(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のハウジング部品を備えるハウジングであって、
第１のハウジング部品が、
ポリマーと、
ポリマーに埋め込まれた複数の補強材層と、
ポリマー内および複数の補強材層の間の空隙にある熱伝導性充填材と、
を備え、
熱伝導性充填材が、第１のハウジング部品を通して熱を受動的に伝導できるように構成される、
ハウジング。
【請求項２】
第１のハウジング部品が第１の側面及び第２の側面を有し、熱伝導性充填材が、熱を第１の側面から第２の側面まで受動的に伝導できるように、熱伝導性経路を与えるように構成される、請求項１に記載のハウジング。
【請求項３】
熱伝導性経路が不連続である、請求項２に記載のハウジング。
【請求項４】
熱伝導性充填材がカーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維又は短繊維で構成される、請求項１から３のいずれかに記載のハウジング。
【請求項５】
航空機ギヤボックスハウジングとして構成される、請求項１から４のいずれかに記載のハウジング。
【請求項６】
第１のハウジング部品に接合された第２のハウジング部品をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載のハウジング。
【請求項７】
第２のハウジング部品が、金属で形成されるか、或いはポリマー、補強材及び熱伝導性充填材を含む、請求項６に記載のハウジング。
【請求項８】
補強材層が炭素繊維から形成された織物を含む、請求項１から７のいずれかに記載のハウジング。
【請求項９】
第１のハウジング部品を備える航空機ギヤボックス用のハウジングであって、
第１のハウジング部品が、
ポリマーと、
ポリマーに埋め込まれた複数の補強材層と、
ポリマー内および複数の補強材層の間の空隙にある熱伝導性充填材と、
を備え、
熱伝導性充填材が、第１のハウジング部品を通して熱を受動的に伝導できるように構成される、
ハウジング。
【請求項１０】
第１のハウジング部品が第１の側面及び第２の側面を有し、熱伝導性充填材が、熱を第１の側面から第２の側面まで受動的に伝導できるように構成される、請求項９に記載の航空機ギヤボックス用のハウジング。
【請求項１１】
熱伝導性充填材がカーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維又は短繊維で構成される、請求項９または１０に記載の航空機ギヤボックス用のハウジング。
【請求項１２】
熱伝導性充填材が熱伝導性経路を与えるように配置される、請求項９から１１のいずれかに記載の航空機ギヤボックス用のハウジング。
【請求項１３】
熱伝導性経路が不連続である、請求項１２に記載の航空機ギヤボックス用のハウジング。
【請求項１４】
補強材層が炭素繊維から形成された織物を含む、請求項９から１３のいずれかに記載の航空機ギヤボックス用のハウジング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機エンジンギヤボックスに関し、より詳細には、ポリマー複合材料を含む航空機エンジンギヤボックス用のハウジングに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機部品及び航空機エンジンは、効率を良くするために軽量部材を必要とする。従来、航空機部品は、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの金属材料から形成されている。ハウジングの金属材料の代わりに熱可塑性材料や熱硬化性材料などの軽量なポリマー材料を用いると、より軽量で効率的な航空機及び航空機部品をもたらすことができる。これに関して、軽量材料を必要とするいくつかの特定の用途に繊維強化複合ポリマー材料を使用することができる。
【０００３】
