JP6833255B2 - 一体型チューブインマトリックス熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンで利用される熱交換器に関する。さらに詳細には、限定のためではないが、本発明は、複数のチューブフロー回路間での熱伝達を可能にする一方、頑丈であり長い漏出閉じ込めを提供する一体型チューブインマトリックス熱交換器に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気は圧縮機で加圧され、タービンステージを通って下流に流れる高温燃焼ガスを生成するための燃焼器で燃料と混合される。典型的なガスタービンエンジンは、一般に、それらの間に軸線方向に配置されたそのいくつかのコアまたは推進力構成要素とともに、前端部および後端部を有する。空気入口または吸気口は、ガスタービンエンジンの前端部に位置している。吸気口の後、圧縮機、燃焼チャンバ、およびタービンが順に続き、後端部に向かって移動する。例えば低圧圧縮機および高圧圧縮機、並びに低圧タービンおよび高圧タービンのような追加の構成要素をエンジンに含んでもよいことは、当業者から直ちに明らかになる。しかしながら、これは、包括的なリストではない。典型的なターボプロップガスタービンエンジン航空機では、タービンステージは、ターボプロペラを回転するために、燃焼ガスからエネルギーを取り出す。いくつかの実施形態では、推進器は、いくつかの航空機のケースでは、１つ以上のターボプロペラ（以下、「ターボプロップ」）に動力を供給してもよい。代替の実施形態では、推進器は、ヘリコプターの運転のために、ロータとして具現化された１つ以上のターボプロペラを駆動してもよい。

運転中、高温の流れを発生させる高圧圧縮機によって、かなりの熱が発生する。エンジン故障を引き起こすかもしれない受け入れられないレベルまでエンジン温度を上昇させないように、エンジンの内部での熱発生を管理することは必要であるかもしれない。これを行う１つの方法は、構成要素を冷却するために、ブリード空気を使用することによる。しかしながら、他のエンジン構成要素を冷却する前記ブリード空気より前に、圧縮機排出空気の温度を制御することが必要であってもよい。

高圧および高温度の圧縮機排出空気を冷却するために、二重壁熱交換器を利用する試みがなされてきた。しかしながら、前記試みは、望まれたように成功していない。１つのブリードフロー回路が高温および高圧で同時に運転する前記熱交換器の使用中の様々な欠点が指摘されてきた。内壁またはフローチューブを包囲する外壁によって形成された空隙によって、前記二重壁交換器の熱伝達または熱効率は、幾分か制限される。さらに、独立した流体の流れは、構造的な故障が生じるとき、混合してもよい。結果として起こる望ましくない流体の混合が生じるために、必要な故障の数を増加させることが望ましい。

さらに、代替のタイプの冷却器、例えば、プレートフィン冷却器は、故障をはがすことを受け入れる余地がある。

２つ以上の流体の流れを独立したままにするために、熱交換器を設けることが望ましい。前記故障に必要とされる流路の数を増加させることによって、熱交換器の故障による流体の流れの混合の可能性を減少させることも望ましい。さらに、例えば、二重壁熱交換器と比較すると、熱交換器の熱伝導性を向上させることが望ましい。これらおよび他の目的を満たし積層造形（３次元印刷）技術によって製造することができる熱交換器を設けることがさらに望ましい。

ここで引用されたいかなる参照文献およびいかなる前記参照文献の説明または検討を含む、本明細書のこの背景部分に含まれる情報は、技術的な参照目的のためにのみ含まれ、本実施形態の範囲が束縛されるべき主題と考えられるべきではない。

米国特許出願公開第２０１３／２０６３５９号明細書

本実施形態によれば、ガスタービンエンジンのためのクロスフロー熱交換器が設けられている。熱交換器は、１つの流体の流れから第２の独立した流体の流れに熱を伝達するために利用してもよく、流体の流れの１つは、大きな差の入口圧力および入口温度を有する。熱交換器は、単一のダクトが破裂している間、流体の流れの混合を阻止するために、頑丈な構造物を有してもよい。熱交換器は、望ましくは、積層造形技術を含むがこれに限定されない様々な方法で構成してもよい。

いくつかの実施形態によれば、一体型チューブインマトリックス熱交換器は、第１流体入口および第１流体出口を有する一体型本体を備え、一体型本体は、第２流体入口および第２流体出口を有する。第１の複数の第１流体チューブは、一体型本体に形成され、第１流体入口と第１流体出口との間に延びている。第２の複数の第２流体チューブは、一体型本体に形成され、第２流体入口と第２流体出口との間に延びている。一体型本体は、酸化防止コーティングによってコーティングされた高伝導性の金属材料で形成してもよい。第１の複数の第１流体チューブは、第１の配列が第２の配列に対して角度が付けられ、少なくとも１つの拡散障壁が、前記第１の複数の流体チューブおよび第２の複数の流体チューブの外部をコーティングするように、第２の配列を形成する第２の複数の第２流体チューブと交互である配列を形成する。

