JP2016031226A - プレートフィン熱交換器および熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレートフィン熱交換器の熱疲労寿命を改善する。【解決手段】一つの態様では、プレートフィン熱交換器が提供される。熱交換器は、第１の流体を導通するように構成される複数のフィン付き低温層、及び、第２の流体を導通するように構成される複数のフィン付き高温層を有する。フィン付き高温層は、給気口側、排気口側、給気口側におけるフィンの第１の部分及び排気口側におけるフィンの第２の部分を含む。フィンの第１の部分のフィンの厚さは、フィンの第２の部分のフィンの厚さより厚い。【選択図】図３

Description

ここに開示される対象は、一般に、熱交換器に関し、更に具体的には、熱交換器用のガードフィンに関する。

典型的な空気-空気間向流型熱交換器は、ろう付けされた相互熱伝導気流部又は層のスタックから成る。熱交換のため、熱気と冷気を交互に隣接し合う層に圧送する。ガスタービン空調システムでは、熱気はエンジンブリード部より到来し、ブリード層内を流れる。冷気は外気であり、ラム層内を流れる。これらの交替にスタックされたラム層及びブリード層は、分離シートと呼ばれる熱伝導媒体に沿って結合され、ブリード層からの熱は、分離シートを通って、ラム気流へと伝導される。

ラム層とブリード層とは類似しており、それぞれは、冷却フィン及びフレーム又はクロージャバーのアレイを含み、これらは分離シート上に配置されて、それぞれの層を画定する。フレーム又はクロージャバーは、層の端部に沿って配置され、分離シートの終端を支持する。分離シートの終端を支持する他に、給気口又は排気口がある場合を除き、これらのバーは、それぞれの層を閉塞する。給気口及び排気口では、フィンが分離シートを支持している。

熱交換器を製造するには、ラム層及びブリード層を、その一方を他方の上部に交互にスタックし、次いで、ろう付けのために真空炉内に配置される。ろう付けプロセス中は、これらの層を互いに押し付けるように、スタックを押圧する。フィンが分離シートにろう付けされた時点で、ろう付けは完了し、シートの端部は、クロージャバーに沿って一様にろう付けされている。ブリード及びラム気流は対応するマニホルドから供給されるが、このマニホルドは続いてクロージャバーに溶接される。

それらのサイズのため、この熱交換器は、ウォームアップ及びクールダウン時に、大きな熱ストレスを受け得る。ブリード流の開始及び停止に際して、このストレスが発生し得る。交換器がこのような加熱冷却サイクルを行う間に、コアは膨張及び収縮する。時間の経過に従い、高い熱ストレスによってフィンが劣化し得るため、これが破損を引き起こし、コア部の劣化に至り得る。これは、熱交換器の構造上の健全性及び必要な冷房性能を提供する能力を損ない得る。

一つの態様では、プレートフィン熱交換器が提供される。熱交換器は、第１の流体を導通するように構成される複数のフィン付き低温層、及び、第２の流体を導通するように構成される複数のフィン付き高温層を有する。フィン付き高温層は、給気口側、排気口側、給気口側におけるフィンの第１の部分及び排気口側におけるフィンの第２の部分を含む。フィンの第１の部分のフィンの厚さは、フィンの第２の部分のフィンの厚さより厚い。

別の態様では、デュアルコア熱交換器が提供される。熱交換器は、第１のコア及び第２のコアを含む。第１のコアは、第１の流体を導通するように構成される第１の複数のフィン付き低温層、第２の流体を導通するように構成され、給気口側及び排気口側を有している第１の複数のフィン付き高温層、及び、第１の複数のフィン付き高温層の各々のフィン付き高温層の給気口側に配置されるガードフィンを含む。ガードフィンのフィンの厚さは、第１のフィン付き高温層のフィンの厚さより厚い。第２のコアは、第１のコアと流体的に分離されており、第１の流体を導通するように構成される第２の複数のフィン付き低温層及び第３の流体を導通するように構成される第２の複数のフィン付き高温層を含む。第２の複数のフィン付き高温層は、給気口側及び排気口側を含む。

