(57)【要約】【課題】第１の流体入口（６０）を画定する第１のマニホールド（４２）と第２の流体入口（７０）を画定する第２のマニホールド（４６）とを含むハイブリッド熱交換器（１２）を形成する装置および方法が提供される。【解決手段】モノリシックコア本体（１６）は、第１のマニホールド（４２）と流体連通する第１セットの流路（３０）を含み、第２セットの流路（３４）は第２のマニホールド（４６）と連通する。第１のマニホールド（４２）または第２のマニホールド（４６）の少なくとも一部は、構造的に剛性のモノリシックコア（１６）の熱膨張係数よりも小さい調整可能な熱膨張係数を有する。【選択図】図３
2019158329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器（１２）を形成する方法であって、前記方法は、
第１セットの流路（３０）を有するモノリシックコア（１６）を形成するステップと、
前記モノリシックコア（１６）上に第１のマニホールド（４２）を付加製造するステップであって、前記第１のマニホールド（４２）は、前記第１セットの流路（３０）と流体連通する第１の流体入口（６０）を画定し、前記第１のマニホールド（４２）の少なくとも一部は、前記モノリシックコア（１６）の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記モノリシックコア（１６）および前記第１のマニホールド（４２）が単一体として形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モノリシックコア（１６）が第１の材料から作られ、前記第１のマニホールド（４２）が前記第１の材料とは異なる第２の材料から作られる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の材料が、３５〜５５％のニッケルを有するニッケル合金である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記付加製造するステップが電鋳するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記電鋳するステップが、制御された直流またはパルス電流電源を利用するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記モノリシックコア（１６）を形成するステップが、前記第１セットの流路（３０）から流体的に分離した第２セットの流路（３４）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記モノリシックコア（１６）上に第２のマニホールド（４６）を付加製造するステップであって、前記第２のマニホールド（４６）は前記第２セットの流路（３４）と流体連通する第２の流体入口（７０）を画定し、前記第２のマニホールドは前記モノリシックコア（１６）の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、ステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のマニホールド（４２）の前記熱膨張係数が前記第２のマニホールド（４６）の前記熱膨張係数とは異なる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記モノリシックコア（１６）の少なくとも一部の上にスキン（１８）を付加製造するステップをさらに含み、前記スキン（１８）は前記モノリシックコア（１６）の前記熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機において使用される現代のエンジンは、相当量の熱を発生させ、それらの熱を、何らかのやり方でエンジンから運び去らなければならない。熱交換器が、そのようなエンジンから熱を運び去る方法を提供する。
【０００３】
オイルを、エンジンの軸受、発電機などのエンジン部品からの放熱に使用することができる。熱は、典型的には、熱交換器を用いてオイルから伝達され、オイルの温度を約１００°Ｆから３００°Ｆの所望の範囲に維持する。多くの場合、外部環境は−６５°Ｆほど低くてもよく、または航空機の燃料の温度はオイルの温度よりも著しく低くてもよい。そのような例では、冷たい空気の流れを使用して、強制対流により熱交換器でオイルを冷却することができる。例えば、高温（＞７００°Ｆ）および高圧の抽気を、周囲のバイパス空気で冷却することができる。他の用途では、空気、燃料、およびオイルを利用して、必要に応じて互いに冷却し、加熱する。
【０００４】
さらに、電気システムによって発生した熱、例えばアビオニクスシャーシ内の熱を放散させるために、熱交換器を航空機内に配置することができる。熱交換器は、電気部品から熱を引き出すための導管などの複数の要素を含むことができる。熱交換器を使用して、電気部品から引き出された熱を放散することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７０３４２５８１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、本開示は、熱交換器を形成する方法に関し、この方法は、第１セットの流路を有するモノリシックコアを形成するステップと、モノリシックコア上に第１のマニホールドを付加製造するステップであって、第１のマニホールドは、第１セットの流路と流体連通する第１の流体入口を画定し、第１のマニホールドの少なくとも一部は、モノリシックコアの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、ステップとを含む。
【０００７】
別の態様では、本開示は、熱交換器を形成する方法に関し、この方法は、第１の熱膨張係数を有する第１の材料から第１セットの流路を有するモノリシックコアを形成するステップと、第１の熱膨張係数よりも小さい第２の熱膨張係数を有する、第１の材料とは異なる第２の材料から、第１セットの流路と流体連通してモノリシックコア上に第１のマニホールドを付加製造するステップとを含む。
