(57)【要約】【課題】内筒の内部で燃焼・燃焼停止を繰り返しても内筒が拘束されることなく、変形及び歪の発生を防止することができる中空構造体の製造方法を提供することにある。【解決手段】金属材料からなる内筒１２の外周面に炭素繊維強化プラスチック１３ａを積層する第１の工程と、前記内筒１２とともに炭素繊維強化プラスチック１３ａを加熱硬化して外筒１３を形成する第２の工程と、前記外筒１３の加熱硬化後、前記内筒１２とともに外筒１３を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒１２と外筒１３との間に隙間１４を形成する第３の工程とからなる中空構造体の製造方法にある。【選択図】　　　　　図１
2004106271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる内筒の外周面に炭素繊維強化プラスチックを積層する第１の工程と、
前記内筒とともに炭素繊維強化プラスチックを加熱硬化して外筒を形成する第２の工程と、
前記外筒の加熱硬化後、前記内筒とともに外筒を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒と外筒との間に隙間を形成する第３の工程と
からなる中空構造体の製造方法。
【請求項２】
金属材料からなる内筒の内部に充填剤を充填する第１の工程と、
前記内筒の外周面に炭素繊維強化プラスチックを積層する第２の工程と、
前記内筒とともに炭素繊維強化プラスチックを加熱硬化して外筒を形成する第３の工程と、
前記外筒の加熱硬化後、前記内筒とともに外筒を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒と外筒との間に隙間を形成する第４の工程と、
前記内筒の内部に充填した充填剤を抜取る第５の工程と
からなる中空構造体の製造方法。
【請求項３】
金属材料からなる内筒を加温して径方向に膨張させた状態でその外周面に光硬化性樹脂を含浸した炭素繊維強化プラスチックを積層する第１の工程と、
前記光硬化性樹脂を含浸した炭素繊維強化プラスチックを直射日光または人工の光源光により硬化して外筒を形成する第２の工程と、
前記外筒の硬化後、前記内筒を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒と外筒との間に隙間を形成する第３の工程と
からなる中空構造体の製造方法。
【請求項４】
前記炭素繊維強化プラスチックは、前記内筒の外周面に螺旋状に密巻き状態で巻回して積層することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空構造体の製造方法。
【請求項５】
前記内筒の外周面に離型剤を塗布した後、炭素繊維強化プラスチックを前記内筒の外周面に螺旋状に密巻き状態で巻回して積層することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、ロケット燃焼器等に用いる中空構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のロケット燃焼器は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、燃焼室１を形成する銅合金製の内筒２と複数に分割されたインコネル等の剛性の高い金属製の外筒３との二重構造であり、内筒２の外周面に外筒３の内周面が密着した構造であり、さらに内筒２の周壁には液体水素等を流通する冷却溝４が設けられている。
【０００３】
従って、ロケット燃焼中は、内筒２の燃焼圧による膨張力を受けるが、外筒３は冷却溝４を流通する液体水素によって冷却されるため、外筒３が収縮して内筒２を拘束し、内筒２に圧縮変形が生じる。また、燃焼が停止し、温度圧力が低下すると、内筒２の内表面は圧縮応力状態から引張応力状態になるため板厚の小さい冷却溝４部に変形が生じてしまう。
【０００４】
従って、燃焼・燃焼停止を繰り返すと、内筒２が圧縮／引張応力を繰り返し被ることになり、内筒２に損傷が生じてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、外筒３が収縮して内筒２を拘束する拘束力を低減し、内筒２の歪を緩和させるために、外筒３を熱膨張率の小さい炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰという）で製作することが試みられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内筒はロケット燃焼時に燃焼圧による膨張力によって径方向に膨張し、このとき外筒は周方向の引張り応力が加わる。従って、外筒をＣＦＲＰで製作する場合、円周方向に繊維が繋がっていることが重要であり、そのためには内筒を中子としてＣＦＲＰを内筒の外周面に螺旋状に巻き付けて積層する必要がある。
