(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機構造物のための構造基板およびその製造方法の提供。【解決手段】最外層３０２、中間層３０４、および最内層３０６からなる多層状ハイブリッド複合材料であり、最外層３０２は電気を伝導して加熱できる導電性金属マトリックス複合材３０８を含み、中間層３０４は最外層に連結されており最外層３０２を最内層３０６から電気的に絶縁する電気絶縁体を含み、最内層３０６は中間層３０４に連結された複合材を含む多層状ハイブリッド複合材料である構造基板３００。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体（６０６）のための構造基板（３００）であって、該基板は、多層状ハイブリッド複合材料を含み、該多層状ハイブリッド複合材料は、
電気を伝導して電気加熱を提供するように動作可能な導電性金属マトリックス複合材（３０８、４００）を含む最外層（３０２）と、
前記最外層に連結された電気絶縁体（３１０）を含む中間層（３０４）と、
前記中間層に連結された第２の複合材（３１２）を含む最内層（３０６）とを含み、前記中間層は、前記最外層を前記最内層から電気的に絶縁するように動作可能である、構造体（６０６）のための構造基板（３００）。
【請求項２】
前記導電性金属マトリックス複合材（３０８、４００）は、アルミニウム合金、チタン合金、鋼合金、マグネシウム合金、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の構造基板（３００）。
【請求項３】
前記電気絶縁体（３１０）は、ガラス繊維、ガラス繊維強化ポリマー、セラミック、ホウ素、炭化ケイ素、またはこれらの組み合わせを含む繊維を含む、請求項１または２に記載の構造基板（３００）。
【請求項４】
前記第２の複合材（３１２）は、エポキシ樹脂または硬化剤入りエポキシ樹脂を含む炭素繊維強化ポリマーを含み、ファブリック、一方向性テープ、またはこれらの組み合わせを含むように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の構造基板（３００）。
【請求項５】
前記最外層（３０２）は、外面上で空力抵抗を減少するように動作可能なリブレット（５１０）を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の構造基板（３００）。
【請求項６】
多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板（３００）を形成するプロセス（７００）であって、
構造コンポーネントを形成するために第１の複合材（３１２）を含む最内層（３０６）を構成すること（７０２）と、
電気絶縁体（３１０）を含む中間層（３０４）を前記最内層に連結すること（７０４）と、
最外層（３０２）を前記中間層に連結すること（７０６）であり、前記最外層は、電気加熱を提供するために電気を伝導するように動作可能な導電性金属マトリックス複合材（３０８、４００）を含む、連結することと、
前記最外層を前記最内層から電気的に絶縁するように前記中間層を構成すること（７０８）と
を含む、多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板（３００）を形成するプロセス（７００）。
【請求項７】
前記導電性金属マトリックス複合材内に電磁効果防御を提供するために、前記導電性金属マトリックス複合材（３０８、４００）を接地すること（７１０）をさらに含む、請求項６に記載のプロセス（７００）。
【請求項８】
外面上で空力抵抗を減少するように動作可能なリブレット（５１０）を含むために前記最外層（３０２）を構成すること（７１２）をさらに含む、請求項６または７に記載のプロセス（７００）。
【請求項９】
前記電気加熱は、抵抗加熱、バイメタル加熱、ジュール加熱、オーム加熱、またはこれらの組み合わせを含む、請求項６から８のいずれか一項に記載のプロセス（７００）。
【請求項１０】
前記構造基板（３００）が航空機（２００、５００）の翼（５０２）上に位置し、電流（６１０）が前記導電性金属マトリックス複合材（３０８、４００）を通り、前記翼の除氷および着氷防止が可能になる、請求項６から９のいずれか一項に記載のプロセス（７００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して加熱システムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、電気発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の現在の除氷方法は、資源集約的である。航空運送業者は、国内便の出発の遅延が一定の時間を超えると、アメリカ合衆国運輸省により、乗客ごとに多額の罰金に処せられうる。平均的な遅延／キャンセルの費用は、１回のキャンセルにつき高額となりうる。さらに、吹雪により、遅延やキャンセルがフライトスケジュールを影響して何千もの乗客が空港ターミナルで立ち往生するため、航空運送業者に年間で何百万ドルもの費用が発生しうる。
【０００３】
現在では、エチレングリコール凍結防止剤が航空機除氷液として使用されているが、米国環境保護庁は、グリコールを連邦規制集第４０巻パート１２２、国家汚染物質排出防止システム（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｏｌｌｕｔａｎｔ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ：  ＮＰＤＥＳ）で規制工業プロセス（例えば、汚水内で）と分類している。（ＥＰＡ  ８２１−Ｒ−００−０１６によれば）年間で７０億ガロンもの航空機除氷液と雨水が生成され、（ＥＰＡ  ８２２−Ｆ−９９−０４３）によれば）グリコール回収システムの資本コストは、空港ごとに多額となりうる。グリコースは、酸素を消費して、水生系の酸素濃度を最適でない状態にすることができ、除氷液に存在する腐食防止剤や界面活性剤は、魚類や他の水生生物にとって最適でない環境をつくりだしうる。産業界全体で、航空機飛行表面を除氷する代替的または補完的な方法を研究する努力が進行している。
【発明の概要】
【０００４】
