JP2013139080A - 熱交換器内で金属をスカイビングしてフィンを形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シェービング（３０）を形成するためにスカイビングブレード（２０）を使用して金属物体（１０）をスカイビングする方法を提供すること。
【解決手段】スカイビングブレードを使用して金属をスカイビングする方法は、金属材料の表面にニックを形成するステップと、前記ニック内に前記スカイビングブレードを導入するステップと、シェービングを形成するために前記スカイビングブレードを前記ニックから前記金属材料内まで前進させるステップとを含む。シェービング（３０）を形成するのに使用される金属物体（１０）は、アルミニウムより高い硬度を有する金属材料から作られる。シェービング（３０）は、熱交換器を形成する金属物体上に形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器内で金属をスカイビングしてフィンを形成する方法に関する。

スカイビングは、一般に、金属物体上に一連の非常に精密な一体形シェービング（shaving）を作るのに使用され得、これらのシェービングは一般に全体で同じ形状およびサイズを有することができる。例えば、熱交換器の製造業者は金属フィンを作るのにスカイビング技術を使用することができ、ここでは、熱交換器のフィンは１つの媒体から別の媒体に熱を伝達するのを可能にする。母材から形成される一体形フィンは、金属物体にろう付けされ得るかまたはそれ以外の手法で取り付けられ得るフィンよりも大幅に高い熱伝導率を有する。このような熱交換器のフィンは、周囲空気に熱を伝達するのに必要となる大きい表面積を有する。通常、このようなフィンは、低温用途で現在使用される材料である、銅またはアルミニウムなどの、単一ブロックの金属からスカイビングされる。

DAVID L. ELLIS, GRCop-84: A High-Temperature Copper Alloy for High-Heat-Flux Applications, February 2005

一実施形態では、スカイビングブレード使用して金属をスカイビングする方法が、アルミニウムより高い硬度を有する金属材料の表面にニックを形成することと、ニック内にスカイビングブレードを導入することと、シェービングを形成するためにスカイビングブレードをニックから金属材料内へと前進させることとを含む。

別の実施形態では、アルミニウムより高い硬度を有する材料から作られる金属物体を有する熱交換器内にフィンを形成する方法において、この金属物体が、上側表面と、金属物体内にある少なくとも１つの流体通路とを有し、この方法は、表面にニックを形成することと、ニック内にスカイビングブレードを導入することと、金属物体に取り付けられた状態を維持するフィンを形成するためにスカイビングブレードをニックから材料内へと前進させることとを含む。

本発明の実施形態が克服する、不均一なシェービング、および、シェービング間の不均一な間隔を示す概略的な斜視図である。 本発明の一実施形態による、金属物体の表面内に形成されるニックを備える金属物体を示す概略的な側面図である。 図２Ａの金属物体を示す概略的な斜視図である。 本発明の一実施形態に従って使用され得るスカイビングブレードを備える、図２Ａの金属物体を示す概略的な側面図である。 本発明の一実施形態による、スカイビングブレードがニック内に導入された状態の、図３の金属物体およびスカイビングブレードを示す概略的な側面図である。 本発明の一実施形態による、図３の金属物体内にシェービングを形成するためにスカイビングブレードをニックから前進させることを示す概略的な側面図である。 本発明の別の実施形態に従って形成されるニックの列を備える熱交換器の金属物体を示す斜視図である。 本発明の別の実施形態に従ってフィンが形成された、図６の金属物体を示す斜視図である。

アルミニウムおよび銅は特に熱交換器のスカイビングでしばしば使用される材料であるが、これらの材料は、より耐熱性の高温材料を使用しなければならない種々の用途および環境に適さない可能性があるとみなされる。例えば、温度がアルミニウムおよび銅の融点を超えるようなジェットエンジンなどの環境内では、高い熱伝導率を有し、そのような環境に適するという理由で、ニッケル２０１などのほぼ純粋なニッケル材料または一部のニッケル合金が所望される場合がある。しかし、ニッケル、および、ニッケルに関連する高温合金は、比較的硬い材料であり、アルミニウムおよび銅と比較して大幅に硬いことから、スカイビングすることが困難でもあり、現在知られているスカイビング技術では、再現可能な均一なシェービングが得られない。

