特許 6961347 形状記憶合金材料を含む航空機のバイパス弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6961347

(24)【登録日】2021年10月15日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】形状記憶合金材料を含む航空機のバイパス弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/70 20060101AFI20211025BHJP

   F01D 25/18 20060101ALI20211025BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20211025BHJP

   F02C 7/06 20060101ALI20211025BHJP

   F16K 17/04 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/70 B

   F01D25/18 B

   F02C7/00 F

   F02C7/06 E

   F16K17/04 A

【請求項の数】16

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-544020(P2016-544020)

(86)(22)【出願日】2014年9月19日

(65)【公表番号】特表2016-532069(P2016-532069A)

(43)【公表日】2016年10月13日

(86)【国際出願番号】US2014056556

(87)【国際公開番号】WO2015042398

(87)【国際公開日】20150326

【審査請求日】2017年9月8日

【審判番号】不服2020-5803(P2020-5803/J1)

【審判請求日】2020年4月28日

(31)【優先権主張番号】14/143,233

(32)【優先日】2013年12月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/880,344

(32)【優先日】2013年9月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(74)【代理人】

【識別番号】100207158

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 研二

(72)【発明者】

【氏名】ディアス，カルロス・エンリケ

(72)【発明者】

【氏名】ガースラー，ウィリアム・ドゥワイト

(72)【発明者】

【氏名】ストレージ，マイケル・ラルフ

【合議体】

【審判長】 佐々木 芳枝

【審判官】 小川 恭司

【審判官】 田合 弘幸

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１１６４６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開昭６３−１８７７８１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平３−２９７８３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００８−１４４７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平１−１６６８７６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

F16K 17/00-17/168,31/64-31/72

F01D 13/00-15/12,23/00-25/36

F02C 1/00-9/58

F23R 3/00-7/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

航空機のエンジン（１０）のオイル冷却システムで使用され、前記エンジン（１０）と表面クーラー（５６）を接続する高温オイル通路（６６）と冷却オイル通路（７０）をバイパスするためのバイパス弁（５８、９０、１００）であって、前記バイパス弁は、
弁体（１２０）と、
前記弁体に配置され、その中で移動可能で前記バイパス弁を開閉するピストン（９８、１０８）と、
作動部品（９２、１０２）であって、前記作動部品は、形状記憶合金（ＳＭＡ）ばね又は直線状に構成された形状記憶合金（ＳＭＡ）部材の少なくとも１つであり、前記作動部品は、前記ピストンが移動するように、前記作動部品に与えられる熱的条件および前記ピストンにかかる圧力のうちの少なくとも１つの変化に応答することによって、前記バイパス弁を開閉する、作動部品（９２、１０２）と
を備え、
前記作動部品は、前記バイパス弁が閉位置にあるとき、前記弁体内を流れる冷却されたオイルと直接流体連通している、
バイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項2】

前記作動部品が、前記作動部品に与えられた所定の温度に応答して、前記ピストンを閉位置に移動させるように構成される、請求項１に記載のバイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項3】

前記作動部品が、前記作動部品に与えられた所定の温度に応答して、前記ピストンを開位置に移動させるように構成される、請求項１又は２に記載のバイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項4】

前記作動部品が、直線状に構成された形状記憶合金部材である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項5】

前記作動部品が、形状記憶合金ばねである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項6】

前記作動部品が、直線状に構成された形状記憶合金部材、および形状記憶合金ばねを含むように構成される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項7】

前記バイパス弁が、前記高温オイル通路（６６）を通り表面クーラー（５６）に向かう、前記エンジン（１０）からの高温のエンジンオイル（６４）の少なくとも一部を迂回させるように構成され、前記表面クーラーに到達する前に、前記冷却オイル通路（７０）を介して前記エンジンに戻すように構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のバイパス弁（５８、９０、１００）。

【請求項8】

航空機のエンジンのオイル冷却システムに使用するための熱交換装置（５４）であって、
前記エンジンのバイパスファンダクト（５１）に配置される空冷オイルクーラー（５６）と、
前記空冷オイルクーラーと前記エンジンを接続する高温オイル通路（６６）と冷却オイル通路（７０）をバイパスするためのバイパス弁（５８、９０、１００）であって、
前記バイパス弁は、
弁体（１２０）と、
前記弁体に配置され、その中で移動可能で前記バイパス弁を開閉するピストン（９８、１０８）と、
作動部品（９２、１０２）であって、前記作動部品は、形状記憶合金（ＳＭＡ）ばね又は直線状に構成された形状記憶合金（ＳＭＡ）部材の少なくとも１つであり、前記作動部品は、前記ピストンが移動するように、前記作動部品に与えられる熱的条件および前記ピストンにかかる圧力のうちの少なくとも１つの変化に応答することによって、前記バイパス弁を開閉する、作動部品（９２、１０２）と
を有する、バイパス弁（５８、９０、１００）と
を備え、
前記作動部品は、前記バイパス弁が閉位置にあるとき、前記弁体内を流れる冷却されたオイルと直接流体連通している、
熱交換装置（５４）。

