(57)【要約】【課題】  選択された特性に従って構造に孔を設けるためのシステムを提供する。【解決手段】  浸出プロセスによって構造または機構を冷却するためのシステムである。一般的に、多孔質構造の材料を用いて、典型的に燃焼型の装置で使用される高温または高い熱流束の環境要素の熱い壁の表面を形成し得る。壁の「冷たい」またはより冷たい側に与圧された冷却媒体は、表面を表面の冷却媒体層で遮蔽しかつ冷却媒体を表面に流すことにより熱を取除くことによって熱い壁の表面温度を制御する目的で、「熱い」壁の表面に流され、浸出（sweatedまたはtranspired）される。これを行なって、構造上の目的のために熱い壁の温度を管理し、高い熱流束をより効果的に管理しまたは熱サインを隠すことができる。多孔質の材料は、冷却媒体の材料が多孔質の材料を通って実質的に一方向のみに流れて、熱エネルギを構造に対してではなく構造から離れるようにのみ運ぶように、選択的に製造することができる。【選択図】        図５
2005042721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体および多孔質部材で表面を有する機器を冷却する方法であって、
多孔質部材を準備するステップを含み、該多孔質部材を準備するステップは、
実質的に多孔質ではない積層プレフォームを選択するステップと、
前記積層プレフォームを積層して、積層構造を形成し、その内部に孔形成部材を配置するステップと、
前記孔形成部材を取除いて選択された孔を形成するステップとを含み、前記方法はさらに、
前記表面の少なくとも一部の近くに冷却媒体流動領域を形成するステップを含み、当該ステップは前記機器の前記表面の前記一部から距離をおいて多孔質部材を位置付けるステップを含み、前記方法はさらに、
前記冷却媒体流動領域を通って冷却媒体を流すステップと、
前記冷却媒体の一部を前記多孔質部材を通して移動させるステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記冷却媒体流動領域で流す冷却媒体を選択するステップをさらに含み、
前記冷却媒体は機器からの熱エネルギを吸収することができる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
多孔質部材の孔を通って浸出することのできる冷却媒体を選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却媒体の一部を前記多孔質部材を通して移動させるステップは、流体の一部を前記多孔質部材の孔を通って浸出するステップを含み、
前記浸出は機器を冷却する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
冷却媒体流動領域を通って冷却媒体を流すステップは、冷却媒体が機器からの熱エネルギを吸収するのを可能にし、
多孔質の材料を通って冷却媒体を移動させるステップは、
吸収された熱エネルギを含む前記冷却媒体を前記多孔質部材の孔を通って浸出するステップと、
前記冷却媒体の材料が前記孔を通って浸出されるときに機器を冷却するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
冷却媒体流動領域を形成するステップは、
冷却媒体が前記冷却媒体流動領域を通って流れることができるような前記距離を選択するステップを含み、
前記距離は、冷却媒体が機器から熱エネルギの一部を吸収しかつそれを前記多孔質部材の外部に移動させるのを可能にする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記多孔質部材は、内部および前記外部を含み、前記内部は、前記多孔質部材の前記外部よりも機器の前記外部の近くにあり、
前記冷却媒体の前記一部は、前記多孔質部材の前記内部から前記外部へ移動される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
支持を与えるための部材と、
第１の側および第２の側を含む、前記部材を囲む外板とを含み、
前記外板は前記部材から距離をおいて冷却管路を規定し、
前記外板は前記第１の側および前記第２の側の間に延在する孔を規定し、
前記冷却管路に配置された冷却媒体は、前記孔を通って移動することができる、浸出冷
却装置。
【請求項９】
前記外板は一般的に構造の前縁を規定する、請求項８に記載の浸出冷却装置。
【請求項１０】
前記構造は、タービンファンの前縁、プロペラの前縁、羽根車の前縁、羽根の前縁、航空機の前縁およびその組合せから選択される、請求項９に記載の浸出冷却装置。
【請求項１１】
前記外板は、セラミック母材複合物を含む材料で形成される、請求項８に記載の浸出冷却装置。
【請求項１２】
前記外板は、前記外板を通って延在する強化繊維を含む複合材料で形成される、請求項８に記載の浸出冷却装置。
【請求項１３】
前記孔は、前記強化繊維を実質的に傷つけることなく前記外板において形成される、請求項１２に記載の浸出冷却装置。
【請求項１４】