航空機構造体のための構造基板および方法が提示されている。多層状ハイブリッド複合材料は、最外層、中間層、および最内層を含む。最外層は、電気を伝導して電気加熱を提供する導電性金属マトリックス複合材を含む。中間層は、最外層に連結された電気絶縁体を含む。最内層は、中間層に連結された最内層複合材を含む。中間層は、最外層を最内層から電気的に絶縁する。
【０００５】
このように、本発明の実施形態は、車両の表面を加温して航空機などの車両を除氷するための、飛行時の防除氷システムまたは地上防除氷システムなどの防除氷システムに使用できる構造基板を提供する。本明細書に記載された地上防除氷システムは、除氷時間、除氷液、除氷リソース、除氷コスト、生成される廃水、冬の天気におけるフライトの遅延、キャンセルおよびそれが航空会社のフライトスケジュールに与える影響、および除氷による航空機の非最適性を低減する。さらに、地上防除氷システムは、着氷を防ぐことができ、車両と除氷作業員の安全を高め、マルチトラック車で除氷作業を行う必要を実質的に低減する。
【０００６】
一実施形態では、航空機構造体のための構造基板は、最外層、中間層、および最内層を含む、多層状ハイブリッド複合材料を含む。最外層は、電気を伝導して電気加熱を提供する導電性金属マトリックス複合材を含む。中間層は、最外層に連結された電気絶縁体を含む。最内層は、中間層に連結された最内層複合材を含む。中間層は、最外層を最内層から電気的に絶縁する。
【０００７】
別の実施形態では、多層状ハイブリッド複合材料を含む構造体を形成する方法は、最内層複合材を含む最内層を構成し、構造コンポーネントを形成する。さらに該方法は、電気絶縁体を含む中間層を最内層に連結し、最外層を中間層に連結する。最外層は、電気を伝導して電気加熱を提供する導電性金属マトリックス複合材を含む。さらに該方法は、最外層を最内層から電気的に絶縁するように中間層を構成する。
【０００８】
さらなる実施形態では、多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板を使用する除氷の方法は、最内層複合材を含む最内層を介して構造的機能性を提供する。さらに該方法は、最外層に電気を通すことにより、導電性金属マトリックス複合材を含む最外層を電気的に加熱する。さらに該方法は、電気絶縁体を含む中間層を介して、最外層を最内層から電気的に絶縁する。
【０００９】
この発明の概要は、下記の発明を実施するための形態で詳細に記載される概念の一部を選択し、単純な形態で紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の重要な機構または基本となる機構を特定することを意図したものでも、特許請求される主題の範囲を決定するために援用されることを意図したものでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施形態は、下記の図面と合わせて詳細説明および請求項を参照することによって、さらに完全に理解できる。図面における同じ参照番号は、図面全体を通して類似の要素を指すものである。図面は、本開示の広さ、範囲、規模、または適用性を限定することなく、本開示の理解を促すために提供される。図面の縮尺は必ずしも正確でない。
【００１１】
【図１】図１は、例示的な航空機の製造および保守方法を示すフロー図である。
【図２】図２は、航空機の例示的なブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、例示的かつ概略的な構造基板を示している。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による、構造基板内で使用される例示的な金属マトリックス複合材料を示している。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による、航空機の表面上で加熱器として使用される構造基板を示す例示的な航空機を示している。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による、構造基板を使用した防除氷システムを示す例示的かつ概略的なブロック図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による、構造基板を含む防除氷システムを構成するプロセスを示す例示的なフロー図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態による、防除氷システムを操作するプロセスを示す例示的なフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記の詳細な説明は、例示的な性質を有し、本発明、または本発明の実施形態の用途および使用を限定することを意図していない。特定の装置、技術、および応用の説明は、実施例としてのみ提供されている。本明細書に記載された実施例に対する修正は、当業者には自明であり、ここに定義される一般的原理は、本発明の精神および範囲を逸脱せずに、他の実施例および用途にも適用可能である。さらに、先術の技術分野、背景、概要、および以下の詳細な説明で明示的または暗示的に提示される任意の理論によって束縛されることは意図していない。本発明は、特許請求の範囲と合致するものと理解されるべきであり、本明細書に記載され示される実施例に限定されない。
【００１３】
本発明の実施形態は、本明細書において、機能的および／または論理的ブロックコンポーネントおよび様々な処理ステップの観点から記載される。このようなブロックコンポーネントは、特定の機能を実施するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアコンポーネントによって実現可能であることを理解されたい。簡潔にするために、除氷システム、熱伝達、電磁加熱、電気加熱、車両構造、基材製造、複合材料、金属材料、電気絶縁体、およびシステムのその他の機能面（およびシステムの個別の作動コンポーネント）に関する従来の技術およびコンポーネントは、本明細書において詳しく説明されない可能性がある。
【００１４】
本発明の実施形態は、非限定的な用途、すなわち、航空機の表面に関連して記載される。しかしながら、本発明の実施形態は、上記の用途に限定されるものではなく、本明細書に記載された技術を、除氷、氷結抵抗、電磁効果防御、構造的強度、および／または構造的機能性などの属性を必要とする他の車両に利用用することもできる。例えば、実施形態を船体の除氷および／または電気磁気効果防御に適用することができる。