【請求項9】

前記作動部品が、前記作動部品に与えられた所定の温度に応答して前記ピストンを閉位置に移動させ、かつ前記作動部品に与えられた所定の温度に応答して開位置に移動させるように構成される、請求項８に記載の熱交換装置（５４）。

【請求項10】

前記作動部品が、直線状に構成された形状記憶合金部材である、請求項８又は９に記載の熱交換装置（５４）。

【請求項11】

前記作動部品が、形状記憶合金ばねである、請求項８又は９に記載の熱交換装置（５４）。

【請求項12】

前記形状記憶合金が、ニッケルチタン合金からなる、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の熱交換装置（５４）。

【請求項13】

前記バイパス弁が、前記高温オイル通路（６６）を通り前記空冷オイルクーラーに向かう、高温のエンジンオイル（６４）の少なくとも一部を迂回させるように構成され、前記空冷オイルクーラーに到達する前に、前記冷却オイル通路（７０）を介して前記エンジンに戻すように構成される、請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の熱交換装置（５４）。

【請求項14】

エンジン（１０）であって、
コアエンジン（２０）と、
前記コアエンジンのオイル冷却システムに使用するための熱交換装置（５４）であって、
前記エンジン（１０）のバイパスファンダクト（５１）に配置される空冷オイルクーラー（５６）と、
前記空冷オイルクーラーと前記コアエンジンを接続する高温オイル通路（６６）と冷却オイル通路（７０）をバイパスするためのバイパス弁（５８、９０、１００）であって、前記バイパス弁は、
弁体（１２０）と、
前記弁体に配置され、その中で移動可能で前記バイパス弁を開閉するピストン（９８、１０８）と、
作動部品（９２、１０２）であって、前記作動部品は、形状記憶合金（ＳＭＡ）ばね又は直線状に構成された形状記憶合金（ＳＭＡ）部材の少なくとも１つであり、前記作動部品は、前記ピストンが移動するように、前記作動部品に与えられる熱的条件および前記ピストンにかかる圧力のうちの少なくとも１つの変化に応答することによって、前記バイパス弁を開閉する、作動部品（９２、１０２）と
を有する、バイパス弁（５８、９０、１００）と
を含む、熱交換装置（５４）と
を備え、
前記作動部品は、前記バイパス弁が閉位置にあるとき、前記弁体内を流れる冷却されたオイルと直接流体連通している、
エンジン（１０）。

【請求項15】

前記作動部品が、直線状に構成された形状記憶合金部材である、請求項１４に記載のエンジン（１０）。

【請求項16】

前記作動部品が、形状記憶合金ばねである、請求項１４に記載のエンジン（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、形状記憶合金およびその使用に関し、より詳細には、航空機エンジンの空冷オイルクーラーシステムにおける形状記憶合金の使用に関する。

【背景技術】

【0002】

航空機エンジンは、エンジン軸受、発電機等のエンジン部品の放熱のためにオイルを使用する。オイルの温度を望ましい〜１００°Ｆ＜Ｔ＜３００°Ｆに維持するために、熱は通常は、空冷オイルクーラー（ＡＣＯＣ）によって、より詳細には表面空冷オイルクーラー（ＡＣＯＣ）システムによってオイルから空気へと排除される。多くの場合に、周囲環境が−６５°Ｆまで低くなる場合がある。このとき、必要に応じて、オイルの一部が空冷オイルクーラーで冷却されることなく、空冷オイルクーラーを迂回してエンジンに戻れるように、バイパス弁を組み込むことができる。

【0003】

航空機エンジンの空冷オイルクーラーシステムに使用するための知られているバイパス弁は、通常は、圧力の増加に応答する圧力作動弁、ならびに圧力と温度との両方の増加に応答する、圧力および熱作動弁を含む。圧力作動弁は、当業者によく知られているが、容易に調節可能ではない。圧力および熱作動弁もまた、当業者によく知られており、通常は、二重のばね、および熱アクチュエータによって駆動される弁を備え、熱アクチュエータは、その中に含まれているワックスの体積変化に基づいており、温度の変化に応答して固体から液体への相の変化の影響を受ける。圧力および熱作動バイパス弁は、オイルの一部が冷却されずにエンジンに戻れるようにするのに十分な手段を提供する一方で、封止の問題等のために信頼性が低い。この種の弁では、液相のワックスが漏れる傾向があるため、弁の信頼性は、通常は望まれているものより低い。また、二重のばねを含むことによって、部品の重量および費用が問題になる場合がある。

