特許 7500118 ファンブレード、エンジン及び防氷・除氷機能付き構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-07

(45)【発行日】2024-06-17

(54)【発明の名称】ファンブレード、エンジン及び防氷・除氷機能付き構造体

(51)【国際特許分類】

   B64D 15/12 20060101AFI20240610BHJP

   B64D 27/10 20060101ALI20240610BHJP

   F04D 29/38 20060101ALI20240610BHJP

   F04D 29/58 20060101ALI20240610BHJP

   F04D 29/70 20060101ALI20240610BHJP

   B64C 1/00 20060101ALI20240610BHJP

【ＦＩ】

B64D15/12

B64D27/10

F04D29/38 Z

F04D29/58 L

F04D29/70 N

B64C1/00 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023550501

(86)(22)【出願日】2022-09-07

(86)【国際出願番号】 JP2022033524

(87)【国際公開番号】W WO2023053870

(87)【国際公開日】2023-04-06

【審査請求日】2023-12-08

(31)【優先権主張番号】P 2021162473

(32)【優先日】2021-10-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水野 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】谷 和夫

(72)【発明者】

【氏名】北條 正弘

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 正也

【審査官】諸星 圭祐

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１０８８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５３１０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３５３５２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２０３０３５４６６（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｄ １５／１２

Ｂ６４Ｄ ２７／１０

Ｆ０４Ｄ ２９／３８

Ｆ０４Ｄ ２９／５８

Ｆ０４Ｄ ２９／７０

Ｂ６４Ｃ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、
前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記ファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
を具備し、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第１側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第２側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第１の通電部のスパン方向の長さに対する前記第１の通電部に導通された炭素繊維の割合である第１側の導通繊維密度が、前記第２の通電部の前記スパン方向の長さに対する前記第２の通電部に導通された炭素繊維の割合である第２側の導通繊維密度より高い、ことを含み、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、前記複数の層に含まれる炭素繊維の配向は異なり、
前記複数の層から選択された１以上の層を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続することにより、前記第１側の導通繊維密度が前記第２側の導通繊維密度より高い
ファンブレード。

【請求項2】

エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、
前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記ファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
を具備し、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第１側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第２側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記複数の層から選択された１以上の層が、前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続され、
前記１以上の層は、
スパン方向及びコード方向の両方向に対して正に傾斜した第１の方向に配向した炭素繊維を含む第１の層、及び／又は
前記スパン方向及び前記コード方向の両方向に対して負に傾斜した第２の方向に配向した炭素繊維を含む第２の層
を含む
ファンブレード。

【請求項3】

エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、
前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記ファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
を具備し、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第１側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第２側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記第２の通電部のスパン方向の長さは、前記第１の通電部の前記スパン方向の長さより長い
ファンブレード。

【請求項4】

エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、
前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記ファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
を具備し、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第１側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第２側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記複数の層から選択された正圧面側の層が前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続され、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の正圧面側の発熱量が前記ファンブレード本体の負圧面側の発熱量より高い
ファンブレード。

【請求項5】

エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、
前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記ファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
前記ファンブレード本体を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続する第１側導電性接着剤及び第２側導電性接着剤と、
を具備し、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第１側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第２側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第１側導電性接着剤の抵抗値が前記第２側導電性接着剤の抵抗値より高い、ことを含む
ファンブレード。

【請求項6】

請求項５に記載のファンブレードであって、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記第１側導電性接着剤及び前記第２側導電性接着剤は、前記複数の層から選択された１以上の層を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続する
ファンブレード。

【請求項7】

請求項５又は６に記載のファンブレードであって、
前記ファンブレード本体の正圧面側の前記第１側導電性接着剤の抵抗値は、前記ファンブレード本体の負圧面側の前記第１側導電性接着剤の抵抗値より高く、
前記正圧面側の前記第２側導電性接着剤の抵抗値は、前記負圧面側の前記第２側導電性接着剤の抵抗値より低い
ファンブレード。

【請求項8】

請求項１乃至７の何れか一項に記載のファンブレードであって、
前記第１側は、前記ファンブレード本体の前縁側であり、
前記第２側は、前記ファンブレード本体の後縁側である
ファンブレード。

【請求項9】

回転軸と、
回転軸の吸気口側に設けられたファンディスクと、
前記ファンディスクに対して着脱可能に取り付けられ、請求項１乃至８の何れか一項に記載のファンブレードと、
第１の通電部及び第２の通電部ごとにファンディスク側及びファンブレード側にそれぞれ設けられ、前記ファンブレードが前記ファンディスクに取り付けられたときに相互に電気的に接続して前記ファンディスク側の電源と前記第１の通電部及び前記第２の通電部とを通電するための一対の接続端子と、
を具備するエンジン。

【請求項10】

炭素繊維強化プラスチックからなり、気体が流れにより着氷領域を有する板状部材と、
前記着氷領域を含むように前記板状部材の第１側及び第２側にそれぞれ設けられ、前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記板状部材の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
前記板状部材を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続する第１側導電性接着剤及び第２側導電性接着剤と、
を具備し、
前記板状部材の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記板状部材の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第１側導電性接着剤の抵抗値が前記第２側導電性接着剤の抵抗値より高い、ことを含む
防氷・除氷機能付き構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば航空機に用いられるファンブレード、エンジン及び防氷・除氷機能付き構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

近年ファンブレードは、ファンの大型化と共に燃費効率の改善が図られ、異物突入時の耐衝撃性・耐フラッター性の強化の開発が進んできた。しかし、同時にファンブレードの重量が増すことによる、エンジン自身が重くなるという別の根本的課題を有していた。更に、ファンブレードは、航空機が低温環境である高空で飛行することにより、翼の枚数分着氷現象が発生するという特徴を持っている。この着氷現象は、流体と熱の複合的な側面を併せ持つ複雑な自然現象であるが、運航する上でジェットエンジンの性能低下をもたらすと共に、最悪の場合、流路閉塞によるサージ、シェディング（着氷により成長した氷が離脱する現象）によりジェットエンジン内部に機械的損傷を与えるリスクを伴うことから、早急に解決しなければならない重要課題である。

【0003】

前者の燃費効率改善や重量増に対する課題を解決するために、ファンブレードには、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れ、耐候性などの高機能特性を有する複合材料の炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ)の利用が広がっている。

【0004】

炭素繊維強化プラスチックは１９６０年代から樹脂を基材とした複合材料の開発が軍用機を中心に始まり、従来から剛性に優れかつ熱膨張率も極めて低いとうい複合材料の特徴を生かして、現在の航空機では従来の金属材料から置き換わると共に、新たな航空機用途としても実用化が進んでいる。特筆すべきは、現在の複合材料特性は鉄の材料比較で強度と弾性率は２．５倍以上、そして比重は１／４以下とされ、これは機械特性の強化と軽量化が見込めることを示している。実際、近年の動向では、大型航空機、エアバスＡ３５０及びボーイング７８７では複合材料が機体重量の５０％以上に展開されている。

【0005】

後者の着氷に関する課題に対して、機体やエンジンには防氷システムや除氷システムが搭載されている。このようなシステムとして、以下の技術が開示されている。

【0006】

非特許文献１には、エンジンの圧縮機から抽気された高温空気（ブリード・エア）を活用した技術が開示されている。

【0007】

非特許文献２には、電熱線等を張り付ける電熱ヒータを用いた技術が開示されている。

【0008】

非特許文献３には、主翼や尾翼前縁に設けた防氷ブーツ（ゴム膜）に空気を送込んで膨らませ、形状変化を活用した技術が開示されている。

【0009】

特許文献１や２には、着氷し易い部位にコーティングを事前に塗布、焼付またはナノサイズ構造ピン加工を活用した技術が開示されている。

【0010】

特許文献３には、アクチュエータ等の機械的振動を活用した技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０１２－２６３６１号公報

【文献】国際公開第２００８／０８７８６１号

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３２６７１号明細書

【文献】特開２０１９－１０８８１８号公報

【非特許文献】

【0012】

【文献】日本航空技術学会、「航空工学講座３ 航空機システム」、Ｐ１６３

【文献】日本航空技術学会、「航空工学講座８ ジェットエンジン（構造編）」、Ｐ１２０

【文献】日本航空広報部、「航空実用辞典」、朝日ソノラマ、Ｐ１３３－１４４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

ブリード・エアを活用した技術に関しては、エンジン出力が低い時は、防除氷機能が低下することで効果のバラツキが発生し、また抽気によりエンジン出力が低下するため、燃料消費率も悪化する。

【0014】

電熱ヒータに関しては、ファンの薄い部材への設定や加工が困難で、更に空力的な影響を及ぼす。

【0015】

防氷ブーツに関しては、作動させるためにエンジンの圧縮機からの抽気を使用するため翼内部に複雑な機械構造部を設ける必要があり、また防氷ブーツは２、３年周期の短期間で交換が必要になる。

【0016】

防氷コーティングやナノサイズ構造ピンに関しては、経時変化による不安定性と耐久性の欠如がある。

【0017】

アクチュエータ等の機械的振動に関しては、複雑な構造でメンテナンス性が劣り、重量が増す。

【0018】

上記に記載の従来技術においては、着氷の課題に特化した対策技術であり、従来型の航空機仕様に後から付加（追加）された構成および構造から機能を実現する技術であることから、基本仕様に対してより体積・重量が増し、より複雑な構成と構造となり、更に加工やメンテナンスが困難になる事や他への影響が発生することは明らかである。

