KR20070096808A

KR20070096808A - 마이크로회로를 위한 진보된 터뷸레이터 장치

Info

Publication number: KR20070096808A
Application number: KR1020070023256A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 압델-메쎄; 프랭크 제이. 쿤하
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2007-10-02
Also published as: SG136063A1; CA2582032A1; JP2007255425A; US20070224048A1; EP1840330A3; EP1840330A2; US20090104035A1; US7513745B2; EP1840330B1; DE602007005411D1; CN101042073A; US8210812B2

Abstract

냉각 유체가 그를 통해 제1 방향으로 유동하는 통로가 제공된다. 통로는 통로 내부에 위치된 복수의 트립 스트립을 갖는다. 트립 스트립들 중 인접한 트립 스트립들은 제1 단부에서 서로를 향해서 수렴하여 정점부를 형성하고 난류가 생성되는 구역을 형성하도록 배향된다. 정점부는 제1 방향에 대하여 소정 각도로 배향된다.

냉각 통로, 마이크로회로, 트립 스트립, 정점부, 난류 셀

Description

마이크로회로를 위한 진보된 터뷸레이터 장치{ADVANCED TURBULATOR ARRANGEMENTS FOR MICROCIRCUITS}

도1은 열전달을 증가시키기 위한 냉각 통로 내의 종래 기술의 터뷸레이션 장치의 개략도.

도2는 열전달을 증가시키기 위한 냉각 통로 내의 다른 종래 기술의 터뷸레이션 장치의 개략도.

도3은 본 발명에 따른 냉각 통로용 터뷸레이션 장치의 개략도.

도4는 유체가 먼저 2개의 셀을 형성한 때의 도3의 터뷸레이션 장치의 개략도.

도5는 2개의 셀의 유동이 합쳐지는 도3의 터뷸레이션 장치의 개략도.

도6은 터뷸레이션 장치의 인접하는 트립 스트립들 사이의 구역을 통해 퍼지는 유체 셀을 도시하는 도3의 터뷸레이션 장치의 개략도.

도7은 본 발명에 따른 대안적인 터뷸레이션 장치의 개략도.

도8은 본 발명에 따른 또 다른 대안적인 터뷸레이션 장치의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 터뷸레이션 장치

102: 통로

104: 유동 방향

106: 트립 스트립

108: 정점부

110: 개구

112: 구역

115: 대칭축

116: 제1 벽

120: 제2 벽

124: 기부

126, 128, 130: 셀

본 발명은 터빈 엔진 구성요소에 사용되는 마이크로회로를 냉각하기 위한 진보된 터뷸레이터 장치(turbulator arrangement)에 관한 것이다.

터뷸레이션(turbulation) 장치는 전달되는 열을 증가시키는 방식으로 냉각 통로에 사용되고 있다. 통상적으로, 이전의 트립-스트립(trip-strip) 터뷸레이션 설계는 도1 및 도2에 도시된 설계에 중심을 두고 있다. 도1에 도시된 것과 같이, 냉각 유체가 방향(12)으로 유동하는 냉각 통로(10)는 세브론의 정점(18)이 유동 방향(12)을 따르고 대칭 축(20)이 유동 방향(12)에 평행한 세브론 설계를 형성하는 한 쌍의 트립 스트립(14, 16)을 갖는다.

도2를 참조하면, 냉각 유체가 방향(12')으로 유동하는 냉각 통로(10')를 갖는 대안적인 종래 기술의 터뷸레이션 시스템이 도시되어 있다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 복수의 트립 스트립(14')은 유동 방향(12')에 대하여 90도 미만의 각도로 배열된다.

도1 및 도2의 실시예에서 윤곽선(22)은 냉각제 유동장에서 더 높은 난류의 영역을 나타내고, 따라서 더 많은 열전달 픽업(pick-up)을 나타낸다. 매끄러운 벽을 갖는 채널 유동에 대한 열전달 향상은 냉각제 유동에 대한 레이놀즈 수에 따라 매끄러운 채널 유동으로부터 얻어진 열전달의 약 2배 내지 3배이다. 도1 및 도2에 도시된 향상은 단지 국부적인 것이며 도1의 세브론 배열의 트립 스트립(14, 16)의 접합부 또는 정점(18)에서 또는 도2에 도시된 것과 같은 경사진 트립 스트립 배열의 벽에 근접해서는 이의 피크값으로부터 감소된다.

