(57)【要約】  いくつかの実施形態において、液体燃料がエンジンのある領域（例えばチャンバ）の周囲を通って移動するときに液体燃料を冷却剤として使用する構造的熱交換器が提示される。熱交換器の冷却剤チャネルの形状は、より高い冷却特性が要求される可能性がある領域のエリアを考慮して、領域の頂部に進むにつれてピッチ角を変えるように構成することができる。いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルを通る燃料の最初の通過を可能にする燃料ダイバータは、均一の圧力で冷却剤チャネルを通る流体の通過を押し上げるように構成することができ、流体の体積が減少するにもかかわらずより遠くへ流体が最初の入力地点から移動する。いくつかの実施形態において、これは、徐々に減少する半径方向断面を有する環状に成形された燃料ダイバータとして実施されてもよい。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の量に対して大量の熱を含有する領域を少なくとも部分的に囲む壁と、
前記壁内の空いたチャネル空間によってそれぞれ画定され、流体が前記壁内を流れることを可能にするように構成された複数の冷却剤チャネルと、
備えるハウジングを含み、
前記ハウジングは積層造形法を用いて作製される、
熱交換器。
【請求項２】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、豆の形状の断面領域の少なくとも一部を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、丸みを帯びた隅部を有する台形の形状の断面領域の少なくとも一部を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、平行な凹状曲線を有する形状を有する断面領域の少なくとも一部を有し、前記凹状曲線のうちの１つは前記高熱量領域に最も近い内壁側に最も近い位置にあり、第２の前記凹状曲線は前記高熱量領域から最も遠い外壁側に最も近い位置にある、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、前記壁の１つまたは複数の機能的または構造的特性を定める複数の境界条件を満たすことによって定められる形状の断面領域の少なくとも一部を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記複数の境界条件が、
前記壁が満たさなければならない少なくとも１つの熱条件；
前記壁が満たさなければならない少なくとも１つの構造条件；
前記壁が満たさなければならない前記壁に関する少なくとも１つの材料特性；および
前記複数の冷却剤チャネルが満たさなければならない前記冷却剤チャネルの少なくとも１つの材料特性
を含む、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記複数の境界条件が、前記冷却剤チャネルの第１の位置に適用される第１の複数の境界条件であり、
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、前記第１の複数の境界条件とは異なる第２の複数の境界条件を満たすことによって定められる第２の形状の断面領域の少なくとも一部を第２の位置に有する、
請求項５に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記複数の冷却剤チャネルのピッチ角が前記壁内の異なる位置で変化する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記複数の冷却剤チャネルのうちの少なくとも１つが、第１の形状に成形された第１の断面領域を第１の位置に含み、第２の形状に成形された第２の断面領域を第２の位置に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第１の形状が豆の形状であり、前記第２の形状が楕円形である、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記複数の冷却剤チャネルの断面領域のサイズが前記壁内の異なる位置で変化する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記壁がシリンダとして成形される、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記壁が前記複数の冷却剤チャネルの少なくとも一部を収容する平坦プレートを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記ハウジングが積層造形法を用いて単一部品として作製される、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１５】
熱エネルギーを生成する領域と、
前記領域を取り囲むハウジングであって、
周囲の量に対して大量の熱を含有する前記領域を少なくとも部分的に囲む壁、および
前記壁内の空いたチャネル空間によってそれぞれ画定され、流体が前記壁内を流れることを可能にするように構成された複数の冷却剤チャネルを備え、
積層造形法を用いて単一部品として作製されるハウジング、
を備える熱交換器と、
を備える、エンジン。
【請求項１６】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、豆の形状の断面領域の少なくとも一部を有する、請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１７】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、丸みを帯びた隅部を有する台形の形状の断面領域の少なくとも一部を有する、請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１８】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、平行な凹状曲線を有する形状を有する断面領域の少なくとも一部を有し、前記凹状曲線のうちの１つは前記高熱量領域に最も近い内壁側に最も近い位置にあり、第２の前記凹状曲線は前記高熱量領域から最も遠い外壁側に最も近い位置にある、請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１９】
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、前記壁の１つまたは複数の機能的または構造的特性を定める複数の境界条件を満たすことによって定められる形状の断面領域の少なくとも一部を有する、請求項１５に記載のエンジン。
【請求項２０】
前記複数の境界条件が、
前記壁が満たさなければならない少なくとも１つの熱条件；
前記壁が満たさなければならない少なくとも１つの構造条件；
前記壁が満たさなければならない前記壁に関する少なくとも１つの材料特性；および
前記複数の冷却剤チャネルが満たさなければならない前記冷却剤チャネルの少なくとも１つの材料特性
を含む、請求項１５に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年９月１日に出願され、“ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ  ＨＥＡＴ  ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ（構造的熱交換器）”と題された米国仮特許出願第６２／３８２，７２２号の利益を主張する。その開示内容は完全な形でそしてあらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本明細書に開示されている主題は、概して、冷却剤システムに関する。より具体的には、本開示は、様々な産業上の利用可能性を有する構造的熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、工業用途のための冷却剤システムは除去的製造方法を用いて製造されており、これは、より大きな材料が使用され、所望の構造が形成されるまで少しずつ削られることを意味している。それ故、これらの設計は使用される製造方法によって制限される。加えて、冷却剤システムは、従来複数の部品で構築されており、互いに溶接し結合する必要がある。製造および複製性を容易にするために、これらの設計は、したがって、多数の破損点または他の高応力領域を示す。さらに、より信頼性のある除去的製造方法を利用するために、熱伝達のための最適形状および冷却設計は使用されない。したがって、熱交換冷却剤システムおよびそれらの様々な構成要素を作る新しい方法を開発することが望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の態様は、積層造形技術を使用して作製することができる最適な熱伝達および冷却特性を有する構造的熱交換器設計について提示される。
