(57)【要約】      （修正有）【課題】より容易に製造でき、熱的および構造的性能の改善のための造作を備えているガスタービンエンジン用の熱交換器を提供する。【解決手段】コンポーネントを冷却するための熱交換器１００が、コンポーネントを少なくとも部分的に取り囲むカウルに結合させられる。熱交換器は、低温の流体の流れ１６４を受け取るための熱交換プレナム１５２を定めるハウジング１３０と、高温の流体の流れ１７２を受け取るための熱交換プレナムを通過する複数の熱交換チューブ１７０とを含む。排出マニホルド１５８が、流体出口１８８を介して熱交換プレナムとカウルプレナムとの間の連通をもたらす排出プレナム１６０を定める。さらに、衝突バッフル１９０が、排出マニホルド１５８を少なくとも部分的に定め、冷却空気を熱交換器に近接するコンポーネントに衝突させるための複数の冷却孔１９４を定める。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲を少なくとも部分的に囲むカウル（１０６）を備えており、該カウル（１０６）は周辺ギャップ（１１８）およびカウルプレナム（１１４）を定めているコンポーネント（１０２）に関し、該コンポーネント（１０２）を冷却するための熱交換器（１００）であって、
熱交換プレナム（１５２）を定めるハウジング（１３０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）を通過する複数の熱交換チューブ（１７０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する入口プレナム（１５６）を定めている入口マニホルド（１５４）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する排出プレナム（１６０）を定めており、前記コンポーネントカウル（１０６）の前記周辺ギャップ（１１８）に位置し、該周辺ギャップ（１１８）を橋渡しする排出マニホルド（１５８）と、
前記排出マニホルド（１５８）によって定められ、前記排出プレナム（１６０）と前記カウルプレナム（１１４）との間の連通をもたらす流体出口（１８８）と、
前記排出マニホルド（１５８）を少なくとも部分的に定め、前記コンポーネント（１０２）との間に衝突ギャップ（１９２）を定め、複数の冷却孔（１９４）を定めている衝突バッフル（１９０）と
を備える熱交換器（１００）。
【請求項２】
前記排出マニホルド（１５８）は、前記衝突ギャップ（１９２）と周囲環境との間の連通をもたらす排出ポート（１９６）を定めている、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項３】
前記入口プレナム（１５６）、前記熱交換プレナム（１５２）、および前記排出プレナム（１６０）は、第１の方向に実質的に沿って延び、前記複数の熱交換チューブ（１７０）は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に実質的に沿って熱交換プレナム（１５２）を通過する、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項４】
前記熱交換チューブ（１７０）は、前記排出マニホルド（１５８）に近接する前記ハウジング（１３０）の第１の側と前記入口マニホルド（１５４）に近接する前記ハウジング（１３０）の第２の側との間の蛇行パターンにて熱交換プレナム（１５２）を通過する、請求項３に記載の熱交換器（１００）。
【請求項５】
前記ハウジング（１３０）は、複数の壁を備え、該複数の壁のうちの少なくとも１つは、該壁と前記熱交換プレナム（１５２）内の前記熱交換チューブ（１７０）との間の実質的に一定のギャップを維持するように輪郭付けられている、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項６】
１つ以上の支持ストラット（１８０）が、前記複数の熱交換チューブ（１７０）のうちの隣り合うチューブの間を延び、該チューブを接続している、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項７】
前記入口プレナム（１５６）内に配置され、冷却空気入口（１６２）と前記複数の熱交換チューブ（１７０）との間を延びている１つ以上のフロースプリッタ（１７８）
を備える、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項８】
前記コンポーネント（１０２）は環状であり、前記コンポーネントカウル（１０６）は、半環状であり、前記コンポーネント（１０２）を囲むように当該熱交換器（１００）に接合される、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項９】
当該熱交換器（１００）は、第１の熱交換器であり、当該熱交換器（１００）は、第２の熱交換器をさらに備え、前記コンポーネントカウル（１０６）は、第１の半分（１１０）および第２の半分（１１２）を備え、前記第１の半分（１１０）および前記第２の半分（１１２）は、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器によって接合される、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１０】
前記熱交換プレナム（１５２）内の冷却空気の流れと、前記複数の熱交換チューブ（１７０）内の高温空気の流れとを受け取るように構成された空気−空気の熱交換器である、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１１】
前記コンポーネントカウル（１０６）は、前記カウルプレナム（１１４）と、前記コンポーネント（１０２）と前記コンポーネントカウル（１０６）との間に定められるカウル衝突ギャップ（１２０）との間の連通をもたらす複数のカウル冷却孔（１１６）を定めている、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１２】
前記コンポーネント（１０２）は、ガスタービンエンジン（１０）の動力タービンであり、前記コンポーネントカウル（１０６）は、動力タービンカウルであり、前記入口プレナム（１５６）は、圧縮機部分（２２）からの抽気と外気との混合物をもたらす前記ガスタービンエンジン（１０）のエジェクタアセンブリ（１２４）に連通し、前記熱交換チューブ（１７０）は、前記ガスタービンエンジン（１０）のＢサンプ熱交換器（１７３）に連通している、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１３】
付加製造装置のベッド上に付加材料の層を堆積させるステップ（２１０）と、
エネルギ源からのエネルギを前記付加材料の層へと選択的に導き、前記付加材料の一部分を融合させるステップ（２２０）と
によって形成された複数の層を備える、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１４】
前記ハウジング（１３０）、前記熱交換チューブ（１７０）、前記入口マニホルド（１５４）、前記排出マニホルド（１５８）、および前記衝突バッフル（１９０）が、単一のモノリシックなコンポーネントとして一体的に形成されている、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１５】
熱交換器（１００）を製造する方法（２００）であって、
付加製造装置のベッド上に付加材料の層を堆積させるステップ（２１０）と、
エネルギ源からのエネルギを前記付加材料の層へと選択的に導き、前記付加材料の一部分を融合させてコンポーネント（１０２）の冷却のための前記熱交換器（１００）を形成するステップ（２２０）と
を含んでおり、
前記コンポーネント（１０２）は、該コンポーネント（１０２）を少なくとも部分的に囲むカウル（１０６）を備え、該カウル（１０６）は、周辺ギャップ（１１８）およびカウルプレナム（１１４）を定めており、
前記熱交換器（１００）は、
熱交換プレナム（１５２）を定めるハウジング（１３０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）を通過する複数の熱交換チューブ（１７０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する排出プレナム（１６０）を定めており、前記コンポーネントカウル（１０６）の前記周辺ギャップ（１１８）に位置し、該周辺ギャップ（１１８）を橋渡しする排出マニホルド（１５８）と
を備える方法（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本主題は、広くには、熱交換器に関し、より詳細には、改善された熱伝達能力、構造的な剛性、および取り付け用の造作を有する付加製造による熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器を、ガスタービンエンジンにおいて、１つ以上の流体の間で熱を移動させるために使用することができる。例えば、比較的高い温度の第１の流体を、第１の通路に通すことができる一方で、比較的低い温度の第２の流体を。第２の通路に通すことができる。第１および第２の通路を、熱的に接触または近接させ、第１の流体から第２の流体への熱の受け渡しを可能にすることができる。このようにして、第１の流体の温度を下げることができ、第２の流体の温度を高めることができる。
