JP6842873B2 - 直交流形セラミック熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示する主題は、概して熱交換器に関し、より具体的には、熱交換器に用いる波形フィン構造に関する。

（連邦政府支援の陳述）
本発明は、契約番号ＰＯ−Ｃ−００５に基づくＣｅｒａｌｉｎｋ，Ｉｎｃ．からの支援を含む下請け契約とともに、契約番号ＤＥ−ＦＥ００２４０６６に基づきＤＯＥ ＮＥＴＬにより政府支援によって為された。それ故に、政府は、本発明に一定の権利を有する。

標準的な空気対空気プレートフィン熱交換器は、交互熱伝導空気流セクションまたは層のスタックから構成されている。高温空気および低温空気が、熱交換をするために、強制的に（本明細書において時折、それぞれ「高温」層および「低温」層と呼ばれる）交互の層を通される。ガスタービンブレードディスク冷却システムでは、高温空気は、エンジン圧縮機から来て、その後、タービンブレードディスクに入り、次にブリード層を通って流れる。低温空気は、外気であり、エンジンファンダクトにおけるラム層を通って流れる。これらの交互に積層されたラム層とブリード層とは、分離シートと呼ばれる熱伝導媒体に沿って互いに結合され、ブリード層からの熱が、分離シートを通ってラム空気流に伝達される。当然ながら、熱交換器は、他の供給源からの空気も受け入れることができるであろうし、本明細書の教示は、ガスタービン管理に限定されない。

高温層と低温層とは、類似しており、その各々が、各層を画定する分離シート上に配置された冷却フィンのアレイと、フレームまたは閉鎖バーとを含む。フレームまたは閉鎖バーは、分離シートの端部を支持する層の縁部に沿って配置される。分離シートの端部を支持することに加えて、これらのバーは、空気入口または空気出口がある場合を除き、各層を閉鎖する。空気入口および空気出口においてフィンは、分離シートの支持を提供する。

熱交換器を組み立てるために、高温層と低温層とは、互いの上に交互に積層される。次に、アセンブリを、ろう付けのために真空炉内に配置しても良い。ろう付け処理中に、層を強制的に一緒にするようにスタックが圧縮される。

前の記述は、「低温」材料と呼ばれる材料を用いて作ることができる熱交換器に関する。従来の金属の性能を超える温度（例えば、低温）でブリード空気が作用するところの高温熱交換器が必要となることがある。しかしながら、一部の航空機または他の状況では、高温域（Ｔ＞８００℃）における航空用エンジンの予冷器、ガス発電所の復熱装置および固体電解質型燃料電池の排熱回収などを含む、小型熱交換器が必要となることがある。最高７００℃までの温度に耐えることができる広く用いられている材料には、ステンレス鋼、インコネルおよびＨａｙｎｅｓなどの金属超合金がある。セラミック熱交換器技術は、高温要求性に対する解決策を提供し、最高９００℃までの入口温度に耐えることができる。しかしながら、セラミック熱交換器の開発は、不十分な熱伝導率および高い加工費／製造費の故に以前は制限されてきた。

一態様において、熱交換器が開示される。熱交換器は、第１の方向に延在する軸方向フィンおよび第１の方向を横切る第２の方向に延在する横方向フィンを含む付加製造された第１の層であって、第１の方向における流路を画定する付加製造された第１の層を含む。熱交換器は、第２の方向に延在する軸方向フィンおよび第１の方向に延在する横方向フィンを含む付加製造された第２の層であって、第２の方向における第２の流路を画定する付加製造された第２の層も含む。

別の態様において、熱交換器の層が開示される。層は、第１の方向に延在する軸方向フィンおよび第１の方向を横切る第２の方向に延在する横方向フィンを含む付加製造された上部層と、第１の方向に延在する軸方向フィンおよび第２の方向に延在する横方向フィンを含む付加製造された底部層とを含む。付加製造された上部層の横方向フィンは、付加製造された底部層の軸方向フィンのピーク部分に接触する。

別の態様において、熱交換器の層の形成方法が開示される。方法は、第１の方向に延在する軸方向フィンおよび第１の方向を横切る第２の方向に延在する横方向フィンを含む上部層を付加製造することと、第１の方向に延在する軸方向フィンおよび第２の方向に延在する横方向フィンを含む底部層を付加製造することと、付加製造された上部層の横方向フィンが付加製造された底部層の軸方向フィンのピーク部分に接触するように、付加製造された上部層を付加製造された底部層の上に配置することと、を含む。

これらのおよび他の利点および特徴は、図面と併用される以下の記述からより明らかとなる。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結論での特許請求の範囲において特に指摘されており明確に主張されている。前述のおよび他の特徴、ならびに本発明の利点は、以下の添付図面と併用される以下の詳細な説明から明らかとなる。

一実施例に従う熱交換器の１つの層の部分切り欠き斜視図である。 ２Ａは、図１の層の上部層を示す図であり、２Ｂは、図１の層の底部層を示す図である。 ３Ａ〜３Ｄは、図１の層におけるフィンのさまざまなパターンおよび形状を示す図。 図１の層の断面を示す。 一実施例に従う熱交換器の斜視図を示す。

