(57)【要約】  本開示の態様は、流体が異なる通路へと分岐したときに、乱流を低減し、均等に分布する流体圧力を生成する、装置内の分岐流体通路を含む。いくつかの実施形態では、分岐通路は、液体燃料用の分岐通路と液体酸化剤用の分岐通路の２つの組に分割され得る。いくつかの実施形態では、２組の通路は、正確な流体の流れおよび最大燃焼効率のために最適化された、簡潔でありながら極めて入り組んだ方法で慎重に設計される。全ての通路の端部は、インジェクタインターフェースに集まり、インジェクタインターフェースが点火のために液体を燃焼チャンバに分配する。一般に、これらの設計は、付加製造方法によって達成され、不可能とは言えないまでも、従来の技術を使用して製造するのは極めて難しい。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口と、
第１のフラクタル流体分岐通路および第２のフラクタル流体分岐通路であって、前記入口から流入する流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第１および前記第２のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように前記入口に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記入口に結合された、第１のフラクタル流体分岐通路および第２のフラクタル流体分岐通路と、
第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路であって、前記第１のフラクタル流体分岐通路から流れる前記流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第３および前記第４のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように前記第１のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記第１のフラクタル流体分岐通路に結合された、第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路と、
第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路であって、前記第２のフラクタル流体分岐通路から流れる前記流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第５および前記第６のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように前記第２のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記第２のフラクタル流体分岐通路に結合された、第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路と
を備える複数のフラクタル流体通路
を備える装置であって、
前記複数のフラクタル流体通路は、付加製造技術で製造される、前記装置。
【請求項２】
前記第３のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第１のオリフィスと、
前記第４のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第２のオリフィスと、
前記第５のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第３のオリフィスと、
前記第６のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第４のオリフィスと
をさらに備え、
前記第１のオリフィス、前記第２のオリフィス、前記第３のオリフィス、および前記第４のオリフィスの各々は、前記流体が実質的に均一な質量流量で前記複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のオリフィスから流出する前記流体が前記第３のオリフィスから流出する前記流体とは異なる角度で排出されるように、前記第３のフラクタル流体分岐通路は前記第５のフラクタル流体分岐通路とは異なる角度付けがなされる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記入口は、入口断面積を含み、
前記第１のフラクタル流体分岐通路は、第１の断面積を含み、
前記第２のフラクタル流体分岐通路は、第２の断面積を含み、
前記第３のフラクタル流体分岐通路は、第３の断面積を含み、
前記第４のフラクタル流体分岐通路は、第４の断面積を含み、
前記第５のフラクタル流体分岐通路は、第５の断面積を含み、
前記第６のフラクタル流体分岐通路は、第６の断面積を含み、
前記第１の断面積と前記第２の断面積との合計は、前記入口断面積に等しく、
前記第３の断面積と前記第４の断面積と前記第５の断面積と前記第６の断面積との合計は、前記入口断面積に等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記流体は、前記入口、前記第１のフラクタル流体分岐通路、前記第２のフラクタル流体分岐通路、前記第３のフラクタル流体分岐通路、前記第４のフラクタル流体分岐通路、前記第５のフラクタル流体分岐通路、および前記第６のフラクタル流体分岐通路の各々を等速度で流れる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記流体は、前記入口、前記第１のフラクタル流体分岐通路、前記第２のフラクタル流体分岐通路、前記第３のフラクタル流体分岐通路、前記第４のフラクタル流体分岐通路、前記第５のフラクタル流体分岐通路、および前記第６のフラクタル流体分岐通路の各々を等圧力で流れる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第３のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第１のオリフィスと、
前記第４のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第２のオリフィスと、
前記第５のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第３のオリフィスと、
前記第６のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第４のオリフィスと
をさらに備え、
前記第１のオリフィスは、前記流体が第１の所定の質量流量で前記複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成され、
前記第２のオリフィスは、前記流体が第２の所定の質量流量で前記複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成され、
前記第３のオリフィスは、前記流体が第３の所定の質量流量で前記複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成され、
前記第４のオリフィスは、前記流体が第４の所定の質量流量で前記複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のオリフィス、前記第２のオリフィス、前記第３のオリフィス、および前記第４のオリフィスの各々は、前記流体が等速度で前記複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のフラクタル流体分岐通路、前記第２のフラクタル流体分岐通路、前記第３のフラクタル流体分岐通路、前記第４のフラクタル流体分岐通路、前記第５のフラクタル流体分岐通路、および前記第６のフラクタル流体分岐通路は、互いに非対称形状である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数のフラクタル流体通路は、第１の複数のフラクタル流体通路であり、前記流体は第１の流体であり、
前記装置はさらに、前記第１の流体が前記第１の複数のフラクタル流体通路を流れるのと同時に前記第１の流体とは異なる第２の流体が第２の複数のフラクタル流体通路を流れることができるように構成された前記第２の複数のフラクタル流体通路を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