【０００３】
従来からの熱交換器は、多数の流体通路を含んでおり、各々の流体通路は、プレート、バー、フォイル、フィン、マニホルド、支持構造体、取り付けフランジ、などの何らかの組み合わせを使用して形成される。これらの部品の各々を、個別に位置決めし、方向付けし、例えばろう付け、溶接、または他の接合方法によって支持構造へと接続しなければならない。このような熱交換器の組み立てに関連する製造時間およびコストはきわめて大きく、流体通路間の流体の漏れまたは全体としての熱交換器からの流体の漏れの可能性が、形成される接合部の数に起因して増大する。さらに、製造上の制限により、例えば流体通路の内部など、熱交換器に取り入れることができる熱交換器の造作および構造部品の数、サイズ、および構成が制約される。
【０００４】
したがって、改善された熱交換器を有するガスタービンエンジンが、有用であると考えられる。より具体的には、製造がより容易であり、熱的および構造的性能を改善するための造作を含むガスタービンエンジン用の熱交換器が、とくに有益であると考えられる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の態様および利点は、以下の説明に一部が記載され、以下の説明から明らかになり、あるいは本発明の実施を通じて知ることができる。
【０００６】
本開示の１つの典型的な実施形態においては、コンポーネントを冷却するための熱交換器が提供される。コンポーネントは、コンポーネントを少なくとも部分的に囲むカウルを含み、カウルは、周辺ギャップおよびカウルプレナムを定めている。熱交換器は、熱交換プレナムを定めるハウジングと、熱交換プレナムを通過する複数の熱交換チューブとを含むことができる。入口マニホルドが、熱交換プレナムと連通する入口プレナムを定め、排出マニホルドが、熱交換プレナムと連通する排出プレナムを定め、排出マニホルドは、コンポーネントカウルの周辺ギャップに配置され、周辺ギャップを橋渡しする。流体出口が、排出マニホルドによって定められ、流体出口は、排出プレナムとカウルプレナムとの間の連通をもたらす。衝突バッフルが、排出マニホルドを少なくとも部分的に定め、衝突バッフルとコンポーネントとの間の衝突ギャップを定め、衝突バッフルは、複数の冷却孔を定めている。
【０００７】
本開示の別の典型的な態様においては、熱交換器を製造する方法が提供される。この方法は、付加製造装置のベッド上に付加材料の層を堆積させるステップと、エネルギ源からのエネルギを付加材料の層へと選択的に導き、付加材料の一部分を融合させて、コンポーネントを冷却するための熱交換器を形成するステップとを含む。コンポーネントは、コンポーネントを少なくとも部分的に囲むカウルを含み、カウルは、周辺ギャップおよびカウルプレナムを定めている。熱交換器は、熱交換プレナムを定めるハウジングと、熱交換プレナムを通過する複数の熱交換チューブとを含むことができる。排出マニホルドが、熱交換プレナムと連通する排出プレナムを定め、排出マニホルドは、コンポーネントカウルの周辺ギャップに配置され、周辺ギャップを橋渡しする。
【０００８】
本開示のさらに別の典型的な態様においては、環状のケーシングと、カウルギャップを定めるようにケーシングから離間して位置するカウルアセンブリとを含むアセンブリが提供され、カウルアセンブリは、カウルプレナムと、カウルプレナムとカウルギャップとの間の連通をもたらす複数のカウル冷却孔と、周辺ギャップとを定めている。熱交換器が、カウルアセンブリの周辺ギャップに配置される。熱交換器は、熱交換プレナムを定めるハウジングと、熱交換プレナムを通過する複数の熱交換チューブとを含むことができる。入口マニホルドが、熱交換プレナムと連通する入口プレナムを定め、排出マニホルドが、熱交換プレナムと連通する排出プレナムを定め、排出マニホルドは、コンポーネントカウルの周辺ギャップに配置され、周辺ギャップを橋渡しする。流体出口が、排出マニホルドによって定められ、流体出口は、排出プレナムとカウルプレナムとの間の連通をもたらす。衝突バッフルが、排出マニホルドを少なくとも部分的に定め、衝突バッフルとコンポーネントとの間の衝突ギャップを定め、衝突バッフルは、複数の冷却孔を定めている。
【０００９】
本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、明細書の説明と併せて本発明の原理を説明する役に立つ。
【００１０】
当業者へと向けられた本発明の最良の態様を含む本発明の充分かつ本発明を実施可能にする開示が、添付の図面を参照する本明細書において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本主題の種々の実施形態に係る典型的なガスタービンエンジンの概略の断面図である。
【図２】本主題の典型的な実施形態による図１の典型的なガスタービンエンジンにおいて使用することができる動力タービンアセンブリおよび付加製造による熱交換器の分解斜視図を示している。
【図３】本主題の典型的な実施形態による図２の典型的な熱交換器の斜視図を示している。
【図４】本主題の典型的な実施形態による図２の典型的な熱交換器の別の斜視図を示している。
【図５】本主題の典型的な実施形態による図２の典型的な熱交換器の別の斜視図を示している。
【図６】図５の線６−６に沿って得た図２の典型的な熱交換器の断面図を示している。
【図７】図２の典型的な熱交換器の別の断面図を示している。
【図８】図２の典型的な熱交換器の別の断面図を示している。
【図９】図２の典型的な熱交換器の別の断面図を示している。
【図１０】図２の典型的な熱交換器の一部分の斜視図を示している。
【図１１】本主題の典型的な実施形態による図２の典型的な熱交換器の構造支持体の拡大図を示している。
【図１２】本主題の典型的な実施形態による熱交換器の製造方法である。
【００１２】
本明細書および図面における参照文字の反復的な使用は、本発明の同一または類似の造作または要素を表すように意図されている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の現在の実施形態を詳しく参照するが、それらの実施形態の１つ以上の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明においては、数字および文字による標記を、図中の各特徴を指して使用する。図面および説明における類似または同様の標記は、本発明の類似または同様の部分を指して使用されている。本明細書において使用されるとき、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、或るコンポーネントを別のコンポーネントから区別するために入れ換え可能に使用することができ、個々のコンポーネントの位置または重要性を意味するものではない。「前方」および「後方」という用語は、ガスタービンエンジン内の相対的な位置を指し、前方はエンジンの入口に近い位置を指し、後方はエンジンのノズルまたは排気部に近い位置を指す。「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。さらに、本明細書において使用されるとき、「約」、「実質的に」、または「ほぼ」などといった近似の用語は、１０パーセントの誤差範囲内であることを指す。
【００１４】
本開示は、一般に、コンポーネントを冷却するための熱交換器であって、コンポーネントを少なくとも部分的に取り囲むカウルに結合した熱交換器に関する。カウルは、カウルプレナムと、熱交換器を受け入れるための周辺ギャップとを定める。熱交換器は、低温の流体の流れを受け取るための熱交換プレナムを定めるハウジングと、高温の流体の流れを受け取るための熱交換プレナムを通過する複数の熱交換チューブとを含む。排出マニホルドが、流体出口を介して熱交換プレナム（とカウルプレナムとの間の連通をもたらす排出プレナムを定める。さらに、衝突バッフルが、排出マニホルドを少なくとも部分的に定め、冷却空気を熱交換器に近接するコンポーネントに衝突させるための複数の冷却孔を定める。
【００１５】
ここで図面を参照すると、図１は、本開示の典型的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略の断面図である。より詳細には、図１の実施形態において、ガスタービンエンジンは、本明細書において「ターボプロップエンジン１０」と称される逆流ターボプロップエンジン１０である。図１に示されるように、ターボプロップエンジン１０は、（参照用に提示された長手方向の中心線または中心軸１２に平行に延びる）軸線方向Ａと、半径方向Ｒと、軸線方向Ａの周囲に位置する周方向Ｃ（図示せず）とを定める。ターボプロップエンジン１０は、一般に、ファン部分１４と、ファン部分１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１６とを含み、ファン部分１４は、コアタービンエンジン１６と一緒に動作でき、コアタービンエンジン１６によって駆動される。
