(57)【要約】  オーゼティック構造体、吹き出し冷却用オーゼティックシート、オーゼティック構造体を伴うシステム及びデバイス、並びにオーゼティック構造体の使用法及び製造法が開示される。背中合わせの上部表面及び底部表面を有する弾性硬質体を含むオーゼティック構造体が開示される。第１及び第２の複数の細長いアパーチャが弾性硬質体を貫いて上部表面から底部表面まで延在する。第１の複数の細長いアパーチャは第２の複数の細長いアパーチャに対して横方向に延在する。第１及び／又は第２の複数の細長いアパーチャは弾性硬質体の上部表面に対して斜めに角度を付けられる。細長いアパーチャは、所望の冷却性能を提供すると共に巨視的で平面的な荷重条件下での負のポアソン比挙動を通じて応力軽減を示すように協調的に構成される。例えばオーゼティック構造体は、概ね３０〜５０Ｅｔａの吹き出し冷却効率と、概ね−０．２から−０．９％のポアソン比とを示し得る。
2018508738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性硬質体であって、互いに背中合わせの上部表面および底部表面、ならびに前記上部表面から前記底部表面まで当該弾性硬質体を貫いて延在する第１および第２の複数の細長いアパーチャを有し、前記第１の複数の細長いアパーチャが、前記第２の複数の細長いアパーチャに対して横方向に延在し、少なくとも前記第１の複数の細長いアパーチャが、前記弾性硬質体の前記上部表面に対して斜めに角度を付けられている、弾性質体、
を備える、オーゼティック構造体であって、
前記第１および第２の複数の細長いアパーチャが、所望の冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じて所望の応力性能を示すように協調的に構成されることを特徴とするオーゼティック構造体。
【請求項２】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１および第２の複数の細長いアパーチャの両方が、前記弾性硬質体の前記上部表面に対して斜めに角度を付けられることを特徴とするボイド構造体。
【請求項３】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが、前記弾性的に硬質の本体の前記上部表面に対しておおよそ４０〜７０度の角度を付けられることを特徴とするボイド構造体。
【請求項４】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記冷却性能が、おおよそ３０〜５０％の吹き出し冷却効率を含むことを特徴とするボイド構造体。
【請求項５】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記ＮＰＲ挙動が、約−０．２から約−０．９％のポアソン比を含むことを特徴とするボイド構造体。
【請求項６】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャが、前記ＮＰＲ挙動を得るために、既定の孔隙率、所定のパターン、もしくは所定のアスペクト比、またはそれらの任意の組合せを伴って特別設計されることを特徴とするボイド構造体。
【請求項７】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャが、約０．３から約９％の所定の孔隙率を有することを特徴とするボイド構造体。
【請求項８】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが、おおよそ５〜４０のアスペクト比を有することを特徴とするボイド構造体。
【請求項９】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれＳ字形の平面視断面形状を有することを特徴とするボイド構造体。
【請求項１０】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれ楕円形の平面視断面形状を有することを特徴とするボイド構造体。
【請求項１１】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれＺ字形の平面視断面形状を有することを特徴とするボイド構造体。
【請求項１２】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれバーベル形の平面視断面形状を有し、前記バーベル形の平面視断面形状が、細長いスロットによって接続された１対の離間した穿孔を含むことを特徴とするボイド構造体。
【請求項１３】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれＩ字形の平面視断面形状を有し、前記Ｉ字形の平面視断面形状が、細長いスロットによって接続された１対の離間した半円形スロットを含むことを特徴とするボイド構造体。
【請求項１４】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記第１および第２の複数の細長いアパーチャが、行および列から成るアレイに配置されることを特徴とするボイド構造体。
【請求項１５】
請求項１４に記載のボイド構造体であって、各前記行が均等に離間され、各前記列が均等に離間されることを特徴とするボイド構造体。
【請求項１６】
請求項１に記載のボイド構造体であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが、短軸に垂直な長軸を有し、前記第１の複数の細長いアパーチャの前記長軸が、前記第２の複数の細長いアパーチャの前記長軸に実質的に垂直であることを特徴とするボイド構造体。
【請求項１７】
吹き出し冷却用オーゼティックシート構造体であって、
金属製シートであって、互いに背中合わせの上部表面および底部表面、ならびに前記上部表面から前記底部表面まで前記金属製シートを貫いて延在する第１および第２の複数の細長いアパーチャを有し、前記第１の複数の細長いアパーチャが、第１の幾何学的特性のセットおよび第１のパターンを有し、前記第２の複数の細長いアパーチャが、第２の幾何学的特性のセットおよび第２のパターンを有し、前記第１の複数の細長いアパーチャが、前記第２の複数の細長いアパーチャに対して直角に配向され、前記細長いアパーチャのそれぞれが、前記弾性硬質体の前記上部表面に対して斜めに角度を付けられる、金属製シートを備え、前記第１の複数の細長いアパーチャの前記第１の幾何学的特性およびパターンが、最小限の冷却性能挙動を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示すように、前記第２の複数の細長いアパーチャの前記第２の幾何学的特性およびパターンと協調的に構成されることを特徴とする吹き出し冷却用オーゼティックシート構造体。
