JP2001214702A - 金属線を有する製品表面及びその製法 - Google Patents

金属線を有する製品表面及びその製法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 面からの熱伝達のためのタービュレータの表
面積をより正確に制御すると共に、表面に対してタービ
ュレータを正確に配置しかつ結合する。 【解決手段】 製品（１０）の表面（１２）（例えば、
外部流体流動面）において、複数の金属線（１４）が線
（１４）の長手方向に沿って製品表面（１２）に結合さ
れている。かかる製品は装置の部品（例えば、ガスター
ビンエンジンの部品）からなり得ると共に、線（１４）
は製品（１０）の表面に結合されてそれの表面特性を変
化させる。製品（１０）はまた、層の表面（１２）に沿
って担持された金属線（１４）を含む結合層（例えば、
ろう付けテープ）からもなり得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は流体の流れに暴露さ
れる表面を有する製品に関するものであって、更に詳し
く言えば、加熱された流体の流れる表面を有する製品
（例えば、動力発生装置の部品）に関する。
【０００２】
【従来の技術】動力発生装置の特定の部品（例えば、ガ
スタービンエンジン部品）は、空気、燃焼生成物などの
ごとき加熱流体の流れの中で動作するか、或いはかかる
加熱流体の流れに暴露される。例えば、燃焼器区画より
も下流に位置する（動翼及び静翼のエーロフォイルをは
じめとする）ガスタービンエンジン羽根部材、支柱及び
エンジン内部流体流路の表面は、エンジン内部の（空気
及び燃焼生成物を含む）流体の流れによって加熱され
る。エンジン設計の観点から見れば、比較的高い温度で
エンジンを運転することが好ましい。時には、かかる温
度は部品を構成するある種の合金が効率的に耐え得る温
度よりも高いことがある。そのような場合には、部品温
度を許容範囲内に維持するため、部品の冷却又は表面か
らの熱放散が必要となる。別の状況下では、当業界にお
いて公知の通り、隙間制御や応力制御の目的で協働する
部品間の熱的整合を維持するためにかかる冷却が必要と
なる。
【０００３】部品の総合冷却効率を向上させるために
は、特に冷却剤として作用する流体に暴露される流体流
動面上に大きい伝熱表面積を有することが望ましい。そ
れ故、部品からの熱放散用のタービュレータを製品表面
に設置するか、或いは製品表面に形成することが提唱さ
れた。一般に、タービュレータは表面からの熱伝達を向
上させるため表面上に配置された突起である。例えば、
１９９９年５月３日に提出されたハス(Hasz)等の同時係
属米国特許出願第０９／３０４２７６号明細書中には、
乱流発生構造を有する製品及び乱流発生構造を設ける方
法が記載されている。また、タスリム及びスプリング(T
aslim & Spring) の論文「流路内の熱伝達及び摩擦に対
するタービュレータの輪郭及び間隔の効果」〔ジャーナ
ル・オブ・サーモフィジックス・アンド・ヒート・トラ
ンスファー(Journal of Thermophysics and Heat Trans
fer)、第８巻、第３号、１９９４年７〜９月〕中には、
表面からの熱伝達とタービュレータの輪郭及び間隔との
関係が報告されている。更にまた、（１９９４年１０月
１１日に特許付与された）アディウトリ(Adiutori)等の
米国特許第５３５３８６５号明細書中には、ガスタービ
ンエンジンアセンブリの構造化表面の衝突冷却方法が記
載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】タービュレータとして
粒子を含む表面からの熱伝達の向上は顕著である。しか
し、表面からの熱伝達のためのタービュレータの表面積
をより正確に制御すると共に、表面に対してタービュレ
ータを正確に配置しかつ結合することが望ましい。更に
また、タービュレータを用いて製品表面の強度を向上さ
せ、かつ（或いは）表面に沿った流体の流れを制御する
ことができれば、部品の寿命及び効率が改善されるはず
である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様では、製
品表面と、線の長手方向に沿って該製品表面に結合され
た複数の分離した金属線とを有することを特徴とする製
品が提供される。一実施形態においては、上記の金属線
は金属線織物又は金網の形態を有する。別の実施形態に
おいては、上記の製品は基材と該基材によって担持され
