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課題・解決手段

熱交換器を提供する。熱交換器は、第1の流体通路のための、熱交換器を通って終端する複数の通路を有するらせん式流れ本体で形成されている。流れ本体は、ハウジング内に配置され、第2の流体のクロスフローは、らせん状の流れ本体の連続層の間、あるいはそれらをまたがって通過する。クロスフローする第2の流体および第1の流体の熱エネルギーを混合することにより、熱交換が改良される。

概要

背景

ガスタービンエンジンでは、空気は圧縮機内加圧されかつ燃焼器内燃料と混合されて、タービン段を通って下流へ流れる高温燃焼ガスを生成する。典型的なガスタービンエンジンは、一般に、エンジンのいくつかのコアまたは推進成分を軸方向に挟む前端部および後端部を有する。吸気口は、ガスタービンエンジンの前端部に配置される。後端部へと移動すると、吸気口に続いて圧縮機、燃焼室タービン順番に配置される。例えば、低圧圧縮機高圧圧縮機および低圧タービン高圧タービンといった追加成分もエンジンに含まれてもよいことは、当業者には容易に明らかとなろう。しかしながら、これは網羅的なリストではない。

許容できないレベルまでエンジン温度が上昇しないように、ガスタービンエンジン内の熱生成を管理する必要がある。例えば、高圧シャフトおよび/または低圧シャフトに関連づけられる軸受潤滑する、ガスタービンエンジン内のオイルの温度を制御することが望ましい。また、動作中に、高温流れを生成する著しい熱が高圧圧縮機によって生成される。したがって、高圧圧縮機および低圧圧縮機の1つまたは両方を出る空気を冷却することが望ましい。

これらの流体を冷却するために、様々な方法が使用されてきたが、改良を続けることが望ましい。例えば、熱交換器絶えず求められているパラメータの改良には、限定するものではないが、重量の低減、体積の低減、熱交換器間の圧力降下の低減、熱交換に対する抵抗率の低減が含まれる。熱交換器に関する他のパラメータには、動作中の排熱がある。

流体混合を防止しながらも2つ以上の流体間の熱交換を改良するパラメータを満たし、シェルチューブ構造で形成される、2つ以上の流体流れのための熱交換器を提供することが望ましい。

本明細書の背景技術の項に含まれる情報は、本明細書に引用された参照およびその記載または考察を含めて技術参考目的のみに含まれ、本実施形態の範囲を拘束する主題とみなされるものではない。

概要

熱交換器を提供する。熱交換器は、第1の流体の通路のための、熱交換器を通って終端する複数の通路を有するらせん式流れ本体で形成されている。流れ本体は、ハウジング内に配置され、第2の流体のクロスフローは、らせん状の流れ本体の連続層の間、あるいはそれらをまたがって通過する。クロスフローする第2の流体および第1の流体の熱エネルギーを混合することにより、熱交換が改良される。

目的

流体混合を防止しながらも2つ以上の流体間の熱交換を改良するパラメータを満たし、シェルチューブ構造で形成される、2つ以上の流体流れのための熱交換器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

らせん式熱交換器(40)であって、第1のマニホールド(56)と、前記第1のマニホールド(56)と流れ連通する流れ本体(70)であって、前記第1のマニホールド(56)の周りに延び、円のインボリュートによって形成されるらせんを画定する流れ本体(70)と、前記流れ本体(70)に含まれ、第1の流体のために前記流れ本体(70)の第1の端部(72)と第2の端部(74)との間に延びる複数の流路(76)と、前記流れ本体(70)と流れ連通している第2のマニホールド(60)であって、前記流れ本体(70)が、前記流れ本体(70)の連続層(71)をまたがって延びる第2の流体のためのクロスフロー経路を画定するハウジング(42)内に配置されている、第2のマニホールド(60)と、を含む、らせん式熱交換器(40)。

請求項2

少なくとも1つの流れトリップ(75)をさらに備える、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項3

前記少なくとも1つの流れトリップ(75)が、前記流れ本体(70)の外表面上のリブ(77)、溝またはディンプル(277)のうちの少なくとも1つを含む、請求項2に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項4

前記少なくとも1つのディンプル(277)が、ランダムまたは所定のパターンの少なくとも一方によって配置されるディンプル(277)を含む、請求項3に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項5

前記少なくとも1つのリブ(77)が、前記流れ本体(70)の周りで周方向に延びるか、らせん状に延びるか、軸方向に角度αをもって配置される一組のリブ(77)を含むかのいずれかである、請求項3に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項6

前記複数の流路(76)が、複数のタービュレータ(78)を含む、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項7

前記複数のタービュレータ(78)が、両面に配置されている、請求項6に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項8

前記両面の前記複数のタービュレータ(78)が、互いに軸方向にずれている、請求項7に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項9

前記複数のタービュレータ(78)が、互いに反対にある、請求項6に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項10

前記ハウジング(42)が一般に円筒形である、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項11

前記第2の流体のための前記ハウジング(42)の軸端部(41、43)間に配置された吸気口または排気口の少なくとも1つをさらに含む、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項12

前記第1の流体のための前記ハウジング(42)の軸端部(41、43)に第2の吸気口または排気口の少なくとも1つをさらに含む、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項13