【請求項１８】
オーゼティック構造体を製造する方法であって、
互いに背中合わせの上部表面および底部表面を有する弾性硬質体を用意するステップと、
前記弾性硬質体を貫いて前記上部表面から前記底部表面まで延在する第１の複数のアパーチャを前記弾性硬質体に付加するステップであって、前記第１の複数のアパーチャが、行および列に配置され、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが、前記弾性硬質体の前記上部表面に対して斜めに角度を付けられるステップと、
前記弾性硬質体を貫いて前記上部表面から前記底部表面まで延在する第２の複数のアパーチャを前記弾性硬質体に付加するステップであって、前記第２の複数のアパーチャが、行および列に配置されるステップと、
を含み、
前記第１および第２の複数のアパーチャが、冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じて応力軽減を示すように、協調的に構成されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記第２の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが、前記弾性硬質体の前記上部表面に対して斜めに角度を付けられることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャの各アパーチャが、前記弾性硬質体の前記上部表面に対しておおよそ４０〜７０度の角度を付けられることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法であって、前記冷却性能が、おおよそ３０〜５０％の吹き出し冷却効率を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の方法であって、前記ＮＰＲ挙動が、おおよそ−０．２から約−０．９％のポアソン比を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の方法であって、前記細長いアパーチャが、前記ＮＰＲ挙動を得るために、既定の孔隙率、所定のパターン、もしくは所定のアスペクト比、またはそれらの任意の組合せを伴って特別設計されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１８に記載の方法であって、前記細長いアパーチャが、約０．３から約９％の所定の孔隙率を有することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１８に記載の方法であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが、おおよそ５〜４０のアスペクト比を有することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれ楕円形の平面視断面形状を有することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれＳ字形の平面視断面形状を有することを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれＺ字形の平面視断面形状を有することを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれバーベル形の平面視断面形状を有し、前記バーベル形の平面視断面形状が、細長いスロットによって接続された１対の離間した穿孔を含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１の複数の細長いアパーチャ、もしくは前記第２の複数の細長いアパーチャ、またはその両方が、それぞれＩ字形の平面視断面形状を有し、前記Ｉ字形の平面視断面形状が、細長いスロットによって接続された１対の離間した半円形スロットを含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項１８に記載の方法であって、前記第１および第２の複数の細長いアパーチャが、行および列から成るアレイに配置されることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法であって、各前記行が、均等に離間され、各前記列が、均等に離間されることを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項１８に記載の方法であって、前記細長いアパーチャのそれぞれが、短軸に垂直な長軸を有し、前記第１の複数の細長いアパーチャの前記長軸が、前記第２の複数の細長いアパーチャの前記長軸に実質的に垂直であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、調整された等方性および異方性のポアソン比を有する多孔質材料およびセルラーソリッド（ｃｅｌｌｕｌａｒ  ｓｏｌｉｄ）に関する。より詳細には、本開示の態様は、負のポアソン比（ＮＰＲ：ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ  Ｒａｔｉｏ）挙動を示す特別設計のパターンを有するオーゼティック構造体、ならびにそのような構造体を使用するシステム、方法、およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１５年２月２０日に出願された米国特許仮出願第６２／１１８，８２６号、および２０１５年１月９日に出願された米国特許仮出願第６２／１０１，８４０号の優先権を主張するものであり、そのどちらもそれぞれの全体を本願に引用して援用する。
【０００３】
材料が特定の軸に沿って圧縮されるとき、それらは最も一般的には、印加される軸方向荷重を横断する方向に拡大することが観測される。逆に言えば、大抵の材料は、特定の軸に沿って引張荷重が印加されたとき、その軸を横断する軸に沿って収縮する。この挙動を特徴付ける材料特性は、ポアソン比として知られており、これは、軸方向荷重条件下での横方向または側方向の歪みと軸方向または長手方向の歪みとの比率を逆符号としたものと定義することができる。大多数の材料は、正のポアソン比によって特徴付けられ、これは、ゴムではおおよそ０．５、アルミニウム、真鍮、および鋼ではおおよそ０．３、ガラスではおおよそ０．２である。
【０００４】
