JP6362869B2 - 熱分散装置、修理および接合の方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂（複合材）等から形成された部材を修理、接合するためにヒーターマットによる加熱を行う際に、均熱化を図る熱分散装置に関する。

航空機の機体を構成するスキン等の構造部材は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ：fiber reinforced plastics）や金属材料から形成することができる。
被雷やバードストライク等により構造部材が損傷すると、損傷部を除去して修理材で塞ぐ。
修理材は、例えば、構造部材に用いられたものと同様の繊維強化樹脂から形成される。その場合、プリプレグと呼ばれる中間素材から修理材を形成することができる。プリプレグは、シート状の繊維基材を熱硬化性樹脂に含浸させ、低温に管理することで未硬化の状態に維持したものである。
修理の際は、構造部材の損傷部の除去により形成された凹部に、熱硬化性樹脂から形成されたフィルム状の接着剤を介在させて修理材を配置し、修理材を加熱する。加熱により、修理材およびフィルム状接着剤を構成する熱硬化性樹脂が硬化し、修理材が構造部材に接合されると、修理が完了する。

ここで、構造部材の製造時には、構造部材をオートクレープ装置に入れて加圧しながら加熱することにより、繊維強化樹脂を高品位に成形しているが、構造部材の修理時には、他の構造部材と組み付けられているために、オートクレープ装置に入れることが難しい。
そのため、修理材を加熱する装置として、修理材およびその周囲を局所的に加熱するヒーターマット（ヒーターブランケットとも呼ばれる）が一般に用いられる。
ヒーターマットはニクロム線等の熱源をゴム部材に内蔵したもので、可撓性を有するため、構造部材の湾曲した表面にも追従する。
ヒーターマットは、部材の所定範囲を加熱する各種の用途に広く利用されており、各種のサイズが揃う。

その他、修理や接合に用いる加熱装置として、液体を用いて加圧および加熱を行う装置が提案されている（特許文献１，特許文献２）。例えば、特許文献１に係る装置は、部材を両側から挟み込んで加圧するために、液体を貯留する一対のチャンバーを備える。

米国特許出願 公開 ２００９／０２９４０５３ 米国特許第６，０３１，２１２号明細書

修理対象である部材の厚みが部位によって変化していたり、部材に支持部材や装備品などが設けられていると、部材の位置に応じて熱伝導の状況が変化する。
そのため、ヒーターマットの面内の発熱温度が均一であったとしても、修理の品質確保のために重要な、均熱化を図ることが難しい。
ここで、特に特許文献１の装置によれば、液体の流動により均熱化に期待できるとしても、チャンバーを備えた大型の装置を修理箇所に設置するのは大変困難である。
その点、ヒーターマットは可搬性に優れ、修理箇所に容易に設置できる。
しかも、ヒーターマットは技術的に確立されていて十分な信頼性を有しており、広く普及している。

したがって、ヒーターマットに代えて新たな加熱装置を導入することなく、ヒーターマットと組み合わせて補助的に用いることで均熱化を図ることができるものが強く望まれている。
なお、修理だけでなく、部材と部材とを熱硬化性樹脂を含む接着剤により接合する際にも、上記と同様の課題が存在する。
以上より、本発明は、加熱を経て樹脂を硬化させることで部材を修理、接合するために既存のヒーターマットを活用しつつ、均熱化を図ることが可能な装置を提供することを目的とする。

ヒーターマットを使用する修理の際に均熱化を図るため、本発明の発明者は、以下で説明するように、事前の温度分布調査（ヒートサーベイと呼ばれる）に基づいて保温材を使用している。
温度分布調査では、図８に示すように、損傷箇所に形成した凹部２３の内周面と修理材２４（例えばプリプレグ）との間に剥離フィルム６２を挟み、ヒーターマット２０により実際に修理材２４を加熱し、調査のために修理材２４の複数箇所に設置、内蔵させた温度センサ３０により温度を計測する。温度センサ３０は、例えば、修理材２４の表面の中央・周縁、および凹部２３の内周面と対向する修理材２４の外周などに配置する。
それらの温度センサ３０による計測結果に基づいて、放熱を妨げる保温材６１（断熱材）をヒーターマット２０の上にいくつか配置し、再度、温度計測する。保温材６１は、例えば、修理材２４の周縁部に対応する位置に配置される。
そして、各温度センサ３０により計測される温度が所定の温度範囲に収束するまで、保温材６１の位置やサイズを変えて温度計測を繰り返し、最も有効な保温材６１の位置およびサイズを決定する。
保温材６１としては、ゴム製の板などを利用できる。周囲に比べて温度が顕著に低い箇所では、小さいサイズのヒーターマットをヒーターマット２０に重ねてもよい。

以上により事前の作業を終えると、剥離フィルム６２を介在させずに修理材２４を凹部２３内に配置し、修理材２４に載せたヒーターマット２０の上から事前作業により決定された位置、サイズに従って保温材６１を配置し、修理材２４を加熱する。加熱中は、制御用に配置した温度センサ３０により修理材２４の温度をモニタリングしながら、ヒーターマット２０の出力を調整する。

上述のように、修理にあたり事前に行う作業には手間が掛かり、多大な時間が費やされる。
しかも、温度分布調査を経て本番の加熱に臨んだとしても、温度分布調査時とは周囲温度が変化していたり、剥離フィルム６２の除去による影響、あるいは調査時の計測ミスなどに起因して、修理材２４の温度が不均一となりうる。つまり、ある部位では熱が集中して不必要に高い温度にまで加熱され、別の部位では温度が十分に上昇しない。
修理は、修理材２４の全体が所定の硬化温度にまで達し、熱硬化性樹脂が全体に亘り十分に硬化するまでは完了しない。

