JP2015515382A - 熱交換器とその部分の形成方法 - Google Patents

Abstract

６６０℃より高い融解温度を持つ材料から作られた金属ボディ（２０）から熱交換器（２）を形成する方法において、金属ボディは互いに反対向きの第１の表面（２２）および第２の表面（２４）と、金属ボディに形成された少なくとも１つの流路（４）と、を持ち、したがって流体は流路を通過することができ、流体からの熱は複数のフィン（８）を通して散逸させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器とその部分の形成方法に関する。

軍用および商用のジェットエンジンにおいては、燃料消費率の点から効率の改善が求められている。エンジンのタービンステージに入る空気流の排ガス温度を上げることによって効率を向上させることができる。この温度上昇は、タービンセクションのノズルとタービンブレードの内部冷却によって相殺されなければならない。ノズルとタービンブレードを冷却する方法の１つとして、燃焼ステージの前に、最終コンプレッサステージから圧縮空気を取り出して、この空気を冷却し、ノズルとタービンブレードの中空キャビティ内部に再注入することが挙げられる。ファンをバイパスするエンジンのアニュラス内に位置する、空気から空気への熱交換器によって空気を冷却することができ、これは熱交換器を通過して流れる相対的に低温の空気を活用することを目的としている。典型的には、このような熱交換器は、熱交換器の表面積を拡大するために、また外部の空気流をよりよく混合するために、外部フィンを持つことになる。エンジンのファンバイパス流への熱伝達のために、フィン形式の熱交換器は、典型的には最終コンプレッサステージから取り出した高圧空気を移動するための内部流路を含むことができる。

米国特許第２００６／１５７２３４号

１つの実施形態では、６６０℃より高い融解温度を持つ材料から作られた金属ボディを持つ熱交換器に流路を形成する方法は、金属ボディのある寸法にわたるアクセス開口を金属ボディに切り開くことと、アクセス開口に沿って延在しアクセス開口を通してアクセス可能な通路を金属ボディに形成するために、アクセス開口に沿って金属ボディから材料を取り除くことと、流路を形成するためにアクセス開口を閉じることと、を含む。

別の実施形態では、６６０℃より高い融解温度を持つ材料から作られた金属ボディを持つ熱交換器を形成する方法は、第１の表面のある寸法にわたるアクセス開口を金属ボディの第１の表面に切り開き、アクセス開口に沿って延在しアクセス開口を通してアクセス可能な流路を金属ボディに形成するために、アクセス開口に沿って金属ボディから材料を取り除き、流路を形成するためにアクセス開口を閉じることによって、金属ボディに少なくとも１つの流路を形成することと、第２の表面に刻み目を形成し、刻み目にスカイビング刃を案内し、スカイビング刃を刻み目から材料内に前進させて、金属ボディに付いたまま残るフィンを形成することによって、第２の表面から突出する少なくとも１つのフィンを形成することと、を含み、流体は流路を通過することができ、流体からの熱をフィンを通して散逸させることができる。

熱交換器の一部を表す概略斜視図である。 エンジン回りの熱交換器アッセンブリを形成する熱交換器部分の概略断面図である。 本発明の一実施形態になる熱交換器の形成に用いることができる金属ボディを表す斜視図である。 本発明の別の実施例になる図３の金属ボディにおけるアクセス開口の形成に使用されるワイヤの経路を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態になる図４で使用されるワイヤ経路によって形成されるアクセス開口を閉じる方法を示す概略断面図である。 本発明の別の実施形態になる金属ボディの表面に形成される刻み目を有する図５の金属ボディの一部分の概略側面図である。 本発明の更に別の実施形態に基づいて形成される刻み目列を有する図５の金属ボディの斜視図である。 本発明の更に別の実施形態に基づき、既に形成されたフィンを持つ図７の金属ボディの斜視図である。

