JP2017032271A - 螺旋状通路を備えた向流式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の螺旋管からなる管束の管端部の組立性を改善した向流式熱交換器を提供する。
【解決手段】第１の通路１１０及び第２の通路２１０が、向流式熱交換器１０の中心線１２の周りに実質的な螺旋状の径路を有している。第１の流路１００を第１の通路の第１のアレイ１０８に分離する第１の供給管１０４を有する第１の流路であって、第１のアレイが、第１の収束領域で第１の排出管１１４に合流する。第１の流路と、第２の流路２００を第２の通路２１０の第２のアレイ２０８に分離する第２の移行領域２０６に接続された第２の供給管２０４を備えた第２の流路であって、第２の通路の第２のアレイが第２の収束領域２１２で第２の放出管２１４に合流する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、向流式熱交換器に関する。特定の実施形態では、向流式熱交換器は、螺旋状通路を使用し、単一の円形の入口及び出口管から非円形の形状を有する複数の通路に変化する。

熱交換器は、ガスタービンエンジンと共に使用できる。例えば、より高い温度の第１の流体は第１の通路を通過でき、一方、より低い温度の第２の流体は第２の通路を通過できる。第１及び第２の通路は接触又は近接してもよく、第１の流体からの熱が第２の流体に移るのを可能にする。これにより、第１の流体の温度は低下し、第２の流体の温度は上昇してもよい。

向流式熱交換器は、クロスフロー式熱交換器よりも高い効率を提供し、熱交換媒体間の温度差が比較的小さい場合特に有用である。複数の管を備えた従来の熱交換器は、狭い間隔での多数の近づきにくい管の接続及び形成に関する欠点を有する。

閉じた螺旋状流路を形成するために、螺旋管を途切れることなく配列し、それにより、高効率で正確な向流での動作を保証しなければならない。しかしながら、連続した螺旋管及びそれらの接続の管束の組立は、これまでは非常に少数の螺旋管で最良であったが、管の数が増加するにつれて特に問題となった。

すでに述べたように、管端部が近づきにくく、従来の接続手段では不可能なため、連続した管の接続は特に困難になり、管の数が増加する場合、種の管束の製造は特に問題となる。さらに、堅いチューブを曲げて正確に連続したコイルにして、従来の接続手段により接続することが特に困難である。

欧州特許第２７７１６３７号明細書

本発明の態様の利点は、以下に記述される、又は、記述から明らかになり、又は本発明の実施を通して学ぶことができる。

向流式熱交換器が、一般的に提供される。一実施形態では、向流式熱交換器は、第１の流路を第１の通路の第１のアレイに分離する第１の移行領域に接続された第１の供給管を備えた第１の流路であって、第１の通路の第１のアレイが第１の収束領域で第１の放出管に合流する、第１の流路と、
第２の流路を第２の通路の第２のアレイに分離する第２の移行領域に接続された第２の供給管を備えた第２の流路であって、第２の通路の第２のアレイが第２の収束領域で第２の放出管に合流する、第２の流路とを含む。第１の通路及び第２の通路は、向流式熱交換器の中心線の周りに実質的な螺旋状の径路を有する。さらに、第１のアレイ及び第２のアレイは共に配置され、各第１の通路は、１以上の第２の通路に隣接する。

一実施形態では、第１の移行領域は、螺旋状の経路の一端に位置し、第１の流体の流れを第１の通路の第１のアレイに供給し、ここで第１の流体の流れ及び第２の流体の流れが反対方向に螺旋状の経路を循環するように、第２の移行領域は螺旋状の経路の反対側の端部に構成され、第２の流体の流れを第２の通路の第２のアレイに供給する。

本発明のこれらの、並びに他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の図面を参照すれば、より良く理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成しており、本発明の実施形態を例示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明の完全で使用可能な開示は、最良の態様を備え、当業者に向けられ、添付の図面を参照して本明細書に説明される。

一実施形態に係る例示的な向流式熱交換器の斜視図である。 図１に示された例示的な向流式熱交換器の別の斜視図である。 図１の一実施形態への例示的な向流式熱交換器の移行部の断面図を示す。 図１に示す例示的な向流式熱交換器の破断図を示す。 図４の実施形態に係る熱交換器部分の分解した断面図を示す。

本明細書及び図面における参照符号の反復使用は、本発明の同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。