そこでなされた本発明は、液体が封入されたバッグと、液体の温度を制御する制御部と、を備える熱分散装置であって、バッグは、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置され、バッグの内側は、平面中央の近傍に位置する中央領域と、平面方向において中央領域よりも外側に位置する周囲領域とに区画され、制御部は、中央領域の液体の温度および周囲領域の液体の温度を個別に制御することを特徴とする。

本発明の熱分散装置によれば、バッグ内の液体が流動しながら熱を伝搬させるので、ヒーターマットの所定箇所に保温材を配置することなく、ヒーターマットにより加熱される範囲を均熱化することができる。
そのため、加熱範囲の全体を硬化に必要な温度にまで上昇させて、ヒーターマットによる加熱を伴う部材の修理、部材の接合等を高品位に行うことができる。
また、熱分布調査に基づいて保温材の配置を試す事前作業を必要とすることなく、部材の修理、部材の接合等を迅速に行うことができる。

本発明の熱分散装置は、バッグ内に、液体を加熱する内部熱源を備えることができる。
あるいは、本発明の熱分散装置に、液体を加熱する外部熱源を接続することができる。
内部熱源または外部熱源により、バッグ内の液体が加熱されると、ヒーターマットから発せられる熱が液体によって吸収されることなく、ヒーターマットの能力を維持することができる。

また、本発明の熱分散装置は、液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置され、バッグは、液体がバッグ内で循環するように回路を有することを特徴とする。
バッグ内に回路が形成されていると、回路に沿って液体が流動し易くなるので、効率よく均熱化することができる。
さらに、本発明の熱分散装置は、液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置され、バッグは、液体が循環する回路を有し、その回路が、渦巻状であり、バッグ内を周回しながら内周側に向かう流れと、バッグ内を周回しながら外周側へと向かう流れとを形成するように構成されているとより効果が高い。
液体が循環する回路をバッグに有する本発明の熱分散装置は、バッグ内に、液体を加熱する内部熱源を備えたり、液体を加熱する外部熱源が接続されたりすることが好ましい。

本発明の熱分散装置は、液体を強制的に流動させる強制流動部を備えることが好ましい。
強制流動部により液体を強制的に流動させると、バッグ内の液体の流動による熱分散が促進されるので、効率よく均熱化することができる。

本発明の熱分散装置におけるバッグは、例えば、ヒーターマットと同様に、板状の外観を呈する形態に構成することができる。
ここで、ヒーターマットの第２面の略全体に重ねられるサイズにバッグが形成されていると、バッグ内の液体の流動により、加熱範囲のいずれの箇所に温度差が存在する場合も均熱化を図ることができるので好ましい。
また、バッグがヒーターマットと同じ平面サイズに形成されていると、ヒーターマットおよび熱分散装置を重ねた状態で収納し易い。

本発明の熱分散装置は、航空機を構成する航空機部材同士を接合したり、航空機部材を修理するために航空機部材に修理材を設けたりする際に、ヒーターマットと併せて好適に用いることができる。

本発明の熱分散装置と、ヒーターマットとを用いることにより、部材の修理、および部材同士の接合が可能となる。
本発明の修理方法は、液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置されている熱分散装置を用いる修理方法であって、修理対象である部材に加熱を経て硬化する樹脂を含む修理材を配置するステップと、ヒーターマットの第１面を修理材に向け、ヒーターマットにより修理材を覆うステップと、ヒーターマットの第２面に熱分散装置を配置するステップと、ヒーターマットにより修理材を加熱するステップと、を備え、修理材を加熱するステップでは、バッグ内に内蔵された熱源または熱分散装置に接続された熱源により、液体を加熱することを特徴とする。
また、本発明の修理方法は、液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置されている熱分散装置を用いる修理方法であって、修理対象である部材に加熱を経て硬化する樹脂を含む修理材を配置するステップと、ヒーターマットの第１面を修理材に向け、ヒーターマットにより修理材を覆うステップと、ヒーターマットの第２面に熱分散装置を配置するステップと、ヒーターマットにより修理材を加熱するステップと、を備え、修理材を加熱するステップでは、液体を強制的に流動させることを特徴とする。
本発明の修理方法において、熱硬化性樹脂および繊維基材から形成されたプリプレグを含む修理材を用いることができる。
また、本発明の修理方法により、繊維強化樹脂を用いて形成された部材を修理することができる。

本発明の接合方法は、液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置されている熱分散装置を用いる接合方法であって、互いに接合される第１部材および第２部材の間に加熱を経て硬化する樹脂を含む接着剤を配置するステップと、ヒーターマットの第１面側を第１部材および第２部材の少なくとも一方に配置するステップと、ヒーターマットの第２面に熱分散装置を配置するステップと、ヒーターマットにより接着剤を加熱するステップと、を備え、接着剤を加熱するステップでは、バッグ内に内蔵された熱源または熱分散装置に接続された熱源により、液体を加熱することを特徴とする。
また、本発明の修理方法は、液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの第２面に配置されている熱分散装置を用いる接合方法であって、互いに接合される第１部材および第２部材の間に加熱を経て硬化する樹脂を含む接着剤を配置するステップと、ヒーターマットの第１面側を第１部材および第２部材の少なくとも一方に配置するステップと、ヒーターマットの第２面に熱分散装置を配置するステップと、ヒーターマットにより接着剤を加熱するステップと、を備え、接着剤を加熱するステップでは、液体を強制的に流動させることを特徴とする。
本発明の接合方法により、繊維強化樹脂を用いて形成された部材を接合することができる。

上記の修理方法および接合方法において、加熱するステップでは、バッグ内に内蔵された熱源または熱分散装置に接続された熱源により、液体を加熱することが好ましい。
また、加熱するステップでは、液体を強制的に流動させることが好ましい。
さらに、本発明の修理方法および接合方法は、航空機を構成する航空機部材を対象として行うことができる。