航空機エンジンギヤボックスハウジングの構造に従来の複合ポリマー材料を用いることに関連する１つの問題は、従来の複合ポリマー材料が適切な熱力学的特性を有していないことである。航空機部品に使用されるいくつかのギヤボックスは、過熱を回避するために受動的に伝熱するように構成されなければならない。換言すると、熱は、ギヤボックスハウジングの内側表面から肉厚を通って外側表面まで伝導されなければならない。従来の複合熱可塑性材料用の強化繊維は、一般に、強化繊維が熱伝導性であっても熱を所望の方向に伝導するようには配向されない。その代わりに、強化繊維は、一般に、所要の強度及び剛性特性を与えるように配向される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８４６６２２１号明細書
【発明の概要】
【０００５】
この必要性は、カーボン繊維などの材料によって強化されたポリマー複合材料で形成されるギヤボックスハウジングによって対処され、熱をハウジングの第１の側面からハウジングの第２の側面まで受動的に伝導するように動作可能な熱伝導性充填材を含む。
【０００６】
ポリマー、補強材、及び熱伝導性充填材を含むハウジング。補強材及び熱伝導性充填材がポリマーに埋め込まれるように第１のハウジング部品がポリマーによって画成される。熱伝導性充填材は、第１のハウジング部品を通して熱を受動的に伝導できるように構成される。
【０００７】
ポリマー層及び熱伝導性充填材を含む航空機ギヤボックス用のハウジング。熱伝導性充填材がポリマーに埋め込まれるように第１のハウジング部品がポリマーによって画成される。熱伝導性充填材は、第１のハウジング部品を通して熱を受動的に伝導できるように構成される。
【０００８】
本発明は、添付図面に関連して行われる以下の説明を参照することにより最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるポリマー材料を含むギヤボックスハウジングの斜視図である。
【図２】図１に示すギヤボックスハウジングの線２−２に沿った破断側面図である。
【図３】図２に示すギヤボックスハウジングのポリマー部分の、領域３でとられた部分の破断詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
同一の参照符号が様々な図を通して同じ要素を表わしている図面を参照すると、図１は、第１のハウジング部品４０及び第２のハウジング部品７０を含むハウジング１０を示す。図示の実施形態によれば、ハウジング１０は航空機ギヤボックスハウジングである。第１のハウジング部品４０は、以下にさらに説明するように、ポリマーが繊維で強化された複合材料で形成される。第２のハウジング部品７０は、アルミニウム又はマグネシウム合金などの航空機ギヤボックスハウジング用の従来の材料で形成される。
【００１１】
ここで図１及び図２を参照すると、第１のハウジング部品４０及び第２のハウジング部品７０はそれぞれフランジ４１及びフランジ７１を含む。ガスケット又はシール２２がフランジ４１とフランジ７１との間に挟まれる。シール２２は、従来のガスケット材料から形成することができる。複数の従来のねじ付きボルト２４が、フランジ４１及び７１とシール２２に形成される対応する孔を貫通して延在する。ねじ付きナット２６がそれぞれのボルト２４に係合する。このようにして、第１のハウジング部品４０及び第２のハウジング部品７０は、ギヤボックスハウジング１０を画成するように互いに接合される。第１のハウジング部品４０及び第２のハウジング部品７０を接合するために他の締結具システムを使用することができることを理解されたい。
【００１２】
ナット２６のうちの少なくとも１つとフランジ４１との間に補強プレート又はワッシャ２８が配置される。補強スリーブ３２が、フランジ４１を貫通するボルトの部分でボルト２４のうちの少なくともいくつかの一部を取り囲むように配置される。ワッシャ２８及び補強スリーブ３２は、ボルト２４のような機械的締結具に付随するような集中荷重から第１のハウジング部品４０を保護するように動作可能であることを理解されたい。したがって、この種の連結が行われる場合、図示のように集中荷重を緩和する手段を使用することができる。例示であって限定するものではないが、この種の緩和手段は、スリーブ、ブシュ、ワッシャ、プレート、他の負荷拡散装置、及びこれらの組合せのうちの１つを含むことができる。
【００１３】
ここで図２を参照すると、第１のハウジング部品４０は、第１の内側表面４２及び第１の外側表面４４を画成する。同様に、第２のハウジング部品７０は、第２の内側表面７２及び第２の外側表面７４を画成する。第１の内側表面４２及び第２の内側表面７２は互いにチャンバ３４を画成する。チャンバ３４は、航空機用ギヤボックスに関連又は付随する様々な流体及び機械的部品を受容するように構成される。
