JP2016125809A - フィン波形制御を有する熱交換器 - Google Patents

フィン波形制御を有する熱交換器 Download PDF

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Abstract

【課題】熱交換器のための波形フィン構造が提供される。【解決手段】プレートフィン熱交換器10は、第1の流体を導くように構成された複数のフィン付低温層38と、第2の流体を導くように構成された複数のフィン付高温層40とを含む。フィン付高温層40は、入口側16と、出口側18とを含む。複数のフィン付高温層40のうちの少なくとも1つのフィン付高温層40の第1の部分のフィン48、148は、第1の部分のフィン48、148のうちの各フィン48、148のための波形構成を画定する複数の整列された山と谷154とを含む。第1の部分のフィン48、148の上流前縁150が、山と谷154のうちの少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始する。【選択図】図5

Description

本明細書に開示される主題は、一般に熱交換器に関し、より詳細には、熱交換器のための波形フィン構造に関する。
典型的な空気対空気プレートフィン熱交換器は、ろう付けされた交互熱伝導空気流セクションまたは層のスタックから構成されている。高温空気と低温空気は、熱交換をするために、強制的に交互の層を通される。ガスタービン空調システムにおいて、高温空気はエンジンブリードからきており、そしてブリード層を通って流れる。低温空気は外部にあり、そしてラム層を通って流れる。これら交互に積層されたラム層とブリード層は、分離シートと呼ばれる熱伝導媒体に沿って互いに結合され、ブリード層からの熱が、分離シートを通ってラム空気流に伝達される。
ラム層とブリード層は、類似しており、そしてそれぞれが、それぞれの層を画定する分離シート上に配置された冷却フィンのアレイと、フレームまたは閉鎖バーとを含む。フレームまたは閉鎖バーは、分離シートの端部を支持する層の縁部に沿って配置される。分離シートの端部を支持することに加えて、これらのバーは、空気入口または空気出口がある場合を除き、それぞれの層を閉鎖する。空気入口と空気出口においてフィンは、分離シートの支持を提供する。
熱交換器を製造するために、ラム層とブリード層は、互いの上に交互に積層され、それからろう付けのために真空炉内に配置される。ろう付け処理中に、層を強制的に一緒にするようにスタックが圧縮される。ろう付けはフィンが分離シートにろう付けされると完了し、そしてこのシートの縁部は閉鎖バーに沿って均一にろう付けされる。ブリードとラムの空気流は、後で閉鎖バーに溶接される、対応するマニホールドから供給される。
このような熱交換器は、その大きさに起因して、その暖機と冷却時に大きな熱応力を受けることがある。ブリード空気流が開始されるとき、また停止されるとき、これらの応力が発生する可能性がある。交換器のこれらの加熱・冷却サイクルの間に、コアは膨張および収縮する。時間が経つにつれて、高い熱応力でフィンが劣化することによって、コアセクションの劣化に至る可能性のある破損が起きることもある。これは、熱交換器の構造的完全性と、必要な冷却性能を供給する能力とを損なうこともある。
1つの態様において、プレートフィン熱交換器が供給される。プレートフィン熱交換器は、第1の流体を導くように構成された複数のフィン付低温層と、第2の流体を導くように構成された複数のフィン付高温層とを含む。フィン付高温層は、入口側と、出口側とを含む。複数のフィン付高温層のうちの少なくとも1つのフィン付高温層の第1の部分のフィンは、第1の部分のフィンのうちの各フィンのための波形構成を画定する複数の整列された山と谷とを含む。第1の部分のフィンの上流前縁が、山と谷のうちの少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始する。
上記の1つまたは複数の特徴に加えて、または代替として、さらに実施例は、複数のフィン付高温層が、第1の部分のフィンの上流前縁に隣接する入口側に配置された第2の部分のフィンをさらに備え、第2の部分のフィンのうちのフィンが、第1の部分のフィンのうちのフィンの厚さより大きな厚さを有し、スロットが、第2の部分のフィンのうちの少なくとも1つのフィンの前縁に形成され、および/または第2の部分のフィンのうちのフィンが、第1の部分のフィンのうちのフィンより2〜4倍の厚さであることを含むことができる。
