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技術 部品の製造方法及び熱管理方法

出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
発明者 スリカンス・チャンドリュドュ・コッティリンガムベンジャミン・ポール・レイシーカルロス・ミゲル・ミランダデイビッド・エドワード・シック
出願日 2014年9月22日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2014-192076
公開日 2015年4月13日 (5年7ヶ月経過) 公開番号 2015-067902
状態 特許登録済
技術分野 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部5 タービンロータ・ノズル・シール 粉末冶金 圧接、拡散接合 突合せ溶接及び特定物品の溶接 溶射または鋳込みによる被覆 溶融はんだ付 タービンの細部・装置 ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード 記載要素 コンピュータ支援設計プログラム 工学プロジェクト インサートプレート コーティング機構 高温部位 レーザ溶融 選択的レーザ焼結
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年4月13日)のものです。
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図面 (7)

課題

内部に冷却機能が形成された部品の製造方法及び熱管理方法を提供する。

解決手段

部品の製造方法及び熱管理方法は、部品の1以上の部分を形成し、部品の冷却部材プリントし、1以上の部分を部品の冷却部材に取り付けることを含む。冷却部材は1以上の冷却機能を含む。1以上の冷却機能は部品の表面に近接する1以上の冷却チャネルを含み、プリントにより、1以上の冷却チャネルが部品の表面から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内に配置されている冷却部材をニアネットシェイプ形状にすることができる。熱管理方法はまた、部品内の1以上の冷却チャネルによって形成される1以上の流体通路によって流体を送ることで、部品を冷却することを含む。

概要

背景

タービンシステムは、効率を上げ、コストを下げるために絶えず改良されている。タービンシステムの効率を上げる1つの方法において、タービンシステムの動作温度を上げることが含まれる。温度を上げるために、連続使用中に高温に耐えることができる材料でタービンシステムを構成しなければならない。

部品の材料やコーティングを改良するほかに、タービン部品温度性能を高める1つの一般的な方法において、冷却チャネルを使用することが含まれる。冷却チャネルは、ガスタービン高温部位に用いる金属や合金に組み込まれることが多い。部品に冷却チャネルを作製するのは、困難で時間がかかることがある。ある技法では、複雑な金型を用いて部品にチャネル鋳造することが含まれる。冷却が必要な高温ガス通路に近い部品表面に対して複雑な金型を位置づけるのは難しいことが多い。他の技法では、鋳造後に部品にチャネルを機械加工することが含まれ、その後、該部品の表面にインサートプレートインピンジメントプレート溶接又はろう付けすることで、該表面において開口したチャネルを閉鎖する必要がある。その後、最終部品溶射を用いてコーティングされる。冷却チャネルを閉鎖することで誤って冷却チャネルを塞いでしまい、ガスタービンの圧縮部からの空気などの冷却流体の流れを遮ってしまうことが多々ある。

選択的レーザ溶融(又は3Dプリント)は、作製が難しい部品を製造することができる比較的安価な方法である。しかし、選択的レーザ溶融によってプリントされた部品は、鋳造された高温超合金材料と同じ温度性能を持たない。したがって高温環境での使用は賢明ではないと考えられている。

上記の欠点の1つ以上がない部品の形成方法及び熱管理方法が、当該技術において望まれている。

概要

内部に冷却機能が形成された部品の製造方法及び熱管理方法を提供する。部品の製造方法及び熱管理方法は、部品の1以上の部分を形成し、部品の冷却部材をプリントし、1以上の部分を部品の冷却部材に取り付けることを含む。冷却部材は1以上の冷却機能を含む。1以上の冷却機能は部品の表面に近接する1以上の冷却チャネルを含み、プリントにより、1以上の冷却チャネルが部品の表面から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内に配置されている冷却部材をニアネットシェイプ形状にすることができる。熱管理方法はまた、部品内の1以上の冷却チャネルによって形成される1以上の流体通路によって流体を送ることで、部品を冷却することを含む。

目的

製造方法と、製造された部品を用いた熱管理方法とを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
5件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

