JP2020509332A - 付加製造された熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器及び熱交換器の付加製造方法が提供される。熱交換器には複数の流体通路が含まれ、これは付加製造法によって形成されて、寸法がより小さく、壁がより薄く、従来の製造方法では不可能な複雑かつ入り組んだ熱交換器構造を有する流体通路の形成を可能とする。例えば、流体通路は曲線形であって、厚さが０．０１インチ未満であり、１ｃｍ当たり５個以上のフィン密度の熱交換フィンを含むことができる。さらに、この熱交換フィンは流体通路の壁に対して傾斜して、隣接フィン同士が相互にずれてもよい。

Description

本主題は一般に熱交換器に関し、より具体的には付加製造される熱交換器に関する。

熱交換器は、１つ以上の流体間での熱伝達のためにガスタービンエンジンと共に使用することができる。例えば、比較的高温の第１流体が第１通路を通過し、比較的低温の第２流体が第２通路を通過することがある。第１と第２の通路は、熱接触しているか近接していて、第１流体からの熱が第２流体へ流れることができる。こうして、第１流体の温度を下げ、第２流体の温度を上げることができる。

従来の熱交換器は、多数の流体通路を含み、各流体通路が、プレート、バー、フォイル、フィン、マニフォールドなどを用いて形成される。これらの部品のそれぞれは、個別に配置、配向されて、例えばろう付け、溶接又は別の接合方法を用いて支持構造に接続されなければならない。したがって、例えばガスタービン用の１つの特定の熱交換器が、２５０の部品を含み、それが１つの流体蜜のコンポーネントに組み立てられなければならない。

そのような熱交換器の組み立てに係わる製造時間とコストは非常に大きく、流体通路の間、又は一般に熱交換器からの流体の漏洩の可能性は、形成される接合の数によって増大する。さらには、製造上の制約が、熱交換器、例えば流体通路内に含むことができる熱交換構造の数、寸法及び構成を制限する。

したがって、改良された熱交換器を有するガスタービンエンジンは有用となるであろう。より具体的には、製造が容易で、改良された性能の熱交換構造を含む、ガスタービンエンジン用の熱交換器は、特に有益となるであろう。

本発明の態様及び利点は、以下の説明で部分的に記述されるか、その説明によって明らかであるか、または本発明の実施によって習得することができる。

本開示の例示的一実施形態において、熱交換器が提供される。熱交換器は、第１流体通路を画定する第１通路ハウジングを含む。第１の複数の熱交換構造が第１流体通路内に配置され、第１の複数の熱交換構造のそれぞれが第１の厚さと第１の構造密度とを画定する。第２通路ハウジングが、第１流体通路と熱的に連通する第２流体通路を画定し、第１通路ハウジングと第２通路ハウジングは単一の一体品として付加製造される。第２の複数の熱交換構造が第２流体通路内に配置され、第２の複数の熱交換構造のそれぞれが第２の厚さと第２の構造密度を画定する。第１の厚さと前記第２の厚さの少なくとも１つは、約０．００５インチと０．０１インチの間であり、第１の構造密度と前記第２の構造密度のうちの少なくとも１つは、１ｃｍ当たり約２と１３の間の熱交換構造である。

本開示の別の例示的態様において、熱交換器の形成方法が提供される。この方法は熱交換器の外部筐体内に第１の通路ハウジングを付加製造し、第１の通路ハウジングが第１流体通路を画定する。この方法にはさらに、第１流体通路内に第１の複数の熱交換構造を付加製造することを含み、第１の複数の熱交換構造のそれぞれが第１の厚さを画定する。この方法はさらに、外部筐体内に第２の通路ハウジングを付加製造し、第２の通路ハウジングが第２流体通路を画定することを含む。。この方法はさらに、第２流体通路内に第２の複数の熱交換構造を付加製造することを含み、第２の複数の熱交換構造のそれぞれが第２の厚さを画定する。第１の厚さと第２の厚さの少なくとも１つは、約０．００５インチと０．０１インチの間である。

本開示のさらに別の例示的態様において、付加製造される熱交換器が提供される。付加製造される熱交換器は、壁を備え、曲線形の流体通路を画定する通路ハウジングを含み、流体通路は入口と出口の間に延在し、かつ流体流を受けるように構成される。付加製造される熱交換器はさらに、流体通路内に付加製造される複数の熱交換構造を含み、熱交換構造の少なくとも一部が、通路ハウジングの壁から約２０°と７０°の間の角度で延在する。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様、利点は以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照してよりよく理解されるようになるであろう。本明細書に組み込まれ、この明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、説明と相俟って、本発明の原理の説明及び例示に供される。

当業者に向けられた本発明の完全かつ有効な開示は、その最良の形態を含めて、添付の図面を参照する本明細書において説明される。

本主題の例示的実施形態による熱交換器の斜視図である。 図１の例示的熱交換器の断面斜視図である。 図１の例示的熱交換器の別の断面斜視図である。 図１の例示的熱交換器の第１流体通路の拡大斜視図である。 図１の例示的熱交換器の断面図である。 図１の例示的熱交換器の第２流体通路の拡大断面図である。 本主題の例示的実施形態による熱交換器の形成方法である。 本明細書及び図面における参照文字の反復使用は、本発明の同一又は類似の特徴又は要素を表すことを意図する。