【０００８】
さらに別の態様では、本開示は、第１セットの流路および第１の熱膨張係数を有するモノリシックコア本体を含む熱交換器に関する。第１のマニホールドは、第１セットの流路のための第１の流体入口と流体連通しかつ第１の流体入口を画定してモノリシックコア本体と一体に形成され、第１の熱膨張係数とは異なる第２の熱膨張係数を有する。
【０００９】
図面の説明は、以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書に記載の様々な態様による、航空機エンジンに設けられた熱交換器を有する航空機の斜視図である。
【図２】図１の航空機で使用することができる熱交換器の斜視図である。
【図３】本明細書に記載の様々な態様による、コアに結合された第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを有する図１の熱交換器の概略図である。
【図４】本明細書に記載の様々な態様による、電鋳部分の５つの異なる動作温度について原子状ニッケル濃度に対してプロットした、図２の熱交換器の電鋳部分の熱膨張係数を示すプロットグラフである。
【図５】図１の熱交換器などの熱交換器を形成する方法を示すフローチャートである。
【図６】本明細書に記載の様々な態様による、熱交換器コアと犠牲アノードとを含む電鋳浴の概略図である。
【図７】本明細書に記載の様々な態様による、図２の第１および第２のマニホールドを電鋳するために準備された犠牲部分を有する図６の熱交換器コアを含む電鋳浴の概略図である。
【図８】本明細書に記載の様々な態様による、コア上に形成された電鋳マニホールドを含む、図７の熱交換器コアの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書に記載の開示の態様は、熱応力を低減するために異なる熱膨張係数を有する熱交換器アセンブリに関する。説明の目的で、本開示は、航空機エンジンの内部に設けられた熱交換器に関して記載される。しかしながら、本明細書に記載された開示の態様はそれに限定されず、航空機のタービンエンジン内などの熱交換器または対流熱伝達を必要とするまたは利用する任意の環境内で一般的に適用可能であるが、他のモバイルアプリケーションや非モバイル産業、商業、および居住用アプリケーションなどの非航空機アプリケーションも含むことが理解されよう。
【００１２】
本明細書で使用する「前方」または「上流」という用語は、熱交換器を通る流体またはガスの流れの入口または源に比較的近い方向に移動することを指す。「後方」または「下流」という用語は、熱交換器の出口または端部に比較的近い方向を指す。本明細書で使用する「セット（ｓｅｔ）」という用語は、１つまたは複数の要素を指すことができる。すべての方向についての言及（例えば、半径方向、軸方向、近位、遠位、上部、下部、上方、下方、左、右、横方向、前部、後部、頂部、底部、上に、下に、垂直、水平、時計回り、反時計回り、上流側、下流側、前方、後方など）は、本開示の読者の理解を助けるための識別目的のためだけに使用され、特に本明細書に記載される本開示の態様の位置、方向、または使用に関して限定するものではない。接続についての言及（例えば、取り付けられる、結合される、接続される、および接合される）は、広く解釈されるべきであり、別段の指示がない限り、１群の要素間の中間部材および要素間の相対移動を含むことができる。例示される図面は、あくまでも説明を目的とするものであり、添付の図面に反映される寸法、位置、順序、および相対サイズは、様々に変更可能である。本明細書で使用する「セット」または物品のセットという用語は、１つだけを含む、任意の数の前記物品を含むと理解されるべきである。
【００１３】
ここで図１を参照すると、航空機１０は、航空機１０に取り付けられた一対の航空機エンジン１４内に配置された一対の熱交換器１２（破線で示す）を含む。熱交換器１２は、エンジン１４によって発生した熱を放散するのを助ける。熱交換器１２は、図示のようにエンジン１４内だけでなく、航空機１０内のどこにでも配置することができることを理解されたい。例えば、航空機１０の周囲の任意の位置に任意の数の熱交換器を配置することができる。民間旅客機に図示されているが、熱交換器１２は、限定されることなく、固定翼、回転翼、ロケット、民間航空機、個人用航空機、および軍用航空機などの任意のタイプの航空機に使用され得る。さらに、本開示の態様は、航空機の態様にのみ限定されず、他の移動および固定構成に含めることができる。非限定的な例として、移動構成は、地上ベース、水ベース、または追加の空気ベースのビークルを含むことができる。どのような実装形態もそれ自身のスペースの制約および温度または操作上の要求を有する。このように、本明細書に記載の熱交換器１２の特定の態様の設計を、実装の特定のインストール要件に適合するように調整することができる。
【００１４】
ここで図２を参照すると、熱交換器１２は、内側部分２０を画定し、かつ第１の側面２２、第２の側面２４、第３の側面２６、および第４の側面２８としての壁を含む熱交換器コア１６を含むことができる。第１セットの流路３０は、第１の側面２２から第２の側面２４まで延びる。第２セットの流路３４は、第３の側面２６から第４の側面２８まで延びることができる。第１セットの流路３０は、互いに絡み合うなど、第２セットの流路３４と熱的に結合することができる。第１セットの流路３０と第２セットの流路３４とのそのような絡み合いは、例えば、付加的な３Ｄ金属印刷から作られた多面的な、複雑な形状では複雑になり得る。他の例では、流路は、危険経路またはひどく複雑な形状であり得る。あるいは、１つの非限定的な例における鋳造など、第１セットの流路３０および第２セットの流路３４を有するコア１６を形成する他の適切な方法が企図される。このように、熱交換器コア１６を、熱交換器１２用のモノリシックブロックまたはモノリシックコアと見なすことができる。コア１６は、好ましくは、第１セットの流路３０と第２セットの流路３４との間の熱の伝達を容易にするために高い熱伝達係数を有する材料で作られる。そのような適切な材料の１つは、例えばアルミニウムであり得る。高温用途では、ニッケルおよびコバルト合金が可能な代替品である。
