(57)【要約】熱交換装置（１０、５０）は、互いに流体連通する複数の連続したセグメント（２０、２２）を備えた流体流通路（１８）を有し、前記セグメントは、該セグメント内で発達する流れを維持し、それによって熱伝達を向上させる。
2008501928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達流体を導くように適合された少なくとも１つの蛇行通路を画定する本体を備える熱交換装置であって、
前記通路が、直列に流体連通する複数の連続するセグメントを少なくとも有し、
前記セグメントの各々が、該セグメント内で前記流体が完全に発達した層流を達成するのに必要な長さよりも短い長さを有し、それによって、管のインレット効果を前記流体流通路全体にわたって生じさせることによって対流熱伝達効率を向上させる熱交換装置。
【請求項２】
前記本体が、電気機械の導電巻線であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記本体が、電子装置用のヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記連続するセグメントが、互いに異なる長さを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記セグメントの長さが、前記セグメント内で前記流体が完全に発達した層流を達成するのに必要な前記長さの４分の３未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記セグメントの長さが、前記セグメント内で前記流体が完全な層流を達成するのに必要な前記長さの半分未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記セグメントの長さが、前記セグメント内で前記流体が完全な層流を達成するのに必要な前記長さの４分の１未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項８】
本体と、通路を通流するとともに前記本体に隣接する流体との間の熱伝達を改善する方法であって、
境界セグメント幾何形状を決定するステップであって、該境界セグメント幾何形状は、少なくとも通路の長さを有し、該通路の長さは、該通路を通って移動する前記流体が完全に発達した層流になるのに必要な長さである、境界セグメント幾何形状を決定するステップと、
前記本体に隣接して前記通路を設けるステップであって、該通路が、直列に流体連通する複数のセグメントを有し、各セグメントが、前記セグメントを通過する流体が完全に発達した層流になることができないような、前記境界セグメント幾何形状に対する幾何形状を有する、前記通路を設けるステップと、
発達している流れが前記セグメント内で維持されるように前記通路を通して前記流体を導くステップと、
を含む熱伝達改善方法。
【請求項９】
前記通路が、前記本体に画定されることを特徴とする請求項８に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１０】
本体と、該本体に隣接する通路を通流する流体との間の熱伝達を改善する方法であって、
複数の連続するセグメントを有する通路幾何形状を選択するステップであって、前記通路幾何形状が、前記連続するセグメントの各々に対して所望のヌッセルト数をもたらすように前記流体に対して選択され、前記所望のヌッセルト数が、前記セグメントへのインレット流に対応するヌッセルト数と、前記セグメント内の完全に発達した層流に対応するヌッセルト数との間の範囲内で得られる、通路幾何形状を選択するステップと、
前記通路幾何形状からなる通路を設けるステップと、
前記通路を通して前記流体を導くステップと、
を含む熱伝達改善方法。
【請求項１１】
前記所望のヌッセルト数が、前記セグメントへのインレット流に対応する前記ヌッセルト数の少なくとも４分の３であることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１２】
前記本体内に前記通路を画定するステップをさらに含む請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１３】
前記通路幾何形状を選択するステップが、各セグメントに対して実質的に一定の効果的な直径を決定し、次いで各セグメントに対してセグメントの長さを決定するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１４】
前記通路幾何形状を選択するステップが、連続するセグメントを互いに１８０度未満の角度で配置するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１５】
前記通路幾何形状を選択するステップが、セグメントのヌッセルト数を最大にするようにセグメントの長さを最小にするステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１６】
前記本体に隣接するとともに、熱伝達流体を導くように適合された少なくとも１つの通路を備えた本体を有する熱交換装置であって、
前記通路が、直列で互いに流体連通する複数の連続するセグメントを有し、
