JP2017172956A

JP2017172956A - 熱交換器

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Publication number: JP2017172956A
Application number: JP2017049280A
Authority: JP
Inventors: マイケル・トーマス・ケンワージー; Thomas Kenworthy Michael; ウィリアム・ドゥライト・グレストラー; Dwight Gerstler William; ダニエル・ジェイソン・エルノー; Jason Erno Daniel; トーマス・クピスゼウスキ; Kupiszewski Thomas; ジョセフ・ロバート・コールマン; Robert Coleman Joseph
Original assignee: Unison Industries LLC
Current assignee: Unison Industries LLC
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: US20190346219A1; CA2960943A1; EP3244153B1; EP3244153A1; JP6912144B2; CA2960943C; US10378835B2; US20170276440A1; US11215405B2

Abstract

【課題】熱伝達を改善する穿孔された邪魔板を備える熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器は、複数の邪魔板を有する冷却空気導管と、冷却空気導管を通る複数の通路を有し邪魔板との複数の交差部を形成する高温空気導管と、邪魔板を通って延在する複数の穿孔と、を含む。冷却空気の流れは、厳密に邪魔板同士の間をではなく、邪魔板を通って移動し、熱交換器の熱伝達特性を改善する。
【選択図】図１

Description

航空機設計においては、ガスタービンエンジンの一部分から高温空気の切れ目のない流れが流出され、冷却され、使用者の特定の用途に供される。高温空気を冷却するために、熱交換器を用いることができる。

航空用予冷器における熱交換器は、装飾のない真っ直ぐなフィンの幾何学形状を有する、ストリップフィンまたはルーバーフィンなどの断続的なフィンの使用を必要とする。他の用途において用いられる従来の穿孔されたプレートフィンの熱交換器は通常、プレス加工された構造物であり、ほとんどの場合、先鋭な／台形のプレート幾何学形状を有する。いくつかの事例では、冷却器マトリクスは管によって相互貫入される。それほど知られていない方法には、熱境界層の成長を制御するための収縮する／拡張する連絡路と組み合わされた、穿孔されたフィンの使用が含まれる。

米国特許第８８２６９７０号公報

１つの実施形態では、本発明は、少なくとも１つの邪魔板を有する冷却空気導管と、冷却空気導管を通る複数の通路を有し邪魔板との複数の交差部を形成する高温空気導管と、邪魔板を非直交で通って延在する複数の穿孔と、を含む熱交換器に関する。

別の実施形態では、本発明は、第１の空気導管を通る流線と平行に配置された、少なくとも１つの邪魔板を有する第１の空気導管と、流線に対して垂直に配置され邪魔板との複数の交差部を形成する、第１の空気導管を通って延在する複数の通路を備える第２の空気導管と、邪魔板を通って延在する複数の穿孔であって、各穿孔が入口、出口、および入口と出口を接続する連絡路を有し、出口が入口の下流に位置付けられる、複数の穿孔と、を含む熱交換器に関する。

本発明の１つの実施形態による熱交換器を概略的に表したものである。図１の線ＩＩ−ＩＩを通る断面図である。図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩを通る断面図である。熱交換器の一部を通る冷却空気用の流れ経路の一部を示す、図２と類似の近接図である。本発明の別の実施形態による熱交換器の一部の斜視図である。図５の断面ＶＩの近接図である。本発明の別の実施形態による熱交換器の一部の斜視図である。本発明の別の実施形態による熱交換器の一部の斜視図である。本発明の別の実施形態による熱交換器の一部の概略図である。図９の線Ｘ−Ｘを通って取られた断面図である。熱交換器の一部を通る冷却空気用の流れ経路の一部を示す、図９と同様の概略図である。熱交換器の一部を通る冷却空気用の流れ経路の一部を示す、図１１と同様の断面図である。

本明細書に記載の本発明の実施形態は、熱交換器に、特に改善された熱交換器用の熱伝達フィンに関する。限定するものではないが航空機ガスタービンエンジンを含む、任意の環境において、熱交換器を実装することができる。

「空気」という用語は、限定するものではないが「冷却空気」および「高温空気」などの句における場合を含め、熱交換器の検討において本明細書を通して用いられるが、たとえば周囲のもしくは雰囲気の空気、ＣＯ₂などの様々な他の気体、またはこれらの混合物、および水または冷媒を含む様々な液体を含め、様々な流体を熱交換器に供給できることが理解される。

図１は、本発明の１つの実施形態による熱交換器１０を概略的に表したものである。熱交換器１０は、間で熱交換が行われる、第１の空気導管１２と第２の空気導管１６とを含む。第１の空気導管１２は、導管１２内に少なくとも１つの邪魔板１４を有し本明細書において離間された複数の邪魔板１４を有するものとして例示される、冷却空気導管１２とすることができ、また、第２の空気導管１６は、冷却空気導管１２を通り邪魔板１４との複数の交差部２０を形成する複数の通路１８を有する、高温空気導管１６とすることができる。高温空気導管１６を通って流れる高温空気と冷却空気導管１２を通って流れる冷却空気との間で、熱交換が行われる。