次に本発明の実施形態を詳細に参照する。その１つ又は複数の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明では、図面の特徴の参照に数字及び文字の符号を使用する。図面及び説明において、本発明の同様又は類似の部品の参照に、同様又は類似の符号を使用した。

本明細書で使用する、「第１」、「第２」、「第３」という用語は、１つのコンポーネントを別のコンポーネントと区別するために互換可能に使用し得るものであって、個別のコンポーネントの位置や重要度を表すことを意図してはいない。「上流」、「下流」という用語は、流体通路における流体流に関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、そこから流体が流れ出る方向を指し、「下流」は、そこに向かって流体が流れ込む方向を指す。

本明細書で使用の「流体」は気体又は液体であってよい。本方法は、使用される流体の種類に制限されない。適切な用途においては、冷却流体は空気であり、被冷却流体はオイルである。本方法は、他の種類の液体及び気体の流体に対して使用することが可能であり、そこでは被冷却流体及び冷却流体は同一の流体であっても、異なる流体であってもよい。被冷却流体及び冷却流体の他の例としては、燃料、油圧流体、燃焼ガス、冷媒、冷媒混合物、誘電流体、冷却アビオニクス又は他の航空機電子システム用誘電流体、水、水ベースの混合物、不凍添加物混合水（例えば、アルコール又はグリコール混合物）、及び高温又は低温における持続的熱輸送可能な他の任意の有機又は無機の熱伝達流体又は流体混合物、がある。

熱交換器及び熱交換器の付加製造方法が提供される。熱交換器には複数の流体通路が含まれ、これは付加製造法によって形成されて、寸法がより小さく、壁がより薄く、従来の製造方法では不可能な複雑かつ入り組んだ熱交換器構造を有する流体通路の形成を可能とする。例えば、流体通路は曲線形であって、厚さが０．０１インチ未満であり、１ｃｍ当たり１２個を超える密度の熱交換フィンを含むことができる。さらに、この熱交換フィンは流体通路の壁に対して傾斜して、隣接フィン同士が相互にずれてもよい。

図１を参照すると、付加製造される熱交換器１００が本主題の例示的実施形態に従って説明される。熱交換器１００は、任意の適切な用途において、２つ以上の流体の間での熱伝達に使用することが可能である。例えば、以下で議論するように、熱交換器１００は、ガスタービンエンジンにおいてオイルから空気へ熱を伝達するために構成される。ただし、熱交換器１００は、上に例を述べた熱伝達プロセスに使用するための任意の適切な数及び種類の流体を収容するように構成可能であることは理解されたい。さらに、本明細書に開示の概念及び熱交換構造は、自動車、航空、海運及びその他の産業において、流体間の熱伝達を支援するために同様に使用可能である。さらに、図１は熱交換器１００の一般的動作を説明する目的で例示的なブロックを示しているが、熱交換器１００の寸法、形状及び構成は本主題の範囲を限定することを意図していない。例えば、流体通路の寸法、形状、数及び構成は、本主題の範囲内に留まったまま変化することが可能である。

図示した実施形態によると、熱交換器１００は一般に、第１の方向、例えばＸ方向に沿って左側１０２と右側１０４の間に延在する外部筐体１０１を含む。さらに、外部筐体１０１は、第２の方向、例えばＹ方向に沿って前側１０２と後側１０４の間に延在する。外部筐体１０１はまた、第３の方向、例えばＺ方向に沿って上側１０２と下側１０４の間に延在する。図示した実施形態によれば、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、直交座標系が一般に定義されるのと同様に、互いに直交する。ただし、例示的な熱交換器１００とＸ−Ｙ−Ｚ座標系は、本主題の態様を説明する目的でのみ使用され、本開示の範囲を制限するものではないことを理解されたい。これに関して、「左」と「右」、「前」と「後」、「上」と「下」などの方向の指標は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれに沿う熱交換器の２つの側の相対位置を示すためにのみ使用される。例示的実施形態によれば、外部筐体１０１の壁は約０．０３インチと０．１インチの間であってよい。ただし、代替実施形態によれば、他の任意の適切な厚さを使用することが可能である。ただし、本明細書に記載の部品、特徴及び構造は、任意の適切な座標系で定義される任意の適切な形状、寸法、配向及び構成を有する熱交換器で使用可能である。

