JP6577460B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、各々参照によりここに組み込まれる、２０１３年１０月１１日に英国で出願された次の出願：英国特許出願第１３１８０９８．９号；英国特許出願第１３１８１０９．４号；英国特許出願第１３１８１００．３号；英国特許出願第１３１８１０７．８号；英国特許出願第１３１８０９９．７号、に対する米国特許法第１１９条（ａ）項の下での優先権を主張するとともに、同じく参照によりここに組み込まれる、２０１４年６月５日に出願された米国特許出願第１４／２９６６０３号から米国特許法第１２０条および第３６５条の下での先の出願日からの優先権および利益を主張する。

［技術分野］
本発明は、航空宇宙用途にあるいは工業もしくは他の用途に使用され得るタイプなどの熱交換器に関する。本発明は、このような熱交換機を含む航空機もしくは航空宇宙エンジンなどを含むエンジンならびにこのような熱交換機もしくはエンジンを含む航空機にも関する。

特許文献１は、相互入れ子式螺旋状管セクションを有する熱交換機を開示している。入口マニホルドは、１つの壁に配置され、出口マニホルドは、装置の端部で他の１つの壁に配置される。しかし、かなりの温度変化にさらされることになるそのような熱交換機を、再使用可能なビークルに用いられるときなどに一定の熱交換器において望ましい多数のサイクルに耐えることのできる形で作ることは難しい。

さらに、半径方向に管を経て熱交換器を通るかなりの空気流がある場合、空気流の管に対するドラッグは、大きな半径方向力を管に対して生じさせ、管を支持して長時間持ちこたえさせることは困難である。さらに、熱交換器は、かなり限られたサイクル機能性を有し、熱交換器をエンジンに収容してシステムに低重量および低圧力降下を与えるように熱交換器を構成することは困難である。さらに、十分な性能を達成するためには、そのような熱交換機の下流側で大気が圧縮セクションに入る前に、大気を０℃以下の温度に冷やすサイクルを設計する必要があることが分かっている。遺憾ながら、これは、空気冷却のために熱交換器を包含するビークルの打ち上げが行われることのある下層大気にかなりの量の水蒸気がしばしば含まれているために、熱交換器が非常に急速に氷で塞がれるという結果を非常に容易にもたらすことがあり得、ビークル全体を実効的でなくする。これは、長年にわたって注目されてきた非常に困難な問題であることが分かっており、比較的に経済的な水平離陸空気吸入モードで動作できて、ベルギーのブリュッセルからオーストラリアのシドニーまで約マッハ５の巡航モードで約４．６時間で３００人の乗客を運べるように意図されたＬＡＰＣＡＴビークルのように続行するかあるいはＳＫＹＬＯＮビークルのように大気圏から出て軌道へ進むロケット・モードに切り替わることのできる、再使用可能なビークルを提供するにあたっての顕著なハードルであった。

特許文献２は、入ってくる空気を冷却するための第１熱交換器、第１熱交換器の下流側の水分離器、水分離器の下流側の液体酸素インジェクタ、および液体酸素インジェクタの下流側の第２熱交換器を含む、航空宇宙推進用空気取入口を開示している。インジェクタは気流の温度を下げるので、水分離器の下流側の気流に残っている水は、小さな乾いた氷晶に変化する。この構造は、２つの完全に別々の熱交換器の使用を必要とし、その２つの熱交換器の間のダクトに沿う流路内で非常に考慮に入れるべき軸方向距離を占める。さらに、流れの温度を５℃〜１３℃からマイナス５０℃以下に下げるために液体酸素が使用され、下流側で推進に使用され得る酸素を含む空気が既に存在するダクト内の空気を冷やすためにかなりの量の酸素を使用しなければならない。

英国特許出願公開第２２４１３１９（Ａ）号 英国特許出願公開第２２４１５３７（Ａ）号

第１の態様によれば、少なくとも１つの第１導管セクションであって、少なくとも１つの第１導管セクションを通る流路の中の第２流体と熱交換をする第１流体の流れのための少なくとも１つの第１導管セクションと、少なくとも１つの第１導管セクションのためのサポートとを有する熱交換器が提供され、少なくとも１の導管セクションは、第１の位置でサポートに取り付けられ、少なくとも１つの導管セクションは、その上の第２位置で温度変化に応答してサポートに関して移動可能である。

任意に、少なくとも１つの導管セクションは、熱交換のための複数の管を含む。

任意に、管は、それらの第１端部において入口管寄せ（inlet header）に結合されるとともに、それらの第２端部において少なくとも１つの第１導管セクションの出口管寄せ（outlet header）に結合される。

任意に、前記第１位置は、管寄せのうちの一方にあり、これはサポートにしっかりと取り付けられ、管寄せのうちの他方は、温度変化に応答してサポートに関して移動可能である。

任意に、管寄せのうちの他方は、前記サポートに関して移動可能な、自身のための移動可能なサポートに取り付けられる。

任意に、各々の前記第１導管セクションは、一緒に螺旋状に並んで延びるとともに列を成して互いに間隔を置いている複数の管を有する螺旋状セクションを含む。

任意に、前記第１導管セクション内の管は、半径方向に互いに間隔を置いて１〜４０列、例えば４のそのような列、を成して配置される。

任意に、管は、軸方向に互いに間隔を置いて約１０〜１０００列、例えば約７０〜１００のそのような列、を成して配置される。

任意に、管は、約２〜３メートルの長さであって第１管寄せ（first header）から第２管寄せ（second header）まで延びる。

任意に、管は約１ｍｍの直径を有する。

任意に、管は約２０〜４０ミクロンの壁厚を有する。

任意に、複数の前記螺旋状セクションは、互いに入れ子式にされて互いに対して角度的に間隔を置いて向けられる。

任意に、前記螺旋状セクションは、概してシリンダ状のドラムの形状を成して構成される。

任意に、サポートは、前記第１導管が固定される少なくとも１つの円形フープを含む。

任意に、サポートは、概してシリンダ状の穿孔ドラム構造において互いに間隔を置いて構成された複数の前記円形フープを含み、前記第１導管の管寄せは、複数の前記円形フープに固定される。

任意に、熱交換器は、環状にかつ前記管寄せとそれぞれの少なくとも１つの第１導管のさらなる管寄せとの間に少なくとも部分的に半径方向に延びるサポート構造を含み、さらなる管寄せは、温度変化に応答して穿孔ドラム構造に関して周囲方向に移動するように配置されたガイド部材によって支持される。

任意に、前記管寄せは、堅固であるかあるいは実質的に堅固であって、可撓性導管に流体結合される。

任意に、可撓性導管は、堅固なあるいは実質的に堅固なマニホルドに流体結合される。

任意に、マニホルドは、サポートに関して位置が軸方向に固定されるが、半径方向には、例えば延びるように、自由に移動できる。

任意に、前記第１導管セクション内の管の列は、管に加わる空力荷重に対抗するように配置されたスペーサによって互いに間隔を置く複数の列を含む。

任意に、２つの隣接する前記第１導管セクションの管同士の間に、それらの間で荷重を伝達し、同時に温度変化に応答してのそれらの間の相対的滑り運動を許すように、シムなどの荷重エレメントが設けられる。

任意に、荷重エレメントは、隣接する前記第１導管セクション同士の間の温度変化に応答しての相対的運動を許しながら、管に加わる空力荷重に対して反作用するために概して半径方向に延びる荷重経路構造を形成するように、前記スペーサと実質的に整列させられる。

任意に、前記熱交換器は、系列（series）を成して構成された複数の前記荷重経路構造を含み、それらは概して周囲方向において互いに間隔を置いている。

第２の態様によれば、燃焼セクションと、燃焼セクションの方に向けられた流路内の空気（第２流体としての）を冷やすようにされた、第１態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器とを含むビークル・エンジンが提供される。

任意に、前記ビークル・エンジンは、第１流体としてのヘリウム、または水素などの他の作動流体を提供するためのヘリウム・サプライを含む。

第３の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第１態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器を含む。

第４の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第２態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わないエンジンを含む。

第５の態様によれば、複数の第１導管セクションであって、第１導管セクションを通る流路の中の第２流体と熱交換をする第１流体の流れのための前記複数の第１導管セクションと、複数の第１導管セクションのためのサポートとを有する熱交換器が提供され、第１導管セクションの各々は、熱交換のための複数の管を含み、各第１導管セクションは、一緒に螺旋状に並んで延びるとともに列を成して互いに間隔を置いている複数の管を有する螺旋状セクションを含み、管に加わる空力荷重に対抗するために互いに半径方向に間隔を置く列を成す管同士の間に少なくとも１つの荷重エレメントが設けられている。

任意に、前記荷重エレメントは、半径方向に間隔を置く列を成す管同士を、例えばろう付けによって、まとめて固定するスペーサを含む。

任意に、前記荷重エレメントは、２つの隣接する前記第１導管セクションの管同士の間に、それらの間で荷重を伝達し、同時に温度変化に応答してのそれらの間の相対的滑り運動を許すように設けられた、シムなどのエレメントを含む。

任意に、前記エレメントは、１つの前記第１導管セクション内の管に固定され、さらなる前記第１導管セクションに滑動可能に係合する。

任意に、前記荷重エレメントは、少なくとも１つのＩビーム状のエレメントを含む。

任意に、前記第１導管セクション内の管は、半径方向に互いに間隔を置いて１〜４０列、例えば４のそのような列、を成して配置される。

任意に、前記管は、第１管寄せから第２管寄せまで約１〜３メートルの長さである。

任意に、管は約１ｍｍの直径を有する。

任意に、管は約２０〜４０ミクロンの壁厚を有する。

任意に、管は互いに軸方向に間隔を置く約１０〜１０００列、例えば約７０〜１００または７０〜２００もしくは５００のそのような列、を成して配置される。

幾つかの実施形態では、管は、少なくとも部分的にニッケル合金またはアルミニウム合金などの合金材料から作られる。任意に、各管は、第１材料から作られた第１部分と、第２材料から作られた第２部分とを含む。第１部分は、そのような管の一端部で、管寄せなどで、終わることができ、第２部分は、さらなる管寄せなどでそのような管の第２端部で終わることができる。第１部分および第２部分は、スリーブによるなどして互いに結合され得る。これは、熱交換器の相対的に高温の領域に第１材料を用いることによって温度能力を高めるが、より低温の領域では密度あるいは損失上の理由から第２材料を用いることを可能にすることができる。

例えば、より低温の領域にアルミニウム合金を、より高温の領域にセラミックまたは耐熱合金を用いることができる。第１部分および第２部分の各々は、それらの一端部で中間の管寄せに結合され得る。

任意に、複数の螺旋状セクションは、互いに入れ子式にされかつ互いに角度的に間隔を置いて向けられる。

任意に、前記螺旋状セクションは、シリンダ状のドラムの形状に構成される。

任意に、サポートは、第１の前記導管が固定される少なくとも１つの円形フープを含む。

任意に、サポートは、概してシリンダ状の穿孔ドラム構造を成して互いに間隔を置いて構成された複数の円形フープを含み、少なくとも１つの前記荷重エレメントと実質的に半径方向に整列する位置で隣接する前記管を係合支持するために、少なくとも１つのロンジロン部材が設けられる。

任意に、複数の前記荷重エレメントは、管に加わる空力荷重に対して反作用するために概して半径方向に延びる荷重経路構造に設けられる。

任意に、荷重経路構造は、温度変化に応答しての隣接する前記第１の導管セクションの管同士の間の相対運動を許すようにされる。

第６の態様によれば、燃焼セクションと、燃焼セクションの方に向けられた流路内の、第２流体としての空気を冷やすようにされた、第５態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器とを含むビークル・エンジンが提供される。

任意に、前記ビークル・エンジンは、第１流体としてのヘリウムを提供するためのヘリウム・サプライを含む。

第７の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第５態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器を含む。

第８の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第６態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わないエンジンを含む。

第９の態様によれば、少なくとも１つの第１導管セクションであって、少なくとも１つの第１導管セクションを通る流路の中の第２流体と熱交換をする第１流体の流れのための少なくとも１つの第１導管セクションを有する熱交換器が提供され、各第１導管セクションは、入口から出口へ少なくとも１つの管を経由する流路を含み、入口および出口の間の流路内に中間流体流路との流れ連絡のために中間管寄せが設けられている。