冷却媒体源を含む冷却媒体与圧システムと、前記外板の前記第１の側および前記第２の側の少なくとも１つの圧力よりも大きい圧力で、前記冷却媒体管路を通って前記冷却媒体を与えるための機器とをさらに含み、
前記冷却媒体は、前記冷却媒体管路から前記外板のうち前記冷却媒体管路の反対側へ流れる、請求項８に記載の浸出冷却装置。
【請求項１５】
前記冷却媒体は、前記外板から熱エネルギを取除いて、前記外板を選択された温度に維持する、請求項８に記載の浸出冷却装置。
【請求項１６】
前記外板は、
選択された層の積層プレフォームを形成するステップと、
孔形成部材を、選択された配向および数の前記層を通って位置付けるステップと、
前記積層プレフォームを処理して、前記選択された層の各々を前記選択された層の互いに対して実質的に適合させるステップと、
前記孔形成部材を取除いて、前記外板に前記孔を残すステップとを含む、請求項８に記載の浸出冷却装置。
【請求項１７】
構造に選択された孔を形成するステップと、
前記構造を熱流束に対して配置して、前記構造の一部を加熱することができるようにするステップと、
前記孔を通って冷却媒体を移動させて、前記構造を選択された温度に維持するステップとを含み、
前記選択された温度は、前記構造の選択された特性を実質的に維持する、構造を冷却する方法。
【請求項１８】
前記構造は、内部および外部を含み、
前記内部は前記冷却媒体が流される熱い壁である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷却媒体は、それが前記熱い壁に流れる際に、前記構造から熱エネルギを取除く、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記構造を選択された温度に維持するステップは、
前記構造を冷却するステップを含み、
前記構造を冷却するステップは、前記冷却媒体で前記構造から熱エネルギを取除くステ
ップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
構造から熱エネルギを取除くステップは、冷却媒体の相の変化、冷却媒体を取除くせん断力またはその組合せから選択される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
構造に選択された孔を形成するステップは、冷却媒体の実質的に一方向の流れを可能にする選択された特性を有する孔を形成するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記選択された特性は、サイズ、形状、方向性およびその組合せから選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
構造に選択された孔を形成するステップは、
実質的に互いに隣接して位置付けられた複数の層を含む積層プレフォームを準備するステップと、
選択された前記複数の層に孔形成部材を配置するステップと、
前記積層プレフォームを処理して、前記複数の層を互いに対して実質的に適合させるステップと、
前記孔形成部材を取除いて、前記選択された孔を与えるステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、一般的に浸出冷却のための冷却システムに関し、特に浸出冷却のために多孔質積層材料を選択的に形成するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
多くの材料が多孔質であり、一般的に本質的に多孔質であることが知られている。本来多孔質の材料は、さまざまな用途のためにフィルタまたは浸出冷却装置として設けることができる。しかしながら、多くの天然材料は、実質的に「天然」の空隙率を含む。単純に、多くの材料の天然の空隙率は変動が大きい。さまざまな材料の空隙率は、一般的に既知の範囲内にあり得るが、空隙率は材料にわたって不均一に分布する可能性がある。さらに、選択された材料の天然の空隙率は、狭い空隙率の範囲内ではなく広い範囲内にあり得る。さらに、選択された空隙率を有する材料は、力等の他の選択されたまたは所望の特徴を含まないかもしれない。
【０００３】
しかしながら、選択された孔を含む材料を与えることが望ましい。より特定的に、これらの材料は、材料にわたって実質的に一貫した孔を含み、材料内で天然のばらつきが材料内でおこらないようにする。したがって、空隙率は選択された空隙率および孔のサイズを含む。材料全体は、既知の物理的特徴を有し、実質的に一貫して適用することができる。
【０００４】
さらに、多孔質の材料は実質的に多方向の空隙を含むことが多い。すなわち、空隙は、流動性材料が材料の第１の側から第２の側へおよび第２の側から第１の側へと双方の方向に、孔を通って移動し得るように分布する。多孔質の材料がフィルタまたは膜として設けられると、材料を選択された方向に移動するには、膜にわたる差圧に依存しなければならない。一般的に、このことは、最終的な構造または装置に追加の製造ステップまたは構造要素を含むことを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、実質的に方向性を有する多孔質の材料を提供することが望ましい。単純に、材料が多孔質の材料に対して一方向のみに流れることのできる空隙を含む材料を提供することが望ましい。膜にわたって与えられた差圧によって、膜の孔は材料が一方向のみへ流れるのを可能にする。流れは、孔が生成される材料、または膜にわたって流される材料に依存し得る。しかしながら、膜は、選択された流動性材料に対して、その空隙が実質的に一方向性であるかもしれない。