た複数の金属線とからなるテープ（例えば、ろう付けテ
ープ）である。
【０００６】本発明の別の態様では、製品（例えば、実
用に供されたエンジン部品）の表面を改質するための方
法が提供される。かかる方法は、複数の分離した金属線
を線の長手方向に沿って製品の表面に結合することを特
徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】表面から熱を放散させるためのタ
ービュレータは、先行技術の実施例においては、主とし
て製品表面に結合された物質粒子又は概して半球状の部
材もしボタンの形状を有するものとして記載されてい
る。そのような一般的形状を有するタービュレータは、
熱の放散を助けるものの、製品表面の強化や製品表面に
沿った流体の流れの制御のためには役立たない。
【０００８】本発明の一実施形態に従えば、金属線、金
属線織物又は金網からなるタービュレータを長手方向に
沿って製品表面に結合した場合、製品の表面強度を増大
させかつ製品の可能な実用寿命を延長させながら製品表
面からの熱放散を行うことが可能となる。ここで言う
「線」とは、一般に横断面の少なくとも約５倍に等しい
長さを有する細長い部材を意味する。更にまた、流体が
流れる製品表面又は流体が衝突する製品表面に沿って複
数の線を特定のやり方で配置すれば、製品表面における
所望の境界層流れの制御が可能となる。例えば、もし線
が流れに対して実質的に平行に配置されれば、流体は表
面に沿ってより円滑に案内される結果、空気流中におけ
る空力的効率が向上する。また、もし線が流れに対して
一定の角を成して配置されれば、流れに対してより多く
の乱流発生又は所望の乱流発生がもたらされる。本発明
の実施形態に従い、表面からの熱放散の程度、表面に沿
っての流体の流れ、及び／又は製品の表面強度を改善し
かつより正確に制御することができるのである。金属線
織物及び金網を含めたかかる線の設置は、製品の初期製
造時に行うこともできるし、或いは実用運転後に行うこ
ともできる。
【０００９】例えば押出しによって比較的大きい長さ並
びに様々な太さ及び横断面形状を有するように形成し得
る金属線は、線の方向に沿って製品表面に強度を付与す
ることができる。それ故、表面に結合されたかかる部材
を使用する場合には、表面の強化と並んで流体流れの制
御、熱放散及び（所望ならば）環境保護のために適する
ように線の材料（金属又は合金）、形状、寸法及び配列
状態を選択することができる。表面強度及び熱放散の両
方を改善するためには、製品表面に比べてより大きい熱
伝導率及び少なくとも１種のより高い機械的強度特性
（例えば引張強さ）を有する金属又は合金を用いて線を
形成すればよい。
【００１０】本発明の一実施形態が図１の部分断面斜視
図に示されている。全体として１０で示された製品は、
製品表面１２を有する金属基体１１を含んでいる。表面
１２には、概して円形の横断面を有するように示された
複数の金属線１４が長手方向に結合されている。この実
施形態においては、線１４は互いに離隔しながら概して
平行なアレイを成して表面１２上に配置されている。し
かし、所望の場合又はランダム配置の場合には、１本以
上の線１４が１本以上の隣接する線に近接又は接触して
いてもよいし、或いは１本以上の隣接する線に結合され
ていてもよいことを理解すべきである。例えば、表面１
２からの熱放散を調整したり、かつ（或いは）表面１２
の機械的性質を増強又は改善したりするために適した配
列状態を採用することができる。図１には概して平行な
アレイが示されているが、上記のごとくに複数の線が互
いに一定の角を成すように配置されていてもよいし、或
いはかかるアレイが例えば図５〜８に示されるような金
属線織物又は金網の形態を有していてもよい。
【００１１】図２の拡大部分断面図には、図１に示され
た複数の線中の分離した線１４が結合用合金１６（例え
ば、ろう付け合金）により線の長手方向に沿って製品表
面１２に結合されたところが示されている。また、図３
及び４の拡大部分断面図には、異なる横断面形状を有す
る線１４が適当な結合用合金１６によって製品表面１２
に結合されたところが示されている。
【００１２】図５〜８の部分断面斜視図には、線１４の
様々な具体例として、概して線構造物中の線の長手方向
に沿って製品表面１２に結合された金属線織物又は金網
１８が略示されている。かかる線構造物は、表面１２に
対して三次元的な乱流発生効果をもたらす。図５は、線
が図３に示されるような概して矩形（例えば正方形）の
横断面を有する場合を示している。図６は、線が図４に