ここで本発明の実施形態を詳細に参照するが、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は本発明の説明のために提供するものであって、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲又は趣旨を逸脱せずに、様々な修正及び変更が本開示において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示又は記載する特徴は、別の実施形態と共に用いて、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の請求の範囲及びそれらの等価物の範囲に入るこのような修正及び変更を包括することが意図されている。

本明細書において、用語は、「第１の」、「第２の」、及び「第３の」という用語は、１つの構成要素と別の構成要素とを区別するために交換可能に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を示すことを意図しない。

「上流」及び「下流」という用語は、流体経路における流体の流れについての相対的方向を示す。たとえば、「上流」は流体がそこから流れる方向を示し、「下流」は流体がそこへ流れる方向を示す。

本明細書で使用される場合、「流体」は、気体又は液体であってもよい。本発明の方法は、使用される流体の種類によって制限されない。好適な応用において、冷却流体は燃料であり、被冷却流体は油である。例えば、油は初期温度から吐出温度に冷却でき、吐出温度は、初期温度の約９０％以下（例えば、初期温度の約５０％・約９０％）である。本発明の方法は、他の種類の液体流体及び気体流体用に使用してもよく、被冷却流体及び冷却流体は同一の流体又は異なる流体である。被冷却流体及び冷却流体の他の例として、空気、作動流体、燃焼ガス、冷媒、冷媒混合物、冷却航空電子工学や他の航空機電子システム用の誘電流体、水、水性化合物、凍結防止添加剤（たとえば、アルコール又はグリコール化合物）と混合された水、及び昇温又は降温で持続的熱輸送が可能な他の任意の有機又は無機の伝熱流体又は流体混合物が含まれる。

熱交換器は、一般的には、付加的製造によって実際の実装を容易にする性能強化形状を含んで提供される。本明細書に記載される熱交換システムは、複数種類の流体を含む熱交換器の様々な用途にも広く適用可能であるが、燃料（例えば、低温の流れ）でエンジンオイル（例えば、高温の流れ）を冷却する効果の高い冷却のために本明細書中に記載される。

一般的に、向流式熱交換器は、複数の螺旋状通路に移行し、その後単一の出口管に移行する一対の単一の入口管を特徴とする。複数の通路は、ほぼ非円形の形状を定義し、熱交換に利用可能な表面積を増大させる。有益に、向流式熱交換器は、付加的な組立を必要としない単一の構成要素として付加的な製造によって形成される。

図１及び図２を参照すると、例示的な向流式熱交換器１０が一般的に示されている。熱交換器１０は、それぞれの流体が物理的に互いに混合しないように互いに分離されている第１の流路１００及び第２の流路２００を備えている。しかしながら、反対方向に流れながら囲い壁を通じて第１の流路１００と第２の流路２００内の流体間で熱伝達が生じ、低温の流れに熱を伝達することによって高温の流れを効果的に冷却する。第１の流路１００は高温の流れを含むものとして説明され、第２の流路２００は低温の流れを含むものとして記載されていることに留意されたい。しかしながら、第１の流路１００又は第２の流路２００は、特定の用途に依存して、高温の流れ又は低温の流れのいずれかを含むことができることに留意されたい。したがって、以下の説明は、第１の流路１００を高温の流れに、また第２の流体路２００を低温の流れに制限するものではない。

ここで第１の流路１００を参照すると、高温の流体の流れ１０１を第１の流路１００内に供給する高温入口１０２が示されている。高温入口１０２を介して流入する際に、高温の流体の流れ１０１は、第１の供給管１０４を通って、第１の移行領域１０６に移動する。第１の供給管１０４は、一般的に円筒状（例えば、円形断面を有する）で示される。しかしながら、第１の供給管１０４は、高温の流体の流れ１０１を熱交換器１０の中へ供給する任意の適切な形状を有し得る。

図３は、高温の流体の流れ１０１は、第１の移行領域１０６に移動して、第１の通路１１０の第１のアレイ１０８に分岐することを示す。具体的には、第１の移行領域１０６は、第１の供給管１０４から第１の流路１００を第１の通路１１０の第１のアレイ１０８に順次分離する複数の分岐１０７を画成する。第１の移行領域１０６は、単一の供給管１０４（すなわち、動脈）が、異なる断面形状を有する複数のより小さな通路１１０（すなわち、静脈）に分割される、解剖学的に触発された設計として示されている。