本発明は、部材の成形方法に展開することができる。
例えば、部材の材料であるプリプレグをヒーターマットで加熱することにより、部材を成形することが可能である。
また、成形された第１部材に、第２部材の材料であるプリプレグを配置し、ヒーターマットでプリプレグを加熱することによって第２部材を成形するとともに第１部材に接合することも可能である。
さらに、部材の材料である繊維基材が配置されたキャビティ内を減圧させることでキャビティ内に樹脂を注入し（ＶａＲＴＭ（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding））、ヒーターマットにより樹脂を加熱して硬化させることによっても、部材を成形することができる。
以上に例示した成形方法のいずれも、ヒーターマットの第１面を部材の材料に向け、ヒーターマットにより部材の材料を覆うステップと、ヒーターマットの第２面に熱分散装置を配置するステップと、ヒーターマットにより部材の材料を加熱するステップとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ヒーターマットと熱分散装置とを組み合わせて用いることで均熱化を図ることができるので、均熱化に寄与する新たな加熱装置を導入するコストを要することなく、経済的な装置構成により、加熱を伴う部材の修理や接合を高品位かつ迅速に行うことができる。

本発明の実施形態に係る熱分散装置を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。 （ａ）（ｂ）は、航空機のスキンに修理材を配置し、ヒーターマットおよび熱分散装置を用いて修理することを説明するための図である。 修理の各ステップを示すフロー図である。 バッグ内が複数の領域に区画される例を示す図である。 熱分散装置に外部熱源が接続される例を示す図である。 熱分散装置に渦巻状の回路が形成される例を示しており、（ａ）は往路および復路が同一平面上に配置される場合の平面図、（ｂ）および（ｃ）はバッグ内の上層・下層に往路・復路が分けて配置される場合の側面図および平面図である。 ヒーターマットおよび熱分散装置を用いて部材と部材とを接合することを説明するための図である。 修理に際して行う事前作業について説明するための図である。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）（ｂ）に示す熱分散装置１０は、ヒーターマット２０（図２（ａ））と共に、部材を修理したり部材同士を接合するために用いられる。
本実施形態では、熱分散装置１０およびヒーターマット２０を用いて、航空機の翼や胴体のスキン２１（図２（ａ））の損傷部を修理することについて説明する。
修理の概要としては、スキン２１の損傷箇所に配置される修理材２４をヒーターマット２０により加熱することで、修理材２４に含まれる熱硬化性樹脂を硬化させる。その際に、熱分散装置１０は均熱化を図る。

熱分散装置１０は、液体１１が封入されたバッグ１２を備える。
液体１１は、ヒーターマット２０の熱が伝導されることで高温となっても沸騰しないように、ヒーターマット２０から発せられる熱の温度に対して十分に沸点が高いものが選定される。本実施形態では、シリコーンオイルを用いるが、その他の熱媒体油なども用いることができる。
液体１１は、バッグ１２内で流動しながら熱を伝搬させる。

バッグ１２は、湾曲面にも追従可能な可撓性を有する材料から形成され、矩形の板状の外観を呈する。バッグ１２は、ヒーターマット２０から発せられる熱の温度に対して十分な耐熱性を有する。本実施形態のバッグ１２は、シリコーンゴムから形成される。

バッグ１２内には、液体１１が循環する回路１３が形成される。
回路１３は、図１（ｂ）に示すように、バッグ１２の一端側から他端側へと幅方向Ｗに蛇行しながら向かう蛇行部１３１と、蛇行部１３１の終端からバッグ１２の一端側まで帰還する帰還部１３２とを有する。
回路１３は、バッグ１２の四方に連続する外側壁１３Ａと、外側壁１３Ａの内側でバッグ１２の厚み方向に沿って起立する内側壁１３Ｂとによって形成されている。内側壁１３Ｂ同士の間や、外側壁１３Ａと内側壁１３Ｂとの間を通って液体１１が循環する。
本実施形態のバッグ１２は、図１のＩｂ−Ｉｂ線と同様の位置で分割して金型により成形される。金型は、外側壁１３Ａおよび内側壁１３Ｂに対応する形態を有する。そして、バッグ１２は、成形された二体をプレスにより接合することによって製作される。液体１１は、二体を接合する前にバッグ１２内に封入されてもよいし、二体が接合された後で、バッグ１２の孔や隙間から封入されてもよい。
回路１３を形成する内側壁１３Ｂは、必ずしもバッグ１２と一体に形成されている必要はない。バッグ１２とは別体の内側壁１３Ｂをバッグ１２内に設けることによって回路１３を形成することもできる。

バッグ１２内には、液体１１を加熱する内部ヒーター１４が設けられる。
内部ヒーター１４は、例えば、電気抵抗が大であるニクロム、クロメル、カンタル（登録商標）等の電熱線１５（図１（ｂ）に図示）から構成される。
電熱線１５は、バッグ１２内に任意の形態で設けることができるが、本実施形態では、内側壁１３Ｂに沿って蛇行させることで、バッグ１２の略全面に亘り電熱線１５を設けている。
電熱線１５は、図示しないリード線を介して電源装置から給電されると発熱し、液体１１に直接接触して熱を与える。
なお、電熱線１５をバッグ１２の成形時にインサート成形することも可能である。

バッグ１２の一端側には、回路１３に挿入され、バッグ１２内の液体１１を強制的に循環させるポンプ１６が接続される。
ポンプ１６は、バッグ１２内の液体１１を引き込み、回路１３内へと押し出す。
バッグ１２の一端側には、バッグ１２内からポンプ１６へと液体１１を流出させる出口流路ＯＵＴと、ポンプ１６からバッグ１２内へと液体１１を流入させる入口流路ＩＮとが設けられる。