【０００５】
いくつかの実施形態において、熱交換器は、周囲の量に対して大量の熱を含む領域を少なくとも部分的に囲む壁と、壁内の空いたチャネル空間によってそれぞれ画定される複数の冷却剤チャネルであって、流体が壁内を流れることを可能にするように構成される複数の冷却剤チャネルとを含むハウジングを含み、ハウジングは積層造形法を用いて作製される。
【０００６】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、豆の形状の断面領域の少なくとも一部を有する。
【０００７】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、丸みを帯びた隅部を有する台形の形状の断面領域の少なくとも一部を有する。
【０００８】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、平行な凹状曲線を有する形状を有する断面領域の少なくとも一部を有し、凹状曲線のうちの１つは高熱量領域に最も近い内壁側に最も近い位置にあり、第２の凹状曲線は高熱量領域から最も遠い外壁側に最も近い位置にある。
【０００９】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、壁の１つまたは複数の機能的または構造的特性を定める複数の境界条件を満たすことによって定められる形状の断面領域の少なくとも一部を有する。いくつかの実施形態において、複数の境界条件は以下を含む：壁が満たさなければならない少なくとも１つの熱条件；壁が満たさなければならない少なくとも１つの構造条件；壁が満たさなければならない壁に関する少なくとも１つの材料特性；および複数の冷却剤チャネルが満たさなければならない冷却剤チャネルの少なくとも１つの材料特性。いくつかの実施形態において、複数の境界条件は、冷却剤チャネルの第１の位置に適用される第１の複数の境界条件であり、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、第１の複数の境界条件とは異なる第２の複数の境界条件を満たすことによって定められる第２の形状の断面領域の少なくとも一部を第２の位置に有する。
【００１０】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのピッチ角が壁内の異なる位置で変化する。
【００１１】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのうちの少なくとも１つは、第１の形状に成形された第１の断面領域を第１の位置に、および第２の形状に成形された第２の断面領域を第２の位置に含む。いくつかの実施形態において、第１の形状は豆の形状であり、第２の形状は楕円形である。
【００１２】
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルは、壁内の異なる位置で断面領域のサイズが変化する。
【００１３】
熱交換器のいくつかの実施形態において、壁はシリンダとして成形されている。
【００１４】
熱交換器のいくつかの実施形態において、壁は複数の冷却剤チャネルの少なくとも一部を収容する平坦プレートを含む。
【００１５】
熱交換器のいくつかの実施形態において、ハウジングは積層造形法を用いて単一部品として作製される。
【００１６】
いくつかの実施形態が例として示され、添付の図面の図に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の新規かつ自明でない特徴を強調するための比較点として役立つ伝統的な冷却剤システムの説明を提供する。
【図２】均一な環状半径を有する燃料ダイバータを示す。
【図３】いくつかの実施形態による、減少する半径の環状部の形状の燃料ダイバータを示す。
【図４】流体ダイバータから各チャネルを通して送出される流体の図を示す。
【図５】いくつかの実施形態による、流体が流体ダイバータから分岐路に入るときの液体の方向および大きさの流れベクトルシミュレーションの図を示す。
【図６】本開示の熱交換器を利用するエンジンの底部の半透明図を示す。
【図７】それがエンジンの底部の周囲の周りを包むときに、その端部までにはるかにより小さい半径を有する燃料ダイバータの近接図を示す。
【図８】図８ａ−図８ｂ。典型的な冷却チャネルの断面およびそれらの熱伝達特性を示す。
【図９】本開示のいくつかの実施形態における、および本開示のいくつかの実施形態による、冷却通路の断面領域としての台形通路を示す。
【図１０】本開示のいくつかの実施形態における、および本開示のいくつかの実施形態による、冷却通路の断面領域としての台形通路を示す。
【図１１】本開示のいくつかの実施形態における、および本開示のいくつかの実施形態による、冷却通路の断面領域としての台形通路を示す。
【図１２】いくつかの実施形態による、冷却通路の断面領域としての豆の形状を示す。
【図１３】どのように冷却通路の頂部がむしろ円または楕円に近い形状にされ得るかを示す。
【図１４】いくつかの実施形態による再生冷却通路の上面図を示す。
【図１５】いくつかの実施形態による、チャネルが構造のチャンバ壁に沿って上に流れるにつれて、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズがどのように変化し得るかについての異なる図を示す。
【図１６】いくつかの実施形態による、チャネルが構造のチャンバ壁に沿って上に流れるにつれて、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズがどのように変化し得るかについての異なる図を示す。
【図１７】豆冷却剤チャネルの断面領域の例を示す。
【図１８Ａ】矩形の冷却剤チャネルを有するシリンダ壁がどのように見えるかを示す。
【図１８Ｂ】豆形のチャネルを有するシリンダがどのように見えるかの例を示す。
【図１９】矩形断面チャネルの結果についての熱的等高線を示す。
【図２０】円形断面チャネルの結果についての熱的等高線を示す。
【図２１】豆形断面チャネルの結果についての熱的等高線を示す。
【図２２】温度帯状化を強調するための矩形断面部分の拡大された視覚的結果を示す。
【図２３】温度帯状化を強調するための円形断面部分の拡大された視覚的結果を示す。
【図２４】温度帯状化を強調するための豆形断面部分の拡大された視覚的結果を示す。
【図２５】いくつかの実施形態による、豆形の冷却剤チャネルを有する平坦プレートの例を異なる角度から示す。
【図２６】いくつかの実施形態による、豆形の冷却剤チャネルを有する平坦プレートの例を異なる角度から示す。
【図２７】上面に豆形の冷却剤チャネルを有するが、豆形の凹形状と一致する波状面を底部に有する平坦プレートを示す。
【図２８】上面に豆形の冷却剤チャネルを有するが、豆形の凹形状と一致する波状面を底部に有する平坦プレートを示す。
【図２９】いくつかの実施形態による、様々な産業上の利用可能性の様々なニーズを満たすように構築された、様々な断面形状を有する、任意の数の冷却剤チャネルを有する構造的熱交換器を開発するための方法例のフローチャートを示す。
【図３０】いくつかの例示的な実施形態による、機械可読媒体から命令を読み取り、本明細書で考察された方法論のうちのいずれか１つまたは複数を実行することができる、機械の構成要素を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
様々な産業用途向けの冷却剤システムは、それらの製造のために伝統的な除去的製造方法に依存している。結果として、それらの設計は使用される製造方法の制限を反映する。高性能工業用装置は、通常、２つ以上の部品で作られ、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互いに溶接または結合される。これらの設計は多数の破損点を示す。
【００１９】
積層造形（ＡＭ：ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）による冷却剤システムの製造は、これまでに見られなかった多数の改良を提供する。ＡＭ技術を使用して一連の熱交換器チャネルを単一部品で印刷する能力により、重量を軽減しながら耐久性と使いやすさが向上する。積層造形法が部品を製造することができる速度は、最も迅速な伝統的製造作業さえも追い越す。これまでに従来の製造方法では達成できなかった新しい形状を生み出す能力により、数え切れないほどの性能向上への扉が開かれた。