【００１４】
ここで図３を参照すると、第１のハウジング部品４０は、第１の補強層４６及び第２の補強層４８を含む。図示のように、第１の補強層４６及び第２の補強層４８は、炭素繊維織物から形成された織物層である。追加の補強層は、第１のハウジング部品４０の厚さの大部分が補強層で構成されるように設けることができる。例示であって限定するものではないが、補強材は、短繊維、テープ、織物、連続繊維、及びこれらの組合せのうちの１つで形成することができる。短繊維が使用される場合、短繊維の長さは１インチの１／２よりも大きいことが好ましい。例示であって限定するものではないが、補強材として使用することができる材料は、炭素、ガラス、及びこれらを組合せたもののうちの１つを含む。
【００１５】
第１の補強層４６及び第２の補強層４８はポリマーマトリックス５２に埋め込まれる。ポリマーマトリックスはポリマー樹脂である。例示であって限定するものではないが、ポリマー樹脂は、エポキシ、ビスマレイミド、ベンゾオキサジン、ポリイミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリフタルアミド、ポリシアル酸、セラミック基複合材、及びこれらの組合せのうちの１つとすることができる。
【００１６】
ここで第１のハウジング部品４０を参照すると、第１のハウジング部品４０は、一般に、熱をチャンバ３４から第１の内側表面４２を通って第１の外側表面４４まで伝導するように構成される。このようにして、熱は、チャンバ３４から第１のハウジング部品４０を通って第１の外側表面４４の周囲の領域まで伝導される。同様に、熱は、チャンバ３４から第２の内側表面７２を通って第２のハウジング部品７０の第２の外側表面７４まで、したがって第２の外側表面７４に隣接する領域まで流れなければならない。
【００１７】
第１のハウジング部品４０の所望の熱伝導特性を提供するために、ポリマーマトリックス５２は、熱伝導性充填材５４などの伝導性材料を含浸される。熱伝導性充填材５４が使用されるのは、第１の織物補強層４６及び第２の織物補強層４８の強化炭素繊維の方向を、「板厚」方向の直接伝熱経路を設けるように配向するのが、一般に困難又は非実用的であるからである。別の言い方をすれば、補強層は補強を提供するようにも動作可能であるため、熱を第１の内側表面４２から第１の外側表面４４まで伝導するように補強層を配向するのは困難である。これに関して、第１の織物補強層４６及び第２の補強層４８の繊維は、所望の伝熱方向に対してほぼ垂直に配置される。短繊維が補強材として使用された場合、十分な直接伝熱経路が提供されるように上部繊維の分散及び配向を制御するのは困難であると考えられる。
【００１８】
十分な熱がチャンバ３４から外側表面４４及び外側表面４４に隣接する領域まで流れるようにするために、熱伝導性充填材５４によって画成される連続的な物理的伝導経路を有する必要はない。しかし、熱伝導性充填材５４を含むものは、伝導経路を与えることで動作するが、複合システムの基本的な化学的性質を変えることでは動作せず、この場合、第１のハウジング部品４０の複合システムは、ポリマーマトリックス５２、第１の織物補強層４６、第２の織物補強層４８、及び熱伝導性充填材５４を含む。
【００１９】
熱伝導性充填材５４は、熱伝導性充填材５４が空間内又はポリマーマトリックス５２内に粉末又は流体と同様の態様で物理的に分散され得るように選択される。したがって、熱伝導性充填材５４は、複合材料全体に均等に分散されること、及び、補強材、例えば第１の織物補強層４６と第２の織物補強層４８との間の空隙を埋めることができる。熱伝導性充填材５４に適した材料には、カーボンナノ繊維及びカーボンナノチューブが含まれる。カーボンナノチューブは、半球形端部を有しかつ非常に均一である小さい円筒又は棒である。カーボンナノ繊維は、カーボンナノチューブほど均一ではない。本明細書では、「ナノ」という用語は、主要寸法のうちの１つが全長１ｎｍ程度である構造を意味する。
【００２０】