前記第1のマニホールド(56)または第2のマニホールド(60)のうちの少なくとも1つに接続された少なくとも1つの支持フィン(57)をさらに備える、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項14

前記マニホールド(56)の周りで巻回している場合に、前記少なくとも1つの支持フィン(57)が前記流れ本体(70)を支持する、請求項13に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項15

前記流れ本体(70)が、前記クロスフロー経路に対して湾曲した前縁を有する、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項16

前記複数の流路(76)内に収容された前記流体が、前記流れ本体(70)を通って軸方向に横断する際、前記流れ経路の一部に対して径方向内向きおよび径方向外向きの両方に流れるように前記流れ本体(70)が配置される、請求項1に記載のらせん式熱交換器(40)。

請求項17

流れ(394)を径方向内向きおよび径方向外向きの両方に導く一組の隔壁(357)をさらに備える、請求項16に記載のらせん式熱交換器(40)。

技術分野

0001

本実施形態は、一般に、熱交換を向上させるための装置、方法および/またはシステムに関する。より具体的には、限定するものではないが、本実施形態は、流体間の熱交換のために、例えばガスタービンエンジンに使用してもよい、らせんクロスフロー熱交換器に関する。当業者であれば理解するように、ガスタービンエンジンに関連して様々な実施形態を説明するが、装置、方法および/またはシステムは、2つの流体間における熱交換が望まれる様々な別の用途に使用することができる。

背景技術

0002

ガスタービンエンジンでは、空気は圧縮機内加圧されかつ燃焼器内燃料と混合されて、タービン段を通って下流へ流れる高温燃焼ガスを生成する。典型的なガスタービンエンジンは、一般に、エンジンのいくつかのコアまたは推進成分を軸方向に挟む前端部および後端部を有する。吸気口は、ガスタービンエンジンの前端部に配置される。後端部へと移動すると、吸気口に続いて圧縮機、燃焼室タービン順番に配置される。例えば、低圧圧縮機高圧圧縮機および低圧タービン高圧タービンといった追加成分もエンジンに含まれてもよいことは、当業者には容易に明らかとなろう。しかしながら、これは網羅的なリストではない。

0003

許容できないレベルまでエンジン温度が上昇しないように、ガスタービンエンジン内の熱生成を管理する必要がある。例えば、高圧シャフトおよび/または低圧シャフトに関連づけられる軸受潤滑する、ガスタービンエンジン内のオイルの温度を制御することが望ましい。また、動作中に、高温流れを生成する著しい熱が高圧圧縮機によって生成される。したがって、高圧圧縮機および低圧圧縮機の1つまたは両方を出る空気を冷却することが望ましい。

0004

これらの流体を冷却するために、様々な方法が使用されてきたが、改良を続けることが望ましい。例えば、熱交換器に絶えず求められているパラメータの改良には、限定するものではないが、重量の低減、体積の低減、熱交換器間の圧力降下の低減、熱交換に対する抵抗率の低減が含まれる。熱交換器に関する他のパラメータには、動作中の排熱がある。

0005

流体混合を防止しながらも2つ以上の流体間の熱交換を改良するパラメータを満たし、シェルチューブ構造で形成される、2つ以上の流体流れのための熱交換器を提供することが望ましい。

0006

本明細書の背景技術の項に含まれる情報は、本明細書に引用された参照およびその記載または考察を含めて技術参考目的のみに含まれ、本実施形態の範囲を拘束する主題とみなされるものではない。

先行技術

0007

米国特許出願公開2014/027102号明細書

0008

本実施形態によって、流体対流体の熱交換器が供給される。熱交換器は、第1の流体の通路のための、熱交換器を通って終端する複数の通路を有するらせん式流れ本体で形成されている。流れ本体はハウジング内に配置され、第2の流体のクロスフローは、らせん式流れ本体の巻線の間を通過する。クロスフローする第2の流体および第1の流体の熱エネルギーを混合することにより、熱交換が改良される。

0009

一部の実施形態によると、らせん式流体対流体の熱交換器は、第1の流体マニホールドと、第1の流体マニホールドと流れ連通する流れ本体であって、第1の流体のための第1の端部と第2の端部との間に延びる複数の流路を有しており、第1のマニホールド周りに延び、円のインボリュートによって形成されるらせんを画定する流れ本体と、流れ本体と流れ連通する第2の流体マニホールドであって、流れ本体が第2の流体のためのクロスフロー経路を画定するハウジング内に配置され、クロスフロー経路が流れ本体の連続層の間に延びる第2のマニホールドと、を含む。

0010

以上概説した特徴のすべては、例示的なものとしてのみ理解されるべきであって、らせん式クロスフロー熱交換器の装置、方法およびシステムの多くのさらなる特徴および目的を、本明細書の開示から集めることができる。

0011

この発明の概要は、以下の発明を実施するための形態においてさらに説明される概念のうちから選択したものを簡略化した形式で導入するために提供される。この発明の概要は、請求する発明の主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを目的とせず、また請求する発明の主題の範囲を限定するために使用することも目的としない。本発明の特徴、詳細、効用、および利点のより広範囲提示は、添付の図面に図示され、添付の特許請求の範囲に定義されて、以下の本発明の様々な実施形態の明細書で提供されている。したがって、この概要についての限定的な解釈は、本出願に含まれる明細書全体、特許請求の範囲、および図面をさらに読むことなく理解すべきではない。