【０００６】
選択された空隙率を含む多くの材料を提供することも望ましい。すなわち、選択された孔の密度、選択された孔のサイズおよび選択された方向の空隙を含む選択された空隙率を含むさまざまな種類の材料を提供することが望ましい。したがって、一般的な技術を用いて選択された空隙率を含む単一の材料のみを提供するのではなく、材料は、さまざまな材料によって与えられ得る異なる強度および重量の要件を含む多くの異なる用途で使用し、変化させることができる。
【０００７】
また、タービン部品、燃焼室およびノズルを含むロケットエンジンの構成要素等のさまざまな構成要素を冷却することが知られている。特に過酷な環境でこれらのシステムを冷
却することは、高い熱流束、強度およびさまざまな冷却成分を必要とする耐熱性のために、難しいおそれがある。したがって、このような環境で冷却システムを設けることは、困難であり、重く、複雑であり、または高価であることが多い。さらに、冷却システムは、環境における熱伝達および強度の要件のために、一般的に大きく、かさばる。したがって、過酷な環境において、大きなサイズまたは複雑さを有さず、構成要素を容易に冷却することのできる冷却システムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
本発明は、選択された特性に従って構造に孔を設けるためのシステムを提供する。一般的に、選択された空隙率または他の物理的属性に従って選択された孔とともに積層等の構造を形成することができる。空隙は、プレフォームが処理されて積層構造が形成される前に、積層プレフォームにわたってピンまたは孔形成部材を位置付けることによって形成してもよい。積層構造が形成された後で、ピンは、積層構造の物理的特徴を損なわないさまざまなプロセスに従って取除くことができる。したがって、最終的な積層材料の空隙は、天然のプロセスによる一般に不揃いのものではなく、選択されたサイズ、方向、配置および空隙率で設けられる。
【０００９】
本発明はさらに、実質的に浸出プロセスによって構成要素を冷却するためのシステムを提供する。強度または靭性等の必要とされる物理的特徴を含みかつ選択された孔を含む積層材料を、冷却される装置に隣接してまたはそのまわりに設ける。選択された孔によって、冷却媒体の浸出が可能になり、冷却媒体は多孔質の材料および冷却される装置または熱流束の源の間で流れることができる。多孔質部材または構造を通って浸出される冷却媒体は、冷却される装置または熱源から熱エネルギを吸収する。こうして、装置からの熱エネルギを取除き、装置の動作の際に、装置の選択された温度を維持することができるようにする。したがって、冷却媒体の材料および冷却媒体の材料が流れる領域のみが、装置および多孔質膜の間で必要とされる。したがって、選択された装置を冷却する小さなシステムが提供される。
【００１０】
本発明はさらに、ある実施例に従って、構造壁を通って材料（物質）を浸出することによって構造を冷却するための方法を提供する。たとえば、高い熱流束にされされる構造部品は、多孔質の材料を含むまたは多孔質の材料で形成されるかもしれない。そして冷却媒体を与えて、冷却媒体源から多孔質の材料を通って流し、多孔質の材料の熱い側で蒸発して多孔質の材料を冷却することにより、構造部品である多孔質の材料を選択された温度に維持し得る。この浸出（transpirationまたはsweat）冷却によって、冷却媒体の材料が、冷却される構造部品に隣接して冷却媒体を注入するまたは運ぶために与えられなければならない追加のまたはかさばる構成要素を必要とせずに、冷却される構造部品を通って流れることができる。より正確にいえば、冷却媒体は構造部材を通って流れて接触する際にそれを冷却する。また、さまざまな冷却管路、蒸発器および圧縮器も必要ない。
【００１１】
本発明の適用性のさらに他の領域が、以下で与えられる詳細な説明から明らかになる。詳細な説明およびさまざまな例は、例示のためのみであることが意図され、本発明の範囲を制限することは意図されていないことを理解すべきである。
【００１２】
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施例の詳細な説明
さまざまな実施例の以下の説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明、その適用または用途を制限する意図はない。
【００１４】
