(57)【要約】【課題】航空機部品などの冷却用の改良されたマイクロサーキットのデザインを提供する【解決手段】航空機部品中に冷却ガス流れを供給するための連結されたマイクロサーキット７は、冷却ガスが流入する少なくとも１つの入口、この入口から延在し冷却ガスが流過する回路チャネル２９、回路チャネルに付けられ冷却ガスが回路チャネル２９から流出する少なくとも１つの出口を有している。回路チャネル２９は、複数の互い違いの蛇行状サーキットの重なり合いから形成される。【選択図】　図６
2004061105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の中を通る冷却ガス流れを供給するための連結されたマイクロサーキットであって、
冷却ガスが流入する少なくとも１つの入口を有してなり、
前記少なくとも１つの入口から延在し前記冷却ガスが流過する回路チャネルを有してなり、前記回路チャネルが複数の互い違いになった蛇行状回路を重ね合うことで形成されており、および
前記冷却ガスが前記回路チャネルから流出する、前記回路チャネルに付けられた少なくとも１つの出口を有してなる、ことを特徴とするマイクロサーキット。
【請求項２】
前記部品が、燃焼器ライナー、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からなる群から選ば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からなる群から選ばれる金属で作られている、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４】
前記少なくとも１つの出口がスロット状フィルム孔である、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５】
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少なくとも１つの入口と、前記少なくとも１つの入口から延在し前記冷却ガスが流過する回路チャネルであって複数の互い違いになった蛇行状サーキットを重ね合わせて形成された回路チャネルと、前記回路チャネルに付けられ前記冷却ガスが前記回路チャネルから流出する少なくとも１つの出口とを有しており、
冷却ガスを、前記入口に流入させ、前記回路チャネルを通過させ、スロット状フィルム孔から流出させるために、供給するステップを有してなる、ことを特徴とする、方法。
【請求項６】
前記複数のマイクロサーキットを作るステップが、
耐熱性金属を前記複数のマイクロサーキットの形状に加工するステップ、
前記耐熱性金属を前記部品を鋳造するための型に挿入するステップ、および
鋳造後に前記耐熱性金属を前記部品から除去するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可動部品における熱放散およびフィルム保護（膜保護）を与えるための連結されたマイクロサーキットに関する。より詳しくは、本発明は、詰まりに対する抵抗性があり（つまり詰まり難く）、且つ製造上の容易さや優位性を与える形状ないし構造に形成された、連結されたマイクロサーキットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タービンなどの可動部品では、ガス（気体）中を高速で移動するので、内部の熱を放散すると共に部品表面上に保護冷却フィルム（膜）を与えるための種々の技術が採用されている。このような技術の１つに、部品に冷却チャネル（冷却流路）を組み込み、これを通して冷却ガス（冷媒気体）を流して熱エネルギーを吸収し、且つこのガスを流出させて保護フィルムを形成するものがある。
【０００３】
図１（ａ）および（ｂ）を参照して、従来公知の冷却チャネルが図示されている。冷却ガス２７は部品の内部を循環し、流出ガス２８となって部品表面１２を貫通する孔２２を通って流出する。ガス流れ２４は部品表面１２を横切って引っ張られ、ここでは左から右へ部品表面１２を横切って移動するように図示されている。ガス流れ２４は、通常、ガス中を多くの場合回は転する態様で動く部品の動きの結果として生じる。流出ガス２８は孔２２から、部品表面１２に対して実質的に法線方向つまり垂直方向に流出する。流出ガス２８は孔２２から流出した後、ガス流れ２４に応じて、一般にガス流れ２４の移動方向に対応する方向に移動し始める。結果として、流出ガス２８は部品表面１２を横切って引っ張られて部品表面に密着して沿って進むようになり、フィルムつまり膜２６を形成する。
【０００４】
従って、部品表面１２を貫通する孔２２の位置を、それによって生じる冷却空気（低温空気）からなるフィルム２６が部品上面に保護被覆を形成するように構成することが有利である。従来公知の構成の１つが図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は気体の流れ２４に対して略直角に延在している。各孔はブレイクアウト高さ（吹出し高さ）１６に等しい幅を有する。ピッチ１８は、孔２２の１回の繰り返しに要する軸２０に沿う距離として計算される。よって、このような孔配列によって与えられる線状被覆率はブレイクアウト高さ１６をピッチ１８で割ったものに等しい。この定義によれば、被覆率は孔の間隔が小さくなるほど（ピッチが減少するほど）、またはピッチを一定とすれば孔２２の幅が大きくなるほど（ブレイクアウト高さ１６が大きくなるほど）増加する。従って、孔２２を被覆率が最大になるような配置に設計するのが好ましい。このような構成によってフィルム２６による部品表面１２の被覆率が最大になる。