図１は、現在のスカイビング手法に従って加工されるニッケルまたは同様の高硬度金属材料２における、形成されるシェービング４のサイズおよび間隔が非常に不均一であることを示す。さらに、シェービング４を形成するのに使用される切削工具（図示せず）は、ノーズ部分を高硬度金属材料２内に入れるためにノーズ部分のところに十分な圧力が得られるまで高硬度金属材料２の表面６に沿って滑るように移動することから、寿命が短い。この過度の圧力により切削工具のノーズ部分はより迅速に摩耗してしまい、また、切削工具のノーズ部分には大きい曲げ荷重が加わることから、切削工具が早期に疲労する可能性もある。

本発明の方法の実施形態では、アルミニウムより高い硬度を有する金属材料上に均一なシェービングをスカイビングすることを可能にする。非限定的な例として、このような金属にはニッケルまたはニッケル合金が含まれてよい。これらの材料が例示であること、および、本発明の実施形態に従って、アルミニウムより高い硬度を有する別の材料も使用され得ることを理解されたい。例えば、本発明の一実施形態による、金属物体１０を含めた、アルミニウムより高い硬度を有する金属をスカイビングする方法は、図２Ａに示される金属物体１０の表面１４にニック１２を形成することを含むことができる。表面１４内のニック１２が任意適切な形で形成され得ることが企図される。非限定的な例として、ニック１２を形成することには、表面１４をエッチングすること、ＥＤＭワイヤ（図示せず）を用いて表面１４を切削すること、または、ダブテールタイプのミリングカッタ（図示せず）を用いて表面１４を切削することが含まれてよい。

図２Ｂは金属物体１０の斜視図を示しており、ここでは、ニック１２が金属物体１０の幅方向に沿って作られ得ることが理解されよう。ニック１２を形成することには、複数のニック１２を形成することが含まれてよい。これらの複数のニック１２は列状であってよい。複数のニック１２を列状に形成することには、金属物体１０の幅方向にニック１２の複数の列を形成すること、または、金属物体の長手方向に沿ってニック１２の複数の列を形成することが含まれてよい。この図では、金属物体１０の長手方向の一部分に沿って一列のニック１２が示されている。ニック１２を金属物体の第１の端部１６に直接に近接したところから形成することができず、したがって、第１のニック１２と第１の端部１６との間にはスカイビングすべき材料が存在することが企図される。ニック間の距離またはピッチは、フィンの間隔を所望される通りに等しくするように設定され得る。

また、スカイビングが行われた後、金属物体１０を形成する材料に応じて、および、金属物体１０の意図される用途に応じて、ニック１２は種々の形状および断面を有することができることが企図される。非限定的な例として、ニック１２は、表面１４内に形成される微小な窪み、表面１４内に形成される溝、または、表面１４内に形成される深い凹部であってよい。ニック１２の深さが０．０１０インチ（０．０２５４ｃｍ）から０．０１５インチ（０．０３８１ｃｍ）程度であってよいことが企図される。別の例として、凹部であるニック１２を形成することには、金属物体１０内に、表面１４を基準にして特定の方向に方向付けられる鋭い突起部１８を形成することが含まれてよい。図３に示されるように、スカイビングブレード２０は、金属物体１０上にシェービング３０（図５）を形成するのに使用され得る。鋭い突起部１８は矢印２１で示されるスカイビングブレード２０の進行方向を向くように方向付けられ得る。

所望される通りのニック１２が形成された後、スカイビングブレード２０が、図４に示されるように、ニック１２のうちの１つの中に、好適には第１の端部１６の方を向くニックの中に導入され得る。スカイビングブレード２０はリーディングエッジ２２およびボトムエッジ２４を有することができる。スカイビングブレード２０のボトムエッジ２４が金属物体１０の表面１４を基準としてある角度を有するように、スカイビングブレード２０がある角度でニック１２内に導入され得ることが企図される。

スカイビングブレード２０はカッターバッキングブロック２６に動作可能に結合され得るか、または、スカイビングブレード２０に駆動圧力を加えることができる別の機械に動作可能に結合され得る。スカイビングブレード２０をニック１２内へと移動させるときにスカイビングブレード２０に力を作用させることができるように、任意適切な手法で駆動圧力が適用され得ることが企図される。スカイビングブレード２０はカッターバッキングブロック２６によって押圧され得、したがって、スカイビングブレード２０はニック１２から金属物体１０内へと前進され得、それにより、スカイビングブレード２０のリーディングエッジ２２のところに形成されるシェービング３０が作られる。スカイビングブレード２０を前進させることは、シェービング３０が金属物体１０に付着されている間に、停止され得、それにより、シェービング３０が図５に示されるように金属物体１０に付着された状態を維持する。これは、複数のシェービング３０が金属物体１０上に形成されるまで、各々のニック１２に対してなされ得る。