【００２０】
実際、積層造形手法は、最も複雑な形状でさえも製造することを可能にする。これにより、設計者は従来型製造技術向けに設計する負担なしに最適化された構造を考案することができる。
【００２１】
本開示の態様は、積層造形技術を使用して作り出すことができる最適な熱伝達および冷却特性を有する構造的熱交換器設計について提示されている。熱交換器は、接合部も、結合具も、損傷の危険性を呈し得る他のいかなる領域も有さない単一部品として作製することができる。本明細書に記載の設計、および設計を導出するための原理は、結合具および他の外部ハードウェアの必要性を排除するために、産業用装置の重量を軽減し得る。一般に、産業用装置の重量は、必要な構造の周りに外部材料を含めることも排除するように最適化することができる。また、産業用装置は、より高い圧力を維持しながら、最小限のヘッドロスで燃料および他の流体のための最適な流れを有する、非常にエネルギー効率的であるように設計することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態において、液体燃料が高温エンジンチャンバの周囲を通って移動するときに冷却剤として液体燃料を利用する構造的熱交換器が提示される。燃料ダイバータから始まり熱交換器通路を通って流れる冷却剤チャネルの形状は、より高い冷却特性が要求される可能性があるチャンバの領域を考慮して、高温エンジンチャンバの頂部に進むにつれて角度を変えるように構成することができる。いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルを通る燃料の最初の通過を可能にする燃料ダイバータは、均一の圧力で冷却剤チャネルを通る流体の通過を押し上げるように構成することができ、流体の体積が減少するにもかかわらずより遠くへ流体が最初の入力地点から移動する。いくつかの実施形態において、これは、徐々に減少する半径方向断面を有する環状に成形された燃料ダイバータとして実施されてもよい。
【００２３】
いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルの断面領域は、特定の目的または境界条件を満たすように特別に成形されてもよい。例えば、境界条件は、冷却剤チャネルが工業用装置の壁に沿ってそしてその中の任意の特定の地点で熱歪みを減らすために一様な熱流束を生成すべきであることを指定し得る。いくつかの実施形態において、これは、台形の形状、または他の場合には豆形の形状の断面領域を有するように冷却剤チャネルを形成することによって達成され得る。いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルがエンジンの燃料噴射器部分に接近し、流体が分配されようとするときに、冷却剤チャネルの台形または豆形の形状は、チャネルの経路に沿って楕円形または円形の形状に徐々に変換され得る。
【００２４】
いくつかの実施形態において、複数の境界条件特性を満たすことに基づいて冷却剤チャネルの設計を導出するための方法が提示される。これらの特性は、特定の場所でさまざまなニーズを満たすように、内壁が特定の熱流束条件を満たすこと、チャネルを含む壁が特定の熱容量を満たすこと、チャネルの特定の部分が特定の圧力条件に達すること、およびこれらの特性をチャネルの経路に沿った様々な異なる地点で変更することを含むことができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、構造的熱交換器は、可変断面領域を有する複数の冷却剤チャネルを含む。さらに、任意の単一の冷却剤チャネルについて、断面領域は形状を徐々に変化させてそれらの位置における変化する境界条件を満たすことができる。いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルのレイアウトは、円柱、平板、波状板、または本開示の原理と一致する他の配置の形状であり得る。
【００２６】
本明細書に記載の様々な実施形態による構造的熱交換器は、ガスジェネレータターボ機械、発電熱交換器、自動車エンジン、ＨＶＡＣユニット、サーバ冷却モジュール、および発電所の原子炉や電力需要の高い様々な乗り物のような高性能の熱交換を必要とする用途を含む、多種多様な非限定的な工業用途で使用することができる。
【００２７】
図４は、熱交換器内の冷却剤チャネルのための文脈を提供し、本開示の新規かつ非自明な特徴を強調するための比較点として役立つ伝統的なエンジン設計の説明を提供する。ここでは、従来の製造方法を用いた典型的な再生冷却チャネルの断面形状が示されている。多材料の伝統的な製造は、長方形の再生冷却チャネルをもたらす傾向がある。
【００２８】
前述のように、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られるこれらの問題のありとあらゆるものに対処するように設計および製造されたエンジン内に典型的に収容される再生冷却剤チャネルを有する構造的熱交換器を提供する。
【００２９】
図２〜７を参照して、いくつかの実施形態による、記載されたいくつかの問題に対処する燃料ダイバータの実施形態が考察される。
【００３０】
図２を参照すると、均一な環状半径を有する燃料ダイバータが示されている。燃料がチャンバの頂部で噴射される前に燃料がエンジンの壁に沿って上向きに流れて冷却剤として作用することを可能にするために、燃料ダイバータがエンジンの底部に配置されてもよい。グレースケールの階調は、積層造形エンジンによる再生冷却の乱流シミュレーションを示している。このエンジンの方向転換セクションに存在する不均一な乱流は、無効なダイバータの設計を示している。
【００３１】
図３を参照すると、いくつかの実施形態による、減少する半径の環状部の形状の燃料ダイバータが提示されている。乱流を減少させ、燃料ダイバータによって供給される各再生冷却チャネル（例えば、４８個の全冷却チャネル）への等しい質量流量の燃料を確実にするために、減少する半径の環状燃料ダイバータを使用することができる。環状部は、燃料入口の直径と等しい直径で始まり、各分岐チャネルに分岐する燃料の量に比例して減少する。これにより、各チャネルに供給される等しい質量流量を有する一定の圧力環状部が得られる。これにより、再生冷却によるチャンバ壁の均一な冷却が保証され、その後、取り付けられた燃料インジェクタ通路によって噴射される燃料の適切な分配が保証される。標準的な方向転換通路は、乱流による圧力降下を考慮していない。これは、様々な同一の方向転換チャネルの間で質量流量の予想外かつ不均一な分布をもたらす。そのような流体の不均一な分配は潜在的に破壊的なホットスポットおよび不安定性をもたらす可能性がある。
【００３２】
図４は、流体ダイバータから各チャネルを通して送出される流体の図を示す。グレースケールの階調は、各通路における圧力降下が同一であることを示しており、これは部分的には環状部の半径の減少によるものである。
【００３３】
図５は、いくつかの実施形態による、流体が流体ダイバータから分岐路に入るときの液体の方向および大きさの流れベクトルシミュレーションの図を示す。示されるように、乱流は、それが通路に入るときに概して均一に分配されるという点で、流体の分岐の方向は概して均一である。さらに、各流れベクトルの大きさは概して同じ長さであり、概して均一な圧力も示している。この図は、流体ダイバータの半径が減少しているため、各通路を表している可能性がある。
【００３４】
一般に、図４および５に示されているダイバータ形状は、減少する環状ダイバータがどのようにして所望の質量流量を任意の数の通路に供給することができるかを示している。それは、幾何学的ドメインによって決定される流れ方向および流体経路が最大に一様であるところで常に燃料の指向性流れを維持する。この設計は、所望の質量流量を多くのオリフィスに供給することができる。オリフィス間の質量流の特定の不均一な分布が望まれる場合、分岐オリフィスは同一であってもサイズが異なってもよい。減少する環状ダイバータは、圧力または質量流量などの広範囲の入力条件にわたって所望の質量流量を維持することができる。定圧環状部を形成するときにこれらの変化を考慮に入れることによって、様々な流体相、反応性、または非定常流の最適な流量を供給するためにもこれは使用することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態によれば、本開示のダイバータ設計は他の流体通路にも適用され得る。例えば、減少する半径の本明細書に記載のダイバータの環状設計は、インジェクタオリフィスインターフェース、または一般に１つまたは少数の流体入口点を利用し、実質的に均一な圧力降下で多数または複数の流体通路に流体を供給する流体通路の任意の組に適用できる。
