(57)【要約】  本開示の諸態様は、最適な量の材料がエンジンの必要な構成要素を生成するのに使用される燃焼機関設計に関して提示される。このエンジンは、ジョイント、ファスナ、または損害の危険性を提示する可能性がある任意の他の区域を有しない、単一の片として生成され得る。この設計は、ファスナおよび他の外来ハードウェアの必要を除去することに起因して、エンジンの重量を削減することもできる。一般に、エンジンの重量は、必要な構造体の周囲の外来材料の包含を排除するためにも最適化され得る。また、エンジンは、燃料および他の流体の最適の流れを伴い、より高い圧力を維持しながら最小の損失水頭を伴って、非常にエネルギ効率が良くなるように設計され得る。【選択図】図１
2019534409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼機関であって、
複数の冷却材チャネルを含む熱交換機であって、前記熱交換機は、囲む体積に対する相対的に高い熱量を含む領域を少なくとも部分的に囲む壁を介して熱をそらすように構成される、熱交換機と、
前記熱交換機内の前記複数のチャネルに結合された流体ダイバータと、
フラクタル流体通路酸化剤と
を含み、前記燃焼機関は、付加製造を使用して製造される
燃焼機関。
【請求項２】
前記複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、断面積のうちで豆の形状の部分を有する、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項３】
前記複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、断面積のうちで丸められた角を有する台形の形状の部分を有する、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項４】
前記複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、断面積のうちで、前記壁の１つまたは複数の機能プロパティまたは構造的プロパティを定義する複数の境界条件を満足することによって定義される形状の部分を有する、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項５】
前記複数の境界条件は、
前記壁が満足しなければならない少なくとも１つの熱条件と、
前記壁が満足しなければならない少なくとも１つの構造条件と、
前記壁が満足しなければならない前記壁に関する少なくとも１つの材料プロパティと、
前記複数の冷却材チャネルが満足しなければならない前記冷却材チャネルの少なくとも１つの材料プロパティと
を含む、請求項４に記載の燃焼機関。
【請求項６】
前記複数の境界条件は、前記冷却材チャネルの第１の位置に適用される第１の複数の境界条件であり、
前記複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、第２の位置の断面積のうちの、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足することによって定義される第２の形状の部分を有する
請求項４に記載の燃焼機関。
【請求項７】
前記複数の冷却材チャネルは、前記壁内の異なる位置でピッチ角が異なる、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項８】
前記複数の冷却材チャネルのうちの少なくとも１つは、第１の形状で成形された第１の位置の第１の断面積と、第２の形状で成形された第２の位置の第２の断面積とを含む、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項９】
前記第１の形状は、豆形であり、前記第２の形状は、楕円形である、請求項８に記載の燃焼機関。
【請求項１０】
前記複数の冷却材チャネルは、前記壁内の異なる位置で断面積のサイズが異なる、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１１】
エンジン・フランジと一緒に単一の片として付加製造されるスレッドを有する前記エンジン・フランジをさらに含む、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１２】
前記燃焼機関の外部材料は、シュリンク・ラップ付加製造プロセスを使用して最小化される、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１３】
前記流体ダイバータは、均一に減少する半径の環を含む、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１４】
前記フラクタル流体経路酸化剤は、滑らかな分岐する通路を含む、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１５】
前記フラクタル流体通路酸化剤は、流体が前記酸化剤を出ることを可能にするために流体オリフィスの第１の部分および第２の部分を含み、前記オリフィスの前記第１の部分は、前記オリフィスの前記第２の部分と比較して異なる角度で前記流体が前記酸化剤を出ることを可能にする、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１６】
フラクタル流体通路燃料噴射器をさらに含む、請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項１７】
前記フラクタル通路燃料噴射器は、滑らかな分岐する通路を含む、請求項１６に記載の燃焼機関。
【請求項１８】
前記機関は、付加製造を使用して単一の片として製造される、請求項１に記載の燃焼機関。
【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、その開示の全体が参照によって特に本明細書に組み込まれている、２０１６年９月１日に出願した米国特許仮出願第６２／３８２７２２号、名称「ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ  ＨＥＡＴ  ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ」、２０１６年９月８日に出願した米国特許仮出願第６２／３８５１２２号、名称「ＦＲＡＣＴＡＬ  ＦＬＵＩＤ  ＰＡＳＳＡＧＥＳ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」、および２０１６年９月８日に出願した米国特許仮出願第６２／３８５１２３号、名称「ＡＤＤＩＴＩＶＥ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥＤ  ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ  ＥＮＧＩＮＥ」の利益を主張するものである。
【０００２】
本明細書で開示される主題は、全般的には冷却系に関する。より具体的には、本開示は、様々な産業応用例を有する構造的熱交換機に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、推力室内など、産業応用に関する冷却系は、サブトラクティブ・マニュファクチャリング（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）法を使用して製造され、これは、所望の構造体が作成されるまで削られる、より大きい材料が使用されることを意味する。したがって、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。さらに、冷却系は、従来、一緒に溶接され、締結される必要がある複数の片を用いて作られる。したがって、製造のしやすさおよび再現可能性のために、これらの設計は、多数の破壊点または他の高応力区域を示す。さらに、より信頼できるサブトラクティブ・マニュファクチャリング法の利用に起因して、熱伝達設計、冷却設計、および推進設計に関する最適幾何形状が、使用されない。したがって、熱交換冷却系およびその様々な構成要素を生成する新しい形を開発することが望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の諸態様は、エンジンの必要な構成要素を生成するのに使用される最適化された量の材料を有する燃焼機関設計に関して提示される。
【０００５】
いくつかの実施形態では、燃焼機関であって、複数の冷却材チャネルを含む熱交換機であって、熱交換機は、囲む体積に対する相対的に高い熱量を含む領域を少なくとも部分的に囲む壁を介して熱をそらすように構成される、熱交換機と、熱交換機内の複数のチャネルに結合された流体ダイバータ（ｆｌｕｉｄ  ｄｉｖｅｒｔｅｒ）と、フラクタル流体通路酸化剤とを含み、燃焼機関は、付加製造を使用して製造される燃焼機関が提示される。
【０００６】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、断面積のうちで豆の形状の部分を有する。
【０００７】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、断面積のうちで丸められた角を有する台形の形状の部分を有する。
【０００８】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、断面積のうちで、壁の１つまたは複数の機能プロパティまたは構造的プロパティを定義する複数の境界条件を満足することによって定義される形状の部分を有する。
【０００９】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の境界条件は、壁が満足しなければならない少なくとも１つの熱条件と、壁が満足しなければならない少なくとも１つの構造条件と、壁が満足しなければならない壁に関する少なくとも１つの材料プロパティと、複数の冷却材チャネルが満足しなければならない冷却材チャネルの少なくとも１つの材料プロパティとを含む。燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の境界条件は、冷却材チャネルの第１の位置に適用される第１の複数の境界条件であり、複数の冷却材チャネルのそれぞれは、少なくとも、第２の位置の断面積のうちの、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足することによって定義される第２の形状の部分を有する。
【００１０】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の冷却材チャネルは、壁内の異なる位置でピッチ角が異なる。
【００１１】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の冷却材チャネルのうちの少なくとも１つは、第１の形状で成形された第１の位置の第１の断面積と、第２の形状で成形された第２の位置の第２の断面積とを含む。いくつかの実施形態では、第１の形状は、豆形であり、第２の形状は、楕円形である。
【００１２】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、複数の冷却材チャネルは、壁内の異なる位置で断面積のサイズが異なる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、燃焼機関は、エンジン・フランジと一緒に単一の片として付加製造されるスレッドを有するエンジン・フランジをさらに含む。
【００１４】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、燃焼機関の外部材料は、シュリンク・ラップ付加製造プロセスを使用して最小化される。
【００１５】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、流体ダイバータは、均一に減少する半径の環を含む。
【００１６】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、フラクタル流体経路酸化剤は、滑らかな分岐する通路を含む。
【００１７】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、フラクタル流体通路酸化剤は、流体が酸化剤を出ることを可能にするために流体オリフィスの第１の部分および第２の部分を含み、オリフィスの第１の部分は、オリフィスの第２の部分と比較して異なる角度で流体が酸化剤を出ることを可能にする。
【００１８】
いくつかの実施形態では、内燃機関は、フラクタル流体通路燃料噴射器をさらに含む。燃焼機関のいくつかの実施形態では、フラクタル通路燃料噴射器は、滑らかな分岐する通路を含む。
【００１９】
燃焼機関のいくつかの実施形態では、機関は、付加製造を使用して単一の片として製造される。
【００２０】
いくつかの実施形態が、添付図面の図に限定ではなく例として示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示による構造的熱交換機を利用する例のエンジンを示す図である。
【図２】関連する説明と共に、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く伝統的な冷却系の説明を提供する図である。
【図３】関連する説明と共に、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く伝統的な冷却系の説明を提供する図である。
【図４】関連する説明と共に、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く伝統的な冷却系の説明を提供する図である。
【図５】関連する説明と共に、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く伝統的な冷却系の説明を提供する図である。
【図６】関連する説明と共に、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く伝統的な冷却系の説明を提供する図である。
【図７】関連する説明と共に、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く伝統的な冷却系の説明を提供する図である。
【図８】均一な環状半径（ａｎｎｕｌａｒ  ｒａｄｉｕｓ）を有する燃料ダイバータ（ｆｕｅｌ  ｄｉｖｅｒｔｅｒ）を示す図である。
