JP2015528890A - 空気冷却式のエンジン表面冷却器 - Google Patents

Abstract

表面冷却器は、プレート状の層と、プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンとを含む。複数のフィンは、複数の空気流路を画定している。間隔をあけて配置された複数のフィンは、表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている。表面冷却器を形成する方法、および、表面冷却器を含むエンジンである。【選択図】図１

Description

この発明は、概して、ターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械の中で使用するための空気冷却式の表面冷却器の形態の強化された熱交換器の設計に関する。

現代のターボファン／ターボジェットエンジンは、ギヤボックス油、冷却空気、および電子機器などの冷却の要求が増え続けている一方で、同時に、それらの効率をより高く押し上げなければならない。現在、空気冷却式の油冷却器は、通常、プレートフィンタイプの「ブリック（ｂｒｉｃｋ）」熱交換器であり、それは、バイパスチャネルの中に装着され、エンジン吸気口もしくはバイパスストリームからのフローを受け入れ、または、ナセルの中の別々の空気吸気口からのフローを受け入れる。新しい設計は、後部ファンカウリングと同一平面に装着された表面冷却器を利用することによって、バイパスチャネルの中に着座しているプレートフィン交換器に起因するこの設計の高い抗力を緩和した。しかし、エンジンのこの領域内のスペースは限られており、現在の設計は、ほとんどすべての利用可能なスペースを利用している。結果として、より新しいエンジン技術（それは、消散されなければならないより多くの熱を有する）は、冷却器が形成され得る利用可能なスペースの欠如に起因して、熱的に制約されることとなる。加えて、これらのプレートフィン「ブリック」冷却器などのような現在の熱交換器は、空気フローを妨害し、冷却の要求が増大するにつれて空気力学的な損失を招く。これらの損失は、比燃料消費の増加を意味している。

冷却器フィンだけがエンジン空気バイパスフローの中へ突出している表面冷却器を使用することによって、油冷却器熱交換器の抗力は、従来のプレートフィン冷却器の抗力と比較して低減された。しかし、増加する熱負荷によって、表面冷却器のサイズをより大きくする必要があることが要求される。航空機重量は、現在の産業において目下の関心事であり、航空機重量の減少は、効率を増加させる。加えて、新しいエンジンは、スペースが制約されるようになっており、これらのタイプのプレートフィン冷却器のサイズおよび重量を過大なものにしている。

これらの公知の表面冷却器の効率を増加させるために、熱伝達性能を増加させながら、サイズおよびコストを低減させることが望ましい。典型的に、熱伝達の増加は、フローの乱流または効果的な熱伝達領域を増加させることによって、実現させることが可能である。フローの乱流レベルを増加させることによって、したがって、表面冷却器の熱伝達係数を増加させることによって、冷却器サイズを低減させることが可能である。これは、表面冷却器の全体的なサイズひいては重量の減少を提供し、エンジンに取り付けるのに十分な負荷の冷却器を可能にすることとなる。

したがって、好ましくない圧力降下なしに、増強された熱伝達能力を有する、改善された表面冷却器が求められている。

欧州特許第１９１６３９９号

これらのおよび他の先行技術の欠点は、本開示によって対処され、本開示は、表面冷却器を提供する。表面冷却器は、新規のフィン構成から利益を得るように構成されており、間隔をあけて配置された複数のフィンが、表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている。

一実施形態によれば、表面冷却器が提供される。表面冷却器は、熱伝導材料を含むプレート状の層と、プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンとを含む。複数のフィンは、熱伝導材料を含み、複数の空気流路を画定している。間隔をあけて配置された複数のフィンは、表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている。

別の実施形態によれば、表面冷却器が提供される。表面冷却器は、固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせのうちの１つを含むプレート状の層と、プレート状の層の中に配設されている複数の流体導管であって、複数の流体導管は、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、複数の流体導管と、プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンであって、複数のフィンは、熱伝導材料を含み、複数の空気流路を画定している、複数のフィンとを含む。間隔をあけて配置された複数のフィンは、表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている。

さらなる別の実施形態によれば、表面冷却器を製作する方法が提供される。方法は、プレート状の層を形成するステップと、プレート状の層の中に少なくとも１つの流体導管を配設させるステップであって、少なくとも１つの流体導管は、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、ステップと、間隔をあけて配置された複数のフィンを形成するようにプレート状の層を機械加工するステップとを含む。間隔をあけて配置された複数のフィンは、表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている。