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請求項1

部品(100)の製造方法であって、部品(100)の1以上の部分(110)を形成する工程と、部品(100)の冷却部材(120)をプリントする工程であって、冷却部材(120)が1以上の冷却機能(122)を含み、1以上の冷却機能(122)が部品(100)の表面(322)に近接する1以上の冷却チャネル(130)を含み、プリントにより、1以上の冷却チャネル(130)が部品(100)の表面(322)から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内に配置されている冷却部材(120)をニアネットシェイプ形状にすることができる、プリントする工程と、1以上の部分(110)を部品(100)の冷却部材(120)に取り付ける工程と、を含む方法。

請求項2

1以上の冷却機能(122)が、1以上の冷却チャネル(130)に近接する1以上の冷却穴(490)をさらに含む、請求項1記載の方法。

請求項3

プリントする工程が、1以上の冷却チャネル(130)に第1開口(150)を作ることをさらに含み、第1開口(150)によって1以上の冷却穴(490)を1以上の冷却チャネル(130)に接続する、請求項2記載の方法。

請求項4

プリントする工程が、1以上の冷却チャネル(130)に第2開口(160)を作ることをさらに含み、第2開口(160)が部品(100)の表面(322)にある、請求項3記載の方法。

請求項5

部品(100)の1以上の部分(110)が、1以上の冷却穴(590)をさらに含む、請求項2記載の方法。

請求項6

1以上の部分(110)の1以上の冷却穴(590)が、冷却部材(120)の1以上の冷却穴(490)と整列する、請求項5記載の方法。

請求項7

形成する工程が、1以上の部分(110)の鋳造又は3Dプリントを含む、請求項1記載の方法。

請求項8

プリントする工程において3Dプリント法を用いる、請求項1記載の方法。

請求項9

取り付ける工程が、溶接ろう付け液相拡散TLP)接合拡散接合機械的連結、又はそれらの組合せを含む、請求項1記載の方法。

請求項10

1以上の部分(110)が第1材料から選択され、冷却部材(120)が第2材料から選択される、請求項1記載の方法。

請求項11

第1材料が第2材料と同一である、請求項10記載の方法。

請求項12

第1材料が第2材料と異なる、請求項10記載の方法。

請求項13

第1材料が、ニッケル、鉄、コバルトクロムモリブデンアルミニウムチタンステンレス鋼ニッケル基超合金コバルト超合金、又はそれらの組合せから選択される、請求項10記載の方法。

請求項14

第2材料が、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル基超合金、コバルト超合金、又はそれらの組合せから選択される、請求項10記載の方法。

請求項15

1以上の冷却チャネル(130)が、部品(100)の表面(322)から少なくとも約508μm(0.020インチ)未満離れたところに配置される、請求項1記載の方法。

請求項16

1以上の冷却チャネル(130)が、部品(100)の表面(322)から少なくとも約254μm(0.010インチ)未満離れたところに配置される、請求項1記載の方法。

請求項17

1以上の冷却チャネル(130)が冷却部材(120)全体にわたって形状が変化する、請求項1記載の方法。

請求項18

取り付ける工程後に、1以上の保護コーティング(340)を塗布することをさらに含む、請求項1記載の方法。

請求項19

部品(100)の熱管理方法であって、部品(100)の1以上の部分(110)を形成する工程と、部品(100)の冷却部材(120)をプリントする工程であって、冷却部材(120)が1以上の冷却機能(122)を含み、1以上の冷却機能(122)が部品(100)の表面(322)に近接する1以上の冷却チャネル(130)を含み、プリントにより、1以上の冷却チャネル(130)が部品(100)の表面(322)から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内に配置されている冷却部材(120)をニアネットシェイプ形状にすることができる、プリントする工程と、1以上の部分(110)を部品(100)の冷却部材(120)に取り付ける工程と、部品(100)内の1以上の冷却チャネル(130)によって形成される1以上の流体通路(360)によって流体を送ることで、部品(100)を冷却する工程と、を含む方法。

請求項20

1以上の冷却チャネル(130)が、部品(100)の表面(322)から少なくとも約508μm(0.020インチ)未満離れたところに配置される、請求項20記載の方法。

技術分野

0001

本発明は製造方法と、製造された部品を用いた熱管理方法に向けられている。特に、本発明は、内部に冷却機能が形成された部品を形成するための製造方法に向けられている。

背景技術

0002

タービンシステムは、効率を上げ、コストを下げるために絶えず改良されている。タービンシステムの効率を上げる1つの方法において、タービンシステムの動作温度を上げることが含まれる。温度を上げるために、連続使用中に高温に耐えることができる材料でタービンシステムを構成しなければならない。

