JP2017531773A - らせん式クロスフロー熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器を提供する。熱交換器は、第１の流体の通路のための、熱交換器を通って終端する複数の通路を有するらせん式流れ本体で形成されている。流れ本体は、ハウジング内に配置され、第２の流体のクロスフローは、らせん状の流れ本体の連続層の間、あるいはそれらをまたがって通過する。クロスフローする第２の流体および第１の流体の熱エネルギーを混合することにより、熱交換が改良される。

Description

本実施形態は、一般に、熱交換を向上させるための装置、方法および／またはシステムに関する。より具体的には、限定するものではないが、本実施形態は、流体間の熱交換のために、例えばガスタービンエンジンに使用してもよい、らせん式クロスフロー熱交換器に関する。当業者であれば理解するように、ガスタービンエンジンに関連して様々な実施形態を説明するが、装置、方法および／またはシステムは、２つの流体間における熱交換が望まれる様々な別の用途に使用することができる。

ガスタービンエンジンでは、空気は圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて、タービン段を通って下流へ流れる高温の燃焼ガスを生成する。典型的なガスタービンエンジンは、一般に、エンジンのいくつかのコアまたは推進成分を軸方向に挟む前端部および後端部を有する。吸気口は、ガスタービンエンジンの前端部に配置される。後端部へと移動すると、吸気口に続いて圧縮機、燃焼室、タービンが順番に配置される。例えば、低圧圧縮機や高圧圧縮機および低圧タービンや高圧タービンといった追加成分もエンジンに含まれてもよいことは、当業者には容易に明らかとなろう。しかしながら、これは網羅的なリストではない。

許容できないレベルまでエンジン温度が上昇しないように、ガスタービンエンジン内の熱生成を管理する必要がある。例えば、高圧シャフトおよび／または低圧シャフトに関連づけられる軸受を潤滑する、ガスタービンエンジン内のオイルの温度を制御することが望ましい。また、動作中に、高温流れを生成する著しい熱が高圧圧縮機によって生成される。したがって、高圧圧縮機および低圧圧縮機の１つまたは両方を出る空気を冷却することが望ましい。

これらの流体を冷却するために、様々な方法が使用されてきたが、改良を続けることが望ましい。例えば、熱交換器に絶えず求められているパラメータの改良には、限定するものではないが、重量の低減、体積の低減、熱交換器間の圧力降下の低減、熱交換に対する抵抗率の低減が含まれる。熱交換器に関する他のパラメータには、動作中の排熱がある。

流体混合を防止しながらも２つ以上の流体間の熱交換を改良するパラメータを満たし、シェルチューブ構造で形成される、２つ以上の流体流れのための熱交換器を提供することが望ましい。

本明細書の背景技術の項に含まれる情報は、本明細書に引用された参照およびその記載または考察を含めて技術参考目的のみに含まれ、本実施形態の範囲を拘束する主題とみなされるものではない。

米国特許出願公開２０１４／０２７１０２号明細書

本実施形態によって、流体対流体の熱交換器が供給される。熱交換器は、第１の流体の通路のための、熱交換器を通って終端する複数の通路を有するらせん式流れ本体で形成されている。流れ本体はハウジング内に配置され、第２の流体のクロスフローは、らせん式流れ本体の巻線の間を通過する。クロスフローする第２の流体および第１の流体の熱エネルギーを混合することにより、熱交換が改良される。

一部の実施形態によると、らせん式流体対流体の熱交換器は、第１の流体マニホールドと、第１の流体マニホールドと流れ連通する流れ本体であって、第１の流体のための第１の端部と第２の端部との間に延びる複数の流路を有しており、第１のマニホールドの周りに延び、円のインボリュートによって形成されるらせんを画定する流れ本体と、流れ本体と流れ連通する第２の流体マニホールドであって、流れ本体が第２の流体のためのクロスフロー経路を画定するハウジング内に配置され、クロスフロー経路が流れ本体の連続層の間に延びる第２のマニホールドと、を含む。

以上概説した特徴のすべては、例示的なものとしてのみ理解されるべきであって、らせん式クロスフロー熱交換器の装置、方法およびシステムの多くのさらなる特徴および目的を、本明細書の開示から集めることができる。

この発明の概要は、以下の発明を実施するための形態においてさらに説明される概念のうちから選択したものを簡略化した形式で導入するために提供される。この発明の概要は、請求する発明の主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを目的とせず、また請求する発明の主題の範囲を限定するために使用することも目的としない。本発明の特徴、詳細、効用、および利点のより広範囲な提示は、添付の図面に図示され、添付の特許請求の範囲に定義されて、以下の本発明の様々な実施形態の明細書で提供されている。したがって、この概要についての限定的な解釈は、本出願に含まれる明細書全体、特許請求の範囲、および図面をさらに読むことなく理解すべきではない。

添付の図面と共に以下の実施形態の説明を参照することにより、これらの例示的な実施形態の上記およびその他の特徴や利点、ならびにそれらを達成する方法がより明らかになり、らせん式クロスフロー流体対流体の熱交換器をより理解することができる。