前記セグメントの各々は、使用時に、該セグメントを通って前記熱伝達流体が導かれる際に、発達している流れ状態で前記熱伝達流体を維持するように適合されており、
前記セグメントが、該セグメントの幾何形状が互いに関連するように適合されていることを特徴とする熱交換装置。
【請求項１７】
前記各幾何形状が、セグメントの長さを有し、
セグメントの長さは、該セグメント内で前記熱伝達流体が完全に発達した層流となるために必要な長さよりも短い長さであることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換装置。
【請求項１８】
セグメントの前記セグメントの長さが、直接的に連続するセグメントの長さとは異なることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換装置。
【請求項１９】
前記各幾何形状が、互いに実質的に垂直な角度をなす直接的に連続するセグメントをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の熱交換装置。
【請求項２０】
前記通路が、前記本体内部に少なくとも部分的に画定されることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱伝達を改善する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換装置は、一般に、冷却通路を通して冷却流体を導いて、対流熱伝達によって周囲の本体と流体との間で熱を交換する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、例えば、小型の機器には、より小さい冷却チャネルが必要とされるが、そのような冷却チャネルの寸法は小さいため、特に、冷却流体が粘性（油など）であり、かつ流体速度が低い場合には、冷却が効果的ではなくなる。したがって、改善された熱交換装置が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様は、改善された熱交換装置、ならびに本体と、隣接する流体流れとの間の熱伝達を改善する方法を提供する。
【０００５】
本発明によれば、熱伝達流体を導くように適合された少なくとも１つの蛇行通路を画定する本体を備える熱交換装置であって、前記通路が、直列に流体連通する複数の連続するセグメントを少なくとも有し、前記セグメントの各々が、該セグメント内で前記流体が完全に発達した層流を達成するのに必要な長さよりも短い長さを有し、それによって、管のインレット効果を前記流体流通路全体にわたって生じさせることによって対流熱伝達効率を向上させる熱交換装置が提供される。
【０００６】
本発明によれば、本体と、通路を通流するとともに前記本体に隣接する流体との間の熱伝達を改善する方法であって、境界セグメント幾何形状を決定するステップであって、該境界セグメント幾何形状は、通路の長さを有し、該通路の長さは、該通路を通って移動する前記流体が完全に発達した層流になるのに必要な長さである境界セグメント幾何形状を決定するステップと、前記本体に隣接して前記通路を設けるステップであって、該通路が、直列に流体連通する複数のセグメントを有し、各セグメントが、前記セグメントを通過する流体が完全に発達した層流になることができないような、前記境界セグメント幾何形状に対する幾何形状を有する、前記通路を設けるステップと、発達している流れが前記セグメント内で維持されるように前記通路を通して前記流体を導くステップと、を含む熱伝達改善方法が提供される。
【０００７】
本発明によれば、本体と、該本体に隣接する通路を通流する流体との間の熱伝達を改善する方法であって、複数の連続するセグメントを有する通路幾何形状を選択するステップであって、前記通路幾何形状が、前記連続するセグメントの各々に対して所望のヌッセルト数をもたらすように、前記流体に対して選択され、前記所望のヌッセルト数が、前記セグメントへのインレット流に対応するヌッセルト数と、前記セグメント内の完全に発達した層流に対応するヌッセルト数との間の範囲内で得られる、通路幾何形状を選択するステップと、前記通路幾何形状からなる通路を設けるステップと、前記通路を通して前記流体を導くステップと、を含む熱伝達改善方法が提供される。
【０００８】
本発明によれば、前記本体に隣接するとともに、熱伝達流体を導くように適合された少なくとも１つの通路を備えた本体を有する熱交換装置であって、前記通路が、直列で互いに流体連通する複数の連続するセグメントを有し、使用時に、前記セグメントの各々は、該セグメントを通って前記熱伝達流体が導かれる際に、発達している流れ状態で前記熱伝達流体を維持するように適合されており、前記セグメントが、該セグメントの幾何形状が互いに関連するように適合されていることを特徴とする熱交換装置が提供される。
【０００９】
本発明の上記および他の態様のさらなる詳細は、以下に記載された詳細な説明および図面から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は種々の環境における用途を有しているものの、単一の環境（以下に説明する電気機械など）に関して適切に本発明を説明しているが、当業者であれば、本発明の用途が記載された特定の実施例に限定されないことを理解されるであろう。したがって、以下の実施例は、本発明が適用される種々の用途のうちの１つにすぎない。
