KR102413993B1

KR102413993B1 - 열 교환기

Info

Publication number: KR102413993B1
Application number: KR1020217019875A
Authority: KR
Inventors: 알란 본드; 리처드 바르빌
Original assignee: 리액션 엔진스 리미티드
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2022-06-28
Also published as: EP4033192A3; CN105637314B; CN113218211A; CN105637314A; CN113188348A; CN113218211B; US20230250759A1; US11661888B2; CN113218210A; KR102549422B1; KR20220098038A; EP3553451A1; US20190284998A1; CN113218209B; DE202014011373U1; CA2926174A1; EP4242570A1; US11203975B2; KR20160067928A; JP6577460B2

Abstract

항공기 또는 궤도 론칭 운반체를 위한 운반체 엔진과 같은 엔진에서 이용될 수 있는 열교환기(52)가 제공된다. 열교환기(52)는, 수많은 작은 직경의 관(120)을 각각 포함하는, 복수의 나선형 섹션(108)을 가지는 대체로 드럼-형상으로 구성될 수 있을 것이다. 나선형 섹션이 서로 내부에서 나선형이 될 수 있을 것이다. 열교환기가 복수의 상호 축방향으로 이격된 후프 지지부를 가지는 지지 구조물을 포함할 수 있을 것이고, 중간 헤더(440)를 포함할 수 있을 것이다. 열교환기는, 성에 또는 얼음 형성으로 인해서 열교환기가 막히는 것을 방지하기 위해서 이용되는 메탄올 또는 다른 부동제의 재순환을 포함할 수 있을 것이다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

관련출원

본원은, 본원에 참조로 각각 포함되는, 2013년 10월 11일자로 영국에서 출원된 이하의 출원에 대해서 미국 특허법 35조 119(a) 하에서 우선권을 주장하고: GB 1318098.9; GB 1318109.4; GB 1318100.3; GB 1318107.8; GB 1318099.7, 그리고 2014년 6월 5일자로 출원되고 또한 본원에 참조로 포함되는 미국 특허출원 제 14/296603호로부터 미국 특허법 제35조 120 및 365 하에서 빠른 우선일로부터 우선권을 주장하고 그 이익 향유를 주장한다.

기술분야

본 발명은 항공 우주 적용예 또는 산업 또는 다른 적용예에서 이용될 수 있는 유형과 같은 열교환기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 열교환기를 포함하는 항공기 또는 항공 우주 엔진과 같은 엔진 및 그러한 열교환기 또는 엔진을 포함하는 항공기에 관한 것이다.

GB-A-2241319는 상호-포개진(inter-nested) 나선형 관 섹션을 가지는 열교환기를 개시한다. 유입구 매니폴드가 하나의 벽 상에 위치되고 배출구 매니폴드가 장치의 단부에서 다른 벽 상에 위치된다. 그러나, 상당한 온도 변동(variation)을 거치게 될 그리고 재사용 가능한 운반체(vehicle)에서 이용될 때와 같이 특정 열교환기에서 요구되는 수 많은 사이클을 견딜 수 있는 형태의 그러한 열교환기를 구축하는 것은 어렵다.

또한, 열교환기를 통한 상당한 공기 유동이 관을 반경방향으로 지날 때, 관 상의 공기 유동의 항력(drag)이 관 상에서 큰 반경방향 힘을 생성하고 그리고 관의 지지 및 긴 시간 동안의 지속이 어렵다. 부가적으로, 열교환기가 다소 제한된 사이클 기능성(functionality)을 가지고 있어, 열교환기를 엔진 내에 수용하도록 열교환기를 구성하는 것 그리고 저중량 및 작은 압력 강하를 가지는 시스템을 제공하는 것이 어렵다. 또한, 충분한 성능을 달성하기 위해서, 0℃ 미만의 온도에서 그러한 열교환기의 하류의 압축 섹션으로 진입하기 전에, 대기 공기를 냉각시키는 사이클을 디자인할 필요가 있다는 것이 입증되었다. 이는 불행하게도 열교환기가 얼음으로 매우 신속하게 차단되는 결과를 매우 빈번하게 초래할 수 있는데, 이는 공기 냉각을 위한 열교환기를 포함하는 운반체의 론칭이 이루어질 수 있는 낮은 대기 중에 상당량의 수증기가 종종 존재하기 때문이고, 이는 전체 운반체가 이용될 수 없게 할 수 있다. 이는 수년 동안 조사된 그리고, 벨기에 브루셀로부터 호주 시드니까지 약 4.6 시간에 약 마하 5의 항속 모드로 300 명의 승객을 운송할 수 있도록 의도된, 또는 SKYLON 운반체와 같이, 대기권 외부로 궤도 내로 이동하기 위한 로켓 모드로 스위칭하도록 의도된 LAPCAT 운반체와 같은, 비교적 경제적인 수평 이륙 공기-호흡(air-breathing) 모드로 동작하고 계속될 수 있는 재사용 가능 운반체를 제공할 수 있는 것에 상당한 장애가 된 예외적으로 어려운 문제인 것으로 확인되었다.

GB-A-2241537은, 유입 공기를 냉각하기 위한 제1 열교환기, 제1 열교환기 하류의 물 분리기, 물 분리기 하류의 액체 산소 주입기, 및 액체 산소 주입기 하류의 제2 열교환기를 포함하는 항공 우주 추진을 위한 공기 흡입구를 개시한다. 물 분리기 하류의 공기 유동 내에 잔류하는 물이 작은 드라이 아이스 결정으로 변환되도록, 주입기는 공기 유동 온도를 감소시킨다. 그러한 구조는 2개의 완전히 분리된 열교환기의 이용을 필요로 하고 2개의 열교환기들 사이의 도관을 따른 유동 경로 내에서 매우 상당한 축방향 거리를 취한다. 또한, 액체 산소를 이용하여 유동의 온도를 5℃ 내지 13℃로부터 -50℃ 이하로 감소시키고, 그에 따라, 추진의 하류에서 이용될 수 있는 산소 함유 공기가 이미 존재하는 도관 내의 공기를 냉각시키기 위해서, 상당량의 액체 산소가 이용될 필요가 있다.

제1 양태에 따라서, 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 통과하는 유동 경로 내에서 제2 유체와 열교환하는 제1 유체의 유동을 위한 적어도 하나의 제1 도관 섹션, 및 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 위한 지지부를 가지는 열교환기가 제공되고, 적어도 하나의 도관 섹션이 제1 위치에서 지지부로 장착되고, 그 제2 위치에서 적어도 하나의 도관 섹션이 열 변화에 응하여 지지부에 대해서 이동 가능하다.

선택적으로, 적어도 하나의 제1 도관 섹션이 열 교환을 위한 복수의 관을 포함한다.

선택적으로, 관이 그 제1 단부에서 유입구 헤더(header)로 그리고 제2 단부에서 적어도 하나의 제1 도관 섹션의 배출구 헤더로 연결된다.

선택적으로, 제1 위치는, 지지부로 고정적으로 장착된 헤더 중 하나에 위치되고, 헤더 중 다른 하나가 열 변화에 응하여 지지부에 대해서 이동 가능하다.

선택적으로, 헤더 중 다른 하나가, 지지부에 대해서 이동 가능한 이동 가능 지지부로 장착된다.

선택적으로, 각각의 제1 도관 섹션이, 행(row)으로 서로 나란히 그리고 서로 이격된 나선형 형상으로 함께 연장하는 복수의 관을 가지는 나선형 섹션을 포함한다.

선택적으로, 제1 도관 섹션 내의 관이 반경방향으로 서로로부터 이격된 1 내지 40개의 행으로, 예를 들어 4개의 그러한 행으로 배열된다.

선택적으로, 관이 축방향으로 서로 이격된 약 10 내지 1000 개의 행으로, 예를 들어 약 70 내지 100개의 그러한 행으로 배열된다.

선택적으로, 관이 약 2 내지 3 미터 길이이고 제1 헤더로부터 제2 헤더로 연장한다.

선택적으로, 관이 약 1 mm의 직경을 갖는다.

선택적으로, 관이 약 20 내지 40 미크론의 벽 두께를 갖는다.

선택적으로, 복수의 나선형 섹션이 서로 포개지고 서로에 대해서 각도적으로 이격되어 배향된다.

선택적으로, 나선형 섹션이 대체로 원통형 드럼의 형상으로 구성된다.

선택적으로, 지지부가 적어도 하나의 원형 후프를 포함하고, 그러한 후프로 제1 도관이 고정된다.

선택적으로, 지지부는, 대체로 원통형인 천공된 드럼 구조 내에서 서로 이격되어 구성된 복수의 원형 후프를 포함하고, 제1 도관의 헤더가 복수의 원형 후프로 고정된다.

선택적으로, 열교환기는, 고리 형태로 그리고 적어도 하나의 제1 도관의 전술한 헤더와 각각의 추가적인 헤더 사이에서 적어도 부분적으로 반경방향으로 연장하는 지지 구조물을 포함하고, 추가적인 헤더가 열 변화에 응하여 천공된 드럼 구조물에 대해서 원주방향으로 이동하도록 배열된 안내 부재에 의해서 지지된다.

선택적으로, 헤더가 강성이거나 실질적으로 강성이며 가요성 도관으로 유체적으로 커플링된다.

선택적으로, 가요성 도관이 강성의 또는 실질적으로 강성의 매니폴드로 유체적으로 커플링된다.

선택적으로, 매니폴드가 지지부에 대해서 축방향으로 제 위치에서 고정되나 반경방향으로 자유롭게 이동, 예를 들어 늘어난다.

선택적으로, 제1 도관 섹션 내의 관의 행이, 관으로 인가되는 공기역학적 하중에 반대가 되도록 배열된 이격부재에 의해서 서로 이격된 복수의 행을 포함한다.

선택적으로, 심(shim)과 같은 하중 요소가 2개의 인접한 제1 도관 섹션의 관들 사이에 제공되어 그 사이에서 하중을 전달하는 한편 열 변화에 응하여 그 사이의 상대적인 활주 이동을 허용한다.

선택적으로, 하중 요소가 이격부재와 실질적으로 정렬되어, 열 변화에 응한 인접한 제1 도관 섹션들 사이의 상대적인 운동을 허용하면서, 관으로 인가되는 공기역학적 하중에 대항하는 반응을 위한 대체로 반경방향으로 연장하는 하중 경로 구조물을 형성한다.

선택적으로, 열교환기가, 대체로 원주 방향으로 서로 이격되고 시리즈로 구성된 복수의 하중 경로 구조물을 포함한다.

제2 양태에 따라서, 연소 섹션 및, 연소 섹션을 향해서 지향된 유동 경로 내의 공기(제2 유체로서)를 냉각시키도록 구성된, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제1 양태에 따른 열교환기를 포함하는 운반체 엔진이 제공된다.

선택적으로, 운반체 엔진이 제1 유체로서 헬륨을, 또는 수소와 같은 다른 작업 유체를 제공하기 위한 헬륨 공급부를 포함한다.

제3 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제1 양태에 따른 열교환기를 포함하는, 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제4 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제2 양태에 따른 엔진을 포함하는, 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제5 양태에 따라서, 제1 도관 섹션을 통과하는 유동 경로 내의 제2 유체와 열교환하는 제1 유체의 유동을 위한 복수의 제1 도관 섹션, 및 복수의 제1 도관 섹션을 위한 지지부를 가지는 열교환기가 제공되고, 제1 도관 섹션의 각각이 열교환을 위한 복수의 관을 포함하고, 각각의 제1 도관 섹션이 행 내에서 서로 이격되고 나선형 형상으로 따라서 연장하는 복수의 관을 가지는 나선형 섹션을 포함하고, 적어도 하나의 하중 요소가 관으로 인가되는 공기역학적 하중에 반대하기 위한 상호 반경방향으로 이격된 행들 내의 관들 사이에 제공된다.

선택적으로, 하중 요소가, 반경방향으로 이격된 행들 내의 관들을, 예를 들어 브레이징에 의해서, 함께 고정하는 이격부재를 포함한다.

선택적으로, 하중 요소가 심과 같은 요소를 포함하고, 그러한 요소는 2개의 인접한 제1 도관 섹션의 관들 사이에 제공되어 그 사이에서 하중을 전달하는 한편 열 변화에 응하여 그 사이의 상대적인 활주 이동을 허용한다.

선택적으로, 요소가 하나의 제1 도관 섹션 내의 관으로 고정되고 추가적인 제1 도관 섹션과 활주식으로 결합한다.

선택적으로, 하중 요소가 적어도 하나의 I-비임-형상의 요소를 포함한다.

선택적으로, 제1 도관 섹션 내의 관이 반경방향으로 서로 이격된 1 내지 40개의 행으로, 예를 들어 4개의 그러한 행으로 배열된다.

선택적으로, 관의 길이는 제1 헤더로부터 제2 헤더까지 약 1 내지 3 미터이다.

선택적으로, 관이 약 1 mm의 직경을 갖는다.

선택적으로, 관이 약 20 내지 40 미크론의 벽 두께를 갖는다.

선택적으로, 관이 축방향으로 서로 약 10 내지 1000 개의 행으로, 예를 들어 약 70 내지 100개 또는 70개 내지 200개 또는 500개의 그러한 행으로 배열된다.

일부 실시예에서, 관이, 니켈 합금 또는 알루미늄 합금과 같은 합금 재료로 적어도 부분적으로 제조된다. 선택적으로, 각각의 관이 제1 재료로 제조된 제1 부분 및 제2 재료로 제조된 제2 부분을 포함한다. 제1 부분이 헤더에서와 같은 그러한 관의 일단부에서 종료될 수 있을 것이고, 제2 부분이 추가적인 헤더에서와 같은 그러한 관의 제2 단부에서 종료될 수 있을 것이다. 제1 및 제2 부분이 예를 들어 슬리브에 의해서 서로 연결될 수 있을 것이다. 이는, 열교환기의 비교적 고온의 영역에서 제1 재료를 이용하는 것에 의해서 온도 능력이 증가되게 할 수 있으나, 보다 저온인 영역 내에서 밀도 또는 감량(lost)을 이유로 제2 재료가 이용되게 할 수 있다.

예를 들어, 알루미늄 합금이 보다 저온인 영역에서 이용될 수 있을 것이고, 세라믹 또는 내열성 합금이 보다 고온인 영역 내에서 이용될 수 있을 것이다. 제1 및 제2 부분의 각각이 그 일단부에서 중간 헤더로 연결될 수 있을 것이다.

선택적으로, 나선형 섹션이 원통형 드럼의 형상으로 구성된다.

선택적으로, 지지부가, 대체로 원통형인 천공된 드럼 구조물 내에서 서로 이격되게 구성된 복수의 원형 후프를 포함하고, 적어도 하나의 하중 요소와 실질적으로 반경방향으로 정렬된 위치에서 인접한 관을 결합식으로 지지하기 위한 적어도 하나의 세로대 부재가 제공된다.

선택적으로, 복수의 하중 요소가, 관으로 인가되는 공기역학적 하중에 대항하는 반응을 위해서 대체로 반경방향으로 연장하는 하중 경로 구조물 내에 제공된다.