【0019】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことができるファンブレード、エンジン及び防氷・除氷機能付き構造体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明の一形態に係るファンブレードは、
エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、
前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記ファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
を具備し、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第１側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第２側の前記通電領域の発熱量より高い。

【0021】

本発明の一形態に係るファンブレードは、炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ)の炭素繊維が導電性であり、マトリックス材のエポキシなどの樹脂材が絶縁性であり、そのため電流を流すことで発熱する性質を利用したものである。すなわち、ＣＦＲＰからなるファンブレード本体の第１側及び第２側にファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部を設け、これらの間に電圧を印加して電流を流すことでファンブレード本体自体がその抵抗によって発熱し、防氷や除氷を行う。従って、簡単な構造で防氷や除氷を行うことができる。航空機のジェットエンジンのファンブレードでは、前縁側（第１側）の着氷量が多く、後縁側（第２側）は空気中の過冷却液滴が衝突しないため、着氷がほぼ発生しない傾向がある。このため、ファンブレード本体の第１側の発熱量を、第２側の発熱量より高くすることで、第１側をより効率的に防氷することができる。

【0022】

前記ファンブレード本体の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第１の通電部のスパン方向の長さに対する前記第１の通電部に導通された炭素繊維の割合である第１側の導通繊維密度が、前記第２の通電部の前記スパン方向の長さに対する前記第２の通電部に導通された炭素繊維の割合である第２側の導通繊維密度より高い、ことを含んでもよい。

【0023】

前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、前記複数の層に含まれる炭素繊維の配向は異なり、
前記複数の層から選択された１以上の層を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続することにより、前記第１側の導通繊維密度が前記第２側の導通繊維密度より高くてもよい。

【0024】

炭素繊維の配向は、要求される仕様や特性によって異なる。炭素繊維の配向が異なる１以上の層を選択して第１の通電部及び第２の通電部に接続することで、導通繊維密度の差を実現することが可能である。

【0025】

前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続される前記１以上の層は、
前記スパン方向及びコード方向の両方向に対して正に傾斜した第１の方向に配向した炭素繊維を含む第１の層、及び／又は
前記スパン方向及び前記コード方向の両方向に対して負に傾斜した第２の方向に配向した炭素繊維を含む第２の層
を含んでもよい。

【0026】

炭素繊維の配向が異なる１以上の層を選択して第１の通電部及び第２の通電部に接続することで、導通繊維密度の差を実現することが可能である。

【0027】

前記第２の通電部の前記スパン方向の長さは、前記第１の通電部の前記スパン方向の長さより長くてもよい。

【0028】

第１の通電部及び第２の通電部の両方に導通する炭素繊維（即ち、通電領域に含まれる炭素繊維）に着目すると、第１の通電部に導通する炭素繊維の本数と、第２の通電部に導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、同じ本数の炭素繊維が、短い第１の通電部及び長い第２の通電部に導通するとき、第１の通電部のスパン方向の長さ（短い）に対する第１の通電部に導通された炭素繊維の割合である第１側の導通繊維密度が、第２の通電部のスパン方向の長さ（長い）に対する第２の通電部に導通された炭素繊維の割合である第２側の導通繊維密度より高い。第１側の導通繊維密度が第２側の導通繊維密度より高いことで、ファンブレード本体の第１側の発熱量を、第２側の発熱量より高くする。第１側で導通する炭素繊維は、第２側よりも狭い領域で同本数存在する。このため、炭素繊維自身の発熱によっても、第２側より第１側の温度が高くなる。

【0029】

前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記複数の層から選択された正圧面側の層が前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続され、
前記一対の第１の通電部及び第２の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の正圧面側の発熱量が前記ファンブレード本体の負圧面側の発熱量より高くてもよい。

【0030】

航空機のジェットエンジンのファンブレードへの着氷は、ファンブレードの正圧面に多く氷が付着集中する。このため、着氷量の多い正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、第１の通電部及び第２の通電部の間のファンブレード本体には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体自体がその抵抗によって発熱する。このため、ファンブレード本体の正圧面側の発熱量がファンブレード本体の負圧面側の発熱量より高くすることで、正圧面側をより効率的に防氷することができる。正圧面に近い層を選択して通電することで、最小印可電力で発熱領域と発熱温度を確保できるとともに、ファンブレードの正圧面と負圧側の発熱温度の設定が行える。具体的には、着氷量の多い正圧面の温度を高温に、量が少ない負圧面の温度を低温にできる。この構成により、近年のファンブレードの軽量化に伴う中空構造化にも優位に機能し得る。

【0031】

前記ファンブレード本体を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続する第１側導電性接着剤及び第２側導電性接着剤
をさらに具備し、
前記ファンブレード本体の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第１側導電性接着剤の抵抗値が前記第２側導電性接着剤の抵抗値より高い、ことを含んでもよい。

【0032】

導電性接着剤は、選択した炭素繊維間を介した電流経路を形成する際に用いるが、導電性接着剤の抵抗成分は、ファンブレードにおける着氷の集中する箇所を経由する領域を中心に成分比を選定することにより発熱効果と防除氷の効果が優位に得られる。

【0033】

前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記第１側導電性接着剤及び前記第２側導電性接着剤は、前記複数の層から選択された１以上の層を前記第１の通電部及び前記第２の通電部に接続してもよい。

【0034】

導電性接着剤により電極とファンブレード本体とを接着することで、炭素繊維との接着性及び接触面積が増大することから、電極とファンブレード本体との取り付け箇所における局所的な温度上昇及び導通不良を防止し、電力消費を抑えることができる。これにより、低電圧でも効果的な温度上昇を得ることができる。

【0035】

前記ファンブレード本体の正圧面側の前記第１側導電性接着剤の抵抗値は、前記ファンブレード本体の負圧面側の前記第１側導電性接着剤の抵抗値より高く、
前記正圧面側の前記第２側導電性接着剤の抵抗値は、前記負圧面側の前記第２側導電性接着剤の抵抗値より低くてもよい。

【0036】

航空機のジェットエンジンのファンブレードへの着氷は、前縁とハブ部に加えて、ファンブレードの正圧面に多く氷が付着集中する。このため、着氷量の多い正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、第１の通電部及び第２の通電部の間のファンブレード本体には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体自体がその抵抗によって発熱する。このため、導電性接着剤の塗布の仕方を変えることで、正圧面に近い側の層に多く電流を流せるようにし、逆に負圧面側に近い側の層に流す電流を少なくする。これにより、正圧面側の発熱量を上げ、第１側をより効率的に防氷することができる。

【0037】

前記第１側は、前記ファンブレード本体の前縁側であり、
前記第２側は、前記ファンブレード本体の後縁側であってよい。

【0038】

航空機のジェットエンジンのファンブレードでは、前縁側（第１側）の着氷量が多く、後縁側（第２側）は空気中の過冷却液滴が衝突しないため、着氷がほぼ発生しない傾向がある。このため、ファンブレード本体の第１側の発熱量を、第２側の発熱量より高くすることで、第１側をより効率的に防氷することができる。

【0039】

本発明の一形態に係るエンジンは、
回転軸と、
回転軸の吸気口側に設けられたファンディスクと、
前記ファンディスクに対して着脱可能に取り付けられ、本発明の一形態の何れかのファンブレードと、
第１の通電部及び第２の通電部ごとにファンディスク側及びファンブレード側にそれぞれ設けられ、前記ファンブレードが前記ファンディスクに取り付けられたときに相互に電気的に接続して前記ファンディスク側の電源と前記第１の通電部及び前記第２の通電部とを通電するための一対の接続端子と、
を具備する。

【0040】

本発明の一形態に係る防氷・除氷機能付き構造体は、
炭素繊維強化プラスチックからなり、気体が流れにより着氷領域を有する板状部材と、
前記着氷領域を含むように前記板状部材の第１側及び第２側にそれぞれ設けられ、前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで前記板状部材の通電領域に電流を流すための一対の第１の通電部及び第２の通電部と、
を具備し、
前記板状部材の前記第１側の前記通電領域の発熱量が前記第２側の前記通電領域の発熱量より高い。

【発明の効果】

【0041】

本発明によれば、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことができる。

【0042】

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】本発明の一実施形態に係るジェットエンジンの構成を示す概略図である。

【図2】図１に示したファンブレード単体の基本的な構成を示す側面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るファンブレードの構成を示す概略図である。