別の態様において、デュアルコア熱交換器が供給される。デュアルコア熱交換器は、第1のコアと、第1のコアから流体的に離れた第2のコアとを含む。第1のコアは、第1の流体を導くように構成された第1の複数のフィン付低温層と、第2の流体を導くように構成された第1の複数のフィン付高温層とを含み、第1の複数のフィン付高温層は、入口側と、出口側とを有する。第1の複数のフィン付高温層のうちの各フィン付高温層の少なくとも第1の部分のフィンは、第1の部分のフィンのうちの各フィンのための波形構成を画定する複数の整列された山と谷とを含む。第1の部分のフィンの上流前縁が、山と谷のうちの少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始する。第2のコアは、第1の流体を導くように構成された第2の複数のフィン付低温層と、第3の流体を導くように構成された第2の複数のフィン付高温層とを含む。第2の複数のフィン付高温層は、入口側と、出口側とを含む。
上記の1つまたは複数の特徴に加えて、または代替として、さらに実施例は、第1のコアが、第1の複数のフィン付高温層のうちの各フィン付高温層の入口側に配置されたガードフィンをさらに備え、ガードフィンは、第1のフィン付高温層のフィンの厚さより大きな厚さのフィンを有し、第2のガードフィンが、第2の複数のフィン付高温層のうちの各フィン付高温層の入口側に配置され、第2のガードフィンは、第2のフィン付高温層のフィンの厚さよりも大きな厚さのフィンを有し、第2の複数のフィン付高温層のうちの各フィン付高温層の少なくとも第2の部分のフィンが、第2の部分のフィンのうちの各フィンのための波形構成を画定する複数の整列された山と谷とを含み、第2の部分のフィンの上流前縁が、山と谷のうちの少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始し、スロットが、ガードフィンの前縁に形成され、ガードフィンは、第1の複数のフィン付高温層のフィンより2〜4倍の厚さであり、および/または第1の入口ヘッダが、第1の複数のフィン付高温層の入口側に流体結合され、第1の入口ヘッダは、エンジンから第1の複数のフィン付高温層にブリード空気を供給するように構成され、ラム空気マニホールドが、第1の複数のフィン付低温層の入口に結合され、ラム空気マニホールドは、第1の複数のフィン付低温層にラム空気を供給するように構成され、および第2の入口ヘッダが、第2の複数のフィン付高温層の入口側に流体結合され、第2の入口ヘッダは、圧縮機から第2の複数のフィン付高温層に圧縮空気を供給するように構成されることを含むことができる。
さらに別の態様において、熱交換器を製造する方法が提供される。方法は、複数のフィン付低温層を提供し、入口側と、出口側とを有する複数のフィン付高温層を提供することを含み、各フィン付高温層の第1の部分のフィンが、第1の部分のフィンのうちの各フィンのための波形構成を画定する複数の整列された山と谷とを含む。方法はさらに、山と谷のうちの少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始する第1の部分のフィンの上流前縁を形成するように、第1の部分のフィンのうちの隣接するフィンの整列された山と谷に沿って切断し、複数のフィン付低温層および複数のフィン付高温層を結合することを含む。
上記の1つまたは複数の特徴に加えて、または代替として、さらに実施例は、フィン付高温層のフィンのフィン厚さよりも大きなフィン厚さを有する複数のガードフィンを提供し、複数のフィン付高温層のうちのフィン付高温層の入口側に複数のガードフィンのうちのガードフィンを配向させることを含むことができ、結合するステップが、複数のフィン付低温層、複数のフィン付高温層、および複数のガードフィンを結合し、複数のガードフィンのうちの少なくとも1つのガードフィンの前縁にスロットを形成することを含み、スロットが、放電加工プロセスを用いて形成され、および/または、波形構成の整列された山と谷に沿って切断するステップが、放電加工プロセスを用いて行われる。
これらおよび他の利点および特徴は、図面と併せて以下の説明からより明らかになるであろう。
本発明とみなされる主題は、本明細書の結論での請求項において特に指摘されており明確に主張されている。前述および他の特徴、および本発明の利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。