따라서, 다른 트립 스트립 또는 연결벽으로 트립 스트립 접합부에서 일반적으로 일어나는 열전달 구역을 확장시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 열전달 구역을 실질적으로 전체 냉각 표면적으로 확장하는 냉각 통로용 터뷸레이션 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 유체가 그를 통해 제1 방향으로 유동하는 통로가 제공된다. 통로는 대체로 통로 내부에 위치된 복수의 트립 스트립을 포함하고, 트립 스트립들 중 인접한 트립 스트립들은 제1 단부에서 서로를 향해 수렴하여 정점부를 형성하고 난류가 생성되는 구역을 형성하도록 배향된다. 정점부는 제1 방향에 대하여 소정 각도에 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 터빈 엔진 구성요소와 같은 부품이 제공된다. 이 부품은 대체로 유체가 그를 통해 제1 방향으로 유동하는 통로를 포함하고, 이 통로는 그 내부에 위치된 복수의 트립 스트립을 갖는다. 트립 스트립들 중 인접한 트립 스트립들은 제1 단부에서 서로를 향해 수렴하여 정점부를 형성하고 난류가 생성되는 구역을 형성하도록 배향된다. 정점부는 바람직하게는 제1 방향에 대하여 소정 각도에 있다.

본 발명의 마이크로회로를 위한 진보된 터뷸레이터 장치의 다른 상세 및 이에 따른 다른 목적 및 이점은 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면 및 후속하는 상세한 설명에서 기술될 것이다.

본 발명은 개선된 터뷸레이션 장치를 갖는 냉각 통로에 관한 것이다. 도3에 도시된 바와 같이, 냉각 통로는 터빈 엔진 구성요소와 같은 부품(98) 내부의 냉각 마이크로회로(도시 생략)의 일부일 수도 있다.

이제 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 터뷸레이션 장치(100)가 도시되어 있다. 터뷸레이션 장치(100)는 냉각 유체와 같은 유체가 방향(104)으로 유동하는 통로(102) 내부에 제공된다. 터뷸레이션 장치는 유동 방향(104)에 대하여 소정 각도로 배열된 복수의 트립 스트립(106)을 포함한다. 트립 스트립(106)들 중 인접한 트립 스트립들은 이들이 서로를 향해 수렴하고 트립 스트립(106)들 중 인접한 트립 스트립들에 의해 경계가 설정된 구역(112)으로 그를 통해 냉각 유체가 유입하는 개구(110)를 갖는 정점부(108)를 형성하도록 배열된다. 정점부(108)는 바람직하게는 유동 방향(104)에 대하여 소정 각도, 바람직하게는 직각에 있다. 통로(102) 내의 제1 구역(112)은 제1 벽(116)에 인접하는 정점부(108)를 갖고, 한편 제1 구역(112)에 인접하는 제2 구역(112)은 제1 벽(116)에 대향하는 제2 벽(120)에 인접하는 이의 정점부(108)를 가질 수도 있다.

각각의 트립 스트립(106)은 본 기술 분야에서 공지된 임의의 적절한 기술을 이용하여 형성될 수도 있다. 트립 스트립(106)은 벽 둘레를 감도록 통로(102)의 벽 상에 형성될 수도 있다.

구역(112)은 바람직하게는 실질적으로 삼각형으로 형성되고 유동 방향(104)을 따라 정렬된다. 각각의 구역(112)은 정점부(108) 및 트립 스트립(106) 및 벽(116 또는 120)에 의해 형성된 복수의 꼭지점을 가질 수도 있다. 각각의 구역(112)은 바람직하게는 유동 방향(104)에 실질적으로 직각인 대칭축(115)을 갖는다. 필요한 경우, 도4에 도시된 바와 같이, 일련의 크로스오버 구멍(cross over hole; 122)이 구역(112)의 제2 단부에 있는 구역(112)의 기부(124)에 제공될 수도 있다. 크로스오버 구멍(122)은 터뷸레이션 후 또는 전에 유동이 통과하게 함으로써 유동 경로를 제공한다. 구역(112)의 제2 단부는 정점부(108)가 위치되는 제1 단부에 대향하여 위치된다. 기부(124)는 바람직하게는 벽(116, 120) 근처에 위치된다.