【図4】図３に示したファンブレードの変形例を示すである。

【図5】試験結果を示すグラフである。

【図6】ファンディスクにファンブレードを取り付けた状態を示す斜視図である。

【図7】本発明の一実施形態に係るファンブレードへの電源供給のための配線の構成を説明するための図である。

【図8】本発明の一実施形態に係るファンブレードへの電源供給の構成を説明するための図である。

【図9】本発明の一実施形態に係るファンブレードへの電源供給の他の構成を説明するための図である。

【図10】ファンブレード本体を構成する積層されたプリプレグを模式的に示す分解図である。

【図11】実験で用いた積層されたプリプレグの供試体の積層断面を模式的に示す。

【図12】実験で用いた積層されたプリプレグの供試体を示す。

【図13】実験で用いた導通繊維密度を説明するための模式図である。

【図14】実験で用いたタイプ１及びタイプ２の供試体を示す。

【図15】実験用の着氷風洞装置を示す。

【図16】防氷試験結果を示す写真である。

【図17】防氷試験結果を示す写真である。

【図18】防氷試験結果を示すグラフである。

【図19】防氷試験結果を示すグラフである。

【図20】無風発熱試験結果を示すサーモグラフィである。

【図21】無風発熱試験結果を示すグラフである。

【図22】実験で用いた別の供試体を模式的に示す。

【図23】試験結果を示すサーモグラフィである。

【図24】試験結果を示すグラフである。

【図25】試験結果を示す写真である。

【図26】試験結果を示す写真である。

【図27】試験結果を示す写真である。

【図28】試験結果を示す写真である。

【図29】試験結果を示すグラフである。

【図30】試験結果を示すグラフである。

【図31】試験結果を示すサーモグラフィである。

【図32】実験で用いた層選択の具体例を示す。

【図33】層選択通風温度確認試験結果を示すサーモグラフィである。

【図34】層選択通風温度確認試験結果を示すグラフである。

【図35】層選択通風温度確認試験結果を示すグラフである。

【図36】試験結果を示す写真である。

【図37】試験結果を示す写真である。

【図38】試験結果を示すグラフである。

【図39】試験結果を示すグラフである。

【図40】試験結果を示すグラフである。

【図41】試験結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0044】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

【0045】

Ｉ．概要

【0046】

１．ジェットエンジンの構成

【0047】

図１は本発明の一実施形態に係るジェットエンジンの構成を示す概略図である。

【0048】

ジェットエンジン１は、回転軸としての低圧軸２及び高圧軸３が中心に配置されている。
低圧軸２には、吸気口４側よりスピナー５、ファンディスク６、低圧圧縮機９及低圧タービン１５が取り付けられ、ファンディスク６の外周には複数のファンブレード８がダブテール７を介して取り付けられている。

【0049】

ファンブレード８の下流には、低圧圧縮機９、高圧圧縮機１１、燃焼器１３、高圧タービン１４、低圧タービン１５、ストラット１６、コアノズル１７が配置され、これらの外周でエンジンナセル１８との間の別流路には、ファン出口案内翼１０、バイパスノズル１２が配置されている。
高圧軸３には、高圧圧縮機１１、高圧タービン１４が取り付けられている。

【0050】

このように構成されたジェットエンジン１では、吸気口４付近のスピナー５やファンブレード８で過冷却水滴による着氷が発生する。このような着氷によって、形状変化による空力性能の低下や剥がれた氷塊のよる機械的損傷が問題となる。下記に示すファンブレード８はこの問題を解決するものである。

【0051】

２．ファンブレードの構成（概要）

【0052】

図２は図１に示したファンブレード単体の基本的な構成を示す側面図である。図３は本発明の一実施形態に係るファンブレードの構成を示す概略図である。

【0053】

ファンブレード８は、エンジンの吸気口４側に配置される。ファンブレード８は、ファンブレード本体２１と、ファンブレード本体２１の前縁２４側（第１側）に配置されたシース２２と、ファンブレード本体２１の後縁２５側（第２側）に配置されたガード２３とを有する。

【0054】

ファンブレード本体２１は、炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ、以下「ＣＦＲＰ」と呼ぶ。)からなり、典型的には板状の成形品である。ＣＦＲＰは、例えば強化繊維としての炭素繊維とマトリックスとしてエポキシ樹脂からなるプリプレグを、炭素繊維の配向を疑似等方性として積層し構成したものである。

【0055】

シース２２は、剛性を有する導電性の金属からなり、ファンブレード本体２１の前縁２４側で、その基部であるハブ側２６からその先端であるチップ側２７に及ぶ領域を覆う。
ガード２３は、同じく剛性を有する導電性の金属からなり、ファンブレード本体２１の後縁２５側で、ハブ側２６からチップ側２７に及ぶ領域を覆う。

【0056】

シース２２及びガード２３は本来的にはバードストライクに対応するための部品である。本実施形態に係るファンブレード８では、シース２２とガード２３とは接触しないように分離され、両者は電気的に絶縁状態にある。

【0057】

この実施形態に係るファンブレード８は、図３に示すように、ファンブレード本体２１の加熱領域３６の前縁２４側及び後縁２５側に設けられ、ＣＦＲＰに含まれる炭素繊維に電流を流すことでファンブレード本体２１の通電領域に電流を流すための一対の前縁側通電部３１（第１の通電部）及び後縁側通電部３２（第２の通電部）を有する。なお、図示の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２は、凡その位置を模式的に示すものであり、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の形状等は実際には異なる（後述）。

【0058】

ここで、航空機のジェットエンジン１のファンブレード８では、前縁２４のハブ側２６は回転速度が遅いため着氷量が一番多くなり、チップ側２７は回転逮度が速く、遠心力等により氷が剥がれ易いため堆積し難いという傾向がある。そのため、加熱領域３６は、典型的には前縁２４側でハブ側２６に近い位置にある。この加熱領域３６での防氷や除氷対策が重要である。

【0059】

前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２は、加熱領域３６の前縁２４側及び後縁２５側で、それぞれファンブレード本体２１の表面とシース２２の裏面との間、ファンブレード本体２１の表面とガード２３の裏面との間に挟まれるように配置されている。

【0060】

前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２は、それぞれ絶縁被覆付き電線３３、３４の先端の絶縁被覆を除去して構成される電極を、ファンブレード本体２１の表面とシース２２の裏面との間、ファンブレード本体２１の表面とガード２３の裏面との間を、ペースト状の導電性接着剤（図示を省略）を介して接着して構成される。ここで、ファンブレード本体２１は、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に対応する各位置に、炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維が露出する炭素繊維露出部位を有する。この炭素繊維露出部位は、例えば当該箇所において絶縁性であるエポキシ樹脂を削り、導電性である炭素繊維剥き出しにすることにより構成される。そこに、更に導電性接着剤を使うことにより効率よく炭素繊維に電流を流せるようになる。これは、ファンブレード本体２１の材料構成を基に、導電性を有する炭素繊維からなる電流経路を形成して抵抗発熱を発現出来ることを示すものである。

【0061】

前縁側通電部３１には、絶縁被覆付き電線３３を介して電源３５より例えばマイナス電圧が印加され、後縁側通電部３２には、絶縁被覆付き電線３４を介して電源３５より例えばプラス電圧が印加され、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間のファンブレード本体２１の通電領域には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体２１自体がその抵抗によって発熱する。発熱によって加熱される領域が加熱領域３６を含む、或いは加熱領域３６が発熱によって加熱される領域を含む。
前縁側通電部３１にプラス電圧が印加され、後縁側通電部３２にマイナス電圧が印加されるように構成してもよい。

【0062】

本実施形態に係るファンブレード８では、ファンブレード本体２１がＣＦＲＰからなり、導電性であることから、そのため電流を流すことで発熱する性質を利用したものである。すなわち、ＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１の前縁２４側及び後縁２５側に、ＣＦＲＰに含まれる炭素繊維に電流を流すことでファンブレード本体２１の通電領域に電流を流すための一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２を設け、これらの間に電源３５より電圧を印加して通電領域に電流を流すことでファンブレード本体２１を加熱し、加熱領域３６の防氷や除氷を行う。その際に、ＣＦＲＰ自身（ファンブレード本体２１）による発熱とその熱がＣＦＲＰ（ファンブレード本体２１）を伝って流れ広がる熱伝導、また、シース２２及びガード２３部分に熱伝導として伝わるものがあり、それぞれの熱が防氷や除氷として働く。これにより、加熱領域３６の防氷や除氷が行われる。

【0063】

このような加熱により防氷や除氷を行う加熱領域３６については、一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２を取り付ける位置によって調整が可能である。すなわち、シース２２及びガード２３とファンブレード本体２１との間に絶縁被覆付き電線３３、３４を敷設し、加熱対象となる領域に合わせ、絶縁被覆付き電線３３、３４の先端の電極とファンブレード本体２１との接点（電極）位置を調整する。

【0064】

例えば、前縁２４側のハブ側２６で防氷や除氷を行なう場合、図４の説明は、上で示した選択した層の炭素繊維間において電極を介した電流経路を形成した場合において、前縁２４側・後縁２５側双力の電極（第１の通電部３１及び第２の通電部３２）の位置をハブ側２６寄りに設置する。そうすることで前縁２４側のハブ側２６での防氷や除氷が効率的に実施される。

【0065】

前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２は、それぞれ絶縁被覆付き電線３３、３４の先端の絶縁被覆を除去して構成される電極を、導電性接着剤（図示を省略）を介して対象部位に接着しているので、電流が流れやすくなる。導電性接着剤は、例えば銅テープで電極を取り付けたものと異なり、加工面の細かい凹凸まで導電性物質が入り込んだことにより、導通面積が大きくなり、結果として抵抗が小さくなり電流が流れやすくなり、局所的な温度上昇及び導通不良を防止し、電力消費を抑えることができると考えられる。なお、導電性接着剤を使わず銅テープで張り付けた場合は同じ電圧でも殆ど暖まらないことを確認している。特に、ジュール熱と考えれば、電流は二乗で効いてくるので、同じ印加電圧でいかに電流を流せるようにするかということが重要である。よって、導電性接着剤により電極とファンブレード本体２１等とを接着することの効果は大きいと考えられる。

【0066】

また、本実施形態に係るファンブレード８では、絶縁被覆付き電線３３、３４を通してファンブレード本体２１に供給される電圧もしくは電流の大きさを変えることで、加熱領域３６の発熱温度及び発熱の速さの調整が可能である。