任意に、入口および出口の各々は、管寄せ管を含む。

任意に、管寄せ管はまっすぐである。

任意に、少なくとも１つの第１導管セクションは、入口から中間管寄せへそれらの間の流れのために延びる複数の第１流管と、中間管寄せから出口へそれらの間の流れのために延びる複数の第２流管とを含む。

任意に、第１流管の長さプラス第２流管の長さは、約２〜３メートルである。

任意に、第１流管および／または第２流管の直径は、約１ｍｍである。

任意に、第１流管および／または第２流管は、約２０〜４０ミクロンの壁厚を有する。

任意に、前記第１導管セクションは、並んで螺旋形に延びるとともに列を成して互いに間隔を置く第１および第２流管を有する螺旋状セクションを含む。

任意に、前記熱交換器は、中間流路内の圧力を制御するためのコントローラを含む。

任意に、前記コントローラはフローバルブを含む。

任意に、中間管寄せは、第１流体を囲むための外側エンクロージャと、中間流体流れを外側エンクロージャに注入するためのインジェクタとを含む。

任意に、インジェクタは、流体を外側エンクロージャに注入するために、自身に沿って間隔を置く流れ開口部の系列（series）を有する管を含む。

任意に、外側エンクロージャおよびインジェクタの各々は、まっすぐな細長い管を含む。

任意に、前記列は、外側エンクロージャの縦方向に沿って互いに間隔を置く複数の列を含み、前記の間隔を置く列内の管は、外側エンクロージャに、その長さに沿って間隔を置くそれぞれの位置で流体結合される。

幾つかの実施形態では、管は、少なくとも部分的に、ニッケル合金またはアルミニウム合金などの合金材料から作られる。任意に、各管は、第１材料から作られた第１部分と、第２材料から作られた第２部分とを含む。第１部分は、そのような管の一端部で、例えば管寄せで、終わることができ、第２部分は、そのような管の第２端部で、例えばさらなる管寄せで、終わることができる。第１部分および第２部分は、スリーブによるなどして互いに結合され得る。これは、熱交換器の相対的に高温の領域に第１材料を用いることによって温度能力を高めるが、より低温の領域では密度あるいは損失上の理由から第２材料を用いることを可能にすることができる。

例えば、より低温の領域にはアルミニウム合金を使用し、より高温の領域にはセラミックまたは耐熱合金を用いることができる。第１部分および第２部分の各々は、それらの一端部で中間の管寄せに結合され得る。

第１０の態様は、少なくとも１つの第１導管セクションであって、少なくとも１つの第１導管セクションを通る流路の中の第２流体と熱交換をする第１流体の流れのための少なくとも１つの第１導管セクションを有する熱交換器を提供し、各第１導管は、少なくとも１つの管を経由する入り口から出口への流路を含み、前記管のうちの少なくとも１つは、それぞれ別の材料から形成されて自身に沿って延びる第１部分および第２部分を有する。

第１１の態様によれば、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない第９の態様による熱交換器を作動させる方法が提供され、この方法は、少なくとも１つの第１導管を通してかつ中間流体流路を通してヘリウムを流すことを含む。

任意に、熱交換器を作動させる前記方法は、少なくとも１つの第１導管を通る流路に第２流体として空気を流すことを含む。

第１２の態様によれば、燃焼セクションと、燃焼セクションの方に向けられた流路内の、（第２流体としての）空気を冷やすようにされた、それのいずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない第９態様または第１０態様による熱交換器とを含むビークル・エンジンなどのエンジンが提供される。

任意に、前記エンジンは、第１流体としてヘリウムを提供するためのヘリウム・サプライを含む。

第１３の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第９態様または第１０態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器を含む。

第１４の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第１２態様による、それのいずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わないエンジンを含む。

第１５の態様によれば、少なくとも１つの第１導管セクションを有する熱交換器のためのサポート構造が提供され、少なくとも１つの第１導管セクションは、少なくとも１つの第１導管セクションを通る流路内のセクション流体と熱交換する第１流体の流れのためのものであり、サポート構造は、概してシリンダ状の穿孔ドラム構造を含む。

任意に、前記サポート構造は、互いに軸方向に間隔を置く複数のフープ・サポートを含む。

任意に、前記サポート構造は、概して半径方向に整列した荷重経路構造において前記第１導管セクションに支持係合するようにされた、互いに半径方向に間隔を置く複数のロンジロン部材を含む。

任意に、フープ・サポートは、第１導管セクションの管寄せ管をフープ・サポート上に位置させるための受台および／またはアタッチメント構造を伴って形成される。

任意に、フープ・サポートおよびロンジロン部材は、それらの間に、概して長方形または正方形の流れスペースを伴って構成される。

任意に、前記サポート構造は、当該スペースのうちの少なくとも１つを横断してその中でもしくはそれに隣接して、例えばそれを斜めに横断して、延びる少なくとも１つの斜めに取り付けられた筋交エレメントを含む。

任意に、各前記スペースは、Ｘ形に構成された２つの斜めに取り付けられた前記筋交エレメントを有し、これにより各前記スペースの領域に４つの実質的に三角形の流れ開口部を提供する。

第１６の態様によれば、流路内の流体を冷却するための、それの１つの温度以下で相変化しやすいコンポーネントを含む熱交換器が提供され、熱交換器は、クーラントの通過のための管の系列と、流路内の流体に凍結防止コンポーネントを導入するためのインジェクタとを含む。

任意に、インジェクタは、例えばアルコールを注入するように配置された、メタノール源に結合されるように配置されたメタノール・インジェクタなどの、凍結防止剤インジェクタを含む。

任意に、前記熱交換器は、流路内の移動する流体の本体の中に位置する液体を除去するための除去装置を含む。

任意に、除去装置は、インジェクタの下流側に置かれる。

任意に、除去装置は、該除去装置を通り過ぎる流体の一般的流れ方向に対して概して横向きに延びるように配置された少なくとも１つのキャッチャー装置またはエレメントを含む。

任意に、前記熱交換器は、前記キャッチャー・エレメントの少なくとも１つの列を含む。

任意に、キャッチャー・エレメントは、列内で、その離隔の方向における各キャッチャー・エレメントの最大横断寸法より小さい離隔距離を置いて離される。

任意に、離隔距離は、前記最大横断寸法の約４分の１、３分の１、または２分の１である。

任意に、キャッチャー装置は、キャッチャー・エレメントのセクション列を含み、キャッチャー・エレメントの第２列は、キャッチャー・エレメントの第１列と（列に沿って１つのキャッチャー・エレメントから他の１つへの方向において）互い違いにされる。

任意に、第１列および第２列の中のキャッチャー・エレメントは、同じ列の中のキャッチャー・エレメントから、他方の列の中のキャッチャー・エレメントからそれらが離隔されるのと実質的に同じ距離だけ、離隔される。

任意に、各キャッチャー・エレメントは、縦方向大きさを有するとともに、各キャッチャー・エレメントに沿って少なくとも１か所で実質的に円形の横断面を有する。

任意に、各キャッチャー・エレメントは、その外面上に位置する少なくとも１つの（複数などの）液体収集ポケットを有する中空管を含む。

任意に、中空管は、金属性材料からハイドロフォーミングにより成形される。

任意に、各液体収集ポケットは、ポケットから中空管の内部導管内に通じるスカベンジ開口部を含み、スカベンジ開口部のエリアは、液体と共にその中に引き込まれる気流を制限するために小さなサイズである。

任意に、前記熱交換器は、各ポケットを覆うメッシュを含み、各ポケットとメッシュとの間には空洞が形成される。メッシュは、各ポケットの領域では概して平らであり得る。メッシュの各々のそのような部分の後ろのギャップは、空洞を提供する。キャッチャー・エレメントの物理的存在は、キャッチャー・エレメントの周りで空気が急激に動くことを可能にするが、液体は空気からインターシャルに分離されることを可能にする。メッシュが所定位置にあると、流れの中の液体は、メッシュの中に入ってメッシュにより捕獲され得るけれども、空気はキャッチャー・エレメントの周りを流れ続けることができる。

任意に、メッシュは、約２５ミクロン〜１００ミクロンのメッシュであり、例えば５０ミクロンのメッシュである。

任意に、メッシュに界面活性剤がコーティングされる。

任意に、メッシュにシリカがコーティングされる。

任意に、前記熱交換器は、収集ポケットから液体を除去するために中空管に流体結合されたサクション・システムを含む。

任意に、前記熱交換器は、前記除去装置の下流側に配置された第２の前記除去装置を含む。３個以上の前記除去装置を有する実施形態も考えられる。

凍結防止剤インジェクタは、複数の注入部分を含むことができ、気流の第１領域内の第１注入部分では、より濃縮した凍結防止剤を注入し、第１領域より暖かい気流の第２領域で第１注入部分より上流側の第２注入部分では、より希釈された（水で）凍結防止剤を注入するように配置され得る。水は、熱交換器を通過する空気から空気内の湿気に起因する凝縮により得られる。

熱交換器は、第２（またはさらなる）除去装置で気流から除去された凍結防止剤および液状の水をリサイクルして、第１除去装置の上流側で第２注入部分において再注入を行うためのリサイクル経路を含むことができる。従って任意に、複数のそのような再注入のシーケンスにおける各々のそのような再注入においては、凍結防止剤は、前の注入時よりも気流内のより上流側のより暖かい空気により薄く注入されることができ、従って凍結防止剤は、熱交換器を通る気流の方向とは逆の経路に沿う一連の再注入個所に沿って再注入可能である。従ってこれは、凍結防止剤が気流への注入時に空気と共に流れるとしても、一種の“逆流”凍結防止剤注入システムと見なされ得る。追加の希釈の理由は、熱交換器を通過する空気から水が凝縮することにある。捕らえられたあるいは捕獲された凍結防止剤（例えばメタノール）および水は、気流がより暖かい１つの位置で前の注入よりさらに上流側の個所で気流に再注入（従って凍結防止剤はより薄い）され得る。凍結防止剤をこのようにリサイクルすることは、同じ凍結防止剤を注入した後に捕らえ、それを、熱交換器に使用されるキャッチャー・エレメントを有する除去装置の数に応じて２回以上再注入して再び捕らえることができるので、過度に多量の凍結防止剤を使用しなくても持続運転を可能にする。これは、流れがより低温になるにつれてメタノールがますます濃縮されることを可能にする。

任意に、前記熱交換器は、空気を０℃以下に冷やすようにされる。

任意に、前記熱交換器は、空気を約マイナス１００℃までまたはそれ以下に、例えばマイナス１４０℃付近まで、あるいは空気液化点（約マイナス１９５℃）まで、冷却するようにされる。

任意に、前記熱交換器は、温度が約マイナス１００℃に近づくとき最低温度のキャッチャー・エレメントの近傍の環境を約８０モル％または約８８重量％メタノール（水−メタノール・固体−液体状態図上で）であるように制御するための制御装置を含む。最低温度のキャッチャー・エレメントの近傍の環境は、温度が約−１００℃に近づくときあるいは約−１００℃より下がるとき、幾つかの実施形態では約７５〜８５モル％または７８〜８２モル％など、約７０〜９０モル％メタノール（水−メタノール・固体−液体状態図上で）であり得る。

任意に、キャッチャー装置は、９５％以上など、９０％以上の、一例として約９９％の、水分を空気から除去するために十分な数のキャッチャー・エレメントを有するように構成され構築される。

第１７の態様によれば、熱交換器アセンブリであって、その縦方向に縦方向長さを有するとともに、縦方向に延びるダクトと通じるように配置された少なくとも１つの概して環状の熱交換器モジュールを含む熱交換器アセンブリが提供され、（ａ）熱交換器モジュールを通って概して半径方向に、および（ｂ）縦方向に延びるダクトに沿って概して縦方向に、から選択された一方および他方の間で流れを転換させるために少なくとも１つの案内羽根が設けられる。