【0004】

したがって、上述の問題に対処する、航空機エンジンの空冷オイルクーラーシステムで使用するための強固な、圧力および熱作動バイパス弁を提供することが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】欧州特許出願公開第２４４４７０３号明細書

【発明の概要】

【0006】

従来技術のこれらその他の短所に、バイパス弁を提供する本開示によって対処する。

【0007】

１つの実施形態によれば、弁体と、弁体に配置され、その中で移動可能なピストンと、作動部品とを備えるバイパス弁が提供される。作動部品は、形状記憶合金（ＳＭＡ）を含む。作動部品は、ピストンが移動するように、そこに与えられる熱的条件および圧力のうちの少なくとも１つの変化に応答することによって、バイパス弁を開閉する。

【0008】

別の実施形態によれば、航空機エンジンのオイル冷却システムに使用するための熱交換装置が提供され、これは、航空機エンジンのバイパスファンダクトに配置された空冷オイルクーラーと、空冷オイルクーラーと流体連通するバイパス弁とを備える。バイパス弁は、弁体と、弁体に配置され、その中で移動可能なピストンと、作動部品とを備える。作動部品は、形状記憶合金（ＳＭＡ）を含む。作動部品は、ピストンが移動するように、そこに与えられる熱的条件および圧力のうちの少なくとも１つの変化に応答することによって、バイパス弁を開閉する。

【0009】

さらに別の実施形態によれば、コアエンジンと、航空機エンジンのバイパスファンダクトに配置された空冷オイルクーラー、および空冷オイルクーラーと流体連通するバイパス弁とを有する、熱交換装置とを備えるエンジンが提供される。バイパス弁は、弁体と、弁体に配置され、その中で移動可能なピストンと、作動部品とを備える。作動部品は、形状記憶合金（ＳＭＡ）を含む。作動部品は、ピストンが移動するように、そこに与えられる熱的条件および圧力のうちの少なくとも１つの変化に応答することによって、バイパス弁を開閉する。

【0010】

本開示の他の目的および利点は、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明、および添付の特許請求の範囲を読むことによって明らかになるであろう。

【0011】

本開示のこれらその他の特徴、態様、および利点は、全図を通して同一の符号が同一の部品を表す、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、ＡＣＯＣおよびバイパス弁を含む、航空機エンジンの部分の概略縦断面図である。

【図2】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、ＡＣＯＣおよびバイパス弁を含む、図１の航空機エンジンの部分の概略縦断面図である。

【図3】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、ＡＣＯＣおよびバイパス弁を含む、ファンフレームの実施形態の概略等角図である。

【図4】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、表面クーラーの一部、および図３のＡＣＯＣバイパス弁の分解概略等角図である。

【図5】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、第１の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、ＡＣＯＣバイパス弁を示す概略断面図である。

【図6】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、第２の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、図５のＡＣＯＣバイパス弁を示す概略断面図である。

【図7】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、第１の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、ＡＣＯＣバイパス弁の別の実施形態を示す概略断面図である。

【図8】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、第２の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、図７のＡＣＯＣバイパス弁を示す概略断面図である。

【図9】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、形状記憶合金を含むＡＣＯＣバイパス弁を動作させる方法のステップを示す。

【図10】本明細書で図示または説明される１つ以上の実施形態による、特定のマルテンサイト相およびオーステナイト相の、形状記憶合金の歪みに応じた応力のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本開示は、特定の実施形態に関して、例示のみを目的として説明される。しかしながら、本開示の他の目的および利点が、本開示による以下の図面の説明によって明らかにされることが理解されるべきである。好ましい実施形態が開示されるが、これは、限定を意図するものではない。むしろ、本明細書に記載される一般的な原理は、本開示の範囲の単なる例示とみなされ、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの変更がなされてもよいことが、さらに理解されるべきである。

【0014】

本開示の好ましい実施形態が図面に示され、様々な図面の同一かつ対応する部品を参照するために、同一の番号が使用される。また、「上部」、「下部」、「外側」、「内側」、等の用語は便宜上の言葉であり、限定的な用語と解釈されるべきではないことが分かる。本明細書で用いられる「第１の」、「第２の」等の用語は、順序、数量、または重要性を示すものではなく、１つの要素を別の要素と区別するために用いられていることに留意されたい。「ａ」および「ａｎ」という用語は、数量の限定を示すものではなく、参照される品目が少なくとも１つ存在することを示している。数量に関して用いられる「約」という修飾語は、示されている値を含み、文脈によって規定された意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関する誤差を含む）。