【００１６】
図示の典型的なコアタービンエンジン１６は、一般に、おおむね軸線方向Ａに沿って延びる実質的に管状の外ケーシング１８を含む。外ケーシング１８は、一般に、コアタービンエンジン１６を囲み、単一のケーシングまたは複数のケーシングから形成されてよい。コアタービンエンジン１６は、圧縮機２２、燃焼部分２６、ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、および排気部分３２を、直列な流れの関係にて含む。空気の流路が、一般に、互いに連通した圧縮機２２、燃焼部分２６、ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、および排気部分３２を通って延びる。
【００１７】
高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール３４が、ＨＰタービン２８を圧縮機２２へと駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール３６が、ＬＰタービン３０をターボプロップエンジン１０のファン部分１４へと駆動可能に接続する。図示の実施形態に関して、ファン部分１４は、可変ピッチファン３８を含み、可変ピッチファン３８は、互いに間隔を空けた様相でディスク４２に結合した複数のファンブレード４０を有する。図示のとおり、ファンブレード４０は、おおむね半径方向Ｒに沿ってディスク４２から外方向に延びている。各々のファンブレード４０は、ファンブレード４０のピッチを一斉にまとめて変化させるように構成された適切な駆動部材４４へとファンブレード４０が動作可能に結合させられているおかげで、ピッチ軸Ｐを中心にしてディスク４２に対して回転可能である。ファンブレード４０、ディスク４２、および駆動部材４４は、動力ギアボックス４６を横切るＬＰシャフト３６によって長手軸１２を中心にして一緒に回転可能である。動力ギアボックス４６は、ＬＰシャフト３６の回転速度をより効率的なファンの回転速度へと減速するための複数のギアを備えており、１つ以上の結合システムを介してコアフレームまたはファンフレームの一方または両方へと取り付けられる。ディスク４２は、複数のファンブレード４０を通る空気流を促進するように空気力学的に成形された回転可能な前部ハブ４８によって覆われる。
【００１８】
ターボプロップエンジン１０の動作時、空気５０がファン３８のブレード４０を通過し、コアタービンエンジン１６の環状の入口５２へと送られる。より具体的には、ターボプロップエンジン１０は、環状の入口５２を定める吸気部本体５４を含み、環状の入口５２は、空気５０の流れの吸気部分を入口５２から下流へと圧縮機２２に導く。圧縮機２２は、圧縮機ステータベーン６０の１つ以上の連続段、圧縮機ロータブレード６２の１つ以上の連続段、およびインペラ６４を含む。圧縮機ステータベーン６０の１つ以上の連続段は、外ケーシング１８に結合し、圧縮機ロータブレード６２は、ＨＰシャフト３４に結合しており、空気５０の流れを徐々に圧縮する。インペラ６４は、空気５０をさらに圧縮し、圧縮された空気５０を燃焼部分２６へと導き、燃焼部分２６において空気５０が燃料と混合される。燃焼部分２６は、空気／燃料混合物を燃焼させて燃焼ガス６８をもたらす燃焼器６６を含む。
【００１９】
燃焼ガス６８は、タービンステータベーン７０の１つ以上の連続段と、タービンブレード７２の１つ以上の連続段とを含むＨＰタービン２８を通って流れる。タービンステータベーン７０の１つ以上の連続段は、外ケーシング１８に結合し、タービンブレード７２は、ＨＰシャフト３４に結合しており、熱および／または運動エネルギを抽出する。次いで、燃焼ガス６８は、ＬＰタービン３０を通って流れ、ＬＰタービン３０において、さらなるエネルギが、タービンステータベーン７０およびＬＰシャフト３６に結合したタービンブレード７２のさらなる段によって抽出される。ＨＰタービン２８からのエネルギ抽出は、ＨＰシャフト３４を介して圧縮機２２の動作をもたらし、ＬＰタービン３０からのエネルギ抽出は、ＬＰシャフト３６を介してファン部分１４の動作をもたらす。燃焼ガス６８は、排気部分３２を通ってターボプロップエンジン１０を出る。
【００２０】
図１に示した典型的なターボプロップエンジン１０が、あくまでも例示にすぎず、他の典型的な実施形態において、ターボプロップエンジン１０が任意の他の適切な構成を有してよいことを、理解すべきである。例えば、他の典型的な実施形態においては、ターボプロップエンジン１０が、代わりに、ターボファンエンジン、ターボジェットエンジン、内燃機関、などの任意の他の適切なタービンエンジンとして構成されてもよいことを、理解すべきである。さらに、上述したターボプロップエンジン１０は、固定翼機または回転翼機における使用のための航空ガスタービンエンジンであるが、他の典型的な実施形態においては、ターボプロップエンジン１０を、陸上の産業用ガスタービンエンジンまたは航空転用ガスタービンエンジンなどの任意のいくつかの用途に用いられる任意の適切な種類のガスタービンエンジンとして構成することができる。
【００２１】
さらに、他の典型的な実施形態において、タービンエンジンは、任意の適切な数の圧縮機、タービン、シャフト、などを含むことができる。例えば、理解されるように、ＨＰシャフト３４およびＬＰシャフト３６を、任意の適切な目的のための任意の適切な装置にさらに結合させることができる。例えば、特定の典型的な実施形態においては、図１のターボプロップエンジン１０は、ヘリコプタのプロペラを駆動するために利用することができ、航空転用の用途において利用することができ、あるいは飛行機のプロペラに取り付けることができる。さらに、他の典型的な実施形態において、ターボプロップエンジン１０は、任意の他の適切な種類の燃焼器を含むことができ、図示の典型的な逆流燃焼器を含まなくてもよい。
【００２２】
さらに図１を参照すると、ターボプロップエンジン１０は、１つ以上の熱交換器１００を含むことができる。例えば、熱交換器１００を、任意の適切な用途において２つ以上の流体の間で熱を伝達するために使用することができる。例えば、以下で説明されるように、熱交換器１００を、冷却空気の流れを使用してＢサンプ（Ｂ−ｓｕｍｐ）熱交換器からの高温の空気を冷却し、さらにはコンポーネントのケーシングを冷却するように構成することができる。より具体的には、冷却空気を用いて、一般的に動力タービンアセンブリ１０２と称されるＨＰタービン２８および／またはＬＰタービン３０のケーシングを冷却することができ、この典型的な実施形態が、図２に示されている。
【００２３】
しかしながら、熱交換器１００を、いくつかの例が本明細書において説明される熱伝達プロセスにおいて使用するための任意の適切な数および種類の流体を受け取るように構成できることを、理解すべきである。さらに、熱交換器１００を、流体の温度差を利用して熱の伝達行うためにターボプロップエンジン１０内の任意の他の適切な場所に配置することができる。以下の説明は、熱交換器１００の構成に言及するが、熱交換器１００は、本主題の態様を説明する目的のみに使用されることを、理解されたい。実際、本主題の態様は、流体間の熱伝達を助けるために自動車、航空、海洋、および他の産業において使用される熱交換器を形成するために適用可能である。
【００２４】
一般に、本明細書に記載の熱交換器１００の典型的な実施形態は、任意の適切なプロセスを使用して製造または形成することが可能である。しかしながら、本主題のいくつかの態様によれば、熱交換器１００を、３Ｄ印刷プロセスなどの付加製造プロセスを使用して形成することができる。そのようなプロセスを使用することにより、熱交換器１００を、単一のモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）なコンポーネントまたは任意の適切な数のサブコンポーネントとして、一体的に形成することができる。とくには、この製造プロセスによれば、熱交換器１００を一体的に形成することができ、熱交換器１００が、これまでの製造方法を用いた場合には不可能な種々の造作を含むことができる。例えば、本明細書に記載の付加製造方法は、これまでの製造方法を用いたのでは不可能な種々の造作、構成、厚さ、材料、密度、流体通路、および取り付け構造を有する熱交換器の製造を可能にする。これらの新規な特徴のいくつかが、本明細書に記載される。
【００２５】
本明細書において使用されるとき、用語「付加製造による・・・」または「付加製造技術またはプロセス」は、一般に、材料の順次の層が、３次元のコンポーネントを層ごとのやり方で「ビルドアップ（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）」するために互いに重ねて設けられる製造プロセスを指す。順次の層は、一般的には融合して、種々の一体的なサブコンポーネントを有することができるモノリシックなコンポーネントを形成する。付加製造技術が、本明細書においては、物体を典型的には垂直方向に点ごとおよび層ごとのやり方で作り上げることによって複雑な物体の製造を可能にするものとして説明されるが、他の製造方法も可能であり、本主題の範囲に包含される。例えば、本明細書における検討は、順次の層を形成するための材料の付加に関するが、本明細書に開示される方法および構造を、任意の付加製造方法または製造技術によって実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、本発明の実施形態は、層付加プロセス、層除去プロセス、または混成プロセスを使用することができる。