【００１５】
外側ハウジング、壁、またはスキン１８がコア１６を囲むことができる。フランジ３２のセットがスキン１８から延びることができ、フランジ３２に設けられたアパーチャ３６を含むことができる。図示されていないが、熱交換器１２の動作中に物理的または熱的負荷を受けるように適合された１つまたは複数の負荷経路をスキン１８に含めることができる。そのような負荷経路は、内側部分２０に形成されることができ、コア１６の形状、または第１セットの流路３０もしくは第２セットの流路３４に依存することができる。スキン１８は、そのような負荷経路に結合してそれを共有することができる。さらに、スキン１８は、構造的または熱的負荷を支えるためにコア１６に沿ってまたはコア１６を通る負荷経路を形成するように適合された追加の構造を含むことができると考えられる。したがって、スキン１８は、熱交換器コア１６を支えるための構造的境界を形成することができ、コア１６を少なくとも部分的に囲むことができ、またはコア１６の一部分のみを囲むことができる。一例では、スキン１８はコア１６と一体であり得る。外側ハウジングまたは外壁およびスキン１８を形成する任意の構造的負荷経路を含むスキン１８は、コア１６の予想動作温度に対するスキン１８の熱膨張係数を決定するように調整された百分率またはニッケル濃度を有する高引張強度の鉄ニッケル合金で作ることができる。
【００１６】
４つのマニホールド４０として示されるマニホールド４０のセットは、コア１６への流体の出入りを提供するために、コア１６または任意選択の外側ハウジング１８またはスキン１８に結合することができる。より具体的には、マニホールド４０のセットは、第１セットの流路３０および第２セットの流路３４への流体の出入りを提供することができる。各マニホールド４０は、マニホールド４０へのまたはマニホールド４０からの流体の出入りを提供する入口平面５６および出口平面５８を含むことができる。マニホールド４０のセットは、入口平面５６または出口平面５８を介して第１セットの流路３０および第２セットの流路３４への流体の出入りを提供することができる。したがって、第１セットの流路３０および第２セットの流路３４に入る流れを有するマニホールド４０の場合、入口平面５６はコア１６から離間し、出口平面５８はコア１６に隣接することができる。同様に、しかし反対に、第１セットの流路３０および第２セットの流路３４から出る流れを提供するマニホールド４０の場合、入口平面５６はコア１６に隣接することができ、出口平面５８はコア１６から離間することができる。本明細書で使用される「平面」は、入口平面５６および出口平面５８に関して、必ずしも幾何学的平面を表したり、幾何学的に平面を意味したりするのではなく、むしろ基準マニホールド４０の入口または出口を画定する境界または閾値を表すものとし、マニホールド４０を通る流れの方向に対するものとすることができることを理解されたい。本体から延びる円筒を有する、実質的に湾曲した円錐体を有するように示されているが、マニホールド４０のセットに対して任意の適切な形状が企図されることを理解されたい。
【００１７】
ここで図３を参照すると、マニホールド４０のセットは、第１の入口マニホールド４２、第１の出口マニホールド４４、第２の入口マニホールド４６、および第２の出口マニホールド４８を含むことができる。マニホールドのセットのうちの１つまたは複数のマニホールドは、コア１６と一体であるか、コアと一体の本体として形成されるか、または単一の全体として形成され得る。取り付けフランジ６２のセットを、マニホールド４０のセットに結合することができる。取り付けフランジ６２を、図１のエンジン１４の一部のような、熱交換器１２を取り付けるための固定構造に取り付けることができる。
【００１８】
第１の入口マニホールド４２は、第１の側面２２で第１セットの流路３０に隣接してコア１６に結合する。リブ５０は、第１の入口マニホールド４２からコア１６まで延びることができる。単一のリブ５０としてのみ示されているが、マニホールド４０の構造的完全性を改善するように適合された本明細書に記載の任意のマニホールド４０と共に任意の数のリブ５０または同様の原位置の構造を利用することができる。
【００１９】
第１の入口６０を、第１セットの流路３０から間隔を置いて第１の入口マニホールド４２内に形成することができる。１つまたは複数の側壁６４は、第１の入口マニホールド４２のための内部６６を画定する、取り付けフランジ６２とコア１６との間に延びることができる第１の入口マニホールド４２を少なくとも部分的に形成することができる。非限定的な例では、第１の入口マニホールド４２は、ニッケル、ニッケルコバルト、またはニッケル合金で作ることができる。一例では、第１の入口マニホールド４２は、鉄ニッケル合金で作ることができ、特定の割合のニッケル、またはニッケル濃度を有するように製造することができる。そのような材料は、コア１６の熱膨張係数（ＣＴＥ）よりも小さい熱膨張係数を有しながら、高い引張強度を提供する。特に、そのような材料は、華氏６００°Ｆまでの増大した強度および耐衝撃性を提供することができ、一方、より粒状化された合金は、１０００°Ｆまでまたはそれ以上の温度を提供することができる。
【００２０】
第１の出口マニホールド４４は、第２の側面２４で第１セットの流路３０に隣接してコア１６に流体的に結合されている。第１の出口８０を、第１セットの流路３０から間隔を置いて、第１の出口マニホールド４４内に形成することができる。第１の出口マニホールド４４を、コア１６に対して第１の入口マニホールド４２の反対側に配置することができ、第１セットの流路３０を介して第１の入口マニホールド４２に流体的に結合することができる。第１の出口マニホールド４４は、第１の入口マニホールド４２と同様の側壁８２および形状を含むことができる。非限定的な例では、第１の入口マニホールド４２と同様に、第１の出口マニホールドは、ニッケル、ニッケルコバルト、または鉄ニッケルなどのニッケル合金で作ることができる。
【００２１】
