(57)【要約】【課題】部品の表面上に改良された冷却フィルムを提供する。【解決手段】改良されたフィルム（冷却フィルム）を部品の表面上に作るための埋め込み式のマイクロサーキット５は、冷却ガス２７が流入する入口、この冷却ガス２７が流入する入口から延在した回路チャネル２９、そこを通って冷却ガス２７が部品から出る、回路チャネル２９の末端に形成されたスロット状フィルム孔３１を有してなる。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の表面上に改良された冷却フィルムを作るための埋め込み式のマイクロサーキットであって、
冷却ガスが流入する入口を有してなり、
前記入口から延在し、前記冷却ガスが流れる回路チャネルを有してなり、および
前記回路チャネルから前記部品の表面まで延在するスロット状フィルム孔を有してなり、
前記フィルム孔が、前記回路チャネルから前記冷却ガスが流入する開口部と、前記部品から前記冷却ガスが流出するスロット孔とを有してなる、マイクロサーキット。
【請求項２】
前記部品が、燃焼器ライナ、タービンベーン、タービンブレード、タービンＢＯＡＳ、ベーン端壁、およびエアフォイル縁部よりなる群から選択された種類のものである、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロサーキット。
【請求項３】
前記部品が、ニッケルベース合金およびコバルトベース合金よりなる群から選択された金属で作られたものである、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロサーキット。
【請求項４】
前記回路チャネルが前記入口から渦巻状パターンで延在している、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロサーキット。
【請求項５】
前記スロット状フィルム孔が線状の拡張部分として広がっているものである、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロサーキット。
【請求項６】
前記線状の拡張部分が前記回路チャネルの幅の２倍から１０倍のものである、ことを特徴とする請求項５記載のマイクロサーキット。
【請求項７】
前記線状の拡張部分が前記回路チャネルの幅の３倍から６倍のものである、ことを特徴とする請求項５記載のマイクロサーキット。
【請求項８】
改良された冷却流れを有する部品を作るための方法であって、
部品の表面の下側に複数のマイクロサーキットを作るステップを有してなり、
前記マイクロサーキットが、冷却ガスが流入する入口と、前記入口から延在し前記冷却ガスが流れる回路チャネルと、前記回路チャネルから前記部品の表面まで延在するスロット状フィルム孔とを有してなり、
前記フィルム孔が、前記回路チャネルから前記冷却ガスが流入する開口部と、前記部品から前記冷却ガスが流出するスロット孔とを有してなり、および
前記入口内に、冷却ガス流れ方向に前記回路チャネルを通り、および前記スロット状フィルム孔の外に流れるように、冷却ガスを供給するステップを有してなる、方法。
【請求項９】
前記複数のマイクロサーキットを作るステップが、
耐熱金属を前記複数の前記マイクロサーキットの形状に成形するステップ、
前記部品を鋳造するための型内に前記耐熱金属を挿入するステップ、および
鋳造後に前記部品から前記耐熱金属を取り除くステップを有してなる、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記部品が、燃焼器ライナ、タービンベーン、タービンブレード、タービンＢＯＡＳ、ベーン端壁、およびエアフォイル縁部よりなる群から選択された種類ものである、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記部品が、ニッケルベース合金およびコバルトベース合金よりなる群から選択された金属で作られたものである、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記複数のマイクロサーキットが、１以上の列で配置されており、前記複数のマイクロサーキットのそれぞれに関連付けされたスロットフィルム孔が略軸上に存在する列を形成する、ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１３】
