(57)【要約】      （修正有）【課題】高温気体又は混合気体を流すように構成されたガス輸送導管を冷却デバイスを提供する。【解決手段】熱交換器は、流体混合物が流れることができるチャンネルを提供するガス輸送導管２１０と、ガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側の導管２３２であって、ガス輸送導管が通過する外側の導管と、外側の導管を通過し、これによって、外側の導管に入って、及び外側の導管から出るように循環流体が流れることができるチャンネルを提供する熱伝導管であって、熱伝導管及びガス輸送導管の間に、静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを備え、ガス輸送導管は、ガス輸送導管内の流体混合物から、静的流体に熱を伝導し、熱伝導管は、静的流体から循環流体に熱を伝導する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体混合物が流れることができるチャンネルを提供するガス輸送導管と、
上記ガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側の導管であって、上記ガス輸送導管が該第１のキャップを通過し、該外側の導管を経由して、該第２のキャップを通過する外側の導管と、
上記外側の導管を通過し、これによって、上記外側の導管に入って、及び上記外側の導管から出るように循環流体が流れることができるチャンネルを提供する熱伝導管であって、該熱伝導管及び上記ガス輸送導管の間に、静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを備え、
上記ガス輸送導管は、該ガス輸送導管内の上記流体混合物から、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体に熱を伝導し、上記熱伝導管は、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体から上記熱伝導管を流れる上記循環流体に熱を伝導することを特徴する熱交換器。
【請求項２】
上記熱伝導管は、ガス輸送導管の周りに螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
上記熱伝導管は、上記第１のキャップ及び上記第２のキャップを通過することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
上記静的流体チャンバに流体的に接続され、上記外側の導管内の圧力が所定の値を超えているとき、流体を排出することによって、該外側の導管から圧力を解放する圧力逃し弁を更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
インレットと、アウトレットとを有し、上記流体供給装置は、上記インレットを介して加熱循環流体が供給され、該加熱循環流体を冷却し、上記アウトレットを介して冷却循環流体を供給する流体供給装置と、
上記流体混合物が流れることができるチャンネルを提供するガス輸送導管と、
上記ガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側の導管であって、上記ガス輸送導管が該第１のキャップを通過し、該外側の導管を経由して、該第２のキャップを通過する外側の導管と、
上記流体供給装置のアウトレットに流体的に接続されたチューブインレットと、上記流体供給装置のインレットに流体的に接続されたチューブアウトレットとを有し、上記外側の導管を通過し、これによって、上記循環流体が、上記流体供給装置から、上記チューブインレットを介して、上記外側の導管に入って、該外側の導管から、上記チューブアウトレットを介して、上記流体供給装置に戻ることができるチャンネルを提供する熱伝導管であって、該熱伝導管及び上記ガス輸送導管の間に、静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを備え、
上記ガス輸送導管は、上記ガス輸送導管内の上記流体混合物から、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体に熱を伝導し、上記熱伝導管は、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体から、上記熱伝導管を流れる上記循環流体に熱を伝導することを特徴する冷却装置。
【請求項６】
上記熱伝導管は、上記ガス輸送導管の周りに螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
【請求項７】
上記熱伝導管は、上記第１のキャップ及び上記第２のキャップを通過することを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
【請求項８】
上記静的流体チャンバに流体的に接続され、上記外側の導管内の圧力が所定の値を超えているとき、流体を排出することによって、該外側の導管から圧力を解放する圧力逃し弁を更に備える請求項５記載の冷却装置。
【請求項９】
上記ガス輸送導管に流体的に接続され、上記流体混合物を生成し、上記ガス輸送導管に、及び上記外側の導管に該流体混合物を供給する混合物生成装置を更に備える請求項５記載の冷却装置。
【請求項１０】
上記混合物生成装置は、
処理ガスを励起して、プラズマ流を形成し、
上記プラズマ流を複数の粉末粒子に印加して、該粉末粒子を蒸発させ、該プラズマ流に飛沫同伴された該蒸発粉末粒子を含む上記流体混合物を形成することを特徴とする請求項９記載の冷却装置。
【請求項１１】
上記ガス輸送導管に流体的に接続され、上記外側の導管から上記流体混合物が供給され、該流体混合物から凝固された粒子を分離する抽出装置を更に備える請求項１０記載の冷却装置。
【請求項１２】
上記ガス輸送導管に熱接触し、上記外側の導管から供給される上記流体混合物の温度を検出する温度センサと、
上記温度センサ及び上記流体供給装置に通信可能に接続され、上記温度センサが検出した上記流体混合物の温度に基づいて、上記流体供給装置から上記外側の導管への上記循環流体の流速を調整する制御装置とを更に備える請求項５記載の冷却装置。
【請求項１３】
インレットと、アウトレットとを有し、該インレットを介して第２の加熱循環流体が供給され、該第２の加熱循環流体を冷却し、該アウトレットを介して上記第２の冷却循環流体を供給する第２の流体供給装置と、
上記外側の導管のガス輸送導管に流体的に接続され、該外側の導管から上記流体混合物が流れることができるチャンネルを提供する第２のガス輸送導管と、
上記第２のガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する第２の外側の導管であって、上記第２のガス輸送導管が該第１のキャップを通過し、該第２の外側の導管を経由して、該第２のキャップを通過する第２の外側の導管と、
上記第２の流体供給装置のアウトレットに流体的に接続されたチューブインレットと、上記第２の流体供給装置のインレットに流体的に接続されたチューブアウトレットとを有し、上記第２の外側の導管を通過し、これによって、上記第２の循環流体が、上記第２の流体供給装置から、上記チューブインレットを介して、上記第２の外側の導管に入って、該第２の外側の導管から、上記チューブアウトレットを介して上記第２の流体供給装置に戻ることができるチャンネルを提供する第２の熱伝導管であって、該第２の熱伝導管及び第２のガス輸送導管の間に、第２の静的流体を収容する第２の静的流体チャンバを形成する第２の熱伝導管とを備え、
上記第２のガス輸送導管は、上記第２のガス輸送導管内の上記流体混合物から、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体に熱を伝導し、上記第２の熱伝導管は、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体から、上記第２の熱伝導管を流れる第２の循環流体に熱を伝導することを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
【請求項１４】
上記第２のガス輸送導管に熱接触し、上記第２の外側の導管から供給される上記流体混合物の温度を検出する温度センサと、
上記温度センサ、上記流体供給装置及び上記第２の流体供給装置に通信可能に接続され、上記温度センサが検出した上記流体混合物の温度に基づいて、上記流体供給装置から上記外側の導管への上記循環流体の流速、及び上記第２の流体供給装置から上記第２の外側の導管への上記第２の循環流体の流速を調整する制御装置とを更に備える請求項１３記載の冷却装置。
【請求項１５】
流体混合物を冷却する冷却方法において、
ガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側の導管であって、上記ガス輸送導管が該第１のキャップを通過し、該外側の導管を経由して、該第２のキャップを通過する外側の導管と、上記外側の導管を通過する熱伝導管であって、該熱伝導管及び上記ガス輸送導管の間に、静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを準備するステップと、
上記ガス輸送導管を介して、上記外側の導管に、及び該外側の導管から上記流体混合物を流すステップと、
上記熱伝導管を介して、上記外側の導管に、及び該外側の導管から循環流体を流すステップと、
上記ガス輸送導管によって、上記ガス輸送導管内の上記流体混合物から、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体に熱を伝導するステップと、
上記熱伝導管によって、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体から、上記熱伝導管を流れる上記循環流体に熱を伝導するステップとを有する冷却方法。
【請求項１６】
上記熱伝導管は、上記ガス輸送導管の周りに螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１７】
上記熱伝導管は、上記第１のキャップ及び上記第２のキャップを通過することを特徴とする請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１８】
インレットと、アウトレットとを備える流体供給装置を準備するステップと、
上記外側の導管から、上記インレットを介して、上記流体供給装置に、加熱循環流体を供給するステップと、
上記流体供給装置によって、上記加熱循環流体を冷却し、これによって、冷却循環流体を形成するステップと、
上記流体供給装置によって、上記アウトレットを介して、上記外側の導管に、上記循環流体として、上記冷却循環流体を供給するステップとを更に有する請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１９】
上記ガス輸送導管に流体的に接続され、上記流体混合物を生成し、上記ガス輸送導管に、及び上記外側の導管に該流体混合物を供給する混合物生成装置を準備するステップを更に有する請求項１５記載の冷却方法。
【請求項２０】
上記混合物生成装置によって処理ガスを励起して、プラズマ流を形成するステップと、
上記混合物生成装置によって、上記プラズマ流を複数の粉末粒子に印加して、該粉末粒子を蒸発させ、該プラズマ流に飛沫同伴された該蒸発粉末粒子を含む上記流体混合物を形成するステップと、
上記混合物生成装置によって、上記外側の導管内の上記ガス輸送導管に上記流体混合物を供給するステップとを更に有する請求項１９記載の冷却方法。
【請求項２１】
上記ガス輸送導管に流体的に接続され、上記外側の導管から上記流体混合物が供給される抽出装置を準備するステップと、
上記外側の導管から、上記抽出装置に、凝固された粒子を含む上記流体混合物を供給するステップと、
上記抽出装置によって、上記流体混合物から上記凝固された粒子を分離するステップとを更に有する請求項２０記載の冷却方法。
【請求項２２】
上記ガス輸送導管に熱接触した温度センサと、該温度センサ及び上記流体供給装置に通信可能に接続された制御装置とを準備するステップと、
上記温度センサによって、上記外側の導管からの上記流体混合物の温度を検出するステップと、
上記検出された温度の指示を上記温度センサから上記制御装置に供給するステップと、
上記制御装置によって、上記検出された温度に基づいて、上記流体供給装置から上記外側の導管への上記循環流体の流速を調整するステップとを更に有する請求項１５記載の冷却方法。
【請求項２３】
第２のガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する第２の外側の導管であって、流体的に接続されている上記ガス輸送導管から下流側に流体的に接続された上記第２のガス輸送導管が上記第１のキャップを通過し、該第２の外側の導管を経由して、該第２のキャップを通過する第２の外側の導管と、上記第２の外側の導管を通過する第２の熱伝導管であって、該第２の熱伝導管及び上記第２のガス輸送導管の間に、第２の静的流体を収容する第２の静的流体チャンバを形成する第２の静的流体チャンバとを準備するステップと、
上記外側の導管のガス輸送導管から上記第２のガス輸送導管に上記流体混合物を供給するステップと、
上記第２のガス輸送導管を介して、上記第２の外側の導管に、及び該第２の外側の導管から上記流体混合物を流すステップと、
