JP2016180580A

JP2016180580A - クロスフロー導管熱交換器内の管

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Publication number: JP2016180580A
Application number: JP2016041662A
Authority: JP
Inventors: トーマス・クピシェウスキー; Kupiszesuki Thomas; ジェフリー・ダグラス・ランボー; Douglas Rambo Jeffrey; ジェームズ・エフ・ボナー; F Bonar James; ジャレッド・ウルフ; Wolfe Jared
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: US9835380B2; JP6865528B2; EP3073219B1; EP3073219A1; CN105973052A; CA2923293A1; US20160265850A1; BR102016005385A2

Abstract

【課題】航空機設計で高温抽気をエンジンバイパス空気で冷却するにあたり、空気側の圧力損失、重量及びサイズを低減し、熱応力及び歪みに対応した熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１０は、入口キャビティ壁により定められた入口キャビティ２０と、入口キャビティ２０と流体連通し、第１側面３４と第２側面３６との間に画定され且つ複数のバッフル２８が内部に配置されている熱交換部２２と、熱交換部２２と流体連通し出口キャビティ壁によって画定された出口キャビティ２４とを備える。熱交換部２２は、バッフル２８同士の間に画定され入口キャビティ２０から出口キャビティ２４まで延びる複数の第１流路２６と、第１側面３４から第２側面３６まで熱交換部２２を通って延びる複数の管とを備える。各管は、バッフル２８を通って延び、熱交換部２２を通る第２流路を画定する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、管内を流れる冷却流体を使用する熱交換器システムであって、管が、管の外側にわたってクロスフローに走る高温流路を有する、熱交換器システムに関する。

航空機設計では、高温空気の連続流は、ガスタービンエンジンの一部から抽気され、冷却され、特定のユーザ用途に提供される。熱交換器システムは、高温抽気を冷却するために使用することができる。

高温抽気を冷却するのに好適な媒体は、ガスタービンファン導管を通って流れるエンジンバイパス空気である。抽気とバイパス空気との間で熱交換を行う熱交換器システムの設計には、いくつかの制限がある。高温抽気を熱交換器にもたらす入口マニホールド、熱交換器自体、及び冷却された抽気を熱交換器から離れる方向に搬送する出口マニホールドは、全体で、大きすぎる圧力降下を課すことができない、すなわちユーザアプリケーションに達する冷却された抽気の圧力が、適切に動作するのには不十分となるであろう。熱交換器自体は、ファンダクトを通って流れるエンジンバイパス空気に、大きすぎる圧力降下を課すことができない、すなわちバイパス空気の圧力が、適切に動作するには不十分となるであろう。重量及びサイズも、厳しい制限を課す。すべての航空機構造と同様に、熱交換器システムの重量をできるだけ低く保つことが重要である。熱交換器システムは、また、ガスタービンエンジンの外包器の大きさを著しく増大させることができず、他の航空機システムの設置スペースを残すために、できるだけ小さいことが望ましい。

撓みや寸法変化は、熱交換器における潜在的な問題である。撓みは、２つの供給源に起因する。熱交換器の構成要素は、ガスタービンエンジンが動力供給された際に生じる圧力及び振動機械的負荷により撓む。エンジン及び熱交換器の構成要素も、使用中にその温度が変化すると、サイズが変化する。これらの寸法変化は熱交換器構造において考慮しなければならないが、考慮されないと、結果として生じる応力及び歪みが、熱交換器ユニットの早期破壊をもたらす。熱交換器システムでは、異なる温度の気体が非常に接近しており、気体の相対温度は経時変化するため、熱により誘起される応力及び歪みは、熱交換器システムに特に問題となる。

高温抽気の流れを冷却する小型、軽量の熱交換器システムが必要とされている。

米国特許出願公開第２０１４０２０８７６８号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に述べられるか、又はこの説明から明らかになり、又は本発明の実施により学ぶことができる。

熱交換器は、一般的には、一実施形態では、入口キャビティ壁によって画定された入口キャビティと、入口キャビティと流体連通し、第１側面と第２側面との間に画定され、かつ複数のバッフルが内部に配置されている熱交換部と、熱交換部と流体連通しており、出口キャビティ壁によって画定された出口キャビティとを備えて、提供される。熱交換部は、バッフル同士の間に画定され、入口キャビティからの出口キャビティまで延びる複数の第１流路と、第１側面から第２側面まで、熱交換部を通って延びる複数の管とを備えている。複数の管の各々は、バッフルを貫通して延び、熱交換部を通る第２流路を画定している。

熱交換器システムも、一般的に提供される。一実施形態では、この熱交換器システムは、少なくとも２つの（上述のような）熱交換器を含み、これらの熱交換器が、第１流路に対して、互いに直列に接続され、かつ第２流路に対して互いに直列に接続されている。