【００２６】
本開示による適切な付加製造技術として、例えば、熱溶解積層法（Ｆｕｓｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ、ＦＤＭ）、選択的レーザ焼結（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ、ＳＬＳ）、インクジェットおよびレーザジェットなどによる３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ（Ｓｔｅｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ、ＳＬＡ）、直接選択レーザ焼結（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ、ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ、ＥＢＳ）、電子ビーム溶融（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｍｅｌｔｉｎｇ、ＥＢＭ）、レーザエンジニアードネットシェイピング（Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｎｅｔ  Ｓｈａｐｉｎｇ、ＬＥＮＳ）、レーザネットシェイプ製造（Ｌａｓｅｒ  Ｎｅｔ  Ｓｈａｐｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、ＬＮＳＭ）、直接金属堆積（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＤＭＤ）、デジタル光加工（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、ＤＬＰ）、直接選択レーザ溶融（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ、ＤＳＬＭ）、選択的レーザ溶融（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ、ＳＬＭ）、直接金属レーザ溶融（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ、ＤＭＬＭ）、および他の公知のプロセスが挙げられる。
【００２７】
本明細書に記載の付加製造プロセスを、任意の適切な材料を使用してコンポーネントを形成するために使用することができる。例えば、材料は、プラスチック、金属、コンクリート、セラミック、ポリマー、エポキシ、フォトポリマー樹脂、あるいは個体、液体、粉末、シート材、ワイヤ、または任意の他の適切な形態であってよい任意の他の適切な材料であってよい。より具体的には、本主題の典型的な実施形態によれば、本明細書に記載の付加製造によるコンポーネントを、これらに限られるわけではないが純金属、ニッケル合金、クロム合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ならびにニッケルまたはコバルト系超合金（例えば、Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）という名称で入手可能な超合金）などの材料で部分的または完全に形成でき、あるいはこれらの材料の何らかの組み合わせにて形成することができる。これらの材料は、本明細書に記載の付加製造プロセスでの使用に適した材料の例であり、一般に「付加材料」と呼ばれることがある。
【００２８】
加えて、これらの材料を接合するための種々の材料および方法が、使用可能であり、本開示の技術的範囲に包含されると考えられることを、当業者であれば理解できるであろう。本明細書において使用されるとき、「融合」への言及は、上述の材料の任意のいずれかから接合された層を生み出すための任意の適切なプロセスを指すことができる。例えば、物体がポリマーから作られている場合、融合は、ポリマー材料の間に熱硬化性の接合を生み出すことを指すことができる。物体がエポキシである場合、接合を、架橋結合プロセスによって形成することができる。材料がセラミックである場合、接合を、焼結プロセスによって形成することができる。材料が粉末状の金属である場合、接合を、溶融または焼結プロセスによって形成することができる。付加製造によってコンポーネントを製作するために材料を融合させる他の方法が可能であり、本開示の主題をそれらの方法にて実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。
【００２９】
加えて、本明細書に開示の付加製造プロセスは、単一のコンポーネントを複数の材料から形成することを可能にする。したがって、本明細書に記載のコンポーネントを、上記の材料の任意の適切な混合物から形成することができる。例えば、コンポーネントは、異なる材料および／またはプロセスを使用し、さらには／あるいは異なる付加製造装置において形成された複数の層、セグメント、または部品を含むことができる。このようにして、任意の特定の用途の要求を満たすための異なる材料および材料特性を有するコンポーネントを製作することができる。さらに、本明細書に記載のコンポーネントは、全体が付加製造プロセスによって製作されているが、代案の実施形態において、これらのコンポーネントのすべてまたは一部分が、鋳造、機械加工、および／または任意の他の適切な製造プロセスによって形成されてよいことを、理解すべきである。実際、これらのコンポーネントを形成するために、材料および製造方法の任意の適切な組み合わせを使用することができる。
【００３０】
次に、典型的な付加製造プロセスを説明する。付加製造プロセスは、コンポーネントの例えば３次元（３Ｄ）コンピュータモデルなどの３次元情報を使用してコンポーネントを製造する。したがって、コンポーネントの３次元設計モデルを製造前に定義することができる。この点に関して、コンポーネントのモデルまたは試作品を走査して、コンポーネントの３次元情報を決定することができる。別の例として、コンポーネントのモデルを、コンポーネントの３次元設計モデルを定義するための適切なコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムを使用して構築することができる。
【００３１】
設計モデルは、コンポーネントの外面および内面の両方を含むコンポーネントの構成全体の３Ｄ数値座標を含むことができる。例えば、設計モデルは、本体、表面、および／または開口、支持構造、などの内部通路を定義することができる。１つの典型的な実施形態において、３次元設計モデルは、例えばコンポーネントの中心（例えば、垂直）軸または任意の他の適切な軸に沿って複数のスライスまたはセグメントに変換される。各々のスライスは、スライスの予め定められた高さにわたるコンポーネントの薄い断面を定めことができる。複数の連続する断面スライスが、３Ｄコンポーネントを協働して形成する。したがって、コンポーネントは、完成するまでスライスごとまたは層ごとのやり方で「ビルドアップ」される。
【００３２】
このようにして、本明細書に記載のコンポーネントを、付加プロセスを使用して製造することができ、より具体的には、各々の層が、例えばレーザエネルギまたは熱を用いるプラスチックの融合または重合あるいは金属粉末の焼結または溶融によって、順次に形成される。例えば、特定の種類の付加製造プロセスは、粉末材料を焼結し、あるいは溶融させるために、エネルギビーム、例えば電子ビームまたはレーザビームなどの電磁放射線を使用する。出力、レーザビームのスポットサイズ、および走査速度に関する考慮事項など、任意の適切なレーザおよびレーザパラメータを使用することができる。製作材料を、とくには高い温度における高い強度、耐久性、および使用寿命に関して選択される任意の適切な粉末または材料によって形成することができる。
【００３３】
各々の順次の層は、例えば約１０μｍ〜２００μｍの間であってよいが、厚さは、任意の数のパラメータに基づいて選択でき、選択肢としての実施形態に応じて任意の適切なサイズであってよい。したがって、上述の付加形成法を利用して、本明細書に記載のコンポーネントは、例えば１０μｍなど、付加形成プロセスにおいて利用される関連の粉末層の１つの厚さと同様の薄さの断面を有することができる。
【００３４】
さらに、付加プロセスを利用して、コンポーネントの表面仕上げおよび造作は、用途次第で必要に応じてさまざまであってよい。例えば、表面仕上げを、付加プロセスの最中に、とりわけ部品表面に対応する断面層の外面において、適切なレーザ走査パラメータ（例えば、レーザ出力、走査速度、レーザ焦点スポットサイズ、など）を選択することによって調整する（例えば、より平滑にし、あるいはより粗くする）ことができる。例えば、レーザの走査の速度を高め、あるいは形成される溶融池のサイズを小さくすることによって、より粗い仕上げを達成することができ、レーザの走査の速度を下げ、あるいは形成される溶融池のサイズを大きくすることによって、より滑らかな仕上げを達成することができる。走査パターンおよび／またはレーザ出力を変更することで、選択された領域の表面仕上げを変えることも可能である。