ニック１２は本発明の別の実施形態によるフィンの形態のシェービングを形成するのを補助することが分かっている。非限定的な例として、本発明の一実施形態に従ってフィン付きの熱交換器が形成され得ることが企図される。このようなフィン付きの熱交換器は、エンジンの外へ伝達させなければならない大量の熱を発生させるような、非限定的な例としてジェットエンジンを含めた、適用可能な任意の環境内で使用され得る。

図６に示されるように、熱交換器４０の一部分には、アルミニウムより高い硬度を有する材料から形成され得る熱交換器ボディ４２が含まれてよい。熱交換器ボディ４２は、上側表面４４として示される第１の表面と、上側表面４４に対向する下側表面４６として示される第２の表面と、さらには、少なくとも１つの流体通路４８とを含むことができる。複数の流体通路４８は熱交換器ボディ４２内に含まれて示されており、ここでは、これらの流体通路４８が、流体通路４８内で運ばれる流体から熱を伝達するのを補助するために任意の数のサイズおよび形状を有することができることが企図される。

複数の突出部５０が熱交換器ボディ４２内に含まれ得、これらの複数の突出部５０が上側表面４４の一部分から形成され得ることが企図される。任意の数の複数の突出部５０が熱交換器ボディ４２内に含まれ得、これらの複数の突出部５０は種々の形状およびサイズを有することができ、これには、複数の突出部５０の幅およびそれらの間隔が変化し得るような形状およびサイズが含まれる。これらの複数の突出部５０は任意適切な形で形成され得、これには、非限定的な例として、複数の突出部５０が、熱交換器ボディ４２を形成する金属基材ストックから機械加工される突起部であってよいことが含まれる。より具体的には、基材ストック内に間隔が空けられた複数の溝を形成することにより、熱交換器ボディ４２内に複数の突出部５０を機械加工することができる。別の非限定的な例として、ＥＤＭワイヤを用いて、熱交換器ボディ４２から複数の突出部５０を切削することができる。

上述した実施形態と同様に、ニック５２は熱交換器ボディ４２の上側表面４４内に形成され得る。より具体的には、複数のニック５２が複数の突出部５０内に形成されて示されている。これらの複数のニック５２は、複数の突出部５０上のニック１２の複数の列と、各々の複数の突出部５０の長手方向に沿うニック１２の列とを含むように示されている。この図では、ニック１２の複数の列は、複数の突出部５０の長手方向の大部分において、複数の突出部５０のすべてに沿うように示されている。これらのニック５２は上述した実施形態と同様に鋭い突起部を有する凹部として示されているが、ニック５２が任意の数の適切な形状および寸法を有するように形成され得ることを理解されたい。

スカイビングブレード（図示せず）をニック５２内に導入してそのスカイビングブレードをニック５２から熱交換器ボディ４２を形成する材料のところまで前進させることにより、フィン５４が形成され、したがって、フィン５４は図７に示されるように熱交換器ボディ４２に付着された状態を維持する。複数の突出部５０が熱交換器ボディ４２内に含まれる場合、これらの複数の突出部５０によりスカイビング中に個別のフィン５４を形成することが可能となり、それにより空気流れの混合を向上させることがさらに促進される。フィン５４が形成された後、熱交換器ボディ４２は任意適切な手法でトリミングされ得、それにより熱交換器４０の少なくとも一区間が形成され得る。熱交換器４０のこの区間は、任意適切な形状およびサイズを有する追加の区間と共に、任意適切な形で形成されて組み合わされ得、それにより、多様な形態の熱交換器または熱交換器組立体が作られ得、種々の異なる用途で使用され得るようになり、これには、非限定的な例として、これらの熱交換器が種々の異なるエンジンと共に使用され得ることが含まれる。運転中、流体が流体通路４８を通過することができ、流体からの熱が、フィン５４を介して、フィン５４の近くを流れる空気へと放散され得る。このようにして、スカイビングされたフィン５４を有する熱交換器４０が、アルミニウムより高い硬度を有する材料から形成された熱交換器ボディ４２のところに形成され得る。

上述の実施形態は、種々の用途で必要とされる可能性があるより硬い金属材料内にシェービングおよびフィンが作られ得ることを含めて、多様な利点を有する。上述の実施形態は、大幅に硬い材料に対してカッターの入口のところにニックをすることにより、予測可能な間隔で予測可能な形状寸法のフィンが得られることから、高硬度金属材料上にシェービングおよびフィンを作るための、より使用し易く、再現可能であり、より信頼性の高い方法となり得る。また、これらのニックにより、スカイビングブレード上の荷重が低減され、それにより、スカイビングブレードの寿命さらにはカッターの寿命が延びる。これらのフィンは所望される通りのサイズおよび均一性を有するように作られ得、また、表面積を増大させかつ空気流れの混合を向上させるようなパターンとなるように一体にグループ化され得る。

