(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オートクレーブの容積利用率を最適化する方法であって、
オートクレーブ（１０）のプロセスパラメータを決定するステップと、
前記オートクレーブ内の気流パターン、オートクレーブ全体にわたる温度変化、及び前記オートクレーブ内の乱流強度分布を決定するために、オートクレーブ構成をモデリングするステップと、
前記オートクレーブ内の前記気流パターンを変更するために、前記オートクレーブに機器の変更を加えて前記オートクレーブ構成を修正するステップと
を含み、
前記オートクレーブ（１０）の構成を修正するステップが、空気流入口（２０）に拡散スクリーン（３０）を追加することによって前記オートクレーブ構成を修正するステップを含み、前記拡散スクリーンが方形スクリーン格子（３２）と多角形スクリーン格子の一方を含み、
前記拡散スクリーン格子（３２）の周辺長・奥行比が約１．５：１〜約２：１であり、
前記方法は、さらに、
前記オートクレーブ内の気流パターンのモデルと、前記オートクレーブ全体にわたる修正された温度変化と、前記オートクレーブ内の前記修正された乱流強度分布とを生成するために前記修正されたオートクレーブ構成をモデリングするステップと、
部材の所定の硬化特性を満たす前記オートクレーブ内の前記部材の数を最大にする部材配置を決定するために、前記修正されたオートクレーブ構成内で硬化される前記部材（２４）を用いて、前記修正されたオートクレーブ構成をモデリングするステップと、
経験的数値設計（ＤＯＥ）技術を用いて、前記気流パターンのモデルの妥当性検査を行うステップと
を含む方法。
【請求項２】
プロセスパラメータを決定するステップが、前記オートクレーブ（１０）のプロセスパラメータを決定するステップを含み、前記パラメータが、オートクレーブの直径、オートクレーブの長さ、気流入口径、流入流量、流入速度、動作圧及び空気温度の少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記オートクレーブ（１０）の構成を修正するステップが、空気流入口（２０）に拡散スクリーン（３０）を追加し、オートクレーブ内にバッフルを追加し、工具構成を変更し、部材（２４）と工具（２６）との間に絶縁体を追加し、ファン速度を変更することを含む機器の変更によって、前記オートクレーブ構成を修正するステップを含む、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記ＤＯＥ技術が、前記オートクレーブ内の様々な位置に複数の金属ブロックを配置するステップを含み、各金属ブロックが前記金属ブロックの温度を監視するために取り付けられた熱電対を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
ＤＯＥ技術を用いて前記部材の配置の妥当性検査を行うステップを更に含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ＤＯＥ技術が、前記オートクレーブ（１０）内の様々な位置に複数の部材（２４）を配置し、硬化サイクルを実行し、各部材の温度を監視するステップを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記部材（２４）がポリマーマトリクス複合材料部材からなる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にオートクレーブに関し、より具体的には、品質に敏感な高性能複合材料部材に使用されるオートクレーブの容積利用率の最適化に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料には、航空機から、自動車、タービン、コンピュータ部材に至る多種多様な商業及び工業用途がある。複合材料には、様々な産業でそれらを魅力的にさせる数多くの利点がある。例えば、複合材料は熱伝達を低減し、導電性に抵抗することができ、可撓性であるが強靭であり、製造時に複雑な形状に簡単に成形できる。商業用の用途の例には、金属材料では形成が困難なある種の自動車、航空機、船舶及びタービンの複雑な形状が含まれる。
【０００３】