【０００５】
単なる孔によって形成される冷却チャネルの他に、部品の内部熱を吸収する冷却ガスの能力を高めるために、部品に作り込まれたマイクロサーキットを用いることができる。
【０００６】
マイクロサーキットは製造容易で、融通性ないし適合性があり、熱伝達効率（対流効率）の高い冷却を与えることができるものである。最新の冷却構成においては、高い熱伝達効率（対流効率）と同時に高いフィルム効果が要求される。図２を参照すれば、マイクロサーキット５が図示されている。マイクロサーキット５は機械加工されるか、またはその他の方法で部品内に成型される。
【０００７】
複数のマイクロサーキットが部品の表面を覆うように配置される場合は、サーキットのチャネルの形状ないし構造を変更することで好ましい冷却特性を得ることができる。図４を参照すれば、複数の蛇行状マイクロサーキット６が図示されている。本明細書において使用される“蛇行状マイクロサーキット”という言葉は、一般的には、所定距離のなかで短い距離で横方向に往復運動しながら延在ないし伸びるようなマイクロサーキットを指し、ここで、このような横方向の動きは全体的な移動方向に対して略直角に、左右に交互に屈曲するものである。被覆率を増大するためには、配置のピッチ１８を減少させることが好ましい。隣接する蛇行状マイクロサーキット６が互いに接触するまでピッチを減少させるのが最も好ましいことが分かる。しかしながら、ピッチ１８をそこまで減少させると、１つの蛇行状マイクロサーキット６からの冷却ガスが他の蛇行状マイクロサーキット６からの異なる速度で流れ且つ異なる密度温度を有する冷却ガスと混じり合うという不都合な結果が生じる。このような冷却ガスの不適合ないし不調和は、長さや形状（構造）が異なる経路を流れたガス流れが混じり合うことの結果である。
【０００８】
例えば点Ａにおいて流入する冷却ガスは、点Ｂで左へ方向転換して直進し、次いで点Ｄで右へ方向転換することによって、蛇行状マイクロサーキット６を右から左へ流れる。もし蛇行状マイクロサーキット６のピッチが互いに接触するまで減少されたならば、最上段の蛇行状マイクロサーキット６の点Ｄ’は隣接する蛇行状マイクロサーキット６の点Ｂと接触することになる。上述したように、点Ｄ，従って点Ｄ’を通過して流れる冷却ガスは、点Ｂを通過して流れる冷却ガスよりも長い距離および多くの曲がりをすでに流過している。結果として点Ｂおよび点Ｄ’を通過する気体の特性は異なる。
【０００９】
よって、複数の接触あるいは重なり合う蛇行状マイクロサーキットからなり、これにより最大の被覆率を与えつつ構成部材である蛇行状マイクロサーキットの交点において冷却ガスの特性の不一致ないし不調和を低減できる、マイクロサーキットの形成方法が必要とされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、航空機部品などを冷却するための、改良されたマイクロサーキットのデザインないし構造を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、航空機などの部品の中を通る冷却ガス（冷媒気体）流れを供給するため、つまり部品中に冷却ガス流れを供給するための、連結されたマイクロサーキットは、冷却ガスが流入する少なくとも１つの入口を有してなり、前記少なくとも１つの入口から延在し前記冷却ガスが流過する回路チャネル（サーキット流路）を有してなり、前記回路チャネルが複数の互い違いになった蛇行状回路を重ね合うことで形成されており、および前記冷却ガスが前記回路チャネルから流出する、前記回路チャネルに付けられた少なくとも１つの出口を有してなる。
【００１２】
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成す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少なくとも１つの入口と、前記少なくとも１つの入口から延在し前記冷却ガスが流過する回路チャネルであって複数の互い違いになった蛇行状サーキットを重ね合わせて形成された回路チャネルと、前記回路チャネルに付けられ前記冷却ガスが前記回路チャネルから流出する少なくとも１つの出口とを有しており、冷却ガスを、前記入口に流入させ、前記回路チャネルを通過させ、スロット状フィルム孔（膜孔）から流出させるために、供給するステップを有してなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
マイクロサーキットは耐熱性金属で作った型を鋳造に先だって部品の型（金型、鋳型など）に封入することによって形成ないし成型できる。モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）などのいくつかの耐熱性金属は、ニッケルベース超合金の通常の鋳造温度より高い融点を有する。これらの耐熱性金属は、タービンや燃焼器の冷却設計において特徴的な冷却チャネルを作るのに必要な寸法の、薄板曲げ加工品や成型品に製造することが可能である。具体的には、非限定的であるが、マイクロサーキットは燃焼器ライナー、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エアシール、ベーン端壁、およびエアフォイル縁部などの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むことができる。好ましくは、これらの部品は部分的にまたは全体的に、ニッケルベース合金やコバルトベース合金で形成される。耐熱性金属の薄板や薄片（箔）は複雑な形状の曲げ加工や成型加工を施すのに十分な延性を有する。この延性のおかげで、ワキシング（ｗａｘｉｎｇ）／シェリング（ｓｈｅｌｌｉｎｇ）のサイクルに耐える頑丈なデザインで作ることができる。