冷却空気導管１２は、冷却空気入口２２および冷却空気出口２４を含み得る。航空機ガスタービンエンジンに関して、冷却空気入口２２は、高温空気導管１６を通って流れる空気よりも低い温度および圧力を有する任意の供給源から冷却空気を受容することができ、冷却空気出口２４は、加熱された冷却空気を熱交換器１０から離れるように輸送する。たとえば、冷却空気は、バイパス空気、ＦＬＡＤＥ空気、または圧縮機抽気（たとえば低圧段からの）から供給することができる。ヘッダ２６、２８は、入口２２および出口２４の一方または両方をそれぞれ画定し得る。

通路１８を、冷却空気導管１２に沿った流れ関与方向において、すなわち入口２２から出口２４へと流れる空気の方向において、離間することができる。通路１８は別法として、流れ関与方向と反対方向に離間することができる。通路１８を流れ関与方向において離間することにより、最も冷たい冷却空気が、熱交換器１０の高温空気側を出る空気に曝され、この結果、通常は、通路１８が流れ関与方向の反対方向である場合よりも、大きい有効性がもたらされる。

高温空気導管１６は、高温空気入口３０および高温空気出口３２を含み得る。航空機ガスタービンエンジンに関して、高温空気入口３０は通常、エンジンコアの一部から流出される高温空気の投入を受容し、高温空気出口３２は、冷却された抽気を熱交換器１０から離れるように輸送する。ヘッダ３４、３６は、入口３０および出口３２の一方または両方をそれぞれ画定し得る。概ね線形であるとして例示されている、複数の通路１８に加えて、高温空気導管１６は、少なくとも１つの通路１８を少なくとも１つの他の通路１８に接続する、複数の折り返し部３８を含み得る。折り返し部３８は、冷却空気導管１２によって画定される冷たい体積の内側または外側にあってよく、本明細書では冷たい体積を最大化するために、冷たい体積の外側にあるものとして例示されている。通路１８および折り返し部３８が１つになって、高温空気導管１６に関して蛇行した導管を画定することができる。蛇行した導管は、冷却空気導管１２を通って前後に複数回屈曲することができる。

図１には３つの通路１８および２つの折り返し部３８のみが示されていることが留意されるが、熱交換器１０が追加の通路１８および折り返し部３８を有し得ることが理解される。さらに、折り返し部３８を、１つまたは複数の戻りマニホールドによって画定することができ、１つの戻りマニホールドは、高温空気導管１６用の複数の折り返し部３８を画定できる。

高温空気導管１６には、冷却空気導管１２の冷たい体積を通過する高温空気導管１６の少なくとも一部を画定する１つまたは複数の管４０を設けることができる。単一の管４０は、複数の通路１８および複数の折り返し部３８を有することができ、高温空気導管１６を形成するために、単一の管４０または複数の管４０を設けることができる。例示した実施形態では、単一の管４０が、高温空気導管１６の複数の通路１８および複数の折り返し部３８を形成するものとして示されている。しかしながら、熱交換器１０には、図１の断面図では見えていない、複数の通路１８および折り返し部３８を各々有する、複数の管４０を設けることができることを理解されたい。入口ヘッダ３４は、管４０に高温空気を供給することができ、出口ヘッダ３６は、管４０から排出された空気を収集することができる。

邪魔板１４を、通路１８を通過する高温空気と冷却空気との間の熱交換器面積を大きくする、薄いプレートまたはフィンとして形成することができる。邪魔板１４、ならびに通路１８を形成する管４０を、熱伝導能力を有する材料から作成することができる。邪魔板１４を、邪魔板１４と通路１８との間の交差部２０が概ね直角を形成するように、通路１８の軸に対して概ね垂直に配設することができる。

冷却空気導管１２内では、邪魔板１４と通路１８との間の空間は、冷却空気入口２２および冷却空気出口２４をそれぞれ通る、図１において矢印によって示されるような冷却空気供給４４および冷却空気排出４６用の、開口部４２を形成する。高温空気供給４８および高温空気排出５０が、同様に矢印によって示されており、それぞれ、高温空気入口３０を通って高温空気導管１６に入り、高温空気出口３２を通って高温空気導管１６から出る。

冷却空気供給４４は全体に、冷却空気導管１２を通る空気の複数の流線を画定し、供給４４の矢印は１つのそのような流線を表しており、また、邪魔板１４は概ね、互いと平行でありかつ矢印４４によって表される流線と平行である。邪魔板１４が通路１８に対して概ね垂直に配設されているので、これらの通路は、矢印４４によって示される流線に対して垂直となることになる。