第２の入口マニホールド４６は、第３の側面２６で第２セットの流路３４に隣接してコア１６に結合する。第２の入口７０を、第２の入口マニホールド４６内に形成することができ、第２セットの流路３４から離間することができる。第１の側壁７２はコア１６から第２の側壁７４まで延びることができる。第２の側壁７４は、第１の側壁７２と実質的に直交するように配置され得るが、任意の向きが考えられる。第１の側壁７２および第２の側壁７４は、第２の入口マニホールド４６のための内部７６を少なくとも部分的に画定することができる。同様に、第２の入口マニホールド４６は、鉄ニッケル合金で作ることができ、そして特定の割合のニッケルまたはニッケル濃度を有するように製造することができる。
【００２２】
第２の出口マニホールド４８は、第４の側面２８で第２セットの流路３４に隣接してコア１６に結合する。第２の出口８４を、第２の出口マニホールド４８に形成することができ、第２セットの流路３４から離間することができる。第２の出口マニホールド４８を、コア１６に対して第２の入口マニホールド４６の反対側に配置することができ、第２セットの流路３４を介して第２の入口マニホールド４６に流体的に結合することができる。さらに、第２の出口マニホールド４８が１つまたは複数のコンプライアント機構を含み得ることが企図されている。
【００２３】
図示の熱交換器１２およびマニホールド４０の構成は例示的なものであり、高温流体と低温流体との間の熱交換を提供するコア１６の任意の適切な形状が適切な熱交換器１２を形成できることを理解されたい。マニホールド４０は単に例示を目的として示されており、１つまたは複数の流体を熱交換器１２またはコア１６に効果的に供給し、１つまたは複数の流体をそこから除去するための任意の適切な形状、プロファイル、配置、または付属品を含むことができることを理解されたい。
【００２４】
動作中、高温流体などの第１の流体を第１セットの流路３０に沿ってコア１６を通して供給することができる。したがって、第１の入口マニホールド４２、第１セットの流路３０、および第１の出口マニホールド４４は、高温の流体経路を形成することができる。第１の入口６０を高温の入口とすることができ、第１の出口８０を高温の出口とすることができる。
【００２５】
第２セットの流路３４に沿ってコア１６を介して低温流体などの第２の流体を供給することができる。したがって、第２の入口マニホールド４６、第１セットの流路３４、および第１の出口マニホールド４４は、低温の流体経路を形成することができる。第２の入口７０を低温の入口とすることができ、第２の出口８４を低温の出口とすることができる。
【００２６】
高温流体と低温流体とが同時に流れる間、コア１６内で熱交換が起こり、高温流体を冷却し、低温流体を加熱する。コア１６内の高温流体と低温流体との間の平均温度は、コア１６を通過する流体の平均温度を画定することができる。高温流体および低温流体の温度に応じて、コア１６の平均温度と第１の入口マニホールド４２および第２の入口マニホールド４６における高温または低温流体との間にそれぞれ大きな温度差または温度勾配が存在し得る。コア１６内の温度の上昇または下降の結果として、コア１６の熱膨張および熱収縮が起こり得る。構造的に剛性のコア１６のこのような膨張および収縮は、コア１６とマニホールド４０との間の接合部に熱応力を生じさせる可能性がある。低温の入口マニホールド流体に隣接するコアの局所的な高温部分の間に、追加の重畳された高温勾配状態が起こり得る。この位置には大きな温度勾配が存在する。コアの低温流体通路と高温入口マニホールド流体との間の局所領域には、反対のおよび同様の状態が存在する。熱応力は、コア１６の著しい温度変化が熱膨張をもたらす結果であり得る。そのような熱応力または構造応力は、熱交換器１２の破損または変形をもたらす可能性があり、それは構成要素の寿命を短くする、またはメンテナンスの増加を必要とする可能性がある。さらに、そのような熱応力は、コア１６を形成する第１セットの流路３０および第２セットの流路３４の複雑な形状の結果として、構造的に堅いコア１６のために悪化する可能性がある。
【００２７】
さらに、コア１６の熱膨張は、マニホールド４０と取り付けフランジ６２との間の接合部に物理的応力を生じさせる可能性がある。その結果、構造的に堅固な取り付けフランジ６２は、熱応力と構造応力または物理的応力との組合せによる増加した応力に起因して、損傷または変形を特に受けやすい可能性がある。
【００２８】
ここで図４を参照すると、プロットグラフ１００は、熱交換器の５つの異なる動作温度についての５つのプロットを示しており、ｘ軸上のニッケルの原子百分率に対してプロットされた、摂氏当たりの百万分率（ｐｐｍ／℃）としてのＣＴＥをｙ軸上に示している。そのような原子百分率は、例えば、鉄ニッケル合金中のニッケルの百分率とすることができ、これを、熱交換器１２またはマニホールド４０などのその一部を形成するために利用することができる。
【００２９】
第１のプロット１０２は、摂氏１５度（℃）の温度の流体を有するマニホールドの動作温度を示している。認められるように、第１のプロット１０２のＣＴＥは、最低でも約３０〜４５原子パーセントのニッケルの間にあり、５ｐｐｍ／℃未満に示されている。
【００３０】
第２のプロット１０４は、２００℃の温度の流体を有するマニホールドの動作温度を示している。第２のプロット１０４のＣＴＥは、最低でも約３５〜４２原子パーセントのニッケルの間にあり、４〜７ｐｐｍ／℃に示されている。
【００３１】
第３のプロット１０６は、３００℃の温度の流体を有するマニホールドの動作温度を示している。第３のプロット１０６のＣＴＥは、最低でも約３８〜５０原子パーセントのニッケルの間にあり、７〜１０ｐｐｍ／℃に示されている。
【００３２】
第４のプロット１０８は、４００℃の流体温度を有するマニホールドの動作温度を示している。第４のプロット１０８のＣＴＥは、最低でも約４５〜５５原子パーセントのニッケルの間にあり、８〜１０ｐｐｍ／℃に示されている。
【００３３】
第５のプロット１１０は、５００℃の流体温度を有するマニホールドの動作温度を示している。第５のプロット１１０のＣＴＥは、最低でも約５０〜５５原子パーセントのニッケルの間にあり、１１〜１３ｐｐｍ／℃に示されている。
【００３４】