部分的にチャンバを取り囲むインジェクタインターフェースであって、前記第１の流体が前記インジェクタインターフェースを通って前記第１の複数のフラクタル流体通路から流出して、前記第１のオリフィス、前記第２のオリフィス、前記第３のオリフィス、および前記第４のオリフィスを介して前記チャンバへ流入するように、前記第１のオリフィス、前記第２のオリフィス、前記第３のオリフィス、および前記第４のオリフィスを備えるインジェクタインターフェースをさらに備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の複数のフラクタル流体通路は、第２の複数のオリフィスを備え、前記インジェクタインターフェースはさらに、前記第２の流体が前記インジェクタインターフェースを通って前記第２の複数のフラクタル流体通路から流出して、前記第２の複数のオリフィスを介して前記チャンバに流入するように前記第２の複数のオリフィスを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の流体は、前記第１の流体が前記インジェクタインターフェースから流出する角度とは異なる角度で、前記第２の複数のオリフィスの少なくとも一部を介して前記インジェクタインターフェースから流出する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の流体の少なくとも一部は、前記インジェクタインターフェースを通って前記第１のオリフィスから流出する前記第１の流体と衝突するように、前記第１の複数のフラクタル流体通路の前記第１のオリフィスに向けて所定の角度で前記インジェクタインターフェースから流出する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
複数の再生冷却チャネルをさらに備え、前記第２の複数のフラクタル流体通路は、前記第２の流体が前記複数の再生冷却チャネルを通って前記第２の複数のフラクタル流体通路に流入するよう構成されるように前記複数の再生冷却チャネルに結合される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の複数のフラクタル流体通路の第１のフラクタル流体通路は、前記第１の複数のフラクタル流体通路の第１の方向と同じ方向に流体を流すように構成された第１の通路部分を備え、
前記第２の複数のフラクタル流体通路の前記第１の複数のフラクタル流体通路はさらに、前記第１の複数のフラクタル流体通路の前記第１の方向と反対方向に流体を流すように構成された第２の通路部分を備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
断面積が漸減する環状部を備える流体ダイバータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記複数のフラクタル流体通路はさらに、第７のフラクタル流体分岐通路および第８のフラクタル流体分岐通路を備え、
前記第７のフラクタル流体分岐通路は、前記第１のフラクタル流体分岐通路から流れる前記流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第３のフラクタル流体分岐通路、前記第４のフラクタル流体分岐通路、および前記第７のフラクタル流体分岐通路に流入するよう構成されるように前記第１のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記第１のフラクタル流体分岐通路に結合され、
前記第８のフラクタル流体分岐通路は、前記第２のフラクタル流体分岐通路から流れる前記流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第５のフラクタル流体分岐通路、前記第６のフラクタル流体分岐通路、および前記第８のフラクタル流体分岐通路に流入するよう構成されるように前記第２のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記第２のフラクタル流体分岐通路に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
入口と、
前記入口に結合され、断面積が漸減する環状部を備える流体ダイバータと、
前記流体ダイバータに結合された第１のフラクタル流体分岐通路と、
前記流体ダイバータに結合され、前記第１のフラクタル流体分岐通路と等しい断面積を有する第２のフラクタル流体分岐通路と、
第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路であって、前記第１のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第３および前記第４のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように前記第１のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記第１のフラクタル流体分岐通路に結合された、第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路と、
第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路であって、前記第２のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら前記第５および前記第６のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように前記第２のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で前記第２のフラクタル流体分岐通路に結合された、第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路と
を備える複数のフラクタル流体通路
を備える装置。
【請求項２０】
流体は、前記入口から前記流体ダイバータへと流入し、次に、前記第１のフラクタル流体分岐通路へと流入し、および、次に、前記第２のフラクタル流体分岐通路へと流入し、
前記流体は、同時に等圧力で前記第１および前記第２のフラクタル流体分岐通路に流入する、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年９月８日に出願され、「ＦＲＡＣＴＡＬ  ＦＬＵＩＤ  ＰＡＳＳＡＧＥＳ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」と題された米国仮特許出願第６２／３８５，１２２号の利益を主張するものであり、あらゆる目的のために、この特許の内容全体を本願明細書に引用したものとする。
【０００２】
本明細書に開示されている主題は、全般的には、噴射、分配、および／または混合のための構造体に関する。特に、本開示は、様々な産業上の利用可能性を有する装置内のフラクタル流体通路に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、流体の流れを可能にするチャネルは、除去製造方法（所望の構造体が形成されるまで削られ、穴が開けられる大きな材料片が使用される）を使用して製造される。したがって、これらの設計は、採用される製造方法によって制限される。さらに、流体通路を有する構造体は、通常、溶接され締結される必要がある複数の部品で組み立てられる。したがって、これらの流体通路は、製造しやすさおよび再現可能性に関しては、多くの破壊点または他の高応力領域を示す。また、より信頼性の高い除去製造方法を利用しているために、乱流を最小限に抑え、均等分配通路を形成するための最適形状が使用されない。したがって、流体通路およびその様々な構成要素を有する装置を作成する新しい方法を開発するのが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示の態様は、付加製造技術を使用して形成され得る、正確な質量流量を確実にするための最適流体通路を有する装置に関して提示されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
