JP2017133496A - 熱管理物品および熱管理物品を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱管理物品および熱管理物品を形成する方法を提供する。【解決手段】基材と、基材上に配置されている第１コーティングとを備える熱管理物品が開示されている。第１コーティングは、第１コーティング面、および、基材と第１コーティング面との間に配置された少なくとも１つの通路を含む。少なくとも１つの通路は、少なくとも１つの流体経路を画定する。少なくとも１つの通路を基材に取り付けることを含む、熱管理物品を形成する方法が開示されている。少なくとも１つの通路は、壁厚を有する通路壁を備え、かつ少なくとも１つの流体経路を画定する。第１コーティングは基材および通路壁に塗布されて、第１コーティング面を形成する。少なくとも１つの通路は、基材と第１コーティング面との間に配置されている。【選択図】図３
Description
本発明は、熱管理物品、および熱管理物品を形成する方法に関する。より詳細には、本発明は、基材と第１コーティング面との間に配置される少なくとも１つの通路を含む熱管理物品、および熱管理物品を形成する方法に関する。熱管理物品は、ガスタービン構成要素を含んでもよいが、これに限定されない。
ガスタービンには、効率化とコスト削減のための修正が絶えずなされている。ガスタービンの効率化の方法の１つは、運転温度を上げることを含む。運転温度を上げた結果、より極端な運転条件を招き、その条件が、タービン構成要素の耐熱性を高める、かつガスタービンの高温ガス経路内にある反応性のガスからタービンを保護するように設計される、高性能の超合金材料および複雑なコーティングシステムの開発につながっている。
タービン構成要素の耐用温度はまた、冷却流路を使用することによっても高めることができる。冷却流路は、通常はガスタービンの高温の領域で使用されるタービン構成要素の金属基材およびセラミック基材に組み入れられる。しかし、冷却流路と、ガスタービンの高温ガス経路に露出しているタービン構成要素の表面との間の距離が、冷却流路の冷却効果に影響する。冷却流路を高温ガス経路から隔てる、タービン構成要素に対する保護コーティングの厚さを増すことは、冷却流路の効果を低下させる。
例示的な実施形態においては、熱管理物品が、基材と、基材上に配置されている第１コーティングとを備える。第１コーティングは、第１コーティング面、および、基材と第１コーティング面との間に配置された少なくとも１つの通路を含む。少なくとも１つの通路は、少なくとも１つの流体経路を画定する。
別の例示的な実施形態においては、熱管理物品を形成する方法が、少なくとも１つの通路を基材に取り付けることを含む。少なくとも１つの通路は、壁厚を有し、かつ少なくとも１つの流体経路を画定する通路壁を備える。第１コーティングが基材および通路壁に塗布され、第１コーティング面を形成する。少なくとも１つの通路は、基材と第１コーティング面との間に配置されている。
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を一例として示した添付の図面と併せて、下記の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかであろう。
可能な限り、図面全体で、同じ部品は同じ参照番号を用いて表記する。
熱管理物品の例および熱管理物品を形成する方法の例を提供する。本開示の実施形態は、本明細書で開示する１以上の特徴を利用していない方法と比べ、製造コストを削減し、冷却効率を高め、熱伝達効率を高め、許容運転温度を高め、運転を効率化し、冷却流体の使用量を削減し、発電出力を増加させ、またはこれらの組み合わせを提供する。
図１を参照すると、熱管理物品１００が、基材１０２と、少なくとも１つの通路１０４とを含む。一実施形態では、基材１０２はタービン構成要素である。一実施形態では、図示されているように、少なくとも１つの通路１０４にコーティングを塗布する前に、少なくとも１つの通路１０４が基材１０２上に配置されている。タービン構成要素は、高温ガス経路構成要素、ブレード（バケット）（図示）、ベーン（ノズル）、シュラウド、燃焼器、燃焼器ライナ、燃焼器トランジションピース、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切なタービン構成要素でもよい。基材１０２は、１以上のコーティングを含んでいてもよい。
基材１０２は、金属、合金、鉄基合金、セラミック、鋼、ＭＣｒＡｌＹ、遮熱コーティング、ボンドコーティング、耐環境コーティング、ガラス繊維複合材、炭素複合材、耐熱合金、クロム・モリブデン合金、クロム・モリブデン・バナジウム合金、コバルト・クロム・モリブデン合金、超合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、セラミックマトリクス複合材、炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な基材材料を含んでいてもよい。