上で述べられた特徴の全ては、例示のようにのみ、理解されるべきである。一体型チューブインマトリックス熱交換器のより多くの特徴および目的は、ここでの開示から得てもよい。この概要は、下の詳細な説明でさらに説明された簡略化された形での概念の選択を導入するために提供される。この概要は、請求された主題の極めて重要な特徴または必須の特徴を特定することは意図していないし、請求された主題の範囲を限定するために使用されることは意図されていない。本発明の特徴、詳細、有用性、および利点のより広範囲に及ぶ提示は、添付図面に示され、添付の特許請求の範囲で規定された本発明の様々な実施形態の以下の記載された説明で提供されている。それゆえに、この概要の限定されない解釈は、ここに含まれた明細書全体、特許請求の範囲、および図面をさらに読み取ることなく、理解されるべきである。

これらの例示の実施形態の上述および他の特徴、並び上述および他の利点を実現する方法がより明らかになり、一体型チューブインマトリックス熱交換器は、添付図面で見られる実施形態の以下の説明を参照することによってより良好に理解される。

１つの例示のガスタービンエンジンの概略側面図である。 １つの例示の熱交換器の等角図である。 熱交換器および流体の流れの１つの例示の実施形態の等角図である。 図３の例示の熱交換器の側面図である。 ２つの流体フローチューブの詳細を描写した、流体フローチューブの部分図である。 複数の流体の流れを有する熱交換器の概略上面図である。 漏れの検出のために使用される電気回路の概略図である。 図７の電気回路を利用した熱交換器の概略上面図である。 インラインユニットの形として示された熱交換器の様々な実施形態の等角図である。 インラインユニットの形として示された熱交換器の様々な実施形態の等角図である。 インラインユニットの形として示された熱交換器の様々な実施形態の等角図である。 インラインユニットの形として示された熱交換器の様々な実施形態の等角図である。 インラインユニットの形として示された熱交換器の様々な実施形態の等角図である。 １つの例示の熱交換器およびチューブ配置の断面図である。 第２の例示の熱交換器およびチューブ配置の断面図である。 この熱交換器の実施形態で利用することができる様々なチューブ形状の断面部分である。 利用することができるチューブ形状の別の実施形態の図である。 別の代替のチューブの実施形態の等角部分図である。 図１８の代替の実施形態の等角部分図である。

１つ以上の例が図に示され提供された実施形態に対して、参照がこれから詳細に行われる。それぞれの例は、開示された実施形態の限定ではなく、説明のために提供される。実際には、様々な修正および変形形態は、本開示の範囲または精神から逸脱することなく、本実施形態で作成することができることが当業者に明らかである。例えば、１つの実施形態の一部分として示されたまたは説明された特徴は、さらなる実施形態を生み出すために、別の実施形態とともに使用することができる。したがって、本発明が添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内に入るように前記修正および変形形態を含むことが意図されている。

図１から図１９を参照すると、一体型チューブインマトリックス熱交換器の様々な実施形態が描写されている。エンジン、例えばガスタービンエンジンの内部での後続の使用のために少なくとも１つの流体に冷却が提供されるように、熱交換器は、２つ以上の流体のクロスフローを許容する。熱交換器は、知られたレンガ−フィンプレート冷却器または薄くはがれたフィン表面冷却器の完全性を危険にさらすかもしれない流体の流れの大きな差の入口圧力および大きな差の入口温度に耐えることができる頑丈な構造を有する。例示の熱交換器は、流体の流れの組み合わせを緩和するために様々な特徴を含んでもよく、望ましい熱物理的特性を有する小型の熱輸送形状を許容する一方、熱伝導性を高めた材料を利用する。ここで使用されるとき、「軸線方向の」または「軸線方向に」という用語は、エンジンの長手方向の軸線に沿った寸法に言及する。「軸線方向の」または「軸線方向に」とともに使用される「前方の」という用語は、エンジン入口に向かう方向に移動すること、または構成要素が別の構成要素と比較すると、エンジン入口に比較的近いということに言及する。「軸線方向の」または「軸線方向に」とともに使用される「後方の」という用語は、エンジン出口に向かう方向に移動すること、または入口と比較すると、構成要素がエンジン出口に比較的近いということに言及する。ここで使用されるとき、「径方向の」または「径方向に」という用語は、エンジンの中心の長手方向の軸線と外側のエンジン外周との間に延びる寸法に言及する。

最初に図１を参照すると、エンジン入口端部１２を有するガスタービンエンジン１０の概略部分側面図が示され、空気は、一般に、複数ステージの高圧圧縮機１４、燃焼器１６、および複数ステージの高圧タービン２０によって規定されたコア推進器１３に入る。集合的には、コア推進器１３は、ガスタービンエンジン１０を運転する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、１つの配列のタービンブレード２７を含む。排気側２９は、軸線方向のエンジン入口端部１２の反対側に存在する。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から市販されているいかなるエンジンであってもよい。ガスタービンエンジン１０は、航空機製造の実施形態で示されたが、ガスタービンエンジン１０は、航空機製造、発電、工業、船舶などのために使用することができるとき、前記例は、限定することが考えられるべきではない。