例示的なガスタービンエンジンの概略的な側断面図である。 例示的ならせん式クロスフロー熱交換器の等角図である。 マニホールドおよび支持フィンを含む流れ本体平面パターンの等角図である。 巻線間のクロスフローを乱流状態にする方法を説明する、例示的な熱交換器流れ本体の断面端面図である。 第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを含むらせん式流れ本体の等角図である。 取り付けられたマニホールドを備え、流れ本体の上に配置されたハウジングまたはシェルの等角図である。 例示的な流れ本体の端部断面図である。 傾斜リブを有する代替的な流れ本体平面パターンの上面図である。 例示的ならせん式クロスフロー熱交換器の側断面図である。 フロー乱流のためのディンプル生地を備える流れ本体の等角図である。 第１の流体と第２の流体のクロスフローとの間の複数の流路を備えるらせん式流れ本体の等角図である。

以下に実施形態について詳しく説明するが、そのうちの１つ以上の実施例を図面に示す。各実施例は、説明のために提供されており、開示する実施形態を限定するものではない。実際、本開示の範囲または趣旨を逸脱せずに、様々な修正および変更が本実施形態で可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、別の実施形態と共に使用して、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、添付の請求の範囲およびそれらの等価物の範囲に入るこのような修正および変更を包括することが意図されている。

図１〜図１１を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器の様々な実施形態を示す。熱交換器は、らせん式流れ本体の周りに配置されるシェルまたはハウジングを含む。らせん式流れ本体は、一部の実施形態によると、複数の層または巻数が作成されるように円のインボリュートによって形成されるらせん状であってもよい。ハウジングは外側の流れ境界を形成し、流れ本体はその内部に供給される。らせん式流れ本体の連続層の間のおよびそれらをまたがるクロスフローは、ハウジングによって、流れ本体内の第１の流体からクロスフロー内の第２の流体へ熱エネルギーを交換することが可能となる。

本明細書で使用する場合、「軸方向の」または「軸方向に」という用語は、エンジンの長手軸に沿ったまたは熱交換器の軸方向に沿った寸法を意味する。「軸方向の」または「軸方向に」に関連して使用される「前方」という用語は、エンジン吸気口または熱交換器、あるいは他の成分に比較してエンジン吸気口または熱交換器に比較的近い成分に向かう方向で移動することを意味する。「軸方向の」または「軸方向に」に関連して使用される「後方」という用語は、エンジン排気口または熱交換器、あるいは吸気口に比較してエンジン排気口または熱交換器に比較的近い成分に向かう方向で移動することを意味する。本明細書で使用する場合、「径方向の」または「径方向に」という用語は、エンジンまたは熱交換器の中心長手軸とエンジンまたは熱交換器の円周との間に延びる寸法を意味する。本明細書で使用される用語クロスフローは、１つの流れの方向が、他の流れの方向と混合されずに、他の流れの方向を横切ることを意味する。

まず図１を参照して、エンジン吸気口端部１２を有するガスタービンエンジン１０の概略的な側断面図を示すが、ここで空気は、一般に多段高圧圧縮機１４、燃焼器１６および多段高圧タービン２０によって画定されるコア推進器１３に流入する。集合的に、コア推進器１３は、ガスタービンエンジン１０の動作のための動力を提供する。

ガスタービンエンジン１０は、ファン１８、低圧タービン２１および低圧圧縮機２２をさらに備えている。ファン１８は、ロータディスクから径方向外向きに延びるファンブレード２７のアレイを含む。エンジン吸気口端部１２の軸方向反対側には排気側面２９がある。これらの実施形態では、例えば、ガスタービンエンジン１０は、ゼネラルエレクトリック社から市販されている任意のエンジンを用いることができる。ガスタービンエンジン１０を航空用の実施形態で示したが、このような実施例を限定とみなすべきではなく、ガスタービンエンジン１０は航空、発電、工業、船舶等に使用されてもよい。

運転中に、空気は、ガスタービンエンジン１０のエンジン吸気口端部１２を通って流入し、低圧圧縮機２２および高圧圧縮機１４の少なくとも１つの圧縮段を通って移動するが、ここで気圧は上昇し、燃焼器１６に向かう。圧縮空気が燃料と混合されて燃焼されると、燃焼器１６から高圧タービン２０に向かって流出する高温燃焼ガスが得られる。高圧タービン２０において高温燃焼ガスからエネルギーが抽出されてタービンブレードを回転させ、タービンブレードの回転により高圧シャフト２４が回転する。高圧シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の前方に向かって通過して高圧圧縮機１４の１つ以上の段を回転させ、動力サイクルが継続する。低圧タービン２１も、さらなるエネルギーを抽出して、追加の圧縮機段に動力を供給するために利用することができる。ファン１８は、低圧シャフト２８によって、低圧圧縮機２２および低圧タービン２１に連結される。連結は、ギヤボックスまたは他の伝送方式のように、直接的または間接的であってもよい。ファン１８は、ガスタービンエンジン１０の推力を生成する。