オートクレーブ内での高品質ポリマーマトリクス複合材料部品の硬化は慣用されている。オートクレーブは高品質部材を製造するための硬化温度と高圧能力とをもたらす。しかし、オートクレーブには、１つの圧力、温度及び真空サイクルで制御されるという固有の問題がある。オートクレーブ内の熱変化によって、オートクレーブ内の様々な位置にある部材の硬化は、品質基準から外れることがある。オートクレーブ内の温度が均一ではないため、部材は一般に低温又は高温すぎる領域には配置されず、そのためオートクレーブの使用可能な容積が制限される。また、オートクレーブは通常、高温及び高圧で稼働するので、硬化サイクル中に気流に起きていることを極めて容易に観察又は検知することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
米国特許第６８７２９１８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、オートクレーブの容積利用率を最適化する方法を提供する。方法は、オートクレーブのプロセスパラメータを決定するステップと、オートクレーブ内の気流パターン、オートクレーブ全体にわたる温度変化、及びオートクレーブ内の乱流強度分布を決定するためにオートクレーブ構成をモデリングするステップと、オートクレーブ内の気流パターンを変更するためにオートクレーブに機器の変更を加えてオートクレーブ構成を修正するステップとを含む。方法は更に、オートクレーブ内の修正された気流パターンと、オートクレーブ全体にわたる修正された温度変化と、オートクレーブ内の修正された乱流強度領域とを決定するために修正されたオートクレーブ構成をモデリングするステップと、部材の所定の硬化特性を満たすオートクレーブ内の部材数を最大にする部材配置を決定するために、修正されたオートクレーブ構成内で硬化される部材を用いて、修正されたオートクレーブ構成をモデリングするステップとを含む。
【０００６】
別の態様では、オートクレーブの容積利用率を最適化する方法を提供する。方法は、オートクレーブのプロセスパラメータを決定するステップと、オートクレーブ内の気流パターン、オートクレーブ全体にわたる温度変化、及びオートクレーブ内の乱流強度分布を決定するためにオートクレーブ構成をモデリングするステップと、オートクレーブ内の気流パターンを変更するためにオートクレーブ内に拡散スクリーンを配置することによってオートクレーブ構成を変更するステップとを含む。方法は更に、オートクレーブ内の修正された気流パターンと、オートクレーブ全体にわたる修正された温度変化と、オートクレーブ内の修正された乱流強度領域とを決定するために、修正されたオートクレーブ構成をモデリングするステップと、部材の所定の硬化特性を満たすオートクレーブ内の部材数を最大にする部材配置を決定するために、修正されたオートクレーブ構成内で硬化される部材を用いて、修正されたオートクレーブ構成をモデリングするステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】例示的なオートクレーブの三次元概略図である。
【図２】図１に示すオートクレーブのＹ−Ｚ面での速度パターンを表す図である。
【図３】図１に示すオートクレーブのＹ−Ｚ面での乱流強度パターンを表す図である。
【図４】図１に示すオートクレーブのＹ−Ｚ面での乱流粘度パターンを表す図である。
【図５】温度と乱流強度との相関を示すグラフである。
【図６】乱流強度と加熱速度との相関を示すグラフである。
【図７】拡散スクリーンの三次元図である。
【図８】拡散スクリーンがない、図１に示すオートクレーブ内の乱流強度パターンを表す三次元図である。
【図９】拡散スクリーンで修正した、図１に示すオートクレーブ内の乱流強度パターンを表す三次元図である。
【図１０】スクリーンがないオートクレーブの乱流強度が６０％の等値面を示す図である。
【図１１】４×４の拡散スクリーンを有するオートクレーブの乱流強度が６０％の等値面を示す図である。
【図１２】ファン速度を５０％低減したオートクレーブの乱流強度が６０％の等値面を示す図である。
【図１３】対称の入口を有するオートクレーブの乱流強度が６０％の等値面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