示されるような実質的に真直ぐな側面を持った概して三
角形の横断面を有する場合を示している。図７は、線が
実質的に放物形の側面を持った概して三角形の横断面を
有する場合を示している。図８は、線が図２に示される
ような概して円形の横断面を有する場合を示している。
【００１３】製品表面上に複数の線を配置し、位置決め
し、かつ結合するための１つの簡便な手段は、所望に応
じて位置決めされた金属線を担持する予備形なろう付け
合金層（例えば、ろう付けシート又はテープ）を使用す
るというものである。ろう付け合金を含む予備形成層は
多くの文献に記載されており、かつ金属接合分野におい
て常用されている。それの一例としては、接合すべき金
属又は合金に対して適宜に選択されたろう付け合金を含
むものが挙げられる。時には、かかるろう付け合金はろ
う付け温度に加熱されると実質的に残留物を生じること
なしに分解する非金属材料の層中に担持される。別の具
体例においては、ろう付け合金は結合剤を伴わない合金
として使用される。かかる層及びそれを構成する材料の
実例は、当業界において広く使用されかつ記載されてい
るが、例えば前述の同時係属米国特許出願第０９／３０
４２７６号明細書を参照されたい。製品表面上に複数の
線を配置し、位置決めし、かつ結合するための別の手段
は、ろう粉末及び逃散性結合剤を含むろう付け合金ペー
ストを使用するというものである。かかるろう付け用ペ
ーストとしては、各種のものが商業的に入手可能であ
る。ここで言う、製品表面と該表面に結合した（任意の
形態の）複数の分離した金属線とを含む製品は、限定さ
れるわけではないが、線を担持するろう付け部分をも含
む。かかるろう付け部分としては、ろう付けペースト、
ろう付けシート又はろう付けテープが挙げられる。
【００１４】本発明の線構造物を含み得るような金属表
面を有する製品の一例としては、部品温度を許容範囲内
に維持するため、或いは隙間制御又は応力制御を目的と
して所望の熱的整合を維持するために冷却を必要とする
タービンエンジン部品が挙げられる。かかる部品の実例
としては、タービン動翼、タービン静翼、支柱、シュラ
ウド、及び空気（単独又は燃焼生成物との混合物として
の空気）からなる流体の流れる外部流体流動面（又は気
流面）を有する各種の支持構造物が挙げられる。ある種
の実施形態においては、衝突冷却のため、空気のごとき
冷却用流体が製品表面に衝突させられる。なお、流体の
流れに関連してここで使用される「空気」という用語
は、空気及び燃焼生成物を適宜に包括するものとする。
一般に、かかる製品又は製品表面はＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ
のうちの１種以上を基材とする高温合金からなってい
る。かかる製品又は製品表面の外部流体流動面上に本発
明の線構造物を使用するためには、金属線は約０．００
１〜０．１インチの範囲内の横断面寸法を有することが
好ましい。
【００１５】また、実用に供された製品の表面を改質又
は強化するために本発明の線構造物を使用することもで
きる。例えば、ガスタービンエンジンにおいて実用に供
された製品の金属製の外部流体流動面を改質しかつ適宜
に強化するためには、金属線織物又は金網の形態を有す
る線をはじめとする複数の金属線を線の長手方向に沿っ
て該表面に（例えば、ろう付けによって）結合すればよ
い。かかる実施の結果、上記のごとく、表面からの熱放
散の向上、表面強度の増大、表面に沿った流体の流れの
制御などを達成することができる。
【００１６】本発明の一評価例として、ハステロイ−Ｘ
(Hastalloy-X) として商業的に入手可能な高温合金から
なる外径 3/8インチの管に、逃散性結合剤を含みかつ片
面に接着剤を塗布した厚さ０．００５インチのろう付け
テープを巻付けた。かかるろう付けテープは、時にはＧ
Ｅ８１ろう付け合金と呼ばれるＮｉ−Ｃｒ−Ｓｉ型のＮ
ｉ基ろう付け合金を含んでいた。次いで、概して円形の
横断面を有する直径０．０２０インチのハステロイ−Ｘ
合金線を管上のろう付けテープの回りに巻付けた。な
お、巻線間の間隔は約 1/8インチであった。次に、この
試験体を真空炉内において２１００°Ｆで３０分間にわ
たりろう付けした。その際には、結合剤をろう付けテー
プから分解除去すると共に炉を安定化するため、５５０
°Ｆから２１００°Ｆまで段階的に昇温する加熱スケジ
ュールを使用した。このようにして、長手方向に沿って
線を管の外面に結合したところ、冷却後には本発明の線
構造物が得られた。
【００１７】本発明の別の評価例においては、上記のご