案内羽根は、流れを概して半径方向から概して縦方向へ転換させるようにされ得る。

案内羽根は、環状あるいはリング状であり得る。

案内羽根は、前縁および後縁を有することができて、任意に、前縁と後縁との間で実質的に一定の厚さである。

前縁は、半径方向に対して約５〜２０度、例えば約１０度、の角度に配置され得る。これは、幾つかの実施形態においてはこの範囲外に変化し得る。

後縁は、縦方向に対して約５〜１５度、あるいは約８〜１２度、の角度に配置され得る。これは、幾つかの実施形態においては、この範囲外に変化し得る。

案内羽根は、縦方向に縦方向大きさを有することができ、案内羽根は、外側に湾曲する前セクション（これは任意に横断面が実質的に弧状である）および実質的に円錐状の後セクションを含むことができ、後セクションは、当該縦方向大きさの約５０〜８５％にわたって延びる。

熱交換器アセンブリは、任意に、縦方向に延びるダクトに沿って相互に重なり合う系列を成して配置される複数の前記案内羽根を含み得る。

羽根は、流れを加速するための狭窄をそれら羽根の間に有するように配置され得る。このようにして、流れを、各羽根において、縦方向に延びるダクトからのバルク出口速度としての実質的に同じ速度まで加速することができる。これは、羽根の上流側で熱交換器モジュール全体にわたって圧力および質量流量を均一に保つのに役立つ。

熱交換器アセンブリは、前記縦方向ダクトに沿ってその周りに系列を成して配置された複数の前記熱交換器モジュールを含むことができ、前記熱交換器モジュールのうちの少なくとも１つ、任意に全部、に隣接してその縦方向大きさの少なくとも実質的に全体にわたって延びる前記案内羽根の系列が設けられ得る。これは、羽根の上流側で熱交換器モジュール全体にわたって圧力および質量流量を均一に保つのに役立つ。従って、２つ以上の概して管状の前記熱交換器モジュールは、縦方向ダクトの周りに構成されてそれに沿って系列を成して配置され得る。流れは、全体におよび／または概して内向き半径方向に各熱交換器モジュールを通って、縦方向に延びるダクト内に進むことができる。羽根は、その下流側でダクト内に概して一定の静圧を生じさせることを可能にし、従って一様な流れが熱交換器モジュールを通って引かれる。

熱交換器モジュールは、互いに同じサイズ（直径または最大横断寸法を含めて）であり得るけれども、他の実施形態では互いに異なるサイズであり得て、例えば互いに異なる直径を有する概してドラム状の装置の系列である。それにもかかわらず、モジュールは、互いに同じ質量流束および圧力降下で動作するようにされ得、互いに同じ数の熱交換器管の列を含むことができ、幾つかの実施形態では（管がモジュール内にある場所の）同じ外径内径差を有することができる。

第１８の態様によれば、第１７態様による熱交換器を含むエンジンが提供され、熱交換器は、エンジンの空気圧縮機および／または燃焼段の上流側に位置する。

第１９の態様によれば、ビークル・エンジンなどのエンジンが提供され、エンジンは、燃焼セクションと、燃焼セクションの方に向けられた流路内の空気を冷やすようにされた、第１６態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器とを含む。

任意に、前記エンジンは、熱交換器を通って流れることのできるクーラントとしてヘリウムを提供するためのヘリウム・サプライを含む。

第２０の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第１６態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わない熱交換器を含む。

第２１の態様によれば、航空機または軌道打ち上げビークルなどの飛行機械が提供され、飛行機械は、第１８態様または第１９態様による、いずれかの任意のフィーチャを伴うかあるいは伴わないエンジンを含む。

従って、幾つかの実施形態では、熱交換器は、概してドラム状であって、多数の小直径金属合金管を各々含む多数の螺旋状セクションを含む。螺旋状セクションは、互いの中で螺旋状に延びる。幾つかの例において、この管は、各々約２〜３メートルの長さで、直径は約１ミリメートルで、約２０〜４０ミクロンかそこらの壁厚を有する。

各螺旋状セクションは、中央サポート・スリーブに固定的に取り付けられた軸方向に延びるクーラント入口管寄せ管を有する。各螺旋状セクションの管は、その一端部においてろう付けなどにより入口管寄せ管に密封結合され、半径方向には少数の列を成して（約１〜１０列など。例えば２、３、４、５、６または７列）延び、軸方向には約７５〜１００列あるいは１００列より多数など、の列を成して延びる。これらの種々の薄い管は、全て入口管寄せ管から外へ、それらがろう付けなどにより同じく密封結合される出口管寄せ管まで、螺旋状に延びる。他の実施形態では、入口管寄せが半径方向外側位置に、出口管寄せが半径方向内側位置にあって、空気は、ヘリウムであり得る管内のクーラントに対して概して逆流を成して半径方向外向き方向に熱交換器を通って流れることができるように、流れ方向は逆にされ得る。

さらに、熱交換器その他の作動中に温度が変化するとき、入口管寄せ管は、内部のサポート・スリーブに関して実質的に定位置に固定されたままである。しかし、熱膨張に起因して、小直径管の長さは変化し、種々の螺旋状セクションは互いの上を概して周囲方向に滑動し、出口管寄せ管も内部のサポート・スリーブに関して動く。従って、熱交換器は、熱応力の実質的軽減に起因して多数回、たとえ１００以上あるいは最大２００あるいはそれ以上の完全飛行サイクルであっても、熱的に循環させられ得る。

さらに、各螺旋状セクション内の管は、それらの長さに沿う種々の個所で、互いにろう付けなどにより一緒に支持固定され得、隣接する螺旋状セクションの列に隣接する管の各列は、完全に管に沿って軸方向に延びるとともに約１〜１０ミリメートルほど僅かに半径方向に延びる、バッフル板、スペーサまたはシムを備えることができる。隣接する螺旋状セクション内のバッフル板またはシムは、互いに滑動可能に当接することができ、あるいは１つの螺旋状セクション内のバッフル板またはシムは、隣接する螺旋状セクションの隣接する流体流れ管に滑動可能に係合することができる。各セクション内の管の支持固定および滑動当接に起因して、全ての螺旋状セクションが温度サイクリング中にそれらが望む通りに容易に膨張収縮することができるだけではなくて、熱交換器を通って小直径管の外側およびそれらの間を進む空気などのヒータントの半径方向ドラッグ荷重は、強力な実質的半径方向荷重経路を成すこれらの螺旋状セクションの全てを通って内方に（または外方に）伝えられ得るとともに、内部のサポート・スリーブによって、あるいは半径方向外向き気流の場合には外部のサポート・スリーブによって、反作用され得る。

半径方向に進む気流（ヒータント）と、反対に半径方向に螺旋状に進む狭い管の中のヘリウム・クーラントの流れとの間に逆流熱交換があるとき、近づいてくる軸方向気流を熱交換器の中へ曲げ、あるいは熱交換器を通って外方へ進む気流の場合には熱交換器を出てゆく軸方向気流を曲げるために、熱交換器の半径方向外側に曲がったダクト構造が設けられ得る。この種の構造があるために、熱交換器管は割合に良く保護され、離陸後のエンジン故障（ｅｎｇｉｎｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｆｔｅｒ ｔａｋｅ−ｏｆｆ（ＥＦＡＴＯ））を引き起こすバードストライクまたは他の摂取などの問題が生じた場合に、ヘリウム管は損傷しそうもなく、エンジンは容易に停止され得、最大着陸重量以下になるように燃料を投棄してあるいは投棄せずにビークルはそれぞれのエンジンを停止させたまま首尾よく着陸を行う良好な確率を有することができる。

内部スリーブは、空気などのヒータントが顕著な損失無しに内部スリーブを通過できるように、穿孔または“バードケージ”構造を備えることができる。スリーブは、その両端の円形フープ、互いに周囲方向に間隔を置いて軸方向に延びる約１０〜５０の前記ロンジロン部材などのロンジロン部材の系列、およびサポート・スリーブに沿って系列を成す１つ以上の中間周辺フープ・スペースを含み得る。ロンジロン部材は、内部サポート・スリーブの全穿孔が三角形となるようにＸ形の斜め部材により補強され得る概して正方形の形状またはスペースを形成するべく、フープが互いから離隔されるのとほぼ同じ距離だけ互いから離隔され得る。この構造は、顕著な流動損失を生じさせることなく、加わることのある実質的に半径方向内向きの荷重に抵抗するために顕著に強くて、さらに飛行中に重力負荷および慣性負荷を支える軽量な形を提供することが分かっている。半径方向外向きに空気が進む構成の場合には、クーラント管の半径方向外側に同様のサポート・スリーブまたはバードケージを設けることができるであろう。

小直径管の、その入り口ヘッドからその出口管寄せまでの経路に沿って途中に位置する１つ以上の中間管寄せ管を配置することが可能である。従って、この管は、概念的にはそれらの長さに沿って途中で“切断”されており、それらの切断端部の各々が中間管寄せ管に取り付けられていると見なされ得る。中間管寄せ管内に、実質的にその長さの全体に沿って延びるように内部中間サプライ管が挿入され得、中間サプライ管は、その長さに沿って系列を成して形成された出口開口部の系列を有する。熱交換器の動作中、中間管寄せ管においてさらなるクーラントが加えられ得るようにかつ熱交換器の異なる部分を異なる質量流量のクーラントが流れ得るように、入口管寄せ管においてだけではなくて内部中間サプライ管においてもクーラントが熱交換器内に送り込まれることができ、おおよそ１つを作るコストおよび複雑さだけで、単一の熱交換器構造があたかも複数の異なる熱交換器であるかのように動作することを可能にする。さらなるクーラントを中間管寄せ管において加えるために、中間管寄せ管におけるサプライの圧力は、小直径管内の近くのクーラントの圧力と同様または同じになるように調節され得ることが理解されるであろう。内部中間サプライ管に系列を成して形成された出口開口部の系列を有する内部中間サプライ管の使用は、熱交換器の軸方向長さに沿って一様な流動状態が達成され得ることを保証する。

本明細書において記述されるべき好ましい実施形態の熱交換器は、霜制御システムを含んでおり、英国政府の代理としての欧州宇宙機関のために極秘状況においてテスト熱交換器に対して行われた実際のテストの後に、欧州宇宙機関は、霜制御メカニズムが実験室スケールで首尾よく証明されたことを確認している。テストされた熱交換器は、５０キログラム未満の重量で合計４０キロメートル以上の小直径管を含んでおり、入ってくる気流は２０ミリ秒未満でマイナス１５０℃まで冷やされた。低温運転中に霜ブロッケージは認められず、欧州宇宙機関は、地上エンジン実証試験を今や行うことができると今は確信していると述べた。

従って、熱交換器は、各螺旋状セクションに１つ以上のドッグレッグ・ゾーンを備えることができ、各ドッグレッグ・ゾーンは、短い半径方向に延びるセクションを含む。従って、各螺旋状セクションの形状は、完全に螺旋状ではなくて、第１の実質的に螺旋状の部分と、次の短い半径方向部分と、それに続く他の１つの実質的に螺旋状の部分と、等々を含む。この構造は、隣接する螺旋状セクションのドッグレッグ同士の間に実質的に弓形のボックス形状をもたらす。

弓形ボックス・スペース内に１つまたは２つの半径方向に間隔を置いて周囲方向に互い違いにされたキャッチャー・エレメントの列の系列が位置する。各キャッチャー・エレメントは、捕獲エレメントに沿ってその前面上で間隔を置く複数の外部ポケットの内容物を吸い込み続けるためのサクション・システムに結合され得る内部を有する管を含むことができ、ポケットは、貫通開口部を介して管の内部に結合されている。捕獲エレメント前面ポケットは、ポケットに対してポーラス前面を形成するように５０ミクロン・シリカ・コーティングされたメッシュで覆われ得る。他の実施形態では異なるサイズのメッシュが使用され得るようにシリカ以外の界面活性剤が使用され得る。