例示した熱交換器１０は、冷却空気が高温空気に対して実質的に垂直に供給および排出されるように構成されるものとして示されているが、供給の流れと排出の流れとの間の他の相対的な配向が可能であることが理解される。冷却空気導管１２および高温空気導管１６の両方が、これらの入ってくる供給の流れおよび出ていく排出の流れを、熱交換器１０の対向する両端部を通して互いと実質的に平行にさせるものとして各々示されているが、互いに対して実質的に垂直である供給および排出の流れ、または熱交換器１０の共通の側を通ってただし対向する方向に延びる供給および排出の流れなど、他の構成が可能である、ということも理解される。

図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩを通る断面図である。図２に示すように、邪魔板１４を通って複数の穿孔５２が延在する。穿孔５２により、冷却空気が、厳密に邪魔板１４同士の間をではなく、邪魔板１４を通って流れることが可能となり、このことにより、熱交換器１０に改善された熱伝達特性が提供される。

穿孔５２は、穿孔５２が非直角の角度で邪魔板１４と交差するように、邪魔板１４を非直交で通って延在し得る。たとえば、邪魔板１４は、少なくとも邪魔板１４の穿孔５２の周囲の局所化された領域において、互いと概ね平行な対向する表面または側面５４を画定することができ、穿孔５２は、対向する側面５４の間に、基準点次第で鋭角または鈍角を成して延在し得る。

穿孔５２は、入口５６、出口５８、および入口５６を出口５８に接続する連絡路６０を備え得る。出口５８は入口５６の下流にあり、空気が入口５６を通って穿孔５２に入り、連絡路６０を通って流れ、出口５８を通って穿孔５２から出るようになっている。入口５６および出口５８を、実質的に邪魔板１４の表面５４に形成することができ、連絡路６０は邪魔板１４自体を通って延在する。穿孔５２のいくつかの実施形態は、邪魔板１４の対向する側面５４上に形成された入口５６および出口５８を有する場合があり、一方で、穿孔５２の他の実施形態は、邪魔板１４の同じ側面５４上に入口５６および出口５８を有する。

例示した実施形態では、穿孔５２は、冷却空気の流れ４４の方向に沿って交互となっており、ある穿孔５２の入口５６が、下流の穿孔５２の出口５８と同じ邪魔板１４の側面５４上に形成されており、以下同様である。このことにより、邪魔板１４の一方の側面から他方へと、循環的な空気の流れが作り出される。さらに、穿孔５２は、冷却空気供給４４の全体的な流れの方向において、穿孔５２が別の穿孔５２ではなく管４０または通路１８と整列されるように、互い違いとすることができる。この場合、穿孔５２は、流線に隣接する通路１８との交差部２０同士の間に位置付けられる。このことにより、冷却空気が移動する距離が長くなり、熱伝達が高められる。ある穿孔５２から直線の経路に沿って出る空気は、管４０にぶつかり、このことによりこの空気は、管４０の周囲を強制的に流れる。

穿孔５２を、通路１８を画定する管４０同士の間に設けることができる。管４０は、任意の断面形状を有することができ、本明細書では楕円形であるものとして例示されている。管４０に関する他の形状は、卵形、円形、または丸みを帯びたものを含む。管４０の形状は、熱交換器の流れ特性に依存し得る。

通路１８を、流れ関与方向において、すなわち冷却空気導管１２に沿った冷却空気供給４４の全体的な方向において、離間することができる。通路１８はさらに、ある通路１８が別の通路１８の直接の下流に存在しないように、冷却空気導管１２に沿った流線方向において互い違いとすることができる。代替の実施形態では、通路１８は、流れ関与方向において互い違いとすることができる。

図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩを通る断面図である。連絡路６０は中央線６２を画定するが、これは、連絡路６０を通る空気流の全体的な方向に対して垂直な連絡路６０の２次元領域の幾何学的中心に従う、入口５６から出口５８まで連絡路６０を通る軸である。穿孔５２のいくつかの実施形態では、中央線６２は、冷却空気導管１２の局所的な流線、すなわち穿孔５２における流線と、平行でなくてもよい。この場合、入口５６および出口５８を、邪魔板１４の対向する側面５４上に形成することができる。

連絡路６０は直線形であってよく、この場合中央線６２は真っ直ぐな線を形成し、または曲線を形成し、この場合中央線６２は湾曲した線を形成する。直線形の連絡路６０の場合、連絡路６０の入口５６および出口５８は、邪魔板１４の対向する側面５４上に存在することになる。曲線形の連絡路６０の場合、入口５６および出口５８を、邪魔板１４の対向する側面または同じ側面上に形成することができる。

図４は、冷却空気供給４４用の流れ経路の一部を示す、図２と類似の図である。図４では空気流の流線を全体的に表すために矢印が用いられており、動作中の実際の空気流は、表されるものから外れる場合があることが理解される。冷却空気は、邪魔板１４同士の間を、および邪魔板１４を通って流れ、冷却空気の一部は穿孔５２を通って内部を移動し、冷却空気の他の部分は、表面５４の上で外部を進む。穿孔５２の入口５６を通って中に入る空気は、連絡路６０を通って移動し、邪魔板１４の対向する側面５４を通って出口５８から出る。出口５８から出る空気は、管４０にぶつかり、このことによりこの空気は、管４０の周囲を強制的に流れる。