前記軸がガス流れの方向に対して略垂直方向に方向付けられており、前記ガス流れが前記部品の表面を横切って流れる、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記ガス流れの方向が前記冷却ガス流れの方向と１８０度ずれている、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス流れの方向が前記冷却ガス流れの方向と±１７５度ずれている、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記ガス流れの方向が前記冷却ガス流れの方向と±１５０度ずれている、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のマイクロサーキットが前記回路チャネルの幅と略等しい距離を置いて前記表面の下側に作られている、ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部品内に作られると共にスロットフィルム孔内で終端して、スロットフィルム孔を通り部品の表面を横切る冷却ガスの迅速な膨張ないし拡散および放出により作り出される改善されたフィルム被覆つまり膜被覆を提供する、マイクロサーキット式の冷却通路に関するものである。より具体的には、本発明は、スロットフィルム孔を有してなるマイクロサーキットを冷却を必要とする部品内へ組み込み、これにより部品内からの熱の対流熱移動（伝熱移動）を促進するのみならず部品の表面を横切る冷却空気の保護フィルムを形成するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エアフォイルのフィルム冷却はエアフォイルの表面を横切って移動するガスのガス経路での速力ないし運動量によって生じ、フィルム空気（膜空気）の速力ないし運動量と相互作用し、エアフォイルの表面上にフィルム空気つまりフィルム状の空気層を押し出す。フィルム空気の速力が大きすぎる場合、フィルム空気はガス経路の空気中に浸透し、表面には付着しない。この現象はブローオフと呼ばれ、フィルム冷却に弊害をもたらす。
【０００３】
フィルム空気が流出するフィルムの孔およびスロットは、エアフォイルの表面上にある別々の機能部分である。多くの場合、孔の列はガスパスの流れ方向に垂直に規定されている。この孔の列は、孔の下流領域を冷却するフィルムを放出する。列内における孔の間には、その列からのフィルムはない。この領域は表面を冷却するために金属内における伝導性に依存しており、従って、金属はフィルム温度とガス温度の平均よりも僅かに高いと考えられる。フィルム孔（膜孔）の出口の寸法を大きくすることで、孔の被覆率（有効範囲）を増大することができる。このことは、より多くの孔、及びより多くの冷却流を使用することにより行うことができ、あるいは、孔を出る空気の拡散により、同じ量の流れがより広い領域を必要とするようになり、その領域がガスパス流れの方向に垂直に延在して、フィルムの列の被覆率を増大することで行うことができる。これにより、フィルムにより被覆されるエアフォイルの表面の割合が増大し、平均フィルム温度が下がり、および、冷却のために伝導に依存している表面の量ないし割合が低減する。
【０００４】
図１（ａ）および（ｂ）を参照して、従来公知の冷却チャネル（冷却用流路）が例示されている。冷却ガス（冷媒気体）２７は部品の内部を通って循環し、部品の表面１２を通り抜けている孔２２を通って排気ガス２８として出る。ガス流れ２４は部品の表面１２を横切って引き出され、ここでは部品の表面１２を横切って左から右へと移動するものとして例示されている。ガス流れ２４は、通常は、部品が移動した結果として作り出されるものであり、多くの場合、ガスを通過して、回転する態様で作り出される。排気ガス２８は部品の表面１２に対して実質的に垂直方向に孔２２を出る。排気ガス２８は、孔２２を出る際、ガス流と相互作用して、ガス流れ２４が移動する方向に略対応した方向に動き始める。その結果、排気ガス２８は部品の表面１２を横切って引き出され、部品表面に密接して沿って進み、フィルム２６が形成されるようになる。