【００３６】
図６を参照すると、いくつかの実施形態による、エンジンの底部の半透明図が示されており、燃料ダイバータ６１０を他の構成要素との関連で示している。これらは、燃料入口６０５およびノズル６１５を含む。複数の冷却剤チャネルもまた示されている。示されるように、そして図７のより近接した図によれば、燃料ダイバータ６１０は、それがエンジンの底部の周囲を包むにつれて、その端部まではるかにより小さい半径を有する。いくつかの実施形態において、燃料ダイバータの端部は、閉ループを形成するために始点に接続されてもよく、他の場合には端部は切断される。図７はまた、燃料入口が燃料ダイバータの入口通路にどのように結合されているかを示す。
【００３７】
図８Ａ〜１６を参照して、いくつかの実施形態による、上述したいくつかの問題に対処する再生冷却チャネルの実施形態を考察する。
【００３８】
再生（又は再生）冷却は、エンジンチャンバの内壁から熱を除去する手段として広く使用されている。冷却チャネルは内壁内に存在し、内壁は一般にエンジン全体または他の構造の一部としてケーシングまたはハウジング構造に含まれていてもよい。加圧流体が、チャンバ壁内に埋め込まれた、またはチャンバ壁の周りに巻き付けられたチャネルを通して供給される。この流体は、熱が流れ込む緩和流体として使用される。このプロセスはチャンバの壁を冷却し：材料の劣化、溶融、望ましくない相転移または粒子の変態を防ぎ、部品の寿命を延ばす。
【００３９】
標準的な再生冷却方式には、チャンバを小さな流体輸送チャネルで包むこと、長方形のチャネルをエンジンの壁に形成すること、および円形のチャネルをエンジンの壁に形成することが含まれる。積層造形は、伝統的な製造方法を用いては製造できないであろう多くの高度なチャネル設計の実施を可能にする。
【００４０】
図８Ａおよび８Ｂを参照すると、典型的な冷却チャネルの断面、およびそれらの熱伝達特性が示されている。矩形チャネルは、それらの製造の容易さおよび良好な熱伝達特性のために一般的に使用されている。矩形チャネルはまた、他の幾何学的形状とは対照的に、熱伝達を増大させるために大きなガス側壁表面積を提供する。しかしながら、この方法は矩形により温度分布が劣るため最適ではない。矩形チャネルの鋭い縁部は、図８Ｂの隅部の不均一な色階調によって証明されるように、それぞれの個々のチャネルの隅部に応力集中を引き起こす。鋭い縁部によって引き起こされる応力集中は好ましくないが、この方法は製造が容易であることから依然として一般的に使用されている。
【００４１】
円形チャネルは、圧力を全方向に分散させ、応力集中を防止するので、特定の基準によれば構造的に好ましい。同様に、円形チャネルの最大表面積は、緩和流体への熱流を増大させる。しかしながら、チャンバの軸の周りに方位角方向に分布する円形チャネルのアレイは、チャンバ材料自体から離れて内壁に沿って温度の不均一な分布をもたらし、かなりの熱応力をもたらす。
【００４２】
加圧および熱の観点からはより最適であるが、冷却剤チャネルのための非円形および非矩形の形状は、伝統的な製造技術を用いて作り出すことがはるかに困難である。それらが提供する性能、耐久性、および長寿命の利点は、そのような高度な形状を形成するために必要な増大する製造コストおよび追加の部品または構成要素よりも重要でない。しかしながら、これらの形状は積層造形によって、非常に低コストで迅速かつ正確に形成できる。
【００４３】
図９、１０、および１１に示され、かつ本開示のいくつかの実施形態による台形通路は、円形通路および矩形通路の両方のいくつかの利点を提供する。それらはまた、積層造形により容易に製造可能である。より大きなガス側壁表面積は、緩和流体へのより優れた熱伝達を可能にする。丸みを帯びた縁部と外壁により近い狭い断面は、チャネル内の高い流体圧力によって引き起こされる高い圧力差、および熱的考察による応力の管理の向上をもたらし、これは熱膨張の空間的変動による熱応力をもたらす。図９は、通常の使用中の台形の再生冷却チャネルの内壁に沿った熱プロファイルを示す。台形チャネルは内壁に沿った温度勾配を減少させる。図１０は、台形冷却剤チャネルの熱流束のグラフィックシミュレーションを示す。示されるように、冷却剤チャネルの周りの温度勾配は全体にわたってより均一であり、あらゆる隅部または縁部に沿ったあらゆる応力点を減少させる。図１１は台形冷却剤チャネル設計の細長い部分における熱流束の別の図を示す。チャネルが湾曲しているときでも、熱流束特性はそれぞれの縁部および隅部の同じ部分に沿って一定のままである。
【００４４】
再生冷却チャネルについての１つの新規な考えは、一様な温度プロファイルが非一定のチャネル断面で達成され得るという発見からもたらされる。新しい設計法により、ほぼ一様な温度プロファイルを持つ断面が形成された。この形状は、「豆」形状と呼ばれ、この形状を有する冷却剤チャネルの一実施例が図１２に示されている。圧力分布は豆チャネル内で均一である。等価応力の分布は、壁セクション全体にわたって一様ではないが、いくつかの実施形態によれば、所与の熱構造境界条件に対して豆チャネルによって最小限に最適化される。
【００４５】
本明細書中の本開示によって、冷却剤チャネルの内壁と外壁の縁部が（豆と同様に）平行な凹状パターンで形成されているが、側面は（豆のように）曲がっているのではなくより真っ直ぐになっている（曲がったマカロニ片の輪郭のように見える）「マカロニ」形状を有する断面領域など、豆の形状に対する他の変形形態が考えられる。積層造形は各断面層が互いの間で徐々に形状を変化することを可能にし得るので、これらの様々な形状の間で徐々に変形する変形形態も考えられる。
【００４６】
図１３は、これを説明するために、どのように冷却通路の頂部がむしろ円または楕円に近い形状にされ得るかを示す。したがって、いくつかの実施形態において、冷却通路は、流体が移動し終わる前に、冷却およびより良好な熱伝達のために設計された形状（たとえば台形または豆の形状）からより均一な形状に徐々に移行するように設計される。加えて、通路の始点に向かう通路の形状、すなわち燃料が燃料ダイバータから各冷却通路に供給されるときの通路の形状は、より楕円形に近くてもよく、その後より冷却に最適な形状へ徐々に変化してもよい。これらの移り変わりは以下により詳細に記載される。
【００４７】
図１４は、いくつかの実施形態による再生冷却通路の上面図を示す。
【００４８】
図１５〜１６は、いくつかの実施形態による、チャネルがチャンバ壁に沿って上向きに流れるにつれて、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズがどのように変化し得るかについての異なる図を示す。典型的には、伝統的な製造を使用する冷却チャネルは、これらの程度のいずれも決して変動しない。しかしながら、積層造形技術において利用可能な特性のために、これらの冷却チャネルは、エンジン壁に沿った異なる点における異なるニーズを考慮するために様々な方法で調整することができる。
【００４９】
一般に、チャネル断面形状、サイズ、およびピッチの変動は、乱流ひいては熱伝達を具体的に調整するために使用することができる。これは、熱伝達ならびに緩和流体の温度および圧力を制御するために使用することができる。これは、超臨界緩和流体の温度および圧力が臨界点を超え、ガス化または液化が回避されることを確実にするために特に重要である。それというのもこれらは潜在的にエンジンに損傷を与えるからである。チャネルの断面積を増減することにより、流体への熱伝達を軸方向に最適化することが可能になる。
【００５０】
図１５は、いくつかの実施形態による、異なる部分にそれらの異なるピッチ角および形状変化を有する、冷却チャネルの底面図を示す。この図は、スロートから流れ出るチャネルの残りの部分は拡大して見えなくなるので、スロート内に上昇する部分だけを示している（図１６参照）。この観点から、単一チャネルに沿って変化する角度は変化するピッチを示す。また、単一チャネルの断面領域が円形の領域から豆の形に変化することが分かる。
【００５１】
図１６は、いくつかの実施形態による、冷却通路のスロート領域の近接図を示す。示されるように、冷却通路は螺旋状に配置され、そしてこの接合部で、通路が互いに接近し、同様にチャネルのサイズが減少することに加えて、ピッチ角はより水平になる（すなわち増大される）ように変更される。一般に、これらの特性はどれも伝統的な製造技術を用いて容易に再現できない。
【００５２】
「豆」冷却剤チャネルの詳細
【００５３】
本節は、熱交換器内の豆形の流体チャネルの使用に固有の様々な特徴を考察する。
【００５４】