次に、航空機の主翼に用いられるスキン２１に損傷が生じた場合に、ヒーターマット２０および熱分散装置１０を用いて修理する手順の一例について、図３を参照しつつ説明する。
図２（ａ）に示すスキン２１は、繊維強化樹脂から形成されている。スキン２１に生じた損傷は、超音波探傷などにより状態を確かめてから適切な形態に除去される（除去ステップＳ１）。本実施形態の損傷はスカーフ加工により削り取られ、それによってスキン２１にはすり鉢状（円錐台状）の凹部２３が形成される。
凹部２３の内周面は、洗浄により異物が除去されるとともに、接着に適した表面状態に加工される。

凹部２３が形成されると、凹部２３を塞ぐ修理材２４を用意し、凹部２３に配置する（修理パッチ配置ステップＳ２）。
修理材２４は、修理材の本体である修理パッチ２５（修理プラグ）と、修理パッチ２５をスキン２１に接合するフィルム状接着剤２６とを備える。
修理パッチ２５は、繊維基材を熱硬化性樹脂に含浸させ、加熱により熱硬化性樹脂を硬化させることで形成される。
繊維基材は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維等から形成することができる。
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル等を例示できる。

修理パッチ２５は、損傷の度合、必要な剛性、作業者の技量などに応じて、プリプレグ、予硬化されたもの（プリキュアパッチ）から選ぶことができる。
プリプレグは、繊維をシート状に賦形した繊維基材（プリフォーム）を熱硬化性樹脂に含浸させた中間素材であり、樹脂が未硬化であるために加工が容易である。
本実施形態の修理パッチ２５は、スキン２１に用いられたものと同様の繊維基材および熱硬化性樹脂から形成されたプリプレグを用いて、凹部２３の形状に適合する円錐台状に製作される。

一方、プリキュアパッチは、繊維基材を熱硬化性樹脂に含浸させ、予め、加熱により熱硬化性樹脂を硬化させたものである。プリキュアパッチは、定形で（多くは円形の板状）サイズの異なるものがいくつか用意されており、損傷のサイズに応じて選択される。

フィルム状接着剤２６は、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂から形成される。
フィルム状接着剤２６は、凹部２３の底部および内周面に配置されることで、修理パッチ２５とスキン２１との間に挟み込まれる。

なお、凹部２３内に繊維基材を積み重ねながら熱硬化性樹脂に含浸させ、加熱により熱硬化性樹脂を硬化させるハンドレイアップにより、修理材２４を凹部２３内で形成するとともに修理対象（スキン２１）に接合することも、本実施形態において許容される。

次に、バキュームフィルム２７により修理パッチ２５およびその周囲のスキン２１を覆い、バキュームフィルム２７に設けられたバルブ２８に図示しない真空ポンプを接続する。バキュームフィルム２７とスキン２１との間は、修理パッチ２５の周囲に環状に配置されたシーラント材２９により封止される。
そして、真空ポンプを作動させ、バキュームフィルム２７の内側に位置する凹部２３内を減圧する（減圧ステップＳ３）。すると、バキュームフィルム２７の内側の圧力と外側の大気圧との差圧により修理パッチ２５が圧縮されて緻密化される。
この後で行う修理材２４の加熱中も、減圧された状態を維持することが好ましい。

続いて、バキュームフィルム２７を介して修理パッチ２５およびその周囲を含む範囲にヒーターマット２０を配置する（ヒーターマット配置ステップＳ４）。
ヒーターマット２０は、シリコーンゴム等のゴム系材料から形成された矩形の板状のマットに、熱源としてのヒーター（電熱線等）が内蔵されたもので、スキン２１の湾曲面にも追従可能な可撓性を有する。ゴム系材料の中に耐久性向上のためのファイバーを混入させることもできる。
ヒーターマット２０は、加熱対象に向けられる第１面２０１および第１面２０１とは反対側に位置する第２面２０２を有しており、第１面２０１を修理パッチ２５（加熱対象）に向けて配置される。
ヒーターマット２０には、出力を調整可能な第１コントロールユニット３１が接続される。

さらに、ヒーターマット２０の第２面２０２に熱分散装置１０を重ねて配置する（熱分散装置配置ステップＳ５）。
このとき、ヒーターマット２０と熱分散装置１０との間に、ヒーターマット２０および熱分散装置１０の各々の出力調整の制御に使用可能な温度センサ３０を配置する。本実施形態では、修理パッチ２５の中央部２５１に対応する位置に温度センサ３０を配置するが、修理パッチ２５の周縁部２５２に温度センサ３０を配置することもできる。
この温度センサ３０により計測された温度を用いて、第１コントロールユニット３１によるヒーターマット２０の出力調整、および第２コントロールユニット３２による熱分散装置１０の内部ヒーター１４の出力調整が行われる。

温度センサ３０としては、例えば、熱電対を用いることができる。
熱分散装置１０は、本実施形態ではヒーターマット２０と略同じ寸法および形状に形成されるので、ヒーターマット２０の第２面２０２の全面に重ねられる（平面図である図２（ｂ）参照）。そして、バッグ１２がヒーターマット２０の第２面２０２に密着する。
熱分散装置１０には、出力を調整可能な第２コントロールユニット３２が接続される。

次に、ヒーターマット２０に通電し、修理材２４を加熱する（加熱ステップＳ６）。
この加熱ステップＳ６では、熱分散装置１０の内部ヒーター１４により液体１１を加熱するとともに、ポンプ１６により液体１１を回路１３に沿って循環させる。
内部ヒーター１４およびポンプ１６の作動を開始するタイミングは任意であり、ヒーターマット２０による加熱開始時と同時でなくても、その前後であってもよい。加熱ステップＳ６の前より内部ヒーター１４を作動させることで、液体１１を予熱しておくことも有効である。
なお、温度センサ３０、第１コントロールユニット３１、および第２コントロールユニット３２を用いる温度制御については後述する。