したがって、合金についてニッケルが約３８〜５０原子パーセントの範囲１１２であると、約０℃〜５００℃の広範囲の動作温度にわたってＣＴＥを低下させることができる。したがって、約３８〜５０パーセントのニッケルパーセントを有するマニホールド４０は、広範囲の動作条件またはシステムで利用することができる。しかしながら、マニホールド４０は、特定のマニホールド温度または流体温度に合わせて調整された特定の原子パーセントのニッケルを有することができると考えられる。例えば、２００℃で作動すると予想される熱交換器１２において、約３８原子パーセントのニッケルを有するマニホールド４０を利用して、約４ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するように作動させることができる。このように、３５〜５５パーセントのニッケルまたは４０〜５０パーセントのニッケルの範囲を利用して広範囲の動作温度をカバーすることができ、ニッケル割合のより具体的な調整は特定の温度の実施を対象とする。３８〜５０パーセント、または４０〜５０パーセントのニッケルなどのより小さな範囲、または２００℃の動作温度に対して３５〜４０％のニッケルなど、単一の動作温度に合わせて調整されたより小さな範囲も考えられる。
【００３５】
そのような調整がないと、コア１６とマニホールド４０との間の温度勾配、モノリシックコア１６の高い構造剛性、および取り付けフランジ６２のような隣接して固定される境界条件への剛性ハウジング接続に起因して深刻な悪影響が起こり得る。例えば、コア１６の熱成長中、マニホールド４０におけるコアに沿った負荷経路は、熱交換器１２の損傷または低サイクル疲労破断を招く可能性がある局所的な熱応力を引き起こす可能性がある。同様に、熱交換器１２用の取り付けフランジ６２は、マニホールド４０の熱成長を受けやすく、取り付けフランジ６２に物理的応力をもたらす可能性があり、そうでなければ熱交換器１２の損傷または破断を招く可能性がある。
【００３６】
スキン１８またはマニホールド４０のＣＴＥが低下すると、熱交換器１２のその部分の熱成長が低下する。ニッケルの特定の原子百分率を有するニッケル合金を利用することにより、コア１６のＣＴＥよりも小さい減少したＣＴＥを有するように調整することができることを理解されたい。減少したＣＴＥを、熱交換器１２、マニホールド４０の予想される動作温度に基づいて調製するか、またはコア１６とマニホールド４０もしくはスキン１８との間の温度勾配に合わせて調整することができる。ＣＴＥをコア１６よりも小さくなるように減少させるためにニッケル合金を利用することにより、マニホールド４０またはスキン１８、特に熱交換器１２を取り付けるための取り付けフランジ６２における局所的な熱応力を減らすことができる。減少したＣＴＥを有する類似の電着金属合金のような類似の材料が考えられることを理解されたい。そのような類似の合金は、熱交換器の予想される動作温度またはコア１６との温度勾配に基づいてＣＴＥを減少させるために、それぞれの合金の固有の割合を有することができる。さらに、ニッケル合金は高い引張強度を提供することができる。高い引張強度は、熱交換器１２の動作中の熱応力によりよく適合することができ、それは構成要素の寿命を延ばし、メンテナンスを減らすことができる。
【００３７】
ここで図５を参照すると、フローチャートは、本明細書に記載の熱交換器１２などの熱交換器を形成する方法１５０を示している。方法１５０は、コア１６のようなモノリシックコアを形成するステップ１５２で始まる。これは付加製造法または３Ｄ印刷を利用して行うことができる。例えば、コア１６は、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）または直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）を利用して形成され得る。コア１６を形成することは、本明細書に記載の流路３０などの少なくとも第１セットの流路を含むことができる。このような形成は、コア１６を貫通して画定された第１セットの流路３０および第２セットの流路３４を有するモノリシックコア１６を形成することができる。さらに、そのような技術は、第１および第２の流路３０，３４の複雑な形状または構成を提供し、それを通過する流体間の熱交換を容易にすることができる。一例では、コア１６はアルミニウムで形成され得る。コア１６は、第１の熱膨張係数を有することができ、または第１の熱膨張係数を有する材料で作ることができる。一例では、コア１６をアルミニウムなどの第１の材料で作ることができ、第１の熱膨張係数は、２４または２５ｐｐｍ／℃など、２０ｐｐｍ／℃より大きい。
【００３８】
任意選択で、１５４において、スキン１８の少なくとも一部をコア１６上に付加製造することができる。非限定的な例として、スキン１８は、コア１６の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することができる。スキン１８は、電鋳または電気めっきによって形成され得る。例えば、スキン１８は、３５〜５５％のニッケル、または４０〜５０％のニッケルを有するＮｉ−Ｆｅ合金で形成され得るが、予想される動作温度に基づいてその任意の適切な濃度または範囲が企図される。一例では、スキン１８はコア１６上に一体的に形成され得る。
【００３９】