運転時、空気は、ガスタービンエンジン１０のエンジン入口端部１２を通って入り、空気圧が増加され燃焼器１６に向けられる低圧圧縮機２２および高圧圧縮機１４で少なくとも１つの圧縮のステージを通って移動する。圧縮空気は、燃料と混合され、高圧タービン２０に向かって燃焼器１６を出ていく高温燃焼ガスを供給しつつ燃焼される。高圧タービン２０では、エネルギーは、高圧シャフト２４を回転させるタービンブレード２７を回転させる高温燃焼ガスから取り出される。高圧シャフト２４は、１つ以上の高圧圧縮機１４ステージを回転させ、動力サイクルを持続するために、ガスタービンエンジン１０の前に向かって通っている。低圧タービン２１は、追加の圧縮機ステージでさらなるエネルギーおよび動力を取り出すために利用してもよい。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に連結されている。ファン１８は、ガスタービンエンジン１０のための推進力を作り出す。

様々なエンジン構成要素が中心線軸線２６を中心に回転するように、ガスタービンエンジン１０は、中心線軸線２６を中心に軸対称である。軸対称である高圧シャフト２４は、タービンエンジン前端部を通って後端部の中に延び、シャフト構造体の長さに沿って、ベアリングによってジャーナル結合されている。高圧シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の中心線軸線２６を中心に回転する。高圧シャフト２４は、高圧シャフト２４の中で高圧シャフト２４の回転から独立して低圧シャフト２８を回転できるように、中空であってもよい。低圧シャフト２８は、エンジンの中心線軸線２６を中心に回転してもよい。運転中、シャフト２４，２８は、動力および工業または航空機製造の使用領域で使用される様々なタイプのタービンの動力または推力を作り出すために、タービン２０，２１のロータアセンブリのようなシャフトに連結された他の構造体に沿って回転する。

ガスタービンエンジン１０は、コア推進器１３とガスタービンエンジン１０のエンジンカバー３２との間に描写された一体型チューブインマトリックス熱交換器４０をさらに含む。熱交換器４０は、熱交換器４０を通り抜ける１つ以上の流体を冷却するために、第１流体および第２流体のクロスフローを利用する。例えば、熱交換器４０は、高圧圧縮機のブリード空気が低圧の圧縮機ステージの圧縮空気によって冷却されるような空気−空気熱交換器で利用してもよい。代替の実施形態によれば、空気−液体例えば燃料の熱交換は、熱交換器４０の内部で生じてもよい。

図２を参照すると、例示の一体型チューブインマトリックス熱交換器４０の等角図が描写されている。熱交換器４０は、描写された実施形態で箱状の構造体として示されているが、様々な形を利用してもよく、描写された実施形態は、限定することが考えられるべきではない。例えば、代替の構造は、さらにここで検討される代替の形を利用する図９から図１２に表されている。描写された熱交換器４０は、第１流体流路４２および第２流体流路４４を含む。第１流体流路４２は、第１流体入口４６および第１流体出口４７を含む。同様に、第２流体流路４４は、第２流体入口４８および第２流体出口４９を含む。例示の実施形態は２つの流体流路４２，４４を含むが、示された実施形態は、追加の流体流路を利用することができるように、２つの流体流路に限定されない。いくつかの実施形態によれば、流体入口４６，４８および流体出口４７，４９は、対向面を規定する。しかしながら、他の実施形態では、複数の面は、反対側に配置されていなくてもよいが、互いに対して様々な角度で存在してもよい。

熱交換器４０は、実質的に一体型であり、高熱伝導性材料で形成された本体５０を含む。本体５０に対して、例えば、鋳造合金、銅鋳造合金（Ｃ８１５００）、または鋳造アルミニウム青銅（Ｃ９５４００）を利用してもよい。本体５０の内部に、第１流体入口４６と第１流体出口４７との間に延びる複数のチューブ５２が存在し、第２流体入口４８と第２流体出口４９との間に延びる第２の複数のチューブ５４が存在する。チューブ５２は、独立して本体に挿入して形成してもよいし、または一体的に形成してもよい。複数のチューブ５２，５４は、第２の材料、例えば、本体５０と熱連通した高耐熱性合金から形成されている。前記流体チューブ材料は、インコロイ合金（ｉｎｃｏｌｏｙ ａｌｌｏｙ）、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、または耐熱金属を含んでもよいが、これらに限定されない。チューブ５２，５４および本体５０のために利用される異なる材料の製造中および運転中に高められた応力を減少させるために、熱膨張係数（ＣＴＥ）に厳密に一致することが望ましいかもしれない。利用される材料に対する望ましい特徴は、際立った、疲労に対する抵抗、および空気または海水からの酸化抵抗または腐食抵抗を含む。さらに、耐圧鋳造、鋳造または鍛造された部分の溶接したアセンブリへの取り込み、極めて効果的な振動減衰および機械加工性および溶接性は、全て、望ましい特性である。上の特性のリストが提供される一方で、そのようなものは、チューブおよび本体構成要素の適合に対して様々な材料を利用することができるとき限定されない。