背景として、そして部分的に前述したように、流体熱交換器は、冷却剤充填チャネルを使用して、固体からより低温の流体に熱を伝達する。伝統的に、チャネルは矩形と円形の設計に限定されてきた。矩形チャネルは円形チャネルよりも熱伝達率が大きいが、それらの隅部は応力集中のために構造的弱点である。構造的安定性と効率的な熱伝達の間の選択を避けるために、エンジニア達は、熱伝達を犠牲にすることなくより良い構造的特徴を達成するために矩形の幾何学的形状を修正しようとしてきたが、その結果はほとんど実利を生まなかった。
【００５５】
研究開発を通じて、増強されたチャネル断面、すなわち豆が開発された。図１７に示すように、豆はその名前が示すように正確に成形される。この形状は、円形チャネルの構造曲線と矩形チャネルの大きな表面積とを組み合わせて、非常に効率的で構造的に健全な熱伝達チャネルを作り出す。図１７は、豆冷却剤チャネルの断面領域の例を示す。
【００５６】
両方の伝統的な形状の構造上の利点を組み合わせることに加えて、豆形のチャネルは壁の長さにわたってより均一な熱伝達を提供する。それは標準的な幾何学に固有の温度の極端な山と谷がない。この均一な分布は、大きな熱勾配および不均一な熱膨張率によって引き起こされる壁内の熱応力を低減する。
【００５７】
矩形、円形および豆形のチャネル間の熱伝達の有効性を比較するためにシミュレーションを実施した。環状断面と長さに沿って延びる冷却チャネルとを有するシリンダを各形状についてモデル化した。これらのチャネルは、個々のチャネル断面、合計流体占有面積、および内壁からの最小距離がほぼ等しくなるように設計された。図１８Ａの矩形チャネルシミュレーション形状は３つすべての代表的な例として役立つ。図１８Ａは、矩形チャネルを有するシリンダがどのように見えるかを示す一方、図１８Ｂは、豆形のチャネルを有するシリンダがどのように見えるかの一例を示す。したがって、円形および他の形状のチャネルがシリンダの周りにどのように配置され得るかを同様に考えることができる。
【００５８】
シミュレーションの一例のセットにおいて、対流と伝導の両方の熱伝達効果を捉えるために、ＡＮＳＹＳ１７．１を使用して定常状態連結流体−熱伝達シミュレーションを実施した。固体にはニッケルを使用し、液体には液体灯油を使用した。形状の内壁は７２６℃に設定されたが、外壁は上面および底面とともに断熱材としてモデル化した。入口は総質量流量０．２ｋｇ／ｓおよび温度２７℃で定めた。
【００５９】
各形状の結果についての熱的等高線は、図１９、２０および２１に見出すことができ、それぞれ矩形断面チャネル、円形断面チャネル、および豆形断面チャネルについて説明する。円形の冷却チャネルよりも矩形の冷却チャネルを使用することの熱的な利点は、壁を通る熱の浸透がより少ないことに加えて、より温度が低いことからもわかる。以下の表１は、矩形チャネルの平均および最小温度の両方は円形チャネルのそれらと比較した場合により低いものとして、これらの視覚的指標を確認する。しかしながら、図２１によれば、豆の効率の向上は明白である。豆は、円形形状の構造的に有利な曲線を維持しながら、両方の形状と比較してチャンバを効果的に冷却する。表１は、最低温度と平均温度がそれぞれ４９０．２８℃と５６１．３６℃であることで豆の優位性を実証している。
【表１】
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【００６０】
矩形、円形、および豆形の断面チャネルについてそれぞれ図２２、２３、および２４に示されるように、結果のビジュアルが拡大されて温度帯が強調されると、豆チャネル内の熱伝達の均一な分布が容易に見られる。グレースケールの階調は、さまざまな種類の断面チャネルのそれぞれの帯状温度等高線をより明確に示している。矩形チャネルは熱伝達率に関して並外れた形状を有し得るが、それらはそれらの壁に沿って非常に不均一な温度勾配を有する。円形の形状は、この不均一な熱伝達を改善するが、その冷却においては平均以下である。豆は、両方の重要な測定基準において、より効果的であることを示している。
【００６１】
積層造形と組み合わされたシミュレーションおよび最適化ソフトウェアにおける最近の進歩は、最適化された豆形の流体熱交換器の形状の創出を可能にした。これらの豆形の流体チャネルは、矩形と円形の両方の冷却チャネルの最良点を組み合わせる。それらは、円形チャネルの強度特性を維持しながら、矩形チャネルの優れた熱交換能力を有する。さらに、この形状はまた、熱のより均一な抽出を可能にし、それは次に冷却されている壁内の熱応力を減少させる一助となる。これらの特性により、豆の形状は過去の円形および矩形の設計よりもはるかに優れたものであることができる。
【００６２】
構造的熱交換器の追加の例示的実施形態
【００６３】
マルチチャネル実装
【００６４】
いくつかの実施形態において、構造的熱交換器チャネルは、台形または豆形のチャネル断面を含むトラス状の配置で組み合わされてもよく、特定の先進境界条件の組を満たすように組み合わされてもよい。これは、プレートを横切る大きな圧力変動または熱変動を含むことがあり、ガス側壁は熱交換器の一方の面から他方の面へと交互になることがある。この実施形態は、出て行くまたは戻る冷却剤によって交互のチャネルが供給される向流熱交換器の流れに対して極めて実用的である。
【００６５】
平坦プレート
【００６６】
豆チャネルヒートパイプは、非円形断面形状に実装することができる。これらは平坦なまたは湾曲したプレートだけでなく、より複雑で予測可能に変化する形状を含んでもよい。図２５および２６は、いくつかの実施形態による、豆形冷却剤チャネルを有する平坦プレートの例を異なる角度から示す。別の例として、図２７および２８は、上面に豆形の冷却剤チャネルを有するが、豆形の凹形状と一致する波状の表面を底面に有する平坦プレートを示す。この例示的実施形態において、底面の熱特性により、底面に沿ってより均一な温度損失が可能になる。
【００６７】
不均一な熱
【００６８】
構造的熱交換器は、冷却剤流れの主成分およびチャネル方向に沿って変化する熱境界条件に対して容易に実施することができる。冷却剤流れの主成分またはチャネル方向に対して主に垂直な方向に空間的におよび／または時間的に変化する熱境界条件に対しては、チャネル形状の追加の処理がなければならない。圧力降下を犠牲にしてチャネルのサイズを変更して流速を、したがって乱流を増加させる必要がある。これは、各熱交換器チャネルを、断面積が減少または増加した対応する豆のような形状に滑らかに移行させて、特定の位置で熱交換器表面を横切るピーク熱負荷に対応して流速を増減することによって達成される。あるいは、増加した質量流量が、空間的におよび／または時間的に変化する熱負荷を有するチャネルに送達され得る。
【００６９】
不均一な流れ
【００７０】
理想的な熱交換器では、各チャネルが同一の質量流量、または熱負荷に対応する特定の流量分布を有するように、冷却剤を均一なチャネルに供給することができる。しかしながら、全てのチャネルにわたって冷却剤を均一かつ安定して分配することが不可能である場合、これを考慮に入れるためにチャネル形状に対する変更がなされてもよい。これらの変更は、利用可能な熱流束および流れに対応するサイズ変更および／または形状変更された豆チャネルの形態をとり得る。
【００７１】
例示的な産業上の利用可能性
【００７２】
以下は、本開示の様々な種類の熱交換器の用途の記載である。
【００７３】
ガス発生器ターボ機械：冷却剤チャネルは、圧縮機または膨張機サイクルの円筒形の壁に（またはブレード自体の内側に）埋め込まれてもよい。
【００７４】
発電熱交換：適合性内面を有するまたは有しない円筒構造熱交換器は、作動流体から緩和流体（または冷却剤）へ熱を移すのに理想的である。
【００７５】
自動車用エンジン：各燃焼シリンダ内で使用される円筒形熱交換器。チャネルは、エンジンスラスタと同一の境界条件を有してもよい。燃料または冷却剤は、壁から熱を除去するために使用することができ、より高い動作温度およびより少ない熱損失を可能にする。
【００７６】
ＨＶＡＣユニット：平坦プレートは標準フィンおよびパイプ熱交換器と対照的にＨＶＡＣシステムで使用されてもよい。
【００７７】
サーバ冷却：豆冷却チャネルは燃料環境の代わりに熱をチップから引くために高性能コンピュータ環境で使用することができる。冷却剤チャネルを使用する平坦プレートもこの場合に使用されてよい。
【００７８】
本開示の構造的に最適化された熱交換器の他の例は、ジェットエンジン、工作用ビット、鉱業用ビット、ブレーキディスクロータ、および射出成形用金型に適用されてもよい。
【００７９】
冷却剤チャネルを形成する方法例
【００８０】