加熱により、修理材２４が硬化に必要な温度にまで達すると、修理パッチ２５およびフィルム状接着剤２６に含まれる熱硬化性樹脂が硬化する。
ここで、ヒーターマット２０により覆われる加熱範囲において、スキン２１の板厚が均一であれば、中央部２５１および周縁部２５２を含む加熱範囲の全体に亘り熱容量が同一であるため、ヒーターマット２０の第１面２０１の略全体から発せられる熱が、加熱範囲において均一に伝導する。修理材２４の厚みに適合する出力のヒーターマット２０が用いられていれば、ヒーターマット２０の第１面２０１からの距離による厚み方向の温度勾配は少ないため、修理材２４は厚みの全体に亘り加熱される。
しかし、加熱範囲において板厚が変化していると、板厚が大である箇所は、熱容量が大きいために、他の箇所と同じ熱を入力しても温度が上昇し難い。
また、加熱範囲において、スキン２１の裏側に何も設けられていない所と、リブ、ストリンガ、装備品などの物３３が設けられている所とが混在している場合も、物３３が設けられる箇所は、熱容量が大きいために、他の箇所と同じ熱を入力しても温度が上昇し難い。
もし、ヒーターマット２０の能力が、スキン２１の板厚が大である箇所や、スキン２１の裏側に物３３が設けられる箇所の熱容量が問題とならない程、顕著に高い場合は、加熱範囲に温度差が出現しないが、現実的な出力のヒーターマット２０を用いる限り、ヒーターマット２０の第１面２０１から均一な熱が発せられていても加熱範囲に温度差が出現しうる。

加熱範囲の温度差は、上記に挙げた理由の他、加熱範囲の周縁部においてヒーターマット２０の側面やスキン２１の表面から外気へと放熱されることを理由としても生じうる。
さらに、加熱範囲の温度差は、凹部２３の全体を埋めるように修理パッチ２５が厚く形成される場合、熱可塑性樹脂が硬化する過程で発する熱（反応熱）が修理パッチ２５の中央部２５１に溜まり易いことを理由としても生じうる。

以上より、ヒーターマット２０から修理パッチ２５の表面の略全域に亘り均一な熱が入力されたとしても、修理材２４を均一に加熱することは難しい。
そのため、修理にあたり、事前に、接着させないための剥離可能なフィルムを介して凹部２３内に修理パッチ２５を配置した上で、加熱範囲における複数の箇所の温度を温度センサにより計測し、熱が不足する箇所に保温材を配置することが考えられる。熱が集中する箇所には放熱フィンを配置してもよい。
加熱範囲の温度差は、スキン２１の板厚変化やスキン２１の裏側の構造物等の有無を大きな要因として生じるので、実際の修理箇所で温度を計測する方法は妥当である。
しかし、保温材の位置やサイズを変えて温度計測を幾度も行い、適切な保温材の位置やサイズを定めるのには多大な時間および手間を要する。
しかも、事前の温度計測時と本番の修理時とにおける周囲温度の相違、剥離フィルムの除去による放熱の促進、あるいは温度計測ミスなどに起因して、加熱範囲に温度差が生じる可能性を排除できない。

そこで、本実施形態では、熱分散装置１０を用いることにより、加熱範囲に生じる温度差を抜本的に解決する。
熱分散装置１０には、ヒーターマット２０の第２面２０２から熱が伝達される。すると、第２面２０２付近に位置するバッグ１２内の液体１１が膨張してそれよりも上方の液体１１に比べて密度が小さくなるので、密度差により浮力が生じる。
また、熱分散装置１０は、ヒーターマット２０を介して修理材２４に熱的に結合しており、熱分散装置１０にも、加熱範囲の温度差に対応する温度差が生じる。そのため、相対的に高温である箇所では低温である箇所と比べて液体１１がより膨張して密度が小さくなる。
以上により、高温箇所と低温箇所との間で液体１１の対流が起こる。

対流により、バッグ１２内の液体１１の温度が平均化されると、ヒーターマット２０を介して熱分散装置１０と熱的に結合された修理材２４において熱の移動が起こる。
例えば、修理パッチ２５の中央部２５１が相対的に高温であり、修理パッチ２５の周縁部２５２が相対的に低温である場合は、中央部２５１では修理パッチ２５から液体１１へと放熱され、周縁部２５２では液体１１から修理パッチ２５へと熱が移動する。
そうすると、修理パッチ２５の中央部２５１の熱が液体１１を介して周縁部２５２に分散されるので、修理材２４の熱が均熱化されることとなる。
しかも、ヒーターマット２０に熱分散装置１０が重ねられることにより、ヒーターマット２０の第２面２０２からの放熱を防ぐことができるので、加熱効率を向上させることができる。

以上のように熱分散装置１０により均熱化を図ると、修理材２４の全体が、熱硬化性樹脂の硬化に必要な温度にまで達する。そして、熱硬化性樹脂が硬化を終えるまで加熱することで、修理パッチ２５の全体が硬化するとともに、フィルム状接着剤２６の全体が硬化して接着層を形成し、接着層を介して修理パッチ２５がスキン２１に接合される。
以上により、スキン２１の修理が完了する。

本実施形態によれば、熱分布調査に基づいて保温材の配置を試す事前作業を必要とすることなく、熱分散装置１０により均熱化を図ることができる。
したがって、修理にすぐに着手し、修理材２４の全体を熱硬化性樹脂の硬化に必要な温度にまで速やかに上昇させて品質が高い修理を行うことができる。