선택적으로, 열 변화에 응하여 인접한 제1 도관 섹션의 관들 사이의 상대적인 이동을 허용하도록, 하중 경로 구조물이 구성된다.

제6 양태에 따라서, 연소 섹션 및, 연소 섹션을 향해서 지향된 유동 경로 내의 공기를, 제2 유체로서, 냉각시키도록 구성된, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제5 양태에 따른 열교환기를 포함하는 운반체 엔진이 제공된다.

선택적으로, 운반체 엔진이 제1 유체로서 헬륨을 제공하기 위한 헬륨 공급부를 포함한다.

제7 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 본 발명의 제5 양태에 따른 열교환기를 포함하는 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제8 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제6 양태에 따른 엔진을 포함하는, 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제9 양태에 따라서, 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 통과하는 유동 경로 내의 제2 유체와 열교환하는 제1 유체의 유동을 위한 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 가지는 열교환기가 제공되고, 각각의 제1 도관 섹션이 유입구로부터 배출구까지 적어도 하나의 관을 통한 유동 경로를 포함하고, 중간 유체 유동 경로와의 유동 연통을 위해서 유입구와 배출구 사이의 유동 경로 내에 중간 헤더가 제공된다.

선택적으로, 유입구 및 배출구의 각각이 헤더 관을 포함한다.

선택적으로, 헤더 관이 직선적이다.

선택적으로, 적어도 하나의 제1 도관 섹션이 유입구로부터 중간 헤더까지 연장하는 그 사이의 유동을 위한 복수의 제1 유동 관 및 중간 헤더로부터 배출구까지 연장하는 그 사이의 유동을 위한 복수의 제2 유동 관을 포함한다.

선택적으로, 제1 유동 관의 길이 더하기 제2 유동 관의 길이가 약 2 내지 3 미터이다.

선택적으로, 제1 유동 관 및/또는 제2 유동 관의 직경이 약 1 mm이다.

선택적으로, 제1 유동관 및/또는 제2 유동 관이 약 20 내지 40 미크론의 벽 두께를 갖는다.

선택적으로, 제1 도관 섹션이, 행 내에서 서로 이격되고 나선형 형상으로 나란히 연장하는 제1 및 제2 유동 관을 가지는 나선형 섹션을 포함한다.

선택적으로, 열교환기가 중간 유동 경로 내의 압력을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.

선택적으로, 제어기가 유동 밸브를 포함한다.

선택적으로, 중간 헤더가 제1 유체를 봉입하기 위한 외측 외장 및 중간 유체 유동을 외측 외장 내로 주입하기 위한 주입기를 포함한다.

선택적으로, 주입기가, 외측외장 내로 유체를 주입하기 위한, 관을 따라서 이격된 유동 개구의 시리즈를 가지는 관을 포함한다.

선택적으로, 외측 외장 및 주입기의 각각이 직선형의 세장형 관을 포함한다.

선택적으로, 행이 외측 외장의 길이방향을 따라서 서로 이격된 복수의 행을 포함하고, 이격된 행들 내의 관들이 그 길이를 따라서 각각의 이격된 위치에서 외측 외장으로 유체적으로 커플링된다.

일부 실시예에서, 관이, 니켈 합금 또는 알루미늄 합금과 같은 합금 재료로 적어도 부분적으로 제조된다. 선택적으로, 각각의 관이 제1 재료로 제조된 제1 부분 및 제2 재료로 제조된 제2 부분을 포함한다. 제1 부분이 헤더에서와 같은 그러한 관의 일단부에서 종료될 수 있을 것이고, 제2 부분이 추가적인 헤더에서와 같은 그러한 관의 제2 단부에서 종료될 수 있을 것이다. 제1 및 제2 부분이 예를 들어 슬리브에 의해서 서로 연결될 수 있을 것이다. 이는, 열교환기의 비교적 고온의 영역에서 제1 재료를 이용하는 것에 의해서 온도 능력이 증가되게 할 수 있으나, 보다 저온인 영역 내에서 밀도 또는 감량을 이유로 제2 재료가 이용되게 할 수 있다.

제10 양태가 열교환기를 제공하고, 그러한 열교환기는 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 통과하는 유동 경로 내의 제2 유체와 열교환하는 제1 유체의 유동을 위한 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 가지고, 각각의 제1 도관이 유입구로부터 배출구까지 적어도 하나의 관을 통한 유동 경로를 포함하고, 관의 적어도 하나가, 서로 상이한 재료로 형성되고 관을 따라서 연장하는 제1 및 제2 부분을 갖는다.

제11 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않은 제9 양태에 따른 열교환기의 동작 방법이 제공되고, 그러한 방법은 적어도 하나의 제1 도관을 통해서 그리고 중간 유체 유동 경로를 통해서 헬륨을 유동시키는 단계를 포함한다.

선택적으로, 열교환기의 동작 방법은 적어도 하나의 제1 도관을 통해서 유동 경로 내의 제2 유체로서 공기를 유동시키는 단계를 포함한다.

제12 양태에 따라서, 연소 섹션 및, 연소 섹션을 향해서 지향된 유동 경로 내의 공기를 (제2 유체로서) 냉각시키도록 구성된, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제9 또는 제10 양태에 따른 열교환기를 포함하는, 운반체 엔진과 같은 엔진이 제공된다.

선택적으로, 엔진이 제1 유체로서 헬륨을 제공하기 위한 헬륨 공급부를 포함한다.

제13 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제9 또는 제10 양태에 따른 열교환기를 포함하는 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제14 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제12 양태에 따른 엔진을 포함하는, 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제15 양태에 따라서, 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 통과하는 유동 경로 내의 섹션 유체와 열교환하는 제1 유체의 유동을 위한 적어도 하나의 제1 도관 섹션을 가지는 열교환기를 위한 지지 구조물이 제공되고, 지지 구조물이 대체로 원통형의 천공된 드럼 구조물을 포함한다.

선택적으로, 지지 구조물이 복수의 상호 축방향으로 이격된 후프 지지부를 포함한다.

선택적으로, 지지 구조물이, 대체로 반경방향으로 정렬된 하중 경로 구조물에서 제1 도관 섹션과 지지 결합하도록 구성된 복수의 상호 반경방향으로 이격된 세로대 부재를 포함한다.

선택적으로, 후프 지지부가 후프 지지부 상에서 제1 도관 섹션의 헤더 관을 위치시키기 위한 베어러(bearer) 및/또는 부착 구조물로 형성된다.

선택적으로, 후프 지지부들 및 세로대 부재들이 그 사이의 대체로 직사각형인 또는 정사각형인 유동 공간으로 구성된다.

선택적으로, 지지 구조물이, 예를 들어 대각선 방향으로 가로질러, 공간 중 적어도 하나를 가로지르고 그 내부에서 또는 인접하여 연장하는 적어도 하나의 대각선 방향으로 장착되는 브레이싱 요소를 포함한다.

선택적으로, 각각의 공간이 X 구성으로 구성된 2개의 대각선 방향으로 장착된 브레이싱 요소를 가지고, 그에 의해서 각각의 공간의 영역 내에서 4개의 실질적으로 삼각형의 유동 개구를 제공한다.

제16 양태에 따라서, 유동 경로 내의 소정 온도 미만에서 상 변화를 일으키기 쉬운 성분을 포함하는 유체를 냉각하기 위한 열교환기가 제공되고, 그러한 열교환기는 냉매의 통과를 위한 관의 시리즈 및 유동 경로 내의 유체 내로 부동 성분을 도입하기 위한 주입기를 포함한다.

선택적으로, 주입기가, 예를 들어 메탄올의 공급원으로 연결되도록 배열된 메탄올 주입기와 같은, 알콜을 주입하도록 배열된, 부동제 주입기를 포함한다.

선택적으로, 열교환기가 유동 경로 내의 이동 유체의 본체 내에 위치된 액체를 제거하기 위한 제거 배열체를 포함한다.

선택적으로, 제거 배열체가 주입기의 하류에 위치된다.

선택적으로, 제거 배열체가, 통과하는 유체의 전반적인 유동 방향에 대해서 대체로 횡방향으로 연장하도록 배열된 적어도 하나의 캐쳐 배열체 또는 요소를 포함한다.

선택적으로, 열교환기가 캐쳐 요소의 적어도 하나의 행을 포함한다.

선택적으로, 캐쳐 요소들이, 간격 방향으로 각각의 캐쳐 요소의 최대 횡단-치수 보다 작은 간격 거리 만큼 행 내에서 이격된다.

선택적으로, 간격 거리가 최대 횡단-치수의 약 1/4, 1/3 또는 1/2이다.

선택적으로, 캐쳐 배열체가 캐쳐 요소의 섹션 행(section row)을 포함하고, 캐쳐 요소의 제2 행이 (행을 따라서 하나의 캐쳐 요소로부터 다른 캐쳐 요소까지의 방향으로) 캐쳐 요소의 제1 행과 엇갈린다.

선택적으로, 제1 및 제2 행 내의 캐쳐 요소가, 다른 행 내의 캐쳐 요소로부터 이격된 것과 실질적으로 동일한 거리로, 동일한 행 내의 캐쳐 요소로부터 이격된다.

선택적으로, 각각의 캐쳐 요소가 길이방향 범위를 가지고 실질적으로 원형 횡단면을 따라서 적어도 하나의 지점을 갖는다.

선택적으로, 각각의 캐쳐 요소가 그 외부 표면 상에 위치된 적어도 하나의 (예를 들어, 복수의) 액체 수집 포켓을 가지는 중공형 관을 포함한다.

선택적으로, 중공형 관이 금속 재료로 하이드로포밍된다(hydroformed).

선택적으로, 각각의 액체 수집 포켓이 포켓으로부터 중공형 관의 내부 도관 내로 연통하는 청소(scavenge) 개구를 포함하고, 그러한 청소 개구 면적은 액체와 함께 내부로 인입되는 공기 유동을 제한하기 위해서 작은 크기를 갖는다.

선택적으로, 열교환기는 각각의 포켓을 커버하는 메시를 포함하고, 각각의 포켓과 메시 사이에 공동이 형성된다. 메시가 각각의 포켓의 영역 내에서 대체로 편평할 수 있을 것이다. 메시의 각각의 그러한 부분 뒤쪽의 갭이 공동을 제공한다. 캐쳐 요소의 물리적인 존재는 공기가 캐쳐 요소 주위로 선별될(jig) 수 있게 하나, 액체는 공기로부터 관성적으로 분리되게 한다. 메시가 제 위치에 있을 때, 유동 내의 액체가 메시 내로 이동하고 포집될 수 있을 것이나, 공기는 캐쳐 요소 주위를 따라서 지속적으로 유동할 수 있을 것이다.

선택적으로, 메시가 약 25 미크론 내지 100 미크론 메시, 예를 들어 50 미크론 메시이다.

선택적으로, 메시가 습윤제로 코팅된다.

선택적으로, 메시가 실리카로 코팅된다.

선택적으로, 열교환기가 수집 포켓으로부터 액체를 제거하기 위한 중공형 관으로 유체적으로 연결된 흡입 시스템을 포함한다.

선택적으로, 열교환기는, 제거 배열체의 하류에 위치된 제2의 제거 배열체를 포함한다. 3개 이상의 추가적인 제거 배열체를 가지는 실시예를 또한 생각할 수 있다.

부동제 주입기가 복수의 주입 부분을 포함할 수 있을 것이고 공기 유동의 제1 영역 내의 제1 주입 부분에서 보다 농축된 부동제를 그리고 제1 영역 보다 더 고온인 공기 유동의 제2 영역에서 제1 주입 부분 보다 더 상류인 제2 주입 부분에서 (물로) 보다 희석된 부동제를 주입하도록 배열될 수 있을 것이다. 물은, 공기 내의 수분으로 인해서 열교환기를 통과하는 공기로부터의 응축에 의해서 얻어진다.

열교환기는, 제2 주입 부분에서, 제1 제거 배열체의 상류에서, 재-주입을 위해서 제2 (또는 추가적인) 제거 배열체에서 공기 유동으로부터 제거된 액체 물 및 부동제를 재순환하기 위한 재순환 경로를 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 그러한 재-주입의 복수의 시퀀스에서의 각각의 그러한 재-주입은 선택적으로 보다 희석된 부동제로 보다 고온인 공기 내로 그리고 이전의 주입시 보다 공기 유동 내에서 보다 상류에서 이루어질 수 있을 것이고, 그에 따라 부동제는 열교환기를 통한 공기 유동의 방향에 반대인 경로를 따라서 재-주입 지점들의 시퀀스를 따라 재-주입 가능하다. 그에 따라, 이는, 비록, 공기 유동 내로의 주입시에, 부동제가 공기와 함께 유동하지만, 부동제 주입 시스템의 "역류"의 종류로 간주될 수 있을 것이다. 부가적인 희석을 하는 이유는, 열교환기를 통과하는 공기로부터의 물의 응축 때문이다. 이어서, 포집된 또는 캡쳐된 부동제(예를 들어, 메탄올) 및 물이 (부동제와 함께 그에 따라 보다 희석되어), 공기 유동이 보다 고온인 위치에서 이전의 주입 보다 더 상류인 지점에서 공기 유동 내로 재-주입될 수 있을 것이다. 이러한 부동제의 재순환은, 너무 많은 부동제를 이용할 필요가 없이, 동작을 유지할 수 있게 하는데, 이는 동일한 부동제가 주입되고 이어서 포집될 수 있기 때문이고; 이어서, 부동재가 재-주입되고, 열교환기를 통해서 이용되는 캐쳐 요소를 가지는 제거 배열체의 수에 따라서, 다시 두차례 이상 포집될 수 있을 것이다. 이는 또한, 유동이 더 저온이 됨에 따라, 메탄올 함유물이 점점 더 농축될 수 있게 한다.

선택적으로, 열교환기는 공기를 0℃ 미만으로 냉각시키도록 구성된다.

선택적으로, 열교환기는 공기를 약 -100℃ 이하까지, 예를 들어 약 -140℃까지, 또는 공기 액화점 - 약 -195℃ - 까지 냉각시키도록 구성된다.

선택적으로, 열교환기는, 온도가 약 -100℃에 접근함에 따라, 가장 저온인 캐쳐 요소에 근접한 환경이 약 80 몰% 또는 약 88 중량% 메탄올(물-메탄올 고체-액체 상 평형도에서)이 되도록 제어하기 위한 제어부를 포함한다. 가장 저온인 캐쳐 요소에 근접한 환경은, 온도가 약 -100℃에 접근하거나 그 미만이 됨에 따라, 일부 실시예에서, 약 70 내지 90 몰% 메탄올(물 메탄올 고체-액체 상 평형도 상에서), 예를 들어 약 75 내지 85 몰% 또는 78 내지 82 몰%일 수 있을 것이다.

선택적으로, 공기로부터 90% 초과의, 예를 들어 95% 초과의, 하나의 예로서 약 99%의 물 함량을 제거하도록 충분한 수의 캐쳐 요소로 캐쳐 배열체가 구성되고 구축된다.