さらなる別の実施形態によれば、エンジンが提供される。エンジンは、コアエンジンと表面冷却器とを含む。表面冷却器は、固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせのうちの１つを含むプレート状の層と、プレート状の層の中に配設されている複数の流体導管であって、複数の流体導管は、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、複数の流体導管と、プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンであって、複数のフィンは、熱伝導材料を含み、複数の空気流路を画定している、複数のフィンとを含む。間隔をあけて配置された複数のフィンは、表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている。

本開示の他の目的および利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を読むと明らかになることとなる。

本開示の上記および他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明が読まれると、より良好に理解されることとなり、添付の図面において、同様の文字は、図面を通して同様のパーツを表している。

本明細書で開示されている態様によるエンジンの概略図である。 本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器の円周方向断面の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器の一実施形態の上面図の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、図３の線４−４を通して見た、図３の例示的な表面冷却器の側面図の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、図３の例示的な表面冷却器の斜視図であり、フィンアライメントを示す図である。 本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器の別の実施形態の上面図の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、図６の例示的な表面冷却器の側面図の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、図６の例示的な表面冷却器の斜視図であり、フィンアライメントを示す図である。 本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器のさらなる別の実施形態の上面図の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、図９の線１０−１０を通して見た、図９の例示的な表面冷却器の側面図の概略図である。 本明細書で開示されている態様による、図９の例示的な表面冷却器の斜視図であり、フィンアライメントを示す図である。

本明細書で開示されている実施形態は、表面冷却器に関し、より具体的には、航空機エンジンなどのようなエンジンのナセルの中で使用するための強化された表面冷却器に関する。例示的な表面冷却器は、効率的な冷却を提供するために使用することが可能である。さらに、本明細書で使用されている「表面冷却器」の用語は、「熱交換器」の用語と置き換え可能に使用することが可能である。本明細書で使用されているように、表面冷却器は、それに限定されないが、ターボジェット、ターボファン、ターボ推進エンジン、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン、および水力タービンなどのような、様々なタイプのターボ機械の用途に適用可能である。加えて、本明細書で使用されているように、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」などのような単数形は、文脈が明確に別段の指示をしていなければ、複数の指示対象を含む。

図１は、本開示による例示的な航空機エンジンアッセンブリ１０の概略図である。参照番号１２は、中心軸線１２を表すことが可能である。例示の実施形態では、エンジンアッセンブリ１０は、ファンアッセンブリ１４、ブースター圧縮機１６、コアガスタービンエンジン１８、および低圧タービン２０を含み、低圧タービン２０は、ファンアッセンブリ１４およびブースター圧縮機１６に連結することが可能である。ファンアッセンブリ１４は、ファンローターディスク２４から実質的に半径方向外向きに延在する複数のローターファンブレード２２と、ローターファンブレード２２の下流に位置付けされ得る複数の出口ガイドベーン２６とを含む。コアガスタービンエンジン１８は、高圧圧縮機２８、燃焼器３０、および高圧タービン３２を含む。ブースター圧縮機１６は、第１の駆動シャフト３８に連結されている圧縮機ローターディスク３６から実質的に半径方向外向きに延在する複数のローターブレード３４を含む。高圧圧縮機２８および高圧タービン３２は、第２の駆動シャフト４０によって一緒に連結されている。また、エンジンアッセンブリ１０は、吸気側４２、コアエンジン排気側４４、およびファン排気側４６を含む。

運転時に、ファンアッセンブリ１４は、吸気側４２を通ってエンジン１０に進入する空気を圧縮する。ファンアッセンブリ１４を出ていく空気フローは分割され、空気フローの一部分４８が、圧縮空気フローとしてブースター圧縮機１６の中へ導かれ、空気フローの残りの部分５０が、バイパス空気として、ブースター圧縮機１６およびコアガスタービンエンジン１８をバイパスし、ファン排気側４６を通ってエンジン１０を出ていくようになっている。このバイパス空気部分５０は、出口ガイドベーン２６を通過して流れ、出口ガイドベーン２６と相互作用し、ステーター表面の上、および、音波として放射される周囲の空気フローの中に、非定常圧力を生成させる。複数のローターブレード３４は、コアガスタービンエンジン１８に向けて圧縮空気フロー４８を圧縮および送達する。そのうえ、空気フロー４８は、高圧圧縮機２８によってさらに圧縮され、燃焼器３０へ送達される。そのうえ、燃焼器３０からの圧縮空気フロー４８は、回転する高圧タービン３２および低圧タービン２０を駆動し、コアエンジン排気側４４を通ってエンジン１０を出ていく。