【図９】いくつかの実施形態による、半径の減少する環の形状の燃料ダイバータを示す図である。
【図１０】流体ダイバータから出る各チャネルを介して配送される流体を示す図である。
【図１１】いくつかの実施形態による、流体ダイバータからの側枝通路（ｏｆｆｓｈｏｏｔ  ｐａｓｓａｇｅ）に入る時の液体の方向および大きさの流速ベクトル・シミュレーションを示す図である。
【図１２】本開示の熱交換機を利用するエンジンの底部を示す半透明図である。
【図１３】エンジンの底部の周辺に巻き付く時の、その端までにはるかに小さい半径を有する燃料ダイバータを示すより詳細な図である。
【図１４】図１４Ａ−図１４Ｂ。通常の冷却チャネルの断面およびその熱伝達プロパティを示す図である。
【図１５】本開示のいくつかの実施形態での、これによる、冷却通路の断面積として台形通路を示す図である。
【図１６】本開示のいくつかの実施形態での、これによる、冷却通路の断面積として台形通路を示す図である。
【図１７】本開示のいくつかの実施形態での、これによる、冷却通路の断面積として台形通路を示す図である。
【図１８】いくつかの実施形態による、冷却通路の断面積に関する豆形状を示す図である。
【図１９】いくつかの実施形態による、推力室の壁内の冷却材チャネルを明らかにする、エンジンの半透明透視図である。
【図２０】どのようにして冷却通路の頂部をより円または楕円のように成形することができるのかを示す図である。
【図２１】いくつかの実施形態による、噴射器板への燃焼室の接続部での再生冷却通路を示す、上から見下ろした図である。
【図２２】いくつかの実施形態による、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズが、チャネルが構造体の室壁に沿って上に流れる時にどのように変化し得るのかを示す様々な図である。
【図２３】いくつかの実施形態による、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズが、チャネルが構造体の室壁に沿って上に流れる時にどのように変化し得るのかを示す様々な図である。
【図２４】いくつかの実施形態による、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズが、チャネルが構造体の室壁に沿って上に流れる時にどのように変化し得るのかを示す様々な図である。
【図２５】豆冷却材チャネルの断面積の例を示す図である。
【図２６Ａ】長方形冷却材チャネルを有する円筒形の壁がどのように見えるのかを示す図である。
【図２６Ｂ】豆形のチャネルを有する円筒がどのように見えるのかの例を示す図である。
【図２７】長方形断面チャネルの結果に関する熱等高線を示す図である。
【図２８】円形断面チャネルの結果に関する熱等高線を示す図である。
【図２９】豆形断面チャネルの結果に関する熱等高線を示す図である。
【図３０】温度バンディング（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｂａｎｄｉｎｇ）を強調するための、長方形断面の拡大された視覚的結果を示す図である。
【図３１】温度バンディングを強調するための、円形断面の拡大された視覚的結果を示す図である。
【図３２】温度バンディングを強調するための、豆形断面の拡大された視覚的結果を示す図である。
【図３３】いくつかの実施形態による、豆形冷却材チャネルを有する平板の例を異なる角度から示す図である。
【図３４】いくつかの実施形態による、豆形冷却材チャネルを有する平板の例を異なる角度から示す図である。
【図３５】豆形冷却材チャネルを有するが、豆形の凹幾何形状と一致する底部の波形表面を有する、上面上の平板を示す図である。
【図３６】豆形冷却材チャネルを有するが、豆形の凹幾何形状と一致する底部の波形表面を有する、上面上の平板を示す図である。
【図３７】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変化する必要を満足するように作られた、任意の様々な断面形状を有する任意の個数の冷却材チャネルを有する構造的熱交換機を開発するための例の方法論を示す流れ図である。
【図３８】いくつかの実施形態による、流体通路の諸部分のシミュレーション概略を示す図である。
【図３９】いくつかの実施形態による、流体通路の諸部分のシミュレーション概略を示す図である。
【図４０】いくつかの実施形態による、噴射器界面に液体酸化剤を供給するためのフラクタル流体通路の主要部分を示す側面図である。
【図４１】いくつかの実施形態による、液体酸化剤通路のクォーター・アーマチュア（ｑｕａｒｔｅｒ  ａｒｍａｔｕｒｅ）のシミュレーション・レンダリングを示す図である。
【図４２】いくつかの実施形態による、液体酸化剤のもう１つの例の流体通路設計を示す図である。
【図４３】いくつかの実施形態による、流体速度に従って濃淡を付けられた液体酸化剤流体通路の概略図である。
【図４４】いくつかの実施形態による、乱流運動エネルギに従って濃淡を付けられた液体酸化剤流体通路の概略図である。
【図４５】いくつかの実施形態による、流体速度に従って濃淡を付けら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４６】いくつかの実施形態による、乱流運動エネルギに従って濃淡を付けら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４７】いくつかの実施形態による、液体燃料通路のセットと液体酸化剤通路のセットとの両方を噴射器界面に組み合わせる概略図である。
【図４８】いくつかの実施形態による、燃焼室に液体を噴射するためにオリフィスがどのように位置決めされるのかに関する最終的な配置を示す、噴射器界面の反対側を示す図である。
【図４９】２つの三つ組要素および１つの四つ組要素を示す拡大図である。
【図５０】四つ組内でどのタイプの液体をどのタイプの角度に配置するのかの選択に関する３つの異なるシナリオを示す図である。
【図５１】液体酸化剤のフラクタル流体通路に組み込まれた半径の減少する環ダイバータ設計の例を示す透視図である。
【図５２】液体酸化剤流体通路設計で使用される例の流体ダイバータを示す上から見下ろした図である。
【図５３】液体酸化剤流体通路設計で使用される例の流体ダイバータを示す下から見上げた図である。
【図５４】液体酸化剤流体通路設計で使用される例の流体ダイバータのＣＡＤレンダリングを示す１つの側面図である。
【図５５】図５４とは反対からのＣＡＤレンダリングを示す側面図である。
【図５６】いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部としての減少する環の流体ダイバータの別の例を示す様々な図である。
【図５７】いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部としての減少する環の流体ダイバータの別の例を示す様々な図である。
【図５８】いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部としての減少する環の流体ダイバータの別の例を示す様々な図である。
【図５９】いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部としての減少する環の流体ダイバータの別の例を示す様々な図である。
【図６０】いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部としての減少する環の流体ダイバータの別の例を示す様々な図である。
【図６１】いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部としての減少する環の流体ダイバータの別の例を示す様々な図である。
【図６２】付加製造技法を使用して生産することのできるノズルの諸態様を示す図である。
【図６３】エンジン・フランジを強調して示す図である。
【図６４】エンジンの諸部分の陸軍／海軍（ＡＮ）取付け部品を強調する図である。
【図６５】機械可読媒体から命令を読み取り、本明細書で議論される方法のうちの任意の１つまたは複数を実行することのできる、いくつかの例の実施形態によ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】
【００２２】
推力室などの様々なエンジンのための冷却系は、その生産に関して伝統的なサブトラクティブ・マニュファクチャリング法に頼る。その結果、その設計は、使用される製造法の制限を反映する。推力室は、通常、複数の片で作成され、高圧領域を密閉するのにＯリングまたは他のガスケットを使用して一緒に溶接されまたは締結される。これらの設計は、多数の破壊点を示す。高度なカスタマイゼーションの必要およびエンジンが特定の目的を満足することの望みが、注文仕立てのエンジン設計の市場を生み出した。
【００２３】
付加製造（ＡＭ）を介する冷却系の生産は、多数の以前には見られなかった改善を提供する。ＡＭ技法を使用して単一片で一連の熱交換機チャネルを印刷する能力は、重量を削減しながら耐久性および有用性を高める。付加製造法が構成要素を生産できる速度は、ほとんどの機敏な伝統的な製造作業さえもしのぐ。伝統的な製造を使用して以前に達成可能ではなかった新規の幾何形状を生産する能力は、無数の性能改善への扉を開いた。
【００２４】
実際に、付加製造手法は、最も複雑な幾何形状の生産さえ可能にする。これは、設計者が、伝統的な製造技法に関する設計の重荷なしで最適化された構造体を作成することを可能にする。
【００２５】
本開示の諸態様は、最適な量の材料がエンジンの必要な構成要素を生成するのに使用される燃焼機関設計に関して提示される。このエンジンは、ジョイント、ファスナ、または損害の危険性を提示する可能性がある任意の他の区域を有しない、単一の片として生成され得る。説明される設計は、ファスナおよび他の外来ハードウェアの必要を除去することに起因して、エンジンの重量を削減することもできる。一般に、エンジンの重量は、必要な構造体の周囲の外来材料の包含を排除するためにも最適化され得る。また、エンジンは、燃料および他の流体の最適の流れを伴い、より高い圧力を維持しながら最小の損失水頭を伴って、非常にエネルギ効率が良くなるように設計され得る。
【００２６】
いくつかの実施形態では、燃焼機関は、他の新規のプロパティを含むことができる。たとえば、エンジンの冷却通路は、より高いまたはより低い熱応力を経験する燃焼室内の点において冷却プロパティを増減させるために変化するピッチ角で進むように設計され得る。別の例では、液体燃料および／または液体酸化剤のための流体通路は、乱流を最小化し、移動距離を最適化する曲率を有する、フラクタル分岐する形で提供され得る。別の例として、１つまたは複数の流体ダイバータを設計と共に含めて、すべての既存の流体通路に関して、主チャネルに沿って最も遠いダイバータから出る通路に関してさえ、実質的に均一の圧力低下を生成することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態には、付加製造技法を使用して作成され得る、最適の熱伝達プロパティおよび冷却プロパティを有する構造的熱交換機設計が含まれる。この熱交換機は、ジョイント、ファスナ、または損害の危険性を提示する可能性がある任意の他の区域を有しない、単一の片として生成され得る。この熱交換機は、それでも単一の片として、全体的なエンジン設計の一部として作られ得る。本明細書で説明される設計および設計を導出する原理は、ファスナおよび他の外来ハードウェアの必要を除去することに起因して、エンジンの重量を削減することもできる。一般に、エンジンの重量は、必要な構造体の周囲の外来材料の包含を排除するためにも最適化され得る。また、エンジンは、燃料および他の流体の最適の流れを伴い、より高い圧力を維持しながら最小の損失水頭を伴って、非常にエネルギ効率が良くなるように設計され得る。
【００２８】
いくつかの実施形態では、液体燃料が燃焼室または推力室などの高温エンジン室の周辺を通って移動する時に、液体燃料を冷却材として利用する構造的熱交換機を提示する。燃料ダイバータから始まり、熱交換機通路を通って流れる冷却材チャネルの形状は、より高い冷却プロパティを要求する可能性がある室の区域を考慮に入れるために、高温エンジン室の頂部を通る時に角度を変更するように構成され得る。いくつかの実施形態では、冷却材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、燃料が最初の入口点から離れて移動するにつれて燃料の体積が減少する時であっても、均一な圧力を有する冷却材チャネルを通って上に燃料の通過を駆動するように構成され得る。いくつかの実施形態では、これを、徐々に減少する半径の断面を有する環に成形された燃料ダイバータとして実施することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、冷却材チャネルの断面積は、具体的には、ある種の目的または境界条件を満足するように成形され得る。たとえば、境界条件は、推力室の壁に沿った特定の点およびその壁の中の特定の点に対する熱ひずみを減らすために、冷却材チャネルが均一な熱流束を作らなければならないと指定する場合がある。いくつかの実施形態では、これを、台形または他の場合には豆形の形状の断面積を有する冷却材チャネルを生成することによって達成することができる。いくつかの実施形態では、冷却材チャネルの台形形状または豆形形状は、冷却材チャネルがエンジンの燃料噴射器部分に接近し、燃料が分配されようとしている時に、推力室の頂部に向かってなど、チャネルの進行に沿って楕円形状または円形状に徐々に転換され得る。
【００３０】
いくつかの実施形態では、複数の境界条件プロパティを満足することに基づいて冷却材チャネルの設計を導出する方法を提示する。これらのプロパティは、特定の位置での様々な必要を満足するために、内壁に、ある熱流束条件を満足させること、チャネルを含む壁に、ある熱容量を満足させること、チャネルのある部分に特定の圧力条件に到達させること、およびチャネルの経路に沿った様々な異なる位置でこれらのプロパティを変更することを含むことができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、構造的熱交換機は、変化する断面積を有する複数の冷却材チャネルを含む。さらに、すべての単一の冷却材チャネルに関して、断面積は、それらの位置で変化する境界条件を満足するために、形状を徐々に変更することができる。いくつかの実施形態では、冷却材チャネルのレイアウトは、円筒、平板、波形板、または本開示の原理と一貫する他の配置の形状であるものとすることができる。