システム全体のレベルでは、空気は邪魔板１４の対向する側面から穿孔５２を介して循環的に出入りし、同時にまた、管４０同士の間のおよび隣接する邪魔板１４同士の間を移動する。他の部分は実質的に平坦である邪魔板１４を通る、非直交な穿孔５２は、呼吸効果を生み出し、空気は邪魔板１４に出入する際に、膨張および収縮する。穿孔５２は、邪魔板表面５４との滑らかな移行部をさらに有し、これらにより、収縮／膨張の各々と関連付けられる軽微な損失を最小化する。角度の付いた穿孔５２により、直交流が改善されて、穿孔から出てくる流れが、邪魔板１４の対向する表面に境界層として付着したままとなることが確実になる。角度の付いた穿孔５２によりさらに、角度の付いていない穿孔と比べて、熱交換のために利用可能な表面積が大きくなる。

図５は、本発明の別の実施形態による熱交換器７０の一部の斜視図である。図５に示す熱交換器７０の一部は、穿孔の構成を除いて、図１に示す熱交換器と実質的に同様であってよい。例示する熱交換器７０の一部は、冷却空気導管内の離間された複数の邪魔板７２、および邪魔板７２との複数の交差部７６を形成する、高温空気導管の複数の通路７４を含む。図示されていないが、図１に関して記載されるように、通路７４同士を、少なくとも１つの通路７４を少なくとも１つの他の通路７４に接続する複数の折り返し部によって、接続することができる。さらに、折り返し部を、１つまたは複数の戻りマニホールドによって画定することができ、１つの戻りマニホールドは、通路７４用の複数の折り返し部を画定できる。

邪魔板７２と通路７４との間の空間は、図５において矢印によって示されるような冷却空気供給８０および冷却空気排出８２用の、開口部７８を形成する。高温空気供給８４および高温空気排出８６は、同じく矢印によって示されており、示されるように全体に熱交換器７０の一部に入りおよびそこから出るが、高温空気は、第１の実施形態に関して記載したように、通路７４自体を通る蛇行した経路に従うことができる。第１の実施形態に関しては、複数の穿孔８８が邪魔板７２を通って延在し、これらにより、冷却空気が、厳密に邪魔板７２同士の間をではなく、邪魔板７２を通って流れることが可能となり、このことにより、熱交換器に改善された熱伝達特性が提供される。

図６は、図５の断面ＶＩの近接図である。例示した実施形態では、穿孔８８は、邪魔板７２を非直交で通って延在することができ、通路７４同士の間に対で配置され得る。穿孔８８のこの配置構成により混合を向上させることができ、この結果、邪魔板７２に沿って生じる熱境界層の破壊の改善がもたらされる。

穿孔８８は、連絡路（図示せず）を介して出口９２に接続された入口９０を備え得る。入口９０および出口９２を、実質的に邪魔板７２の対向する表面または側面９６のうちの１つに形成することができ、連絡路は邪魔板７２自体を通って延在する。例示した実施形態では、各穿孔８８は、邪魔板７２の対向する側面９６上に形成された、そのそれぞれの入口９０および出口９２を有し、穿孔８８は、通路７４同士の間で互い違いとされる。

邪魔板７２は平坦なまたは平面状の側面９６を有するものとして示されているが、側面９６には別法として、邪魔板７２の上のおよびこれらの間の空気流に影響することになる表面外形を与えることができる。たとえば、穿孔８８と通路７４との間の側面９６の領域には、邪魔板７２を越えて穿孔８８から流出する空気の流線を捕捉するための陥凹または窪みを、部位９８において設けることができる。

図７は、本発明の別の実施形態による熱交換器１００の一部の斜視図である。図７に示す熱交換器１００の一部は、邪魔板の構成を除いて、図５に示す熱交換器７０の一部と実質的に同様であってよい。例示する熱交換器１００の一部は、冷却空気導管内の離間された複数の邪魔板１０２、および邪魔板１０２との複数の交差部１０６を形成する、高温空気導管の複数の通路１０４を含む。図示されていないが、図１に関して記載されるように、通路１０４同士を、少なくとも１つの通路１０４を少なくとも１つの他の通路１０４に接続する複数の折り返し部によって、接続することができる。さらに、折り返し部を、１つまたは複数の戻りマニホールドによって画定することができ、１つの戻りマニホールドは、通路１０４用の複数の折り返し部を画定できる。

邪魔板１０２と通路１０４との間の空間は、図７において矢印によって示されるような冷却空気供給１１０および冷却空気排出１１２用の、開口部１０８を形成する。高温空気供給１１４および高温空気排出１１６は、同じく矢印によって示されており、示されるように全体に熱交換器１００の一部に入りおよびそこから出るが、高温空気は、第１の実施形態に関して記載したように、通路１０４自体を通る蛇行した経路に従うことができる。先の実施形態に関しては、複数の穿孔１１８が邪魔板１０２を通って延在し、これらにより、冷却空気が、厳密に邪魔板１０２同士の間をではなく、邪魔板１０２を通って流れることが可能となり、このことにより、熱交換器に改善された熱伝達特性が提供される。