いくつかの実施形態では、入口と、第１のフラクタル流体分岐通路および第２のフラクタル流体分岐通路であって、入口から流入する流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第１および第２のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように入口に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で入口に結合された第１のフラクタル流体分岐通路および第２のフラクタル流体分岐通路と、第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路であって、第１のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第３および第４のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように第１のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で第１のフラクタル流体分岐通路に結合された第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路と、第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路であって、第２のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第５および第６のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように第２のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で第２のフラクタル流体分岐通路に結合された第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路とを備える複数のフラクタル流体通路を含む装置であって、複数のフラクタル流体通路は付加製造方法で製造される装置が提示される。
【０００６】
いくつかの実施形態では、該装置はさらに、第３のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第１のオリフィスと、第４のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第２のオリフィスと、第５のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第３のオリフィスと、第６のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第４のオリフィスとを含み、第１のオリフィス、第２のオリフィス、第３のオリフィス、および第４のオリフィスは、流体が実質的に均一な質量流量で複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成される。
【０００７】
該装置のいくつかの実施形態では、第３のフラクタル流体分岐通路は、第１のオリフィスから流出する流体が第３のオリフィスから流出する流体と異なる角度で排出されるように第５のフラクタル流体分岐通路と異なる角度が付けられる。
【０００８】
該装置のいくつかの実施形態では、入口は入口断面積を含み、第１のフラクタル流体分岐通路は第１の断面積を含み、第２のフラクタル流体分岐通路は第２の断面積を含み、第３のフラクタル流体分岐通路は第３の断面積を含み、第４のフラクタル流体分岐通路は第４の断面積を含み、第５のフラクタル流体分岐通路は第５の断面積を含み、第６のフラクタル流体分岐通路は第６の断面積を含み、第１の断面積と第２の断面積との合計は入口断面積に等しく、第３の断面積と第４の断面積と第５の断面積と第６の断面積との合計は入口断面積に等しい。
【０００９】
該装置のいくつかの実施形態では、流体は、入口、第１のフラクタル流体分岐通路、第２の流体分岐通路、第３の流体分岐通路、第４のフラクタル流体分岐通路、第５のフラクタル流体分岐通路、および第６のフラクタル流体分岐通路の各々を等速度で流れる。
【００１０】
該装置のいくつかの実施形態では、流体は、入口、第１のフラクタル流体分岐通路、第２の流体分岐通路、第３の流体分岐通路、第４のフラクタル流体分岐通路、第５のフラクタル流体分岐通路、第６のフラクタル流体分岐通路の各々を等圧力で流れる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、該装置はさらに、第３のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第１のオリフィスと、第４のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第２のオリフィスと、第５のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第３のオリフィスと、第６のフラクタル流体分岐通路の一端を導出する第４のオリフィスとを含み、第１のオリフィスは、流体を第１の所定の質量流量で複数のフラクタル流体通路から流出させることができるように構成され、第２のオリフィスは、流体を第２の所定の質量流量で複数のフラクタル流体通路から流出させることができるように構成され、第３のオリフィスは、流体を第３の所定の質量流量で複数のフラクタル流体通路から流出させることができるように構成され、第４のオリフィスは、流体を第４の所定の質量流量で複数のフラクタル流体通路から流出させることができるように構成される。
【００１２】
該装置のいくつかの実施形態では、第１のオリフィス、第２のオリフィス、第３のオリフィス、および第４のオリフィスは、流体が等速度で複数のフラクタル流体通路から流出することができるように構成される。
【００１３】
該装置のいくつかの実施形態では、第１のフラクタル流体分岐通路、第２の流体分岐通路、第３の流体分岐通路、第４のフラクタル流体分岐通路、第５のフラクタル流体分岐通路、および第６のフラクタル流体分岐通路は、互いに非対称な形状である。
【００１４】
該装置のいくつかの実施形態では、複数のフラクタル流体通路は第１の複数のフラクタル流体通路であり、流体は第１の流体であり、該装置はさらに、第１の流体が第１の複数のフラクタル流体通路を流れるのと同時に第１の流体とは異なる第２の流体が第２の複数のフラクタル流体通路を流れることができるように構成された第２の複数のフラクタル流体通路を備える。
【００１５】
いくつかの実施形態では、該装置はさらに、部分的にチャンバを取り囲むインジェクタインターフェースであって、第１の流体がインジェクタインターフェースを通って第１の複数のフラクタル流体通路から流出して、第１のオリフィス、第２のオリフィス、第３のオリフィス、および第４のオリフィスを介してチャンバへ流入するように、第１のオリフィス、第２のオリフィス、第３のオリフィス、および第４のオリフィスを備えるインジェクタインターフェースを含む。
【００１６】
該装置のいくつかの実施形態では、第２の複数のフラクタル流体通路は、第２の複数のオリフィスを備え、インジェクタインターフェースはさらに、第２の流体がインジェクタインターフェースを通って第２の複数のフラクタル流体通路から流出して、第２の複数のオリフィスを介してチャンバに流入するように、第２の複数のオリフィスを備える。
【００１７】
該装置のいくつかの実施形態では、第２の流体は、第１の流体がインジェクタインターフェースから流出する角度とは異なる角度で、第２の複数のオリフィスの少なくとも一部を介してインジェクタインターフェースから流出する。
【００１８】
該装置のいくつかの実施形態では、第２の流体の少なくとも一部は、インジェクタインターフェースを通って第１のオリフィスから流出する第１の流体と衝突するように、第１の複数のフラクタル流体通路の第１のオリフィスに向けて所定の角度でインジェクタインターフェースから流出する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、該装置はさらに、複数の再生冷却チャネルを含み、第２の複数のフラクタル流体通路は、第２の流体が複数の再生冷却チャネルを通って第２の複数のフラクタル流体通路に流入するよう構成されるように複数の再生冷却チャネルに結合される。
【００２０】
該装置のいくつかの実施形態では、第２の複数のフラクタル流体通路の第１のフラクタル流体通路は、第１の複数のフラクタル流体通路の第１の方向と同じ方向に流体を流すように構成された第１の通路部分を含み、前記第２の複数のフラクタル流体通路の第１のフラクタル流体通路はさらに、第１の複数のフラクタル流体通路の第１の方向と反対方向に流体を流すように構成された第２の通路部分を含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、該装置はさらに、断面積が漸減する環状部を備える流体ダイバータを含む。
【００２２】
該装置のいくつかの実施形態では、複数のフラクタル流体通路はさらに、第７のフラクタル流体分岐通路および第８のフラクタル流体分岐通路を備え、第７のフラクタル流体分岐通路は、第１のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第３のフラクタル流体分岐通路、第４のフラクタル流体分岐通路、および第７のフラクタル流体分岐通路に流入するよう構成されるように第１のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で第１のフラクタル流体分岐通路に結合され、第８のフラクタル流体分岐通路は、第２のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第５のフラクタル流体分岐通路、第６のフラクタル流体分岐通路、および第８のフラクタル流体分岐通路に流入するよう構成されるように第２のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で第２のフラクタル流体分岐通路に結合される。