１５６において、第１の入口マニホールド４２のような第１のマニホールド、または高温の入口マニホールドを、コア１６上に付加製造することができる。そのような形成は、複合コア１６および第１のマニホールドとしての単一体、または複合コア１６、スキン１８、および第１のマニホールドとしての単一体を形成することができる。付加製造法は、例えば電鋳、電気めっき、ＤＭＬＭ、またはＤＭＬＳを含むことができ、直流またはパルス電流電源を使用して制御することができる。第１の入口マニホールド４２は、第１セットの流路３０と流体連通する第１の入口６０などの第１の流体入口を画定することができる。第１の入口マニホールド４２の少なくとも一部は、コア１６の熱膨張係数とは異なる、またはそれよりも小さい熱膨張係数を有する、Ｎｉ−Ｆｅ合金などの第２の材料で形成され得る。例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金は、３５〜５５％のニッケル、または４０〜５０％のニッケル、または５〜１０ｐｐｍ／℃の係数を有するニッケルの原子百分率を含むことができる。あるいは、特定の予想される熱交換器の動作温度または温度勾配に合わせて特別に調整された他の割合のニッケルも考えられる。５〜１０ｐｐｍ／℃の熱膨張係数は、約２４ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するアルミニウムのような第１の材料を有するコア１６とは異なり、それよりも小さい。第１の入口マニホールド４２の熱膨張係数が小さいほど、第１の入口マニホールド４２における熱応力を低減することができる。さらに、第１の入口マニホールド４２の第１の部分を第１の熱膨張係数を有するように形成することができ、第１の入口マニホールド４２の第２の部分を第１の部分とは異なる第２の熱膨張係数を有するように形成することができ、ここで、両方の部分は、コア１６の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有すると考えられる。
【００４０】
任意選択で、１５６において、第２の入口マニホールド４６などの第２のマニホールド、または低温入口マニホールドを、コア１６上に付加製造することができる。第２のマニホールドおよびコア１６、またはスキン１８、あるいはその両方は、一体の本体として形成され得る。第２のマニホールドは、第２セットの流路３４と連通する第２の流体入口を画定することができる。第１の入口マニホールドと同様に、第２のマニホールドは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を有するように形成された第２のマニホールドの少なくとも一部のような第２の材料、さらには第３の材料で作ることができ、３５〜５５％または４０〜５０％のニッケルの原子百分率を含むことができ、コア１６の熱膨張係数よりも小さい第２のマニホールドの熱膨張係数を有する。そのような製造法は、電鋳または電気めっきを含むことができ、そして制御された直流またはパルス電流電源を含むことができる。さらに、第２のマニホールドは、第１の入口マニホールドとは異なる、より大きい、またはより小さい熱膨張係数を有するなど、第１の入口マニホールドの熱膨張係数とは異なり、さらにコア１６の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することができる。
【００４１】
非限定的な例では、熱交換器１２は、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、電鋳、または電気めっきなどの１つまたは複数の方法を利用して、付加製造法を利用して形成され得ることを理解されたい。そのような形成は、Ｆｅ−Ｎｉ合金中のニッケル濃度などの材料の局所濃度を決定するために制御された直流またはパルス電流電源を利用することができる。さらに、熱交換器１２の別々の部分は、異なる付加製造方法を用いて形成され得る。例えば、コア１６をＤＭＬＭによって形成することができ、一方、マニホールド４０は電鋳を使用して形成される。そのような方法は、高い熱伝達係数を有するコア１６を可能にし、一方、マニホールド４０を、低いＣＴＥを有するように作ることができる。
【００４２】
ここで図６を参照すると、スキン１８を含むものとして示されているコア１６は、例えばＤＭＬＭまたはＤＭＬＳを利用して予め形成されていてもよい。次にコア１６を浴槽１２０に入れることができる。浴槽１２０には、金属成分溶液１２２が充填され得る。金属成分溶液１２２は、非限定的な例として、Ｎｉ−Ｆｅ合金を含む上記のようなニッケル合金または鉄イオンを担持するニッケルであり得る。浴槽１２０内にアノード１２４を提供することができる。アノード１２４は、例えば、犠牲アノードまたは不活性アノードであり得る。熱交換器１２は、熱交換器１２の別々の表面に沿ってカソード１２６または複数のカソード１２６を形成することができる。示されるように、スキン１８の少なくとも一部はカソード表面１２６を形成することができ、スキン１８はコア１６の少なくとも一部を囲むニッケル鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）合金を有するように形成される。
【００４３】
電気導管１２８は、アノード１２４およびカソード１２６を、熱交換器１２のＮｉ−Ｆｅ部分の電鋳または電気めっきを制御することができる制御された直流またはパルス電流電源１３０に結合する。例えば、浴槽１２０に供給される電流は、電鋳の速度を制御することができ、あるいは熱交換器１２上に形成されるニッケルの濃度を決定するためにさえ使用され得る。
【００４４】
ここで図７を参照すると、犠牲マニホールドモールド１３２をコア１６上に設けることができる。犠牲マニホールドモールド１３２は、犠牲マニホールドモールド１３２での電鋳または電気めっきを可能にする導電性材料で作ることができる。コア１６の残りの部分への電鋳を防止するために非導電性材料で覆うなどして、コア１６またはスキン１８の残りの部分を準備することができる。電気導管１２８は、犠牲マニホールドモールド１３２をカソード１２６として利用して、マニホールド４０をコア１６に電鋳することによって、犠牲マニホールドモールド１３２に結合され得る。アノード１２４に結合された電源１３０もまた、マニホールド４０のコア１６への電鋳または電気めっきを制御することができる。
【００４５】
代替例では、犠牲マニホールドモールド１３２に加えて、スキン１８用に犠牲モールドを作ることができる。このように、スキン１８とマニホールド４０の両方を互いに一体的にかつ同時に形成することができる。
【００４６】
