(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱流束に曝されるように設計されたフロント面を有する構造用パーツであって、
マトリックスによって緻密化された繊維補強材を有する熱構造的な複合材料のピース、および
金属壁
を含み、
熱構造的な複合材料のピースは、
構造用パーツの前記フロント面を構成するフロント面および背面を有するフロントプレート、および
前記背面から延び、互いに間隔をあけて配置された複数のスチフナであって、プレートに相当する予備成形体の部分と接続されている、またはプレートに相当する予備成形体の部分と一体である、スチフナに相当する予備成形体の部分から成る、繊維予備成形体の緻密化により、プレートと一体に形成されている、スチフナ
を含み、
金属壁は、スチフナの端縁部に取り付けられており、また、金属壁は、フロントプレートの背面から間隔をあけて設けられた冷却用流体循環通路を備えており、
熱が、プレートを介した伝導、およびスチフナの間のギャップにおけるプレートの背面からの輻射によって、プレートのフロント面から金属壁に移動させられる、
構造用パーツ。
【請求項２】
金属壁が鑞付けによりスチフナに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造用パーツ。
【請求項３】
金属壁が機械的な結合手段によってスチフナに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造用パーツ。
【請求項４】
熱構造的な複合材料が、炭素／炭素複合材料およびセラミックマトリックス複合材料から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造用パーツ。
【請求項５】
熱構造的な複合材料が炭素／炭化ケイ素タイプの複合材料であることを特徴とする請求項４に記載の構造用パーツ。
【請求項６】
金属壁は、流体循環通路を画成するパイプが一方の面に設けられているプレートであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造用パーツ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の構造用パーツを製造する方法であって：
・プレートおよびスチフナに相当する予備成形体の要素を一体的に組み立てることにより複合材料のピース用の繊維予備成形体を形成する工程；
・複合材料のピースを得るために予備成形体を緻密化する工程；および
・金属壁をスチフナの端縁部に取り付ける工程
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項８】
プレート用の予備成形体と、スチフナ用の予備成形体とを独立して形成し、それらが緻密化の前に一体的に組み立てられることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
予備成形体が縫合によって一体的に組み立てられることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
複合材料のピース用に、プレートおよびスチフナに相応する予備成形体の部分を含む予備成形体を、繊維布帛のプライを、積層すること、および形づくることによって製造することを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造用パーツを製造する方法であって：
・繊維布帛のプライを重ねることにより繊維予備成形体を形成する工程；
・繊維予備成形体を緻密化してブランクを得る工程；
・スチフナ間のギャップを占有する材料を取り除くことによってスチフナを形成するためにブランクを加工する工程；および
・金属壁をスチフナの端縁部に取り付ける工程
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１２】
重ねられた繊維布帛のプライが互いにニードリングにより結合されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の循環により冷却される熱構造的な材料（thermostructural material、例えば、熱影響下（例えば高温下）で用いる構造材料、または熱影響下において構造的な機能を果たす材料）から成る部分を含む構造用パーツに関する。
【０００２】
本発明は、使用時に非常に高い温度にて侵略的な周囲条件または非常に高い熱流束に曝される構造物の製造における適用を見出したものである。それは、特に、熱いガスのフローに曝される壁構造物、例えば、ジェットまたはロケットエンジンの燃焼室の壁構造物、または非常に強い加熱に曝される壁構造物、例えば、特に大気圏への再突入段階時のスペースプレーン（space plane）の本体の壁構造物、または熱遮蔽物を形成する壁構造物、例えば核融合反応炉に関する。