上記第２の熱伝導管を介して、上記第２の外側の導管に、及び該第２の外側の導管から第２の循環流体を流すステップと、
上記第２のガス輸送導管によって、上記第２のガス輸送導管内の上記流体混合物から、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体に熱を伝導するステップと、
上記第２の熱伝導管によって、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体から、上記第２の熱伝導管を流れる上記第２の循環流体に熱を伝導するステップとを有する請求項１５記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００５年４月１９日に出願され、係属中の米国特許出願番号第１１／１１０，３４１号、発明の名称「HIGH THROUGHPUT DISCOVERY OF MATERIALS THROUGH VAPOR PHASE SYNTHESIS」及び２００７年５月１１日出願され、係属中の米国仮特許出願番号第６０／９２８，９４６号、発明の名称「MATERIAL PRODUCTION SYSTEM AND METHOD」の優先権を主張し、これらは何れも、引用することによって、本願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、高温気体又は混合気体（gaseous mixtures）を流すように構成されたガス輸送導管を冷却する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
気相粒子生成反応器（gas phase particle production reactor）では、基本的な生成種（basic product species）が、エネルギ供給ゾーン（energy delivery zone）から高温の反応物質を噴出した後の非常に短い時間に形成される。粒子種は、急速に形成されるが、汚染されることなく、所望の粒子特性を達成するために、気体粒子生成物（gas-particle product）の冷却は、慎重に制御しなければならない。多くの場合、この慎重に制御された冷却は、システム内の回収点に気体粒子生成物（gas-particle product）を配送するように構成されたガス輸送装置内で行われる。
【０００４】
高温の気体粒子生成物は、多量の熱を含み、これを放出するので、気相粒子生成反応器から気体粒子生成を行うように適応化されたガス輸送装置は、高い熱負荷を効率的に吸収し、放散するように設計しなければならない。２つの系の間の熱輸送は、２つの系の間の温度差に比例して起こるので、気体粒子生成物（gas-particle product）からの熱の効率的な吸収は、ガス輸送装置を気体粒子生成物よりかなり低い温度に維持することに依存し、ガス輸送装置からの熱の効率的な放散は、ガス輸送装置に接触する更に低い温度の環境を維持することに依存する。吸収及び放散の個々の要件は、相容れないものである。ガス輸送装置は、通常、その温度を高めずには、大きい熱量を吸収できない。多くの場合、２つの要件は、ガス輸送装置を能動的に冷却することによって、バランスがとれ、これにより、ガス輸送装置が熱を放散できるように調整された低温環境が提供される。
【０００５】
従来の技術におけるガス輸送装置の最も一般的な能動的冷却方式は、強制流体冷却（forced fluid cooling）を含む。従来のガス輸送冷却器では、強制ガス冷却装置（forced-gas cooling system）及び液冷却装置（liquid cooling system）を含む様々な強制流体冷却装置が使用されている。
【０００６】
強制ガス冷却装置は、通常、ガス輸送装置に熱接触した１つ以上の熱交換構造に気体を強制的に流すように構成された１つ以上のファンを備える。熱は、気体粒子生成物（gas-particle product）からガス輸送装置に移動し、そして、熱交換構造に移動する。通常、熱交換構造は、熱交換領域内の気体への界面の表面積が大きくなるように構成された除熱器又はヒートシンクを備える。気体が、熱交換領域を介して、除熱器又はヒートシンクの大きい表面積に亘って移動すると、気体は、除熱器又はヒートシンクを対流的に冷却する。このようなシステムは、動作が単純で比較的安価であるが、気体の熱容量は、一般的に、液体の熱容量より小さく、気体は、殆ど対流によってのみ冷却され、気体は、液体程速く冷却することができないため、液冷却装置ほど効率的でない。したがって、強制ガス冷却装置は、熱負荷が高い粒子混合気体（gas-particle mixture）を冷却するためには、適していない。
【０００７】
液冷却装置は、通常、ガス輸送装置に熱接触した１つ以上の熱交換構造に流体を流すように構成された液体循環装置を備える。熱交換構造は、強制ガス冷却装置と同様に、通常、熱交換領域内の液体との相互作用のために、表面積が大きくなるように構成されている。熱は、ガス輸送装置に吸収され、熱交換構造に伝導する。液体が熱交換面に沿って移動すると、熱は、熱交換構造から、伝導及び対流手段を介して、液体に伝導され、加熱された液体は、熱交換領域から流れ出る。熱は、通常、更なる冷却又は冷凍機構を介して、加熱された液体から除去される。
【０００８】
効率的な冷却のためには、熱交換領域の全体の容積に、新鮮で、冷たい液体を継続的に供給する必要がある。容積が大きい熱交換領域を有するシステムでは、より大きな体積の冷却液を効率的に動作させる必要があり、この結果、運用コストが高くなる。容積が小さい熱交換領域も知られているが、その加工法は、困難で、高価であり、この結果、導入コストが高くなる。更に、容積が小さい多くのシステムは、汚染に非常に敏感であり、この結果、円滑な動作のためには、例えば、フィルタ等の高価な場合がある予防措置及び定期補修が必要となる。
【０００９】
ガス輸送装置を冷却するための現在の手法は、熱負荷が高いシステムを扱うには十分な効率を欠いている強制ガス冷却、及び構築及び維持が高価な液冷却装置の何れかに頼っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、導管用の冷却装置を提供する。例示的な側面においては、本発明に基づく冷却装置は、混合気体（gas mixture）を輸送する導管を冷却するために使用される。冷却装置は、主に、導管が輸送する気体粒子生成物から導管が吸収した熱を放散することを意図する。例示的なシステムでは、気相粒子生成反応器（gas phase particle production reactor）、例えば噴射型反応器（flame reactors）、プラズマ反応器、熱壁反応器（hot wall reactor）、レーザ反応器のから、高温の気体粒子生成物が放出される。導管は、反応器から排出された蒸気混合気体（gas-vapor mixtures）を輸送及び調整し、複数の手段を介して、混合物から熱を吸収する。冷却装置は、導管内で吸収された熱を放散し、導管の過熱を防止するように機能する。
【００１１】
本発明は、導管装置内のガス輸送導管の選択された部分を冷却する冷却装置を提供する。好ましくは、冷却装置は、第１の端部及び第２の端部を有する外側の導管の部分を含むガス輸送導管の一部を冷却するように構成された少なくとも１つの冷却要素を備える。冷却要素は、ガス輸送導管の一部の周りに巻回され、外側の導管の内面（interior surface）とガス輸送導管の外面の間に環状チャンネルを形成する。外側の導管とガス輸送導管の間に形成された環状チャンネルは、導管の第１の端部における第１の開口と、導管の第２の端部における第２の開口とを有する。外側の導管内には、熱良導性チューブ構造が配設され、環状チャンネルを形成する。更に、熱良導性チューブ構造は、好ましくは、チャンネルを密封せず、如何なる点においても流体が流れるようにし、熱良導性チューブ構造を適切に配設することによって、流体は、環状チャンネル内を自由に動くことができる。なお、他の実施の形態では、冷却装置は、環状チャンネル内に仕切りを設け、熱良導性チューブ構造を流れる流体を除いて、環状チャンネルを密封する。この側面では、環状チャンネルは、複数のチャンバに分割され、これらのチャンバのそれぞれは、異なる流体を収容し、熱良導性チューブ構造は、複数のチャンバのそれぞれを通過する。
【００１２】
環状チャンネルに導入された熱良導性チューブ構造と共に、環状チャンネルの第１の開口に取り付けられた第１のキャップ及び第２の開口に取り付けられた第２のキャップは、ガス輸送導管と導管の間を密封する。環状チャンネルは、熱良導性チューブ構造を囲み、これと熱接触する静的流体（static fluid）、好ましくは、液体で満たされる。キャップのうちの少なくとも１つは、熱良導性チューブ構造への流体輸送を実現するためのポートを有するように構成されている。流体タンクシステムは、１つ以上のポートに接続され、これによって、熱良導性チューブ構造に接続されている。好ましい実施の形態では、キャップ及び外側の導管がモジュールとして形成され、互いに密封されるが、他の実施の形態では、キャップ及び外側の導管を一体に形成してもよい。
【００１３】
このように、本発明の実施の形態のそれぞれは、互いに独立した２つの流体システム、すなわち、循環システム（circulating system、「流体（fluid）」又は「循環流体（circulating fluid）」と呼ぶ）及び静的システム（static system、「静的流体（static fluid）」と呼ぶ）を含む。各システム内で使用するために選択される流体は、それぞれの実施の形態の詳細によって異なる好ましい特性を有する。
【００１４】
導管装置は、高温の気体が流され、この気体から熱を吸収する。気体は、導管装置内を移動しながら冷却されるので、導管装置の幾つかの部分は、他の部分よりも多くの熱を吸収する。導管装置内のガス輸送導管の例示的な部分は、先の段落で説明した冷却装置を備える。
【００１５】
本発明の冷却装置は、流体の流れによって、ガス輸送導管から熱を除去することによって動作する。導管内の気体からガス輸送導管に熱が吸収されると、冷却装置は、導管の外側表面を介して導管から熱を除去する。熱は、導管装置から静的流体に移動し、静的流体を加熱する。静的流体は、熱良導性チューブ構造に熱接触しており、熱良導性チューブ構造に熱を伝導する。流体は、流体タンクシステムから熱良導性チューブ構造に流れ、熱良導性チューブ構造及び静的流体を介して、導管装置から熱を吸収する。流体は、熱良導性チューブ構造から流体タンクシステム又は他の流体タンク（fluid reservoir）に流れる。当業者には明らかなように、（流体が同じタンクシステムに戻る）循環システムでは、冷却効率を維持するために、流体は、好ましくは、冷凍等の外部の手段によって冷却された後、熱良導性チューブ構造に供給される。
【００１６】
機能的には、冷却装置内の各冷却セルは、熱交換領域、流体フロー制御及び供給システム等の幾つかの部品を備える。これらの部品が連携して動作することによって、セルは、導管装置の特定の領域を有効に冷却する。このような連携して動作する複数のセルを有する冷却装置は、選択的で、拡張可能で、構成可能な冷却を導管装置に提供する。本発明は、システム内のセルの各部品について、所望の構造及び機能を含む。
【００１７】
本発明には、幾つかの熱交換領域がある。組み立てられたシステムでは、熱良導性チューブ構造は、ガス輸送導管と外側の導管の間で定義され、静的流体で満たされている環状チャンネル内に配設されている。熱良導性チューブ構造は、好ましくは、環状チャンバ内で、導管に沿って螺旋状に巻回されている。環状チャンネル内の導管と静的流体の界面の領域は、第１の熱交換領域を形成し、熱は、ガス輸送導管から静的流体に伝導される。環状チャンネル内の静的流体と熱良導性チューブ構造の界面は、第２の熱交換領域を形成し、熱は、静的流体から熱良導性チューブ構造に伝導される。熱良導性チューブ構造の内面は、第３の熱交換領域を形成し、熱は、熱良導性チューブ構造から循環流体に伝導される。
【００１８】
熱良導性チューブ構造は、好ましくは、熱良導体を曲げて形成される。好ましい材料には、銅等の金属及び熱良導性熱可塑性樹脂等が含まれる。上述のように、熱良導性チューブ構造は、その内部に流体を流すことができる。本発明では、流体の流れを可能にするために様々な構造を考慮する。様々な実施の形態では、熱良導性チューブ構造は、多孔質構造及び／又は流体流路を定義するチャンネル構造を含む。熱良導性チューブ構造は、熱良導性チューブ構造の容積に対して、熱交換のための広い表面積を有することが好ましい。
【００１９】
熱良導性チューブ構造は、好ましくは、コイルバネの形状と同様に、螺旋状に巻回され、環状チャンネル内でガス輸送導管を周回する環状形状を形成する。本発明は、環状チャンネル内の熱良導性チューブ構造の様々な構成を考慮し、これらには、コイル状構成、折り重ね構成、多層化構成等が含まれる。熱良導性チューブ構造は、導管から独立して形成してもよく、導管の周りに形成してもよい。形成の手法に拘わらず、熱良導性チューブ構造は、環状チャンネル内に適合するように構成されている。
【００２０】
例示的な実施の形態では、ガス輸送導管に巻回された銅管が、熱良導性チューブ構造を形成する。銅管は、好ましくは、粗く巻回され、物理的にガス輸送導管に接触してもよいが、接触していなくてもよい。熱良導性チューブ構造を囲む外側の導管を設けることによって、熱良導性チューブ構造を含む環状チャンネルが形成される。環状チャンネルは、密封され、静的流体で満たされる。静的流体の充填は、外側の導管の片端の密封後、他端の密封前に行ってもよい。これに代えて、充填は、熱交換器の一方又は両方の端部に設けられた弁装置を介して行ってもよい。