ここで図８を参照すると、マニホールド４０はコア１６に完全に形成され得、熱交換器１２を形成し、熱交換器１２は図５および図６の浴槽１２０から取り外されている。マニホールド４０は、Ｎｉ−Ｆｅ合金から形成され、所定の原子百分率のニッケルを有することができ、これは、マニホールド４０のＣＴＥがコア１６のＣＴＥよりも小さくなるように、マニホールド４０のＣＴＥを減少させるために使用され得る。このように、コア１６は、アルミニウムのような高い熱伝導率を有する材料で作ることができ、一方、マニホールド４０は、より小さいＣＴＥを有する材料で作られる。マニホールド４０のより小さいＣＴＥは、熱交換器の動作中にコア１６の膨張によって引き起こされる熱交換器１２の局所的な熱応力を低減する。
【００４７】
本明細書に記載されているように、１つまたは複数の熱交換器マニホールドの少なくとも一部、もしくはスキンを形成すること、または特定の原子百分率のニッケルを有するニッケル合金で熱交換器の耐荷重部を形成することは、熱交換器のその部分の熱膨張係数を調整するために使用され得ることを理解されたい。より具体的には、熱交換器のその部分は、コアまたは熱交換器の別の部分のＣＴＥよりも小さいＣＴＥを有するように形成され得る。いくつかの例では、マニホールドまたはスキンのＣＴＥは、１５ｐｐｍ／℃未満、または１０ｐｐｍ／℃未満でさえあり得るが、アルミニウムコアは、例えば２４ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有し得る。
【００４８】
本開示の態様は、より低いＣＴＥを有する金属合金から形成された一体型マニホールドおよびスキンを有しながら、アルミニウムなどの材料から形成されたモノリシックコアを可能にする。これは、熱交換器の動作中の熱成長の結果として熱交換器における熱応力の減少をもたらすことができ、これにより、メンテナンスの減少と共に、熱交換器への損傷の減少および動作寿命の増加をもたらすことができる。さらに、マニホールドまたはスキンにニッケル合金を利用することは、コアに利用される材料と比較して、引張強度が増加した熱交換器の部分をもたらすことができる。例えば、ＦｅＮｉ合金は、５００〜９００メガパスカル（ＭＰａ）の極限引張強度を有することができる。したがって、ＣＴＥおよびマニホールドまたはスキンの引張強度は、電鋳合金に含まれるニッケルの割合によって調整され得ることを理解されたい。
【００４９】
本明細書に記載の熱交換器は、所定の原子百分率のニッケルを有するマニホールドまたはスキンをコア上に電鋳するなどの付加製造法で製造することができる。そのような製造は、特定の望ましい原子百分率のニッケルを有するマニホールドまたはスキンの正確な形成を提供する。
【００５０】
加えて、コア１６、スキン１８、およびマニホールド４０などの本明細書に記載の付加製造要素は、熱交換器１２の局所的な構造強度をさらに高めるための原位置の特徴を含むことができることを理解されたい。例えば、追加の強度または構造的完全性を提供するために、リブまたはアイソグリッドを高応力位置で付加製造することができる。そのような原位置の特徴は、熱交換器１２の寿命を改善し、必要なメンテナンスを減らすことができる。
【００５１】
本明細書においては、本明細書に記載される開示の態様を最良の様態を含めて説明するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本開示の態様の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本開示の態様の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言とは違いがない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な違いのない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【００５２】
これまでに説明されていない限りにおいて、種々の態様の異なる特徴および構造を、所望に応じて互いに組み合わせて使用することができる。ある特徴をすべての態様において示すことはできないという事実は、説明を簡潔にするためになされているにすぎず、それが不可能であるとの解釈を意味するものではない。したがって、様々な態様の種々の特徴を所望のとおりに混ぜ合わせて組み合わせることによって新たな態様を形成することが、そのような新たな態様が明示的に記載されているか否かにかかわらず、可能である。本明細書に記載の特徴のすべての組合せまたは置換は、本開示によって包括される。
【００５３】
［実施態様１］
熱交換器（１２）を形成する方法（１５０）であって、前記方法（１５０）は、
第１セットの流路（３０）を有するモノリシックコア（１６）を形成するステップと、
前記モノリシックコア（１６）上に第１のマニホールド（４２）を付加製造するステップであって、前記第１のマニホールド（４２）は、前記第１セットの流路（３０）と流体連通する第１の流体入口（６０）を画定し、前記第１のマニホールド（４２）の少なくとも一部は、前記モノリシックコア（１６）の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、ステップと
を含む、方法（１５０）。
［実施態様２］
前記モノリシックコア（１６）および前記第１のマニホールド（４２）が単一体として形成される、実施態様１に記載の方法（１５０）。
［実施態様３］
前記モノリシックコア（１６）が第１の材料から作られ、前記第１のマニホールド（４２）が前記第１の材料とは異なる第２の材料から作られる、実施態様１に記載の方法（１５０）。
［実施態様４］
前記第２の材料が、３５〜５５％のニッケルを有するニッケル合金である、実施態様３に記載の方法（１５０）。
［実施態様５］
前記第１の材料がアルミニウムである、実施態様４に記載の方法（１５０）。
［実施態様６］
前記付加製造するステップが電鋳するステップを含む、実施態様１に記載の方法（１５０）。
［実施態様７］
前記電鋳するステップが、制御された直流またはパルス電流電源を利用するステップを含む、実施態様６に記載の方法（１５０）。
［実施態様８］
前記モノリシックコア（１６）を形成するステップが、直接金属レーザ溶融するステップまたは直接金属レーザ焼結するステップを含む、実施態様６に記載の方法（１５０）。
［実施態様９］