反対に、負のポアソン比（ＮＰＲ）を有する材料は、軸方向に圧縮（または延伸）されると横断方向に収縮（または拡大）する。負のポアソン比挙動を示す材料は、しばしば「オーゼティック」材料と呼ばれる。多くの研究の結果は、オーゼティック挙動が材料の微細構造とその変形との間の相互作用を伴うことを示唆している。この例は、立方格子、天然積層セラミックス、強誘電性多結晶セラミックス、およびゼオライトを有する金属は全て負のポアソン比挙動を示し得るという発見によって提供される。さらに、いくつかの幾何形状および機構は、凹角構造、階層積層体、高分子および金属の発泡体を有する発泡体を含めて、ポアソン比に対して負の値を得るように提案されている。負のポアソン比の影響はまた、ソフトリソグラフィを使用して作製された複合材料を使用してマイクロメートルスケールで、また、カーボンナノチューブのシート組立体によりナノスケールで実証されている。
【０００５】
オーゼティック材料の作製における大きな課題は、それが通常、複雑な幾何形状を有する構造体をホスト母材に埋め込むことを伴うことである。したがって、製造プロセスは、応用に向けての実用的開発における障害となっている。多くのオーゼティック材料の基礎を形成する構造は、セルラーソリッドのものである。これらの材料の変形に関する研究は、座屈現象の役割と、荷重容量と、圧縮荷重下でのエネルギー吸収とに重点を置く、比較的成熟した分野である。ごく最近、実験的研究と数値的研究とを組み合わせた結果は、２Ｄの周期的多孔質構造における機械的不安定性が元の幾何形状の劇的な変化を引き起こし得ることを証明した。具体的には、弾性母材内の円形穴の方形アレイの単軸荷重が、アレイに荷重がかかっている間に、交互に互いに直交する楕円のパターンをもたらすことが分かっている。これは、印加される歪みの臨界値を超える弾性不安定性に起因する。この不安定性で観察される幾何学的な再編成は、可逆性のものであるとともに反復可能なものであり、また、印加される荷重の狭い範囲にわたって生じる。さらに、パターンの変化は２Ｄ構造に対する単方向性の負のポアソン比挙動をもたらすことが示されており、すなわち、それは、圧縮下でのみ生じる。
【０００６】
米国特許第５，２３３，８２８号（「‘８２８号特許」）は、高温用途で利用される特別設計のボイド構造−燃焼器ライナまたは「遮熱材」−の例を示す。燃焼器ライナは、通常、ガスタービンの燃焼部で使用される。燃焼器ライナはまた、ガスタービンの排気部において、またはタービンブレードなどのガスタービンの他の部分もしくは構成要素において使用され得る。動作にあたっては、燃焼器は、約３，０００°Ｆまたはそれを上回るような強烈な高温でガスを燃焼させる。この強烈な熱がタービンに出る前に燃焼器に損傷を与えることを防ぐために、燃焼器ライナは、燃焼器の内部に設けられて、周囲の機関を断熱する。燃焼器ライナにわたって温度差および圧力差を最小限に抑えるために、‘８２８号特許に示されるように、連続的なパターンで配置された離間した冷却孔の形態をなす冷却特徴が、従来設けられてきた。別の例として、米国特許第８，０６６，４８２（Ｂ２）号は、ガスタービンの所望の領域の冷却を促進すると同時に冷却孔内およびその周りの応力レベルを下げるために楕円形の冷却孔を有する、特別設計の構造部材を提示している。欧州特許第０９７１１７２（Ａ１）号は、ガスタービンの燃焼ゾーンに使用される穿孔ライナの別の例を同様に示す。しかし、上記の特許文献のいずれも、オーゼティック挙動を示すものとして、またはＮＰＲ効果を提供するように特別設計されているものとして開示された例を提供しない。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１０／０００９１２０（Ａ１）号は、臨界の巨視的な応力または歪みが印加されると構造配置の変形を経験する弾性的または弾塑性的で周期的な固体を含む、様々な変形力のある周期的構造を開示している。前述の変形は、幾何学的パターンを変化させて、変形力のある周期的構造内の特徴の間隔および形状を変更する。臨界の巨視的な応力または歪みが取り除かれると、これらの弾性的で周期的な固体は、その元の形態に戻る。比較として、米国特許出願公開第２０１１／００５９２９１（Ａ１）号は、調整されたポアソン比挙動を提供する構造化多孔質材料を開示している。これらの多孔質構造は、負のまたはゼロのポアソン比を提供するようにボイドの変形に関する力学および材料の変形に関する力学を介して調整される、弾性のあるシートにおける楕円形または楕円形様のボイドのパターンから成る。上述の特許文献は全て、あらゆる目的のために、それぞれの全体を本願に引用して援用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，２３３，８２８号明細書
【特許文献２】米国特許第８，０６６，４８２号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０９７１１７２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／０００９１２０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１１／００５９２９１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の態様は、所望の負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動および改善された冷却性能を提供するように特別設計された細長いアパーチャ（本明細書では「ボイド」または「スロット」とも呼ばれる）の繰返しのパターンを有するオーゼティック構造体を対象とする。構造材料の平面を貫いて材料の平面に垂直な方向に材料の厚さを横断して延在する従来技術のＮＰＲボイド形状とは異なり、本明細書において開示されるＮＰＲボイドは、材料の平面に対して斜めの角度で材料の厚さを横断する。これらの傾斜したボイドの構成は、構造体の冷却性能を高めるとともに、低孔隙率を維持しかつ所望のＮＰＲ挙動を提供する。本開示の他の態様は、ガスタービンの高温部に傾斜した空気通路を有する、多機能のＮＰＲ構造体を対象とする。さらなる態様は、熱、減衰、および／または音響に関する特定の機能性を提供する特別設計の傾斜したボイド特徴を有する材料による壁を有して作られた、ガスタービン燃焼器を対象とする。そのような機能性には、例えば、音響減衰（または、騒音抑制）、応力軽減（または、荷重減衰）、および熱冷却（または、熱減衰）が含まれる。
【００１０】