【００３５】
とりわけ、典型的な実施形態において、本明細書に記載のコンポーネントのいくつかの造作は、これまでは製造上の制約ゆえに不可能であった。しかしながら、本発明の発明者は、付加製造技術における最新の進歩を好都合に利用して、おおむね本開示によるこのようなコンポーネントの典型的な実施形態を開発した。本開示は、これらのコンポーネントを一般的に形成するための付加製造の使用に限定されないが、付加製造は、製造の容易さ、コストの低減、精度の向上など、さまざまな製造上の利点を提供する。
【００３６】
この点に関し、付加製造法を利用し、複数の部分からなるコンポーネントでさえも、連続的な金属の単一片として形成することができ、したがって含まれるサブコンポーネントおよび／または接合部を、これまでの設計と比べて少なくすることができる。付加製造によるこれらの複数部分からなるコンポーネントの一体的形成は、全体としての組み立てプロセスを好都合に改善し得る。例えば、一体的形成は、組み立てなければならない別個の部品の数を減らすことにより、関連の時間および全体としての組み立てコストを低減する。加えて、例えば、漏れ、別個の部品間の接合品質、および全体としての性能に関する既存の問題を、好都合に軽減することができる。
【００３７】
また、上述の付加製造法は、本明細書に記載のコンポーネントのきわめて複雑で入り組んだ形状および輪郭を可能にする。例えば、そのようなコンポーネントは、薄い付加製造による層および一体的な取り付け造作を有する独特な流体通路を含むことができる。加えて、付加製造プロセスは、コンポーネントの異なる部分が異なる性能特性を示すことができるように、異なる材料を有する単一のコンポーネントの製造を可能にする。製造プロセスの順次の付加的性質が、これらの新規な特徴の構築を可能にする。結果として、本明細書に記載のコンポーネントは、改善された熱伝達効率および信頼性を示すことができる。
【００３８】
ここで図２を参照し、本主題の典型的な実施形態による熱交換器１００を含む動力タービンアセンブリ１０２が説明される。より具体的には、図２は、動力タービンアセンブリ１０２の種々のコンポーネントを示すための動力タービンアセンブリ１０２の分解図を示している。しかしながら、熱交換器１００および動力タービンアセンブリ１０２のいくつかの部分が、図２には示されていないことを理解すべきである。さらに、図２が、本主題の態様を説明する目的のために熱交換器１００および動力タービンアセンブリ１０２の１つの典型的な構成のみを示しておるにすぎず、限定を意図するものではないこと、理解すべきである。
【００３９】
図示の典型的な実施形態によれば、動力タービンアセンブリ１０２は、一般に、例えばタービンのステータベーン７０およびロータブレード７２などのＨＰタービン２８およびＬＰタービン３０の動作コンポーネントを取り囲む環状のタービンケーシング１０４を含む。とりわけターボプロップエンジン１０の動作時に、タービンケーシング１０４は、例えば内部を通る燃焼ガスゆえに、きわめて高い温度に曝される可能性がある。タービンケーシング１０４の冷却を促進するために、動力タービンアセンブリ１０２は、タービンケーシング１０４を取り囲み、後述されるようにタービンケーシング１０４の外面１０８へと冷却空気をもたらすカウル１０６をさらに含む。
【００４０】
図示されているように、カウル１０６は、それぞれがカウルプレナム１１４を定めている第１の半分１１０および第２の半分１１２を含む。さらに、複数の冷却孔１１６が、カウル１０６の第１の半分１１０および第２の半分１１２の半径方向内側の表面に定められている。以下で詳細に説明されるように、カウル１０６の第１の半分１１０および第２の半分１１２は、２つの熱交換器１００を使用して一体に接合される。より具体的には、第１の半分１１０および第２の半分１１２は、１つ以上の熱交換器１００によって埋められる周辺ギャップ１１８を定める。組み立てられると、第１の半分１１０、第２の半分１１２、および熱交換器１００は、タービンケーシング１０４を少なくとも部分的に囲み、半径方向Ｒに沿ってタービンケーシングとカウル１０６との間に衝突ギャップ１２０を定める。
【００４１】
熱交換器１００は、それぞれのカウルプレナム１１４の間の連通をもたらすことで、冷却空気を冷却孔１１６を通過する前に分配することができる単一の環状プレナムを定める。冷却空気の流れは、タービンケーシング１０４の外面１０８に衝突するように衝突ギャップ１２０へと向けられる。このようにして、タービンケーシング１０４および動力タービンアセンブリ１０２の温度を、調整することができる。カウル１０６は、例えば、衝突ギャップ１２０と周囲の環境との間の連通をもたらすことで、冷却空気を衝突ギャップ１２０から流出させ、新たな冷却空気を衝突ギャップ１２０に流入させて、タービンケーシング１０４の外面１０８に衝突させることができるように、円周方向に間隔を空けつつ位置した複数のカウル排出ポート１２２をさらに定める。
【００４２】
本主題の典型的な実施形態によれば、冷却空気を、任意の適切な供給源から熱交換器１００を通ってカウルプレナム１１４へと供給することができる。図２に概略的に示されるように、冷却空気は、エジェクタアセンブリ１２４によって熱交換器１００を介してカウルプレナム１１４へと供給される。エジェクタアセンブリ１２４は、ターボプロップエンジン１０の圧縮機２２からの抽気の流れをエジェクタアセンブリ１２４に通すことで、例えば大気からの周囲空気またはターボプロップエンジン１０の外ケーシング１８の内側の周囲空気を取り込むように構成される。このようにして、抽気と周囲空気との混合物が、熱交換器１００を通過する。動力タービンアセンブリ１０２について上述した冷却装置が、冷却装置の一例にすぎないことを理解すべきである。他のコンポーネント、造作、および構成も可能であり、本主題の範囲に包含される。
【００４３】
次に図３〜図１１を全体的に参照し、本主題の典型的な実施形態による熱交換器１００を説明する。図示のように、熱交換器１００は、例えば横方向Ｌなどの第１の方向に沿って左側面１３２と右側面１３４との間を延びるハウジング１３０を含む。さらに、ハウジング１３０は、例えば垂直方向Ｖなどの第２の方向に沿って下面１３６と上面１３８との間を延びている。ハウジング１３０は、例えば横断方向Ｔなどの第３の方向に沿って前面１４０と後面１４２との間を延びている。図示の実施形態によれば、横方向Ｌ、垂直方向Ｖ、および横断方向Ｔは、直交座標系がおおむね定められるように互いに直交している。
【００４４】
しかしながら、典型的な熱交換器１００およびＬ−Ｖ−Ｔ座標系が、本明細書において本主題の態様を説明する目的で使用されているにすぎず、本開示の範囲を限定しようとするものではないことを、理解すべきである。この点に関し、「左」および「右」、「上」および「下」、ならびに「前」および「後」などの方向の指示は、それぞれＬ方向、Ｖ方向、およびＴ方向に沿った熱交換器１００の種々の部分の相対的な位置を示すために使用されているにすぎない。
【００４５】
図示の実施形態によれば、ハウジング１３０は、一般に、熱交換プレナム１５２を定める複数の壁１５０を含む。より具体的には、ハウジング１３０は、実質的に垂直方向Ｖに沿って延びる４つの壁１５０を含む。本主題の典型的な実施形態によれば、熱交換器１００は、ハウジング１３０の一方側に取り付けられたバックプレート１４４をさらに含むことができる。例えば、図２に示されるように、バックプレート１４４は、ハウジング１３０の左側面１３２に取り付けられる。より具体的には、バックプレート１４４は、ハウジング１３０の左側面１３２に定められたピン開口部１４８（分かり易くするためにバックプレート１４４が取り除かれている図３を参照）に受け入れられるピン１４６を使用して取り付けられる。バックプレート１４４は、一般に、熱交換チューブ１７０（後述）とハウジング１３０の壁１５０との間の熱膨張の相違に起因する応力を回避しつつシール機能を果たすように構成される。ピン１４６により、バックプレート１４４は、ハウジングの左側面１３２との整列およびシールを維持しながら、横方向Ｌに沿って移動することができる。
【００４６】
熱交換器１００は、入口プレナム１５６を定める入口マニホルド１５４と、排出プレナム１６０を定める排出マニホルド１５８とをさらに含む。図示のとおり、入口プレナム１５６が熱交換プレナム１５２と連通し、熱交換プレナム１５２が排出プレナム１６０と連通するように、壁１５０が入口マニホルド１５４と排出マニホルド１５８との間を延びている。このようにして、入口プレナム１５６、熱交換プレナム１５２、および排出プレナム１６０は、実質的に垂直方向Ｖに沿って延び、冷却空気入口１６２と排出プレナム１６０との間の冷却空気流路を定める。図４に示されるように、例えばエジェクタアセンブリ１２４からの冷却空気の流れ（矢印１６４で示されている）が、冷却空気流路に沿って熱交換器１００を通過する。
【００４７】