熱交換器で、高温流体入力を冷却するための方法が、一般的に提供される。一実施形態では、この方法は、入口キャビティ壁によって画定された入口キャビティ内に高温流体入力を導くことと、入口キャビティと流体連通し、第１側面と第２側面との間に画定された熱交換部内に高温流体を導くことと、熱交換部と流体連通しており、出口キャビティ壁によって画定された出口キャビティに高温流体を導くことと、第１側面から第２側面まで、熱交換部を通って延びる複数の管を通して冷却用流体を導くこととを含む。熱交換部内に、複数のバッフルが配置されており、バッフル同士の間に複数の第１流路が画定されている。複数の管の各々は、バッフルを貫通して延び、熱交換部を通る第２流路を画定している。

本発明の、これら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照することによって、よりよく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、明細書と共に本発明の実施形態を示し、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明の完全なかつ実施可能な開示であって、最良の態様を含むものは、当業者に向けられ、添付の図面を参照する本明細書に記載されている。

一実施形態に係る例示的な熱交換器システムの概略図である。図１Ａに示す熱交換器システムの熱交換部の側面図を示す。図１Ｂの一実施形態に係る熱交換部の断面図を示す。図１Ｂに示される熱交換部の管の分解破断図を示す。図１Ｂの別の実施形態に係る熱交換部の断面図を示す。図１Ｂの別の実施形態に係る熱交換部の断面図を示す。例示的な、単一の統合部品から形成された熱交換器システムを示す。図２Ａの例示的な熱交換器システムの上部の、断面の分解図を示す。図２Ａの例示的な熱交換器システムの断面図を示す。別の実施形態に係る、例示的な、単一の統合部品から形成された熱交換器システムを示す。図３Ａに示した例示的な熱交換器システムの、１つの断面の破断図を示す。さらに別の実施形態に係る、例示的な、単一の統合部品から形成された熱交換器システムを示す。図４Ａに示した例示的な熱交換器システムの別の図を示す。図４Ａの例示的な熱交換器システムの、１つの断面の破断図を示す。高圧路に対して直列に流体接続された２以上の熱交換器を備えた、一実施形態に係る例示的な熱交換器システムの概略図を示す。ダクトの周囲に配置された複数の熱交換器から形成された、一実施形態に係る熱交換器システムを示す。熱交換器が、高圧路に対して直列に流体接続され、かつ混合キャビティにより分離された複数の高圧気体の経路から形成された、例示的な熱交換器システムの概略図を示す。高圧気体の経路が直列に接続されていると共に、冷却流体流路が直列に接続されている、マルチパス変形の例示的な熱交換器システムの概略図を示す。一実施形態に係る、例示的な熱交換器システムの概略図である。

本明細書及び図面における参照符号の反復使用は、本発明の同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照するが、実施形態の１以上の例が図面に示されている。各例は、本発明を限定するものではなく、例示として提供される。実際に、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明に様々な修正及び変更を加えられることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として図示され、説明される特徴を別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に入るような、このような修正形態及び変形形態を含むことが意図されている。

本明細書で用いられる、「第１の」、「第２の」、「第３の」の用語は、１つの要素を他から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味するものではない。

「上流」や「下流」は、流路内の流体の流れに対して相対的な方向を示している。例えば、「上流」は、流体が流れる元である方向を意味し、「下流」流体が流れる先である方向を意味する。

本明細書で使用される場合、「流体」は、気体又は液体であってもよい。本発明のアプローチは、使用される流体の種類によって限定されない。好ましい適用用途においては、冷却する流体は空気であり、冷却される流体は空気である。本発明のアプローチは、他の種類の液体流体及び気体流体に用いることができ、冷却される流体及び冷却する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。冷却される流体及び冷却する流体の他の例には、作動流体、燃料、油、燃焼ガス、冷媒、混合冷媒、冷却アビオニクス、もしくは他の航空機の電子システム用の誘電体流体、水、水性化合物、不凍添加剤（例えば、アルコール又はグリコール化合物）と混合された水、高温で永続的熱輸送が可能な他の任意の有機もしくは無機の伝熱流体、又は流体混合物が含まれる。

提供される熱交換器システムは、一般的に性能増強形状を有し、性能増強形状の実用化は、アディティブ製造によって容易にされる。本明細書で説明される熱交換器システムは、複数種類の流体を含む熱交換器の様々な用途に広く適用可能であるが、低圧ファンダクト空気流によって、ジェットエンジン圧縮機の抽気流を高効率冷却するためのものとして本明細書中に記載されている。

繰り返される物理ベースの設計課題は、優勢な熱力学的状態及び流れ条件によって、通常、外部放熱流が、従来は熱交換器内を流れる高温の加圧された抽気ではなく、熱伝達制限流になることである。ファン空気の温度及び密度が、圧縮機の抽気と比較して相対的に低いため、高い高度動作条件においては特に、ファン空気対流熱伝達係数が比較的低くなる傾向にあり、吸収された熱の単位当たりのファン空気温度上昇がより大きくなる傾向にある。ファン空気流に沿った比較的大きな温度上昇は、圧縮機の抽気を冷却するための温度ポテンシャル差を低下させる。組み合わせされて、両方の影響が重なり、ファン空気流によって濡れた表面積の単位あたりの熱交換率を制限する。有効性は表面積と共に増大するが、熱交換器の大きさの増分が非現実的になり、出口圧力の減少分が実現困難となるように、この改善は漸近的に縮小する。