本開示の態様によれば、傾斜したＮＰＲスロットを有するオーゼティック構造体が開示される。一例では、オーゼティック構造体が、背中合わせの上部表面および底部表面を有する、金属製シートまたは他の十分に弾性のある固体材料などの、弾性硬質体を含む。第１および第２の複数の細長いアパーチャが、弾性硬質体を貫いて上部表面から底部表面まで延在する。第１の複数の細長いアパーチャは、第２の複数の細長いアパーチャに対して横方向に（例えば、直角に）延在する。第１および／または第２の複数の細長いアパーチャは、弾性硬質体の上部表面および／または底部表面に対して斜めに角度を付けられる。一例では、各スロットは、材料の平面に対して斜めの（例えば、おおよそ４０〜７０度の）角度で、シート材料の厚さを横断する。細長いアパーチャは、所望のまたは最小限の冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じて応力軽減を示すように、協調的に構成される。例として、細長いアパーチャは、所望のＮＰＲ挙動を得るために、既定の孔隙率、所定のパターン、および／または所定のアスペクト比を伴って特別設計される。オーゼティック構造体は、おおよそ３０〜５０％の吹き出し冷却効率と、約０．３から約９％の孔隙率と、おおよそ−０．２から−０．９％のポアソン比とを示し得る。冷却効率（Ｅｔａ）は、冷却デバイスの存在下での熱ガス温度と壁面温度との差を熱ガス温度と供給される冷却ガスの温度との差で割ったものとして定義することができ、すなわち、Ｅｔａ＝（Ｔ＿高温ガス−Ｔ＿壁面）／（Ｔ＿高温ガス−Ｔ＿冷媒）である。
【００１１】
本開示の他の態様によれば、吹き出し冷却用オーゼティックシート構造体が取り上げられる。一例では、背中合わせ上部表面および底部表面を有する金属製シートを含む、吹き出し冷却用オーゼティックシート構造体が提示される。第１および第２の複数の細長いアパーチャが、金属製シートを貫いて上部表面から底部表面まで延在する。第１の複数の細長いアパーチャは、第１の幾何学的特性のセットを有し、かつ、第１のパターンに配置される。同様に、第２の複数の細長いアパーチャは、第２の幾何学的特性のセットを有し、かつ、第２のパターンに配置される。第１の複数の細長いアパーチャは、第２の複数の細長いアパーチャに対して直角に配向される。細長いアパーチャのそれぞれは、弾性硬質体の上部表面に対して斜めに角度を付けられる。第１の複数の細長いアパーチャの幾何学的特性およびパターンは、所望のまたは最小限の冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示すように、第２の複数の細長いアパーチャの幾何学的特性およびパターンと協調的に構成される。
【００１２】
本開示の他の態様は、オーゼティック構造体の製造法および使用法を対象とする。一例では、オーゼティック構造体を製造するための方法が提示される。前述の方法は、背中合わせの上部表面および底部表面を有する弾性硬質体を用意するステップと、弾性硬質体を貫いて上部表面から底部表面まで延在する第１の複数のアパーチャを弾性硬質体に付加するステップであって、第１の複数のアパーチャが行および列に配置されるステップと、弾性硬質体を貫いて上部表面から底部表面まで延在する第２の複数のアパーチャを弾性硬質体に付加するステップであって、第２の複数のアパーチャが行および列に配置されるステップと、を含む。第１および／または第２の複数の細長いアパーチャの各アパーチャは、弾性硬質体の上部表面に対して斜めに角度を付けられる。第１および第２の複数のアパーチャは、所望のまたは最小限の冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示すように、協調的に構成される。例として、細長いアパーチャは、所望のＮＰＲ挙動を得るために、既定の孔隙率、所定のパターン、および／または所定のアスペクト比を伴って特別設計される。オーゼティック構造体は、おおよそ３０〜５０％の吹き出し冷却効率と、おおよそ−０．２から−０．９％のポアソン比とを示し得る。弾性硬質体は、金属製シートまたは他の十分に弾性のある固体材料などの、様々な形態をとることができる。
【００１３】
上記の概要は、本開示のあらゆる実施形態またはあらゆる態様を表すことを意図されたものではない。むしろ、前述の概要は、本明細書に提示された新規な態様および特徴のうちのいくつかの例示を提供するものに過ぎない。単独でまた任意の組合せで発明性があると考えられる、上記の特徴および利点、ならびに本開示の他の特徴および利点は、添付の図面および添付の特許請求の範囲に関連して解釈したときに、本開示を実施するための代表的な実施形態およびモードの以下の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の態様による、細長い貫通孔を有する代表的な構造体のポアソン比挙動を示す、公称歪み対ポアソン比のグラフである。
【図２Ａ】グラフからの特定のデータ点に対応する、図１の代表的な構造体の図である。
【図２Ｂ】グラフからの特定のデータ点に対応する、図１の代表的な構造体の図である。
【図２Ｃ】グラフからの特定のデータ点に対応する、図１の代表的な構造体の図である。
【図３Ａ】本開示の態様による、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットの側面図および斜視図である。
【図３Ｂ】本開示の態様による、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットの側面図および斜視図である。
【図４Ａ】本開示の態様による、他の傾斜したＮＰＲスロットの斜視図である。
【図４Ｂ】本開示の態様による、他の傾斜したＮＰＲスロットの斜視図である。
【図４Ｃ】本開示の態様による、他の傾斜したＮＰＲスロットの斜視図である。
【図４Ｄ】本開示の態様による、他の傾斜したＮＰＲスロットの斜視図である。
【図５Ａ】本開示の態様による、可変の湾曲部（ｃａｐ）回転を含む、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットおよび傾斜したＮＰＲ  Ｚ字形スロットの平面図である。
【図５Ｂ】本開示の態様による、可変の湾曲部（ｃａｐ）回転を含む、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットおよび傾斜したＮＰＲ  Ｚ字形スロットの平面図である。
【図６Ａ】本開示の態様による、０度の角度を示す、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットの平面図である。
【図６Ｂ】本開示の態様による、４５度の角度を示す、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットの平面図である。
【図６Ｃ】本開示の態様による、５５度の角度を示す、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットの平面図である。
【図６Ｄ】本開示の態様による、６５度の角度を示す、傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットの平面図である。
【図７Ａ】本開示の態様による、非ＮＰＲの垂直の冷却孔に対する冷却挙動を示す説明図である。