【００２３】
いくつかの実施形態では、入口と、入口に結合され、断面積が漸減する環状部を備える流体ダイバータと、流体ダイバータに結合された第１のフラクタル流体分岐通路と、流体ダイバータに結合され、第１のフラクタル流体分岐通路と等しい断面積を有する第２のフラクタル流体分岐通路と、第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路であって、第１のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第３および第４のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように第１のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で第１のフラクタル流体分岐通路に結合された第３のフラクタル流体分岐通路および第４のフラクタル流体分岐通路と、第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路であって、第２のフラクタル流体分岐通路から流れる流体が圧力降下の変化を最小限に抑えながら第５および第６のフラクタル流体分岐通路の両方に流入するよう構成されるように第２のフラクタル流体分岐通路に向かって連続的に滑らかに湾曲した形で第２のフラクタル流体分岐通路に結合された第５のフラクタル流体分岐通路および第６のフラクタル流体分岐通路とを含む複数のフラクタル流体通路を含む別の装置が提示される。
【００２４】
該装置のいくつかの実施形態では、流体は、入口から流体ダイバータへと流入し、次に、第１のフラクタル流体分岐通路へ流入し、および、次に、第２のフラクタル流体分岐通路へと流入するように構成され、流体は、同時に等圧力で第１および第２のフラクタル流体分岐通路に流入する。
【００２５】
いくつかの実施形態は、添付図面の図において、例として示されており、これらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】典型的なインジェクタプレート収集チャンバおよびオリフィスの一例を示す図である。
【図２】収集チャンバ形状を有する典型的なインジェクタフローシステムの一例を示す図である。
【図３】いくつかの実施形態に係る、流体通路の一部のシミュレーション図である。
【図４】いくつかの実施形態に係る、流体通路の一部のシミュレーション図である。
【図５Ａ】いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤をインジェクタインターフェースに供給するためのフラクタル流体通路の主要部分の側面図である。
【図５Ｂ】側面図に従って、異なる分岐通路およびそれらのさまざまな深さをより明確に示すために、圧力変化の表示を含まないフラクタル流体通路の主要部分を示す図である。
【図６Ａ】いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤通路の４分の１の構造体を示すシミュレーション図である。
【図６Ｂ】境界線を含まない４分の１の構造体の分岐をより明確に示す図である。
【図７】いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤用の流体通路設計の別の例を示す図である。
【図８】いくつかの実施形態に係る、流体速度に応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の概略図である。
【図９】いくつかの実施形態に係る、乱流運動エネルギーに応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の概略図である。
【図１０】いくつかの実施形態に係る、流体速度に応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の異なる角度の概略図である。
【図１１】いくつかの実施形態に係る、乱流運動エネルギーに応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の異なる角度の概略図である。
【図１２】いくつかの実施形態に係る、インジェクタインターフェースへとつながる液体燃料通路の組と液体酸化剤通路の組の両方を組み合わせた概略図である。
【図１３】いくつかの実施形態に係る、燃焼チャンバに液体を噴射するためにオリフィスを位置決めする方法の最終的な配置を示す、インジェクタインターフェースの反対側面を示す図である。
【図１４】２つの３噴流要素と１つの４噴流要素の拡大図である。
【図１５】どの種類の液体を４噴流要素内でどんな角度で配置するかの選択の３つの異なるシナリオを示す図である。
【図１６】液体酸化剤用のフラクタル流体通路に組み込まれた漸減半径環状ダイバータ設計の一例を示す斜視図である。
【図１７】液体酸化剤流体通路設計内に採用される流体ダイバータの例の上面図である。
【図１８】液体酸化剤流体通路設計内に採用される流体ダイバータの例の下面図である。
【図１９】液体酸化剤流体通路設計内に採用される流体ダイバータの例を示すＣＡＤレンダリングの片側側面図である。
【図２０】図１９のＣＡＤレンダリングの反対側側面図である。
【図２１】いくつかの実施形態に係る、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部としての漸減環状流体ダイバータの別の例を示すさまざまな図である。
【図２２】いくつかの実施形態に係る、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部としての漸減環状流体ダイバータの別の例を示すさまざまな図である。
【図２３】いくつかの実施形態に係る、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部としての漸減環状流体ダイバータの別の例を示すさまざまな図である。
【図２４】いくつかの実施形態に係る、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部としての漸減環状流体ダイバータの別の例を示すさまざまな図である。
【図２５】いくつかの実施形態に係る、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部としての漸減環状流体ダイバータの別の例を示すさまざまな図である。
【図２６】いくつかの実施形態に係る、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部としての漸減環状流体ダイバータの別の例を示すさまざまな図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
装置内の流体通路の形成は、流体通路を製造するのに従来の除去製造方法に依存する傾向がある。その結果、流体通路の設計は、採用される製造方法の制限を反映したものとなる。通路（例えば、エンジンまたは他の大型機械の中に組み込まれた）は、典型的には、１部品よりも多い部品で作成され、高圧領域を封止するためにＯリングまたは他のガスケットを使用して、溶接または締結される。これらの設計は、多くの破壊点を示す。流体通路用の設計は、応力点を低減し、全体を通してより均一な流れを形成するように改良され得る。
【００２８】
付加製造（ＡＭ）方法によって１つまたは複数の一連の流体通路を有する装置を製造することにより、以前には見られなかった多数の改良点が得られる。ＡＭ技術を使用して一体部品内にこれらの通路を形成することができることにより、重量が低減されると同時に、耐久性および有用性が向上する。さらに、付加製造方法により構成要素を製造することができる速度は、最も迅速な従来の製造作業の速度をも上回る。以前では従来の製造方法を使用して実現することができなかった新規な形状を製造することができることは、数え切れないほどの性能向上をもたらした。
【００２９】
付加製造方法により、最も複雑な形状でさえも製造することができるようになる。このことにより、設計者は、従来の製造技術のための設計をしなければならないという負担なしに、最適な構造体を作成することができる。
【００３０】
本開示の態様は、付加製造技術を使用して形成され得る、正確な質量流量を確実にするための最適流体通路を有する装置に関して提示されている。該装置は、１つまたは複数の流体を伴うエンジン設計、化学物質の分配器、およびミキサのような様々な産業的な背景で使用され得る。該装置は、ジョイント、ファスナ、または損傷する危険性を有し得る任意の他の領域を有さない一体部品として製造され得る。さらに、記載されている設計は、ファスナおよび他の外部ハードウェアの必要性を排除することにより、重量を低減し得る。概して、該装置の重量は、さらに必要な構造体の周囲の外部材料を含まないように最適化され得る。また、該装置は、高い圧力を維持しながら最小限のヘッドロスを有する燃料および他の流体の最適な流れによって、エネルギー効率が高くなるように設計され得る。