しかし、本明細書に記載した熱交換器システムは、様々な方法で上記の制限を克服する。第１に、熱交換器は、幾何学的トポロジの反転を有している。幾何学的トポロジの反転では、冷却する空気流は、管内の熱交換器内を通過し、一方冷却される空気流は、管の外部にある。第２に、熱交換器は、アディティブ法により容易にされる、全開であり、良好に管理された、多孔性幾何学的形状（例えば、図２Ｂ）である。多孔性幾何学的形状は、調節された流れ絞りと共に、高い表面積対体積比によって特徴付けられる。これらの両方の特徴が組み合わされると、コンパクトな伝熱面アレイを確立し、冷却された側面及び加熱された側面の両方で、対流速度の強化を助けることによって、ファン流の比較的低い放熱容量を補償する。

図１Ａは、１つの例示的な実施形態に係る熱交換器システム５であって、熱交換器１０を含む熱交換器システム５を模式的に示している。高温空気入力１２は、入口マニホールド１４を介して熱交換器システム１０に入り、出口マニホールド１６を介して被冷却空気出力１８として熱交換器システム１０から出る。通常、高温空気入力１２は、エンジンコアの部分であって、関心のある温度及び圧力で高温空気入力１２を利用可能な部分から抽気される。一般に、高温空気流の圧力、及び熱交換器システム１０の出力は、高温空気入力１２から被冷却空気出力１８への圧力低下を低減するように制御され得る。

図示されている実施形態では、高温空気入力１２が熱交換器１０に入るときに入口キャビティ２０に流入するように、熱交換器１０は、入口マニホールド１４と流体連通している入口キャビティ２０を備えている。入口キャビティ２０から、高温空気が、熱交換部２２内に流れ込み、熱交換部２２を通って、高温空気入力の温度を低下させる。被冷却空気出力１８は、出口マニホールド１６を介して熱交換器１０から出る前に、出口キャビティ２４に流入する。

熱交換部２２は、バッフル２８同士の間に画定され、入口キャビティ２０から出口キャビティ２４に延びる複数の高圧路２６を有する。バッフル２８は、導管、及び管４２を含む熱交換部２２に対して構造的支持を提供する。高圧路２６は、高温空気入力１２が、熱交換部２２を通って流れて、被冷却空気出力１８に変換されることを可能にする。冷却は、熱交換部２２の第１側面３４から第２側面３６まで延びる低圧冷却流路３２（図１Ｂ、１Ｃ）を介して、熱交換部２２を通る冷却流体３０を利用して達成される。このように、冷却流体３０は、高圧路２６及びバッフル２８に垂直な熱交換部２２を流れる。冷却空気３０は、高温空気入力１２よりも低い温度及び圧力を有する任意の空気源から得ることができる。例えば、冷却空気３０は、バイパス空気、ＦＬＡＤＥ空気、又は圧縮機抽気から（例えば、低圧段から等）供給され得る。

図１Ｂ及び１Ｃに示すように、冷却流路３２は、第１側面３４に画定された管入口３８から、反対側に配置され、第２側面３６に画定された管出口４０まで画定されている。管４２は、第１側面３４に画定された管入口３８から熱交換部２２の全長を通って、第２側面３６に画定された管出口４０まで延びる。管４２は、冷却流体３０が管入口３８から管出口４０まで冷却流路３２を通って流れるための通路として機能する。図１Ｃは、管４２が、高圧路２６を画定する内部バッフル２８を貫通していることを示している。すなわち、内部バッフル２８はまた、管４２が内部バッフル２８を貫通して延びることを許容するキャビティを画定している。

上述したように、高圧路２６は、バッフル２８同士の間の内部空間により画定され、入口キャビティ２０から出口キャビティ２４に延びており、管４２が、高圧路２６を通る流れを妨げることなく高圧路２６を通って延びている。したがって、高圧路２６を通過する高温空気は、管４２の管壁４４の外面に接し、高圧路２６の高温空気と、管４２により画定された冷却流路３２内の冷却流体３０との間の熱交換を可能にする。その際、高圧路２６と冷却流体３０との間の流体の混合が防がれる。

図１Ｅを参照すると、可変直径サイズ管４２を備える熱交換部２２の別の実施形態が示されている。図示されている実施形態では、冷却流路３２は、第１側面３４に形成された管入口３８から第２側面３６に形成された管出口４０まで、平均径が拡張する。管４２の拡張領域は、特定の実施形態では、冷却流路３２を流れる冷却流体３０の流れを遅くすることができる。一定的に拡張する（例えば、円錐形状を有する）管４２として示されているが、任意の適切な拡張形状（例えば段差、区分的線形、曲線形等）を利用することができる。代替実施形態では、連続可変形状プロファイルに従って、管４２の平均径が、第１側面３４に形成された管入口３８から第２側面３６に形成された管出口４０まで変化することができる。