図７に示す邪魔板１０２は、側方から見たとき平面状ではなく波打っており、したがって、邪魔板１０２の厚さ１２０が冷却空気導管に沿った流れ関与方向に沿って変動するような、変化する厚さ１２０を有する。邪魔板１０２の厚さ１２０は、邪魔板１０２の対向する表面１２２の間に画定される。

波打った邪魔板１０２は、邪魔板１０２同士の間の流れのチャネルの滑らかな拡張および収縮を生み出す、凹状部１２４および凸状部１２６を含む。通路１０４は、やはり邪魔板１０２に対して概ね垂直であるが、特定の通路１０４の周囲の、邪魔板１０２の局所にある表面１２２は、通路１０４が邪魔板１０２と交差する場所に応じて、凹状または凸状であってよい。たとえば、いくつかの実施形態では、邪魔板１０２の厚さ１２０は、通路１０４が邪魔板１０２と交差する場所において、最も薄くなり得る。他の例では、邪魔板１０２の厚さ１２０は、通路１０４が邪魔板１０２と交差する場所において、最も厚くなり得る。これは、邪魔板１０２と通路１０４との間の交差部１０６の全てに、または一部だけにあてはまる事例であり得る。邪魔板１０２が波打っていることに起因して、いくつかの穿孔１１８は、細長い入口１２８または出口１３０を有し得るが、そうでない場合は、図５〜図６に関して記載した穿孔８８と同一であってよい。

図８は、本発明の別の実施形態による熱交換器１４０の一部の斜視図である。図８に示す熱交換器１４０の一部は、邪魔板の構成を除いて、図１に示す熱交換器と実質的に同様であってよい。例示する熱交換器１４０の一部は、冷却空気導管内の離間された複数の邪魔板１４２、および邪魔板１４２との複数の交差部１４６を形成する、高温空気導管の複数の通路１４４を含む。図示されていないが、図１に関して記載されるように、通路１４４同士を、少なくとも１つの通路１４４を少なくとも１つの他の通路１４４に接続する複数の折り返し部によって、接続することができる。さらに、折り返し部を、１つまたは複数の戻りマニホールドによって画定することができ、１つの戻りマニホールドは、通路１４４用の複数の折り返し部を画定できる。

邪魔板１４２と通路１４４との間の空間は、図８において矢印によって示されるような冷却空気供給１５０および冷却空気排出１５２用の、開口部１４８を形成する。高温空気供給１５４および高温空気排出１５６は、同じく矢印によって示されており、示されるように全体に熱交換器１４０の一部に入りおよびそこから出るが、高温空気は、第１の実施形態に関して記載したように、通路１４４自体を通る蛇行した経路に従うことができる。先の実施形態に関しては、複数の穿孔１５８が邪魔板１４２を通って延在し、これらにより、冷却空気が、厳密に邪魔板１４２同士の間をではなく、邪魔板１４２を通って流れることが可能となり、このことにより、熱交換器に改善された熱伝達特性が提供される。穿孔１５８を、先の実施形態の穿孔５２、８８、１１８のいずれかに関して上記したように構成することができる。

図８では、通路１４４は、邪魔板１４２に対して非垂直である。図８に示す邪魔板１４２は、山形の構成を形成するように角度を付けることができ、波形のシェル１６０同士の間に設けられる。各邪魔板１４２は、シェル１６０のうちの一方からある角度で延在して、他方のシェル１６０から延在する別の邪魔板１４２に頂点１６２において接合する。山形の構成は、邪魔板１４２の単位容積あたりの合計表面積を大きくし、このことにより、熱交換器に改善された熱伝達特性が提供される。

図９は、本発明の別の実施形態による熱交換器１７０の一部の概略図であり、図１０は、図９の線Ｘ−Ｘを通って取られた断面図である。図８に示す熱交換器１７０の一部を、図１に示す熱交換器とともに用いることができる。図９〜図１０では、１つの邪魔板１７２が示されており、複数の通路１７４が、邪魔板１７２の対向する表面または側面１７８において、邪魔板１７２との複数の交差部１７６を形成する。通路１７４は、楕円形の管として形成される。図示されていないが、図１に関して記載されるように、通路１７４同士を、少なくとも１つの通路１７４を少なくとも１つの他の通路１７４に接続する複数の折り返し部によって、接続することができる。さらに、折り返し部を、１つまたは複数の戻りマニホールドによって画定することができ、１つの戻りマニホールドは、通路１７４用の複数の折り返し部を画定できる。

複数の穿孔１８０が邪魔板１７２を通って延在し、これは入口１８２、出口１８４、および入口１８２を出口１８４に接続する連絡路１８６を備え得る。例示した実施形態では、ある穿孔１８０の入口１８２および出口１８４は、邪魔板１７２の同じ側面１７８上に存在する。さらに、入口１８２は通路１７４の直接の下流に設けられ、出口１８４は通路１７４の直接の上流に設けられる。