この実施形態では、メタノールまたは他の凍結防止物質の注入システムが捕獲エレメントの上流側に配置され、流れから水が凝縮するとき、それは水を凍結させるのではなくて液体として維持するメタノールと混じり合い、この混合物は、捕獲エレメントの湿ったメッシュに接触すると慣性分離により気流から分離され、その後真空によりポケットおよび貫通開口部を介して吸い込まれて捕獲エレメントに沿って運び去られる。各螺旋状セクションに複数の前記ドッグレッグ・ゾーンがあるときには、結果としてさらに生じる弓形ボックス・スペースにおいて同様のキャッチャー・エレメントのさらなるセットが使用され得る。この場合、気流が半径方向内向きで例えば細い管の中のヘリウムによって冷やされる例では、半径方向において最も内側の弓形ボックス・セクションにおいてまたはその少し上流の側で純粋のあるいは割合に濃厚なメタノールが注入され得て、その後にそれぞれのキャッチャー・エレメントによって少なくとも部分的に捕獲されて水との混合物になり、このより薄い混合物は、その後温度がより高い熱交換器の半径方向外側寄りでさらにリサイクルされ、再び捕獲されることができる。従って、この実施形態では、メタノールは、空気に対して総合半径方向逆流を成して流れると考えられ、これは凍結およびブロッケージを防止するための所要メタノール消費を少なくする。

メタノールは、使用後水から完全に分離され得るけれども、代わりにエンジン供給空気と共にエンジンの燃焼セクションへ進んで推力に寄与することができる。推力制御システムが作動している間、主エンジン・ロケット・ノズルから後方へ噴出されるメタノールの（燃焼生成物）重量は、幾つかの実施形態では推力に２％を加えることができる。さらに、メタノール重量のビークルからの喪失は、飛行中、後でエンジン推力に応答してより大きなビークル速度を達成することを可能にするために、望ましいことであり得る。

本明細書に記載される霜制御システムは、典型的には９９％の水分を空気から除去することができる。

水−メタノール・固体−液体状態図上で考察された動作において、温度が約マイナス１００℃に近づくにつれて最低温度のキャッチャー・エレメントの近傍の環境が約８０モル％または約８８重量％メタノールの領域にあるように、熱交換器内の状態を慎重に制御することができる。

２つの上記の半径方向に間隔を置いて周囲方向に互い違いにされたキャッチャー・エレメントの列は、前の方の列のエレメントが後の方の列の隣接するエレメントの間で周囲方向においてほぼ中点にあるように構成され得る。前の方の捕獲エレメントは、細いクーラント含有管上に徐々に形成することのある凝縮した流体を後の方の列内のほぼ捕獲エレメントの方への流れに逸らすブラッフボディとして作用し得る。これは、２つの列によって除去された流体の約９５％が後の方の列によって除去され、僅か５％が前の方の列によって除去され得るということを意味する。従って、幾つかの実施形態では、捕獲エレメントの前の方の列は、ブラッフボディ・エレメントの受動的な列によって置き換えられることができ、それは、捕獲エレメントに向かい合うスロットまたはスリットを有する平らなシートであり得る。

熱交換器は、小直径管の短い半径方向に延びる部分の領域に、液体流がこれらの半径方向セクションの領域で管を横断する近道を容易に通らずに捕獲エレメントの方へ向けられることを保証するために、デフレクタ状のフォイル・シムを備えることができる。さらに、半径方向に延びる部分において管同士の間のギャップは、好ましくは密封される。

従って、低大気圏内で熱交換器の着氷およびブロッケージが起きないように気流から水分を除去するために霜制御システムが使用され得るということが予想される。ビークルが対流圏の最上部へ、そして成層圏の方へ、例えば約１０キロメートルの高度あたりへあるいはそれよりいくらか上へ上昇すると、厄介な着氷を引き起こすのに十分な水蒸気はもはや存在せず、霜制御システムは、メタノール・ポンプおよび捕獲エレメント・サクション・ポンプを停止させることによって、オフに切り替えられ得る。

熱交換器は、必要ならば熱交換器からの空気出口付近で、すなわち、流れが半径方向内向きであるときには内部バードケージ付近で、空気をその液化点まで冷やすことができるとしても、霜制御システムは、水の大部分が熱交換器内のさらに奥でより高い温度でメタノールと共に除去されるように、設定される。約マイナス５０℃以下でさらにマイナス１４０℃近くの非常に低い温度では、残っているメタノール−水液体含有物は、もし凝固するとすれば、蒸気からの直接昇華によって、より高い温度で形成され得る羽毛のような霜ではなくて、氷の塊に直接変化するであろう。それゆえそれはブロッキング問題の原因とはなりにくい。

熱交換器が使用されるＳＫＹＬＯＮビークルまたは類似の航空機などの再利用可能なビークルが高速で大気圏内に戻るとき、エンジンへの吸気口ナセルは閉じられ得る。熱交換器を空気が通らなくても、大気圏再突入時のエンジンの外側本体を介しての空力加熱に起因する熱交換器および場合によっては付近のコンポーネントの過熱を防止するために小直径管の周りにヘリウムが循環させられ得る。

他の実施形態では、ヘリウム以外の、水素などの流体が熱交換器管の内部に流され得る。ヘリウム／空気熱交換器として作用する代わりに、熱交換器は、水素／他の流体・熱交換器として作用することができる（例えば）。熱交換器管の横断面は好ましい実施形態では概して円形であるけれども、他の実施形態では他の形状が使用され得るであろう。

本発明は種々の仕方で実施されることができ、ここで添付図面と関連して実例により、本発明による熱交換器、エンジンおよび航空機の１つの好ましい実施形態が記述されるであろう。

本発明の好ましい実施形態による熱交換器を有するエンジンを組み込んだ航空機の１つの好ましい実施形態の側面図である。 図１Ａの航空機の上面図である。 図１Ａの航空機の背面図である。 従来技術エンジンの概略図である。 本発明の好ましい実施形態による熱交換器を含むように改変された図２のエンジンのための略サイクル線図である。 図３に示されているサイクルを有する図２のエンジンの改変において改変済み熱交換器として使用される本発明による熱交換器の好ましい実施形態の等角図である。 図４ＡのエリアＡの詳細図である。 熱交換器の図５ＢにおけるＹ−Ｙでの断面図である。 半径方向内向き方向に見た熱交換器の側面図である。 熱交換器のためのドラム状バードケージまたは穿孔スリーブ・サポートの等角図である。 図７Ｅの細部Ａの詳細図である。 図７Ｅの細部Ｂの詳細図である。 図７Ｆの細部Ｃの詳細図である。 図７Ｆの細部Ｄの詳細図である。 図７Ｆにおいて下から見上げるような、図７Ｆに示されている熱交換器の螺旋状セクションを通る略断面図である。 熱交換器の熱交換器管の螺旋状セクションの等角図である。 図７Ｆに類似する図であるが、熱交換器セクションの曲がった概して周囲方向の長さに沿うバッフル・ステーションの位置を示すために明瞭性を目的として螺旋状セクションの熱交換器管の相当の部分が除去されている。 図８Ａの細部Ｅの詳細等角図である。 図８Ａの細部Ｆの詳細等角図である。 図９Ｂにおける方向９Ａから熱交換器を見る背面図である。 図９Ａの線Ａ−Ａにより表される２つの平面での熱交換器の横断面図である。 図６のサポート部材を示し、サポートのロンジロン・エレメントに任意のロンジロン・シューが取り付けられ、図８Ａに示されている螺旋状セクションのコンポーネントがその周りに螺旋状に延びるように取り付けられている。 図１０Ａの細部Ａの詳細等角図である。 図６のサポートの端面図であり、２１個の螺旋状セクションが全て取り付けられているけれども、明瞭性を目的として捕獲エレメントおよびメタノール注入リングは省略されている。 図１１Ａの細部Ａの詳細立面図を示す。 熱交換器のメタノール・インジェクタ・アセンブリの正面図を示す。 図１２Ａの平面Ａ−Ａにおける断面を示す。 図１２Ｂの細部Ｂの詳細図である。 図１２Ｂの細部Ｃの詳細図である。 図１２Ｇの平面Ｄ−Ｄにおける、或る程度短くされた横断面図であり、インジェクタ・アセンブリのインジェクタ管アセンブリのうちの１つを示す。 図１２Ｅの細部Ｅの詳細図である。 インジェクタ管アセンブリの図１２Ｅの方向１２Ｇに沿う立面図である。 図１２Ａのインジェクタ・アセンブリの等角図である。 霜制御システムにおいて熱交換器から液体を除去するための外側捕獲アセンブリの一部分の等角図である。 図１３Ａに示されているコンポーネントの一部分の等角図である。 図１３Ａに示されているコンポーネントの端面図である。 図１３Ｃの平面Ｃ−Ｃでの断面図である。 図１３Ｃに似ている図であるが、捕獲アセンブリの捕獲マニホルド板が除去されている。 図１３Ｅの細部Ｄの詳細図である。 図１３Ａに示されているパーツの、周囲方向（熱交換器のドラム中心軸の周りの）における立面図である。 図１３Ｇの平面Ａ−Ａにおける断面図である。 図１３Ｈの細部Ｂの詳細図である。 ハイドロフォーミングにより成形された捕獲アセンブリの捕獲管の周囲方向における立面図である。 図１４Ａのハイドロフォーミングにより成形された捕獲管の、その円形端部スピゴットにおける横断面輪郭を示す。 ２つの隣接する液体捕獲ポケットの各々の一端部における、図１４Ａに示されている輪郭の隆起個所での図１４Ａの捕獲管の輪郭断面を示す。 ２つのそのようなポケット端の中ほどでの管の輪郭を示す。 図１４Ａの管の透視図を示す。 図１４Ａの管の断面透視図を示し、管の周りにシリカ・コーティングされたメッシュがしっかり巻かれている。 中間管寄せを含む螺旋状セクションの改変済みバージョンの概略図である。 熱交換器および中間管寄せ流体流路を示す概略図である。 図１５の方向１７に見た螺旋状セクションの一部分の概略図を示す。 メタノール（または他の凍結防止剤）がリサイクルされて気流に２回以上注入される、改変済みインジェクション・システムを概略的に示す。 捕獲アセンブリのキャッチャー・エレメントと共に使用されるシム板を示す。 キャッチャー・エレメントに対して位置決めされた図１９Ａのシム板を示す。 熱交換器の部分端面図である。 図１９Ｃの細部Ｅの詳細図である。 熱交換器の正面図であり、円形キャッチャー・リング・マニホルドおよびそのＳ状結合ホースは明瞭性を目的として除去されている。 図２０Ａの細部Ａの詳細図である。 ２つの受動的ユニットと共に出口ダクトの周りに配置された熱交換器の略図であり、出口ダクトは縦方向にエンジンの空気圧縮機の方へ延びている。 図２１Ａの細部Ｂの詳細図である。

図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃに示されているように、引込脚１２、１４、１６を有する航空機１０は、燃料ストア２０および酸化剤ストア２２を有する胴体１８ならびにペイロード領域２４を有する。運動する垂直安定板装置２６および全ての運動するカナード装置２８は、胴体１８に取り付けられている。エレボン３６を有する主翼３４は、胴体１８の両側に取り付けられ、各翼３４は、その翼端４０に取り付けられたエンジン・モジュール３８を有する。図１Ｃおよび図２に示されているように、各エンジン・モジュール３８の後部は、種々のバイパス・バーナ４２によって囲まれた４つのロケット・ノズル４０を備えている。

図２に示されているように、従来技術のエンジン・モジュール３８は、吸気口４３、４つの部分を成す熱交換器４４、ターボ圧縮機４６およびサイクル導管４８を含む。地球の大気圏内でのエンジン・モジュール３８の空気吸入モードにおいては、入ってきて吸気口４３を通過した空気は、熱交換器４４を通ってターボ圧縮機４６へ進み、一部はバイパス・ダクト５０に沿ってバイパス・バーナ４２へ迂回させられる。

好ましい実施形態では、従来技術の熱交換器４４は、熱交換器または前置冷却器５２または並行して動作し得る複数の前記熱交換器５２に置き換えられる。

図３は、改変済みエンジン・モジュール３８のためのサイクルの略図を示し、これは、明瞭性を目的として４つの代わりに唯一のロケット・ノズル４０を示すように簡単化されている。

従って、図３に示されているように、空気吸入モードのときには、空気は、取入口４３に入って熱交換器５２へまたはバイパス・ダクト５０を介してバイパス・バーナ４２へ進む。熱交換器５２を通過する空気は、その後、バルブ５６を通って、ロケット・ノズル４０へ進む前に、および、部分的にはプリバーナ排気生成物中の未燃焼水素と共にロケット４０でさらに燃焼するべく進む前に、熱交換器６０を通って進む前に、プリバーナ５８へも進む前に、ターボ圧縮機４６の圧縮機５４で圧縮される。