【００３１】
いくつかの実施形態では、液体燃料通路および液体酸化剤通路を含む、インジェクタに流体を供給する流体通路は、樹木の根または分枝血管の形状のように、分岐する形で配置される。一般に、流体通路は、流体の方向を変えながら流体の乱流を低減するために、急な垂直チャネルを導入する従来の方法に比べて、滑らかに連続して湾曲した形で設計される。流体通路を開発するのに使用される方法は、乱流を低減し、通路の各々にわたって均等に分布する流体圧力を生成する通路を開発することに制約されていた。
【００３２】
いくつかの実施形態では、流体通路の端部を画定する場合もあるインジェクタインターフェースは、新規かつ非自明の配置で液体酸化剤オリフィスおよび液体燃料オリフィスが混在し得る。いくつかの実施形態では、インジェクタインターフェースは、複数の３噴流インジェクタおよび４噴流インジェクタの組を含み、流体は、燃料効率を向上させ、壁面の温度を低減する慎重に設計された角度で推力チャンバに流入するように設計される。
【００３３】
いくつかの実施形態では、流体通路はさらに、推力を発生させるのに使用される燃料燃焼の固有の副生成物である圧力波の衝撃を低減するように設計される。例えば、流体通路は、製造の利便性から、典型的な製造設計において見られるような同じ高さまたは深さで全ての通路を分岐させる形ではなく、深さが互い違いになってより小さな通路へと分岐するように設計され得る。これらの非対称性は、圧力波がぶつかったときに、エンジン全体の共鳴周波数を効果的に上昇させて、圧力波の衝撃を低減する破壊的インターフェースを形成し得る。
【００３４】
図１、図２、および関連する説明は、本開示の新規かつ非自明の特徴を強調するための比較基準となる従来の推力エンジン設計を説明するものである。
【００３５】
図１は、典型的なインジェクタプレート収集チャンバおよびオリフィスの一例を示す図である。インジェクタプレートにつながる２つの独立した組の通路（すなわち、１つは燃料を供給するための通路の組、もう１つは液体酸化剤を供給するための通路の組）が存在する。これらの２組の通路を有するインジェクタプレートの一例の側面断面図が示されている。通路の方向は直線を形成し、接続部は、典型的には、互いに垂直であることがわかる。
【００３６】
図２は、収集チャンバ形状を有する典型的なインジェクタフローシステムの一例を示す図である。液体酸化剤は、開口部２０５から流入し、その後、インジェクタプレート２２０で終端する３つの同心円状リング２１０を形成するチャネルへとつながる円筒状チャンバを充填する。図示されているように、同心円状リング２１０は、円筒状チャンバから直角に延びて終端する。つまり、液体酸化剤は、徐々に角度を付けて流出しない。このことにより、同心円状リング２１０の入口点で乱流が形成され得、そのことにより、インジェクタプレート２２０を通って燃焼チャンバへと流れる不均一な流れが生じ得る。同様に、図２のインジェクタフローシステムは、燃料インジェクタ経路用の第２の組のチャネル２１５を含む。燃料は、フローシステムを取り囲むケーシングまたはスリーブからチャネル２１５に流入し得る。ここで、燃料は、液体酸化剤フローシステムの３つの同心円状リング２２０の間に組み入れられた２つの同心円状リングに流れ込む。さらに、燃料は同様にして直角にこれらのチャネルに流入し、このことも、急激な方向転換点において乱流を引き起こす。鋭角を有する両方のチャネルが乱流を引き起こすために、燃焼チャンバ内の燃料と酸化剤との発火は、極めて不均一に発生し、不確実で不安定な燃焼を引き起こし得る。図示されているように、燃料インジェクタオリフィスは、単純な設計であるが、それでも製造するのは非常に難しい。また、燃料がインジェクタオリフィスに流れ込む前にどのようにしてインジェクタプレートの上で移動するかに関する確率的動作に応じて、燃料は不均一な速度または圧力で噴射される可能性が高いので、この設計は最適なものではない。
【００３７】
図１および図２に示されている例によれば、典型的なインジェクタは、極低温または非極低温の酸化剤をインジェクタの酸化剤オリフィスに分配するためのドームで構成される。ドーム内の乱流は、インジェクタの多くの酸化剤オリフィスへの予期しない流れを生じさせ得る。
【００３８】
標準インジェクタ内の燃料マニホールドは、流れ計算を簡略化し、製造コストを低減するために、均圧化のための収集チャンバを利用する。そのため、垂直に延在するオリフィス供給チャネルを有する矩形チャネルとなる。収集チャンバ入口は収集チャンバ自体の対称性に従わないので、乱流がチャンバ内の圧力降下を引き起こし、この圧力降下がさらにオリフィスへの不均一な流れをもたらす。
【００３９】
さらに、標準マニホールドは、その共鳴周波数による燃焼不安定性を生じやすい。その結果、収集チャンバマニホールドは、正のフィードバックを発生させ、不安定性をさらに強める。
【００４０】
典型的には、推進剤混合および性能を最適化するためではなく、マニホールド形成および製造を容易にするために、一般的な要素パターンが選択され、配置される。
【００４１】
本開示の態様は、典型的なエンジン設計および製造において見つけられた全てのこれらの課題に対処する方法で設計され、製造されたエンジンを提供する。
【００４２】
上述したように、本開示の態様は、流体が異なる通路へと分岐したときに、乱流を低減し、均等に分布する流体圧力を生成する分岐流体通路を含む。いくつかの実施形態では、分岐通路は、液体燃料用の分岐通路と液体酸化剤用の分岐通路の２つの組に分割され得る。いくつかの実施形態では、２組の通路は、正確な流体の流れおよび最大燃焼効率のために最適化された、簡潔でありながら極めて入り組んだ方法で慎重に設計される。全ての通路の端部は、インジェクタインターフェースに集まり、インジェクタインターフェースが点火のために液体を燃焼チャンバに分配する。一般に、これらの設計は、付加製造方法によって達成され、不可能とは言えないまでも、従来の技術を使用して製造するのは極めて難しい。
【００４３】
図３および図４を参照すると、いくつかの実施形態に係る、流体通路の一部のシミュレーション図が示されている。本開示を通して示されている模式図は、いくつかの実施形態に係るフラクタル流体通路のチャネルを示している。これらの通路を例示するために、各々のチャネル間に埋められている全ての材料が図示されているわけではないが、実際の製造および実施の際に、チャネルはチャネル間に埋められた固体材料によって取り囲まれる。すなわち、図示されているチャネル間の空間は、見やすくするために透明であるが、実際には、少なくとも一部は実際に埋められることになる。さらに、本明細書内の図のいくつかにおいて、例示の目的のために、通路の一部は切り取られており、図示されていない場合があるが、実際の製造および実施の際には、チャネルは滑らかにチャネルの他の部分につながることになる。本明細書内の図は、個々に、大きな一連のフラクタル流体通路の一部のみを示しており、したがって、図面のいくつかの組み合わせ全体を使用すれば、まとめて見たときに全体像を示すことができる。
【００４４】
例えば、図３に示されているのは、再生冷却チャネルの端部から流れが生じ、再生冷却の端部へとつながるインジェクタ通路の一部である。いくつかの実施形態では、明るい陰影付きの通路３０５は、液体燃料を供給する再生冷却チャネルから流れが生じ、再生冷却チャネルへとつながる通路である。分岐通路対を特徴とする中央の通路３１０は、再生冷却チャネルの他の通路へとつながる通路の一部である。暗い陰影付きの通路３１５は、いくつかの実施形態によれば、液体酸化剤を供給するために下方へ流れる通路である。図３に示されているように、冷却チャネル３０５のインジェクタ通路のいくつかは、分岐し、上方へ流れ、その後、下方へすぐに（それでも滑らかではあるが）曲がる。これらの通路は、壁面に冷却効果を与え、壁面の薄膜／境界層としての機能を果たすために、燃焼チャンバの縁部に向かって液体燃料の一部を噴射するように位置決めされ得る。図示されているように、これらのオリフィスは壁面に戻る方向に、内側に向けて角度付けされる。これらの分岐通路について、より詳細に後述する。
【００４５】
図４を参照すると、インジェクタインターフェースのオリフィスに流体を供給する再生冷却チャネルの別の部分が示されている。この図は、通路の底部から見た図である。いくつかの実施形態によれば、円形インジェクタインターフェースの中心に向けて延長された長い方の管は、分岐オリフィス対または３噴流オリフィスへとつながる。これらの管について、より詳細に後述する。
【００４６】