オートクレーブの容積利用率を最適化する方法を、以下に詳細に記載する。容積を最適化することによってオートクレーブの硬化容量が高まり、その結果、ポリマーマトリクス複合材料部材又は部品の製造コストが低下する。オートクレーブ全体にわたる温度変化により、部材はオートクレーブの低温又は高温領域（所望の硬化温度未満、又は以上の温度）には配置されず、従って、オートクレーブの利用可能な容積全体は使用されない。この方法によって、一度に硬化される品質基準を満たす部材数が増大し、オートクレーブの収量が向上し、コストは削減され、容量が高まり、そのため高コストの資本投下が避けられよう。また、既存のオートクレーブに設計された機器の変更を加えることができ、それによっても新規のオートクレーブへの資本投下が避けられよう。
【０００９】
図面を参照すると、図１は、オートクレーブ１０の概略平面図である。例示的実施形態では、オートクレーブ１０は円筒形の加熱容器１２を含む。円筒形容器１２の一端に端壁１４が配置され、ドア１６が円筒形容器１２の反対端に配置される。端壁１４は空気流出口１８を含み、ドア１６は、ドア１６の周囲に複数の空気流入口２０を含む。高温空気が空気流入口２０を通って円筒形容器１２に流入し、流出口１８を通って流出する。ファン（図示せず）を使用して、空気流入口２０を通る高温空気を移動させる。部材を装填し、部材を取出し、保守を行うために作業員が円筒形容器１２内を歩けるように、キャットウォーク２２が円筒形容器１２の底部に配置される。図１は更に、工具及び部分構造２６によって支持され、円筒形加熱容器１２の容積２８内に配置される部材２４も示す。
【００１０】
オートクレーブ１０の容積利用率を最適化するため、モデリングプログラムを使用してオートクレーブ１０の構成をモデリングする。例示的実施形態では、三次元計算数値力学（ＣＦＤ）モデリングプログラムを使用してオートクレーブ１０をモデリングし、気流パターン、円筒形容器１２全体にわたる温度変化、及び円筒形容器１２内の乱流強度パターンのモデルを生成する。オートクレーブ１０をモデリングするため、オートクレーブ１０のプロセスパラメータが決定され、ＣＦＤモデリングプログラムで使用される。それらに限定されないが、プロセスパラメータには、円筒形容器１２の直径、円筒形容器１２の長さ、空気流入口２０の直径、ファン速度、動作圧、空気温度、流入流量などが含まれる。図２は、オートクレーブ１０のＹ−Ｚ面での速度パターンの図を示し、図３は、オートクレーブ１０のＹ−Ｚ面での乱流強度パターン図を示し、図４は、オートクレーブ１０のＹ−Ｚ面での乱流粘度パターン図を示す。
【００１１】
流入流量は、簡単な流量測定器を使用して開いたオートクレーブで取得できる。測定は流入口の複数の位置で行われ、適宜の乱流境界条件に変換される。この方法は、ＣＦＤモデルの忠実度を高めるために使用できる。
【００１２】
定常状態のモデル運転からの乱流強度を、温度変化の良好な指標として利用できる。図５は、温度と乱流強度とのグラフである。線５０はオートクレーブ１０内の異なる位置での温度を示し、線５１と５２は、オートクレーブ１０内の同じ位置での乱流強度を示す。図５のグラフは、温度と乱流強度との相関を示し、且つ定常状態と過渡解析との間で乱流強度がそれほど変化しないことを示す。それに加え、乱流強度は更に、オートクレーブ１０内の加熱速度を追跡する。図６は、乱流強度と加熱速度との相関を示す乱流強度と加熱速度との対比グラフである。
【００１３】
流入速度も、オートクレーブ１０を通る流れをモデリングする際の重要なプロセスパラメータである。ある実施例では、流入速度は各々の流入位置で測定される。流入口でのレイノルズ数が下記の方程式で計算される。
Ｒｅ＝ρｖＬ／μ、式中、
Ｌ＝ダクト径＝０．０６３５ｍ（２．５インチ）、
ρ＝窒素密度＝１．１３８ｋｇ／ｍ3、
Ｖmax＝測定された最高流入速度＝８．３３１２ｍ／ｓ（１６４０ｆｐｍ）、
Ｖmin＝測定された最低流入速度＝０．４０６４ｍ／ｓ（８０ｆｐｍ）、
Ｒｅmax＝３６，２００、
Ｒｅmin＝１，７６５である。
【００１４】
完全に発達したダクト流の芯部での乱流強度（Ｉ）は、パイプ流での経験的相関から導出した以下の公式から概算できる。Ｉ＝０．１６（Ｒｅ）-1/8。最大乱流強度、Ｉmax、Ｒｅmaxを計算するため、上記の数値が用いられる。従って、Ｉmaxは０．０４３１、すなわち４．３１％であると計算される。また、乱流強度から乱流運動エネルギを概算できる。乱流運動エネルギＫと乱流強度Ｉmaxとの関係は、公式、Ｋ＝３／２（ＶmaxＩmax）2によって計算される。上記のように計算したＶmaxとＩmaxとを用いて、Ｋは０．１９３４ｍ2／ｓ2であると計算される。