例示的に図示された実施形態によれば、オイルの入口１２０とオイルの出口１２２が熱交換器１００の上側１１０に画定される。このようにしてオイルは（矢印１２４で示すように）、オイル入口１２０を通って熱交換器１００に入り、複数の第１流体通路１２６（図２）を貫通して、オイル出口１２２を通って熱交換器１００から出る。詳細を後で説明する。その上、空気入口１３０が、熱交換器１００の前側１０６に画定され、空気出口（図示せず）が、熱交換器１００の後側１０８に画定される。したがって、後で詳細を説明するように、空気が（矢印１３４で示すように）空気入口１３０を通って熱交換器１００に入り、複数の第２流体通路１３６を通る。第１と第２の流体通路１２６、１３６は互いに熱的に連通して、そこを通過する流体間の熱伝達を行う。ただし、特に、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６は互いに分離されており、それぞれの流体が物理的に相互に混合することはない。この点において、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６のそれぞれは、複数の熱交換器壁で分離することができる。

次に特に図２及び図３を参照すると、熱交換器１００は、それぞれがオイル入口１２０とオイル出口１２２に直接流体連通する、入口プレナム１４０と出口プレナム１４２とを画定する。入口プレナム１４０は、一般にオイル１２４がオイル入口１２０から発散して、複数の第１流体通路１２６の全てに広がるように構成される。対照的に、出口プレナム１４２は、一般にオイル１２４が、熱交換器１００を出る前に、複数の第１流体通路１２６の全てからオイル出口１２２に向かって収束するように構成される。

入口プレナム１４０と出口プレナム１４２は、Ｙ方向に沿って隔壁１４４で分離され、入口プレナム１４０と出口プレナム１４２が複数の第１流体通路１２６を介してのみ流体連通するようになっている。次に特に図４を参照すると、隔壁１４４は、複数の第１流体通路１２６を分離して流入セグメント１４６と流出セグメント１４８とを画定するために、Ｚ軸に沿って上側１１０から下側１１２方向へ（下側１１２には到達しないで）延在する。このようにしてオイル１２４が、オイル入口１２０と入口プレナム１４０を通って熱交換器１００に入るので、第１流体通路１２６はオイル１２４をＺ方向に沿って流入セグメント１４６に向かわせる。オイル１２４は次に隔壁１４４の周りを通過して、流出セグメント１４８をＺ方向に沿って上方向に出口プレナム１４２に向かって移動する。例示的実施形態によれば、隔壁１４４は上側１１０からＺ方向に沿って熱交換器１００の下半分又は下四半分（すなわち、熱交換器１００のＺ方向に沿う高さの約５０パーセントから７５パーセントの間）まで延在する。ただし、代替実施形態によれば、隔壁１４４は上側１１０から任意の適切な距離だけ延在してもよい。あるいはまた、複数の第１流体通路１２６のそれぞれは独立式（すなわちオイルは隣接の通路との間で混ざらない）であって、Ｕ字型であってもよい。

例示的実施形態によれば、単一の隔壁１４４は、第１流体通路１２６がＵ字形を形成して、オイル１２４に熱交換器１００を２回通過させる構成となるように示されている。より具体的には、オイル１２４は、熱交換器１００の実質的に全長に沿って、流入セグメント１４６をＺ方向下側に、かつ流出セグメント１４８をＺ方向上側に移動する。さらに、空気１３４が熱交換器１００を１回、すなわち前側１０６から後側１０８へ実質的にＹ方向に沿って通過するように示されている。ただし、熱交換器１００、より具体的には第１及び第２の流体通路１２６、１３６が、それぞれの流体を任意の適切な回数まで導いて、所望の流体流と熱伝達特性を達成するように構成されてもよいことを理解されたい。これに関しては、例えば熱交換器１００が複数の隔壁１２４を含んでいて、オイル１２４に熱交換器１００を４回以上通過させるように構成されていてもよい。同様に、第２の流体通路１３６が、空気１３４を熱交換器１００を複数回まで通すように導いて熱伝達を増大させるように構成されてもよい。

特に、本明細書に記載の付加製造法は、従来の製造方法では不可能の構成、厚さ及び密度の流体通路及び熱交換構造の製造を可能とする。複数の第１流体通路１２６における様々な熱交換構造は、分かり易くするために図２及び図３には示していない。ただし、ここで図４〜図６を参照して、様々な例示の流体通路１２６、１３６及び関係する熱交換構造を記述する。より具体的には、図４は第１流体通路１２６を示す熱交換器１００の側断面図である。図５は、図３に示す断面斜視図の拡大図である。図６は、複数の第２通路１３６の拡大図である。本明細書で議論する付加製造技術は、任意の適切な目的に対する、他の流体通路、熱交換構造及び熱交換器の製造に使用することができる。

図示したように、複数の第１流体通路１２６は、例えば熱エネルギーの伝達を促進するためのフィン１６０としてここに示されているような、第１の複数の熱交換構造を含む。従来の熱交換器に関しては製造上の制約として、フィンが熱交換通路の壁に対して実質的に直角に配向することを必要とする。しかし、特に以下で述べる付加製造法では、流体通路の壁に対してフィン１６０が任意の適切な角度で配向可能である。例えば図５に示すように、フィン１６０は、複数の第１流体通路１２６の壁に対して第１の角度１６２で配向する。例えば、第１の角度１６２はいくつかの実施形態において、約１０°と８０°の間、約３０°と６０°の間、あるいは約４５°である。こうして、各フィン１６０の熱伝達面を増加させることが可能である。本明細書で使用する、「近似的に」、「実質的に」あるいは「約」などの近似を表す用語は、１０％の誤差範囲内にあることを示すことを理解されたい。