先述のように、現在利用可能な特定の民間用エンジンにおいて、熱交換器が用いられている。そのうえ、高い熱負荷は、特定の熱交換器の最適以下の性能につながる可能性がある。本技法の例示的な態様によれば、表面冷却器として機能するように構成されているデバイス５２が表されている。より具体的には、例示的なデバイス５２は、たとえば、航空機エンジンなどのようなターボ機械の熱交換要件に対処するように構成させることが可能である。以降では、「表面冷却器」の用語は、ターボ機械の冷却を促進するように構成されているデバイス５２を参照するために使用され得る。

本技法の態様によれば、例示的な表面冷却器５２は、アルミニウムプレートおよびフィン設計（現在説明されている）を含むことが可能である。代替的な実施形態では、表面冷却器は、代替的な熱伝導材料（たとえば、それに限定されないが、チタンおよび鋼鉄など）を含むことが可能である。例として、プレート材料は、約１４Ｗ／ｍ＊Ｋから約３９０Ｗ／ｍ＊Ｋまでの範囲にある熱伝導率を有するものを含む。特定の他の実施形態では、例示的な表面冷却器が、高い熱伝導率を有する発泡材料を追加的に含むことが可能であるということが留意され得る。例として、発泡体は、約１５０Ｗ／ｍ＊Ｋから約３９０Ｗ／ｍ＊Ｋまでの範囲にある熱伝導率を有する炭素発泡体を含むことが可能である。他の実施形態では、金属発泡体は、約１８９Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有するアルミニウム発泡体を含むことが可能である。認識されることとなるように、金属発泡体は、固体金属から構成されるセル状構造体であり、ここで、大きい体積分率が、ガスが充填された孔部を含む。孔部は、シールされ得るか（クローズドセル型発泡体）、または、孔部は、相互接続されたネットワークを形成することが可能である（オープンセル型発泡体）。典型的に、これらの金属発泡体は、非常に高い空隙率を有している。換言すれば、典型的に、体積の７５〜９５％が、空洞から構成される。金属発泡体の熱伝導率は、空隙率に応じてだけでなく、発泡体の中の様々なセルを相互接続するウェブの完全性のより細かい詳細部に応じて、大きく変化し得るということが留意され得る。

本技法の実施形態によれば、例示的な表面冷却器５２は、本開示の実施形態にしたがって、ナセル壁部または外側壁部５４に沿って配設され、熱伝達を促進することが可能であり、より詳細に以降に説明されることとなる。

代替的な実施形態では、図１は、出口ガイドベーン２６の底部を接続するバイパスフロー５０の内側壁部５８に沿って設置され得る表面冷却器デバイス５６を追加的に図示している。表面冷却器５２および５６は、同様に形成させることが可能である。

ここで図２を参照すると、本開示の１つの態様による例示的な表面冷却器６０の軸線方向断面の概略図が示されている。図２に図示されているように、表面冷却器６０は、複数のフィン６４を有するプレート状の層６２を含み、複数のフィン６４は、プレート状の層６２から延在し、本明細書で説明されているように配向されている。本技法の態様によれば、プレート状の層６２は、ナセル壁部または外側壁部５４に沿って配設され得るということが留意され得る（図１を参照）。本技法の態様によれば、プレート状の層６２は、熱伝導性のプレートとして形成させることが可能であり、より具体的には、金属製のプレート状の層として形成させることが可能である。さらに、プレート状の層６２は、それに限定されないが、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせなどのような材料を追加的に含むことが可能である。代替的に、プレート状の層６２は、高い熱伝導率を有する金属発泡体を含むことが可能である。例として、プレート状の層６２の厚さは、約０．５インチから約２．０インチまでの範囲で変化することが可能である。

本技法の態様によれば、ある実施形態では、プレート状の層６２は、実質的に固体金属材料（たとえば、アルミニウムなど）から形成することが可能である。代替的な実施形態では、プレート状の層６２は、熱伝達を増強させるために使用される金属発泡材料を含むか、または、その金属発泡材料から実質的に形成させることが可能であり、追加的に、騒音低減を提供することが可能である。具体的には、金属発泡体は、比較的に低い質量を有するが、強化された熱伝導の良好な組み合わせを提供し、対流のための大きい表面積を有するので、金属発泡体は、熱伝達／冷却を増強させるために用いることが可能である。発泡材料の組み込みによって、プレート状の層６２は、１つの低質量パッケージの中で熱交換および音響減衰を促進させる手段を提供するように構成させることが可能である。また、一実施形態では、複数のフィン６４が、金属製の材料を含むことが可能である。より具体的には、金属製の材料は、複数の個別のフィン６４へと形成および／または機械加工され得る。これらのフィン６４は、プレート状の層６２に対して実質的に垂直方向に突出し、主空気フロー（たとえば、一実施形態では、バイパス空気フロー５０（図１を参照））に実質的に平行に配向されて構成されている。空気フローは、ｚ−方向７２にあるということが留意され得る。また、複数のフィン６４を形成することに加えて、フィン材料は、熱伝達を効率的に増加させるように構成されているピンおよび／または他の構造体へ機械加工および／または形成することが可能である。