제17 양태에 따라서, 길이방향을 따른 길이방향 범위를 가지고 길이방향으로 연장하는 도관과 연통하도록 배열된 적어도 하나의 대체로 환형인 열교환기 모듈을 포함하는 열교환기 조립체가 제공되고, (a) 열교환기 모듈을 통해서 대체로 반경방향으로부터 그리고 (b) 길이방향 연장 도관을 따라서 대체로 길이방향으로부터 선택된 하나와 다른 하나 사이에서 유동을 회전(turn)시키기 위해서 적어도 하나의 안내 베인이 제공된다.

안내 베인이 대체로 반경방향으로부터 대체로 길이방향으로 유동을 회전시키도록 구성될 수 있을 것이다.

안내 베인이 환형이거나 링-유사할 수 있을 것이다.

안내 베인이 선행(leading) 연부 및 후행 연부를 가질 수 있을 것이고 선행 연부와 후행 연부 사이에서 실질적으로 일정한 두께를 선택적으로 갖는다.

선행 연부가 반경방향에 대해서 약 5 내지 20 도, 예를 들어 약 10도의 각도로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 것이 이러한 범위를 벗어날 수 있을 것이다.

후행 연부가 길이방향에 대해서 약 5 내지 15 도, 또는 약 8 내지 12도의 각도로 배열될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 이러한 것이 이러한 범위를 벗어날 수 있을 것이다.

안내 베인이 길이방향으로 길이방향 범위를 가질 수 있을 것이고, 안내 베인이 곡선형으로-펼쳐지는 선행 섹션(횡단면에서 선택적으로 실질적으로 원호이다) 및 실질적으로 원뿔형인 후행 섹션을 포함할 수 있고, 후행 섹션이 길이방향 범위의 약 50 내지 85%로 연장한다.

열교환기 조립체가, 길이방향으로 연장하는 도관을 따라서 상호 중첩되는 시리즈로 선택적으로 배열된 복수의 안내 베인을 포함할 수 있다.

유동을 가속하기 위해서 베인들이 그 사이가 좁아지게 배열될 수 있을 것이다. 이러한 방식에서, 길이방향 연장 도관으로부터의 벌크(bulk) 탈출 속력과 실질적으로 동일한 각각의 베인에서의 속력까지 유동이 가속될 수 있을 것이다. 이는 베인의 상류에서 그리고 열교환기 모듈을 통해서 압력 및 질량 유량을 균일하게 유지하는 것을 돕는다.

열교환기 조립체가 길이방향 도관을 따라서 그리고 그 주위로 시리즈로 배열된 복수의 열교환기 모듈을 포함할 수 있을 것이고, 열교환기 모듈의 적어도 하나의, 선택적으로 모든 열교환기 모듈의 적어도 실질적으로 전체의 길이방향 범위에서 그리고 그에 인접하여 연장하는 안내 베인의 시리즈가 제공될 수 있을 것이다. 이는 베인의 상류에서 그리고 열교환기 모듈을 통해서 압력 및 질량 유량을 균일하게 유지하는 것을 돕는다. 그에 따라, 둘 이상의 일반적으로 환형인 열교환기 모듈이 길이방향으로 연장하는 도관 주위에 구성될 수 있고 그리고 그를 따라서 시리즈로 배열될 수 있을 것이다. 유동이 전반적으로 및/또는 일반적으로 내측으로 반경방향으로 각각의 열교환기 모듈을 통해서 길이방향 연장 도관 내로 전달될 수 있을 것이다. 베인은 그 하류의 도관 내의 대체로 일정한 정적 압력의 생성을 가능하게 하고 그에 따라 균일한 유동이 열교환기 모듈을 통해서 인출된다.

비록 열교환기 모듈이 서로 동일한 크기(그 직경 또는 최대 횡단-치수를 포함)를 가지지만, 다른 실시예에서, 그 모듈들이 서로 상이한 크기들을 가질 수 있을 것이고, 예를 들어 서로 상이한 직경들을 가지는 일반적으로 드럼-유사 배열체의 시리즈가 된다. 그럼에도 불구하고, 모듈들이 서로 동일한 질량 플럭스 및 압력 강하로 동작하도록 구성될 수 있을 것이고, 서로 동일한 수의 열교환기 관의 행들의 수를 포함할 수 있을 것이며, 일부 실시예에서, 동일한 외경 대 내경(관들이 모듈 내에 있다) 차이를 가질 수 있을 것이다.

제18 양태에 따라서, 제17 양태에 따른 열교환기를 포함하는 엔진이 제공되고, 그러한 열교환기는 공기 압축기 및/또는 엔진의 연소 스테이지의 상류에 위치된다.

제19 양태에 따라서, 연소 섹션을 향해서 지향된 유동 경로 내의 공기를 냉각시키도록 구성된, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제16 양태에 따른 열교환기 및 연소 섹션을 포함하는, 운반체 엔진과 같은 엔진이 제공된다.

선택적으로, 엔진이 열교환기를 통해서 유동 가능한 냉각제로서 헬륨을 제공하기 위한 헬륨 공급부를 포함한다.

제20 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제16 양태에 따른 열교환기를 포함하는 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

제21 양태에 따라서, 임의의 선택적인 특징을 가지거나 가지지 않는 제18 또는 제19 양태에 따른 엔진을 포함하는, 항공기 또는 궤도 론칭 운반체와 같은 비행 기계가 제공된다.

그에 따라, 일부 실시예에서, 열교환기가 일반적으로 드럼-형상이고, 많은 수의 작은 직경의 금속 합금 관을 각각 포함하는 복수의 나선형 섹션을 포함한다. 나선형 섹션이 서로 내부에서 나선형이 된다. 일부 예에서, 관들이 각각 2 내지 3 미터 길이 및 약 1 밀리미터 직경을 가지고, 약 20 내지 40 미크론 또는 그와 유사한 벽 두께를 갖는다.

각각의 나선형 섹션이, 중앙 지지 슬리브로 고정적으로 부착된 축방향-연장 냉각제 유입구 헤더 관을 갖는다. 각각의 나선형 섹션의 관이, 예를 들어 브레이징에 의해서, 그 일단부에서, 유입구 헤더 관으로 밀봉식으로 연결되고 적은 복수의 행(예를 들어, 약 1 내지 10개의 행, 일부 예에서 2, 3, 4, 5, 6 또는 7개의 행이다) 내에서 반경방향으로 그리고 약 75개 내지 100 개의 행 또는 100개 초과의 행과 같은 많은 수의 행 내에서 축방향으로 연장한다. 이러한 여러 가지 얇은 관 모두가 유입구 헤더 관으로부터 배출구 헤더 관으로 나선화되고, 그러한 배출구 헤더 관으로, 예를 들어 브레이징에 의해서, 밀봉식으로 또한 연결된다. 다른 실시예에서, 유동 방향이 반전될 수 있고, 그에 따라 유입구 헤더가 반경방향으로 외측 위치에 있고 배출구 헤더가 반경방향으로 내측 위치에 있으며, 공기가 헬륨일 수 있는 관 내의 냉매에 대해서 대체로 역류로 반경방향 외측 방향으로 열교환기를 통해서 유동할 수 있을 것이다.

또한, 열교환기의 동작 중에 또는 그렇지 않은 동안에 온도가 변화됨에 따라, 유입구 헤더 관이 내부 지지 슬리브에 대해서 고정되어 실질적으로 제 위치에서 유지된다. 그러나, 열 팽창으로 인해서, 작은 직경 관의 길이가 변화되고 여러 가지 나선형 섹션이 대체로 원주 형태로 서로의 위에서 활주하고, 배출구 헤더 관들이 또한 내부 지지 슬리브에 대해서 이동한다. 그에 따라, 열교환기가 열 응력의 실질적인 경감으로 인해서 많은 횟수로, 심지어 100 초과 또는 200회 이상의 완전 비행 사이클에 걸쳐서 열적으로 사이클링될 수 있을 것이다.

또한, 길이를 따른 여러 지점에서, 각각의 나선형 섹션 내의 관이 예를 들어 브레이징에 의해서 함께 지지식으로 고정될 수 있을 것이고, 인접한 나선형 섹션의 행에 인접하는 관의 각각의 행이 배플 판, 이격부재 또는 심을 구비할 수 있을 것이고, 심은 축방향으로 완전히 관을 따라서 그리고 약간 반경방향으로 약 1 내지 10 밀리미터로 또는 그렇게 연장한다. 인접한 나선형 섹션 내의 배플 판 또는 심이 서로에 대해서 활주식으로 접촉지지될 수 있을 것이고, 또는 하나의 나선형 섹션의 배플 판 또는 심이 인접한 나선형 섹션의 인접한 유체 유동 관 상에서 활주식으로 결합할 수 있을 것이다. 각각의 섹션 내의 관의 지지 고정 및 활주식 접촉지지로 인해서, 열 사이클 중에 요구에 따라서 모든 나선형 섹션이 용이하게 팽창 및 수축할 수 있을 뿐만 아니라, 작은 직경 관들 외부 및 그 사이의 열교환기를 통과하는 공기와 같은 가열제(heatant)의 반경방향 드래그 로드(drag load)가 강한 실질적으로 반경방향의 하중 경로 내에서 이러한 나선형 섹션 모두를 통해서 내측으로(또는 외측으로) 전달될 수 있을 것이고 반경방향 외측 공기 유동의 경우에 내부 지지 슬리브에 의해서, 또는 외부 지지 슬리브에 의해서 대항하여 작용될 수 있을 것이다.

좁은 관 내의 반경방향 이동 공기 유동(가열제)와 반대의 반경방향 나선화 헬륨 냉매 유동 사이의 역류 열교환에서, 곡선형 도관이 열교환기의 반경방향 외부에 제공되어 접근하는 축방향 공기 유동을 열교환기 내로 굽히거나 열교환기를 통한 외측 이동 공기 유동의 경우에 열교환기를 떠나는 탈출 축방향 공기 유동을 굽힐 수 있을 것이다. 이러한 유형의 구성으로 인해서, 열교환기 관이 비교적 양호하게 보호되고, 이륙 이후의 엔진 고장(EFATO)를 유발하는 조류 충돌 또는 다른 유입과 같은 문제의 경우에, 헬륨 관이 손상될 가능성이 낮고, 엔진이 용이하게 차단될 수 있을 것이고, 최대 착륙 중량 미만으로 연료를 버리거나 버리지 않고, 운반체가 각각의 엔진이 중단된 상태로 성공적인 착륙을 실시할 수 있는 높은 가능성을 가질 수 있을 것이다.

공기와 같은 가열제가 상당한 손실이 없이 통과할 수 있게 하기 위해서, 내부 슬리브가 천공된 또는 "새장" 구성을 가질 수 있을 것이다. 슬리브가, 약 10내지 50개의 세로대 부재와 같은, 상호 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장하는 세로대 부재의 시리즈뿐만 아니라 지지 슬리브를 따른 시리즈의 하나 이상의 중간 원주방향 후프 공간으로서, 그 양 단부에서 원형 후프를 포함할 수 있을 것이다. 세로대 부재들이, 후프들이 서로 이격된 것과 대략적으로 동일한 거리로 서로 이격되어, 내부 지지 슬리브를 통한 모든 천공부들이 삼각형이 되도록 x-형상의 대각선 방향 부재에 의해서 보강될 수 있는 대체로 정사각형 형상 또는 공간을 형성할 수 있을 것이다. 이러한 구조가, 상당한 유동 손실을 생성하지 않고 배치될 수 있고 비행 중에 중력적 및 관성적 하중을 또한 지탱하는 실질적으로 반경방향 내측의 하중을 견딜 수 있는 현저하게 강한 경량 형태를 제공한다는 것을 발견하였다. 공기가 반경방향 외향으로 이동하는 배열체의 경우에, 유사한 지지 슬리브 또는 새장이 반경방향으로 냉각제 관 외부에 제공될 수 있을 것이다.

그 유입구 헤드로부터 그 배출구 헤드까지 작은 직경의 관의 루트를 따르는 경로의 일부에 위치되는 하나 이상의 중간 헤더 관을 배열할 수 있다. 그에 따라, 관이 개념적으로 그들의 길이를 따라 "컷팅된" 부분 경로로 생각될 수 있을 것이고 각각의 컷팅된 단부가 중간 헤더 관으로 부착된다. 내부 중간 공급 관이 중간 헤더 관 내에 삽입되어 그 길이를 따라서 실질적으로 전체적으로 연장할 수 있을 것이고, 중간 공급 관은 그 길이를 따라서 통과하는 시리즈로 형성된 배출구 개구의 시리즈를 가진다. 열교환기의 동작 중에, 냉각제가 유입구 헤더 관에서 뿐만 아니라 내부 중간 공급 관에서도 열교환기 내로 공급될 수 있을 것이고, 그에 따라 추가적인 냉각제가 중간 헤더 관에서 부가될 수 있을 것이고 냉각제의 상이한 질량 유량들이 열교환기의 상이한 부분들을 통해서 유동할 수 있을 것이며, 그에 따라, 대략적으로 하나를 구축하는 비용 및 복잡성만으로, 단일 열교환기 구성이 복수의 상이한 열교환기와 같이 작용하게 할 수 있다. 중간 헤더 관에서 추가적인 냉각제를 부가하기 위해서, 중간 헤더 관에서의 공급의 압력이 작은 직경 관 내부의 근처의 냉각제의 압력과 유사하거나 동일하도록 제어될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 시리즈로 통과하여 형성된 배출구 개구의 시리즈를 가지는 내부 중간 공급 관의 이용은, 열교환기의 축방향 길이를 따라서 균일한 유동 조건이 달성될 수 있게 보장한다.

본원에서 설명되는 바람직한 실시예의 열교환기는, 성에 제어 시스템을 포함하고, 영국 정부를 대리하는 유럽 우주 기관을 위한 비밀 조건에서의 테스트 열교환기에 대해서 실시된 실제 테스트 이후에, 유럽 우주 기관은 실험실 규모로 성에 제어 메커니즘의 성공적인 시연을 확인하였다. 테스트된 열교환기는 50 킬로그램 미만의 중량에서 총 40 킬로미터 초과의 작은 직경 관을 포함하였고, 유입 공기 스트림이 20 밀리초 하에서 -150℃까지 냉각되었다. 저온 동작 중에 성에 막힘이 관찰되지 않았고, 유럽 우주 기관은 지상 엔진 시연 테스트가 이제 실시될 수 있다는 것을 이제 확신한다고 발표하였다.

그에 따라, 열교환기가 각각의 나선형 섹션 내에서 하나 이상의 굽은 구역을 구비할 수 있을 것이고, 각각의 굽은 구역은 짧은 반경방향 연장 섹션을 포함한다. 그에 따라, 각각의 나선형 섹션이 완전한 나선 형성이 아니나, 제1의 실질적으로 나선형인 부분, 이어서 다른 실질적으로 나선형 부분이 후속되는 짧은 반경방향 부분 등을 포함한다. 이러한 구성은 인접한 나선형 섹션들의 굽은 부분들 사이의 실질적으로 원호형 상자 형상의 제공을 유발한다.