概して、いくつかの実施形態では、再生冷却通路によって供給される分岐通路は、インジェクタのオリフィスに燃料を供給する。各々の再生冷却通路は、１つの薄膜／境界層冷却オリフィスおよび１つまたは複数のインジェクタ要素のオリフィスに供給する。適切な質量流量が確実に各々のオリフィスに到達するように、適切な面積比が維持される。通路の形状は、乱流ヘッドロスを低減するために滑らかである。通路の軌道は、液体酸素の通過を防止すると同時に、最も効率的な経路に沿ってオリフィスに燃料を送達する。これらの通路は、いくつかの実施形態に従う新規な設計方法を使用して設計される。
【００４７】
いくつかの実施形態では、燃料インジェクタ通路における圧力降下は、流れの加速によって生じるので、５０ｐｓｉで最小となる。圧力降下は、通路がオリフィスに合流するオリフィス出口の近くで発生する。最小圧力降下は、エンジンに燃料を送り込むのに必要な全供給圧力を低減するのに役立つ。
【００４８】
いくつかの実施形態では、燃料通路を通って上方に伝搬しようとするインジェクタによる圧力波または燃焼不安定性は、不安定性をフィードバックするために、すぐ近くの他のオリフィスの流れに影響を及ぼさない。別個に供給されるオリフィスにすることにより、従来のマニホールド内で発生する圧力波の相互作用が防止される。１つまたは複数の通路を伝搬する圧力波が相互作用するためには、圧力波は、再生冷却チャネルを通過してダイバータに入るように非常に高い振幅を有さなければならない。波がダイバータに到達しなければならない場合、インジェクタ通路間のわずかな経路長の差が位相のずれた圧力波を生成し、この圧力波が破壊的に干渉することになる。
【００４９】
図５Ａ〜図１１は、いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤フラクタル流体通路の様々な態様を示している。フラクタル分岐流体通路は、集中発生源から大きい表面積への流体の移送を迅速にかつ乱流ヘッドロスを発生させずに可能にする。分岐流体通路は、幾何学的に、損傷を生じさせかねない燃焼不安定性および圧力波の伝搬を抑制する。特に、いくつかの非対称性を含む分岐通路の形状（例えば、図５Ｂ、図９を参照）は、 圧力波を分散させ、その結果、高共鳴周波数を発生させる。非対称性の例として、隣接する分岐通路に対する、またフラクタル構造体の「鏡像」側に位置決めされる分岐通路に対する、分岐通路の各々のわずかに異なる形状、曲線、位置、隆起、または角度が挙げられる。これらの構造体は、典型的には、かなり低い周波数を有する望ましくない波の共鳴を防止する高共鳴周波数を有する。この構造体を、的確に見える解決策であるが、完全に左右対称の設計を有する従来設計と比較する。従来設計は、かなり低い共鳴周波数を有する。効率を維持し、確実に不安定な波形がタンクおよび他の供給システム要素の上流側（これらが共鳴し得る場所）に伝搬しないようにし、そして広範囲のスロットル調整流量にわたって理想的な燃料／酸化剤混合比および燃焼効率を確実にするために、インジェクタ−燃焼部の共鳴を防止することは重要である。
【００５０】
図５Ａに示されているのは、いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤をインジェクタインターフェースに供給するためのフラクタル流体通路の主要部分の側面図である。通路のサイズは、陰影の色調に従って、分岐構造体全体の陰影付き領域で示されているように、各々の通路において、インジェクタインターフェースからほぼ等しい距離で、ほぼ等しい量の圧力降下を有するように設計される。さらに、オリフィスから流出するときの流体の圧力は、実質的に均一であることがわかる。さらに、チャネルがオリフィスに近づくにつれて、チャネルが狭くなる、または広くなる以外に、構造体の大部分において色のグラデーションを付けずに示されているように、構造体の大部分の残りの通路が全体を通して実質的に均一な圧力降下を発生させる。すなわち、分岐通路の端部のチャネルが下までずっと一定の断面積で維持され得ることが明らかであるので、圧力降下も、オリフィスの端部に向かって変化しない。
【００５１】
分岐通路は、増大した表面積全体に流体を分配しながら、比較的遅い流体速度を維持する。流体速度は、オリフィスを通る流体を加速させるために、通路が合流する通路の最終段階においてのみ上昇し得る。フラクタル分岐は、樹木の根、心臓血管系および呼吸器系に見られ、さらに多くの他の自然環境において見られる流体の生物学的分配を模倣したものである。分岐通路は、従来の流体供給システムと比べて、はるかに広範囲の初期および境界条件において、安定性を維持することができる。これらの通路は、乱流の圧力降下を発生させないように設計される。フラクタル通路は、様々なインジェクタまたは流体移送方式のために容易に最適化される。フラクタル通路は、任意の配置の流体要素を供給するのに使用され得る。
【００５２】
図５Ｂは、この側面図に従って、異なる分岐通路およびそれらのさまざまな深さをより明確に示すために、圧力変化の表示を含まないフラクタル流体通路の主要部分を示す。図示されているように、側面図によれば、いくつかの分岐通路は前方に延びるが、他の分岐通路は後方にある。別の図面に示されているように、分岐通路は、円柱容積を埋めるように周囲にわたって離間され得、オリフィスは、均一な深さのインジェクタプレートで終端するように設計され得る。
【００５３】
図６Ａは、いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤通路の４分の１の構造体を示すシミュレーション図である。主分岐通路は多数のより小さい分岐通路に分かれ、そこから、より小さい分岐通路はさらにもう一度小さく分かれることがわかる。角度および細分割の位置は、インジェクタインターフェースに沿った指定オリフィス位置に到達すると同時に、さらに圧力降下、最小乱流、および高い圧力波耐性をもたらすように、合目的に設計される。これらの制約は、いくつかの実施形態に係る、図示されているような分岐パターンをもたらす。図示されているように、この図面は、流体の流れ方向に対して直交して走る一連の線を含む。これらの線は、チャネルの形状を画定するのに使用される容積の幾何学的形状の変化を表す。図示されているように、線のいくつかは、互いに接近しており、幾何学的形状がその空間内で急に変化することを示している。他の線では、線はより長い間隔を有し、その長さにおいて湾曲を画定する１つの角度を有する長い管のように、１つの幾何学的形状で画定され得るチャネルのより長いセクションが存在することを示している。これらの線は、実施される際に実際の装置内に必ずしも存在する必要があるとは限らないが、装置のソフトウェアバージョンを構成するのを支援するのに使用されるシミュレーション設計には存在し得、ソフトウェアバージョンは、その後、いくつかの実施形態に従って付加製造技術を使用して製造する際に使用するためのＣＡＤファイルに変換される。あるいは、線は、フラクタル流体通路設計のチャネルを構成するために組み合わせられ得る異なる多角形を画定するのを支援し得る。
【００５４】
図６Ｂは、境界線を含まない４分の１の構造体の分岐をより明確に示す図である。上述したように、実際に付加製造技術で製造される滑らかなフラクタル通路は、境界線を含まず、非常に滑らかなチャネルまたは少なくとも徐々に方向を変化させるチャネルによって、さらに精密に画定される。通路の内側が完全に滑らかに形成されない場合があるという意味で、粗いフラクタルチャネルを有する装置も可能である。
【００５５】
図７は、いくつかの実施形態に係る、液体酸化剤用の流体通路設計の別の例を示す図である。さらに、急な鋭角でインジェクタインターフェースに配置された燃料オリフィスの端部が示されている。これらについて、より詳細に後述する。
【００５６】
図８は、いくつかの実施形態に係る、流体速度に応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の概略図である。図示されているように、通路のほとんどは、液体の速度を示す明るい色調の陰影付き部分に相当する明るい陰影付き領域８０５では、全体を通して比較的一定の遅い速度を維持する。通路の下の部分８１０は、色調の上限に記載されているように、より速い速度に相当する暗い陰影を示している。図示されているように、より速い速度の部分は、常に、通路の各々の下端部においてのみ存在し、これは、インジェクタオリフィスを通して確実に液体を噴出させるのを助けるためである。特に、オリフィスから流出する流体の速度は、通路を移動している間の流体に対してどんな速度であるかに関係なく、実質的に均一であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、チャネル内を移動している流体の速度は、全体を通して実質的に均一であり、オリフィスに近付いたときのみ変化し得る。これは、通路が１つの分岐通路から複数の分岐通路へと移行するときでも、通路が滑らかに湾曲しているために実現可能である。
【００５７】