【００１５】
例えば、ベーリング海の漁船で起きているように、船舶の上部構造は、船舶を転覆させるだけの氷を蓄積することができる。強い衝撃によって氷を取り除くことは、より新しい船舶の複合構造において構造上の異常を発生させうる。氷を取り除く作業は、労働として最適な作業ではなく、労働集約的なプロセスである。本明細書に記載される防除氷システムの技術は、着氷を防ぎ、船舶および除氷作業員の安全を高めることができる。
【００１６】
本明細書を読んだ当業者には明らかであるように、後述は、本発明の実施例および実施形態であり、これらの実施例における動作に限定されない。他の実施形態を利用することが可能であり、本発明の例示的な実施形態の範囲から逸脱せずに変更を加えることができる。
【００１７】
車両の除氷を行う既存のシステムは、車両の複合スタックアップに別の発熱層を追加し、それにより、車両の外側モールド線が変化し、車両の重量が増加する。既存のシステムを使用する車両の加熱部分は、別々の構造層および発熱層を必要とする。既存のシステムでは、加熱領域は、電磁放射効果に対しても防御が必要であり、別の導電性層が追加される必要がある。既存のシステムにおけるこの別の導電性層は、落雷から下位の構造体を防御する。航空機に例えると、航空機の翼は大きく、航空機の外側モールド線は重要であるため、翼外板などの構造層に別の発熱層および／または別の電磁放射層を追加することは、極めて非最適である。
【００１８】
それに対して、本発明の実施形態は、１つまたは２つの層で、発熱、構造的支持、および現状では３つの層を必要とする電磁放射防御を提供することが可能である金属マトリックス複合材を使用する。既存のシステムでは２つから３つの別々の部分が別々に硬化され使用されるに比べ、実施形態は、共に硬化される、構造層、発熱層、および／または電磁効果防御層からなる複合層を提供し、それにより、単一の部品として、または単一の構造コンポーネントとして、車両の表面を形成しうる一体型多層状基板構造が生成される。
【００１９】
したがって、例えば、既存のシステムのように、構造強度、加熱および／または電磁効果防御を提供するために（別々の構造コンポーネントを形成する）３つの別々の材料の構造層を必要する代わりに、本開示の実施形態は、別々に硬化されず、単一の構造コンポーネントに組み合わされる１〜３つの材料の層を使用することにより、同様の構造強度、加熱およびまたは／電磁効果防御を有する構造基板を提供する。この単一の構造基板では、軽量化が実現し、設計上取り換え可能な部分が増大する。本明細書で記載された構造基板の可能な適用例は、地上防除氷システムおよび／または飛行時防除氷システムのための発熱体である。
【００２０】
下記でより詳細に説明されるように、実施形態は、電気加熱器として作用する金属マトリックス複合材料を使用する。複合スタックアップにおいて、金属マトリックス複合材料は、加熱、構造強度、および／または電磁効果防御を複合層に組み入れることができる。上述のように、前記複合層は、別々の構造層、発熱層、および／または電磁効果防御層を使用する現在の方法を改善するものである。次に、前記複合層は、下記でより詳細に説明されるように、車両の加熱表面のための構造基板などの単一構造コンポーネントを形成することを可能にする。
【００２１】
金属マトリックス複合材は、電流を通電し、電気加熱および／または電磁効果防御を提供することができ、同時に、車両の複合パーツに構造強度を提供することもできる。このような機能の組み合わせを複合層に組み入れることは、車両の外側モード線を変えたり、車両の大部分の重量を増加させたりすることなく、達成することができる。航空機においては、これにより設計上取り換え可能な部分が増大する。
【００２２】
より具体的に図を参照するに、本開示の実施形態は、図１に示す例示的な航空機の製造および保守方法１００（方法１００）、および図２に示す航空機２００に照らして説明することができる。製造前の段階では、方法１００は、航空機２００の仕様および設計１０４と、材料調達１０６とを含むことができる。製造段階では、航空機２００のコンポーネントおよびサブアセンブリの製造１０８（プロセス１０８）と、システムインテグレーション１１０とが行われる。その後、航空機２００は、運航１１４に供されるために、認可および納品１１２を経ることができる。顧客により運航される間、航空機２００は、定期的な整備および保守１１６（改造、再構成、改修なども含みうる）が予定される。
【００２３】
方法１００の各プロセスは、システムインテグレーター、第三者、および／またはオペレーター（例えば顧客）によって実施または実行されうる。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、例えば、限定されないが、任意の数の航空機メーカー、および主要システムの下請業者を含むことができ、第三者は、例えば、限定されないが、任意の数のベンダー、下請業者、および供給業者を含むことができ、オペレーターは、例えば、限定されないが、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などを含むことができる。
【００２４】
図２に示すように、方法１００によって製造された航空機２００には、複数のシステム２２０および内装２２２を有する機体２１８が含まれうる。システム２２０の高レベルシステムの例には、推進システム２２４、電気システム２２６、油圧システム２２８、環境制御システム２３０、および防除氷システム２３２のうちの一または複数が含まれる。任意の数の他のシステムも含まれてもよい。航空宇宙産業の例が示されたが、本発明の実施形態は、他の産業にも適用されうる。
【００２５】
本明細書に具現化された装置と方法は、方法１００の一または複数の任意の段階で採用することができる。例えば、製造プロセス１０８に対応するコンポーネントまたはサブアセンブリは、航空機２００が運航中に製造されるコンポーネントまたはサブアセンブリに類似の方法で製作または製造されうる。さらに、一または複数の装置の実施形態、方法の実施形態、あるいはそれらの組み合わせは、例えば、航空機２００の組立てを実質的に効率化するか、または航空機２００のコストを削減することにより、プロセス１０８およびシステムインテグレーション１１０の製造段階の間に利用することができる。同様に、一または複数の装置の実施形態、方法の実施形態、あるいはそれらの組み合わせは、航空機２００の運航中に、例えば、限定されないが、整備および保守１１６に利用することができる。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態による、例示的かつ概略的な構造基板３００を示している。構造基板３００は、単一の構造を含む複合層に組み込まれた、最外層３０２、中間層３０４、および最内層３０６を含む、多層状ハイブリッド複合材料を含む。