さらに別の態様では、熱交換器の製造方法が提供される。この方法は、複数のフィン付き低温層を提供すること、給気口側及び排気口側を有する複数のフィン付き高温層を提供すること、及び、フィン付き高温層のフィンのフィン厚さより大きいフィン厚さを有する複数のガードフィンを提供すること、を含む。この方法はさらに、複数のガードフィンの各々のガードフィンを、複数のフィン付き高温層の各々のフィン付き高温層の給気口側に配置すること、及び、複数のフィン付き低温層、複数のフィン付き高温層及び複数のガードフィンを結合させること、を含む。

これら及び他の利点及び特徴は、図面とともになされる以下の説明からより明らかになる。

発明であると考えられる構成要件は、特定的に指摘され、明細書の末尾の特許請求の範囲において、明確に要求される。本発明の前述およびその他の特徴並びに利点は、添付図面とともになされる以下の詳細説明から明らかである。

詳細な説明では、図面を参照して、例示として本発明の実施形態を、利点及び特徴と共に説明する。

図１は、典型的な熱交換器の斜視図である。 図２は、図１に示された、典型的なヘッダを有する熱交換器の斜視図である。 図３は、図１に示される熱交換器の３-３線に沿った断面図である。 図４は、図３の中に示された熱交換器の典型的なブリードガードフィンの線４-４線に沿った断面図である。

熱交換器のための改善された性能及び構造上の健全性のためのシステム及び方法が、ここに記載される。このシステムは、熱疲労寿命を改善するため、より厚いガードフィンが高温の回路入口面に配置される熱交換器を有している。ガードフィンは、ガードフィンの膨張及び収縮を容易にするため、その中に形成されるスロットを含んでもよい。

図１及び２は、典型的な空気-空気間熱交換器１０を例示する。典型的な実施形態では、熱交換器１０は、航空機の空気発生ユニット用の耐熱アルミニウムデュアル熱交換器である。しかしながら、ここに記載される特徴は、あらゆる適切な熱交換器構造体に用いることができる。

熱交換器１０は、一次コア１２及び二次コア１４を一般に含む。それぞれのコア１２、１４は、ブリード給気口側１６、ブリード排気口側１８、ラム空気給気口側２０及びラム空気排気口側２２を含む。図２に関して、エンジン（図示されず）からの高温のブリード空気は、一次給気口ヘッダ２４からコア１２内に進入し、一次排気口ヘッダ２６を通って排出される。同様に、コンプレッサ排気口からの高温の空気は、二次給気口ヘッダ２８から二次コア１４内に進入し、二次排気口ヘッダ３０を通って排出される。ラム空気は、一次コア１２及び二次コア１４の両方を通って給気口２０から排気口２２へと通過し、高温のブリード空気及びコンプレッサからの高温の空気を冷却する。ラム空気は、マニホルド又はフロー誘導装置（図示されず）により、給気口側２０に供給されてもよく、そして、マニホルド又はフロー誘導装置（図示されず）によって排気口側２２から排出されてもよい。

熱交換器１０は、分離シート３２によって画定される複数の層、及び、分離シート３２の間に位置する冷却フィン３４を含む。低温空気又はラム空気は、給気口２０を通って矢印３６の方向に強制流動され、複数のラム空気層３８の中を流れる。ラム空気層３８は、ヘッダ２４、２８を通して熱気を受ける熱気又はブリード層４０の間に位置している。高温の空気は、ブリード層４０をラム流れ方向３６に対して封鎖するブリードクロージャバー４２の間に画定される給気口を通って流動する。同様に、ラムクロージャバー４４は、ラム空気層をブリードフローに関してシールする。