【００３２】
本明細書で説明される様々な実施形態による構造的熱交換機は、ガス発生器ターボ機械、発電熱交換、自動車エンジン、ＨＶＡＣユニット、サーバ冷却モジュール、ならびに、発電プラント原子炉およびパワーに関する高い需要を有する様々な車両など、高性能熱交換の必要を有する応用例を含む、非常に様々な非限定的な産業応用例を有することができる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、付加製造技法を使用して作成され得る、正しい質量流を保証する最適化された流体通路を有するロケット・エンジン設計を提示する。このエンジンは、ジョイント、ファスナ、または損害の危険性を提示する可能性がある任意の他の区域を有しない、単一の片として生成され得る。この設計は、説明されるファスナおよび他の外来ハードウェアの必要を除去することに起因して、エンジンの重量を削減することもできる。一般に、エンジンの重量は、必要な構造体の周囲の外来材料の包含を排除するためにも最適化され得る。また、エンジンは、燃料および他の流体の最適の流れを伴い、より高い圧力を維持しながら最小の損失水頭を伴って、非常にエネルギ効率が良くなるように設計され得る。
【００３４】
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、噴射器に入る流体通路は、木の根または分岐する血管の形状とよく似ている、分岐する形で配置される。一般に、流体通路は、方向を変える間の流体の乱流を減らすために、鋭い垂直のチャネルを導入する従来の方法と比較して、滑らかで連続的な曲率を有して設計される。流体通路を開発するのに使用される方法は、乱流を減らし、通路のそれぞれを通る均等に分布する流体圧力を作成する通路を開発するために制約されてきた可能性がある。
【００３５】
いくつかの実施形態では、流体通路の終りを画定する噴射器界面は、新規で非自明な配置での液体酸化剤オリフィスおよび液体燃料オリフィスの混ぜ合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、噴射器界面は、複数の三つ組噴射器セットおよび四つ組噴射器セットを含み、流体は、バーン効率（ｂｕｒｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を改善し、壁表面での温度を低下させる、注意深く設計された角度で推力室に入るように設計される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、流体通路は、推力を生成するのに使用される燃料燃焼の固有の副産物である圧力波の影響を減らすようにも設計される。たとえば、流体通路は、その形で製造する際の便宜に起因して通常の製造される設計に見られる可能性がある、すべての通路に同一の高さまたは奥行きで分岐させるのではなく、千鳥状の奥行きでより小さい通路に分岐するように設計され得る。これらの非対称性は、圧力波が当たる時に、エンジン全体の共振周波数を有効に高める破壊的界面を作成し、これによって、圧力波の影響を減らすことができる。
【００３７】
図１は、本開示による、エンジン内に収容された構造的熱交換機の例の一連の冷却材チャネルの図である。図示されているように、冷却材チャネルは、エンジン全体として、エンジンが組み立てられたままになることを保証するのに必要なファスナまたは他の構成要素なしに、単一の片として製造される。新規の発明的な特徴の多くを、下でさらに説明する。
【００３８】
図２〜図７および関連する説明は、熱交換機内の冷却材チャネルの文脈を与え、本開示の新規の非自明な特徴を強調するための比較の点として働く、伝統的なエンジン設計の説明を提供する。
【００３９】
図２を参照すると、推力室および噴射器を含む伝統的なロケット・エンジン設計の例の概略図が示されている。二液式液体ロケット・エンジンは、１９３０年代以降に存在し、その技術は、１９６０年と１９８５年との間に最高点に達した。この時の間に、Ｒｏｃｋｅｔｄｙｎｅ  Ｆ１、Ｐｒａｔｔ  ＆  Ｗｈｉｔｎｅｙ  ＲＬ−１０、Ｒｏｃｋｅｔｄｙｎｅ  ＲＳ−２５（スペース・シャトルの主エンジン）、およびソビエト製のＲＤ−１７０およびＲＤ−１８０エンジンが生産された。これらのエンジンのそれぞれは、それ自体で独自であった。Ｆ１は、ガス発生器熱力学サイクルで液体酸素（ＬＯＸ）およびケロシン（ＲＰ−１）を使用した二液式エンジンであった。ＲＳ−２５は、二段燃焼サイクルを使用する液体水素（ＬＨ２）およびＬＯＸエンジンである。言及された他のロケットは、様々なサイクルと推進薬との組合せを使用するが、全般的に同一であるのは、これらのエンジンが信じられないほど複雑で非常に大型のアセンブリであることである。各エンジンは、機械工場で製作され、その後、アセンブリ・リグ上で組み立てられる部品を使用して作られる。これらのエンジンのすべてが、当時の技術の最先端を表すが、これらが、１つの片ではなく数百個または数千個の個々の部品から作られるという単純な事実が残る。
【００４０】
通常、推進薬は、噴射器を介して燃焼室内に配送される。燃焼室内では、推進薬が点火される。推進薬は、スロートに達するまで、ノズルの収束するセクションを介して亜音速に加速する。この点で、推進薬はマッハ１に達する。その後、推進薬は、超高速でノズル出口から排出される（しばしばマッハ３を超える）まで、ノズルの発散するセクションを介して加速する。推力は、運動量保存の法則を介して生み出される。高速推進薬は、流れと反対の方向で推力室に反力を働かせる。
【００４１】
一般に、推力室の主要な特徴は、
１）燃焼室（２０５）
２）収束するセクション（２１０）
３）スロート（２１５）
４）発散するセクション（２２０）
５）冷却材マニホルド（レジェン（ｒｅｇｅｎ）冷却を使用する場合）（２２５）
を含む。
【００４２】
噴射器の主要な特徴は、
１）噴射オリフィス（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｏｒｉｆｉｃｅ）要素のパターン（図７参照）
２）燃料マニホルド（２３０）
３）酸化剤マニホルド（２３５）
を含む。
【００４３】
図３は、推力室のいくつかの特徴の方位角上の断面図の概略を示す。ここでは、通常の推力室輪郭線が、再生冷却チャネルと共に示されている。冷却材チャネル断面積が、おおむね、鋭い角を有する長方形または台形の形状であることがわかる。
【００４４】
図４は、伝統的な製造を使用する、通常の再生冷却チャネルの断面形状のより幅広い例を示す。ここでは、複数材料の伝統的な製造は、長方形のレジェン冷却チャネルをもたらす傾向がある。
【００４５】
伝統的な「レジェン」冷却通路は、形成され、その後に一緒にロウ付けされた（Ｆ１およびＲＳ−２５に見られる象徴的な「スパゲッティ」ノズルを作成する）管、またはソビエト時代のロシア・エンジンに見られる金属の中実片から圧延された管のいずれかから作られた。管を作成し、その後にそれらを一緒にロウ付けすることは、非常に時間がかかり、製作プロセスがほとんど必ず修理またはリワークを必要としたので、しばしば大量の材料が浪費された。圧延は、単純であるが、大量の浪費をもたらす大きく重い金属片を必要とし、その後、内側構造体に拡散接合される外壁をシートから形成する必要がある。これは、非常に時間がかかる。伝統的なレジェン冷却通路は、曲率または形状の変形をあまり許容しない。正確な技法が、これらのチャネルを作成するのに使用されるが、長方形形状は、いくつかの点で、室壁のある場所に危険なひずみをもたらす可能性がある、熱流束プロパティにおける重大な欠点を有する。
【００４６】
図５は、通常のＦ−１エンジン噴射器幾何形状の例の概略を示す。
【００４７】
図６は、通常の噴射器板収集室およびオリフィスの例の図を示す。
【００４８】
図７は、収集室幾何形状と共に、通常の噴射器フロー・システム（ｉｎｊｅｃｔｏｒ  ｆｌｏｗ  ｓｙｓｔｅｍ）の例を示す。図示されているように、燃料噴射器オリフィスは、設計が単純であるが、それでも製造が非常に難しい。常に、設計は最適ではない。というのは、噴射器オリフィスに入った後に燃料が燃料噴射器板の頂部でどのように移動するのかに関する確率論的な動きに依存して、燃料が、不均一な速度または圧力で噴射される可能性が高いからである。
【００４９】
図５、図６、および図７に示された例と一貫して、通常の噴射器は、低温の酸化剤を噴射器の酸化剤オリフィスに分配するためのドームからなる。ドーム内に存在する高いレベルの乱流および流体相転移の可能性に起因して、エンジン点火手順が、すべての気体酸化剤がシステムを出たことを保証するために実施された。それでも、ドーム内の乱流は、噴射器の多数の酸化剤オリフィスへの予期しない流れを生じる可能性がある。
【００５０】
標準的な噴射器内の燃料マニホルドは、流れ計算を単純化し、製造コストを下げるために、均圧に関して収集室に頼る。その結果が、垂直に延びるオリフィス供給チャネルを有する長方形のチャネルである。収集室入口が、収集室自体の対称性に従わないので、乱流が、室内の圧力低下を引き起こし、この圧力低下も、オリフィスへの不均一な流れにつながる。
【００５１】
さらに、標準的なマニホルドは、その共振周波数に起因する燃焼不安定性に影響されやすく、あるいは、低い上流圧力で燃焼不安定性を引き起こす可能性がある圧力波振動に影響されやすい可能性がある。その結果、収集室マニホルドは、ポジティブ・フィードバックを送り、不安定性の強度を高める。
【００５２】
通常、推進薬混合および性能を最適化するためではなく、サブトラクティブ・マニュファクチャリング、複写、および製造のしやすさのために、共通の要素パターンが選択され、配置される。これらの要件は、お互いと衝突する可能性があり、これが、性能または製造の欠点を引き起こす可能性がある。
【００５３】
前に述べたように、本開示の諸態様は、通常のエンジン設計および製造に見られる問題のあらゆるすべてに対処する形で設計され製造されるエンジン内に通常は収容される、再生冷却材チャネルを有する構造的熱交換機を提供する。
【００５４】
図８〜図１３を参照して、いくつかの実施形態による、説明された複数の問題に対処する燃料ダイバータの実施形態を議論する。
【００５５】
図８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。燃料ダイバータは、燃料が室の頂部で噴射される前に冷却材として働くために燃料がエンジンの壁に沿って上に流れることを可能にするために、エンジンの底部に位置決めされ得る。グレイスケール勾配は、付加製造されたエンジンを通る再生冷却の乱流シミュレーションを示す。このエンジンのそらすセクションに存在する不均一な乱流は、有効ではないダイバータ設計を示す。
【００５６】
図９を参照すると、いくつかの実施形態による、半径の減少する環の形状の燃料ダイバータが提示されている。乱流を減らし、燃料ダイバータによって供給される再生冷却チャネル（たとえば、合計４８個の冷却チャネル）のそれぞれへの燃料の等しい質量流を保証するために、半径の減少する環の燃料ダイバータを使用することができる。環は、燃料入口の直径に等しい直径から始まり、分岐するチャネルのそれぞれにそらされる燃料の量に比例して減少する。これは、各チャネルに配送される等しい質量流を有する一定圧力の環をもたらす。これは、レジェン冷却による室壁の均等な冷却と、その後の接続された燃料噴射器通路によって噴射される燃料の正しい分配とを保証する。標準的なそらす通路は、乱流に起因する圧力低下を考慮に入れていない。これは、様々な同一のそらすチャネルの間での質量流の予期されない不均一な分配をもたらす。燃料のそのような不均一な分配は、潜在的に破壊的なエンジン・ホットスポットと、噴射器によって誘導される燃焼不安定性とをもたらす可能性がある。
【００５７】
図１０は、流体ダイバータから出る各チャネルを介して配送される流体の図を示す。グレイスケール勾配は、各通路での圧力低下が同一であり、これが環の減少する半径に部分的に起因することを示す。
【００５８】
図１１は、いくつかの実施形態による、流体ダイバータからの側枝通路に入る時の液体の方向および大きさの流速ベクトル・シミュレーションの図を示す。図示されているように、流体側枝の方向は、流体が通路に入る時に乱流が全体的に均等に分散されるという点で、全体的に均一である。さらに、各流速ベクトルの大きさは、全体的に同一の長さであり、全体的に均等な圧力をも示す。この図は、流体ダイバータの減少する半径に起因して、各通路での典型とすることができる。
【００５９】
一般に、図１０および図１１に示されたダイバータ幾何形状は、減少する環状ダイバータが任意の個数の通路に所望の質量流量をどのようにして供給できるのかを説明する。このダイバータ幾何形状は、常に燃料の方向性の流れを維持し、ここで、幾何学的領域によって決定される流れの方向および流路（ｆｌｕｉｄ  ｐａｔｈｗａｙ）は、最大限に均一である。この設計は、多数のオリフィスに所望の質量流量を供給することができる。分岐するオリフィスは、同一とすることができ、あるいは、オリフィスの間の質量流の特定の不均一分布が望まれる場合には、サイズが異なるものとすることができる。減少する環状ダイバータは、圧力または質量流量など、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。減少する環状ダイバータは、一定圧力の環を作る時に様々な流体相、反応する流れ、または非定常流れを考慮に入れることによって、これらの最適の流量を配送するのにも使用され得る。
【００６０】
本開示のダイバータ設計は、いくつかの実施形態に従って、他の流体通路にも適用され得る。たとえば、本明細書で説明されるダイバータの半径の減少する環設計は、噴射器オリフィス界面に、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低下を伴って多数または複数の流体通路に流体を配送する、流体通路の任意のセットに適用され得る。
【００６１】
図１２を参照すると、いくつかの実施形態による、他の構成要素の文脈での燃料ダイバータ１２１０を示す、エンジンの底部の半透明図が示されている。これは、燃料入口１２０５と、推力室のノズル１２１５部分とを含む。エンジンのスロートに向かって上に角度を付けられた、複数の冷却材チャネルも図示されている。図示されているように、また、図１３の拡大図に関して、燃料ダイバータ１２１０は、その端までに、エンジンの底部の周辺の回りに巻き付く時に、はるかにより小さい半径を有する。いくつかの実施形態では、燃料ダイバータの端は、閉ループを形成するために始めに接続され得るが、他の場合には、端は接続されない。図１３は、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るのかをも示す。