図２を参照すると、一実施形態では、熱管理物品１００を形成する方法が、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２に取り付けることを含む。少なくとも１つの通路１０４を基材１０２に取り付けることは、つなぎ溶接部２００を形成することによって少なくとも１つの通路１０４を基材に溶接すること（図示）、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２に抵抗溶接すること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２にろう付けすること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２にろう付けペーストでろう付けすること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２にろう付けテープでろう付けすること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２にろう付け箔でろう付けすること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２にろう付けシートでろう付けすること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２に予備焼結プリフォームでろう付けすること、少なくとも１つの通路１０４を基材１０２に高温接着剤で接着すること、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な取り付け技術を含んでいてもよい。
一実施形態では、少なくとも１つの通路１０４が、流体源（不図示）に接続されており、流体源と流体連通している（不図示）。流体源は、流路、空洞、穴、孔、管、流体供給ライン、マニホールド、プレナム、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な 流体源であってもよい。流体源は、基材１０２外面、基材１０２内、熱管理物品１００内、またはこれらの組み合わせに、配置されてもよい。一実施形態では、冷却流体が、流体源から少なくとも１つの通路１０４に入り、少なくとも１つの通路１０４を通って流れる。
少なくとも１つの通路１０４は、任意の適切な平均外径を有することができる。一実施形態では、平均外径が約０．０１インチから約０．１インチまで、代替的には約０．０２インチから約０．０７５インチまで、代替的には約０．０３インチから約０．０４５インチまで、代替的には約０．２５インチ未満、代替的には約０．１インチ未満、代替的には約０．０５インチ未満である。
図３を参照すると、一実施形態では、少なくとも１つの通路１０４が、壁厚３０２を有する通路壁３００を備え、少なくとも１つの流体経路３０４を画定する。少なくとも１つの流体経路３０４は、流体源と流体連通していてもよい。通路壁３００は、基材１０２に取り付けられていても、基材１０２に取り付けられていなくてもよい。本明細書で使用する「基材１０２に取り付けられている」とは、通路壁３００が、少なくとも１か所で、基材１０２と直接、物理的に接触していることをいう。少なくとも１つの通路１０４は、長さおよび幾何学的形状を有する。少なくとも１つの通路１０４の幾何学的形状は、少なくとも１つの通路１０４の長さに沿って一定であっても、少なくとも１つの通路１０４の長さに沿って変化していてもよい。一実施形態では、少なくとも１つの通路１０４の幾何学的形状は、基材１０２の幾何学的形状に適合している。少なくとも１つの通路１０４の幾何学的形状は、基材の幾何学的形状に予め適合させても、または少なくとも１つの通路１０４をつける間に基材の幾何学的形状に適合させてもよい。本明細書で使用する、少なくとも１つの通路１０４の幾何学的形状が、基材１０２の幾何学的形状に「適合している」とは、仮に少なくとも１つの通路１０４を、基材１０２の幾何学的形状の部分に直接接触するように配置した場合、少なくとも１つの通路１０４が、少なくとも１つの通路１０４の長さのほぼ全体に沿って基材１０２と接触するほど、少なくとも１つの通路１０４の形状が、基材１０２の、少なくとも１つの通路１０４がつけられる部分の幾何学的形状に十分に似ていることをいう。
通路壁３００は、超合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、ステンレス鋼、合金鋼、チタニウム合金、アルミニウム合金、耐熱合金、セラミック、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な壁材料を含んでいてもよい。本明細書で使用する「耐熱合金」は、ニオブ合金、モリブデン合金、タングステン合金、タンタル合金、レニウム合金、バナジウム合金、およびこれらの組み合わせを含んでもよいが、これらに限定されない。
一実施形態では、壁厚３０２が、約０．０６インチ未満、代替的には約０．０３インチ未満、代替的には約０．０２インチ未満、代替的には約０．０１５インチ未満、代替的には約０．００１インチから約０．０６インチまでの間、代替的には約０．００１インチから約０．０３インチまでの間、代替的には約０．００２インチから約０．００２５インチまでの間、代替的には約０．００３インチから約０．０２インチまでの間、代替的には約０．００５インチから約０．０１５までの間である。