実施例の熱交換器の斜視図である。 図1に示す実施例のヘッダを有する熱交換器の斜視図である。 図1に示す線3−3に沿った熱交換器の断面図である。 図3に示す線4−4に沿った熱交換器の実施例のブリードガードフィンの断面図である。 図3に示す熱交換器の代替実施例を示す断面図である。 図5に示すセクション6に沿った熱交換器の拡大図である。 図5および図6に示した熱交換器フィンの拡大図である。
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によってその利点および特徴とともに本発明の実施例を説明する。
図1および図2は、実施例の空気対空気熱交換器10を示す。この例示的な実施例において、熱交換器10は、航空機の空気生成ユニットのための高温アルミニウムデュアル熱交換器である。けれども、本明細書に記載した特徴は、任意の適切な熱交換器構造で使用することができる。
熱交換器10は、一般的に主コア12と、副コア14とを含む。各コア12、14は、ブリード空気入口側16、ブリード空気出口側18、ラム空気入口側20およびラム空気出口側22を含む。図2を参照すると、エンジン(図示せず)からの高温ブリード空気は、主入口ヘッダ24からコア12に入り、そして主出口ヘッダ26を通って出る。同様に、圧縮機出口からの高温空気は、副入口ヘッダ28から副コア14に入り、副出口ヘッダ30を通って出る。ラム空気は、高温ブリード空気と圧縮機からの高温空気の両方を冷却するために主コア12と副コア14の両方を通って入口20から出口22へと通過する。ラム空気は、マニホールドまたは流れ案内装置(図示せず)によって入口側20に供給されることができ、マニホールドまたは流れ案内装置(図示せず)によって出口側22から除去されることもできる。
熱交換器10は、分離シート32によって画定された複数の層と、分離シート32間に配置されている冷却フィン34とを含む。低温空気またはラム空気は、矢印36の方向に強制的に入口20に通され、そして複数のラム空気層38を通って流れる。ラム空気層38は、ヘッダ24、28を通して高温空気を受ける、高温空気層またはブリード層40間に配置されている。高温空気は、ラム流方向36に対してブリード層40を封鎖するブリード閉鎖バー42間に画定される入口を通って流れる。同様に、ラム閉鎖バー44は、ブリード流に対してラム空気層を閉鎖する。
図3を参照すると、冷却フィン34は、層38および/または40の全体を通して多様な厚さを有する。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および下流フィン50を含む。例示的な実施例において、ガードフィン46の厚さは、下流フィン50の厚さより大きい上流フィン48の厚さより大きい。ガードフィン46は、ブリード空気入口16においてブリード空気がその最高温度であることが一つの理由で、フィン48、50の厚さより大きい厚さで製造されている。増加した厚さによって、ガードフィン46は、個々のガードフィン46の膨張および収縮と同様に、隣接する閉鎖バー42の膨張と収縮のような高い熱応力によく耐えることができる。従って、ガードフィン46の熱疲労寿命が大幅に増加する。
同様に、例示的な実施例において、上流フィン48は、ブリード空気が入口16から出口18に移動するにつれて温度が低下することが一つの理由で下流フィン50よりも大きい厚さで製造されている。このように、フィン34の熱応力は、フィンが入口16から出口18へ延びるにつれて減少し、そのためフィン34の厚さは、下流に行くほど低減することができる。代替として、ガードフィン46はより厚いままで、上流と下流のフィン48、50は、同じ厚さを有してもよい。ガードフィン46は、主コア12および/または副コア14で使用されてもよい。さらに、図3に示す例示的な実施例では、ガードフィン46は、直線または平面であり、フィン48、50は、波状、鋸歯状、またはオフセットである。代替として、ガードフィン46は、波状でもよく、フィン48、50は、直線でもよい。
1つの実施例において、ガードフィン46は、上流フィン48より40%〜60%厚く、下流フィン50の2〜4倍の厚さである。別の実施例において、ガードフィン46は、上流フィンより約40%〜約60%厚く、下流フィン50の約2〜約4倍の厚さである。1つの実施例において、ガードフィン46は、上流フィン48より55%厚く、下流フィン50の3倍の厚さである。別の実施例において、ガードフィン46は、上流フィン48より約55%厚く、下流フィン50の約3倍の厚さである。