【０００５】
従って、部品の表面１２を通って、各孔２２の配置を設定ないし構成することは有用であり、これにより、冷却空気よりなる、結果物として得られるフィルム２６が部品上に保護コーティングを形成する。従来公知の１つの配置が図１（ｃ）に例示されている。複数の孔２２が軸２０に沿って配置されており、軸２０はガス流れ２４の方向に略垂直に延在している。各孔はブレイクアウト高さ（吹き出し高さ）１６に等しい幅を有している。ピッチ１８は孔２２の単一の繰り返しないし反復に必要な、軸２０に沿った距離として算定される。従って、このような孔のパターンによって生じる線状つまり直線上の被覆率は、ピッチ１８によって分けられたブレイクアウト高さ１６に等しい。明らかなように、被覆率は、各孔が全体的により密接に間隔が開けられた場合（ピッチが減少）、あるいはピッチが一定に維持しながら各孔２２の幅が大きくなる場合（ブレイクアウトの高さ１６が大きくなる）において、増大する。従って、被覆率が最大になるような方法のパターンで孔２２を設定ないし構成するのが好ましい。そのような設定ないし構成とすれば、部品の表面１２のフィルム２６により最大の被覆率を提供するようになる。
【０００６】
残念なことに、上述した通り、従来技術においては排気ガス２８は部品の表面に対して垂直な方向で孔２２を出るのが一般的である。排気ガス２８の速度が非常に大きい場合、排気ガス２８はガス流２４と相互作用する前に部品の表面１２上から離れて延在する傾向になる。このような場合、ガス流２４が部品の表面１２に沿って進むフィルム２６の形成に失敗する可能性がある。上述したように、この現象は”ブローオフ”と称される。”ブローオフ”は、排気ガス２８が保護用の冷却フィルム２６を有効に形成するのを失敗させる結果を招く。理論的には、部品の表面に近づくにつれて直径が増大ないし拡大する開口を有する孔２２を作ることは可能である。このように開口の増大によって排気ガス２８の速度を低減させ、またフィルム２６の形成を向上させるのに役立つ。しかしながら、開口を増大できる範囲ないし度合いは流体力学における物理的現象ないし性質により、比較的小さな値に制限される。冷却ガスが部品を通って送り込まれる流量を低減することにより排気ガス２８の速度を遅くすることは、部品の表面１２上に広げるために使用できる冷却ガスの量を単に減らすだけである。冷却ガスの流れを付着させたまま回路チャネル（サーキット流路）および部品の表面上を通ってゆっくりと拡散するように、冷却ガスが送り込まれる回路チャネルを構成することは一般的な手法である。
【０００７】
軸２０に沿って配置された従来の孔の列２２は、典型的には、被覆率が平均で５０％という結果をもたらす。図６（ａ）を参照して、冷却ガスが孔を通って出る結果、フィルム内で起きている温度勾配のグラフによる描写が例示されている。領域６１’から６１’’’は、部品の表面に形成されると共にガス流れ２４の方向において孔から離れて延在するフィルム内に存在する、温度が上昇している各領域を表している。ここで、各領域６１’から６１’’’の幅は、ガスが通過する孔の幅に比べて著しくより広くない。従って、従来構造の孔は約５０％の被覆率を有する冷却空気のフィルムを作り出す。
【０００８】
従って、そこを通って冷却ガスが移動し、タービンなど移動する部品において作られる熱を吸収することが出来る冷却チャネルの設計が必要とされており、それは部品の表面上に冷却空気の保護フィルムを形成することを確実にするのに十分低いガスの排気速度を備えている。更に、従来の方法によって達成された５０％の被覆率を超える被覆率を提供するそのような各冷却チャネルの出口地点の設計も必要とされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、部品表面の下側にマイクロサーキットつまり超小型回路を埋め込むことで、部品の表面上に改良された冷却フィルムを提供することにある。