【０００７】
しかし、この方法でＣＦＲＰを内筒の外周面に積層して加熱硬化すると、内筒の外周面にＣＦＲＰからなる外筒が接着してしまう。従って、燃焼停止直後に内筒が燃焼圧による膨張から開放され、さらに液体水素冷却により熱収縮しようとするが、内筒の外周面にＣＦＲＰからなる外筒が接着されているため、収縮しようとする内筒を拘束することになり、やはり冷却溝４に変形が生じてしまうか、あるいは内筒に引っ張り方向の内部応力が残ったままの状態になってしまうという問題がある。
【０００８】
この発明は前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、内筒と外筒との間に隙間を設け、内筒の内部で燃焼・燃焼停止を繰り返しても内筒が拘束されることなく、変形及び歪の発生を防止し、かつ内筒に加わる応力を軽減することができる円筒構造体の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記目的を達成するために、請求項１は、金属材料からなる内筒の外周面に炭素繊維強化プラスチックを積層する第１の工程と、前記内筒とともに炭素繊維強化プラスチックを加熱硬化して外筒を形成する第２の工程と、前記外筒の加熱硬化後、前記内筒とともに外筒を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒と外筒との間に隙間を形成する第３の工程とからなる中空構造体の製造方法にある。
【００１０】
請求項２は、金属材料からなる内筒の内部に充填剤を充填する第１の工程と、前記内筒の外周面に炭素繊維強化プラスチックを積層する第２の工程と、前記内筒とともに炭素繊維強化プラスチックを加熱硬化して外筒を形成する第３の工程と、前記外筒の加熱硬化後、前記内筒とともに外筒を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒と外筒との間に隙間を形成する第４の工程と、前記内筒の内部に充填した充填剤を抜取る第５の工程とからなる中空構造体の製造方法にある。
【００１１】
請求項３は、金属材料からなる内筒を加温して径方向に膨張させた状態でその外周面に光硬化性樹脂を含浸した炭素繊維強化プラスチックを積層する第１の工程と、前記光硬化性樹脂を含浸した炭素繊維強化プラスチックを直射日光または人工の光源光により硬化して外筒を形成する第２の工程と、前記外筒の硬化後、前記内筒を冷却して内筒を径方向に収縮させ、内筒と外筒との間に隙間を形成する第３の工程とからなる中空構造体の製造方法にある。
【００１２】
請求項４は、請求項１〜３のいずれかに記載の前記炭素繊維強化プラスチックは、前記内筒の外周面に螺旋状に密巻き状態で巻回して積層することを特徴とする。
【００１３】
請求項５は、請求項１〜３のいずれかに記載の前記内筒の外周面に離型剤を塗布した後、炭素繊維強化プラスチックを前記内筒の外周面に螺旋状に密巻き状態で巻回して積層することを特徴とする。
【００１４】
請求項１によれば、内筒と外筒の熱膨張率の差によって内筒と外筒との間に隙間が形成される。
【００１５】
請求項２によれば、請求項１に加え、充填剤によって成形中における内筒の変形を防止できる。
【００１６】
請求項３によれば、外筒の炭素繊維強化プラスチックに関しては、加熱手段を設けることなく、直射日光または人工の光源光により硬化させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１及び図２は第１の実施形態を示す。図１は例えばロケットエンジンの燃焼器を構成する中空構造体を示し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図、図２（ａ）〜（ｄ）は中空構造体の製造方法を示す図である。
【００１９】
図１に示すように、中空構造体１１は一部にくびれ部１１ａ、ノズルスカート１１ｂ及びインジェクタ１１ｃを有する円筒体である。この中空構造体１１は内筒１２と外筒１３との二重構造で、内筒１２と外筒１３との間には隙間１４が形成されている。内筒１２は金属、例えば銅合金によって形成され、外筒１３はＣＦＲＰによって形成されている。隙間１４は直径方向に約０．１ｍｍ程度であり、内筒１２と外筒１３とは連結されておらず、くびれ部１１ａによって内筒１２と外筒１３とが軸方向に移動不能に支持されている。
【００２０】
次に、図２に基づいて中空構造体１１の製造方法について説明する。
【００２１】