1つの実施例において、ガードフィン46の厚さは、0.008インチ〜0.01インチである。別の実施例において、ガードフィン46の厚さは、約0.008インチ〜約0.01インチである。さらに別の実施例において、ガードフィン46の厚さは、0.009インチまたは約0.009インチである。1つの実施例において、上流フィン48の厚さは、0.004インチ〜0.006インチである。別の実施例において、上流フィン48の厚さは、約0.004インチ〜約0.006インチである。さらに別の実施例において、上流フィン48の厚さは、0.005インチまたは約0.005インチである。1つの実施例において、下流フィン50の厚さは、0.002インチ〜0.004インチである。別の実施例において、下流フィン50の厚さは、約0.002インチ〜約0.004インチである。さらに別の実施例において、下流フィン50の厚さは、0.003インチまたは約0.003インチの厚さである。しかしながら、ガードフィン46、上流フィン48および下流フィン50は、本明細書に記載するようにフィンを機能させることが可能な任意の厚さを有することができる。
図4に示すように、ガードフィン46は、隣接する構造(例えば閉鎖バー42)の熱成長への追従を容易にするように前縁54に形成されたスロット52を含むことができる。スロット52によって、ガードフィン前縁54は、主コア12および/または副コア14の主熱交換器入口16での急な熱変化の間に膨張および縮小することができる。例示的な実施例において、スロット52は、丸みのある端部56を含む。しかしながら、スロット端部56は、本明細書に記載するようにガードフィン46を機能させることが可能な任意の形状を有することができる。例示的な実施例において、スロット52は、放電加工によって前縁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ることができる。
1つの実施例において、スロット深さ58は、フィン長さ60の20%〜40%である。別の実施例において、スロット深さ58は、フィン長さ60の約20%〜約40%である。さらに別の実施例において、スロット深さ58は、フィン長さ60の30%または約30%である。1つの実施例において、スロット深さ58は、0.15インチ〜0.35インチである。別の実施例において、スロット深さ58は、約0.15インチ〜約0.35インチである。さらに別の実施例において、スロット深さ58は、0.25インチまたは約0.25インチである。1つの実施例において、フィン長さ60は、0.8インチ〜1.0インチである。別の実施例において、フィン長さ60は、約0.8インチ〜約1.0インチである。さらに別の実施例において、フィン長さ60は、0.9インチまたは約0.9インチである。
1つの実施例において、スロット幅62は、フィン幅64の20%〜40%である。別の実施例において、スロット幅62は、フィン幅64の約20%〜約40%である。さらに別の実施例において、スロット幅は、フィン幅64の30%または約30%である。1つの実施例において、スロット幅62は、0.05インチ〜0.07インチである。別の実施例において、スロット幅62は、約0.05インチ〜約0.07インチである。さらに別の実施例において、スロット幅62は、0.06インチまたは約0.06インチである。1つの実施例において、フィン幅64は、0.15インチ〜0.35インチである。別の実施例において、フィン幅64は、約0.15インチ〜約0.35インチである。さらに別の実施例において、フィン幅64は、0.25インチまたは約0.25インチである。
熱交換器10は、所定の位置に閉鎖バー42、44および冷却フィン34(ガードフィン46を含む)を用いて分離シート32を積層することによって製造することができる。次いで、それらの層を一緒に圧縮するようにそれらの層に荷重を掛け、次いで、アッセンブリを真空炉内に配置し、そこで、それを分離シート32が閉鎖バー42、44およびフィン34にろう付けされる温度まで加熱する。次いで、スロット52は、例えば放電加工によってガードフィン前縁54に形成されることができる。次いで、ヘッダ24、26、28、30が、熱交換器10に取り付けられる。