【０００３】
【従来の技術】
熱構造用複合材料は、それを構造用要素を構成するのに適したものとする機械的性質のために、またその性質を高温まで保持し得る能力のために、一般に上記の用途に用いられる。具体的には、複合材料は、炭素マトリックスで緻密化された炭素繊維の補強材を含む炭素−炭素（Ｃ／Ｃ）複合材料、およびセラミックマトリックスで緻密化された耐熱性繊維（例えば炭素またはセラミック繊維）の補強材を含むセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣｓ）である。
【０００４】
熱構造的な複合材料が、極めて過酷な周囲条件（強い熱流束または侵略的な雰囲気、特に酸化雰囲気）下にて用いられる場合、十分な寿命を達成するために、その表面温度を制限する必要がある。
【０００５】
冷却の常套的な方法は、冷却用または「熱伝達用」流体を循環させることに存する。
【０００６】
流体の循環通路を、複合材料内またはその背面に形成することが提案されてきた。熱構造的な複合材料は、その製造方法に起因して残留多孔性（または空隙性）を必然的に呈するため、流体の循環通路の壁に関して、流体に対する耐密（または密封）性（例えば気密性および／または液密性）を確保することが必要である。米国特許第5583895号を例えば参照できる。
【０００７】
複合材料のピース（または小片）を、循環する冷却用流体で冷却する金属製（例えば銅製）基材に結合させることもまた提案されてきた。この場合においては、互いにかなり異なる熱膨張係数を有する２つのパーツを一体に結合することが、解決し難い問題となる。ＷＯ98／03297の文献を特に参照できる。
【０００８】
公知の構造物のそれらのパーツは、従って、製造について困難な問題を呈する。更に、それは比較的重く、そのことは少なくともある用途においては重大な欠点となる
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、流体の循環により冷却される熱構造的な複合材料のピースを有する構造用パーツ（例えば構造物を形成するために用いられるパーツ）であって、従来の技術における問題と同様の問題を生じることなく製造できる構造用パーツを提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、従来のものよりも実質的に軽量である構造用パーツを提案することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、流体循環通路を備えた金属壁に結合している熱構造的な複合材料のピースを含む構造用パーツによって達成され、当該パーツにおいて、複合材料のピースは、プレート、およびプレートと一体的に形成され、その一方の側に互いに間隔を置いて配置された複数のスチフナ（stiffener；または補強材）とを含み、金属壁はスチフナの端縁部に取り付けられる（または固定される）。
【００１２】
従って、熱構造的な複合材料のピースは熱流束および機械的な荷重に耐え、スチフナ間のギャップを経由して背面から金属ピースに向かって熱を輻射する。従来技術とは対称的に、このように熱的な効果と機械的な効果とが切り離されることは、構造用パーツの製造を容易にする。
【００１３】
特に、以下の利点が得られる：
・スチフナにより補強された熱構造的な複合材料のプレートは、単なる皮膜（またはスキン）を形成するように、それ自体薄くすることができ、その構造的な機能を依然として発揮しつつアセンブリーを軽量にすることに寄与する；
・複合材料のプレートは、スチフナが設けられた面とは反対側のフロント面を介して熱流束に曝されるので、熱の移動は、プレートを介した伝導、スチフナの間に位置するギャップにおけるプレートの背面から金属壁への輻射、および金属壁の通路の中を移動する流体の強制対流（または伝熱）によって生じる；
・金属壁および熱構造的な複合材料のピースは、単にスチフナの端縁を介してのみ、即ち、不連続的に、熱流束に曝されるプレートから最も遠い場所にて、一体に組み立てられる；その結果、熱機械的応力が最小にされ、アセンブリーは単純なものとなる；
・構造的な機能は、熱構造的な複合材料から成るピースによって発揮されるので、流体の循環パイプが取り付けられた薄い金属壁を用いることが可能となり、従って、パーツの全体の質量を最小にする；ならびに
・熱構造的な複合材料から成るピースおよび金属壁は、パーツを最終的に組み立てる間に、例えば鑞付け（もしくは溶接）により、または機械的に一体的に組み立てることができ、それにより、複雑な形状の構造物、例えば２方向に湾曲している形状の構造物を製造することが可能となる。
【００１４】
本発明はまた、上記のような特徴を有する構造物を有するパーツを製造する方法を提供しようとするものである。
【００１５】