0012

添付の図面と共に以下の実施形態の説明を参照することにより、これらの例示的な実施形態の上記およびその他の特徴や利点、ならびにそれらを達成する方法がより明らかになり、らせん式クロスフロー流体対流体の熱交換器をより理解することができる。

図面の簡単な説明

0013

例示的なガスタービンエンジンの概略的な側断面図である。
例示的ならせん式クロスフロー熱交換器の等角図である。
マニホールドおよび支持フィンを含む流れ本体平面パターンの等角図である。
巻線間のクロスフローを乱流状態にする方法を説明する、例示的な熱交換器流れ本体の断面端面図である。
第1のマニホールドおよび第2のマニホールドを含むらせん式流れ本体の等角図である。
取り付けられたマニホールドを備え、流れ本体の上に配置されたハウジングまたはシェルの等角図である。
例示的な流れ本体の端部断面図である。
傾斜リブを有する代替的な流れ本体平面パターンの上面図である。
例示的ならせん式クロスフロー熱交換器の側断面図である。
フロー乱流のためのディンプル生地を備える流れ本体の等角図である。
第1の流体と第2の流体のクロスフローとの間の複数の流路を備えるらせん式流れ本体の等角図である。

実施例

0014

以下に実施形態について詳しく説明するが、そのうちの1つ以上の実施例を図面に示す。各実施例は、説明のために提供されており、開示する実施形態を限定するものではない。実際、本開示の範囲または趣旨を逸脱せずに、様々な修正および変更が本実施形態で可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、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、添付の請求の範囲およびそれらの等価物の範囲に入るこのような修正および変更を包括することが意図されている。

0015

図1図11を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器の様々な実施形態を示す。熱交換器は、らせん式流れ本体の周りに配置されるシェルまたはハウジングを含む。らせん式流れ本体は、一部の実施形態によると、複数の層または巻数が作成されるように円のインボリュートによって形成されるらせん状であってもよい。ハウジングは外側の流れ境界を形成し、流れ本体はその内部に供給される。らせん式流れ本体の連続層の間のおよびそれらをまたがるクロスフローは、ハウジングによって、流れ本体内の第1の流体からクロスフロー内の第2の流体へ熱エネルギーを交換することが可能となる。

0016

本明細書で使用する場合、「軸方向の」または「軸方向に」という用語は、エンジンの長手軸に沿ったまたは熱交換器の軸方向に沿った寸法を意味する。「軸方向の」または「軸方向に」に関連して使用される「前方」という用語は、エンジン吸気口または熱交換器、あるいは他の成分に比較してエンジン吸気口または熱交換器に比較的近い成分に向かう方向で移動することを意味する。「軸方向の」または「軸方向に」に関連して使用される「後方」という用語は、エンジン排気口または熱交換器、あるいは吸気口に比較してエンジン排気口または熱交換器に比較的近い成分に向かう方向で移動することを意味する。本明細書で使用する場合、「径方向の」または「径方向に」という用語は、エンジンまたは熱交換器の中心長手軸とエンジンまたは熱交換器の円周との間に延びる寸法を意味する。本明細書で使用される用語クロスフローは、1つの流れの方向が、他の流れの方向と混合されずに、他の流れの方向を横切ることを意味する。

0017

まず図1を参照して、エンジン吸気口端部12を有するガスタービンエンジン10の概略的な側断面図を示すが、ここで空気は、一般に多段高圧圧縮機14、燃焼器16および多段高圧タービン20によって画定されるコア推進器13に流入する。集合的に、コア推進器13は、ガスタービンエンジン10の動作のための動力を提供する。

0018

ガスタービンエンジン10は、ファン18、低圧タービン21および低圧圧縮機22をさらに備えている。ファン18は、ロータディスクから径方向外向きに延びるファンブレード27のアレイを含む。エンジン吸気口端部12の軸方向反対側には排気側面29がある。これらの実施形態では、例えば、ガスタービンエンジン10は、ゼネラルエレクトリック社から市販されている任意のエンジンを用いることができる。ガスタービンエンジン10を航空用の実施形態で示したが、このような実施例を限定とみなすべきではなく、ガスタービンエンジン10は航空、発電、工業、船舶等に使用されてもよい。

0019

運転中に、空気は、ガスタービンエンジン10のエンジン吸気口端部12を通って流入し、低圧圧縮機22および高圧圧縮機14の少なくとも1つの圧縮段を通って移動するが、ここで気圧は上昇し、燃焼器16に向かう。圧縮空気が燃料と混合されて燃焼されると、燃焼器16から高圧タービン20に向かって流出する高温燃焼ガスが得られる。高圧タービン20において高温燃焼ガスからエネルギーが抽出されてタービンブレードを回転させ、タービンブレードの回転により高圧シャフト24が回転する。高圧シャフト24は、ガスタービンエンジン10の前方に向かって通過して高圧圧縮機14の1つ以上の段を回転させ、動力サイクルが継続する。低圧タービン21も、さらなるエネルギーを抽出して、追加の圧縮機段に動力を供給するために利用することができる。ファン18は、低圧シャフト28によって、低圧圧縮機22および低圧タービン21に連結される。連結は、ギヤボックスまたは他の伝送方式のように、直接的または間接的であってもよい。ファン18は、ガスタービンエンジン10の推力を生成する。