本節は、本明細書に記載の冷却剤チャネルの様々な断面領域を形成し導出するためのコンピュータ実施方法を考察する。前述のように、チャネルを収容する構造体は積層造形されてもよく、すなわち、チャネルを有する構造体を形成するために固体材料を配置するためのすべての特性および仕様を有するＣＡＤファイルにアクセスする３Ｄプリンタのような既知の積層造形技術を用いて構造体は層ごとに構成されてもよい。例えば、そのＣＡＤファイルを開発することは、本開示のコンピュータ実施方法が開発することができる重要な作業である。さらに、この方法は、任意のそしてすべてのチャネルの断面領域を層ごとに徐々に変えて、同じチャネルに沿った異なる位置に異なる形状を形成することができる（例えば、図１５参照）。
【００８１】
図２９を参照すると、フローチャート２９００は、様々な産業上の利用可能性の様々なニーズを満たすように構築された、様々な断面形状を有する、任意の数の冷却剤チャネルを有する構造的熱交換器を開発するための方法例を提供する。場合によっては、構造的熱交換器を設計するためのコンピュータ実施方法は、形状および構造を手動で設計することによって実行することができる。しかしながら、構造的熱交換器が所与の使用事例に対して望まれる冷却特性を満足させるのにより良く適合するためには、より正確な技術が採用されるべきである。フローチャート２９００は、指定された必要性を満たすためにコンピュータがそのような構造的熱交換器をどのように作り出すかについての例を提供する。
【００８２】
いくつかの実施形態によれば、ブロック２９０５において、方法を実施するように構成されたコンピュータによって、１つまたは複数の境界条件が設定され、アクセスされる。これらのインプットは、さまざまな必要性を計算した、または他の当局によって提供された仕様に従っているかもしれない人間のエンジニアによって提供され得る。様々なＣＡＤまたはＣＡＥ（コンピュータ支援エンジニアリング）ツールを使用してこれらの境界条件を計算し、そして決定することができる。境界条件は、以下の非限定的な例をいくつでも含むことができる。
【００８３】
熱的なもの：熱流束、周囲温度／初期温度、冷却剤流量、表面粗さ、放射加熱／冷却
【００８４】
構造的なもの：内圧、チャネル圧力、外圧、構造的負荷
【００８５】
構造の材料特性：密度、引張／降伏強さ、破壊靭性、熱伝導率、熱膨張、熱拡散率、放射率、融点／沸点、内部応力、熱容量、比熱、ゲインモルフォロジー、および相変化情報
【００８６】
冷却剤の材料特性：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
【００８７】
材料特性は、温度および／または圧力において変化し得る。記載されているすべての特性が必要というわけではない。温度や圧力によって変化するこれらの材料特性などを正確にリストすると、熱交換器から見た物理的環境を非常によく表すシミュレーション結果が得られる。
【００８８】
例として、豆チャネル実装のための最適環境を作り出す構造的熱交換器境界条件は、以下を含む：
内部（ガス側壁）の高熱流束状態；
液相状態を維持しながら、高熱容量、低温冷却剤がチャネルを通って急速に流れる；
圧力条件Ｐｃｃ＞Ｐｗ＞Ｐｏ、
ここで：
Ｐｃｃ：冷却剤チャネル内の圧力；
Ｐｗ：高熱流束壁から見た圧力；
Ｐｏ：熱交換器外部の周囲圧力。
【００８９】
コンピュータは、これらの境界条件を利用し、本明細書に記載の方法論を実行して、優れた冷却剤チャネルであることが証明されている豆形の形状を導き出した。
【００９０】
いくつかの実施形態において、様々な場所での異なる冷却ニーズを満たすために、それぞれ熱交換器の異なる場所に対して複数の境界条件セットを設定することができる。したがって、境界条件はさまざまな場所に固有のものにすることができる。
【００９１】
いくつかの実施形態によれば、ブロック２９１０において、冷却剤チャネルを収容する構造的熱交換器の初期形状が、ＣＡＤおよびＣＡＥツールを用いて作成されてもよい。これは初期のシード開始値のように見なすことができ、そこでは最良の形状が何であるかについての初期近似推定値がコンピュータによって入力および受信され得る。人間の開発者は、すべての境界条件をおおよそ満たす初期形状の作成を補助し得る。いくつかの実施形態において、コンピュータは、境界条件をある程度のしきい値程度でおおよそ満たすことを検証できることが知られている解決策を使用して提案を提供することができる。利用可能な冷却剤質量流量に応じて、チャネル数とサイズを選択できる。これは、超音速流などのエッジケースを防止するだけでなく、冷却チャネル内の境界層を最小限に抑えるために行われるべきである。
【００９２】
ブロック２９１５で、全体的なチャネル形状を設定することができる。この場合もやはり、これはコンピュータによって受け取られた入力を用いて人間のエンジニアによって設定されてもよく、またはコンピュータは初期境界条件に基づいて適切な形状を提案するように構成されてもよい。ここでもやはり、これは初期シード開始値として見直すことができ、そこでは最良の形状が何であるべきかについての初期近似推定値をコンピュータに提供することができる。例えば、一般的な豆のチャネル形状は、典型的には異なる曲率半径を有する内縁および外縁、ならびにこれらの縁を両側で連結して閉チャネルを形成する湾曲部分によって特徴付けられて設定され得る。
【００９３】
ブロック２９２０において、初期パラメータおよび目的が設定された状態で、コンピュータは直ちに、熱交換器の形状の少なくともサブセットに対して１つまたは複数の最適化シミュレーションを行うことができる。いくつかのケースでは、これは結合された計算流体力学と有限要素解析（ＣＦＤ／ＦＥＡ）シミュレーションを実行することを含む。境界条件をさらに設定し、流体の熱負荷を決定するために、コンピュータは代表的なサブセットまたは全体の熱交換器の形状のいずれかをシミュレートすることができる。
【００９４】
ブロック２９２５で、コンピュータは次に、分解された熱交換器の形状のスライスに対して最適化シミュレーションを実行することができる。形状全体はシミュレーションを実行しているコンピュータによって最初にスライスに分解されてよい。これらのスライスは、積層造形によって作製される層のセットを表すことができる。例えば、スライスは、図１８Ａまたは１８Ｂいずれかに示される熱交換器の水平層であり得る。次いで、コンピュータは、ブロック２９２０の前のステップからのマクロ境界条件を利用して、内部チャネルおよび／またはそれらが存在する壁構造の幾何学的最適化を実行することができる。言い換えれば、最適化技法は熱交換器の形状のより小さい部分に分離することができる。いくつかの実施形態によれば、結合されたＣＦＤ／ＦＥＡシミュレーションは、各スライスに対して実行されてもよい。
【００９５】
例えば、収束拡散ノズル（例えば、図１６参照）の場合、これは、様々なスライスリングの内径および外径に対する変化によって表される。最適化された豆の熱構造特性が壁の厚さと豆の間隔によって変化することを考えると、各スライスリングを最適化することが重要である。加えて、レイヤ・バイ・レイヤ法は流体の軌跡をたどるので、冷却剤の加熱（距離にわたり減少される熱伝導率）を考慮に入れることができる。
【００９６】
チャネルの形状および全体的な形状を改良するプロセスにおいて、コンピュータは、様々な位置で冷却剤チャネルの断面領域を変える構造を作り出すことができる。例えば、冷却特性の必要性は低いが一様な質量流量の必要性が高い領域、または他のより一様な形状に供給する領域の場合、熱交換器は、断面領域が豆の形状から楕円形に徐々に変化するチャネルを有することができる。
【００９７】
さらに、境界条件を考慮して、冷却剤チャネルのピッチ角を変更することができる。例えば、図２２に示すように、単一の熱交換器部品の異なる部分は、異なる位置での異なる冷却の必要性に基づいて、上方に流れるそれらのピッチ角を変える平行なチャネルを有する。ピッチ角がそれほど急でない（より水平である）ようにされると、集合冷却剤チャネルによる表面積が増大し、それによって熱伝達率を増大させることができる。
【００９８】
シミュレーション中に、コンピュータは形状を複数回シミュレートし、その都度、設定された性能基準を満たすように試みるために、形状に対する小さな変更がコンピュータによって、または人間のオペレータによる支援によって行われる。その後、変更が有効だったかどうかを確認するためにシミュレーションが再度実行される。基準が満たされるまで、プロセスは繰り返さる。ブロック２９３０で、コンピュータは、収束があり、最適化目標が満たされたかどうかを判断することができる。そうでない場合、プロセスはブロック２９２０から始めて繰り返すことができる。シミュレーションが実行され調整が行われた後に形状およびチャネル形状の変化が止まると収束が達成される。以下の最適化目標のうちの１つ以上が満たされるまで、コンピュータは各スライスを繰り返し最適化することができる：