さらに、チューブ５２，５４は、異なる金属領域間の拡散障壁でコーティングしてもよい。例えば、本体５０の材料によって境界されたチューブ５２，５４の表面領域は、複数層プロセスでコーティングしてもよい。１つの例示の実施形態によれば、３つの層コーティングプロセスを利用してもよく、第１の層は、電子コーティングのニッケル結合コーティング、およびその後に続く次の層の接着のための金保護コーティングを含んでもよい。第３の層は、タングステン、白金、モリブデン、ニッケルクロム、またはニッケルバナジウムで安定化されたチタンニッケルまたはチタンのような物理的気相成長法（ＰＶＤ）のスパッタ材料によって確立してもよい。これらの実施形態のいずれかでは、第３の層は、本体５０によって境界されたチューブ５２，５４の合金消耗を回避する拡散障壁として機能することが意図されている。

熱交換器４０の本体５０は、ブロック形で示されているが、前記６面の多角形構造に限定されない。第１流体流路４２および第２流体流路４４に対応する入力面および出力面を越えて、追加の面を有する様々な複数面の形を利用してもよい。本体５０は、６面よりも多い面、または６面よりも少ない面を有してもよい。追加の面は、様々な流体の流れの入力および出力に対応するフランジ間で温度勾配を減少させてもよい。熱拡散マトリックスは、円筒状の容積を交差することによって形成してもよく、ダクトフランジは、長方形よりもむしろ円形であってもよく、フローチューブ総数は、位置によって変更してもよく、マトリックスの包絡線の曲率に一致させてもよい。熱交換器４０の表面は、示されるように、さらに波形であってもよく、またはガスタービンエンジンで望ましくなるように、熱交換器４０の重量を減少させるために、様々な形で形成してもよい。しかもさらに、描写された実施形態の熱交換器４０をシステムに恒久的に装着できる一方、ライン取り換え可能ユニットは、ここで提供された追加の図面に示されるように、本実施形態の範囲内に十分に入っている。

図３を参照すると、熱交換器４０の上方等角図が描写されている。描写された実施形態は、説明が単なる例示である１つの限定されない実施形態であり、この図面を説明するための実施形態である空気−空気熱交換器であってもよい。第１ダクトまたは第１プレナム４３を通って第１流体出口４７から第１流体入口４６を通って、熱交換器４０の反対側に熱交換器４０に通る第１流体流路４２が描写されている。第１流体流路４２は、例えば、圧縮機排出圧力ブリード空気を表現してもよい。圧縮機排出圧力のブリード空気は、燃焼器１６に近い位置から流れ出る極端に高温で高圧の空気であってもよい。第２プレナム５６は、第２流体入口４８で熱交換器４０の中に通すように第２流体流路４４のための第２の流路を提供する。プレナム５６は、熱交換器４０の第２流体出口４９から延びている。運転時、第１流体の流れ４２は、熱交換器４０の内部で２つの流体流路４２，４４間に高温および高圧の差を作り出す第２流体流路４４よりも高温であり高圧である。

プレナム４３，５６は、移行結合部５１および／またはフランジ連結によって熱交換器４０に結合してもよい。移行結合部５１は、被覆していてもよいか、または複合材料インサートを爆発溶接してもよいか、または適切に適合された材料であってもよく、金属は、溶融溶接継ぎ手を作成する際、同様の金属に溶接される。適した溶接プロセスは、超音波、摩擦、誘導、拡散、円弧、および電子ビームを含むが、これらに限定されない。

気体−気体熱交換器が１つの実施形態に従って描写される一方、他の実施形態は、気体−液体熱交換器を含んでもよく、液体は、補助冷却してもよいし、飽和させてもよいし、超臨界にしてもよいし、または部分的に蒸発させてもよい。例えば、圧縮機排出第１流体流路４２は、水、水を基にした冷却液混合物、誘電液体、液体燃料、または燃料混合物、冷媒、寒剤、または液化天然ガス（ＬＮＧ）および液体水素のような低温燃料によって冷却してもよい。しかしながら、このリストは、包括的ではなく、それゆえに限定することが考えられるべきではない。

この図で見ることができるように、流体流路４２，４４は、熱交換器４０を通り抜ける方向に交差して流れる。流れが互いに垂直であってもよい一方、他の角の流体交差を利用してもよい。

図４を参照すると、熱交換器４０が側面図で示されている。この図では、移行結合部５１は、内部のダクトを見ることができるように、透明である。本体５０が固体である一方、マトリックスのチューブまたはパイプは本体５０の内部に配置され、フロープレナム４３，５６に平行な方向で、流体入口４６，４８と出口４７，４９との間に延びている。