図９は、いくつかの実施形態に係る、乱流運動エネルギーに応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の概略図である。図示されているように、通路のほとんどは、乱流運動エネルギーを示す色調の下限の暗い陰影付き部分に相当する最も暗い陰影付き領域９０５では、全体を通して比較的一定の低乱流を維持する。乱流が増加する場所は、通路の下の部分９１０のみであり、これは色調の上限に記載されているように、より速い速度に相当する。
【００５８】
図１０は、いくつかの実施形態に係る、流体速度に応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の異なる角度の概略図である。この図は、オリフィスが特定の様々な方向に向けられる様子を示している。図示されているように、通路のほとんどは、全体を通して比較的一定の遅い速度を維持する。通路の下端部（オリフィス）は、色調の上限に示されているように、より速い速度に相当する最も暗い陰影を示す。図示されているように、より速い速度の部分は、常に、通路の各々の下端部においてのみ存在し、これは、インジェクタオリフィスを通して確実に液体を噴出させるのを助けるためである。
【００５９】
図１１は、いくつかの実施形態に係る、乱流運動エネルギーに応じて陰影付けされた液体酸化剤流体通路の異なる角度の概略図である。この図は、オリフィスの逆さまのアングルを示している。図示されているように、通路のほとんどは、色調の下限の最も暗い陰影付き部分に相当する最も暗い陰影付き領域では、全体を通して比較的一定の低乱流を維持する。乱流が増加する場所は、通路の端部（オリフィス）のみであり、これは、色調の上限に記載されているように、より速い速度に相当する。他の例では、通路全体の速度は、オリフィスの近くの端部においても、変化しない。概して、通路は、通路内の速度の任意の特定の変化を含む任意の所望の量の速度を達成するように設計され得、実施形態はそのように制限されない。
【００６０】
図８〜図１１の説明は、通路の極めて安定したシステムであることを証明している。これらの通路の高い安定性により、通路は、燃焼不安定性または他の不安定な流体伝達波を抑え、高い圧力および大流量状態、さらに、間欠的または乱流の初期境界条件であっても安定した流出量が必要である環境に流れを反応させるのに十分に適したものになる。
【００６１】
図１２〜図１５は、液体燃料通路と液体酸化剤通路の混合システムを示しており、これらの通路がインジェクタインターフェースへ混在して入り込む様子を示している。図１２を参照すると、いくつかの実施形態に係る、インジェクタインターフェースに液体燃料通路の組と液体酸化剤通路の組の両方を組み合わせた模式図である。図示されているのは、ここに示されている通路の上部および下部につながる通路を含む大型装置の一部のみである。外側リングの通路は、燃焼チャンバの壁を上方に流れる冷却チャネルに接続された液体燃料通路の延長部である。図示され、上述されているように、通路の一部は、急に下に曲がり、内側チャンバ壁面の縁部で燃料を噴射して、冷却材としての機能を果たす。さらに図示されているように、これらの通路の他の部分は、中心に向かって様々な位置へと延び、中心に位置決めされ、液体酸化剤タンクにつながる上部に開口部を示す液体酸化剤の通路と混在する。開口部は、液体酸化剤の入口であり、液体酸化剤はその入口から内側通路構造体のフラクタル流体通路へと流れ落ちる。ずっと非常に安定した滑らかな連続的流れを発生させる通路の形成がどれほど複雑であるかが見て取れる。
【００６２】
いくつかの実施形態では、液体酸化剤（典型的には、ＬＯＸ）の極低温の性質から、入口からオリフィスまでの通路の長さを最小にすることが優先される。したがって、燃料通路は、この最適化に適応するように設計され得る。通路間の最小間隔は、付加製造方法を使用してこれらの通路を作成するのに使用される装置の解像度（例えば、３Ｄプリンタの解像度）によって決定され得る。
【００６３】
図１３は、いくつかの実施形態に係る、燃焼チャンバに液体を噴射するためにオリフィスを位置決めする方法の最終的な配置を示す、インジェクタインターフェース（図１２参照）の反対側面を示す図である。酸化剤用および液体燃料用の両方のオリフィスは、３噴流または４噴流（異種２噴流、と呼ぶこともある）のオリフィスの組に分けられるように混在し得る。３噴流オリフィスは、１つの種類の液体を送達するための１組の流体通路からの２つのオリフィスと、第２の種類の液体を送達するための第２の組の流体通路からの１つのオリフィスとを含む。４噴流または異種２噴流オリフィスは、第１の組の流体通路からの少なくとも１つのオリフィスと、第２の組の流体通路からの少なくとも１つのオリフィスとを含む。各々の３噴流オリフィスまたは４噴流オリフィスは、１つの要素として定義される。要素のパターンの主な役割は、この場合、燃焼チャンバ内に燃料を効率的に分配して噴霧することである。効率的な質量流量分配を達成するためには、多くのオリフィスが必要である。図１３は、要素パターンの一例を示しているが、他のパターンが可能であり、これも本開示の範囲内に含まれる。要素パターンは、３つの異なる種類の要素、つまり、３噴流ヘッド、４噴流ヘッド、およびシャワーヘッドを含む。
【００６４】
この例では、３噴流ヘッドは、３つのオリフィス、すなわち、酸化剤−燃料−酸化剤（ＯＦＯ）のパターンに２つのＬＯＸ燃料用オリフィスと１つの液体燃料（例えば、ＲＰ−１）用オリフィスとを含む。いくつかの実施形態では、ＯＦＯパターンは運動量の変化を気にする必要がない対称要素を形成するので、ＯＦＯパターンが選択される。いくつかの実施形態では、３噴流オリフィスでは、酸化剤と燃料との間の噴射角度は３０°である。３０°は、燃料と酸化剤とが交差すると同時に、噴流の大部分がチャンバ流路を進んでいく状態を維持するのに十分な角度である。３噴流オリフィスは安定した効率的な燃焼を生み出すので、インジェクタプレートの中央および大部分には３噴流オリフィスが選択される。これは、ＬＯＸ／ＲＰ−１の最適な混合比が２．５６であるためである。つまり、ＬＯＸオリフィスおよびＲＰ−１オリフィスの断面積は非常に近い大きさであり、その結果、同じ粒径であるために効率的な噴霧を行うことができるということである。
【００６５】
いくつかの実施形態では、燃焼の燃料リッチリングを形成するために、外側領域には４噴流オリフィスが選択される。４噴流オリフィスは、３噴流オリフィスよりもＲＰ−１を多く含むので、燃料リッチ火炎が生成される。これは、溶融を低減するために壁の近くでの温度プロファイルを低くする。図１４は、２つの３噴流要素１４０５、１４１０と１つの４噴流要素１４１５の拡大図である。
【００６６】
図１３に戻ると、チャンバ壁に最も近いリング内に配置されたオリフィスは、シャワーヘッド要素として定義され得る。シャワーヘッドは、個々の燃料オリフィスから構成される。これらは、壁に向けられ、燃焼の高温に対する保護層を形成する。燃料は、酸化剤なしでは燃焼しないと考えられる。液体燃料が蒸発すると、液体燃料は気体燃料の亜音速層を形成する。この原理は、どのようにして液体燃料の一部が燃焼チャンバの縁部に向けて壁面に意図的に噴射されるかに関する上述の図の説明と一致する。
【００６７】
燃焼不安定性は、インジェクタプレートの主な問題点の１つである。燃焼効率を最大化するためには、オリフィスはできる限り小さくなるように選択される。通常は、共鳴を停止させるために大きなバッフルが使用される。しかしながら、３つの異なる種類の要素を選択することは、これらの燃焼不安定性を軽減するのに役立つ。各々の要素は、異なる周波数の振動を発生させる。複数の要素を利用することによって、燃焼不安定性は、どの点から見ても、事実上、問題でなくなる。したがって、バッフルは必要でなくなる。
【００６８】
インジェクタは、壁の溶融および障害を最小限に抑えるのを助ける固有の半径方向外向きの燃料リッチ勾配を含む。図示されているように、燃料燃焼を最大化するように設計された高濃度オリフィスが中央に向かって設けられ、内壁の燃焼損傷の可能性を低減するために外側リング上に低濃度オリフィスが設けられる。このことにより、断熱火炎温度を下げることができ、その結果、本質的に壁の温度が低くなる。さらに、ＬＯＸは高温火炎を生成するので、ＬＯＸオリフィスは４噴流オリフィスの半径方向内側に配置されることに留意することが重要である。このことにより、確実に、壁が燃料膜冷却または燃料リッチ火炎のいずれかのみを受けることになる。図１５は、どの種類の液体を４噴流要素内でどんな角度で配置するかの選択の３つの異なるシナリオを示す図である。シナリオ３は、壁面の熱を低減するために最も近いオリフィスがチャンバ壁から遠くに液体を噴射するので、より有益な配置であると判断されている。
【００６９】
概して、実施形態は、３噴流オリフィスと４噴流オリフィスとの組み合わせを有するインジェクタインターフェースを含み、場合によっては、当業者によって設計原理に従って何らかの種類の組み合わせでシャワーヘッドが配置され得、実施形態はそのように限定されない。
【００７０】