再び図４を参照すると、図示した例示的実施形態によれば、フィン１６０はフィン１６０と流体の接触を増加させるために互い違いになっている。これに関して、第１流体通路１２６は第１の流体流方向を画定し、第２流体通路１３６は第２の流体流方向を画定する。本明細書で使用するように、「互い違い」の熱交換構造を有する流体通路は、第１又は第２の流体流方向に沿う、互いに隣接する構造が、第１又は第２の流体流方向に対して直角な方向に沿って互いにずれているものである。特に、ずれの大きさと第１流体通路方向に沿うフィン１６０の間隔は、本主題の範囲に留まったままで変化することが可能である。その上、あるいは代替として、第２流体通路１３６においてフィン１７０が同様に互い違いになっていてもよい。

次に特に図６を参照すると、複数の第２流体通路１３６の拡大図が示されている。複数の第１流体通路１２６と同様に第２流体通路１３６は、熱伝達を促進するための複数の熱交換面、例えばフィン１７０を含んでもよい。フィン１６０と同様にフィン１７０は、流体通路の壁に対して任意の適切な角度で配向することができる。例えば図に示すように、フィン１７０は、複数の第２流体通路１３６の壁に対して第２の角度１７２で配向する。例えば、第２の角度１７２はいくつかの実施形態によれば、約１０°と８０°の間、約３０°と６０°の間、あるいは約４５°である。こうして、各フィン１７０の熱伝達面を増加させることが可能である。

さらに、複数の第２流体通路１３６のそれぞれは、熱交換器１００に曲線プロファイルを与えるために、扇形であるか、あるいは熱交換器１００の下側１１２に向かって幅が増加していてもよい。曲線プロファイルは、例えば、熱交換器１００が取りつけられる可能性のあるガスタービンエンジンのコアエンジンの輪郭に倣うために最適であり得る。より具体的には、複数の第２流体通路１３６のそれぞれは、第１の壁１８０と第２の壁１８２によって部分的に画定されてもよい。一例示的実施形態によれば、第１の壁１８０と第２の壁１８２は、０．０１５インチと０．０３インチの間の平均厚さを有するプレートであってもよい。第３の角度１８４が、第１の壁１８０と第２の壁１８２の間に画定されてもよい。図に示す実施形態によれば、第３の角度１８４は非常に小さく、例えば５°未満である。ただし、本明細書に記載の付加製造法では、角度１８４が、例えば５°より大きい、又は４０°より大きいなどの任意の適切な角度となるように熱交換器１００を製造可能である。

ここに開示の付加製造法はまた、フィン１６０、フィン１７０などの非常に薄いフィンの一体製造を可能とする。例えばフィン１７０はそれぞれが約０．００４インチと０．２インチの間の厚さであってもよい。他の実施形態によれば、フィン１７０は、約０．００５インチと０．１インチの間、あるいは約０．００７５インチの厚さであってもよい。このように、開示の製造法を使って、フィン１７０は、単一の付加的に構築される層、例えば１０マイクロメートルまでの任意の適切なフィン厚さで製造することが可能である。特に、極めて薄いフィンを製造可能であることは、熱交換構造密度の非常に大きな熱交換器の製造も可能とする。例えば、フィン１７０は、１ｃｍ当たり２個から１３個の間のフィン密度を有するように形成することが可能である。図６に示すように、フィン１７０は１ｃｍ当たりフィン１０個のフィン密度を有する。しかし、代替実施形態によれば、フィン１７０のフィン密度は、１ｃｍ当たり１０個の熱交換構造よりも大きくてもよい。さらに、各フィン１７０は同一で、各流体通路を通して均一な間隔となっていてもよいし、あるいは各フィン１７０が異なっていて不均一な間隔であってもよい。

第１流体通路１２６と第２流体通路１３６は、通常非円形の形状を画定し、熱交換器に利用可能な表面積を増加させるようになっている。例えば、図示した実施形態によれば、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６は、正方形又は四角形の断面を有する。これに関しては、各流体通路１２６、１３６が、例えば流路内の流体流に直角に測った平均距離である高さを有してもよい。より具体的には、例えば、通路高さは、各流体通路１２６、１３６の壁と壁の間の平均距離、例えば、１つの通路壁から壁に垂直な方向に沿うもう１つの通路壁との間の平均距離として規定されてもよい。以下で説明する付加製造法は、そのような通路１２６、１３６を任意の適切な高さで形成することを可能とする。

図５に図示した例示的な実施形態によれば、第１流体通路１２６のそれぞれは、第１の通路高さ１９０を画定し、第２流体通路１３６のそれぞれは、第２の通路高さ１９２を画定することができる。第１の通路高さ１９０と第２の通路高さ１９２は、与えられた流体通路に関する第１の壁１８０と第２の壁１８２の間の距離として画定されてもよい。第１の通路高さ１９０と第２の通路高さ１９２は、それぞれの通路の長さに沿って一様であってもよいし、あるいは、図６に示すように通路の長さに沿って変化してもよい。さらに、通路アレイ内の各通路は、同一の高さであっても、異なる高さであってもよい。