【図７Ｂ】本開示の態様による、垂直のＮＰＲ冷却スロットに対する冷却挙動を示す説明図である。
【図７Ｃ】本開示の態様による、傾斜したＮＰＲ冷却スロットに対する冷却挙動を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示は、様々な変形および代替形態を受け入れる余地があり、いくつかの代表的な実施形態が、例として図面に示されており、また、本明細書において詳細に説明される。しかし、本開示の発明性のある態様は、図面に示された特定の形態に限定されるものではないことが、理解されるべきである。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神および範囲に含まれる全ての変形、均等物、組合せおよび部分的組合せ、ならびに代替形態を含むものである。
【００１６】
本開示は、多くの異なる形態で実施形態を受け入れる余地がある。代表的な実施形態が、本開示は本開示の原理の例示と見なされるべきものでありかつ本開示の多様な態様を図示された実施形態に限定するように意図されたものではないという了解の下で、図面に示されており、本明細書において詳細に説明される。その限りにおいて、例えば、要約、発明の概要、および発明を実施するための形態のセクションにおいて開示されているが特許請求の範囲には明確に記載されていない要素および制限は、単独にまたは集合的に、含意、推測、または他の方法により、特許請求の範囲に組み込まれるべきではない。本発明の詳細な説明の目的のために、具体的に否定されていないかまたは論理的に禁じられていない限り、単数形は複数形を含み、その逆も同様であり、また、「含む」または「備える」または「有する」という用語は、「制限なく含む」を意味する。さらに、本明細書において、「約」、「ほぼ」、「実質的に」、「おおよそ」などの近似の用語は、例えば、「において、近く、近くにおいて」、または「〜の３〜５％内」、または「許容可能な製造公差内」、またはそれらの任意の論理的な組合せの意味で使用され得る。
【００１７】
本開示の態様は、巨視的に荷重をかけたときに負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を提供する傾斜したスロットの繰返しのパターンを含むオーゼティック構造体を対象とする。ポアソン比（または「ポアソン係数」）は、一般に、引っ張られた物体における横断方向の収縮歪みの長手方向の伸長歪みに対する比率として表され得る。ポアソン比は、典型的には、多くの合金、重合体、ポリマー発泡体、およびセルラーソリッドを含む大抵の材料の場合、正であり、それらの材料は、延伸されたときに断面が薄くなる。本明細書において開示されるオーゼティック構造体は、負のポアソン比挙動を示す。
【００１８】
開示される概念の態様によれば、オーゼティック構造体が１つの軸に沿って（例えば、Ｙ方向に）圧縮されると、隣り合うアパーチャの配置の仕方のために、同軸の歪みが、各セルの中心の周りにモーメントをもたらす。そして、それにより、セルが回転させられる。各セルは、そのすぐ隣のセルとは逆方向に回転する。この回転は、水平方向に隣り合ったセル間の横方向軸（Ｘ方向）の距離の減少をもたらす。言い換えれば、構造体をＹ方向に圧縮することにより、構造体はＸ方向に収縮させられる。反対に、Ｙ方向における引張りは、Ｘ方向における拡大をもたらす。構造体全体のスケールにおいて、これは、オーゼティック材料の挙動をまねる。しかし、本明細書で開示される構造体の多くは、従来の材料で構成される。したがって、純粋な材料それ自体は、正のポアソン比を有し得るが、本明細書で開示される傾斜したスロットのパターンの導入により構造体を改造することにより、構造体は、負のポアソン比を有するように振る舞う。
【００１９】
図１は、図２Ａ〜２Ｃに示された３つの代表的なボイド構造体のポアソン比挙動を示す、公称歪みに対するポアソン比（ＰＲ）のグラフである。図１のチャートは、荷重下での各試験片のポアソン比を示す。特定の変形の水準において、「瞬間の」ＰＲは、変形の水準を表すパラメータ（例えば、公称歪み）と対照して判定されプロットされ得る。意図された適用法に対して設計者が所望のＮＰＲを有する場合、そのＰＲに対応する変形の水準を決定することができ、また、その条件における孔の幾何形状を決定することができる。次いで、応力を受けていない部品にこの孔の形状パターンを機械加工（製造）して、所望のＰＲを持つ構成要素を獲得することができる。
【００２０】
図２Ｂおよび２Ｃで明らかなように、ＮＰＲアパーチャパターンは、楕円形の貫通スロットとして示される、水平方向および垂直方向に配向された細長い穴（「アパーチャ」または「ボイド」または「スロット」とも呼ばれる）より成り得る。これらの細長い穴は、各垂直方向の線が均等に離間され、かつ、各水平方向の線が垂直方向の線同等の間隔（また、Δｘ＝Δｙ）で均等に離間される形で、水平方向および垂直方向の線（例えば、図２Ｂにおける正方形アレイの行および列）に配置される。各スロットの中心は、各線のうちの２つの線の交差点上に位置する。水平方向に配向されたスロット、および垂直方向に配向されたスロットは、垂直方向に配向されたいずれのスロットも水平方向に配向されたスロットに取り囲まれる（逆の場合も同じ）一方で次の垂直方向に配向されたスロットが両対角線上に見られるように、垂直方向および水平方向の線上に交互に並ぶ。これらのボイドは、冷却孔および／または減衰孔として機能することもでき、また、それらの配置により、応力軽減特徴部としても機能することができる。本明細書で示されるスロットのうちの１つ以上は、細長いＮＰＲ突出部または半球形のＮＰＲディンプルに置き換えられてもよい。
【００２１】
本明細書で開示される特定のオーゼティック構造形状のうちのいずれかを含む材料による１つ以上の壁を有して作られるガスタービン燃焼器も開示される。いくつかの実施形態では、傾斜したスロットは、製造時に金属構造をつぶすことなく金属体におけるＮＰＲ挙動を得るために、外部荷重下におけるゴムに見られるつぶれたボイド形状にアパーチャの形状が相当するように、応力が加えられていない状態で金属体に直接生成される。金属製構成要素にボイドパターンを複製するために、様々な製造工程が使用され得る。製造は、必ずしも工程ステップのうちの１つとして座屈を含まない。本明細書で開示されるオーゼティック構造体は、燃焼器壁に限定されるものではなく、むしろ、それらの特徴は、タービンの他の部分（例えば、ブレード、羽根、等）に取り込まれ得る。
【００２２】