（ａ）に示すように、金属、例えば銅合金（熱膨張率が約１６．２×１０（−６）／Ｋ）によってくびれ部１２ａを有する外径がφａの円筒状の内筒１２を製作する。そして、この内筒１２の外周面に離型剤としてＰＦＡ等のフッ素樹脂処理剤を塗布あるいはシリコン樹脂を塗布する。次に、（ｂ）に示すように、内筒１２の外周面にＣＦＲＰ１３ａ（熱膨張率が約０．４４×１０（−６）／Ｋ）を螺旋状に密巻き状態に積層する。
【００２２】
内筒１２の外周面にＣＦＲＰ１３ａを積層した後、加熱炉に入れ、約１８０℃で加熱硬化する。加熱硬化中には、内筒１２が熱膨張を起こすため、この状態でＣＦＲＰが硬化するので、（ｃ）に示すように、内筒１２の外径がφａ＋Ａに膨張し、内筒２の外周面にＣＦＲＰからなる外筒１３が形成される。
【００２３】
次に、（ｄ）に示すように、内筒１２及び外筒１３を加熱硬化後、自然冷却すると、内筒１２は外径φａが径方向に収縮するが、ＣＦＲＰからなる外筒１３は径方向への収縮量が極めて少ないため内径φａ＋Ａを維持している。しかも内筒１２の外周面には離型剤が塗布されているため、内筒１２から外筒１３が剥離し、内筒１２と外筒１３との間に隙間１４が形成される。
【００２４】
このようにして製作された円筒構造体１１は、ロケットエンジンの燃焼器として使用し、内筒１２の内部を燃焼室とすると、内筒１２は燃焼時に熱膨張と燃焼圧による膨張力によって径方向及び軸方向に膨張するが、隙間１４の存在によって外筒１３に対して軸方向はスリップして拘束せず、その一方で直径方向の膨張を受け止めることができ、外筒１３が適切に内筒１２の補強の役割をする。
【００２５】
燃焼停止時に内筒１２は熱膨張と燃焼圧による膨張から開放されたとき、元に戻ろうとするが（収縮）、内筒１２の外周面は外筒１３に対してフリーであり、外筒１３はＣＦＲＰあるためほとんど収縮しないため、内筒１２の収縮を拘束することはない。従って、内筒１２の内部で燃焼・燃焼停止を繰り返しても変形及び歪の発生を防止することができ、かつ内筒１２、外筒１３のいずれにも内部応力が残留することがない。
【００２６】
図３は第２の実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）は中空構造体の製造方法を示す図である。
【００２７】
（ａ）に示すように、金属、例えば銅合金（熱膨張率が約１６．２×１０（−６）／Ｋ）によってくびれ部１２ａを有する円筒状の内筒１２を製作し、内筒１２のくびれ部１２ａの内部に仕切り板１５を設けるとともに、内筒１２の両端開口を蓋体１６によって閉塞する。蓋体１６に設けられた注入口１６ａからシリコン樹脂等の充填剤１７を注入し、この状態で充填剤１７を硬化させると、内筒１２の内部に硬化した充填剤１７がリジッドに詰まった状態となる。このときシリコン樹脂１７は適切な硬化剤を用いることにより、常温で硬化させることもできる。
【００２８】
次に、第１の実施形態と同様に、内筒１２の外周面に離型剤としてＰＦＡ等のフッ素樹脂処理剤を塗布あるいはシリコン樹脂を塗布する。次に、（ｂ）に示すように、内筒１２の外周面にＣＦＲＰ１３ａ（熱膨張率が約０．４４×１０（−６）／Ｋ）を螺旋状に密巻き状態に積層する。
【００２９】
内筒１２の外周面にＣＦＲＰ１３ａを積層した後、加熱炉に入れ、約１８０℃で加熱硬化する。ＣＦＲＰが硬化すると、（ｃ）に示すように、内筒１２の外周面にＣＦＲＰからなる外筒１３が形成される。（ｄ）に示すように、加熱硬化後、自然冷却すると、内筒１２は径方向に収縮するが、ＣＦＲＰからなる外筒１３は径方向に収縮しない。しかも内筒１２の外周面には離型剤が塗布されているため、内筒１２から外筒１３が剥離し、内筒１２と外筒１３との間に隙間１４が形成される。最後に、仕切り板１５とともに充填剤１７を内筒１２から拭き取ることにより、円筒構造体１１が形成される。このように、内筒１２の内部に予め充填剤１７を充填することにより、成形中に内筒１２の変形を防止することができ、比較的に薄肉の内筒１２の場合に有効である。
【００３０】
このようにして製作された円筒構造体１１の作用は第１の実施形態と同一であり、説明を省略する。
【００３１】
図４は第３の実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）は中空構造体の製造方法を示す図である。
【００３２】
（ａ）に示すように、金属、例えば銅合金（熱膨張率が約１６．２×１０（−６）／Ｋ）によってくびれ部１２ａを有する円筒状の内筒１２を製作する。この内筒１２を加熱すると、内筒１２は径方向及び軸方向に膨張し、外径がφａ＋Ａとなる。
【００３３】
内筒１２を熱膨張させた状態で、第１の実施形態と同様に、内筒１２の外周面に離型剤としてＰＦＡ等のフッ素樹脂処理剤を塗布あるいはシリコン樹脂を塗布する。次に、（ｂ）に示すように、内筒１２の外周面に光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａ（熱膨張率が約０．４４×１０（−６）／Ｋ）を螺旋状に密巻き状態に積層する。