第１の通路高さ１９０と第２の通路高さ１９２は、それぞれの通路を通過する流体流を改良するように選択されてもよい。例えば、オイルが流れるように構成される流体通路の高さは、空気が流れるように構成される流体通路の高さよりも小さくてよい。例示的実施形態によれば、第１の通路高さ１９０と第２の通路高さ１９２のうちの少なくとも１つが、約０．０１インチと１．０インチの間である。ただし、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６は、任意の適切な寸法と形状を有してもよいことは理解されたい。

第１流体通路１２６と第２流体通路１３６のそれぞれは、直線、曲線、蛇行形、らせん形、正弦波形、又は他の任意の適切な形状であってよい。例えば、図４に示すように、第１流体通路１２６は曲線、すなわちＵ字形である。特に、熱交換器１００は通常、性能を促進する形状と熱交換構造を有することが可能であって、それらの実際の実装は、以下で述べるように付加製造プロセスによって容易となる。例えば、いくつかの例示的実施形態によれば、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６は、熱伝達プロセスを支援するために、複数の熱交換面又は熱交換構造、例えばフィン１６０、１７０を有してもよい。

熱交換器１００の様々な部分は、熱交換器１００に必要な構造的支持の提供に要求される、任意の形状、密度及び厚さをした任意の適切な材料を用いて構築されてよい。例えば、熱交換器１００の外壁１９６は、剛性の断熱性材料で形成されてよい。さらに、外壁１９６は、ガスタービンエンジンの取り付け、組み立て及び運転中に熱交換器１００が受ける荷重に対する構造的支持を提供するために、より厚く、より高密度であってよい。対照的に、内壁（例えば第２流体通路１３６の壁１８０、１８２）は、熱伝達を促進するために、より薄くて、熱伝導性のより高い材料で構築されてよい。例えば、例示的実施形態によれば、熱交換器通路１２６、１３６の壁は、熱伝導性金属合金で構築されて、０．０３インチ未満の厚さであってよい。さらに別の例示的実施形態によれば、熱交換器通路の壁は、約０．０１５インチの厚さであって、通路を通過する流体に応じて変わってもよい。

図示した実施形態によれば、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６は、交差流構成となっており、すなわちオイルと空気が互いに垂直に流れる。ただし、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６はそれに代わって、対流構成に構成されてもよいことを理解されたい。そこでは、熱交換器１００は、第１流体通路１２６と第２流体通路１３６が実質的に平行であって、かつそれぞれの流体流が各通路１２６、１３６内を反対方向に移動する。さらに、いくつかの実施形態によれば、流体はそれぞれの通路１２６、１３内を同一方向に移動してもよい。

特に、本明細書に記載の付加製造法が、任意の寸法又は形状を有する熱交換器の形成を可能とする。この点において、例えば熱交換器のフットプリント又は外部プロファイルが、例えばガスタービンエンジンにおいて、そのままであれば「無駄な空間」となる所にぴったりと嵌まるように、又はより空力的又は効率的となるために、正方形、円、曲線又は他の任意の適切な形状であってよい。さらに、熱交換器内の流体供給通路は、任意の適切な寸法又は構成であって、固有のプロファイル、より薄い壁、より低い通路高さ及びより複雑かつ入り組んだ熱交換構造であってよい。これらのいくつかは本明細書で述べる。

本主題の例示的実施形態による熱交換器１００の構造及び構成をこれまでに説明したが、次に本主題の例示的実施形態による熱交換器を形成する例示的方法２００を述べる。方法２００は、熱交換器１００又は他の任意の適切な熱交換器を形成するために使用可能である。本明細書で説明する例示的方法２００は、本主題の例示的態様を記述するためのみのものであり、制限を意図するものではないことを理解されたい。

図７を参照すると、方法２００はステップ２１０において、熱交換器の外部筐体内に第１の通路ハウジングを付加製造し、第１の通路ハウジングが第１流体通路を画定する。ステップ２２０が、第１流体通路内に第１の複数の熱交換構造を付加製造することを含み、第１の複数の熱交換構造のそれぞれが第１の厚さを画定する。ステップ２３０が、外部筐体内に第２の通路ハウジングを付加製造することを含み、第２の通路ハウジングは第２流体通路を画定する。ステップ２４０が、第２流体通路内に第２の複数の熱交換構造を付加製造することを含み、第２の複数の熱交換構造のそれぞれが第２の厚さを画定する。特に、例示的実施形態によれば、第１の厚さと第２の厚さの少なくとも１つは、約０．００５インチと０．０１インチの間である。

