JP7124053B2 - ヒータ素子およびヒータ素子を製造する方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、概して、電熱式ヒータマットのヒータ素子およびヒータ素子を製造する方法に関する。本発明は、特に、防除氷システムで使用するための電熱式ヒータマットに関するが、これに限定されるものではない。電熱式ヒータマットは、氷が表面に形成される可能性のある用途範囲に適しており、特に航空機、または風力タービンのブレードのようなその他の空気力学的構造物において、氷の形成を阻止するために、かつ／または既に形成された氷を除去するために使用するのに適している。これら２つの機能は、それぞれ防氷および除氷と呼ぶことができる。

発明の背景
航空機にとって、飛行中、航空機の外表面上に氷が形成されるのは望ましくない。氷は、航空機表面に沿った滑らかな空気の流れを破壊し、抗力を増加させ、さらには、意図した機能を実施するための翼形の能力を減少させる。

さらに、形成された氷は、翼スラットまたはフラップのような可動の制御面の動きを妨げる恐れがある。エンジンの空気入口に形成された氷は、大きな塊となって突然、流されることがあり、このような塊は、エンジン内に吸い込まれ、損傷を引き起こす恐れがある。

したがって、航空機、特に民間航空機では、防除氷システムを組み込むのが一般的である。民間航空機では、エンジンからの高温空気の抽出を含むシステムが使用されることがあり、この高温空気は、氷の形成を起こし易い翼の前縁および尾翼のような機体構成要素に送られる。さらに最近では、電熱式ヒータブランケットまたはマットを包含するノーズ外板を有する翼スラットを開示する欧州特許出願公開第１７５７５１９号明細書（GKN Aerospace）に記載されているような、電気動力システムが提案されている。ヒータマットは、ノーズ外板の前側の外面を備えた金属エロージョンシールドの背面に接着される。

ヒータマットは「Spraymat」（登録商標）型式であって、予め含浸されたガラスファイバクロスから成る複数の誘電体層と、これらの誘電体層のうちの１つの誘電体層上に金属層を溶射することにより形成されるヒータ素子とを備えたラミネート製品である。「Spraymat」は、D. Napier & Sons Limited社による１９５０年代の最初の開発から（航空機のための電気除氷または防氷装置に関する当社の特許GB－８３３６７５参照）、GKN Aerospace社によるその後の使用まで、長い歴史を有する。

翼スラットでの使用のために、近年、GKN Aerospace社によって生産された「Spraymat」は、雄型工具上に形成され、複数の層から成る積層体の積層を含み、この積層体は、（i）オートクレーブにおいて硬化されるエポキシが予め含浸された約１０層のガラスファイバ織布、（ii）以前の製品で行われたように、ヒータ素子パターンを形成するためにマスクを使用してラミネート上に溶射された伝導金属層（ヒータ素子）、（iii）ガラスファイバ織布から成る最後の３つ前後の層、を備える。配線は、航空機の電力系統への接続を可能にするように、ヒータ素子にはんだ付けされる。次いでヒータマットはオートクレーブで硬化される。

ヒータマットは、多くの場合、ヒータマットのヒータ素子に関する欠陥を検出するために安全装置として伝導性のグラウンド層を包含する。グラウンド層は、航空機のアースと、制御ユニットとに接続されている。

ヒータマットは概して極めて信頼性が高い。しかしながら、万が一、ヒータマットのヒータ素子が、ヒータ焼損の形で故障した場合には、電流は、グラウンド層を経由して航空機のアースへと漏れて、制御ユニットにより、電流におけるこの変化を検出することができ、ヒータマットの構造に対する熱的損傷を阻止するための措置を講じることができる。

GKN Aerospace社は近年、ヒータ素子とグラウンド層とを、（銅または銅合金のような）溶射された金属層として施工する技術を開発した。この場合、ヒータ素子またはグラウンド層は、以前に使用されていた熱硬化性材料（例えば、エポキシ樹脂）の代わりに熱可塑性材料から製作された誘電体層の上に（マスクを使用して）スプレーされる。このような新しい形式のヒータ素子およびグラウンド層のための装置は、英国特許出願公開第２４７７３３６号明細書から英国特許出願公開第２４７７３４０号明細書（全て、GKN Aerospace社による）までに記載されており、これら明細書の開示事項は、引用により本明細書に包含される。