図１Ｅに示されている実施形態は、（冷却路３０に垂直で、入口マニホールド１４から出口マニホールド１６までの高圧路２６の流れ方向に平行な）長軸上に延び、かつ任意選択的に、（冷却路３０に垂直で、入口マニホールド１４から出口マニホールド１６への高圧路２６の流れ方向に垂直な）短軸上にも延びる管４２を有する。

図１Ｆは、可変直径サイズ管４２、及び太さに対する可変サイズのバッフル２８を備える熱交換部２２の一実施形態を示す図である。示されている実施形態では、バッフル２８は、その太さが高圧路２６の流れの方向に増加するので、入口キャビティ２０から出口キャビティ２４に高圧路２６の容積を低減させる。すなわち、入口キャビティ２０における高圧路２６の流れ断面積は、出口キャビティ２４における高圧路２６の流れ断面積とは等しくなく、この出口キャビティ２４における高圧路２６の流れ断面積は、図１Ｆの実施形態に示すように、入口キャビティ２０における高圧路２６の流れ断面積よりも小さい。図示されるように、各バッフル２８は、入口キャビティにおける入口断面積、及び出口キャビティにおける出口断面積を画定する。ここで、入口断面積は、出口断面積とは異なる（例えば、出口断面積より大きい）。

図１Ｆは、熱交換部２２は、コア層４８とスキン層４９から形成された少なくとも１つの複合バッフル４７を含むことを示す。このように、異なる材料が積層されて、１以上の熱シャント用高熱伝導性内部コア層４８からなる複合積層構造としてバッフル２８を形成することができる。１以上の熱シャント用高熱伝導性内部コア層４８は、管壁４４と同様に、より高強度で、より低熱伝導率の材料からなる外側スキン層４９同士の間に挟まれている。例えば、複合バッフル４７は、バイメタル組成物から構成することができる。さらに、質量拡散障壁を、スキン層４９と、コア層４８との間に挿入することができる。内側コア層は、アディティブ法に加えて、コールドスプレー、溶射、プラズマ溶射、化学気相成長、スパッタリング、又はメッキ等の種々の膜被覆方法によって確立することができる。材料の選択肢には、ダイヤモンド、窒化ホウ素、貴金属、青銅合金、又はそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。

管４２は、熱交換部２２を通る、実質的に直線状の冷却流路３２を画定することができる。他の実施形態では、管４２は、非直線状の冷却流路３２（例えば、湾曲、ループ状、らせん状、蛇行、正弦波等）を画定することができる。

一実施形態では、図９に示すように、冷却流体３０ａは、管４２内に画定された冷却流路３２を通って流れる前に、まず入口供給部９４を介して入口キャビティ９２に入ることができる。また、出てくる冷却流体３０ｂは、出口キャビティ９６にまず入り、出口供給部９８を介して出ることができる。冷却流体が、熱交換部２２内に向けて、かつ熱交換部２２を通るように導き直される場合、及び／又は液体冷却流体である場合に、かかる実施形態が特に有用である
一般的に、熱交換器１０、特に熱交換部２２は、層毎の構成やアディティブ製造を用いた製造方法で形成されている。層毎の構成やアディティブ製造には、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザビーム等による３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ、直接選択レーザ焼結（ＤＳＬＳ）、電子線焼結（ＥＢＳ）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）、レーザネットシェイプ加工（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、直接金属蒸着（ＤＭＤ）等を含むが、これらに限定されない。熱交換器を形成するために用いられる材料には、（限定されないが）純金属、ニッケル合金、クロム合金、チタン合金、アルミニウム合金、アルミナイド、又はそれらの混合物が挙げられる。上述したように、バッフルのフィン効果を増強することによって、管４２の熱交換性を向上させるために、バッフル２８は材料ペアリングから構成することができる。

上述したように、冷却流路３２を通過する冷却空気３０の圧力は、高圧路２６を通過する高温空気の圧力より低い。管４２は、一体型バッフル２８で補強されており、冷却流路３２がくずれないようにしている。管４２（管入口３８から管出口４０まで）の略楕円形状は、外部流れの単位圧力低下当たりの表面積をより高くすることを可能にする。しかし、管４２の断面を形成するために、円形、正方形、長方形、三角形、五角形、六角形等を含むが、これらに限定されない他の形状を用いることができる。

具体的な実施形態では、図１Ｄに示すような乱流要素４６を、管壁４４の内部及び／又は外部表面に配置して、低圧冷却路３２及び／又は高圧路２６をそれぞれ通る流体を乱すことができる。乱流要素４６は、段差、フランジと、スワーラ、突起、フィン、凹状ディンプル、凸状ディンプル、ベーン、ウィングレット、らせん隆起、らせん溝等の任意の適切な構造であってもよい。