ガスタービンエンジン１０は、様々なエンジン成分がその周りで回転するように、エンジン中心軸線２６の周りで軸対称になっている。軸対称高圧シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０を通って前端部から後端部に向かって延び、シャフト構造体の長さに沿って軸受によって回転可能に支持されている。高圧シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の中心軸線２６の周りで回転する。高圧シャフト２４は、低圧シャフト２８がその内部で回転可能かつ高圧シャフト２４の回転から独立可能となるように、中空であってもよい。低圧シャフト２８も、ガスタービンエンジン１０の中心軸線２６の周りで回転することができる。動作中、高圧シャフト２４および低圧シャフト２８は、電力および工業または航空領域で使用される様々なタービンの動力または推力を生成するために、タービン２０、２１のロータアセンブリのような、シャフト２４、２８に接続された他の構造体と共に回転する。

ガスタービンエンジン１０は、らせん式クロスフロー熱交換器４０をさらに備えている。例示的な概略図では、１つ以上のらせん式クロスフロー熱交換器４０は、教示の目的のために様々な位置に示されている。らせん式クロスフロー熱交換器４０は、限定されないが、液体冷却および空気冷却を含む様々な流体冷却機能のために利用されてもよい。液体冷却の場合、ガスタービンエンジン１０内の１つ以上の比較的低温の源によって、オイルまたは他の比較的高温の液体を冷却することが望ましいことがある。冷却空気がバイパス空気流れ１９または低圧圧縮機２２の比較的低温の段によって提供されるように、オイルを空気によって冷却してもよい。ガスタービンエンジン１０内におけるらせん式クロスフロー熱交換器４０の軸方向位置は、冷却される、または冷却に使用する流体の位置に応じて変化し得る。

さらに、例えばオイルのような高温の流体は、例えば燃料のような液体によって冷却されてもよいが、この燃料は、航空機の翼に格納されていることが多く、例えば典型的な飛行高度において経験される冷間周囲条件に曝される。したがって、比較的高温の冷却流体またはオイルから熱エネルギーを吸収するための手段として、比較的低温の燃料を使用することができる。このような実施形態では、非限定的な例としてエンジンカウリング３２の径方向内側に示すように、らせん式クロスフロー熱交換器４０を様々な位置に配置することができる。先の実施形態と同様に、らせん式クロスフロー熱交換器４０は、例えば冷却される流体の位置に応じて、軸方向に移動させてもよい。

さらなる実施形態では、らせん式クロスフロー熱交換器４０は、ガス対ガスまたは空気対空気の熱交換器であってもよく、比較的低温のバイパス空気流れ１９が比較的高温の圧縮機排出空気を冷却するように、例えばバイパス空気流れ１９内のような様々な位置に配置されてもよい。あるいは他の実施形態によると、高温の圧縮機排出空気は、低圧圧縮機２２からの低温空気によって冷却されてもよい。この場合、らせん式クロスフロー熱交換器４０は、エンジンカウリング３２内またはバイパス空気流れ１９内に配置することができる。

ガス対ガスの熱交換を一実施形態によって説明したが、実施形態によると、ガス対液体の熱交換は、液体が過冷却され、飽和され、超臨界状態にまたは部分的に気化されてもよい本実施形態の範囲内であってもよい。例えば、圧縮機の排出流路は、水、水性冷却剤混合物、誘電液体、液体燃料または燃料混合物、冷却剤、寒剤、あるいは液化天然ガス（ＬＮＧ）および液体水素のような極低温燃料を使用して冷却してもよい。しかしながら、このリストは網羅的なものではないため、限定とみなすべきではない。さらに、オイル等の潤滑流体は、同様の方法で冷却されてもよい。

すなわち、図１に示すように、らせん式クロスフロー熱交換器４０は、複数の位置に配置されてもよく、そのうちの一部を、非限定的な例示的方法で示す。らせん式クロスフロー熱交換器４０は、気体状態または液体状態にある流体を、気体状態または液体状態にある他の流体によって冷却するために使用することができる。これらの実施形態のいずれかにおいて、らせん式クロスフロー熱交換器４０は、第１の流体または第２の流体の一方を利用して、第１の流体および第２の流体の他方を冷却する。

ここで図２を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器４０の等角図を示す。らせん式クロスフロー熱交換器４０は、一実施形態によると、一般に円筒形の形状である。らせん式クロスフロー熱交換器４０は、ハウジング４２の端部に第１の軸端部４１および第２の軸端部４３をさらに備えるハウジング４２によって画定される、円筒形の形状である。らせん式クロスフロー熱交換器４０の形状は一般に円筒状であるが、ハウジング４２が実質的に中空である場合他の形状を利用することができ、その場合流れ本体７０は、ハウジング４２内に配置することができる。流れ本体７０の一部は、ハウジング４２から延びて示されている。

らせん式クロスフロー熱交換器４０は、ハウジング４２の軸端部を閉じる第１の端部キャップ４４および第２の端部キャップ４６をさらに備えている。らせん式クロスフロー熱交換器４０は、ハウジング４２の軸端部付近に、クロスフロー流体入口５０を備えている。具体的には、クロスフロー流体入口５０は、端部キャップ４６上に配置され、らせん式クロスフロー熱交換器４０の軸方向寸法に沿った第２の流体の流れを可能にする。端部キャップ４６には、らせん式クロスフロー熱交換器４０に流入し、流れ本体７０を通過する第１の流体を受けるためのマニホールド５６が配置されている。