また、本実施形態では、バッグ１２内の液体１１が内部ヒーター１４により加熱されるので、ヒーターマット２０から発せられる熱が液体１１によって吸収されることなく、ヒーターマット２０の能力を維持することができる。

さらに、バッグ１２内の回路１３により液体１１が案内されることで、液体１１の流動が促進されるので、効率よく均熱化することができる。
その上、本実施形態では、ポンプ１６により液体１１を強制的に流動させているので、バッグ１２内の液体１１の流動による熱分散が促進され、より効率よく均熱化を図ることができる。

以上に加えて、本実施形態では、温度センサ３０、第１コントロールユニット３１および第２コントロールユニット３２を使用することにより、温度制御を行うことができる。
ここで、修理材２４に含まれる熱硬化性樹脂の硬化に必要な温度に対応して、温度センサ３０の設置箇所における目標温度を第１コントロールユニット３１に設定する。ここでは、第１コントロールユニット３１における目標温度が１５０℃であるものとする。第１コントロールユニット３１は、目標温度に対する計測温度の偏差を解消するようにフィードバック制御を行う。

したがって、第１コントロールユニット３１は、温度センサ３０により１７０℃が計測されたとすると、計測温度が１５０℃となるようにヒーターマット２０の出力を下げるが、温度センサ３０による計測温度が依然として１５０℃を上回るとする。
その場合、第２コントロールユニット３２は、内部ヒーター１４への通電をオフにするか、内部ヒーター１４の出力を下げる。そうすると、温度が低下した液体１１によりヒーターマット２０の熱が吸収されるので、修理材２４の温度を下げることができる。修理材２４の温度低下に連動して、温度センサ３０による計測温度も下がる。
その後、温度センサ３０による計測温度が目標温度を下回れば、第２コントロールユニット３２により内部ヒーター１４の通電をオンするか、あるいは内部ヒーター１４の出力を上げればよい。

また、上記の場合とは逆に、温度センサ３０による計測温度が目標温度よりも低いとすれば、第１コントロールユニット３１はヒーターマット２０の出力を上げるが、それでも計測温度が目標温度に達しない場合に、第２コントロールユニット３２は、内部ヒーター１４の出力を上げることで、ヒーターマット２０による加熱を補助することができる。

以上のように、内部ヒーター１４の通電、出力を調整する第２コントロールユニット３２が設けられていると、広範な周辺温度が想定される修理現場において、ヒーターマット２０の出力調整範囲を逸脱する事態が生じたとしても、修理箇所に設置したヒーターマット２０および熱分散装置１０などの装置構成を変更することなく、第２コントロールユニット３２の操作のみで、修理を続行することができる。
温度制御に用いる温度センサ３０は、修理パッチ２５とヒーターマット２０との間に配置することも可能であるが、未硬化のプリプレグが用いられた修理パッチ２５の表面に転写されることを避けるため、本実施形態のようにヒーターマット２０と熱分散装置１０との間に配置することが好ましい。

なお、第２コントロールユニット３２により、液体１１の温度を所定範囲に保つために内部ヒーター１４の通電をオンオフする、あるいは出力を可変に調整することもできる。その場合、バッグ１２内に液体１１の温度を計測する温度センサを設け、その計測温度を用いてフィードバック制御を行えばよい。

液体１１の温度制御と併用して、あるいは単独で、ポンプ１６の能力を可変に制御することもできる。
その場合、バッグ１２内の複数箇所の温度を温度センサにより計測することが好ましい。
例えば、修理パッチ２５の中央部２５１に対応する位置と、修理パッチ２５の周縁部２５２に対応する位置とでそれぞれ計測された温度の差が大きい場合、ポンプ１６の回転を可変に制御するコントロール部により、ポンプ１６の能力を上げる。すると、バッグ１２内の液体１１の流動が促進されるので、中央部２５１と周縁部２５２との間の温度差を早期に解消することができる。

上述の温度制御は、バッグ１２内に設定した複数の領域の各々に対して個別に行うこともできる。
例えば、図４に示すように、バッグ１２内が、バッグ１２の平面中央に位置する中央領域１２１と、中央領域１２１よりも外側に位置する周囲領域１２２とに区画されるとする。
中央領域１２１は、修理パッチ２５の中央部２５１に対向する。
周囲領域１２２は、修理パッチ２５の周縁部２５２に対向する。
第２コントロールユニット３２は、中央部２５１および周縁部２５２の各々に封入された液体１１の温度を各領域に設けられた温度センサによる計測温度を用いて制御する。

上記のように中央領域１２１と周囲領域１２２とにバッグ１２内が区分されていると、熱が溜まり易い平面中央部と、その周囲との間の温度差が大きい場合に有利である。平面中央部を放熱させるために中央領域１２１には低温の液体１１を循環させる一方、周囲領域１２２にはそれよりも高温の液体１１を循環させて必要温度を確保することにより、効率よく均熱化を図って修理することができる。
なお、想定される温度分布に応じて、バッグ１２内を任意の形態に区画することができる。

図５は、本発明の変形例に係る熱分散装置４０を示す。
熱分散装置４０は、上述した内部ヒーター１４を内蔵する代わりに、液体１１を加熱する外部ヒーター４１に接続される。
外部ヒーター４１は、バッグ１２内から液体１１を流出させる出口部４２と、バッグ１２内へと液体１１を流入させる入口部４３とを介して熱分散装置４０に接続されるケース４４と、ケース４４内に設けられる図示しない電熱線と、ケース４４内の液体１１の温度を制御するコントロールユニット４５とを備える。
ケース４４内には、必要に応じてポンプが設けられる。そのポンプにより、上述のポンプ１６（図１（ｂ））を兼ねることができる。
コントロールユニット４５は、ケース４４内に設けられた温度センサによる計測温度を用いて液体１１の温度を制御する。コントロールユニット４５は、上述の第２コントロールユニット３２の代わりに用いることができる。