이제 도4를 참조하면, 구역(112)을 갖는 도3에 따른 터뷸레이션 장치의 도면 이 도시되어 있다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유동이 정점 개구(110)를 통해 구역(112)으로 유입됨에 따라, 2개의 유체 셀(126, 128)이 형성된다. 도5에 도시된 바와 같이, 더 많은 유체가 구역(112)으로 유입함에 따라, 2개의 유체 셀(126, 128)은 단일 셀(130)로 통합된다. 최종적으로, 도6에 도시된 바와 같이, 셀(130)은 구역(112)의 대부분의 영역을 셀(130)이 점유하는 상태로 구역(112) 전체에 걸쳐 퍼진다. 그 결과, 구역(112) 내부에는 완전한 난류가 존재한다. 다시, 난류는 인접하는 트립 스트립(106)에 의해 형성된 정점 개구(110) 및 트립 스트립(106)과 벽(116 또는 120)에 의해 형성된 접합점(132, 134)에서 시작되는 와동(vortex)으로부터 나온다. 와동은 벽(116)과 트립 스트립(106)에 의해 형성된 구역(112)의 둘러싸인 2차원 영역에 걸쳐 난류 셀을 생성하는 방식으로 삼각형 구역(112)의 3개의 꼭지점 중에서 2개로부터 증폭된다.

난류를 생성하는 이 원리를 확장시키면, 도7 및 도8은 냉각 통로 내의 모든 위치에서 높은 열전달 향상 영역을 생성하기 위한 2개 이상의 활성 접합부를 갖는 다른 터뷸레이션 장치를 도시한다. 도7 및 도8의 실시예에 도시된 삼각형 접합점들은 서로에 대하여 인 페이스(in-phase) 또는 아웃 페이스(out-phase)될 수도 있다. 이들 높은 난류 영역은 국부적일 뿐만 아니라 구역(112)의 전체 2차원의 둘러싸인 영역 전체에 걸쳐 2 내지 3 배의 평균 열전달 향상으로 이어진다.

도7에 도시된 바와 같이, 복수의 구역(112)은 통로(102) 내부에 형성된 트립 스트립(106)의 복수의 열(138)에 의해서 형성될 수도 있다. 트립 스트립(106)의 열(138)은 유동 방향(104)을 따라 위치될 수도 있다. 트립 스트립(106)의 각각의 열(138)은 한 쌍의 교차하는 조인트(140, 142)를 형성하도록 서로에 대하여 경사진 3개의 트립 스트립(106)을 포함할 수도 있다. 각각의 열(138)에서, 트립 스트립들 중 제1 트립 스트립은 유동 방향(104)에 대하여 제1 각도에 있을 수 있고, 트립 스트립들 중 제2 트립 스트립은 유동 방향(104)에 대하여 제2 각도에 있을 수 있으며, 트립 스트립들 중 제3 트립 스트립은 유동 방향(104)에 대하여 제3 각도에 있을 수 있다. 필요한 경우, 각각의 열(138)은 3개 초과의 트립 스트립을 가질 수도 있다. 또한 필요한 경우, 열(138)에서 트립 스트립(138)들 중 인접한 트립 스트립들은 갭(144)을 형성하도록 서로에 대하여 이격될 수 있는 조인트(140, 142)를 형성할 수도 있다. 이러한 터뷸레이터 장치에서, 복수의 구역(112)은 유동 방향(104)을 가로지르는 축을 따라 정렬될 수도 있다.