前記モノリシックコア（１６）を形成するステップが、前記第１セットの流路（３０）から流体的に分離した第２セットの流路（３４）をさらに含む、実施態様１に記載の方法（１５０）。
［実施態様１０］
前記モノリシックコア（１６）上に第２のマニホールド（４６）を付加製造するステップであって、前記第２のマニホールド（４６）は前記第２セットの流路（３４）と流体連通する第２の流体入口（７０）を画定し、前記第２のマニホールド（４６）は前記モノリシックコア（１６）の前記熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、ステップをさらに含む、実施態様９に記載の方法（１５０）。
［実施態様１１］
前記第１のマニホールド（４２）の前記熱膨張係数が前記第２のマニホールド（４６）の前記熱膨張係数とは異なる、実施態様１０に記載の方法（１５０）。
［実施態様１２］
前記モノリシックコア（１６）の少なくとも一部の上にスキン（１８）を付加製造するステップをさらに含み、前記スキン（１８）は前記モノリシックコア（１６）の前記熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、実施態様１に記載の方法（１５０）。
［実施態様１３］
前記第１のマニホールド（４２）が鉄ニッケル合金で作られている、実施態様１に記載の方法（１５０）。
［実施態様１４］
熱交換器（１２）を形成する方法（１５０）であって、前記方法（１５０）は、
第１の熱膨張係数を有する第１の材料から第１セットの流路（３０）を有するモノリシックコア（１６）を形成するステップと、
前記第１の熱膨張係数よりも小さい第２の熱膨張係数を有する第１セットの流路（３０）と流体連通して、前記第１の材料とは異なる第２の材料から前記モノリシックコア（１６）上に第１のマニホールド（４２）を付加製造するステップと
を含み、
前記第２の材料は、３５〜５５％のニッケルを有するニッケル合金である、
方法（１５０）。
［実施態様１５］
前記ニッケル合金が４０〜５０％のニッケルを有する、実施態様１４に記載の方法（１５０）。
［実施態様１６］
前記モノリシックコア（１６）を形成するステップが、直接金属レーザ溶融するステップまたは直接金属レーザ焼結するステップの一方を含み、前記第１のマニホールド（４２）を付加製造するステップが、前記第１のマニホールド（４２）を電鋳するステップを含む、実施態様１４に記載の方法（１５０）。
［実施態様１７］
前記モノリシックコア（１６）および前記第１のマニホールド（４２）が単一体として形成される、実施態様１６に記載の方法（１５０）。
［実施態様１８］
前記モノリシックコア（１６）上にスキン（１８）を付加製造するステップであって、前記スキン（１８）は３５〜５５％のニッケルを有する前記ニッケル合金で作られている、ステップをさらに含む、実施態様１４に記載の方法（１５０）。
［実施態様１９］
第１セットの流路（３０）と第１の熱膨張係数を有するモノリシックコア本体（１６）と、
前記第１セットの流路（３０）のための第１の流体入口（６０）と流体連通しかつ前記第１の流体入口を画定して前記モノリシックコア本体（１６）と一体に形成され、前記第１の熱膨張係数とは異なる第２の熱膨張係数を有する、第１のマニホールド（４２）と、
を備える、熱交換器（１２）。
［実施態様２０］
前記第１の熱膨張係数が前記第２の熱膨張係数よりも小さい、実施態様１９に記載の熱交換器（１２）。
［実施態様２１］
前記モノリシックコア本体（１６）の前記熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する前記モノリシックコア本体（１６）の少なくとも一部を囲むスキン（１８）をさらに備える、実施態様１９に記載の熱交換器（１２）。
［実施態様２２］
前記第１のマニホールド（４２）が、３５〜５５％のニッケルを有するニッケル合金で作られている、実施態様１９に記載の熱交換器（１２）。
［実施態様２３］
前記第１のマニホールド（４２）の前記少なくとも一部分が、５〜１０ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張係数を含む、実施態様１９に記載の熱交換器（１２）。
［実施態様２４］
前記第１の熱膨張係数が２０ｐｐｍ／℃よりも大きい、実施態様２３に記載の熱交換器（１２）。
【符号の説明】
【００５４】
１０  航空機
１２  熱交換器
１４  航空機エンジン
１６  熱交換器コア、モノリシックコア、複合コア
１８  スキン、外側ハウジング
２０  内側部分
２２  第１の側面
２４  第２の側面
２６  第３の側面
２８  第４の側面
３０  第１セットの流路
３２  フランジ
３４  第２セットの流路
３６  アパーチャ
４０  基準マニホールド
４２  第１の入口マニホールド
４４  第１の出口マニホールド
４６  第２の入口マニホールド
４８  第２の出口マニホールド
５０  リブ
５６  入口平面
５８  出口平面
６０  第１の入口
６２  取り付けフランジ
６４  側壁
６６  内部
７０  第２の入口
７２  第１の側壁
７４  第２の側壁
７６  内部
８０  第１の出口
８２  側壁
８４  第２の出口
１００  プロットグラフ
１０２  第１のプロット
１０４  第２のプロット
１０６  第３のプロット
１０８  第４のプロット
１１０  第５のプロット
１１２  範囲
１２０  浴槽
１２２  金属成分溶液
１２４  アノード
１２６  カソード、カソード表面
１２８  電気導管
１３０  直流またはパルス電流電源
１３２  犠牲マニホールドモールド
１５０  方法
【図１】
2019158329.tif 000003
【図２】
2019158329.tif 000004
【図３】
2019158329.tif 000005
【図４】
2019158329.tif 000006
【図５】
2019158329.tif 000007
【図６】
2019158329.tif 000008
【図７】
2019158329.tif 000009
【図８】
2019158329.tif 000010
【外国語明細書】
2019158329000001.pdf