図１を参照すると、積層構造１０は、一般に互いに隣接して形成される、少なくとも２つの層、第１の層１２および第２の層１４を含む。さらに、中間層１６を第１の層１２および第２の層１４の間に形成するかまたは位置付け得る。中間層１６は、形成または積層プロセスの際に、第１の層１２および第２の層１４を互いに接着するために使用し得る。しかしながら、積層された層は、形成プロセスの際に第１の層１２および第２の層１４を互いに固着するために使用できる予め含浸された材料を含み得ることが理解される。代わりに、第１の層１２および第２の層１４は、いかなる追加の接着材料もなしに、形成プロセスの際に互いに固定してもよい。また、積層構造１０は、任意の数の適切な層を含んでもよいことが理解される。単純に、明確にするために、第２の層１４に固着された第１の層１２を示すが、これは単に例示的なものにすぎず、この開示の範囲を制限する意図はない。したがって、２つの構造層１２，１４および単一の中間層１６よりも多い任意の適切な数を含む積層構造１０を使用してもよい。
【００１５】
積層１０を通って複数の空隙または孔２０が形成される。孔２０は、いかなる適切なまたは選択された態様でも積層１０を通って形成することができる。しかしながら、一般的に、孔２０は、均一な密度または空隙率が、第１の組の孔２２等の選択された領域に形成されるように形成される。さらに、孔は、非多孔質の領域２４が形成されるように形成してもよい。さらに、孔２０は、一方向である等の所望の物理的特徴を含むように形成してもよい。たとえば、複数の一方向の孔２６によって、流動性材料が第１の側１２ａから第２の側１４ａに流れることができる。一方向の孔２６は、材料（物質）が実質的に第２の側１４ａから第１の側１２ａにのみ流れるように形成してもよい。さらに、一方向の孔２６を形成するために、一方向の孔２６は積層１０Ｄのいかなる選択された領域にも位置付けてよい。孔２０は、角度をつけた１つのまたは複数の孔２８を含んでもよい。角を付けた孔２８は、積層構造１０の側１２ａまたは１４ａに対していかなる選択された角度θをなしてもよい。これによって、材料は積層構造１０を通って１つの選択された位置から別の選択された位置へ冷却するまたは流れることができる。
【００１６】
第１の積層１２および第２の積層１４は、一般的に、たとえば非酸化または酸化セラミック母材複合材料といったいかなる適切な材料で形成してもよい。代わりに、第１の層１２および第２の層１４の双方を、炭素繊維で強化しかつ適切な態様で形成された炭化ケイ素材料で形成してもよい。さらに他の例として、酸化層は、アルミナ、サファイアまたは石英等の強化繊維を有するまたは有さない、アルミナまたはアルミナケイ酸塩を含んでもよい。したがって、いかなる適切な材料を使用してもよいことが理解される。
【００１７】
一般的に、第１の層１２および第２の層１４は、強度または耐久性等の選択された物理的特徴を含むように形成される。さらに、第１の層１２および第２の層１４は、熱伝導率または電気伝導率等の他の物理的特徴を含む材料で形成してもよい。層１２，１４は、実質的に多孔質でないものとしてもよいことが理解される。さらに、積層１０が形成された後で、積層は製造された孔２０を除いて、概して孔を含まないかもしれない。材料は、炭素繊維または金属繊維等のさまざまな繊維または材料で強化してもよい。第１の層１２，第２の層１４が積層構造１０でともに積層されるときに、積層構造１０は選択された物理的特徴を含む。積層構造１０に形成された孔２０は、積層構造１０の選択された物理的特徴を破壊することなく形成される。物理的特徴は、さまざまな層の特徴に加えて、積層構造１０の本来の強度または靭性を含んでもよい。したがって、積層構造１０は、選択された物理的特性および孔の双方を含んでもよい。
【００１８】
積層１０が形成される間に積層１０にわたって孔２０を形成することは、積層１０に形成された空隙または孔２０が、選択された態様でおよび選択された要件に従って形成されることを実質的に保証する。孔２０を選択的に形成することは、選択された、完全な空隙
を保証する助けをする。また、積層１０を製造する間に孔２０を形成することは、孔２０の形成または孔２０の存在が、積層１０の選択された物理的または化学的特徴を実質的に破壊しないことを保証する。一定限度の量の劣化が生じるかもしれないが、それは材料全体または積層１０の選択された特性に著しく影響を及ぼすほどのものではないことが理解される。
【００１９】
図２を参照すると、（図１に示された）孔２０は、孔形成装置３０を用いて形成してもよい。孔形成装置３０は、一般的にベース３２、およびベース３２から延在する複数のピンまたは孔形成部材３４を含む。一般的に、ピン３４は、積層プレフォーム４０の一部を貫くために使用される比較的鋭利な頂部または差込端部３６を含む。積層プレフォーム４０は、積層構造１０を形成するがまだ積層されていない層の各々を含む。すなわち層１２，１４の各々を実質的に一貫したものにするプロセスはまだ行なわれていない。ピン３４は積層プレフォーム４０を貫通して、積層プレフォーム４０に所望の孔を形成し、この孔は一旦ピン３４が取外されると孔２０になる。ピン３４が積層プレフォーム４０を貫通すると、ピンは繊維を実質的に壊すまたは弱めることなく、いかなる強化繊維も押しのけることができる。ピン３４は、積層構造１０のいかなる構造的特性も実質的に弱めることなく、積層構造１０に孔２０を形成するのを可能にする。部分的に、これは、積層プレフォーム４０に位置付けられたいかなる強化繊維も壊すことなく行なわれる。