【0067】

３．ファンブレードのファンディスクへの取り付け・電源供給

【0068】

図６はファンディスク６にファンブレード８を取り付けた状態を示す斜視図であり、図７はファンブレード８への電源供給のための配線の構成を説明するための図であり、図８はファンブレード８への電源供給の構成を説明するための図である。

【0069】

図６に示すように、ファンディスク６は、ファンブレード８に取り付けられたダブテール７が係止される係止溝４１を有する。ダブテール７の端面と係止溝４１の底部との間には隙間を有する。

【0070】

ダブテール７を前縁２４側から係止溝４１に入れ（図８の矢印を参照）、ファンブレード８を後縁２５側に滑らせることで、ダブテール７が係止溝４１に係止し、ファンブレード８がファンディスク６に取り付けられる。
図７に示すように、ファンブレード８のハブ側２６には、プラットフォーム４３及びシャンク４２を介してダブテール７が取り付けられている。

【0071】

ダブテール７の端面には、前縁２４側及び後縁２５側のそれぞれに絶縁シート４６ａ、４９ａを介して接続端子４６、４９が取り付けられている。接続端子４６は、前縁２４側の前縁側通電部３１と絶縁被覆付き電線３３を介して接続されている。絶縁被覆付き電線３３は、プラットフォーム４３及びシャンク４２の前縁２４側に配線される。接続端子４９は、後縁２５側の後縁側通電部３２と絶縁被覆付き電線３４を介して接続されている。絶縁被覆付き電線３４は、プラットフォーム４３及びシャンク４２の後縁２５側に配線される。

【0072】

図８に示すように、ファンディスク６の係止溝４１の底面には、の接続端子４６、４９に対応する位置にそれぞれ絶縁シート５１ａ、５２ａを介してＶ字接点金具（接続端子）５１、５２が設けられている。

【0073】

ダブテール７を係止溝４１に係止し、ファンブレード８がファンディスク６に取り付けられると、接続端子４６、４９がそれぞれＶ字接点金具５１、５２に接触して押圧する。これにより、接続端子４６、４９とＶ字接点金具５１、５２とは、それぞれ係止溝４１の底部及びダブテール７の端面で弾性力をもって接触する。

【0074】

スピナー５内には、電源となるバッテリ５３が収容され、バッテリ５３とＶ字接点金具５１、５２とはそれぞれファンディスク６及びスピナー５内を通る絶縁被覆付き電線４５、４８を介して接続されている。これにより、ファンブレード本体２１に加熱用の電力が供給される。このような構成を採用することで、電力供給のための構成を簡単にすることができる。

【0075】

図９はファンブレード８への電源供給の他の構成を説明するための図である。

【0076】

この構成は、外部である既存の電源系統６２からファンブレード本体２１の加熱用の電力が供給するものである。この構成では、スリップリング６１が回転軸である低圧軸２に取り付けられ、スリップリング６１を介してファンブレード本体２１の加熱用の電力を既存の電源系統６２から供給している。これにより、外部から電力を供給することが可能となる。

【0077】

ＩＩ．ファンブレード

【0078】

１．ファンブレードの構成（詳細）

【0079】

図１０は、ファンブレード本体を構成する積層されたプリプレグを模式的に示す分解図である。

【0080】

ファンブレード本体２１は、積層された複数（ｎ層）の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎからなる一例を示すものである。各層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎは、例えば強化繊維としての炭素繊維、マトリックスとしてエボキシ樹脂を使用したプリプレグである。各層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎは、同じプリプレグでもよい。

【0081】

複数（ｎ層）の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎに含まれる炭素繊維の配向は異なる。ファンブレード８のスパン方向（長手方向）を０°且つコード方向（短手方向）を９０°としたとき、層２１４に含まれる炭素繊維の配向は０°であり、層２１１に含まれる炭素繊維の配向は９０°である。層２１２は、スパン方向及びコード方向の両方向に対して正に傾斜した第１の方向（本例では、＋４５°）に配向した炭素繊維を含む。層２１３は、スパン方向及びコード方向の両方向に対して負に傾斜した第２の方向（本例では、－４５°）に配向した炭素繊維を含む。その他の層２１ｎは、配向方向９０°、±４５°、０°又は他の角度の炭素繊維を配置した擬似等方性構成を繰返し複数回積層した構成を有する。

【0082】

複数の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎは、同じプリプレグにより作製したものであっても、各層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎの繊維配向角が異なれば強度や剛性は異なる値を示す。このような性質を利用し、外周方向に対し一定以上の力学機械特性を得るために一方向に炭素繊維を配向したプリプレグを、積層に応じて配向を変える擬似等方性の積層構成を用いる。具体的にはファンブレードは、スパン方向（長手方向）に対して炭素繊維配向方向９０°、±４５°、０°を配置した構成を繰返し複数回積層した構成で所望する機械特性を得る。同図では擬似等方性の一例を示すが、擬似等方性でなくてもよい。

【0083】

上記のように、航空機のジェットエンジン１のファンブレード８では、前縁２４のハブ側２６は回転速度が遅いため着氷量が一番多くなり、後縁２５のチップ側２７は回転逮度が速く、遠心力等により氷が剥がれ易いため堆積し難いという傾向がある。また、上記のように、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間のファンブレード本体２１の通電領域には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体２１自体がその抵抗によって発熱する。一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間に電流を流すとき、ファンブレード本体２１の前縁２４側の発熱量を、後縁２５側の発熱量より高くすることで、ファンブレード本体２１の前縁２４側（さらに細かく言うとそのハブ側２６）の発熱量を上げ、前縁２４側（さらに細かく言うとそのハブ側２６）をより効率的に防氷することを図る。さらに、ジェットエンジン１のファンブレード８では、ファンブレード８の大小に関わらず（エンジンの大小に関わらず）、ファンブレード８の回転によりハブ側２６に着氷が集中する傾向を示すことから、本実施形態に記載した手段によって効果的な防氷効果を得ることが可能となる。

【0084】

そこで、本実施形態では、一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間に電流を流すとき、ファンブレード本体２１の前縁２４側の発熱量を、後縁２５側の発熱量より高くするために、ファンブレード本体２１の前縁２４側の導通繊維密度が後縁２５側の導通繊維密度より高くする。具体的には、前縁側通電部３１のスパン方向の長さに対する前縁側通電部３１に導通された炭素繊維の割合が、後縁側通電部３２のスパン方向の長さに対する後縁側通電部３２に導通された炭素繊維の割合より高いようにすることで、前縁２４側の導通繊維密度が後縁２５側の導通繊維密度より高くなる。

【0085】

その導通繊維密度の差を実現するために、炭素繊維の配向が９０°である１以上の層２１１だけではなく、炭素繊維の配向が＋４５°である１以上の層２１２及び炭素繊維の配向が－４５°である１以上の層２１３が、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。そして、後縁側通電部３２のスパン方向の長さを、前縁側通電部３１のスパン方向の長さより長いものとする。一方、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の両方に導通する炭素繊維（即ち、通電領域に含まれる炭素繊維）に着目すると、前縁側通電部３１に導通する炭素繊維の本数と、後縁側通電部３２に導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、同じ本数の炭素繊維が、短い前縁側通電部３１及び長い後縁側通電部３２に導通するとき、前縁側通電部３１のスパン方向の長さ（短い）に対する前縁側通電部３１に導通された炭素繊維の割合である前縁２４側の導通繊維密度が、後縁側通電部３２のスパン方向の長さ（長い）に対する後縁側通電部３２に導通された炭素繊維の割合である後縁２５側の導通繊維密度より高い。前縁２４側の導通繊維密度が後縁２５側の導通繊維密度より高いことで、一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間に電流を流すとき、ファンブレード本体２１の前縁２４側の発熱量を、後縁２５側の発熱量より高くすることで、ファンブレード本体の前縁２４側の温度が上昇する。前縁２４側で導通する炭素繊維は、後縁２５側よりも狭い領域で同本数存在する。このため、炭素繊維自身の発熱によっても、後縁２５側より前縁２４側の温度が高くなる。

【0086】

２．供試体

【0087】

図１１は、実験で用いた積層されたプリプレグの供試体の積層断面を模式的に示す。

【0088】

積層されたプリプレグの供試体を準備する。本例では、炭素繊維の配向が９０°、＋４５°、－４５°、０°の層２１１、２１２、２１３、２１４が、シンメトリーに２４層に積層されている。これはあくまでも一例であり、例えば、＋３０°～＋６０°配向の層が設けられてもよい。例えば、－３０°～－６０°配向の層が設けられてもよい。例えば、炭素繊維の配向が９０°、＋６０°、＋３０°、－３０°、－６０°、０°の層が設けられてもよい。疑似等方性に積層されてもよいし、疑似等方性で無く例えば９０°配向の層の割合が他の角度の配向の層より高くてもよい。積層状態において、複数の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎの前縁２４側及び後縁２５側の両端は、層状に露出している。この両端面は、例えば、１平面ではなく、角度を持った２平面からなるナイフエッジ状である。各層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎの厚みは、例えば、０．１９ｍｍである。

【0089】

第１の方向は＋３０°～＋６０°であり、第２の方向は－３０°～－６０°であることで（即ち、鋭角であることで）、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２のスパン方向の長さを比較的短くすることが出来る。これにより、導電性接着剤の塗布面積が狭いことにより抵抗率が上昇し、抵抗による加熱量を上昇させることが可能となる。