0003

部品の材料やコーティングを改良するほかに、タービン部品温度性能を高める1つの一般的な方法において、冷却チャネルを使用することが含まれる。冷却チャネルは、ガスタービン高温部位に用いる金属や合金に組み込まれることが多い。部品に冷却チャネルを作製するのは、困難で時間がかかることがある。ある技法では、複雑な金型を用いて部品にチャネル鋳造することが含まれる。冷却が必要な高温ガス通路に近い部品表面に対して複雑な金型を位置づけるのは難しいことが多い。他の技法では、鋳造後に部品にチャネルを機械加工することが含まれ、その後、該部品の表面にインサートプレートインピンジメントプレート溶接又はろう付けすることで、該表面において開口したチャネルを閉鎖する必要がある。その後、最終部品溶射を用いてコーティングされる。冷却チャネルを閉鎖することで誤って冷却チャネルを塞いでしまい、ガスタービンの圧縮部からの空気などの冷却流体の流れを遮ってしまうことが多々ある。

0004

選択的レーザ溶融(又は3Dプリント)は、作製が難しい部品を製造することができる比較的安価な方法である。しかし、選択的レーザ溶融によってプリントされた部品は、鋳造された高温超合金材料と同じ温度性能を持たない。したがって高温環境での使用は賢明ではないと考えられている。

0005

上記の欠点の1つ以上がない部品の形成方法及び熱管理方法が、当該技術において望まれている。

先行技術

0006

米国特許出願公開第2013/0175957号明細書

0007

本開示の例示的実施形態によると、部品を形成する方法が提供される。この方法は、部品の1以上の部分を形成し、部品の冷却部材をプリントし、1以上の部分を部品の冷却部材に取り付けることを含む。冷却部材は1以上の冷却機能を含む。1以上の冷却機能は部品の表面に近接する冷却チャネルを含み、プリントにより、1以上の冷却チャネルが部品の表面から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内に配置されている冷却部材をニアネットシェイプ形状にすることができる。

0008

本開示の他の例示的実施形態によると、部品の熱管理方法が提供される。この方法は、部品の1以上の部分を形成し、部品の冷却部材をプリントし、1以上の部分を部品の冷却部材に取り付け、部品内の1以上の冷却チャネルによって形成される1以上の流体通路によって流体を送ることで、部品を冷却することを含む。冷却部材は1以上の冷却機能を含む。1以上の冷却機能は部品の表面に近接する1以上の冷却チャネルを含む。プリントにより、1以上の冷却チャネルが部品の表面から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内に配置されている冷却部材をニアネットシェイプ形状にすることができる。冷却チャネルは流体が送られる流体通路を形成する。

0009

本発明の他の特徴及び利点は、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を、本発明の原理を一例として示す添付の図面と共に解釈することで明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

0010

本開示の一実施形態による、内部に複数の冷却チャネルが形成された部品の斜視図である。
冷却機能を含む部品の冷却部材の分解斜視図である。
本開示の一実施形態による、内部に冷却機能が形成された部品の冷却部材の斜視図である。
本開示の一実施形態による、部品に形成された冷却チャネルを示す、部品の図3の線4−4に沿った断面図である。本開示の一実施形態による、供給通路出口通路とを含む1以上の冷却チャネルを示す、部品の図2の線4−4に沿った断面図である。
本開示の一実施形態による、部品に形成された冷却機能を示す、部品の図3の線5−5に沿った断面図である。
本開示の一実施形態による、流体の層流を乱す機能を示す、部品に形成された冷却チャネルの図5の線6−6に沿った断面図である。

0011

可能な限り、図面全体を通して同じ部分を示すのに同じ参照番号を用いる。

実施例

0012

製造方法と、製造された部品を用いた熱管理方法とを提供する。本開示の実施形態により、本願明細書に開示する特徴の1つ以上を含まない方法及び物と比較して、付加的な冷却及び加熱を実現し、新たな部位の冷却を可能にし、新たな材料による冷却を可能にし、より冷たい流れ及び/又はより熱い流れがタービン部品内の流れから誘導されるようにし、タービン部品の耐用寿命延ばすことができ、実施形態のタービン部品を使用するタービンシステムをより効率的にすることができ、タービン部品をより簡単に製造できるようにし、以前は作製できなかった冷却機能を製造できるようにし、従来の製造方法を用いた他の方法では作れない部品を製造できるようにし、タービン部品又はそれらの組合せをハイブリッド材料で構成することができる。