ヒータ素子に関してこの技術を使用する場合、所望のヒータ素子ジオメトリに関する必要な精度と許容誤差を達成するために、溶射中にマスクが使用される。金属または合金がマスクの上に（マスクにおける開口のパターンの上に、かつ開口に隣接するマスクの領域の上に、または実質的に全てのマスク表面の上に）溶射され、次いでマスクは除去され、誘電体層の表面上に、パターンの形状のヒータ素子が残される。

ヒータ素子が敷設される場所をマスクが事前に規定するので、ヒータ素子のトラックに沿った様々な位置に、ヒータ素子の厚さに関する予め規定されるバリエーションを製作する可能性は、溶射プロセスによっては限定的に提供される。厚さのバリエーション（高さに関するバリエーション）は、望ましくない局所的なホットスポットおよびコールドスポットを回避するためにヒータ素子のトラックの長さに沿って電流を調整し、均衡を保つ目的で望ましい場合があり、またさらに、予め規定するという溶射の性質のため、生産プロセス中に調整された製品を製造するチャンスはない。

全体として、溶射を使用するヒータ素子の付着は、複数の変数により変動し易い、反復的な経験的プロセスである傾向があることがわかった。

ヒータ素子は、バスバー（配電トラック）と、バスバーに接続される加熱トラックとを備えていてよい。バスバーは銅合金を含み、加熱トラックは、アルミニウム・銅合金を含んでいてよい。合金は、別個に溶射されなければならないので、別個のマスクが必要である。これにより、ヒータマットの製造プロセスのコストおよび複雑性が増大する。

大抵は、ヒータマットは平坦（２D）構造で製造され、設置のために非平坦（３D）構造が必要な場合、平坦なヒータマットを屈曲する、または曲げることができる。しかしながら、ヒータマットを非平坦（３D）構造で製作すべき場合には、マスキングの手順はより複雑になり、時間がかかる。

銅のバスバーを製造するためにマスクを使用する代わりに、プリント回路基板（PCB）スタイルのエッチングプロセスを使用することができるが、このプロセスは、PCBスタイルエッチングのためにしばしば第三者を使用しなければならず、銅材料の殆どが（しばしば、銅材料の約９９％が）エッチングプロセス中に失われるので、ヒータマットの製造プロセス全体で多大なる追加コストを要する。

ヒータマットの製造中に適応性を可能にする改善されたヒータ素子の提供が所望される。

発明の概要
本発明の第１の態様によれば、請求項１に記載の電熱式ヒータマットを製造する方法が提供される。この方法は、典型的には以下の工程：複数の誘電体層を設ける工程；レーザ粉末吹付けプロセス（laser blown powder process）を使用して誘電体層のうちの第１の層の上にヒータ素子を付着させる工程；誘電体層とヒータ素子とを備えた積層体を形成する工程；積層体の複数の誘電体層を共にラミネートする工程；を有する。

ヒータ素子を溶射する従来の技術と比較して、レーザ粉末吹付け（LBP）プロセス（これは付加製造（AM）の一形態である）を使用してヒータ素子を付着させる技術は、ヒータ素子の敷設の精度を向上させる。

本願の好適な実施の形態では、ヒータ素子の付着の際にマスクは使用されない。

マスクを使用しないことにより、ヒータ素子の特別な（新しい）パターンのために必要なマスクを製作しなければならないことにより生じる遅れがないので、製造プロセスはシンプルになり、加速される。異なるヒータ素子パターンを備えた一連のヒータマットを製作する際には、異なるヒータ素子の付着のためにマスクを配置し、次いで、除去する必要がないので、レーザ粉末吹付け付着機は、異なるヒータ素子パターンに関連するヒータ素子の位置および構造における変更に容易に対応することができる。

連続的なヒータマットにおいて、一連の様々なヒータ素子パターンが必要な場合には、第１のヒータ素子の付着から、次のヒータ素子としての第２の異なるヒータ素子の付着へと連続的に切り替えられるように、機械を簡単にプログラムすることができる。

レーザ粉末吹付けプロセスは、除去プロセスというよりはむしろ付加プロセスであるので、銅バスバー製造のためのエッチングと比較して、無駄になる銅の量は大幅に減じられる。

いくつかの実施の形態では、前記第１の誘電体層は、熱可塑性材料を含む。

いくつかの実施の形態では、各誘電体層は、熱可塑性材料を含む。

例えば、熱可塑性材料は、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PEKK（ポリエーテルケトンケトン）、PPS（ポリフェニレンスルファイド）、PEI（ポリエーテルイミド）、もしくはPES（ポリエーテルスルホン）、またはこれらの混合物を含んでいてよい。選択的に、熱可塑性材料は、PEEK、PEKK、またはこれらの混合物を含む。材料が、ナノセラミック誘電体、例えばナノセラミック誘電クロスであり得ることも考えられる。

