(57)【要約】【課題】銅導体への接続のために、タービン部品のチタン箔をチタン溶接導体に接続し、従来の半田付け技術を可能にするコネクタを提供する。【解決手段】ヒータ５０は、チタン箔ヒータ素子５５を有する。ヒータ素子５５は、ヒータの電気絶縁体６０によって保護されている。チタン箔ヒータ素子５５の一方の端部は、高くなってヒータパッド６３を形成し、溶接を容易にしている。ヒータ素子５５は、溶接されたチタン導体移行部７０を介して銅導体移行部６５に接続されている。成形ポリマーカプセル材７５が、銅導体移行部６５と、チタンを含有するヒータ素子５５と、溶接されたチタン導体移行部７０と、を含む接合部８０を覆って保護する。【選択図】図２
2008169836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空宇宙用部品の表面実装型ヒータの電気的接続部であって、
チタンを含有するヒータ素子と、
電気コネクタに接続するための銅を含有する導体移行部と、
前記チタンを含有するヒータ素子と前記銅を含有する導体移行部とを接続する機械的インタフェイス移行部と、
を備え、
前記機械的インタフェイス移行部がチタンを含有する構成要素と、銅を含有する構成要素と、を有し、前記チタンを含有する構成要素が、前記チタンを含有するヒータ素子に溶接され、チタンを含有する移行部を形成することを特徴とする電気的接続部。
【請求項２】
前記チタンを含有するヒータ素子、前記チタンを含有する構成要素、および前記チタンを含有する移行素子が、チタンまたはチタン合金で作られていることを特徴とする請求項１に記載の電気的接続部。
【請求項３】
前記チタンを含有するヒータ素子、および前記チタンを含有する移行部が、ポリマー材料でカプセル化されていることを特徴とする請求項１に記載の電気的接続部。
【請求項４】
前記銅を含有する構成要素、および前記銅を含有する導体移行部が、銅または銅合金で作られていることを特徴とする請求項１に記載の電気的接続部。
【請求項５】
前記ポリマー材料が、エポキシ、ビスマレイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエステルおよびフタロニトリルからなる群から選択された剛性材料であることを特徴とする請求項３に記載の電気的接続部。
【請求項６】
前記ポリマー材料が、ペルフルオロカーボン、フルオロカーボン、シリコンおよびポリサルファイドからなる群から選択された可撓性材料であることを特徴とする請求項３に記載の電気的接続部。
【請求項７】
前記チタンを含有する移行部が、前記チタンを含有する構成要素と前記銅を含有する構成要素とを結合するために、押出し成形、爆発圧接、摩擦圧接およびフライホイール式摩擦圧接の方法のうちの１つの方法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気的接続部。
【請求項８】
チタンを含有するヒータ素子と、
電源に接続するための銅を含有する導体移行部と、
前記ヒータ素子と前記銅を含有する導体移行部とを接続するとともに、チタンを含有する溶接部を含む機械的インタフェイス移行部と、
を備えるジェットタービン用の表面実装型ヒータのヒータ接続部。
【請求項９】
前記機械的インタフェイス移行部が、前記銅を含有する移行部に接続された前記チタンを含有する溶接部をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のヒータ接続部。
【請求項１０】
前記チタンを含有するヒータ素子、および前記チタンを含有する溶接部が、チタンまたはチタン合金を含むことを特徴とする請求項８に記載のヒータ接続部。
【請求項１１】
前記銅を含有する導体移行部、および前記銅を含有する移行部が、銅または銅合金を含むことを特徴とする請求項９に記載のヒータ接続部。
【請求項１２】
前記チタンを含有するヒータ素子が、ガスタービンエンジンの表面実装型ヒータ素子であることを特徴とする請求項８に記載のヒータ接続部。
【請求項１３】
前記チタンを含有するヒータ素子、および前記機械的インタフェイスが、ポリマー材料でカプセル化されていることを特徴とする請求項８に記載のヒータ接続部。
【請求項１４】
前記ポリマー材料が、エポキシ、ビスマレイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエステルおよびフタロニトリルからなる群から選択された剛性材料であることを特徴とする請求項１３に記載のヒータ接続部。
【請求項１５】
前記ポリマー材料が、ペルフルオロカーボン、フルオロカーボン、シリコンおよびポリサルファイドからなる群から選択された可撓性材料であることを特徴とする請求項１３に記載のヒータ接続部。
【請求項１６】