0013

本発明の1つ以上の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、実際の実装の特徴がすべて本明細書に記載されているとは限らない。かかる実際の実装を開発する際、工学プロジェクト設計プロジェクトにおけるのと同様に、システム関連の制約ビジネス関連の制約に従うなど、開発者の特定の目標を達成するために実装固有の様々な決定を行わなければならず、実装ごとに異なりうることを理解すべきである。さらに、かかる開発努力は複雑で時間がかかる場合があるが、本開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、組立、製造における日常的な取り組みであることを理解すべきである。

0014

本発明の種々の実施形態の要素を示す際、「a」、「an」、「the」、「said」という詞は、該要素が1つ以上あることを意味するものである。「備える」、「含む」、「有する」という用語は包含を意図した表現であり、記載要素以外の追加要素が存在しうることを意味するものである。

0015

「プリント」という用語は、3Dプリント法を指す。3Dプリント法の例には、直接金属レーザ溶融(Direct Metal Laser Melting(DMLM))、直接金属レーザ焼結(Direct Metal Laser Sintering(DMLS))、選択的レーザ焼結(Selective Laser Sintering(SLS))、選択的レーザ溶融(Selective Laser Melting(SLM))、電子ビーム溶解(Electron Beam Melting(EBM))など、当業者に知られている方法が含まれるが、これらに限定されない。本願明細書で用いられるように、「3Dプリント法」という用語は上記の方法だけでなく、材料を層ごとに蓄積することを含む他の適切な現行の方法又は未来の方法も示すものである。

0016

図1を参照すると、一実施形態において、部品100は、タービンシステムの静止部品回転部品、又は燃焼機器である。静止部品の例には、ノズル羽根側板、近流路シールトランジションピース、及びそれらの組合せを含まれるが、これらに限定されない。部品100は1以上の部分110と冷却部材120とを含む。冷却部材120は1以上の部分110に、ろう付け、溶接、又は機械的手段などの適切な接合技術で取り付けられるが、これらに限定されない。例えば、図1において、部品100、すなわちノズルは、第1端部114と第2端部112とに取り付けられる冷却部材120、すなわちを含む。

0017

部品100を製造するために、1以上の部分110を形成する。1以上の部分110を形成するのに適した方法には、鋳造又はプリントが含まれる。一実施形態において、1以上の部分110は鋳造などの従来の製造方法を用いて形成されるが、これに限定されない。金型を用いて1以上の部分110を鋳造して、望ましい材料を用いて所望の形状を形成し、所望の強度と熱的特性を得るようにしてもよい。

0018

冷却部材120又は1以上の部分110をプリントするにおいて、3Dプリントを用いて1以上の冷却機能122を形成することを含むことができる(図2及び図5参照)。1以上の冷却機能122は、冷却チャネル130と冷却穴490及び冷却穴590を含む。1以上の冷却チャネル130は部品100の表面322に近接している。他の実施形態において、図2に示すように、冷却部材120又は部分110の一部分に1以上の冷却チャネル130をプリントしてもよく、その後、1以上の冷却チャネル130を含む冷却部材120又は部分110のプリントされた部分を、冷却チャネルのない冷却部材120又は部分110の他の部分に取り付ける。冷却部材120又は部分110の他の部分を、鋳造、鍛造、又はプリントなどの方法を用いて形成してもよいが、これらに限定されない。3Dプリントには、コーティング機構(図示せず)を用いて基板(図示せず)に噴霧粉散布することが含まれる。基板は、管理された雰囲気、例えば、アルゴンや、窒素や、他の適した不活性ガスや、それらの組合せなどの不活性ガスを有するチャンバ(図示せず)内に配置される。噴霧粉を、例えば、電子ビーム溶解や、レーザ溶融や、他のエネルギー源による他の溶融によって溶融して、部品100の冷却部材120又は1以上の部分110の一部分など、3D製品の一部又は一層を形成する。この工程を繰り返すことで、冷却部材120又は部分110などの3D製品を形成する。