従来の燃焼器壁では、冷却空気流および減衰のために使用される穴は、応力集中部としても機能する。開示された実施形態のうちのいくつかでは、高温箇所における壁材料がその周囲の材料を例えば垂直方向に圧迫すると、壁材料は負のポアソン比により水平方向に収縮することになり、逆の場合も同じである。この挙動は、高温箇所における応力を著しく減少させる。この効果は、剛性を低下させる影響よりも紛れもなく大きい。高温箇所における応力は、例えば５０％減少し、そのことにより、応力疲労寿命が桁違いに増加することになる。ＮＰＲ挙動による応力軽減は、燃焼器壁の空気消費量を増加させない。より長い寿命は、そのように使用されてもよく、または、壁材料は、原料費を削減するために、より安価なものに置き換えられてもよい。
【００２３】
また、円形の燃焼器冷却孔を２〜３％の少量の細長い傾斜した空気通路に置き換えることにより、冷却および減衰性能を維持しながらも熱機械応力が少なくとも５分の１に軽減されることが証明された。例えば、燃焼器における楕円形の冷却孔は、最悪の主応力を５分の１に減少させることが予測されている。したがって、ＮＰＲ挙動を誘発することは、ＮＰＲ挙動が従来の冷却孔と比較して最悪の主応力を５分の１に減少させるという点において、燃焼器の冷却孔にさらなる機能性を付加する。燃焼器固有の超合金の応力疲労において、分応力を半減させることにより、疲労寿命は１０倍超延びる。いくつかの実施形態では、超合金は、インコネル（例えば、ＩＮ１００、ＩＮ６００、ＩＮ７１３）、ワスパロイ、ルネ合金（例えば、ルネ４１、ルネ８０、ルネ９５、ルネＮ５）、ヘインズ合金、インコロイ、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金、およびＣＭＳＸ（例えば、ＣＭＳＸ−４）単結晶合金などの、ニッケル基超合金であり得る。
【００２４】
最適化された孔隙率は冷却機能の向上をもたらすことが示されている。本明細書において、「孔隙率」は、アパーチャの表面積ＡＡを構造体の表面積ＡＳで割ったものを意味すると定義することができ、すなわち、孔隙率＝ＡＡ／ＡＳである。所与のボイド構造体の孔隙率は、いくつかの実施形態ではおおよそ０．３〜９．０％であることが望ましい場合があり、または、いくつかの実施形態ではおおよそ１〜４％であることが望ましい場合があり、または、いくつかの実施形態ではおおよそ２％であることが望ましい場合がある。比較として、多くの従来技術の構成は、４０〜５０％の孔隙率を必要とする。
【００２５】
所望のＮＰＲ挙動を提供するために、細長いアパーチャに対する所定の最適なアスペクト比が存在する可能性がある。本明細書において、アパーチャの「アスペクト比」は、アパーチャの幅で割った長さ、またはアパーチャの短軸の長さで割った長軸の長さを意味すると定義することができる。アパーチャのアスペクト比は、いくつかの実施形態ではおおよそ５〜４０であることが望ましい場合があり、または、いくつかの実施形態ではおおよそ２０〜３０であることが望ましい場合がある。最適なＮＰＲは、約−０．２から約−０．９のＰＲ、またはいくつかの実施形態の場合、約−０．５のＰＲを含み得る。開示される概念の態様は、ミリメートルのパターン長さスケールで作成された構造パターンで実証することができ、また、単位格子が構造体に適合する限り、より小さな長さスケール（例えば、マイクロメートル、サブマイクロメートル、およびナノメートルの長さスケール）またはより長い長さスケールで同じ周期パターンを有する構造体にも同様に適用可能である。
【００２６】
次に図３〜６を参照すると、本開示による、所望のＮＰＲ挙動および強化された冷却性能を示す、傾斜したスロットのオーゼティック構造体の様々な例が示されている。例えば、図３Ａおよび３Ｂは、細長い非対称なスロットの交互パターンを利用する、全体的に３００で示すオーゼティック構造体を示す。前述のスロットは、短軸（例えば、幅）よりも長くかつ短軸に直角な長軸（例えば、長さ）をそれぞれが有するという点で、細長い。図示のように、オーゼティック構造体３００は、弾性を有する硬質体（弾性硬質体）３１０を含み、この弾性硬質体３１０は、巨視的な荷重状態が十分に緩和または解消されたときに実質的にまたは完全にその元の形態に戻るのに十分な弾性を有する、金属製シートまたは他の固体材料の形態であり得る。弾性硬質体３１０は、第２の（底部）表面３１６に対して背中合わせに離間された第１の（上部）表面３１４を有する。弾性硬質体３１０には、ここではスロット３１２によって表される第１の複数のＳ字形の貫通スロット（本明細書では「アパーチャ」または「ボイド」または「スロット」とも呼ばれる）が作製され、このスロット３１２は、上部表面３１４から底部表面３１６まで本体３１０を貫いて延在する。ここではスロット３１８によって表される第２の複数のＳ字形の貫通スロット／アパーチャもまた、上部表面３１４から底部表面３１６まで、弾性硬質体３１０を貫いて延在する。弾性硬質体３１０に存在する細長いアパーチャのパターンは、図２Ｂおよび２Ｃに見られるものと配置が類似し得る。
【００２７】
Ｓ字形の貫通スロット３１２、３１８は、行および列から成るアレイまたはマトリクスに配置され、第１の複数の細長いアパーチャ３１２は、第２の複数の細長いアパーチャ３１８に対して横方向に延在する。構造体内部のスロット３１８の構造形状を示す隠れ線は、スロット３１２の構造体内部の構造形状をより明瞭に示すために図３Ａおよび３Ｂから省略されていることに、留意されたい。少なくともいくつかの実施形態では、各行は、均等に離間され、同様に、各列は、均等に離間される。例えば、図３Ａおよび３Ｂの示された実施形態によれば、各行および各列は、水平方向に配向されたＳ字形の貫通スロット３１８と交互配置された、垂直方向に配向されたＳ字形の貫通スロット３１２を含む。実際には、垂直方向に配向された各貫通スロット３１２は、４辺において、水平方向に配向された貫通スロット３１８に隣接され、一方で、水平方向に配向された各貫通スロット３１８は、４辺において、垂直方向に配向された貫通スロット３１２に隣接される。この配置によれば、第１の複数のＳ字形の貫通スロット３１２の短軸は、アレイの行に平行であり、一方で、第２の複数のＳ字形の貫通スロット３１８の短軸は、アレイの列に平行である。したがって、アレイの行に平行である貫通スロット３１８の長軸は、アレイの列に平行である貫通スロット３１２の長軸に垂直である。ＮＰＲ挙動を通じて応力軽減を達成するための他のパターンおよび配置も本開示の範囲および精神に含まれることが想定されている。
【００２８】