らせん式クロスフロー熱交換器４０は、端部キャップ４４に、またはその付近に配置されるクロスフロー流体出口５２を備えていてもよい。あるいは、クロスフロー流体出口５２は、他の位置に配置することができる。クロスフロー流体入口５０およびクロスフロー流体出口５２は入口および出口と称されることを当業者は認識すべきであるが、これらの用語は例示にすぎない。また、らせん式クロスフロー熱交換器４０を通って移動する流れ方向に応じて、クロスフロー流体出口５２が入口となってもよいし、クロスフロー流体入口５０が出口となってもよい。このような記述は、限定とみなすべきではない。

マニホールド５６は、第１の流体供給部にサービス接続するための継手５８を備えていてもよい。らせん式クロスフロー熱交換器４０の上部からは第２のマニホールド６０が延びており、これも継手６２を有し、リザーバと流れ連通した状態で示されている。一般に、高温流体はらせん式クロスフロー熱交換器４０に戻り、今後の、例えば潤滑またはその他の使用のためにリザーバに入る前に冷却される。継手５８、６２およびマニホールド５６、６０の一方は、第１の流体のための入口として機能し、継手５８、６２およびマニホールド５６、６０の他方は、第１の流体の出力として機能する。クロスフロー流体入口５０およびクロスフロー流体出口５２の一方は、第２のクロスフロー流体の入口として機能し、他方が出力として機能する。しかしながら、これらは逆でもよいし、符号は説明にすぎない。本実施形態では、第１および第２の流体の一方は比較的高温であるのに対し、第１および第２の流体の他方は比較的低温である。２つの流体がらせん式クロスフロー熱交換器４０を通過する際、一方の流体のより高い熱エネルギーは、減じられるかより低い熱エネルギー材料に移動する。高温流体が流れ本体７０を通過し、クロスフロー流体が冷却流体として記載されていても、例えばより高温の流体が気体であり、クロスフローとしてらせん式クロスフロー熱交換器４０を通過する場合、この記載は逆であってもよい。

マニホールド５６、６０は、図示のような位置で示されているが、マニホールド５６、６０は、らせん式クロスフロー熱交換器４０の軸方向端部以外の位置と、軸端部４１、４３の間のいくつかの位置とに移動させてもよい。同様に、第２のクロスフロー流体入口５０および出口５２のための接続部は、図示のように軸端部４１、４３にまたはそれらの間に配置することも、代替として、別の場所に移動させることもできる。すなわち、継手５８、６２およびマニホールド５６、６０の図示の位置は限定するものではなく、クロスフロー流体入口５０および出口５２の接続部におけるクロスフローのための継手５８、６２の図示の位置も限定するものではない。同様に、高温の流れは流れ本体７０内を通過してもよい一方で、より低温の流れは流れ本体７０内をまたは流れ本体７０の周りを通過してもよい。

この実施形態では、部品のいくつかを教示および理解の明瞭さのために引き伸ばして示しているが、機器は、改良された流れ特性のためのよりコンパクトな他の形態をとることができる。例えば、クロスフロー流体入口５０および出口５２の接続部は、短寸化することができる。また、流れ本体７０は、ハウジング４２の上方に延びるように図示されるが、マニホールド６０に向かって延びる流れ本体７０の一部は、短寸化してハウジング４２の付近に配置してもよい。同様に継手５８、６２をよりコンパクトな設計で形成することができるが、これらはすべて流れを改良し、限定されないが、航空機エンジンを含む様々なアーキテクチャに配置するために、熱交換器をより小さく、より軽量にするためである。

ここで図３を参照して、例示的な流れ本体７０の等角図を示す。流れ本体７０は、第１の端部７２と、第２の端部７４と、第１の端部７２および第２の端部７４の間に延びる複数の流路７６とを有する押出形状であってもよい。第１の端部７２および第２の端部７４は、例示的ならせん式クロスフロー熱交換器４０に配向している場合、横方向または周方向端部を画定する。流路７６は、マニホールド５６およびマニホールド６０と流れ連通している（図２）。本明細書でさらに考察され、図２の実施形態に必要であるように、本実施形態では、流れ本体７０は平面構造として示されており、連続層で巻回するらせん形状にはまだなっていない。

流れ本体７０の第１の端部７２に、マニホールド５６が設けられている。マニホールド５６は、比較的高温の流体または比較的低温の流体であってもよい第１の流体を受ける。第１の流体は、マニホールド５６を通過して複数の流路７６を通って流れ本体７０内に流れ、さらに流れ本体７０の第２の端部７４に向かって移動する。流れ本体７０の第２の端部７４に、第２のマニホールド６０が設けられている（図２）。