【００１５】
乱流長さスケールｌは、乱流内にエネルギを含む大形渦のサイズに関連する物理量である。完全に発達したダクト流では、乱流の渦がダクトよりも大きくなることはないので、ｌはダクトのサイズによって制限される。ｌとダクトの物理的サイズとの近似関係式は、ｌ＝０．０７Ｌである。上記のダクト径Ｌを用いて、乱流長さスケールｌは、０．００４４４５ｍと計算される。乱流散逸率（ε）は、長さスケールｌ、関係式ε＝（Ｃμ）3/4（Ｋ3/2）／ｌから概算され、式中、Ｃμは約０．０９である経験的定数である。上記のように計算した乱流運動エネルギＫと乱流長さスケールｌとを用いて、εは３．１４４１ｍ2／ｓ2であると計算される。
【００１６】
図７を参照すると、オートクレーブ１０は、気流パターンと熱強度パターンとを変更するために機器の変更により改良される。改良例には、それらに限定されないが、円筒形加熱容器１２の空気流入口２０と内部容積２８との間に拡散スクリーン３０を追加し、オートクレーブ内にバッフルを追加し、工具の構成を変更し、部材と工具との間に絶縁体を追加し、ファン速度を変更するなどが含まれる。例示的実施形態では、拡散スクリーン３０は、オートクレーブ１０内の円筒形加熱容器１２の空気流入口２０と内部容積２８との間に配置される。拡散スクリーン３０は、複数の方形開口部３４、又は複数の多角形開口部を有するスクリーン格子３２を含む。スクリーン格子３２は三次元であり、周辺長・奥行比は約１．５：１〜約２：１である。例えば、各辺が４インチで、奥行が８インチの複数の方形開口部を有するスクリーン格子の場合、周辺長・奥行比は２：１となる。
【００１７】
拡散スクリーン３０を追加したオートクレーブ１０は、修正された気流パターン、円筒形容器１２全体にわたる修正された温度変化、及び円筒形容器１２内の修正された乱流強度パターンのモデルを生成するために、ＣＦＤモデリングプログラムで再びモデリングされる。図８は、拡散スクリーン３０がないオートクレーブ１０内の乱流強度パターンの三次元図を示し、図９は、拡散スクリーン３０を含むオートクレーブ１０内の乱流強度パターンの三次元図を示す。図９の高乱流強度パターン４０は、図８の高乱流強度パターン４２よりも大きい。高乱流強度パターン４０の領域がより大きいことで、部材を配置できる円筒形加熱容器１２の容積部分がより大きくなり、そこでの温度は高乱流強度パターン４０の外側に位置する部材により近くなる。オートクレーブ１０は、気流パターン、円筒形容器１２全体にわたる温度変化、及び円筒形容器１２内の乱流強度パターンのモデルを生成するために、オートクレーブ１０内に部材を配置してＣＦＤモデリングプログラムで再びモデリングされる。気流パターン、温度変化、及び乱流強度パターンのモデルは、オートクレーブ１０内の各部材の形状及びサイズを考慮に入れ、所望の硬化特性を満たす部材数を最大にするために各部材の最良の位置を決定することを可能にする。
【００１８】
気流パターン、温度変化、及び乱流強度パターンのモデルは、経験的数値設計（ＤＯＥ）技術を使用してオートクレーブ１０内で運転試験をすることによって妥当性検査をしてもよい。１つの試験は、実際の部材のシミュレーションとして熱電対を取付けた金属ブロックを使用することを含む。金属ブロックがオートクレーブ１０内に配置され、通常の硬化サイクル中に各ブロックの温度を監視する。硬化サイクル中の各ブロックの温度は、各位置での加熱速度、及び各ポイントでの所望の温度の継続時間を示す。モデルの妥当性を確認するため、試験結果はモデルでの結果と比較される。
【００１９】