本発明の別の目的は、本発明のマイクロサーキットを組み込みながらタービンの各部品を作る方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、部品の表面上に改良された冷却フィルムを作るための埋め込み式のマイクロサーキットは、冷却ガスが流入する入口を有してなり、前記入口から延在し、前記冷却ガスが流れる回路チャネルを有してなり、および前記回路チャネルから前記部品の表面まで延在するスロット状フィルム孔（細長いフィルム冷却用孔）を有してなり、前記フィルム孔が、前記回路チャネルから前記冷却ガスが流入する開口部と、前記部品から前記冷却ガスが流出するスロット孔とを有してなる。
また、本発明によれば、冷却ガスが流入する入口を有してなり、前記入口から延在し、前記冷却ガスが流れる回路チャネルを有してなり、および前記回路チャネルから前記部品の表面まで延在するスロット状フィルム孔を有してなる、部品の表面上に改良された冷却フィルムを作るための埋め込み式のマイクロサーキットが提供される。
【００１１】
本発明によれば、改良された冷却流れを有する部品を作るための方法は、部品の表面の下側に複数のマイクロサーキットを作るステップを有してなり、前記マイクロサーキットが、冷却ガスが流入する入口と、前記入口から延在し前記冷却ガスが流れる回路チャネルと、回路チャネルの終端ないし末端に形成され且つ冷却ガスが部品から流出するスロット状フィルム孔とを有してなり、および、前記入口内に、冷却ガス流れ方向に前記回路チャネルを通り、並びに前記スロット状フィルム孔の外に流れるように、冷却ガスを供給するステップ（つまり、冷却ガスを、冷却ガス流れ方向に前記回路チャネルを通り、および前記スロット状フィルム孔の外に流れるように、前記入口内に供給するステップ）を有してなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
マイクロサーキットは、製造が容易であり、また適合性が高くて特定の目的に合わせることができ、さらに対流効率の高い冷却を提供することができる。熱伝達効率ないし対流効率が高いことに加えて、高いフィルム効果が高度な冷却構造に必要とされる。図２を参照して、同図にはマイクロサーキット５が例示されている。マイクロサーキット５は機械加工されてもよいし、あるいは部品内で成型される。好ましい実施形態において、マイクロサーキットは、耐熱金属の成形品で形成されると共に、鋳造前に部品の型（金型、鋳型など）内に封入される。モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を含むいくつかの耐熱金属はニッケルベース超合金の典型的な鋳造温度を超える融点を有している。これらの耐熱性金属はタービンや燃焼器の冷却設計に見られる特徴的な冷却チャネル（冷却用流路）を作るために必要な寸法の、薄板曲げ加工品あるいは成型品で作ることができる。具体的には、そのようなマイクロサーキットは、非限定的であるが、燃焼器ライナ、タービンベーン、タービンブレード、タービンＢＯＡＳ（Ｂｌａｄｅ　Ｏｕｔｅｒ　Ａｉｒ　Ｓｅａｌ）つまりタービンブレードの外側空気シール部、ベーン端壁、およびエアフォイル縁部を含む部品の内部に加工すること、つまりこれら部品内に作り込みすることができる。好ましくは、このような部品は部分的あるいは全体がニッケルベース合金あるいはコバルトベース合金で形成される。耐熱金属の薄板や薄片（箔）は十分な延性を備えており、複雑な形状に曲げ加工したり成型することができる。この延性によりワキシング（ｗａｘｉｎｇ）／シェリング（ｓｈｅｌｌｉｎｇ）のサイクルに耐える頑丈な設計を作ることができる。
【００１３】
鋳造後において耐熱金属は、マイクロサーキット５を形成している空隙つまりキャビティを残して、化学的な除去、熱的リーチング、あるいは各種酸化法によって取り除くことができる。
【００１４】