マニホールド５６は、流れ本体７０がマニホールド５６の周りで巻回した時に、流れ本体７０を支持するのを補助する複数の支持フィン５７をさらに備えていてもよい。支持フィン５７は、流れ本体７０を支持する一定の半径を有していてもよいし、可変半径を有していてもよい。支持フィン５７は、流れ本体７０が、巻回プロセス中に破砕されるか、半径が小さすぎることに起因して破砕されるのを防ぐことにより、流れ本体７０に対する支持を提供する。

第１の端部７２および第２の端部７４の間には、乱流トリップ７５が延びている。トリップ７５は、リブまたは表面からの他の拡張の形をとることも、代替として凹状の形態をとることもできる。これらの変形例は、本明細書でさらに説明する。また、トリップ７５は、流れ本体７０がらせん形状にある時は周方向で示されているが、代替的に軸方向に、または周方向あるいは軸方向に対して斜めに延びることができる。例えば、流れ本体７０が巻回する際、トリップ７５はらせんを形成してもよい。

ここで図４を参照して、流れ本体７０の端部断面図を示す。流れ本体７０の端部は、図示のように、第１の端部７２または第２の端部７４であってもよい。例えば、流れ本体の第２の端部７４において、複数の流路７６が示されている。図示セクションにおいて、複数の流路７６が図示されている。しかしながら、一般に、流路の数が増えると、らせん式クロスフロー熱交換器４０を介した熱交換が改良されるので、流路７６の数を減らすことも増やすことも望ましいことがある。

また、流路７６は、複数のタービュレータ７８を含むことができる。タービュレータ７８は、流路７６内の乱流を増加させ、熱境界を減少させ、熱伝達を改良するために、流路７６内の乱流を改良する。両面のタービュレータ７８は、各流路７６内でらせん式クロスフロー熱交換器４０の軸方向にずれている。しかしながら、タービュレータ７８は、流路７６内で様々な設計を有していてもよい。流路７６は、第１のマニホールド５６および第２のマニホールド６０およびタービュレータ７８と流れ連通しており、流れ本体７０を介して連続してもよいし、不連続であってもよい。一部の実施形態によると、流れ本体７０は、押出形状をとることもできるが、このような連続または不連続の形状を他の方法によって形成してもよい。

ここで図５を参照して、熱交換器コア８０の等角図を示す。熱交換器コア８０は、第１のマニホールド５６の周りで連続層７１に巻回した状態で示されている流れ本体７０を備えている。この図では、流れ本体７０は、第１のマニホールド５６の周りで巻回するらせん形状に形成されている。らせん流れ本体７０はらせん形状をとり、ここで連続層７１は、らせんの中心から実質的に一定の距離を有している。本明細書で使用されるように、「らせん」という用語は、円のインボリュートの特性を有する径方向断面によって幾何学的に説明されるコアを意味し、ここで連続層７１またはらせんの巻線は、一般に一定の分離距離を有し、また連続層７１の軸端部は、らせん式クロスフロー熱交換器４０の径方向に配列される。すなわち、流れ本体７０の連続層７１の側端部は、らせん式クロスフロー熱交換器４０内の軸端部において、径方向に配列される。

図はまた、第１のマニホールド５６からの流体の流れが、流れ本体７０内の複数の流路７６を介して第２のマニホールド６０と流れ連通していることを示している。第２のマニホールド６０は、流れ本体７０の第２の端部７４における流路７６を示すために区分されている。流体は、第２のマニホールド６０に回収され、上方に延びる導管を介して継手６２の方に延びる（図２）。

さらに本実施形態では、少なくとも１つのリブ７７が、流れ本体７０の連続層７１の表面上に示されている。リブ７７は例示的なものであり、使用してもしなくてもよい。リブ７７は、単一のリブであってもよいし、複数のリブ７７であってもよい。リブ７７は、完全な軸方向に対して斜めに配置されているが、完全に周方向（熱交換器の軸方向に垂直）に配置してもよいし、例えば、示すように、らせん形状で角度をつけてもよい。少なくとも１つのリブ７７は、連続層７１の間で流体流れをトリップさせ、これにより、層７１と流れ本体７０の外表面沿いとの間に乱流が生成され、熱伝達がさらに改良される。

ここで図６を参照して、ハウジング４２内に配置された熱交換器コア８０を備えるらせん式クロスフロー熱交換器４０を示す。第２のマニホールド６０は、ハウジング４２の上部に示され、押出状の第２の端部７４は、ハウジング４２を介して延びる。これにより、第２のマニホールド６０は、ハウジング４２の外側への接続が可能になる。第１のマニホールド５６は、熱交換器コア８０の内部から、およびハウジング４２の軸端部４３から外向きに軸方向に延びるように示されている。これにより、端部キャップ４６（図２）および継手５８（図２）の配置が可能になる。

ハウジング４２は、断面形状が実質的に円形として図示されている。しかしながら、ハウジング４２全体で必要とされる流れ特性と、らせん式クロスフロー熱交換器４０が配置される場所の外側の形状とに応じて、代替の形状を利用することができる。

また、図において複数の連続層７１（図５）は、第２のクロスフロー流体が第２の軸端部４３から第１の軸端部４１までまたはその逆に、軸方向に移動してもよい位置を示している。