当該方法において、複合材料のピースの繊維予備成形体（プリフォーム）は、プレートおよびスチフナに相当する予備成形体の要素を一体的に組み立てることによって形成され、予備成形体は複合材料のピースを得るために緻密化され、金属壁はスチフナの端縁部に取り付けられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の態様を以下において非制限的な例示により説明する。添付した図面を参照することができる。
【００１７】
図１は、複合材料の薄いプレートまたは皮膜（10）、皮膜（10）と一体化され、その背面（10ａ）に配置され、互いの間隔があいているスチフナ（12）、および冷却用流体を循環させる通路（16）を設けた金属壁（14）を含み、金属壁がスチフナの端縁部に取り付けられている構造用パーツの断面図である。
【００１８】
プレート（10）およびスチフナ（12）を含むピースは、熱構造的な複合材料、特に、Ｃ／ＣまたはＣＭＣ複合材料、例えば、炭化ケイ素マトリックスもしくは実質的に炭化ケイ素であるマトリックスで緻密化された炭素繊維補強材を含むＣ／ＳｉＣ複合材料で形成される。スチフナ（12）の存在は、比較的薄いプレート（10）および金属壁（14）を有するにもかかわらず、構造的な性質（例えば構造材料的な性質）を構造用パーツに付与することを可能にし、それによりその最終的なアセンブリーは非常に小さい質量を有する。
【００１９】
図示した例において、スチフナ（12）は相互に平行な直線で囲まれたリブの形態であり、互いの間にギャップ（20）を形成する。
【００２０】
例えば、金属製プレート（14）は銅の薄いプレートであって、当該プレートの背面（14ａ）に溶接により取り付けられている、通路（16）を形成するパイプ（18）を有する。
【００２１】
図１の例において、金属壁（14）は、スチフナ（12）の端縁部に鑞付けにより取り付けられている。このために、鑞付け合金（22）の層がスチフナの端縁部に付着させられ、金属壁（14）はパイプ（18）とともに、鑞付け合金を上に載せたスチフナと接触させられ、そしてアセンブリーが加熱される。
【００２２】
金属壁への結合の不連続性、および熱に曝される皮膜（10）と結合ゾーンとの間の距離は、スチフナ（12）を構成する熱構造的な複合材料の熱膨張係数と壁（14）を構成する金属の熱膨張係数の相違に起因する熱機械的な応力を制限し、それにより鑞付けプロセスを容易にする。特に、それは、鑞付け合金の接着を向上させるためにスチフナの縁を金属化する（または金属処理する）ことを必ずしも必要としない。
【００２３】
使用できる鑞付け合金の中には、例えば、米国のウェスゴ（Wesgo）社から商品名「Ｃｕ−ＡＢＡ」またはＴｉＣｕＳｉｌで販売されている合金がある。
【００２４】
図２の例において、金属壁（14）はスチフナ（12）の端縁部にねじ（24）により取り付けられている（または固定されている）。例えば、ねじは、耐熱性金属、例えばモリブデンもしくはモリブデン合金、ステンレス鋼、ニッケルおよびコバルトの合金、またはセラミック材料から成るものであってよい。ねじ（24）を収容することができるように、スチフナの端部（12ａ）は好ましくは広くされる。
【００２５】
使用時において、構造用パーツは、皮膜（10）のフロント面（10ａ）を介して熱流束に曝される。熱は、皮膜（10）を介した伝導により、そしてスチフナ（12）間のギャップ（20）における放射により移動し、壁（14）に向かい、それから熱は通路（16）における冷却用流体の循環によって吸収される。
【００２６】
スチフナ（12）に沿った伝導は実際には無い。加えて、皮膜（10）が薄いために、皮膜（10）およびスチフナを構成する材料は、高い熱伝導係数を有している材料から必ずしも選択しなくてもよい。従って、用途に応じて、そして特に周囲の条件に応じて、Ｃ／Ｃ複合材料またはＣＭＣｓを選択することができ、ＣＭＣｓは酸化雰囲気における使用に特に適している。適当なＣＭＣｓはＣ／ＳｉＣタイプの複合材料を含む。
【００２７】
図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、皮膜（10）およびスチフナ（12）を含むアセンブリーを製造する方法の第１の態様を示す。
【００２８】
繊維予備成形体（10'）および（12'）（図３の（Ａ）および（Ｂ））は、皮膜（10）およびスチフナ（12）のためのものとして独立して作製される。
【００２９】
例えば、予備成形体（10'）は、例えば織物もしくはフェルトのプライ、糸もしくはケーブルから成る一方向性のシートのような繊維布帛のプライを重ねることによって得られる。一方向性のシートは、種々の方向に（または方向を変化させながら）重ねられる。プライは、例えば重なったプライを横切るように（またはプライの積層面に対して垂直な方向において）実施されるニードリングにより一体的に結合することができる。