タービンエンジンなどのジェットエンジンには、独特の熱管理の難しさがあり、コンプレッサのブリードエアが熱交換器内で使用される場合は、熱管理が極端に難しい。このような場合には、熱をコンプレッサブリードエアから熱交換器に伝達するために、熱交換器がコンプレッサブリードエアの流れを一連のパイプを経由して受け入れるように設計することができる。低温空気流が、典型的にはファンバイパス空気から熱交換器の上部にわたって供給され、熱交換器を冷却する。図１にコンプレッサブリードエアからの熱の散逸に使うことができる熱交換器の部分２の概略例を示す。熱交換器の部分は、コンプレッサブリードエアなどの流体６の搬送に使うことができる内部通路または導管４と、冷却空気１０が上部を通過できる一体式のフィン８を持つ。図２に示すように、複数の熱交換器の部分２が熱交換器アッセンブリ１２を形成するために使用可能であり、アッセンブリはジェットエンジン１４の一部分を少なくとも部分的に包み込む、または囲むために使用することができ、流体６を搬送するために、複数の適切な入口および出口ヘッダ１６を複数の熱交換器の部分２の間で共有することができる。

通常の熱交換器環境で予測されるものに比べて、コンプレッサブリードエアの温度は極めて高くなり得る。多くの場合、この温度は非常に高いので、特に航空機に使われる熱交換器の典型的な材料では許容できない。例えば、アルミニウムは、その軽量性と熱特性のために、典型的には航空機の熱交換器に好ましい材料である。しかしながら、コンプレッサブリードエアの温度と圧力、７０４℃（１３００°Ｆ）および１２００ｐｓｉは、アルミニウムにとって過剰となり得る。

したがって本願の以下の部分では、６６０℃の融解温度を持つアルミニウムより高い融解温度を持つ材料から作られる金属ボディを持つ熱交換器の形成に焦点を当てるものとする。ニッケル２０１などの純ニッケルに近い材料が使える可能性はあるが、これは、機械加工や押出し加工などで形成するには硬い材料であり、このような素材から、そのような用途の内部通路に必要な寸法への押出し加工は今のところ不可能である。例えば、熱伝達のための熱交換器内の導管の適切なサイズは、壁厚が約０．０３０インチにおいて、約０．０５０インチから約０．１００インチであろうと確認されている。このようなニッケル材料は、ここで必要なものに比べて約十倍大きい寸法を持つ導管サイズで押出し加工できることが確認されている。したがって、ニッケル素材の押出し加工を使用することは現在のところ不可能である。鋳造などのその他の素材成形方法は、多孔性や壁の減肉等の問題があり、それらは内部通路の構造上の完全性に対して大きなマイナスの影響となり得る。内部流の高い圧力は大きな円周応力を生み、それによって通路の壁は高応力下に置かれる。

図３は、熱交換器基材の基礎を形成し、６６０℃より高い融解温度を持つ材料から作られた金属ボディ２０の斜視図を示す。ボディ２０は、本発明の一実施形態による、複数の突起の熱伝達係数と導管寸法を有する熱交換器の形成に使用することができる。金属ボディ２０は、上面２２として示された第１の表面と、下面２４として示され、上面２２と反対向きの第２の表面を含むことができる。本明細書の記述から逸脱することなく、第１および第２の表面が下面および上面に互いに関連付けられるように、金属ボディ２０の向きを変更することが可能であることが理解されるであろう。複数の突起２６が金属ボディ２０に含まれ、上面２２の一部を形成していてもよいことが考えられる。任意の数の複数の突起２６が含まれてもよく、複数の突起２６の幅とその間隔が変動する可能性があることを含めて、複数の突起２６は多様な形状とサイズを持ち得る。このような複数の突起２６は、任意の適切な方法で形成することが可能であり、それらの方法の非限定例として、複数の突起２６は金属ボディ２０を形成する金属素材から機械加工された隆起部であってもよいこと、および複数の突起２６を金属ボディ２０に蝋付けしてもよいことが含まれる。