示された細長い傾斜したスロットのパターンは、特定の孔隙率（例えば、約０．３から約９．０％の孔隙率）および所望の冷却性能（例えば、おおよそ３０〜５０％の吹き出し冷却効率）を提供するとともに、巨視的で平面的な荷重条件下で（例えば、シートの平面に引張りまたは圧縮が加えられたときに）、所望の負のポアソン比挙動（例えば、約−０．２から約−０．９のＰＲ）を示す。例えば、オーゼティック構造体３００が、垂直軸Ｙに沿って引張力ＦＴを介して引っ張られると、垂直方向における軸方向歪みにより、各セルの中心の周りにモーメントがもたらされ、それによりセルが回転される。セルは、正方形のユニットを形成するように、垂直方向に隣接した２つの水平スロットに位置合わせされた、横方向に隣接した２つの垂直スロットから成り得る。各セルは、そのすぐ隣のセルの方向とは反対の向きに回転する。この回転は、水平方向に隣接したセル間のＸ方向距離を増大させ、そのため構造体をＹ方向に引き伸ばすことが構造体をＸ方向に引き伸ばすことになる。第１の複数のＳ字形の貫通スロット３１２は、既定の幾何形状および既定のアスペクト比を含む（第１の）特別設計の幾何学的特性を有し、第２の複数のＳ字形の貫通スロット３１８は、既定の幾何形状および既定のアスペクト比を含む（第２の）特別設計の幾何学的特性を有し、これらは、巨視的な荷重条件下で所望のＮＰＲ挙動を得るために、ＮＰＲスロット密度およびセル配置を含むアパーチャパターンの（第３の）特別設計の幾何学的特性と協調的に構成される。
【００２９】
第１および／または第２の複数の細長いＳ字形の貫通スロット３１２、３１８の各スロットは、オーゼティック構造体３００の弾性硬質体３１０の上部表面３１４もしくは底部表面３１６またはその両方に対して斜めに傾けられ得る。一例では、材料の厚さ全体を材料の水平面に対して斜めの角度で横切るスロット３１２が、図３Ａに示されている。少なくともいくつかの実施形態の場合、各アパーチャは、オーゼティック構造体の本体３１０の上部表面３１４および底部表面３１６と、おおよそ２０〜８０度、またはいくつかの実施形態ではおおよそ４０〜７０度の角度Фを有する。これらの巨視的にパターン化されたＮＰＲボイド−Ｓ字形の傾斜したスロット（図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、および５Ａ）、または同等に、Ｉ字形の傾斜したスロット（図４Ｂ）、バーベル形の傾斜したスロット（図４Ｃ）、楕円形の傾斜したスロット（図４Ｄ）、Ｚ字形の傾斜したスロット（図５Ｂ）、Ｃ字形の傾斜したスロット、等−は、冷却流体ＦＬがオーゼティック構造体の一方の表面を越え、図３Ａに示されるような傾斜角αで本体を通過して、オーゼティック構造体の反対側の表面を越えることを可能にする、吹き出し冷却孔として機能する。この構成は、本体の厚さに対して垂直でありしたがって冷却流体の流れをより制限する従来の冷却用のスロット／穴と比較して、膜冷却性能を向上させる。傾斜角αは、注入ベクトル（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｖｅｃｔｏｒ）と材料平面上でのその射影との間の角度として定義され得る。この傾斜角は、オーゼティック挙動および膜冷却性能の多くの所望される組合せを得るために、３６０°の回転角度の自由度で変更され得る。冷却効率（Ｅｔａ）は、多孔質の表面上を流れる流体がその表面を高温の主流からどれくらい効果的に保護しているかを定量的に示す、無次元の値として表され得る。冷却効率は、冷却デバイスの存在下での熱ガス温度と壁面温度との差を熱ガス温度と供給される冷却ガスの温度との差で割ったものとして定義することができ、すなわち、Ｅｔａ＝（Ｔ＿熱ガス−Ｔ＿壁面）／（Ｔ＿熱ガス−Ｔ＿冷媒）である。
【００３０】
図３〜６で開示されたものなどの、パターン化された傾斜したＮＰＲスロット特徴は、スロットの内部表面積が、垂直で円形の穴またはスロットの内部表面積よりも大きいので、従来の直角（垂直）で円形の穴および冷却スロットよりも著しく良好に冷却することが示されている。断熱膜冷却効率もまた、例えば、表面上でのより一様な冷却空気の分布、および、主流内への冷却ジェットの侵入の減少により、従来の垂直の冷却穴およびスロットに比べて向上される。このことは、図７Ａの代表的な非ＮＰＲの垂直の冷却孔（Ｅｔａ＝１７％）、図７Ｂの垂直のＮＰＲの冷却スロット（Ｅｔａ＝３６％）、および図７Ｃの傾斜したＮＰＲのＳ字形のスロット（Ｅｔａ＝４４％）に関する冷却挙動を比較すると分かる。傾斜したＮＰＲ−スロット膜は、冷媒ジェットを離昇させて主流に侵入させるのではなく壁面に良好に密着させる、コアンダ効果の恩恵を受けることができる。このことは、傾斜角を減少するのに役立ち、それにより、冷媒ジェットの侵入が軽減され、ＮＰＲスロットの冷却性能が高められる。空気力学的観点から、傾斜したＮＰＲスロットの軽減された冷媒ジェットの侵入は、垂直の冷媒スロット流れに比べて、膜冷却による空力的損失を減少させる。傾斜角は、オーゼティック挙動と膜冷却性能の所望の組合せを得るために変更され得る。
【００３１】
傾いた冷却スロットを有することは、冷却流れに直角な内部壁を有する垂直の冷却孔と比較してより良好な膜冷却効率範囲を提供するのに役立つことが判定されている。さらに、初期研究は、傾斜したＮＰＲスロットからの冷媒放出は、スロットから放出される閉じた膜に対して混合プロセスがそれほど強烈ではないので、垂直の冷却孔からの放出よりも効率的であることを示している。ガスタービンのブレードおよび羽根が直面する高い熱応力は、典型的には、極めて細長いスロットの使用を可能としないが、傾斜したＮＰＲスロットは、膜冷却性能を高めると同時にタービンブレード／羽根への高い熱応力を軽減するかさもなければ排除するのに役立つ。少なくともいくつかの実施形態の場合、表面孔隙率とタービン機関に使用される冷媒の量とを最小限に抑えることが一般に望ましく、孔隙率を最小限に抑えるために、垂直のＮＰＲスロットをより小数の傾斜したＮＰＲスロットと置き換えることができる。この場合、冷却流の消費量が減少する一方で、吹き出しスロットの膜冷却性能は維持される。
【００３２】
開示された特徴の例示的な実装として、従来の丸い吹き出し孔または垂直の吹き出しスロットが、オーゼティック構造体を形成する傾斜したＳ字形のＮＰＲスロットのパターンに置き換えられた、金属薄板壁を有する燃焼器ライナを検討することができる。そのような傾斜したＳ字形のスロットを通じて供給される冷却空気は、構造体から熱を除去し、かつ、表面にわたって一様な冷却空気の分散を引き起こす。増大した内部表面積を有する、これらの傾斜したスロットは、膜冷却性能を高め、かつ、機械的反応を改善する。さらに、傾斜したＮＰＲスロットは、より高い火炎温度に耐えることができ、かつ、垂直の吹き出し孔を有する従来の金属薄板壁に比べてはるかに長い寿命をシートに与えるのに役立つ。
【００３３】