タービン６４によって駆動される液体水素ポンプ６２は、水素を、熱交換器６６およびタービン６４を通してヘリウム循環器７０のタービン６８を通してプリバーナ５８へ部分的プリバーナ燃焼のために駆動するが、液体水素の一部は、バルブ７２により迂回して導管７４に沿って進んでバイパス・バーナ４２内で燃焼することができる。

ヘリウム循環機７０は、ガス状ヘリウムを反対方向に進む空気と逆流熱交換をする（空気およびヘリウムの経路の半径方向構成部分を考慮して）熱交換器５２を通して駆動する圧縮機７６を含み、ヘリウムは、その後、熱交換器６６で水素によって冷やされる前に、ヘリウム・タービン７８を通って進む前に熱交換器６０を通過し、その後にヘリウム圧縮機７６に戻る。この空気吸入モードでは、航空機１０は、地面８０（図１Ａ）の上での静止から水平に離陸することができる。

航空機１０は、約マッハ５の相当の速度で飛行するようになると、空気吸入モードからフルロケット・モードに切り替わることができる。フルロケット・モードでは、吸気口４３は閉じられ、サイクル導管４８を通る水素の経路は空気吸入モードでの経路と同様であるけれども、水素は、バルブ７２によってバイパス・バーナ４２へ向けられない。ターボ圧縮機４６は作動していない。ヘリウム回路において、次にガス状ヘリウムは、ヘリウム圧縮機７６から熱交換器５２および熱交換器６０を通って流れるが、その後、熱交換器６６に、次にヘリウム圧縮機７６に戻る前に、タービン８２へ流れる。ヘリウム・タービン８２は、液体酸素ポンプ８４を駆動し、ポンプ８４は、酸素をロケット・ノズル４０へ、さらに部分的にプリバーナ５８を介してプリバーナ排気生成物として未燃焼水素と共にロケット・ノズル４０へ、その中で燃焼するように、向ける。バルブ５６は、フルロケット・モードでは閉じられている。

フルロケット・モードでは、航空機１０は、高マッハ数を経て加速して軌道に入ることができる。

図６に示されているように、熱交換器５２は、中央バードケージあるいは概してシリンダ状の穿孔ドラム８４の形のサポートを有する。ドラム８４は、互いに間隔を置く２つの端部サポート・リング８６と、端部サポート・リング８８の間で規則正しい系列を成して互いに間隔を置く３つの中間サポート・リング８８とを有する。１系列の２１個のロンジロン部材９０は、２つの端部サポート・リング８６の間で延び、５個のサポート・リング８６、８８の全てによって支持される。ロンジロン部材９０は、実質的に平らで半径方向に整列した薄い板を含む。ロンジロン部材９０は、ねじボビン部材９２によって２つの端部サポート・リング８６に取り付けられ、その半径方向内側縁９６の近くに１系列の３個のスロット９４を有する。スロット９４は、各ロンジロン部材９０に沿って半径方向大きさの約４分の１〜４分の３にわたって延び、ロンジロン部材９０と中間サポート・リング８８との支持係合を可能にする。中間サポート・リング８８も、図６に示されている係合を可能にする、対応するスロットを有する。

サポート・ドラム８４は、ロンジロン部材９０の各々の全長に沿って係合する縦方向部材を有する穿孔管状エレメントを含む内部スチフナ管９８と、全周囲方向大きさに沿って延びてサポート・リング８６、８８の各々に係合する周囲方向に延びる部材１０２と、種々のロンジロン部材９０およびサポート・リング８６、８８の間に形成された概して正方形のスペース１０６に隣接して位置するＸ形の筋交部材１０４とをも含む。従って、スチフナ管９８は、剪断荷重を支えるように設計された非常に堅い穿孔ラチスをドラム８４の中に形成する。ドラムは大きな半径方向内向き荷重を受け入れることができ、各Ｘ形筋交部材１０４の領域に形成された４つの三角形は、相当の気流が顕著な圧力降下を伴わずに穿孔ドラム８４を半径方向に通過することを可能にする。

図１０Ａに示されているように、２１個の螺旋状導管セクションは、この図ではそのうちの１つだけが部分的に示されているだけであるけれども、サポート・ドラム８４に固定された各モジュラー螺旋状セクション１０８の入口管寄せ１０６で穿孔ドラムの周りに固定され、螺旋状セクション１０８は、サポート・ドラム８４の周りに周囲方向に実質的に３６０°にわたって出口管寄せ管１１０まで延びるときドラム８４の中心軸から外方へ半径方向に遠ざかって螺旋状に延びる。各螺旋状セクション１０８は、他の実施形態では、もっと大きなあるいはもっと小さな角度にわたって周りに延びるように改変することができる。図１０Ａに見られるように、モジュラー螺旋状セクション１０８は、後述される熱交換器管類の短い半径方向に延びるセクションを含む第１のドッグレッグ・セクション１１２’および第２のドッグレッグ・セクション１１４’を含む。他の実施形態では、各螺旋状セクション１０８に３つ、４つまたは５つなど、３つ以上のそのようなドッグレッグ・セクションを用いることができる。

図１０Ｂは、入口管寄せ管１０６が５個の取り付けフランジ１１２（そのうちの幾つかだけが図１０Ｂに示されている）の系列をどのように含むかを示し、取り付けフランジは、入口管寄せ管１０６をサポート・リング８６、８８の各々に対して定位置にロックするロッキング・ロッド１１４に係合する開口部（示されていない）を有する。図１０Ｂに見られるように、任意のロンジロン・シュー１１６’は、それに係合することのある螺旋状セクション１０８を保護するために各ロンジロン部材９０の半径方向外側縁を覆う。ロンジロン・シュー１１６’は、他の実施形態では用いられない。図８Ａは、螺旋状セクション１０８に沿って規則的に間隔を置くバッフル・ステーション１１６の位置も示す。

図８Ｂは、出口管寄せ１１０（入口管寄せ１０６は同様である）がその中に、そのうちの３個だけが図８Ｂに示されている８００個の対応するヘリウム熱交換器管１２０を受け入れるように構成された１系列の８００個の開口部１１８を有することを示す。他の実施形態は、より少ない、あるいは実際、より多いそのような管１２０を用いることができる。ヘリウム管１２０は開口部１１８内にろう付けされる。ヘリウム管１２０をろう付けのために準備するために、好ましくは欠陥を探すべく管をスキャンし、壁厚を測定し（ＯＤ）、与圧テストを行い、任意に管を電気化学的にミリングし、洗浄し、乾燥し、その後に切断成形する。ろう付けは、好ましくは真空下で行う。

ヘリウム管１２０は、管寄せ１０６、１１０の軸方向に沿って間隔を置く２００列に、かつ半径方向に４列に、配置される。ヘリウム管１２０は、各入口管寄せ１０６から各出口管寄せ１１０までずっと延びている。２１個の螺旋状セクション１０８があって各管１２０が約２〜３メートルの長さであるので、熱交換器５２は約４０キロメートルの管１２０を含む。管１２０は、直径が約１ミリメートルあるいはそれより幾分大きく、約２０〜４０ミクロンの壁厚を有する。

図８Ｃは、管１２０が短い半径方向部分１２２を伴ってドッグレッグ１１２’、１１４’をどのように通過するかを示し、流れを半径方向部分１２２から遠ざけるように向けるためにＪ形のフォイルまたはジョッグル１２４がドッグレッグ１１２’、１１４’の両側にどのように置かれるかを示す。これは図７Ｂにも示されている。図７Ａに見られるように、バッフル・ステーション１１６において、任意の所与の螺旋状セクション１０８においてレース・トラック・セクション・バッフル・エレメント１２５が４列のヘリウム管１２０の各々の内側にろう付けされ、４列のうちの半径方向外側の管１２０の外側に平らなシム板１２６が配備されている。バッフル・エレメント１２５は、ヘリウム管１２０と同じ管を平らにすることによって作る。バッフル・エレメントおよびシム板１２６は、軸方向に２００列の管１２０の全ての全長を軸方向に延びる。図１１Ｂに示されているように、２１個の螺旋状セクション１０８のバッフル・ステーション１１６は、ロンジロン部材９０が存在するどの箇所でもマトリックス管１２０に直交するように互いに実質的に整列しているが、熱交換器５２の中心軸１２８からの真の半径方向Ｒ（図１１Ｂを参照）から角度的に僅かにオフセットしている（図１１Ａを参照）。従って、ロンジロン部材９０上のシュー１１６’は、第１螺旋状セクション１０８の底部バッフル・エレメント１２５に係合し、半径方向の力が、バッフル・ステーション１１６を通って、次の入れ子式にされた螺旋状セクションの他の１つの半径方向内側のバッフル・エレメントの底部に係合するシム板１２６に伝わることができる。１１番目の螺旋状セクション１０８の後に、半径方向に延びるＩビーム１３０は、実質的に半径方向の荷重を次の螺旋状セクション１０８に伝えることができる。さらなる７個の螺旋状セクション１０８のバッフル・エレメント１２５およびシム１２６のさらなる７個のセットの後に、半径方向荷重を伝えるためにさらなる実質的に半径方向に延びるＩビーム１３０があり、次に、２１個の螺旋状セクション１０８が全て完全に数えられるまで半径方向にさらに３個のセクション１０８を通過する。この構成は単なる実例であって、他の実施形態では異なり得る。

熱交換器が作動しているとき、管１２０の全てを通過してそれらに実質的に半径方向の内向き空力荷重を加える実質的に半径方向内向きの気流がある。この荷重に対して、半径方向に実質的に整列しているシム板１２６、バッフル・エレメント１２５、Ｉビーム１３０およびロンジロン部材９０が対抗する。従って、非常に大きな空力荷重があっても、管１２０をしっかり支持することができる。

或る場合には、特に高マッハ数のときには、熱交換器５２への、特に半径方向に最も外側で、空気取入口温度は、相当であり得、例えば８００℃あるいは１０００℃以上になり得る。温度変化は、管１２０に相当の熱的変化を生じさせることがあり、それは、特に、温度上昇に伴って長さが増大することがある。従って、入口管寄せ管１０６の位置は、穿孔サポート・ドラム８４に対して固定されているけれども、出口管寄せ１１０は、管１２０の長さが大きくなるときに動くかもしれない。従って、各螺旋状セクション１０８のシム板１２６は、隣接するバッフル・エレメント１２５に対して相対的に滑動することができて、螺旋状セクション１０８が互いに対して相対的に周囲方向に相当滑動することを可能にする。温度上昇により管１２０が長くなるとき、バッフル・エレメント１２５、シム板１２６およびＩビーム１３０を通るバッフル・ステーション１１６の推力線は、回転して、交換器５２の中心軸１５２からの真の半径方向Ｒとより一致するようになり得る。バッフル・エレメント１２５の線は、実質的に管１２０に対して垂直に保たれる。従って、管の、管１２０の周囲方向（縦方向）切断面における熱膨張および収縮を考慮に入れることができる。当然に、管１２０および他のコンポーネントは、これらが温度と共に膨張収縮するときに半径方向に膨張し得、このことに対する考慮もなされている。

図７Ｄに見られるように、各入口管寄せ管１０６のいずれの端部にも入口管寄せ管継手１４０が取り付けられ、出口管寄せ管１１０のそれぞれの両端に出口管寄せ管継手１４２が取り付けられている。図４Ａおよび図５Ｂに示されているように、入口管寄せ１０６の一端部の入口管寄せ管継手１４０は、フレキシブルホース１４４によってヘリウム流のための入口マニホルド１４６に流体結合され、その同じ端部の出口管寄せ管継手１４２は、フレキシブルホース１４８によってヘリウムのためのヘリウム出口リング・マニホルド１５０に流体結合されている。

管寄せ管１０６の他方の端部の入口管寄せ管継手１４０は、塞がれてよく、あるいはリング・マニホルドを介して隣接する管寄せ管継手１４０に流体結合され得る。出口管寄せ管１１０の他方の端部の出口管寄せ管継手１４２も同様である。

例えば図１１Ａおよび図１１Ｂに見られるように、Ｉビーム１３０およびそれぞれのドッグレッグ１１２’、１１４’の領域において隣接する螺旋状セクション１０８の管１２０の間で熱交換器５２の全体に沿って軸方向に延びる概して矩形の（しかし弧状の）ポケット（またはボックス・セクション）１６０が作られる。これらの概して矩形で弧状のポケット１６０は、次に記述される熱交換器５２の霜制御システムの捕獲エレメント１６２を含む。