원호형 상자 공간 내에는, 하나 이상의 반경방향으로 이격되고 원주방향으로 엇갈린 캐쳐 요소들의 행들의 시리즈가 위치된다. 각각의 캐쳐 요소가, 선행 면 상의 캡쳐 요소를 따라서 이격된 복수의 외부 포켓의 내용물을 흡입하기 위한 흡입 시스템으로 연결될 수 있는 내부를 가지는 관을 포함할 수 있을 것이고, 그러한 포켓은 관통-개구를 통해서 관의 내부로 연결된다. 캡쳐 요소 선행 면 포켓이 50-미크론 실리카-코팅된 메시로 커버되어 포켓에 대한 다공성 전방 면을 형성할 수 있을 것이다. 다른 크기의 메시가 이용될 수 있을 것임에 따라, 다른 실시예에서 실리카 이외의 습윤제가 이용될 수 있을 것이다.

이러한 실시예에서, 메탄올, 또는 다른 부동 물질, 주입 시스템이 캡쳐 요소의 상류에 위치되고 물이 유동의 외부로 응축함에 따라, 물이 메탄올과 혼합되고, 그러한 메탄올은 물을 동결시키지 않고 액체로서 유지하며, 이러한 혼합물은 캡쳐 요소의 습윤 메시와의 접촉 시에 관성 분리에 의해서 공기 유동으로부터 분리되며, 이어서 포켓 및 관통-개구를 통해서 진공에 의해서 흡입되고 캡쳐 요소를 따라서 멀리 반송된다. 각각의 나선형 섹션 내에 복수의 굽은 구역이 존재할 때, 유사한 캐쳐 요소의 추가적인 세트가 추가적인-결과적인 원호형 상자 공간 내에서 이용될 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 예에서, 공기 유동이 반경방향으로 내측일 때 그리고, 예를 들어 좁은 관 내의 헬륨에 의해서 냉각될 때, 순수한 또는 비교적 농축된 메탄올이 반경방향으로 최내측의 원호형 상자 섹션에서 또는 그 바로 상류에서 주입될 수 있을 것이고 이어서 각각의 캐쳐 요소에 의해서 물과의 혼합물 내에서 적어도 부분적으로 포집되고, 이러한 희석된 혼합물이 이어서 열교환기 내에서 반경방향 외측으로 추가적으로 재순환될 수 있을 것이고, 그러한 열교환기에서 온도가 더 높고 다시 포집된다. 그에 따라, 이러한 실시예에서, 메탄올이 공기에 대해서 전체적으로 반경방향 역류로 이동하는 것으로 간주될 수 있을 것이고, 이는 동결 및 막힘을 방지하기 위한 필요 메탄올 소비를 감소시킨다.

메탄올이 사용 후에 물로부터 완전히 분리될 수 있으나, 대안적으로, 엔진의 연소 섹션으로 엔진 공급 공기와 함께 전달될 수 있을 것이고, 그러한 연소 섹션에서 메탄올이 추력에 기여할 수 있을 것이다. 추력 제어 시스템이 작동되는 동안에, 메인 엔진 로켓 노즐로부터 후방으로 사출되는 메탄올(연소 생성물) 중량이 일부 실시예에서 2%를 추력으로 부가할 수 있을 것이다. 또한, 비행 중에 후반의 엔진 추력에 응하여 보다 빠른 운반체 속도가 달성될 수 있게 하기 위해서, 운반체로부터의 메탄올의 중량의 손실이 또한 바람직할 수 있다.

본원에서 설명된 성에 제어 시스템이 공기로부터 물 함량의 99%를 전형적으로 제거할 수 있다.

물-메탄올 고체-액체 상 평형도에서, 가장 낮은 온도의 캐쳐 요소에 인접한 환경의 동작이, 온도가 약 마이너스 100℃에 접근함에 따라, 약 80 몰% 또는 약 88 중량% 메탄올의 영역이 되도록, 열교환기 내의 조건이 주의 깊게 제어될 수 있을 것이다.

2개의 전술된 반경방향으로 이격되고 원주방향으로 엇갈린 캐쳐 요소들의 행들이 후행 행의 인접한 요소들 사이의 원주방향으로 약 절반에서 선행 행 요소와 함께 구성될 수 있다. 선행 캡쳐 요소는, 후행 행 내의 캡쳐 요소를 향한 일반적인 유동에서, 좁은 냉각제-함유 관 상에서 축적될 수 있는 응축된 유체를 편향시키는 절벽 본체로서 작용할 수 있을 것이다. 이는, 2개의 행에 의해서 제거되는 유체의 약 95%가 후행 행에 의해서 제거될 수 있을 것이고 5% 만이 선행 행에 의해서 제거될 수 있다는 것을 의미한다. 그에 따라, 일부 실시예에서, 캡쳐 요소의 선행 행이, 캡쳐 요소에 대향하는 슬롯 또는 슬릿을 가지는 편평한 시트일 수 있는, 절벽 본체 요소의 피동 행에 의해서 대체될 수 있을 것이다.

액체 유동이 캡쳐 요소를 향해서 지향되도록 그리고 이러한 반경방향 섹션의 영역 내에서 관을 가로지르는 최단 경로를 용이하게 취하지 않도록 보장하기 위해서, 열교환기가 작은 직경 관의 짧은 반경방향 연장 부분의 영역 내에서 편향부-형상의 호일 심을 구비할 수 있을 것이다. 또한, 반경방향 연장 부분 내의 관들 사이의 갭이 바람직하게 밀봉된다.

그에 따라, 열교환기의 얼음 생성 및 막힘이 발생하지 않도록 공기 유동으로부터 물 함량을 제거하기 위해서, 성에 제어 시스템이 낮은 대기에서 이용될 수 있다는 것이 예상된다. 운반체가 대류권의 상단을 향해서 그리고 성층권, 예를 들어 약 10 킬로미터, 그 부근 또는 그보다 다소 높은 고도를 향해서 상향 이동함에 따라, 문제를 유발할 수 있는 충분한 수증기가 더 이상 존재하지 않고, 메탄올 펌프 및 캡쳐 요소 흡입 펌프를 차단하는 것에 의해서 문제가 되는 결빙 및 성에 제어 시스템이 오프로 전환될 수 있다.

비록 유동이 반경방향 내측일 때 필요한 경우에 열교환기로부터의 공기 배출구 근처에서 즉, 내부 새장 근처에서 열교환기가 공기를 그 액화점까지 냉각시킬 수 있지만, 물의 대부분이 열교환기 내에서 더 뒤에서 더 높은 온도로 메탄올과 함께 제거되도록, 성에 제어 시스템이 설정된다. 약 -50℃ 미만의 그리고 완전히 거의 -140℃까지의 매우 낮은 온도에서, 임의의 잔류 메탄올/물 액체 내용물은, 응고되는 경우에, 증기로부터의 직접적인 승화에 의해서, 보다 높은 온도에서 형성될 수 있는 솜털 같은 성에 대신에 덩어리 얼음으로 직접적으로 변환될 것이고, 그에 따라 막힘 문제를 덜 유발할 것이다.

열교환기가 내부에서 이용되는, SKYLON 운반체 또는 유사한 비행기와 같은 재사용 가능 운반체가 고속으로 대기 내로 다시 이동할 때, 엔진으로의 공기 유입구 엔진실이 폐쇄될 수 있을 것이다. 공기가 열교환기를 통과하지 않는 경우에도, 대기 재-진입 시에 엔진의 외부 본체를 통한 공기역학적 가열로 인한 열교환기의 그리고 또한 잠재적인 주변의 구성요소의 과열을 방지하기 위해서, 헬륨이 작은 직경의 관 주위로 순환될 수 있을 것이다.

다른 실시예에서, 수소와 같은, 헬륨 이외의 유체가 열교환기 관 내부를 따라서 유동될 수 있을 것이다. 헬륨/공기 열교환기로서 작용하는 대신에, 열교환기가 (예를 들어) 수소/다른 유체 열교환기로서 작용할 수 있을 것이다. 바람직한 실시예에서 열교환기 관이 일반적으로 원형 횡단면을 가지나, 다른 실시예에서 다른 형상이 이용될 수 있을 것이다.

본 발명이 여러 가지 방식으로 실행될 수 있을 것이고, 본 발명에 따른 열교환기, 엔진 및 항공기의 하나의 바람직한 실시예가 첨부 도면을 참조한 예에 의해서 이제 설명될 것이다:
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기를 가지는 엔진을 포함하는 항공기의 하나의 바람직한 실시예의 측면 입면도이다.
도 1b는 도 1a의 항공기의 상부 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 항공기의 후방 입면도이다.
도 2는 종래 기술의 엔진의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기를 포함하도록 수정된 도 2의 엔진에 대한 개략적인 사이클 도면이다.
도 4a는 도 3에 도시된 바와 같은 사이클과 함께 도 2의 엔진의 수정예에서의 수정된 열교환기로서 이용될 때 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 실시예의 등측도이다.
도 4b는 도 4a의 지역(A)의 상세도이다.
도 5a는 열교환기의 도 5b의 Y-Y 상의 단면이다.
도 5b는 반경방향 내측 방향으로 본 열교환기의 측면 입면도이다.
도 6은 열교환기를 위한 드럼-형상의 새장 또는 천공형 슬리브 지지부의 등측도이다.
도 7a는 도 7e의 상세부분(A)의 상세도이다.
도 7b는 도 7e의 상세부분(B)의 상세도이다.
도 7c는 도 7e의 상세부분(C)의 상세도이다.
도 7d는 도 7e의 상세부분(D)의 상세도이다.
도 7e는 도 7f에서 아래로부터 본 것과 같은 도 7f에 도시된 열교환기의 나선형 섹션을 통한 개략적인 단면이다.
도 7f는 열교환기의 열교환기 관의 나선형 섹션의 등측도이다.
도 8a는 도 7f와 유사한 도면이나, 열교환기 섹션의 곡선형의 대체로 원주방향의 길이를 따른 배플 스테이션(baffle station)의 위치를 보여주기 위해서, 명료함을 목적으로, 나선형 섹션의 열교환기 관의 상당한 비율을 제거하여 도시한 도면이다.
도 8b는 도 8a의 상세부분(E)에 대한 등측적인 상세도이다.
도 8c는 도 8a의 상세부분(F)에 대한 등측적인 상세도이다.
도 9a는 도 9b의 방향(9a)을 따른 열교환기의 후방 입면도이다.
도 9b는 도 9a의 선 A-A에 의해서 표시된 2개의 평면 상의 열교환기의 횡단면도이다.
도 10a는 지지부의 세로대(longeron) 요소에 피팅된 선택적인 세로대 슈(shoe)와 함께 그리고 주위로 나선형 형태로 피팅된 도 8a에 도시된 나선형 섹션의 구성요소와 함께 도 6의 지지 부재를 도시한다.
도 10b는 도 10a의 상세부분(A)에 대한 구체적인 등측도를 도시한다.
도 11a는 모두 21개의 피팅된 나선형 섹션과 함께 그러나, 명료함을 목적으로, 캡쳐 요소 및 메탄올 주입 링이 생략된 상태로 도시한, 도 6의 지지부의 단부도이다.
도 11b는 도 11a의 상세부분(A)에 대한 입면적 상세도를 도시한다.
도 12a는 열교환기의 메탄올 주입기 조립체의 전방 입면도를 도시한다.
도 12b는 도 12a의 평면 A-A 상에서의 단면을 도시한다.
도 12c는 도 12b 상세부분(B)의 상세도이다.
도 12d는 도 12b의 상세부분(C)의 상세도이다.
도 12e는 주입기 조립체의 주입기 관 조립체 중 하나를 도시한 도 12g의 평면 D-D 상의 부분적으로 단축된 횡단면도이다.
도 12f는 도 12e의 상세부분(E)의 상세도이다.
도 12g는 주입기 관 조립체의 도 12e의 방향(12G)을 따른 입면도이다.
도 12h는 도 12a의 주입기 조립체의 등측도이다.
도 13a는 성에 제어 시스템 내의 열교환기로부터 액체를 제거하기 위한 외측 캡쳐 조립체의 일부의 등측도이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 구성요소의 일부의 등측도이다.
도 13c는 도 13a에 도시된 구성요소의 단부도이다.
도 13d는 도 13c의 평면 C-C 상의 단면이다.
도 13e는 도 13c와 유사하지만 캡쳐 조립체의 캡쳐 매니폴드 판은 제거된 상태로 도시한 도면이다.
도 13f는 도 13e의 상세부분(D)의 상세도이다.
도 13g는 도 13a에 도시된 부분의 원주방향을 따른(열교환기의 드럼 중심 축 주위의) 입면도이다.
도 13h는 도 13g의 평면 A-A 상에서의 단면이다.
도 13i는 도 13h의 상세부분(B)의 상세도이다.
도 14a는 하이드로포밍된(hydroformed) 캡쳐 조립체의 캡쳐 관의 원주방향을 따른 입면도이다.
도 14b는 원형 단부 마개에서 도 14a의 하이드로포밍된 캡쳐 관의 횡단면적 프로파일을 도시한다.
도 14c는, 2개의 인접한 액체 캡쳐 포켓의 각각의 일단부에서, 도 14a에 도시된 프로파일의 상승된 지점에서의 도 14a의 캡쳐 관의 프로파일 섹션을 도시한다.
도 14d는 2개의 그러한 포켓 단부들 사이의 관 중간의 프로파일을 도시한다.
도 14e는 도 14a의 관의 사시도를 도시한다.
도 14f는 실리카-코팅된 메시가 주위로 타이트하게 랩핑된 도 14a의 관의 단면화된 사시도를 도시한다.
도 15는 중간 헤더를 포함하는 나선형 섹션의 수정된 버전의 개략도이다.
도 16은 열교환기 및 중간 헤더 유체 유동 경로를 도시한 개략도이다.
도 17은 도 15의 방향(17)으로 본 나선형 섹션의 일부의 개략도를 도시한다.
도 18은, 메탄올(또는 다른 부동제)가 재순환되고 공기 유동 내로 한차례 초과로 주입되는, 수정된 주입 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 19a는 캡쳐 조립체의 캐쳐(cather) 요소와 함께 이용되는 심(shim) 판을 도시한다.
도 19b는 캐쳐 요소에 대해서 배치된 도 19a의 심 판을 도시한다.
도 19c는 열교환기의 부분적인 단부도이다.
도 19d는 도 19c의 상세부분(E)의 상세도이다.
도 20a는, 명료함을 목적으로, 원형 캐쳐 링 매니폴드 및 그 S-형상의 연결 호스를 제거한, 열교환기의 정면도이다.
도 20b는 도 20a의 상세부분(A)의 상세도이다.
도 21a는, 배출구 도관이 길이 방향을 따라 엔진의 공기 압축기를 향해서 연장하는 것을 도시한, 2개의 피동(passive) 유닛과 함께 배출구 도관 주위에 배치된 열교환기의 개략도이다.
도 21b는 도 21a의 상세부분(B)의 상세도이다.