【００６２】
図１４Ａ〜図２４を参照して、いくつかの実施形態による、上で説明した複数の問題に対処する再生冷却チャネルの実施形態を議論する。
【００６３】
再生（またはレジェン）冷却は、エンジン室内壁から熱を除去する手段として、液体推進薬エンジンで幅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、エンジン全体または他の構造体の一部としてケーシングまたはハウジング構造内に全体的に含められ得る。加圧された燃料または酸化剤が、室壁内に埋め込まれるか室壁の回りに巻き付くチャネルを介して供給される。燃料／酸化剤は、熱がそれに流れ込む緩和する流体として使用される。このプロセスは、室壁を冷却し、材料劣化、融解、望ましくない相転移または粒子変質（ｇｒａｉｎ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を防ぎ、室寿命を延ばす。
【００６４】
標準的なレジェン冷却方式は、小さい流体輸送チャネル内で室をラップすることと、エンジンの壁内に長方形チャネルを製造することと、エンジン壁内に円形チャネルを製造することとを含む。付加製造は、伝統的な製造法を使用して生産可能ではない可能性がある多数の高度なチャネル設計の実施を可能にする。
【００６５】
図１４Ａおよび図１４Ｂを参照すると、通常の冷却チャネルの断面およびその熱伝達プロパティが示されている。長方形チャネルは、その製作の簡単さおよびよい熱伝達プロパティのゆえに、一般に使用されている。長方形チャネルは、他の幾何形状とは反対に、高められた熱伝達のための大きいガス側の壁表面積をも提供する。しかし、この方法は、長方形形状によって引き起こされる悪い温度分布のゆえに、最適ではない。長方形チャネルの鋭いエッジは、図１４Ｂの角の不均一な色勾配によって証明されるように、各個々のチャネルの角で応力集中を引き起こす。鋭いエッジによって引き起こされる応力集中は不都合であるが、この方法は、それでも、製造のしやすさのゆえに一般に使用されている。
【００６６】
円形チャネルは、ある種の判断基準によれば構造的に好都合である。というのは、これらが、圧力をすべての方向に分散させ、応力集中を防ぐからである。同様に、円形チャネルの最大化された表面積は、緩和する流体への熱流を強化する。しかし、室の軸の回りに方位角的に分散された円形チャネルのアレイは、室材料自体から離れる内壁に沿った温度の不均一な分布を作り、かなりの熱応力をもたらす。
【００６７】
加圧された熱的展望からはより最適であるが、冷却材チャネルの非円形幾何形状および非長方形幾何形状は、伝統的な製造技法を使用して作成するのがはるかに難しい。それらが提供する性能、耐久性、および寿命の利益よりも、増加した製造コストと、そのような高度な幾何形状を作成するのに必要な追加の片または構成要素とが上回る。しかし、これらの幾何形状は、付加製造を介して非常に低コストで素早く正確に作成され得る。
【００６８】
図１５、図１６、および図１７に示された、本開示のいくつかの実施形態による台形通路は、円形通路と長方形通路との両方のいくつかの利益を提供する。これらも、付加製造を介して簡単に生産可能である。より大きいガス側の壁表面積は、緩和する流体へのより多くの熱伝達を可能にする。丸められたエッジおよび外壁により近い狭められた断面は、チャネル内の高い流体圧力によって引き起こされる圧力の大きい差に起因する応力の高められた管理と、熱膨張の空間変動を介する熱応力につながる熱的考察とをもたらす。図１５は、通常使用中の台形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低下させる。図１６は、台形冷却材チャネルの熱流束のグラフィカル・シミュレーションを示す。図示されているように、冷却材チャネルの回りの温度勾配は、あまねくより均等であり、角またはエッジに沿った応力点を減らす。図１７は、台形冷却材チャネル設計の細長い部分での熱流束の別の図を示す。チャネルが曲げられる時であっても、熱流束プロパティは、それぞれのエッジおよび角の同一の部分に沿って一定のままになる。
【００６９】
再生冷却チャネルの１つの新規のアイデアは、一定ではないチャネル断面を用いて均等な温度プロファイルを達成できるという発見に由来する。新規の設計方法を介して、均等に近い温度プロファイルを有する断面が作成された。この形状は、「豆」形と呼ばれ、この形状を有する冷却材チャネルの１つの例の実施形態が、図１８に示されている。圧力分布は、豆チャネル内で均一である。いくつかの実施形態によれば、相当応力の分布は、壁セクション全体にわたって均一ではないが、所与の熱構造境界条件に関して豆チャネルによって最小値に最適化される。
【００７０】
冷却材チャネルの内壁エッジおよび外壁エッジが平行な凹パターン（豆に似てもいる）で成形されるが、曲げられる（豆のように）のではなく、よりまっすぐな横壁を有する（曲げられたマカロニのプロファイルに似て見える）、「マカロニ」形状を有する断面積など、豆形に対する他の変形形態が、本明細書の本開示によって企図され得る。これらの様々な形状の間で徐々に変形する変形形態も企図されている。というのは、付加製造が、各断面層がお互いの間で形状を徐々に変化させることを可能にすることができるからである。
【００７１】
図１９は、いくつかの実施形態による、推力室の壁内の冷却材チャネルを明らかにする、エンジンの半透明透視図を示す。図示されているように、冷却通路は、螺旋パターンで推力室の頂部に向かって上向きに角度を付けられ、渦巻形にされる。これを、下でより詳細に説明する。
【００７２】
冷却通路の中央部分は、台形または豆形など、冷却をもたらすためのより最適な形状のうちの１つに従う断面積を有するように成形され得る。しかし、冷却通路が推力室の頂部に接近する時に、冷却をもたらす必要はより少なく、点火のために推力室の頂部で噴射される燃料を準備するために均一な圧力を提供する必要はより多い。図２０は、したがって、これを考慮に入れるために、冷却通路の頂部がどのようにしてより円または楕円に成形され得るのか示す。したがって、いくつかの実施形態では、冷却通路は、流体が移動を終了する前に、冷却およびよりよい熱伝達のために設計された形状（たとえば、台形または豆形）からより均一な形状に徐々に推移するように設計される。さらに、通路の始めに向かうすなわち燃料が燃料ダイバータから冷却通路のそれぞれに配送される時の通路の形状は、より楕円形とすることができ、その後、より冷却に最適な形状に徐々に変化することができる。これらの推移を、下でより詳細に説明する。
【００７３】
図２１は、いくつかの実施形態による、噴射器板への燃焼室の接続部での再生冷却通路の上から見下ろした図を示す。
【００７４】
図２２〜図２４は、いくつかの実施形態による、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズが、チャネルが推力室壁に沿って上に流れる時にどのように変化し得るのかの様々な図を示す。通常、伝統的な製造を使用する冷却チャネルは、これらの度合のいずれかを伴って変更されることが絶対にない。しかし、付加製造技法で使用可能なプロパティに起因して、これらの冷却チャネルは、エンジン壁に沿った異なる点での異なる必要を考慮に入れるために様々な形で調整され得る。
【００７５】
たとえば、セクション２２００内の燃料ダイバータの始めから開始して、チャネルの断面は、前に説明したようにより楕円または円に成形され得る。これは、流体が燃料ダイバータからチャネルのそれぞれ内に配送されている時に、チャネルのそれぞれへの乱流を減らすことができる。チャネルがセクション２２１０に進行する時に、形状は、台形、豆形、またはマカロニ形など、最適の冷却形状に転換され得る。チャネルのピッチは、より垂直とし、現段階で、冷却表面積を提供する必要がより少ないことを示すことができる。セクション２２２０では、チャネル・ピッチは、スロートでの増加した熱流束を考慮に入れるために、スロートで減少する。チャネル断面のサイズも、流体速度を高めるためにスロートで減らされ得る。スロートでの収束し発散するチャネルは、流体乱流を増やす。乱流は、粘性境界層を減らし、壁の近くの緩和する流体の平均流速を高める。流体は、より速く流れることを許され、本質的に熱をより素早く逃がす。これは、壁から冷却チャネル流体への熱伝達を強化する。
【００７６】
冷却チャネルが、セクション２２３０で推力室の細長い部分に達する時に、スロート部分２２２０と比較して冷却の必要はより少なく、したがって、チャネルのピッチは、もう一度より垂直にされ得、チャネルのサイズは、もう一度増やされ得る。セクション２２４０では、チャネルがエンジンの燃料噴射器部分に接近し始める時に、チャネルの断面は、円または楕円のようにより均一な形状に転換されて戻り得る。最後に、セクション２２５０では、通路が今や確実に均一に成形された状態で、チャネルのピッチは、燃料噴射器領域への正しい進入角度の準備をするために、もう一度減らされ得る。
【００７７】
一般に、チャネル断面の形状、サイズ、およびピッチの変化は、特に乱流を調整し、したがって熱伝達を調整するのに使用され得る。これは、熱伝達ならびに緩和する流体の温度および圧力を制御するのに使用され得る。これは、臨界超過の緩和する流体の温度および圧力が臨界点を超え、ガス化または清算が回避される（これらが潜在的にエンジンに損傷を与えるので）ことを保証するために特に重要である。チャネルの断面積の増減は、流体への熱伝達の軸方向最適化を可能にする。
【００７８】
図２３は、いくつかの実施形態による、変化するセクションで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下から見上げた図を示す。この図は、スロートから流れ出るチャネルの残りの部分が幅広くなり、したがって視野の外になるので、スロートに立ち上がる部分だけを示す。この展望から、単一のチャネルに沿った変化する角度は、図２２で説明したように変化するピッチを示す。また、単一のチャネルの断面積が、円の区域から豆形に変化することがわかる。
【００７９】
図２４は、いくつかの実施形態による、冷却通路のスロート区域の拡大図を示す。図示されているように、冷却通路は、螺旋状に配置され、現段階で、通路が一緒により近くなり、チャネルのサイズが減らされることに加えて、ピッチ角は、より水平に変更される（すなわち、増やされる）。一般に、これらのプロパティのどれもが、伝統的な製造技法を使用して簡単に生産可能ではない。
【００８０】
「豆」冷却材チャネルのさらなる詳細
【００８１】
このセクションは、熱交換機内の豆形の流体チャネルの使用に固有の様々な特徴を議論する。
【００８２】
背景として、前に部分的に言及したように、流体熱交換機は、固体から冷却器流体に熱を伝達するのに冷却材を充填されたチャネルを使用する。伝統的に、チャネルは、長方形設計および円形設計に制限されてきた。長方形チャネルは、円形チャネルの熱伝達率より高い熱伝達率を有するが、その角は、応力集中に起因して、構造的な弱点である。構造的安定性と効率的な熱伝達との間での選択を回避するために、エンジニアは、熱伝達を犠牲にせずによりよい構造的特色を達成するために長方形幾何形状を変更することを試みてきたが、その結果は、実際の利益をほとんど生じなかった。
【００８３】
研究および開発を通じて、機能強化されたチャネル断面すなわち豆が開発された。図２５に示された豆は、正確にその名が暗示する通りに成形されている。この形状は、非常に効率的で構造的に健全な熱伝達チャネルを作成するために、円形チャネルの構造的曲線を長方形チャネルの大きい表面積と組み合わせるものである。図２５は、豆冷却材チャネルの断面積の例を示す。
【００８４】
両方の伝統的な幾何形状の構造的利益を組み合わせることに加えて、豆形チャネルは、壁の長さにまたがるより均一な熱伝達を提供する。豆形チャネルは、標準的な幾何形状に固有の温度の極端なピークおよび谷を有しない。この均等な分布は、強い熱勾配によって引き起こされる壁内の熱応力および不均一な熱膨張率を減らす。
【００８５】
長方形チャネル、円形チャネル、および豆形チャネルの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行った。環状の断面および長さに沿って走る冷却チャネルを有する円筒が、幾何形状ごとにモデル化された。これらのチャネルは、個々のチャネル断面、総流体領域面積、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２６Ａの長方形チャネル・シミュレーション幾何形状は、３つすべての代表的な例として働く。図２６Ａは、円筒形の壁が長方形冷却材チャネルを備えてどのように見えるのかを示し、図２６Ｂは、円筒が豆形のチャネルを備えてどのように見えるのかの例を示す。したがって、円形チャネルおよび他の形状のチャネルが円筒の周囲にどのように位置決めされるのかも、同様に企図され得る。
【００８６】
シミュレーションの１つの例のセットでは、ＡＮＳＹＳ  １７．１が、対流と伝導との両方の熱伝達効果を取り込むために定常状態結合された流体−熱伝達シミュレーションを行うのに使用された。ニッケルが固体に使用され、液体ケロシンが液体に使用された。幾何形状の内壁は、７２６℃にセットされ、頂面および底面に沿った外壁は、断熱されたものとしてモデル化された。入口は、総質量流量０．２ｋｇ／ｓおよび２７℃の温度を用いて定義された。
【００８７】
各幾何形状の結果の熱等高線は、それぞれ長方形断面チャネル、円形断面チャネル、および豆形断面チャネルに関して図２７、図２８、および図２９に見出すことができる。円形冷却チャネルに対する長方形冷却チャネルの使用の熱的利点は、より低い温度ならびに壁を通るより少ない熱浸透を介して見ることができる。下の表１は、長方形チャネルの平均温度と最低温度との両方が、円形チャネルの平均温度および最低温度と比較した時により低いので、これらの視覚的インジケータを確認する。しかし、図２９によれば、豆の効率の向上は、明らかに明白である。豆は、両方の幾何形状と比較して室を有効に冷却すると同時に、円形幾何形状の構造的に有利な曲線を維持する。表１は、それぞれ４９０．２８℃および５６１．３６℃の最も低い最低温度および平均温度を有する、豆の卓越を確証するものである。
【００８８】
【表１】
2019534409.tif 000003
【００８９】