構造基板３００の最外層３０２は、電気を伝導して電気加熱を提供するように構成された導電性金属マトリックス複合材３０８を含む。
【００２７】
最外層３０２は、例えば、限定されないが、抵抗加熱、ジュール加熱、オーム加熱、バイメタル加熱、またはその他の電気加熱方法により、電気加熱を提供することができる。最外層３０２において、導電性金属マトリックス複合材３０８は、加熱、構造強度、および／または電磁効果防御を複合層に提供する。上述したように、これは、構造層、発熱層、および／または電磁効果防御層に別々のパーツまたはコンポーネントを使用する既存のシステムを改善するものである。
【００２８】
金属マトリックス複合材３０８は、電流を通電し、電気加熱（例えば、オーム（抵抗）加熱）および／または電磁効果防御をもたらすことができ、同時に、車両の複合パーツに構造強度をもたらすこともできる。構造基板３００は、例えば、翼５０２（図５）に組み込まれ、翼５０２の残りの部分と共に硬化される。したがって、このような機能の組み合わせを複合層に組み入れることは、外側モード線を変えたり、重量を増加させたりすることなく、達成することができる。
【００２９】
この複合層の特徴は、設計上取り換え可能な部分が増大する単一構造を提供する。例えば、翼５０２（図５）外板から一または複数のプライを取り外して導電性金属マトリックス複合材３０８と交換することができ、それにより軽量化が実現しうる。別の例としては、導電性金属マトリックス複合材３０８を翼５０２外板に追加して機能性を追加することができるが、この例では、外側モールド線が変わる可能性がある。導電性金属マトリックス複合材３０８は、翼の一部分として構成される。
【００３０】
最外層３０２は、連続セラミック繊維３１６などの繊維で補強された金属材料３１４を含みうる高強度、高剛性材料を含む。金属材料３１４は、例えば、限定されないが、金属アルミニウム合金、チタン合金、鋼合金、セラミック、炭化ケイ素、ガラス繊維、マグネシウム合金、および／またはその他の導電性金属を含みうる。このように、構造基板３００などのような理想的な構造基板は、例えば、限定されないが、落雷を消散させるのに十分な導電性、必要な熱を発生させるのに十分な抵抗率、十分な熱を発生させるバイメタルタイプ、またはその他の属性に基づいて適切な金属を選択することによって製造することができる。
【００３１】
最外層３０２は、下記でより詳細に説明されるように、翼５０２などの外面上で空力抵抗を減少するように構成されたリブレット５１０（図５）を含むことができる。
【００３２】
中間層３０４は、電気絶縁体３１０を含み、最外層３０２に連結される。中間層３０４は、最外層３０２を最内層３０６から電気的に絶縁するように構成される。中間層３０４の電気絶縁体３１０は、例えば、限定しないが、ガラス繊維、ガラス繊維強化ポリマー、セラミック、ホウ素、炭化ケイ素、および／またはその他の電気絶縁体を含むことができる。
【００３３】
最内層３０６は、中間層３０４に連結された複合材３１２を含む。最内層３０６は、エポキシ樹脂または硬化剤入りエポキシ樹脂を含みうる炭素繊維強化ポリマーを含むことができ、一方向性テープ、および／またはファブリックおよび／またはその他の複合材を含むように構成されうる。
【００３４】
最外層３０２および中間層３０４は、航空機５００の翼５０２外板パネルに構造的強度を付加するハイブリッド積層を形成し、航空機５００の構造にほぼニュートラルな重量変化をもたらすことができる。
【００３５】
１つの実施形態では、導電性金属マトリックス複合材３０８を含む最外層３０２は、使用される導電性金属マトリクス複合材３０８のタイプに応じて、複合材３１２（構造複合材）を含む最内層３０６に直接載せることができる。この構成では、電気絶縁体３１０を含む中間層３０４は除外されてもよい。
【００３６】
図４は、本発明の一実施形態による、構造基板３００の最外層３０２内で使用されうる例示的な金属マトリクス複合材料４００を示している。金属マトリックス複合材料４００は、電流を伝導させて抵抗加熱器に構造的強度も提供させるように構成されている金属マトリックス複合テープ４０２を含む。金属マトリックス複合テープ４０２は、電流が通ることにより熱を発生させることができ、または２つの金属を使用してその２つの金属の間に電流を通すバイメタル加熱により熱を発生させることができる。
【００３７】
金属マトリックス複合テープ４０２の抵抗率は制御することができ、それにより加熱器と電磁効果防御層が適切に組み合わされることが可能になる。例えば、金属マトリックス複合テープ４０２の抵抗率は、金属マトリックス複合テープ４０２内で使われる金属のタイプを適切に選択することにより制御することができる。未処理の金属マトリックス複合テープ４０４も図４に示されている。
【００３８】
リブレット５１０（図５）は、金属マトリックス複合テープ４０２上で生成することができ、それにより車両の表面上の液体抵抗を減少させる。具体的には、リブレット５１０は、金属マトリックス複合テープ４０２上で生成することができ、下記に説明するように、それにより航空機５００（図５）の翼５０２などの表面上の液体抵抗を減少させる。加熱器および／または翼５０２の外板パネルなどの構造的部品を有するリブレット５１０などの電磁効果防御層を組み合わせることにより、ニア・ニュートラル・ウェイト・システムが生成されうる。
【００３９】
図５は、本発明の一実施形態による、航空機５００の表面の加熱器および部分として使用される構造基板３００を示す例示的な航空機５００を示している。上述したように、リブレット５１０は、金属マトリックス複合テープ４０２上で生成することができ、それにより航空機５００の翼５０２などの表面上の液体抵抗を減少させる。リブレット５１０は、胴体５０８の側面に対して平行に配向されうる。例えば、翼５０２上のリブレット５１０の配向は、速度によって異なり、翼５０２の大きさによって異なる。１つの実施形態では、リブレット５１０は、液体抵抗を減少させるために、エンジンナセル５０６の中心線５０４と整列させることができる。リブレット５１０は、溝５１２を含むことができる。