ときハステロイ−Ｘ合金線の複数の断片の各々を、線の
長手方向に沿って厚さ０．００１５インチのＮｉ基合金
ろう付け箔の表面に抵抗スポット溶接した。かかる箔の
公称組成は、１９重量％のＣｒ、７．３重量％のＳｉ、
１．５重量％のＢ、及び残部のＮｉからなっていた。か
かる箔中に逃散性結合剤は含まれていなかった。このよ
うな線担持箔を時にはＧＴＤ−２２２合金と呼ばれる合
金からなる金属板上に抵抗スポット溶接し、次いで真空
炉内において２１００°Ｆで３０分間にわたりろう付け
することによって板表面に結合した。ハステロイ−Ｘ合
金線は、ＧＴＤ−２２２合金表面に比べてより大きい熱
伝導率及びより高い引張強さを有していた。その結果、
板表面からの熱放散及び板表面の強度特性が向上した。
この評価例は本発明に係わる別の線構造物を示してい
る。
【００１８】本発明の更に別の評価例においては、上記
のごときハステロイ−Ｘ合金線を金網の形態で設置し
た。かかる金網を、金網中の線の長手方向に沿って上記
のごとき厚さ０．００１５インチのＮｉ基合金ろう付け
箔の表面に抵抗スポット溶接した。金網を担持した箔を
ＧＴＤ−２２２合金板の表面に対し２１００°Ｆで３０
分間にわたり真空ろう付けしたところ、本発明に係わる
更に別の線構造物が得られた。
【００１９】上記のごとく、特定のろう付け合金粉末及
び逃散性結合剤を含む各種のろう付けペーストが商業的
に入手可能である。本発明の範囲内にはまた、製品の表
面にろう付けペーストを塗布し、次いでかかるペースト
中に（任意の形態の）線をそれの長手方向に沿って埋込
んでからろう付けを行うことも含まれる。
【００２０】以上、様々な特定の形態、形状、実施形
態、実施例、方法及び材料に関連して本発明を説明し
た。しかし、それらは本発明を例示するものに過ぎない
のであって、決して本発明の範囲を制限するものではな
いことを理解すべきである。前記特許請求の範囲から逸
脱することなしに様々な変形や変更が可能であること
は、関連する諸分野の当業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】長手方向に沿って製品表面に結合された複数の
概して円形横断面の分離した金属線を含む製品の部分断
面斜視図である。
【図２】図１の線の拡大部分断面図であって、製品表面
との結合状態を示している。
【図３】製品表面に結合された概して正方形横断面の分
離した線の部分断面図である。
【図４】製品表面に結合された概して三角形横断面の分
離した線の部分断面図である。
【図５】線の長手方向に沿って製品表面に結合された三
次元的な金属線織物又は金網を略示する部分断面斜視図
であって、上記の線が正方形の横断面を有する場合を示
している。
【図６】線の長手方向に沿って製品表面に結合された三
次元的な金属線織物又は金網を略示する部分断面斜視図
であって、上記の線が真直ぐな側面を持った三角形の横
断面を有する場合を示している。
【図７】線の長手方向に沿って製品表面に結合された三
次元的な金属線織物又は金網を略示する部分断面斜視図
であって、上記の線が放物形の側面を持った三角形の横
断面を有する場合を示している。
【図８】線の長手方向に沿って製品表面に結合された三
次元的な金属線織物又は金網を略示する部分断面斜視図
であって、上記の線が円形の横断面を有する場合を示し
ている。
【符号の説明】
１０ 製品 １１ 金属基体 １２ 製品表面 １４ 金属線 １６ 結合用合金 １８ 金属線織物又は金網
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェイン・チャールズ・ハス アメリカ合衆国、バーモント州、ポウナ ル、ボックス・376、アールディー・ナン バー１番 (72)発明者 ネジム・アブアフ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、バレンシア・ロード、1532番 (72)発明者 ロバート・アラン・ジョンソン アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 シンプソンビル、ワイルド・ホース・クリ ーク・ドライブ、380番

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 製品表面（１２）と、線（１４）の長手
    方向に沿って製品表面（１２）に結合された複数の金属
    線（１４）とを有する、製品（１０）。
  2. 【請求項２】 製品表面（１２）が第１の熱伝導率及び