それぞれ長方形断面チャネル、円形断面チャネル、および豆形断面チャネルの図３０、図３１、および図３２に見られるように、結果の映像が、温度バンディングを強調するために誇張される時に、豆チャネルの熱伝達の均等な分布が、簡単にわかる。グレイスケール勾配は、異なるタイプの断面チャネルのそれぞれのバンディングされた温度等高線をより明瞭に示す。長方形チャネルは、熱伝達率に関して例外的な幾何形状を有する可能性があるが、これらは、壁に沿った信じられないほど不均一な温度勾配を有する。円形幾何形状は、この不均一な熱伝達を改善するが、その冷却において標準より下である。豆は、両方の重要なメトリックにおいてそれ自体がより有効であることを示す。
【００９０】
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、付加製造と組み合わされて、最適化された豆形流体熱交換機幾何形状の作成を可能にした。これらの豆形流体チャネルは、長方形冷却チャネルと円形冷却チャネルとの両方の最もよいものを組み合わせる。これらは、長方形チャネルの優れた熱交換能力を有すると同時に、円形チャネルの強度特性を維持する。さらに、この幾何形状は、熱のより均一な抽出をも可能にし、これは、冷却される壁内の熱応力を減らすのを助ける。これらの特性は、豆幾何形状が、過去の円形設計および長方形設計よりはるかに優れたものになることを可能にする。
【００９１】
構造的熱交換機の追加の例の実施形態
【００９２】
複数チャネル実施態様
【００９３】
いくつかの実施形態では、構造的熱交換機チャネルは、高度な境界条件の特定のセットを満足する形で組み合わされた台形または豆形のチャネル断面を含む、トラス様配置で組み合わされ得る。これは、ガス側の壁が熱交換機の一方の面から他方の面へと交番し得る、板にまたがる大きい圧力変動または熱変動を含む場合がある。この実施形態は、交番するチャネルが出る冷却材または戻る冷却材によって供給される向流熱交換器に関してきわめて実用的である。
【００９４】
平板
【００９５】
豆チャネル・ヒート・パイプが、非円形断面幾何形状内に実施され得る。これらは、平板または曲がった板ならびにより複雑な予測可能に変化する幾何形状を含むことができる。図３３および図３４は、いくつかの実施形態による、豆形冷却材チャネルを有する平板の例を異なる角度から示す。別の例として、図３５および図３６は、豆形冷却材チャネルを有するが、豆形の凸幾何形状と一致する底部の波形表面を有する、上面上の平板を示す図である。この例の実施形態では、底面の熱プロパティは、底面に沿ったより均一な温度損失（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｌｏｓｓ）を可能にする。
【００９６】
不均一な熱
【００９７】
構造的熱交換機は、冷却材の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ついて簡単に実施され得る。冷却材の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で空間的にかつ／または時間的に変化する熱境界条件に関して、チャネル幾何形状の追加の処理がある必要がある。チャネル・サイジングは、圧力低下を犠牲にして、流速を高め、したがって乱流を増やすために変更されなければならない。これは、特定の位置で熱交換機表面にまたがって存在するピーク熱負荷に対応する流速を増加させまたは減少させるために、各熱交換機チャネルを、減らされたまたは増やされた断面積を有する対応する豆様幾何形状に滑らかに推移させることによって達成される。代替案では、増やされた質量流が、空間的にかつ／または時間的に変化する熱負荷を有するチャネルに配送され得る。
【００９８】
不均一な流れ
【００９９】
理想的な熱交換機では、冷却材は、各チャネルが同一の質量流か、または熱負荷に対応する流れの特定の分配かのいずれかを有するように、均一なチャネルに供給され得る。しかし、すべてのチャネルにまたがる冷却材の均等で安定した分配が可能ではない場合には、これを考慮に入れるために、チャネル幾何形状に対する変更を行わなければならない。これらの変更は、使用可能な熱流速および流れに対応する、サイズを変更されかつ／または形状を変更された豆チャネルの形をとることができる。
【０１００】
例の産業上の利用可能性
【０１０１】
以下は、本開示の様々なタイプの熱交換機の使用の説明である。
【０１０２】
ガス発生器ターボ機械  冷却材チャネルは、圧縮器サイクルまたは膨張器サイクルの円筒形の壁内（またはブレード自体の中）に組み込まれ得る。
【０１０３】
発電熱交換  適合する内面を有するまたは有しない円筒形の構造的熱交換機は、作動流体から緩和する流体（または冷却材）に熱を輸送するのに理想的である。
【０１０４】
自動車エンジン  各燃焼筒内で使用される円筒形の熱交換機。チャネルは、エンジン・スラスタと同一の境界条件を有する可能性がある。燃料または冷却材は、壁から熱を除去するのに使用され得、より高い動作温度および熱損失の低減を可能にする。
【０１０５】
ＨＶＡＣユニット  標準的なフィンおよびパイプの熱交換機ではなく、ＨＶＡＣシステムでは平板を使用することができる。
【０１０６】
サーバ冷却  豆冷却チャネルは、燃焼環境ではなく、チップから熱を引き抜くために高性能コンピューティング環境で使用され得る。冷却材チャネルを使用する平板は、このケースでも使用され得る。
【０１０７】
本開示の構造的に最適化された熱交換機の他の例は、ジェット・エンジン、ツーリング・ビット（ｔｏｏｌｉｎｇ  ｂｉｔ）、マイニング・ビット（ｍｉｎｉｎｇ  ｂｉｔ）、ブレーキ・ディスク・ロータ、および射出成形金型においても適用され得る。
【０１０８】
冷却材チャネルを生成する例の方法
【０１０９】
このセクションは、本明細書で説明される冷却材チャネルの様々な断面積を生成し、導出するコンピュータ実施される方法を議論する。前に述べたように、チャネルを収容する構造体は、付加製造され得、これは、構造体が、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べきところに関するプロパティおよび仕様のすべてを有するＣＡＤファイルにアクセスする３Ｄプリンタなどの既知の付加製造される技法を使用して層ごとに構成され得ることを意味する。たとえば、そのＣＡＤファイルの展開は、本開示のコンピュータ実施される方法が展開できる非自明なタスクである。さらに、この方法は、同一のチャネルに沿った異なる位置で異なる形状を形成するために、層ごとに、あらゆるすべてのチャネルの断面積を徐々に変更することができる（たとえば、図２２および図２３参照）。
【０１１０】
図３７を参照すると、流れ図３７００は、様々な産業上の利用可能性の変化する必要を満足するように作られた、任意の様々な断面形状を有する任意の個数の冷却材チャネルを有する構造的熱交換機を開発するための例の方法論を提供する。いくつかの場合に、構造的熱交換器を設計するコンピュータ実施される方法は、形状および構造体を手動で設計することによって行われ得る。しかし、構造的熱交換器を所与のユース・ケースに関して望まれる冷却プロパティを満足するのによりよく適するようにするためには、より正確なエンジニアリングが使用されなければならない。流れ図３７００は、指定された必要を満足するために、コンピュータがそのような構造的熱交換器の生成をどうようにこなすのかの例を提供する。
【０１１１】
ブロック３７０５では、いくつかの実施形態に従って、１つまたは複数の境界条件が、この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定義され、アクセスされる。これらの入力は、様々な必要を計算したか、他の権威によって供給された仕様に従うことのできる、人間のエンジニアによって供給され得る。様々なＣＡＤツールまたはＣＡＥ（コンピュータ援用エンジニアリング）ツールが、これらの境界条件を計算し、その後に決定するのに使用され得る。境界条件は、任意の個数の以下の非限定的な例を含むことができる。
【０１１２】
熱  熱流束、環境温度／初期温度、冷却材流量、表面粗さ、相対加熱／冷却
【０１１３】
構造  内圧、チャネル圧力、外圧、構造的負荷
【０１１４】
構造体の材料プロパティ  密度、引張強度／降伏強度、破壊靱性、熱伝導度、熱膨張、熱拡散率、放射率、融解点／沸点、残留内部応力、熱容量、比熱、ゲイン・モルフォロジ（Ｇａｉｎ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）、および相転移情報
【０１１５】
冷却材の材料プロパティ  密度、熱伝導度、熱拡散率、放射率、融解点／沸点、熱容量、および比熱
【０１１６】
材料プロパティは、温度および／または圧力が異なる。リストされたすべてのプロパティが必要というわけではない。温度および圧力にわたって変化する、これらおよび他の材料プロパティの正確なリスティングは、熱交換機によって見られる物理的環境を高度に表現するシミュレーション結果をもたらす。
【０１１７】
一例として、豆チャネル実施態様の最適環境を作成する構造的熱交換機境界条件は、以下を含む。
内部（ガス側の壁）の高い熱流束条件
液相状態を維持しながらチャネルを通って素早く流れる高熱容量低温冷却材
圧力条件Ｐｃｃ＞Ｐｗ＞Ｐｏ
ただし、
Ｐｃｃ  冷却材チャネル内部の圧力
Ｐｗ  高い熱流束の壁によって見られる圧力
Ｐｏ  熱交換機の外面での周囲圧力
【０１１８】
コンピュータは、これらの環境条件を利用し、本明細書に記載の方法論を行って、優れた冷却材チャネルであることが証明された豆形幾何形状を導出した。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、様々な位置での異なる冷却の必要を満足するために、それぞれが熱交換機の異なる位置に関する、境界条件の複数のセットを定義することができる。たとえば、収束し発散するノズルのスロートでの境界条件は、ノズルから離れたより幅広い部分とは実質的に異なる。したがって、境界条件は、異なる位置に固有にされ得る。
【０１２０】
ブロック３７１０では、いくつかの実施形態に従って、冷却チャネルを収容する構造的熱交換機の初期幾何形状が、ＣＡＤツールおよびＣＡＥツールの助けを得て作成され得る。これは、初期種開始値のようなものと見なすことができ、何が最良の幾何形状かに関する初期近似推測が、入力され、コンピュータによって受け取られ得る。人間の開発者は、すべての境界条件をおおむね満足する初期幾何形状を作成するのを助けることができる。いくつかの実施形態では、コンピュータは、あるしきい度合まで境界条件をおおむね満足する  検証できる既知の解決策を使用して提案を提供することができる。チャネルの個数およびサイズは、使用可能な冷却材質量流に応じて選択され得る。これは、冷却チャネル内の境界層を最小化すると同時に、超音速流などのエッジ・ケースを予防するために行われ得る。
【０１２１】
ブロック３７１５では、全体的なチャネル形状が定義され得る。やはり、これも、コンピュータによって受け取られる入力を用いて人間のエンジニアによって定義され得、あるいは、コンピュータが、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得る。やはり、これは、初期種開始値と見なすことができ、最良の形状がどのようなものであるべきかに関する初期近似推測は、コンピュータ内で提供され得る。たとえば、通常は異なる曲率半径を有する内側エッジおよび外側エッジと、閉チャネルを形成するために両側でこれらのエッジを接続する曲がった部分とを特徴とする全体的な豆チャネル形状を定義することができる。
【０１２２】
ブロック３７２０では、初期パラメータおよび目的を定義された状態で、コンピュータは、今や、熱交換機幾何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。いくつかの場合に、これは、結合された計算流体力学および有限要素解析（ＣＦＤ／ＦＥＡ）シミュレーションを走行させることを含む。コンピュータは、境界条件をさらに定義し、流体の熱負荷を判定するために、代表的なサブセットまたは熱交換機幾何形状全体のいずれかをシミュレートすることができる。
【０１２３】
ブロック３７２５では、コンピュータは、分解された熱交換機幾何形状のスライスに対して最適化シミュレーションを行うことができる。幾何形状全体が、まず、シミュレーションを走行させるコンピュータによってスライスに分解され得る。これらのスライスは、付加製造を介して作成される層のセットを表すことができる。たとえば、スライスは、図２６Ａまたは図２６Ｂのいずれかに示された熱交換機の水平の層とすることができる。その後、コンピュータは、内部チャネルおよび／またはそれがその中に存在する壁構造の幾何学的最適化を走行させるために、ブロック３７２０で、以前のステップからのマクロ境界条件を利用することができる。言い換えると、最適化技法は、熱交換機幾何形状のより小さいセクションに分離され得る。結合されたＣＦＤ／ＦＥＡシミュレーションは、いくつかの実施形態によれば、スライスのそれぞれに対して実行され得る。
【０１２４】
たとえば、収束し発散するノズル（たとえば、図２４参照）の場合に、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更によって表される。最適化された豆の熱構造的特性が、壁厚さおよび豆間隔に伴って変化することを考慮すると、各スライス・リングを最適化することが重要である。さらに、層ごとの方法は、流体の軌跡に従い、したがって、冷却材の加熱（距離にわたる下げられた熱伝導度）を考慮に入れることができる。
【０１２５】
チャネルの形状および全体的な幾何形状を洗練するプロセスにおいて、コンピュータは、様々な位置で冷却材チャネルの断面積を変更する構造体を作成することができる。たとえば、冷却プロパティのより低い必要を有するが、均一な質量流のより高い必要を有する区域または他のより均一な形状に供給する区域に関して、熱交換機は、その断面積が豆形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。
【０１２６】
さらに、冷却材チャネルのピッチ角は、境界条件を考慮に入れるために変更され得る。たとえば、図２２に示されているように、単一の熱交換機片の異なるセクションは、異なる位置での異なる冷却の必要に基づいて、上向きに流れるようにピッチ角を変更する平行のチャネルを有する。総計としての冷却材チャネルによる表面積は、ピッチ角がより急峻に（より水平に）される時に増やされ、これによって、熱伝達率を高めることができる。
【０１２７】
ブロック３７３０では、コンピュータは、収束があり、最適化目標が満足されたかどうかを判定することができる。そうでない場合には、プロセスは、ブロック３７２０に戻って開始して、繰り返すことができる。収束は、シミュレーションが走行され、調整が行われた後に幾何形状およびチャネル形状が変化を停止する時に達成され得る。コンピュータは、以下の最適化目標のうちの１つまたは複数が満足されるまで、各スライスを繰り返して最適化することができる。