図３に関して、冷却フィン３４は、層３８及び／又は４０を通じて、様々な厚さを有する。例えば、冷却フィン３４は、ブリードガードフィン４６、上流フィン４８及び下流フィン５０を含んでもよい。典型的な実施形態では、下流のフィン５０の厚さより厚い上流のフィン４８の厚さよりも、ガードフィン４６の厚さの方が厚い。ガードフィン４６は、フィン４８、５０よりも厚くなるよう製造され、その理由の一つは、ブリード空気がブリード給気口１６で最も高温となるからである。厚さが増したため、ガードフィン４６は、たとえば隣接し合うクロージャバー４２の膨張及び収縮や個々のガードフィン４６の膨張及び収縮等の高い熱ストレスに対して、より耐えることができるようになる。従って、ガードフィン４６の熱疲労寿命が大きく伸びることとなる。

同様に、典型的な実施形態では、上流フィン４８が下流フィン５０より厚くなるように製造され、その理由の一つは、ブリード空気は、給気口１６から排気口１８まで移動する間に、温度が低下するからである。したがって、フィンが給気口１６から排気口１８まで延在するに従い、フィン３４に対する熱ストレスは低減するため、フィン３４の厚さは、さらに下流で薄くされてもよい。代替的には、ガードフィン４６がより厚く、上流及び下流フィン４８、５０が同じ厚さを有してもよい。ガードフィン４６は、一次コア１２及び／又は二次コア１４に用いられてもよい。更に、図３に例示される典型的な実施形態では、ガードフィン４６は直線状又は平坦状であり、フィン４８、５０は波形状、鋸歯状、又は段状（ｏｆｆｓｅｔ）である。代替的には、ガードフィン４６は波形状でもよく、フィン４８、５０は直線状でもよい。

一実施形態では、ガードフィン４６は、上流フィン４８より４０％〜６０％だけ厚く、下流フィン５０の２〜４倍厚い。別の実施形態では、ガードフィン４６は、上流フィンより約４０％〜約６０％だけ厚く、下流フィン５０の約２〜約４倍厚い。一実施形態では、ガードフィン４６は、上流フィン４８より５５％だけ厚く、下流フィン５０の３倍厚い。別の実施形態では、ガードフィン４６は、上流フィン４８より約５５％だけ厚く、下流フィン５０の約３倍厚い。

一実施形態では、ガードフィン４６の厚さは、０．００８インチと０．０１インチとの間にある。別の実施形態では、ガードフィン４６の厚さは、約０．００８インチと約０．０１インチとの間にある。さらに別の実施形態では、ガードフィン４６の厚さは、０．００９インチ又は約０．００９インチである。一実施形態では、上流フィン４８の厚さは、０．００４インチと０．００６インチとの間にある。別の実施形態では、上流フィン４８の厚さは、約０．００４インチと約０．００６インチとの間にある。さらに別の実施形態では、上流フィン４８の厚さは、０．００５インチ又は約０．００５インチである。一実施形態では、下流フィン５０の厚さは、０．００２インチと０．００４インチとの間にある。別の実施形態では、下流フィン５０の厚さは、約０．００２インチと約０．００４インチとの間にある。さらに別の実施形態では、下流フィン５０の厚さは、０．００３インチ又は約０．００３インチである。しかしながら、ガードフィン４６、上流フィン４８及び下流フィン５０は、フィンがここに記載される機能を発揮することが可能になるようなあらゆる厚さを有してもよい。

図４に例示されるように、隣接構造（例えば、クロージャバー４２）の熱成長の追従を容易にするため、ガードフィン４６は先端５４に形成されるスロット５２を含んでもよい。スロット５２により、一次コア１２及び／又は二次コア１４の一次熱交換器給気口１６における高速熱変化の間にガードフィン先端５４が伸縮することが可能になる。典型的な実施形態では、スロット５２は、丸みのある端部５６を含む。しかしながら、スロット終端５６は、ガードフィン４６がここに記載される機能を発揮することが可能になるようなあらゆる形状を有してもよい。典型的な実施形態では、スロット５２は、放電加工によって先端５４に形成される。しかしながら、スロット５２は任意の適切なプロセスを用いて形成されてもよい。