別の試験は、実際の部材をオートクレーブ１０内に配置し、硬化サイクルを実行し、各部材の温度を監視することを含む。試験結果はオートクレーブ１０のＣＦＤモデルの妥当性検査に用いられる。モデルの妥当性が確認されると、オートクレーブ１０内に配置される部材を最大にするため、オートクレーブ１０内の部材の様々な配置を解析する。例えば、オートクレーブ１０内の部材数を最大にするために部材の配置を最適化する試験が、１６個のタービンブレードを使用して実施された。ブレードをオートクレーブ１０の全体にわたって配置し、硬化サイクルを実行し、硬化サイクル中の各ブレードの温度を監視した。運転ごとにブレードを再配置して、複数の解析運転が行われた。ブレードは、経験的数値設計が示すように、各硬化サイクルについて前後、上下に再配置された。ＤＯＥ試験の結果は、オートクレーブ１０内の最適化されたブレード配置を示した。結果は、ブレードの翼根の温度が互いに近接し、低温と高温との最大差が約２５．４°Ｆであることを示した。また、翼端の温度が互いに近接し、翼端の温度の低温と高温との最大差が約１６．４°Ｆであることを示した。容積利用率を最適化するために、機器改修を行わずに、先ず空のオートクレーブをモデリングし、乱流強度と速度分布とを三次元で評価して部材配置の選択肢を査定し、次いで概念開発を行うことによって、オートクレーブを査定する一般的な方法が開発された。
【００２０】
オートクレーブ１０に拡散スクリーン３０を追加することの他に別の構想を用いてもよい。例えば、ファン速度を５０％、又は別の幾らかのパーセンテージだけ低減し、対称の流入口を設けることである。図１０は、スクリーンがないオートクレーブ（ベースライン）での乱流強度が６０％の等値面を示す。図１１は、４×４の拡散スクリーンを有するオートクレーブでの乱流強度が６０％の等値面を示す。図１２は、ファン速度を５０％低減したオートクレーブでの乱流強度が６０％の等値面を示す。図１３は、対称の流入口を有するオートクレーブでの乱流強度が６０％の等値面を示す。オートクレーブ全体にわたる温度を監視するため、オートクレーブ内にスチール製ブロックを配置する。ファン速度を５０％低減すると、６０％の乱流強度パターンはベースラインのオートクレーブの６０％の乱流強度パターンよりも大幅に小さく、その結果、ブロックの低温と高温との差がより小さくなった。対称の流入口については、流れを対称にするためにオートクレーブの上部流入口を閉鎖した。流入口を対称にする概念での６０％の乱流強度パターンでは、容積の前面の容積の領域が大きかった。ブロックの低温と高温との差は極めて大きかった。スクリーンを設ける概念での６０％の乱流強度パターンは、ベースラインのオートクレーブよりも大きいが、強度パターンによりオートクレーブの長さが延長した。ブロックの低温と高温との差はベースラインのオートクレーブでの差より小さいが、ファン速度を５０％低減する概念での差よりは大きかった。
【００２１】
本明細書は、実施例を用いて、最良の態様を含む本発明を開示し、当業者がいかなる装置又はシステムを製造し、使用し、組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施できるようにするためのものである。本発明の特許可能な範囲は請求項によって定義され、当業者が想到し得る別の実施例を含み得る。このような別の実施例は、請求項の文字言語と相違しない構成要素を有する場合、又は請求項の文字言語と非実質的な相違しか有していない等価な構成要素を含む場合は、請求項の範囲内にあることを意図するものである。
【符号の説明】
【００２２】
１０  オートクレーブ
１２  円筒形の加熱容器
１４  端壁
１６  ドア
１８  空気流出口
２０  空気流入口
２２  キャットウォーク
２４  部材
２６  工具及び部分構造
２８  内部容積
３０  拡散スクリーン
３２  スクリーン格子
３４  開口部
４０  高乱流強度パターン
４２  高乱流強度パターン
５０  線
５１  線
５２  線
【図１】
0005866093.tif 000002
【図２】
0005866093.tif 000003
【図３】
0005866093.tif 000004
【図４】
0005866093.tif 000005
【図５】
0005866093.tif 000006
【図６】
0005866093.tif 000007
【図７】
0005866093.tif 000008
【図８】
0005866093.tif 000009
【図９】
0005866093.tif 000010
【図１０】
0005866093.tif 000011
【図１１】
0005866093.tif 000012
【図１２】
0005866093.tif 000013
【図１３】
0005866093.tif 000014