JP2012107623A - 熱交換システムおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器内のオイルを解凍することや、システム内の構成要素の数を減少することができる熱交換システムを提供する。
【解決手段】熱交換器２２が、第１の入口３０と、複数の第１のチャネル３４によって第１の入口３０に接続された第１の出口４４と、第２のチャネル３８によって第１の入口３０に接続された第２の出口４０とを備える。バイパス弁２４は、第１の出口４４に接続された第１の入口５０と、第２の出口４０に接続された第２の入口５２と出口５４とを備える。また、出口５４は、第１の入口３０に接続されている。通常の動作モードでは、オイルが、チャネル３４および出口マニホールド４２を通して出口４４へと通流する。熱交換器２２内のオイルの温度が閾値よりも低いときには、バイパス弁２４は、入口５２から出口５４へとオイルを通流させるように切り換わり、オイルは、入口チャネル３２に沿って第２の部分３８へと通流する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギを移動させるシステム、特に、低い動作温度において熱交換器内のオイルを解凍する（ｄｅ−ｃｏｎｇｅａｌ）ことを可能とする熱交換システムに関する。

熱交換器が、第１の領域、例えば、ガスタービンエンジンから、第２の領域、例えば、空気流へと熱エネルギを取り除く、もしくは移動させるために、種々の用途で使用されている。ガスタービンエンジンの場合には、熱移動媒体、例えば、オイルが熱交換器へと循環する。熱交換器は、空気流へと延びる複数のフィンを備えている。フィンは、複数の小型チャネルに熱的に接続されており、オイルは、これらのチャネルを通して通流する。熱エネルギは、オイルからフィンへと移動し、これにより、オイルの温度が減少する。空気がフィンにわたって移動することにより、熱エネルギが、空気流へと移動し、システムから取り除かれる。

オイル−空気式熱交換器の１つの問題は、低い動作温度において生じる。ある用途では、動作温度は、−４０〜−５４℃よりも低下することがある。この環境においては、オイルが凍結し、オイルの粘性が増加することがあり、熱交換器を通してオイルを通流させるのに必要な圧力がフィンを損傷させ得る。熱バイパス弁が上記の条件において熱交換器の周囲にオイルを通流させるように設けられる。バイパスを用いた動作は、オイルの温度が望ましい温度に到達するまで継続される。しかし、熱交換器がバイパスされるので、熱交換器内のオイルは、熱交換器を通してオイルを通流させるのには低すぎる温度を維持したままとなり得る。

他の用途では、複数の熱交換器が並列に配置されている。熱交換器の各々は、専用のバイパス弁を有しており、該バイパス弁により、寒い動作条件下でオイルを温めることができる。単一の熱交換器を備えた状況と同様に、オイルをバイパスすることにより、バイパスされたオイルの粘性は減少するが、熱交換器内のオイルは凍結したままである。複数の熱交換器を伴う場合の他の問題は、例えば、バイパス構成で積み重ねられた複数のバイパス弁の１つに問題が生じたときに発生する。この問題が発生したときには、望ましい熱エネルギ量よりも少ない熱エネルギ量が移動し、動作温度が高くなり得る。熱交換器の各々が並列に配置されているので、作業者は、どのバイパス弁が望ましいように作動していないのか迅速に識別することができないことがある。

したがって、既存のオイル−空気式熱交換器は、これら熱交換器の意図した目的には適しているが、改良の必要性、特に、熱交換器内のオイルを解凍することや、システム内の構成要素の数を減少することについての改良の必要性が残されている。

本発明の１つの特徴では、熱交換器が、第１の入口を備えている。第１の出口は、複数の第１のチャネルによって第１の入口に接続されている。第２の出口は、第２のチャネルによって第１の入口に接続されており、第２のチャネルは、複数の第１のチャネルを横切るように配置された第１の部分を備えている。バイパス弁が、第１の出口に流体的に接続された第２の入口と、第２の出口に流体的に接続された第３の入口と、第２の入口および第３の入口に選択的かつ流体的に接続され、かつ第１の入口に流体的に接続された第３の出口とを備えている。

本発明の他の特徴では、熱交換システムが提供されている。熱交換システムは、第１の入口、第１の出口および第２の出口を有した第１の熱交換器を備えており、第１の出口および第２の出口は、第１の入口に流体的に接続されている。また、第２の熱交換器は、第２の入口、第３の出口および第４の出口を有しており、第３の出口および第４の出口は、第２の入口に流体的に接続されている。単一のバイパス弁が、第１の出口および第３の出口に流体的に接続された第３の入口と、第２の出口および第４の出口に流体的に接続された第４の入口と、第１の入口および第２の入口に流体的に接続された第５の出口とを備えている。