【００２０】
続けて図２を参照し、さらに図３を参照すると、積層プレフォーム４０は、選択された距離までピン３４へと押圧されている。一般的に、ピン３４は、積層構造１０を通って選択された深さの孔の深さを与える高さを含む。一般的に、積層構造１０を通って与えられる孔は、流動性材料が第１の側１２ａから第２の側１４ａに通過することができるように選択される。孔形成装置３０を積層プレフォーム４０にわたって押圧することができ、または積層プレフォーム４０を孔形成装置３０へと押圧することができる。しかしながら、ピン３４は、一般的に、積層プレフォーム４０の選択された層に係合しかつそれらを通過して、積層構造１０に孔２０となる領域を形成する。
【００２１】
ピン３４は、いかなる適切な形状またはパターンで、孔形成装置３０のベース３２に形成または設置してもよい。さらに、ピン形成装置３０はいかなる適切な幾何学的構造に形作ってもよい。このようにして、積層プレフォーム４０が孔形成装置３０に設置されると、それは、孔２０が積層プレフォーム４０に形成されるように相補的な形状または類似の形状が積層プレフォーム４０に形成されるように孔形成装置３０の形状と一致する。
【００２２】
ピン３４は、いかなる適切な設計またはパターンでベース３２に位置付けてもよいため、選択された空隙率または空隙率の設計を積層１０に形成することができる。さらに、ベース３２に位置付けられるピン３４の各々は、選択されたサイズまたは幾何学的構造であってもよい。したがって、第１の組のピン３４は第１のサイズであり、第２の組が異なるサイズであってもよい。さらに、ピン３４は、一方向の孔を生成する選択された幾何学的構造を含んで、流動性材料が一方向のみに進むようにしてもよく、再びベース３２に設置されたピンのうちいくつかだけがこの属性を含んで、他のピンは含まないようにしてもよい。
【００２３】
図４Ａから４Ｃを参照すると、例示の孔形成の幾何学的構造が示されている。特に図４Ａを参照すると、孔形成装置３０ａは、複数の行４２1から４２nに形成される複数のピン３４を含む。開口部４４は、積層１０の選択された領域に孔が形成されないようなパターンで残される。開口領域４４は、いかなる適切な形状またはサイズとしてもよく、積層１０に開口部または孔を形成するために使用してもよい。特に、ロッドまたはチューブのための開口部がある場合、そこには孔は形成されない。
【００２４】
特に図４Ｂを参照すると、孔形成装置３０ｂは、第１の直径Ｘを有する第１の組のピン４６と第２の直径Ｙを有する第２の組のピン４８とを含む。第１の直径Ｘは、直径Ｙと異なるが適切ないかなる直径としてもよい。したがって、積層１０にはさまざまなサイズの孔を含む孔が形成される。これは特に、各々のセクションで異なるサイズの孔を必要とする隣接するセクションを覆うために積層１０が使用される場合に望ましいかもしれない。この技術を用いて、積層１０にわたった材料の移動を変化させることができる。
【００２５】
特に図４Ｃを参照すると、孔形成装置３０ｃは、第１のセクションのピン５０と第２のセクションのピン５２とを含む。第１のセクションのピン５０は、選択されたパターンで積層１０に孔を形成するために三角形等の特定のパターンで形成してもよい。さらに、第１のセクションにおけるピン５０は、第１の密度を含み、これは第２のセクション５２におけるピンの密度とは異なる。さらに、第２の組のピン５２の形状または一般的なパターンは、第１の組のピン５０とは異なってもよい。さらに、ピン５２は、積層面１２ａまたは１４ａ（図１を参照）に対する角度で積層を横断する孔の形成を意図して、いかなる角度に設定してもよい。したがって、いくつかの異なる孔形成装置を製造して、さまざまな異なる空隙率、孔のサイズ、孔の形状または孔のパターンを与えることができる。このように、積層１０はいかなる選択された態様の空隙率も含み得る。
【００２６】
積層構造１０はいかなる適切な方法に従って形成することもできる。積層構造１０が形成される材料に依存して、積層構造１０に孔２０を選択的に形成するための方法は異なるかもしれない。さらに、プレフォーム４０に互いに隣接して最初に設置された積層構造１０の層１２，１４は、実質的に多孔質でないかもしれない。したがって、積層構造１０に形成された概ねすべての孔は、積層プレフォーム４０が積層された後で孔形成部材３２を積層構造１０から取除くことによって形成される。
【００２７】
さまざまな方法は、非酸化材料において選択された孔を形成するステップを含むが、これは特定のエッチングまたは非酸化溶解法を必要とし得る。たとえば、積層構造１０が非酸化材料で形成されるときに積層構造１０に選択された孔を形成するステップは、ミクロス・ポール・ピーターバリー（Miklos Paul Petervary）およびミン・チョウ・バーボン（Min Zhou Berbon）により、同一出願人に譲渡された、米国特許出願番号第＿（代理人参照番号７７８４−０００５６４）の、「選択的に多孔質の非酸化材料を処理するための方法および装置（“Method and Apparatus For Processing Non-Oxide Selectively Porous Materials”）」に開示されている。しかしながら、本発明のさまざまな実施例に従って使用するための選択された孔２０を含む積層構造１０を形成するために、いかなる適切な方法を使用してもよいことが理解される。