도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같이, 후퇴 가능한 언더캐리지(12, 14, 16)를 가지는 항공기(10)가 연료 및 옥시던트 저장부(20, 22) 및 유효 탑재(payload) 영역(24)을 가지는 동체(18)를 갖는다. 이동 꼬리 지느러미 배열체(26) 및 모든 이동 카나드(canard) 배열체(28)가 동체(18)로 부착된다. 엘리본(elevon)(36)을 가지는 주 날개(34)가 동체(18)의 양 측면으로 부착되고, 각각의 날개(34)가 날개 선단부(40)에 부착된 엔진 모듈(38)을 갖는다. 도 1c 및 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 엔진 모듈(38)의 후방부가 여러 우회 버너(42)에 의해서 둘러싸인 4개의 로켓 노즐(40)을 구비한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 엔진 모듈(38)은 공기 유입구(43), 4 부분의 열교환기(44), 터보 압축기(46) 및 사이클 도관(48)을 포함한다. 지구의 대기 내의 엔진 모듈(38)의 공기 호흡 모드에서, 공기 유입구(43)를 통과하는 유입 공기의 일부가 열교환기(44)를 통해서 터보 압축기(46)로 전달되고, 일부가 우회 도관(50)을 따라서 우회 버너(42)로 우회된다.

바람직한 실시예에서, 종래 기술의 열교환기(44)가 열교환기 또는 전-냉각기(pre-cooler)(52) 또는 병렬로 동작할 수 있는 복수의 열교환기(52)로 대체된다.

도 3은, 4개 대신에 단지 하나의 로켓 노즐(40)을 도시하기 위한 명료함을 목적으로 단순화된, 수정된 엔진 모듈(38)을 위한 사이클의 개략도를 도시한다.

그에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 호흡 모드에서, 공기가 흡입구(43)로 진입하고 열교환기(52)로 전달되거나 우회 도관(50)을 통하여 우회 버너(42)로 전달된다. 이어서, 열교환기(52)를 통과하는 공기는, 로켓(40)에서의 추가적인 연소를 위해서 전-버너 배출 생성물 내의 미연소된 수소와 함께 전달되기에 앞서서 열교환기(60)를 통과하기 전에, 로켓 노즐(40)로 그리고 부분적으로 또한 전-버너(58)로 밸브(56)를 통과하기 전에 터보 압축기(46)의 압축기(54) 내에서 압축된다.

터빈(64)에 의해서 구동되는 액체 수소 펌프(62)는, 부분적인 전-버너 연소를 위해서, 수소를 열교환기(66) 및 터빈(64)을 통해서 헬륨 순환기(70)의 터빈(68)을 통해 전-버너(58)로 구동하나, 액체 수소의 일부가 우회 버너(42) 내에서의 연소를 위해서 도관(74)을 따라서 밸브(72)를 우회할 수 있을 것이다.

헬륨 순환기(70)는, 공기가 반대 방향으로 통과하는 역류 열교환에서 열교환기(52)를 통해 기체 헬륨을 구동하는 압축기(76)를 포함하고(공기 및 헬륨의 경로들의 반경방향 구성요소들을 고려한다), 이어서 헬륨은, 열교환기(66) 내에서 수소에 의해서 냉각되기 전에 헬륨 터빈(78)을 통한 이동 전에 열교환기(60)를 통과하고 이어서 헬륨 압축기(76)로 역으로 전달된다. 이러한 공기 호흡 모드에서, 항공기(10)는 지면(80)(도 1a) 상에서의 정지로부터 수평으로 이륙할 수 있다.

일단 항공기(10)가 약 마하 5의 상당한 속도로 이동하면, 공기 호흡 모드로부터 완전 로켓 모드로 스위칭될 수 있을 것이다. 완전 로켓 모드에서, 공기 유입구(43)가 폐쇄되고; 비록 수소가 밸브(72)에 의해서 우회 버너(42)로 전환되지 않지만, 사이클 도관(48)을 통한 수소 경로가 공기 호흡 모드에서의 경로와 유사하다. 터보 압축기(46)가 비활성적이다. 헬륨 회로에서, 이제 기체 헬륨이 헬륨 압축기(76)로부터 열교환기(52) 및 열교환기(60)를 통해서 그러나 이어서 열교환기(66)로 복귀하기 전에 터빈(82)으로 그리고 이어서 헬륨 압축기(76)로 유동한다. 헬륨 터빈(82)은 액체 산소 펌프(84)를 구동하고, 그러한 액체 산소 펌프(84)는 산소를 로켓 노즐(40)을 향해서 그리고 부분적으로 전-버너(58)를 통해서 그리고 이어서 미연소 수소와 함께 전-버너 배출 생성물로서 로켓 노즐(40)로 연소를 위해서 지향시킨다. 밸브(56)가 완전 로켓 모드에서 폐쇄된다.

완전 로켓 모드에서, 항공기(10)가 큰 수의 마하(Mach)를 통해서 그리고 궤도 내로 가속될 수 있을 것이다.

도 6에서 도시된 바와 같이, 열교환기(52)가 중앙 새장 또는 대체로 원통형인 천공된 드럼(84) 형태의 지지부를 갖는다. 드럼(84)이 서로 이격된 2개의 단부 지지 링들(86) 및 단부 지지 링들(88) 사이의 균등한 시리즈(even series)로 이격된 3개의 중간 지지 링(88)을 갖는다. 21개의 세로대 부재(90)의 시리즈가 2개의 단부 지지 링들(86) 사이를 따라서 연장하고 모두 5개의 지지 링(86, 88)에 의해서 지지된다. 세로대 부재(90)가 실질적으로 편평한 반경방향으로 정렬되고 얇은 판을 포함한다. 세로대 부재(90)가 나사산형 보빈 부재(92)에 의해서 2개의 단부 지지 링(86)으로 부착되고 그 반경방향 내측 연부(96) 근처에서 3개의 슬롯(94)의 시리즈를 갖는다. 슬롯(94)은 각각의 세로대 부재(90)를 따라서 반경방향 범위의 약 1/4 내지 3/4으로 연장하고, 세로대 부재(90)와 중간 지지 링(88) 사이의 지지 결합을 가능하게 한다. 중간 지지 링(88)이 또한 슬롯을 가지고, 그러한 슬롯은 도 6에 도시된 결합을 가능하게 하는 것에 상응한다.

지지 드럼(84)은 세로대 부재(90)의 각각의 전체 길이를 따라서 결합하는 길이방향 부재를 가지는 천공된 관형 요소를 포함하는 내부 경직화재(stiffener) 관(98), 전체 원주방향 범위를 따라서 연장하고 각각의 지지 링(86, 88)과 결합하는 원주방향으로 연장하는 부재(102) 뿐만 아니라, 여러 세로대 부재(90) 및 지지 링(86, 88) 사이에 형성된 대체로 정사각형 공간(106)에 인접하여 위치된 X-형상의 브레이싱(bracing) 부재(104)를 또한 포함한다. 그에 따라, 경직화재 관(98)은, 전단 하중을 지탱하도록 디자인된 드럼(84) 내에 매우 경직적인 천공된 격자를 형성한다. 그러한 드럼은 큰 반경방향 내향 하중을 수용할 수 있고, 각각의 X-형상의 브레이싱 부재(104)의 영역 내에 형성된 4개의 삼각형은, 상당한 압력 강하 없이, 실질적인 공기 유동이 천공된 드럼(84)을 반경방향으로 통과할 수 있게 한다.

도 10a에 도시된 바와 같이, 단지 하나가 도시되고 도 10a에서 부분적으로만 도시된, 21개의 나선형 도관 섹션이 지지 드럼(84)으로 고정된 각각의 모듈형의 나선형 섹션(108)의 유입구 헤더(106)로 천공된 드럼 주위로 고정될 수 있을 것이고, 나선형 섹션(108)은, 지지 드럼(84) 주위로 원주방향으로 실질적으로 360°로 배출구 헤더 관(110)까지 연장함에 따라, 드럼(84)의 중앙 축으로부터 반경방향 외측으로 멀리 나선화된다. 각각의 나선형 섹션(108)이 다른 실시예에서 보다 큰 또는 작은 각도 둘레로 연장하도록 수정될 수 있을 것이다. 도 10a에서 확인될 수 있는 바와 같이, 모듈형의 나선형 섹션(108)이, 이하에서 설명되는 바와 같이, 열교환기 튜빙의 짧은 반경방향 연장 섹션을 포함하는 제1 및 제2 굽은(dogleg) 섹션(112' 및 114')을 포함한다. 다른 실시예에서, 3, 4, 또는 5개와 같은 둘 초과의 그러한 굽은 섹션이 각각의 나선형 섹션(108) 내에서 이용될 수 있을 것이다.

도 10b는, 유입구 헤더 관(106)을 지지 링(86, 88)의 각각에 대해서 제 위치에서 록킹하기 위해서 록킹 막대(114)에 의해서 결합된 개구(미도시)를 가지는 5개의 장착 플랜지(112)의 시리즈(그 중 일부만이 도 10b에 도시됨)를 유입구 헤더 관(106)이 어떻게 포함하는지를 도시한다. 도 10b에서 확인될 수 있는 바와 같이, 선택적인 세로대 슈(116')가 각각의 세로대 부재(90)의 반경방향 외측 연부를 커버하여, 결합될 수 있는 나선형 섹션(108)을 보호한다. 세로대 슈(116')가 다른 실시예에서 이용되지 않는다. 도 8a는 또한, 나선형 섹션(108)을 따라서 규칙적으로 이격된 배플 스테이션(116)의 위치를 도시한다.

도 8b는, 배출구 헤더(110)(및 유입구 헤더(106)가 유사하다)가, 3개만이 도 8b에 도시된 800개의 상응하는 헬륨 열교환기 관(120)을 수용하도록 구성된 800개의 개구(118)의 시리즈를 내부에 가지는 것을 도시한다. 다른 실시예가 그보다 적은, 또는 사실상, 보다 많은 그러한 관(120)을 이용할 수 있을 것이다. 헬륨 관(120)이 개구(118) 내로 브레이징된다. 브레이징을 위한 헬륨 관(120)을 준비하기 위해서, 바람직하게 관이 결함에 대해서 스캐닝되고, 벽 두께가 측정되고(OD), 가압 테스트가 실시되며, 관이 선택적으로 전기화학적으로 밀링되고, 세척되며, 건조되고, 이어서 소정 형상으로 컷팅되고 형성된다. 브레이징은 바람직하게 진공하에서 실시된다.

헬륨 관(120)이 헤더(106, 110)의 축방향을 따라서 이격된 200 개의 행 및 반경방향으로 4개의 행으로 배열된다. 헬륨 관(120)이 각각의 유입구 헤더(106)로부터 각각의 배출구 헤더(110)까지 전부를 따라서 연장한다. 21개의 나선형 섹션(108)이 있고 각각의 관(120)이 약 2 내지 3 미터 길이이기 때문에, 열교환기(52)가 약 40 킬로미터의 관(120)을 포함한다. 관(120)의 직경이 약 1 미리미터 또는 그보다 약간 크고, 약 20 내지 40 미크론의 벽 두께를 갖는다.

도 8c는, 짧은 반경방향 부분(122)을 가지는 굽은부분(112', 114') 및 반경방향 부분(122)으로부터 멀리 유동을 지향시키기 위해서 굽은부분(112', 114')의 양 측면에 위치된 J-형상의 호일 또는 조글(joggle)(124)을 관(120)이 어떻게 통과하는지를 도시한다. 이러한 것이 또한 도 7b에 도시되어 있다. 도 7a에서 확인할 수 있는 바와 같이, 배플 스테이션(116)에서, 레이스 트랙 섹션 배플 요소(125)가 임의의 주어진 나선형 섹션(108) 내의 헬륨 관(102)의 4개의 행의 각각의 내측 측면으로 브레이징되고, 편평한 심 판(126)이 4개의 행의 반경방향 외측 관(120)의 외측 측면에 대해서 기초로 한다. 배플 요소(125)가 헬륨 관(120)에서와 동일하게 관을 편평화하는 것에 의해서 제조된다. 배플 요소 및 심 판(126)이 축방향으로 관(120)의 200개의 행의 전부의 전체 길이로 축방향으로 연장한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 비록 열교환기(52)(도 11a 참조)의 중앙 축(128)으로부터의 진정한 반경 방향(R)(도 11b 참조)으로부터 약간 각도적으로 오프셋되나, 매트릭스 관(120)에 대해서 직교하도록 세로대 부재(90)가 존재하는 경우에, 21개의 나선형 섹션(108)의 배플 스테이션들(116)이 서로 실질적으로 정렬된다. 그에 따라, 세로대 부재(90) 상의 슈(116')가 제1 나선형 섹션(108)의 하단 배플 요소(125)와 결합하고, 반경방향 힘이 배플 스테이션(116)을 통해서, 다음의 상호-포개진 나선형 섹션의 다른 반경방향 내측 배플 요소의 하단과 결합하는 심 판(126)으로 전달될 수 있다. 11번째 나선형 섹션(108) 이후에, 반경방향으로 연장하는 I-비임(130)이 실질적으로 반경방향 하중을 다음 나선형 섹션(108)으로 전달할 수 있을 것이다. 추가적인 7개의 나선형 섹션(108)의 추가적인 7개 세트의 배플 요소(125) 및 심(126) 이후에, 반경방향 하중을 전달하기 위한 추가적인 실질적으로 반경방향으로 연장하는 I-비임(130)이 존재하고 그리고 그들 중 모두 21개의, 나선형 섹션(108)이 완전히 카운트될 때까지, 반경방향으로 통과되는 추가적인 3개의 섹션(108)이 존재한다. 이러한 구성은 단지 예시적인 것이고 다른 실시예에서 달라질 수 있을 것이다.

열교환기가 동작적일 때, 모든 관(120)을 지나는 공기의 반경방향으로 실질적으로 내측 유동이 존재하여 실질적으로 반경방향 내측 공기역학적 하중을 관 상으로 배치한다. 이러한 하중은, 반경방향으로 실질적으로 정렬된, 실질적으로 정렬된 심 판(126), 배플 요소(125), I-비임(130) 및 세로대 부재(90)에 의해서 반대된다. 따라서, 매우 상당한 공기역학적 하중에도 불구하고, 관(120)이 확실하게 지지될 수 있을 것이다.

일부 경우에, 특히 큰 마하 수에서, 특히 반경방향 최외측 측면에서 열교환기(52)에 대한 공기 유입구 온도가 실질적으로, 예를 들어, 800℃ 또는 심지어 1000℃일 수 있을 것이다. 온도 변동은 관(120)에 대한 상당한 열적 변화를 유발할 수 있을 것이고, 이는 특히, 온도 증가에 따라 길이를 증가시킬 수 있을 것이다. 그에 따라, 유입구 헤더 관(106)이 천공된 지지 드럼(84)에 제 위치에서 고정되지만, 배출구 헤더(110)는, 관(120)의 길이가 길어짐에 따라, 이동할 수 있을 것이다. 그에 따라, 각각의 나선형 섹션(108)의 심 판(126)이 인접한 배플 요소(125)에 대해서 활주할 수 있을 것이고, 그에 따라 나선형 섹션들(108)의 서로에 대한 활주하는 실질적으로 원주방향 운동을 가능하게 할 수 있을 것이다. 증가된 온도로 인한 관(120)의 길이연장에서, 배플 요소(125), 심 판(126) 및 I-비임(130)를 통한 배플 스테이션(116)의 추력의 라인이 교환기(52)의 중앙 축(152)으로부터 R의 진정한 반경방향과 보다 정렬되도록 회전될 수 있을 것이다. 배플 요소(125)의 라인이 관(120)에 실질적으로 직교적으로 유지된다. 그에 따라, 관(120)의 원주방향(길이방향) 섹션 내의 관의 열적 팽창 및 수축이 허용될 수 있을 것이다. 자연스럽게, 관(120) 및 다른 구성요소가, 온도에 따라서 팽창 및 수축할 때, 반경방향으로 팽창할 수 있을 것이고, 이러한 것에 대한 허용이 또한 제공된다.