本発明になる方法の一実施形態によれば、金属ボディ２０にアクセス開口を切り開いて、金属ボディ２０から材料を取り除き、そして流路形成のためにアクセス開口を閉じることによって、金属ボディ２０に流路を形成することができる。図４に示すように、本方法の一実施形態には、金属ボディ２０のある寸法３２にわたるアクセス開口３０を金属ボディ２０に切り開くことを含めてもよい。アクセス開口３０の開設は任意の適切な方法で行われてもよく、非限定例としては、概略的に矢印として示した放電加工機（ＥＤＭ）のワイヤ３４によって、放電（スパーク）を使って所望の形状を得ることでアクセス開口３０を切り開くことができると考えられる。より具体的には、細いＥＤＭワイヤ３４を、金属ボディ２０が誘電性の流体に浸漬されている間に、金属ボディ２０に送り込むことによって金属ボディ２０からアクセス開口３０を切り開くことができる。

次いで材料を金属ボディ２０からアクセス開口３０に沿って取り除くことによって、アクセス開口３０に沿って延在し、アクセス開口３０を通してアクセス可能な通路３６を金属ボディ２０に形成することができる。金属ボディ２０からの材料の取り除き方としては、切除工具をアクセス開口３０内に通すことで材料を金属ボディ２０から切除することを含めてもよい。非限定例として、アクセス開口３０を経て工具を通過させることには、ＥＤＭワイヤ３４をアクセス開口３０を経て通し、材料をＥＤＭワイヤ３４で切除することを含めてもよいと考えられる。形成される通路のサイズ、アクセス開口３０のサイズ、およびＥＤＭワイヤ３４のサイズによって、ＥＤＭワイヤ３４による材料の切除には、実線矢印で示すように、形成される通路の外形と一致する経路でＥＤＭワイヤ３４を移動させることを含めてもよい。更なる非限定例として、ＥＤＭワイヤ３４による材料の切除には、ＥＤＭワイヤ３４を、通路３６となる領域の中央に移動させ、その中央領域からの距離が増加する経路でＥＤＭワイヤ３４を移動させることを含めてもよい。ＥＤＭワイヤ３４のこの経路を破線矢印３８で概略的に示す。通路３６をより速く形成するために、複数のＥＤＭワイヤ３４を通路３６の形成のために使用できることも考えられる。

金属ボディ２０から材料を取り除くことには、通路３６がアクセス開口３０より大きな断面積を持つように十分な材料を取り除くことを含めてもよいと考えられる。通路３６の断面は任意の適切な形状としてよく、非限定例として図示するように実質的に円形としてもよい。

材料が取り除かれ、通路３６が複数の突起の断面となってから、アクセス開口３０を任意の適切な方法で閉じて、流路４０を形成することができる。非限定例として、アクセス開口３０を溶接して閉じてもよい。更なる非限定例として、アクセス開口３０の閉じ方としては、下面２４に金属閉塞要素４２を取り付けることを含めてもよい。これは任意の適切な方法で行ってよく、下面２４への金属閉塞要素４２の蝋付けも含まれる。このような工程の結果を図５に見ることができ、そこでは閉塞シートが金属閉塞要素４２を形成していることが示されている。

上述したアクセス開口３０の閉塞の前に、金属ボディ２０の形状を仕上げてもよい。非限定例として、金属ボディ２０を円筒形に巻いてもよい。このように成形してから、アクセス開口３０を閉じてもよい。更に非限定例として、この方法には、閉塞シート４２の形状の金属閉塞要素を、平らな状態で、または曲げられた状態で金属ボディ２０に蝋付けすることを含めてもよい。