【００３４】
内筒１２の外周面に光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａを積層した後、この光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａに直射日光あるいは人工の光源光を当てると、光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａが硬化する。光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａが硬化すると、（ｃ）に示すように、内筒１２の外周面に光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａからなる外筒１８が形成される。外筒１８が光硬化後、自然冷却すると、（ｄ）に示すように、内筒１２は径方向に収縮してφａとなるが、光硬化性樹脂を含浸したＣＦＲＰ１８ａからなる外筒１８は径方向に収縮しないため内径がφａ＋Ａを維持している。しかも内筒１２の外周面には離型剤が塗布されているため、内筒１２から外筒１８が剥離し、内筒１２と外筒１８との間に隙間１４が形成される。
【００３５】
内筒１２の温度変化と内筒１２の膨張は概ね比例関係にあるため、内筒１２を何度で加温すればどの程度膨張するかは事前に計算することができ、また、光硬化性樹脂ＣＦＲＰ１８ａの外筒１８は硬化後、熱膨張・収縮はほとんどないため、光を当てて硬化した後、内筒１２を常温に戻したときの内外筒の隙間＝内筒の膨張分とすることができる。内筒１２の膨張は加熱する温度でコントロールすることができ、内筒１２の加温状態を任意に設定することで隙間１４を任意に設定することができる。
【００３６】
このようにして製作された円筒構造体１１の作用は第１の実施形態と同一であり、説明を省略する。
【００３７】
前記光硬化性樹脂は、ポリエステル樹脂等に予め光硬化剤、例えば市販品；ベンゾインのようなものや、フォスフィンオキサイド（例：ＢＡＳＦ社Ｌｕｃｉｒｉｎ　ＴＰＯ）を混入したもの、或いはエポキシ樹脂等に光カチオン開始剤（例：ＧＥシリコーン社ＵＶ−９３８０Ｃ）を予め混入したもので、直射日光や人工の光源光（主に紫外線）に一定時間以上晒すと硬化する特性を有する。ここで、光カチオン開始剤を用いる場合には、開始剤の種類によっては、光硬化性樹脂が硬化した後に、微量ではあるが、内筒１２の金属を腐食する可能性もある。このような時には、内筒１２の表面をあらかじめ酸化皮膜処理しておくか、あるいはセラミックスを溶射しておくなど意図せざる腐食から保護することを行ってもよい。あるいは、内筒１２をステンレスやチタン合金などの腐食に強い素材で構成することでもよい。
【００３８】
なお、前記実施形態においては、ロケットエンジンの燃焼器として用いる中空構造体について説明したが、この発明はロケットエンジンの燃焼器に限定されるものではなく、内筒が熱膨張・熱収縮が繰り返し行われる熱機器に適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、内筒と外筒との間に隙間を設けることにより、内筒の内部で燃焼・燃焼停止を繰り返しても内筒が拘束されることなく、変形及び歪の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示し、（ａ）は中空構造体の縦断側面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図２】同実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）は中空構造体の製造方法を示す図。
【図３】この発明の第２の実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）は中空構造体の製造方法を示す図。
【図４】この発明の第３の実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）は中空構造体の製造方法を示す図。
【図５】従来の中空構造体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＢ部を拡大して示す斜視図。
【符号の説明】
１１…中空構造体
１２…内筒
１３…外筒
１４…隙間
【図１】
2004106271.tif 000003
【図２】
2004106271.tif 000004
【図３】
2004106271.tif 000005
【図４】
2004106271.tif 000006
【図５】
2004106271.tif 000007