邪魔板１７２の両側面１７８上に穿孔１８０が設けられ、各側面１７８が複数の穿孔を含み、各々が邪魔板１７２の共通の側面１７８上にその入口１８２および出口１８４を設けられるようになっている。穿孔１８０は、通路１７４と交差する邪魔板１７２に形成された、ウィングレット１８８によって画定される。例示したウィングレット１８８は楕円形であり、対で形成されて、邪魔板１７２が、邪魔板１７２が交差する各通路１７４に対して、１つのウィングレット対を含むようになっている。ウィングレット対の各ウィングレット１８８は、邪魔板１７２の異なる側面１７８と関連付けられて、各ウィングレット対に対して、邪魔板１７２の両側面１７８上に１対の穿孔１８０が設けられるようになっている。ウィングレット１８８は連絡路１８６の一部を画定し、連絡路１８６が、出口１８４に向かって再び外向きに延在する前に、ウィングレット１８８の「下に」、または邪魔板１７２に向かって、延在するようになっている。

図１０において最もよく見られるように、邪魔板１７２は、外側の流れの空間の容積の変化を大きくする、周期的な厚さの変動を含む。ウィングレット１８８は、通路１７４の管同士の間の流れの空間に橋渡しして、穿孔のための連絡路１８６を確立する。

図１１〜図１２は、熱交換器１７０の一部を通る冷却空気用の流れ経路の一部を示す、図９〜図１０と同様の図である。図１１〜図１２では空気流の流線を全体的に表すために矢印が用いられており、動作中の実際の空気流は、表されるものから外れる場合があることが理解される。冷却空気は、邪魔板１７２同士の間を、および邪魔板１７２を通って流れ、冷却空気の一部は穿孔１８０を通って内部を移動し、冷却空気の他の部分は、表面１７８の上で外部を進む。１つの穿孔１８０に入る空気は、連絡路１８６を画定するウィングレット１８８の下を進む。出口１８４を通って穿孔１８０から出る空気は、高温空気導管の通路１７４にぶつかり、このことによりこの空気は、管１７４の周囲を、または別のウィングレット１８８の上を、強制的に流れる。

本明細書において開示される熱交換器の実施形態は、付加製造または３Ｄプリントの構築法によって製造することができる。開示される穿孔された邪魔板および通路の３次元幾何学構造自体に、特に付加製造を適用可能である。これらの工程は、本明細書において開示される複雑な幾何学構造を、２次的な接合工程を必要とすることなく製造できる、という利点を有する。別法として、本発明のいくつかの実施形態を、ろう付けまたは別の接合工程とプレス加工を組み合わせて用いて製造してもよいが、これは、非常に複雑なプレス加工用の金型を必要とするので、付加製造または３Ｄプリントほどは好ましくない。３Ｄプリントを介しての製造により、ろう付け中の邪魔板および管の幾何学構造の制御に関して含まれる複雑さ、ならびに疲労に起因する信頼性の問題またはろう付け接合部に関する品質問題を排除することもできる。

本明細書において開示される実施形態は、熱交換器の熱伝達を改善するために、穿孔された邪魔板を熱交換器に提供する。上記の実施形態において認識され得る１つの利点は、上記の実施形態が、改善された邪魔板の穿孔を提供することである。これまでは、熱交換器の邪魔板は、呼吸効果を生み出すために、傾斜した、台形の肩部を採用してきた。流れのチャネルの拡張した部分と収縮した部分との間の台形の移行部は、これらの収縮した「喉部」の各々と関連付けられる圧力損失を有する。記載した実施形態では、流れのチャネルの拡張した部分と収縮した部分との間の移行部は、非直交な穿孔によって滑らかに作成され、このことにより、圧力損失が低減され、熱伝達の改善がさらに高められる。

熱交換器の穿孔された邪魔板および通路を、付加製造または３Ｄプリントの構築法によって製造することができる。傾斜した、これまで用いられている台形の肩部よりも、空力学的にはるかに滑らかな移行部を採用することができ、これにより、関連する軽微な損失の係数が大きく低減されることになる。加えて、付加製造工程を用いれば、レンガ形または単純な曲線だけでなく、ほぼ任意の共形の幾何学形状に対して、パターンをぴったり嵌め合わせることができる。

まだ記載されていない程度にまで、様々な実施形態の異なる特徴および構造を、所望に応じて互いと組み合わせて用いることができる。ある特徴が全ての実施形態には例示されていない場合があることは、それが存在しない場合があると解釈されることを意図しているのではなく、記載を簡潔にするために成されている。したがって、異なる実施形態の様々な特徴を所望に応じて混合し適合させて、新しい実施形態を、それらの新しい実施形態が明示的に記載されているか否かに関わらず、形成することができる。本明細書に記載の特徴の全ての組み合わせまたは入れ替えが、本開示により包含されている。