도 7d에서 확인될 수 있는 바와 같이, 각각의 유입구 헤더 관(106)이 그 단부에서 유입구 헤더 피팅(140)과 피팅되고, 배출구 헤더 관(110)이 각각의 2개의 그 단부에서 배출구 헤더 피팅(142)과 피팅된다. 도 4a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 유입구 헤더(106)의 일단부에서의 유입구 헤더 피팅(140)이 가요성 호스(144)에 의해서 헬륨 유동을 위한 유입구 매니폴드(146)로 유체적으로 연결되고, 그 동일한 단부에서 배출구 헤더 피팅(142)이 헬륨을 위한 헬륨 배출구 링 매니폴드(150)로 가요성 호스(148)에 의해서 유체적으로 연결된다.

헤더 관(106)의 타단부에서의 유입구 헤더 피팅(140)이 차단될 수 있거나 링 매니폴드를 통해서 인접한 헤더 피팅(140)으로 유체적으로 연결될 수 있을 것이다. 배출구 헤더 관(110)의 타단부에서의 배출구 헤더 피팅(142)에 대해서도 마찬가지이다.

예를 들어 도 11a 및 도 11b에서 확인될 수 있는 바와 같이, 대체로 직사각형(그러나, 원호형) 포켓(또는 상자 섹션)(160)이 생성되어, I-비임(130)의 영역 내의 인접한 나선형 섹션(108)의 관(120)과 각각의 굽은부분(112', 114') 사이의 열교환기(52)를 축방향으로 따라서 전체적으로 연장한다. 이러한 대체로 직사각형이나 원호형인 포켓(160)은, 이하에서 설명될, 열교환기(52)의 성에 제어 시스템의 캡쳐 요소(162)를 포함한다.

도 4a 및 도 12a에 도시된 바와 같이, 메탄올 공급 관(170)이 메탄올을 메탄올 주입 링(174)의 환형 갤러리(172)로 공급한다. 갤러리(172) 내의 부분(176)은, 갤러리(172)로 진입하는 관(214)을 통한 섹션이다. 메탄올 주입 링이, 열교환기(52) 주위로 원주방향으로 이격된 시리즈로 위치된 180개의 주입기 관 조립체(182)의 시리즈(도 12e)(이러한 배열체가 다른 실시예에서 상이할 수 있다)를 가지며, 각각의 주입기 관 조립체(182)는 환형 갤러리(172)를 형성하는 환형 매니폴드(173)와 단부 플러그(192)의 테이퍼링된 단부(190)가 내부로 고정되는 추가적인 지지 링(175) 사이에서 축방향으로 연장하는 주입기 관(184)을 포함한다. 주입기 관(184)의 각각이 관(184)을 따라서 시리즈로 이격된 22개의 주입 홀(194)의 시리즈(그중 하나가 도 12f에 도시됨)를 포함하고, 각각의 홀(194)의 직경이 0.2 mm이다. 테이퍼링된 단부(190)에 대향하는 각각의 관의 단부(196)가, 링(173)으로 부착된 지지 링(177) 내의 상응하는 형태와 편평부(202)의 합치에 의해서 관(184)을 회전식으로 정렬시키기 위해서 편평부(202)를 가지는 비-원형 플랜지(200)를 구비하는 주입기 피팅(198)으로 고정된다. 원형 밀봉부(204)가 피팅(198)의 환형 함몰부(206) 내의 밀봉을 위해서 제공된다.

메탄올 공급 관(170)으로 연결된 도관(212)을 따라서 메탄올을 펌핑하도록 메탄올 펌프(210)(도 3)가 동작될 때, 메탄올이 갤러리(172)를 통해서 그리고 링(173)의 공급 채널(214) 및 피팅(198)의 내부 채널(216)를 통해서 강제되어 메탄올을 관(184)의 내부로 그리고 이어서 주입 홀(194)를 통해서 외부로 펌핑한다. 따라서, 메탄올이 관(120)의 나선형 섹션(108)에 의해서 형성된 부피 내로 거의 진입하도록 공기 유동으로 주입된다.

메탄올은, 열교환기를 통한 공기 유동을 차단할 수 있는, 열교환기(52) 내의 얼음의 형성을 방지할 수 있다. 이를 위해서 메탄올은 열교환기 내에서 응축된 물 액적의 동결 온도를 낮추고, 이하에서 설명하는 바와 같이, 메탄올 및 물의 상당한 비율이 캐쳐 요소에 의해서 공기 유동으로부터 함께 제거된다.

도 11b에 도시된 2개의 포켓(160) 중 각각의 외측의 하나가 그 내부에 위치된 9개의 상호 이격된 캐쳐 요소를 가지고, 포켓(160)의 각각의 내측의 하나가 그 내부에 위치된 7개의 캐쳐 요소(162)를 갖는다. 도면의 도 13a 내지 도 14d를 참조하여, 캐쳐 요소(162)가 이제 설명될 것이다. 이러한 도면은 9개의 캐쳐 요소를 가지는 외측 캐쳐 조립체(240)를 도시한다. 내측 캐쳐 조립체는 캐쳐 요소의 수를 제외하고 유사하다(이는 단지 7개를 가지기 때문이다). 도 13a 및 도 13h에 도시된 바와 같이, 각각의 캐쳐 조립체(240)가 4개의 캐쳐 요소(162)의 외측 행(242) 및 5개의 캐쳐 요소(162)의 내측 행(244)을 갖는다. 다시, 캐쳐 요소의 수 및 굽은 부분의 수 그리고 포켓의 (반경방향) 행이 다른 실시예에서 상이할 수 있을 것이다. 각각의 캐쳐 요소(162)가, 도 14a 내지 도 14d에 도시된 바와 같이 그 길이를 따라서 횡단면이 변화되는 하이드로포밍된 관(246)을 포함한다. 특히, 관(246)이 그 각각의 단부(248, 250)에서 원형 단면이고 피크들(254) 사이에서 내부에 형성된 8개의 포켓 함몰부(252)를 가지며, 관(246)의 횡단면이 도 14c에 도시된 바와 같고, 피크들(254) 사이의 중간-지점(256)의 횡단면이 도 14d에 도시된 바와 같고, 그 내부에 2개의 외측으로 오목한 부분(258)이 존재한다. 도 13i에 도시된 바와 같이, 관(246)이, 실리카와 같은 습윤제(wetting agent)로 코팅된 스테인리스 스틸 50 미크론 필터 메시(258)(다른 매시가 다른 실시예에서 이용될 수 있을 것이다)로 커버된다. 각각의 메시(258)가 일반적으로 원통형이고(다른 실시예에서 달라질 수 있을 것이다) 포켓 함몰부(252)의 각각에서 공동의 쌍(260, 262)을 형성하며, 그에 따라 캐쳐 관(246) 마다 총 16개의 공동(260, 262)이 존재한다. 청소 홀(264)이 각각의 공동(260, 262) 내의 관(246)의 벽을 통해서 배치되고, 이러한 숫자는 다른 실시예에서 상이할 수 있을 것이다. 캐쳐 조립체(240)가 제어 판(270)을 포함하고, 각각의 캐쳐 관(246)의 일단부(248)가 비-회전 피팅(272)으로 피팅되고, 그에 따라 모든 9개의 캐쳐 요소 관(246)이, 파이핑(278)(도 3)을 통해서, 흡입 공급원(280)으로 연결되는 흡입 포트(276)를 가지는 캐쳐 흡입 매니폴드 조립체(274)의 내부와 연통한다. 캐쳐 요소(162)가 반전되어(upside down) 동작될 수 있고 또한, 임의의 축방향으로 또는 달리 이용될 때, 비행 운반체를 가속할 수 있다.

도 13a 및 도 13d에서 도시된 바와 같이, 캐쳐 요소(246)의 원위(distal)단(282)이 단부 플러그(284)에 의해서 확실하게 폐쇄된다.

캐쳐 제어 판(270)이 관통하는 원형 개구(290)를 포함한다는 것을 확인할 수 있을 것이다. 열교환기(52)의 배출구 헤더 관(110)이 이러한 개구(290)를 통과한다. 캐쳐 판(270)이 9개의 추가적인 개구(292)를 포함한다는 것을 또한 확인할 수 있을 것이다. 이러한 것에 대한 이유는, 열교환기(52) 주위에서 원주방향으로 이격된 하나의 인접한 캐쳐 조립체(240)가 대향 단부들에서 매니폴드(272) 및 단부 플러그(284)와 정렬되기 때문이다. 그에 따라, 개구(292)가 인접한 캐쳐 조립체(240)의 캐쳐 요소(162)의 원형 단부(250) 주위로 결합하는 역할을 하고, 그에 따라 모든 캐쳐 관(246)이 양 단부에서 지지된다. 흡입 포트(276)에서 진공이 인가될 때, 청소 홀(266)에 흡입이 존재한다. 캐쳐 요소(162)의 영역 내에 메탄올 및 액체 형태의 물이 있는 상태에서, 액체가 실리카 코팅된 메시(258)와 접촉할 때, 물이 메시(258)로 습윤되고 메시를 통해서(작은 메시 기공으로 인해서 공동(262)이 저압에서 동작한다) 공동(262, 260)/포켓(252) 내로, 이어서 청소 홀(266)를 통해서 그리고 캐쳐 관(246) 내부를 따라서 각각의 매니폴드(274) 및 흡입 포트(276)로 흡입된다. 청소 홀(266)은 액체와 함께 관통 흡입되는 공기 유동을 낮은 레벨로 제어한다. 이러한 방식으로, 유입 공기 내의 수증기의 상당한 비율이 유동으로부터 제거될 수 있고, 그에 따라 열교환기(52)는 얼음으로 막히지 않는다. 메시(258)가 도 13i에서 명료함을 목적으로 원형 섹션으로 도시되어 있는 반면, 도 14f에 도시된 바와 같이, 그러한 메시는 사실상 공동(262/260)/포켓(252) 위의 납작한 구성으로 연신된다. 도 14e에 도시된 바와 같이, 피크(또는 랜드(land)(254)가 일반적으로 편평하게 구성된다. 포켓들을 서로로부터 분리하도록, 랜드(254)가 메시(258)와 결합한다. 그에 따라, 하나의 포켓이 그 무결성(integrity)을 상실한다면, 예를 들어 파편이 열교환기 내로 들어가는 경우에, 다른 포켓(252)이 계속 동작될 것이다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 외측 캐쳐 흡입 매니폴드 조립체(274)가 가요성의 S-형상의 진공 관(300) - S-형상은 제조 편차 및 열 팽창을 허용하나 다른 실시예에서 이용될 필요가 없다 - 에 의해서 환형 성에 제어 캐쳐 링 매니폴드(302)로 연결되고, 내측 캐쳐 요소 매니폴드 판(304)(단지 7개의 캐쳐 요소를 제외하고 매니폴드 판(274)에 상응한다)이 유사한 S-형상의 가요성 호스(306)에 의해서 성에 제어 캐쳐 링 매니폴드(308)로 연결된다. 링(308)이 진공 배출구 도관(309)으로 그리고 링(306)이 진공 배출구 도관(307)으로 연결되고, 양자는 파이핑(278)을 통해서 진공 공급원(280)으로 연결된다.

열교환기의 대향하는 축방향 단부에 유사한 진공 매니폴드 판(272, 304)이 존재하기 때문에, S-형상의 가요성 호스(300, 306) 및 성에 제어 캐쳐 링 매니폴드의 유사한 배열체가 또한, 유사한 참조 번호가 유사한 특징부를 나타내는 도 5b에 도시된 바와 같이, 해당 단부에 제공된다.

도 13h로부터, 행(242, 244)의 각각의 길이를 따른 캐쳐 요소들(162) 사이의 간격이 캐쳐 요소(162)의 직경의 약 1/3인 것을 주목하여야 할 것이다. 행(242) 내의 캐쳐 요소(162)와 행(244) 내의 캐쳐 요소 사이의 거리가 대략적으로 동일하거나 약간 작다는 것을 또한 주목하여야 할 것이다. 액체 액적(400)이 외측 행(242)에 접근할 때, 그러한 액적이 화살표(402)에 의해서 도시된 바와 같이 대략적으로 이동하고 회전할 수 있을 것이다. 액적이 관(120)의 매트릭스를 통해서 유동하고, 관 상에서 성장하는 동안, 외측 행(242)의 캐쳐 요소들(162) 사이의 갭 내로 가속되는 공기 유동에 의해서 측방향으로 포커스된다. 그에 따라, 액적(400)은, 다음 행(244) 내의 캐쳐 요소(162)를 향해서 거의 직선으로 이동하도록, 제1 행(242) 내의 캐쳐 요소(162)에 의해서 전환되는 경향을 갖는다. 실제적으로, 이는 행(242) 내의 캐쳐 요소(162)가 절벽(bluff) 본체로서 작용할 수 있다는 것을 의미하고, 캐쳐 조립체(240)에 의해서 추출된 물의 약 5%가 (공기 유동 방향의 의미에서) 전방 행(242) 내에서 추출될 수 있을 것이고 95%가 다음 행(244) 내에서 추출될 수 있다는 것을 의미한다. 다른 실시예에서, 행(242)의 전방 행 캐쳐 요소(162)가 메시 또는 흡입 기능을 가지지 않는 중실형(solid) 본체로 대체될 수 있을 것이다.

동작 중인 열교환기(52)에서, 내측 캐쳐 요소 및/또는 외측 캐쳐 요소의 온도가 제어기(352)(도 3)로 데이터를 전송할 수 있는 온도 센서(350)에 의해서 모니터링될 수 있을 것이고, 그러한 제어기는 열교환기(52)를 통한 헬륨 유동을 변경하기 위해서 변환기 부분(356)을 가지는 밸브(354)와 같은 밸브를 제어할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로 또는 유사한 방식으로, 캐쳐 요소(162)의 온도가 제어될 수 있을 것이다. 공기 유동으로부터 제거된 물 및 메탄올이 로켓 노즐(40)로 접근하는 공기 유동 내로 다시 부가될 수 있을 것이고 일부 실시예에서 추력으로 2% 부가할 수 있을 것이다. 비행 중에 후반의 엔진 추력에 응하여 보다 빠른 운반체 속도가 달성될 수 있게 하기 위해서, 운반체로부터의 메탄올의 중량의 손실이 또한 바람직할 수 있다. 본원에서 설명된 성에 제어 시스템이 공기로부터 물 함량의 99%를 전형적으로 제거할 수 있다. 물-메탄올 고체-액체 상 평형도에서, 가장 낮은 온도의 캐쳐 요소(162)에 인접한 환경이, 온도가 약 -100℃에 접근함에 따라, 약 65 몰% 또는 약 82 중량% 메탄올의 영역이 되도록, 방금 설명된 제어기(352)에 의해서 제공되는 제어가 이루어질 수 있을 것이다. 비록 필요한 경우에 열교환기로부터의 공기 배출구 근처에서 열교환기가 공기를 그 액화점까지 냉각시킬 수 있지만, 물의 대부분이 열교환기(52) 내에서 더 뒤에서 더 높은 온도로 메탄올과 함께 제거되도록, 성에 제어 시스템이 설정된다. 약 -50℃ 미만의 그리고 완전히 거의 -140℃까지의 매우 낮은 온도에서, 임의의 잔류 메탄올/물 액체 내용물은, 응고되는 경우에, 증기로부터의 직접적인 승화(sublimation)에 의해서, 보다 높은 온도에서 형성될 수 있는 솜털 같은(feathery) 성에 대신에 덩어리(mass) 얼음으로 직접적으로 변환될 것이고, 그에 따라 막힘 문제를 덜 유발할 것이다.