安全性判断基準の規定された要因と一致することと、
チャネルの間の低い応力集中と、
熱応力を表す内壁に沿った熱勾配の最小限の発散と、
対称の流れ条件および熱条件を考慮した対称のチャネル。
【０１２８】
ブロック３７３５では、最適化目標が満足され、構造体の収束が達成されたと仮定して、結果の熱交換機が解析される。解析は、試験または結合されたシステム・シミュレーションを介して、性能判断基準が満足され、動作条件がセットされたことを保証するために実行される。これは、結果の断面が滑らかに組み立てられることと、すべての構成素ならびに全体としての幾何形状が、付加製造デバイスの特徴固有分解能に基づいて製造可能であることを保証するのを助ける。いくつかの場合に、この解析が欠点を明らかにする場合には、必要に応じてシミュレーション最適化を繰り返す。
【０１２９】
フラクタル流体通路を含む実施形態
【０１３０】
いくつかの実施形態では、本開示の態様は、乱流を減らし、流体が異なる通路に分岐する時に均等に分散した流体圧力を生成する、分岐する流体通路を含む。いくつかの実施形態では、分岐する通路は、２つのセットすなわち、液体燃料の分岐する通路と、液体酸化剤の分岐する通路とに副分割され得る。いくつかの実施形態では、通路の２つのセットは、正しい流体の流れおよび最大のバーン効率に関して最適化される、優雅だが極端に入り組んだ形で注意深く設計される。すべての通路の端は、噴射器界面で出会い、この噴射器界面は、液体を点火のために燃焼室に分配する。一般に、これらの設計は、付加製造を介して達成され、伝統的な技法を使用して製造することは、不可能ではないとしても極端に難しいはずである。
【０１３１】
図３８および図３９を参照すると、いくつかの実施形態による、流体通路の諸部分のシミュレーション概略が示されている。たとえば、図３８に示されているのは、噴射器通路のうちで、再生冷却チャネルの端から流れ、これに接続する部分である。いくつかの実施形態では、より薄い濃淡を付けられた通路３８０５は、液体燃料を供給する再生冷却チャネルから流れ、これに接続する。分岐する対を特徴とする中央の通路３８１０は、通路のうちで、再生冷却チャネルの他の通路に接続する部分である。より濃い濃淡を付けられた通路３８１５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に流れる。図３８に示されているように、冷却通路３８０５の噴射器通路の一部は、分岐し、上に流れ、その後、滑らかにではあるが素早く下向きに曲がる。これらの通路は、壁表面への冷却効果をもたらし、壁表面の膜／境界層として働くために、燃焼室のエッジ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、壁表面に戻って向かって内向きに角度を付けられる。これらの分岐を、下でより詳細に説明する。
【０１３２】
図３９を参照すると、この図に示されているのは、再生冷却チャネルのうちで、噴射器界面のオリフィスに入る追加の部分である。この図は、通路の底部から上を見る展望からのものである。円形の噴射器界面の中央に向かって延ばされた、より長い管は、いくつかの実施形態によれば、オリフィスの分岐する対または三つ組に接続する。これらを、下でより詳細に説明する。
【０１３３】
一般に、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する通路は、噴射器の燃料オリフィスに供給する。各再生冷却通路は、１つの膜／境界層冷却オリフィスと１つまたは複数の噴射器要素オリフィスとに供給する。正しい質量流が各オリフィスに達することを保証するために、正しい面積比が維持される。通路形状は、乱流損失水頭を減らすために滑らかである。通路軌跡は、液体酸素経路を回避しながら最も効率的なルートに沿ってオリフィスに燃料を配送する。これらの通路は、いくつかの実施形態による新規の設計方法を使用して設計される。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、ＲＰ−１噴射器通路を介する圧力低下は、流れの加速に由来するので、約５０ｐｓｉで最小である。これは、通路がオリフィスに収束する、オリフィス出口の付近で発生する。最小限の圧力低下は、エンジンを介して燃料を駆動するのに必要な総フィード圧を下げるのを助ける。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、ＲＰ−１通路を介して上に伝搬しようとする噴射器または燃焼の不安定性から作成される圧力波は、フィードバック不安定性を作るために非常に近くの他のオリフィスの流れに影響しない。独立に供給されるオリフィスは、伝統的なマニホルド内で発生するはずの圧力波の相互作用を防ぐ。１つまたは複数の通路を介して伝搬する圧力波が相互作用するためには、その波は、再生冷却を通過し、ダイバータに入るために、振幅において非常に大きいことが必要である。波がダイバータに達する場合には、噴射器通路の間のわずかな経路長の差が、位相はずれの圧力波を作り、これが破壊的に干渉する。
【０１３６】
図４０〜図４６は、いくつかの実施形態による液体酸化剤フラクタル流体通路の様々な態様を説明する。フラクタル分岐流体通路は、集中した源からより大きい表面積への、素早く乱流損失水頭を伴わない流体の輸送を可能にする。分岐した流体通路は、潜在的に損傷を与える燃焼不安定性および圧力波の伝搬を幾何学的に抑制する。その構造体は、通常ははるかにより低い周波数を表す望ましくない波の共振を防ぐ、高い共振周波数をもつ。噴射器燃焼共振の防止は、効率を維持すること、不安定な波形がタンクおよび他の供給システム構成要素（それらの波形が共振する可能性がある）へと上流に伝搬しないことを保証すること、保証することおよび流れの広い範囲のスロットリングにわたる理想的な燃料／酸化剤混合比および燃焼効率にとってクリティカルである。
【０１３７】
図４０に示されているのは、いくつかの実施形態による、噴射器界面に液体酸化剤を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。濃淡を付けられたキーによれば、通路のサイズは、全体的な分岐する構造体の濃淡を付けられた領域によって示されるように、各通路内で噴射器界面からほぼ同一距離でほぼ均しい量の圧力低下をもたらすように設計される。
【０１３８】
分岐した通路は、増やされた表面積にわたって流体を分散させながら、相対的に低い流体速度を維持する。流体速度は、オリフィスを介して流体を加速するために通路が収束する通路の最終ティアでのみ増加を許される。フラクタル分岐は、木の根、心臓血管系、および肺系統に見られる、ならびに多数の他の自然環境で見られる流体の生物学的分布を模倣する。分岐した通路は、伝統的な流体供給システムと比較した時に、はるかにより広い範囲の初期条件および境界条件にわたって安定性を維持することができる。これらの通路は、乱流圧力低下を生じないように設計される。フラクタル通路は、様々な噴射器または流体伝達方式に関して簡単に最適化される。これらは、流体要素の任意の配置を供給するのに使用され得る。
【０１３９】
図４１を参照すると、いくつかの実施形態による、液体酸化剤通路のクォーター・アーマチュアのシミュレーション・レンダリングが示されている。主分岐が、それ自体を多数の複数のより小さい分岐に分割し、そこから、より小さい分岐が、さらにもう一回副分割することがわかる。角度および副分割の配置は、均等な圧力低下、最小限の乱流、および高い圧力波抵抗を提供しながら、噴射器界面に沿った指定されたオリフィス位置に達するように意図的に設計されている。これらの制約は、いくつかの実施形態によれば図示の分岐パターンをもたらす。
【０１４０】
図４２は、いくつかの実施形態による、液体酸化剤のもう１つの例の流体通路設計を示す。また、より鋭い角度で噴射器界面に配置された、燃料オリフィスの端部分が示されている。これらを、下でより詳細に議論する。
【０１４１】
図４３は、いくつかの実施形態による、流体速度に従って濃淡を付けられた液体酸化剤流体通路の概略図を示す。図示されているように、通路のほとんどは、液体の速度を示すキーの、より薄い濃淡を付けられた部分に対応するより薄い濃淡を付けられた領域４３０５に従って、至る所で相対的に一定の低い速度を維持する。通路の底部４３１０は、キーの上側範囲に記載されているようにより高い速度に対応する、より濃い濃淡を示す。図示されているように、より高速の部分は、一貫して、通路のそれぞれの下端だけにあり、これは、噴射器オリフィスを介する液体の噴出を保証するのを助けることになる。
【０１４２】
図４４は、いくつかの実施形態による、乱流運動エネルギに従って濃淡を付けられた液体酸化剤流体通路の概略図を示す。図示されているように、通路のほとんどは、乱流運動エネルギを示すキーの底部の最も濃い濃淡を付けられた部分に対応する最も濃い濃淡を付けられた領域４４０５に従って、至る所で相対的に一定の低い乱流を維持する。キーの上側範囲に記載されているより高い速度に対応して乱流が増加するのは、通路の底部４４１０だけである。
【０１４３】
図４５は、いくつかの実施形態による、流体速度に従って濃淡を付けられた液体酸化剤流体通路の異なる角度の概略図を示す。この図は、オリフィスが、特定の方向および変更された方向でどのように角度を付けられるのかを示す。図示されているように、通路のほとんどは、至る所で相対的に一定の低い速度を維持する。通路の下端（オリフィス）は、キーの上側範囲に記載されたより高い速度に対応する、最も濃い濃淡を示す。図示されているように、より高速の部分は、一貫して、通路のそれぞれの下端だけにあり、これは、噴射器オリフィスを介する液体の噴出を保証するのを助けることになる。
【０１４４】
図４６は、いくつかの実施形態による、乱流運動エネルギに従って濃淡を付けられた液体酸化剤流体通路の異なる角度の概略図を示す。この図は、オリフィスの上下逆の角度を示す。図示されているように、通路のほとんどは、キーの底部の最も濃い濃淡を付けられた部分に対応する最も濃い濃淡を付けられた領域に従って、至る所で相対的に一定の低い乱流を維持する。キーの上側範囲に記載されたより高い速度に対応する、乱流が増加するのは、通路の端（オリフィス）だけである。
【０１４５】
図４３〜図４６の説明は、通路の極端に安定したシステムの証拠を提供する。これらの通路の高い安定性は、これらを、燃焼不完全性または他の不安定な流体を透過する波を消すこと、高圧状況および大量の流れの状況に流れを反応させること、ならびに間欠的なまたは乱流の初期条件および境界条件にもかかわらず安定した流出が要求される環境によく適するものにする。
【０１４６】
図４７〜図５０は、液体燃料の通路および液体酸化剤の通路の組み合わされたシステムと、これらが噴射器界面にどのように混ぜ合わされるのかと、を説明する。図４７を参照すると、いくつかの実施形態による、液体燃料通路のセットと液体酸化剤通路のセットとの両方を噴射器界面に組み合わせる概略図が示されている。通路の外側リングは、燃焼室の壁を流れる冷却チャネルに接続された液体燃料通路の延長である。図示され、前に説明されたように、通路の一部は、素早く下に曲がり、冷却材として働くために燃料を内側の室壁表面のエッジに噴射する。やはり図示されているように、これらの通路の他の部分は、中央に向かって様々な位置に延び、液体酸化剤の通路と混ぜ合わされ、この液体酸化剤の通路は、中央に位置決めされ、液体酸化剤タンクに接続する頂部の開口を示す。通路の形成がどれほど入り組んでおり、滑らかで連続した、非常に安定した流れをいつも提供するのかを観察することができる。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、液体酸化剤（ＬＯＸ）の低温の性質に起因して、入口からオリフィス通路までの長さを最小化することが優先される。その結果、燃料通路は、この最適化に対処するように設計され得る。通路の間の最小間隔は、付加製造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分解能、たとえば３Ｄプリンタの分解能によって決定され得る。
【０１４８】
図４８は、いくつかの実施形態による、燃焼室に液体を噴射するためにオリフィスがどのように位置決めされるのかに関する最終的な配置を示す、噴射器界面の反対側を示す。ＬＯＸと液体燃料との両方のオリフィスを、三つ組または四つ組のセットにグループ化するために混ぜ合わせることができる。各三つ組または四つ組は、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、ロケット・エンジン内で燃料を効率的に分配し、霧化することである。効率的な質量流分布を達成するために、多数のオリフィスが必要である。図４８は、要素パターンの一例を示すが、他のパターンが可能であり、本開示の範囲に含まれる。要素パターンは、３つの異なるタイプの要素すなわち、三つ組、四つ組、およびシャワーヘッドからなる。
【０１４９】
三つ組は、３つのオリフィスすなわち、２つのＬＯＸと１つの液体燃料（たとえば、ＲＰ−１）を酸化剤−燃料−酸化剤（ＯＦＯ）パターンで含む。いくつかの実施形態では、ＯＦＯは、変化する運動量に関して心配する必要のない対称要素をもたらすので選択される。いくつかの実施形態では、三つ組は、酸化剤と燃料との間の３０°の噴射角を有する。３０°は、それでも大多数が室流れ経路を下る噴射ストリームを保ちながら燃料と酸化剤との間の十分な交差をもたらす。三つ組は、安定した効率的な燃焼をもたらすので、噴射器板の中央および大多数に関して選択される。これは、ＬＯＸ／ＲＰ−１の最適混合比が２．５６であることに起因する。これは、ＬＯＸおよびＲＰ−１のオリフィスが、断面積において非常に類似し、類似する粒子サイズのゆえに効率的な霧化をもたらすことを意味する。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、燃料に富んだ燃焼のリングをもたらすために、四つ組が外部区域に関して選択される。四つ組は、三つ組より多数のＲＰ−１を含み、燃料に富んだ炎をもたらす。これは、壁付近でより低温のプロファイルを作成して、融解を減らす。図４９は、２つの三つ組要素４９０５および４９１０と１つの四つ組要素４９１５とを示す拡大図である。
【０１５１】
戻って図４８を参照すると、室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なる。これらは、壁に向かって角度を付けられ、燃焼の高温に対する保護の層を提供する。燃料は、酸化剤がない状態では燃焼しないと仮定される。液体燃料は、蒸発した後に、ガス燃料の超音速層を提供する。この要素は、液体燃料の一部が燃焼室のエッジに向かっておよび壁表面にどのように意図的に噴射されるのかに関する前の図面での説明と一貫する。