図４Ａおよび図１２Ａに示されているように、メタノール・サプライ管１７０は、メタノールをメタノール注入リング１７４の環状ギャラリー１７２に供給する。ギャラリー１７２内の部分１７６は、管２１４の、これらがギャラリー１７２に入るところでの断面である。メタノール注入リングは、熱交換器５２の周りで周囲方向に間隔を置く系列を成して配置された１系列の１８０個のインジェクタ管アセンブリ１８２（図１２Ｅ）（この配置は他の実施形態では異なり得る）を有し、各インジェクタ管アセンブリ１８２は、環状ギャラリー１７２を形成する環状マニホルド１７３と端部プラグ１９２のテーパ端部１９０が挿入固定されるさらなるサポート・リング１７５との間に軸方向に延びるインジェクタ管１８４を含む。インジェクタ管１８４の各々は、管１８４に沿って系列を成して間隔を置く１系列の２２個の注入穴１９４（そのうちの１つが図１２Ｆに示されている）を含み、穴１９４の各々の直径は０．２ｍｍである。各管のテーパ端部１９０の反対側の端部１９６は、インジェクタ管継手１９８に固定され、この管１９８は、フラット２０２を有する非円形フランジ２００を有し、その目的は、リング１７３に取り付けられたサポート・リング１７７における対応する形態にフラット２０２を合わせることによって管１８４を回転的に整列させることである。管継手１９８の環状凹所２０６におけるシーリングのために円形シール２０４が設けられる。

メタノール・サプライ管１７０に結合されている導管２１２に沿ってメタノールを圧送するためにメタノール・ポンプ２１０（図３）を動作させると、メタノールは、強制的にギャラリー１７２を通りリング１７３のサプライ・チャネル２１４および管継手１９８の内部チャネル２１６を通って進められてメタノールを管１８４の内部に、その後、注入穴１９４を通して外へ、圧送する。従って、メタノールは、管１２０の螺旋状セクション１０８により画定される体積の中にちょうど入ろうとする気流に注入される。

メタノールは、熱交換器５２における、熱交換器５２を通る気流を妨げる氷の形成を防止することができる。メタノールは、熱交換器の中で凝縮した水滴が凍結する凍結温度を下げ、メタノールと水との相当の部分が、次に記載されるようにキャッチャー・エレメントにより気流から一緒に除去される。

図１１Ｂに示されている２つのポケット１６０のうちの各々の外側の１つの中には、９個の互いに間隔を置くキャッチャー・エレメントが配置され、ポケット１６０のうちの各々の内側の１つの中には、７個のキャッチャー・エレメント１６２が配置されている。図面の図１３Ａ〜図１４Ｄを参照して、次にキャッチャー・エレメント１６２を記述する。これらの図は、９個のキャッチャー・エレメントを有する１つの外側キャッチャー・アセンブリ２４０を示す。内側のキャッチャー・アセンブリは、キャッチャー・エレメントの数を別として同様である（それらは７個を有するだけなので）。図１３Ａおよび図１３Ｈに示されているように、各キャッチャー・アセンブリ２４０は、４個のキャッチャー・エレメント１６２の外側列２４２および５個のキャッチャー・エレメント１６２の内側列２４４を有する。再び、キャッチャー・エレメントの数ならびにドッグレッグおよびポケットの列（半径方向）の数は、他の実施形態では異なり得る。各キャッチャー・エレメント１６２は、図１４Ａ〜図１４Ｄに示されているようにその長さに沿って変化する横断面を有するハイドロフォーミングにより成形された管２４６を含む。特に、管２４６は、それぞれの端部２４８、２５０においては断面が円形であり、管２４６の横断面が図１４Ｃに示されているようであるピーク２５４間には８個のポケット窪み２５２を有し、ピーク２５４間の中点２５６での横断面は図１４Ｄに示されているようであって２つの外向きにくぼんだ部分２５８がある。図１３Ｉに示されているように、管２４６は、シリカなどの界面活性剤でコーティングされたステンレス鋼５０ミクロン・フィルタ・メッシュ２５８（他の実施形態では他のメッシュを使える）で覆われている。各メッシュ２５８は、概してシリンダ状であり（これは他の実施形態では変化し得る）、キャッチャー管２４６当たりに合計で１６個の空洞２６０、２６２が存在するように各ポケット窪み２５２に１対の空洞２６０、２６２を形成する。各空洞２６０、２６２に管２４６の壁を貫通するスカベンジ穴２６４があるが、この数は他の実施形態では異なり得る。キャッチャー・アセンブリ２４０は制御板２７０を含み、各キャッチャー管２４６の一端部２４８は、９個のキャッチャー・エレメント管２４６の全てが、パイピング２７８（図３）を介してサクション源２８０に通じるサクション・ポート２７６を有するキャッチャー・サクション・マニホルド・アセンブリ２７４の内部と連通するように、非回転管継手２７２に取り付けられる。キャッチャー・エレメント１６２は、さかさまにも、軸方向にあるいは別様に加速する飛行ビークルに用いられるときにも、作動することができる。

図１３Ａおよび図１３Ｄに示されているように、キャッチャー・エレメント２４６の末端部２８２は、端部プラグ２８４によってしっかり閉じられる。

キャッチャー制御板２７０は、自身を貫通する円形の開口部２９０を含むことが見られるであろう。熱交換器５２の出口管寄せ管１１０は、これらの開口部２９０を通る。キャッチャー板２７０は、９個の余分の開口部２９２を含むことも見られるであろう。その理由は、熱交換器５２の周りに周囲方向に１つ離間した隣接するキャッチャー・アセンブリ２４０が両端にマニホルド２７２および端部プラグ２８４を配置されることにある。従って、開口部２９２は、隣接するキャッチャー・アセンブリ２４０のキャッチャー・エレメント１６２の円形端部２５０の周りに係合するのに役立つので、キャッチャー管２４６の全てが両端部で支持される。サクション・ポート２７６に真空が加えられると、スカベンジ穴２６６にサクションが生じる。液体の形のメタノールおよび水がキャッチャー・エレメント１６２の領域に存在するとき、その液体がシリカ・コーティングされたメッシュ２５８に触れると、それは、メッシュ２５８を濡らし、メッシュを通して（空洞２６２はメッシュ孔が小さいので低圧で作用する）空洞２６２、２６０／ポケット２５２の中へ、次にスカベンジ穴２６６を通ってキャッチャー管２４６の内側に沿ってそれぞれのマニホルド２７４およびサクション・ポート２７６へ吸われる。スカベンジ穴２６６は、液体と共にずっと吸われる気流を低レベルに制御する。このようにして、熱交換器５２が氷で塞がれないように、入ってくる空気の中の水蒸気の相当の部分を流れから除去することができる。メッシュ２５８は、図１３Ｉでは明瞭性を目的として円形断面で示されているけれども、図１４Ｆに示されているように、メッシュは実際には空洞２６２／２６０／ポケット２５２の上でもっと平らな形態に延びている。図１４Ｅに示されているように、ピーク（あるいはランド）２５４は概して平らに構成されている。ランド２５４は、ポケット同士を分離させるようにメッシュ２５８に係合する。従って、万一、例えば熱交換器内に異物が摂取されて１つのポケットがその完全性を失ったとしても、他のポケット２５２は依然として使用可能であろう。

図４Ｂに示されているように、外側キャッチャー・サクション・マニホルド・アセンブリ２７４は、可撓性のＳ形状真空管３００によって環状霜制御キャッチャー・リング・マニホルド３０２に結合され（このＳ形状は、製造差および熱膨張を考慮したものであるが、他の実施形態では採用されなくてもよい）、内側キャッチャー・エレメント・マニホルド板３０４（キャッチャー・エレメントが７個だけであることを除いてマニホルド板２７４に対応する）は、同様のＳ形状フレキシブルホース３０６によって霜制御キャッチャー・リング・マニホルド３０８に結合されている。リング３０８は真空出口導管３０９に通じ、リング３０６は真空出口導管３０７に通じ、両方ともパイピング２７８を介して真空源２８０に通じている。

熱交換器の反対側軸方向端部に同様の真空マニホルド板２７２、３０４があるので、図５Ｂに示されているように、その端部にもＳ形状フレキシブルホース３００、３０６および霜制御キャッチャー・リング・マニホルドの同様の装置が設けられており、同様の参照数字は同様のフィーチャを表す。

図１３Ｈから、列２４２、２４４の各々の長さに沿ってキャッチャー・エレメント１６２間の間隔がキャッチャー・エレメント１６２の直径の約３分の１であることが分かるであろう。列２４２内のキャッチャー・エレメント１６２と列２４４内のキャッチャー・エレメントとの間の距離がほぼ同じかあるいは少し小さいということも分かるであろう。液滴４００が外側列２４２に近づくと、それらは矢印４０２によりほぼ示されるように移動し曲がることができる。滴は、管１２０のマトリクスを通って流れ、管上で成長しながら、外側列２４２のキャッチャー・エレメント１６２間のギャップの中に加速して入る気流によって横へ集中される。従って、滴４００は、第１列２４２内のキャッチャー・エレメント１６２によって逸らされて次の列２４４内のキャッチャー・エレメント１６２の方へほとんどまっすぐに進みがちである。実際には、このことは、列２４２内のキャッチャー・エレメント１６２がブラッフボディとして作用し得、キャッチャー・アセンブリ２４０によって抽出される水の約５％が前列２４２（気流方向の意味で）において抽出され、９５％が次の列２４４において抽出され得るということを意味する。他の実施形態では、列２４２の前列キャッチャー・エレメント１６２は、メッシュあるいはサクション機能を持たない固体に置き換えられてもよい。

熱交換器５２が作動しているとき、内側キャッチャー・エレメントおよび／または外側のものにおける温度を温度センサ３５０によって監視することができ、温度センサは、熱交換器５２を通るヘリウム流を変更するためのダイバート部分３５６を有するバルブ３５４などのバルブを制御することのできるコントローラ３５２（図３）にデータを送ることができる。このようにまたは同様の仕方で、キャッチャー・エレメント１６２における温度を制御することができる。気流から除去された水およびメタノールは、ロケット・ノズル４０に近づく気流の中へ戻されることができて、幾つかの実施形態では２％を推力に加えることができる。ビークルからメタノールの重量が失われることは、飛行中に後でエンジン推力に応答してより大きなビークル速度を達成できるようにするためにも望ましいことであり得る。本明細書で記述される霜制御システムは、典型的には空気から水分の９９％を除去することができる。すぐ前に記載されたコントローラ３５２により提供される制御は、水−メタノール・固体−液体状態図上で最低温度のキャッチャー・エレメント１６２の近傍の環境が、温度が約−１００℃に近づくときに約６５モル％または約８２重量％メタノールの領域にあるような制御であり得る。熱交換器は、空気を熱交換器からの空気出口付近で必要ならばその液化点まで冷やすことができるとしても、霜制御システムは、水の大部分が熱交換器内のさらに奥でより高い温度でメタノールと共に除去されるように、設定される。約マイナス５０℃以下でさらに−１４０℃近くの非常に低い温度では、残っているメタノール／水液体含有物は、もし凝固するとすれば、蒸気からの直接昇華によって、より高い温度で形成され得る羽毛のような霜ではなくて、氷の塊に直接変化するであろう。それゆえそれはブロッキング問題の原因とはなりにくい。