【００３０】
予備成形体（12'）はＴ字形の断面を有する。それらはまた、繊維布帛のプライを重ね、プライを直角に折り曲げることによって作製することができる。予備成形体（12'）は強化（または硬化）により形状を保ち得る。このために、プライにバインダーを含浸させ、バインダーが固化するまで、それらはツーリング（または工具）により所定の形状に維持される。例えば、バインダーは樹脂であってよい。使用するバインダーの量は、予備成形体の取り扱いを容易にするために十分な機械的強度を予備成形体に与えるのにちょうど十分であるように選択される。
【００３１】
予備成形体（12'）は予備成形体（10'）（これもまた強化され得る）に、例えば、縫合（またはソーイング（sewing）もしくはステッチング（stitching））により組み付けられる（図３の（Ｃ）参照）。
【００３２】
その後、予備成形体は、熱構造的な複合材料のマトリックスで緻密化される。ガスを用いる緻密化技術（化学的気相浸透；chemical vapor infiltration）または液体を用いる緻密化技術（マトリックスの前駆体を含浸させた後、熱処理する）は、Ｃ／ＣおよびＣＭＣ複合材料を製造する方法として公知である。予備成形体（12'）および場合により予備成形体（10'）を強化するために使用されるバインダーは緻密化の間に使用される熱により除去されるか、あるいは、例えばバインダーがコークス（または炭素）含有量がゼロでない樹脂である場合には、バインダーは残留炭素に変換される。
【００３３】
図４の（Ａ）および（Ｂ）は、皮膜（10）およびスチフナ（12）を含むアセンブリーの別の実施態様を示す。
【００３４】
皮膜（10）およびスチフナ（12）の両方の予備成形体部分を有する繊維予備成形体（13'）は、繊維布帛のプライを必要な形状および寸法が付与されるように積み重ねることによって直接的に作製される（図４の（Ａ）参照）。
【００３５】
予備成形体（13'）は、複合材料のマトリックスによる緻密化の前に縫合（またはソーイングもしくはステッチング）により機械的に強化してよく（図４の（Ｂ）参照）、あるいは直接緻密化してもよい。少なくとも緻密化プロセスの開始時には、予備成形体（13'）はツーリングによって所定形状に保たれる。
【００３６】
最後に、図５の（Ａ）および（Ｂ）は、皮膜（10）およびスチフナ（12）を含むアセンブリーの別の実施形態を示す。
【００３７】
熱構造的な複合材料の厚いプレートの形態のブランク（または半加工品）（15）が、適宜ニードリングによって一体的に結合された繊維布帛から成る繊維予備成形体（16）のプライを緻密化することにより作製される（図５の（Ａ）参照）。図示した例において、プライ（16）は平坦に重ねられている。
【００３８】
スチフナ（12）はギャップ（20）を加工、特に機械加工（例えば切削または切除加工）することにより形成される（図５の（Ｂ）参照）。
【００３９】
この実施の形態は、熱構造的な複合材料の予備成形体の製造をより容易にするという利点を呈するが、材料の大量の損失をもたらすという欠点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の構造用パーツの１つの態様の断面図である。
【図２】  図２は、図１のパーツの別の態様を示す断面図である。
【図３】  図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示すような構造用パーツの熱構造的な複合材料から成るピースを製造する方法の第１の実施態様における連続的な工程を示すダイヤグラムである。
【図４】  図４の（Ａ）および（Ｂ）は、図１のような構造用パーツのための熱構造的な複合材料から成るピースを製造する方法の第２の実施態様における連続的な工程を示すダイヤグラムである。
【図５】  図５の（Ａ）および（Ｂ）は、構造用パーツのための熱構造的な複合材料から成るピースを製造する方法の第３の実施態様における連続的な工程を示すダイヤグラムである。
【符号の説明】
10...皮膜またはプレート、10ａ...フロント面、12...スチフナ、12ａ...スチフナの端部、14...金属壁、14ａ...フロント面、16...通路、18...パイプ、20...ギャップ、22... 鑞付け合金、24...ねじ、10'...皮膜用の繊維予備成形体、12'...スチフナ用の繊維予備成形体、13'...繊維予備成形体、15...ブランク、16...プライ。
【図１】
0004357658.tif 000002
【図２】
0004357658.tif 000003
【図３】
0004357658.tif 000004
【図４】
0004357658.tif 000005
【図５】
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