いくつかの実施の形態では、ヒータ素子は、加熱トラックとバスバーとを備えており；ヒータ素子を付着させる工程の間に、加熱トラックの付着のために第１の金属粉末を使用し、バスバーの付着のために異なる第２の金属粉末が使用される。

例えば、第２の金属粉末は、銅粉末であってよい。このような粉末は、レーザ粉末吹付けプロセスでの使用のために市販されている。

第１の粉末は、アルミニウム・銅合金であってよい。このような粉末は、その合金から成る既存の線材をアトマイズすることにより製作することができる。

さらに、製作中、２種類以上の材料を敷設することができ、これにより、製造プロセス中、ヒータ素子を形成する材料を敷設に際して変更できることも想定されている。このプロセスは、ホッパから材料を供給する工程を有し、次いで、この材料は、ヒータ素子を形成する規定された混合物を形成するために混合されるか、または必要に応じて材料の層がヒータ素子を形成するように、材料を順番に敷設することができる。

いくつかの実施の形態では、第１の金属粉末の供給部および第２の金属粉末の供給部に付着工具が接続されており、付着工具は、第１のトラック構成要素（例えば、加熱トラック）の付着と第２のトラック構成要素（例えば、バスバー）の付着とを切り替える際に、第１の金属粉末の供給部の使用と第２の金属粉末の供給部の使用を移行させるように構成されている、またはその逆の切替の際に逆の移行をさせるように構成されている。このようにして、付着プロセス中に付着される金属の組成を変更することができる。

いくつかの実施の形態では、移行中に、第１の粉末と第２の粉末との混合物が付着されるように、移行が徐々に行われる。

いくつかの実施の形態では、ヒータ素子は、第１の厚さを有する第１の長さと、第２の厚さを有する第２の長さと、を有しており；ヒータ素子を付着させる工程の間に、第２の長さよりも第１の長さにおいて、粉末の厚さが厚く付着されるように、付着工具が配置される。

したがって、ヒータ素子特徴の周りの電流の流れの均衡を保つために、設計プロセス中に、付着の厚さ（高さ）を、ヒータ素子のジオメトリに合わせて調整することができる。これにより、望ましくないホットスポットおよびコールドスポットを回避することができる。

いくつかの実施の形態では、長さに沿った様々な点でのヒータ素子（または、加熱トラックのようなヒータ素子構成要素）の厚さにおけるバリエーションは、最小厚さT１から最大厚さT２までであってよく、この場合、T２は、３×T１、または２×T１、または１．５×T１、または１．２×T１である。

いくつかの実施の形態では、ヒータ素子を付着させる工程の間に、第１の誘電体層が非平面層であり、付着工具は、非平面の付着経路に追動する。したがって、本発明の方法を、３Dのヒータ素子ジオメトリを製作するために使用することができる。

本発明の第２の態様によれば、レーザ軸線と粉末供給軸線との交点における付着位置を規定する付着工具を有するレーザ粉末吹付け付着機と、付着位置に位置する面を有する誘電体層と、を備えた製造機械が提供される。

本発明の第１の態様の特徴を、本発明の第２の態様に、必要な変更を加えて適用することができ、逆に本発明の第２の態様の特徴を、本発明の第１の態様に、必要な変更を加えて適用することもできる。

以下に、本発明のいくつかの実施の形態を単なる一例として添付の図面を参照しながら説明する。

翼の前縁にスラットを有する航空機の図式的な平面図である。 図１の１つの翼スラットのノーズ外板の図式的な斜視図である。 本発明の製造方法の実施の形態の１つの段階を図式的に示す図である。 本発明の製造方法の実施の形態の１つの段階を図式的に示す図である。 本発明の製造方法の実施の形態の１つの段階を図式的に示す図である。 図３に示したヒータ素子を敷設するための装置を図式的に示す図である。 図６の変化態様を図示的に示す図であり、この場合、ヒータ素子は３次元で敷設されている。

本発明は、様々な変更および代替形態が可能であるが、いくつかの実施の形態が、例として図面に示され、本明細書で詳細に説明される。しかし、これらの実施の形態の図面および詳細な説明は、開示された特定の形態に本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。さらに、個々の実施の形態が論じられているかもしれないが、本発明はそれらの実施の形態の組み合わせを網羅することを意図している。本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の思想および範囲内にある全ての改変、等価物、および代替物を包含する。