通常、開示の熱交換器１００は任意の適切なプロセスを用いて製造又は形成することが可能である。ただし、本主題のいくつかの態様によれば、熱交換器１００は、３−Ｄ印刷プロセスなどの付加製造プロセスを用いて形成することができる。そのようなプロセスを用いることで、例示的実施形態により前に説明したように、熱交換器１００が、単一のモノリシックコンポーネントとして一体形成可能である。特に、この製造方法により、熱交換器１００が一体形成されて、従来の製造方法では不可能な、様々な特徴を含むことができる。これらの新規な特徴のいくつかを本明細書で説明する。

本明細書で使用するように、「付加製造される」あるいは「付加製造技術又はプロセス」という用語は、一般的に材料の層がそれぞれの上に連続的に提供されて、３次元コンポーネントを１層ごとに「積層造形」することを指す。連続的な層は通常相互に溶融して、多様な一体サブコンポーネントを有することができるモノリシックコンポーネントを形成する。本明細書では、付加製造技術を、ポイントごとに、又は層ごとに、典型的には垂直方向に物体を造形することにより、複雑な物体の製造を可能とするように記述したが、他の製造方法も可能であって、かつ本主題の範囲内である。

本開示による、適切な付加製造技術には、例えば、熱溶解積層法（ＦＤＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェットやレーザジェットによる３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、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ーピング（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェープ製造（ＬＮＳＭ）、直接金属堆積（ＤＭＤ）、デジタル光プロセッシング（ＤＬＰ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、及び他の既知のプロセスが含まれる。

本明細書に記載の付加製造プロセスは、任意の適切な材料を用いてコンポーネントの形成に使用することが可能である。例えば、材料は、プラスチック、金属、コンクリート、セラミック、ポリマー、エポキシ、フォトポリマー樹脂、あるいは固体、液体、粉末、シート材料、ワイヤ又は他の任意の適切な形態であり得る他の任意の適切な材料であってよい。より具体的には、本主題の例示的実施形態によれば、熱交換器１００は、これに限るものではないが、純金属、ニッケル合金、クロム合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル−クロム基超合金（例えば、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から市販されているインコネル（登録商標）という名前で入手可能なもの）などのオーステナイト系合金を含む材料で、部分的又は全体として、あるいはその何らかの組み合わせで形成することが可能である。

さらに、様々な材料と、これらの材料を接合する方法が使用可能であり、かつ本開示の範囲内にあると考え得ることを当業者は理解するであろう。本明細書に使用されている、「溶融する」ということは、上記の材料の任意のものの接合層を形成するための任意の適切なプロセスを指すことが可能である。例えば、物体がポリマーからできている場合、溶融は、ポリマー材料間の熱硬化性接合を生成することを指してもよい。物体がエポキシの場合、架橋プロセスによって接合が形成され得る。物体がセラミックの場合、焼結プロセスによって接合が形成され得る。物体が粉末金属の場合、溶解プロセスによって接合が形成され得る。当業者であれば、付加製造によってコンポーネントの形成するための他の材料溶融方法が可能であり、本開示の主題はこれらの方法により実行可能であることを理解するであろう。

さらに、本明細書に開示の付加製造プロセスは、複数の材料から単一のコンポーネントの形成を可能とする。そうして、上記の材料の任意の適切な混合で熱交換器１００が形成され得る。例えば、コンポーネントには、異なる材料、プロセス、及び／又は異なる付加製造機械を用いて形成される、複数の層、セグメント、又は部分が含まれてもよい。このように、任意の特定の用途の要求に応じるための、異なる材料及び異なる特性を有するコンポーネントを構築することが可能である。さらに、ここでは熱交換器１００は、付加製造プロセスによって全体が構築されるように記述したが、代替実施形態では、熱交換器１００の全て又は一部が、鋳造、機械加工及び／又は他の任意の適切な製造プロセスによって形成され得ることを理解されたい。実際に、材料と製造方法の任意の適切な組み合わせを使用して熱交換器１００を形成することが可能である。

例示的な付加製造プロセスを次に説明する。付加製造プロセスは、３次元（３Ｄ）情報、例えばコンポーネントの３次元コンピュータモデルを用いて、コンポーネントを作製する。したがって、熱交換器１００の３次元設計モデルが製造の前に画定されてよい。これに関して、熱交換器１００のモデル又はプロトタイプがスキャンされて熱交換器１００の３次元情報が決定されてもよい。別の例としては、熱交換器１００のモデルが、適切なコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムを用いて構築されて、熱交換器１００の３次元設計モデルが画定されてもよい。

設計モデルには、熱交換器１００の外表面と内表面の両方を含む、コンポーネントの全体構成の数値座標が含まれ得る。例えば、設計モデルは、外部筐体、熱交換構造、内部流体チャネル又は循環導管、開口、支持構造などを規定し得る。一例示的実施形態では、３次元設計モデルは、例えばコンポーネントの中心軸（例えば垂直軸）又は他の任意の適切な軸に沿った、複数の切片又はセグメントに変換される。各切片は、所定の高さの切片に対する、コンポーネントの２次元（２Ｄ）断面を画定することができる。複数の連続した２Ｄ断面切片が全体として３Ｄコンポーネントを形成する。コンポーネントは次いで、完了するまで切片ごと、あるいは層ごとに「積層造形」される。