【0015】

本明細書で開示される実施形態は、形状記憶合金で形成された作動部品からなる、航空機エンジンのオイル冷却システムで使用するためのバイパス弁に関する。知られているこの種の弁とは対照的に、開示されている新しい弁はワックスを含まないため、ワックスの漏れに関する問題がない。また、開示されている新しい作動部品は、弁全体の重量および費用を最小限にする。したがって、航空機エンジン用の空冷オイルクーラーのバイパス弁に、形状記憶合金を含めることが開示される。

【0016】

本作動部品は、航空機エンジンのオイル冷却システムのバイパス弁を受動的に制御する新しい概念を導入しているが、この弁は、地上にあるガスタービンにも使用することができる。開示されている弁、熱交換装置、および方法は、さらに、航空機、または地上にあるエンジン内の任意の冷却システムへの使用が見込まれる（例えば、航空機エンジンの発電機用の冷却オイル、または航空機エンジンの潤滑オイル）。バイパス弁は、通常の動作状態の際の、オイルシステムのオイル温およびオイル圧の変化に応答する。さらに詳細には、オイル回路の冷却動作の概念によって、オイル温およびオイル圧の変化が、必要に応じてバイパス弁の位置を動かす。本開示により、開示されているＳＭＡバイパス弁は、その他の冷却流体システム（例えば、燃料冷却、作動液または水のシステム）にも適用されることが見込まれ、本明細書で説明される例示的なオイル冷却システムに限定されない。

【0017】

いくつかの図面全体を通して、同一の参照番号が同じ要素を示している図面を参照すると、図１および図２は、例示的な航空機のエンジン組立体１０の概略図を示している。図２に示されているエンジン組立体１０の部分が、図１に点線で示されていることに留意されたい。エンジン組立体１０は、長手方向中心線すなわち長手方向中心軸線１２、ならびに軸線１２の周囲に同心円状に、かつ軸線１２に沿って同軸上に配置された、外側静止環状ケーシング１４を有する。例示的な実施形態において、エンジン組立体１０は、ファン組立体１６と、ブースタ圧縮機１８と、コアガスタービンエンジン２０と、ファン組立体１６およびブースタ圧縮機１８に連結できる低圧タービン２２とを含む。ファン組立体１６は、ファンロータディスク２６からほぼ半径方向外側に延びる、複数のロータファンブレード２４、ならびに複数の構造支柱部材２８、およびロータファンブレード２４の下流に配置できる出口ガイドベーン（「ＯＧＶ」）２９を含む。この例において、個別の部材は、空気力学的機能および構造的機能を備えている。他の構成において、各ＯＧＶ２９は、（ここで述べる）環状のファンケーシング用の、空気力学的な部品、および構造支持体の両方であってもよい。熱交換装置の一部の例として、バイパス弁を含む本開示の概念が説明されるが、これらの概念は、エンジン組立体１０内の、任意の空気力学的な回転構造、または静翼型の構造に適用可能であることが理解されよう。

【0018】

コアガスタービンエンジン２０は、高圧圧縮機３０、燃焼器３２、および高圧タービン３４を含む。ブースタ圧縮機１８は、第１の駆動軸４０に連結された、圧縮機ロータディスク３８からほぼ半径方向外側に延びる複数のロータブレード３６を含む。高圧圧縮機３０および高圧タービン３４は、第２の駆動軸４２によって互いに連結される。第１の駆動軸４０および第２の駆動軸４２は、軸受４３に回転可能に取り付けられ、軸受４３は、それ自体がファンフレーム４５、およびタービン後部フレーム４７に取り付けられている。エンジン組立体１０はまた、吸気側４４、コアエンジン排気側４６、およびファン排気側４８を含む。

【0019】

運転中に、ファン組立体１６は、吸気側４４を通ってエンジン組立体１０に入る空気を圧縮する。ファン組立体１６を出た空気流は分割され、その結果、空気流の部分５０は、圧縮された空気流としてブースタ圧縮機１８へと送り込まれ、空気流の残りの部分５２は、ブースタ圧縮機１８およびコアガスタービンエンジン２０を迂回して、ファンダクト５１を介して、バイパス空気として、ファン排気側４８を通ってエンジン組立体１０から出る。この空気流の部分５２は、本明細書ではバイパス空気流５２とも呼ばれ、構造支柱部材２８、出口ガイドベーン２９、および（ここで述べる）熱交換装置を通って、これらと相互に作用する。複数のロータファンブレード２４は、空気流５０を圧縮し、圧縮された空気流５０をコアガスタービンエンジン２０の方へ送る。さらに、空気流５０は、高圧圧縮機３０によってさらに圧縮されて、燃焼器３２に送られる。さらに、燃焼器３２からの圧縮された空気流５０は、回転する高圧タービン３４および低圧タービン２２を駆動させて、コアエンジン排気側４６を通ってエンジン組立体１０から出る。