【００４０】
翼５０２上のリブレット５１０は、乱流境界層気流からの表面摩擦抗力を減少させる。これにより、リブレット５１０は燃料を節約しエミッションを低減させることができる。リブレット５１０は、気流を抑制し、翼幅方向での相互作用を制限することができ、それにより抗力を減少させる。さらに、リブレット５１０は、表面摩擦抗力を減少させるために、層流に合わせて使用することができる。層流を維持することが困難な航空機５００の領域および乱流の可能性のある境界層は、リブレット５１０で覆うことができる。
【００４１】
図６は、本発明の一実施形態による、防除氷システム６００（システム６００）の例示的かつ概略的なブロック図である。システム６００は、電力源６０２、構造体６０６、および少なくとも１つの構造基板３００を含む。システム６００は、図１〜５に示す実施形態と類似の機能、材料、および構造を有しうる。したがって、共通の機構、機能、および要素は、本明細書に重複して記載されない可能性がある。
【００４２】
構造基板３００は、図３の記載において説明されている。構造基板３００は、構造体６０６を電気加熱する発熱体として作用するように構成されている。発熱体１から発熱体Ｎ（Ｎは整数）などの任意の数の発熱体が構造体６０６を加熱するのに使用されうる。発熱体１−Ｎおよび構造基板３００は、本明細書において同義的に使用されることがある。
【００４３】
電力源６０２は、業界標準の接地電源ケーブル（１６０キロボルトアンペア）、または構造体６０６の様々な表面を加熱するのに適した他の電源ケーブルを含む接地電源でありうる。システム６００は、迅速なパワーサイクリングのために動作可能な配線スキームを利用することができ、それにより、所望の溶融温度を個々に維持する構造体６０６の各セクション上で発熱体１−Ｎの各々を加熱する。例えば、加熱器グリッドは、翼５０２を除氷するために、２０のセクションに分割されうる。前記配線スキームは、例えば、限定されないが、コンデンサ、インダクタ、および／またはその他の配線スキームを含みうる。さらに、電力源６０２は、機内の構造体６０６の様々な表面を加熱するのに適した機内電源ケーブルを使用する適切な電源を有する機内ジェネレーターを含みうる。
【００４４】
構造体６０６は、揚力面、操縦翼面、およびその他の表面を含むことができる。揚力面は、例えば、限定されないが、翼、胴体、および／またはその他の揚力面を含むことができ、操縦翼面は、例えば、限定されないが、垂直安定板、水平安定板、スポイラ、補助翼、エレボン、昇降舵、フラップ、および／またはその他の操縦翼面を含むことができる。
【００４５】
構造基板３００は、航空機５００の翼５０２などの構造体６０６に統合するまたは組み込むことができる。電流６１０が導電性金属マトリックス複合材３０８を通ることが可能であり、それにより、例えば、翼５０２の除氷および着氷防止が可能となる。導電性金属マトリックス複合材３０８は、翼５０２の表面の一部として構成され、導電性金属マトリックス複合材３０８内に電磁効果防御を提供するために、電気的グランド６１２に接地されうる。このように、導電性金属マトリックス複合材３０８は、航空機５００の残りの部分に接地される。
【００４６】
最外層３０２は、翼５０２の外面などの構造体６０６の外面上の液体抵抗を減少させるために、リブレット５１０を含むことができる。
【００４７】
当業者であれば、本明細書に開示されている実施形態に関連して記載されている種々の例示的なブロック、モジュール、回路、および処理ロジックが、ハードウェア、コンピュータ可読ソフトウェア、ファームウェア、またはその他のこれらの組合せに実装されうることを理解するであろう。ハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアの交換可能性および互換性を明確に説明するため、様々な例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップが概してそれらの機能性の観点から記載される。
【００４８】
幾つかの実施形態では、システム６００は、本明細書で説明されている操作に適切な、任意の数のプロセッサモジュール、任意の数の記憶装置モジュール、任意の数の電力源、任意の数の制御スイッチ、および任意の数のバスを含むことができる。図示されているシステム６００は、説明を簡単にするために、単純な実施形態の図解となっている。システム６００のこれらの要素およびその他の要素は、互いに相互接続され、システム６００の種々の要素間の通信が可能となっている。１つの実施形態では、システム６００のこれらの要素およびその他の要素は、バス６０８を介して、互いに相互接続されうる。
【００４９】
このような機能性がハードウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとして実装されているかどうかは、システム全体に課せられた特定の用途および設計制約条件に依存する。本明細書に記載されている概念に精通している者は、このような機能性を各々の具体的な用途に対して好適な方法で実装しうるが、このような実装の判断は、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすものとして解釈されるべきではない。
【００５０】
図７は、本発明の一実施形態による、構造基板３００を使用した地上防除氷システムを構成するプロセス７００を示す例示的なフロー図である。プロセス７００に関連して行われる様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、プロセス方法を実施するためのコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体、またはこれらの任意の組み合わせによって実施されうる。プロセス７００は、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどのコンピュータ可読媒体に記録されてもよく、例えば、コンピュータ可読媒体が保存されているプロセッサモジュールなどのコンピュータＣＰＵによってアクセスおよび実行可能である。
【００５１】