再び図１及び図２を参照すると、第１の通路１１０の第１のアレイ１０８は、一般的に、熱交換器１０の中心線１２の周りの螺旋状の経路をたどる。螺旋状の経路内の中心線１２（すなわち軌道）の周りに４つの経路が示されているが、任意の数の軌道が螺旋状の経路を形成できる。次に、第１の通路１１０の第１のアレイ１０８は、中心線１２の周りの螺旋状の経路をたどった後、第１の収束領域１１２で第１の排出管１１４に合流する。第１の収束領域１１２は、第１の通路１１０の第１のアレイ１０８が第１の排出管１１４である単一の管に収束して戻る第１の移行領域１０６に似ている。したがって、第１の収束領域１１２は、複数の合流領域１１３を画成する。その後、高温の流れ１０１は、第１の排出管１１４を通って第１の出口１１６の外に出る。

逆に、第２の流路２００は、低温の流体の流れ２０１を第２の流路２００に供給する低温入口２０２を画成する。低温の流体の流れ２０１は、低温入口２０２を通って流入すると、第２の供給管２０４を通って第２の移行領域２０６に移動する。第２の供給管２０４は、一般的に円筒状（例えば、円形断面を有する）で示される。しかしながら、第２の供給管２０４は、熱交換器１０に低温の流体の流れ２０１を供給するための任意の適切な形状を有し得る。第１の流路１００の第１の移行領域１０６と同様に、第２の流路２００の第２の移行領域２０６は、第２の供給管２０４から第２の流路２００を第２の通路２１０の第２のアレイ２０８に順次分離した複数の分岐を画成する。第２の通路２１０の第２のアレイ２０８は、一般的に、熱交換器１０の中心線１２の周りの螺旋状の経路をたどる。

第２の通路２１０の第２のアレイ２０８は、中心線１２の周りの螺旋状の経路をたどった後、第２の収束領域２１２で第２の排出管２１４に合流する。第２の収束領域２１２は、第２の通路２１０の第２のアレイ２０８が第２の排出管２１４である単一の管に収束して戻る点において、第２の移行領域２０６と同様である。したがって、第２の収束領域２１２は、複数の合流領域２１３を画成する。その後、低温の流れ２０１は、第２の排出管２１４を通って第２の出口２１６の外に出る。示されているように、第２の排出管２１４は、熱交換器１０の中心を通って第２の出口２１６を通過する前に、中心線１２を下って低温の流れ２０１を搬送する。

この構成により、第１の流体の流れ１０１と第２の流体の流れ２０１は、それぞれの通路１１０、２１０で反対方向に進み、螺旋部１４において、第１の流体の流れ１０１と第２の流体の流れ２０１の流動方向に対して向流の配向を有する。しかしながら、逆の実施形態では、熱交換器１０は、第１の流体の流れ１０１と第２の流体の流れ２０１が、それぞれの通路１１０、２１０で同じ方向に移動するように設計できる。

図４及び図５は、軸方向Ｄ_A（中心線１２の方向）及び半径方向Ｄ_R（中心線１２に垂直な方向）によって画成される平面断面図を示している。この断面図は、熱交換器１０の螺旋部１４を備えている。一般的に、第１のアレイ１０８及び第２のアレイ２０８は共に配置されていて、各第１の通路１１０が１以上の第２の通路２１０に隣接し、相互に熱交換できるようにする。示される特定の実施形態では、第１のアレイ１０８及び第２のアレイ２０８は共に配置されていて、第１の通路１１０と第２の通路２１０が互い違いに配置され、中心線１２から交互に半径方向（ＤＲ）に外向きに移動する。

第１の通路１１０と第２の通路２１０は、細長い形状を有している。図示されているように、第１の通路１１０と第２の通路２１０は、半径方向Ｄ_Rの幅より大きい軸方向Ｄ_Aの長さを有する。特定の実施形態では、第１の通路１１０は、少なくとも幅の約４倍など、半径方向Ｄ_Rの幅の少なくとも約２倍である軸方向Ｄ_Aの長さを有している。例えば、第１の通路１１０は、幅の約４倍・約８倍など、半径方向Ｄ_Rの幅の約３倍・約１０倍である軸方向Ｄ_Aの長さを有し得る。同様に、第２の通路２１０は、少なくとも幅の約４倍など、半径方向Ｄ_Rの幅の少なくとも約２倍である軸方向Ｄ_Aの長さを有している。例えば、第２の通路２１０は、幅の約４倍・約２０倍など、半径方向Ｄ_Rの幅の約３倍・約２５倍である軸方向Ｄ_Aの長さを有し得る。このように、第１の通路１１０と隣接する第２の通路２１０との相対的な接触面積は、間の細長い共通壁によって最大にすることができる。