ここに記載される説明は、最良の形態を含めた本発明を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに採用される任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施するのを可能にするために、複数の例を使用する。特許を受けることができる本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者には思い付く別の例を含むことができる。このような別の例は、特許請求の範囲の文字通りの意味と違わない構造的要素を有する場合には、または、特許請求の範囲の文字通りの意味とほぼ違わない等価の構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図される。

２ 高硬度金属材料
４ シェービング
６ 表面
１０ 金属物体
１２ ニック
１４ 表面
１６ 第１の端部
１８ 鋭い突起部
２０ スカイビングブレード
２１ 矢印
２２ リーディングエッジ
２４ ボトムエッジ
２６ カッターバッキングブロック
３０ シェービング
４０ 熱交換器
４２ 熱交換器ボディ
４４ 上側表面
４６ 下側表面
４８ 流体通路
５０ 複数の突出部
５２ ニック（刻み目/切り込み）
５４ フィン

Claims (24)

1. スカイビングブレードを使用して金属をスカイビングする方法であって、
   金属材料の表面にニックを形成するステップと、
   前記ニック内に前記スカイビングブレードを導入するステップと、
   シェービングを形成するために前記スカイビングブレードを前記ニックから前記金属材料内まで前進させるステップと
   を含む方法。
2. 前記ニックを形成するステップが、前記金属材料内にニックを切削するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ニックを切削するステップが、ＥＤＭワイヤを用いて前記金属材料を切削するステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記ニックを形成するステップが、複数のニックを形成するステップを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記複数のニックを形成するステップが、前記ニックを列状に形成するステップを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記ニックを列状に形成するステップが、ニックの複数の列を形成するステップを含む、請求項５記載の方法。
7. ニックの複数の列を形成するステップが、前記金属から延在する複数の突出部上に一列のニックを形成するステップを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記複数の突出部を形成するために、前記金属内に間隔が空けられた複数の溝を形成するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
9. 前記スカイビングブレードを前進させるステップが、前記シェービングが前記金属材料に付着されている間に前進を停止するステップを含む、請求項６記載の方法。
10. 前記シェービングを形成するステップが、前記金属材料から突出するフィンを形成するステップを含む、請求項９記載の方法。
11. 前記スカイビングブレードを前進させるステップが、前記シェービングが前記金属材料に付着されている間に前進を停止するステップを含む、請求項１記載の方法。
12. 前記シェービングを形成するステップが、前記金属材料から突出するフィンを形成するステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記ニックを形成するステップが、前記金属材料内に凹部を形成するステップを含む、請求項１記載の方法。
14. 前記凹部を形成するステップが、前記スカイビングブレードの進行方向を向くように方向付けられる鋭い突起部を前記金属材料内に形成するステップを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記金属材料がニッケルまたはニッケル合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法。
16. 前記金属材料がアルミニウムより高い硬度を有する、請求項１記載の方法。
17. ある材料から作られる金属物体を有する熱交換器内にフィンを形成する方法であって、前記金属物体が、上側表面と、前記金属物体内にある少なくとも１つの流体通路とを有し、前記方法が、
    前記表面にニックを形成するステップと、
    前記ニック内にスカイビングブレードを導入するステップと、
    前記金属物体に付着された状態を維持するフィンを形成するために前記スカイビングブレードを前記ニックから前記材料内まで前進させるステップと
    を含む、方法。
18. 前記ニックを形成するステップが、ＥＤＭワイヤを用いて前記材料を切削するステップを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記ニックを形成するステップが、前記材料内に凹部を形成するステップを含む、請求項１７記載の方法。
20. 前記凹部を形成するステップが、前記スカイビングブレードの進行方向を向くように方向付けられる鋭い突起部を前記材料内に形成するステップを含む、請求項１８記載の方法。
21. 前記ニックを形成するステップが、複数のニックを列状に形成するステップを含む、請求項１７記載の方法。
22. 前記複数のニックを列状に形成するステップが、ニックの複数の列を形成するステップを含む、請求項２０記載の方法。
23. ニックの複数の列を形成するステップが、前記金属から延在する複数の突出部上に一列のニックを形成するステップを含む、請求項２１記載の方法。
24. 前記材料がアルミニウムより高い硬度を有する、請求項１７記載の方法。