少なくとも１つの通路１０４は、断面形態３０６を備える。断面形態３０６は、少なくとも１つの通路１０４の長さに沿って一定であっても、または少なくとも１つの通路１０４の長さに沿って変化していてもよい。断面形態３０６は、規則形、不規則形、溝付き形状３０８、円形３１０、楕円形、長円形、多角形、三角形、四辺形、正方形、長方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形、七角形、八角形、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な形態であってもよい。一実施形態では、少なくとも１つの通路１０４は、少なくとも１つの流体経路３０４に作用する少なくとも１つのタービュレータ３１２を備える。少なくとも１つのタービュレータは、ピン（図示）、ピンバンク、脚、フィン、こぶ、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な構造を含んでいてもよい。
一実施形態では、少なくとも１つの通路１０４が、少なくとも１つの流体経路３０４内に配置された少なくとも１つのセンサ３１４を含む。少なくとも１つのセンサ３１４は、熱電対、温度計、圧力計、圧力変換器、質量流量センサ、ガスメータ、酸素センサ、水分センサ、湿度センサ、加速度計、ピエゾ振動センサ、またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の適切な装置であってもよい。
熱管理物品１００が、基材１０２上に配置されている第１コーティング３１６を含む。第１コーティング３１６は、第１コーティング面３１８を有する。少なくとも１つの通路１０４は、基材１０２と第１コーティング面３１８との間に配置されている。第１コーティング３１６は、遮熱コーティング、耐環境コーティング、熱成長酸化物、セラミックトップコート、ボンドコーティング、拡散コーティング、アブレイダブルコーティング、多孔性被覆のうち少なくとも１つを含むが、これらに限定されない任意の適切なコーティングであってもよい。ボンドコーティングは、ＭＣｒＡｌＹコーティングを含んでもよいが、これに限定されない。遮熱コーティングは、セラミックコーティングを含んでもよいが、これに限定されない。
一実施形態では、熱管理物品１００を形成する方法が、第１コーティング３１６を、基材１０２および通路壁３００に塗布して、第１コーティング面３１８を形成することを含む。第１コーティング３１６を塗布することは、熱溶射、大気プラズマ溶射、高速酸素燃料熱溶射、高速空気燃料溶射、真空プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着のうち少なくとも１つを含むが、これらに限定されない任意の適切な技術を含んでいてもよい。
別の実施形態では、熱管理物品１００を形成する方法が、少なくとも１つの通路１０４が基材１０２と関連付けて配置される前、または少なくとも１つの通路１０４が基材１０２に取り付けられる前に、第１コーティング３１６の一部分を基材１０２に塗布し、その後、第１コーティング３１６の上記部分の上に少なくとも１つの通路１０４を配置することと、第１コーティング３１６の残りを、基材１０２および通路壁３００に塗布することとを含む。
代替実施形態（不図示）では、少なくとも１つの通路１０４が、３次元印刷を含むが、これに限定されない付加製造法によって第１コーティング３１６を塗布することによって、基材１０２と第１コーティング面３１８との間に形成されてもよい。
図４を参照すると、一実施形態では、第１コーティング３１６は、複数のコーティング層４００を含む。第１コーティング３１６内の複数のコーティング層４００の各々の層は、第１コーティング３１６内の複数のコーティング層４００の他の層と、同じコーティングであっても、異なるコーティングであってもよい。複数のコーティング層４００は、連続的に塗布しても、同時に塗布してもよい。一実施形態では、複数のコーティング層４００は、第１のコーティング層４０２および第２のコーティング層４０４を含む。複数のコーティング層４００は、第１のコーティング層４０２および第２のコーティング層４０４に限定されず、第３のコーティング層、ならびに任意の数の追加的コーティング層を含んでいてもよい。一実施形態では、第１のコーティング層４０２がボンドコーティングを含み、第２のコーティング層４０４が遮熱コーティングを含む。
一実施形態では、第１のコーティング層４０２は、約０．００１インチから約０．０５インチまで、代替的には約０．００２インチから約０．０２５インチまで、代替的には約０．００３インチから約０．０１５インチまで、代替的には約０．００５インチから約０．０１インチまで、代替的には約０．０５インチ未満、代替的には約０．０２５インチ未満、代替的には約０．０１５インチ未満の厚みを有している。別の実施形態では、第２のコーティング層４０４は、約０．００５インチから約０．２５インチ、代替的には約０．０１インチから約０．１５インチまで、代替的には約０．０２インチから約０．０６インチまで、代替的には約０．２５インチ未満、代替的には約０．１５インチ未満、代替的には約０．１インチ未満の厚みを有している。