次に図６〜図１０をさらに参照すると、熱交換器１００は、熱交換プレナム１５２を通過する複数の熱交換チューブ１７０をさらに含む。例えば、熱交換チューブ１７０は、例えば横方向Ｌなど、第１の方向に垂直な第２の方向に実質的に沿って熱交換プレナム１５２を通過するものとして図示されている。熱交換チューブ１７０は、一般に、高温空気の流れ（図４において矢印１７２によって示されている）を受け取るように構成される。高温空気を、例えばターボプロップエンジン１０のＢサンプを冷却するために使用されるＢサンプ熱交換器１７３（図２）など、ターボプロップエンジン１０内の別の熱交換器に連通させることができる。したがって、図示の実施形態によれば、熱交換器１００は、熱交換プレナム１５２内の低温空気の流れ１６４と、複数の熱交換チューブ１７０内の高温空気の流れ１７２とを受け取るように構成された空気−空気の熱交換器である。しかしながら、熱交換器１００を、代案において、任意の適切な目的のために任意の２つ以上の流体の間で熱エネルギを交換するために使用できることを、理解すべきである。
【００４８】
熱交換チューブ１７０は、チューブ入口マニホルド１７４およびチューブ出口マニホルド１７６を介して高温流体の供給源と連通でき、チューブ入口マニホルド１７４およびチューブ出口マニホルド１７６の各々は、入口マニホルド１５４に関して本明細書において説明したやり方と同様のやり方で形成することが可能である。図示のとおり、熱交換チューブ１７０は、例えば排出マニホルド１５８に近接するハウジング１３０の下面１３６などの第１の側から出発して、例えば入口マニホルド１５４に近接するハウジング１３０の上面１３８などの第２の側に向かって曲がる垂直方向に沿った蛇行パターンにて熱交換プレナム１５２を通過する。このようにして、高温空気１７２は、冷却空気１６４をクロスフローの構成で複数回通過する。
【００４９】
熱交換器１００は、熱交換器１００における冷却空気１６４または他の流体の流れ、熱交換器１００の熱伝達効率、熱交換器１００の構造剛性、などを改善するための種々の造作を定めることができる。例えば、図５および図６に最もよく示されるように、熱交換器１００は、熱交換流体の流れを所望のとおりに分割し、あるいは合流させるために、種々の流体入口および出口に配置される１つ以上のフロースプリッタ１７８を含む。例えば、入口マニホルド１５４を例として使用すると、１つ以上のフロースプリッタ１７８が、入口プレナム１５６内に配置され、冷却空気入口１６２と熱交換チューブ１７０に近接する熱交換プレナム１５２の上部との間を延びる。フロースプリッタ１７８を、用途および熱交換流体の種類に応じて、必要とされるとおりの任意の適切なサイズ、数、間隔、形状、および向きにて形成することができる。
【００５０】
加えて、図６および図９に最もよく示されているように、熱交換器１００は、複数の熱交換チューブ１７０のうちの隣り合うチューブ１７０の間を延び、これらのチューブ１７０を接続する１つ以上の支持ストラット１８０を含むことができる。支持ストラット１８０は、熱交換チューブ１７０に追加の構造剛性をもたらし、熱交換器１００の周波数応答を改善することができる。同様に、図１０および図１１を簡単に参照すると、排出マニホルド１５８は、熱交換器１００の構造剛性を高め、排出プレナム１６０内の流体の流れの停滞を減少させるための複数の支持リブ１８１を定める。本明細書で論じられる付加製造技術が、熱交換器１００の各所の任意の他の適切な支持構造または部材の形成を可能にすることを、理解すべきである。
【００５１】
さらに、ハウジング１３０の壁１５０を、冷却空気１６４の一貫した流路を保証するように輪郭付けることができる。例えば、図６に示されるように、壁１５０を、隣接する熱交換チューブ１７０の鏡像となり、壁１５０と熱交換プレナム１５２内の熱交換チューブ１７０との間に実質的に一定のギャップを維持するように輪郭付けることができる。換言すると、例えば、熱交換チューブ１７０の隣り合う列がお互いに対してオフセットされている場合、壁１５０を、さらなる熱交換チューブ１７０を模擬し、冷却空気１６４の一定の流れを維持するように、突出させることができ、あるいは凹ませることができる。
【００５２】
とりわけ、熱交換チューブ１７０は、横方向Ｌに沿って往復するものとして図示されている。図８に示されるように、ハウジング１３０は、熱交換チューブ１７０の垂直方向に隣接する列の間に連通をもたらすためにコレクタプレナム１８４を定める複数のコレクタマニホルド１８２をさらに定めることができる。このようにして、熱交換チューブ１７０の或る列からの流体は、コレクタプレナム１８４へと進み、コレクタプレナム１８４において混ざり合った後に、熱交換チューブの隣の列を通って戻る。このような構成により、熱交換チューブ１７０の所与の列内の均一な温度分布が保証される。
【００５３】
熱交換チューブ１７０が、蛇行の様相で設けられた直線状の管として図示されているが、代案の実施形態によれば、各々の熱交換チューブ１７０が、曲線、蛇行、螺旋、正弦曲線、または任意の他の適切な形状であってよいことを、理解すべきである。さらに、熱交換チューブ１７０を、用途および熱交換流体の種類に応じて、必要とされるとおりの任意の適切なサイズ、数、間隔、形状、向き、および通過の回数にて形成することができる。これらのさまざまな構成は、本明細書に開示の付加製造プロセスによって可能にされ、本主題の範囲に包含されると考えられる。
【００５４】
図２に概略的に示されるように、熱交換器１００は、カウル１０６の周辺ギャップ１１８に配置される。より具体的には、熱交換器１００の排出マニホルド１５８が、排出マニホルド１５８がカウル１０６の周辺ギャップ１１８に位置して、周辺ギャップ１１８を橋渡しするように、カウル１０６との取り合いのための種々の造作を定める。排出マニホルド１５８は、例えば任意の適切な機械的締結具を使用してカウル１０６の第１の半分１１０および第２の半分１１２を接合し、さらには熱交換器１００をタービンケーシング１０４へと接合するために使用される複数の取り付けフランジ１８６を定める。別の典型的な実施形態によれば、フランジ１８６が取り外し可能であり、あるいは不要であることを、理解すべきである。例えば、一実施形態によれば、フランジ１８６は、熱交換器１００をタービンケーシング１０４にではなく、カウル１０６の第１の半分１１０および第２の半分１１２に取り付けるためだけに使用される。図３および図４に最もよく示されているように、カウル１０６の第１の半分１１０および第２の半分１１２に結合する円周方向に間隔を空けて位置するフランジ１８６は、流体出口１８８を定めている。流体出口１８８は、排出プレナム１６０とカウルプレナム１１４との間の連通を提供して、冷却空気１６４を円周方向にカウルプレナム１１４の全体へと分配する。
【００５５】
図４、図６、および図８に最もよく示されているように、衝突バッフル１９０が、排出マニホルド１５８を少なくとも部分的に定める。このようにして、衝突バッフル１９０は、熱交換チューブ１７０とタービンケーシング１０４との間に配置され、衝突バッフル１９０とタービンケーシング１０４との間の衝突ギャップ１９２（衝突ギャップ１２０と同様）を定める。さらに、衝突バッフル１９０は、衝突冷却空気１６４の流れを熱交換器１００が取り付けられたタービンケーシング１０４へと向けるための複数の冷却孔１９４を定める。さらに、排出マニホルド１５８は、衝突ギャップ１９２と例えばターボプロップエンジン１０のケーシング１８内の領域などの周囲環境との間の連通をもたらす１つ以上の排出ポート１９６（カウル排出ポート１２２と同様）を定める。このようにして、新鮮な冷却空気１６４を、タービンケーシング１０４を冷却するために衝突ギャップ１９２を通って連続的に循環させることができる。
【００５６】
熱交換器１００の種々の部分を、熱交換器１００に必要な構造的支持をもたらすための必要に応じて、任意の適切な材料を用い、任意の適切な形状、密度、および厚さにて製作することができる。例えば、熱交換器１００のハウジング１３０を、堅固な断熱材料から形成することができる。さらに、ハウジング１３０は、ターボプロップエンジン１０の取り付け、組み立て、および動作の最中に熱交換器１００が被る荷重に対して構造的支持を提供するために、より厚くて緻密であってよい。対照的に、熱交換チューブ１７０は、熱伝達を向上させるために、より薄くてよく、より熱伝導性の材料で作られてよい。例えば、熱交換チューブ１７０は、２０μｍの肉厚または任意の他の適切な厚さを有することができる。
【００５７】
熱交換器１００が、本主題の態様を説明するという目的のためだけに本明細書に記載されていることを、理解すべきである。例えば、熱交換器１００は、本明細書において、熱交換器１００の典型的な構成、構造、および製造方法を説明するために使用される。本明細書で論じられる付加製造技術を、任意の適切な装置において任意の適切な目的のために任意の適切な産業において使用される他の熱交換器を製造するために使用できることを、理解すべきである。したがって、本明細書に記載の典型的なコンポーネントおよび方法は、本主題の典型的な態様を説明するためだけに使用され、決して本開示の範囲を限定しようとするものではない。
【００５８】