図5を参照すると、熱交換器10の別の実施例は、冷却フィン134を含み、同様の参照符号は、同様の部分を示す。図示の実施例では、冷却フィン134は、ブリードガードフィン46、波状の上流フィン148および下流フィン50を含む。上流フィン148は、ブリードガードフィン46と上流前縁150の間に間隙149を画成するように、ブリードガードフィン46に隣接してその下流に配置された上流前縁150を含む。代替として、冷却フィン134は、上流前縁150が熱交換器前縁152(すなわち、ガードフィン前縁54が配置されたであろう位置)に配置されるように、ガードフィン46を含まないこともある。
図6および図7をさらに参照すると、各波のような上流フィン148は、フィンサイクル155を画定する複数の山/谷154を含む(図7)。1つの実施例において、波状フィン148は、各山/谷154を画定する正弦波形状を有してもよい。図7に示すように、隣接するフィン148の山/谷154は整列され、そしてフィン148は、山または谷154のいずれかである(各フィン148の)フィンサイクル155のポイントにおいて形成され、開始する上流前縁150を含む。
1つの実施例において、上流フィン148は、上流前縁150を形成するように放電加工(EDM)を用いて一般的に整列した山/谷154に沿って均一に切断されまたは削られる。前縁150が、各フィン148の山/谷154において形成されるので、上流フィン1448は、高い熱応力にいっそうよく耐えることができる。したがって、フィン148の熱疲労寿命は、大幅に増加する。このように、隣接する波状のフィン148の山/谷154を整列することによって、予想外のフィン疲労寿命の増加が実現される。1つの実施例において、疲労試験によれば、各フィン148の山/谷154において始まる前縁150を用いるフィン波形制御によって相当な量で熱交換器10の疲労サイクル数が増加したことが実証された。ガードフィン46の包含によって、熱交換器10の疲労サイクル数も増加した。したがって、試験によって、フィンの亀裂開始が前縁150のフィン波形の位置に直接関連していることが確認された。
他の実施例において、波状の上流フィン148の後縁156は、フィン疲労寿命をさらに増加させるために山/谷154に沿って削ってもよい。さらに、下流フィン50は、波のような構成を有してもよく、波状の下流フィン50の山および谷に沿って形成されまたは削られた上流前縁158および/または後縁160を含むこともある。
冷却フィン134は、波状の上流フィン148を用いて形成されてもよい。ゲージ(図示せず)が、個々の波状のフィン148を整列させるために使用されることができ、波状のフィン148は、その後、前縁150を形成するように整列された山/谷154に沿って(例えばEDMにより)切断されることができる。このように、隣接する波状のフィン148は、冷却フィン134の疲労寿命を増加させる均一な前縁150(図6参照)を提供するように、フィンサイクル155の同じポイントに沿って整列される。いくつかの実施例において、冷却フィン134は、冷却フィン134の疲労寿命をさらに高めるために前縁150の上流に配置されたブリードガードフィン46を備えることができる。他の実施例において、冷却フィン134は、隣接する波状のフィンの山/谷に沿って同様に削られた縁部156、158および/または160を含むことができる。
熱交換器10は、所定の位置に閉鎖バー42、44および冷却フィン134を用いて分離シート32を積層することによって製造することができる。次いで、それらの層を一緒に圧縮するようにそれらの層に荷重を掛け、次いで、アッセンブリを真空炉内に配置し、そこで、それを分離シート32が閉鎖バー42、44およびフィン134にろう付けされる温度まで加熱する。もしガードフィン46が含まれている場合、スロット52は、例えばEDMプロセスによってガードフィン前縁54に形成されることができる。次いで、ヘッダ24、26、28、30が、熱交換器10に取り付けられる。
本発明は、限られた数の実施例のみに関連して詳細に説明したけれども、本発明がこのような開示された実施例に限定されないことは、容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、これまで説明していない任意の数の変形、改変、置換または均等の構成を組み込むように修正することができるが、これは本発明の趣旨および範囲に相応するものである。加えて、本発明の様々な実施例を説明したけれども、本発明の態様が述べられた実施例のいくつかのみを含んでもよいことは、理解されるべきである。したがって、本発明は上述の説明によって限定として見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