図１５に示されているように、螺旋状セクション１０８は、中間管寄せ４４０を組み込むように改変することができる。中間管寄せ４４０は、２セットの開口部を有することができ、そのうちの１つのセット内に、入口管寄せ管１０６から到着した管１２０の全てをろう付けにより固定することができ、そのうちの他方のセット内に、出口管寄せ１１０に通じる管１２０の全てをそのように固定することができる。中間管寄せ４４０は、外側管４４２を有することができ、その中に管１２０が通じる。入口管寄せ４４０は、中間管寄せ４４０内にヘリウムを注入するためにそれに沿って間隔を置いた位置に系列を成して位置するインジェクタ開口部４４６の系列を有する内部管４４４を含むことができる。従って、管１２０は、中間管寄せ４４０の下流側では上流側でよりも多くの質量流量のヘリウムを運ぶことができる。これは、例えば高飛行マッハで許容し得る金属温度を超えることを阻止するために、熱交換特性を実質的に変更でき、ヘリウムまたは他のクーラントの異なる流れが中を流れる２つの異なる熱交換器のように働けるシステムを唯一の熱交換器５２が本質的に提供する、サイクル設計に極めて有益であり得る。これは図１６において概略的に見ることができ、ここで空気は１経路４５０に沿って流れて見られ、入口管寄せ１０６は概念的に熱交換器５２の入口個所に、中間管寄せ４４０は中間個所に、出口管寄せ１１０は出口個所にあると見なすことができる。制御バルブ４５２は、中間管寄せ４４０内へのクーラントの流れを制御するために概略的に示されている。

図１９Ａ〜図１９Ｂに示されているように、列２４２、２４４のキャッチャー・エレメント１６２の半径方向外側に位置する各ポケット１６０にシム板５００が配置されている。図１９Ａは、外側ポケット１６０のためのシム板５００を示し、７個のキャッチャー・エレメント１６２を有する内側ポケットは、同様のシム板５００を有する（縦方向スロット５１２、５１４、５１６の数は変更され得、例えば減らされ得る）。各シム板は、第１側壁５０２、上壁５０４および第２側壁５０６を有する。各側壁５０２、５０６は、上壁５０４に接合された下方に傾斜する部分５０８を含み、下方に傾斜する部分５０８は、側壁５０２の下側の概して半径方向に延びる部分５１０に結合されている。上壁５０４は、ほぼその全長に沿って３つの縦方向に延びるスロット５１２、５１４、５１６を画定し、スロット５１２、５１４、５１６は、１系列の小さなクロス・コネクタ５１８により中断されている。３つのスロット５１２、５１４、５１６は、それぞれの半径方向経路に沿ってキャッチャー・エレメント１２６の第２列２４４に属する３個の真ん中のキャッチャー・エレメント１２６と整列している。従って、図１９Ｄに示されている５本の空気流線５２０により示されているように、シム板５００のスロット５１２、５１４、５１６は、流れを第２列２４４内のキャッチャー・エレメント１２６へ向けるのを助ける傾向を有する。この装置は、キャッチャー・エレメント１２６の第１列２４２を省略することにより、さらに場合によっては各シム板５００の上壁５０４を、スロット５１２、５１４、５１６が依然として実質的にそのキャッチャー・エレメント１２６と整列する状態で残りの“第２”列２４４のもっと近くに置くことにより、改変することができる。幾つかの実施形態では、シム板は、この列内の各キャッチャー・エレメント１２６について１つのスロット（またはスリット）を有することができる。必ずしも３つのスロットでなくてもよい。例えば、５つであり得る。

シム板５００は任意である。それらは、局所的に気流速度を高めるので、重力より空気力学的な力の方が優勢となる。重力は、滴を、キャッチャー・エレメント間でそれらに当たって捕らえられることのないように、斜めに進ませがちであろう。従って、シム板５００は、水／凍結防止剤の滴に対して、それらをキャッチャー・エレメント１２６、２４４へ向ける傾向を有する空力荷重を生成するのを助ける。他の実施形態では、同様の目的でシム板５００以外の構造を用いる。

図２０Ａ、および図９Ｂに示されているように、熱交換器は、前部隔壁５３０および対応する後部隔壁５３２を備え、これらの隔壁は本質的に互いの鏡像である。隔壁５３０、５３２は、熱膨張に起因する動きを考慮してアタッチメントで固定される。図２０Ａに示されているように、前部隔壁５２０は、サポート・ドラム８４の周りに着座してこれに固定される内側リング５３４を有する。内側リング５３４は、概して半径方向に延びるスポーク５３６の系列によって隔壁５３０の外側リング５３８と結合されている。スポーク５３６の外側端部５４０は、メタノール注入リング１７４に結合されている。図２０Ｂに示されているように、外側管寄せリテーナ・スプリング５４２は、隔壁５３０のリング５３８に、さらに、各キャッチャー・アセンブリ制御板２７０に取り付けられた管寄せ管１１０のためのタブ座金５４４に、スプリング配置されている。スプリング５４２は、熱膨張を許しながら管１２０のマトリクスに対して軽い半径方向クランプ荷重を作用させる。

スポーク５３６は、この実施形態ではクリアランスを提供するために僅かに螺旋形状であるけれども、他の実施形態では真に放射状であるかあるいは他の形態を有することができる。

図１８は、霜あるいは氷の形成に起因する熱交換器のブロッキングを防止するために使用されるメタノールまたは他の凍結防止剤のリサイクルを組み込むための、熱交換器に対する改変を示す。気流は、前と同じく熱交換器を環状に内方に通過し、概略的に気流を矢印Ａ、Ｂの方向に示されており、気流は、ヘリウム管１２０（明瞭性を目的として図１８には示されていない）により冷やされ、それを図１８には（明瞭性を目的として）示さない。メタノール（または他の凍結防止剤）は、源／ポンプ５５０から導管５５２に沿って、熱交換器５２内の気流の割合に低温の下流位置にある第１インジェクタ・マニホルド５５４へ送られる。メタノールは、その後、第１下流側捕獲または除去装置５５６において気流内の水と共に収集されあるいはその相当の部分が収集される。この捕獲された、水で希釈されているメタノールは、その後、ポンプ５５８によって導管５６０に沿ってより上流側のメタノール／水注入マニホルド５６２へリサイクルされ、この混合物はその後、さらなる捕獲または除去装置５６４において（少なくとも部分的に）より多くの水と共に気流から捕獲される。このメタノール（水と共に）は、その後、さらなるポンプ５６６によってさらなる導管５６８に沿って、さらに希釈されたメタノールと共に、上流側メタノール／水インジェクタ・マニホルド５７０へ圧送され、ここでそれは気流に注入される。このさらに希釈されたメタノール（水で希釈されている）は、上流側キャッチャーまたは除去装置５７２において収集または実質的に全て収集され、ここから去ってそれは出口５７４へ導かれ、これはエンジンから排出されて追加の推力を供給するべくエンジンの燃焼または推力生成セクションに通じることができる。その都度メタノールをさらに上流側の位置で再注入するこのリサイクルは（従って、概略の矢印５７７により示されるようにメタノールは気流中で空気と共に流れるけれども、気流に対して逆流すると概念的には見なされ得る）、メタノールまたは他の凍結防止剤の消費を最低限までに最適化することができる。

幾つかの実施形態では、総メタノール消費および運搬するメタノールの重量を減らすためにメタノールを再濃縮して再使用するべく、メタノールおよび水を出口５７４から蒸留システムなどのメタノール分離器へ導くことができるということが考えられる。

図１８に示されている構成の代わりに、各注入マニホルド（５６２のような）の後で次の排出マニホルドの前に系列を成して（気流路に沿って相次いで）２つ以上のキャッチャー・セクション（キャッチャー装置５７２のような）を持つことが可能であろう。

図２１Ａに示されているように、熱交換器５２（あるいは前置冷却器）は、テスト・リグ５８０において前置パッシブ型熱交換器シミュレータ５８２および後置パッシブ型熱交換器シミュレータ５８４と共に組み立てることができる。シミュレータ５８２、５８４は、熱交換器５２と同様の気流特性を有する。気流シミュレータ５８２、５８４および熱交換器５２は、中心線または軸５８８を有する出口ダクト５８６の周りに環状に配置される。実際には同様の形態で互いに隣接する３個（または他の複数）の熱交換器５２の飛行可能配置では、前置および後置パッシブ型気流シミュレータ５８２、５８４は、中央の熱交換器５２と実質的に同一であり得る追加の熱交換器５２に置き換えることができる。これら３つの熱交換器５２は、入口４３から通じているダクト５９２から入ってくる気流５９０を受け入れることができ、出口ダクト５８６は、図３に示されているターボ圧縮機４６の空気圧縮機５４へ通じることができる。

気流シミュレータ５８２、５８４および熱交換器５２の各々の半径方向内方の端には、重なり合う案内羽根６００の系列５９４、５９６、５９８があり、各案内羽根は、中心軸５８８と同軸の環状またはリングのようなエレメントである。各案内羽根は、軸５８８に沿って縦方向大きさを有し、図２１Ｂに示されているように、横断面において案内羽根の縦方向大きさの約２０％にわたって延びる湾曲した概して丸みを付けられた前縁部分６０２と、実質的に円錐状の、案内羽根６００の縦方向大きさの残りの約８０％にわたって延びる後縁部分６０４とを有する。図２１Ｂは、前縁部分６０４を数個の平らな部分であると示しているけれども、実際にはそれは好ましくは滑らかに曲がっている。これらの羽根は、湾曲して互いに入れ子式になっており、隣接する案内羽根６００間の出口領域６０６は、その前縁６１０の間または近くの入口領域６０８よりかなり小さい形状を有するので（横断面で示されている、出口領域６０６における、流れに対して横向きのより小さいスロット長およびより小さな周長にも留意して）、流れは案内羽根６００を通って向きを変えられて加速される。各案内羽根６００は、その前縁６１０からその後縁６１２までずっと実質的に同じ幅であるけれども、これは他の実施形態では変更され得るであろう。各案内羽根６００の前縁６１０（または前縁部分６１４）は、半径方向に対して約１０°の角度、すなわち図２１Ｂの角度Ａ、を成す。案内羽根６００の後縁６１２（または後縁部分６１６）は、ダクト５８６の縦軸５８８に対して約１０°の角度（すなわち図２１Ｂの角度Ｂ）、を成す。

案内羽根６００は、上流側、すなわち前置パッシブ型気流シミュレータ５８２および後置パッシブ型気流シミュレータ５８４ならびに熱交換器５２の上流側の速度分布が強制的により一様にされて、それらがダクト５８６に沿って異なる距離であっても各々を通って同じまたは実質的に同じ空気質量流量が流れることとなるように、局所的に気流の向きを変えて概して出口ダクト５８６における空気速度まで加速するのに役立つ。

当初、静圧分布が出口ダクトに沿ってエンジンへ向かう方向において縮小するという問題を、出口ダクト５８６に挿入された中心本体が根絶するであろうと想定されていたのであるが、そのような中心本体は思いがけないことに、本出願人たちによりテストされたとき所望の効果を得なくて、設備の後部を通してより多くの流れを強制的に引かせた。その理由は（本出願人たちが解いた）次のとおりである、すなわち、出口ダクトに入る空気は半径方向に入るけれども、その後に向きを９０°変えて出口ダクトから出るべく曲がった経路をたどり、流体が曲がった経路をたどるときには常に流れに対して垂直な圧力勾配が存在するのであり、設備の後部付近で（ダクト出口５８９により近い）出口ダクトに入った流れは、その前部５９１付近からダクトに入った空気よりもきつい曲率半径をたどることが見出され、後部付近で曲率半径がよりきつくて高速であることは、より大きな圧力勾配を生じさせるとともに後置パッシブ型気流シミュレータ５８４よりも高圧の領域を前置パッシブ型気流シミュレータ５８２の下にもたらし、従って前置パッシブ型気流シミュレータ５８２よりも大きな速度が後置パッシブ型気流シミュレータ５８４を横断して引かれる、ということである。

転向羽根６００は、ドラム状気流シミュレータ５８２、５８４および熱交換器５２の出口で局所的にこの問題を緩和する。隣り合う羽根６００間には依然として軸方向に圧力勾配が存在するであろうけれども、これは今や羽根対の境界間に制限される。従って、流れを十分な数の転向セグメントに分割することにより、より大きな出口ダクト圧力勾配を除去あるいは少なくとも小さくすることができる。より一様な質量流量が３つのドラム５８２、５８４、５２を通して引かれるだけでなくて、熱交換器５２を横断する流線がほとんど放射状になり（羽根無しで流れが熱交換器５２を１軸方向位置で他の軸方向位置でよりも多く通過する傾向を軽減する）、これにより、熱伝達の目的で熱交換器５２中により一様な流れの場を保証するのに役立つ。