【００２１】
流速制御装置は、幾つかの機能を有する。流体冷却装置内の熱放散の速度は、多くの要素に依存し、これらのうちの幾つかは、システム内の流体の速度及び種類に関連する。有効な流速制御装置は、熱交換領域の所望の部分に流体を流通させる手段を備える。また流体は、加熱によって膨張し、及び流体冷却装置内の熱放散は、流体の加熱に依存するので、流体制御装置は、流体内の圧力変化を考慮する必要がある。同様に、外側の導管内に形成される環状チャンバ及び２つのシールは、好ましくは、流体内の圧力変化を調整するように構成された弁装置を備える。
【００２２】
本発明は、幾つかの部分を有する流体制御装置を提供する。外側の導管は、内部に静的流体が満たされる環状チャンバを形成する閉込め構造を提供する。したがって、導管は、熱良導性チューブ構造内の流路を除く環状チャンバ内の流体の総体積を画定する。更に、外側の導管の端部を密封する各キャップは、好ましくは、複数のポートを有している。これらのポートは、流体が熱良導性チューブ構造に流れるパターンを決定し、この結果、熱良導性チューブ構造内のフロー構造と共に、熱良導性チューブ構造を介する流れのパターンを決定する。更に、キャップ構造は、突然の圧力上昇が発生した場合、システムから流体を排出するように構成された１つ以上の圧力逃し弁を備えることが好ましい。更に、流体制御装置は、シーリングキャップの１つに設けられた複数のポートを介して流体を提供するように構成されたポンプを有していてもよい。
【００２３】
外側の導管は、好ましくは、熱良導性チューブ構造と共に、環状領域内の所定の流体容積を定義するように構成されている。ある実施の形態の比容積及び流速は、その実施の形態において設計されている熱負荷に依存する。概略的に言えば、より高い熱負荷を扱うためには、より大きい容積及び流速が必要である。また、必要な流体容積を決定する際には、伝導率及び表面積も検討される。
【００２４】
外側の導管は、好ましくは、耐久性及び耐熱性を有する材料から形成される。外側の導管を形成する材料は、熱伝導性を有する必要はない。実際に、外側の導管を介する熱放散を最小にするためには、少なくとも外面は、断熱材から形成することが好ましい。この構成は、熱放散及び冷却装置の構造機能を分離する。これに代えて、外面は、熱伝導性であってもよく、この場合、放射を介して更なる熱放散が促進される。
【００２５】
キャップは、外側の導管の端部に取り付けられ、これを密封する。様々な実施の形態において、キャップは、外側の導管に接着され、螺着され、又はボルト付けされる。本発明は、キャップと外側の導管の間にシールを形成する如何なる結合も包含する。キャップは、好ましくは、外側の導管と同様の材料から形成される。更に、導管装置とキャップの間のシールは、様々な手法で形成でき、キャップは、接着してもよく、圧着してもよく、Ｏリングタイプのシールによって適切な位置に保持してもよい。キャップを密封する好ましい手法は、熱交換器が加熱及び冷却される際のキャップの伸縮に応じて決定される。
【００２６】
更に、キャップは、それぞれ、好ましくは、複数のポートを有する。上述のように、ポートの１つは、好ましくは、外側の導管の各端部において、流体システムのための圧力逃しシステムを提供する。他のポートは、特定の構成において、流体輸送を熱良導性チューブ構造に提供する。ポートの構成及び熱良導性チューブ構造内の流体チャンネルの構成は、互いに補い合って、システムを介する所望の流路を形成する。流路の構成及び流路への流体輸送の速度は、ガス輸送導管から流体への熱放散の速度を部分的に決定する。
【００２７】
流体制御装置は、更に、流体ポンプと、流体供給装置とを備えていてもよく、これらは、単一の装置として統合することが合理的であるが、モジュール的に実現してもよい。流体ポンプは、複数のポートへの流体輸送の速度を決定し、この結果、熱良導性チューブ構造を流れる流体の速度を決定する。流体の流速が速い程、システムは、より多くの量の熱を放散できる。したがって、流体の流速は、熱放散要求の変化に応じて変更することが好ましい。
【００２８】
本発明の冷却装置を組み込む気体生産システム内の熱生成は、必ずしも一定ではないため、本発明の冷却装置は、好ましくは、熱放散のための要求の変化に対応するために、流体の流速を変更できる。本発明の一側面においては、制御装置は、熱交換領域に流れる流体と熱交換領域から流れる流体の間で測定された温度差に基づいて、ポンプ及び流体供給装置を制御する。温度差が指定の限界を超えた場合、最大流速を超えない限り、流速が高められる。
【００２９】
流体供給装置は、好ましくは、冷却流体を流体ポンプに供給する。この流体は、新鮮であってもよく、すなわち以前にシステムで使用されていない流体であってもよく、或いは、流体は、再循環してもよい。流体を再循環する場合、流体供給装置は、好ましくは、再循環された流体を冷却した後、ポンプに再供給する。流体供給装置には、圧力逃し弁を組み込むことができる。本発明では、幾つかの種類の流体が考慮される。好ましい流体は、高い熱伝導率を有する。
【００３０】
本発明の幾つかの実施の形態では、流体及び静的流体の好ましい特性は、異なっていてもよい。具体的には、好ましい特性は、所定の実施の形態内で、流体と静的流体の間で異なっていてもよく、幾つかの実施の形態の間で、所定の流体に関して異なっていてもよい。流体の重要な特性は、密度、熱容量、粘性及び伝導率を含む。本発明の一側面においては、何れも熱容量が小さい静的流体及び循環流体を選択し、熱交換器の温度の急激な変化を許容する。本発明の他の側面では、熱容量が大きい循環流体及び静的流体を選択し、大きい熱量の除去を許容する。
【００３１】
気相粒子生産システム（gas phase particle production system）の動作時には、反応器から放出された高温ガス生成物が導管装置内のガス輸送導管を流れる。気体が導管を流れると、気体は、冷却され、ガス輸送導管に熱を放散する。熱放散は、導管の加熱の速度が一定であると仮定すれば、温度差に比例するので、気体が冷却されるに従って、ガス輸送導管に放散される熱が小さくなり、すなわち、高温ガスが導入されるインレットの部分から遠い部分程、気体から吸収する熱が小さくなる。これらの差のために、本発明に基づく冷却装置は、好ましくは、様々なサブシステムを組み込む。以下、このようなサブシステムの１つの動作について説明する。
【００３２】
高温ガスがガス輸送導管を流れると、熱が導管に放散する。本発明では、熱良導性チューブ構造が導管に接続され、ガス輸送導管と外側の導管の間に形成された環状構造内に配設される。ガス輸送導管及び熱良導性チューブ構造は、環状チャンバ内の静的流体を介して熱接触し、これによって、熱は、ガス輸送導管から熱良導性チューブ構造に放散される。ガス輸送導管から静的流体に熱が伝えられるとともに、流体は、静的流体に接触する熱良導性チューブ構造を流れる。この流体が流れると、熱は、熱良導性チューブ構造から流体に放散し、この結果、流体を加熱する。このようにして、ガス輸送導管から放散した熱は、流動流体への放散によって、物理的に除去される。
【００３３】
本発明は、一側面として、熱交換器を提供する。熱交換器は、流体混合物が流れることができるチャンネルを提供するガス輸送導管を備える。外側の導管は、ガス輸送導管の周りに配置される。外側の導管は、第１の端部、第１の端部の反対側の第２の端部、第１の端部を覆う第１のキャップ、及び第２の端部を覆う第２のキャップを有する。ガス輸送導管は、第１のキャップを通過し、外側の導管を経由して、第２のキャップを通過する。熱伝導管は、外側の導管を通過し、これによって、外側の導管に入って、及び外側の導管から出るように循環流体が流れることができるチャンネルを提供する。静的流体チャンバは、熱伝導管及びガス輸送導管の間に形成される。静的流体チャンバは、静的流体を収容するように構成されている。ガス輸送導管は、ガス輸送導管内の流体混合物から、静的流体チャンバ内の静的流体に熱を伝導するように構成され、熱伝導管は、静的流体チャンバ内の静的流体から熱伝導管を流れる循環流体に熱を伝導するように構成されている。
【００３４】
本発明は、他の側面として、冷却装置を提供する。冷却装置は、インレットと、アウトレットとを有する流体供給装置を備える。流体供給装置は、インレットを介して加熱循環流体が供給され、加熱循環流体を冷却し、アウトレットを介して冷却循環流体を供給するように構成されている。冷却装置は、更に、流体混合物が流れることができるチャンネルを提供するガス輸送導管と、ガス輸送導管の周りに配置された外側の導管とを備える。外側の導管は、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを有する。ガス輸送導管は、第１のキャップを通過し、外側の導管を経由して、第２のキャップを通過する。熱伝導管は、流体供給装置のアウトレットに流体的に接続されたチューブインレットと、流体供給装置のインレットに流体的に接続されてたチューブアウトレットとを有する。熱伝導管は、外側の導管を通過し、これによって、循環流体が、流体供給装置から、チューブインレットを介して、外側の導管に入って、外側の導管から、チューブアウトレットを介して、流体供給装置に戻ることができるチャンネルを提供する。静的流体チャンバは、熱伝導管及びガス輸送導管の間に形成される。静的流体チャンバは、静的流体を収容するように構成されている。ガス輸送導管は、ガス輸送導管内の流体混合物から、静的流体チャンバ内の静的流体に熱を伝導するように構成され、熱伝導管は、静的流体チャンバ内の静的流体から、熱伝導管を流れる循環流体に熱を伝導するように構成されている。
【００３５】
本発明は、更に他の側面として、流体混合物を冷却する冷却方法を提供する。冷却方法は、外側の導管と、熱伝導管とを準備するステップを有する。外側の導管は、ガス輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを有する。ガス輸送導管は、第１のキャップを通過し、外側の導管を経由して、第２のキャップを通過する。熱伝導管は、外側の導管を通過する。静的流体チャンバは、熱伝導管及びガス輸送導管の間に形成される。静的流体チャンバは、静的流体を収容する。そして、ガス輸送導管を介して、外側の導管に、及び外側の導管から流体混合物を流す。熱伝導管を介して、外側の導管に、及び外側の導管から循環流体を流す。ガス輸送導管によって、ガス輸送導管内の流体混合物から、静的流体チャンバ内の静的流体に熱を伝導する。熱伝導管によって、静的流体チャンバ内の静的流体から、熱伝導管を流れる循環流体に熱を伝導する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の原理に基づく、粒子処理システムに組み込まれた冷却装置の一実施の形態のブロック図である。
【図２】本発明の原理に基づく冷却装置の一実施の形態の斜視図である。
【図３】本発明の原理に基づく熱交換器の一実施の形態の断面図である。
【図４】本発明の原理に基づく熱交換器の一実施の形態の部分的な断面図である。
【図５】本発明の原理に基づいて流体混合物を冷却する方法の一実施の形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の説明は、本発明の幾つかの実施の形態に関するものである。好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。しかしながら、本発明の範囲は、図示する実施の形態にも、説明する実施の形態にも制限されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の文言に基づいて、可能な限り広く解釈される。
【００３８】
以下の説明では、説明の目的のために、数多くの詳細及び代替を説明する。なお、本発明が、これらの具体的詳細を使用することなく、実施できることは当業者には明らかである。他の例では、不要な詳細によって本発明の説明が不明瞭になることを避けるために、周知の構造及び機器は、ブロック図の形式で示している。
【００３９】
この説明では、粒子（particles）及び粉末（powders）の両方について言及する。この２つの用語は、単一の「粉末」が粒子の集合を示すとの特別な記載がある場合を除き、同義である。本発明は、様々な粉末及び粒子に適用することができる。本発明の範囲に含まれる粉末としては、以下に限定されるものではないが、例えば、以下のような粉末がある。（ａ）平均粒径が２５０ｎｍ未満、アスペクト比が１〜１００万のナノ構造粉末（nano-structured powders、ナノ粉末）。（ｂ）平均粒径が１μｍ未満、アスペクト比が１〜１００万のサブミクロン粉末（submicron powders）。（ｃ）平均粒径が１００μｍ未満、アスペクト比が１〜１００万の超微粉末（ultra-fine powders）。（ｄ）平均粒径が５００μｍ未満、アスペクト比が１〜１００万の微粉末（fine powders）。
【００４０】
図１は、粒子処理システム（particle processing system）１００を示している。粒子処理システム１００は、粒子混合気体生成装置（gas-particle mixture production system）１１０を備え、粒子混合気体生成装置１１０は、導管装置（conduit system）１２０を介して、抽出ゾーン（sampling zone）１５０及び真空装置（vacuum system）１６０に接続されている。