熱伝導性充填材５４は、ポリマーマトリックスの微小亀裂を減少させるように機能することもできる。この種の亀裂は、一般に、ポリマーマトリックスの熱応力及び劣化によって引き起こされる。このようにして形成される亀裂は、第１の内側表面４２から第１の外側表面４４までの経路になる可能性がある。この種の経路は、油などのギヤボックスハウジング１０の流体内容物の漏出を引き起こす可能性がある。
【００２１】
熱伝導性充填材５４は金属合金で形成することができるが、これにより重量を減少させるという目標を達成することはない。例示であって限定するものではないが、熱伝導性充填材５４は、カーボンナノ繊維、カーボンナノチューブ、粉末状の金属合金、酸化亜鉛、アルミナ、窒化ホウ素、カーボンブラック、及びこれらの組合せから選択することができる。
【００２２】
ポリマーマトリックス５２、したがって第１のハウジング部品４０の熱膨張率「ＣＴＥ」は、第２のハウジング部品７０のＣＴＥと同等でなければならないことを理解されたい。第２のハウジング部品７０は、アルミニウム、マグネシウム合金、スチール、又は他の適切な金属もしくは合金などの金属材料で形成される。いくつかの実施形態では、第２のハウジング部品７０は、上記の第１のハウジング部品４０に関連して説明したように強化されたポリマー複合材料で形成されることを理解されたい。したがって、ギヤボックスハウジングの実質的にすべてを強化ポリマー材料で形成することができる。
【００２３】
ここでギヤボックスハウジング１０の構造、より詳細には第１のハウジング部品４０の構造を参照すると、この構造は、ハードツーリングを用いて成形プロセスで製造することができる。一般に、未硬化のポリマーマトリックス５２を第１の織物補強層４６及び第２の織物補強層４８と熱伝導性充填材５４と共に型に詰め込んで、型を閉じ、複合システムを硬化させることになる。一般に、複合システムを硬化させるために熱及び時間が用いられる。或いは、ポリマーマトリックス５２と強化繊維及び熱伝導性充填材５４とを型に加えられる前に均質な混合物に形成し、硬化させて、第１のハウジング部品４０を形成することもできる。
【００２４】
上記では、航空機ギヤボックスハウジングを形成するのに十分な熱的及び構造的特性を有するポリマー材料、並びにこのポリマー材料から形成されるギヤボックスハウジングについて説明してきた。ポリマー材料は、従来の材料よりも軽量であり、ギヤボックスハウジング内の熱をハウジングの壁を通ってハウジングの外側の領域まで受動的に伝導できるように構成される。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約及び図面を含む）に開示される特徴のすべて、並びに／或いはそのように開示される方法又はプロセスのステップのすべては、かかる特徴及び／又はステップのうちの少なくともいくつかが相互排他的である組合せを除いて、どの組合せで組み合わされてもよい。
【００２５】
本明細書（添付の特許請求の範囲、要約及び図面を含む）に開示されるそれぞれの特徴は、特に明示されていない限り、同一、等価又は同様の目的を果たす他の特徴で置き換えられてもよい。したがって、特に明示されていない限り、開示されるそれぞれの特徴は、一般的な一連の同等又は同様の特徴の一例に過ぎない。
【００２６】
本発明は、上記の実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（添付の潜在的新規な点、要約及び図面を含む）に開示される特徴の任意の新規な１つ、又は新規な組合せ、或いは、そのように開示される方法又はプロセスのステップの新規な１つ、又は新規な組合せにまで及ぶ。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ギヤボックスハウジング
２２  ガスケット又はシール
２４  ねじ付きボルト
２６  ねじ付きナット
２８  補強プレート又はワッシャ
３２  補強スリーブ
３４  チャンバ
４０  第１のハウジング部品
４１  フランジ
４２  第１の内側表面
４４  第１の外側表面
４６  第１の織物補強層
４８  第２の織物補強層
５２  ポリマーマトリックス
５４  熱伝導性充填材
７０  第２のハウジング部品
７１  フランジ
７２  第２の内側表面
７４  第２の外側表面
【図１】
0006431935.tif 000002
【図２】
0006431935.tif 000003
【図３】
0006431935.tif 000004