金属ボディ２０を曲げた状態に成形する前に、流路４０を循環する流体から金属ボディ２０を囲む周囲への熱伝達を促進するために、上面２２にフィンを形成してもよいことが考えられる。フィンは任意の適切な方法で形成してよく、例えば図６は、本発明の更に別の実施形態による上面２２から突出する少なくとも１つのフィンの形成を補助するために、金属ボディ２０の上面２２に形成された複数の刻み目４６を有する金属ボディ２０の一部分の側面図である。上面２２における刻み目４６は、任意の適切な方法で形成してよいと考えられる。非限定例として、刻み目４６の形成には、上面２２のエッチング、ＥＤＭワイヤ（図示せず）での上面２２の切削、またはフライス刃（図示せず）による上面２２の切削を含めてもよい。刻み目４６は、多様な形状と断面を持ち得ることもまた考えられる。非限定例として、刻み目４６は、上面２２に形成された小さな圧痕でも、上面２２に形成された溝でも、または上面２２に形成された深いくぼみであってもよい。刻み目４６は深さ約０．０１０インチから約０．０１５インチでよいと考えられる。別の例としては、このようなくぼみの形成には、上面２２に対して一定の方向に配向した鋭角突起４８を金属ボディ２０に形成することを含めてもよい。このような鋭角突起４８が、フィンを形成するために使用可能なスカイビング刃（図示せず）の進行方向に向いた状態で図示されている。

図７に示すように、刻み目４６の形成には、列をなす複数の刻み目４６の形成を含めてよい。列をなす複数の刻み目４６の形成としては、複数の突起２６に複数の刻み目４６の列を形成すること、または複数の突起２６のうちの１つの長さに沿って複数の刻み目４６の列を形成することを含めてもよい。この図では、刻み目４６の列は、複数の突起２６のすべてに沿って、複数の突起２６の長さの大部分に示されている。

複数の突起の刻み目４６が形成された後で、スカイビング刃を刻み目４６内に案内し、フィン５０が形成されるように、スカイビング刃を刻み目４６から金属ボディ２０内へ前進させてもよい。このようなフィン５０は、金属ボディ２０に付いたまま残る。金属ボディ２０に複数のフィン５０が形成されるまでこれを各刻み目４６に対して行ってよい。このような工程は、スカイビング工具が刻み目４６内に駆動される時に、そこに力を加えることができる機械による方法を含む任意の適切な方法で行ってよい。

フィン５０を形成した後に、金属ボディ２０を、熱交換器の少なくとも１つのセクション５２が形成できるように、任意の適切な方法で整形してもよい。形成された熱交換器のセクション５２は、流路４０とフィン５０を含んでもよく、多様な大きさの熱交換器または熱交換器アッセンブリが作られるように、そして多様な異なるエンジンとともに使われるように、任意の適切な形状およびサイズの付加的なセクションとともに、任意の適切な方法で形成、組み合わせることができる。稼働中には、コンプレッサブリードエアなどの流体は流路４０を通過することができ、流体からの熱をフィン５０を通してフィン５０の付近を流れる空気に散逸させることができる。

上述した実施形態は多くの利益をもたらし、その中には６６０℃より高い融解温度を持つ素材に非常に小さな直径の流路を容易に形成できることが含まれる。流路の寸法を厳密に管理することができ、高温高圧の流体にふさわしいものとなり得る。更に、フィンを容易に作ることができ、稼動中の温度低減を促進することができる。すなわち、稼動中のエンジンの主要部品の温度を低減することによって、所与のエンジンをより強力に、より効率的に、より信頼性を高く、より長寿命にすることができる。

本記述は例を用いて最良の形態を含む本発明を開示し、またあらゆる当業者にとって、あらゆる装置またはシステムの製作もしくは使用、およびあらゆる包含される方法の実行を含む本発明の実施を可能にするものである。本発明の特許可能範囲は請求項で規定され、当業者によって見出される他の例を含むことができる。これら他の例は、請求項の記述と異ならない構成要素を持つものであれば、または請求項の記述と実質的な違いがない同等の構成要素を含むものであれば、請求の範囲に含まれるものとすることを意図している。

２０ 金属ボディ
２２ 上面、第１の表面
２４ 下面、第２の表面
２６ 突起
３０ アクセス開口
３４ ＥＤＭワイヤ
３６ 通路
４０ 流路
４２ 金属閉塞要素
４６ 刻み目
４８ 鋭角突起
５０ フィン

Claims (21)