ここで図７を参照して、例示的な流れ本体１７０の断面図を示す。流れ本体１７０は、第１の側端部１７１および第２の側端部１７３を有している。第１の側端部１７１は、流れ本体１７０の連続層に対する入口における流体動圧を改良するために曲線的になっている。本実施形態で曲線的な側端部１７１を示しているが、このような実施形態は例示にすぎず、必ずしも必要ではない。平坦面を含む他の形状を利用することができる。

さらに、例示的な実施形態では、複数の流路１７６が図示されている。これらの流路１７６は、流れ本体７０の先の実施例とは異なる断面形状を有している。例えば、先の実施形態では、流路７６は、一般に矩形形状であった。本実施形態では、流路１７６は正方形状である。当業者であれば、これらの実施形態は限定するものでなく、他の断面形状が利用されてもよいことを認識するであろう。例えば、流れ特性を改良するために、流路内に丸みをつけた角を設けることが望ましい。また、流路１７６は、一貫した断面形状を有していてもよいし、代替として、流れ本体１７０内で異なっていてもよい。図示した実施形態では、流れ特性を補助するために、端部通路は部分的に丸められている。

流路１７６内に、複数のタービュレータ１７８が設けられている。先の実施形態と異なり、タービュレータ１７８は、熱交換器内で軸方向に互いにずれるのではなく、垂直方向に整列している。タービュレータ１７８は、流路の断面大きさに応じて、形状および位置が異なっていてもよい。また、図示のように、タービュレータ１７８は、周方向に斜めまたは完全に周方向であってもよい。あるいは、これらは、例えば前縁における衝撃からの漏れを防止するために、一体化した形状で形成してもよい。

ここで図８を参照して、流れ本体７０の上面図を、巻回した位置から延びた状態で示す。この図では、複数のリブ７７が示されている。リブ７７は、流れ本体７０の軸方向に対して斜めに配置されている。角度は、記号アルファαで示されている。角度は、０°または約９０°までとすることができる。さらに、流れ本体７０が連続層７１に巻回している場合、リブ７７は、らせんを提供するように形成されてもよい（図５）。さらに説明するように、リブ７７は、流れ本体７０の表面上を通過する流体を遮断またはトリップするために、代替的に流れ本体７０に溝を形成しながら凹部を画定してもよい。

流れ本体７０、１７０は、熱伝導性の高い材料で形成することができる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を利用してもよいし、あるいは鋳造合金、銅合金（Ｃ８１５００）または鋳造アルミニウム青銅（Ｃ９５４００）を利用することもできる。流れ本体７０、１７０は、限定はしないが、インコロイ合金、インコネル合金、チタンアルミナイド合金、ステンレス鋼合金または高融点金属で形成してもよい。らせん式クロスフロー熱交換器４０内で利用される異なる流体流れ材料の製造および動作中に蓄積する応力を低減させるために、熱膨張率（ＣＴＥ）係数をできるだけ一致させるのが望ましいことがある。利用される材料の望ましい特徴は、優れた疲労耐性および耐酸化性または耐食性を含む。さらに、鋳造または鍛造部品の溶接アセンブリに組み込まれた耐圧鋳造、非常に効果的な制振、機械加工性および溶接性は、すべて望ましい特性である。上記の特性リストを供給したが、限定的なものではなく、様々な材料が流路と本体成分との組み合わせのために利用され得る。

ここで図９を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器４０の等角断面図を示す。この図では、流れ本体７０を含むハウジング４２の内部が示されている。らせん式クロスフロー熱交換器４０の一方の軸端部、流れ本体７０から延びるマニホールド５６が設けられている。

流れ本体７０は、マニホールド５６を通って移動する第１の流体流れ９０を含んでいる。具体的には、第１の流体流れ９０は、マニホールド５６を通って第１の継手５８、第２のマニホールド６０および第２の継手６２の間を通過する。第１の流体流れ９０は、これら２つのマニホールド５６、６０の間を、流れ本体７０を通って、いずれかの方向で通過することができる。第１の流体流れ９０が、らせん式クロスフロー熱交換器４０を通過する際、第１の流体流れ９０は、継手５８および継手６２の間を移動する間に、らせん式クロスフロー熱交換器４０内の流れ本体７０のらせん状パターンを流れる。

また、らせん式クロスフロー熱交換器４０は、クロスフロー流体入口５０を通ってらせん式クロスフロー熱交換器４０に流入して流れ本体７０の連続層７１を通過する、第２のクロスフロー９２を利用する。第２のクロスフロー９２は、ハウジング４２の一方の軸端部から流入し、他方の軸端部へと通過する。そうすることで、第２のクロスフロー９２は、流れ本体７０の表面に沿って通過して、流れ本体７０内を通過する第１の流体流れ９０と熱エネルギーを交換する。第１の流体流れ９０が流れ本体７０のらせん経路をたどる一方で、第２のクロスフロー９２は、らせん式クロスフロー熱交換器４０を通って実質的に軸方向に移動する。