いくつかの実施の形態の説明
図１は、翼１１を有する航空機１の平面図であって、翼１１の前縁（前方縁）に沿って、５つの翼スラット１２が配置されている。各翼スラット１２は、電熱式防除氷システムを包含する。

図２は、図１の翼スラット１２のうちの１つの取り外し可能なノーズ外板１３の図式的な斜視図である。ノーズ外板１３の構成は、ノーズ外板を備えた取り外し可能な前方部分を有する翼スラットが開示されている欧州特許出願公開第１７５７５１９号明細書（GKN Aerospace）に記載のものと概ね同様であってよい。

ノーズ外板１３は、エロージョンシールド１４と電動ヒータ２とを備えている。

ヒータ２は、ヒータブランケットまたはマット３と、このヒータマット３を、関連する電源および制御電子機器に接続するワイヤまたは電線４の束とを備えている。

エロージョンシールド１４は概ね長方形であり、凸状に湾曲した前面１４１と、凹状に湾曲した背面１４２とを有している。前面１４１の頂点１４１１は、航空機の翼１１の前縁を成す。

ヒータマット３は概ね長方形であり、凸状に湾曲した前面３１と、凹状に湾曲した背面３２とを有している。凸状の前面３１は、エロージョンシールド１４の背面１４２の形状に適合されていて、背面１４２に接合されている。このようにして、ヒータマット３が作動させられる際に発生する熱エネルギは、防除氷機能を提供するために、伝導によってエロージョンシールド１４内へと通される。エロージョンシールド１４は、金属であり、アルミニウムまたはチタンから成っていてよい。エロージョンシールド１４の機能は、雷電流を吸収および分散することにより、落雷から航空機を保護することである。

ヒータマット３の凹状の背面３２は、翼スラット１２の支持構造に取り付けることができる。

図３は、本発明の製造方法の実施の形態の第１段階におけるヒータマット３の誘電体層５１を図式的に示した図である。

誘電体層５１は熱可塑性材料から成っていて、誘電体層上に金属ヒータ素子６が形成されている。ヒータ素子６は、加熱トラック６１と、加熱トラック６１の第１の端部６１１における第１のバスバー６２１と、加熱トラック６１の第２の端部６１２における第２のバスバー６２２とを備えている。バスバー６２１，６２２はワイヤ４に接続されてよい。

図４には次の段階が図式的に示されている。第２の誘電体層５２が、第１の誘電体層５１の上面に配置され、１つの積層体５００が形成される。第２の層５２の材料は、第１の層５１の誘電体材料と適合性がある、または同じである。例えば、PEEK、PEKK、PPS、PEI、もしくはPES、またはこれらの混合物を使用することができる。

さらに複数の誘電体層を、積層体５００に追加することができる。グラウンド層および温度センサのような構成要素を積層体５００に含ませることができる。必要であれば、補強材を含ませることもできる。

図５には工程の次の段階が図式的に示されている。積層体５００が最終形態にあるとき、ラミネートを、図５に示されたヒータマット３の形態のモノシリック構造となるように統合するように、構成要素の積層体に熱と圧力とが加えられる。ラミネート加工は、従来のオートクレーブ、加熱プレス、または大型ラミネートマシンを使用して行われてよい。このような機械は、ラミネートを統合するために、圧力を加えながら、熱可塑性材料の溶融点を超えるように構成要素の積層体を加熱するために使用することができる。

図６には、図３に示したヒータ素子６を敷設するための装置７が図式的に示されている。図６に示したように、誘電体層５１の形態の基板は、レーザ粉末吹付け付着機７２の付着工具７１に隣接するように配置されている。工具７１は、レーザ軸線７１２に沿ってレーザビームを放出するように配置されたレーザ源７１１を含む。第１の粉末供給源７３１と第２の粉末供給源７３２とは、粉末が粉末供給軸線７１４に沿って供給されるように、付着工具７１の粉末管路７１３に通じる供給ライン７３３に供給する。

レーザ軸線７１２と粉末供給軸線７１４とは付着個所７４で交差し、この付着個所では、レーザビームが粉末を溶融させ、（ヒータ素子６の形態の）金属層を、第１の誘電体層５１の面５１１上に敷設する。