一実施形態では、熱交換器１０は、統合部品から形成されている。例えば、図２Ａ及び２Ｂは、単一の統合部品５０から形成された例示的な熱交換器システム１０を示している。統合部品５０は、管４２によって画定された低圧冷却路３２に対して高温空気流方向１５が垂直となるように、入口マニホールド１４、入口キャビティ２０、熱交換部２２、出口キャビティ２４、及び出口マニホールド１６の各々を含む。図２Ａに示す熱交換器１０は、アディティブ製造によって形成された統合部品５０として示されている。図示するように、本実施形態の熱交換器システム１０は、環状のＦＬＡＤＥ（登録商標）バイパス空気導管等のガスタービンエンジンの一部として使用するために、湾曲した形状を有している。このように、バイパス空気は、冷却空気３０として利用することができる。他の用途では、バイパス空気も冷却空気３０として利用することができるように、冷却される流体は、導管内を流れる液体であってもよい。本実施形態では、高温空気入力１２はエンジンからの抽気であってもよい。

本明細書中で使用される場合、用語「導管」は、単一の統合部品５０によって規定された外側の封じ込め構造体を意味する。例えば、高圧路２６が、統合部品５０を通って、低圧冷却路を含む管４２の外側をわたるクロスフローにルーティングされる。

図２Ａの実施形態は、高圧路２６と低圧冷却路３０の両方の入力が気体である、空気対空気の例を示す。例えば、高圧路２６は、エンジンからの抽気から供給され、低圧冷却路３０は、ＦＬＡＤＥ空気から供給される。

統合部品５０の上面５２及び底面５４は、概して管４２の位置決め及びパターンに対応する頂部５６及び谷部５８を画定するようにテクスチャ加工されている。（交互に配置された頂部５６及び谷部５８から形成される）テクスチャ面５２、５４は２つの機能を果たす。第１の及び主要な機能として、テクスチャ加工された表面５２、５４は、導管壁の近位の管の外側表面にわたる流れの異常分布を低減する。すなわち、テクスチャ加工された表面５２、５４は、管全体の周りに、より均一な流路を形成する。この機能がなければ、高温空気は殻壁に沿って流れ、熱交換器の性能を劣化させる傾向がある。第２の機能として、テクスチャ加工された表面５２、５４は、高圧路２６内の比較的高い内部圧力により引き起こされる外向きの撓みに対して、比較的大きな表面５２、５４を補助的に補強（強化）する派生的な利点を提供する。

図２Ｃは、一実施形態に係る、図２Ａに示した例示的な熱交換器システム１０の断面図を示す。図示されているように、少なくとも１つの複合バッフル４７は、上述したようにコア層４８とスキン層４９を含むことができる。また、重量を低減するために、冷却路３２のサイズは、第１側面３４から第２側面３６に収縮するにすることができる。冷却路３２のサイズをこのように収縮することによって、かつそれによって管４２の流れ断面積が収縮されることによって、第１側面３４よりも第２側面３６の近くで、管４２がより小さく、かつ管４２の間隔が短くなるように配置された場合であっても、高圧路２６の体積を制御する（例えば、実質的に等しくする）ことができるように、一実施形態では、第１側面３４から離れて第２側面３６に向かうにつれて、だんだんと間隔が広くなるようにバッフル２８を配置することができる。

図３Ａ，３Ｂは、統合部品６０から形成された熱交換器システム１０の別の例示的な実施形態を示している。本実施形態では、入口キャビティ２０の外壁２１と出口キャビティ２４の外壁２５は、頂部５６及び谷部５８を有するようにテクスチャ加工されている。外壁２１と外壁２５のテクスチャ加工された性質は、高圧路２６を形成する入口キャビティ２０及び出口キャビティ２４内の比較的高い内部圧力により引き起こされる外向きの撓みに対して、入口キャビティ２０と出口キャビティ２４をそれぞれ補強する。

図３Ｂは、入口キャビティ２０及び出口キャビティ２４の両方にキャビティバッフル１７を示している。キャビティバッフル１７は、全体構造に強度を提供しつつ、キャビティ２０、２４内を流体が流れるように、かつ混合可能なように、キャビティバッフル１７に開口１９を画定する。一実施形態では、キャビティバッフル１７は、バッフル２８の延長部として、バッフル２８に接続され、バッフル２８と平行にすることができる。キャビティバッフル１７は、熱交換部２２内への、及び熱交換部２２からの流れを導くように構成され得る。

図４Ａ〜４Ｃは、統合部品７０から形成された熱交換器システム１０の別の例示的な実施形態を示している。側壁７２及び側壁７６は、ディンプル７４を画定して、高圧路２６内に乱流トポロジを作成し、高圧路２６内の比較的高い内部圧力により引き起こされる外側へ撓みに対して、比較的大きい側壁７２、７６を補強する。また、ディンプル７４は、統合部品７０の外壁を通る高圧路２６と、統合部品７０の外側を通る外部冷風との間で、さらなる熱交換をするため、側壁７２、７６の周りにある、外部の冷たい空気流に乱流を生じさせる。入口キャビティ２０の外壁２１と出口キャビティ２４の外壁２５は、入口キャビティ２０及び出口キャビティ２４それぞれの内部の比較的高い内部圧力により引き起こされる外向きの撓みに対する補強のための構造的フランジ７８を有している。