【００４１】
粒子混合気体１１０は、好ましくは、粒子を生成し、粒子をガス流（gas stream）に飛沫同伴させ、出力流体混合物を導管装置１２０に供給する。流体混合物は、様々な手法で生成できる。本発明の幾つかの実施の形態は、ナノ粉末生成反応器の使用に関連する。通常、気相ナノ粉末生成器が好ましい。本発明の実施の形態では、２００５年４月１９日に出願された米国特許出願番号第１１／１１０，３４１号、発明の名称「HIGH THROUGHPUT DISCOVERY OF MATERIALS THROUGH VAPOR PHASE SYNTHESIS」に開示されているものと同様のナノ粉末生産システム（nano-powder production system）の要素を使用でき、この文献は、米国特許公開番号第２００５−０２３３３８０Ａ号として公開されている。このようなナノ粉末生産システムでは、処理ガスが、ガス源からプラズマ反応器に供給される。プラズマ反応器内では、処理ガスにエネルギが供給され、これによって、プラズマが生成される。このエネルギを供給するために、以下に限定されるものではないが、直流結合、容量結合、誘導結合及び共振結合を含む様々な異なる手段を用いることができる。１つ以上の材料投入装置（material dispensing device）は、少なくとも１つの材料を、好ましくは粉末の形態でプラズマ反応器に導入する。プラズマ反応器内におけるプラズマと、材料投入装置によって導入された材料との混合により、反応性が非常に高く、粉末を蒸発できる高いエネルギの混合物が形成される。この蒸発粉末（vaporized powder）の混合物は、プラズマ反応器内で処理ガスの流れ方向に移動する。
【００４２】
図１では、流体混合物、好ましくは、気体粒子流（gas-particle stream）は、導管装置１２０を流れ、ここで調整されて、抽出ゾーン１５０に輸送される。抽出ゾーン１５０内では、気体粒子流一部が取り出され、更なる分析のために、ここから粒子が分離される。なお、凝固された粒子は、様々な手法で気体粒子流から分離することができ、例えば、以下に限定されるわけではないが、１つ以上のフィルタを用いて分離することができる。気体粒子流のバルクは、抽出ゾーンを流れ、真空装置１６０に至る。真空装置１６０は、粒子混合気体生成装置１１０から、気体粒子流を、導管装置１２０を介して引き込み、これを抽出ゾーン１５０に強制的に流す。
【００４３】
導管装置１２０は、粒子混合気体生成装置１１０から、気体粒子流を真空装置１６０に通し、調整するように構成された導管１４０を備える。ここに示す実施の形態で実行される調整は、主に、冷却及び粒子の飛沫同伴の維持からなる。気体粒子流は、冷却され、その粒子の飛沫同伴は、ポート１４２を介する調整流体（conditioning fluid）の導入によって維持される。更に、気体粒子流は、導管１４０の本体に熱を伝導し、この熱は、冷却装置１７０、１８０が放散する。調整流体タンク（conditioning fluid reservoir）１３０は、調整流体を、供給管路（supply line）１３５を介してポート１４２に供給する。真空装置１６０は、導管１４０内に吸引圧を発生し、ポート１４２に調整流体を引き込み、気体粒子流を冷却し、気体粒子流内での粒子の飛沫同伴を維持する。
【００４４】
冷却装置１７０、１８０は、それぞれ、熱交換器１７２、１８２を備え、これらは、流体管路（fluid line）１７６、１８６を介して、流体供給装置１７４、１８４に接続されている。気体粒子流が導管１４０に熱を放出すると、熱は、熱交換器１７２、１８２に伝導される。流体供給装置１７４、１８４は、ポンプによって、熱交換器１７２、１８２に流体を流す。流体は、熱交換器１７２、１８２から熱を吸収して加熱され、熱交換器１７２、１８２を出て、流体供給装置１７４、１８４に戻る。流体供給装置１７４、１８４は、好ましくは、流体を冷却し、再び、ポンプによって流体を熱交換器１７２、１８２に送る。
【００４５】
気体粒子流は、冷却装置１８０の最も近くを通過するときに比べて、冷却装置１７０の最も近くを通過する際により高温であるので、多くの場合、冷却装置１７０は、冷却装置１８０より多くの熱を放散する必要がある。流体熱交換器を介して流れる流体の速度が速い程、その流体熱交換器からの熱放散の速度も速くなる。したがって、殆どの状況では、流体供給装置１７４によって熱交換器１７２に流される流体の速度は、冷却装置１８０内の関連する流体の速度より速い。
【００４６】
好ましい実施の形態では、制御装置１９０は、粒子混合気体生成装置１１０及び両方の冷却装置１７０、１８０に通信可能に接続され、生成される粒子コンテンツの一般的な性質及び導管１４０の冷却の両方を制御できる。生成条件が異なれば、導管内の熱負荷も異なるので、制御装置１９０は、与えられた現在の生成条件に応じて、予想される熱負荷に基づいて、冷却装置１７０、１８０内の流速を変更する。更に、制御装置１９０は、任意の温度センサ１９２からの出力によって検出された流体の温度に基づいて、各熱交換器１７２、１８２における流速を変更する。
【００４７】
図２は、流体供給装置２２０、及びガス輸送導管２１０の周りに形成された熱交換器２３０が組み込まれた冷却装置２００を示している。熱交換器２３０は、キャップ２３１、２３３を備え、外側の導管２３２は、これらの間に配設されている。流体供給装置２２０は、ポンプによって、アウトレット２２５から流体を流出し、インレット２２４に流体を流入させる。
【００４８】
この図に示すように、キャップ２３１は、インレット２３７及び圧力逃し弁２３５を備える。インレット２３７は、外側の導管２３２の内部に配設されたチューブ構造（図３〜図４に関して後述する）と流体連通し（fluidly communicate）、流体が熱交換器２３０に入ることを可能にしている。更に、キャップ２３３は、アウトレット２３６を有し、流体は、ここから、熱交換器２３０を出る。他の実施の形態として、インレットとアウトレットとを逆にしてもよい。
【００４９】
流体供給装置２２０は、ポンプによって、そのアウトレット２２５から、流体管路２２３を介して、インレット２３７に流体を流す。流体は、インレット２３７から熱交換器２３０内のチューブ構造を流れる。熱交換器２３０内では、流体が加熱された後、アウトレット２３６から流出する。アウトレット２３６から流出した流体は、流体管路２２２を介して、流体供給装置２２０のインレット２２４に流れる。インレット２２４に入る流体は、好ましくは、アウトレット２２５からポンプで送られた流体より高温であるので、流体供給装置２２０は、好ましくは、例えば、冷凍又は他の冷却装置を用いて、受け入れた流体を冷却するように構成されている。流体は、加熱されると急速に膨張するので、圧力逃し弁２３５を設け、圧力が所定の閾値を超えている期間、流体を排出することによって、熱交換器２３０内から圧力を解放する。また、圧力逃し弁は、外側の導管の壁を介して取り付けてもよい。
【００５０】
図３は、例示的な熱交換器３００を示している。熱交換器３００は、キャップ３２０、３３０によってガス輸送導管３１０に密封された外側の導管３４０を備える。ガス輸送導管３１０及び外側の導管３４０は、これらの間に、環状チャンバ（toroidal chamber）３６０を形成する。環状チャンバ３６０内では、熱伝導管構造３５０が、上述したような流体供給装置に流体的に接続されており、これによって、流体は、流体供給装置から、熱伝導管構造３５０を介して、外側の導管３４０に入り、及びここから出て、流体供給装置に戻ることができる。熱伝導管構造３５０は、好ましくは、環状チャンバ３６０の環状形状を形成するために、曲がっている。更に、環状チャンバ３６０内の熱伝導管構造３５０によって形成される残りの空間は、静的流体によって満たされている。
【００５１】
流体は、熱交換器３００内で、インレット３２５からアウトレット３３５まで熱伝導管構造３５０を流れる。流体が熱伝導管構造３５０を流れると、流体は、熱伝導管構造３５０に密接に接触し、熱伝導管構造は、環状チャンバ３６０内の静的流体に密接に接触し、この静的流体は、ガス輸送導管３１０にも密接に接触している。動作時には、高温の気体がガス輸送導管３１０を流れ、ガス輸送導管３１０を加熱する。熱は、ガス輸送導管３１０から環状チャンバ３６０内の静的流体を介して、熱熱伝導管構造３５０に、そして、ここを流れる流体に伝導される。流体がインレット３２５からアウトレット３３５に流れる際に、熱熱伝導管構造３５０から流体に熱が伝導され、この結果、流体が加熱される。加熱された流体がアウトレット３３５から流れ、流体供給装置に戻ると、熱交換器から熱が除去され、これによって、ガス輸送導管３１０から熱が除去され、これによって、ガス輸送導管３１０が動作温度に維持される。
【００５２】
図４は、熱交換器４００を示している。熱交換器４００は、キャップ４２０、４３０によってガス輸送導管４１０に密封された外側の導管４４０を備える。ガス輸送導管４１０及び外側の導管４４０は、これらの間に、環状チャンバ４６０を形成する。環状チャンバ４６０内では、熱伝導管構造４５０が、上述したような流体供給装置に流体的に接続されており、これによって、流体は、流体供給装置から、熱伝導管構造４５０を介して、外側の導管４４０に入り、及びここから出て、流体供給装置に戻ることができる。熱伝導管構造４５０は、ガス輸送導管４１０の周りに、好ましくは、螺旋状に巻回され、これによって、環状チャンバ４６０の環状形状を形成している。更に、環状チャンバ４６０内の熱伝導管構造４５０によって形成される残りの空間は、静的流体によって満たされている。
【００５３】
流体は、熱交換器４００内で、インレット４２５からアウトレット４３５まで、熱伝導管構造４５０を流れる。流体が熱伝導管構造４５０を流れると、流体は、熱伝導管構造４５０に密接に接触し、熱伝導管構造は、環状チャンバ４６０内の静的流体に密接に接触し、この静的流体は、ガス輸送導管４１０にも密接に接触している。動作時には、高温の気体がガス輸送導管４１０を流れ、ガス輸送導管４１０を加熱する。熱は、ガス輸送導管４１０から環状チャンバ４６０内の静的流体を介して、熱熱伝導管構造４５０に、そして、ここを流れる流体に伝導される。流体がインレット４２５からアウトレット４３５に流れる際に、熱熱伝導管構造４５０から流体に熱が伝導され、この結果、流体が加熱される。加熱された流体がアウトレット４３５から流れ、流体供給装置に戻ると、熱交換器から熱が除去され、これによって、ガス輸送導管４１０から除去され、これによって、ガス輸送導管４１０が動作温度に維持される。
【００５４】
図５は、本発明の原理に基づいて流体混合物を冷却する方法５００の一実施の形態を示すフローチャートである。当業者にとって明らかなように、ここに、説明するプロトコル、処理及び手順は、必要に応じて、継続的に繰り返してもよく、何回繰り返してもよい。更に、ここでは、方法５００の各ステップを特定の順序で示しているが、幾つかの一定のステップを同時に実行してもよく、図に示すものとは異なる順序で実行してもよい。したがって、本発明の処理ステップは、特許請求の範囲において、明示的又は暗示的に指定している場合を除き、如何なる特定の順序にも限定されない。
【００５５】
ステップ５１０では、熱交換器（heat exchanger）に流体的に接続された流体供給装置（fluid supply system）を備える冷却装置（cooling system）を準備する。熱交換器は、外側の導管（outer conduit）と、熱伝導管（conductive tube）とを備える。外側の導管は、ガス輸送導管（gas transport conduit）の周りに配置され、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを備える。ガス輸送導管は、第１のキャップを介して外側の導管内に入り、第２のキャップを介して外側の導管から出ている。これに関連して、熱伝導管は、外側の導管を通過する。なお、熱伝導管は、外側の導管を通過するために、第１のキャップ及び第２のキャップを除く熱交換器の一部を通過してもよい。静的流体チャンバ（static fluid chamber）は、熱伝導管とガス輸送導管の間で形成され、静的流体（static fluid）を収容する。
【００５６】
ステップ５２０において、粒子混合気体生成装置（mixture production system）は、流体混合物を生成する。粒子混合気体生成装置は、ガス輸送導管に流体的に接続されている。流体混合物は、様々な手法で生成できる。なお、好ましい実施の形態では、粒子混合気体生成装置は、処理ガスを励起し、プラズマ流（plasma stream）を形成し、プラズマ流を粉末粒子に印加して、粉末粒子を蒸発させ、蒸発した粒子を含む流体混合物を形成する。
【００５７】
ステップ５３０において、流体混合物がガス輸送導管を流れ、熱交換器の外側に入り、ここから出る。
【００５８】
ステップ５４０において、循環流体が熱伝導管を流れ、熱交換器の外側の導管に入り、ここから出る。なお、このステップは、流体混合物が熱交換器を流れるステップ５３０と同時に行ってもよい。
【００５９】
ステップ５５０において、ガス輸送導管が、ガス輸送導管内の流体混合物から静的流体チャンバ内の静的流体に熱を伝導する。
【００６０】
ステップ５６０において、熱伝導管が、静的流体チャンバ内の静的流体から熱伝導管を流れる循環流体に熱を伝導する。
【００６１】
