(57)【要約】      （修正有）【課題】アルミニウムに比べて２０％−５０％の重量低減が可能であり、高い熱伝導度と高い電気伝導度の特性を得ることにより、電気的シールドおよび磁気的シールド、さらには、熱の解放を促進するシャーシを提供する。【解決手段】複合材アビオニクスシャシーは、十分な電気伝導性および熱伝導性であり、ＥＭＩシールドを提供し、電磁共鳴を減衰させる十分な損失を備え、また、中空カーボンミクロスフェアを含むことができるポリマー母材組成から得られる軽量なものである。一実施形態において、電子機器シャシーは、性能を低下させるものとして知られている中空カーボンミクロスフェアを用いても高い強度を保持することができる補強層を含む。シャシーは、合成充填材料と結合されたポリマー樹脂を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器シャシー（４０）であって、
射出成形、注入成形、および圧縮成形のうちの１つにより形成された少なくとも１つの複合材パネルを有し、前記少なくとも１つの複合材パネルは、
１つまたはそれ以上のタイプのカーボンベース材料を有するコア材料を有し、前記１つまたはそれ以上のタイプのカーボンベース材料は、平均的な球の直径が５０ミクロン未満の中空ミクロスフェアを有し、
前記複合材パネルはポリマー樹脂を有し、
前記少なくとも１つの複合材パネルは、０．１ｏｈｍ−ｃｍから２ｏｈｍ−ｃｍまでの電気抵抗を有する、シャシー。
【請求項２】
請求項１に記載のシャシーであって、前記少なくとも１つの複合材パネルは、高い二次元熱伝導性を備える規則正しいグラフェンプレートを有し、前記グラフェンプレートは、内部ソースから熱シンクへの熱移動を最大化するように構成され、グラフェンプレートの構成は、グラフェンプレートを薄い区分に切断して、切断縁が回路板表面に隣接して露出するように該区分を積み重ねることにより再構成され、前記再構成されたプレートは、少なくとも二次元で８００Ｗ／ｍ−Ｋを超える熱伝導度を備え、前記グラファイトプレートは、前記グラファイトプレートを保護するのに十分な機械的特性を備える、電気伝導性および熱伝導性の材料でクラッドされる、シャシー。
【請求項３】
請求項１に記載のシャシーであって、前記シャシーはさらに、１つまたはそれ以上のカーボンベース材料から構成される内部パネルを有し、前記内部パネルは、前記シャシー内で、電子部品を備える少なくとも２つの回路板の間に位置決めされる、シャシー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合アビオニクスシャシーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器シャシーは、ラジオ周波数（ＲＦ）、マイクロ波、ミリメートル波、または高速デジタル回路を含む回路板を取り囲むアルミニウムの複数の形態から製造される。シャシーは、内部で生成される放射がシャシーの外へ逃げるのを防止するために、また、外部の放射がシャシーに入るのを防止するために設計される。アルミニウムは、キャビティ内の電磁共鳴を減衰させず（損失材料を追加しなければならない）、また、磁気シールドを提供しない。アルミニウムは高い熱伝導性を備え、また、過剰な熱を取り除く手段を提供する。アルミニウムからシャシーを機械加工するのは、高価な製造プロセスである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
重量およびコストの低減および、より簡単な機構（対流冷却の除去）に対する航空宇宙産業の顧客の要望は、従来の材料、とくに機械加工されたアルミニウムの形状にとって代わる、新規な複合材料、構造、および製造プロセスへの機会を開く。複合材料はアルミニウムに比べて２０％−５０％（典型的には３０％）の重量低減を達成できるが、アルミニウムのとても望ましいいくつかの特性に匹敵しなければならない。すなわち、高い電気伝導度、高い熱伝導度、低い原材料コストに匹敵しなければならない。しかし、複合材のハンドレイアップ成形はアルミニウムの機械加工と比べても高価であり、そのため安価な製造方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
電子機器シャシーは、内部の部品を損傷、ゴミ、ほこり、温度範囲にわたる副次的な湿気、内部回路エネルギーから生じる電磁共鳴、外部の電磁干渉（ＥＭＩ）の侵入から保護する。また、電気的シールドおよび磁気的シールドの両方が提供される。シャシーは、熱の解放を促進する構造を有する。シャシー材料の複合材は、さらにシャシーの重量を低減するために、軽量添加剤の特定のクラスを含む。