図５を参照すると、熱交換器４０の部分図が示されている。流体流路４２，４４に対して熱交換器４０を通って交差させるために、複数のチューブは、マトリックスで形成されている。第１の複数のチューブ５２は、第１流体流路４２（図４）からの空気流のような高温流体を圧縮機排出から熱交換器４０を通って運ぶ。第２の複数のチューブ５４は、熱交換器４０を通して冷却流体、空気、または液体を運ぶ。第２流体の流れは、低圧および温度圧縮機のブリード空気であってもよい。

複数のチューブ５２の近接図を提供するために、詳細部分が図５に示されている。チューブ５４は、示された部分で隠れているので、破線で示されている。チューブ５２は、様々な高さでマトリックスの水平な列に配置されている。それぞれの列のチューブ５２間で、１列のチューブ５４が、熱交換器４０の向かい合った面間の方向に延びている。複数列のチューブ５２，５４が、互いに対して角度のある方向に、例えば、描写された実施形態では垂直な方向に延びている。しかしながら、これは、１つ以上の流体が可燃性である場合、重大な故障を引き起こし得る流体を混ぜることなく、流体の流れを熱交換器４０を通して移動させることができる。

この熱交換器４０の製造は、様々な方法で行ってもよい。しかしながら、１つの例示の製造技術は、積層造形であってもよく、チューブ５２，５４は、本体５０の積層造形中、マトリックス本体５０の内部に配置されている。これは、製造プロセス中、材料を結合することができる。

図６を参照すると、熱交換器４０の１つの例示の部分概略図は、複数の高温流体フローチューブ５２および複数の冷却フローチューブ５４の両方がマトリックス本体５０を通り抜けるように示されている。チューブ５２，５４は、延びる十字の配列で形成され、複数列の高温流体フローチューブ５２が、１つの高さに存在し、複数列の低温のフローチューブ５４が、高温流体チューブ５２の下方の高さおよび上方の高さに存在している。本実施形態が、本体５０を通り抜ける際に直線状であるチューブ５２，５４を描写する一方、チューブ５２，５４が湾曲し、曲線であり、曲がりくねり、および／またはチューブが織布または交互のパターンを形成することは、本実施形態の範囲内に入っている。

図面は、流体混合阻止の向上を可視化できるようにする。２つのモードの故障を有する二重壁交換器のような従来技術の熱交換器では、流体は、混合を開始してもよい。しかしながら、本実施形態では、チューブ５２の１つは、故障しなければならないか、または破壊しなければならず、チューブ５４の１つは、破壊しなければならず、さらに、本体５０マトリックスは、上で述べた第１の割れ目と第２の割れ目との間で割らなければならない。それゆえに、本実施形態は、３つのモードの故障を必要とし、第３のモードは、生じる可能性が極めて低い。さらに、本実施形態は、固体材料のマトリックス本体５０によって、漏出する流体の保持を提供する。

図７を参照すると、別の実施形態が示され、割れ目または漏れを検出するためのホイートストンブリッジ回路が描写されている。１つの実施形態によれば、熱交換器４０（図６）は、ホイートストンブリッジと同様の領域に形成されている。４つのプレナム４３，５６（図６）は、ブリッジ回路の４つのノードＲ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄に対応する。熱交換器４０で割れ目を見つけることができない電圧出力Ｖ_o＝０のように、ブリッジ回路は、理想的にバランスが取れている。代案として、割れ目によるもののように、ブリッジ回路のバランスが取れていないとき、前記電圧不均衡が検出される。

図８をさらに参照すると、４つの領域が、一般に熱交換器４０の中心で交差する破線によって規定されたブリッジ回路と同様に、４つの領域を有する熱交換器４０が示されている。電圧５８は、例えば、プレナム４３，５６のそれぞれで、熱交換器４０のチューブ５２，５４の２つの領域に加えられる。本実施形態では、電圧５８は、プレナム５６間に加えられ、電圧は、プレナム４３間に加えられる。さらに、割れ目５７は、上方の左の４分の１の円でシステムに示されている。しかしながら、割れ目５７が存在するとき、バランスの取れた電圧を有するよりもむしろ、割れ目５７および漏れの流路が中間に配置された領域の抵抗は、検出された電圧出力Ｖ_oに対して回路の不均衡を生じさせて変化する。結果的に、それらが、割れ目またはリークが存在しないときであるのと等しいよりもむしろ、電圧５８のそれから変更された信号を歪めて表す電圧信号５９が示されている。

図７および図８の実施形態が直流電圧システムである一方、交流電源によって電力が供給されるブリッジ回路を確立するために、抵抗は、コンデンサまたはキャパシタンスゲージで置換してもよい。