0019

3Dプリントにおいて、熱可塑性物質、金属、金属材料セラミック材料、他の適した材料、又はそれらの組合せである噴霧粉を用いることができる。噴霧粉に適した材料には、ステンレス鋼工具鋼コバルトクロムチタンアルミニウム、それらの合金、ニッケル基超合金、又はそれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。一実施形態において、噴霧粉の材料は、タービンシステムの高温ガス通路に適した合金の材料と一致する。冷却部材120の材料は、部分110用に選択した材料と同一でもよいし異なっていてもよい。1以上の部分110を第1材料から選択してもよく、冷却部材120を第2材料から選択してもよい。一実施形態において、第1材料は第2材料と異なっていてもよい。また、第1材料は第2材料と同一でもよい。1以上の部分110用の第1材料の適切な例には、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、アルミニウム、チタン、金、銀、ステンレス鋼、それらの合金、ニッケル基超合金、コバルト超合金、又はそれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。冷却部材120用の第2材料の適切な例には、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、アルミニウム、チタン、金、銀、ステンレス鋼、それらの合金、ニッケル基超合金、コバルト超合金、又はそれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。市販の材料の適切な例には、Co−Cr(70Co、27Cr、3Mo)、ステンレス鋼316、INCONEL(登録商標)合金625及びINCONEL(登録商標)合金718、INCONEL(登録商標)合金738(INCONEL(登録商標)はSpecial Metals Corporation、ケンタッキー州プリンストン市、より入手可能)、GTD−222(登録商標)(ゼネラルエレクトリックの商標)、Haynes(登録商標)282(登録商標)合金(ヘインインターナシナルインディアナ州コスモ市、より入手可能)、UDIMET(登録商標)合金500(Special Metals Corporation、ケンタッキー州プリンストン市、より入手可能)が含まれるが、これらに限定されない。一実施形態において、冷却部材120の材料は、1以上の部分110を形成する材料よりも高い熱伝導率を有するように選択してもよく、それにより効率を上げることができ、部品100の表面322の温度を変化させるのに必要な流体が少なくなる。

0020

3Dプリント法の一例は、例えば、コンピュータ支援設計プログラムの所定の設計ファイル又は3次元ファイルの2次元スライス(two−dimensional slice)を用いる選択的レーザ溶融である。2次元スライスの厚さにより、選択的レーザ溶融の解像度が決まる。例えば、冷却部材120などの所定の部品をプリントする際に、2次元スライスが厚さ20μmであれば、2次元スライスが厚さ100μmである場合よりも解像度は高くなる。一実施形態において、プリントにより形成された冷却部材120又は1以上の部分110はニアネットシェイプであり、内部に形成された1以上の冷却穴490、590及び複数の冷却チャネル130などの複数の冷却機能122を含む。図2に示すように、冷却部材120は翼でもよく、ニアネットシェイプを有し、内部に形成された冷却穴490、冷却穴590、及び冷却チャネル130などの複数の冷却機能122を有する。一実施形態において、冷却部材120を単一部品としてプリントしてもよい(図1参照)。他の実施形態において、図2及び図3に示すように、複数の冷却チャネル130と1以上の冷却穴490とを含む第1部分260と、必要に応じて複数の冷却穴590を含む1以上の第2部分280として、冷却部材120を形成してもよい。図2及び図3に示すように、第1部分260の1以上の冷却穴490を、第2部分280の1以上の冷却穴590と一直線に並べてもよい。第1部分260を、破線270で示す(図3参照)任意の適した接合技術を用いて1以上の第2部分280に接合してもよい。プリントされた冷却部材120は第1端222と第2端224とを含む。第1端222又は第2端224は、ろう付けや、溶接や、機械的連結手段などの任意の適した接合方法を用いて部分110に取り付けてもよいが、これらに限定されない。図1に示すように、溶接やろう付けによって、冷却部材120の第1端222は第1端部114に取り付けられ、冷却部材120の第2端224は第2端部112に取り付けられ、接続部140で示している。取り付けの適切な例には、アーク溶接ビーム溶接、ろう付け、液相拡散TLP;transient liquid phase)接合、拡散接合が含まれるが、これらに限定されない。