【0020】

前述したように、いくつかの現在利用できる商用エンジンにおいて、熱交換装置は、表面オイルクーラーまたは一般的な空冷オイルクーラー、ならびに、オイルの一部が空冷オイルクーラーを迂回して、空冷オイルクーラーによって冷却されずにエンジンに戻れるようにするための、バイパス弁を含めて採用されている。本技術の例示的な態様によれば、熱交換器として機能するように構成された空冷オイルクーラー５６、および空冷オイルクーラー（ＡＣＯＣ）バイパス弁５８を含む熱交換装置５４が提示されている。より詳細には、例示的な装置５４は、例えば、航空機エンジン等のターボ機械の熱交換要件に対処するように構成することができる。以下、「熱交換器」という用語は、ターボ機械の冷却を容易にするために構成された、装置５４のことを言うために用いられる場合がある。この概念はまた、（ピストン、電気等の）各種の航空機エンジンにも適用される。

【0021】

図２をより詳細に参照すると、さらに詳しく示された熱交換装置５４、およびＡＣＯＣバイパス弁５８を含む、図１の航空機エンジンの部分の概略縦断面図が示されている。示されているように、図１および図２の実施形態において、空冷オイルクーラー５６は、ファンダクト５１を画定する容積４５の、軸線１２に対して内側の面６０に取り付けられる。図３に最も良く示され、ここで説明される代替実施形態において、空冷オイルクーラー５６は、ファンダクト５１を画定する容積４５の、軸線１２に対して外側の面６２（図３）に取り付けることができる。運転中に、バイパス空気流の部分５２は、熱交換装置５４、より詳細には空冷オイルクーラー５６を通ってこれと相互に作用する。運転中に、高温のエンジンオイル６４は、高温オイル通路６６を介して、熱交換装置５４、より詳細には空冷オイルクーラー５６へ導かれ、冷却されたエンジンオイル６８は、冷却オイル通路７０を介してエンジン組立体１０へ戻るように導かれる。１つの実施形態において、高温オイル通路６６は、一方の側が、エンジンブロックのオイル出口７２等に結合され、もう一方の側が、空冷オイルクーラー５６のオイル入口７４に結合される。また、冷却オイル通路７０は、一方の側が、空冷オイルクーラー５６のオイル出口７６に結合され、もう一方の側が、エンジンブロックのオイル入口７８等に結合される。バイパス通路８０は、高温オイル通路６６を冷却オイル通路７０に結合する。先に示したように、運転中は、オイル温度を望ましい〜１００°Ｆ＜Ｔ＜３００°Ｆに維持するために、空冷オイルクーラー５６によって、高温のエンジンオイル６４から、空気へと熱が排除される。より低温の環境下で、あるいは高温のエンジンオイル６４からの放熱が必要でないときに、ＡＣＯＣバイパス弁５８は、高温のエンジンオイル６４の少なくとも一部８２が、クーラー５６を迂回して、空冷オイルクーラー５６によって冷却されることなくエンジンに戻れるようにする。この特定の実施形態において、ＡＣＯＣバイパス弁５８は、空冷オイルクーラー５６から離して配置される。

【0022】

ここで図３および図４を参照すると、図３には、代替実施形態の概略等角図が示されており、ここでは、熱交換装置５４が、一体的に形成された空冷オイルクーラー５６とＡＣＯＣバイパス弁５８とを含んで構成されている。また、この特定の実施形態に示されているように、熱交換装置５４は、ファンダクト５１を画定するファンフレーム４５の、外側の面６２に配置される。図４は、空冷オイルクーラー５６と、一体的に形成されたＡＣＯＣバイパス弁５８とを含む、図３の熱交換装置５４の一部の分解拡大概略等角図である。１つ以上の例示的な実施形態に関して説明される、熱交換装置５４、および互いに対して配置される、それに含まれる構成部品の配置は、本開示で説明される態様のいずれかに単独で、あるいは任意の組み合わせで、組み込まれてもよいことが理解されるべきである。

【0023】

ＡＣＯＣバイパス弁５８は、先に示したように、形状記憶合金、より詳細には形状記憶合金で形成された作動部品を含む。形状記憶合金は、２つの同素相の可逆的な変態（例えば、ＮｉＴｉ合金におけるマルテンサイト相からオーステナイト相への変態）の際の、材料の機械的特性の変化に基づく。形状記憶合金は、自動車産業で使用されているが、主要なオイル冷却、または発電機の冷却オイルシステムでの使用は開示されていない。また、本明細書で説明されている航空機のエンジン組立体１０等の、航空機エンジンの冷却オイルシステムに形状記憶合金を使用することは知られていない。形状記憶合金（ＳＭＡ）は、熱によって変形した材料の、元の形状への回復をもたらす。