詳細な説明は、図面に準拠する実施例として、利点および特徴と共に本発明の実施例を説明する。

本明細書に開示する実施例では、層ごとの付加製造プロセスによって、高温プレートフィン（直交流形）セラミック熱交換器を製造することができる。一実施例において、プロセスは、いわゆる積層物体製造（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（ＬＯＭ）プロセスである。

従来技術のプレインフィン熱交換器の垂直構築方向においては、プレインフィン構造を付加ＬＯＭプロセスによっては製造できない。これは、各テープ層における薄くて長いフィンストリップの取り扱い、それに続くフィン層の積層が困難であることに起因する。薄くて長い熱伝達フィンは、製造プロセスにおいて持ち上げることが困難である。

図１は、熱交換器の単一の層１００の実施例の部分断面を示す。層１００は、上表面１０２および下表面１０４を含む。これらの表面は、矢印Ａに示す流路を画定する。上表面１０２および下表面１０４の各々は、一実施例において、その内部に形成されたフィンを有するセラミック膜によって形成される。

流路Ａは、矢印Ａの概略の方向に延在する軸方向フィン３０１に沿って移動している。矢印Ａの概略の流れ方向を横切って複数個の横方向フィン１１０が存在する。これらの横方向フィン１１０は、軸方向フィン３１０の上に乗り、空気が直接に層１００の入口１２０から出口１２２に通過することを阻止する。これにより、空気流は、横方向フィンを乗り越えて上昇および下降し、流路の上昇セグメント１２４および下降セグメント１２６が生じる。横方向フィン１１０は、横方向フィン１１０によって引き起こされる圧力低下が最小になるように、より空気力学的に（例えば、正弦曲線の形状に）作ることができる。これらの横方向フィンは、温度境界層を破壊して熱伝達率を改善するために、（層状の場合には）完全に発達した流れ領域に配置することもできる。そのような流路は、本明細書において時折、蛇行流路と呼ぶこともある。示すように、入口１２０は、いくつかの入口孔１０６を含む。これらの孔１０６は、単なる実施例であり、インプットヘッダに応じて任意の形状であっても良いし、除外しても良い。

図２の２Ａおよび２Ｂにおいて、それぞれ、上表面１０２および下表面１０４をより詳細に示す。両方の表面が、図２の２Ａの円Ｂによって画定された領域の拡大図である図３の３Ａにより良く図示する軸方向フィンを含む。軸方向フィン３０１は、ブロック断面（図３の３Ｂ）、三角形断面（図３の３Ｃ）を有するフィンを含む任意のタイプのフィンであっても良いし、図３の３Ａに示すような軸方向に一直線または図３の３Ｄに示すような波形であっても良い。各フィン３０１は、谷３０２およびピーク３０４を含み、複数のピーク３０４がベース層３０６から上方に延在する。ベース層は、独立層であっても良いし、図３の３Ｂの谷によってぴったりと画定された層であっても良い。

本明細書の実施例において、上層および下層は、セラミックから形成される。層ならびに軸方向フィン３０１および横方向フィン１１０両方は、付加積層物体製造プロセスによって形成される。特に、薄いセラミックテープ層が、ベース層３０６を形成し、横方向フィン１１０および軸方向フィン３０１は、ベース層３０６の上部に付加的なテープ層（典型的にはその内部に孔が形成されている）を積層することによって形成される。テープ層は、さまざまな材料、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などからテープキャストプロセスによって形成することができる。

従来技術のフィン熱交換器では（図３の３Ｂおよび３Ｃにおける方向Ｘに示す）垂直構築方向において、従来技術の熱交換器の層を形成するのに使用されるような軸方向フィンを付加積層物体製造プロセスによって形成することはできなかった。これは、製造プロセスにおいて薄くて長い熱伝達フィンを持ち上げることが困難であるので、各テープ層における薄くて長いフィンを含むシートの取り扱い、それに続く層の積層が非常に困難であることに起因する。

この問題は、横方向フィン１１０を追加することによって低減または除去される。一実施例において、横方向フィン１１０の高さ（ｈ_trans）および幅（ｗ_trans）は、軸方向フィン３１０のいずれのピークの幅（ｗ_peak）または高さ（ｈ_peak）（図１および図４参照）よりも大きい。

図２の２Ａおよび２Ｂを再度参照すると、上部層１０２は、（図示するように軸方向フィンと垂直である）横方向フィンの上表面が下層１０４の軸方向フィンの上部の上に位置するように、裏返される。横方向フィン１１０は、上層１０２が破損せずに下層１０４の上部に積層できる構造的支持を提供する。一実施例において、横方向フィン１１０間の距離（ｗ）は、上層１０２と下層１０４とで同一である。図２の２Ａおよび２Ｂの両方において、矢印Ｆによって流れ方向が示される。

前述のように、横方向フィン１１０は、矢印Ａに示すような蛇行流路をもたらす。換言すれば、上部層１０２が底部層と結合したときに、フィンは互いからオフセットされる。この流路は、温度境界層の破壊による利益を保証しつつ、最小の流れ圧力低下になるように最適化することができる。これは、軸方向フィンおよび横方向フィンの高さを変えることによって行うことができる。曲線の矢印で、フィン１１０上を通過する空気／流体も指し示す。

