって形成することができる。また、幾つかの実施形態では、シールド６０はさらに、オイル溜め１４の内表面７２上に設けられた親油性皮膜７０を含むこともできる。親油性皮膜７０の形成により、該皮膜７０の表面上に油膜を形成し、それによってさらに熱抵抗を高めることが可能になる。
【００２６】
一部の実施形態では、シールド６０は、金属ケーシング６６を含まないものとすることができる。そのような実施形態では、層６２は、オイル溜め１４の外表面６４上に形成することができ、また超親水性皮膜６８は、層６２の表面上に設けることができる。１つの実施形態では、エンクロージャ６５上に粒子を被着させた後には、ナノ粒子は、ファンデルワールス相互作用によってのみ互いに結合させられる。そのようなナノ構造体は、粒子間の接触部における材料のネッキング又は拡散を生じるように焼結又は焼なまして、ナノ多孔質構造体の機械的強度を高めることができる。
【００２７】
図３を参照すると、本発明の例示的な実施形態による防護シールド７４を示している。防護シールド７４は、オイル溜め１４の周りに設けられる。この図示した実施形態では、シールド７４は、オイル溜めエンクロージャ６５の外表面６４上に設けられた金属発泡体層７６を含む。熱抵抗及び構造振動の大きな減衰は、その中では熱、振動及び音響伝播の速度が比較的低い発泡体のような低密度媒体を結合することによって達成することができる。有効熱伝導率は、発泡体層７６内部に捕捉された空気によって低下する。
【００２８】
一部の実施形態では、金属発泡体層７６は、オイル溜めエンクロージャ６５の外表面６４と金属ケーシング６６（図２に示す）との間に配置することができる。幾つかの実施形態では、シールド７４はさらに、金属ケーシング上に設けられた超親水性皮膜６８（図２に示す）を含むことができる。一部の特定実施形態では、シールド７４は、金属ケーシング６６を含まないものとすることができる。この図示した実施形態では、超親水性皮膜６８は、金属発泡体層７６の表面上に設けることができる。
【００２９】
図４を参照すると、本発明の例示的な実施形態による防護シールド７５を示している。この図示した実施形態では、シールド７５は、熱成長酸化物層８０を介してオイル溜めエンクロージャ６５の外表面６４上に施工された断熱皮膜７８を含む。セラミック皮膜のような断熱皮膜７８は、その低い熱伝導率に特徴がある。本明細書では、構成要素の表面に対して断熱皮膜を施した場合には、断熱皮膜は、該断熱皮膜が熱流に曝された時に、大きな温度勾配を生じることに注目されたい。１つの実施形態では、断熱皮膜７８は、熱スプレー法を用いて施工された約３００マイクロメートル（μｍ）の厚さを有するイットリア安定化ジルコニウム層を含む。熱成長酸化物層８０は、断熱皮膜７８に耐酸化性をもたらす。別の実施形態では、断熱皮膜７８は、電子ビーム物理蒸着によって形成され、約１２０μｍの厚さを有することができる。電子ビーム物理蒸着法は、高出力電子ビームを用いて、るつぼ内で皮膜材料のインゴットを加熱しかつ気化させることを含む。蒸気は、蒸気源の上方で回転可能である基体表面上に被着する。
【００３０】
１つの実施形態では、断熱皮膜７８は、傾斜機能材料を含む。本明細書では、傾斜機能材料の概念は、材料特性の対応する変化を生じさせる組成及び／又は微細構造における空間的変化を形成することであることに注目されたい。被着工程の間に断熱皮膜７８の組成を変化させることによって、皮膜表面において所望の熱的及び機械的特性を示すと同時に、界面において基体材料と一致した最適熱膨張を有する断熱皮膜７８を被着させることができる。
【００３１】
図５を参照すると、本発明の例示的な実施形態による防護シールド８１を示している。この図示した実施形態では、シールド８１は、オイル溜めエンクロージャ６５の外表面６４の周りに配置された複数の金属熱絶縁層８２、８４、８６を含む。たとえこの実施形態には３つの金属熱絶縁層を図示しているとしても、他の実施形態では、金属熱絶縁層の数は用途に応じて変化させることができる。
【００３２】
この図示した実施形態では、層６２（粒状物充填層又はナノ粒子層）は、オイル溜めエンクロージャ６５の外表面６４と金属熱絶縁層８２との間に配置される。金属発泡体層７６は、金属熱絶縁層８２、８４間に配置される。断熱皮膜７８は、金属熱絶縁層８４、８６間に配置される。本明細書では、この図示した実施形態は、いずれにしても本発明の技術的範囲を限定するものとして解釈すべきではないことに注目されたい。図示した層の数及びそれらの相対的位置は、用途に応じて変化させることができる。あらゆる可能な置換え及び組合せが考えられる。
【００３３】
図２〜図５を参照しながら説明した実施形態は、熱シールドとしてまた音響及び振動の減衰装置としての両方として機能する。図２〜図５を参照しながら説明した実施形態のあらゆる可能な置換え及び組合せもまた考えられる。
【００３４】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとしていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３５】
１０  エンジン
１２  クランクケース
１４  オイル溜め
１６  カムハウジング
１８  オイルタンク
２０  ブリーザ導管
２２  圧力ポンプセクション
２４  ポンプ及び空気セパレータ組立体
２６  導管
２８  排油ポンプセクション
３０  空気セパレータセクション
３２  導管
３４  導管
３６  出口
３８  出口
４０  導管
４１  導管
４２  入口
４４  容器
４６  通気口
４８  オイル出口
５０  入口
５２  導管
５４  入口
５６  導管
５８  圧力逃がし弁
６０  防護シールド
６２  層
６４  外表面
６５  オイル溜めエンクロージャ
６６  金属ケーシング
６８  超親水性皮膜
７０  親油性皮膜
７２  内表面
７４  防護シールド
７５  シールド
７６  金属発泡体層
７８  断熱皮膜
８０  熱成長酸化物層
８１  シールド
８２  熱絶縁層
８４  熱絶縁層
８６  熱絶縁層
【図１】
2010133407.tif 000003
【図２】
2010133407.tif 000004
【図３】
2010133407.tif 000005
【図４】
2010133407.tif 000006
【図５】
2010133407.tif 000007