プロセス７００は、任意の数の追加タスクまたは代替のタスクを含んでもよく、図７に示されるタスクは、必ずしも図示の順序で実行されなくともよく、プロセス７００は、本明細書に記載しない追加の機能性を有するより包括的な手順またはプロセスに組み込まれてもよい。幾つかの実施形態では、プロセス７００の一部は、電力源６０２、構造体６０６、および構造基板３００などのシステム６００の種々の要素によって実行されうる。プロセス７００は、図１〜６に示す実施形態と類似の機能、材料、および構造を有しうる。したがって、共通の機構、機能、および要素は、本明細書に重複して記載されない可能性がある。
【００５２】
プロセス７００は、構造基板３００（タスク７０２）などの構造コンポーネントを形成するために、複合材３１２などの複合材を含む最内層３０６などの最内層を構成するところから開始することができる（タスク７０２）。
【００５３】
プロセス７００は、電気絶縁体３１０などの電気絶縁体を含む中間層３０４などの中間層を最内層３０６に連結することにより継続することができる（タスク７０４）。
【００５４】
プロセス７００は、電気を伝導して電気加熱を提供するように動作可能な導電性金属マトリックス複合材３０８などの導電性金属マトリックス複合材を含む最外層３０２などの最外層を中間層３０４に連結することにより継続することができる（タスク７０６）。
【００５５】
幾つかの実施形態では、最外層３０２および中間層３０４は、（例えば、互いにプレス加工することによって）互いに連結され、次いで最内層３０６は、中間層３０４に（例えば、互いにプレス加工することによって）連結される。幾つかの実施形態では、最外層３０２および中間層３０４は、（例えば、互いにプレス加工することによって）互いに連結され、次いで最内層３０６は、中間層３０４に（例えば、互いにプレス加工することによって）連結される。幾つかの実施形態では、連結された最外層３０２および中間層３０４ならびに最内層３０６は、（例えば、互いにプレス加工することによって）ほぼ同時に互いに連結される。その後、連結された最外層３０２、中間層３０４および最内層３０６が硬化され、接着または融合して単一の複合層になる。中間層３０４を最内層３０６に連結すること、および最外層３０２を中間層３０４に連結することは、例えば、限定されないが、プレス加工、接着、粘着、糊付け、溶接、（例えば、機械的）融合、これらの組合せ、またはその他の適切な連結方法を介して行うことができる。
【００５６】
このように、最外層３０２、中間層３０４、および最内層３０６は、連結および共に硬化され、構造基板３００などの一体型多層状構造コンポーネントを形成し、該構造基板３００は、既存のシステムでは２つから３つの別々の部分が別々に硬化され使用されるに比べ、単一の部品として、または単一の構造コンポーネントとして、翼５０２などの車両の表面を形成しうる複合層を提供し、該複合層は、構造層、発熱層、および／または電磁効果防御層からなる。
【００５７】
プロセス７００は、中間層３０４が最外層３０２を最内層３０６から電気的に絶縁するように構成されることにより継続することができる（タスク７０８）。
【００５８】
プロセス７００は、導電性金属マトリックス複合材３０８を接地し、導電性金属マトリックス複合材３０８内に電磁効果防御を提供することにより継続することができる（タスク７１０）。
【００５９】
プロセス７００は、翼５０２などの外面上で空力抵抗を減少するように動作可能なリブレット５１０などのリブレットを含むように最外層３０２を構成することにより継続することができる（タスク７１２）。
【００６０】
図８は、本発明の一実施形態による、地上防除氷システムを操作するプロセス８００を示す例示的なフロー図である。プロセス８００に関連して行われる様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、プロセス方法を実施するためのコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体、またはこれらの任意の組み合わせによって実施されうる。プロセス８００は、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどのコンピュータ可読媒体に記録されてもよく、例えば、コンピュータ可読媒体が保存されているプロセッサモジュールなどのコンピュータＣＰＵによってアクセスおよび実行可能である。
【００６１】
プロセス８００は、任意の数の追加タスクまたは代替のタスクを含んでもよく、図８に示されるタスクは、必ずしも図示の順序で実行されなくともよく、プロセス８００は、本明細書に記載しない追加の機能性を有するより包括的な手順またはプロセスに組み込まれてもよい。幾つかの実施形態では、プロセス８００の一部は、電力源６０２、構造体６０６、および構造基板３００などのシステム６００の種々の要素によって実行されうる。プロセス８００は、図１〜６に示す実施形態と類似の機能、材料、および構造を有しうる。したがって、共通の機構、機能、および要素は、本明細書に重複して記載されない可能性がある。
【００６２】
プロセス８００は、複合材３１２などの複合材を含む最内層３０６などの最内層を介して構造的機能性を提供することにより開始することができる（タスク８０２）。構造的機能性は、例えば、限定されないが、屈曲、支持および／またはその他の機能を含みうる。
【００６３】
プロセス８００は、最外層３０２を通して電気を伝導することにより、導電性金属マトリックス複合材３０８などの導電性金属マトリックス複合材含む最外層３０２などの最外層を電気加熱することにより継続することができる（タスク８０４）。
【００６４】
プロセス８００は、電気絶縁体３１０などの電気絶縁体を含む中間層３０４などの中間層を介して、最外層３０２を最内層３０６から電気的に絶縁することにより継続することができる（タスク８０６）。
【００６５】
プロセス８００は、導電性金属マトリックス複合材３０８内に電磁効果を受けることにより継続することができる（タスク８０８）。
【００６６】
プロセス８００は、電磁効果を電気的グランド６１２などの電気的グランドに伝導し、電磁効果防護を提供することにより継続することができる（タスク８１０）。
【００６７】
プロセス８００は、航空機の（翼５０２などの）表面を除氷して表面の着氷を防止するために、導電性金属マトリックス複合材３０８に電流を通し、構造基板３００が表面（翼５０２）を含むことにより継続することができる（タスク８１２）。
【００６８】