図９から図１３を参照すると、熱交換器４０の様々な代替の実施形態が示されている。前に説明したように、図２から図３の実施形態は、プレナム４３，５６に対する溶接した連結を有する。これらの代替の実施形態によれば、熱交換器１４０，２４０，３４０，４４０，５４０は、決められたまたは予期していないメンテナンス計画中に容易に置換することを支援するために、インラインの取り換え可能なユニットであってもよい。図９によれば、熱交換器１４０は、プレナムへの連結のためのフランジ１４２を含む。熱交換器１４０は、一般に箱状であるが、熱交換器１４０の位置によって、他の形を利用してもよい。さらに、図９に示されるように、複数配列のチューブは、熱交換器１４０の端面で示されるようなパターンの列で形成してもよい。

図１０の実施形態によれば、熱交換器２４０は、面取りをした複数の隅を有する箱形状である。面取りは、円形のガスタービンエンジン１０の設置および位置決めを向上させることができる。熱交換器２４０は、プレナムの連結のために、かつ正確な連結を保証するために、１つ以上のタイプのフィッティング２４２，２４４を有してもよい。例えば、第１タイプのフィッティングは、高温流体のために使用してもよく、冷却流体のための第２タイプのフィッティングは、メンテナンス中、正確な連結を支援するために使用してもよい。さらに、熱交換器２４０は、ユニットの重量減少を支援するために、熱交換器２４０の頂部に示され、材料が除去された少なくとも１つの領域２４６を含む。

図１１では、熱交換器５４０の別の実施形態が描写されている。この実施形態によれば、熱交換器５４０は、本体５５０、および本体５５０を通って延びる複数のチューブ５５２，５５４を含む。本体５５０は、流路５４２，５４４と流体連通している。チューブ５５２，５５４は、本体５５０の面を越えて延び、プレナム５４３，５５６は、チューブ５５２，５５４の端部で示されている。プレナム５４３，５５６は、本体５５０から間隔をあけて配置され、本体５５０の面から一端が飛び出している。実施形態は、４つの独立したプレナム５４３，５５６を描写する。描写されたように、熱交換器５４０が１つのプレナムまたは複数のプレナムを利用することは、本開示の範囲内に入る。プレナムは、複数の締結具開口部を有して示されたように、締結具の連結によって固定してもよいし、または代案として、前に説明したような他の方法で、例えば溶接等によって連結してもよい。

図１２および図１３の実施形態によれば、熱交換器３４０，４４０は、カートリッジタイプ交換器である。カートリッジ型熱交換器３４０，４４０は、２つの主な構成要素であるベース３４２，４４２およびカートリッジ３４４，４４４を有する。ベース３４２，４４２は、ベース３４２，４４２を取り外さないことを意図して設置されている。ベース３４２，４４２は、インラインで装着してもよいか、またはガスタービンエンジン１０に装着してもよい。入口ラインおよび出口ラインは、従来のフィッティングまたはそれの組み合わせを使用して、ベース３４２，４４２に直接溶接することによって、いずれかのベースに連結してもよい。カートリッジ３４４，４４４は、容易に取り外し可能に作成され、現場で置換してもよい。カートリッジ３４４，４４４構造物は、多くの形で存在することができ、鋳造または積層造形プロセスを使用して容易に製造することができる。カートリッジ３４４，４４４は、ボルトオンタイプであってもよいし、または迅速な切断機構を使用してもよい。

図１４および図１５を参照すると、本体５０を通り抜けるためのチューブ５２，５４の２つの配置が描写されている。図１３の実施形態によれば、本体５０は、冷却流体の複数列５４、および２つの列５４間を通る２つの複数列のオフセットの高温流体チューブ５２を含む。チューブ５２は、描写された垂直な方向にオフセットされているが、チューブは、代案として、垂直な方向に一直線になってもよい。図１４の実施形態と比較すると、図１５の実施形態は、チューブ５２の圧力降下要求に対して向上した性能を有する。

図１５の実施形態は、１対のチューブの列５４間に配置された１列のチューブ５２を有する。図１４と比較すると、図１５の実施形態は、冷却チューブ５４がそれぞれのチューブ５２の２つの側に配置されているので、熱伝達が向上している。

図１６を参照すると、様々なチューブのタイプが、断面部分で示されている。チューブ５２，５４の実施形態が円形の断面部分として示されてきたが、応力集中を減少させるために、チューブ５２，５４が代替の断面部分を含むことは、本実施形態の範囲内に十分入っている。いくつかの望ましい断面部分は、扁平な楕円形５３および突出部付きの星形５５を含むが、これらに限定されず、扁平な楕円形５３および突出部付きの星形５５の両方は、チューブ間の熱伝導のための断面領域に対する効果的な長さの比率を高め、それゆえに熱伝達を向上させる。