【0024】

図５は、第１の動作状態および熱応答の際の、図１〜図４のＡＣＯＣバイパス弁５８と同様の、形状記憶合金材料を使用するＡＣＯＣバイパス弁９０を示す概略断面図である。図６は、第２の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、図５の表面クーラーのＡＣＯＣバイパス弁９０を示す概略断面図である。図５および図６に示されている実施形態において、ＡＣＯＣバイパス弁９０は、形状記憶合金で形成された作動部品９２を含む。

【0025】

示されている実施形態において、作動部品９２は、温度の変化と並行して、予め記憶された形状に従って伸長するかまたは後退する、直線的なＳＭＡ部品９４として構成され、ＡＣＯＣバイパス弁９０の開閉をもたらす。

【0026】

ＡＣＯＣバイパス弁９０は、そこを通る高温のエンジンオイル６４（図２）の流れ制御をもたらす。ＡＣＯＣバイパス弁９０は、示されているように、ＡＣＯＣバイパス弁９０を通るオイルの流れを制御するように、矢印９９で示されているような直線的な動きを可能にする、ばね９６およびピストン９８その他の機構等の部品をさらに含む。図５に最も良く示されているように、周囲環境が所定の温度のときは、ＳＭＡ部品９４は、記憶された形状にあって、ピストン９８に力を加え、これによって、ピストン９８の直線的な動きで、ばね９６が矢印９９で示されている方向に圧縮される。ピストン９８のこの動きによって、ＡＣＯＣバイパス弁９０が閉位置９１まで閉じ、これによって高温のエンジンオイル６４が表面クーラー５６（図２）を通るように導き、高温のエンジンオイル６４に冷却をもたらす。図６に最も良く示されているように、周囲環境が所定の冷却温度であって、その結果、高温のエンジンオイル６４の冷却を必要としないときは、ＳＭＡ部品９４は、ピストン９８に加えられる流圧の結果として、矢印９９で示されている方向に変形可能である。ピストン９８のこの動きによって、ＡＣＯＣバイパス弁９０が開位置９３まで開き、これによって高温のエンジンオイル６４がＡＣＯＣバイパス弁９０を通るように導き、表面クーラー５６（図２）の冷却を迂回する。

【0027】

図７は、図１〜図４のＡＣＯＣバイパス弁５８と同様の、第１の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、表面クーラーのＡＣＯＣバイパス弁１００の別の実施形態を示す概略断面図である。図８は、第２の動作状態および熱応答の際の、形状記憶合金材料を使用する、図７の表面クーラーのＡＣＯＣバイパス弁１００を示す概略断面図である。図７および図８に示されている実施形態において、ＡＣＯＣバイパス弁１００は、形状記憶合金で形成された作動部品１０２を含む。

【0028】

示されている実施形態において、作動部品１０２は、温度の変化と並行して、予め記憶された形状に従って伸長するかまたは後退する、ＳＭＡばね１０４として構成され、ＡＣＯＣバイパス弁１００の開閉をもたらす。

【0029】

ＡＣＯＣバイパス弁１００は、そこを通る高温のエンジンオイル６４（図２）の流れ制御をもたらす。ＡＣＯＣバイパス弁１００は、示されているように、ＡＣＯＣバイパス弁１００を通るオイルの流れを制御するように、矢印１１０で示されているような直線的な動きを可能にする、ピストン１０８その他の機構等の部品をさらに含む。図７に最も良く示されているように、周囲環境が所定の温度のときは、ＳＭＡばね１０４は記憶された伸長形状に戻って、ピストン１０８に直線的な力を加え、その結果、ピストン１０８が、矢印１１０で示されている方向へ直線的に移動する。ピストン１０８のこの動きによって、ＡＣＯＣバイパス弁１００が閉位置９１まで閉じ、これによって高温のエンジンオイル６４が表面クーラー５６（図２）を通るように導き、高温のエンジンオイル６４に冷却をもたらす。図８に最も良く示されているように、周囲環境が所定の冷却温度であって、その結果、高温のエンジンオイル６４の冷却を必要としないときは、ＳＭＡばね１０４は、ピストン１０８に加えられる流圧の結果として、矢印１１０で示されている方向に変形可能である。ピストン１０８のこの動きによって、ＡＣＯＣバイパス弁１００が開位置９３まで開き、これによって高温のエンジンオイル６４がＡＣＯＣバイパス弁１００を通るように導き、表面クーラー５６（図２）の冷却を迂回する。