이제 도8을 참조하면, 복수의 구역(112)이 다이아몬드 형상의 터뷸레이션 장치에 의해 형성될 수도 있으며, 여기서 제1 트립 스트립(106')은 벽(116) 근처의 지점으로부터 벽(120) 근처의 지점까지 연장한다. 각각의 구역(112)의 나머지는 트립 스트립(106')과 교차하는 소정 각도에 있는 2개의 이격된 트립 스트립(106", 106"')에 의해 형성될 수도 있다. 이러한 터뷸레이션 장치에서, 복수의 구역(112)은 유동 방향(104)에 대하여 소정 각도에 있는 축을 따라 정렬될 수도 있다.

도4, 도7 및 도8에 도시된 윤곽선(150)은 각각의 구역(112) 내에 생성된 높은 난류 영역을 도시한다.

본 발명의 터뷸레이션 장치의 이점 중 하나는 냉각 통로 전체에 걸쳐 보다 균일한 열전달 계수를 생성한다는 것이다. 이는 단지 국부적으로 피크 향상을 갖 는 것과는 대조적으로 트립 스트립에 의해 둘러싸인 전체 영역에 걸쳐 평균 열전달 향상이 분포되기 때문이다. 결과적으로, 냉각 통로를 갖는, 터빈 엔진 구성요소와 같은 부품은 더 적은 열적 부정합을 갖게 될 것이다. 부품 내구성 및 수명은 잠재적으로 적은 냉각제 유동에 의해 개선될 것이고, 따라서 부품의 성능을 향상시킨다.

본 발명의 터뷸레이터 장치는 블레이드, 베인, 블레이드 외측 공기 밀봉체, 연소기 패널 및 냉각 통로를 포함하는 임의의 다른 부품을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 터빈 엔진 구성요소에서 냉각 통로에 사용될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 열전달 구역을 실질적으로 전체 냉각 표면 영역으로 확장하는 냉각 통로용 터뷸레이션 장치가 제공될 수 있다.

Claims

유체가 제1 방향으로 유동하는 통로이며,

상기 통로는 통로 내부에 위치된 복수의 트립 스트립을 포함하고,

상기 트립 스트립들 중 인접한 트립 스트립들은 제1 단부에서 서로를 향해 수렴하여 정점부를 형성하고 난류가 생성된 구역을 형성하도록 배향되며,

상기 정점부는 상기 제1 방향에 대하여 소정 각도에 있는 통로.
제1항에 있어서, 상기 정점부는 상기 유체가 그를 통해 상기 구역으로 유입하는 개구를 갖는 통로.
제1항에 있어서, 상기 구역은 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부에 기부를 갖고, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 대칭축은 상기 제1 방향을 가로지르며, 상기 기부는 상기 통로의 벽 근처에 위치되는 통로.
제1항에 있어서, 상기 구역은 삼각형 형상을 갖는 통로.
제1항에 있어서,

상기 통로는 대향하는 제1 및 제2 벽을 갖고,

상기 복수의 트립 스트립은 제1 방향을 따른 복수의 상기 구역을 형성하며, 상기 구역들 중 제1 구역은 상기 벽들 중 제1 벽에 인접하는 그의 정점부를 갖고, 상기 구역들 중 제2 구역은 상기 벽들 중 제2 벽에 인접하는 그의 정점부를 갖는 통로.
제1항에 있어서,

상기 통로는 대향하는 제1 및 제2 벽을 갖고,

상기 복수의 트립 스트립은 상기 제1 방향을 가로지르는 축을 따라 정렬된 복수의 구역을 형성하는 통로.
제6항에 있어서, 상기 복수의 구역은 트립 스트립의 적어도 2개의 열에 의해 형성되고, 트립 스트립의 각각의 상기 열은 상기 제1 방향에 대하여 제1 각도로 경사진 제1 트립 스트립, 상기 제1 방향에 대하여 제2 각도로 경사진 제2 트립 스트립 및 상기 제1 방향에 대하여 제3 각도로 경사진 제3 트립 스트립을 갖는 통로.
제7항에 있어서, 각각의 열은 2개의 조인트를 갖는 통로.
제7항에 있어서, 열들 중 적어도 하나의 열에서 상기 트립 스트립들 중 2개의 트립 스트립들 사이에 적어도 하나의 갭을 더 포함하는 통로.
제1항에 있어서,