安全基準の規定された係数との一致；
チャネル間の低い応力集中；
熱応力を表す内壁に沿った熱勾配の最小発散；および
対称流と熱条件を与えられた対称チャネル。
【００９９】
ブロック２９３５において、最適化目標が達成され構造の収束が達成されたと仮定して、結果として得られる熱交換器が次に分析される。テストまたは結合システムシミュレーションにより、性能基準が満たされ、動作条件が設定されていることを確認するために分析が行われる。これは、結果として得られる断面が円滑に組み立てられ、全ての構成要素ならびに全体としての形状が積層造形装置の特徴特有の解像度に基づいて製造可能であることを保証するのを助ける。場合によっては、この分析によって欠陥が明らかになった場合は、必要に応じてシミュレーションの最適化を繰り返す。
【０１００】
本開示の実施形態はまた、本明細書に記載されるような構造的熱交換器の実施形態の様々な構成要素のうちのいずれかおよびすべてを作製するための例示的な技法を含む。さらに、実施形態は、前記構成要素を作製するように機械をプログラムするために使用されるありと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み、実施形態はそのように限定されない。
【０１０１】
図３０を参照すると、ブロック図は、機械可読媒体３０２２（例えば、非一時的機械可読媒体、機械可読記憶媒体、コンピュータ可読記憶媒体またはそれらのいずれかの適切な組合せ）から命令３０２４を読み取り、そして、本明細書で考察される方法論のうちのいずれか１つまたは複数を全体的にまたは部分的に実行することができる、いくつかの例示的実施形態による、機械３０００の構成要素を示す。具体的に、図３０は、コンピュータシステム（例えば、コンピュータ）の形態例で機械３０００を示し、本明細書で論じられる方法論のうちのいずれか１つまたは複数を全体的にまたは部分的に機械３０００に実行させるための命令３０２４（例えば、ソフトウェア、プログラム、アプリケーション、アプレット、アプリ、または他の実行可能コード）がその中で実行され得る。
【０１０２】
代替の実施形態において、機械３０００は、独立型装置として動作するか、または他の機械に接続（例えば、ネットワーク接続）することができる。ネットワーク接続された配置では、機械３０００は、サーバ−クライアントネットワーク環境においてはサーバ機械またはクライアント機械のキャパシティで、または分散型（例えば、ピアツーピア）ネットワーク環境においてはピア機械として動作することができる。機械３０００は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを含むことができ、例えば、サーバコンピュータ、クライアントコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットブック、携帯電話、スマートフォン、セットトップボックス（ＳＴＢ）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ウェブ機械、ネットワークルータ、ネットワークスイッチ、ネットワークブリッジ、またはその機械で実行される動作を指定する命令３０２４を順次または別の方法で実行することができるいずれかの機械などであり得る。さらに、単一の機械３０００のみが示されているが、「機械」という用語はまた、命令３０２４を個別にまたは共同で実行して、本明細書で考察される方法論のいずれか１つ以上の全部または一部を実行する機械の任意の集合を含むと解釈すべきである。
【０１０３】
機械３０００は、プロセッサ３００２（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）またはそれらのいずれかの組み合わせ）、メインメモリ３００４、およびスタティックメモリ３００６を含み、これらは、バス３００８を介して互いに通信するように構成されている。プロセッサ３００２は、プロセッサ３００２が全体的にまたは部分的に本明細書に記載の方法論のうちのいずれか１つまたは複数を実行するように構成可能であるように命令３０２４の一部または全部によって一時的にまたは恒久的に構成可能なマイクロ回路を含むことができる。例えば、プロセッサ３００２の１つまたは複数のマイクロ回路のセットは、本明細書に記載されている１つまたは複数のモジュール（たとえばソフトウェアモジュール）を実行するように構成可能であり得る。
【０１０４】
機械３０００は、ビデオディスプレイ３０１０（例えば、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プロジェクタ、陰極線管（ＣＲＴ）、またはグラフィックスまたはビデオを表示することができる他のいずれかのディスプレイ）をさらに含み得る。機械３０００はまた、英数字入力装置３０１２（例えば、キーボードまたはキーパッド）、カーソル制御装置３０１４（例えば、マウス、タッチパッド、トラックボール、ジョイスティック、モーションセンサー、アイトラッキング装置、または他のポインティング機器）、記憶装置３０１６、信号生成装置３０１８（例えば、サウンドカード、増幅器、スピーカ、ヘッドホンジャック、またはそれらのいずれかの適切な組み合わせ）、およびネットワークインタフェース装置３０２０を含み得る。
【０１０５】
記憶装置３０１６は、例えば、図１〜２９の記載のいずれかを含む、本明細書に記載される方法論または機能のうちのいずれか１つまたは複数を実施する命令３０２４を記憶する機械可読媒体３０２２（たとえば有形の非一時的な機械可読記憶媒体）を含む。命令３０２４はまた、機械３０００によるその実行前または実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ３００４内、プロセッサ３００２内（例えば、プロセッサのキャッシュメモリ内）、またはその両方に存在することができる。命令３０２４はまた、スタティックメモリ３００６内に存在してもよい。
【０１０６】
したがって、メインメモリ３００４およびプロセッサ３００２は、機械可読媒体３０２２（例えば、有形の非一時的な機械可読媒体）と見なすことができる。命令３０２４は、ネットワークインターフェースデバイス３０２０を介してネットワーク３０２６を介して送信または受信することができる。例えば、ネットワークインターフェースデバイス３０２０は、任意の１つまたは複数の転送プロトコル（例えばＨＴＴＰ）を使用して命令３０２４を通信することができる。機械３０００はまた、図１〜２９に記載のプロセスを含む、本明細書に記載の機能のうちのいずれかを実行するための手段の例を表してもよい。
【０１０７】
いくつかの例示的な実施形態において、機械３０００は、スマートフォンまたはタブレットコンピュータなどのポータブルコンピューティングデバイスであり得、１つまたは複数の追加の入力要素（たとえば、センサまたはゲージ）（図示せず）を有し得る。そのような入力要素の例は、画像入力要素（例えば、１つまたは複数のカメラ）、音声入力要素（例えば、マイク）、方向入力要素（例えば、コンパス）、位置入力要素（例えば、ＧＰＳ受信機）、方位要素（例えばジャイロスコープ）、動き検出要素（例えば１つまたは複数の加速度計）、高度検出要素（例えば高度計）、およびガス検出要素（例えばガスセンサ）を含む。これらの入力要素のうちのいずれか１つまたは複数によって収集された入力は、本明細書に記載のモジュールのいずれかによってアクセス可能であり使用可能であり得る。
【０１０８】
本明細書で使用されるとき、「メモリ」という用語は、データを一時的にまたは恒久的に記憶することができる機械可読媒体３０２２を指し、これに限定されないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、およびキャッシュメモリを含むように解釈されてもよい。機械可読媒体３０２２は例示的実施形態では単一の媒体であるように示されているが、「機械可読媒体」という用語は命令３０２４を記憶することができる単一の媒体または複数の媒体（例えば集中型または分散型データベース１１５、または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むように解釈されるべきである。「機械可読媒体」という用語はまた、機械３０００による実行のために命令３０２４を記憶することができる、いずれかの媒体、または複数の媒体の組合せを含むように解釈されるものとし、その結果、命令３０２４は、機械３０００の１つまたは複数のプロセッサ（たとえば、プロセッサ３００２）によって実行されると、機械３０００に、本明細書に記載される方法論のうちのいずれか１つまたは複数を全体的または部分的に実行させる。したがって、「機械可読媒体」は、単一の記憶装置またはデバイス、ならびにクラウドベースの記憶システムまたは複数の記憶装置またはデバイスを含む記憶ネットワークを指す。したがって、「機械可読媒体」という用語は、限定しないが、ソリッドステートメモリ、光学媒体、磁気媒体、またはそれらのいずれかの組み合わせの形態の１つまたは複数の有形の（例えば、非一時的な）データリポジトリを含むように解釈されるものとする。