【0030】

１つの実施形態において、形状記憶合金材料は、求められる温度範囲内で記憶した形状の変化を生じさせる、ニッケルチタン合金からなるが、記憶効果を有する任意の金属の合金が、使用に適していることが理解されるべきである。形状記憶合金からなる作動部品９２、１０２の形状の変化は、本明細書で説明されるように、ＡＣＯＣバイパス弁９０、１００内の高温のエンジンオイル６４の流れの開閉をもたらす。

【0031】

図９Ａ〜図９Ｃは、形状記憶合金を含む、図７および図８のバイパス弁１００等のＡＣＯＣバイパス弁を動作させる方法のステップを示す。示されているように、温度の変化が、形状記憶合金で形成された、含まれている作動部品１０２の機械的特性の変化に影響する。作動部品１０２が、弁体１２０内に配置されたピストン１０８の位置を制御することによって、ＡＣＯＣバイパス弁１００を開くための、異なるクラッキング圧力をもたらす。示されているステップにおいて、まず、図９Ａに最も良く示されているが、ステップ１３０で、ＡＣＯＣバイパス弁１００は、図７に示されているのと同様の閉位置にある。示されているように、作動部品１０２、より詳細にはＳＭＡばね１０４は、加熱環境の影響下で、完全に伸長した記憶形状にあり、その結果、弁体１２０内に配置されたピストン１０８を、ＡＣＯＣバイパス弁１００を閉じるように直線的に配置する。ＡＣＯＣバイパス弁１００がそのように配置されたときは、高温のエンジンオイル６４を、冷却のためにエンジンのオイル出口７２（図２）から、表面クーラー５６（図２）に向かって導き、冷却されたエンジンオイル６８は、表面クーラー（図２）のオイル出口７６から、エンジン組立体１０に向かって導かれる。

【0032】

図９Ｂに示されているように、次に、ステップ１３５で、動作状態が、高温のエンジンオイル６４を冷却する必要がないほど十分に低温であるときは、高温のエンジンオイル６４は、エンジンのオイル出口７２（図２）から、表面クーラー７４（図３）のオイル入口に向かって導かれ、ＳＭＡばね１０４を収縮位置に変形させるように圧力が増加して、その結果、弁体１２０内に配置されたピストン１０８が直線的に動いて、ＡＣＯＣバイパス弁１００が開く。高温のエンジンオイル６４の少なくとも一部８２が、表面クーラー５６（図２）を迂回して、ＡＣＯＣバイパス弁１００を通って導かれる。作動部品１０２、より詳細にはＳＭＡばね１０４を加熱すると、高温のエンジンオイル６４がそこに衝突する結果、図９Ｃに示されているように、ステップ１４０で、ＳＭＡはその記憶された元の位置に戻り、それによってＡＣＯＣバイパス弁１００が閉じ、高温のエンジンオイル６４を表面クーラー５６の方へ導く。

【0033】

前述したように、形状記憶合金は、２つの同素相の可逆的な変態（例えば、ＮｉＴｉ合金におけるマルテンサイト相からオーステナイト相への変態）の際の、材料の機械的特性の変化に基づく。図１０は、本明細書で開示される、ＡＣＯＣバイパス弁５８、９０、１００での使用が意図される、よく知られている形状記憶合金材料の温度の増加に伴う歪み１５４（Ｘ軸）に応じた、計算された応力１５２（Ｙ軸）のグラフ１５０を示す。より詳細には、形状記憶合金のマルテンサイト相およびオーステナイト相の間の歪みに応じた、計算された応力が示されており、線１５８は、マルテンサイト相の間の値を示し、線１５６は、オーステナイト相の間の値を示す。グラフ１５０から明確に分かるように、応力／歪みの曲線は、ＳＭＡの温度に依存する。

【0034】

上述したように、形状記憶合金の相の変化は、温度の変化の結果として生じる。より詳細には、マルテンサイト相では、形状記憶合金は柔らかくて容易に変形可能であり、例えば、図７および図８のＳＭＡばね１０４は、冷却環境での動作に応答して、ピストン９８に直線的な動きをもたらすように圧縮される。マルテンサイト相での形状記憶合金の変形性を踏まえたこの動きは、図７および図９Ｂに示されているように、ＡＣＯＣバイパス弁１００を開くためにもたらされる。温度が上昇するのに伴い、形状記憶合金はオーステナイト相に入り、ＳＭＡばね１０４を所定の形状に戻し、高強度特性を示して、図８、図９Ａ、および図９Ｂに示すように、ＡＣＯＣバイパス弁１００を閉じる。これらの相同士の間の推移は、無拡散変態であり、したがって、ごくわずかな熱活性化エネルギーしか必要としない。