【0090】

図１２は、実験で用いた積層されたプリプレグの供試体を示す。

【0091】

積層状態において、複数の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎのコード方向の前縁２４側及び後縁２５側の両端は、層状に露出している。このため、複数の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎから選択された１以上の層を、導電性接着剤を介して前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続することができる。１つの層２１ｎが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続されてもよく、選択された一部の層２１ｎが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続されてもよく、全ての層２１ｎが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続されてもよい。全ての層２１ｎではなく選択された１以上の層２１ｎに導電性接着剤を塗布する場合、電子部品の高密度実装で用いられる異方性導電膜材や絶縁材料（試験では例えばマスキングテープ）を使用してもよい。

【0092】

図１３は、実験で用いた導通繊維密度を説明するための模式図である。

【0093】

タイプ２は、本実施形態であり、炭素繊維の配向が９０°である１以上の層２１１、炭素繊維の配向が＋４５°である１以上の層２１２及び炭素繊維の配向が－４５°である１以上の層２１３が、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。具体的には、図１１の全ての層に導電性接着剤を塗布し、全ての層が前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。後縁側通電部３２のスパン方向の長さ３１Ｌは、前縁側通電部３１のスパン方向の長さ３１Ｌより長い。一方、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の両方に導通する炭素繊維（即ち、通電領域に含まれる炭素繊維）に着目すると、前縁側通電部３１に導通する炭素繊維の本数と、後縁側通電部３２に導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、同じ本数の炭素繊維が、短い前縁側通電部３１及び長い後縁側通電部３２に導通するとき、前縁側通電部３１のスパン方向の長さ３１Ｌ（短い）に対する前縁側通電部３１に導通された炭素繊維の割合が、後縁側通電部３２のスパン方向の長さ３２Ｌ（長い）に対する後縁側通電部３２に導通された炭素繊維の割合より高い。これにより、前縁２４側（図中の楕円内の領域）の導通繊維密度が後縁２５側の導通繊維密度より高い。前縁２４側の導通繊維密度が後縁２５側の導通繊維密度より高いことで、ファンブレード本体２１の前縁２４側の発熱量を、後縁２５側の発熱量より高くすることで、ファンブレード本体の前縁２４側の温度が上昇する。前縁２４側で導通する炭素繊維は、後縁２５側よりも狭い領域で同本数存在する。このため、炭素繊維自身の発熱によっても、後縁２５側より前縁２４側の温度が高くなる。

【0094】

タイプ１は、比較例であり、炭素繊維の配向が９０°である１以上の層２１１が前縁側通電部３１Ａ及び後縁側通電部３２Ａに接続される。具体的には、図１１の厚み方向中央（シンメトリーの中央）の２層（９０°配向）のみに導電性接着剤を塗布し、厚み方向中央の２層（９０°配向）のみが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。前縁側通電部３１Ａ及び後縁側通電部３２Ａの両方に導通する炭素繊維（即ち、通電領域に含まれる炭素繊維）に着目すると、前縁側通電部３１Ａに導通する炭素繊維の本数と、後縁側通電部３２Ａに導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、前縁２４側の導通繊維密度と、後縁２５側の導通繊維密度とは、同じである。

【0095】

図１４は、実験で用いたタイプ１及びタイプ２の供試体を示す。

【0096】

図１４中、線で囲まれた領域が導通により繊維加熱が発生する領域で、防氷効果を算出する際に、面積として、評価対象となる領域を表す。上記のタイプ１及びタイプ２の供試体を準備する。タイプ１及びタイプ２の供試体ともにスパン方向１８７ｍｍ、コード方向５８．６ｍｍ、厚み方向４．６ｍｍサイズのＣＦＲＰ積層体である。タイプ１の供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部３１Ａ（スパン方向長さ３０ｍｍ）及び後縁側通電部３２Ａ（スパン方向長さ３０ｍｍ）を有し、前縁側通電部３１Ａ及び後縁側通電部３２Ａの間を通電する。タイプ２の供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部３１（スパン方向長さ６０ｍｍ）及び後縁側通電部３２（スパン方向長さ１００ｍｍ）を有し、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間の通電領域を通電する。前縁側通電部３１Ａ及び後縁側通電部３２Ａは導電性接着剤である。タイプ１とタイプ２では加熱領域のサイズが異なる。図中の直線で囲んだ領域が、前縁側通電部３１Ａ及び後縁側通電部３２Ａの間の通電領域であると同時に、加熱領域であり評価領域である。

【0097】

３．試験結果１

【0098】

図１５は、実験用の着氷風洞装置を示す。

【0099】

着氷風洞装置１００は、風洞１１０と、ドロップレットキャッチャ１０６と、カメラ（不図示）と、これらを収容するリフリジレーションルーム１０７と、を有する。風洞１１０は、上流から下流への順に、ブロワ１０１、ストレーナグリッド１０２、スプレートンネル１０３、コントラクション１０４、テストセクションであるエアアウトレット１０５を含む。スプレートンネル１０３は、複数のスプレーノズル１０８を内蔵する。カメラ（不図示）は、テストセクションであるエアアウトレット１０５を撮影する。カメラ（不図示）は、少なくともサーモカメラを含み、さらに、写真を撮影するカメラを含んでもよい。ドロップレットキャッチャ１０６は、エアアウトレット１０５の下流に設置される。

【0100】

着氷風洞装置１００のスペックは、以下の通りである。最大流速５０ｍ／ｓ。温度－３０～－５°Ｃ。リフリジレーションルーム１０７の体積２５００×４５００×２４００ｍｍ^３。スプレートンネル１０３の断面積４００×４００ｍｍ^２。エアアウトレット１０５の断面積２００×２００ｍｍ^２。

【0101】

テストセクションであるエアアウトレット１０５の下流に供試体１０９を設置する。風洞１１０内に空気を流し、供試体に向けてスプレーノズル１０８から液滴を噴霧する。空気の流速条件は、２０ｍ／ｓと４０ｍ／ｓの２種類である。スプレーノズル１０８から噴霧する液滴粒径の条件は、１５μｍと２９μｍの２種類で実施する。

【0102】

図１６及び図１７は、防氷試験結果を示す写真である。

【0103】

図１６は、第１の試験条件（空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、電力（投入電力／加熱領域の面積）１．１Ｗ／ｃｍ^２）での、タイプ１及びタイプ２の防氷試験後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0104】

図１７は、第２の試験条件（空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、電力（投入電力／加熱領域の面積）０．８３Ｗ／ｃｍ^２）での、タイプ１及びタイプ２の防氷試験後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0105】

図１８及び図１９は、防氷試験結果を示すグラフである。

【0106】

横軸は、電力を示し、具体的には、投入電力／加熱領域の面積［ｗ／ｃｍ^２］である。タイプ１とタイプ２では加熱領域のサイズが異なり、投入電力での単純比較が出来ないため、投入電力／加熱領域の面積で評価する。縦軸は、防氷効果（アンチアイスエフェクト）［％］であり、次の式で算出する。

【数1】

【0107】

上記式において、Ａ_{ａｎｔｉ‐ｉｃｅ}［ｍｍ^２］は、防氷試験後の供試体の正面と側面の着氷面積の平均値である。Ａ_ｉｃｅ［ｍｍ^２］は、は非発熱時着氷量確認試験後の供試体の正面と側面の着氷面積の平均値である。これらの着氷面積は、本来、着氷重量で評価するのが理想だが、加熱領域と非加熱領域の着氷を分離することが出来ないため、写真（図１６及び図１７）を画像解析することにより評価する。

【0108】

図１８は、空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ及び２９μｍ、投入電力を複数変更した防氷試験結果を示す。少なくとも電力（投入電力／加熱領域の面積）が０．８３Ｗ／ｃｍ^２以上のとき、タイプ２の防氷効果がタイプ１の防氷効果より高い。

【0109】

図１９は、空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ及び２９μｍ、投入電力を複数変更した防氷試験結果を示す。電力（投入電力／加熱領域の面積）がおよそ０．５～１．１Ｗ／ｃｍ^２のとき、タイプ２の防氷効果がタイプ１の防氷効果より高い。

【0110】

４．試験結果２

【0111】

図２０は、無風発熱試験結果を示すサーモグラフィである。

【0112】

ケース１及びケース２の供試体を準備する。ケース１及びケース２の供試体は、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される層が異なる。ケース１は、全てのナイフエッジ面の層が前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。ケース２は、選択された１以上の試験片の厚み方向の中央部分に構成された層（具体的には図11中心部211の２層部分）が前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。ケース１及びケース２の供試体を室温１０°Ｃで無風の室内に設置し、投入電力１０Ｗを３０秒間印加し、サーモカメラで供試体底面を撮影して表面温度分布を得る。

【0113】

図２１は、無風発熱試験結果を示すグラフである。

【0114】

このグラフは、図２０の破線が示す供試体底面中央部の、通電開始から３０秒後の断面の温度分布を示す。横軸は、ミッドコードの位置の正圧面表面から負圧面表面までの供試体の位置を示す。横軸の5ピクセル～27ピクセルが、供試体部分に相当する。縦軸は、断面温度（°Ｃ）を示す。ケース１とケース２では断面の発熱の様子が異なった。これは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）試験時の確認でも通用すると考えられる。ケース２はケース１より全体的に温度が上昇している。ケース２は特に前後縁の温度が高くなっており、ミッドコード部の温度上昇はその影響を受けたと考えられる。