図１７を参照すると、２つの異なる断面の形を含む追加のフローチューブの実施形態が描写されている。形は、完全に異なってもよいし、または異なる内部および外部の形を有してもよい。中央部分が正方形の外付けの断面部分を有する一方、チューブ１０８０の端部は、円形の断面部分で示されている。２つの位置で切断されたチューブ１０８０が示され、実施形態は、フロー攪拌機構１０８２を含んでもよい。フロー攪拌機構１０８２は、描写されたねじられたフィン構造を含む様々な実施形態を取ってもよい。示された実施形態では、フィンは、１つの位置で実質的に垂直であるが、異なる位置でフィンがねじれた実施形態を示す。追加の機構１０８４は、チューブ１０８０の内面のくぼみ、突出部、または他の攪拌機構を含んでもよい。さらに、機構は、波形にすること、または他の前記攪拌機構を含んでもよい。さらに、描写されたフィン１０８２は、連続したらせん形であってもよいし、またはらせん形であってもよいし、またはらせん形でなくてもよいフィンの方向を変える部分に分かれていてもよい。さらに、１つの内面から別の内面に延びるフィン機構１０８２が示されているが、攪拌機構は、チューブ１０８０の内側の直径または内側の寸法を横切るように完全に延びていなくてもよい。

図１８を参照すると、さらに、代替のチューブの実施形態が等角図で示されている。等角図は、らせん形構造を完全に見ることができるように、部分に分割されている。本実施形態では、図１６の実施形態において下の列の中心に示されるように、突出部付きの星形を有するチューブ１１００が示されている。この実施形態では、チューブ１１００の外形は、正方形または長方形の形状であるか、または代案として、チューブ１１００が、例えば、熱交換器４０の本体５０に一体的に形成されることを提供する。チューブ１１００は、図１６のように直線的に延びることができるか、または描写されたように、らせん形に延びることができる複数の突出部１１８４を含む。この実施形態では、チューブ１１００の軸線方向に沿ってチューブの中央軸線を中心に回転する突出部１１８４は、らせん形である。描写された実施形態では、チューブ１１００の前端部からチューブ１１００の後端部に移動するときに反時計回りに回転する突出部１１８４が示されている。これは、単なる例示であり、前記回転は、反対方向であってもよい。さらに、チューブ１１００は、図１７の実施形態に示されたものと同様に、攪拌機構１１８２を含んでもよい。攪拌体１１８２は、突出部１１８４と同一方向に回転してもよく、示されたように、共回転するものであると考えられるか、または反対方向（図１９）に回転してもよく、反対方向に回転するものであると考えられる。攪拌体１１８２は、突出部１１８４と同一の角速度で回転してもよいか、若しくはらせん運動してもよいか、または異なる角速度で回転してもよい。しかもさらに、攪拌体１１８２は、突出部１１０２の方向とは反対方向に回転する１つ以上のらせん形構造を含んでもよい。いくつかの実施形態では、攪拌体１１８２は、単一の攪拌体によって具現化してもよいか、または軸線方向に沿ってチューブ１１００の内部に配置された２つ以上の攪拌体によって具現化してもよい。２つ以上の攪拌体１１８２が使用される例では、攪拌体１１８２は、チューブ１１００および本体５０での熱伝達を向上させるために、全て、１つの方向または異なる方向（図１９）にらせん運動してもよい。突出部が攪拌体とは反対方向に回転する例では、渦巻き状またはらせん形の攪拌体が突出部１１０２を通る流れを完全に阻止する位置に穴を形成することを必要としてもよい。

図１９を手短に参照すると、チューブ１１００の等角部分図が描写されている。この実施形態では、チューブ１１００は、図１８の実施形態と同一方向に回転する複数の突出部１１８４を有する。しかしながら、いずれか一方の実施形態は、反時計回り方向よりもむしろ、時計回り方向にねじれていてもよい突出部１１８４を備えてもよい。さらに、本実施形態は、突出部１１８４に対して反対方向に回転するらせん形の攪拌体１１８２を含む。前に述べられたように、複数の攪拌体１１８２を利用してもよく、攪拌体は、互いに対して同一方向に回転するか、または互いに対して反対方向に回転してもよく、チューブ１１００の軸線方向に沿って軸線方向に離れるように間隔をあけて連結してもよいし、または配置してもよい。

構造および方法の前述の説明は、説明のために示されている。正確なステップおよび／または開示された形に対して、包括的であるか、または本発明を限定することは意図しておらず、多くの修正および変形形態が上述の教示に照らして考えられることは明らかである。ここで説明された特徴は、いかなる組み合わせに組み合わせてもよい。ここで説明された方法のステップは、物理的に考えられるいかなる順序で実行してもよい。方法および材料の特定の実施形態が示され説明されてきたが、本発明は方法および材料の特定の実施形態に限定されず、本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ限定されることが理解される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ エンジン入口端部
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 中心線軸線
２７ タービンブレード
２８ 低圧シャフト
２９ 排気側
３２ エンジンカバー
４０ チューブインマトリックス熱交換器
４２ 第１流体流路
４３ 第１プレナム、フロープレナム
４４ 第２流体流路
４６ 第１流体入口
４７ 第１流体出口
４８ 第２流体入口
４９ 第２流体出口
５０ マトリックス本体
５１ 移行結合部
５２ 高温流体フローチューブ
５３ 楕円形
５４ 冷却フローチューブ
５５ 星形
５６ 第２プレナム、フロープレナム
５７ 割れ目
５８ 電圧
５９ 電圧信号
１４０ 熱交換器
１４２ フランジ
２４０ 熱交換器
２４２ フィッティング
２４４ フィッティング
２４６ 領域
３４０ 熱交換器
３４２ ベース
３４４ カートリッジ
４４０ 熱交換器
４４２ ベース
４４４ カートリッジ
５４０ 熱交換器
５４２ 流路
５４３ プレナム
５４４ 流路
５５０ 本体
５５２ チューブ
５５４ チューブ
５５６ プレナム
１０８０ チューブ
１０８２ 流体攪拌機構、フロー攪拌機構、フィン機構、フィン
１０８４ 機構
１１００ チューブ
１１０２ 突出部
１１８２ 攪拌機構、攪拌体
１１８４ 突出部
Ｒ１ ノード
Ｒ２ ノード
Ｒ３ ノード
Ｒ４ ノード