本発明の別の特徴では、熱交換システムを動作する方法が提供されている。この方法は、複数の第１のチャネルによって第１の出口に流体的に接続された第１の入口と、第２のチャネルによって第１の入口に流体的に接続された第２の出口とを備えてなる第１の熱交換器を設けることを含む。バイパス弁は、第１の出口に選択的かつ流体的に接続される第２の入口と、第２の出口に選択的かつ流体的に接続される第３の入口と、第１の入口に流体的に接続された第３の出口とを備えている。第３の入口は、バイパス弁の熱移動媒体の第１の部分の温度が閾値よりも低いときに第３の出口に流体的に接続される。熱移動媒体の第１の部分は、第３の出口から第１の入口へと通流する。

本発明の実施例の熱交換システムの概略図である。 図１の熱交換システムの側面図である。 バイパス動作モードで動作する図１の熱交換システムの概略図である。 本発明の他の実施例の熱交換システムの概略図である。 本発明の実施例の熱交換システムを動作する方法を示したフローチャートである。

熱交換システムは、熱エネルギを移動させるために、種々の用途で使用されている。図１〜図３には、熱交換システム２０の例示的な実施例が示されている。熱交換システム２０は、閉ループとされたオイル−空気システムであり、該システムは、熱交換器２２、バイパス弁２４およびポンプ２６を備えている。熱交換システム２０は、ポンプ２６を用いて、熱移動媒体、例えば、オイルを、オイルの温度が上昇する熱発生領域２８から熱交換器２２へと移動させる。熱交換器２２は、オイルからの熱エネルギを他の媒体、例えば、空気へと移動させ、オイルから熱を取り除く。冷却されたオイルは、バイパス弁２４を介して熱交換器２２から流出し、このプロセスが繰り返される。熱交換システム２０は、望ましい熱移動媒体流および熱移動特性を提供するために本技術分野で周知の付加的な制御装置、例えば、逆止弁、継ぎ手、導管、ポンプ、センサおよびコントローラ（図示せず）を備えることができることを理解されたい。

熱交換器２２は、ポンプ２６からオイルを受けるように流体的に接続された入口３０を備えている。入口３０は、高温のオイルを入口マニホールドつまり入口チャネル３２へと移動させ、入口チャネル３２は、熱交換器２２の長さにわたってオイルを通流させる。以下に詳細に説明されるように、入口チャネル３２は、第１の部分３６と、熱交換器２２を横切る第２の部分３８とを備えている。入口チャネル３２は、出口４０において終端している。

複数のチャネル３４が、入口チャネル３２からオイルを受けるように接続されている。第１の動作モードでは、複数のチャネル３４は、オイルが熱交換器２２の一方の側から出口マニホールド４２へと熱交換器２２を横切るようにオイルを通流させる。出口マニホールド４２は、オイルを受け、出口４４へと通流させる。例示的な実施例では、複数のチャネル３４の各々の断面積は、入口チャネル３２の断面積よりも実質的に小さく形成されている。１つの実施例では、熱交換器２２は、複数のフィン４６を備えている。フィン４６は、複数のチャネル３４内のオイルから熱エネルギを受け、この熱エネルギを他の媒体、例えば、空気へと移動させるように熱的に接続されている。１つの実施例では、熱交換システム２０は、ガスタービンエンジンに接続して動作される。熱交換器２２は、ダクト４８、例えば、ファン吐出ダクトと面一に取り付けられており、フィン４６は、ダクト４８内の空気流へと延びている。本実施例では、オイルは、約９０℃の温度で熱交換器２２へ流入し、６０℃の温度で出口４４を介して流出する。

オイルは、第１の出口４４または第２の出口４０を介して熱交換器２２から流出し、バイパス弁２４へと流入する。例示的な実施例では、バイパス弁２４は、熱調整弁であり、この熱調整弁は、第１の出口４４に接続された第１の入口５０と、第２の出口４０に接続された第２の入口５２と、出口５４とを備えている。バイパス弁２４は、例えば、電子膨張構成要素または蛇腹式熱調整弁とすることができる。バイパス弁２４は、熱移動媒体の特性に基づいて出口５４を第１の入口５０または第２の入口５２に選択的に接続するように構成されている。例示的な実施例では、特性はオイルの温度であり、バイパス弁２４は熱調整弁である。他の実施例では、特性は圧力であり、バイパス弁２４は、オイルの圧力に基づいて入口５０および入口５２を出口５４に選択的に接続する圧力調整弁とすることができる。１つの実施例では、バイパス弁２４は、熱交換器２２と一体に形成されている。