【０１５２】
燃焼不安定性は、噴射器板に関する主な問題の１つである。燃焼効率を最大化するために、オリフィスは、できる限り小さくなるように選択される。しかし、これらの小さいオリフィスは、大量の燃焼不安定性をもたらす。伝統的に、大きいバッフルが、共振を停止させるのに使用される。しかし、３つの異なるタイプの要素の選択は、これらの燃焼不安定性を軽減するのを助ける。各要素は、異なる周波数で振動を作成する。複数の要素を利用することによって、燃焼不安定性は、事実上、問題ではない。したがって、バッフルは不要である。
【０１５３】
噴射器は、壁の融解および故障を最小化するのを助ける、独自の半径方向に外向きの燃料に富む勾配を含む。これは、断熱火炎温度を下げ、これが、本質的により低い壁温度をもたらす。さらに、ＬＯＸは、高温の炎を作成するので、ＬＯＸオリフィスが、四つ組内で半径方向の内側に配置されることが重要である。これは、壁が、燃料膜冷却または燃料に富む炎のいずれかだけに露出されることを保証する。図５０は、四つ組内でどのタイプの液体をどのタイプの角度に配置するのかの選択に関する３つの異なるシナリオを示す。シナリオ３は、壁表面の熱を減らすために、最も近いオリフィスが室壁から離れて液体を噴射することに起因して、より好都合な配置であると推論された。
【０１５４】
図５１〜図５５を参照すると、いくつかの実施形態では、減少する環の流体ダイバータが、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部として含めるために使用され得る。減少する環の流体ダイバータの全体的な説明は、上の図９〜図１３および関連する説明で議論されている。その流体ダイバータの全般的な概念は、分岐する通路を噴射器界面に供給するために適用され得る。そのような設計の例の透視図が、図５１に示されている。ここでは、液体酸化剤が、当初に左上の通路の大きい部分を介して配送され得る。複数のフラクタル通路が、直列にダイバータに接続することができる。主チャネルは、円形の形で配置され得るが、他の場合には、そうではない。フラクタル通路のそれぞれが、流体の一部を主通路からそらすので、ダイバータの半径は、そらされた流体に起因する予想される圧力低下を補償する比率で徐々に減少する。この形で、ダイバータ全体での圧力低下は、一定のままになる。
【０１５５】
図５２は、液体酸化剤流体通路設計で使用される例の流体ダイバータの上から見下ろした図を示す。図５３は、液体酸化剤流体通路設計で使用される例の流体ダイバータの下から見上げた図を示す。図５４は、液体酸化剤流体通路設計で使用される例の流体ダイバータのＣＡＤレンダリングを示す１つの側面図である。図示されているように、主流体通路は、始めで最も大きく、流体の移動に沿って遠くなるほど半径方向に徐々に小さくなる。ここでは、フラクタル通路が主ダイバータ・チャネルからどのように分岐するのかの例を明瞭に見ることができる。図５５は、図５４とは反対からのＣＡＤレンダリングの側面図を示す。
【０１５６】
図５６〜図６１は、いくつかの実施形態による、噴射器オリフィスにつながるフラクタル流体通路の設計の一部として含めるために使用され得る減少する環の流体ダイバータの別の例を示す。この場合に、減少する環のダイバータからの各流体通路は、３つの噴射器オリフィスにつながる。これは、設計内により多くの非対称性を作成し、この非対称性が、安定性を高め、圧力波の影響を減らす。
【０１５７】
図５６は、この例の流体ダイバータの上から見下ろした図を示す。この図から、ダイバータがその長さにわたってどのように半径を減らすのかがわかる。図５７は、液体酸化剤流体通路設計で使用されるこの例の流体ダイバータのＣＡＤレンダリングの１つの側面図を示す。図示されているように、主流体通路は、始めで最も大きく、流体の移動に沿って遠くなるほど半径方向に徐々に小さくなる。図５８は、図５７とは反対からのＣＡＤレンダリングの側面図を示す。図５９は、液体酸化剤流体通路設計で使用されるこの例の流体ダイバータの下から見上げた図を示す。この図から、ダイバータからの各通路が、３つの噴射器オリフィスにどのように分岐するのかがわかる。図６０は、ダイバータの上下逆の透視図を示す。図６１は、液体酸化剤流体通路設計で使用されるこの例の流体ダイバータの上から見下ろした図を示す。
【０１５８】
燃焼機関の追加の特徴を含む実施形態
【０１５９】
以下は、付加製造された燃焼機関の周囲の追加の新規の特徴である。
【０１６０】
たとえば、図６２は、付加製造技法を使用して生産することのできるノズルの諸態様を示す。いくつかの実施形態では、ノズルは、特性の軸対称法を使用して生産される、切り詰められた理想的な輪郭線である。燃焼室は、推進薬特性長Ｌ＊＝１．１を使用して設計された円筒形の空洞である。この値は、履歴データおよび以前の経験に基づいて選択される。燃焼室の円筒形部分の終りから始まる縮小セクションは、三次多項式を使用して構成される。円筒形部分および縮小セクションの総体積の合計は、特性長によって計算される、完全燃焼に必要な体積になる。ノズルの発散する部分は、同一の出口面積を有する１５°円錐形ノズルの長さの６０％に切り詰められる。解析は、その後に壁付近の圧力を高め、総推力をほぼ４５０ｌｂｆ（元の設計からの大幅な増加）まで増やす、壁付近の衝撃の存在を示した。
【０１６１】
図６３を参照すると、いくつかの実施形態による、シュリンク・ラップ技法を使用して設計されたエンジンの一部の図が示されている。一般に、クリティカルな構成要素のエンジニアリング設計プロセスは、構成要素に安全係数を割り当てることから始まる。この値は、構成要素に対する最大の許容できる構造的応力または熱応力を決定するのに使用される。通常、構成要素のうちで最大応力の下の領域は、故障モードに応じて規定された安全係数を有するように明示的に設計される。その後、その領域は、０と等しい「余裕安全率」を有するように設計される。ロケット・エンジンの場合には、この領域はスロートである。ここで、極端な構造的負荷および熱負荷は、周囲の材料に大きい応力を与え、その材料を故障しやすいものにする。この位置での安全係数の確立は、構成要素が、それに関して設計された作動条件の下で故障しないことを保証する。このプロセスは、通常、構成要素にまたがる不均一な余裕安全率をもたらす。クリティカル領域に関して確立される設計パラメータが、より低い応力の下の隣接する構成要素領域で使用されるので、隣接する領域は、不必要に高い余裕安全率を有する。その結果、これらの非クリティカル領域を強化するのに使用される過剰な材料が存在する。
【０１６２】
シュリンク・ラップは、内側構成要素によりよくあてはめるための構成要素の外側プロファイルの縮小である。シュリンク・ラップ・プロセスは、低い余裕安全率を均一に達成する構成要素を作成し、したがって重量を最適化された構成要素を生産する。構成要素を設計するこの方法は、過剰な重量を除去する。内側特徴の外部プロファイルは、外側シェルの境界を知らせるのに使用される。内部特徴内に含まれる流体の圧力および温度は、ラップの最小厚さを決定する。金属材料プロパティ、非定常流、および振動のすべてが、考慮に入れられる。すべてのパラメータが決定された後に、過剰な外部材料がモデルから除去され、質量を減らす。これらの特徴は、通常、付加製造を介してのみ生産可能である。
【０１６３】
いくつかの実施形態では、流体領域に対して実行される標準シミュレーションが、境界材料が露出される動作条件を決定するのに使用される。外部シミュレーションも、所望の流体を囲み、これを支持する構造体の各点で期待され得る以下のパラメータの値およびその分布を判定するために実行され得る。クリティカル・パラメータは、熱負荷および構造的負荷と時空間におけるその分布と共に、温度、熱流束、圧力、腐蝕性、振動、摩耗、化学反応を含む。
【０１６４】
所望の構造材料のプロパティと一緒に、シミュレーション、実験、および試験を介して判定された動作条件および動作パラメータに依存して、オフセット表面が形成される。オフセット表面は、流体領域からの距離の特徴がある表面定義である。流体領域の外側表面とオフセット表面との間の間隔の領域は、構造材料ジャケットと考えられる。流体領域からのオフセット表面の距離は、期待される動作条件での所望の余裕安全率を入手するために必要な指定された材料の厚さに基づいて判定される。複雑な流体領域に関して、追加の平滑化、フィルタリング、およびデフィーチャリング（ｄｅｆｅａｔｕｒｉｎｇ）が、オフセット表面の形状から生じる可能性がある応力集中を減らすために必要になる場合がある。
【０１６５】
さらに、図６３は、エンジン・フランジの強調を特色とする。エンジン・フランジは、室の上側セクションから半径方向の外向きに延びる複数の取付け穴からなる。フランジは、非定常動作、横力印加、および通常の上向きの定常推力発生の場合の、固定された支持体へのエンジンの取付けをサポートするように特に最適化される。必要なファスナ配置に対応する穴が、フランジ・アームのそれぞれに存在する。同様に、ボルトのそれぞれのためのねじ山が、穴内に印刷され、ナットまたは他の取付け構成要素の必要を除去する。
【０１６６】
図６４は、エンジンの諸部分のＡＮ取付け部品を強調する図を示す。ＡＮ取付け部品は、燃料入口および酸化剤入口に印刷される。これらの取付け部品は、メスＡＮ取付け部品との嵌合のための、取り付けられたナット、ねじ山、および角度付きの表面を含む。取付け部品幾何形状は、標準的なＭｃＭａｓｔｅｒ  Ｃａｒｒ  ＡＮ８取付け部品である。取付け部品は、上側リップと接触する支持構造体と共に印刷された。クリティカルな角度付き表面は、漏れおよびメス取付け部品との悪い嵌合を回避するために、できる限り滑らかでなければならない。これを達成するために、ＡＮ取付け部品は、開口が＋ｚ方向に方位付けされ、嵌合する表面上の垂れ下がり、オーバーハンド（ｏｖｅｒｈａｎｄ）、および粗さを減らすように印刷される。上向きの印刷方向は、Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔａｌ  Ｌａｓｗｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＤＭＬＳ）などの粉末床３Ｄ印刷方法を使用して生産される時に周辺層表面粗さの自然な同心性を介して表面粗さに均一性を追加する。
【０１６７】
本開示の実施形態は、本明細書で説明される構造的熱交換機実施形態の様々な構成要素のあらゆるすべてを生産する例の技法をも含む。さらに、諸実施形態は、前記構成要素を製造する機械をプログラムするのに使用されるあらゆるすべてのソフトウェアまたは他のコンピュータ可読媒体をも含み、諸実施形態は、これに限定されない。
【０１６８】
図６５を参照すると、このブロック図は、機械可読媒体６５２２（たとえば、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、またはその任意の適切な組合せ）から命令６５２４を読み取り、本明細書で議論される方法のうちの任意の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のできる、いくつかの例の実施形態による機械６５００の構成要素を示す。具体的には、図６５は、機械６５００に、本明細書で議論される方法論のうちの任意の１つまたは複数を実行させる命令６５２４（たとえば、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）を全体的にまたは部分的にその中で実行できるコンピュータ・システム（たとえば、コンピュータ）の例の形の機械６５００を示す。
【０１６９】
代替実施形態では、機械６５００は、独立型の機械として動作し、または、他の機械に接続され（たとえば、ネットワーク化され）得る。ネットワーク化された展開では、機械６５００は、サーバ−クライアント・ネットワーク環境内のサーバ・マシンもしくはクライアント・マシンとして、または分散（たとえば、ピアツーピア）ネットワーク環境内のピア・マシンとして動作することができる。機械６５００は、ハードウェア、ソフトウェア、またはその組合せを含むことができ、例として、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、セル電話機、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・アプライアンス、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、その機械によって行われるアクションを指定する命令６５２４を順次または他の形で実行することのできる任意の機械とすることができる。さらに、単一の機械６５００だけが図示されているが、用語「機械」は、本明細書で議論される方法論のうちの任意の１つまたは複数のすべてまたは一部を実行するために命令６５２４を個別にまたは協同で実行する機械の任意の集合を含むとも解釈されなければならない。
【０１７０】
機械６５００は、バス６５０８を介してお互いと通信するように構成される、プロセッサ６５０２（たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ラジオ周波数集積回路（ＲＦＩＣ）、またはその任意の適切な組合せ）、メイン・メモリ６５０４、およびスタティック・メモリ６５０６を含む。プロセッサ６５０２は、プロセッサ６５０２が本明細書に記載の方法論のうちの任意の１つまたは複数を全体的にまたは部分的に実行するように構成可能になるように、命令６５２４の一部またはすべてによって一時的にまたは永久的に構成可能なマイクロ回路を含むことができる。たとえば、プロセッサ６５０２の１つまたは複数のマイクロ回路のセットは、本明細書に記載の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とすることができる。
【０１７１】
機械６５００は、ビデオ・ディスプレイ６５１０（たとえば、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もしくはビデオを表示できる任意の他のディスプレイ）をさらに含むことができる。機械６５００は、英数字入力デバイス６５１２（たとえば、キーボードまたはキーパッド）、カーソル制御デバイス６５１４（たとえば、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、アイ・トラッキング・デバイス、または他のポインティング器具）、ストレージ・ユニット６５１６、信号生成デバイス６５１８（たとえば、サウンド・カード、増幅器、スピーカ、ヘッドフォン・ジャック、またはその任意の適切な組合せ）、およびネットワーク・インターフェース・デバイス６５２０をも含むことができる。