第１の通路１１０は、概して軸方向Ｄ_Aに延び、上壁１２２及び底壁１２４によって相互に接続された対向する側面１２０ａ及び１２０ｂを一般的に画成する。対向する側面１２０ａ及び１２０ｂは、一般的に第１の通路１１０の内部中心線１２６から可変半径を有している。示されている実施形態では、対向する側面１２０ａ、１２０ｂの各々は、第１の通路１１０の中心線１２６からの半径方向Ｄ_Rの距離に対する山１３０と谷１３２を有する一連の波形１２８を画成する。対向する側面１２０ａ、１２０ｂは、実質的に同一のパターンを有して図示されているが、対向する側面１２０ａ、１２０ｂは、互いに独立したパターンを有し得ることを理解されたい。特定の実施形態では、側面１２０ａは、第１の通路１１０の中心線１２６から半径方向Ｄ_Rに一定に変化する距離を有しており、側面１２０ｂは、第１の通路１１０の中心線１２６から半径方向Ｄ_Rに一定に変化する距離を有している。

同様に、第２の通路２１０は、頂壁２２２及び底壁２２４によって一般的に軸方向Ｄ_Aに延在し、相互に接続される対向する側面２２０ａ，２２０ｂを一般的に画成する。対向する側面２２０ａ、２２０ｂは、第２の通路２１０の中心線２２６から一般的に可変の半径を有している。示されている実施形態では、対向する側面２２０ａ、２２０ｂの各々は、第２の通路２１０の中心線２２６からの半径方向Ｄ_Rの距離に対する山２３０と谷２３２を有する一連の波形２２８を画成する。対向する側面２２０ａ、２２０ｂは、実質的に同一のパターンを有して図示されているが、対向する側面２２０ａ、２２０ｂは、互いに独立したパターンを有し得ることを理解されたい。特定の実施形態では、側面２２０ａは、第２の通路２１０の中心線２２６から半径方向Ｄ_Rに一定に変化する距離を有しており、側面２２０ｂは、第２の通路２１０の中心線２２６から半径方向Ｄ_Rに一定に変化する距離を有している。

仕切壁２５０は、各第１の通路１１０を隣接する第２の通路２１０から分離して、第１の通路１１０と第２の通路２１０のそれぞれの側壁を物理的に画成する。

一般的に、熱交換器１０は、限定されるものではないが、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザビーム等による３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ、直接選択レーザ焼結（ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結（ＥＢＳ）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）、レーザ加工ネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、直接金属蒸着（ＤＭＤ）等を含む層毎の構成や付加的製造を用いた製造方法により形成されている。１つの特定の実施形態では、熱交換器を形成するために金属材料が用いられ、純金属、ニッケル合金、クロム合金、チタン合金、アルミニウム合金、アルミナイド、又はそれらの混合物を含むがこれに限定されるものではない。

熱交換器１０は、熱交換器１０の第１の流路１００及び第２の流路２００を収容する外壁５を有して図１及び図２に示され、各入口及び出口は外壁を通ってそれぞれの流体の流れを供給する。一実施形態では、熱交換器１０は、一体型部品として形成されている。例えば図１及び図２は、付加的製造によって形成された外壁５を含む、単一の一体型部品から形成される例示的な熱交換器システム１０を示している。

この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を含む場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。

５ 外壁
１０ 熱交換器
１２ 中心線
１４ 螺旋部
１００ 第１の流路
１０１ 高温の流れ
１０２ 高温入口
１０４ 第１の供給管
１０６ 第１の移行領域
１０７ 分岐
１０８ 第１のアレイ
１１０ 螺旋状の通路
１１２ 第１の収束領域
１１３ 合流領域
１１４ 第１の排出管
１１６ 第１の出口
１１８
１２０ 側面
１２２ 上壁
１２４ 底壁
１２６ 内側中心線
１２８ 波形
１３０ 山
１３２ 谷
２００ 第２の流路
２０１ 低温の流体の流れ
２０２ 低温入口
２０４ 第２の供給管
２０６ 第２の移行領域
２０８ 第２のアレイ
２１０ 第２の通路
２１２ 第２の収束領域
２１３ 合流領域
２１４ 第２の排出管
２１６ 第２の出口
２２０ 側面
２２２ 上壁
２２４ 底壁
２２６ 内側中心線
２２８ 波形
２３０ 山
２３２ 谷
２５０ 仕切壁
ＤＡ 軸方向
ＤＲ 半径方向