バイパス弁２４の位置が、オイルが熱交換器２２を通して通流する経路を決定することになることを理解されたい。第１の入口５０を出口５４に流体的に接続するようにしてバイパス弁２４を構成したときには、オイルは、図１および図２（通常の動作モード）に示したように複数のチャネル３４を通して出口４４から流出する。第２の入口５２を出口５４に流体的に接続するようにしてバイパス弁２４を構成したとき（図３）には、オイルは、入口チャネルの第１の部分３６から第２の部分３８を通して出口４０から流出する（解凍動作モード）。例示的な実施例では、解凍動作モードから通常動作モードに切り換えるための閾値は、−４０℃である。オイルが複数のチャネル３４ではなく、第２の部分３８を通して通流するときには、空気への熱エネルギの移動は、実質的に減少することになることをさらに理解されたい。

動作時には、熱交換システム２０は、一般に、図１および図２に示した通常動作モードで構成されることになる。この構成では、高温のオイルは、入口３０から入口チャネル３２へと流入する。オイルは、入口チャネル３２に沿って通流し、矢印５８によって示したように第１の端部５６において複数のチャネル３４の各々へと流入する。オイルは、複数のチャネル３４の各々を通して通流し、熱エネルギをフィン４６へと移動させる。第２の端部６０へ到達すると、オイルは、出口マニホールド４２へと流入し、矢印６２によって示したように出口４４に向かって通流する。出口４４におけるオイルの温度は入口３０のオイルの温度よりも実質的に低いことを理解されたい。出口４４を出た後には、オイルは、入口５０へと流入し、矢印６４によって示したように出口５４へと案内される。バイパス弁２４を出た後には、オイルは、熱発生領域２８から熱エネルギを吸収し、入口３０へと戻り、このプロセスが繰り返される。バイパス弁２４が入口５０から出口５４へとオイルを通流させるように構成されているので、オイルが出口４０から流出することはないことを理解されたい。

ある用途、例えば、航空機の用途においては、熱交換システム２０は、−４０℃よりも低い温度からなる環境で動作され得る。１つの実施例では、熱交換システム２０内のオイルが−４０℃よりも低下するときには、オイルの粘性は、複数のチャネル３４の断面積が小さいためにオイルが複数のチャネル３４を通して効率的に通流することができない点まで上昇（または凍結）する。オイルの温度がこの閾値よりも低いときには、バイパス弁２４は、入口５２から出口５４へとオイルを通流させるように切り換わる。切り換えられると、入口３０へと流入するオイルは、入口チャネル３２に沿って第２の部分３８へと通流し、出口４０を介して流出することになる。入口チャネル３２および第２の部分３８の断面積が複数のチャネル３４の断面積よりも大きいので、オイルは、粘性が高くても通流し続けることになる。複数のチャネル３４をバイパスした状態においては、オイルは、熱発生領域２８によって加熱されるが、フィン４６へと熱エネルギを移動させることはない。したがって、オイルは温められ、オイルの粘性は減少する。さらに、オイルが温められるので、入口チャネル３２および第２の部分３８内のオイルの流れは、複数のチャネル３４内のオイルの温度を上昇させる。複数のチャネル３４を加熱することにより、オイルが解凍されるか、もしくはオイルの粘性が減少する。第２の部分３８がチャネル３４と平行に配置されているので、チャネル３４内のオイルは、個別に解凍され得る。つまり、チャネル３４の全てが同時に解凍されるのではなく、第１のチャネルが解凍されることで、オイルが熱交換器２２を通して通流し始める。一旦、第１のチャネル３４が解凍されると、熱交換器２２の全体が解凍されるまで、熱が隣のチャネルへと移動し続ける。第１のチャネルが解凍されることで、熱交換システムの少なくとも一部が動作するようになるので、これは、熱交換器が動作するようになるまでの時間を減少させるという利点をもたらす。また、一旦、温度が閾値よりも上昇すると、バイパス弁は、通常動作モードへと切り換えられ、オイルは、再び複数のチャネル３４を通して通流する。