【０００５】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が、以下に図面とともに詳細に説明される。図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一実施形態により形成された回路板アセンブリを収容するための従来のアビオニクス電子機器シャシーの斜視図である。
【図２】図１に示すシャシーの切断図である。
【図３】本発明の一実施形態で説明されるシャシーの分解斜視図である。
【図４】高い電気伝導性および熱伝導性のグラフェンプレートの一実施形態を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態により形成されたシャシーの端部断面図である。
【図６】図５のシャシーの一部の側部断面図である。
【図７】図５のシャシーの垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
複合材電子機器シャシーが構造および材料組成とともに以下に開示される。一実施形態において、複合材アビオニクスシャシーは、十分な電気伝導性および熱伝導性であり、ＥＭＩシールドを提供し、電磁共鳴を減衰させる十分な損失を備え、また、中空カーボンミクロスフェアを含むことができるポリマー母材組成から得られる軽量なものである。一実施形態において、電子機器シャシーは、性能を低下させるものとして知られている中空カーボンミクロスフェアを用いても高い強度を保持することができる補強層を含む。シャシーは、合成充填材料と結合されたポリマー樹脂を含み、これは、一実施形態において、商業的な航空機応用に対する、連邦航空局（Federal Aviation Administration, FAA）の可燃性、煙密度、および毒性（Flammability, Smoke Density and Toxicity, FST ）の要求に適合する。
【０００８】
図１および図２は、アルミニウムを機械加工して製造される従来のシャシー２０を示し、これは、側面２２、正面２４、背面２６、底面２８を備える。底部２８および頂部（図示せず）の開口３０は、従来のシャシー内のカードを冷却するための空気循環のためのものである。
【０００９】
図３−１および図３−２の複合材シャシー４０において、一実施形態として、大きな側部パネル４２は、プリプレグレイアップの圧縮成形、または、プリプレグシートでクラッドされた中空ミクロスフェアコア構造の圧縮成形により形成される。シャシー４０は、側部パネル４２、頂部パネル５３、底部パネル４８、背部パネル５５、および正面パネル（図示せず）を含み、これらは、射出成形、注入成形、または圧縮成形により製造され、これらは大型の製造にとって非常にコスト効率のよい方法である。
【００１０】
底部パネル４８に取り付けられるベースプレートは、高電気伝導性（１０５０Ｗ／ｍ−Ｋ）の挿入して成形されるＡｌクラッドグラファイトプレート５４（図４−２の符号７０）を含む。図３−１に示されるように、Ａｌクラッドグラファイトプレート５４は、回路板（図示せず）から、通路４９に沿って、および高熱伝導性通路５０に沿って、対流冷却を必要とせずに熱を急速に端部にある外部の熱シンク（図４−２の熱シンク６４）まで輸送する（図５および図７参照）。プレート５４は、接地プレートとしても機能できる。
【００１１】
グラファイトプレートの熱伝導は、グラファイト層の二次元の性質により非常に非等方性である。熱伝導は、図４−１に示される製造されたプレートにおいて、矢印６１および６２で示される平面方向において非常に高く、プレート６０を通る直交方向４９において低いオーダーである。熱を回路板から外部熱シンクに通路４９および通路５０に沿って取り除くために、製造されたプレート６０において熱伝導率の低い第１の方向４９、および熱伝導率の高い第２の方向５０の両方における効率的な熱輸送が必要である。プレート内の熱伝導率を改善する１つの方法は、グラファイトプレート６０を、図４−１の破線６３により示されるような長さに沿って薄いストライプに切断することである。そして、このストライプを、図４−２に示されるように再び方向を定めて積み重ねる。この再方向付けは、製造されたプレート６０内のストライプ６５上の印Ｘが付けられた表面を、再組立されたプレート７０のストライプ７５における印Ｘが付けられた表面になるように回転させることを含む。再方向決めされたストライプは、平面７３に沿って接合されてもよい。この実施形態において、高い熱伝導方向は、熱を回路板から図４−２の矢印４９で示されるように伝達し、また、プレート７０の矢印５０で示される長さに沿って熱シンク６４まで伝達する。
【００１２】
グラファイトプレートの低伝導性の方向に熱を輸送する他の方法は、ビア（図示せず）として知られている小さな穴を低熱伝導性の方向に設け、その穴をアルミニウムのような高熱伝導性の材料で充填することである。
【００１３】