10…熱交換器
12…主コア
14…副コア
16…ブリード空気入口側
18…ブリード空気出口側
20…ラム空気入口側
22…ラム空気出口側
24…主入口ヘッダ
26…主出口ヘッダ
28…副入口ヘッダ
30…副出口ヘッダ
32…分離シート
34、134…冷却フィン
36…ラム流方向
38…ラム空気層
40…ブリード層
42…ブリード閉鎖バー
44…ラム閉鎖バー
46…ブリードガードフィン
48、148…上流フィン
50…下流フィン
52…スロット
54…ガードフィン前縁
56…スロット端部
58…スロット深さ
60…フィン長さ
62…スロット幅
64…フィン幅
149…間隙
150…上流前縁
152…熱交換器前縁
154…山/谷
155…フィンサイクル
156…後縁
158…上流前縁
160…後縁

Claims (9)

  1. プレートフィン熱交換器であって、
    第1の流体を導くように構成された複数のフィン付低温層と、
    第2の流体を導くように構成された複数のフィン付高温層であって、入口側と、出口側とを有する、複数のフィン付高温層と、
    を備え、
    複数のフィン付高温層のうちの少なくとも1つのフィン付高温層の第1の部分のフィンが、第1の部分のフィンのうちの各フィンのための波形構成を画定する複数の整列された山と谷とを含み、
    第1の部分のフィンの上流前縁が、山と谷のうちの少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始することを特徴とするプレートフィン熱交換器。
  2. 複数のフィン付高温層が、第1の部分のフィンの上流前縁に隣接する入口側に配置された第2の部分のフィンをさらに備え、第2の部分のフィンのうちのフィンが、第1の部分のフィンのうちのフィンの厚さより大きな厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のプレートフィン熱交換器。
  3. 第2の部分のフィンのうちの少なくとも1つのフィンの前縁に形成されたスロットをさらに備えることを特徴とする請求項2に記載のプレートフィン熱交換器。
  4. 第2の部分のフィンのうちのフィンが、第1の部分のフィンのうちのフィンの2〜4倍の厚さであることを特徴とする請求項2に記載のプレートフィン熱交換器。
  5. 熱交換器を製造する方法であって、
    複数のフィン付低温層を提供し、
    入口側と、出口側とを有する複数のフィン付高温層であって、各フィン付高温層の第1の部分のフィンが、第1の部分のフィンのうちの各フィンのための波形構成を画定する複数の整列された山と谷とを含む、複数のフィン付高温層を提供し、
    山と谷の少なくとも1つである波形構成のポイントにおいて開始する第1の部分のフィンの上流前縁を形成するように、第1の部分のフィンのうちの隣接するフィンの整列された山と谷に沿って切断し、
    複数のフィン付低温層および複数のフィン付高温層を結合する、
    ことを含むことを特徴とする、熱交換器を製造する方法。
  6. フィン付高温層のフィンのフィン厚さよりも大きなフィン厚さを有する複数のガードフィンを提供し、
    複数のフィン付高温層のうちのフィン付高温層の入口側に複数のガードフィンのうちのガードフィンを配向させる、
    ことをさらに含み、結合するステップが、複数のフィン付低温層、複数のフィン付高温層、および複数のガードフィンを結合することを含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 複数のガードフィンのうちの少なくとも1つのガードフィンの前縁にスロットを形成することをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. スロットが、放電加工プロセスを用いて形成されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 波形構成の整列された山と谷に沿って切断するステップが、放電加工プロセスを用いて行われることを特徴とする請求項5に記載の方法。
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