この書面による説明では、最良の形態を含め本発明を開示するために、ならびにまた、任意のデバイスまたはシステムの製作および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含め、任意の当業者が本発明を実施できるようにするために、例を用いている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、これらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造要素を有する場合、またはこれらが特許請求の範囲の文字通りの言語とほとんど異ならない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
少なくとも１つの邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を有する冷却空気導管（１２）と、
冷却空気導管（１２）を通る複数の通路（１８、７４、１０４、１４４、１７４）を有し邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）との複数の交差部（２０、７６、１０６、１４６、１７６）を形成する高温空気導管（１６）と、
邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を非直交で通って延在する複数の穿孔（５２、８８、１１８、１５８、１８０）と、
を備える熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様２］
複数の通路（１８、７４、１０４、１４４、１７４）が冷却空気導管に沿った流れ関与方向において離間される、実施態様１に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様３］
複数の通路（１８、７４、１０４、１４４、１７４）が冷却空気導管に沿った流線方向において互い違いとされる、実施態様２に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様４］
穿孔（５２、８８、１１８、１５８、１８０）が流線に隣接する交差部同士の間に位置付けられる、実施態様３に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様５］
邪魔板（１０２、１７８）が変化する厚さを備え、変化する厚さが交差部において最も薄いかまたは最も厚い、実施態様４に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様６］
通路（１８、７４、１０４、１４４、１７４）が邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）に対して垂直である、実施態様３に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様７］
高温空気導管（１６）が、折り返し部によって接続された複数の通路（１８、７４、１０４、１４４、１７４）を有する蛇行した導管を備える、実施態様３に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様８］
複数の穿孔（５２、８８、１８０）のうちの少なくともいくつかが、入口（５６、９０、１８２）、出口（５８、９２、１８４）、および入口（５６、９０、１８２）を出口（５８、９２、１８４）、に接続する連絡路（６０、９４、１８６）を備える、実施態様１に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様９］
入口（５６、９０）および出口（５８、９２）が邪魔板（１４、７２）の対向する側面上に位置付けられ、少なくとも１つの穿孔（５２、８８）の入口（５６、９０）が、邪魔板（１４、７２）の同じ側面上に少なくとも１つの他の穿孔（５２、８８）の出口（５８、９２）、として形成される、実施態様８に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１０］
連絡路（６０、９４、１８６）が中央線を画定し、中央線が冷却空気導管（１２）の局所的な流線と平行でない、実施態様８に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１１］
入口（５６、９０、１８２）および出口（５８、９２、１８４）が邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）の対向する側面上にある、実施態様１０に記載の熱交換器（１０、７０、１７０）。
［実施態様１２］
複数の通路（１７４）のうちの少なくとも１つの通路（１７４）が、少なくとも１つの通路（１７４）の直接の上流にある穿孔（１８０）のうちの１つの出口（１８４）、および少なくとも１つの通路（１７４）の直接の下流にある穿孔（１８０）のうちの１つの入口（１８２）を含む、実施態様８に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１３］
入口（５６、９０、１８２）および出口（５８、９２、１８４）が邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）の同じ側面上にある、実施態様１２に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１４］
穿孔（１８０）が邪魔板（１７８）の対向する側面上に対で形成され、邪魔板（１７８）が、穿孔（１８０）の対のための連絡路（１８６）の一部を画定する対向するウィングレット（１８８）を備える、実施態様１３に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１５］
冷却空気導管（１２）が離間された複数の邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を備え、複数の通路（１８、６０、７４、９４、１０４、１４４、１７４）が離間された複数の邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）との複数の交差部（２０、７６、１０６、１４６、１７６）を形成する、実施態様１に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１６］
第１の空気導管（１２）を通る流線と平行に配置された、少なくとも１つの邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を有する第１の空気導管（１２）と、
流線に対して垂直に配置され邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）との複数の交差部（２０、７６、１０６、１４６、１７６）を形成する、第１の空気導管（１２）を通って延在する複数の通路（１８、６０、７４、９４、１０４、１４４、１７４）を備える第２の空気導管（１６）と、
邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を通って延在する複数の穿孔（５２、８８、１１８、１５８、１８０）であって、各穿孔（５２、８８、１１８、１５８、１８０）が入口（５６、９０、１８２）、出口（５８、９２、１８４）、および入口（５６、９０、１８２）と出口（５８、９２、１８４）を接続する連絡路（６０、９４、１８６）を有し、出口（５８、９２、１８４）が入口（５６、９０、１８２）の下流に位置付られる、複数の穿孔（５２、８８、１１８、１５８、１８０）と、
を備える熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１７］
連絡路（６０、９４、１８６）が中央線を画定し、中央線が第１の空気導管（１２）の局所的な流線と平行でなく、（５６、９０、１８２）および出口（５８、９２、１８４）が邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）の対向する側面上にある、実施態様１６に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１８］
複数の通路（１７４）のうちの少なくとも１つの通路（１７４）が、少なくとも１つの通路（１７４）の直接の上流にある穿孔（１８０）のうちの１つの出口（１８４）、および少なくとも１つの通路（１７４）の直接の下流にある穿孔（１８０）のうちの１つの入口（１８２）を含む、実施態様１６に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様１９］
入口（５６、９０、１８２）および出口（５８、９２、１８４）が邪魔板（１４、７２、１７８）の同じ側面上にある、実施態様１８に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
［実施態様２０］
穿孔（１８０）が邪魔板（１７８）の対向する側面上に対で形成され、邪魔板（１７８）が、穿孔（１８０）の対のための連絡路（１８６）の一部を画定する対向するウィングレット（１８８）を備える、実施態様１９に記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。