図２（ａ）にこの種の１つのマイクロサーキット５の断面図を示した。冷却ガス２７は入口を通ってマイクロサーキット５の中へ入り、回路チャネル（サーキット流路）２９を通って進み、排気ガス２８として孔２２を出る。回路チャネル２９は、回路チャネル２９と孔２２の直径と略同じ距離だけ、部品の表面１２の下方に配置されている。図２（ｂ）を参照して、マイクロサーキット５の斜視図が例示されている。好ましい実施形態において、回路チャネル２９は主として渦巻状パターン（渦巻パターン）にされる。渦巻状パターンについて例示したが、本発明の各マイクロサーキットはこれに限定されない。本発明においては、部品から冷却ガスに適切な量の熱移動が行われるように回路チャネル２９を形成できる、いずれかのおよび全てのパターンを広く包含することを意図している。
【００１５】
１つの実施形態では、排気ガス２８が流出ないし排出する単一の孔２２が回路チャネル２９から延在している。半径が回路チャネル２９の幅に近い、相対的に小さな寸法の孔が、マイクロサーキット５におけるガス流れの量を調整するために使用される。さらに、孔２２の向きによって、排気ガス２８の孔２２を出る方向が部品の表面１２に略垂直になるようにされる。
【００１６】
図３を参照して、軸２０に沿った列内に組み入れられた複数のマイクロサーキット５が例示されている。ここで注目すべきことは、各マイクロサーキット５を挟んだ広がり、つまマイクロサーキット５の間隔が各孔２２の半径よりもかなり広い点である。この結果、ピッチ１８と比較した場合、ブレイクアウト高さ１６は相対的に小さい。このような設計ないし構成では、典型的には、被覆率（ブレイクアウト高さ／ピッチ）が約１０％という結果になる。このように被覆率の値が小さいことは、被覆率が相対的に小さいことになり、フィルム冷却の有効性が限定されてしまう。
【００１７】
図４を参照して、本発明のマイクロサーキット５の好ましい実施形態が例示されている。マイクロサーキット５は、回路チャネル２９の末端にスロット状フィルム孔（スロット状膜孔）３１を提供するように形成され、この孔を通って排気ガス２８がマイクロサーキット５を出る。例示したように、スロット状フィルム孔３１は、スロット状の孔（細長い孔）３０を有してなる線状の拡張部分（直線上に細長く広がった部分）として延在している。なお、この例示したものに限定されず、本発明は形状に関係なく、その幅、ないし回路チャネル２９の幅よりも大きい長さを有するどのようなスロット状の孔３０を包含するものを意図したものである。
【００１８】
回路チャネル２９の断面積がスロット状の孔３０のものより小さいため、排気ガス２８は、回路チャネルからスロット状の孔３０を通って流れる際に、拡散される。ガス流れ２４の方向に垂直に延在するスロット孔３０に沿って排気ガス２８を拡散させることで、冷却フィルム２６の被覆率が増大される。これにより、フィルムにより被覆されるエアフォイルの表面の割合が増大し、平均的フィルム温度が下がると共に、冷却を伝導に依存する表面の量が低減する。
【００１９】
図５を参照して、同図には、軸２０に沿った列内に組み入れられた複数のマイクロサーキット５が例示されている。ブレイクアウト点（ブレイクアウト高さ）１６は、スロット状フィルム孔３１により覆われた拡張部分（広がり部分）の長さと同じである。この構成ないし構造においては、６０％を超える被覆率を達成することが可能である。
【００２０】
図６（ｂ）を参照して、同図には、本発明のスロット状フィルム孔を通って冷却ガスが出る結果として起きる、フィルム（冷却用膜）内において生じる温度勾配の図式的な説明が例示されている。各領域６１’から６１’’’は、部品の表面上に形成され且つガス流れの方向において孔から離れて延在するフィルム内に存在する、温度が上昇している各領域を表している。ここで、各領域６１’から６１’’’の幅は、ガスが流出ないし排出されるスロット孔３０よりも僅かに広い。従って、スロット状フィルム孔３１の構造は、６０％を超える被覆率を有する冷却空気のフィルムを作り出す。続いて図４を参照すれば、排気ガス２８として出る前に、回路チャネルを通って冷却ガスが進む際において、冷却ガスがスロット状フィルム孔３０に入ることは明らかである。スロット状フィルム孔３０は回路チャネル２９の平均断面積よりも面積が広いので、排気ガス２８は、回路チャネル２９を通って移動する速度に比べてより遅い速度でスロット状フィルム孔３０を出る。その結果、排気ガスは、部品の表面に垂直に出る間において、望ましくないブローオフを回避するために低減した速度で出る。排気ガスが２８が通過して進むスロット状フィルム孔３０を有するマイクロサーキット５を使用した結果、部品の表面に沿って進み且つ６０％を超える表面の被覆率を提供する、冷却空気の保護フィルムが形成できる。