ステップ５７０において、加熱循環流体が熱交換器から流れる。好ましい実施の形態では、循環流体は、流体供給装置に戻って、好ましくは、冷却された後、熱交換器に再循環され、プロセスが繰り返えされる。
【００６２】
本発明の構造及び動作の原理を明瞭にするために、詳細を組み込んだ特定の実施の形態に関連して本発明を説明した。したがって、ここにおける特定の実施の形態及び詳細な説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、ここに例示した実施の形態を変更できることは当業者にとって明らかである。
【図１】
2014139509.tif 000003
【図２】
2014139509.tif 000004
【図３】
2014139509.tif 000005
【図４】
2014139509.tif 000006
【図５】
2014139509.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月11日(2014.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合流体が流れることができるチャンネルを提供する気体輸送導管と、
上記気体輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側導管であって、上記気体輸送導管が、該第１のキャップを貫通して、当該外側導管内に入り、該第２のキャップを貫通する外側導管と、
上記気体輸送導管に物理的に接触せず上記外側導管を貫通し、これによって、該外側導管に入り、及び該外側導管から出るように循環流体が流れることができるチャンネルを提供する熱伝導管であって、当該熱伝導管と上記気体輸送導管間に、液体の静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを備え、
上記気体輸送導管は、該気体輸送導管内の上記混合流体から熱を、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体に伝導し、上記熱伝導管は、該静的流体チャンバ内の該静的流体から熱を、上記熱伝導管を流れる上記循環流体に伝導することを特徴する熱交換器。
【請求項２】
上記熱伝導管は、気体輸送導管の周りに螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
上記熱伝導管は、上記第１のキャップ及び上記第２のキャップを貫通することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
上記静的流体チャンバに流体的に接続され、上記外側導管内の圧力が所定の値を超えているとき、流体を排出することによって、該外側導管から圧力を解放する圧力逃し弁を更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
インレットと、アウトレットとを有し、上記流体供給装置は、上記インレットを介して加熱循環流体が供給され、該加熱循環流体を冷却し、上記アウトレットを介して冷却循環流体を供給する流体供給装置と、
上記混合流体が流れることができるチャンネルを提供する気体輸送導管と、
上記気体輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側導管であって、上記気体輸送導管が該第１のキャップを貫通し、該外側導管を経由して、該第２のキャップを貫通する外側導管と、
上記流体供給装置のアウトレットに流体的に接続されたチューブインレットと、上記流体供給装置のインレットに流体的に接続されたチューブアウトレットとを有し、上記気体輸送導管に物理的に接触せず上記外側導管を通過し、これによって、上記循環流体が、上記流体供給装置から、上記チューブインレットを介して、上記外側導管に入って、該外側導管から、上記チューブアウトレットを介して、上記流体供給装置に戻ることができるチャンネルを提供する熱伝導管であって、該熱伝導管と上記気体輸送導管間に、液体の静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを備え、
上記気体輸送導管は、上記気体輸送導管内の上記混合流体から熱を、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体に伝導し、上記熱伝導管は、該静的流体チャンバ内の該静的流体から熱を、上記熱伝導管を流れる上記循環流体に伝導することを特徴する冷却装置。
【請求項６】
上記熱伝導管は、上記気体輸送導管の周りに螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
【請求項７】
上記熱伝導管は、上記第１のキャップ及び上記第２のキャップを貫通することを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
【請求項８】
上記静的流体チャンバに流体的に接続され、上記外側導管内の圧力が所定の値を超えているとき、流体を排出することによって、該外側導管から圧力を解放する圧力逃し弁を更に備える請求項５記載の冷却装置。
【請求項９】
上記気体輸送導管に流体的に接続され、上記混合流体を生成し、上記気体輸送導管に、及び上記外側導管に該混合流体を供給する混合物生成装置を更に備える請求項５記載の冷却装置。
【請求項１０】
上記混合物生成装置は、
処理ガスを励起して、プラズマ流を形成し、
上記プラズマ流を複数の粉末粒子に作用させて、該粉末粒子を蒸発させ、該プラズマ流に飛沫同伴された該蒸発粉末粒子を含む上記混合流体を形成することを特徴とする請求項９記載の冷却装置。
【請求項１１】
上記気体輸送導管に流体的に接続され、上記外側導管から上記混合流体が供給され、該混合流体から凝縮粒子を分離する抽出装置を更に備える請求項１０記載の冷却装置。
【請求項１２】
上記気体輸送導管に熱接触し、上記外側導管から供給される上記混合流体の温度を検出する温度センサと、
上記温度センサ及び上記流体供給装置に通信可能に接続され、上記温度センサが検出した上記混合流体の温度に基づいて、上記流体供給装置から上記外側導管への上記循環流体の流速を調整する制御装置とを更に備える請求項５記載の冷却装置。
【請求項１３】
インレットと、アウトレットとを有し、該インレットを介して第２の加熱循環流体が供給され、該第２の加熱循環流体を冷却し、該アウトレットを介して上記第２の冷却循環流体を供給する第２の流体供給装置と、
上記外側導管の気体輸送導管に流体的に接続され、該外側導管から上記混合流体が流れることができるチャンネルを提供する第２の気体輸送導管と、
上記第２の気体輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する第２の外側導管であって、上記第２の気体輸送導管が該第１のキャップを貫通し、該第２の外側導管を経由して、該第２のキャップを貫通する第２の外側導管と、
上記第２の流体供給装置のアウトレットに流体的に接続されたチューブインレットと、上記第２の流体供給装置のインレットに流体的に接続されたチューブアウトレットとを有し、上記第２の外側導管を通過し、これによって、上記第２の循環流体が、上記第２の流体供給装置から、上記チューブインレットを介して、上記第２の外側導管に入って、該第２の外側導管から、上記チューブアウトレットを介して上記第２の流体供給装置に戻ることができるチャンネルを提供する第２の熱伝導管であって、該第２の熱伝導管と第２の気体輸送導管間に、第２の静的流体を収容する第２の静的流体チャンバを形成する第２の熱伝導管とを備え、
上記第２の気体輸送導管は、上記第２の気体輸送導管内の上記混合流体から熱を、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体に伝導し、上記第２の熱伝導管は、該第２の静的流体チャンバ内の該第２の静的流体から熱を、上記第２の熱伝導管を流れる第２の循環流体に伝導することを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
【請求項１４】
上記第２の気体輸送導管に熱接触し、上記第２の外側導管から供給される上記混合流体の温度を検出する温度センサと、
上記温度センサ、上記流体供給装置及び上記第２の流体供給装置に通信可能に接続され、上記温度センサが検出した上記混合流体の温度に基づいて、上記流体供給装置から上記外側導管への上記循環流体の流速、及び上記第２の流体供給装置から上記第２の外側導管への上記第２の循環流体の流速を調整する制御装置とを更に備える請求項１３記載の冷却装置。
【請求項１５】
混合流体を冷却する冷却方法において、
気体輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する外側導管であって、上記気体輸送導管が該第１のキャップを貫通し、該外側導管を経由して、該第２のキャップを貫通する外側導管と、該気体輸送導管に物理的に接触せず上記外側導管を通過する熱伝導管であって、該熱伝導管と上記気体輸送導管間に、液体の静的流体を収容する静的流体チャンバを形成する熱伝導管とを準備するステップと、
上記気体輸送導管を介して、上記外側導管に、及び該外側導管から上記混合流体を流すステップと、
上記熱伝導管を介して、上記外側導管に、及び該外側導管から循環流体を流すステップと、
上記気体輸送導管によって、上記気体輸送導管内の上記混合流体から熱を、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体に伝導するステップと、
上記熱伝導管によって、上記静的流体チャンバ内の上記静的流体から熱を、上記熱伝導管を流れる上記循環流体に伝導するステップとを有する冷却方法。
【請求項１６】
上記熱伝導管は、上記気体輸送導管の周りに螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１７】
上記熱伝導管は、上記第１のキャップ及び上記第２のキャップを貫通することを特徴とする請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１８】
インレットと、アウトレットとを備える流体供給装置を準備するステップと、
上記外側導管から、上記インレットを介して、上記流体供給装置に、加熱循環流体を供給するステップと、
上記流体供給装置によって、上記加熱循環流体を冷却し、これによって、冷却循環流体を形成するステップと、
上記流体供給装置によって、上記アウトレットを介して、上記外側導管に、上記循環流体として、上記冷却循環流体を供給するステップとを更に有する請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１９】
上記気体輸送導管に流体的に接続され、上記混合流体を生成し、上記気体輸送導管に、及び上記外側導管に該混合流体を供給する混合物生成装置を準備するステップを更に有する請求項１５記載の冷却方法。
【請求項２０】
上記混合物生成装置によって処理ガスを励起して、プラズマ流を形成するステップと、
上記混合物生成装置によって、上記プラズマ流を複数の粉末粒子に作用させて、該粉末粒子を蒸発させ、該プラズマ流に飛沫同伴された該蒸発粉末粒子を含む上記混合流体を形成するステップと、
上記混合物生成装置によって、上記外側導管内の上記気体輸送導管に上記混合流体を供給するステップとを更に有する請求項１９記載の冷却方法。
【請求項２１】
上記気体輸送導管に流体的に接続され、上記外側導管から上記混合流体が供給される抽出装置を準備するステップと、
上記外側導管から、上記抽出装置に、凝縮粒子を含む上記混合流体を供給するステップと、
上記抽出装置によって、上記混合流体から上記凝縮粒子を分離するステップとを更に有する請求項２０記載の冷却方法。
【請求項２２】
上記気体輸送導管に熱的に接続された温度センサと、該温度センサ及び上記流体供給装置に通信可能に接続された制御装置とを準備するステップと、
上記温度センサによって、上記外側導管からの上記混合流体の温度を検出するステップと、
上記検出された温度の指示を上記温度センサから上記制御装置に供給するステップと、
上記制御装置によって、上記検出された温度に基づいて、上記流体供給装置から上記外側導管への上記循環流体の流速を調整するステップとを更に有する請求項１５記載の冷却方法。
【請求項２３】
第２の気体輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、該第１の端部の反対側の第２の端部と、該第１の端部を覆う第１のキャップと、該第２の端部を覆う第２のキャップとを有する第２の外側導管であって、流体的に接続されている上記気体輸送導管から下流側に流体的に接続された上記第２の気体輸送導管が上記第１のキャップを貫通し、該第２の外側導管を経由して、該第２のキャップを貫通する第２の外側導管と、上記気体輸送導管に物理的に接触せず上記第２の外側導管を通過する第２の熱伝導管であって、該第２の熱伝導管と上記第２の気体輸送導管間に、液体の第２の静的流体を収容する第２の静的流体チャンバを形成する第２の静的流体チャンバとを準備するステップと、
上記外側導管の気体輸送導管から上記第２の気体輸送導管に上記混合流体を供給するステップと、
上記第２の気体輸送導管を介して、上記第２の外側導管に、及び該第２の外側導管から上記混合流体を流すステップと、
上記第２の熱伝導管を介して、上記第２の外側導管に、及び該第２の外側導管から第２の循環流体を流すステップと、