流れ本体７０の一方の端部は、第２のクロスフロー９２の空気／流体動圧性能を向上させるために、湾曲されるかテーパをつけることができる。

第２のクロスフロー９２が流れ本体７０のハウジング４２および層７１を通過する際、第２のクロスフロー９２は、径方向内向きまたは径方向外向きのどちらかに方向を変えて通過することができる。さらに、リブ７７（図８）により、第２のクロスフロー９２は、軸方向に対して径方向または斜めに移動する。

ここで図１０を参照して、流れ本体２７０の別の実施形態を示す。本実施形態では、本体２７０の外側面は、円形の形状で示されるディンプル２７７を備えている。しかしながら、ディンプル２７７は、円形以外の様々な形状であってもよい。ディンプル２７７は、流れ本体２７０を通過する第２のクロスフロー９２（図９）内に乱流を生じさせるトリップまたは主流乱れを生成する。乱流はまた、外表面に沿って熱境界を低減し、かつクロスフロー９２と流れ本体２７０との間の熱抵抗を低減させることによって、改良された熱移動を提供する。さらに、ディンプル２７７は、流れ本体２７０表面に埋め込まれてもよく、ディンプル２７７を流れ本体２７０の表面から上昇させてもよい。ディンプル２７７は、周方向および軸方向列のパターンで配置されて示されている。しかしながら、軸方向または周方向の列のうちの１つは、隣接する軸方向または周方向の列からわずかにずれてもよい。さらに別の実施形態では、ディンプル２７７はランダムに形成されてもよいが、ディンプル２７７の数が増えると、流れ本体２７０をまたがる第２のクロスフロー９２（図９）の乱流が増加することがあるので、これはあまり望ましくないであろう。

さらに、ディンプル２７７はまた、周方向にまたは周方向と軸方向との間で斜めに延びる線状溝のような他の形態をとることができる。すなわち、流れ本体７０、１７０、２７０の表面から延びるリブ７７（図８）ではなく、流れ本体は、図８のリブ７７のような外見の線状溝を有していてもよいが、これらは図８のものとは違い、流れ本体に埋め込まれている。

ここで図１１を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器３４０のさらに別の実施形態を示す。本実施形態では、流れ本体３７０を通る第１の流体流れ３９０の複数の経路を提供する。図は、前述の実施形態と同様に、らせん式クロスフロー熱交換器３４０が、第１のマニホールド３５６および第２のマニホールド３６０を有していることを示している。第１の流体流れ３９０は、第１のマニホールド３５６および第２のマニホールド３６０の間を、そして流れ本体３７０を、層をまたがって通過する。しかしながら、第１の流体流れ３９０は、らせん式クロスフロー熱交換器３４０を出る前に、流れ本体３７０から第２のマニホールド３６０に向かって通過し、流れ本体３７０に戻り、第２のマニホールド３６０に戻る。

本実施形態では、第１の流体流れ３９０は、図の左側でマニホールド３５６の軸端部付近に示されている。これは入口を例示しているが、限定するものではなく、他の入口の位置を使用してもよい。第１の流体流れ３９０は、マニホールド３５６を通って移動し、隔壁３５７と係合して、第１の流体流れ３９０を流れ本体３７０内に移動させる。第１の流れは、隔壁３５７に対応する軸方向領域で、流れ本体３７０の周りでらせん状になる。第１の流体流れ３９０は、マニホールド３６０内へ移動し矢印３９１で表されるが、流れは、第１の流体流れ３９０と同じである。番号の変更は、説明を容易にするためにすぎない。第１の流体流れ３９０は、矢印３９１によって表されるが、軸方向に移動し、第２の隔壁３５９と係合し、流れを流れ本体３７０に流入させる。再度らせん状になり、第１の流体流れ３９０は、第１のマニホールド３５６内へ移動し、矢印３９３によって表される。第１の流体流れ３９０は、矢印３９３によって表されるが、マニホールド３５６の端部（図示の右側の端）に到達した後、流れ本体３７０に再び流入してらせん状にマニホールド３５６に向かうようになっている。本配置では、第１の流体流れ３９０は、流れ３９４として図示されている。

第１の流体流れ３９０は、流れ本体３７０を通る複数の経路を有しており、第１の流体流れ３９０は、第２のマニホールド３６０へ２回流入するように示されているが、このプロセスは、流体の圧力降下、所望の冷却または考慮され得る他のパラメータに応じて、複数回繰り返してもよい。

材料の使用のためにいくつかの実施例を挙げたが、この説明が限定的なものではなく、アプリケーションによる必要に応じて、他の材料および組み合わせを利用できることを、当業者は認識するであろう。一部のパラメータには、温度、圧力、流体との化学的適合性、および熱膨張係数が含まれるが、これらに限定されない。このリストは非網羅的であり、他の材料および適合性特性を検討してもよい。例えば、他のプラスチック、ポリマーおよびセラミックが、熱交換器の一部の態様のために望ましいことがある。