このように、本発明の実施形態は、車両の表面を加温して航空機などの車両を除氷するための、防除氷システムに使用できる電気発熱体を提供する。前記防除氷システムを地上で使用した場合、除氷時間、除氷液、除氷リソース、除氷コスト、年ごとに生成される雨水に混じった大量の除氷液、冬の天気におけるフライトの遅延の数、キャンセルおよびそれが航空会社のフライトスケジュールに与える影響、および除氷による航空機の非最適性が低減される。さらに、地上防除氷システムは、着氷を防ぐことができ、車両と除氷作業員の安全性を高め、マルチトラック車で除氷作業を行う必要を実質的に低減する。
【００６９】
少なくとも１つの例示的な実施形態が前述の詳細な説明に提示されているが、膨大な数の変形が存在することを理解されたい。また、本明細書に記載されている一または複数の実施形態は、発明の主題の範囲、適用性、または構成を何らかの方法で制限することを意図していないことを理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、記載されている一または複数の実施形態を実装するための簡便なロードマップを当業者に提供するであろう。請求項によって定義される範囲を逸脱せずに、機能および要素の配置において様々な変更が可能であり、本特許申請書提出の時点で既知の均等物および予測しうる均等物を含むことを理解されたい。
【００７０】
本明細書で使用されている用語である「モジュール」は、本明細書に記載された関連機能を実行するためのソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、およびこれらの要素の任意の組み合わせを示す。さらに、検討を行うため、種々のモジュールは個別のモジュールとして説明されているが、当業者には明らかであるように、本発明の実施形態による関連機能を実行する単一のモジュールを形成するために、２つ以上のモジュールを組み合わせることができる。
【００７１】
上述の説明は、互いに「接続」または「連結」されている要素、ノード、または機構を指している。本明細書で使用される「接続された」とは、別途明記されていない限り、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に、必ずしも機械的にではなく、直接結合（または直接通信）していることを意味する。同様に、別途明記されていない限り、「連結した」とは、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に、必ずしも機械的にではなく、直接的あるいは間接的に結合（または直接的あるいは間接的に通信）していることを意味する。また、本明細書で使用されているように、別途明記されていない限り、「装着した」とは、熱および／または圧力の印加により、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構と直接機械的に結合、融合、互いに圧搾されることを意味する。したがって、図１〜６は要素の例示的な配置構成を示しているが、本発明の実施形態において、追加の介在要素、デバイス、機構、またはコンポーネントが存在しうる。
【００７２】
本明細書で使用される用語および表現、ならびにそれらの変化形は、別途明記されていない限り、限定的なものではなく、変更可能なものとして解釈すべきである。前述の例として、「含む」という用語は「非限定的に含む」ことを意味するとして読み取るべきであり、「実施例」という用語は、説明しているアイテムの事例を提供するものであり、これらのリストを包括するものまたは限定するものではなく、「従来の」、「伝統的な」、「通常の」、「標準の」、「既知の」等の形容詞と、同様の意味を持つ用語は、説明したアイテムを所定の時間間隔に限定する、または所定の時点において利用可能なアイテムに限定するとして解釈すべきでなく、むしろ利用可能な、または現在、あるいは今後任意の時点で知られる従来の、伝統的な、通常の、または標準の技術を包含するものとして読み取るべきである。
【００７３】
同様に、「および」でつながったアイテムのグループは、グループ分けにおいてそれらのアイテムの各々、また全てが存在することが要求されると読み取るべきではなく、別途明記しない限り、「および／または」でつながったものとして読み取るべきである。同様に、「または」でつながったアイテムのグループは、グループ内で相互排他性が要求されると読み取るべきではなく、別途明記しない限り、「および／または」でつながったものとして読み取るべきである。
【００７４】
さらに、本発明のアイテム、要素またはコンポーネントが単一のものとして記載または特許請求されているが、単一に限定されることが明記されていない限り、複数のものもそれらの範囲内にあるとして考慮される。一部の事例において「一または複数の」、「少なくとも」、「限定されないが」などの広義的な用語および同様の表現が使用されているということは、そのような広義的な表現がない場合に、より狭い範囲を意図するまたはより狭い範囲を要求することを意味していると読み取るべきではない。数字により表現される値または範囲に言及して「約」という場合、測定時に起こりうる実験誤差により生じる値を包含することを意図している。
【００７５】
本明細書で使用される場合、別途明記されていない限り、「動作可能」とは、使用またはサービスに使用可能、適合可能、または準備可能であり、特定用途に使用可能であり、かつ本明細に記載の機能または所望の機能を実行できることを意味する。システムおよびデバイスに関して、「動作可能」という表現は、システムおよび／またはデバイスが完全に機能的かつ較正済みであって、起動されると記載の機能を実行するための、適用可能な実施可能要件のための要素を含み、そのような実施可能要件を満たすことを意味する。システムおよび回路に関して、「動作可能」という表現は、システムおよび／または回路が完全に機能的かつ較正済みであって、起動されると記載の機能を実行するための、適用可能な実施可能要件のロジックを含み、そのような実施可能要件を満たすことを意味する。
【００７６】
さらに、本発明は、下記の条項による実施形態を含む。
【００７７】
第１項。航空機構造体のための構造基板であって、該構造基板は、多層状ハイブリッド複合材料を含み、該多層状ハイブリッド複合材料は、電気を伝導して電気加熱を提供するように動作可能な導電性金属マトリックス複合材を含む最外層と、最外層に連結された電気絶縁体を含む中間層と、中間層に連結された第２の複合材を含む最内層とを含み、前記中間層は、最外層を最内層から電気的に絶縁するように動作可能である、航空機構造体のための構造基板。