上記第２の気体輸送導管によって、上記第２の気体輸送導管内の上記混合流体から熱を、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体に伝導するステップと、
上記第２の熱伝導管によって、上記第２の静的流体チャンバ内の上記第２の静的流体から熱を、上記第２の熱伝導管を流れる上記第２の循環流体に伝導するステップとを有する請求項１５記載の冷却方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００５年４月１９日に出願され、係属中の米国特許出願番号第１１／１１０，３４１号、発明の名称「HIGH THROUGHPUT DISCOVERY OF MATERIALS THROUGH VAPOR PHASE SYNTHESIS」及び２００７年５月１１日に出願され、係属中の米国仮特許出願番号第６０／９２８，９４６号、発明の名称「MATERIAL PRODUCTION SYSTEM AND METHOD」の優先権を主張し、これらは何れも、引用することによって、本願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、高温気体又は混合気体（gaseous mixtures）を流す気体輸送導管を冷却する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
気相粒子生成反応器（gas phase particle production reactor）では、基本的な生成種（basic product species）は、エネルギ供給ゾーン（energy delivery zone）から高温の反応物質を噴出した後の非常に短い時間に形成される。粒子種は、急速に形成されるが、汚染されることなく、所望の粒子特性を達成するために、気体粒子生成物（gas-particle product）の冷却は、慎重に調整しなければならない。多くの場合、この慎重に調整された冷却は、システム内の回収点に気体粒子生成物（gas-particle product）を配送する気体輸送装置内で行われる。
【０００４】
高温の気体粒子生成物は、大きな熱量を含み、これを放出するので、気相粒子生成反応器から気体粒子生成物を導くのに適した気体輸送装置は、高い熱負荷を効率的に吸収し、放散するように設計しなければならない。２つの系間の熱伝導は、２つの系間の温度差に比例して起こるので、気体粒子生成物（gas-particle product）からの効率的な熱吸収は、気体輸送装置を気体粒子生成物よりも大幅に低い温度に維持することによって決まり、一方、気体輸送装置からの効率的な熱放散は、気体輸送装置に接触する周囲を更に低い温度に維持することによって決まる。吸収及び放散の個々の要件は、相容れないものである。気体輸送装置は、通常、その温度を高めずには、大きな熱量を吸収できない。多くの場合、２つの要件は、気体輸送装置を能動的に冷却することによって、バランスがとれ、これにより、気体輸送装置が熱を放散できるように調整された低温環境が提供される。
【０００５】
従来の技術における気体輸送装置の最も一般的な能動的冷却方式は、強制流体冷却（forced fluid cooling）を含む。従来の気体輸送冷却器では、強制気体冷却装置（forced-gas cooling system）及び液体冷却装置（liquid cooling system）を含む様々な強制流体冷却装置が使用されている。
【０００６】
強制気体冷却装置は、通常、１つ以上のファンを備え、ファンは、気体輸送装置に熱的に接続された１つ以上の熱交換機構に気体を強制的に流す。熱は、気体粒子生成物（gas-particle product）から気体輸送装置に移動し、そして、熱交換機構に移動する。通常、熱交換機構は、熱交換領域内の気体に対する大表面積の界面を提示する除熱器又はヒートシンクを備える。気体が、熱交換領域を通して、大表面積の除熱器又はヒートシンクに亘って移動すると、気体は、除熱器又はヒートシンクを対流的に冷却する。このような装置は、動作が簡単で比較的安価であるが、気体の熱容量は、一般的に、液体の熱容量よりも小さく、気体は、殆ど対流的手段によって冷却し、気体は、液体程速く冷却することができないので、液体冷却装置よりも効率が低い。したがって、強制気体冷却装置は、熱負荷が高い粒子混合気体（gas-particle mixture）を冷却するためには、適していない。
【０００７】
液体冷却装置は、通常、液体循環装置を備え、液体循環装置は、気体輸送装置に熱的に接続された１つ以上の熱交換機構に流体を流す。熱交換機構は、強制気体冷却装置と同様に、通常、熱交換領域内の液体と相互作用する大表面積を提示する。熱は、気体輸送装置に吸収され、熱交換機構に伝導される。液体が熱交換表面に沿って移動すると、熱は、熱交換機構から、伝導及び対流的手段によって、液体内に放散され、加熱された液体は、熱交換領域から流れ出る。熱は、通常、加熱された液体から、更なる冷却又は冷房機構によって除去される。
【０００８】
効率的に冷却する場合、熱交換領域の全容積に対して、新たな、冷たい液体を絶えず供給する必要がある。大容積の熱交換領域を有する装置では、効率的に動作させるためには、大容量の冷却液が必要であり、結果として、運用コストが高くなる。小容積の熱交換領域も知られているが、その製造方法は、困難で、高価であり、結果して、組立費用が高くなる。更に、小容積の熱交換領域を有する多くの装置は、異物に対して非常に敏感であり、したがって、高価な予防措置、例えばフィルタと、順調に働かせるための定期的な保守とが必要となる。
【０００９】
気体輸送装置を冷却する現在の方法は、高熱負荷装置を取り扱うためには十分に効率的でない強制気体冷却装置と、製造及び維持が高価な液体冷却装置との何れかに頼っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、導管用の冷却装置を提供する。例示的な側面においては、本発明に基づく冷却装置は、混合気体（gas mixture）を輸送する導管を冷却するために使用される。冷却装置は、主に、導管が輸送する気体粒子生成物から導管が吸収した熱を放散することを意図する。例示的なシステムでは、気相粒子生成反応器（gas phase particle production reactor）、例えば噴射型反応器（flame reactors）、プラズマ反応器、熱壁反応器（hot wall reactor）、レーザ反応器のから、高温の気体粒子生成物が放出される。導管は、反応器から排出された蒸気混合気体（gas-vapor mixtures）を輸送及び調整し、複数の手段によって、混合物から熱を吸収する。冷却装置は、導管内で吸収された熱を放散し、導管の過熱を防止するように機能する。
【００１１】
本発明は、導管装置内の気体輸送導管の選択された部分を冷却する冷却装置を提供する。好ましくは、冷却装置は、第１の端部及び第２の端部を有する外側導管の部分を含む気体輸送導管の一部を冷却する少なくとも１つの冷却要素を備える。冷却要素は、気体輸送導管の一部の周りに巻回され、外側導管の内面（interior surface）と気体輸送導管の外面の間に環状チャンネルを形成する。外側導管と気体輸送導管間に形成された環状チャンネルは、導管の第１の端部における第１の開口と、導管の第２の端部における第２の開口とを有する。外側導管内には、高熱伝導管構造体（highly heat conductive tube structure）が配置され、環状チャンネルを形成する。更に、高熱伝導管構造体は、好ましくは、チャンネルを密封せず、如何なる点においても流体が流れるようにし、高熱伝導管構造体を適切に配置することによって、流体は、環状チャンネル内を自由に動くことができる。なお、他の実施の形態では、冷却装置は、環状チャンネル内に仕切りを設け、高熱伝導管構造体を流れる流体を除いて、環状チャンネルを密封する。この側面では、環状チャンネルは、複数のチャンバに分割され、これらのチャンバのそれぞれは、異なる流体を収容し、高熱伝導管構造体は、複数のチャンバのそれぞれを通過する。
【００１２】
環状チャンネルに導入された高熱伝導管構造体と共に、環状チャンネルの第１の開口に取り付けられた第１のキャップ及び第２の開口に取り付けられた第２のキャップは、気体輸送導管と導管との間を密封する。環状チャンネルは、高熱伝導管構造体を囲み、これと熱接触する静的流体（static fluid）、好ましくは、液体で満たされる。キャップのうちの少なくとも１つは、高熱伝導管構造体への流体輸送を実現するためのポートを有する。流体タンクシステムは、１つ以上のポートに接続され、これによって、高熱伝導管構造体に接続されている。好ましい実施の形態では、キャップ及び外側導管がモジュールとして形成され、互いに密封されるが、他の実施の形態では、キャップ及び外側導管を一体に形成してもよい。
【００１３】
このように、本発明の実施の形態のそれぞれは、互いに独立した２つの流体システム、すなわち、循環システム（circulating system、「流体（fluid）」又は「循環流体（circulating fluid）」と呼ぶ）及び静的システム（static system、「静的流体（static fluid）」と呼ぶ）を含む。各システム内で使用するために選択される流体は、それぞれの実施の形態の詳細によって異なる好ましい特性を有する。
【００１４】
導管装置は、高温の気体が流され、この気体から熱を吸収する。気体は、導管装置内を移動しながら冷却されるので、導管装置の幾つかの部分は、他の部分よりも多くの熱を吸収する。導管装置内の気体輸送導管の例示的な部分は、先の段落で説明した冷却装置を備える。
【００１５】
本発明の冷却装置は、流体の流れによって、気体輸送導管から熱を除去することによって動作する。導管内の気体から気体輸送導管に熱が吸収されると、冷却装置は、導管の外側表面を介して導管から熱を除去する。熱は、導管装置から静的流体に移動し、静的流体を加熱する。静的流体は、高熱伝導管構造体に熱接触しており、熱を高熱伝導管構造体に伝導する。流体は、流体タンクシステムから高熱伝導管構造体に流れ、高熱伝導管構造体及び静的流体を介して、導管装置から熱を吸収する。流体は、高熱伝導管構造体から流体タンクシステム又は他の流体タンク（fluid reservoir）に流れる。当業者には明らかなように、（流体が同じタンクシステムに戻る）循環システムでは、冷却効率を維持するために、流体は、好ましくは、外部の手段、例えば冷房によって冷却された後、高熱伝導管構造体に供給される。
【００１６】
機能的には、冷却装置内の各冷却セルは、熱交換領域、流体フロー制御及び供給システム等の幾つかの部品を備える。これらの部品が連携して動作することによって、セルは、導管装置の特定の領域を有効に冷却する。このような連携して動作する複数のセルを有する冷却装置は、選択的で、拡張可能で、構成可能な冷却を導管装置に提供する。本発明は、システム内のセルの各部品について、所望の構造及び機能を含む。
【００１７】
本発明には、幾つかの熱交換領域がある。組み立てられたシステムでは、高熱伝導管構造体は、気体輸送導管と外側導管間で画定され、静的流体で満たされている環状チャンネル内に配置されている。高熱伝導管構造体は、好ましくは、環状チャンバ内で、導管に沿って螺旋状に巻回されている。環状チャンネル内の導管と静的流体の界面の領域は、第１の熱交換領域を形成し、熱は、気体輸送導管から静的流体に伝導される。環状チャンネル内の静的流体と高熱伝導管構造体の界面は、第２の熱交換領域を形成し、熱は、静的流体から高熱伝導管構造体に伝導される。高熱伝導管構造体の内面は、第３の熱交換領域を形成し、熱は、高熱伝導管構造体から循環流体に伝導される。
【００１８】
高熱伝導管構造体は、好ましくは、熱良導体を曲げて形成される。好ましい材料には、銅等の金属及び熱良導性熱可塑性樹脂等が含まれる。上述のように、高熱伝導管構造体は、その内部に流体を流すことができる。本発明では、流体の流れを可能にするために様々な構造を考慮する。様々な実施の形態では、高熱伝導管構造体は、多孔質構造体及び／又は流体流路を定義するチャンネル構造体を含む。高熱伝導管構造体は、高熱伝導管構造体の容積に対して、熱交換のための広い表面積を有することが好ましい。
【００１９】
高熱伝導管構造体は、好ましくは、コイルバネの形状と同様に、螺旋状に巻回され、環状チャンネル内で気体輸送導管を周回する環状形状を形成する。本発明は、環状チャンネル内の高熱伝導管構造体の様々な構成を考慮し、これらには、コイル状構成、折り重ね構成、多層化構成等が含まれる。高熱伝導管構造体は、導管から独立して形成してもよく、導管の周りに形成してもよい。形成の手法に拘わらず、高熱伝導管構造体は、環状チャンネル内に適合する。
【００２０】
例示的な実施の形態では、気体輸送導管に巻回された銅管が、高熱伝導管構造体を形成する。銅管は、好ましくは、粗く巻回され、物理的に気体輸送導管に接触してもよいが、接触していなくてもよい。高熱伝導管構造体を囲む外側導管を設けることによって、高熱伝導管構造体を含む環状チャンネルが形成される。環状チャンネルは、密封され、静的流体で満たされる。静的流体の充填は、外側導管の片端の密封後、他端の密封前に行ってもよい。これに代えて、充填は、熱交換器の一方又は両方の端部に設けられた弁装置によって行ってもよい。
【００２１】
流速制御装置は、幾つかの機能を有する。流体冷却装置内の放熱の速度は、多くの要素に依存し、これらのうちの幾つかは、システム内の流体の速度及び種類に関連する。有効な流速制御装置は、熱交換領域の所望の部分に流体を流通させる手段を備える。また流体は、加熱によって膨張し、及び流体冷却装置内の放熱は、流体の加熱に依存するので、流体制御装置は、流体内の圧力変化を考慮する必要がある。同様に、外側導管内に形成される環状チャンバ及び２つのシールは、好ましくは、流体内の圧力変化を調整する弁装置を備える。