도 15에서 도시된 바와 같이, 나선형 섹션(108)이 중간 헤더(440)를 포함하도록 변형될 수 있을 것이다. 중간 헤더(440)가 2개의 개구의 세트를 가질 수 있을 것이고, 그 중 하나의 세트 내로, 유입구 헤더(106)로부터 도달하는 모든 관(120)이 브레이징에 의해서 고정될 수 있을 것이고 다른 세트 내로 배출구 헤더(110)로 연장되는 모든 관(120)이 그렇게 고정될 수 있을 것이다. 중간 헤더(440)가 외측 관(442)을 가질 수 있을 것이고, 그에 따라 그 내부로 관(120)이 연통된다. 유입구 헤더(440)가, 헬륨을 중간 헤더(440) 내로 주입하기 위해서 이격된 위치에서 시리즈로 위치된 주입기 개구(446)의 시리즈를 가지는 내부 관(444)을 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 중간 헤더(440) 하류의 관(120)이 상류 관(120) 보다 더 큰 헬륨의 질량 유량을 반송할 수 있을 것이다. 이는, 예를 들어 큰 비행 마하에서 허용 가능한 금속 온도를 초과하는 것을 방지하기 위해서 열 교환 특성을 실질적으로 변경할 수 있도록 사이클 디자인에서 매우 유용할 수 있을 것이고, 하나의 열교환기(52)만이 시스템을 본질적으로 제공하고, 그러한 시스템은 내부에서 유동하는 냉각제, 헬륨 또는 다른 냉각제의 상이한 유동들을 가지는 2개의 상이한 열교환기와 같이 작용할 수 있을 것이다. 이는 도 16에서 개략적으로 확인될 수 있을 것이고, 여기에서 공기가 하나의 경로(450)를 따라서 유동하는 것으로 보이고, 유입구 헤더(106)가 열교환기(52) 내의 유입구 지점에, 중간 헤더(440)가 중간 지점에 그리고 배출구 헤더(110)가 배출구 지점에 있는 것으로 개념적으로 생각된다. 중간 헤더(440) 내로의 냉각제의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(452)가 개략적으로 도시되어 있다.

도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같이, 심 판(500)이, 행(242, 244)의 캐쳐 요소(162)의 반경방향 외측에 위치된 각각의 포켓(160) 내에 위치된다. 도 19a는 외측 포켓(160)을 위한 심 판(500)을 도시하고, 7개의 캐쳐 요소(162)를 가지는 내측 포켓이 유사한 심 판(500)을 갖는다(길이방향 슬롯(512, 514, 516)의 수가 변화될 수 있을 것이고, 예를 들어 감소될 수 있을 것이다). 각각의 심 판이 제1 측벽(502), 상단 벽(504) 및 제2 측벽(506)을 갖는다. 각각의 측벽(502, 506)이 상단 벽(504)으로 결합된 하향 경사 부분(508)을 포함하고, 그러한 하향 경사 부분(508)은 측벽(502)의 하부의 대체로 반경방향으로 연장하는 부분(510)으로 연결된다. 상단 벽(504)은 대체로 전장을 따라서 3개의 길이방향 연장 슬롯(512, 514, 516)을 형성하고, 그러한 슬롯(512, 514, 516)은 작은 교차 연결부(518)의 시리즈에 의해서 중단된다. 3개의 슬롯(512, 514, 516)이, 캐쳐 요소(126)의 제2 행(244)의 3개의 가장-중간의 캐쳐 요소(126)와 함께 각각의 반경방향 경로를 따라서 정렬된다. 그에 따라, 도 19d에 도시된 5개의 공기 유동 라인(520)에 의해서 도시된 바와 같이, 심 판(500) 내의 슬롯(512, 514, 516)이 제2 행(244) 내의 캐쳐 요소(126) 상으로 유동을 지향시키는 것을 보조하는 경향이 있다. 캐쳐 요소(126)의 제1 행(242)을 생략하는 것에 의해서 그리고 잠재적으로 각각의 심 판(500)의 상단 벽(504)을 나머지 "제2" 행(244)에 보다 근접하여 배치하는 것에 의해서 그러한 배열이 수정될 수 있을 것이고, 슬롯(512, 514, 516)은 그 캐쳐 요소(126)와 여전히 실질적으로 정렬된다. 일부 실시예에서, 심 판이 이러한 행 내에서 캐쳐 요소(126) 마다 하나의 슬롯(또는 슬릿)을 가질 수 있을 것이다. 반드시 3개의 슬롯이 있을 필요가 없다. 예를 들어, 5개가 존재할 수 있을 것이다.

심 판(500)이 선택적이다. 그들은 공기 유동 속도를 국부적으로 증가시키고, 그에 따라 공기역학적인 힘이 중력 보다 우세하다. 중력은, 드롭(drop)이, 캐쳐 요소와 부딪혀 포획되지 않고, 캐쳐 요소들 사이에서 대각선 방향으로 이동하도록 유도하는 경향을 가질 수 있을 것이다. 그에 따라, 심 판(500)은, 캐쳐 요소(126, 244) 상으로 지향시키는 경향을 가지는 물/부동제의 액적에 대한 공기역학적인 하중의 생성을 보조한다. 심 판(500) 이외의 다른 구조물이 유사한 목적을 위해서 다른 실시예에서 이용된다.

도 20a 및 도 9b에서 도시된 바와 같이, 열교환기가 전방 벌크헤드(530) 및 상응하는 후방 벌크헤드(532)를 구비하고, 이러한 벌크헤드는 본질적으로 서로의 거울 이미지이다. 벌크헤드(530, 532)가 부착부로 고정되어, 열 팽창으로 인한 이동을 허용한다. 도 20a에 도시된 바와 같이, 전방 벌크헤드(520)가 지지 드럼(84) 주위에 안착되고 고정되는 내측 링(534)을 갖는다. 내측 링(534)이 대체로 반경방향으로 연장하는 스포크(536)의 시리즈에 의해서 벌크헤드(530)의 외측 링(538)과 연결된다. 스포크(536)의 다른 단부(540)가 메탄올 주입 링(174)으로 연결된다. 도 20b에 도시된 바와 같이, 외측 헤더 유지부 스프링(542)이 벌크헤드(530)의 링(538)으로 그리고 각각의 캐쳐 조립체 제어 판(270)으로 부착된 헤더 관(110)을 위한 탭 와셔(544)로 스프링-위치된다(spring-located). 스프링(542)은, 열 팽창을 허용하면서, 약간의 반경방향 클램핑 하중을 관(120)의 매트릭스로 인가한다.

스포크(536)가 간극을 제공하기 위해서 이러한 실시예에서 약간의 나선형 형상이나, 진정한 반경방향일 수 있고 또는 다른 실시예에서 다른 구성을 가질 수 있다.

도 18은 성에 또는 얼음 형성으로 인해서 열교환기가 막히는 것을 방지하기 위해서 이용되는 메탄올 또는 다른 부동제의 재순환을 포함하도록 열교환기를 수정한 것을 도시한다. 공기 유동은, 앞서서 개략적으로 도시된 바와 같이, 열교환기를 통해서 환형으로 내측으로 공기 유동 화살표(A, B)의 방향으로 유동하고, 공기 유동은 헬륨 관(120)(명료함을 목적으로 도 18에 도시되지 않음)에 의해서 냉각되고 (명료함을 목적으로) 도 18에서 도시되지 않았다. 메탄올(또는 다른 부동제)가 공급원/펌프(550)로부터 도관(552)을 따라서 열교환기(52) 내의 공기 유동 내의 비교적 저온의 하류 위치에 배치된 제1 주입기 매니폴드(554)로 공급된다. 이어서, 메탄올이 수집되거나 그 상당 부분이 제1 하류 캡쳐 또는 제거 배열체(556)에서 공기 유동 내의 물과 함께 수집된다. 이어서, 물로 희석된 이러한 캡쳐된 메탄올이 펌프(558)에 의해서 도관(560)을 따라서 보다 상류의 메탄올/물 주입 매니폴드(562)로 재순환되고, 이어서 이러한 혼합물이 (적어도 부분적으로) 추가적인 캡쳐 또는 제거 배열체(564)에서 공기 유동으로부터의 추가적인 물과 함께 캡쳐된다. 이어서, 이러한 메탄올(물과 함께)은, 추가적인 펌프(566)에 의해서 추가적인 도관(568)을 따라서, 추가적으로 희석된 메탄올과 함께, 메탄올/물이 공기 유동 내로 주입되는 상류 메탄올/물 주입기 매니폴드(570)로 펌핑된다. 이어서, 이러한 추가적으로 희석된 메탄올(물로 희석됨)이 상류 캐쳐 또는 제거 배열체(572)에서 수집되거나 실질적으로 모두 수집되고, 그러한 캐쳐 또는 제거 배열체에서 출구(574)로 멀리 유도되고, 그러한 출구는 엔진의 연소 또는 추력 생성 섹션으로 연장될 수 있을 것이고, 그에 따라 부가적인 추력을 공급하기 위해서 엔진으로부터 사출될 수 있을 것이다. 추가적인 상류 위치에서 메탄올이 매번 재-주입되는(그리고 그에 따라, 개략적인 화살표(577)에 의해서 도시된 바와 같이 공기 유동 중에 메탄올이 공기와 함께 유동하는 경우에도 공기 유동에 대한 역류로 개념적으로 간주될 수 있는) 메탄올의 이러한 재순환은 메탄올 또는 다른 부동제의 소비가 최소로 최적화될 수 있게 한다.

재사용을 위해서 메탄올을 재-농축하여 전체적인 메탄올 소비 및 반송되는 메탄올의 중량을 줄이기 위해서, 일부 실시예에서, 메탄올 및 물이 출구(574)로부터 멀리 증류 시스템과 같은 메탄올 분리기로 유도될 수 있다는 것을 예상할 수 있을 것이다.

도 18에 도시된 배열체 대신에, 각각의 주입 매니폴드(562와 같음) 이후에 그리고 다음 주입 매니폴드 이전에, 시리즈의(공기 유동 경로를 따라 앞뒤로) 둘 이상의 캐쳐 섹션(캐쳐 배열체(572)와 같음)을 가질 수 있을 것이다.

도 21a에 도시된 바와 같이, 열교환기(52)(또는 전-냉각기)가 전방 피동 열교환기 시뮬레이터(582) 및 후방 피동 열교환기 시뮬레이터(584)와 함께 테스트 리그(test rig)(580) 내에 조립될 수 있을 것이다. 시뮬레이터(582, 584)가 열교환기(52)와 유사한 공기 유동 특성을 갖는다. 공기 유동 시뮬레이터(582, 584) 및 열교환기(52)가 중심 선 또는 축(588)을 가지고 배출구 도관(586) 주위로 환형으로 배열된다. 실제로 유사한 구성으로 서로 다음에 3개(또는 다른 복수의) 열교환기(52)를 비행-준비 배열하기 위해서, 전방 및 후방 피동 공기 유동 시뮬레이터(582, 584)가, 중간 열교환기(52)와 실질적으로 동일할 수 있는 부가적인 열교환기(52)에 의해서 대체될 수 있을 것이다. 그에 따라, 이러한 3개의 열교환기(52)가 유입구(43)로부터 연장되는 도관(592)으로부터 유입 공기 유동(590)을 수용할 수 있을 것이고, 배출구 도관(586)은 도 3에 도시된 터보 압축기(46)의 공기 압축기(54)로 연장될 수 있을 것이다.

공기 유동 시뮬레이터(582, 584) 및 열교환기(52)가 각각 중첩하는안내 베인(vane)(600)의 시리즈(594, 596, 598)에 의해서 각각 반경방향 내측으로 경계지어지고, 각각의 안내 베인은 중앙 축(588)과 동축적인 환형 또는 링-유사 요소이다. 각각의 안내 베인이 축(588)을 따른 길이방향 범위를 가지고 도 21b에 도시된 바와 같은 횡단면에서 안내 베인의 길이방향 범위의 약 20%로 연장하는 곡선형의 대체로 반경화된(radiused) 선행(leading) 부분(602) 및 실질적으로 원뿔형인 안내 베인(600)의 길이방향 범위의 나머지 약 80%로 연장하는 후행 부분(604)을 구비한다 - 비록 도 21b가 선행 연부 부분(604)를 몇 개의 편평한 부분인 것으로 도시하지만, 사실상 바람직하게 매끄럽게 곡선화된다. 베인들이 곡선형이고 상호 포개진 그리고 인접한 안내 베인들(600) 사이의 출구 지역(606)이 그 선행 연부들(610) 사이의 또는 그에 근접한 진입 지역(608) 보다 상당히 작은(횡단면에서 볼 때 유동에 대해서 횡방향으로 보다 작은 슬롯 길이 및 출구 지역(606)에서의 보다 작은 원주 모두를 고려한다) 베인의 구성으로 인해서, 유동이 안내 베인(600)을 통해서 회전되고 가속된다. 각각의 안내 베인(600)이 그 선행 연부(610)으로부터 후행 연부(612)까지를 따라서 전반적으로 실질적으로 동일한 폭을 가지나, 이는 다른 실시예에서 달라질 수 있다. 각각의 안내 베인(600)의 선행 연부(610)(또는 선행 연부 부분(614)이 반경방향에 대해서 약 10도로 각도를 이루고, 즉 도 21b의 각도(A)를 이룬다. 안내 베인(600)의 후행 연부(612)(또는 후행 연부 부분(616)이 도관(586)의 길이방향 축(588)에 대해서 약 10도로 각도를 이루고, 즉 도 21b의 각도(B)를 이룬다.

안내 베인(600)은 대체로 배출구 도관(586) 내의 공기 속도까지 공기 유동을 국소적으로 회전시키고 가속시키는 역할을 하고, 그에 따라 상류 속도 분포, 즉 전방 및 후방 피동 공기 유동 시뮬레이터(582, 584) 및 열교환기(52)의 상류가 보다 균일하게 되도록 강제되고, 그에 따라, 비록 도관(586)을 따라서 상이한 거리들에 있지만, 동일한 또는 실질적으로 동일한 공기 질량 유량이 각각을 통해서 유동할 것이다.