以上、本主題の典型的な実施形態による熱交換器１００の構造および構成を提示したので、次に本主題の典型的な実施形態による熱交換器を形成するための典型的な方法２００を示す。方法２００は、熱交換器１００または任意の他の適切な熱交換器を形成するために製造業者によって使用され得る。典型的な方法２００は、本主題の典型的な態様を説明するためにのみ本明細書において論じられ、限定を意図するものではないことを、理解すべきである。
【００５９】
ここで図１２を参照すると、方法２００は、ステップ２１０において、付加製造装置のベッド上に付加材料の層を堆積させることを含む。方法２００は、ステップ２２０において、エネルギ源からのエネルギを付加材料の層へと選択的に導くことで、付加材料の一部分を融合させ、コンポーネントを冷却するための熱交換器を形成することを含む。例えば、上記の例を使用して、タービンケーシング１０４を冷却するための熱交換器１００を形成することができる。この点に関し、コンポーネントは、コンポーネントを少なくとも部分的に囲むカウルを含み、カウルは、周辺ギャップおよびカウルプレナムを定める。
【００６０】
ステップ２２０で形成された熱交換器は、熱交換プレナムを定めるハウジングと、熱交換プレナムを通過する複数の熱交換チューブとを含むことができる。入口マニホルドが、熱交換プレナムと連通する入口プレナムを定め、排出マニホルドが、熱交換プレナムと連通する排出プレナムを定め、排出マニホルドは、コンポーネントカウルの周辺ギャップに配置され、周辺ギャップを橋渡しする。流体出口が、排出マニホルドによって定められ、流体出口は、排出プレナムとカウルプレナムとの間の連通をもたらす。衝突バッフルが、排出マニホルドを少なくとも部分的に定め、衝突バッフルとコンポーネントとの間の衝突ギャップを定め、衝突バッフルは、複数の冷却孔を定める。とりわけ、典型的な実施形態によれば、ハウジング、熱交換チューブ、入口マニホルド、排出マニホルド、および衝突バッフルは、単一のモノリシックなコンポーネントとして一体的に形成される。
【００６１】
図１２は、図示および説明の目的のために特定の順序で実行されるステップを示している。当業者であれば、本明細書に提示した開示を使用して、本明細書で論じたあらゆる方法の各ステップを、本開示の範囲から逸脱することなくさまざまなやり方で調整、再整理、拡張、省略、または変更できることを、理解できるであろう。さらに、方法２００の態様を、熱交換器１００を例として使用して説明したが、これらの方法を、任意の適切な熱交換器の製造に適用できることを、理解すべきである。
【００６２】
付加製造による熱交換器およびその熱交換器を製造するための方法を、上述した。とりわけ、熱交換器１００は、一般に、後述されるように、付加製造プロセスによってその実際の実施が容易にされる性能を向上させる形状、熱交換の造作、および取り付け構造を含むことができる。例えば、本明細書に記載の付加製造方法を使用して、熱交換器は、２つの空気流の間で熱エネルギを伝達し、衝突空気をコンポーネントのケーシングへともたらすための熱交換構造を含むことができる。加えて、本明細書に記載の付加製造技術は、コンポーネントの冷却のためにカウル全体に冷却空気をもたらすべく熱交換器をコンポーネントカウルに設置することを可能にする一体的な取り付け用の造作を有する熱交換器の形成を可能にする。これらの造作を、わずかな追加のコストまたは追加のコストを必要とせずにビルドプロセスの際に熱交換器へと容易に組み込むことができるように、熱交換器の設計の際に導入することができる。さらに、ハウジング、熱交換チューブ、入口マニホルド、排出マニホルド、フロースプリッタ、および他の造作を含む熱交換器全体を、単一のモノリシックなコンポーネントとして一体的に形成することができる。
【００６３】
本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、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発明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用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者であれば想到できる他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を含んでおり、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
［実施態様１］
周囲を少なくとも部分的に囲むカウル（１０６）を備えており、該カウル（１０６）は周辺ギャップ（１１８）およびカウルプレナム（１１４）を定めているコンポーネント（１０２）に関し、該コンポーネント（１０２）を冷却するための熱交換器（１００）であって、
熱交換プレナム（１５２）を定めるハウジング（１３０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）を通過する複数の熱交換チューブ（１７０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する入口プレナム（１５６）を定めている入口マニホルド（１５４）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する排出プレナム（１６０）を定めており、前記コンポーネントカウル（１０６）の前記周辺ギャップ（１１８）に位置し、該周辺ギャップ（１１８）を橋渡しする排出マニホルド（１５８）と、
前記排出マニホルド（１５８）によって定められ、前記排出プレナム（１６０）と前記カウルプレナム（１１４）との間の連通をもたらす流体出口（１８８）と、
前記排出マニホルド（１５８）を少なくとも部分的に定め、前記コンポーネント（１０２）との間に衝突ギャップ（１９２）を定め、複数の冷却孔（１９４）を定めている衝突バッフル（１９０）と
を備える熱交換器（１００）。
［実施態様２］
前記排出マニホルド（１５８）は、前記衝突ギャップ（１９２）と周囲環境との間の連通をもたらす排出ポート（１９６）を定めている、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様３］
前記入口プレナム（１５６）、前記熱交換プレナム（１５２）、および前記排出プレナム（１６０）は、第１の方向に実質的に沿って延び、前記複数の熱交換チューブ（１７０）は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に実質的に沿って熱交換プレナム（１５２）を通過する、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様４］
前記熱交換チューブ（１７０）は、前記排出マニホルド（１５８）に近接する前記ハウジング（１３０）の第１の側と前記入口マニホルド（１５４）に近接する前記ハウジング（１３０）の第２の側との間の蛇行パターンにて熱交換プレナム（１５２）を通過する、実施態様３に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様５］
前記ハウジング（１３０）は、複数の壁を備え、該複数の壁のうちの少なくとも１つは、該壁と前記熱交換プレナム（１５２）内の前記熱交換チューブ（１７０）との間の実質的に一定のギャップを維持するように輪郭付けられている、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様６］
１つ以上の支持ストラット（１８０）が、前記複数の熱交換チューブ（１７０）のうちの隣り合うチューブの間を延び、該チューブを接続している、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様７］
前記入口プレナム（１５６）内に配置され、冷却空気入口（１６２）と前記複数の熱交換チューブ（１７０）との間を延びている１つ以上のフロースプリッタ（１７８）
を備える、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様８］
前記コンポーネント（１０２）は環状であり、前記コンポーネントカウル（１０６）は、半環状であり、前記コンポーネント（１０２）を囲むように当該熱交換器（１００）に接合される、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様９］
当該熱交換器（１００）は、第１の熱交換器であり、当該熱交換器（１００）は、第２の熱交換器をさらに備え、前記コンポーネントカウル（１０６）は、第１の半分（１１０）および第２の半分（１１２）を備え、前記第１の半分（１１０）および前記第２の半分（１１２）は、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器によって接合される、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様１０］
前記熱交換プレナム（１５２）内の冷却空気の流れと、前記複数の熱交換チューブ（１７０）内の高温空気の流れとを受け取るように構成された空気−空気の熱交換器である、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様１１］