一実施形態では、スロット深さ５８は、フィン長６０の２０％と４０％との間にある。別の実施形態では、スロット深さ５８は、フィン長６０の約２０％と約４０％との間にある。さらに別の実施形態では、スロット深さ５８は、フィン長６０の３０％又は約３０％である。一実施形態では、スロット深さ５８は、０．１５インチと０．３５インチとの間にある。別の実施形態では、スロット深さ５８は、約０．１５インチと約０．３５インチとの間にある。さらに別の実施形態では、スロット深さ５８は、０．２５インチ又は約０．２５インチである。一実施形態では、フィン長６０は、０．８インチと１．０インチとの間にある。別の実施形態では、フィン長６０は、約０．８インチと約１．０インチとの間にある。さらに別の実施形態では、フィン長６０は、０．９インチ又は約０．９インチである。

一実施形態では、スロット幅６２は、フィン幅６４の２０％と４０％との間にある。別の実施形態では、スロット幅６２は、フィン幅６４の約２０％と約４０％との間にある。さらに別の実施形態では、スロット幅は、フィン幅６４の３０％又は約３０％である。一実施形態では、スロット幅６２は、０．０５インチと０．０７インチとの間にある。別の実施形態では、スロット幅６２は、約０．０５インチと約０．０７インチとの間にある。さらに別の実施形態では、スロット幅６２は、０．０６インチ又は約０．０６インチである。一実施形態では、フィン幅６４は、０．１５インチと０．３５インチとの間にある。別の実施形態では、フィン幅６４は、約０．１５インチと約０．３５インチとの間にある。さらに別の実施形態では、フィン幅６４は、０．２５インチ又は約０．２５インチである。

熱交換器１０は、クロージャバー４２、４４及び冷却フィン３４（ガードフィン４６を含む）と共に分離シート３２を適所にスタックすることによって製造されてもよい。次いで、荷重を層に掛けて互いに押し付けるようにし、そしてこの組立品を真空炉内に配置し、この中では、分離シート３２がクロージャバー４２、４４及びフィン３４にろう付けされる温度まで、加熱される。そして、例えば放電加工により、スロット５２がガードフィン先端５４に形成されてもよい。そして、ヘッダ２４、２６、２８、３０が、熱交換器１０に結合される。

限られた数の実施形態のみに関連して、本発明を詳細に説明してきたが、本発明がこの開示された実施形態に限定されないことが、容易に理解されるべきである。それどころか、本発明を変形して、ここに記載されていないが本発明の主旨及び範囲に相応した任意の数の変更、代替、置換又は等価な構成を取り入れることができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の特徴は、ここに記載された実施形態の一部のみを含んでもよいことが、理解されるべきである。従って、本発明は、前述の説明によって制限されると理解されず、添付の特許請求の範囲によって制限されるのみである。

Claims (15)