さらに、図示されているように、少なくとも１つの流体導管６６、および、典型的に複数の流体導管６６が、例示的な表面冷却器６０のプレート状の層６２の中に形成または配設され得る。複数の流体導管６６は、エンジンの様々なパーツによって加熱され得る流体を冷却することを支援するように構成させることが可能である。認識されることとなるように、流体（たとえば、油など）は、エンジンのパーツ（たとえば、軸受など）によって加熱され得る。この加熱された流体（油）は、複数の流体導管６６を介して、表面冷却器６０を通して導くことが可能である。流体からの熱は、複数の流体導管６６の壁部から伝達され、表面冷却器６０を介して空気フローの中へ消散させることが可能である。次いで、この流体は、エンジン１０の中のパーツへ戻すように運ぶことが可能である。ある実施形態では、たとえば、層６２が固体アルミニウム材料から形成されているときなどに、複数の流体チャネル６６は、プレート状の層６２の中のチャネル状の構造体として形成させることが可能である。代替的な実施形態では、複数の流体チャネル６６は、プレート状の層６２の中へ配設または埋め込まれているチューブ状の構造体として形成させることが可能である。一実施形態では、複数の流体導管６６は、複数のチャネルまたはチューブとして構成されており、複数のチャネルまたはチューブのそれぞれの寸法は、直径を約０．５インチとすることが可能である。より具体的には、複数のチャネルまたはチューブのそれぞれの寸法は、典型的に、プレート状の層６２の厚さよりも小さくすることが可能である。さらなる別の実施形態では、本明細書で説明されているように、単一のチューブまたはチャネル構造体は、プレート状の層６２の中に形成させることが可能である。一実施形態では、流体は、油または水を含むことが可能である。

引き続いて図２を参照すると、参照番号６８は、全体として、ｘ−方向を表しており、一方、ｙ−方向は、参照番号７０によって表されている。また、参照番号７２は、ｚ−方向を表している。空気フローは、ｚ−方向７２にあるということが留意され得る。

以降に説明されているように、熱伝達を増加させるように配向された複数のフィン６４を含む例示的な表面冷却器６０を実装することによって、フローの乱流の増加、または、効果的な熱伝達面積を実現させることが可能である。フローの乱流レベルの増加（および、結果として生じる表面冷却器の熱伝達係数の増加）は、表面冷却器６０のサイズひいては重量が低減されることを提供する。

図３〜図５は、本明細書で開示されている態様による表面冷却器８０の一部分の一実施形態を図示している。より具体的には、図３は、本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器８０の一実施形態の一部分の上面図を図示している。図４は、本明細書で開示されている態様による、図３の例示的な表面冷却器８０の一部分の側面図の概略図である。図５は、本明細書で開示されている態様による、図３の例示的な表面冷却器８０の一部分の斜視図であり、フィンアライメントを示している。上述のように、表面冷却器８０は、層８２を含み、層８２は、プレート状の構造体として形成されており、層８２の上には、複数のフィン８４が、層８２から実質的に垂直に突出して形成されている。表面冷却器８０の層８２は、ターボエンジン１０（図１を参照）のナセル壁部または外側壁部５４（図１を参照）に沿って配設されている。空気フローは、示されているように、ｚ−方向７２にあるということが留意され得る。

図３〜図５に図示されている実施形態では、複数の流体導管、および、より具体的には、チャネル８６が、表面冷却器８０の層８２の中に形成されている。複数のチャネル８６は、ターボエンジン１０の様々なパーツ（図１を参照）によって加熱され得る流体８８を冷却することを支援するように構成させることが可能である。認識されることとなるように、流体８８は、ターボエンジン１０のパーツ（たとえは、軸受など）によって加熱され得る。加熱される流体８８は、複数のチャネル８６を介して、表面冷却器８０を通して導かれる。流体からの熱は、複数のチャネル８６の壁部から伝達され、表面冷却器８０を介して空気フローの中へ消散させることが可能である。次いで、この流体は、エンジン１０の中のパーツへ戻すように運ぶことが可能である。