様々な実施例から分かるように、入口マニホールド１４が入口キャビティ２０内に入る向きと共に、熱交換器１０の形状を変化させることができる。この向きは、高圧路２６及び低圧冷却路が互いに直交している限り、任意の適切な方向とすることができる。しかし、９０度以外の流路交差角を排除するものではない。また、外壁（入口キャビティ、熱交換部、及び／又は出口キャビティ）の構造的完全性は、単独で、又は様々な組み合わせで用いられる構造要素（例えば、ディンプル、交互の頂部と谷部、フランジ等）によって補強され得る。

本発明の方法は、相互に流体連通している、それぞれ高圧路２６を有する単一の熱交換器のみ、又は複数の熱交換器の使用に対応している。例えば、図５は、高圧路２６を有する２つの熱交換器１０（図１Ａ〜図１Ｆのように）を含む熱交換器システム５を示す。２つの熱交換器１０は、第１の熱交換器１０の出口キャビティ２４からの冷却された空気が、接続マニホールド６２を通って、さらなる冷却のために、第２の熱交換器の入口キャビティ２０に流入するように、接続マニホールド６２を介して直列に接続されている。

図６を参照すると、環状であって、前方から後方に向かって見た方向に方向づけられたものとして示されている、特定のジェットエンジン用のジェットエンジン空気ダクト８０が設けられている。直列の熱交換器１０は、ダクト８０の環状方向のダクト８０に沿って、直列に流体接続され、配列されている。あるいは、図２Ａに示した、単一の例示的な統合部品５０で形成された熱交換器１０が、ダクト８０内に含まれるための環状に方向づけられている。

複数の熱交換器１０を直列に使用する場合には、図６に示すように、熱交換器は、一実施形態では、同じ構造であってもよい。しかし、他の実施形態では、熱交換器１０は、構造が異なっている。例えば、最高温度で高温空気入力１２に接触する第１の熱交換器は、高温空気入力１２の比較的高い温度に起因して、比較的高温材料（例えば、ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓ社から入手可能な、商品名Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）の下で市販されているニッケル−クロム基合金、チタン、チタン合金等）で構成してもよい。以降の、高圧路２６に対して下流の熱交換器１０は、より軽量な、より低温材料（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等）で構成してもよい。これは、少なくとも１つの上流の熱交換器通った後には、高温空気が冷却されているためである。そのような実施形態において、接続マニホールド６２は、ある境界を挟んで熱交換器の材料を変化させることができるような境界を定めることができる。このように、材料は、システム全体の最適化を可能にしながら、必要な強度、運転温度、及び重量の要件の組み合わせに基づいて選択することができる。

図７は、例示的な熱交換器システム５のさらに別の実施形態であって、入口キャビティ２０と出口キャビティ２４との間に複数の熱交換部２２を含む熱交換器１０を示す。熱交換部２２Ａを通った後に、混合キャビティ８２内で混合されるように、第１の熱交換部２２Ａの高圧気体路２６が混合キャビティ８２に直列に流体接続されるように、第１の熱交換部２２は混合キャビティ８２によって分離されている。混合キャビティ８２が存在することによって、高圧気体路２６内の熱境界層が再度始まる。その後、混合気体は、第２の熱交換部２２Ｂの高圧気体路２６内に流れ、高圧気体路２６内でさらに冷却される。

冷却流体３０に対する単一パスシステムとして示されているが、マルチパスの変形も、一般に提供されている。すなわち、高圧路２６は、熱交換器システム５を出る前に冷却流体３０を通る複数の通路を形成する。このようなマルチパス構成は、同じシステム内に、並流及び向流を含むことができる。

例えば、図８は、冷却流体３０に対するマルチパスの変形である例示的な熱交換器システム５を示す。本実施形態では、高温空気入力１２は、第１の熱交換器１０ａを通って、第２の熱交換器１０ｂ内に導かれる。したがって、図示されるように、熱交換器１０ａ、１０ｂは、高温空気の流路に対して、互いに直列に接続されている。さらに、冷却流体３０ａは、第１の熱交換部２２Ａを通ってわずかに温度の高い冷却流体３０ｂとなり、第２の熱交換部２２Ｂを通って流れ、わずかに温度の高い冷却流体３０ｃとして流出する。したがって、図示されるように、熱交換器は、冷却流体の流路に対しても、直列に接続される。

図示されている実施形態では、高温空気流路（高圧路２６ａ、２６ｂを含む）は、冷却流体流路（冷却流路３２Ａ，３２Ｂを含む）を通る２つのパスを有しており、それぞれ１つのパスが、各々の熱交換器１０ａ、１０ｂにある。高圧路２６は、冷却流体３０を通る２つのパスを有するとして図示されているが、熱交換器システム５では、任意の数のパスが利用できる。