1. ６６０℃より高い融解温度を持つ材料から作られ、第１の表面を有する金属ボディを持つ熱交換器に流路を形成する方法であって、
   前記金属ボディのある寸法にわたるアクセス開口を前記金属ボディに切り開くことと、
   前記アクセス開口に沿って延在し前記アクセス開口を通してアクセス可能な通路を前記金属ボディに形成するために、前記アクセス開口に沿って前記金属ボディから材料を取り除くことと、
   前記流路を形成するために前記アクセス開口を閉じることと、を含む方法。
2. 前記材料を取り除くことは、前記通路が前記アクセス開口より大きな断面を持つように十分な材料を取り除くことを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記断面は実質的に円形である、請求項２記載の方法。
4. 前記アクセス開口を閉じることは、前記第１の表面に金属閉塞要素を取り付けることを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記第１の表面に前記金属閉塞要素を取り付けることは、前記第１の表面に前記金属閉塞要素を蝋付けすることを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記ボディから材料を取り除くことは、切除工具を前記アクセス開口内に通することにより前記ボディから前記材料を切除することを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記切除工具を前記アクセス開口内に通すことは、ＥＤＭワイヤを前記アクセス開口内に通し、前記ＥＤＭワイヤで前記材料を切除することを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記アクセス開口を切り開くことは、前記ＥＤＭワイヤで前記アクセス開口を切り開くことを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記ＥＤＭワイヤで前記材料を切除することは、前記ＥＤＭワイヤを前記通路の中央領域に移動させ、前記中央領域からの距離が増加する経路で前記ＥＤＭワイヤを移動させることを含む、請求項８記載の方法。
10. ６６０℃より高い融解温度を持つ材料から作られ、互いに反対向きの第１と第２の表面とを持つ金属ボディから熱交換器を形成する方法であって、
    前記金属ボディの前記第１の表面に、前記第１の表面のある寸法にわたるアクセス開口を切り開き、
    前記アクセス開口に沿って延在し前記アクセス開口を通してアクセス可能な流路を前記金属ボディに形成するために、前記アクセス開口に沿って前記金属ボディから材料を取り除き、
    前記流路を形成するために前記アクセス開口を閉じることによって、
    前記金属ボディに少なくとも１つの流路を形成することと、
    前記第２の表面から突出した少なくとも１つのフィンを形成することとを含み、
    流体が前記流路を通過することができ、前記流体からの熱を前記フィンを通して散逸可能な方法。
11. 前記材料を取り除くことは、ＥＤＭワイヤを前記アクセス開口内に通し、前記ＥＤＭワイヤによって前記材料を切除することを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記アクセス開口を切り開くことは、前記ＥＤＭワイヤで前記アクセス開口を切り開くことを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記ＥＤＭワイヤで前記材料を切除することは、前記ＥＤＭワイヤを前記流路の中央領域に移動させ、前記中央領域からの距離が増加する経路で前記ＥＤＭワイヤを移動させることを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記少なくとも１つのフィンを形成することは、前記第２の表面へスカイビング刃を案内し、前記材料内へ前記スカイビング刃を前進させ、前記金属ボディに付いたまま残るフィンを形成することを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記材料を取り除くことは、前記流路が前記アクセス開口より大きな断面を持つように十分な材料を取り除くことを含む、請求項１０記載の方法。
16. 前記断面は実質的に円形である、請求項１５記載の方法。
17. 前記アクセス開口を閉じることは、前記第１の表面に金属閉塞要素を取り付けることを含む、請求項１０記載の方法。
18. 前記第１の表面に前記金属閉塞要素を取り付けることは、前記第１の表面に前記金属閉塞要素を蝋付けすることを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記少なくとも１つのフィンを形成することは、前記第２の表面へスカイビング刃を案内し、前記材料内へ前記スカイビング刃を前進させ、前記金属ボディに付いたまま残るフィンを形成することを含む、請求項１０記載の方法。
20. 前記少なくとも１つのフィンを形成することは、複数のフィンを形成することを含む、請求項１９記載の方法。
21. 前記複数のフィンを形成することは、前記金属ボディから延びる複数の突起上にフィンの列を形成することを含む、請求項２０記載の方法。

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