熱シンク６４は、一般に、シャシー背壁２６の外側に配置される。熱シンク６４の一部６９は、シャシー壁の一部とすることができる。代替的に、熱シンク６４は、シャシー壁内の開口を通して挿入してもよい。熱シンク６４は、グラファイトプレート７０から除いた熱を、たとえば、フィンから外の空間のような周囲の環境に放射することにより、フィンを備える表面上の空気による強制対流または自由対流による対流冷却により、あるいは、ポンプされる冷却流体の輸送により、廃棄する。
【００１４】
ポリマー（密度〜１．３ｇ／ｃｃ）、カーボンファイバー（〜１．８ｇ／ｃｃ）、およびつぶれ抵抗性中空ミクロスフェア（〜０．５５ｇ／ｃｃ）の使用は、アルミニウム（２．７ｇ／ｃｃ）と比較して、組み立てられた部分の総重量を小さくする。シャシー４０の大きな平坦側部パネル４２は、レイアップしたプリプレグを圧縮することにより形成でき、または、ミクロスフェア樹脂組成物（シート成形混合製造に類似する）にクラッド（カーボン構造プリプレグ）を適用することにより形成できる。
【００１５】
シャシー４０は、ベース樹脂を含む混合材料から成形される。伝導性、強度、および重量の異なるレベルを達成するために、様々な材料をシャシー内に組み合わせることができる。
【００１６】
一実施形態において、ミクロスケールのカーボン材料は、中空カーボンミクロスフェアであり、これは直径が５０ミクロンより小さく、射出成形に対する十分なつぶれ強度を備えている。ミクロスフェアは、カーボンが低密度であり且つ中空であるので、非常に軽量であるという利点がある。中空ミクロスフェアのデータは、一般に、ミクロスフェアの直径が小さくなり、密度が増加すると、つぶれ抵抗が改善されることを示している。寸法および密度に関するこの傾向は、スフェアの製造プロセスで本来的に発生することが観察される。
【００１７】
ベース樹脂は、ポリエーテルイミド（PEI）とすることができ、これは、１つまたはそれ以上の上述のファイバー材料と組み合わせられる。ＰＥＩは、アモルファスであり、琥珀透明であり、高い熱抵抗を提供する高い熱可塑性性能であり、高強度および係数であり、優れた電気絶縁性能を持つ。３４０°Ｆ（１７０℃）への連続露出により性能を維持するＰＥＩは、高強度／高熱応用に理想的であり、加水分解抵抗性があり、酸性溶液に高い抵抗性を持ち、繰り返しのオートクレーブサイクルに耐えることができる。ＰＥＩの品質は、静電消散品質、ＦＤＡ適合品質、ＵＳＤＡ適合品質で入手できる。ＰＥＩの一般的な商品名は、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）、Ｔｅｃａｐｅｉ（商標）、およびＴｅｍｐｏｌｕｘ（商標）である。
【００１８】
ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）（たとえばＵｌｔｒａｓｏｎ（登録商標）（ＢＡＳＦ社））を、ＰＥＩの代わりに用いてもよい。ＰＥＳは、高い温度抵抗性を備え（１８０℃連続使用温度）、高温でのよい機械加工性を備える。
【００１９】
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）（たとえば、Ｒｙｔｏｎ（登録商標））は、高い結晶性（５０−６０％の結晶度）の熱可塑性物質である。ＰＰＳは耐火性であり、航空機流体に対して不透過性であり、半晶質材料であるので低い溶融粘度を備える。ＰＰＳの機械的性質および温度耐性は、ＰＥＩには匹敵しないが、高い温度性能は電子機器ハウジングには必要とされない。
【００２０】
上述の母材から形成されるシャシーは、カーボン材料の様々な形態を含むことができ、必要な電気伝導性を提供し、適当な母材樹脂に改良された機械的特性を提供する。ニッケルが被覆されたカーボンまたは、ニッケル粒子は、より高い伝導性を達成し、磁気シールドを提供するために、任意の組み合わせに追加することができる。最も軽い重量および低いコストでの所望の伝導性は、重くて高価なニッケルの使用を最小化するために、より高いレベルのカーボンファイバーを用いることで達成できる。
【００２１】
一実施形態において、射出成形シャシーのペレットは、２０重量％の切断カーボンファイバー（Ｆｏｒｔａｆｉｌ（商標））、１０重量％のニッケル被覆カーボンファイバー（Ｓｕｌｚｅｒ（登録商標）  ＮｉＣＦ）、および７０重量％のポリエーテルイミド（Ｕｌｔｅｍ（登録商標）  １０００）を混合することにより形成される。ペレットは、３．７ｏｈｍ−ｃｍの電気抵抗、および１．３７ｇ／ｃｃの密度を備える。室温での引張特性（ＡＳＴＭ  Ｄ−６３８−０３）は、２８，０００ｐｓｉ引張強度であり、１，２００，０００ｐｓｉ係数であり、１．２％の延びである。対応する曲げ特性（ＡＳＴＭ  Ｄ−７９０−０７）は、３５，０００ｐｓｉ曲げ強度であり、３，０００，０００ｐｓｉ曲げ係数である。異なる特性を得るために他の割合の混合物を用いてもよい。
【００２２】