0020

ガスタービンエンジン10は、様々なエンジン成分がその周りで回転するように、エンジン中心軸線26の周りで軸対称になっている。軸対称高圧シャフト24は、ガスタービンエンジン10を通って前端部から後端部に向かって延び、シャフト構造体の長さに沿って軸受によって回転可能に支持されている。高圧シャフト24は、ガスタービンエンジン10の中心軸線26の周りで回転する。高圧シャフト24は、低圧シャフト28がその内部で回転可能かつ高圧シャフト24の回転から独立可能となるように、中空であってもよい。低圧シャフト28も、ガスタービンエンジン10の中心軸線26の周りで回転することができる。動作中、高圧シャフト24および低圧シャフト28は、電力および工業または航空領域で使用される様々なタービンの動力または推力を生成するために、タービン20、21のロータアセンブリのような、シャフト24、28に接続された他の構造体と共に回転する。

0021

ガスタービンエンジン10は、らせん式クロスフロー熱交換器40をさらに備えている。例示的な概略図では、1つ以上のらせん式クロスフロー熱交換器40は、教示の目的のために様々な位置に示されている。らせん式クロスフロー熱交換器40は、限定されないが、液体冷却および空気冷却を含む様々な流体冷却機能のために利用されてもよい。液体冷却の場合、ガスタービンエンジン10内の1つ以上の比較的低温の源によって、オイルまたは他の比較的高温の液体を冷却することが望ましいことがある。冷却空気バイパス空気流れ19または低圧圧縮機22の比較的低温の段によって提供されるように、オイルを空気によって冷却してもよい。ガスタービンエンジン10内におけるらせん式クロスフロー熱交換器40の軸方向位置は、冷却される、または冷却に使用する流体の位置に応じて変化し得る。

0022

さらに、例えばオイルのような高温の流体は、例えば燃料のような液体によって冷却されてもよいが、この燃料は、航空機に格納されていることが多く、例えば典型的な飛行高度において経験される冷間周囲条件に曝される。したがって、比較的高温の冷却流体またはオイルから熱エネルギーを吸収するための手段として、比較的低温の燃料を使用することができる。このような実施形態では、非限定的な例としてエンジンカウリング32の径方向内側に示すように、らせん式クロスフロー熱交換器40を様々な位置に配置することができる。先の実施形態と同様に、らせん式クロスフロー熱交換器40は、例えば冷却される流体の位置に応じて、軸方向に移動させてもよい。

0023

さらなる実施形態では、らせん式クロスフロー熱交換器40は、ガス対ガスまたは空気対空気の熱交換器であってもよく、比較的低温のバイパス空気流れ19が比較的高温の圧縮機排出空気を冷却するように、例えばバイパス空気流れ19内のような様々な位置に配置されてもよい。あるいは他の実施形態によると、高温の圧縮機排出空気は、低圧圧縮機22からの低温空気によって冷却されてもよい。この場合、らせん式クロスフロー熱交換器40は、エンジンカウリング32内またはバイパス空気流れ19内に配置することができる。

0024

ガス対ガスの熱交換を一実施形態によって説明したが、実施形態によると、ガス対液体の熱交換は、液体が過冷却され、飽和され、超臨界状態にまたは部分的に気化されてもよい本実施形態の範囲内であってもよい。例えば、圧縮機の排出流路は、水、水性冷却剤合物誘電液体液体燃料または燃料混合物冷却剤寒剤、あるいは液化天然ガスLNG)および液体水素のような極低温燃料を使用して冷却してもよい。しかしながら、このリストは網羅的なものではないため、限定とみなすべきではない。さらに、オイル等の潤滑流体は、同様の方法で冷却されてもよい。

0025

すなわち、図1に示すように、らせん式クロスフロー熱交換器40は、複数の位置に配置されてもよく、そのうちの一部を、非限定的な例示的方法で示す。らせん式クロスフロー熱交換器40は、気体状態または液体状態にある流体を、気体状態または液体状態にある他の流体によって冷却するために使用することができる。これらの実施形態のいずれかにおいて、らせん式クロスフロー熱交換器40は、第1の流体または第2の流体の一方を利用して、第1の流体および第2の流体の他方を冷却する。

0026

ここで図2を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器40の等角図を示す。らせん式クロスフロー熱交換器40は、一実施形態によると、一般に円筒形の形状である。らせん式クロスフロー熱交換器40は、ハウジング42の端部に第1の軸端部41および第2の軸端部43をさらに備えるハウジング42によって画定される、円筒形の形状である。らせん式クロスフロー熱交換器40の形状は一般に円筒状であるが、ハウジング42が実質的に中空である場合他の形状を利用することができ、その場合流れ本体70は、ハウジング42内に配置することができる。流れ本体70の一部は、ハウジング42から延びて示されている。