【００２８】
図５を参照すると、さまざまな用途に使用するための浸出冷却システム５６が示されている。浸出冷却システム５６は、冷却される必要のある機器または構成要素６０とともに使用されることが意図されるが、機器６０はシステム５６の一部をなさないことが認識さる。機器６０は、ロケットエンジンまたはタービンエンジン等のさまざまな用途のためのターボポンプまたはタービンといったいかなる適切な部材を含んでもよい。機器６０は、タービンエンジン、たとえば航空機のためのエンジンの外部等の部材、および熱を含むまたは生じる部材を製造するかまたは輸送し得る他の適切な機器を含んでもよいことが理解される。
【００２９】
たとえば、機器６０は加熱された流動体６２を運ぶかもしれない。加熱された流動体６２が機器６０を通って運ばれると、機器の壁または外部６４は、加熱された材料６２から壁６４への熱伝達または熱エネルギの伝達のために、加熱されるかもしれない。しかしながら、機器６０は一般的に選択された温度で維持される。
【００３０】
積層構造１０が機器６０の壁６４のまわりに位置付けられてもよい。積層構造１０は、そこに形成された複数の孔２０を含む。孔２０は積層構造１０に形成されて、積層構造１０または別の材料に対して選択された物理特性を有する。たとえば、冷却または放射材料７０を構造６０の積層構造１０および壁６４の間のある領域または冷却空間７２に与えてもよい。冷却材料７０は冷却供給７３から与えられる。冷却材料７０は、冷却領域７２において孔２０を通って流れてもよい。一般的に、冷却材料７０は、積層構造１０の第１の側１２ａすなわちこの例の内部から第２の側１４ａすなわち外部へ移動する。
【００３１】
冷却材料７０が第１の側１２ａから第２の側１４ａに移動すると、熱エネルギも積層構造１０の冷却領域７２から第２の側１４ａに移動する。冷却材料７０は冷却空間７２内を移動する際に構造６０の壁６４から熱エネルギを吸収する。したがって、冷却材料７０が壁６４から離れて移動すると、熱エネルギも壁６４から離れて移動する。これは壁６４を冷却し、機器６０を冷却する。一般的に、冷却材料７０は、浸出のプロセスによって積層構造１０の孔２０を通って進む。より特定的に、機器６０からの熱エネルギの冷却または除去は、機器６０の浸出冷却によって行なわれる。したがって、積層構造１０に孔２０を設け、かつ冷却材料７０をそれが熱エネルギを吸収し、機器６０から離れて熱エネルギを移動させるように流すことによって、浸出冷却が可能になる。これによって機器６０を選択された温度に維持することができる。
【００３２】
材料７０は構造６０から離れて移動するため、構造６０はそれを通る材料６２の移動を維持することができる。このため、構造６０は、機器６０が冷却材料７０によって冷却されていない場合よりも耐熱性が実質的に低い材料で形成することができる。さらに、構造６０は、積層材料１０および冷却材料７０の供給７３を与えることのみによって冷却してもよい。
【００３３】
冷却材料７０は、冷却領域７２を通っておよび天然のまたは本来の機構に従って孔２０を通って流れる。たとえば、孔２０は積層構造１０に形成されて、実質的に一方向の特性を有してもよい。孔２０、特に一方向の孔２６によって、冷却材料７０が積層構造１０に対して一方向のみに移動することができる。すなわち、一方向の孔２６によって、冷却材料７０が冷却空間７２から積層構造１０の外部１４ａに移動し、積層構造の外部１４ａから冷却空間７２へは移動しないようにすることができる。したがって、熱エネルギの移動は、実質的に一方向のみで生じる。さらに、冷却材料７０が加熱されたために冷却領域７２内部で生成された圧力は、冷却材料７０を積層構造１０の孔２０を通って動かす助けをする。
【００３４】
積層構造１０内部で孔２０が選択して形成されるために、選択された量の冷却が構造６０のまわりで生じ得る。これは、実質的に均一の冷却を与えるのではなく、さまざまな冷却を可能にする。孔２０は、積層構造１０において選択的に形成されるため、孔２０の空隙率、サイズおよび方向を選択することができる。したがって、単一の積層構造１０は、複数の領域を含んで、さまざまな程度の冷却および浸出を可能にする。たとえば、機器６０の特定の領域は、機器６０の別の領域よりもより速く冷却する必要があるかもしれない。したがって、より空隙率の高いまたはサイズの大きい孔を、積層構造１０の、機器６０に対する領域に設けることができる。しかしながら、異なる領域において必要とされる冷却が少なければ、積層構造１０の材料の密度を高くして強い剛性を与えるように、より小さい孔を設けることができる。
【００３５】
一方向の孔を用いて、熱エネルギを機器６０の１つの領域から別の領域に移動してもよい。第１の領域において、冷却媒体の材料７０を冷却領域７２から積層構造１０の外部１４ａに移動させることによって機器６０から熱を取除くために積層構造１０を与えてもよく、さらに一方向の孔によって、冷却媒体の材料７０が外部１４ａから冷却領域７２に移