前記移行部が、前記チタンを含有する溶接部と前記銅を含有する移行部とを結合するために、押出し成形、爆発圧接、および摩擦圧接ないしフライホイール式摩擦圧接の方法のうちの１つの方法によって形成されることを特徴とする請求項９に記載のヒータ接続部。
【請求項１７】
ジェットタービン部品の表面実装型ヒータのヒータ接続部であって、
ヒータ素子と、
電源に接続された導体移行部と、
前記ヒータ素子と前記導体移行部とを接続するとともに、チタンを含有する溶接部を含む移行部と、
を備えるヒータ接続部。
【請求項１８】
前記ヒータ素子が、チタン箔またはチタン合金箔のヒータ素子であることを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項１９】
前記導体移行部が、銅または銅合金の導体移行部であることを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項２０】
前記チタンを含有する溶接部が、チタン溶接部またはチタン合金溶接部であることを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項２１】
前記チタンを含有する移行部が、前記銅を含有する導体移行部に接続されたチタンを含有する材料をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項２２】
前記チタンを含有するヒータ素子が、ガスタービンエンジンの表面実装型ヒータ素子であることを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項２３】
前記チタンを含有するヒータ素子、前記銅を含有する導体移行部、および前記チタンを含有する移行部が、ポリマー材料でカプセル化されていることを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項２４】
前記ポリマー材料が、エポキシ、ビスマレイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエステルおよびフタロニトリルからなる群から選択された剛性材料であることを特徴とする請求項２３に記載のヒータ接続部。
【請求項２５】
前記ポリマー材料が、ペルフルオロカーボン、フルオロカーボン、シリコンおよびポリサルファイドからなる群から選択された可撓性材料であることを特徴とする請求項１９に記載のヒータ接続部。
【請求項２６】
前記チタンを含有する移行部が、押出し成形、爆発圧接、および摩擦圧接ないしフライホイール式摩擦圧接の方法のうちの１つの方法によって形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のヒータ接続部。
【請求項２７】
添付の図面１，２，３，４，５，６のうちのいずれか１つの図面に関連して本明細書に記述されたことを特徴とする表面実装型ヒータのヒータ接続部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン用途に使用されるチタン導体移行部に、チタンヒータ素子を溶接することを可能にするコネクタシステムに関し、具体的には、本発明のコネクタシステムは、ガスタービン用途に使用されるチタン導体移行部にチタンヒータ素子を溶接することを可能し、その後、チタン導体移行部を銅導体に接続し、従来の接合技術を可能にするものである。
【０００２】
なお、本発明は、米国政府との契約番号Ｎ０００１９−０２−３００３の支援のもとに行われ、米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
航空宇宙用部品は、極めて厳しい動作環境で使用される。適切な機能を維持する必要がある多くの脆弱な電気的接続にとっては、特に厳しい動作環境である。従来、航空機への電気的接続は、典型的な錫−鉛電子半田を用いて従来の銅電線、金属ピンまたは金属タブをヒータパッドエリアに半田付けすることによりなされている。この接続は、ヒータ基板の結合の工程前または工程後に行われる。通常、既存の銅導線は、別に製造される電気コネクタにルーティングされる。次に、半田付けされた接合部は、環境の影響を排除しかつ歪みを緩和するために、ポリマーを用いたカプセル化によるシールが施される。
【０００４】
これは周知の技術であり、銅抵抗合金およびニッケル抵抗合金に有用であるが、他の用途においても、ガスタービンエンジンのチタン抵抗合金に銅導体を取り付けることにより利益をもたらす。このような用途の１つは、ガスタービン用途において表面実装型のチタン金属の箔ヒータを使用することである。チタン箔と銅線とを錫−鉛半田で半田付けするには、電解または無電解で、チタン金属箔を銅めっきまたはニッケルめっきする必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のめっき処理によって、コストが付加されるとともに、カプセル化された化合物に結合する汚染源、および半田接合の破断が生じ得る箇所が付加されることとなる。チタン、銅、および錫−鉛を高温環境で用いる場合、上記の短所に加えて他の短所も生じてしまう。