0027

らせん式クロスフロー熱交換器40は、ハウジング42の軸端部を閉じる第1の端部キャップ44および第2の端部キャップ46をさらに備えている。らせん式クロスフロー熱交換器40は、ハウジング42の軸端部付近に、クロスフロー流体入口50を備えている。具体的には、クロスフロー流体入口50は、端部キャップ46上に配置され、らせん式クロスフロー熱交換器40の軸方向寸法に沿った第2の流体の流れを可能にする。端部キャップ46には、らせん式クロスフロー熱交換器40に流入し、流れ本体70を通過する第1の流体を受けるためのマニホールド56が配置されている。

0028

らせん式クロスフロー熱交換器40は、端部キャップ44に、またはその付近に配置されるクロスフロー流体出口52を備えていてもよい。あるいは、クロスフロー流体出口52は、他の位置に配置することができる。クロスフロー流体入口50およびクロスフロー流体出口52は入口および出口と称されることを当業者は認識すべきであるが、これらの用語は例示にすぎない。また、らせん式クロスフロー熱交換器40を通って移動する流れ方向に応じて、クロスフロー流体出口52が入口となってもよいし、クロスフロー流体入口50が出口となってもよい。このような記述は、限定とみなすべきではない。

0029

マニホールド56は、第1の流体供給部にサービス接続するための継手58を備えていてもよい。らせん式クロスフロー熱交換器40の上部からは第2のマニホールド60が延びており、これも継手62を有し、リザーバと流れ連通した状態で示されている。一般に、高温流体はらせん式クロスフロー熱交換器40に戻り、今後の、例えば潤滑またはその他の使用のためにリザーバに入る前に冷却される。継手58、62およびマニホールド56、60の一方は、第1の流体のための入口として機能し、継手58、62およびマニホールド56、60の他方は、第1の流体の出力として機能する。クロスフロー流体入口50およびクロスフロー流体出口52の一方は、第2のクロスフロー流体の入口として機能し、他方が出力として機能する。しかしながら、これらは逆でもよいし、符号は説明にすぎない。本実施形態では、第1および第2の流体の一方は比較的高温であるのに対し、第1および第2の流体の他方は比較的低温である。2つの流体がらせん式クロスフロー熱交換器40を通過する際、一方の流体のより高い熱エネルギーは、減じられるかより低い熱エネルギー材料に移動する。高温流体が流れ本体70を通過し、クロスフロー流体が冷却流体として記載されていても、例えばより高温の流体が気体であり、クロスフローとしてらせん式クロスフロー熱交換器40を通過する場合、この記載は逆であってもよい。

0030

マニホールド56、60は、図示のような位置で示されているが、マニホールド56、60は、らせん式クロスフロー熱交換器40の軸方向端部以外の位置と、軸端部41、43の間のいくつかの位置とに移動させてもよい。同様に、第2のクロスフロー流体入口50および出口52のための接続部は、図示のように軸端部41、43にまたはそれらの間に配置することも、代替として、別の場所に移動させることもできる。すなわち、継手58、62およびマニホールド56、60の図示の位置は限定するものではなく、クロスフロー流体入口50および出口52の接続部におけるクロスフローのための継手58、62の図示の位置も限定するものではない。同様に、高温の流れは流れ本体70内を通過してもよい一方で、より低温の流れは流れ本体70内をまたは流れ本体70の周りを通過してもよい。

0031

この実施形態では、部品のいくつかを教示および理解の明瞭さのために引き伸ばして示しているが、機器は、改良された流れ特性のためのよりコンパクトな他の形態をとることができる。例えば、クロスフロー流体入口50および出口52の接続部は、短寸化することができる。また、流れ本体70は、ハウジング42の上方に延びるように図示されるが、マニホールド60に向かって延びる流れ本体70の一部は、短寸化してハウジング42の付近に配置してもよい。同様に継手58、62をよりコンパクトな設計で形成することができるが、これらはすべて流れを改良し、限定されないが、航空機エンジンを含む様々なアーキテクチャに配置するために、熱交換器をより小さく、より軽量にするためである。

0032

ここで図3を参照して、例示的な流れ本体70の等角図を示す。流れ本体70は、第1の端部72と、第2の端部74と、第1の端部72および第2の端部74の間に延びる複数の流路76とを有する押出形状であってもよい。第1の端部72および第2の端部74は、例示的ならせん式クロスフロー熱交換器40に配向している場合、横方向または周方向端部を画定する。流路76は、マニホールド56およびマニホールド60と流れ連通している(図2)。本明細書でさらに考察され、図2の実施形態に必要であるように、本実施形態では、流れ本体70は平面構造として示されており、連続層で巻回するらせん形状にはまだなっていない。

0033

流れ本体70の第1の端部72に、マニホールド56が設けられている。マニホールド56は、比較的高温の流体または比較的低温の流体であってもよい第1の流体を受ける。第1の流体は、マニホールド56を通過して複数の流路76を通って流れ本体70内に流れ、さらに流れ本体70の第2の端部74に向かって移動する。流れ本体70の第2の端部74に、第2のマニホールド60が設けられている(図2)。

0034

マニホールド56は、流れ本体70がマニホールド56の周りで巻回した時に、流れ本体70を支持するのを補助する複数の支持フィン57をさらに備えていてもよい。支持フィン57は、流れ本体70を支持する一定の半径を有していてもよいし、可変半径を有していてもよい。支持フィン57は、流れ本体70が、巻回プロセス中に破砕されるか、半径が小さすぎることに起因して破砕されるのを防ぐことにより、流れ本体70に対する支持を提供する。