0021

一実施形態において、図1に示すように、冷却部材120は内部に形成される冷却チャネル130と、冷却穴490と、第1開口150すなわち供給通路と、第2開口160すなわち出口通路とを含む単一のプリント部品である。他の実施形態において、図2及び図3に示すように、冷却部材120は段階的に形成される。ある段階において、冷却チャネル130及び/又は冷却穴490及び/又は第1開口150及び第2開口160を含む複数の冷却機能122を含む第1部分260をプリントする。別の段階において、1以上の第2部分280を3Dプリント又は従来の鋳造技術を用いて形成する。上述のように、第1材料を用いて第1部分260を形成してもよく、第2材料を用いて1以上の第2部分280を形成してもよい。一実施形態において、第1材料と第2材料とは同一である。他の実施形態において、第1材料と第2材料とは異なる。第1部分260と1以上の第2部分280を形成した後、第1部分260と1以上の第2部分280とを接合線270に沿って接合することで、冷却部材120を組み立てる(図3参照)。第1部分260と1以上の第2部分280とを接合するのに、アーク溶接、ビーム溶接、ろう付け、液相拡散(TLP)接合、拡散接合など、任意の適切な接合方法を用いることができるが、これらに限定されない。

0022

図4に示すように、冷却穴490から冷却チャネル130への第1開口150すなわち供給通路と、冷却材が冷却チャネル130を出る第2開口160すなわち出口通路もまた、冷却部材120又は冷却部材120の第1部分260にプリントすることができる。第1開口150すなわち入口を、部品100の全長に延びる冷却穴490に接続してもよい。第1開口150と第2開口160は冷却チャネル130によって相互に接続されている。一実施形態において、第2開口160は円筒形の穴でもよいが、冷却チャネル130を出た冷却材が部品の下流部分に被膜を作れるように形成した穴でもよい。第2開口160すなわち出口通路は、1つ以上の冷却チャネル130からの冷却材が入る溝でもよく、冷却材は溝に沿って広がり、その後膜として溝を出る(図1参照)。

0023

図5を参照すると、3Dプリントを使用することで、部品100の冷却部材120の表面322から約127μm(0.005インチ)〜約762μm(0.030インチ)の範囲内の距離350に1以上の冷却チャネル130を配置することができる。また、3Dプリントにより、部品100の冷却部材120の表面322から少なくとも約508μm(0.020インチ)未満の距離350に1以上の冷却チャネル130を配置することができる(図5参照)。冷却チャネル130と部品100の表面322との間の距離350は、少なくとも約127μm(0.005インチ)以下まで小さくしてもよい。冷却チャネル130と部品100の表面322との間の距離350は、部品100の冷却チャネル130全長にわたって一定でもよい。他の実施形態において、距離350は部品100の冷却チャネル130の全長にわたって変化してもよい(図4参照)。距離350は約127μm(0.005インチ)〜約1524μm(0.060インチ)でもよいし、約254μm(0.010インチ)〜約1270μmでもよいし、約254μm(0.010インチ)〜約1016μmでもよいし、約254μm(0.010インチ)〜約508μm(0.020インチ)でもよいし、約508μm(0.020インチ)未満でもよいし、約254μm(0.010インチ)でもよいし、約127μm(0.005インチ)でもよい。それに対し、冷却チャネルを有する部材を形成するのに用いられる従来の鋳造方法では、冷却チャネルは表面から約2540μm(0.100インチ)のところに配置される。

0024

3Dプリントを用いて冷却部材120又は1以上の部分110に1以上の冷却チャネル130を形成すれば、冷却チャネルを部品の表面に掘削する必要がないので、製造工程が減り、時間と資源の節約になる。また、内部に冷却チャネル130が形成される冷却部材120又は1以上の部分110をプリントすれば、開口した冷却チャネルをインサートプレートを用いて閉鎖する必要がないので、製造工程が減り、時間と資源が削減される。また、3Dプリント法により、冷却チャネル130とその内部の1以上の流体通路360の形状(長さ、幅、高さ、深さ)を、冷却部材120内の冷却チャネル130の長手方向に変化させることができる。例えば、冷却チャネル130をある部位で収縮するか狭め、又は他の部位で広げることで、部品100の局部的な冷却又は加熱の必要性に適合するようにしてもよい。冷却チャネル130の寸法を必要に応じて変更してもよく、該寸法は一端から他端まで一定である必要はない。一実施形態において、冷却チャネル130は、約254μm(0.010インチ)〜約2540μm(0.100インチ)、又は約762μm(0.030インチ)〜約1524μm(0.060インチ)の幅及び深さを有する半円形でもよい。