【００２２】
本発明は、幾つかの部分を有する流体制御装置を提供する。外側導管は、内部に静的流体が満たされる環状チャンバを形成する閉込め構造を提供する。したがって、導管は、高熱伝導管構造体内の流路を除く環状チャンバ内の流体の総体積を画定する。更に、外側導管の端部を密封する各キャップは、好ましくは、複数のポートを有している。これらのポートは、流体が高熱伝導管構造体に流れるパターンを決定し、この結果、高熱伝導管構造体内のフロー構造と共に、高熱伝導管構造体を介する流れのパターンを決定する。更に、キャップ構造体は、突然の圧力上昇が発生した場合、システムから流体を排出する１つ以上の圧力逃し弁を備えることが好ましい。更に、流体制御装置は、シーリングキャップの１つに設けられた複数のポートを介して流体を提供するポンプを有していてもよい。
【００２３】
外側導管は、好ましくは、高熱伝導管構造体と共に、環状領域内の所定の流体容積を定義する。ある実施の形態の比容積及び流速は、その実施の形態において設計されている熱負荷に依存する。概略的に言えば、より高い熱負荷を扱うためには、より大きい容積及び流速が必要である。また、必要な流体容積を決定する際には、伝導率及び表面積も検討される。
【００２４】
外側導管は、好ましくは、耐久性及び耐熱性を有する材料から形成される。外側導管を形成する材料は、熱伝導性を有する必要はない。実際に、外側導管を介する放熱を最小にするためには、少なくとも外面は、断熱材から形成することが好ましい。この構成は、放熱及び冷却装置の構造機能を分離する。これに代えて、外面は、熱伝導性であってもよく、この場合、放射によって更なる熱損失が促進される。
【００２５】
キャップは、外側導管の端部に取り付けられ、これを密封する。様々な実施の形態において、キャップは、外側導管に接着され、螺着され、又はボルト付けされる。本発明は、キャップと外側導管間にシールを形成する如何なる結合も包含する。キャップは、好ましくは、外側導管と同様の材料から形成される。更に、導管装置とキャップの間のシールは、様々な方法で形成することができ、キャップは、接着してもよく、圧着してもよく、Ｏリングタイプのシールによって適切な位置に保持してもよい。キャップを密封する好ましい手法は、熱交換器が加熱及び冷却される際のキャップの伸縮に応じて決定される。
【００２６】
更に、キャップは、それぞれ、好ましくは、複数のポートを有する。上述のように、ポートの１つは、好ましくは、外側導管の各端部において、流体システムのための圧力逃しシステムを提供する。他のポートは、特定の構成において、流体輸送を高熱伝導管構造体に提供する。ポートの構成及び高熱伝導管構造体内の流体チャンネルの構成は、互いに補い合って、システムを介する所望の流路を形成する。流路の構成及び流路への流体輸送の速度は、気体輸送導管から流体への放熱の速度を部分的に決定する。
【００２７】
流体制御装置は、更に、流体ポンプと、流体供給装置とを備えていてもよく、これらは、単一の装置として統合することが合理的であるが、モジュール的に実現してもよい。流体ポンプは、複数のポートへの流体輸送の速度を決定し、この結果、高熱伝導管構造体を流れる流体の速度を決定する。流体の流速が速い程、システムは、より多くの量の熱を放散できる。したがって、流体の流速は、放熱の必要条件の変化に応じて変更することが好ましい。
【００２８】
本発明の冷却装置を組み込む気体生産システム内の熱生成は、必ずしも一定ではないため、本発明の冷却装置は、好ましくは、放熱のための要求の変化に対応するために、流体の流速を変更できる。本発明の一側面においては、制御装置は、熱交換領域に流れる流体と熱交換領域から流れる流体の間で測定された温度差に基づいて、ポンプ及び流体供給装置を制御する。温度差が指定の限界を超えた場合、最大流速を超えない限り、流速が高められる。
【００２９】
流体供給装置は、好ましくは、冷却流体を流体ポンプに供給する。この流体は、新しいもの、すなわち以前にシステムで使用されていない流体であってもよく、或いは、流体は、再循環してもよい。流体を再循環する場合、流体供給装置は、好ましくは、再循環された流体を冷却した後、ポンプに再供給する。流体供給装置には、圧力逃し弁を組み込むことができる。本発明では、幾つかの種類の流体が考慮される。好ましい流体は、高い熱伝導率を有する。
【００３０】
本発明の幾つかの実施の形態では、流体及び静的流体の好ましい特性は、異なっていてもよい。具体的には、好ましい特性は、所定の実施の形態内で、流体と静的流体の間で異なっていてもよく、幾つかの実施の形態の間で、所定の流体に関して異なっていてもよい。流体の重要な特性は、密度、熱容量、粘性及び伝導率を含む。本発明の一側面においては、何れも熱容量が小さい静的流体及び循環流体を選択し、熱交換器の温度の急激な変化を許容する。本発明の他の側面では、熱容量が大きい循環流体及び静的流体を選択し、大きな熱量の除去を許容する。
【００３１】
気相粒子生産システム（gas phase particle production system）が動作中、反応器から放出された高温ガス生成物が導管装置内の気体輸送導管を流れる。気体が導管を流れると、気体は、冷却され、熱を気体輸送導管に放散する。放熱は、導管の加熱の速度が一定であると仮定すれば、温度差に比例するので、気体が冷却されるに従って、気体輸送導管に放散される熱が小さくなり、すなわち、高温ガスが導入されるインレットの部分から遠い部分程、気体から吸収する熱が小さくなる。これらの差のために、本発明に基づく冷却装置は、好ましくは、様々なサブシステムを組み込む。以下、このようなサブシステムの１つの動作について説明する。
【００３２】
高温ガスが気体輸送導管を流れると、熱が導管に放散する。本発明では、高熱伝導管構造体が導管に接続され、気体輸送導管と外側導管間に形成された環状構造内に配置される。気体輸送導管及び高熱伝導管構造体は、環状チャンバ内の静的流体を介して熱接触し、これによって、熱は、気体輸送導管から高熱伝導管構造体に放散される。気体輸送導管から静的流体に熱が伝えられるとともに、流体は、静的流体に接触する高熱伝導管構造体を流れる。この流体が流れると、熱は、高熱伝導管構造体から流体に放散し、この結果、流体を加熱する。このようにして、気体輸送導管から放散した熱は、流動流体への放散によって、物理的に除去される。
【００３３】
本発明は、一側面として、熱交換器を提供する。熱交換器は、混合流体が流れることができるチャンネルを提供する気体輸送導管を備える。外側導管は、気体輸送導管の周りに配置される。外側導管は、第１の端部、第１の端部の反対側の第２の端部、第１の端部を覆う第１のキャップ、及び第２の端部を覆う第２のキャップを有する。気体輸送導管は、第１のキャップを貫通し、外側導管を経由して、第２のキャップを貫通する。熱伝導管は、外側導管を通過し、これによって、外側導管に入って、及び外側導管から出るように循環流体が流れることができるチャンネルを提供する。静的流体チャンバは、熱伝導管と気体輸送導管間に形成される。静的流体チャンバは、静的流体を収容する。気体輸送導管は、気体輸送導管内の混合流体から熱を、静的流体チャンバ内の静的流体に伝導し、熱伝導管は、静的流体チャンバ内の静的流体から熱を、熱伝導管を流れる循環流体に伝導する。
【００３４】
本発明は、他の側面として、冷却装置を提供する。冷却装置は、インレットと、アウトレットとを有する流体供給装置を備える。流体供給装置は、インレットを介して加熱循環流体が供給され、加熱循環流体を冷却し、アウトレットを介して冷却循環流体を供給する。冷却装置は、更に、混合流体が流れることができるチャンネルを提供する気体輸送導管と、気体輸送導管の周りに配置された外側導管とを備える。外側導管は、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを有する。気体輸送導管は、第１のキャップを貫通し、外側導管を経由して、第２のキャップを貫通する。熱伝導管は、流体供給装置のアウトレットに流体的に接続されたチューブインレットと、流体供給装置のインレットに流体的に接続されてたチューブアウトレットとを有する。熱伝導管は、外側導管を通過し、これによって、循環流体が、流体供給装置から、チューブインレットを介して、外側導管に入って、外側導管から、チューブアウトレットを介して、流体供給装置に戻ることができるチャンネルを提供する。静的流体チャンバは、熱伝導管と気体輸送導管間に形成される。静的流体チャンバは、静的流体を収容する。気体輸送導管は、気体輸送導管内の混合流体から熱を、静的流体チャンバ内の静的流体に伝導し、熱伝導管は、静的流体チャンバ内の静的流体から熱を、熱伝導管を流れる循環流体に伝導する。
【００３５】
本発明は、更に他の側面として、混合流体を冷却する冷却方法を提供する。冷却方法は、外側導管と、熱伝導管とを準備するステップを有する。外側導管は、気体輸送導管の周りに配置され、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを有する。気体輸送導管は、第１のキャップを貫通し、外側導管を経由して、第２のキャップを貫通する。熱伝導管は、外側導管を通過する。静的流体チャンバは、熱伝導管と気体輸送導管間に形成される。静的流体チャンバは、静的流体を収容する。そして、気体輸送導管を介して、外側導管に、及び外側導管から混合流体を流す。熱伝導管を介して、外側導管に、及び外側導管から循環流体を流す。気体輸送導管によって、気体輸送導管内の混合流体から熱を、静的流体チャンバ内の静的流体に伝導する。熱伝導管によって、静的流体チャンバ内の静的流体から熱を、熱伝導管を流れる循環流体に伝導する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の原理に基づく、粒子処理システムに組み込まれた冷却装置の一実施の形態のブロック図である。
【図２】本発明の原理に基づく冷却装置の一実施の形態の斜視図である。
【図３】本発明の原理に基づく熱交換器の一実施の形態の断面図である。
【図４】本発明の原理に基づく熱交換器の一実施の形態の部分的な断面図である。
【図５】本発明の原理に基づいて混合流体を冷却する方法の一実施の形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の説明は、本発明の幾つかの実施の形態に関するものである。好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。しかしながら、本発明の範囲は、図示する実施の形態にも、説明する実施の形態にも制限されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の文言に基づいて、可能な限り広く解釈される。
【００３８】
以下の説明では、説明の目的のために、数多くの詳細及び代替を説明する。なお、本発明が、これらの具体的詳細を使用することなく、実施できることは当業者には明らかである。他の例では、不要な詳細によって本発明の説明が不明瞭になることを避けるために、周知の構造及び機器は、ブロック図の形式で示している。
【００３９】
この説明では、粒子（particles）及び粉末（powders）の両方について言及する。この２つの用語は、単一の「粉末」が粒子の集合を示すとの特別な記載がある場合を除き、同義である。本発明は、様々な粉末及び粒子に適用することができる。本発明の範囲に含まれる粉末としては、以下に限定されるものではないが、例えば、以下のような粉末がある。（ａ）平均粒径が２５０ｎｍ未満、アスペクト比が１〜１００万のナノ構造粉末（nano-structured powders、ナノ粉末）。（ｂ）平均粒径が１μｍ未満、アスペクト比が１〜１００万のサブミクロン粉末（submicron powders）。（ｃ）平均粒径が１００μｍ未満、アスペクト比が１〜１００万の超微粉末（ultra-fine powders）。（ｄ）平均粒径が５００μｍ未満、アスペクト比が１〜１００万の微粉末（fine powders）。
【００４０】
図１は、粒子処理システム（particle processing system）１００を示している。粒子処理システム１００は、粒子混合気体生成装置（gas-particle mixture production system）１１０を備え、粒子混合気体生成装置１１０は、導管装置（conduit system）１２０によって、抽出ゾーン（sampling zone）１５０及び真空装置（vacuum system）１６０に接続されている。
【００４１】