ここで図４を参照すると、切断線４−４に沿う断面が、下層１０４の上に載って下層１０４によって支持されている上層１０２を示す。上層１０２は、（例えば、方向Ｘの逆方向に）ベース層３０６から下方に延在する横方向フィン１１０を含む。横方向フィン１１０は、高さｈ_transを有し、軸方向フィン３０１の少なくとも１つのピーク３０４上に位置し、それに接触（場合によっては直接接触）する。軸方向フィン３０１の１つ以上は、高さｈ_peakを有し、軸方向フィンの少なくとも１つは、幅ｗ_peakをもつピークを有する。示すように、図１に示す流路Ａは、図４のページ内に進んでいる。

図５は、簡易化したバージョンの熱交換器５００を示す。交換器５００は、第１の層５０２と、第１の層５０２の上部に配置された第２の層５０４とを含む。層５０２、５０４の各々は、前述のように形成することができる。第１の層５０２によって、空気は第１の方向Ｃに流れ、第２の層５０４によって、空気は第２の方向Ｄに流れる。一実施例において、第１の方向Ｃと第２の方向Ｄとは、互いに垂直である。このように、第１の層５０２と第２の層５０４とにおける横方向フィンは、互いに垂直であっても良く、第１の層５０２と第２の層５０４とにおける軸方向フィンも、互いに垂直であっても良い。当然ながら、完成した熱交換器は、ＬＯＭプロセスによって個別に形成され、後に互いに結合（例えば、ろう付け）されてフルサイズの熱交換器を構成できるいくつかの層５０２、５０４を含むことができる。

所与の流路層（すなわち、積層テープ層と軸方向フィンおよび横方向フィンとの組み合わせ）において、複数のテープ層を積層し得る。テープ層は、蛇行流路が形成されるように、少なくとも１つのテープ層において軸方向にオフセットされた横方向フィンから構成されている。

本発明は、限られた数のみの実施例に関連して詳細に記述したが、本発明がそのような開示した実施例に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、前述していないが、本発明の趣旨および範囲に相応する任意の数の変形、改変、置換または均等の構成を組み込むように修正することができる。さらに、本発明のさまざまな実施例を記述したが、本発明の態様が記述した実施例のいくつかのみを含んでも良いことを理解すべきである。したがって、本発明は、前述によって限定されるものとはみなされず、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１００…熱交換器の単一の層
１０２…上表面
１０４…下表面
１０６…入口孔
１１０…横方向フィン
１２０…入口
１２２…出口
１２４…上昇セグメント
１２６…下降セグメント
３０１…軸方向フィン
３０２…谷
３０４…ピーク
３０６…ベース層
５００…熱交換器
５０２…第１の層
５０４…第２の層
Ａ…流路

Claims (10)

1. 平坦なベース層と、該ベース層上で第１の方向に延在する軸方向フィンと、前記ベース層上で前記第１の方向を横切る第２の方向に延在する横方向フィンと、を含む付加製造された上部層であって、前記軸方向フィンおよび前記横方向フィンが、付加製造された上部層の前記ベース層の１つの側から外側に延在する、付加製造された第１の層と、
   前記第１の方向に延在する軸方向フィンおよび前記第２の方向に延在する横方向フィンを含む付加製造された底部層と、
   を備え、
   付加製造された前記上部層の前記横方向フィンの上面が、付加製造された前記底部層の前記軸方向フィンのピーク部分に接触することを特徴とする熱交換器。
2. 付加製造された前記上部層は、積層物体製造（ＬＯＭ）プロセスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 付加製造された前記底部層は、積層物体製造（ＬＯＭ）プロセスによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 付加製造された前記上部層の前記軸方向フィンは、前記横方向フィンの高さよりも低いピーク高さを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記ピークの幅は、前記横方向フィンの幅よりも狭いことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記第１の方向と前記第２の方向とが互いに垂直であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 付加製造された前記上部層および付加製造された前記底部層は、セラミック材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 平坦なベース層と、該ベース層上で第１の方向に延在する軸方向フィンと、前記ベース層上で前記第１の方向を横切る第２の方向に延在する横方向フィンと、を含む上部層を付加製造することであって、前記軸方向フィンおよび前記横方向フィンが、付加製造された上部層の前記ベース層の１つの側から外側に延在する、前記上部層を付加製造することと、
   前記第１の方向に延在する軸方向フィンおよび前記第２の方向に延在する横方向フィンを含む底部層を付加製造することと、
   付加製造された前記上部層の前記横方向フィンの上面が付加製造された前記底部層の前記軸方向フィンのピーク部分に接触するように、付加製造された前記上部層を付加製造された前記底部層の上に配置することと、
   を含むことを特徴とする、熱交換器の層の形成方法。
9. 付加製造された前記上部層および付加製造された前記底部層は、積層物体製造（ＬＯＭ）プロセスによって形成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 付加製造された前記上部層および付加製造された前記底部層は、セラミック材料から形成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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