本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、及び任意の装置又はシステムの製造及び使用、並びに組み込まれた方法の実行を含む、本発明の実施がいかなる当業者にも可能となるようにするために、例を使用する。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含むことができる。これらの他の例が請求項の文言通りの言葉使いと異ならない構造要素を含むか、又は特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない均等の構成要素を含む場合、そのような他の例は特許請求の範囲内にあることが意図されている。
［実施態様１］
入口キャビティ壁（２１）によって画定された入口キャビティ（２０）と、
前記入口キャビティ（２０）と流体連通し、第１側面（３４）と第２側面（３６）との間に画定され、かつ複数のバッフル（２８）が内部に配置されている熱交換部（２２）と、
前記熱交換部（２２）と流体連通しており、出口キャビティ壁（２５）によって画定された出口キャビティとを備える熱交換器（１０）であって、
前記熱交換部（２２）が、
前記バッフル（２８）同士の間に画定され、前記入口キャビティ（２０）から前記出口キャビティ（２４）まで延びる複数の第１流路（２６）と、
前記第１側面（３４）から前記第２側面（３６）まで、前記熱交換部（２２）を通って延びる複数の管（４２）とを備え、前記複数の管（４２）の各々が、前記バッフル（２８）を貫通して延び、前記熱交換部（２２）を通る第２流路（３２）を画定している、熱交換器（１０）。
［実施態様２］
前記第１流路（２６）が、前記第２流路（３２）に対してクロスフロー構成に向けられている、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様３］
少なくとも１つの乱流要素（４６）が、前記管（４２）の外面に配置された、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様４］
少なくとも１つの乱流要素（４６）が、前記管（４２）の内面に配置されている、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様５］
前記バッフル（２８）のうち、少なくとも１つのバッフル（２８）が、積層された複合材料を含む積層壁によって画定される、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様６］
前記管（４２）が、前記熱交換部（２２）の前記第１側面（３４）から前記第２側面（３６）まで、前記管（４２）の長さにわたって実質的に楕円形を有している、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様７］
前記管（４２）の各々が、前記第１側面（３４）の入口流れ断面積、及び前記第２側面（３６）の出口流れ断面積を規定し、
前記管（４２）の少なくとも１つの断面積が、前記熱交換部（２２）の前記第１側面（３４）から前記第２側面（３６）まで連続的に変化する、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様８］
前記管（４２）の各々が、前記第１側面（３４）の入口流れ断面積、及び前記第２側面（３６）の出口流れ断面積を規定し、
前記入口流れ断面積が前記出口流れ断面積よりも小さい、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様９］
前記管（４２）の各々が、前記第１側面（３４）の入口流れ断面積、及び前記第２側面（３６）の出口流れ断面積を規定し、
前記入口流れ断面積が前記出口流れ断面積よりも大きい、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１０］
複数の構造要素（７８）が、前記入口キャビティ壁（２１）及び前記出口キャビティ壁（２５）の少なくとも一方に配置されている、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１１］
前記構造要素（７８）が、ディンプル、交互の頂部と谷部、フランジ、又はこれらの組み合わせを含む、実施態様１０に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１２］
前記熱交換部（２２）が、複数の構造要素（７８）を含む少なくとも１つの側壁を備えている、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１３］
前記入口キャビティ（２０）と、前記出口キャビティ（２４）との間に前記熱交換部（２２）を複数備え、
前記複数の熱交換部（２２）が、前記第１流路（２６）に対して、互いに直列接続されている、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１４］
混合キャビティが、前記複数の熱交換部（２２）同士の間に配置されている、実施態様１３に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１５］
前記入口キャビティ（２０）、前記熱交換部（２２）、及び前記出口キャビティ（２４）が、アディティブ製造によって形成された統合部品（５０）を画定する、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１６］
前記熱交換部（２２）の前記第１側面（３４）に配置された冷却入口キャビティ（９２）と、
前記熱交換部（２２）の前記第２側面（３６）に配置された冷却出口キャビティ（２４）とをさらに備え、
前記複数の管（４２）が、前記第１側面（３４）に配置された前記冷却入口キャビティ（９２）から、前記第２側面（３６）に配置された前記冷却出口キャビティ（２４）まで、前記熱交換部（２２）を通って延びる、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１７］
前記バッフル（２８）が、前記熱交換部（２２）内の前記第１流路（２６）の流れ断面積を規定し、
前記流れ断面積が、前記入口キャビティ（２０）から前記出口キャビティ（２４）まで、前記第１流路（２６）において変化する、実施態様１に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１８］
前記第１流路（２６）の流れ断面積が、前記バッフル（２８）の厚み、前記バッフル（２８）の間隔、前記管（４２）の間隔、又はそれらの組み合わせを変化させることによって、前記熱交換部（２２）の前記第１側面（３４）と前記第２側面（３６）との間で変動する、実施態様１７に記載の熱交換器（１０）。
［実施態様１９］
実施態様１に記載の前記熱交換器（１０）の少なくとも２つを備え、
前記熱交換器（１０）が、前記第１流路（２６）に対して、互いに直列に接続され、
前記熱交換器（１０）が、前記第２流路（３２）に対して、互いに直列に接続されている、熱交換器システム。
［実施態様２０］
熱交換器（１０）で、高温流体入力を冷却する方法であって、
入口キャビティ壁（２１）によって画定された入口キャビティ（２０）内に前記高温流体入力を導くことと、
前記入口キャビティ（２０）と流体連通し、前記第１側面（３４）と第２側面（３６）との間に画定され、内部に複数のバッフル（２８）が配置されており、かつ前記バッフル（２８）同士の間に画定された複数の第１流路（２６）を含んでいる熱交換部（２２）内に、前記高温流体入力を導くことと、
前記熱交換部（２２）と流体連通しており、出口キャビティ壁（２５）によって画定された出口キャビティ（２４）内に、前記高温流体入力を導くことと、
前記第１側面（３４）から前記第２側面（３６）まで、前記熱交換部（２２）を通って延びる複数の管（４２）を通して冷却流体を導くこととを含み、
前記複数の管（４２）の各々が、前記バッフル（２８）を貫通して延び、前記熱交換部（２２）を通る第２流路（３２）を画定している、方法。