【0115】

５．正圧側と負圧側の層の選択

【0116】

航空機のジェットエンジン１のファンブレード８への着氷は、ファンブレード８の前縁２４（特にハブ側２６周辺からミッドスパン周辺までの領域）と正圧面に多く氷が付着集中する。この現象は、ハブ側２６とチップ側２７の回転周方向速度の差に起因する。前縁２４のハブ側２６は回転速度が遅いため着氷量が一番多くなり、チップ側２７は回転速度が速く、遠心力により氷が剥がれ易いため堆積し難い。また、大気中の液滴がファンブレード８に衝突すると同時に、ファンブレード８の前縁２４と正圧面に対して急速に液滴が氷結する過冷却現象の着氷メカニズムが発生する。

【0117】

以上の２つの要因から、ファンブレード８独特の複数個所に集中する着氷が発生することになり、そのため複雑な現象から発生する複数の着氷個所に応じた適切な防氷・除氷対策が重要になる。

【0118】

このため、着氷量の多い前縁２４ハブ側２６からミッドスパン近傍領域及び正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間のファンブレード本体２１の通電領域には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体２１自体がその抵抗によって発熱する。

【0119】

例えば、前縁２４と後縁２５を跨ぐ９０°配向層と防除氷面（正圧面）に近い層を選択して通電する。また、正圧面と負圧面に電流を流し、正圧面と負圧面に温度差、又は異なる発熱領域を発現してもよい。異なる発熱領域を発現するには、前後縁の導電性接着剤の塗布長さ、塗布する位置をオフセットさせる等を行えばよい。また、正圧面に電流を流し負圧面には流さなくてもよい。また、正圧面側を負圧面側より電流を流す層を多くし、導通繊維自身の発熱する繊維の本数を正圧面側の方を多くしてもよい。電流経路を構成する層の選択により、正圧面と負圧面の発熱温度又は発熱領域に違いを発現し、結果的に最小電力化で防氷が行える。最小印可電力で発熱領域と発熱温度を確保できるとともに、ファンブレード本体２１の正圧面と負圧側の発熱温度の設定が行える。具体的には、着氷量の多い正圧面の温度を高温に、量が少ない負圧面の温度を低温にできる。この構成により、近年のファンブレードの軽量化に伴う中空構造化にも優位に機能し得る。さらに、ジェットエンジン１のファンブレード８では、ファンブレード８の大小に関わらず（エンジンの大小に関わらず）、ファンブレード８の回転によりハブ側２６に着氷が集中する傾向を示すことから、本実施形態に記載した手段によって効果的な防氷効果を得ることが可能となる。

【0120】

６．小括

【0121】

ファンブレード本体２１を構成する最小単位（部品）は、積層されるプリプレグである。プリプレグ層は、構成される樹脂と炭素繊維の種類、炭素繊維と樹脂の含有率、厚みを含めたスペックを有する。本実施形態では、通電する１以上の層を選択する。ＣＦＲＰの積層方向に向けて一定方向に配列した各炭素繊維の層の炭素繊維の両端部間を一対とした電流経路を介してＣＦＲＰ構造体に電流の流れる方向と発熱に寄与する領域の指定が行える。

【0122】

ミクロな観点では、ＣＦＲＰの発熱を励起する抵抗成分は、選択した層の炭素繊維の層の両端部間の長さに比例し、選択したプリプレグ層の厚みと炭素繊維の含有率に反比例する。例えば配向を変えて積層する擬似等方性の構成では、厚み方向に選択する層の違いにより炭素繊維の長さが異なることで、抵抗成分が変わり発熱温度も変化する。このことから、ファンブレードの防除氷の為の発熱を得るためには、前縁後縁を跨ぐ炭素繊維の長さの短い配向の層を優先的に選択すると発熱効率が高くなる。

【0123】

マクロな観点では、本実施形態のファンブレード８の基本構成は、電源とファンブレード本体２１のＣＦＲＰの選択した層の炭素繊維に導通した一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２と、ファンブレード本体２１のＣＦＲＰの抵抗成分からなる直列回路からなる。故に、構成する回路内では電流は均一に流れ、各抵抗成分に応じて流れる電流により抵抗加熱を励起し、その発熱量は各抵抗成分の抵抗値の比で決まる。１以上の層の選択については、ファンブレード９の前縁２４と後縁２５を跨ぐ炭素繊維の層の選択により、着氷の集中する箇所の前縁２４（ハブ側２６周辺）の電流経路が形成でき、発熱領域が設定できる。

【0124】

積層する厚み方向に対して複数炭素繊維配向層の組合せ（例えば、９０°、＋４５°、－４５°）からなる電流経路を形成し、前縁２４側の導通繊維密度の増加による前縁２４の発熱温度上昇およびファンブレード８表面部（正圧面）での発熱領域の拡大が見込める。

【0125】

ＩＩＩ．導電性接着剤

【0126】

１．導電性接着剤の構成

【0127】

導電性接着剤は銀、銅、ニッケル等の導電性の良好な金属粒子をポリマー等のバインダー樹脂の溶液に分散させて製造される材料で、これを硬化させることにより導電性の塗膜あるいは導電性接着剤層を形成させる。導電性接着剤の主な機能は導電性と接着性であり、左記の電気的性質と機械的性質を決める因子としては、硬化時間、硬化温度、銀等の金属粒子含有量及び金属粒子のサイズと形状等があげられる。

【0128】

例えば、硬化時間と温度の増加によって金属粒子間の分布は緻密になり、電気抵抗は全体的に減少する傾向を示すが、接着強度は増加する。これは硬化時間の増加とともに樹脂中の溶剤が蒸発し、硬化しながら基板とペーストが親密な接着を形成したと判断される。

【0129】

更に、導電性接着剤は大きく分けると等方性材料と異方性材料に区分できる。等方性材料ははんだと同じようにすべての方向に電気を通すが、異方性材料は、対向電極間に圧縮された方向にのみ電流を流す一方向接続を実現する。本発明においては、電流経路を形成する際の層選択時に、異方性材料と等方性材料を選択的に用いることが出来る。異方性導電膜の利用の際は、積層された各繊維方向に配列された層を選択する際、複数のファンブレードに対し、電流経路の精度向上の目的としたい場合に有効になる。尚、導電性接着剤は、選択した炭素繊維間を介した電流経路を形成する際に用いるが、導電性接着剤の抵抗成分は、ファンブレードにおける着氷の集中する箇所を経由する領域を中心に成分比を選定することにより発熱効果と防除氷の効果が優位に得られる。

【0130】

導電性接着剤により電極とファンブレード本体とを接着することで、炭素繊維との接着性及び接触面積が増大することから、電極とファンブレード本体との取り付け箇所における局所的な温度上昇及び導通不良を防止し、電力消費を抑えることができる。これにより、低電圧でも効果的な温度上昇を得ることができる。

【0131】

本実施形態では、一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間に電流を流すとき、ファンブレード本体２１の前縁２４側の発熱量を、後縁２５側の発熱量より高くするために、ファンブレード本体２１を前縁側通電部３１に接続する導電性接着剤（以下、前縁側導電性接着剤と称する）の抵抗値が、ファンブレード本体２１を後縁側通電部３２に接続する導電性接着剤（以下、後縁側導電性接着剤と称する）の抵抗値より高いものとする。例えば、実験用に用いた前縁側導電性接着剤の抵抗値は、３×１０^－３～８×１０^－４Ω・ｃｍであり、後縁側導電性接着剤の抵抗値は、８×１０^－４～２×１０^－４Ω・ｃｍである。尚、導電性接着剤の抵抗成分は上に記載した通り、導電性の良好な金属粒子を用いて導通性を確保していることから金属粒子の平均粒径や導通性および電極部の機械的特性から適時選択でき、本文に記載した抵抗値は限定されない。ファンブレードに要求される基本仕様と電流経路構成の点から組合せることが可能である。

【0132】

２．供試体

【0133】

図２２は、実験で用いた別の供試体を模式的に示す。

【0134】

レイアウト１及びレイアウト２の供試体を準備する。レイアウト１及びレイアウト２の供試体は、導電性接着剤の種類が異なる。レイアウト１及びレイアウト２の供試体ともに、スパン方向１８７ｍｍ、コード方向５８．６ｍｍ、厚み方向４．６ｍｍサイズのＣＦＲＰ積層体である。供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部３１Ａ（スパン方向長さ３０ｍｍ）及び後縁側通電部３２（スパン方向長さ３０ｍｍ）を有し、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間の通電領域を通電する。前縁側通電部３１は、供試体の前縁ＬＥに前縁側導電性接着剤を用いて接続される。後縁側通電部３２は、供試体の後縁ＴＥに後縁側導電性接着剤を用いて接続される。レイアウト１及びレイアウト２の供試体ともに、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤は、積層された全てのプリプレグに塗布され、積層された全てのプリプレグが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。図中の直線で囲んだ領域が、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間の通電領域であると同時に、加熱領域であり評価領域である。

【0135】

レイアウト２は、本実施形態であり、前縁側導電性接着剤と後縁側導電性接着剤の種類が異なる。前縁側導電性接着剤の抵抗値が後縁側導電性接着剤の抵抗値より高い。具体的には、前縁側導電性接着剤の抵抗値は、３×１０^－３～８×１０^－４Ω・ｃｍであり、後縁側導電性接着剤の抵抗値は、８×１０^－４～２×１０^－４Ω・ｃｍである。