ヒーターマット２０により修理材２４を加熱する際は、外部ヒーター４１の電熱線に通電し、外部ヒーター４１にポンプが設けられる場合はポンプも作動させる。
外部ヒーター４１は、出口部４２を介してバッグ１２内からケース４４内へと引きこまれた液体１１を電熱線により加熱し、入口部４３を介してバッグ１２内へと戻す。
そうすると、ヒーターマット２０から発せられる熱が液体１１により吸収されることなく、ヒーターマット２０の能力を維持することができる。

図６（ａ）は、別の変形例に係る熱分散装置７０を示す。熱分散装置７０が備えるバッグ７２の内部には、渦巻状の回路７３が形成されている。バッグ７２内には、一対の渦巻状の周壁７３１，７３２が設けられている。これらの周壁７３１，７３２が１８０°位相をずらして互いに噛み合うように配置されることで、周壁７３１，７３２の間に、バッグ７２内を周回しながら内周側に向かう往路７３Ａと、バッグ７２内を周回しながら外周側に向かう復路７３Ｂとが形成される。

バッグ７２の一端側には、回路７３に挿入されるポンプ１６が接続される。ポンプ１６は、復路７３Ｂを流れる液体１１を引き込み、往路７３Ａへと押し出す。ポンプ１６は、往路７３Ａと復路７３Ｂのうちの一方（ここでは往路７３Ａ）と、バッグ７２の外周に沿った経路７４を介して接続される。

回路７３が渦巻状に形成されていると、液体１１は、回路７３に沿ってバッグ７２の全面を通りながら、外周側から内周側へ、そして再び外周側へと流動するので、平面中央に溜まり易い熱を周囲に効率よく分散させることができる。

バッグ７２の形状は、円形に限らず矩形であってもよい。回路７３の渦巻きの形態を直線で模擬し、矩形状に改変することもできる（図６（ｃ）参照）。

また、図６（ｂ）に示すように、バッグ７２内を厚み方向に２つに区切り、例えば上層７２１に往路７３Ａ、下層７２２に復路７３Ｂを配置することもできる。その場合、図６（ｃ）に示すように、渦巻状の周壁７３１，７３２を同一の位相で配置することができる。往路７３Ａと復路７３Ｂとは、渦巻の中心部に設けられた孔７５を介して接続することができる。

本発明の熱分散装置は、上述した修理のほか、部材同士を接合するために用いることもできる。
図７に示すように、第１部材５１と第２部材５２とは熱硬化性樹脂から形成された接着剤５３により接合される。
ここでは、第１部材５１および第２部材５２は寸法が同じ板状の部材であり、第２部材５２の厚みは第１部材５１よりも薄い。
なお、第１部材５１および第２部材５２は、板状に限らず、任意の形態であってよい。また、両者の寸法は異なっていてもよい。

本例では、第２部材５２に第１部材５１を重ね、それら第１部材５１および第２部材５２の界面に配置した接着剤５３により第１部材５１と第２部材５２とを接合する。

第１部材５１と第２部材５２を接合する際は、まず、第１部材５１および第２部材５２の間に接着剤５３を配置する（接着剤配置ステップ）。例えば、液状の熱硬化性接着剤を塗布したり、フィルム状に成形された熱硬化性接着剤を第１部材５１と第２部材５２との間に挟み込むことができる。
次に、ヒーターマット２０の第１面２０１側を第１部材５１に配置する（ヒーターマット配置ステップ）。ヒーターマット２０は、第１部材５１と縦横の寸法が同等のものを用いる。
さらに、ヒーターマット２０の第２面２０２に熱分散装置１０を重ねる（熱分散装置配置ステップ）。熱分散装置１０の代わりに熱分散装置４０（図５）を用いてもよい。
そして、ヒーターマット２０により第１部材５１を介して接着剤５３を加熱する（加熱ステップ）。
加熱時、ヒーターマット２０による加熱範囲に温度差が生じたとしても、上記実施形態と同様に、熱分散装置１０のバッグ１２内の液体１１の流動により、相対的に高温の箇所から低温の箇所へと熱が分散されるので、接着剤５３が均一に加熱される。そして接着剤５３の全体に亘り、熱硬化性樹脂を硬化させることができる。

本発明は、主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明の熱分散装置は、ヒーターマット２０の第２面２０２の一部の領域にのみ配置することもできる。
但し、液体１１の流動により均熱化を図るため、相対的に高温であると見込まれる箇所と、低温であると見込まれる箇所とを含む範囲に熱分散装置を配置することが望まれる。

本発明の熱分散装置によれば、熱分布調査に基づいて保温材の配置を定める事前作業を廃止することが可能である。このため、保温材を配置する場合は不可欠であった熱分布調査を行うことは必須ではない。しかし、本発明の熱分散装置を用いて修理、接合を行う際に、熱分布調査を行ってもよい。熱分布調査により、例えば、適合するヒーターマット２０の能力、サイズ、熱分散装置１０のサイズ、液体１１の封入量等を決定することができる。

本発明の熱分散装置が備えるバッグとして、２枚のフィルムが周縁部で封止されたものも採用することができる。その場合も、回路を形成する構造物をフィルムの間に配置することにより、フィルム間に封入された液体１１を回路に沿って循環させることができる。

上記実施形態では、熱分散装置１０のバッグ１２内の液体１１を強制的に流動させるために、熱分散装置１０にポンプ１６を接続しているが、ポンプ１６に代えて、バッグ１２内の液体１１を撹拌する羽根車等を設けることも本発明は許容する。