粒子混合気体生成装置１１０は、好ましくは、粒子を生成し、粒子をガス流（gas stream）に飛沫同伴させ、出力混合流体（output fluid mixture）を導管装置１２０に供給する。混合流体は、様々な方法で生成することができる。本発明の幾つかの実施の形態は、ナノ粉末生成反応器の使用に関連する。通常、気相ナノ粉末生成器が好ましい。本発明の実施の形態では、２００５年４月１９日に出願された米国特許出願番号第１１／１１０，３４１号、発明の名称「HIGH THROUGHPUT DISCOVERY OF MATERIALS THROUGH VAPOR PHASE SYNTHESIS」に開示されているものと同様のナノ粉末生産システム（nano-powder production system）の要素を使用でき、この文献は、米国特許公開番号第２００５−０２３３３８０Ａ号として公開されている。このようなナノ粉末生産システムでは、処理ガスが、ガス源からプラズマ反応器に供給される。プラズマ反応器内では、処理ガスにエネルギが供給され、これによって、プラズマが生成される。このエネルギを供給するために、以下に限定されるものではないが、直流結合、容量結合、誘導結合及び共振結合を含む様々な異なる手段を用いることができる。１つ以上の材料投入装置（material dispensing device）は、少なくとも１つの材料を、好ましくは粉末の形態でプラズマ反応器に導入する。プラズマ反応器内におけるプラズマと、材料投入装置によって導入された材料との混合により、反応性が非常に高く、粉末を蒸発できる高いエネルギの混合物が形成される。この蒸発粉末（vaporized powder）の混合物は、プラズマ反応器内で処理ガスの流れ方向に移動する。
【００４２】
図１に戻って説明すると、混合流体、好ましくは気体粒子流（gas-particle stream）は、導管装置１２０を流れ、ここで調整されて、抽出ゾーン１５０に輸送される。抽出ゾーン１５０内では、気体粒子流の一部が抽出され、更なる分析のために、ここから粒子が分離される。なお、凝縮粒子は、気体粒子流から、様々な方法、例えば以下に限定されるわけではないが、１つ以上のフィルタを用いて抽出することができる。気体粒子流の大部分は、抽出ゾーン１５０を通って、真空装置１６０に流れ込む。真空装置１６０は、粒子混合気体生成装置１１０から、気体粒子流を、導管装置１２０によって引き込み、抽出ゾーン１５０を通して強制的に流す。
【００４３】
導管装置１２０は、粒子混合気体生成装置１１０から、気体粒子流を真空装置１６０に通し、調整する導管１４０を備える。ここに示す実施の形態で実行される調整は、主に、冷却及び粒子の飛沫同伴の維持からなる。気体粒子流は、冷却され、その粒子の飛沫同伴は、ポート１４２を介する調整流体（conditioning fluid）の導入によって維持される。更に、気体粒子流は、熱を導管１４０本体に伝導し、この熱は、冷却装置１７０、１８０によって放散される。調整流体タンク（conditioning fluid reservoir）１３０は、調整流体を、供給管路（supply line）１３５を介してポート１４２に供給する。真空装置１６０は、導管１４０内に吸引圧を発生し、ポート１４２に調整流体を引き込み、気体粒子流を冷却し、気体粒子流による粒子の飛沫同伴を維持する。
【００４４】
冷却装置１７０、１８０は、それぞれ、熱交換器１７２、１８２を備え、これらは、流体管路（fluid line）１７６、１８６によって、流体供給装置１７４、１８４に接続されている。気体粒子流が、熱を導管１４０に放散すると、熱は、熱交換器１７２、１８２に伝導される。流体供給装置１７４、１８４は、熱交換器１７２、１８２を通して、流体をポンプで圧送する。流体は、熱交換器１７２、１８２から熱を吸収するにつれて、加熱され、熱交換器１７２、１８２を出て、その後、流体供給装置１７４、１８４に戻る。流体供給装置１７４、１８４は、好ましくは、流体を冷却し、再び、流体を熱交換器１７２、１８２にポンプで送る。
【００４５】
気体粒子流は、冷却装置１８０の最も近くを通過するときよりも、冷却装置１７０の最も近くを通過するときの方が高温であるので、多くの場合、冷却装置１７０は、冷却装置１８０よりも多くの熱を放散する必要がある。流体熱交換器を通して流れる流体の速度が速い程、その流体熱交換器からの放熱の速度も速くなる。したがって、殆どの状況では、流体供給装置１７４によって熱交換器１７２に流される流体の速度は、冷却装置１８０内の関連する流体の速度よりも速い。
【００４６】
好ましい実施の形態では、制御装置１９０は、粒子混合気体生成装置１１０及び両方の冷却装置１７０、１８０に通信可能に接続され、生成される粒子含有率の一般的な性質及び導管１４０の冷却の両方を制御することができる。生成条件が異なれば、導管１４０内の熱負荷も異なるので、制御装置１９０は、与えられた現在の生成条件で予想される熱負荷に基づいて、冷却装置１７０、１８０内の流速を変える。更に、制御装置１９０は、各熱交換器１７２、１８２からの出力において、任意の温度センサ１９２によって検出される流体の温度に基づき、流速を変える。
【００４７】
図２に示すように、冷却装置２００は、流体供給装置２２０と、気体輸送導管２１０の周りに形成された熱交換器２３０とを内蔵している。熱交換器２３０は、キャップ２３１、２３３を備え、これらの間には、外側導管２３２が配置されている。流体供給装置２２０は、アウトレット２２５から流体をポンプによって流出し、流体をインレット２２４に流入させる。
【００４８】
この図２に示すように、キャップ２３１は、インレット２３７と、圧力逃し弁２３５とを有する。インレット２３７は、外側導管２３２の内部に配置された管構造体（図３〜図４に関して後述する）と流体連通しており（fluidly communicate）、流体は、熱交換器２３０に入ることができる。更に、キャップ２３３は、アウトレット２３６を有し、アウトレット２３６により、流体は、熱交換器２３０から出ることができる。他の実施の形態として、インレット２３７とアウトレット２３６とを逆にしてもよい。
【００４９】
流体供給装置２２０は、アウトレット２２５から流体を、流体管路２２３を介してインレット２３７にポンプで圧送する。流体は、インレット２３７から熱交換器２３０内の管構造体を流れる。熱交換器２３０内では、流体は、加熱された後に、アウトレット２３６から流出する。アウトレット２３６から流出した流体は、流体管路２２２を介して、流体供給装置２２０のインレット２２４に流入する。インレット２２４に流入する流体は、好ましくは、アウトレット２２５からポンプで送られた流体よりも高温であるので、流体供給装置２２０は、好ましくは、例えば冷房又は他の冷却装置を用いて、供給された流体を冷却する。流体は、加熱されたとき、急激に膨張するので、圧力逃し弁２３５を設け、圧力が所定の閾値を超えている期間中、流体を排出することによって、熱交換器２３０内の圧力を解放する。また、圧力逃し弁２３５は、外側導管２３２の壁を貫通して取り付けてもよい。
【００５０】
図３は、例示的な熱交換器３００を示している。熱交換器３００は、外側導管３４０を備え、外側導管３４０は、キャップ３２０、３３０によって気体輸送導管３１０に密閉されている。気体輸送導管３１０と外側導管３４０とは、これらの間に、環状チャンバ（toroidal chamber）３６０を形成している。環状チャンバ３６０内の熱伝導管構造体３５０は、流体供給装置、例えば上述した流体供給装置２２０に流体的に接続されており、これによって、流体は、流体供給装置から、外側導管３４０内の熱伝導管構造体３５０に入り、ここから出て、流体供給装置に戻ることができる。熱伝導管構造体３５０は、好ましくは、環状チャンバ３６０の環状形状を形成するために、曲がっている。更に、環状チャンバ３６０内の熱伝導管構造体３５０によって形成される残りの空間は、静的流体によって満たされている。
【００５１】
流体は、熱交換器３００内の熱伝導管構造体３５０を、インレット３２５からアウトレット３３５に流れる。流体が熱伝導管構造体３５０を通して流れると、流体は、熱伝導管構造体３５０に密接して接触し、熱伝導管構造体３５０は、環状チャンバ３６０内の静的流体に密接して接触し、この静的流体は、気体輸送導管３１０にも密接して接触している。動作中は、高温の気体が気体輸送導管３１０を通して流れ、気体輸送導管３１０を加熱する。熱は、気体輸送導管３１０から環状チャンバ３６０内の静的流体を介して、熱伝導管構造体３５０に、そして、ここを流れる流体に伝導される。流体がインレット３２５からアウトレット３３５に流れるときに、熱伝導管構造体３５０から流体に熱が伝導され、これによって、流体が加熱される。加熱流体が、アウトレット３３５から流体供給装置に戻ると、熱交換器３００から熱が除去され、これによって、気体輸送導管３１０から熱が除去され、これによって、気体輸送導管３１０が動作温度に維持される。
【００５２】
図４は、熱交換器４００を示している。熱交換器４００は、外側導管４４０を備え、外側導管４４０は、キャップ４２０、４３０によって気体輸送導管４１０に密閉されている。気体輸送導管４１０と外側導管４４０とは、これらの間に、環状チャンバ４６０を形成している。環状チャンバ４６０内の熱伝導管構造体４５０は、流体供給装置、例えば上述した流体供給装置２２０に流体的に接続されており、これによって、流体は、流体供給装置から、外側導管４４０内の熱伝導管構造体４５０に入り、ここから出て、流体供給装置に戻ることができる。熱伝導管構造体４５０は、気体輸送導管４１０の周りに、好ましくは螺旋状に巻回されており、これによって、環状チャンバ４６０の環状形状を形成している。更に、環状チャンバ４６０内の熱伝導管構造体４５０によって形成される残りの空間は、静的流体によって満たされている。
【００５３】
流体は、熱交換器４００内の熱伝導管構造体４５０を、インレット４２５からアウトレット４３５に流れる。流体が熱伝導管構造体４５０を通して流れると、流体は、熱伝導管構造体４５０に密接して接触し、熱伝導管構造体４５０は、環状チャンバ４６０内の静的流体に密接して接触し、この静的流体は、気体輸送導管４１０にも密接して接触している。動作中は、高温の気体が気体輸送導管４１０を通して流れ、気体輸送導管４１０を加熱する。熱は、気体輸送導管４１０から環状チャンバ４６０内の静的流体を介して、熱伝導管構造体４５０に、そして、ここを流れる流体に伝導される。流体がインレット４２５からアウトレット４３５に流れるときに、熱伝導管構造体４５０から流体に熱が伝導され、これによって、流体が加熱される。加熱流体が、アウトレット４３５から流体供給装置に戻ると、熱交換器４００から熱が除去され、これによって、気体輸送導管４１０から熱が除去され、これによって、気体輸送導管４１０が動作温度に維持される。
【００５４】
図５は、本発明の原理に基づいて混合流体を冷却する方法５００の一実施の形態を示すフローチャートである。当業者にとって明らかなように、ここに、説明するプロトコル、処理及び手順は、必要に応じて、継続的に繰り返してもよく、何回繰り返してもよい。更に、ここでは、方法５００の各ステップを特定の順序で示しているが、幾つかの一定のステップを同時に実行してもよく、図に示すものとは異なる順序で実行してもよい。したがって、本発明の処理ステップは、特許請求の範囲において、明示的又は暗示的に指定している場合を除き、如何なる特定の順序にも限定されない。
【００５５】
ステップ５１０において、熱交換器（heat exchanger）に流体的に接続された流体供給装置（fluid supply system）を備える冷却装置（cooling system）を準備する。熱交換器は、外側導管（outer conduit）と、熱伝導管（conductive tube）とを備える。外側導管は、気体輸送導管（gas transport conduit）の周りに配置され、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部を覆う第１のキャップと、第２の端部を覆う第２のキャップとを備える。気体輸送導管は、第１のキャップを貫通して外側導管内に入り、第２のキャップを貫通して外側導管から出ている。この点で、熱伝導管は、外側導管を貫通している。なお、熱伝導管は、外側導管を貫通するために、第１のキャップ及び第２のキャップ以外の熱交換器の一部を貫通してもよい。静的流体チャンバ（static fluid chamber）は、熱伝導管と気体輸送導管間に形成されており、静的流体（static fluid）を収容する。
【００５６】
ステップ５２０において、粒子混合気体生成装置（mixture production system）は、混合流体を生成する。粒子混合気体生成装置は、気体輸送導管に流体的に接続されている。混合流体は、様々な方法で生成することができる。なお、好ましい実施の形態では、粒子混合気体生成装置は、処理ガスを励起し、プラズマ流（plasma stream）を形成し、プラズマ流を粉末粒子に作用させて、粉末粒子を蒸発させ、蒸発した粒子を含む混合流体を形成する。
【００５７】
ステップ５３０において、混合流体は、熱交換器の外側導管との間の気体輸送導管を通して流れる。
【００５８】
ステップ５４０において、循環流体は、熱交換器の外側導管との間の熱伝導管を通して流れる。なお、このステップ５４０は、混合流体が熱交換器を流れるステップ５３０と同時に行ってもよい。
【００５９】
ステップ５５０において、気体輸送導管が、気体輸送導管内の混合流体から熱を、静的流体チャンバ内の静的流体に伝導する。
【００６０】
ステップ５６０において、熱伝導管は、静的流体チャンバ内の静的流体から熱を、熱伝導管を流れる循環流体に伝導する。
【００６１】
ステップ５７０において、加熱循環流体が熱交換器から流れる。好ましい実施の形態では、循環流体は、流体供給装置に戻って、好ましくは、冷却された後、熱交換器に再循環され、プロセスが繰り返えされる。
【００６２】
本発明の構造及び動作の原理を明瞭にするために、詳細を組み込んだ特定の実施の形態に関連して本発明を説明した。したがって、ここにおける特定の実施の形態及び詳細な説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、ここに例示した実施の形態を変更できることは当業者にとって明らかである。