動することができる。したがって、熱エネルギは１つの領域から別の領域に移動することによって、機器６０の１つの領域を冷却し、別の領域を加熱することができる。しかしながら、積層構造１０における複数の孔２０をいかなる選択された特性または構造のために形成することもできる。
【００３６】
さらに、孔２０は処理ステップの間に積層構造１０内に形成されるため、積層構造１０はいかなる選択された物理的特性も含むことができる。たとえば、積層構造１０は、選択された抗張力を含んで、積層構造１０を機器６０の構造要素として含んでもよい。したがって、単に構造６０を冷却するための冷却機構を与えるのではなく、積層構造１０を機器６０の構造要素として与えてもよい。
【００３７】
さらに、積層構造１０はさまざまな材料から選択することができるため、積層構造１０を形成する材料は、機器６０が置かれるいかなる環境にも耐えるように選択することができる。したがって、冷却システム５６が、高温に到達するかもしれないロケットエンジン内に位置付けられる場合、積層構造１０の材料はこのような高温に耐えるように選択することができる。たとえば、積層構造１０は、酸化物、実質的にセラミックで形成することができ、これは極度に高い温度に耐え得るさまざまな積層酸化層を含む。さらに、積層構造１０はともに積層された複数の層１２，１４で形成されるため、積層構造１０は、本来の強度を含む。さらに、さまざまな層を選択して、さらに強力な強度または他の物理的特性を与えることができる。この強度は、部分的に、積層構造１０が形成される前に孔形成部材３４が積層プレフォーム４０に位置付けられるために、維持されるまたは強化される。したがって、最終的な積層構造１０は、複数の孔２０を含むことによって制約されない、選択された特性を含む。
【００３８】
積層構造１０は、選択された機器６０を冷却するための冷却システム５６において使用することができることが理解される。構造６０は、浸出冷却で冷却することを必要としかつ冷却することのできるいかなる適切な構造であってもよいことが理解される。さらに、冷却材料７０は、冷却領域７２に与えることのできるいかなる適切な冷却材料であってもよいことが理解される。積層構造１０は、機器６０のまわりで冷却領域７２を生成するためにいかなる適切な形状で設けることもできることがさらに理解される。たとえば、機器６０は、実質的に円筒形であるかも知れないため、積層材料は、機器６０を囲む実質的に円筒形の形状で与えられるかもしれない。さらに、機器６０は壁６４に凹凸を含み得、これを積層構造１０の形状に反映することができる。
【００３９】
図６を参照すると、冷却される機器は、摩擦空力のために加熱され得る輸送手段のための航空機の羽根のタービン翼もしくは前縁等のいかなる適切なシステムのタービンファンもしくはフィン、または特に前縁機器８０を含んでもよい。したがって、縁部フィン８０は、摩擦力のために加熱され得る前縁８０を含むこれらのシステムのいずれかの例である。一般的に、内部または構造要素８２は、縁部８０に対して内部の支持を与える。フィン縁部８０の外面または外板８４は多孔質の材料で形成される。複数の孔２０は、フィン縁部８０に沿って選択的に位置付けられる。孔２０は、上記の方法を用いてフィン縁部８０の外板８４に形成される。形成プロセスの際に、外板８４はフィン縁部８０の前縁等のいかなる適切な形状に形成してもよい。さらに、外板８４は、航空機の羽根の前縁として形成してもよく、適切な空力的特性を含んでもよい。しかしながら、外板８４は酸化物または非酸化物を含むセラミック材料で形成してもよく、これは適切なまたは選択された強度、環境適合性および耐熱特性を含む。
【００４０】
使用中に、特に外板８４が摩擦力または他の力のために加熱されるときに、外板８４を浸出によって冷却してもよい。羽根８０がタービンファンの羽根であれば、それが回転すると空力的な摩擦力が前縁８０または外板８４の表面８４ａの温度を上昇させる。羽根８
０が航空機の羽根の例示の前縁であれば、それは宇宙船の再突入等の飛行中に温度を上昇させる。しかしながら、外板８４は内部構造８２から間隔をおくため冷却媒体経路８６を形成する。冷却媒体経路８６において冷却媒体８８が流れる。冷却媒体８８は孔２０を通って矢印Ｂの方向に流れる。すなわち、冷却媒体８８は冷却媒体経路８６から外板８４の外部８４ａに流れる。冷却媒体８８が外板の外部８４ａに到達すると、熱はさまざまな手段によって外板８４から取除かれる。
【００４１】
冷却媒体８８は、孔２０を通って流れる際に、さまざまな方法に従って外板８４から熱エネルギを取除くことができる。たとえば、冷却媒体８８が外板８４の表面８４ａの外部を通って流れると、冷却媒体８８は蒸発等により相を変えるため液体から気体に変化し得る。この相の変化によって、外板８４が冷却され、外板８４の外部８４ａ上の熱エネルギの一部を用いることにより外板８４を冷却する。さらに、冷却媒体８８が孔２０を通って流れる際に、外板８４の外部８４ａのまわりで流れる熱い気体のせん断力が冷却媒体の体積を減じる。さらに、冷却媒体８８は実質的に絶えず孔２０を通って流れて外板８４の外部８４ａに膜またコーティングを生じる。冷却媒体８８の膜は、外板８４が選択された温度に維持されるのを保証する助けをする。