0035

第1の端部72および第2の端部74の間には、乱流トリップ75が延びている。トリップ75は、リブまたは表面からの他の拡張の形をとることも、代替として凹状の形態をとることもできる。これらの変形例は、本明細書でさらに説明する。また、トリップ75は、流れ本体70がらせん形状にある時は周方向で示されているが、代替的に軸方向に、または周方向あるいは軸方向に対して斜めに延びることができる。例えば、流れ本体70が巻回する際、トリップ75はらせんを形成してもよい。

0036

ここで図4を参照して、流れ本体70の端部断面図を示す。流れ本体70の端部は、図示のように、第1の端部72または第2の端部74であってもよい。例えば、流れ本体の第2の端部74において、複数の流路76が示されている。図示セクションにおいて、複数の流路76が図示されている。しかしながら、一般に、流路の数が増えると、らせん式クロスフロー熱交換器40を介した熱交換が改良されるので、流路76の数を減らすことも増やすことも望ましいことがある。

0037

また、流路76は、複数のタービュレータ78を含むことができる。タービュレータ78は、流路76内の乱流を増加させ、熱境界を減少させ、熱伝達を改良するために、流路76内の乱流を改良する。両面のタービュレータ78は、各流路76内でらせん式クロスフロー熱交換器40の軸方向にずれている。しかしながら、タービュレータ78は、流路76内で様々な設計を有していてもよい。流路76は、第1のマニホールド56および第2のマニホールド60およびタービュレータ78と流れ連通しており、流れ本体70を介して連続してもよいし、不連続であってもよい。一部の実施形態によると、流れ本体70は、押出形状をとることもできるが、このような連続または不連続の形状を他の方法によって形成してもよい。

0038

ここで図5を参照して、熱交換器コア80の等角図を示す。熱交換器コア80は、第1のマニホールド56の周りで連続層71に巻回した状態で示されている流れ本体70を備えている。この図では、流れ本体70は、第1のマニホールド56の周りで巻回するらせん形状に形成されている。らせん流れ本体70はらせん形状をとり、ここで連続層71は、らせんの中心から実質的に一定の距離を有している。本明細書で使用されるように、「らせん」という用語は、円のインボリュートの特性を有する径方向断面によって幾何学的に説明されるコアを意味し、ここで連続層71またはらせんの巻線は、一般に一定の分離距離を有し、また連続層71の軸端部は、らせん式クロスフロー熱交換器40の径方向に配列される。すなわち、流れ本体70の連続層71の側端部は、らせん式クロスフロー熱交換器40内の軸端部において、径方向に配列される。

0039

図はまた、第1のマニホールド56からの流体の流れが、流れ本体70内の複数の流路76を介して第2のマニホールド60と流れ連通していることを示している。第2のマニホールド60は、流れ本体70の第2の端部74における流路76を示すために区分されている。流体は、第2のマニホールド60に回収され、上方に延びる導管を介して継手62の方に延びる(図2)。

0040

さらに本実施形態では、少なくとも1つのリブ77が、流れ本体70の連続層71の表面上に示されている。リブ77は例示的なものであり、使用してもしなくてもよい。リブ77は、単一のリブであってもよいし、複数のリブ77であってもよい。リブ77は、完全な軸方向に対して斜めに配置されているが、完全に周方向(熱交換器の軸方向に垂直)に配置してもよいし、例えば、示すように、らせん形状で角度をつけてもよい。少なくとも1つのリブ77は、連続層71の間で流体流れをトリップさせ、これにより、層71と流れ本体70の外表面沿いとの間に乱流が生成され、熱伝達がさらに改良される。

0041

ここで図6を参照して、ハウジング42内に配置された熱交換器コア80を備えるらせん式クロスフロー熱交換器40を示す。第2のマニホールド60は、ハウジング42の上部に示され、押出状の第2の端部74は、ハウジング42を介して延びる。これにより、第2のマニホールド60は、ハウジング42の外側への接続が可能になる。第1のマニホールド56は、熱交換器コア80の内部から、およびハウジング42の軸端部43から外向きに軸方向に延びるように示されている。これにより、端部キャップ46(図2)および継手58(図2)の配置が可能になる。

0042

ハウジング42は、断面形状が実質的に円形として図示されている。しかしながら、ハウジング42全体で必要とされる流れ特性と、らせん式クロスフロー熱交換器40が配置される場所の外側の形状とに応じて、代替の形状を利用することができる。

0043

また、図において複数の連続層71(図5)は、第2のクロスフロー流体が第2の軸端部43から第1の軸端部41までまたはその逆に、軸方向に移動してもよい位置を示している。

0044

ここで図7を参照して、例示的な流れ本体170の断面図を示す。流れ本体170は、第1の側端部171および第2の側端部173を有している。第1の側端部171は、流れ本体170の連続層に対する入口における流体動圧を改良するために曲線的になっている。本実施形態で曲線的な側端部171を示しているが、このような実施形態は例示にすぎず、必ずしも必要ではない。平坦面を含む他の形状を利用することができる。