図５を参照すると、一実施形態では、熱管理物品１００は、第１コーティング面３１８上に配置された、第２コーティング５００を含む。第２コーティング５００は、遮熱コーティング、耐環境コーティング、熱成長酸化物、セラミックトップコート、ボンドコーティング、拡散コーティング、アブレイダブルコーティング、多孔性被覆のうち少なくとも１つを含むが、これらに限定されない任意の適切なコーティングでもよい。熱管理物品１００は、第１コーティング３１６および第２コーティング５００に限定されず、第３コーティング、ならびに第２コーティング５００に対し塗布される任意の数の追加的コーティングを含んでもよい。一実施形態では、第１コーティング３１６はボンドコーティング、第２コーティング５００は遮熱コーティングである。別の実施形態では、第１コーティング３１６はボンドコーティング、第２コーティング５００は遮熱コーティング、第３コーティングはアブレイダブルコーティングである。
熱管理物品１００を形成する方法は、第１コーティング面３１８に対し第２コーティング５００を塗布することを含んでいてもよい。第２コーティング５００を塗布することは、熱溶射、大気プラズマ溶射、高速酸素燃料熱溶射、高速空気燃料溶射、真空プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着のうち少なくとも１つを含むが、これらに限定されない任意の適切な技術を含んでいてもよい。
本発明を、好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者には、本発明の各要素は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えられること、および、同等のものと置換できることが理解されよう。さらに、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正も、行うことができる。従って本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に該当するすべての実施形態を含むことを意図する。
１００ 熱管理物品
１０２ 基材
１０４ 少なくとも１つの通路
２００ つなぎ溶接部
３００ 通路壁
３０２ 壁厚
３０４ 少なくとも１つの流体経路
３０６ 断面形態
３０８ 溝付き形状
３１０ 円形
３１２ 少なくとも１つのタービュレータ
３１４ 少なくとも１つのセンサ
３１６ 第１コーティング
３１８ 第１コーティング面
４００ 複数のコーティング層
４０２ 第１のコーティング層
４０４ 第２のコーティング層
５００ 第２コーティング
１０２ 基材
１０４ 少なくとも１つの通路
２００ つなぎ溶接部
３００ 通路壁
３０２ 壁厚
３０４ 少なくとも１つの流体経路
３０６ 断面形態
３０８ 溝付き形状
３１０ 円形
３１２ 少なくとも１つのタービュレータ
３１４ 少なくとも１つのセンサ
３１６ 第１コーティング
３１８ 第１コーティング面
４００ 複数のコーティング層
４０２ 第１のコーティング層
４０４ 第２のコーティング層
５００ 第２コーティング
Claims (20)
- 基材（１０２）と、
前記基材（１０２）上に配置されている第１コーティング（３１６）であって、第１コーティング面（３１８）、および、前記基材（１０２）と前記第１コーティング面（３１８）との間に配置された少なくとも１つの通路（１０４）を含み、前記少なくとも１つの通路（１０４）が少なくとも１つの流体経路（３０４）を画定する第１コーティング（３１６）とを備える熱管理物品（１００）。 - 前記第１コーティング（３１６）が、遮熱コーティング、耐環境コーティング、熱成長酸化物、セラミックトップコート、ボンドコーティング、拡散コーティング、アブレイダブルコーティング、多孔性被覆からなる群より選択される、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記熱管理物品（１００）がタービン構成要素である、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記少なくとも１つの通路（１０４）が、壁厚（３０２）を有する通路壁（３００）を備える、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記通路壁（３００）が前記基材（１０２）に取り付けられている、請求項４に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記通路壁（３００）が、超合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、ステンレス鋼、合金鋼、チタニウム合金、アルミニウム合金、耐熱合金、セラミック、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ、またはこれらの組み合わせからなる群より選択される壁材料を含む、請求項４に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記壁厚（３０２）が約０．００３インチから約０．０２インチまでの間である、請求項４に記載の熱管理物品（１００）。