【０１７２】
ストレージ・ユニット６５１６は、たとえば図１〜図６４の説明のいずれかを含む、本明細書で説明される方法論または機能のうちの任意の１つまたは複数を実施する命令６５２４をその上に記憶された機械可読媒体６５２２（たとえば、有形で非一時的な機械可読記憶媒体）を含む。命令６５２４は、機械６５００によるその実行の前または実行中に、メイン・メモリ６５０４内、プロセッサ６５０２内（たとえば、プロセッサのキャッシュ・メモリ内）、またはその両方に、完全にまたは少なくとも部分的に存在することもできる。命令６５２４は、スタティック・メモリ６５０６内に存在することもできる。
【０１７３】
したがって、メイン・メモリ６５０４およびプロセッサ６５０２を、機械可読媒体６５２２（たとえば、有形で非一時的な機械可読媒体）と考えることができる。命令６５２４は、ネットワーク・インターフェース・デバイス６５２０を介してネットワーク６５２６を介して送信されまたは受信され得る。たとえば、ネットワーク・インターフェース・デバイス６５２０は、任意の１つまたは複数の転送プロトコル（たとえば、ＨＴＴＰ）を使用して命令６５２４を通信することができる。機械６５００は、図１〜図６４で説明したプロセスを含む、本明細書で説明される機能のいずれかを実行する例の手段を表すこともできる。
【０１７４】
いくつかの例の実施形態では、機械６５００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・デバイスとすることができ、１つまたは複数の追加の入力構成要素（たとえば、センサまたはゲージ）（図示せず）を有することができる。そのような入力構成要素の例は、画像入力構成要素（たとえば、１つまたは複数のカメラ）、オーディオ入力構成要素（たとえば、マイクロホン）、方向入力構成要素（たとえば、コンパス）、位置入力構成要素（たとえば、ＧＰＳ受信器）、方位構成要素（たとえば、ジャイロスコープ）、動き検出構成要素（たとえば、１つまたは複数の加速度計）、高度検出構成要素（たとえば、高度計）およびガス検出構成要素（たとえば、ガス・センサ）を含む。これらの入力構成要素のうちの任意の１つまたは複数によってハーベスティングされた入力は、本明細書で説明されるモジュールのいずれかによる使用のためにアクセス可能であり、使用可能であるものとすることができる。
【０１７５】
本明細書で使用される時に、用語「メモリ」は、一時的にまたは永久的にデータを記憶できる機械可読媒体６５２２を指し、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファ・メモリ、フラッシュ・メモリ、およびキャッシュ・メモリを含むがこれに限定されないと解釈され得る。機械可読媒体６５２２が、例の実施形態では単一の媒体として示されているが、用語「機械可読媒体」は、命令６５２４を記憶できる単一の媒体または複数の媒体（たとえば、集中化されたデータベース、分散データベース、または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むと解釈されなければならない。また、用語「機械可読媒体」は、命令６５２４が、機械６５００の１つまたは複数のプロセッサ（たとえば、プロセッサ６５０２）によって実行される時に、機械６５００に、本明細書で説明される方法論のうちの任意の１つまたは複数を全体的にまたは部分的に実行させるように、機械６５００による実行のために命令６５２４を記憶することのできる任意の媒体または複数の媒体の組合せを含むと解釈されなければならない。したがって、「機械可読媒体」は、単一の記憶装置または記憶デバイスならびに複数の記憶装置またはストレージ・デバイスを含むクラウドベースのストレージ・システムまたはストレージ・ネットワークを指す。用語「機械可読媒体」は、したがって、ソリッドスレート・メモリ、光学媒体、磁気媒体、またはその任意の適切な組合せの形の１つまたは複数の有形の（たとえば、非一時的）データ・リポジトリを含むがこれに限定されないと解釈されなければならない。
【０１７６】
さらに、機械可読媒体６５２２は、伝搬する信号を実施しないという点で、非一時的である。しかし、機械可読媒体６５２２を「非一時的」として分類することが、媒体が移動できないものであることを意味すると解釈されてはならず、媒体は、ある物理位置から別の物理位置へ輸送可能であると考えられなければならない。さらに、機械可読媒体６５２２は有形なので、媒体は、機械可読デバイスであると考えられ得る。
【０１７７】
本明細書全体で、複数の例が、説明された構成要素、動作、または構造を単一の例として実施することができる。１つまたは複数の方法の個々の動作が、別々の動作として図示され、説明されるが、個々の動作のうちの１つまたは複数が、同時に実行され得、動作が図示された順序で実行されることを要求するものはない。例の構成で別々の構成要素として提示された構造および機能性を、組み合わされた構造または構成要素として実施することができる。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性を、別々の構成要素として実施することができる。これらおよび他の変形形態、変更、追加、および改善は、本明細書の主題の範囲に含まれる。
【０１７８】
ある種の実施形態は、本明細書で、論理または複数の構成要素、モジュール、もしくは機構を含むものとして説明される。モジュールは、ソフトウェア・モジュール（たとえば、機械可読媒体６５２２上または伝送媒体内に記憶されまたは他の形で実施されるコード）、ハードウェア・モジュール、またはその任意の適切な組合せを構成することができる。「ハードウェア・モジュール」は、ある種の動作を実行することのできる有形の（たとえば、非一時的な）ユニットであり、ある種の物理的な形で構成されまたは配置され得る。様々な例の実施形態では、１つもしくは複数のコンピュータ・システム（たとえば、独立型コンピュータ・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つもしくは複数のハードウェア・モジュール（たとえば、プロセッサ６５０２またはプロセッサ６５０２のグループ）は、本明細書で説明されるある種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（たとえば、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。
【０１７９】
いくつかの実施形態では、ハードウェア・モジュールは、機械的に、電子的に、またはその任意の適切な組合せで実施され得る。たとえば、ハードウェア・モジュールは、ある種の動作を実行するように永久的に構成された専用回路網または専用論理を含むことができる。たとえば、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などの特殊目的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、ある種の動作を実行するようにソフトウェアによって一時的に構成されるプログラム可能論理またはプログラム可能回路網を含むこともできる。たとえば、ハードウェア・モジュールは、汎用プロセッサ６５０２または他のプログラム可能プロセッサ６５０２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、専用の永久的に構成された回路網内で、または一時的に構成される回路網（たとえば、ソフトウェアによって構成される）内で実施する判断が、コストおよび時間の考慮によって駆動され得ることを了解されたい。
【０１８０】
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供給し、これから情報を受信することができる。したがって、説明されるハードウェア・モジュールを、通信可能に結合されるとみなすことができる。複数のハードウェア・モジュールが同時に存在する場合に、通信を、２つ以上のハードウェア・モジュールの間またはその中での信号伝送（たとえば、適当な回路およびバス６５０８を介する）を介して達成することができる。複数のハードウェア・モジュールが異なる時に構成され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・モジュールの間の通信を、たとえば、複数のハードウェア・モジュールがそれへのアクセスを有するメモリ構造での情報の記憶および取出しを介して達成することができる。たとえば、１つのハードウェア・モジュールが、ある動作を実行し、それが通信可能に結合されているメモリ・デバイスにその動作の出力を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、後刻に、そのメモリ・デバイスにアクセスして、記憶された出力を取り出し、処理することができる。ハードウェア・モジュールは、入力デバイスまたは出力デバイスとの通信を開始することもでき、リソース（たとえば、情報のコレクション）に作用することができる。
【０１８１】
本明細書で説明される例の方法の様々な動作は、少なくとも部分的に、関連する動作を実行するように一時的に構成され（たとえば、ソフトウェアによって）または永久的に構成される１つまたは複数のプロセッサ６５０２によって実行され得る。一時的または永久的のどちらで構成されようとも、そのようなプロセッサ６５０２は、本明細書で説明される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、プロセッサ実施されるモジュールを構成することができる。本明細書で使用される時に、「プロセッサ実施されるモジュール」は、１つまたは複数のプロセッサ６５０２を使用して実施されるハードウェア・モジュールを指す。
【０１８２】
同様に、本明細書で説明される方法は、少なくとも部分的にプロセッサ実施され得、プロセッサ６５０２は、ハードウェアの例とすることができる。たとえば、方法の動作のうちの少なくとも一部を、１つまたは複数のプロセッサ６５０２またはプロセッサ実施されるモジュールによって実行することができる。本明細書で使用される時に、「プロセッサ実施されるモジュール」は、ハードウェアが１つまたは複数のプロセッサ６５０２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６５０２は、「クラウド・コンピューティング」環境内のまたは「ｓｏｆｔｗａｒｅ  ａｓ  ａ  ｓｅｒｖｉｃｅ」（ＳａａＳ）としての関連する動作の実行をサポートするように動作することもできる。たとえば、動作の少なくとも一部を、コンピュータのグループ（プロセッサ６５０２を含む機械６５００の例としての）によって実行することができ、これらの動作は、ネットワーク６５２６（たとえば、インターネット）および１つまたは複数の適当なインターフェース（たとえば、ＡＰＩ）を介してアクセス可能である。
【０１８３】
ある種の動作の実行は、単一の機械６５００内に存在するものだけではなく複数の機械６５００にまたがって展開される、１つまたは複数のプロセッサ６５０２の間で分散され得る。いくつかの例の実施形態では、１つまたは複数のプロセッサ６５０２またはプロセッサ実施されるモジュールは、単一の地理的位置に（たとえば、家庭環境内、オフィス環境内、またはサーバ・ファーム内に）配置され得る。他の例の実施形態では、１つまたは複数のプロセッサ６５０２またはプロセッサ実施されるモジュールは、複数の地理的位置にまたがって分散され得る。
【０１８４】
そうではないと特に述べられない限り、「ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（処理）」、「ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（計算）」、「ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ（計算）」、「ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ（判定、決定）」、「ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ（提示）」、「ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ（表示）」、または類似物などの単語を使用する本明細書での議論は、１つまたは複数のメモリ（たとえば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはその任意の適切な組合せ）、レジスタ、または情報を受信し、記憶し、送信し、もしくは表示する他の機械構成要素内の物理（たとえば、電子、磁気、または光学）量として表されたデータを操作しまたは変形する機械６５００（たとえば、コンピュータ）のアクションまたはプロセスを指すものとすることができる。さらに、そうではないと特に述べられない限り、用語「ａ」または「ａｎ」は、本明細書では、特許文書で一般的であるように、１つまたは複数の例を含めるのに使用される。最後に、本明細書で使用される時に、接続詞「ｏｒ」は、そうではないと特に述べられない限り、非排他的な「ｏｒ」を指す。
【０１８５】
本開示は、例示的であって限定的ではない。さらなる変更は、本開示に鑑みて当業者に明白になり、添付の特許請求の範囲の範囲に含まれ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２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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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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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
2019534409.tif 000066
【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【国際調査報告】
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