비록 배출구 도관(586) 내로 삽입된 중앙 본체가 엔진을 향하는 방향으로 감소되는 배출구 도관을 따른 정적 압력 분포의 문제를 근절시킬 수 있을 것으로 원래 가정되었으나, 본 출원인에 의해서 테스트되었을 때, 그러한 중앙 본체는 예상치 못하게 희망 효과를 가지지 못하였고 설비 후방을 통해서 더 많은 유동이 인출되도록 강제되었으며, 이러한 것에 대한 이유(본 출원인이 발견하였다)는, 배출구 도관으로 진입하는 공기가 반경방향으로 진입하나 후속하여 배출구 도관을 빠져나가기 위해서 90도를 통해서 회전되기 위해서 곡선형 경로를 따르기 때문이고 유체가 곡선형 경로를 따를 때마다 유동에 수직인 압력 구배가 존재하고 설비(도관 출구(589)에 더 근접)의 후방을 향해서 배출구 도관으로 진입하는 유동이 그 전방(591)의 근처로부터 도관으로 진입하는 공기 보다 더 타이트한 곡률 반경을 따르는 것이 발견되었으며, 보다 더 타이트한 곡률 반경 및 후방을 향한 빠른 속도는 보다 큰 압력 구배를 유발하고 후방 피동 공기 유동 시뮬레이터(584)에 비해서 전방 피동 공기 유동 시뮬레이터(582) 아래에서 더 높은 압력 영역을 초래하며, 그에 따라 전방 피동 공기 유동 시뮬레이터(582) 보다 후방 피동 공기 유동 시뮬레이터(584)에 걸친 보다 빠른 속도를 유발하기 때문이다.

회전 베인(600)은 열교환기(52) 및 드럼-유사 공기 유동 시뮬레이터(582, 584)의 출구에서 이러한 문제를 국소적으로 완화한다. 비록 이웃하는 베인들(600) 사이에 여전히 축방향으로 압력 구배가 존재할 것이지만, 이는 이제 베인 쌍들의 경계들 사이로 구속된다. 그에 따라, 유동을 충분한 수의 회전 세그먼트로 분할하는 것에 의해서, 큰 배출구 도관 압력 구배가 제거되거나 적어도 감소될 수 있다. 보다 균질한 질량 유량이 3개의 드럼(582, 584, 52)을 통해서 인출될 뿐만 아니라, 열교환기(52)를 가로지르는 스트림라인이 거의 반경방향이 되고(베인이 없는 상태에서 보다 많은 유동이 다른 축방향 위치 보다 하나의 축방향 위치에서 열교환기(52)를 통과하게 하는 경향을 감소시킨다), 그에 의해서 열 전달의 목적을 위한 열교환기(52)를 통한 보다 균질한 유동 필드를 보장하는데 도움을 준다.

회전 베인(600)이 설치된 상태에서, 압력비 즉, 전방 공기 유동 시뮬레이터(586)의 영역 내의 도관(586) 내의 압력 대 후방 시뮬레이터(584)의 영역 내의 압력의 비율이, 도 21a에서 도시된 바와 같이, 안내 베인(600)이 없는 상태에서 72%의 비율로부터 안내 베인이 설치된 상태에서 89%까지 개선된 것을 확인할 수 있다.

그에 따라, 베인(600)은, 길이방향 범위를 가지고 축방향-유동 도관 및/또는 피동 공기 유동 시뮬레이터(582, 584)를 대체하는 유사한 모듈과 함께 모듈(52)과 같은 복수의 열교환기 모듈을 가지는 배열체까지 연장하는 열교환기 조립체를 통한 질량 유동을 재-분배하기 위한 해결책을 제공하는 것으로 보여진다. 베인(600)은 열교환기(52)를 통한 보다 균일한 반경방향 속도 분포를 제공한다.

블레이드 배출구 각도(B)가 설비의 축방향 길이를 따라서 변경되어 유동의 균일성을 또 추가적으로 증가시킬 수 있을 것이고, 중앙 본체(603)가 또한 부가될 수 있고, 그에 따라 조합된 회전 베인 및 중앙 본체 기하형태를 이용하여 최소의 총 압력 손실로 매우 균일한 유동 분포를 제공할 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다. 대체로 원통형인 배출구 도관(586)에서, (3D 환형 형상으로 인해서) 단위 길이 당 대체로 선형인 면적 증가를 제공하기 위해서, 중앙 본체(603)가, 개략적으로 도시된 바와 같이, 포물선형 횡단면을 가질 수 있고, 그에 따라 질량 플럭스가 실질적으로 일정하게 유지될 수 있게 한다.

도 21a에 도시된 바와 같이, 내측 안내 베인(600)뿐만 아니라, 각각의 열교환기(52)가 또한 그 축방향 길이를 따라서 전체적으로 연장하거나, 실질적으로 그렇게 연장하는 외측 안내 베인(601)의 시리즈를 구비할 수 있을 것이다. 명료함을 목적으로, 단지 3개의 그러한 외측 베인(601)이 도 21a에 도시되어 있다. 외측 베인(601)이 바람직하게 도 21a에 도시된 바와 같이 각각 슬롯화되는데, 이는, 유동이 베인(601)을 통과하고 슬롯팅(slotting)이 유동 스톨(flow stall)을 중단시킴에 따라 압력이 증가되고 유동 속도가 느려지기 때문이다. 슬롯팅은 내측 베인(606) 상에서 요구되지 않는데, 이는 베인을 가로질러 압력이 감소되고 유동이 가속되기 때문이다. 다른 실시예에서 외측 반경방향으로 반전된 유동에서, 내측 베인이 슬롯팅될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 내측 베인(600) 및 외측 베인(601)이 생략될 수 있을 것이다.

도시된 바와 같이, 예를 들어, 도 13b에서, 캐쳐 판(270)이, 매트릭스가 열적 및 압력 변위 하에서 이동될 때 캐쳐 포켓을 따를 수 있게 허용하는 관(120)의 매트릭스 내의 캐쳐 포켓 내로 돌출하는 페그(700)를 갖는다. 사이의 축방향 공기 누출을 방지하기 위해서 캐치 판들(270)이 중첩되는 것을 생각할 수 있고; 캐쳐 판이 정상적으로 서로 또는 전방 및 후방 벌크헤드들 상에서 반경방향으로 지탱(bear)되지 않는다는 것을 주목하여야 할 것이다.

비록 도면의 대부분에서 도시된 실시예가 관(120)의 매트릭스의 반경방향 외부에서 하나의 부동제/메탄올 주입 지점만을 가지지만, 비행-준비 엔진이 상이한 반경방향 위치 또는 도 18에 도시된 바와 같은 보다 많은 반경방향 위치에서 적어도 2개의 주입 지점을 가질 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다.

도 9b에 도시된 전이 관(702)이 테스트 리그에서 유용할 수 있을 것이고 동작 엔진에서 제거될 수 있을 것이다.

캐쳐 요소(162) 내의 오목한 접시형 포켓의 길이가 약 50 mm이다. 메시(258)가 캐쳐 관 주위로 타이트하게 랩핑되고 캡쳐 관으로 고정된다. 이는 50 mm 길이의 포켓을 형성하고, 그러한 포켓에서 각각의 캐쳐 관(126)이 접시형이며, 랜드(254)에 의해서 분리되며, 여기에서 메시(258)가 관과 접촉하여 흡입 공동을 분리된 포켓들로 격실화하며, 그에 따라 스크린(screen) 손상의 경우에 나머지 포켓이 동작을 유지한다.

온도 센서(350) 및 제어기(352)를 포함하는 온도 제어 구성요소가, 다른 실시예에서, 당업자에게 공지된 다른 장치로 구성되거나 대체될 수 있을 것이고, 특별한 캐쳐 위치에서 정확한 양의 메탄올/물 응축을 제공하는 것에 의해서 성에 제어를 위한 일정한 공기측 온도 프로파일을 유지한다. 적어도 일부 실시예에서의 제어가, 마지막(가장 저온) 캐쳐 행이 약 -80℃ 내지 -100℃ 공기 온도에 위치되게 제어하도록 구성되고, 여기에서 동결점을 가장 낮은 가능한 온도로 지연시키기 위해서, 메탄올 농도가 약 80% 몰 분율 또는 88% 질량 분율이 되어야 한다.

성에 제어 시스템은 전술된 이전의 공보에 비해서 매우 적은 소모성 재료를 필요로 하고 즉, 필요로 하는 메탄올의 질량이 매우 적고, 이는 증가된 운반체 유효탑재량 및 개선된 경제성으로 변환된다.

메탄올 매니폴드(174)의 스포크(536)에 대한 연결은 바람직하게 슬롯형 홀(미도시)을 통해서 반경방향 열 팽창을 허용한다.

도면에 도시된 메탄올 주입 링(174)은, 보다 큰 직경의 대안적인 플레인(plain) 비-유체 주입 관(712)을 가지는 활성 주입 관(710)으로 구성된다. 이러한 배열체는 주입 관(710)에 근접한 증가된 공기 속도를 제공하나, 플레인 관(712)이 다른 실시예에서 제거될 수 있을 것이다.

스프링(542)을 이용한 관(120)의 매트릭스에 대한 배출구 헤더(110)의 약간의 가압은, 엔진이 작동할 때, 공기측 압력 강하에 의해서 증강되는 초기 예비하중을 인가하고, 이는 또한, 열교환기(52)의 축이 수평일 때, 모듈 나선(108)이 스윙 개방되는 것을 방지한다. 다른 실시예에서, 헬륨 우회 제어부(350, 352, 354)가 대체될 수 있을 것이고, 재순환 루프를 포함하도록 그리고 캐쳐 온도 제어의 대안적인 디자인을 위해서 회로망이 변화될 수 있을 것이다.

열교환기가 도시된 엔진 이외의 다른 적용예에서 이용될 수 있을 것이고 설명된 특별한 항공 우주 적용예에서의 이용으로 제한되지 않으며, 여러 가지 다른 항공 우주 및 산업적 적용예에서 이용될 수 있을 것이다.

발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 도면에 도시된 여러 가지 특징이 도시되고 설명된 것으로 변경될 수 있을 것이다. 예를 들어, 벌크헤드(530, 532) 및 캐쳐 판(127)에 의해서 형성된 단부 벽이, 다른 실시예에서, 얇은 시트 재료로 형성될 수 있을 것이다.

대체로 반경방향 외측의 공기 유동(반경방향 내향의 내측)을 가지는 실시예에서, 새장 드럼(84) 및 I-비임(130)을 포함하는 관 지지 구조물이 반전될 수 있을 것이고, 그에 따라 드럼(84)이 나선형 관(120)의 반경방향 외측에 배치되어 외부 로딩(loading)을 저지할 수 있을 것이다.

냉각되는 유체(예를 들어, 공기)가 수증기를 포함하지 않는 상황에서, 또는 유체가 0도 미만으로 냉각되지 않는 경우에, 성에가 열교환기의 동작을 방해할 가능성이 비교적 낮다. 그러한 상황에서, 예를 들어, 열교환기가 엔진(예를 들어, GB 1318111.0에 개시된 엔진)과 함께 이용될 때 중량을 줄이기 위해서, 성에 제어 장치(예를 들어, 메탄올 주입 시스템, 캐쳐 조립체(240), 심(500), 굽은 부분(112', 114'), 나선형 섹션(108)의 영역 내의 I-비임(130), 원호형 포켓(160), 반경방향 부분(122) 및 호일/조글(joggle)(124))를 열교환기로부터 제거하는 것이 유리할 수 있을 것이다.

첨부된 청구항에 의해서 규정되는 바와 같은 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 설명된 실시예에 대해서 여러 가지 수정이 이루어질 수 있을 것이다.

Claims

열교환기로서:
제1 도관 섹션을 통과하는 유동 경로 내의 제2 유체와 열교환하는 제1 유체의 유동을 위한 복수의 제1 도관 섹션; 및
복수의 제1 도관 섹션을 위한 지지부를 포함하고, 제1 도관 섹션의 각각이 열교환을 위한 복수의 관을 포함하고,
각각의 제1 도관 섹션은 행으로 서로 이격되고 나선형 형상을 따라 함께 연장하는 복수의 관을 가지는 나선형 섹션을 포함하고, 적어도 하나의 하중 요소가 관들로 인가되는 공기역학적 하중에 반대하기 위해 상호 반경방향으로 이격된 행들의 관들 사이에 제공되고,
상기 적어도 하나의 하중 요소가, 2개의 인접한 제1 도관 섹션의 관들 사이에 제공되어 그 사이에서 하중을 전달하는 한편 열 변화에 응답하여 그 사이의 상대적인 활주 이동을 허용하는 요소를 포함하는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 하중 요소가 반경방향으로 이격된 행들의 관들을 함께 고정하는 이격부재를 포함하는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 요소가 상기 제1 도관 섹션 중 어느 하나의 관에 고정되고 상기 제1 도관 섹션 중 다른 것과 활주식으로 결합하는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 하중 요소가 적어도 하나의 I-비임-형상의 요소를 포함하는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 제1 도관 섹션 중 어느 하나의 관들은 반경방향으로 서로 이격된 2 내지 40개의 행으로 배열되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 관들의 길이가 제1 헤더로부터 제2 헤더까지 1 내지 3 미터인, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 관들이 1 mm의 직경을 갖는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 관들이 20 내지 40 미크론의 벽 두께를 갖는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 관들은 축방향으로 서로 이격된 10 내지 1000 개의 행으로 배열되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 나선형 섹션이 서로 포개지고 서로에 대해서 각도적으로 이격되어 배향되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 나선형 섹션이 원통형 드럼의 형상으로 구성되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 지지부가 적어도 하나의 원형 후프를 포함하고, 상기 후프로 제1 도관 섹션 중 하나가 고정되는, 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 지지부가, 대체로 원통형인 천공된 드럼 구조물 내에서 서로 이격되게 구성된 복수의 원형 후프를 포함하고, 적어도 하나의 하중 요소와 실질적으로 반경방향으로 정렬된 위치에서 인접한 상기 관에 결합식으로 지지되기 위한 적어도 하나의 세로대 부재가 제공되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 하중 요소가, 관들로 인가되는 공기역학적 하중에 대항하는 반응을 위해서 대체로 반경방향으로 연장하는 하중 경로 구조물 내에 제공되는, 열교환기.
제14항에 있어서,
열 변화에 응답하여 인접한 제1 도관 섹션의 관들 사이의 상대적인 이동을 허용하도록, 상기 하중 경로 구조물이 구성되는, 열교환기.
운반체 엔진으로서: 연소 섹션; 및 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기가 상기 연소 섹션을 향해서 지향된 유동 경로 내의 제2 유체로서 공기를 냉각하도록 구성되는, 운반체 엔진.
제16항에 있어서,
제1 유체로서 헬륨을 제공하기 위한 헬륨 공급부를 더 포함하는, 운반체 엔진.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 포함하는, 비행 기계.
제16항에 따른 엔진을 포함하는, 비행 기계.
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