装置、システムおよび方法についての上記の説明は、例示の目的で提示したものである。これは網羅的なものではなく、また本発明を開示された正確なステップおよび／または形態に限定するものでもなく、明らかに多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能である。本明細書で説明されている特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本明細書に記載の方法のステップは、物理的に可能な任意の順序で実行することができる。方法および材料のいくつかの実施形態を図示および説明したが、これらに限定されず、その代わりに本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ エンジン吸気口端部
１３ コア推進器
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ ファン
２０ 高圧タービン
２１ 低圧タービン
２２ 低圧圧縮機
２４ 高圧シャフト
２６ エンジン中心軸線
２７ ファンブレード
２８ 低圧シャフト
２９ 排気側面
３２ エンジンカウリング
４０ 式クロスフロー熱交換器
４１ 第１の軸端部
４２ ハウジング
４３ 第２の軸端部
４４ 第１の端部キャップ
４６ 第２の端部キャップ
５０ クロスフロー流体入口
５２ クロスフロー流体出口
５６ 第１のマニホールド
５７ 支持フィン
５８ 第１の継手
６０ 第２のマニホールド
６２ 第２の継手
７０ 本体
７１ 連続層
７２ 第１の端部
７４ 第２の端部
７５ トリップ
７６ 流路
７７ リブ
７８ タービュレータ
８０ 熱交換器コア
９２ 第２のクロスフロー
１７０ 本体
１７１ 第１の側端部
１７３ 第２の側端部
１７６ 流路
１７８ タービュレータ
２７０ 本体
２７７ ディンプル
３４０ 式クロスフロー熱交換器
３５６ 第１のマニホールド
３５７ 隔壁
３５９ 第２の隔壁
３６０ 第２のマニホールド
３７０ 本体
３９１ 矢印
３９３ 矢印

Claims (17)

1. らせん式熱交換器（４０）であって、第１のマニホールド（５６）と、前記第１のマニホールド（５６）と流れ連通する流れ本体（７０）であって、前記第１のマニホールド（５６）の周りに延び、円のインボリュートによって形成されるらせんを画定する流れ本体（７０）と、前記流れ本体（７０）に含まれ、第１の流体のために前記流れ本体（７０）の第１の端部（７２）と第２の端部（７４）との間に延びる複数の流路（７６）と、前記流れ本体（７０）と流れ連通している第２のマニホールド（６０）であって、前記流れ本体（７０）が、前記流れ本体（７０）の連続層（７１）をまたがって延びる第２の流体のためのクロスフロー経路を画定するハウジング（４２）内に配置されている、第２のマニホールド（６０）と、を含む、らせん式熱交換器（４０）。
2. 少なくとも１つの流れトリップ（７５）をさらに備える、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
3. 前記少なくとも１つの流れトリップ（７５）が、前記流れ本体（７０）の外表面上のリブ（７７）、溝またはディンプル（２７７）のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のらせん式熱交換器（４０）。
4. 前記少なくとも１つのディンプル（２７７）が、ランダムまたは所定のパターンの少なくとも一方によって配置されるディンプル（２７７）を含む、請求項３に記載のらせん式熱交換器（４０）。
5. 前記少なくとも１つのリブ（７７）が、前記流れ本体（７０）の周りで周方向に延びるか、らせん状に延びるか、軸方向に角度αをもって配置される一組のリブ（７７）を含むかのいずれかである、請求項３に記載のらせん式熱交換器（４０）。
6. 前記複数の流路（７６）が、複数のタービュレータ（７８）を含む、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
7. 前記複数のタービュレータ（７８）が、両面に配置されている、請求項６に記載のらせん式熱交換器（４０）。
8. 前記両面の前記複数のタービュレータ（７８）が、互いに軸方向にずれている、請求項７に記載のらせん式熱交換器（４０）。
9. 前記複数のタービュレータ（７８）が、互いに反対にある、請求項６に記載のらせん式熱交換器（４０）。
10. 前記ハウジング（４２）が一般に円筒形である、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
11. 前記第２の流体のための前記ハウジング（４２）の軸端部（４１、４３）間に配置された吸気口または排気口の少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
12. 前記第１の流体のための前記ハウジング（４２）の軸端部（４１、４３）に第２の吸気口または排気口の少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
13. 前記第１のマニホールド（５６）または第２のマニホールド（６０）のうちの少なくとも１つに接続された少なくとも１つの支持フィン（５７）をさらに備える、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
14. 前記マニホールド（５６）の周りで巻回している場合に、前記少なくとも１つの支持フィン（５７）が前記流れ本体（７０）を支持する、請求項１３に記載のらせん式熱交換器（４０）。
15. 前記流れ本体（７０）が、前記クロスフロー経路に対して湾曲した前縁を有する、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
16. 前記複数の流路（７６）内に収容された前記流体が、前記流れ本体（７０）を通って軸方向に横断する際、前記流れ経路の一部に対して径方向内向きおよび径方向外向きの両方に流れるように前記流れ本体（７０）が配置される、請求項１に記載のらせん式熱交換器（４０）。
17. 流れ（３９４）を径方向内向きおよび径方向外向きの両方に導く一組の隔壁（３５７）をさらに備える、請求項１６に記載のらせん式熱交換器（４０）。