상기 통로는 제1 벽 및 상기 제1 벽에 대향하는 제2 벽을 갖고,

상기 벽들 사이에 복수의 상기 구역을 더 포함하며,

상기 복수의 구역은 상기 벽들 중 하나의 벽 근처의 제1 위치로부터 상기 벽들 중 제2 벽 근처의 제2 위치까지 연장하는 제1 트립 스트립에 의해 그리고 제1 트립 스트립과 교차하는 각도로 위치된 한 쌍의 이격된 트립 스트립에 의해 형성된 통로.
제1항에 있어서, 각각의 상기 구역은 상기 정점부 및 상기 통로의 벽과 한 쌍의 상기 트립 스트립에 의해 형성된 2개의 꼭지점을 갖는 통로.
유체가 그를 통해 제1 방향으로 유동하는 통로를 포함하며,

상기 통로는 통로 내부에 위치된 복수의 트립 스트립을 갖고,

상기 트립 스트립들 중 인접한 트립 스트립들은 제1 단부에서 서로를 향해 수렴하여 정점부를 형성하고 난류가 생성된 구역을 형성하도록 배향되며,

상기 정점부는 상기 제1 방향에 대하여 소정 각도에 있는 부품.
제12항에 있어서, 상기 부품은 터빈 엔진 구성요소를 포함하는 부품.
제12항에 있어서, 상기 통로는 냉각 유체가 상기 제1 방향으로 유동하는 냉각 통로를 포함하는 부품.
제12항에 있어서, 상기 정점부는 상기 유체가 그를 통해 상기 구역으로 유입하는 개구를 갖는 부품.
제12항에 있어서, 상기 구역은 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부에 기부를 갖고, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 대칭축은 상기 제1 방향을 가로지르며, 상기 기부는 상기 통로의 벽 근처에 위치되는 부품.
제12항에 있어서, 상기 구역은 삼각형 형상을 갖는 부품.
제12항에 있어서,

상기 통로는 대향하는 제1 및 제2 벽을 갖고,

상기 복수의 트립 스트립은 제1 방향을 따라 복수의 상기 구역을 형성하며, 상기 구역들 중 제1 구역은 상기 벽들 중 제1 벽에 인접하는 그의 정점부를 갖고, 상기 구역들 중 제2 구역은 상기 벽들 중 제2 벽에 인접하는 그의 정점부를 갖는 부품.
제12항에 있어서,

상기 통로는 대향하는 제1 및 제2 벽을 갖고,

상기 복수의 트립 스트립은 상기 제1 방향을 가로지르는 축을 따라 정렬된 복수의 구역을 형성하는 부품.
제19항에 있어서, 상기 복수의 구역은 트립 스트립의 적어도 2개의 열에 의해 형성되고, 트립 스트립의 각각의 상기 열은 상기 제1 방향에 대하여 제1 각도로 경사진 제1 트립 스트립, 상기 제1 방향에 대하여 제2 각도로 경사진 제2 트립 스트립 및 상기 제1 방향에 대하여 제3 각도로 경사진 제3 트립 스트립을 갖는 부품.
제20항에 있어서, 각각의 열은 2개의 조인트를 갖는 부품.
제20항에 있어서, 열들 중 적어도 하나의 열에서 상기 트립 스트립들 중 2개 의 트립 스트립들 사이에 적어도 하나의 갭을 더 포함하는 부품.
제12항에 있어서,

상기 통로는 제1 벽 및 상기 제1 벽에 대향하는 제2 벽을 갖고,

상기 벽들 사이에 복수의 상기 구역을 더 포함하며,

상기 복수의 구역은 상기 벽들 중 하나의 벽 근처의 제1 위치로부터 상기 벽들 중 제2 벽 근처의 제2 위치까지 연장하는 제1 트립 스트립에 의해 그리고 제1 트립 스트립과 교차하는 각도로 위치된 한 쌍의 이격된 트립 스트립에 의해 형성된 부품.
제12항에 있어서, 각각의 상기 구역은 상기 정점부 및 상기 통로의 벽과 한 쌍의 상기 트립 스트립에 의해 형성된 2개의 꼭지점을 갖는 부품.