【００２１】
上述の通り、対流およびフィルム（フィルム冷却）はタービンのエアフォイルを冷却するために用いられる２つの効果である。対流は、エアフォイルの内側上において熱いエアフォイル壁部から熱を抽出し冷却空気を加熱する。対流の利点は、冷却空気が熱くなるにつれて減少する。フィルム冷却は、エアフォイルの内部を冷却した後の冷却空気を表面上に排出してガス流れの温度を低減させることを含んでいる。フィルムは、フィルム孔から排出されるとガス流れと混ざり始める。この混合がフィルム（フィルム冷却）の有効性ないし効果を減少ないし低減させ、フィルム温度が高まる。
【００２２】
フィルム孔の下流の範囲ないし領域におけるフィルムの有効性の減少を相殺するため、逆流熱交換器を冷却構造の内部対流冷却と共に使用しても良い。すなわち、冷却空気は、フィルム孔のずっと下流で最も冷たくされ、また内部対流によってフィルム冷却孔に向けて前方に移動するにつれ熱くなる。この逆流効果によって表面の金属温度の均衡がとれて安定化する。このような構造において、ガス流れ２４の方向は、それが貫流する部品から排出される前は、冷却ガス流れが流れ方向と略１８０度ずれた方向、つまり逆方向である。好ましくは、ガス流れの方向２４は、冷却ガス流れの流れ方向に対して±１５０度以上の方向でずれている。最も好ましくは、±１７５度以下において整列ないし方向付けが異なることである。
【００２３】
以上説明した通り、本発明のフィルム冷却機構は、冷却フィルムが部品を出る前に急な拡張部分の領域に曝され、これにより、フィルムを形成する冷却ガスが急激に膨張する。冷却ガスが部品を貫流する際に冷却ガスを一様且つ緩やかに拡散させる従来手法から脱却することで、本発明は、大きな被覆率、より低いガス温度、およびブローオフの低減を含む、有用ないし有効なフイルム冷却の特長を達成したものである。
【００２４】
以上の説明から明らかな通り、本発明によれば、上述した各目的、手段および特長を十分に満たす、部品のフィルム冷却を改良するためのマイクロサーキット、およびそのようなマイクロサーキットを各部品の中に組み込む方法が提供される。また、以上の説明では本発明をその特定の実施形態の内容に基づいて説明したが、上記記載を読むことで当業者には他の置き換え、変形、および変更は自明である。よって、本発明は特許請求の範囲内のこれら置き換え、変形、および変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は従来公知の冷却孔の断面図、（ｂ）は従来公知の冷却孔の斜視図、（ｃ）は従来公知の複数の冷却孔の斜視図である。
【図２】（ａ）は冷却用のマイクロサーキットの断面図、（ｂ）は冷却用のマイクロサーキットの斜視図である。
【図３】冷却用に使用される複数のマイクロサーキットの斜視図である。
【図４】本発明のマイクロサーキットの好ましい実施形態の斜視図である。
【図５】本発明の複数のマイクロサーキットの斜視図である。
【図６】（ａ）は従来公知の孔によって作られたフィルムの温度勾配を例示した説明図、（ｂ）は本発明のスロットフィルム孔によって作られたフィルムの温度勾配を例示した説明図である。
【符号の説明】
５　マイクロサーキット
１２　部品の表面
２０　軸
２２　孔
２４　ガス流れ
２６　フィルム
２７　冷却ガス
２８　排気ガス
２９　回路チャネル
３０　スロット状の孔
３１　スロット状フィルム孔
【図１】
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【図２】
2004044588.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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