【０００６】
従って、銅導体へ接続するために、タービン部品のチタン箔をチタン溶接導体に接続し、従来の半田付け技術を可能にするコネクタが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示が提示するチタン含有箔のヒータは、チタンに溶接され、化学金属めっき処理やフラックスの使用で汚染されることのない強力なインタフェイスを形成する。
【０００８】
本開示は、チタンを含有する溶接された接続部を有するチタン含有箔のヒータの電気的接続部をコネクタピンまたは端子などの銅を含有する導体へ接続し、従来の半田付け技術を可能にする。
【０００９】
本開示は、さらに、航空宇宙用途のチタン含有箔のヒータ素子の使用を提供し、重量およびコストを減らし、かつ性能を向上させる。
【００１０】
さらに、本開示は、ヒータ製造に使用されるポリイミド薄膜などの隣接する感熱材料への溶接処理に起因する熱損傷を取り除く。
【００１１】
また、本開示は、チタン含有箔のヒータと、チタンを含有する溶接された接続部と、銅を含有する導体と、に接続部を提供し、接続部は、十分な結合力でカプセル化され、強く耐久性のある環境に対するシールを形成し、このシールは、歪みを緩和する。
【００１２】
本開示は、さらに、３００°Ｆ（約１４８．８８℃）を超える条件で動作可能なチタン含有箔のヒータ素子に、チタンを含有する溶接部を提供する。
【００１３】
本開示の上記および他の長所および利点は、航空宇宙用部品のヒータの電気的接続部によって提供される。この電気的接続部は、チタンを含有するヒータ素子と、電気コネクタへの接続のための銅を含有する導体移行部と、チタンを含有する合金ヒータ素子と銅を含有する導体移行部とを接続する溶接されたつまり強力な機械的移行部と、を有する。移行部は、チタンを含有する構成要素および銅を含有する構成要素を有し、チタンを含有する構成要素は、チタンを含有するヒータ素子に溶接される。
【００１４】
ガスタービン用途のヒータの接続部は、チタンを含有するヒータ素子と、電源に接続するための銅を含有する導体移行部と、ヒータ素子と導体移行部とを接続する溶接された移行部つまり機械的移行部と、を有する。移行部は、チタンを含有する要素と銅を含有する要素とのインタフェイスを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
特に図１を参照すると、従来型である、航空宇宙用複合材料のヒータの構成１０が概略的に図示されている。従来型のヒータ１０は、電気絶縁体２０内にカプセル化された銅ヒータ素子１５を有する。半田接合部２５は、銅導体３０を銅ヒータ素子１５に接続する。銅導体３０（金属ピンまたは金属タブ）は、従来のように航空機へ接続するために、電気コネクタ４０に接続される。銅導体３０は、ポリマーのカプセル材３５で保護されている。
【００１６】
従来型のヒータの構成は、エポキシ繊維で強化された複合材料の航空宇宙用複合構造の外面に組み込まれるか、あるいは二次的に結合されるのには適しているが、半田接合部２５の構成は、チタン箔のヒータと共に用いる場合には信頼性は十分ではなく、３００°Ｆ（約１４８．８８℃）を超える動作温度に耐えることはできない。
【００１７】
錫−鉛半田でチタンヒータ箔素子を銅線に結合させる構成は、多くの障害と問題を引き起こす。チタン箔と銅線を錫−鉛半田で半田付けするには、電解または無電解で、チタン箔ヒータを銅めっきまたはニッケルめっきする必要がある。このめっき処理によって、コストが付加されるとともに、カプセル化された化合物に結合する汚染源、および接合破断が起こり得る箇所が付加されることとなる。さらに、銅とチタンの融合が生じるろう付けまたは溶接によって、耐食性が低く、機械的強度も低い脆弱な金属間相が生じる。この金属間相によって、使用中に接合部の破断が起こることがある。
【００１８】
さらに、接合部の酸素汚染を取り除くために、アルゴンなどのシールドガス、真空環境または化学フラックスが必要である。複雑な接続箇所は、複数の金属、および結果的に生じる合金を含むため、カプセル化された化合物に強力で耐久性のある結合を実現するためには、個別の調製技術が必要となる。
【００１９】
図２を参照すると、チタンを含有するヒータの概要が、参照番号５０で示されている。ヒータ５０は、チタン箔ヒータ素子５５を有する。ヒータ素子５５は、ヒータの電気絶縁体６０によって保護されている。チタン箔ヒータ素子５５の一方の端部は、ヒータパッド（ｈｅａｔｅｒ  ｐａｄ）６３を形成するように隆起しており、溶接を容易にしている。ヒータ素子５５は、溶接されたチタン導体移行部７０を介して銅導体移行部６５（ピンとして図示）に接続されている。成形ポリマーカプセル材７５により、銅導体移行部６５と、チタンを含有するヒータ素子５５と、溶接されたチタン導体移行部７０と、を含む接合部８０が覆われて保護されている。本発明のチタンおよび銅の構成要素は、それぞれ、チタン合金および銅合金であってよいことに留意されたい。