こうして、熱交換器１００が付加プロセスを使用して作製され、より具体的には、例えばレーザエネルギー又は熱を使用してプラスチックを溶融又は重合することにより、あるいは金属粉末を焼結することにより、各層が連続的に形成される。例えば、特定のタイプの付加製造プロセスが、例えば電子ビームや、レーザビームなどの電磁放射などのエネルギービームを使用して、粉末材料を焼結又は溶解してもよい。任意の適切なレーザ及びレーザパラメータを、出力、レーザビームスポット径、及び走査速度を考慮しながら、使用することができる。造形材料は、特に高温における強度、耐久性及び有効寿命の向上のために選択された任意の適切な粉末又は材料によって形成することができる。

各連続層は、例えば約１０μｍから２００μｍの間であってよい。ただし、厚さは任意の数のパラメータに基づいて選択可能であり、また代替実施形態によると任意の適切な寸法であってよい。したがって、上記の付加製造法を利用することで、熱交換器面（例えば、壁１３６）は、付加製造プロセス中に利用される関連の粉末層の１層の厚さ、例えば１０μｍ程度に薄くてもよい。

特に、例示的実施形態において、熱交換器１００のいくつかの特徴は、製造上の制約のために以前は実現できなかった。ただし、本発明者らは、付加製造技術の今日の進歩を有利に活用して、一般的に本開示による熱交換器１００の例示的実施形態を開発した。本開示は、一般的に熱交換器１００を形成するための付加製造の使用に限定されるものではないが、付加製造は、製造の容易さ、コストの削減、精度の向上などを含む様々な製造上の利点を提供する。

これに関して、付加製造法を利用することで、熱交換器１００は、単一の連続金属片となり得て、既知の熱交換器よりもコンポーネント及び／又は接合部が少なくなり得る。付加製造によって熱交換器１００を一体形成することは、全体の組み立てプロセスを有利に改善できる可能性がある。例えば、一体形成により、組み立てを必要とする個別部品点数が減り、関連する時間と全体の組み立てコストが削減される。さらに、例えば、漏洩、個別部品間の接合品質、及び全体性能に関する既存の問題点は、有利に低減できる可能性がある。

また、上記の付加製造方法は、熱交換器１００のはるかに複雑で入り組んだ形状及び輪郭を可能とする。例えば、熱交換器１００は、薄い壁（０．０３インチ未満）、幅の狭い通路、及び新しい熱交換構造を含むことができる。これらの全ての特徴は、熱伝達を最大化し、かつ熱交換器１００の寸法又はフットプリントを最小化するために、比較的複雑かつ入り組んでいる可能性がある。さらに、付加製造プロセスは、異なる材料、特定の熱伝達係数、又は例えば通路を流れる流体流を促進又は制限する所望の表面テキスチャを有する構造の製造を可能とする。連続的な、付加的な性質を有する製造プロセスは、これらの通路及び構造の構築を可能とする。その結果、熱交換器１００の性能は、他の熱交換器に比べて改善され得る。

付加プロセスを利用すると、通路を通る流体流を改善するように表面仕上げ及び通路寸法を形成して、通路の内部の熱伝達を改善することなどが可能である。例えば、付加プロセス中のレーザパラメータを適切に選択することにより、表面仕上げを（例えば、より滑らかにするか粗くするかなど）調節可能である。より粗い仕上げは、レーザの走査速度又は粉末層の厚さを増加させることで可能であり、より滑らかな仕上げは、レーザの走査速度又は粉末層の厚さを減少させることで可能である。走査パターン及び／又はレーザ出力を変更して、選択された領域の表面仕上げを変えることもまた可能である。特に、より滑らかな表面は熱交換通路を通る流体の流れを高速化することが可能であり、対照的により粗い表面は流体の乱流を促進して熱伝達を向上させることが可能である。

この書面の記述は、最良の形態を含む本発明を開示するための、また当業者に任意のデバイスまたはシステムの作製と使用、および組み込まれた任意の方法の遂行を含む、本発明の実行を可能とさせるための、実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例も含み得る。そのような他の実施例は、もしそれらが請求項の文字通りの言葉に違わない構造要素を有する場合、または請求項の文字通りの言葉からあまり差異のない、等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

Claims (20)