- 第２コーティング（５００）が前記第１コーティング面（３１８）上に配置されている、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記第２コーティング（５００）が、遮熱コーティング、耐環境コーティング、熱成長酸化物、セラミックトップコート、ボンドコーティング、拡散コーティング、アブレイダブルコーティング、多孔性被覆からなる群より選択される、請求項８に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記少なくとも１つの通路（１０４）が、長さおよび幾何学的形状を有しており、前記幾何学的形状が前記長さに沿って変化している、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記少なくとも１つの通路（１０４）が断面形態（３０６）を有し、前記断面形態（３０６）が、規則形、不規則形、溝付き形状（３０８）、円形（３１０）、楕円形、長円形、多角形、三角形、四辺形、正方形、長方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形、七角形、八角形、またはこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記少なくとも１つの通路（１０４）が、前記少なくとも１つの流体経路（３０４）に作用する少なくとも１つのタービュレータ（３１２）を備える、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 前記少なくとも１つの通路（１０４）が、前記少なくとも１つの流体経路（３０４）内に配置された少なくとも１つのセンサ（３１４）を備える、請求項１に記載の熱管理物品（１００）。
- 熱管理物品（１００）を形成する方法であって、
少なくとも１つの通路（１０４）を基材（１０２）に取り付けることであって、前記少なくとも１つの通路（１０４）が、壁厚（３０２）を有する通路壁（３００）を備え、かつ少なくとも１つの流体経路（３０４）を画定する、少なくとも１つの通路（１０４）を取り付けることと、
第１コーティング面（３１８）を形成するために、第１コーティング（３１６）を前記基材（１０２）および前記通路壁（３００）に塗布することであって、前記少なくとも１つの通路（１０４）が、前記基材（１０２）と前記第１コーティング面（３１８）との間に配置されている、塗布することとを含む方法。 - 前記第１コーティング（３１６）を前記塗布することが、遮熱コーティング、耐環境コーティング、熱成長酸化物、セラミックトップコート、ボンドコーティング、拡散コーティング、アブレイダブルコーティング、多孔性被覆のうち少なくとも１つを塗布することを含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記熱管理物品（１００）を前記形成することが、前記少なくとも１つの通路（１０４）をタービン構成要素に取り付けることを含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記第１コーティング面（３１８）上に第２コーティング（５００）を塗布することを含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記第２コーティング（５００）を前記塗布することが、遮熱コーティング、耐環境コーティング、熱成長酸化物、セラミックトップコート、ボンドコーティング、拡散コーティング、アブレイダブルコーティング、多孔性被覆のうち少なくとも１つを塗布することを含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記第１コーティング（３１６）を前記塗布することが、熱溶射、大気プラズマ溶射、高速酸素燃料熱溶射、高速空気燃料溶射、真空プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着からなる群より選択される技術で塗布することを含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）に前記取り付けることが、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）に抵抗溶接すること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）にろう付けすること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）にろう付けペーストでろう付けすること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）にろう付けテープでろう付けすること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）にろう付け箔でろう付けすること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）にろう付けシートでろう付けすること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）に予備焼結プリフォームでろう付けすること、前記少なくとも１つの通路（１０４）を前記基材（１０２）に高温接着剤で接着すること、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される取り付け技術を含む、請求項１４に記載の方法。
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