【００２０】
従来の銅ヒータ素子１５に代わるチタンヒータ素子５５は、ヒータ素子５５とチタン溶接接合部７０との間に、より強力なインタフェイスを形成する。通常であれば、銅線および錫−鉛半田を用いた、付加的なコストを要するチタン箔ヒータの銅めっき処理またはニッケルめっき処理が必要となる。さらに、銅導体の近くにチタンヒータ素子５５およびチタン溶接接合部７０を用いると、すべての金属が、３００°Ｆを超える温度に耐えて機能するため、高い動作温度が可能になる。錫、鉛および銀などの融点の低い金属を用いることにより、タービンブレードが合金化され、結果的にタービンの劣化が生じてしまう。
【００２１】
チタンヒータ素子５５、およびチタン溶接接合部７０を用いることにより、マイクロ抵抗溶接などの低温溶接技術を利用することができ、電気絶縁体６０の保護ポリマー化合物、および成形ポリマーカプセル材７５が損傷しない。別の実施例として、接合部が損傷しない温度および圧力で製造することができるため、電気絶縁体６０および成形ポリマーカプセル材７５の少なくとも一方を、チタンヒータ素子５５の表面およびチタン溶接接合部７０上で直接的に形成して、硬化させてもよい。対照的に、熱可塑性物質などの従来のカプセル材には、従来の接合部および導体が損傷し得る温度および／または圧力が必要とされる。
【００２２】
図３を参照すると、Ａｎｏｍｅｔ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社（他の供給業者でもよい）から入手可能なチタンスリーブ（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｓｌｅｅｖｅ）１００で被覆された銅棒９５から製造されるワイヤ９０が示されている。ワイヤ９０は、通常、金型を通して銅材料とチタン材料を引き抜き加工することによって形成され、強力な機械的インタフェイスを生じる。図４を参照すると、溶接移行部の第１の構成を形成するワイヤ９０が、参照番号１１０で概略的に図示されている。移行領域１１０は、導体に接続されるか、またはピンが形成される移行領域１１０の側で、銅芯１１５を露出させるように化学的に研磨され形状づけられている。銅芯１１５は、インタフェイスが銅導体に適合するように形状づけられる。別の実施例として、銅芯１１５は、半田付けのために平らな端部にコイニング（ｃｏｉｎｅｄ）されてもよく、電気コネクタに一体に組み込まれるピンとしてもよい。
【００２３】
必要に応じて、露出した銅芯１１５を、図２のチタンヒータ素子５５に取り付ける前に、電気業界で一般的に用いられる手順で電気接触に備えて金属めっきしてもよい。移行領域１１０の反対側では、銅芯１１５を覆うように、チタン箔のヒータパッド６３にチタンヒータ箔素子を溶接するために平らな形状を形成するコイニングなどの技術を用いて、チタン被覆１２０が施される。この形状づけられた端部が、チタンヒータ素子５５にマイクロ抵抗溶接されて接続される。マイクロ抵抗溶接は、チタン−銅金属で生じ得る金属間相を排除しつつ、チタン−チタンのインタフェイスのみを溶かす。
【００２４】
図５を参照すると、溶接されたチタン移行領域の第２の構成が参照番号１３０で概略的に図示されている。Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｗｅｌｄｉｎｇ社など（他の供給業者でもよい）から入手可能なチタン棒１３５にフライホイール式摩擦圧接（ｉｎｅｒｔｉａ  ｗｅｌｄｉｎｇ）つまり摩擦圧接された銅棒１４０から、移行領域１３０が製造される。製造された移行領域１３０の形状を、図４の構成と同様に形成することができる。チタン棒１３５は、平らな形状を作るコイニングなどの技術を用いて、チタン箔ヒータ素子５５に隣接するヒータ接続部と入れ子構造になるように形状づけられる。この形状づけられた端部がチタンヒータパッド６３にマイクロ抵抗溶接され接続される。マイクロ抵抗溶接は、他の金属間相を排除しつつ、チタン−チタンのインタフェイスのみを溶かす。
【００２５】
同様に、移行領域１３０の銅棒１４０またはワイヤは、インタフェイスを銅導体６５に適合させるように形状づけられる。インタフェイスは、半田付けのためにコイニングされた平らな端部としてもよく、または電気コネクタに一体化して組み込まれるピンなどとしてもよい。必要に応じて、ヒータ箔に取り付ける前に、露出した銅芯を、電気業界で一般的に用いられる手順で電気接触に備えて金属めっきしてもよい。
【００２６】