1. 熱交換器であって、
   第１流体通路を画定する第１通路ハウジングと、
   前記第１流体通路内に配置された第１の複数の熱交換構造であって、前記第１の複数の熱交換構造のそれぞれが第１の厚さと第１の構造密度とを画定する、第１の複数の熱交換構造と、
   前記第１流体通路と熱的に連通する第２流体通路を画定する第２通路ハウジングであって、前記第１通路ハウジングと前記第２通路ハウジングは単一の一体品として付加製造される、第２通路ハウジングと、
   前記第２流体通路内に配置された第２の複数の熱交換構造であって、前記第２の複数の熱交換構造のそれぞれが第２の厚さと第２の構造密度とを画定する、第２の複数の熱交換構造と、
   を備え、
   前記第１の厚さと前記第２の厚さのうちの少なくとも１つは、約０．００５インチと０．０１インチの間であり、前記第１の構造密度と前記第２の構造密度のうちの少なくとも１つは、１ｃｍ当たり約２と１３の間の熱交換構造である、熱交換器。
2. 前記第１通路ハウジングと前記第２通路ハウジングの少なくとも１つは曲線形である、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１の厚さと前記第２の厚さの少なくとも１つは約０．００７５インチである、請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１の構造密度と前記第２の構造密度の少なくとも１つは、１ｃｍ当たり１０の熱交換構造よりも大きい、請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記第１通路ハウジングは第１の通路高さを画定し、前記第２通路ハウジングは第２の通路高さを画定し、前記第１の通路高さと前記第２の通路高さの少なくとも１つは、約０．０５インチと０．５インチの間である、請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記第１の通路高さと前記第２の通路高さの少なくとも１つは、約０．１インチ未満の高さである、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１通路ハウジングは第１の壁を備え、前記第２通路ハウジングは第２の壁を備え、前記第１の複数の熱交換構造は前記第１の壁に対して第１の角度で配向し、前記第２の複数の熱交換構造は前記第２の壁に対して第２の角度で配向し、
   前記第１の角度と前記第２の角度の少なくとも１つは、９０°又はマイナス９０°未満である、請求項１に記載の熱交換器。
8. 前記第１の角度と前記第２の角度の少なくとも１つは、約４５°又はマイナス４５°である、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記第１流体通路は第１の流体流方向を画定し、前記第２流体通路は第２の流体流方向を画定し、
   前記第１の複数の熱交換構造と前記第２の複数の熱交換構造の少なくとも１つは、それぞれ前記第１の流体流方向又は前記第２の流体流方向に沿って互い違いになっている、請求項１に記載の熱交換器。
10. 前記第１通路ハウジングと前記第２通路ハウジングは、２つ以上の流体の交差流、対向流、対向交差流、又は平行流のために構成される、請求項１に記載の熱交換器。
11. 前記第１通路ハウジングと前記第２通路ハウジングは、空気、燃料、冷媒又はオイルを受けるように構成される、請求項１に記載の熱交換器。
12. 熱交換器の形成方法であって、
    前記熱交換器の外部筐体内に、第１流体通路を画定する第１通路ハウジングを付加製造するステップと、
    前記第１流体通路内に、それぞれが第１の厚さである第１の複数の熱交換構造を付加製造するステップと、
    前記外部筐体内に、第２流体通路を画定する第２通路ハウジングを付加製造するステップと、
    前記第２流体通路内に、それぞれが第２の厚さである第２の複数の熱交換構造を付加製造するするステップと、
    を含み、
    前記第１の厚さと前記第２の厚さの少なくとも１つは、約０．００５インチと０．０１インチの間である、方法。
13. 前記第１通路ハウジングと前記第２通路ハウジングの少なくとも１つは曲線形である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の複数の熱交換構造が第１の構造密度を画定し、かつ前記第２の複数の熱交換構造が第２の構造密度を画定し、
    前記第１の構造密度と前記第２の構造密度の少なくとも１つは１ｃｍ当たり約２と１２の間の熱交換構造である、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１通路ハウジングは第１の壁を備え、前記第２通路ハウジングは第２の壁を備え、前記第１の複数の熱交換構造は前記第１の壁に対して第１の角度で配向し、前記第２の複数の熱交換構造は前記第２の壁に対して第２の角度で配向し、
    前記第１の角度と前記第２の角度の少なくとも１つは、約３０°と６０°の間、又は約マイナス３０°とマイナス６０°の間である、請求項１２に記載の方法。
16. 前記第１流体通路は第１の流体流方向を画定し、前記第２流体通路は第２の流体流方向を画定し、
    前記第１の複数の熱交換構造と前記第２の複数の熱交換構造の少なくとも１つは、前記第１の流体流方向又は前記第２の流体流方向のそれぞれに沿って互い違いになっている、請求項１２に記載の方法。
17. 付加製造される熱交換器であって、
    壁を備え、かつ曲線形の流体通路を画定する通路ハウジングであって、入口と出口の間に延在し、かつ流体流を受けるように構成された通路ハウジングと、
    前記流体通路内に付加製造される複数の熱交換構造であって、その少なくとも一部が、前記通路ハウジングの前記壁から約２０°と７０°の間の角度で延在する熱交換構造と、
    を備える、熱交換器。
18. 前記第１の複数の熱交換構造のそれぞれは、０．０１インチ未満の平均厚さと、１ｃｍ当たり４つの構造を超える熱交換構造密度を有する、請求項１７に記載の熱交換器。
19. 前記通路ハウジングは、前記流体流の方向に対して垂直に規定される通路高さを画定し、前記通路高さは約０．０５インチと０．５インチの間である、請求項１７に記載の熱交換器。
20. 前記角度は約４５°又はマイナス４５°である、請求項１７に記載の熱交換器。