表面冷却器８０は、層８２の最上表面９２から突出するフィン８４の第１の複数の列９０を含む。表面冷却器８０は、層８２の最上表面９２から突出するフィン８４の第２の複数の列をさらに含む。フィン８４の第２の複数の列９４は、「ａ」で指示されているように、フィン８４の第１の複数の列９０の隣接する列から、横断方向のフィン間隔の最大２分の１の量だけオフセットされて構成されている。加えて、代替的な横断方向のフィン間隔寸法は、特定の設計パラメーターを考慮して取り入れることが可能である。フィン８４の第１および第２の複数の列９０および９４をオフセットさせることによって、複数の空気流路（その一部分は、矢印９６によって指示されている）が形成され、バイパス空気フロー５０は、複数のフィン８４を通過して流れるときに、フロー混合の増加を受けることとなる。空気フロー５０は、示されているようにフィン８４の周りに押し込まれ、フィン８４の熱伝達および空気力学的な性能を最適化する。そのような熱交換器（または、表面冷却器）の重量が、インライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）フィンを含むように構成されている表面冷却器に対して、６％だけ低減され得るということを、計算が証明している。熱伝達の増加は、指示されているように、ｚ−方向７２に流れる流入バイパス空気部分５０のフロー混合の増加に起因する。

図５は、複数のフィン８４が層８２の上に配設されている例示的な表面冷却器８０の斜視図１００を図示している。第１の端部１０６および第２の端部１０８を備える（複数のフィン８４のうちの）単一のフィン１０４の分解図１０２が図示されている。本明細書で使用されているように、「第１の端部」の用語は、空気フローが衝突するフィン１０４の面であり、一方、「第２の端部」の用語は、空気フロー５０から離れているフィン１０４の面である。本技法の例示的な態様によれば、複数のフィン８４を通過するバイパスフロー５０の空気力学的な性能は、複数のフィン８４の少なくとも一部分の第１の端部１０６および第２の端部１０８の上に、前縁部、後縁部、または、それらの組み合わせを形成させることによって、強化することが可能である。本技法の実施形態によれば、後縁部および／または前縁部は、固体金属を使用して形成させることが可能である。これらの固体金属縁部は、過度の圧力降下を防止するのを支援することが可能であり、それによって、複数のフィン８４の空気力学的な性能の増加を結果として生じさせる。以上に述べられているように、複数のフィン８４は、衝突するバイパス空気５０のフローの乱流の増加を推進することによって、熱伝達の強化を促進するように構成されている。

図６〜図８は、本明細書で開示されている態様による表面冷却器１１０の一実施形態を図示している。より具体的には、図６は、本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器１１０の一実施形態の上面図を図示している。図７は、本明細書で開示されている態様による、図６の例示的な表面冷却器１１０の側面図の概略図である。図８は、本明細書で開示されている態様による、図６の例示的な表面冷却器１１０の斜視図であり、フィンアライメントを示している。先に開示されている実施形態と同様に、表面冷却器１１０は、層１１２を含み、層１１２は、プレート状の構造体として形成されており、層１１２の上には、複数のフィン１１４が形成されている。表面冷却器１１０の層１１２は、ターボエンジン１０（図１を参照）のナセル壁部または外側壁部５４（図１を参照）に沿って配設されている。空気フローは、示されているように、ｚ−方向７２にあるということが留意され得る。

図６〜図８に図示されている実施形態では、複数のチャネル１１６が、表面冷却器１１０の層１１２の中に形成されている。加熱される流体１１８は、複数のチャネル１１６を介して、表面冷却器１１０を通して導かれ得る。流体１１８からの熱は、複数のチャネル１１６の壁部から伝達され、表面冷却器１１０を介して空気フローの中へ消散させることが可能である。次いで、この流体１１８は、エンジン１０の中のパーツへ戻すように運ぶことが可能である。

この特定の実施形態では、表面冷却器１１０は、層１１２の最上表面１２２から突出するフィン１１４の第１の複数の列１２０を含む。表面冷却器１１０は、層１１２の最上表面１２２から突出するフィン１１４の第２の複数の列１２４をさらに含む。フィン１１４の第１の複数の列１２０、および、フィン１１４の第２の複数の列１２４は、互いに対して交互の角度で配向されている。より具体的には、フィン１１４の複数の第１および第２の列１２０および１２４は、表面冷却器１１０の軸線方向１２５に対して、および、より具体的にはｚ−方向７２において、第１および第２の方向に交互に配向されている。たとえば、近接するフィン１１４の対１１５が、第１および第２の方向に交互に配向されている。第２の方向に配向されているフィン１１４は、影付きとして示されており、第１の方向に配向されているフィンと区別している。第１の方向は、表面冷却器１１０の軸線方向１２５に対して角度「θ１」となっており、第２の方向は、表面冷却器１１０の軸線方向１２５に対して角度「θ２」となっており、ここで、θ₁は、θ₂に等しくはなく、それによって、θ₁およびθ₂は、空気フロー混合を推進するように選ばれている。フィン１１４の第１および第２の複数の列１２０および１２４のそれぞれの角度構成を交互にすることによって、複数の空気流路（その一部分は、矢印１２６によって指示されている）が形成され、バイパス空気フロー５０は、フロー混合の増加を受けることとなる。空気側の熱伝達係数が同様に増加することとなるということが推測される。先に開示されている実施形態と同様に、そのような熱交換器（または、表面冷却器）の重量が、インラインフィンを含むように構成されている表面冷却器に対して、おおよそ５０％だけ低減され得るということを、計算が証明している。熱伝達の増加は、指示されているようにｚ−方向７２に流れる流入バイパス空気部分５０のフロー混合の増加に起因する。