１つの実施例では、通常モードへ切り換えるための閾値は、オイルの温度である。温度が望ましい閾値（例えば、−４０℃）よりも上昇したときには、バイパス弁２４の位置が変化する。他の実施例では、閾値は、時間に基づいた構成要素を備えることができ、該構成要素では、温度は、例えば、所定の時間の間、望ましい温度よりも高いものとされている。

ある用途では、熱交換システム２０は、図４に示したように、複数の熱交換器６６，６８を備えることができる。本実施例では、第１の熱交換器６６は、第２の熱交換器６８と並列に配置されるとともに、単一のバイパス弁７０に接続されている。第１の熱交換器６６は、第１の入口７２、第１の出口７４および第２の出口７６を備えている。同様に、第２の熱交換器６８は、第２の入口７８、第３の出口８０および第４の出口８２を備えている。熱交換器６６，６８は、上述した熱交換器２２と実質的に同様に構成されており、複数の第１のチャネル３４、入口チャネル３２、出口マニホールド４２および第２の部分３８をそれぞれ備えている。第１の部分３６は、複数の第１のチャネル３４と実質的に垂直に配置されており、第２の部分３８は、複数の第１のチャネル３４と実質的に平行に配置されている。

バイパス弁７０は、第１の出口７４および第３の出口８０に接続された第３の入口８４と、第２の出口７６および第４の出口８２に接続された第４の入口８６とを備えている。バイパス弁７０の第５の出口８８は、熱交換システム２０内の熱移動媒体の特性、例えば、オイルの温度または圧力に基づいて、第３の入口８４および第４の入口８６に選択的に接続される。オイルは、第５の出口８８から流出し、熱発生領域２８を通して通流する。オイルは、ポンプ２６によって、第１の入口７２および第２の入口７８に再循環される。第１の導管９０が、第１の入口７２と第２の入口７８とを接続している。第２の導管９２が、第２の出口７６と第４の出口８２とを接続している。１つの実施例では、第１の導管９０の圧力降下と第２の導管９２の圧力降下とは実質的に等しい。

動作時には、熱交換器６６，６８およびバイパス弁７０は、このバイパス弁７０の位置に基づいて、複数のチャネル３４または第２の部分３８を通してオイルを通流させるように協働する。オイルが第３の入口８４から第５の出口８８へと通流する第１の位置にバイパス弁７０があるときには、オイルは、複数のチャネル３４を通流し、熱エネルギは、上述したように、フィン４６によって空気へと移動する。オイルが第４の入口８６から第５の出口８８へと通流する第２の位置にバイパス弁７０があるときには、オイルは、第２の部分３８を通して通流し、これにより、空気への熱エネルギの移動は減少し、オイルの温度が上昇する。オイルの温度が増加することにより、オイルの粘性が減少し、温かいオイルが入口チャネル３２および第２の部分３８を通して通流するので、寒い動作条件下において、熱交換器６６，６８内のオイルが解凍される。バイパス弁７０は、熱移動媒体特性の閾値、例えば、−４０℃の温度、または圧力閾値に基づいて、第１の位置と第２の位置との間で切り換わるように構成され得る。

単一のバイパス弁７０に複数の熱交換器を接続することにより、信頼性が向上し、コストが削減されるという利点が得られることを理解されたい。単一のバイパス弁７０のみが存在するので、熱交換システム２０の問題点をより迅速に分析し、保守時間や保守にかかるコストを減少することができる。

図５には、熱交換システム２０を動作する方法１００が示されている。方法１００は、ブロック１０２から始まり、ブロック１０４において、熱発生領域２８の動作、例えば、ガスタービンエンジンの動作を開始する。次に、方法１００は、ブロック１０６において、熱移動媒体、例えば、オイルの温度Ｔ_媒体を決定する。媒体の温度が計測されると、方法１００は、質問ブロック１０８において、温度Ｔ_媒体が、閾値、例えば、−４０℃よりも低いかを決定する。質問ブロック１０８において否定的な返答がなされると、方法１００は、ブロック１１０において、複数のチャネル３４を通して媒体を通流させ、熱エネルギを空気へと移動させるようにバイパス弁を設定する。