転向羽根６００が据え付けられた状態では、圧力比、すなわち前置気流シミュレータ５８６の領域におけるダクト５８６内の圧力の、後置シミュレータ５８４の領域における圧力に対する比は、案内羽根６００無しでの７２％の比から、図２１Ａに示されているように案内羽根が据え付けられた状態での８９％まで改善したと認められた。

従って、羽根６００は、縦方向大きさを有すると共にモジュール５２のような複数の熱交換器モジュールをパッシブ型気流シミュレータ５８２、５８４に取って代わる同様のモジュールと一緒に有する軸流ダクトおよび／または装置に通じる熱交換器アセンブリ中にマスフローを再分配することに対する解決策を提供することが示された。羽根６００は、熱交換器５２中により一様な放射状速度分布を提供する。

流れの均一性をなおさらに高めるために、装置の軸方向長さに沿ってブレード出口角度（Ｂ）を変化させることができ、最小減の総圧力損失で非常に均一な流れ分布を提供するために、転向羽根および中心本体組み合わせジオメトリを利用できるように中心本体６０３も付け加え得ると考えられる。出口ダクト５８６は概して円筒形で、質量流束を実質的に一定に留めながら単位長さ当たりに概して線形のエリア増大を提供する（３Ｄ環状形の故に）ために、中心本体６０３は、略図示されているように断面図において放物線状であり得る。

図２１Ａに示されているように、内側案内羽根６００と同様に、各熱交換器５２は、その軸方向長さ全体に沿って、あるいは実質的にそのように、延びる外側案内羽根６０１の系列をも備えることができる。明瞭性を目的として図２１Ａにはそのような外側羽根６０１が３個だけ示されている。流れが羽根６０１を通過するとき圧力が増大し流速が遅くなり、スロッティングが流れ失速を妨げるので、外側羽根６０１は、好ましくは図２１Ａに示されているように各々スロットを付けられる。内側羽根６０６には、それらにおいて圧力が低下し流れが加速するので、スロッティングは不要である。他の実施形態で流れが半径方向外向きに逆にされる場合、内側羽根にスロットを付けることができる。幾つかの実施形態では、内側羽根６００または外側羽根６０１を省略することができる。

例えば図１３Ｂに示されているように、キャッチャー板２７０は、管１２０のマトリクス内のキャッチャー・ポケットに延び込むペグ７００を有し、ペグ７００は、それら管が、温度および圧力変位下でマトリクスが動くときキャッチャー・ポケットに追随することを可能にする。キャッチャー板２７０は、それらの間での軸方向空気漏れを防止するために重なり合うということが認識されるであろう。さらに、キャッチャー板は、通常半径方向に互いにも前部隔壁および後部隔壁にも当接しないということが認められる。

図面の大半に示されている実施形態は、管１２０のマトリクスの半径方向外側に唯一の凍結防止剤／メタノール注入ポイントを有するけれども、飛行可能エンジンは、異なる半径方向位置にあるいは図１８に示されているようにより多くの半径方向位置に少なくとも２つの注入ポイントを持ち得る。

図９Ｂに示されているトランジション管７０２は、テスト・リグにおいて有益であり得、使用可能エンジンでは除去され得る。

キャッチャー・エレメント１２６の凹形皿形ポケットは、約５０ｍｍ長である。メッシュ２５８は、キャッチャー管の周りに堅く巻かれ、それらに固定される。これは、５０ｍｍ長のポケットを形成し、ここで各キャッチャー管１２６はくぼんでいて、ポケットはランド２５４により分離され、ランドにおいてメッシュ２５８は、スクリーン損傷時に残りのポケットが作動可能なままであるようにサクション空洞を別々のポケットに区画するべく管と接触する。

温度センサ３５０およびコントローラ３５２を含む温度制御コンポーネントは、他の実施形態では、正しい量のメタノール／水凝縮を特定のキャッチャー位置へ提供することによって霜制御のために一定エアサイド温度プロフィールを維持するために、改造されあるいは当業者に知られている他の装置に置き換えることができる。この制御は、少なくとも幾つかの実施形態では、凝固点を最低可能温度まで遅らせるために、メタノール濃度が約８０％モル分率または８８％質量分率であるべきである約−８０〜−１００℃の気温に最後の（最低温度の）キャッチャー列が置かれることとなるように最後の（最低温度の）キャッチャー列を制御するようにされる。

霜制御システムは、上で言及された先行刊行物と比べて非常に少量の消耗材料を必要とする、すなわち、必要なメタノールの質量は非常に小さく、ビークルのペイロードの増大および経済面の改善につながる。

メタノール・マニホルド１７４のスポーク５３６への結合は、好ましくは半径方向の熱膨張を考慮して溝付き穴（図示されていない）を介して行われる。

図面に示されているメタノール・インジェクタ・リング１７４は、交互のより大直径の平滑非流体注入管７１２を伴うアクティブ式注入管７１０から構成される。この構成は、注入管７１０の近くでの空気速度を高めるけれども、平滑管７１２は他の実施形態では除去され得る。

スプリング５４２を用いて出口管寄せ１１０を管１２０のマトリクスの方へ軽く押すことによって初期与圧が加わり、それはエンジンが動作しているときエアサイド圧力降下によって強められ、それはまた、熱交換器５２の軸が水平であるときにモジュール螺旋１０８がさっと開くのを防止する。他の実施形態では、ヘリウム・バイパス制御装置３５０、３５２、３５４を取り換えることができ、キャッチャー温度制御の代わりの設計のために再循環ループを含むように回路を変更することができる。

熱交換器は、図示されたエンジンに用いられる以外に他の用途にも用いることができ、記載された特定の航空宇宙用途に用いられることに限定されなくて、他の種々の航空宇宙用途および工業用途にも用いることができる。

本発明の範囲から逸脱することなく、図面に示された種々のフィーチャを、図示され記載されたものに合わせて変更することができる。例えば、キャッチャー板１２７および隔壁５３０、５３２により形成される端壁は、他の実施形態では薄いシート状物質で形成することができる。

概して半径方向外向きの気流を伴う（内部で半径方向内向き）実施形態では、ドラム８４を螺旋状管１２０の半径方向外側に配置して、それに加わる外向き荷重に抵抗するように、バードケージ・ドラム８４およびＩビーム１３０を含む管支持構造を逆にすることができる。

冷やされる流体（空気など）が水蒸気を含んでいないか、あるいは流体が０℃以下に冷やされない場合には、霜の形成が熱交換器の動作を妨げる可能性は比較的に低い。そのような場合、例えば、熱交換器がエンジン（英国特許第１３１８１１１．０号に記載されているエンジンなど）とともに用いられるときに、重量を減らすために霜制御装置（例えば、メタノール注入システム、キャッチャー・アセンブリ２４０、シム５００、ドッグレッグ１１２’、１１４’、螺旋状セクション１０８の領域のＩビーム１３０、弧状ポケット１６０、半径方向部分１２２およびフォイル／ジョッグル１２４）を熱交換器から無くすことが有利であり得る。

添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲から逸脱せずに、記述された実施形態に対して種々の改変を加えることができる。

Claims (24)

1. 少なくとも１つの第１導管セクションであって、前記少なくとも１つの第１導管セクションを通る流路の中の第２流体と熱交換をする第１流体の流れのための、少なくとも１つの第１導管セクションと、
   前記少なくとも１つの第１導管セクションのためのサポートと、を含む熱交換器であって、
   前記少なくとも１つの第１導管セクションは、第１位置で前記サポートに取り付けられ、前記少なくとも１つの導管セクションは、その上の第２位置で温度変化に応答して前記サポートに関して概して円周方向において自身の長さに沿って移動可能である、熱交換器。
2. 前記少なくとも１つの第１導管セクションは、熱交換のための複数の管を含む、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記管は、それらの第１端部において入口管寄せに結合されるとともに、それらの第２端部において前記少なくとも１つの第１導管セクションの出口管寄せに結合される、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１位置は、前記入口管寄せおよび出口管寄せのうちの一方にあり、これは前記サポートにしっかりと取り付けられ、前記入口管寄せおよび出口管寄せのうちの他方は、温度変化に応答して前記サポートに関して移動可能である、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記管寄せのうちの前記他方は、前記サポートに関して移動可能な、自身のための移動可能なサポートに取り付けられる、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記少なくとも１つの第１導管セクションは、一緒に螺旋状に並んで延びるとともに列を成して互いに間隔を置いている複数の管を有する螺旋状セクションを含む、請求項２〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記少なくとも１つの第１導管セクション内の前記管は、前記管寄せの半径方向に互いに間隔を置いて１〜４０列、例えば４のそのような列、を成して配置される、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記管は、前記管寄せの軸方向に互いに間隔を置いて約１０〜１０００列、例えば約７０〜１００のそのような列、を成して配置される、請求項５または請求項６に記載の熱交換器。
9. 前記管は、約１〜３メートルの長さであって前記入口管寄せから前記出口管寄せまで延びる、請求項３に従属する場合の請求項３〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 前記管は、約１ｍｍの直径を有する、請求項２〜９のいずれか一項に記載の熱交換器。
11. 前記管は、約２０〜４０ミクロンの壁厚を有する、請求項２〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
12. 互いに入れ子式にされて互いに対して角度的に間隔を置いて向けられる複数の前記螺旋状セクションを含む、請求項６、または請求項６に従属する場合の請求項７〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
13. 前記螺旋状セクションは、概してシリンダ状のドラムの形状を成して構成される、請求項１２に記載の熱交換器。
14. 前記サポートは、前記少なくとも１つの第１導管セクションが固定される少なくとも１つの円形フープを含む、請求項１２または請求項１３に記載の熱交換器。
15. 前記サポートは、概してシリンダ状の穿孔ドラム構造を成して互いに間隔を置いて構成された複数の前記円形フープを含み、前記少なくとも１つの第１導管セクションの前記入口管寄せまたは前記出口管寄せのうちの一方は、前記複数の前記円形フープに固定され、前記熱交換器は、環状にかつ前記管寄せと前記それぞれの少なくとも１つの第１導管の前記入口および出口管寄せのうちの他方との間に少なくとも部分的に半径方向に延びるサポート構造を含み、前記前記入口および出口管寄せのうちの前記他方は、温度変化に応答して前記穿孔ドラム構造に関して周囲方向に移動するように配置されたガイド部材によって支持される、請求項１４に記載の熱交換器。
16. 前記入口管寄せおよび前記出口管寄せのうちの少なくとも１つは、実質的に堅固であって可撓性導管に流体結合される、請求項３、または請求項３に従属する場合の請求項４〜１５のいずれか一項に記載の熱交換器。
17. 前記少なくとも１つの第１導管セクションの管の前記列は、前記管に加わる空力荷重に対抗するように配置されたスペーサによって互いに間隔を置く複数の列を含む、請求項６、または請求項６に従属する場合の請求項７〜１６のいずれか一項に記載の熱交換器。
18. ２つの隣接する前記第１導管セクションの管同士の間に、温度変化に応答してのそれらの間の相対的滑り運動を許しながら、それらの間で荷重を伝達する、シムなどの荷重エレメントをさらに含む、請求項６、または請求項６に従属する場合の請求項７〜１７のいずれか一項に記載の熱交換器。
19. 前記荷重エレメントは、隣接する前記第１導管セクション同士の間の温度変化に応答しての相対的運動を許しながら、前記管に加わる空力荷重に対して反作用するために概して半径方向に延びる荷重経路構造を形成するように、前記スペーサと実質的に整列させられる、請求項１７に従属する場合の請求項１８に記載の熱交換器。
20. 系列を成して構成された複数の前記荷重エレメントをさらに含み、それらは概して周囲方向において互いに間隔を置いている、請求項１９に記載の熱交換器。
21. 燃焼セクションと、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の熱交換器とを含むビークル・エンジンであって、前記熱交換器は、前記燃焼セクションの方へ向けられた流路内の前記第２流体としての空気を冷やすようにされている、ビークル・エンジン。
22. 前記第１流体としてヘリウムを提供するためのヘリウム・サプライをさらに含む、請求項２１に記載のビークル・エンジン。
23. 請求項１〜２０のいずれか一項に記載の熱交換器を含む、航空機または軌道打ち上げビークルなどの、飛行機械。
24. 請求項２１または請求項２２に記載のビークル・エンジンを含む、航空機または軌道打ち上げビークルなどの、飛行機械。

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