【0136】

レイアウト１は、比較例であり、前縁側導電性接着剤と後縁側導電性接着剤の種類が同じである。具体的には、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤の抵抗値は、３×１０^－４～５×１０^－５Ω・ｃｍである。

【0137】

３．試験結果１

【0138】

図２３は、試験結果を示すサーモグラフィである。

【0139】

着氷風洞装置１００にレイアウト１及びレイアウト２の供試体を設置し、空気流速４０ｍ／ｓで空気を流す。レイアウト１及びレイアウト２の供試体に同じ投入電力（４０Ｗ）を印加し、サーモカメラで供試体を撮影して表面温度分布を得る。

【0140】

図２４は、試験結果を示すグラフである。

【0141】

このグラフは、図２３の破線が示すミッドスパン位置の供試体の表面温度分布を示す。横軸は、前縁（０）から後縁（１）までの供試体の位置を示す。縦軸は、表面温度（°Ｃ）を示す。同じ投入電力でありながら、レイアウト２は、全域に亘ってレイアウト１より高い温度が実現でき、前縁ＬＥの方が後縁ＴＥより高い温度が実現できている。また、レイアウト１では前縁は対流効果により熱が奪われてしまい後縁の方が温度が高い。一方、レイアウト２では同じ試験条件にもかかわらず、後縁より前縁の方が高い温度が実現できている。

【0142】

図２５、図２６、図２７及び図２８は、試験結果を示す写真である。

【0143】

図２５は、第１の試験条件（空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力（１０Ｗ、２０Ｗ、４０Ｗ）での、レイアウト１及びレイアウト２の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0144】

図２６は、第２の試験条件（空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径２９μｍ、投入電力（１０Ｗ、２０Ｗ、４０Ｗ）での、レイアウト１及びレイアウト２の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0145】

図２７は、第３の試験条件（空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力（２０Ｗ、３０Ｗ、５０Ｗ）での、レイアウト１及びレイアウト２の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0146】

図２８は、第４の試験条件（空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径２９μｍ、投入電力（２０Ｗ、３０Ｗ、５０Ｗ）での、レイアウト１及びレイアウト２の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0147】

図２９及び図３０は、試験結果を示すグラフである。

【0148】

横軸は、投入電力［ｗ］を示す。縦軸は、防氷効果（アンチアイスエフェクト）［％］であり、上記の式（数１）で算出する。

【0149】

図２９は、空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ及び２９μｍ、投入電力を複数変更した試験結果を示す。全ての投入電力において、レイアウト２の防氷効果がレイアウト１の防氷効果より高い。なお、本来防氷効果がマイナスになることはあり得ないが、レイアウト１ではバラツキが大きく、平均化した結果、防氷効果にマイナスの値が発生した。

【0150】

図３０は、空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ及び２９μｍ、投入電力を複数変更した試験結果を示す。全ての投入電力において、レイアウト２の防氷効果がレイアウト１の防氷効果より高い。なお、本来防氷効果がマイナスになることはあり得ないが、レイアウト１ではバラツキが大きく、平均化した結果、防氷効果にマイナスの値が発生した。

【0151】

４．試験結果２

【0152】

図３１は、試験結果を示すサーモグラフィである。

【0153】

レイアウト３及びレイアウト４の供試体を準備する。レイアウト３及びレイアウト４の供試体ともに、スパン方向１８７ｍｍ、コード方向５８．６ｍｍ、厚み方向４．６ｍｍサイズのＣＦＲＰ積層体である。供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部３１（スパン方向長さ３０ｍｍ）及び後縁側通電部３２（スパン方向長さ３０ｍｍ）を有し、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間の通電領域を通電する。レイアウト３において、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤は、積層された全てのプリプレグに塗布され、積層された全てのプリプレグが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。レイアウト４において、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤は、厚み方向中央（シンメトリーの中央）の２層（９０°配向）のみに塗布され、厚み方向中央の２層が前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続される。なお、この試験では、レイアウト３及びレイアウト４の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２のスパン方向長さは３０ｍｍ（上記と同じ）である。着氷風洞装置１００にレイアウト３及びレイアウト４の供試体を設置し、室温－１０°Ｃとし、空気流速２０ｍ／ｓで空気を流す。レイアウト３及びレイアウト４の供試体に同じ投入電力（２０Ｗ）を９０秒間印加し、通電開始から９０秒後にサーモカメラで供試体を撮影して表面温度分布を得る。

【0154】

図５は、試験結果を示すグラフである。

【0155】

このグラフは、図３１の破線が示すミッドスパン位置の供試体の表面温度分布を示す。横軸は、前縁（０）から後縁（１）までの供試体の位置を示す。縦軸は、通電開始から９０秒後の表面温度（°Ｃ）を示す。レイアウト４は、前後縁の発熱がレイアウト３より全域で高い温度分布となった。その理由は、下記の式において、レイアウト４では導電性接着剤の塗布面積Ｓが狭いことにより(導電性接着剤の厚さは同じ)抵抗Ｒ［Ω］が大きくなり加熱量が上昇したためと考えられる。
また、レイアウト３は通風時でも前縁の温度を後縁より高くできたが、レイアウト４は後縁の方が前縁より温度が高くなった。層選択では導電性接着剤の塗布面積が減ったため、対流熱伝達による熱の奪われに対する今回使用した前縁の導電性接着剤の抵抗が足りず、このような結果となった。しかし、前縁の導電性接着剤の体積を減少（導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる）させたり、前後縁の抵抗の比率（前縁の抵抗値÷後縁の抵抗値）を大きくすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能である。
ちなみに常温・無風の条件ではレイアウト３同様、レイアウト４も前縁側の方が後縁側より温度が高くなることを確認している。

【0156】

Ｒ＝(ρL)／Ｓ

【0157】

上述の「前縁の導電性接着剤の体積を減少（導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる）させたりすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能」について下記の様な試験結果を得た。
図４０は、－１０°Ｃ、無風、１０Ｗ投入電力条件にて、前縁と後縁の導電性接着剤の塗布厚を変えたもの（１５０μｍ、３００μｍ、４００μｍ、前後縁同じ厚み）の前後縁間の抵抗値を計測したグラフである。図４０のグラフに示す様に、塗布厚を小さくした方が抵抗が大きくなる。
図４１は、図４０と同じ試験条件で、ＣＦＲＰ供試体の側面の温度分布をサーモカメラで取得し、ミッドスパンを前縁から後縁にかけてグラフ化したものである。この結果からも、塗布厚を小さくしたことにより前後縁とも温度が高くなっている。これは図４０の通り塗布厚を小さくしたことにより抵抗が大きくなったことが原因だと考えられる。何故、塗布厚を小さくすると抵抗が大きくなったかというと、電流が流れ難くなり抵抗が大きくなったと考えられる。これは、塗布厚を小さくすることで導電性接着剤の容積が減少し、その結果塗布面積が減少したときと同様である。

【0158】

５．正圧側と負圧側の導電性接着剤の選択
航空機のジェットエンジン１のファンブレード８への着氷は、ファンブレード８の前縁２４（特にハブ側２６周辺からミッドスパン周辺までの領域）と正圧面に多く氷が付着集中する。この現象は、ハブ側２６とチップ側２７の回転周方向速度の差に起因する。前縁２４のハブ側２６は回転速度が遅いため着氷量が一番多くなり、チップ側２７は回転速度が速く、遠心力により氷が剥がれ易いため堆積し難い。また、大気中の液滴がファンブレード８に衝突すると同時に、ファンブレード８の前縁２４と正圧面に対して急速に液滴が氷結する過冷却現象の着氷メカニズムが発生する。

【0159】

以上の２つの要因から、ファンブレード８独特の複数個所に集中する着氷が発生することになり、そのため複雑な現象から発生する複数の着氷個所に応じた適切な防氷・除氷対策が重要になる。

【0160】

このため、着氷量の多い前縁２４ハブ側２６からミッドスパン近傍領域及び正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間のファンブレード本体２１の通電領域には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体２１自体がその抵抗によって発熱する。このため、一対の前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間に電流を流すとき、ファンブレード本体２１の正圧面側の発熱量がファンブレード本体２１の負圧面側の発熱量より高いのが望ましい。

【0161】

上記した様に、このため、塗布する導電性接着剤の抵抗値の大きさが高い順に、前縁・正圧面（最高値）、前縁・負圧面、後縁・負圧面、後縁・正圧面（最低値）とするのがよい。例えば、ファンブレード本体２１の正圧面側の前縁側導電性接着剤の抵抗値は、ファンブレード本体２１の負圧面側の前縁側導電性接着剤の抵抗値より高いものとすればよい。ファンブレード本体２１の負圧面側の後縁側導電性接着剤の抵抗値は、ファンブレード本体２１の正圧面側の後縁側導電性接着剤の抵抗値より高いものとすればよい。

【0162】

導電性接着剤の抵抗値の大小に加えて、電子部品系の基板技術ではなく、設備産業で利用されている基板技術では、大電流を流して利用することから導電性接着剤の塗布量(体積)、炭素繊維と接合している面積、電流経路の(道の断面積)サイズによっても、ファンブレード本体２１の部分ごとの抵抗を変化させることを図れる。