また、質問ブロック１０８において肯定的な返答がなされると、媒体の粘性が、複数のチャネル３４を通して効率的に通流するには高すぎるということになり、方法１００は、ブロック１１２へと進む。ブロック１１２において、バイパス弁は、第２の部分３８を通して媒体を通して通流させるように設定される。これにより、熱エネルギの移動が減少し、熱移動媒体の温度が増加し、これに伴い、媒体の粘性が減少する。ブロック１１４において、熱移動媒体は、第２の部分３８を通流し、ブロック１１６において、この媒体の流れは、熱交換器の温度を増加させる。そして、方法１００は、ブロック１０６へと戻り、継続される。

熱交換システム２０の実施例によって、オイルを解凍するように熱交換器を加熱し、熱交換システムの動作範囲を増加し、熱交換システムが冷却機能を与える前の時間を減少し、複数の熱交換器の用途においてバイパス弁の数を減少し、信頼性を向上し、保守コストを減少することができる。

本発明の好ましい実施例を開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解するであろう。この理由から、本発明の特許請求の範囲および内容を確定するために、付記の特許請求の範囲を検討されたい。

Claims (13)

1. 第１の入口と、
   複数の第１のチャネルによって前記第１の入口に流体的に接続された第１の出口と、
   前記複数の第１のチャネルを横切るように配置された第１の部分を有してなる第２のチャネルによって、前記第１の入口に流体的に接続された第２の出口と、
   前記第１の出口に流体的に接続された第２の入口と、前記第２の出口に流体的に接続された第３の入口と、前記第２の入口および前記第３の入口に選択的かつ流体的に接続され、かつ前記第１の入口に流体的に接続された第３の出口とを有したバイパス弁と、
   を備えた熱交換システム。
2. 前記複数の第１のチャネルは、前記第１の入口に隣接した第１の端部と、前記第１の出口に隣接した第２の端部と、前記第１の部分は、前記第１の端部に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記第２のチャネルは、前記第１の入口の反対側に位置する前記第１の部分の第３の端部と、前記第２の出口との間に配置された第２の部分を備えることを特徴とする請求項２に記載の熱交換システム。
4. 前記複数の第１のチャネルの前記第２の端部に流体的に接続された出口マニホールドをさらに備え、前記第１の出口は、前記出口マニホールドの第４の端部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記バイパス弁は、閾値よりも低い前記バイパス弁内の熱移動媒体の温度に応答して、前記第３の出口を前記第３の入口に選択的に接続することを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
6. 前記閾値は、−４０℃であることを特徴とする請求項５に記載の熱交換システム。
7. 複数の第１のチャネルによって第１の出口に流体的に接続された第１の入口と、第２のチャネルによって前記第１の入口に流体的に接続された第２の出口とを備えてなる第１の熱交換器を設け、
   前記第１の出口に選択的かつ流体的に接続される第２の入口と、前記第２の出口に選択的かつ流体的に接続される第３の入口と、前記第１の入口に流体的に接続された第３の出口とを備えてなるバイパス弁を設け、
   前記バイパス弁の熱移動媒体の第１の部分の温度が閾値よりも低いときに、前記第３の入口を前記第３の出口に流体的に接続し、
   前記第３の出口から前記第１の入口へと前記熱移動媒体の前記第１の部分を通流させることを含む熱交換システムを動作する方法。
8. 前記第３の入口が前記第３の出口に流体的に接続されているときに、前記第１の入口から前記第２のチャネルを通して前記熱移動媒体を通流させることをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記熱移動媒体の前記第１の部分が前記第２のチャネルを通して通流し、前記熱移動媒体の第２の部分の少なくとも一部が前記複数の第１のチャネル内に存在するときに、前記熱移動媒体の前記第２の部分を解凍するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記熱移動媒体の前記第１の部分の温度が前記閾値よりも高いときに前記第２の入口を前記第３の出口に流体的に接続することをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の入口が前記第３の出口に流体的に接続されているときに、前記複数の第１のチャネルを通して前記熱移動媒体の前記第２の部分を通流させることをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 複数の第３のチャネルによって第４の出口に流体的に接続された第４の入口と、第４のチャネルによって前記第４の入口に流体的に接続された第５の出口とを備えてなる第２の熱交換器を設けることをさらに含み、前記第５の出口は、前記第２の出口に直列に接続され、前記第４の出口は、前記第２の入口に流体的に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記第３の入口が前記第３の出口に流体的に接続されているときに、前記第４のチャネルを通して前記熱移動媒体の前記第１の部分を通流させることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

Images