0025

一実施形態において、冷却部材120を1以上の部分110に接合する前に、熱間静水圧加圧HIP)及び/又は溶体化処理の任意の工程を実行して、プリントされた冷却部材120又は1以上の部分110を強化する。HIP操作中、孔や微小割れなどの内部の欠陥は、温度と加圧によって閉じられ修復される。溶体化処理中、有害な析出物はすべて材料マトリックス中に溶体化されることで、最良の特性を得る。これらの熱処理により、新たな結晶粒の形成により結晶粒組織を変化させることで、最終的にプリントされた冷却部材120を強化する。

0026

図4に示すように、表面322を保護コーティング340で覆ってもよい。保護コーティング340は接着コーティング342や接着コーティング342に塗布される遮熱コーティング344など、任意の数の層を含んでもよいが、これらに限定されない。冷却部材120を1以上の部分110に接合する前に保護コーティング340を塗布してもよい。溶接、ろう付け、又は他の適切な機械的接合手段によって冷却部材120を1以上の部分110に接合した後に、保護コーティング340を塗布してもよい。

0027

部品内の1以上の冷却チャネル130によって形成される1以上の流体通路360で流体を送ることで、部品100の表面322を変化させ、冷却又は加熱する。形状の変更は、部品100内の1以上の冷却チャネル130の長手方向の特定箇所における温度の変化を最大限又は最小限にするように設計してもよい。形状の変更により、1以上の冷却チャネル130によって表面322の熱的特性を非常に特定的に操作することができる。形状の変更により、本願明細書に開示した1つ以上の特徴を含まない方法や物と比較して、最小の費用と時間で部品設計熱管理特性を変更することができる。

0028

図6を参照すると、一実施形態において、1以上の冷却チャネル130は1以上の流体通路360を通る流体の層流を乱す1以上の機能を含んでもよい。層流を乱す1以上の機能にタービュレータ406を含むことができ、タービュレータ406は1以上の流体通路360の流体を中央から両側へ、また両側から中央へ混ぜ合わせて、1以上の流体通路360を効果的に長くする。タービュレータ406はまた、1以上の冷却チャネル130の表面積を増加して、1以上の流体通路360を流れる流体から表面322へ、又は表面322から1以上の流体通路360への熱伝達を増加することができる。タービュレータ406の適切な例には、フィン410や隆起412が含まれるが、これらに限定されない。タービュレータ406は任意の適切な形状又はサイズにすることができ、冷却チャネル130の1以上の内面上に、所望の効果を実現するために任意の適切な配置又は間隔で含むことができる。タービュレータ406は3Dプリント法を用いて1以上の冷却チャネル130内に形成して、単一の均質な部品としてもよい。

0029

また、熱管理方法が提供される。この方法は、部品100の1以上の部分110を形成することを含む(図1参照)。この方法は、冷却部材120(図1参照)又は第1部分260と1以上の第2部分280をプリントし、部品100の冷却部材120(図2及び図3参照)を組み立てることを含む。この方法は、1以上の部分110を部品100の冷却部材120に取り付けることを含む(図1参照)。この方法は、部品100内の1以上の冷却チャネル130によって形成される1以上の流体通路360によって流体を送ることで、部品100を冷却することを含む(図4及び図6参照)。

0030

好ましい実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ、均等物をそれらの要素の代わりに用いることができることは当業者によって理解されるであろう。さらに、本発明の教示に、その本質的な範囲から逸脱することなく種々の修正を行うことで、特定の状況や材料に適合することができる。したがって、本発明は、本発明を実行するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を包含するものである。

0031

100部品
110 部分
112 第2端部
114 第1端部
120冷却部材
122冷却機能
130冷却チャネル
140 接続部
150 第1開口
160 第2開口
222 第1端
224 第2端
260 第1部分
270接合線
280 第2部分
322 表面
340保護コーティング
342接着コーティング
344 遮熱コーティング
350 距離
360流体通路
406タービュレータ
410フィン
412隆起
490、590 冷却穴

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