図８は、複数のフィン１１４が層１１２の上に配設されている例示的な表面冷却器１１０の斜視図１３０を図示している。上記に説明されているように構成されているフィン１１４の第１の複数の列１２０のフィン１３４、および、フィン１１４の第２の複数の列１２４のフィン１３５の分解図１３２（第１の端部１３６および第２の端部１３８を示している）が図示されている。以上に述べられているように、複数のフィン１１４は、衝突するバイパス空気５０のフローの乱流の増加を推進することによって、熱伝達の強化を促進するように構成されている。

図９〜図１１は、本明細書で開示されている態様による表面冷却器１４０の一実施形態を図示している。より具体的には、図９は、本明細書で開示されている態様による、例示的な表面冷却器１４０の一実施形態の上面図を図示している。図１０は、本明細書で開示されている態様による、図９の例示的な表面冷却器１４０の側面図の概略図である。図１１は、本明細書で開示されている態様による、図９の例示的な表面冷却器１４０の斜視図であり、フィンアライメントを示している。先に開示されている実施形態と同様に、表面冷却器１４０は、層１４２を含み、層１４２は、プレート状の構造体として形成されており、層１４２の上には、複数のフィン１４４が形成されている。表面冷却器１４０の層１４２は、ターボエンジン１０（図１を参照）のナセル壁部または外側壁部５４（図１を参照）に沿って配設されている。空気フローは、示されているように、ｚ−方向７２にあるということが留意され得る。

図９〜図１１に図示されている実施形態では、単一のチャネル１４６が、表面冷却器１４０の層１４２の中に形成されている。代替的な実施形態では、図６〜図８のチャネル１１６と概して同様に、複数のチャネルが、表面冷却器１４０の層１４２の中に形成されている。加熱される流体１４８は、チャネル１４６を介して、表面冷却器１４０を通して導かれ得る。流体からの熱は、チャネル１４６の壁部から伝達され、表面冷却器１４０を介して空気フローの中へ消散させることが可能である。次いで、この流体は、エンジン１０の中のパーツへ戻すように運ぶことが可能である。

この特定の実施形態では、表面冷却器１４０は、層１４２の最上表面１５２から突出するフィン１４４の複数の列１５０を含む。フィン１４４の複数の列１５０は、ｚ−方向７２に（および、より具体的には、バイパス空気フロー５０の方向に）フィン１４４のそれぞれの列１５０の高さ「ｘ」を増しながら、複数の空気流路１５６を画定して構成されている。バイパス空気５０が表面冷却器１４０を横切って流れるときに、境界層１５４が形成され、境界層１５４は、空気が表面冷却器１４０を通過して流れるにつれて増加することとなり、したがって、熱伝達が降下することとなる。フロー方向５０にフィン１４４の高さを増加させることによって、フィン１４４は、成長する境界層１５４にかかわらず、主バイパス空気フロー５０の中に依然として存在することとなるということが推測される。代替的に、フィン１４４の高さは、境界層１５４の中に留まるように変化させることが可能である。この代替的な実施形態では、増加するフィン高さは、フロー方向に沿って空気が熱くなるにつれて、有効性の損失を埋め合わせることとなる。これは、表面冷却器１４０の熱伝達効率を増加させる効果を有することとなる。先に開示されている実施形態と同様に、そのような熱交換器（または、表面冷却器）の重量が、等しい高さのフィンを含むように構成されている表面冷却器に対して、おおよそ３０％だけ低減され得るということを、計算が証明している。