【0163】

ＩＶ．層選択

【0164】

図１１で説明したように、積層状態において、複数の層２１１、２１２、２１３、２１４・・・２１ｎのコード方向の前縁２４側及び後縁２５側の両端は、層状に露出している。このため、複数の層２１１（９０°配向）、２１２（＋４５°配向）、２１３（－４５°配向）、２１４（０°配向）・・・２１ｎから選択された１以上の層を、選択的に、導電性接着剤を介して前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続することができる。１つの層２１ｎが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続されてもよく、選択された一部の層２１ｎが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続されてもよく、全ての層２１ｎが前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２に接続されてもよい。

【0165】

１．層選択通風温度確認試験

【0166】

図３２は、実験で用いた層選択の具体例を示す。

【0167】

４種類の供試体を準備する。レイアウト１は、層状に露出した全ての層に導電性接着剤をべた塗りすることで、全ての９０°層を導通する。層選択Ａは、供試体前縁の温度を上げることを想定し、供試体中央の９０°層の２層を導通する。層選択Ｂは、供試体表面側の温度を上げることを想定し、表面層に近い９０°層の２層を導通する。層選択Ｃ（２層側）は、前縁の温度を上げつつ正圧面に相当する片側の面のみ温度を上げることを想定し、供試体中央の９０°層の１層及び表面層（正圧面）に近い９０°層の１層、計２層分を導通する。層選択Ｃ（１層側）は、前縁の温度を上げ、負圧面に相当する片側の面の温度は正圧面より低くなるようにするため、供試体中央の９０°層の１層のみ導通する。

【0168】

全ての供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部３１（スパン方向長さ３０ｍｍ）及び後縁側通電部３２（スパン方向長さ３０ｍｍ）を有し、前縁側通電部３１及び後縁側通電部３２の間を通電する。実験用に用いた前縁側導電性接着剤の抵抗値は、３×１０^－３～８×１０^－４Ω・ｃｍであり、後縁側導電性接着剤の抵抗値は、８×１０^－４～２×１０^－４Ω・ｃｍである。主流速度２０ｍ／ｓ、投入電力９Ｗ、室温－１０°Ｃ、投入時間９０秒の条件で、通風時の供試体表面温度分布を確認する。

【0169】

図３３は、層選択通風温度確認試験結果を示すサーモグラフィである。図３４は、層選択通風温度確認試験結果を示すグラフである。

【0170】

図３４のグラフの縦軸は、図３３のサーモグラフィのミッドスパン破線部の表面温度である。横軸は、供試体前縁から後縁までをコード長で無次元化したものである。

【0171】

どの層選択もLayout1(べた塗)より前縁部の温度を高く出来る。特に層選択Aおよび層選択C（２層側）は前縁部２層の導通があるため、集中的に前縁部を加熱でき、前縁部の温度を高く出来る。。層選択Ｂは表面層に一番近い為、供試体ミッドコード付近前後の温度を一番高く出来る。層選択Ｃ（２層側）と層選択Ｃ（１層側）を比較すると、層選択Ｃ（２層側）は前縁および表面に近い２層の導通が可能なため、層選択Ｃ（１層側）より全領域にわたって温度を高く出来る。層選択を行うことで、前縁部の温度を効率的に上げ、さらに供試体表面の片側を正圧面、もう一方を負圧面と想定した場合、正圧面（層選択Ｃ（２層側））の温度を負圧面（層選択Ｃ（１層側））の温度より高くすることが可能である。Layout1(べた塗)は通風時でも前縁の温度を後縁より高くできたが、層選択Ａ、層選択Ｃ（２層側及び１層側）は後縁の方が前縁より温度が高くなった。層選択では導電性接着剤の塗布面積が減ったため、対流熱伝達による熱の奪われに対する今回使用した前縁の導電性接着剤の抵抗が足りず、このような結果となった。しかし、接着剤の体積の減少（導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる）、前後縁の抵抗の比率（前縁の抵抗値÷後縁の抵抗値）を大きくすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能である。ちなみに常温・無風の条件ではLayout1(べた塗)同様、層選択Ａ、層選択Ｃ（２層側及び１層側）も前縁側の方が後縁側より温度が高くなることを確認している。

【0172】

図３５は、層選択通風温度確認試験結果を示すグラフである。

【0173】

主流速度２０ｍ／ｓ、投入電力２０Ｗ、室温－１０°Ｃ、投入時間９０秒の条件で、通風時の供試体表面温度分布を確認する。図３５と図３４との差異は、投入電力の違いのみである。投入電力９Ｗの時と同様な機能は投入電力２０Ｗでも実現できる。Layout1(べた塗)は通風時でも前縁の温度を後縁より高くできたが、層選択Ａ、層選択Ｃ（２層側及び１層側）は後縁の方が前縁より温度が高くなった。層選択では導電性接着剤の塗布面積が減ったため、対流熱伝達による熱の奪われに対する今回使用した前縁の導電性接着剤の抵抗が足りず、このような結果となった。しかし、接着剤の体積の減少（導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる）、前後縁の抵抗の比率（前縁の抵抗値÷後縁の抵抗値）を大きくすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能である。ちなみに常温・無風の条件ではLayout1(べた塗)同様、層選択Ａ、層選択Ｃ（２層側及び１層側）も前縁側の方が後縁側より温度が高くなることを確認している。

【0174】

２．層選択防氷試験

【0175】

図３２のレイアウト１及び層選択Ａの供試体を準備する。試験条件は、主流速度２０ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力２０ｍ／ｓ（１０Ｗ、２２Ｗ、４０Ｗ）、４０ｍ／ｓ（２０Ｗ、３０Ｗ、４９Ｗ）、室温－１０°Ｃである。

【0176】

図３６及び図３７は、試験結果を示す写真である。

【0177】

図３６は、試験条件（空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力（１０Ｗ、２２Ｗ、４０Ｗ）での、レイアウト１及び層選択Ａの防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0178】

図３７は、別の試験条件（空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力（２０Ｗ、３０Ｗ、４９Ｗ）での、レイアウト１及び層選択Ａの防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。

【0179】

図３８及び図３９は、試験結果を示すグラフである。

【0180】

横軸は、投入電力［ｗ］を示す。縦軸は、防氷効果（アンチアイスエフェクト）［％］であり、上記の式（数１）で算出する。

【0181】

図３８は、図３６の結果を示し、空気流速２０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力１０Ｗ、２２Ｗ、４０Ｗの試験結果を示す。投入電力２２Ｗ、４０Ｗにおいて、層選択Ａの防氷効果がレイアウト１の防氷効果より高い。

【0182】

図３９は、図３７の結果を示し、空気流速４０ｍ／ｓ、液滴粒径１５μｍ、投入電力１０Ｗ、２２Ｗ、４０Ｗの試験結果を示す。投入電力３０Ｗ、４９Ｗにおいて、層選択Ａの防氷効果がレイアウト１の防氷効果より高い。

【0183】

図３８及び図３９の何れも、低電力および投入電力が大きく防氷効果が限界に達している所では効果の差が出にくいが、その間では、低電力の箇所でわずかであるが層選択Ａの方が防氷効果が悪く出ているが、実は評価領域でない着氷も含めた「着氷重量［ｇ］」として供試体全体を秤にて防氷時の着氷重量を計測すると、層選択Ａの方が防氷効果が高く出る。面積計算のため、氷の成長の仕方で不利な結果が出てしまったと考えられる。レイアウト１（べた塗）よりも層選択Ａの方が、同じ投入電力でも防氷効果が大きい。

【0184】

Ｖ．結語

【0185】

本実施形態は、近年ファンブレードに採用されている優れた機械特性を有するＣＦＲＰをベースに、材料特性と構造の観点から着氷の課題解決の方法を得たものである。本実施形態によれば、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことが可能である。また、最低限の簡便な追加工によりファンブレードの防氷機能実現が可能となることで、本来の空力性能に悪影響を及ぼすことなく、高い防氷効果の長期安定性と耐久性も得られる。

【0186】

本実施形態は、特に、現行のファンブレードの仕様（ＣＦＲＰ）を用いて着氷の多い箇所に抵抗加熱の発現が可能である。着氷の多い箇所に抵抗加熱を集中して発現が可能である。最低限の追加加工で防除氷機能の実現が可能であり、メンテナンスも容易で長期安定性がある。等の有利な効果がある。

【0187】

航空機業界は年々市場規模が拡大しており、機体、エンジンともにＣＦＲＰの適用割合が増加している。航空業界における防氷・除氷技術は従来からあまり変化していないが、金属を使用していた部位にＣＦＲＰが適用され、新たな防氷・除氷技術の開発が期待される。本実施形態においては、そのＣＦＲＰの特性を活かし、空力的に悪影響を及ぼすことなく、既存のＣＦＲＰファンに追加工を加えることで防氷・除氷が可能となる。また、航空業界と同じく着氷問題が生じている風力発電等に使用する風車や、ＣＦＲＰの普及が進みつつある自動車業界においても寒冷地における着氷対策等に応用可能である。

【0188】

本技術の各実施形態及び各変形例について上に説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0189】

１ ：ジェットエンジン
２ ：低圧軸
４ ：吸気口
５ ：スピナー
６ ：ファンディスク
７ ：ダブテール
８ ：ファンブレード
２１ ：ファンブレード本体
２２ ：シース
２３ ：ガード
２４ ：前縁
２５ ：後縁
３１ ：前縁側通電部
３２ ：後縁側通電部
３５ ：電源
３６ ：加熱領域
４１ ：係止溝
４６ ：接続端子
４９ ：接続端子
５３ ：バッテリ
６１ ：スリップリング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】