【0035】

開示されている新しいバイパス弁、およびバイパス弁に形状記憶合金を使用する方法は、温度および圧力の変化に応答して、ストロークが変化する作動部品を作成するために、形状記憶合金材料の物理特性を組み合わせている。温度変化は、作動部品の境界条件によって生成され（例えば、流体に浸されている場合は、時間と共に温度が変化する）、したがって、流体または環境の、温度または圧力からの閉ループ制御をもたらす。

【0036】

したがって、開示されているのは、形状記憶合金を含むＡＣＯＣバイパス弁、ＡＣＯＣバイパス弁を含むエンジン、および形状記憶合金を含むＡＣＯＣバイパス弁を動作させる方法である。この開示された概念は、いくつかの利点を有する。中でも、この新しい弁は、安価に製造でき、従来技術のバイパス弁より軽く、信頼性があり、受動モードでエネルギーの外部供給源を必要としない。また、この弁は、ワックスを使用する必要がないことから、部品の漏れや封止の問題が存在しない。

【0037】

ここまで、ガスタービンエンジンのための、形状記憶合金を含むＡＣＯＣバイパス弁を備える熱交換装置、およびそれを動作させる方法について説明してきた。本開示は、限られた数の実施形態に対して説明されているが、本開示の利点を得る当業者には、本明細書で説明されている本開示の範囲から逸脱しない、他の実施形態が考案され得ることが理解されるであろう。本開示は、例示的な実施形態に対して説明されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、その要素を均等物で置き換えてもよいことが、当業者には理解されるであろう。また、特定の状況または材料に適合するように、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、本開示の教示に多くの修正を加えることができる。例えば、本明細書で説明されるＡＣＯＣバイパス弁は、本明細書で説明される例示的なエンジンに加えて、例えば、これに限定されないが、マルチスプール設計（追加の圧縮機およびタービン区画）、ギヤードターボファン型のアーキテクチャ、アンダクテッドファンを含むエンジン、１軸のエンジン設計（単一の圧縮機およびタービン区画）等の、多くの異なる型の航空機エンジンのアーキテクチャで使用するために構成することができる。また、本明細書で開示されるＡＣＯＣバイパス弁は、他の種類の空冷オイルクーラーと等しく良好に連動し、それ自体は表面クーラーに限定されることを意図しておらず、プレートおよびフィン、チューブフィン型のＡＣＯＣ等、同様に利点をもたらす他のＡＣＯＣ型での使用のために構成することができる。したがって、本開示は、本開示を実施するために考えられる最良の態様として開示される、特定の実施形態に限定されないことが意図される。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような修正および変更を、本開示の真の精神の範囲内にあるものとして、全て網羅することを意図すると理解されるべきである。

【符号の説明】

【0038】

１０ エンジン組立体
１２ 長手方向中心軸線
１４ 外側静止環状ケーシング
１６ ファン組立体
１８ ブースタ圧縮機
２０ コアガスタービンエンジン
２２ 低圧タービン
２４ ロータファンブレード
２６ ファンロータディスク
２８ 構造支柱部材
２９ 出口ガイドベーン
３０ 高圧圧縮機
３２ 燃焼器
３４ 高圧タービン
３６ ロータブレード
３８ 圧縮機ロータディスク
４０ 第１の駆動軸
４２ 第２の駆動軸
４３ 軸受
４４ 吸気側
４５ ファンフレーム
４５ 容積
４６ コアエンジン排気側
４７ タービン後部フレーム
４８ ファン排気側
５０ 空気流
５１ ファンダクト
５２ 空気流の部分（バイパス空気流）
５４ 熱交換装置
５６ 空冷オイルクーラー（表面クーラー）
５８ ＡＣＯＣバイパス弁
６０ 内側の面
６２ 外側の面
６４ 高温のエンジンオイル
６６ 高温オイル通路
６８ エンジンオイル
７０ 冷却オイル通路
７２ オイル出口
７４ オイル入口
７６ オイル出口
７８ オイル入口
８０ バイパス通路
８２ 高温のエンジンオイルの一部
９０ ＡＣＯＣバイパス弁
９１ 閉位置
９２ 作動部品
９３ 開位置
９４ ＳＭＡ部品
９６ ばね
９８ ピストン
９９ 矢印
１００ ＡＣＯＣバイパス弁
１０２ 作動部品
１０４ ＳＭＡばね
１０８ ピストン
１１０ 矢印
１２０ 弁体
１３０、１３５、１４０ バイパス弁を動作させる方法のステップ
１５０ グラフ
１５２ 応力
１５４ 歪み
１５６ オーステナイト相
１５８ マルテンサイト相
Ｈ 熱
Ｐ 圧力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】