図１１は、複数のフィン１４４が層１４２の上に配設されている例示的な表面冷却器１４０の斜視図１６０を図示している。上記に説明されているように構成されているフィン１１４の複数の列１５０の第１の列１６６のフィン１６４、および、フィン１４４の複数の列１５０の隣接する第２の列１７０のフィン１６８の分解図１６２は、バイパス空気フロー５０の方向にフィン１６４に対して、フィン１６８の高さが増加していることを示している。以上に述べられているように、複数のフィン１１４が、衝突するバイパス空気５０のフローの乱流の増加を推進することによって、熱伝達の強化を促進するように構成されていることに加えて、フィン１４４は、増加する高さを有して構成されており、成長する境界層１５４にかかわらず、フィン１４４が主バイパス空気フロー５０の中に依然として存在することとなるということを確実にする（図１０）。

上記に本明細書で説明されている例示的な表面冷却器の様々な実施形態は、表面冷却器の増強および改善された熱伝達を提供している。追加的に、例示的な表面冷却器は、ターボ機械の質量を低減させる。また、さらに、例示的な表面冷却器は、バイパスフローの中の損失に対する影響を低減させることが可能であり、したがって、より良好な燃料消費を促進させる。

上記に説明されているそのようなすべての目的または利点が、必ずしも、任意の特定の実施形態にしたがって実現され得るわけではないということが理解される。したがって、たとえば、本明細書で教示または示唆され得るような他の目的または利点を必ずしも実現することなく、本明細書で教示されているような１つの利点または一群の利点を実現または最適化する様式で、本明細書で説明されているシステムおよび技法が、具現化または実施され得るということを当業者は認識することとなる。

本発明の特定の特徴だけが、本明細書で図示および説明されてきたが、多くの修正および変更を当業者が思い付くこととなる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内にあるようなそのようなすべての修正および変更をカバーすることを意図しているということが理解されるべきである。

先述のものは、ガスタービンエンジンに関する表面冷却器を説明してきた。本開示は、限定された数の実施形態に関して説明されてきたが、この開示の利益を得る当業者は、本明細書で説明されているような開示の範囲から逸脱しない他の実施形態を考え出すことが可能であるということを認識することとなる。本開示は、例示的な実施形態を参照して説明されてきたが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことが可能であり、そのエレメントの代わりに均等物に置換することが可能であるということが、当業者によって理解されることとなる。加えて、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるように、多くの修正を行うことが可能である。したがって、本開示は、本開示を実施するために熟考されたベストモードとして開示されている特定の実施形態に限定されないということが意図されている。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神の範囲内にあるようなそのようなすべての修正および変更をカバーすることを意図しているということが理解されるべきである。

１０ 航空機エンジンアッセンブリ
１２ 中心軸線
１４ ファンアッセンブリ
１６ ブースター圧縮機
１８ コアガスタービンエンジン
２０ 低圧タービン
２２ ローターファンブレード
２４ ファンローターディスク
２６ 出口ガイドベーン
２８ 高圧圧縮機
３０ 燃焼器
３２ 高圧タービン
３４ ローターブレード
３６ 圧縮機ローターディスク
３８ 第１の駆動シャフト
４０ 第２の駆動シャフト
４２ 吸気側
４４ コアエンジン排気側
４６ ファン排気側
４８ 圧縮空気フロー
５０ バイパス空気フロー
５２ 表面冷却器
５４ 外側壁部
５６ 表面冷却器デバイス
５８ 内側壁部
６０ 表面冷却器
６２ プレート状の層
６４ フィン
６６ 流体導管、流体チャネル
６８ ｘ−方向
７０ ｙ−方向
７２ ｚ−方向
８０ 表面冷却器
８２ 層
８４ フィン
８６ チャネル
８８ 流体
９０ 第１の複数の列
９２ 最上表面
９４ 第２の複数の列
９６ 矢印
１００ 斜視図
１０２ 分解図
１０４ フィン
１０６ 第１の端部
１０８ 第２の端部
１１０ 表面冷却器
１１２ 層
１１４ フィン
１１５ 対
１１６ チャネル
１１８ 流体
１２０ 第１の複数の列
１２２ 最上表面
１２４ 第２の複数の列
１２５ 軸線方向
１２６ 矢印
１３０ 斜視図
１３２ 分解図
１３４ フィン
１３５ フィン
１３６ 第１の端部
１３８ 第２の端部
１４０ 表面冷却器
１４２ 層
１４４ フィン
１４６ チャネル
１４８ 流体
１５０ 複数の列
１５２ 最上表面
１５４ 境界層
１５６ 空気流路
１６０ 斜視図
１６２ 分解図
１６４ フィン
１６６ 第１の列
１６８ フィン
１７０ 第２の列

Claims (22)