【００１４】
鋳造後において耐熱性金属は、化学的除去、熱リーチング、または各種酸化法などを用いて除去され、マイクロサーキット５を形成する空洞つまりキャビティが残る。
【００１５】
図３を参照すれば、スロット状フィルム孔（膜孔）３０を有する蛇行状マイクロサーキット６が図示されている。スロット状フィルム孔３０には蛇行状マイクロサーキット６が作り込まれている部品の表面に開口部を形成されており、これを通って冷媒気体が流出できる。好ましくは、スロット状フィルム孔３０は回路チャネル（サーキット流路）２９の一部に亘って延在する略線状の拡張部分（直線状に細長く広がった部分）として形成される。スロット状フィルム孔３０の表面積が回路チャネル２９の断面積より大きいので、スロット状フィルム孔３０を通って流れる冷媒気体の速度は、回路チャネル２９を通って流れる速度より低い。結果として流出する冷却ガスはブローオフが避けられるような低い速度で流出する。これに加えてスロット状フィルム孔３０は、回路チャネル２９の直径とほぼ等しいブレークアウト高さを有する孔に比べて、より大きなブレークアウト高さ１６を有する。
【００１６】
図５を参照すれば、スロット状フィルム孔３０を組み込んだ複数の互い違いになった蛇行状マイクロサーキット６が図示されている。互い違いになった蛇行状マイクロサーキット６は軸２０に沿って配置されており、各々の中央の蛇行状マイクロサーキット６が２つの蛇行状マイクロサーキット６と境を接し、後者はそれぞれ中央の蛇行状マイクロサーキット６の鏡像をなしている。その結果、隣接する蛇行状マイクロサーキット６が互いに接触するほどにピッチが縮小される場合、類似の特徴部分が互いに重なり合うようにになる。例えば点Ｂは点Ｂ’と一致し、点Ｄは点Ｄ’と一致する。このような方式においては、回路チャネル２９上の類似の点が一致するという特性によって、任意のこの種の点において、隣接する回路チャネル２９を通過した後に合流ないし出会う冷却ガスの性質は殆ど同じである。結果として生じるガス（気体）の混合は、ガスの温度や圧力の許容範囲外の不調和がない。
【００１７】
図６を参照すれば、本発明に係わる連結されたマイクロサーキット７の好ましい実施形態が図示されている。連結されたマイクロサーキット７は、互い違いになった蛇行状サーキットの重なり合いで形成される。即ち、互い違いになった蛇行状マイクロサーキットのピッチは、隣接する蛇行状マイクロサーキットが互いに接触するほど小さくなっている。連結されたマイクロサーキット７を形成する際の、互い違いになった蛇行状マイクロサーキットの重なり合いを生じさせるピッチの縮小程度は可変であり、望ましい冷却ガス流れの特性に依存する。
【００１８】
連結されたマイクロサーキットは、タービンやエアフォイルなどの可動部品の表面を、小さなチャネル（流路）の列で覆うために使用できる。これらのチャネルは局部的な熱負荷や部品の形状要求に合わせて個別設計できる。連結されたマイクロサーキットの形状は、別々のマイクロサーキットと比較していくつかの利点を提供する。
【００１９】
連結されたマイクロサーキットは、詰まりの発生を低減する。特に回転ブレードが回転している環境において、現状のサーキットの回路チャネルの曲がりは塵が堆積しやすい場所となっている。連結されたマイクロサーキットはこのような曲がりをなくし、従って堆積の心配がなくなる。
【００２０】
連結されたマイクロサーキットは製造上の利点を提供する。連結されたマイクロサーキットは、連結されているので、これらマイクロチャネルを作り出すコア体もまた連結されている。このような連結によって鋳造工程にとって頑丈な構造が作られ、鋳造の成功率が大幅に増加する。
【００２１】
本発明によれば、上述した各目的、手段、および利点を完全に満足する、連結された、製造可能な、詰まりのないマイクロサーキット、およびこの種のマイクロサーキットを部品に組み込むための方法が提供されることは明らかである。以上の説明では本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、上記の説明から当業者には他の代替法、変更、および変形は明らかである。従って添付の特許請求の範囲の広い範囲はこれらの代替法、変更、および変形を包含するように意図している。
【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）は従来公知の冷却用マイクロサーキットの断面図、（ｂ）は従来公知の冷却用マイクロサーキットの斜視図である。
【図３】スロット状フィルム孔を用いる蛇行状マイクロサーキットの斜視図である。
【図４】従来公知の複数の蛇行状マイクロサーキットの説明図である。
【図５】複数の互い違いになった蛇行状サーキットの説明図である。
【図６】本発明に係わる、連結されたマイクロサーキットの説明図である。
【符号の説明】
７　　マイクロサーキット
２０　　軸
２７　　冷却ガス
２９　　回路チャネル
３０　　スロット状フィルム孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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