ヒータ素子６の加熱トラック６１が敷設されているとき、第１の粉末供給源７３１からのアルミニウム・銅合金粉末を使用することができる。

ヒータ素子６の第１のバスバー６２１または第２のバスバー６２２が敷設されているとき、第２の粉末供給源７３２からの銅粉末を使用することができる。

付着工具７１が異なる構成要素（加熱トラックおよびバスバー）を敷設する場合には、適切な粉末が使用されるように第１の粉末供給源７３１と第２の粉末供給源７３２とを切り替えることができ、これにより、敷設済みの金属は、現在付着中の構成要素にとって適切な金属である。切替（粉末供給源間の移行）は、ゆるやかに行うことができるので、構成要素（加熱トラックおよびバスバー）間のヒータ素子６の移行部分は、第１の粉末および第２の粉末の混合物により形成されている。このような移行部分は、加熱トラック６１の第１の端部６１１および第２の端部６１２に存在してよい。

加熱トラック６１は、金属粉末が第１の厚さ（深さまたは高さ）まで敷設される第１の長さ６１３と、金属粉末が異なる第２の厚さ（深さまたは高さ）まで敷設される第２の長さ６１４とを有していてよい。設計段階で、ヒータ素子６が作動している際の望ましくないホットスポットまたはコールドスポットを回避するために、特定の個所で必要な厚さを計算することができる。計算された厚さは、付着工具７１の付着動作を制御することにより実現することができる。例えば、局所的に増大された厚さが所望されるところでは、工具７１を、付着方向７５で一時的によりゆっくりと動かすことができ、かつ／または（供給源７３１および／または７３２からの）粉末の流量を一時的に増大させることができる。このようにして、特定の場所で加熱トラック６１の抵抗率を、その場所に適切であるように調整することができる。

図７には、図６の変化態様が図式的に示されており、第１の誘電体層５１Bが非平面であることにより、かつ付着工具７１が誘電体層５１Bの湾曲した（例えば凸状の）付着面５１１Bにわたって、非平面の付着経路７５Bに追動することにより、ヒータ素子６は、３次元（３D）で敷設される。

Claims (10)

1. 電熱式ヒータマットを製造する方法であって、
   第１の誘電体層を設ける工程と、
   レーザ粉末吹付けプロセスを使用して前記第１の誘電体層上にヒータ素子を付着させる工程と、
   前記第１の誘電体層と、前記ヒータ素子と、１つ以上の別の誘電体層とを備える積層体を形成する工程と、
   前記積層体の前記第１の誘電体層を前記別の誘電体層と共にラミネートする工程と、
   を有し、
   前記ヒータ素子は、第１の厚さを有する第１の長さと、第２の厚さを有する第２の長さと、を有しており、
   前記ヒータ素子を付着させる前記工程の間に、前記第２の長さよりも前記第１の長さにおいて、粉末の厚さがより厚く付着されるように、付着工具を配置する、電熱式ヒータマットを製造する方法。
2. 前記第１の誘電体層は、熱可塑性材料を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記誘電体層のそれぞれは、熱可塑性材料を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記熱可塑性材料は、PEEK、PEKK、PPS、PEI、もしくはPES、またはこれらの混合物を含む、請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記熱可塑性材料は、PEEK、PEKK、またはこれらの混合物を含む、請求項２または請求項３に記載の方法。
6. 前記熱可塑性材料は、ナノセラミッククロスを含む、請求項２または請求項３に記載の方法。
7. 前記ヒータ素子は、加熱トラックおよびバスバーを備えていて、
   前記ヒータ素子を付着させる前記工程の間に、前記加熱トラックの付着のために第１の金属粉末を使用し、前記バスバーの付着のために異なる第２の金属粉末を使用する、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１の金属粉末の供給部および前記第２の金属粉末の供給部に付着工具が接続されており、前記付着工具は、前記加熱トラックの付着と前記バスバーの付着とを切り替える際に、前記第１の金属粉末の前記供給部の使用と前記第２の金属粉末の前記供給部の使用とを、前記第１の金属粉末の前記供給部から前記第２の金属粉末の前記供給部へ、または、前記第２の金属粉末の前記供給部から前記第１の金属粉末の前記供給部へ移行させるように構成されている、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の金属粉末の前記供給部から前記第２の金属粉末の前記供給部へ、または、前記第２の金属粉末の前記供給部から前記第１の金属粉末の前記供給部への移行中に、前記第１の粉末と前記第２の粉末との混合物が付着されるように、前記移行を徐々に行う、請求項８に記載の方法。
10. 前記ヒータ素子を付着させる前記工程の間に、前記第１の誘電体層は非平面層であり、付着工具を非平面の付着経路に追動させる、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の方法。

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