1. 熱伝導材料を含むプレート状の層と、
   前記プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンであって、前記複数のフィンは、熱伝導材料を含み、複数の空気流路を画定している、複数のフィンと
   を含む表面冷却器であって、
   前記間隔をあけて配置された複数のフィンは、前記表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、前記空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、前記表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている、表面冷却器。
2. 前記表面冷却器が、前記プレート状の層の中に配設されている少なくとも１つの流体導管をさらに含み、前記少なくとも１つの流体導管が、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、請求項１記載の表面冷却器。
3. 前記プレート状の層が、固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせのうちの１つを含む、請求項１記載の表面冷却器。
4. 前記固体金属がアルミニウムである、請求項３記載の表面冷却器。
5. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせを含む、請求項１記載の表面冷却器。
6. 前記固体金属がアルミニウムである、請求項５記載の表面冷却器。
7. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、複数の列で構成されており、前記複数の列は、横断方向のフィン間隔の最大２分の１の量だけ、一方が他方からオフセットされて構成されている、請求項１記載の表面冷却器。
8. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、複数の列で構成されており、前記複数の列が、前記表面冷却器の軸線方向に対して、互いに交互の角度で配向される、請求項１記載の表面冷却器。
9. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、複数の列で構成されており、前記複数の列のそれぞれの中の、間隔をあけて配置された複数のフィンは、前記表面冷却器の軸線方向の近接する列に対して、高さが増加している、請求項１記載の表面冷却器。
10. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンの１つまたは複数の端部に構成されている、後縁部、前縁部、または、それらの組み合わせをさらに含む、請求項１記載の表面冷却器。
11. 固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせのうちの１つを含むプレート状の層と、
    前記プレート状の層の中に配設されている少なくとも１つの流体導管であって、前記少なくとも１つの流体導管は、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、少なくとも１つの流体導管と、
    前記プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンであって、前記複数のフィンは、熱伝導材料を含み、複数の空気流路を画定している、複数のフィンと
    を含む表面冷却器であって、
    前記間隔をあけて配置された複数のフィンは、前記表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、前記空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、前記表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている、表面冷却器。
12. 前記固体金属がアルミニウムである、請求項１１記載の表面冷却器。
13. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせを含む、請求項１１記載の表面冷却器。
14. 前記固体金属がアルミニウムである、請求項１３記載の表面冷却器。
15. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、複数の列で構成されており、前記複数の列は、横断方向のフィン間隔の２分の１だけ、一方が他方からオフセットされて構成されている、請求項１１記載の表面冷却器。
16. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、複数の列で構成されており、前記複数の列が、前記表面冷却器の軸線方向に対して、互いに交互の角度で配向される、請求項１１記載の表面冷却器。
17. 前記間隔をあけて配置された複数のフィンが、複数の列で構成されており、前記複数の列のそれぞれの中の、間隔をあけて配置された複数のフィンは、前記表面冷却器の軸線方向の近接する列に対して、高さが増加している、請求項１１記載の表面冷却器。
18. プレート状の層を形成するステップと、
    前記プレート状の層の中に少なくとも１つの流体導管を配設させるステップであって、前記少なくとも１つの流体導管は、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、ステップと、
    間隔をあけて配置された複数のフィンを形成するように前記プレート状の層を機械加工するステップと
    を含む、表面冷却器を形成する方法であって、
    前記間隔をあけて配置された複数のフィンは、前記表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、前記空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、前記表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている、表面冷却器を形成する方法。
19. ターボ機械の外側壁部に沿って前記表面冷却器を配設させるステップをさらに含む、請求項１８記載の方法。
20. コアエンジンと、
    表面冷却器と
    を含むエンジンであって、前記表面冷却器は、
    固体金属、金属発泡体、炭素発泡体、または、それらの組み合わせのうちの１つを含むプレート状の層と、
    前記プレート状の層の中に配設されている少なくとも１つの流体導管であって、前記少なくとも１つの流体導管は、冷却されることとなる流体を運ぶように構成されている、少なくとも１つの流体導管と、
    前記プレート状の層の最上層から実質的に垂直に延在する、間隔をあけて配置された複数のフィンであって、前記複数のフィンは、熱伝導材料を含み、複数の空気流路を画定している、複数のフィンと
    を含み、
    前記間隔をあけて配置された複数のフィンは、前記表面冷却器の熱伝達係数の増加を結果として生じさせるように混合の増加を推進することによって、前記空気流路を通って流れる流体の乱流レベルを増加させることによって、前記表面冷却器の熱伝達を増強させるように構成されている、エンジン。
21. 前記表面冷却器が、前記エンジンのナセル壁部に隣接して配設されている、請求項２０記載のエンジン。
22. 前記表面冷却器が、前記エンジンの内側壁部に隣接して配設されている、請求項２０記載のエンジン。