５熱交換器システム
１０熱交換器
１２高温空気入力
１４入口マニホールド
１５高温空気流方向
１６出口マニホールド
１８被冷却空気出力
２０入口キャビティ
２１キャビティ壁
２２熱交換部
２４出口キャビティ
２５キャビティ壁
２６高圧路
２８バッフル
３０冷却流体
３２低圧冷却路
３４（熱交換部２２の）第１側面
３６（熱交換部２２の）第２側面
３８管入口
４０管出口
４２管
４４管壁
４６乱流要素
４７複合バッフル
４８コア層
４９スキン層
５０統合部品
５２上面
５４底面
５６頂部
５８谷部
６０統合部品
６２接続マニホールド
７０統合部品
７２側壁
７４ディンプル
７６対向側壁
７８構造的フランジ
８０ダクト
８２混合キャビティ
８４リンク
９２入口キャビティ
９４入口供給部
９６出口キャビティ
９８出口供給部
１００熱交換器システム
１０２第１セット
１０４通路
１０６第２セット
１０８第３セット

Claims

入口キャビティ壁（２１）によって画定される入口キャビティ（２０）と、
前記入口キャビティ（２０）と流体連通し、第１側面（３４）と第２側面（３６）との間に画定され、かつ複数のバッフル（２８）が内部に配置されている熱交換部（２２）と、
前記熱交換部（２２）と流体連通しており、出口キャビティ壁（２５）によって画定された出口キャビティ（２４）とを備える熱交換器（１０）であって、
前記熱交換部（２２）が、
前記バッフル（２８）同士の間に画定され、前記入口キャビティ（２０）から前記出口キャビティ（２４）まで延びる複数の第１流路（２６）と、
前記第１側面（３４）から前記第２側面（３６）まで、前記熱交換部（２２）を通って延びる複数の管（４２）とを備え、
前記複数の管（４２）の各々が、前記バッフル（２８）を貫通して延び、前記熱交換部（２２）を通る第２流路（３２）を画定している、熱交換器（１０）。
前記第１流路（２６）が、前記第２流路（３２）に対してクロスフロー構成に向けられている、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
少なくとも１つの乱流要素（４６）が、前記管（４２）の外面に配置され、
少なくとも１つの前記乱流要素（４６）が、前記管（４２）の内面、又は両方に配置されている、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記複数の管（４２）の各々が、前記第１側面（３４）の入口流れ断面積、及び前記第２側面（３６）の出口流れ断面積を規定し、
前記管（４２）の少なくとも１つの断面積が、前記熱交換部（２２）の前記第１側面（３４）から前記第２側面（３４）まで連続的に変化する、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記複数の管（４２）の各々が、前記第１側面（３４）の入口流れ断面積、及び前記第２側面（３６）の出口流れ断面積を規定し、
前記入口流れ断面積が、前記出口流れ断面積とは異なるサイズである、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
複数の構造要素（７８）が、前記入口キャビティ壁（２１）及び前記出口キャビティ壁（２５）の少なくとも一方に配置されている、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記入口キャビティ（２０）と前記出口キャビティ（２４）との間に前記熱交換部（２２）を複数備え、
前記複数の熱交換部（２０）が、前記第１流路（２６）に対して、互いに直列に接続されている、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記入口キャビティ（２０）、前記熱交換部（２２）、及び前記出口キャビティ（２４）が、アディティブ製造によって形成された統合部品（５０）を画定する、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記熱交換部（２２）の前記第１側面（３４）に配置された冷却入口キャビティ（９２）と、
前記熱交換部（２２）の前記第２側面（３６）に配置された冷却出口キャビティ（９６）とをさらに備え、
前記複数の管（４２）が、前記第１側面（３４）に配置された前記冷却入口キャビティ（９２）から、前記第２側面（３６）に配置された前記冷却出口キャビティ（９６）まで、前記熱交換部（２２）を通って延びる、請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記バッフル（２８）が、前記熱交換部（２２）内の前記第１流路（２６）の流れ断面積を規定し、
前記流れ断面積が、前記入口キャビティ（２０）から前記出口キャビティ（２４）まで、前記第１流路において変化する、請求項１に記載の熱交換器（１０）。