【０１０９】
さらに、機械可読媒体３０２２は、伝搬信号を具現化しないという点で非一時的である。しかしながら、有形の機械可読媒体３０２２を「非一時的」としてラベル付けすることは、その媒体が移動できないことを意味すると解釈されるべきではなく、媒体は、ある物理的な場所から別の場所へ移動可能であると解釈されるべきである。さらに、機械可読媒体３０２２は有形であるので、媒体は機械可読デバイスであると見なすことができる。
【０１１０】
本明細書を通して、複数のインスタンスが、単一のインスタンスとして記載されている構成要素、動作、または構造を実装することがある。１つまたは複数の方法の個々の動作は別々の動作として図示および記載されているが、個々の動作の１つまたは複数は同時に実行されてもよく、動作が図示の順序で実行される必要はない。例の中で別々の構成要素として提示されている構造および機能は、組み合わされた構造または構成要素として実装されてもよい。同様に、単一の構成要素として提示された構造および機能は、別々の構成要素として実装されてもよい。これらおよび他の変形、修正、追加、および改良は、本明細書の主題の範囲内に含まれる。
【０１１１】
特定の実施形態が、論理またはいくつかの構成要素、モジュール、または機構を含むものとして本明細書に記載されている。モジュールはソフトウェアモジュール（例えば、機械可読媒体３０２２または伝送媒体に記憶されているか別の方法で具現化されているコード）、ハードウェアモジュール、またはそれらのいずれかの適切な組合せを構成し得る。「ハードウェアモジュール」は、特定の動作を実行することができる有形の（例えば、非一時的な）ユニットであり、特定の物理的方法で構成または配置することができる。様々な例示的実施形態において、１つまたは複数のコンピュータシステム（例えば、スタンドアロンコンピュータシステム、クライアントコンピュータシステム、またはサーバコンピュータシステム）、またはコンピュータシステムの１つまたは複数のハードウェアモジュール（例えば、プロセッサ３００２またはプロセッサ３００２のグループ）は、本明細書に記載されるように特定の動作を実行するように動作するハードウェアモジュールとしてソフトウェア（例えば、アプリケーションまたはアプリケーション部分）によって構成され得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態において、ハードウェアモジュールは、機械的に、電子的に、またはそれらのいずれかの適切な組み合わせで実装され得る。例えば、ハードウェアモジュールは、特定の動作を実行するように恒久的に構成された専用の回路または論理を含み得る。例えば、ハードウェアモジュールは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはＡＳＩＣなどの専用プロセッサとすることができる。ハードウェアモジュールはまた、特定の動作を実行するためにソフトウェアによって一時的に構成されるプログラマブルロジックまたは回路を含み得る。例えば、ハードウェアモジュールは、汎用プロセッサ３００２または他のプログラマブルプロセッサ３００２内に含まれるソフトウェアを含むことができる。ハードウェアモジュールを機械的に、専用の恒久的に構成された回路内に、または一時的に構成された（例えば、ソフトウェアによって構成されている）回路内に実装する決定はコストと時間の考慮事項によって推進され得ることが認識されよう。
【０１１３】
ハードウェアモジュールは、他のハードウェアモジュールに情報を提供したり、他のハードウェアモジュールから情報を受信したりできる。したがって、記載したハードウェアモジュールは通信可能に結合されていると見なすことができる。複数のハードウェアモジュールが同時に存在する場合、通信は、２つ以上のハードウェアモジュール間またはそれらの間の信号伝送を介して（例えば、適切な回路およびバス３００８を介して）達成され得る。複数のハードウェアモジュールが異なる時間に構成またはインスタンス化される実施形態では、そのようなハードウェアモジュール間の通信は、例えば、複数のハードウェアモジュールがアクセスするメモリ構造内の情報の記憶および取出しを通じて達成され得る。例えば、１つのハードウェアモジュールが動作を実行し、その動作の出力をそれが通信可能に結合されているメモリデバイスに記憶することができる。その後、さらなるハードウェアモジュールが、後で、メモリデバイスにアクセスして、記憶された出力を取り出して処理することができる。ハードウェアモジュールはまた、入力デバイスまたは出力デバイスとの通信を開始し得、そしてリソース（例えば、情報の集合体）上で動作し得る。
【０１１４】
本明細書に記載される例示的な方法の様々な動作は、関連動作を実行するように一時的に（例えばソフトウェアによって）構成されるか、または恒久的に構成される１つまたは複数のプロセッサ３００２によって少なくとも部分的に実行され得る。一時的または恒久的に構成されているかどうかにかかわらず、そのようなプロセッサ３００２は、本明細書に記載の１つまたは複数の動作または機能を実行するように動作するプロセッサ実行モジュールを構成し得る。本明細書で使用される際、「プロセッサ実行モジュール」は、１つまたは複数のプロセッサ３００２を使用して実行されるハードウェアモジュールを指す。
【０１１５】
同様に、本明細書に記載の方法は、少なくとも部分的にプロセッサによって実行されてもよく、プロセッサ３００２はハードウェアの一例である。例えば、方法の動作のうちの少なくともいくつかは、１つまたは複数のプロセッサ３００２またはプロセッサ実行モジュールによって実行され得る。本明細書で使用される際、「プロセッサ実行モジュール」は、ハードウェアが１つまたは複数のプロセッサ３００２を含むハードウェアモジュールを指す。さらに、１つまたは複数のプロセッサ３００２はまた、「クラウドコンピューティング」環境における関連動作の実行をサポートするようにまたは「サービスとしてのソフトウェア（ｓｏｆｔｗａｒｅ  ａｓ  ａ  ｓｅｒｖｉｃｅ）」（ＳａａＳ）として動作し得る。例えば、動作の少なくともいくつかは（プロセッサ３００２を含む機械３０００の例として）一群のコンピュータによって実行されてもよく、これらの動作はネットワーク３０２６（例えばインターネット）を介しておよび１つまたは複数の適切なインターフェース（例えばＡＰＩ）を介してアクセス可能である。
【０１１６】
特定の動作のパフォーマンスは、単一の機械３０００内に存在するだけでなく、複数の機械３０００にわたって配備されている、１つまたは複数のプロセッサ３００２の間で分散されてもよい。いくつかの例示的な実施形態において、１つまたは複数のプロセッサ３００２またはプロセッサ実行モジュールは、単一の地理的場所（例えば、家庭環境、オフィス環境、またはサーバーファーム内）に配置されてもよい。他の例示的実施形態において、１つまたは複数のプロセッサ３００２またはプロセッサ実行モジュールは、いくつかの地理的場所にわたって分散することができる。
【０１１７】
特に明記しない限り、「処理する」、「計算する」、「計算する」、「決定する」、「提示する」、「表示する」またはそれらに類するものなどの単語を使用する本明細書における考察は、１つまたは複数のメモリ（例えば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはそれらのいずれかの適切な組合せ）、レジスタ、または情報を受け取り、記憶し、伝達し、または表示する他の機械構成要素内の物理的（例えば、電子的、磁気的、または光学的）な量として表されるデータを操作または変換する機械３０００（たとえばコンピュータ）の動作またはプロセスを指すことがある。さらに、特に明記しない限り、「ａ」または「ａｎ」という用語は、本明細書では、特許文書において一般的であるように、１つまたは複数の例を含むように使用される。最後に、本明細書で使用される際、接続詞「または」は、特に明記しない限り、非排他的な「または」を指す。
【０１１８】
本開示は例示的であり、限定的ではない。さらに修正はこの開示に照らして当業者には明らかであろうし、そして添付の特許請求の範囲の範囲内に入ることが意図されている。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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