    第１の機械的強度特性を有する金属製品表面であり、か
    つ線（１４）が金属製品表面（１２）と異なる金属から
    なる、請求項１記載の製品（１０）。
  3. 【請求項３】 線（１４）が第１の熱伝導率より大きい
    第２の熱伝導率を有する、請求項２記載の製品（１
    ０）。
  4. 【請求項４】 線（１４）が第１の機械的強度特性より
    高い第２の機械的強度特性を有する、請求項２記載の製
    品（１０）。
  5. 【請求項５】 線（１４）が第１の熱伝導率より大きい
    第２の熱伝導率を有する、請求項４記載の製品（１
    ０）。
  6. 【請求項６】 複数の分離した金属線（１４）が互いに
    実質的に平行に配置されている、請求項２記載の製品
    （１０）。
  7. 【請求項７】 複数の線（１４）中の少なくとも１本が
    別の線（１４）に対して実質的に一定の角を成して配置
    されている、請求項２記載の製品（１０）。
  8. 【請求項８】 線（１４）が金網（１８）及び金属線織
    物（１８）からなる群より選ばれた形態を有する、請求
    項７記載の製品（１０）。
  9. 【請求項９】 製品表面（１４）が流体流れ方向に沿っ
    て流体の流れる流体流動面（１２）である、請求項１記
    載の製品（１０）。
  10. 【請求項１０】 金属線（１４）が概して流体流れ方向
    に沿って結合されている、請求項９記載の製品（１
    ０）。
  11. 【請求項１１】 複数の線（１４）中の少なくとも１本
    が流体流れ方向に対して一定の角を成して結合されてい
    る、請求項９記載の製品（１０）。
  12. 【請求項１２】 製品（１０）がガスタービンエンジン
    部品の形態を有する場合において、流体流動面（１２）
    が気流方向に沿って空気の流れる製品（１０）の外面
    （１２）であり、かつ線（１４）が概して気流方向に沿
    って外面（１２）に結合されている、請求項９記載の製
    品（１０）。
  13. 【請求項１３】 製品（１０）がガスタービンエンジン
    部品の形態を有する場合において、流体流動面（１２）
    が気流方向に沿って空気の流れる製品（１０）の外面
    （１２）であり、かつ複数の線（１４）中の少なくとも
    １本が別の線（１４）に対して実質的に一定の角を成し
    て配置されている、請求項９記載の製品（１０）。
  14. 【請求項１４】 線（１４）が金網（１８）及び金属線
    織物（１８）からなる群より選ばれた形態を有する、請
    求項１３記載の製品（１０）。
  15. 【請求項１５】 製品表面（１２）を含む結合層の形態
    を有する製品（１０）において、製品表面（１２）が結
    合材の表面であり、かつ製品表面（１２）が線（１４）
    の長手方向に沿って複数の金属線（１４）を担持してい
    ることを特徴とする製品（１０）。
  16. 【請求項１６】 線（１４）が互いに実質的に平行に配
    置されている、請求項１５記載の製品（１０）。
  17. 【請求項１７】 複数の線（１４）中の少なくとも１本
    が別の線（１４）に対して一定の角を成して配置されて
    いる、請求項１５記載の製品（１０）。
  18. 【請求項１８】 線（１４）が金網（１８）及び金属線
    織物（１８）からなる群より選ばれた形態を有する、請
    求項１７記載の製品（１０）。
  19. 【請求項１９】 実用に供された製品（１０）の外部流
    体流動面（１２）を改質するための方法において、複数
    の金属線（１４）を線（１４）の長手方向に沿って外部
    流体流動面（１２）に結合することを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】 複数の金属線（１４）が互いに実質的
    に平行に配置されている、請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 複数の線（１４）中の少なくとも１本
    が別の線（１４）に対して一定の角を成して配置されて
    いる、請求項１９記載の方法。
  22. 【請求項２２】 線（１４）が金網（１８）及び金属線
    織物（１８）からなる群より選ばれた形態を有する、請
    求項２１記載の方法。
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