【００７８】
第２項。前記導電性金属マトリックス複合材は、アルミニウム合金、チタン合金、鋼合金、マグネシウム合金、またはこれらの組み合わせを含む、第１項に記載の構造基板。
【００７９】
第３項。前記電気絶縁体は、ガラス繊維、ガラス繊維強化ポリマー、セラミック、ホウ素、炭化ケイ素、またはこれらの組み合わせを含む繊維を含む、第１項に記載の構造基板。
【００８０】
第４項。前記第２の複合材は、エポキシ樹脂または硬化剤入りエポキシ樹脂を含む炭素繊維強化ポリマーを含み、ファブリック、一方向性テープ、またはこれらの組み合わせを含むように構成される、第１項に記載の構造基板。
【００８１】
第５項。前記構造基板が航空機の翼上に位置し、電流が導電性金属マトリックス複合材を通電し、前記翼の除氷および着氷防止が可能になる、第１項に記載の構造基板。
【００８２】
第６項。前記最外層は、外面上で空力抵抗を減少するように動作可能なリブレットを含む、第１項に記載の構造基板。
【００８３】
第７項。前記導電性金属マトリックス複合材は、前記航空機のための電磁効果防御を提供する、第１項に記載の構造基板。
【００８４】
第８項。前記電気加熱は、抵抗加熱、バイメタル加熱、ジュール加熱、オーム加熱、またはこれらの組み合わせを含む、第１項に記載の構造基板。
【００８５】
第９項。多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板を形成する方法であって、構造コンポーネントを形成するために第１の複合材を含む最内層を構成することと、電気絶縁体を含む中間層を前記最内層に連結することと、最外層を前記中間層に連結することであって、前記最外層は、電気加熱を提供するために電気を伝導するように動作可能な導電性金属マトリックス複合材を含む、連結することと、前記最外層を前記最内層から電気的に絶縁するように前記中間層を構成することとを含む、多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板を形成する方法。
【００８６】
第１０項。前記導電性金属マトリックス複合材内に電磁効果防御を提供するために、導電性金属マトリックス複合材を接地することをさらに含む、第９項に記載の方法。
【００８７】
第１１項。外面上で空力抵抗を減少するように動作可能なリブレットを含むために前記最外層を構成することをさらに含む、第９項に記載の方法。
【００８８】
第１２項。前記導電性金属マトリックス複合材は、アルミニウム合金、チタン合金、鋼合金、マグネシウム合金、またはこれらの組み合わせを含む、第９項に記載の方法。
【００８９】
第１３項。前記電気絶縁体は、ガラス繊維、ガラス繊維強化ポリマー、セラミック、ホウ素、炭化ケイ素、またはこれらの組み合わせを含む繊維を含む、第９項に記載の方法。
【００９０】
第１４項。前記第１の複合材は、エポキシ樹脂または硬化剤入りエポキシ樹脂を含む炭素繊維強化ポリマーを含み、ファブリック、一方向性テープ、またはこれらの組み合わせを含むように構成される、第９項に記載の方法。
【００９１】
第１５項。前記電気加熱は、抵抗加熱、バイメタル加熱、ジュール加熱、オーム加熱、またはこれらの組み合わせを含む、第９項に記載の方法。
【００９２】
第１６項。前記構造基板が航空機の翼上に位置し、電流が導電性金属マトリックス複合材を通電し、前記翼の除氷および着氷防止が可能になる、第９項に記載の方法。
【００９３】
第１７項。多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板を使用した除氷の方法であって、第１の複合材を含む最内層を介して構造的機能性を提供することと、最外層を通して電気を伝導することにより、導電性金属マトリックス複合材を含む前記最外層を電気加熱することと、電気絶縁体を含む中間層を介して前記最外層を前記最内層から電気的に絶縁することとを含む、多層状ハイブリッド複合材料を含む構造基板を使用した除氷の方法。
【００９４】
第１８項。前記導電性金属マトリックス複合材内に電磁効果を受けることと、電磁効果防御を提供するために、電磁効果を電気的グランドに伝導することをさらに含む、第１７項に記載の方法。
【００９５】
第１９項。前記電気加熱するステップは、抵抗加熱、バイメタル加熱、ジュール加熱、オーム加熱、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１７に記載の方法。
【００９６】
第２０項。前記構造基板が前記表面を含み、航空機の表面を除氷して前記表面の着氷を防止するために、前記導電性金属マトリックス複合材に電流を通すことを含む、請求項１７に記載の方法。
【符号の説明】
【００９７】
１００    航空機の製造および保守方法
３００    構造基板
３０２    最外層
３０４    中間層
３０６    最内層
３０８    導電性金属マトリックス複合材
３１０    電気絶縁体
３１２    複合材
３１４    金属材料
３１６    連続セラミック繊維
４００    金属マトリックス複合材料
４０２    金属マトリックス複合テープ
４０４    未処理の金属マトリックス複合テープ
５００    航空機
５０２    翼
５０４    中心線
５０６    エンジンナセル
５０８    胴体
５１０    リブレット
５１２    溝
６００    防除氷システム
６０８    バス
７００    構造基板を使用した地上防除氷システムを構成するプロセス
【図１】
2014195990.tif 000003
【図２】
2014195990.tif 000004
【図３】
2014195990.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014195990.tif 000007
【図６】
2014195990.tif 000008
【図７】
2014195990.tif 000009
【図８】
2014195990.tif 000010
【外国語明細書】
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2014195990000002.pdf
2014195990000003.pdf
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