本発明の修理方法により修理される部材、あるいは本発明の接合方法により接合される部材は、繊維強化樹脂、金属材料等、任意の材料から形成することができる。また、単一の素材から形成された部材に限らず、ハニカムコア等の芯材を板材で挟んだサンドイッチ構造の部材を対象として修理、接合を行うこともできる。

また、本発明の修理方法で用いる修理材も、繊維強化樹脂、金属材料等、任意の材料から形成することができる。
また、本発明は、加熱されることを経て硬化する樹脂として、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂を用いることも許容する。

本発明において、加熱対象に向けられるヒーターマットの第１面にも熱分散装置を配置することで、その熱分散装置と、第２面に配置された熱分散装置との間にヒーターマットを挟むことも有効である。２つの熱分散装置を用いることにより、保温、放熱、熱分散の能力を向上させることができる。

１０ 熱分散装置
１１ 液体
１２ バッグ
１３ 回路
１３Ａ 外側壁
１３Ｂ 内側壁
１４ 内部ヒーター（内部熱源）
１５ 電熱線
１６ ポンプ（強制流動部）
２０ ヒーターマット
２１ スキン（航空機部材）
２３ 凹部
２４ 修理材（加熱対象）
２５ 修理パッチ
２６ フィルム状接着剤
２７ バキュームフィルム
２８ バルブ
２９ シーラント材
３０ 温度センサ
３１ 第１コントロールユニット
３２ 第２コントロールユニット
３３ 物
４０ 熱分散装置
４１ 外部ヒーター（外部熱源）
４２ 出口部
４３ 入口部
４４ ケース
４５ コントロールユニット
５１ 第１部材
５２ 第２部材
５３ 接着剤（加熱対象）
６１ 保温材
６２ 剥離フィルム
１２１ 中央領域
１２２ 周囲領域
１３１ 蛇行部
１３２ 帰還部
２０１ 第１面
２０２ 第２面
２５１ 中央部
２５２ 周縁部
ＩＮ 入口流路
ＯＵＴ 出口流路
Ｓ１ 除去ステップ
Ｓ２ 修理パッチ配置ステップ
Ｓ３ 減圧ステップ
Ｓ４ ヒーターマット配置ステップ
Ｓ５ 熱分散装置配置ステップ
Ｓ６ 加熱ステップ
Ｗ 幅方向

Claims (9)

1. 液体が封入されたバッグと、
   前記液体の温度を制御する制御部と、を備える熱分散装置であって、
   前記バッグは、
   加熱対象に向けられる第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの前記第２面に配置され、
   前記バッグの内側は、平面中央の近傍に位置する中央領域と、平面方向において前記中央領域よりも外側に位置する周囲領域とに区画され、
   前記制御部は、前記中央領域の前記液体の温度および前記周囲領域の前記液体の温度を個別に制御する、
   ことを特徴とする熱分散装置。
2. 前記加熱対象は、
   航空機を構成する航空機部材、または前記航空機部材の修理に用いられる修理材である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱分散装置。
3. 液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの前記第２面に配置されている熱分散装置を用いる修理方法であって、
   修理対象である部材に加熱を経て硬化する樹脂を含む修理材を配置するステップと、
   前記ヒーターマットの前記第１面を前記修理材に向け、前記ヒーターマットにより前記修理材を覆うステップと、
   前記ヒーターマットの前記第２面に前記熱分散装置を配置するステップと、
   前記ヒーターマットにより前記修理材を加熱するステップと、を備え、
   前記修理材を加熱するステップでは、
   前記バッグ内に内蔵された熱源または前記熱分散装置に接続された熱源により、前記液体を加熱する、
   ことを特徴とする修理方法。
4. 液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの前記第２面に配置されている熱分散装置を用いる修理方法であって、
   修理対象である部材に加熱を経て硬化する樹脂を含む修理材を配置するステップと、
   前記ヒーターマットの前記第１面を前記修理材に向け、前記ヒーターマットにより前記修理材を覆うステップと、
   前記ヒーターマットの前記第２面に前記熱分散装置を配置するステップと、
   前記ヒーターマットにより前記修理材を加熱するステップと、を備え、
   前記修理材を加熱するステップでは、
   前記液体を強制的に流動させる、
   ことを特徴とする修理方法。
5. 前記修理材は、
   熱硬化性樹脂および繊維基材から形成されたプリプレグを含む、
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の修理方法。
6. 前記部材は、
   繊維強化樹脂を用いて形成される、
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の修理方法。
7. 前記部材は、
   航空機を構成する航空機部材である、
   ことを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の修理方法。
8. 液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの前記第２面に配置されている熱分散装置を用いる接合方法であって、
   互いに接合される第１部材および第２部材の間に加熱を経て硬化する樹脂を含む接着剤を配置するステップと、
   前記ヒーターマットの前記第１面側を前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方に配置するステップと、
   前記ヒーターマットの前記第２面に前記熱分散装置を配置するステップと、
   前記ヒーターマットにより前記接着剤を加熱するステップと、を備え、
   前記接着剤を加熱するステップでは、
   前記バッグ内に内蔵された熱源または前記熱分散装置に接続された熱源により、前記液体を加熱する、
   ことを特徴とする接合方法。
9. 液体が封入されたバッグを備え、加熱対象に向けられる第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有するヒーターマットの前記第２面に配置されている熱分散装置を用いる接合方法であって、
   互いに接合される第１部材および第２部材の間に加熱を経て硬化する樹脂を含む接着剤を配置するステップと、
   前記ヒーターマットの前記第１面側を前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方に配置するステップと、
   前記ヒーターマットの前記第２面に前記熱分散装置を配置するステップと、
   前記ヒーターマットにより前記接着剤を加熱するステップと、を備え、
   前記接着剤を加熱するステップでは、
   前記液体を強制的に流動させる、
   ことを特徴とする接合方法。

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