Claims (10)

1. 第１の流路（１００）を第１の通路（１１０）の第１のアレイ（１０８）に分離する第１の移行領域（１０６）に接続された第１の供給管（１０４）を含み、第１の通路（１１０）の第１のアレイ（１０８）が、第１の収束領域（１１２）で第１の排出管（１１４）へ合流する、第１の流路（１００）と、
   第２の流路（２００）を第２の通路（２１０）の第２のアレイ（２０８）に分離する第２の移行領域（２０６）に接続された第２の供給管（２０４）を含み、第２の通路（２１０）の第２のアレイ（２０８）が、第２の収束領域（２１２）で第２の排出管（２１４）に合流する、第２の流路（２００）とを含む、中心線（１２）を画成する向流式熱交換器（１０）であって、
   第１の通路（１１０）及び第２の通路（２１０）が、向流式熱交換器（１０）の中心線（１２）の周りに実質的な螺旋状の径路を有し、第１のアレイ（１０８）及び第２のアレイ（２０８）が共に配置され、各第１の通路（１１０）が、１以上の第２の通路（２１０）に隣接する、向流式熱交換器。
2. 第１の移行領域（１０６）が、螺旋状の経路の一端に位置し、第１の流体の流れ（１０１）を、第１の通路（１１０）の第１のアレイ（１０８）に供給し、第２の移行領域（２０６）が螺旋状の経路の反対側の端に構成され、第２の流体の流れ（２０１）を第２の通路（２１０）の第２のアレイ（２０８）に供給し、これにより、第１の流体の流れ（１０１）と第２の流体の流れ（２０１）が、螺旋状の経路を反対方向に循環する、請求項１に記載の向流式熱交換器（１０）。
3. 第２の排出管（２１４）が、向流式熱交換器（１０）の中心線（１２）の周囲に実質的な螺旋状の径路で画成されるコアを通過する、請求項２に記載の向流式熱交換器（１０）。
4. 第１の通路（１１０）が、仕切壁（２５０）によって隣接する第２の通路（２１０）から分離されており、仕切壁（２５０）が、第１の通路（１１０）の側面を画成する第１の面と第２の通路（２１０）の側面を画成する第２の面とを有する、請求項１に記載の向流式熱交換器（１０）。
5. 第１の面が、一連の波形を画成し、第２の面が、一連の波形を画成する、請求項４に記載の向流式熱交換器（１０）。
6. 第１の面が、第１の通路（１１０）の内側中心線（１２）から半径方向に一定に変化する距離を有している、請求項４に記載の向流式熱交換器（１０）。
7. 第１のアレイ（１０８）及び第２のアレイ（２０８）が共に配置されていて、第１の通路（１１０）及び第２の通路（２１０）が、中心線（１２）から交互に半径方向に外向きに移動する、請求項１に記載の向流式熱交換器（１０）。
8. 第１の通路（１１０）が、軸方向の長さと、直交する半径方向の幅を有する断面を画成し、長さが幅の少なくとも２倍であり、第２の通路（２１０）が、軸方向の長さと、垂直な半径方向の幅を有する断面を画成し、長さが幅の少なくとも２倍である、請求項１に記載の向流式熱交換器（１０）。
9. 第１の移行領域（１０６）が、第１の流路（１００）を第１の通路（１１０）の第１のアレイ（１０８）に分離する一連の分岐を備えており、第２の移行領域（２０６）が、第１の流路（２００）を第２の通路（２１０）の第２のアレイ（２０８）に分離する一連の分岐を備えている、請求項１に記載の向流式熱交換器（１０）。
10. 純金属、ニッケル合金、クロム合金、チタン合金、アルミニウム合金、アルミナイド又はこれらの混合物を含む金属材料を含む、請求項１に記載の向流式熱交換器（１０）。