Claims (16)

1. 第１流体入口（４６）、第１流体出口（４７）、第２流体入口（４８）、および第２流体出口（４９）を有する一体型本体（５０）であって、前記一体型本体が酸化防止コーティングによってコーティングされた熱伝導性の金属材料で形成されている、一体型本体（５０）と、
   前記一体型本体（５０）に形成され、前記第１流体入口（４６）と前記第１流体出口（４７）との間に延びる複数の第１流体チューブ（５２）と、
   前記一体型本体（５０）に形成され、前記第２流体入口（４８）と前記第２流体出口（４９）との間に延びる複数の第２流体チューブ（５４）と、
   前記複数の第１流体チューブ（５２）の外部、および前記複数の第２流体チューブ（５４）の外部に配置された少なくとも１つの拡散障壁コーティングと、
   前記複数の第１流体チューブ（５２）のうちの少なくとも１つの第１流体チューブ（５２）の内部の断面および前記複数の第２流体チューブ（５４）のうちの少なくとも１つの第２流体チューブ（５４）の内部の断面と一体的に形成された流体攪拌機構（１０８２）であって、前記流体攪拌機構（１０８２）が垂直な第１の位置およびねじれた第２の位置を含むフィン（１０８２）を備える、流体攪拌機構（１０８２）と、
   前記一体型本体（５０）の４つの面の各々から延びる少なくとも１つのプレナムであって、４つのノードを含むブリッジ回路のノードとして構成された少なくとも１つのプレナムと
   を備え、
   前記複数の第１流体チューブ（５２）は、第２の配列を形成する前記複数の第２流体チューブ（５４）に対して直角な第１の配列を形成する、一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）であって、
   前記ブリッジ回路は、前記一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）における少なくとも１つの割れ目（５７）の形成または成長を検出するために使用されるか、又は、前記複数の第１チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）の一方から前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）の他方への流体漏れを検出するために使用される、一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
2. 前記第１流体入口（４６）および前記第２流体入口（４８）、並びに前記第１流体出口（４７）および前記第２流体出口（４９）は、前記一体型本体（５０）の対向面に存在する、請求項１に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
3. 前記第１流体入口（４６）および前記第２流体入口（４８）、並びに前記第１流体出口（４７）および前記第２流体出口（４９）は、前記一体型本体（５０）の非対向面に存在する、請求項２に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
4. 前記一体型本体（５０）は、少なくとも６面の多角形の本体（５０）である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
5. 前記熱伝導性の金属材料は鋳造合金である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
6. 前記熱伝導性の金属材料は高温耐熱合金である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
7. 前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）の断面の形は円形である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
8. 前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）の断面の形は非円形である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
9. 前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）は、扁平な楕円形（５３）の、または突出部付きの星形（５５）の断面部分である、請求項８に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
10. 突出部付きの星形（５５）の断面部分をもつ、前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）のうち少なくとも１つのチューブは、その長さの一部分に沿ってらせん形にねじられている、請求項９に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
11. 前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）のうち少なくとも１つのチューブは、扁平な楕円形（５３）の断面部分をもち、その長さの一部分に沿ってらせん形にねじられている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
12. 前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）のうち少なくとも１つのチューブの断面部分は、円形の内側の周長を有する非円形の外側の周長を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
13. 前記複数の第１流体チューブ（５２）および前記複数の第２流体チューブ（５４）の少なくとも１つのチューブは、対流熱伝達を向上させるために、少なくとも１つの内部のフロー攪拌機構（１０８２）を有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
14. 前記少なくとも１つのプレナム（４３，５６）は、前記一体型本体（５０）の４つの面の各々から物理的に分離され一端が飛び出している、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
15. 単一の列の前記第１流体チューブ（５２）は、横断する複数列の第２流体チューブ（５４）間に配置されている、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。
16. 少なくとも２つの複数列の前記第１流体チューブ（５２）は、横断する複数列の前記第２流体チューブ（５４）間に配置されている、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の一体型チューブインマトリックス熱交換器（４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０）。