他の実施形態において、複合材組成の特性は、混合エポキシ樹脂に基づく混合物で、０．１（１／ｏｈｍ−ｃｍ）−１から２．０（１／ｏｈｍ−ｃｍ）の範囲の電気伝導度、１．１ｇ／ｃｃより小さい密度、６００，０００ｐｓｉより大きな値の曲げ係数である。これらの混合物のための母材は、ＦＳＴ試験を有利に通る。急速高圧プロセスである射出成形により処理される混合物は、好ましくは、低い溶融粘度を備え、これは、薄い壁の型の充填を可能にし、材料コストと重量との両方の節約を可能にする。過酷な成形および合成条件により、これらの混合物は、小さな直径で相対的に高密度の潰れ抵抗ミクロスフェアを必要とする。圧縮成形は過酷でないプロセスであり、高粘度を許容し、低い成形圧力を必要とし、薄い壁の低密度のミクロスフェアを許容する。
【００２３】
圧縮成形の要求に適合する例示的な合成物は、Ｅｐｉｋｕｒｅ（登録商標）Ｗ硬化剤を含むＥｐｏｎ（登録商標）８６２エポキシ母材に、９．５体積％の粉砕カーボンファイバー、１９体積％の中空カーボンミクロスフェアを含む。この合成物に用いられたミクロスフェアは、潰れ抵抗性ではなく、相対的に大きな直径およびピクノメーターで測定して０．３８ｇ／ｃｃから０．４３ｇ／ｃｃの密度を備える。ミクロスフェアは、１９体積％の粉砕カーボンファイバーおよびミクロスフェア無しの合成物に対して、この合成物の密度を１．１４ｇ／ｃｃから０．９５ｇ／ｃｃまで低くする。この合成物の電気抵抗は、０．５９ｏｈｍ−ｃｍであり、０．５ｏｈｍ−ｃｍから１０ｏｈｍ−ｃｍの目標範囲内である。
【００２４】
射出成形に適合的な他の実施形態は、ポリフェニレンサルファイド（Ｒｙｔｏｎ（登録商標）Ｐ６）樹脂に、小さな直径（４０ミクロン）、高密度０．５５ｇ／ｃｃで、８重量％レベルで合成されたミクロスフェア（ＥＰ３６）、および２０重量％の切断カーボンファイバー（Ｆｏｒｔａｆｉｌ（商標）２１９）を含む。
【００２５】
１つ以上の実施形態において、圧縮成形パネルは、５−ハーネスカーボンファイバープリプレグの２つの層を、頂部層と底部層とがビスマレイミド母材（Ｃｙｃｏｍ（登録商標）５０５２−４）のコアを取り囲むように配置することにより準備され、これは、１７重量％の中空カーボンミクロスフェアを含む。ピクノメーターで測定して０．３８から０．４３の低い密度のこれらのミクロスフェアは、射出成形で遭遇する高い圧力に耐えることができないであろう。この他の補強を含まないミクロスフェア−母材合成物は、連続ファイバー補強材を備える複合材と比較して５またはそれ以上のファクターで低い係数を備えると想定される。この例で説明されるプリプレグクラッドミクロスフェア複合材は、２４０℃で曲げ係数２，７００，０００ｐｓｉを備え、これは、ＢＭＩ連続ファイバープリプレグ（Ｃｙｃｏｍ（登録商標）５２５０ＨＴ）複合材と比べて約２５％だけの低下である。クラッドは、実質的に、中空ミクロスフェアの使用に関連する特性の損失を減少させる。
【００２６】
図５−図７は、Ａｌクラッドカードガイド（プレート５４）を互いに電気的に接続し、シャシー４０の背パネル５５に位置する任意の後部コネクタ８４上の共通の接地部に接続するための装置８２を示している。これら自身で、Ａｌクラッドガイド（プレート５４）は、電気的および熱的な伝導性を備えるが、電気的には、これらはどこにも行かずプアなグラウンド接続を形成する。後部コネクタ８４は、シャシー４０から熱を移動させるための航空機熱シンク（図示せず）に接触している。
【００２７】
一実施形態において、装置８２は、電気的なグラウンドを提供するためにプレート５４を覆う化学エッチングされた金属部品である。装置８２は、図６において後部コネクタ８４上に配置される共通グラウンドスタッド９０に接続するためのストラップを含んでもよい。装置８２は、各印刷回路板８０を接続し、電気グラウンドおよび／または熱シンクへの接続部を備えるようにするために、様々な構成で形成することができる。
【００２８】
他の実施形態において、シャシーの内部複合材壁８６は、電磁エネルギーを吸収し、また、シャシーのある領域内の内部部品を、他の領域内の部品からの電磁エネルギーからシールドする。シールド壁材料は、本明細書で説明される合成物とすることができ、また、内部壁への負荷および耐久性の要求は低いので、シャシーの外壁よりも軽量および薄くすることができる。
【００２９】
内部複合材壁８６および任意の回路板は、シャシー４０内の所定位置に、ウェッジ装置９２および第２のガイドまたは壁９４のような公知の方法で保持される。第２ガイドまたは壁９４は、プレート５４と同じにすることができ、ベースプレートおよびベースパネル４８に同様な方法で取り付けることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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