図６を参照すると、チタン移行領域１５０の第３の構成が示されている。移行領域１５０は、チタンパッド１６０が爆発圧接された銅プリフォーム１５５から製造される。このような銅プリフォーム１５５およびチタンパッド１６０は、Ａｔｌａｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能であるが、他の供給業者でもよい。銅プリフォーム１５５のインタフェイスは、銅導体およびチタンヒータ素子５５に適合するように形状づけられている。インタフェイスは、例えば、半田付けのためにコイニングされた平らな端部としてもよく、または電気コネクタに一体化されて組み込まれるピンとしてもよい。
必要に応じて、銅１５５を、図２の箔ヒータ５５に取り付ける前に、電気業界で一般的に用いられる手順で電気接触に備えて金属めっきしてもよい。チタンパッド１６０は、コイニングなどの技術を用いて、ヒータ接続領域と入れ子構造になるように形状づけられる。チタンパッドがチタン箔ヒータ素子にマイクロ抵抗溶接されて接続される。マイクロ抵抗溶接は、金属間相を排除しつつ、チタン−チタンのインタフェイスを溶かすのみである。
【００２７】
移行領域１１０，１３０，１５０は全て、応力、および動作条件における破断の可能性を最小にするように、ポリマー化合物でコーティングされる。ヒータの用途に応じて、異なる化合物を用いて、延在する箔ヒータと接続ワイヤと共に移行領域をカプセル化する。例えば、図２に示されるような表面実装型のヒータが、ガスタービン部品または複合材料に積層され、構造強度を補強する場合、剛性のカプセル化が必要となる。剛性の接続領域が望まれるヒータに対して、ＹＬＡ社などから入手可能なＢＭＩ成形化合物を用いることができる。この成形化合物は、非導電性の充填剤とともに、様々なアスペクト比で充填され、かつ適切な道具を用いて導体６５の周囲からチタン箔ヒータ素子の表面に注入される。ＢＭＩ化合物は、ナイロン（登録商標）などの従来の熱可塑性のコネクタ材料と比較して、より多くの利点を提供する。例えば、注入圧力が低いことにより、道具に入るポリマー流から導体に加わる機械的応力が低減される。加えて、粘度が低いことにより、ヒータ素子が織物によって支持される際に特に必要となるヒータ材料の湿潤および含浸が可能となる。さらに、結果生じたコネクタ表面は、後の工程の間に結合していることができる。
【００２８】
別の実施例として、チタン溶接を伴う表面実装型チタン箔ヒータは、例えば、Ｓｉｆｅｌ（登録商標）などの柔軟なペルフルオロカーボン成形化合物でカプセル化してもよい。ヒータの電気絶縁体が、例えばペルフルオロカーボンエラストマである場合に、この可撓性のペルフルオロカーボンカプセル材は最適である。ペルフルオロカーボン成形化合物Ｓｉｆｅｌ（登録商標）は、非導電性の充填剤とともに様々なアスペクト比で充填され、かつ導体を接着する目的および充填されるキャビティを形成するヒータ表面をシールする目的で、一般に使用される道具を用いて導体の周囲に亘ってチタン箔ヒータ素子５５の表面に注入される。ペルフルオロカーボン化合物は、ナイロン（登録商標）などの従来の熱可塑性のコネクタ材料と比較して、利点を有している。ペルフルオロカーボンなどを用いることにより、注入圧力を低くすることができ、注入圧力が低くなると、道具に入り込むポリマー流から導体に加わる機械的応力が低減される。さらに、コネクタ表面は、その後の工程の間に結合していることができる。
【００２９】
本開示を、１つまたは複数の実施例に関連して記述したが、当業者であれば、本開示の範囲を逸脱することなく、様々な変更がなされ得ること、また本開示の要素が等価物で代替され得ることを理解されるであろう。さらに、個々の状況または材料を本開示の教示に適合させるために、本開示の範囲を逸脱することなく、多くの修正を行われ得る。従って、本開示は、最適の態様として開示した特定の（単数または複数の）実施例に限定されず、特許請求の範囲にある全ての実施形態を含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】銅ヒータ素子、錫−鉛半田および銅導線を用いた従来技術のガスタービンヒータの構成図。
【図２】チタン含有溶接を用いて銅を含有する導体移行部に溶接されたチタン含有箔ヒータを用いたヒータの構成図。
【図３】押し出された状態のチタン含有箔ヒータおよび銅を含有する導体溶接移行部の第１の構成図。
【図４】チタン含有箔ヒータおよび銅を含有する導体溶接移行部の第１の構成図。
【図５】チタン含有箔ヒータおよび銅を含有する導体溶移行接部の第２の構成図。
【図６】チタン含有箔ヒータおよび銅を含有する導体溶接移行部の第３の構成図。
【図１】
2008169836.tif 000003
【図２】
2008169836.tif 000004
【図３】
2008169836.tif 000005
【図４】
2008169836.tif 000006
【図５】
2008169836.tif 000007
【図６】
2008169836.tif 000008