図４Ａ〜４Ｄには、本開示の態様による傾斜したＮＰＲスロットを有する、それぞれ４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、および４００Ｄで全体的に指名された、他のオーゼティック構造体の斜視図が示されている。外観に違いはあるが、オーゼティック構造体４００Ａ〜４００Ｄは、他のオーゼティック構造体に関連して本明細書で説明される特徴、選択肢、および代案の任意のものを含み得る。同様に、明確に否定されていないかまたは論理的に禁じられていない限り、本明細書において開示されるオーゼティック構造体のいずれかは、他の開示された実施形態と、特徴、選択肢、および代案を共有し得る。オーゼティック構造体４００Ａ〜４００Ｄのそれぞれは、所望の冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下で所定のＮＰＲ挙動を示すためのパターンに配置された複数の細長く傾斜したアパーチャ４１２Ａ、４１２Ｂ、４１２Ｃ、および４１２Ｄを有して作製された、弾性硬質体４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃ、および４１０Ｄをそれぞれ含む。図４Ａでは、細長いアパーチャ４１２Ａは、平面視においてＳ字形の断面形状を有するが、図４Ｂにおける細長いアパーチャ４１２Ｂは、細長い線形スロットによって接続された１対の離間した半円形のスロットを含む、Ｉ字形の断面形状を有する。比較すると、図４Ｄにおける細長いアパーチャ４１２Ｄは、平面視において楕円形の断面形状を有し、図４Ｃにおける細長いアパーチャ４１２Ｃは、細長い線形スロットによって接続された１対の離間し丸みを帯びた穿孔を含む、バーベル形の平面視断面形状を有する。前述の傾斜したＮＰＲスロットのいずれも、例えばレーザ切断により、ＮＰＲスロットの線形パターンを傾斜角に沿って表面に展開することによって製造され得る。
【００３４】
図４Ａ〜４Ｄを引き続き参照すると、外側（上部）表面上に現れる傾斜したＮＰＲスロットの断面は、標準の形状−例えば、標準の「Ｓ」４１４Ａ、丸みを帯びた腕部を含む標準の「Ｉ」４１４Ｂ、円形の端部を含む標準のバーベル４１４Ｃ、および標準の楕円４１４Ｄ−の突出部として設計され得る。場合により、外側（上部）表面上に現れる傾斜したＮＰＲスロットの断面は、例えば、スロットの所望の角度および／または配向に応じて、元の像から大きく歪められてもよい。図６Ａ〜６Ｄは、管状オーゼティック構造体の外側表面上でのスロットの歪みを示しており、図６Ａは、０度の角度を示す垂直のＮＰＲ  Ｓ字形スロットを示し、図６Ｂは、４５度の角度を示す傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットを示し、図６Ｃは、５５度の角度を示す傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットを示し、図６Ｄは、６５度の角度を示す傾斜したＮＰＲ  Ｓ字形スロットを示す。
【００３５】
例えばＺ字形のスロット５１２Ａ（図５Ａ）およびＳ字形のスロット（図５Ｂ）といった、新たなＮＰＲスロットの形状が、湾曲部長さ５１１Ａおよび５１１Ｂならびに／または湾曲部高さ５１３Ａおよび５１３Ｂを減少させて既存のまたは「標準的な」Ｓ字形状／Ｚ字形状に類似した水平方向突出部を提供することにより、開発され得る。湾曲部のサイズおよび形状は、オーゼティック挙動と膜冷却性能の所望の組合せを得るために変更され得る。傾斜したＳ字形の吹き出しスロット、または同等にＺ字形のスロットの膜冷却性能は、高温面の上方により長い冷却温度層を生成することによって向上され得る。より長い冷却温度層は、Ｓ字形のスロットの湾曲部を反時計方向に（または、Ｚ字形のスロットの湾曲部では時計方向に）回転させることで自由主流に垂直なスロットの側面積を増大させることによって、作り出され得る。この湾曲部回転角度５１５Ａおよび５１５Ｂは、オーゼティック挙動と膜冷却性能の所望の組合せを得るために変更され得る。Ｓ字形スロットの湾曲部を反時計方向に回転させることにより、湾曲部の頂部における最大機械的応力が軽減され、また、高温面の上方の冷却温度層の範囲が増大したことにより、吹き出しスロットの膜冷却性能が高められる。
【００３６】
本開示の態様はまた、オーゼティック構造体を製造する方法、およびオーゼティック構造体を使用する方法を対象とする。例として、図３〜６に関連して上述されたオーゼティック構造体などのオーゼティック構造体を製造するための方法が提示される。この方法は、包括的で非排他的な一連の行為として、図３Ａおよび３Ｂの弾性硬質体３１０などの、背中合わせの上部表面および底部表面を有する弾性硬質体を用意するステップと、図３Ａおよび３Ｂの細長いＳ字形のスロット３１２などの、弾性硬質体を貫いて上部表面から底部表面まで延在する第１の複数のアパーチャを、弾性硬質体に付加するステップと、図３Ａおよび３Ｂの細長いＳ字形のスロット３１８などの、弾性硬質体を上部表面から底部表面まで貫いて延在する第２の複数のアパーチャを、弾性硬質体に付加するステップと、を含む。第１および第２の複数のアパーチャは、行および列に配置される。第１および／または第２の複数のアパーチャの各アパーチャは、弾性硬質体の上部表面に対して斜めに角度を付けられる。第１および第２の複数のアパーチャは、既定の冷却性能を提供するとともに巨視的で平面的な荷重条件下で所定の負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示すように、協調的に構成される。例として、細長いアパーチャは、所望のＮＰＲ挙動を得るために、既定の孔隙率、所定のパターン、および／または所定のアスペクト比を伴って特別設計される。オーゼティック構造体は、おおよそ３０〜５０％の吹き出し冷却効率と、おおよそ−０．２から−０．９％のポアソン比とを示し得る。弾性硬質体は、金属製シート、または他の十分に弾性のある固体材料などの、様々な形態をとることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、方法は、少なくとも上記に列挙されかつ図面に示されたこれらのステップを含む。ステップを省略すること、さらなるステップを含むこと、および／または上記の順序を変更することも、本発明の範囲および精神に含まれる。前述の方法はオーゼティック構造体を設計および作製するための単一シーケンスを表すものであり得ることが、さらに留意されるべきである。しかし、方法は体系的かつ反復的な形で実施されることが期待される。
【００３８】
本発明は、本明細書において開示された明確な構成および組成に限定されるものではない。むしろ、前述の説明から明らかになるあらゆる変形、変更、組合せ、置換、および変化が、添付の特許請求の範囲において定められる本発明の範囲および精神に含まれる。さらに、本発明の概念は、前述の要素および態様のあらゆる組合せおよび部分的組合せを明確に含む。
【図１】
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【図２Ａ−２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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