1. プレートフィン熱交換器であって、
   第１の流体を導通するように構成される複数のフィン付き低温層と、
   第２の流体を導通するように構成される複数のフィン付き高温層と、を備え、
   前記フィン付き高温層は、給気口側、排気口側、前記給気口側におけるフィンの第１の部分、及び前記排気口側におけるフィンの第２の部分、を有し、
   前記フィンの第１の部分のフィンは、前記フィンの第２の部分のフィンの厚さより厚い、プレートフィン熱交換器。
2. 前記フィンの第１の部分の少なくとも１つのフィンの先端に形成されるスロットを更に備える、請求項１に記載のプレートフィン熱交換器。
3. 前記フィンの第１の部分と前記フィンの第２の部分との間に配置されるフィンの第３の部分を更に備え、前記フィンの第３の部分のフィンの厚さは、前記フィンの第１の部分のフィンの厚さより薄く、かつ、前記フィンの第２の部分のフィンの厚さより厚い、請求項１に記載のプレートフィン熱交換器。
4. 前記フィンの第１の部分のフィンは、前記フィンの第２の部分のフィンの２〜４倍厚い、請求項１に記載のプレートフィン熱交換器。
5. デュアルコア熱交換器であって、
   第１の流体を導通するように構成される第１の複数のフィン付き低温層と、
   第２の流体を導通するように構成され、給気口側及び排気口側を有している第１の複数のフィン付き高温層と、
   前記第１の複数のフィン付き高温層の各々のフィン付き高温層の前記給気口側に配置され、前記第１のフィン付き高温層のフィンの厚さより厚い、ガードフィンと、
   を備える第１のコアと、
   前記第１の流体を導通するように構成される第２の複数のフィン付き低温層と、
   第３の流体を導通するように構成され、給気口側及び排気口側を有している、第２の複数のフィン付き高温層と、
   を備える前記第１のコアから流体的に分離された第２のコアと、
   を備える、デュアルコア熱交換器。
6. 前記第２の複数のフィン付き高温層の各々のフィン付き高温層の前記給気口側に配置される第２のガードフィンを更に備え、前記第２のガードフィンのフィン厚さは、前記第２のフィン付き高温層のフィンの厚さより厚い、請求項５に記載のデュアルコア熱交換器。
7. 少なくとも１つの前記第１のフィン付き高温層の先端に形成されたスロットを更に備える、請求項５に記載のデュアルコア熱交換器。
8. 少なくとも１つの前記第２のフィン付き高温層の先端に形成される第２のスロットを更に備える、請求項７に記載のデュアルコア熱交換器。
9. 前記第１の複数のフィン付き高温層の各々のフィン付き層は、前記第１のフィン付き高温層の前記排気口側にある複数のフィンの第１の部分と、前記ガードフィンと前記フィンの第１の部分との間に位置する複数のフィンの第２の部分と、を備え、前記フィンの第２の部分のフィン厚さは、前記ガードフィンの厚さより薄く、かつ、前記フィンの第１の部分のフィン厚さより厚い、請求項５に記載のデュアルコア熱交換器。
10. 前記ガードフィンは、前記第１の複数のフィン付き高温層のフィンの２〜４倍厚い、請求項５に記載のデュアルコア熱交換器。
11. 前記第１の複数のフィン付き高温層の前記給気口側に流体的に結合し、エンジンから前記第１の複数のフィン付き高温層までブリード空気を供給するように構成される、第１の給気口ヘッダと、
    前記第１の複数のフィン付き低温層の給気口に結合し、前記第１の複数のフィン付き低温層にラム空気を供給するように構成される、ラム空気マニホルドと、
    前記第２の複数のフィン付き高温層の前記給気口側に流体結合され、コンプレッサから前記第２の複数のフィン付き高温層まで圧縮空気を供給するように構成される、第２の給気口ヘッダと、
    を更に備える、請求項５に記載のデュアルコア熱交換器。
12. 熱交換器の製造方法であって、
    複数のフィン付き低温層を提供することと、
    給気口側及び排気口側を有する複数のフィン付き高温層を提供することと、
    前記フィン付き高温層のフィンのフィン厚さより厚いフィン厚さを有する複数のガードフィンを提供することと、
    前記複数のガードフィンの各々のガードフィンを、前記複数のフィン付き高温層の各々のフィン付き高温層の前記給気口側に配置することと、
    前記複数のフィン付き低温層、前記複数のフィン付き高温層及び前記複数のガードフィンを結合させることと、
    を含む、方法。
13. 結合させる前記ステップは、前記複数のフィン付き低温層、前記複数のフィン付き高温層及び前記複数のガードフィンを互いにろう付けすることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記複数のガードフィンの少なくとも１つのガードフィンの先端に、スロットを形成すること、を更に含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記スロットは、放電加工プロセスを用いて形成される、請求項１４に記載の方法。

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