１０熱交換器
１２冷却空気導管
１４邪魔板
１６高温空気導管
１８通路
２０交差部
２２冷却空気入口
２４冷却空気出口
２６入口ヘッダ
２８出口ヘッダ
３０高温空気入口
３２高温空気出口
３４入口ヘッダ
３６出口ヘッダ
３８折り返し部
４０管
４２開口部
４４冷却空気供給
４６冷却空気排出
４８高温空気供給
５０高温空気排出
５２穿孔
５４表面
５６入口
５８出口
６０連絡路
６２中央線
７０熱交換器の一部
７２邪魔板
７４通路
７６交差部
７８開口部
８０冷却空気供給
８２冷却空気排出
８４高温空気供給
８６高温空気排出
８８穿孔
９０入口
９２出口
９４連絡路
９６側面
９８窪んでいる部位
１００熱交換器の一部
１０２邪魔板
１０４通路
１０６交差部
１０８開口部
１１０冷却空気供給
１１２冷却空気排出
１１４高温空気供給
１１６高温空気排出
１１８穿孔
１２０厚さ
１２２表面
１２４凹状部
１２６凸状部
１２８入口
１３０出口
１４０熱交換器の一部
１４２邪魔板
１４４通路
１４６交差部
１４８開口部
１５０冷却空気供給
１５２冷却空気排出
１５４高温空気供給
１５６高温空気排出
１５８穿孔
１６０シェル
１６２頂点
１７０熱交換器の一部
１７２邪魔板
１７４通路
１７６交差部
１７８邪魔板表面
１８０穿孔
１８２入口
１８４出口
１８６連絡路
１８８ウィングレット
１９０

Claims

少なくとも１つの邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を有する冷却空気導管（１２）と、
前記冷却空気導管（１２）を通る複数の通路（１８、６０、７４、９４、１０４、１４４、１７４）を有し前記邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）との複数の交差部（２０、７６、１０６、１４６、１７６）を形成する高温空気導管（１６）と、
邪魔板（１４、７２、１０２、１４２、１７２、１７８）を非直交で通って延在する複数の穿孔（５２、８８、１１８、１５８、１８０）と、
を備える熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記複数の通路（１８、６０、７４、９４、１０４、１４４、１７４）が前記冷却空気導管に沿った流れ関与方向において離間される、請求項１記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記複数の通路（１８、６０、７４、９４、１０４、１４４、１７４）が前記冷却空気導管に沿った流線方向において互い違いとされる、請求項２記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記邪魔板（１０２、１７８）が変化する厚さを備える、請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記複数の穿孔（５２、８８、１８０）のうちの少なくともいくつかが、入口（５６、９０、１８２）、出口（５８、９２、１８４）、および前記入口（５６、９０、１８２）を前記出口（５８、９２、１８４）に接続する連絡路（６０、９４、１８６）を備える、請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記入口（５６、９０、１８２）および前記出口（５８、９２、１８４）が、前記邪魔板（１４、７２、１７８）の対向する側面の一方または前記邪魔板（１４、７２、１７８）の同じ側面上に位置付けられる、請求項５記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記入口（５６、９０）および前記出口（５８、９２）が前記邪魔板（１４、７２）の対向する側面上に位置付けられ、少なくとも１つの穿孔（５２、８８）の前記入口（５６、９０）が、前記邪魔板（１４、７２）の同じ側面上に少なくとも１つの他の穿孔（５２、８８）の前記出口（５８、９２）として形成される、請求項６記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記複数の通路（１７４）のうちの少なくとも１つの通路（１７４）が、前記少なくとも１つの通路（１７４）の直接の上流にある前記穿孔（１８０）のうちの１つの出口（１８４）、および前記少なくとも１つの通路（１７４）の直接の下流にある前記穿孔（１８０）のうちの１つの入口（１８２）を含む、請求項５記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記穿孔（１８０）が前記邪魔板（１７８）の対向する側面上に対で形成され、前記邪魔板（１７８）が、前記穿孔（１８０）の前記対のための前記連絡路（１８６）の一部を画定する対向するウィングレット（１８８）を備える、請求項８記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。
前記通路（６０、９４、１８６）が直線形または曲線形の一方である、請求項５乃至９のいずれか１項記載の熱交換器（１０、７０、１００、１４０、１７０）。