0045

さらに、例示的な実施形態では、複数の流路176が図示されている。これらの流路176は、流れ本体70の先の実施例とは異なる断面形状を有している。例えば、先の実施形態では、流路76は、一般に矩形形状であった。本実施形態では、流路176は正方形状である。当業者であれば、これらの実施形態は限定するものでなく、他の断面形状が利用されてもよいことを認識するであろう。例えば、流れ特性を改良するために、流路内に丸みをつけた角を設けることが望ましい。また、流路176は、一貫した断面形状を有していてもよいし、代替として、流れ本体170内で異なっていてもよい。図示した実施形態では、流れ特性を補助するために、端部通路は部分的に丸められている。

0046

流路176内に、複数のタービュレータ178が設けられている。先の実施形態と異なり、タービュレータ178は、熱交換器内で軸方向に互いにずれるのではなく、垂直方向整列している。タービュレータ178は、流路の断面大きさに応じて、形状および位置が異なっていてもよい。また、図示のように、タービュレータ178は、周方向に斜めまたは完全に周方向であってもよい。あるいは、これらは、例えば前縁における衝撃からの漏れを防止するために、一体化した形状で形成してもよい。

0047

ここで図8を参照して、流れ本体70の上面図を、巻回した位置から延びた状態で示す。この図では、複数のリブ77が示されている。リブ77は、流れ本体70の軸方向に対して斜めに配置されている。角度は、記号アルファαで示されている。角度は、0°または約90°までとすることができる。さらに、流れ本体70が連続層71に巻回している場合、リブ77は、らせんを提供するように形成されてもよい(図5)。さらに説明するように、リブ77は、流れ本体70の表面上を通過する流体を遮断またはトリップするために、代替的に流れ本体70に溝を形成しながら凹部を画定してもよい。

0048

流れ本体70、170は、熱伝導性の高い材料で形成することができる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を利用してもよいし、あるいは鋳造合金銅合金(C81500)または鋳造アルミニウム青銅(C95400)を利用することもできる。流れ本体70、170は、限定はしないが、インコロ合金インコネル合金、チタンアルミナイド合金ステンレス鋼合金または高融点金属で形成してもよい。らせん式クロスフロー熱交換器40内で利用される異なる流体流れ材料の製造および動作中に蓄積する応力を低減させるために、熱膨張率(CTE)係数をできるだけ一致させるのが望ましいことがある。利用される材料の望ましい特徴は、優れた疲労耐性および耐酸化性または耐食性を含む。さらに、鋳造または鍛造部品溶接アセンブリに組み込まれた耐圧鋳造、非常に効果的な制振機械加工性および溶接性は、すべて望ましい特性である。上記の特性リストを供給したが、限定的なものではなく、様々な材料が流路と本体成分との組み合わせのために利用され得る。

0049

ここで図9を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器40の等角断面図を示す。この図では、流れ本体70を含むハウジング42の内部が示されている。らせん式クロスフロー熱交換器40の一方の軸端部、流れ本体70から延びるマニホールド56が設けられている。

0050

流れ本体70は、マニホールド56を通って移動する第1の流体流れ90を含んでいる。具体的には、第1の流体流れ90は、マニホールド56を通って第1の継手58、第2のマニホールド60および第2の継手62の間を通過する。第1の流体流れ90は、これら2つのマニホールド56、60の間を、流れ本体70を通って、いずれかの方向で通過することができる。第1の流体流れ90が、らせん式クロスフロー熱交換器40を通過する際、第1の流体流れ90は、継手58および継手62の間を移動する間に、らせん式クロスフロー熱交換器40内の流れ本体70のらせん状パターンを流れる。

0051

また、らせん式クロスフロー熱交換器40は、クロスフロー流体入口50を通ってらせん式クロスフロー熱交換器40に流入して流れ本体70の連続層71を通過する、第2のクロスフロー92を利用する。第2のクロスフロー92は、ハウジング42の一方の軸端部から流入し、他方の軸端部へと通過する。そうすることで、第2のクロスフロー92は、流れ本体70の表面に沿って通過して、流れ本体70内を通過する第1の流体流れ90と熱エネルギーを交換する。第1の流体流れ90が流れ本体70のらせん経路をたどる一方で、第2のクロスフロー92は、らせん式クロスフロー熱交換器40を通って実質的に軸方向に移動する。

0052

流れ本体70の一方の端部は、第2のクロスフロー92の空気/流体動圧性能を向上させるために、湾曲されるかテーパをつけることができる。

0053

第2のクロスフロー92が流れ本体70のハウジング42および層71を通過する際、第2のクロスフロー92は、径方向内向きまたは径方向外向きのどちらかに方向を変えて通過することができる。さらに、リブ77(図8)により、第2のクロスフロー92は、軸方向に対して径方向または斜めに移動する。