【００４２】
したがって、先述のように形成された孔２０を含む外板８４は、羽根８０の浸出冷却を可能にする。冷却媒体８８は、いかなる適切なまたは物理的に可能な方法に従って外板８４から熱エネルギを取除く。しかしながら、こうして冷却媒体８８を孔２０を通して浸出することによって、冷却媒体８８は外板８４を冷却することができる。したがって、外板８４は、強度または靭性等の外板８４のさまざまな特性に妥協しない選択された温度に維持することができる。さらに、外板８４において形成された孔２０は、実質的に複雑な回路および冷却システムを設けることなく、外板８４を冷却する実質的に効率的な方法を与える。
【００４３】
図７を参照すると、機器１００は、高い熱流束にさらされた機器または装置１００の構造要素としての壁１０２に形成された孔２０を含む。一般的に、熱流束は、ロケットエンジン等の燃焼室またはノズル等における高温ガスまたは炎の流れよって生成され得る。たとえば、熱い気体は、形成された複数の孔２０を含む壁１０２内部において矢印Ｃの方向に流れるかもしれない。壁１０２の外部に外部または冷却プレナム壁１０４が形成されている。機器のプレナム壁１０４および壁１０２の間の空間は、冷却空間または管路１０６である。
【００４４】
冷却媒体１０８は冷却管路１０６を通って流れ、この冷却媒体は孔２０を通って加熱された領域または流動室１１０に流れることができる。矢印Ｃの方向に流れる気体は、流動室１１０を通って流れ、実質的に壁１０２を加熱する。しかしながら、冷却媒体１０８は孔２０を通って矢印Ｄの方向に流れて、実質的に壁１０２を選択された温度まで冷却する。冷却媒体１０８が孔２０を通って流れると、相を変えるかまたは壁１０２の内部に膜を生じることができる。上述のように、冷却媒体１０８の相の変化によって、壁１０２から熱エネルギを取除き、それを選択された温度で維持することができる。さらに、熱い気体が矢印Ｃの方向に流れる際に、壁１０２内部で生じる膜へのせん断力が壁１０２を冷却する助けをする。冷却媒体１０８を用いたいかなる冷却方法を用いて壁１０２を冷却してもよい。しかしながら、冷却媒体１０８を孔２０を通って流すことによって壁１０２を冷却することができる。熱い壁１０２に対して冷却媒体１０８を保持するために与えられる唯一の構造が冷却プレナム壁１０４である。
【００４５】
多孔質の材料はタービンファン８０またはロケットスラスタノズル１０２の高い熱流束の熱い壁として示されているが、多孔質の材料はいかなる適切な用途で使用してもよいことが理解される。多孔質の材料によって、冷却媒体の材料は供給領域または管路から多孔
質の材料を通って多孔質の材料の熱い壁の側に流れることができる。そこで冷却媒体は相を変えるかまたは熱い壁に対して冷却膜を生成し得る。これによって、熱い壁が実質的に高い熱流束の領域を囲む間に、それを選択された温度に維持することができる。たとえば、上述のような酸化または非酸化セラミックを用いて、領域を冷却しかつ積極的に冷却された金属溶解の能力を超える熱流束を有する用途または設計を管理するために多孔質の材料を使用することができる。したがって、多孔質セラミック母材積層を用いて、現在得られるよりも実質的に高温で高い熱流束の反応を含むことができる。
【００４６】
さらに、上述のようにピン方法で多孔質積層構造を形成することによって、積層構造はその物理的特性を実質的に維持することができる。したがって、強度または靭性等の積層材料の物理的特徴を犠牲にすることなく、選択された多孔質特性を積層材料において形成することができる。
【００４７】
本発明の説明は、単に例示的な性質のものであるため、本発明の趣旨から逸脱しない変形は本発明の範囲に含まれることが意図される。このような変形は、本発明の精神および範囲から逸脱するものとしてみなされない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】一実施例に従った孔を含む積層の断面図である。
【図２】積層および孔形成装置の分解図である。
【図３】積層および孔形成装置の組立図である。
【図４Ａ】さまざまな実施例に従った孔形成装置の図である。
【図４Ｂ】さまざまな実施例に従った孔形成装置の図である。
【図４Ｃ】さまざまな実施例に従った孔形成装置の図である。
【図５】本発明の実施例に従った浸出冷却システムの図である。
【図６】本発明の実施例に従った翼の前縁の詳細な断面図である。
【図７】本発明の実施例を含むノズルの詳細な断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  積層構造、１２  第１の層、１４  第２の層、１６  中間層、２０  孔、３４  ピン、４０  積層プレフォーム、６０  機器、７０  冷却材料、１０６  冷却管路、１０８  冷却媒体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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