図１６〜図２０を参照すると、いくつかの実施形態では、漸減環状流体ダイバータは、インジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部として含まれるように採用され得る。漸減環状流体ダイバータの概要は、米国仮特許出願第６２／３８２，７２２号（「ＳＴＲＵＣＴＵＡＬ  ＨＥＡＴ  ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ」）に記載されており、この特許の内容全体は参照によって本明細書に引用したものとする。この流体ダイバータの一般概念は、インジェクタインターフェースへとつながる分岐通路に流体を供給するために適用され得る。このような設計の一例の斜視図が図１６に示されている。ここでは、液体酸化剤は、最初に、左上の通路の広い部分を通って送り込まれ得る。複数のフラクタル通路が直列にダイバータに連続して接続され得る。主チャネルは、円形に配置され得るが、他の例では、この配置は当てはまらない。フラクタル通路の各々は流体の一部を主通路から遠くに送出するので、ダイバータの半径は、流体を送出することにより予想される圧力降下を補償する割合に応じて徐々に減少する。このように、ダイバータ全体にわたる圧力降下は一定の圧力降下で維持される。
【００７１】
図１７は、液体酸化剤流体通路設計内に採用される流体ダイバータの例の上面図である。図１８は、液体酸化剤流体通路設計内に採用される流体ダイバータの例の下面図である。図１９は、液体酸化剤流体通路設計内に採用される流体ダイバータの例を示すＣＡＤレンダリングの片側側面図である。図示されているように、主流体通路は、最初が最も広く、流体が遠くに移動するにつれて次第に半径方向に小さくなる。図面では、フラクタル通路が主ダイバータチャネルから分岐する様子の一例が明確に示されている。図２０は、 図１９のＣＡＤレンダリングの反対側側面図である。
【００７２】
図２１〜図２６は、いくつかの実施形態に係るインジェクタオリフィスに通じるフラクタル流体通路の設計の一部として含まれるように採用され得る漸減環状流体ダイバータの別の例を示す図である。この場合、漸減環状ダイバータからの各々の流体通路は、３つのインジェクタオリフィスへとつながる。このことは、設計の中により多くの非対称性を生み出し、この非対称性が安定性を増大させ、圧力波の影響を低減する。
【００７３】
図２１は、この例の流体ダイバータの上面図である。この図から、全長にわたってダイバータの半径が減少する様子がわかる。図２２は、液体酸化剤流体通路設計内に採用されるこの例の流体ダイバータのＣＡＤレンダリングの片側側面図である。図示されているように、主流体通路は、最初が最も広く、流体が遠くに移動するにつれて次第に半径方向に小さくなる。図２３は、 図２２のＣＡＤレンダリングの反対側側面図である。図２４は、液体酸化剤流体通路設計内に採用されるこの例の流体ダイバータの下面図である。この図から、ダイバータからの各々の通路が３つのインジェクタオリフィスへと分岐する様子がわかる。インジェクタオリフィスの３つ全てが、中心からより広い半径距離で始まる通路からつながるオリフィスである。各々の分岐通路のオリフィスの１つは、円形領域の内側にむけてより多くの流体を噴射するように位置決めされる。この設計を図１８に示されている設計と比べると、内側オリフィスは、燃料ダイバータの内側部分から生じるが、２つの外側オリフィスは燃料ダイバータの外側部分から生じる。角運動量の原理により、これらの２つの設計のこれらの内側オリフィスの流体分配は、流体がダイバータ内のどこから来ているかに基づいて、異なる。図２５は、ダイバータを上下逆にした斜視図である。図２６は、液体酸化剤流体通路設計内に採用されるこの流体ダイバータの例の上面図である。
【００７４】
本開示の実施形態はさらに、本明細書に記載されている構造的熱交換器の実施形態のあらゆる様々な構成要素を製造するための技術例を含む。さらに、実施形態は、前記構成要素を製造するための機械をプログラムするために使用されるあらゆるソフトウェアまたは他のコンピュータ可読媒体も含むが、実施形態はそのように限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、様々なフラクタル設計の形状および微妙な差異の規準を示すために一連の境界条件が使用される。反復ＣＦＤフローシミュレーションは、設計された一連の通路が境界条件を満たすかどうかを判断するために行われ得、調整のために設計の段階的変化をもたらし得る。チャネルを滑らかにすることは、フラクタル流体通路を含む装置の連続層を徐々に修正することによって実現され得る。
【００７５】
以下に、フラクタル流体通路の開発において、少なくともいくつかが指定され、満たされ得る境界条件のいくつかの例を示す。
幾何学的：入口流れ方向、入口断面積、流出要素配置、流出方向および標的速度
流体：周囲／初期温度、質量流量（単数または複数）、表面粗さ、放射加熱／冷却、許容圧力降下
構造的：内圧、チャネル圧力、外圧、構造的負荷
音響的：周囲振動スペクトル、影響周波数
流体の材料特性：粘度、密度、熱伝導率、熱拡散率、放射率、融点／沸点、熱容量および比熱
【００７６】
例えば、いくつかの実施形態では、フラクタル流体通路は、任意の所与の断面において最初の入口の断面積全体が分岐通路の全ての断面積の合計に等しくなるように、通路のどの層においても等しい断面積を維持するように設計され得る。
【００７７】
別の例として、いくつかの実施形態では、オリフィスのサイズは、流体がオリフィスから出るときの流体の所定の質量流量を満たすために変更され得る。すなわち、フラクタル流体通路を有する特定の構造を形成する場合、境界条件は、いくつかのオリフィスはある量の質量流量が必要であり、他のオリフィスは第２の量の質量流量が必要であり、さらなるオリフィスの組（または個々のオリフィス）はまた別の量の質量流量が必要になるなどを含み得る。設計シミュレーションによって、フラクタル流体通路の特定の設計は、例えば、様々なサイズのオリフィスを使用して、これらの所定の標的質量流量を満たすように作成され得る。さらに一般的には、いくつかの実施形態では、フラクタル流体通路は、所定の入口質量流量および所定の出口（例えばオリフィス）の質量流量のみで定義され得、これらの出口質量流量は個々に具体的に定義され得る。分岐点において滑らかな湾曲を有するフラクタル流体通路は、通路の所与の断面積に対して常に均一な圧力降下を有しながら、これらの特定の質量流量を確実に達成するのを助けるために使用され得る。すなわち、フラクタル流体通路装置がこれらの境界条件を満たしている限り、通路の厳密な特定の形状および角度は、重要ではなく、変化し得る。
【００７８】
概して、本明細書に開示されている内容は、様々な産業上の利用可能性を有する他の用途にも適用され得る。例えば、無損失フラクタル流体通路の概念は、ＨＶＡＣ、送水ポンプ、農業用のインジェクタ、および医薬品のインジェクタに適用され得る。別の例として、最適化流体ダイバータは、ＨＶＡＣ、送水ポンプ、農業用のインジェクタ、ガスタービン、および医薬品のインジェクタに同様に適用され得る。さらに別の例として、高安定性インジェクタインターフェースおよび設計は、ＨＶＡＣ、送水ポンプ、農業用のインジェクタ、ガスタービン、および医薬品のインジェクタに適用され得る。インジェクタインターフェースの要素パターンは、混合インジェクタおよび燃焼インジェクタインターフェースに同様に適用され得る。
【００７９】
本開示のフラクタル流体通路は、分配流体を全くかほとんど圧力降下なしで移動させることを可能にし得る。この効果は、以下の非独占的な分野において有用であり得る。
自動車
−空気取入口
−排気マニホールド
−燃焼噴射
ターボ機械
−インジェクタ
弁
−マニホールド弁
【００８０】
本開示のフラクタル流体通路は、効率的な噴霧微粒化、混合および安定性を可能にし得る。この効果は、以下の非独占的な分野において有用であり得る。
内燃機関／ガス燃焼器
−インジェクタ
ロケットエンジン
−インジェクタ
【００８１】
本開示のフラクタル流体通路は、混合および投薬のための正確な流体分配を可能にし得る。この効果は、以下の非独占的な分野において有用であり得る。
化学的操作、医薬品および農業
−インジェクタ
−投与ポンプ
−流体分注システム
宇宙航空
−タービンエンジン
−ターボポンプ
−ロケットエンジン冷却システム
【００８２】
特に断りのない限り、用語「１つの」は、本明細書では、特許文献においてよく見られるように、１つまたは２つ以上の例を含めるために使用されている。最後に、本明細書内で使用されるとき、接続詞「または」は、特に断りのない限り、非独占的な「または」の意味を示すものとする。
【００８３】
本開示は、例に過ぎず、限定するものではない。本開示に照らして、さらなる修正形態が当業者に明らかになるであろう。その修正形態は、添付の請求項の範囲内にあるものとする。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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