前記コンポーネントカウル（１０６）は、前記カウルプレナム（１１４）と、前記コンポーネント（１０２）と前記コンポーネントカウル（１０６）との間に定められるカウル衝突ギャップ（１２０）との間の連通をもたらす複数のカウル冷却孔（１１６）を定めている、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様１２］
前記コンポーネント（１０２）は、ガスタービンエンジン（１０）の動力タービンであり、前記コンポーネントカウル（１０６）は、動力タービンカウルであり、前記入口プレナム（１５６）は、圧縮機部分（２２）からの抽気と外気との混合物をもたらす前記ガスタービンエンジン（１０）のエジェクタアセンブリ（１２４）に連通し、前記熱交換チューブ（１７０）は、前記ガスタービンエンジン（１０）のＢサンプ熱交換器（１７３）に連通している、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様１３］
付加製造装置のベッド上に付加材料の層を堆積させるステップ（２１０）と、
エネルギ源からのエネルギを前記付加材料の層へと選択的に導き、前記付加材料の一部分を融合させるステップ（２２０）と
によって形成された複数の層を備える、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様１４］
前記ハウジング（１３０）、前記熱交換チューブ（１７０）、前記入口マニホルド（１５４）、前記排出マニホルド（１５８）、および前記衝突バッフル（１９０）が、単一のモノリシックなコンポーネントとして一体的に形成されている、実施態様１に記載の熱交換器（１００）。
［実施態様１５］
熱交換器（１００）を製造する方法（２００）であって、
付加製造装置のベッド上に付加材料の層を堆積させるステップ（２１０）と、
エネルギ源からのエネルギを前記付加材料の層へと選択的に導き、前記付加材料の一部分を融合させてコンポーネント（１０２）の冷却のための前記熱交換器（１００）を形成するステップ（２２０）と
を含んでおり、
前記コンポーネント（１０２）は、該コンポーネント（１０２）を少なくとも部分的に囲むカウル（１０６）を備え、該カウル（１０６）は、周辺ギャップ（１１８）およびカウルプレナム（１１４）を定めており、
前記熱交換器（１００）は、
熱交換プレナム（１５２）を定めるハウジング（１３０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）を通過する複数の熱交換チューブ（１７０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する排出プレナム（１６０）を定めており、前記コンポーネントカウル（１０６）の前記周辺ギャップ（１１８）に位置し、該周辺ギャップ（１１８）を橋渡しする排出マニホルド（１５８）と
を備える方法（２００）。
［実施態様１６］
前記熱交換器（１００）は、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する入口プレナム（１５６）を定めている入口マニホルド（１５４）と、
前記排出マニホルド（１５８）によって定められ、前記排出プレナム（１６０）と前記カウルプレナム（１１４）との間の連通をもたらす流体出口（１８８）と、
前記排出マニホルド（１５８）を少なくとも部分的に定め、前記コンポーネント（１０２）との間に衝突ギャップ（１９２）を定め、複数の冷却孔（１９４）を定めている衝突バッフル（１９０）と
をさらに備える、実施態様１５に記載の方法（２００）。
［実施態様１７］
前記排出マニホルド（１５８）は、前記衝突ギャップ（１９２）と周囲環境との間の連通をもたらす排出ポート（１９６）を定めている、実施態様１５に記載の方法（２００）。
［実施態様１８］
前記入口プレナム（１５６）、前記熱交換プレナム（１５２）、および前記排出プレナム（１６０）は、第１の方向に実質的に沿って延び、前記複数の熱交換チューブ（１７０）は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に実質的に沿って熱交換プレナム（１５２）を通過し、前記熱交換チューブ（１７０）は、前記排出マニホルド（１５８）に近接する前記ハウジング（１３０）の第１の側と前記入口マニホルド（１５４）に近接する前記ハウジング（１３０）の第２の側との間の蛇行パターンにて熱交換プレナム（１５２）を通過する、実施態様１６に記載の方法（２００）。
［実施態様１９］
前記入口プレナム（１５６）内に配置され、冷却空気入口（１６２）と前記複数の熱交換チューブ（１７０）との間を延びる１つ以上のフロースプリッタ（１７８）を形成するステップ
をさらに含む、実施態様１６に記載の方法（２００）。
［実施態様２０］
環状のケーシングと、
カウルギャップ（１２０）を定めるように前記ケーシングから離間して位置し、カウルプレナム（１１４）と、該カウルプレナム（１１４）と前記カウルギャップ（１２０）との間の連通をもたらす複数のカウル冷却孔（１１６）と、周辺ギャップ（１１８）とを定めているカウルアセンブリと、
前記カウルアセンブリの前記周辺ギャップ（１１８）に配置された熱交換器（１００）と
を備え、
前記熱交換器（１００）は、
熱交換プレナム（１５２）を定めるハウジング（１３０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）を通過する複数の熱交換チューブ（１７０）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する入口プレナム（１５６）を定めている入口マニホルド（１５４）と、
前記熱交換プレナム（１５２）に連通する排出プレナム（１６０）を定めており、前記コンポーネントカウル（１０６）の前記周辺ギャップ（１１８）に位置し、該周辺ギャップ（１１８）を橋渡しする排出マニホルド（１５８）と、
前記排出マニホルド（１５８）によって定められ、前記排出プレナム（１６０）と前記カウルプレナム（１１４）との間の連通をもたらす流体出口（１８８）と、
前記排出マニホルド（１５８）を少なくとも部分的に定め、前記コンポーネント（１０２）との間に衝突ギャップ（１９２）を定め、複数の冷却孔（１９４）を定めている衝突バッフル（１９０）と
を備えている、アセンブリ。
【符号の説明】
【００６４】
１０  ターボプロップエンジン
１２  長手方向の中心線
１４  ファン部分
１６  コアタービンエンジン
１８  外ケーシング
２２  圧縮機
２６  燃焼部分
２８  高圧タービン
３０  低圧タービン
３２  排気部分
３４  高圧シャフト、スプール
３６  低圧シャフト、スプール
３８  ファン
４０  ブレード
４２  ディスク
４４  駆動部材
４６  動力ギアボックス
４８  前部ハブ（ファン）
５０  空気の流れ
５２  入口
５４  環状の吸気部本体
６０  ステータベーン（圧縮機）
６２  ロータブレード（圧縮機）
６４  インペラ
６６  燃焼器
６８  燃焼ガス
７０  ステータベーン（タービン）
７２  タービンブレード（圧縮機）
１００  熱交換器
１０２  動力タービンアセンブリ
１０４  タービンケーシング
１０６  カウル
１０８  外面
１１０  第１の半分
１１２  第２の半分
１１４  カウルプレナム
１１６  冷却孔
１１８  周辺ギャップ
１２０  衝突ギャップ
１２２  カウル排出ポート
１２４  エジェクタアセンブリ
１３０  ハウジング
１３２  左側面
１３４  右側面
１３６  下面
１３８  上面
１４０  前面
１４２  後面
１４４  バックプレート
１４６  ピン
１４８  ピン開口部
１５０  壁（ハウジング）
１５２  熱交換プレナム
１５４  入口マニホルド
１５６  入口プレナム
１５８  排出マニホルド
１６０  排出プレナム
１６２  冷却空気入口
１６４  冷却空気の流れ
１７０  熱交換チューブ
１７２  高温空気の流れ
１７３  Ｂサンプ熱交換器
１７４  チューブ入口マニホルド
１７６  チューブ出口マニホルド
１７８  フロースプリッタ
１８０  支持ストラット
１８１  支持リブ
１８２  コレクタマニホルド
１８４  コレクタプレナム
１８６  フランジ
１８８  流体出口（排出マニホルド）
１９０  衝突バッフル
１９２  衝突ギャップ（ＨＥＸ）
１９４  冷却孔
１９６  排出ポート
Ａ  軸線方向
Ｃ  周方向
Ｌ  横方向
Ｐ  ピッチ軸
Ｒ  半径方向
Ｔ  横断方向
Ｖ  垂直方向
【図１】
2019023554.tif 000003
【図２】
2019023554.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019023554.tif 000009
【図８】
2019023554.tif 000010
【図９】
2019023554.tif 000011
【図１０】
2019023554.tif 000012
【図１１】
2019023554.tif 000013
【図１２】
2019023554.tif 000014
【外国語明細書】
2019023554000001.pdf