0054

ここで図10を参照して、流れ本体270の別の実施形態を示す。本実施形態では、本体270の外側面は、円形の形状で示されるディンプル277を備えている。しかしながら、ディンプル277は、円形以外の様々な形状であってもよい。ディンプル277は、流れ本体270を通過する第2のクロスフロー92(図9)内に乱流を生じさせるトリップまたは主流乱れを生成する。乱流はまた、外表面に沿って熱境界を低減し、かつクロスフロー92と流れ本体270との間の熱抵抗を低減させることによって、改良された熱移動を提供する。さらに、ディンプル277は、流れ本体270表面に埋め込まれてもよく、ディンプル277を流れ本体270の表面から上昇させてもよい。ディンプル277は、周方向および軸方向列のパターンで配置されて示されている。しかしながら、軸方向または周方向の列のうちの1つは、隣接する軸方向または周方向の列からわずかにずれてもよい。さらに別の実施形態では、ディンプル277はランダムに形成されてもよいが、ディンプル277の数が増えると、流れ本体270をまたがる第2のクロスフロー92(図9)の乱流が増加することがあるので、これはあまり望ましくないであろう。

0055

さらに、ディンプル277はまた、周方向にまたは周方向と軸方向との間で斜めに延びる線状溝のような他の形態をとることができる。すなわち、流れ本体70、170、270の表面から延びるリブ77(図8)ではなく、流れ本体は、図8のリブ77のような外見の線状溝を有していてもよいが、これらは図8のものとは違い、流れ本体に埋め込まれている。

0056

ここで図11を参照して、らせん式クロスフロー熱交換器340のさらに別の実施形態を示す。本実施形態では、流れ本体370を通る第1の流体流れ390の複数の経路を提供する。図は、前述の実施形態と同様に、らせん式クロスフロー熱交換器340が、第1のマニホールド356および第2のマニホールド360を有していることを示している。第1の流体流れ390は、第1のマニホールド356および第2のマニホールド360の間を、そして流れ本体370を、層をまたがって通過する。しかしながら、第1の流体流れ390は、らせん式クロスフロー熱交換器340を出る前に、流れ本体370から第2のマニホールド360に向かって通過し、流れ本体370に戻り、第2のマニホールド360に戻る。

0057

本実施形態では、第1の流体流れ390は、図の左側でマニホールド356の軸端部付近に示されている。これは入口を例示しているが、限定するものではなく、他の入口の位置を使用してもよい。第1の流体流れ390は、マニホールド356を通って移動し、隔壁357と係合して、第1の流体流れ390を流れ本体370内に移動させる。第1の流れは、隔壁357に対応する軸方向領域で、流れ本体370の周りでらせん状になる。第1の流体流れ390は、マニホールド360内へ移動し矢印391で表されるが、流れは、第1の流体流れ390と同じである。番号の変更は、説明を容易にするためにすぎない。第1の流体流れ390は、矢印391によって表されるが、軸方向に移動し、第2の隔壁359と係合し、流れを流れ本体370に流入させる。再度らせん状になり、第1の流体流れ390は、第1のマニホールド356内へ移動し、矢印393によって表される。第1の流体流れ390は、矢印393によって表されるが、マニホールド356の端部(図示の右側の端)に到達した後、流れ本体370に再び流入してらせん状にマニホールド356に向かうようになっている。本配置では、第1の流体流れ390は、流れ394として図示されている。

0058

第1の流体流れ390は、流れ本体370を通る複数の経路を有しており、第1の流体流れ390は、第2のマニホールド360へ2回流入するように示されているが、このプロセスは、流体の圧力降下、所望の冷却または考慮され得る他のパラメータに応じて、複数回繰り返してもよい。

0059

材料の使用のためにいくつかの実施例を挙げたが、この説明が限定的なものではなく、アプリケーションによる必要に応じて、他の材料および組み合わせを利用できることを、当業者は認識するであろう。一部のパラメータには、温度、圧力、流体との化学的適合性、および熱膨張係数が含まれるが、これらに限定されない。このリストは非網羅的であり、他の材料および適合性特性を検討してもよい。例えば、他のプラスチックポリマーおよびセラミックが、熱交換器の一部の態様のために望ましいことがある。

0060

装置、システムおよび方法についての上記の説明は、例示の目的で提示したものである。これは網羅的なものではなく、また本発明を開示された正確なステップおよび/または形態に限定するものでもなく、明らかに多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能である。本明細書で説明されている特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本明細書に記載の方法のステップは、物理的に可能な任意の順序で実行することができる。方法および材料のいくつかの実施形態を図示および説明したが、これらに限定されず、その代わりに本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定される。

0061

10ガスタービンエンジン
12エンジン吸気口端部
13コア推進器
14高圧圧縮機
16燃焼器
18ファン
20高圧タービン
21低圧タービン
22低圧圧縮機
24高圧シャフト
26エンジン中心軸線
27ファンブレード
28低圧シャフト
29排気側面
32エンジンカウリング
40 式クロスフロー熱交換器
41 第1の軸端部
42ハウジング
43 第2の軸端部
44 第1の端部キャップ
46 第2の端部キャップ
50クロスフロー流体入口
52 クロスフロー流体出口
56 第1のマニホールド
57支持フィン
58 第1の継手
60 第2のマニホールド
62 第2の継手
70 本体
71連続層
72 第1の端部
74 第2の端部
75トリップ
76流路
77リブ
78タービュレータ
80熱交換器コア
92 第2のクロスフロー
170 本体
171 第1の側端部
173 第2の側端部
176 流路
178 タービュレータ
270 本体
277ディンプル
340 式クロスフロー熱交換器
356 第1のマニホールド
357隔壁
359 第2の隔壁
360 第2のマニホールド
370 本体
391 矢印
393 矢印

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