【００１１】
図１は、亜音速飛行で好ましく使用される型式のガスタービンエンジン９０を示しており、このガスタービンエンジン９０は、直流の流体連通関係で、周囲空気を推進するファン９２と、空気を圧縮する多段圧縮機９４と、高温の燃焼ガスの環状流を生じさせるように圧縮空気を燃料と混合し点火する燃焼器９６と、燃焼ガスからエネルギーを抽出するタービン部９８と、を備える。アクセサリギヤボックス９３は、オイルポンプや燃料ポンプなどの装備品類を駆動するように配設されている。アクセサリギヤボックス９３に係合したスタータ／ジェネレータ電気機械９５は、エンジンの始動時に圧縮機９４のロータを駆動するとともに、電力を生成するようにエンジン運転中に駆動される。
【００１２】
電気機械９５は、通常、ロータおよびステータ（図３ａ参照）を有し、ステータは、本発明による少なくとも１つの巻線を有している（下記参照）。以下により詳細に説明する電気機械は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，３１３，５６０号明細書、または同時係属中の米国特許出願公開第１０／４４４９５２号明細書（本願の参考となる）に記載された型式であることが好ましいが、任意の適切な電気機械構造であってもよい。そのようなスタータ／ジェネレータは、航空機エンジン用途に対する全体的な寸法制限のため、非常に小型であり、したがって、非常に高い電流密度を有することができる。したがって、巻線を著しく冷却することが必要となる。以下にさらに詳細に説明するように、本発明の一実施形態は、層流（層状）の冷却流体流の対流熱伝達によって巻線をより効率的に冷却する。
【００１３】
本発明は、概して、連続的で、好ましくは相互に角度を有するセグメントを備えた冷却流路を提供することによって、層流の冷却流体の流れにおける熱伝達を向上させる方法を提供するものであり、各セグメントは、層流が内部で十分に発達することを防止し、それによって全体的な熱伝達を向上させるように選択された長さを備える。
【００１４】
冷却流体用の複数の短い冷却チャネルを設けることによって、冷却剤の流れに対する対流熱伝達は、管のいわゆる「入口効果」を利用することにより促進される。ヌッセルト数は対流熱伝達の尺度である。管やチャネルを通って送られる流体のヌッセルト数は、管やチャネルの入口で最大となり、チャネル内の層流が発達するにつれて、徐々に一定値へと減少する。図２に示すように、管の長さ（Ｌ）の関数としたヌッセルト数の直線状の管における典型的な変化は、曲線６０によって表される。他のすべての変数は、この簡潔な表においては一定であると仮定されている。流れが、管（Ｌ0）の入口から離れて、管の長さ（Ｌ）に沿って発達するにつれて、ヌッセルト数が完全に発達した管内の層流に対して所与のレベルで安定するまで、ヌッセルト数は徐々に減少する。固体表面により、速度を減じる剪断力が流れに加わる結果、境界層が管の壁に沿って発達し、その剪断力によって流れの速度は壁の近くで低下する。管（Ｌ0）の入口からの距離が増加するにつれて、壁の効果は流れの中へと広がって「感じ」られる。この領域内の流れは、発達していると考えられる。管入口から離れた所与の位置において、壁上で発達している境界層は、管の中心線に達し、この位置において、速度プロフィル（分布図）の形は、距離が増加してももはや変化しない。この位置は「入口距離」（Ｌｅ）と呼ばれ、この位置以降、流れは完全に発達したと考えられる。したがって、入口距離（Ｌｅ）は、流れが完全に発達するのに必要とされる管の長さである。入口距離（Ｌｅ）は、以下のように、管の直径（Ｄ）およびレイノルズ数（ＲｅD）の関数である。
【００１５】
【数１】
2008501928.tif 000003
【００１６】
レイノルズ数（ＲｅD）は、管／チャネルにおける非圧縮性の流体流の流動様式（すなわち、層流または乱流）の性質を決定する無次元の直径である。管内の流体流の場合、約２３００未満のレイノルズ数は、層流を表し、約４０００を超えるレイノルズ数は、乱流を表す。これらの値の間のレイノルズ数は、流れが遷移性であることを表す。レイノルズ数は、以下のように計算される。
【００１７】
【数２】
2008501928.tif 000004
【００１８】
上式で、ρは密度、Ｖは速度、Ｄは管の直径、μは動的粘度である。このように、層流と遷移流との間の遷移は、概ね２３００に等しい遷移レイノルズ数（ＲｅT）によって決まることが理解されよう。したがって、層流は２３００までのレイノルズ数を有し得るので、入口距離は、管（チャネルセグメント）の直径の１３８倍未満となる。
【００１９】
図２から明らかなように、ヌッセルト数、およびそれに伴う対流熱伝達は、管の入口（Ｌ0）において最大となり、流れがその中で発達するにつれてかなり大幅に減少する。したがって、完全に発達した層流は、比較的低い対流熱伝達能力を有し、それゆえに、概して熱伝達装置ではあまり望ましくない。
【００２０】
熱伝達を改善するために、本発明は、連続するチャネルセグメント（例えば、図３ｂの２０，２２）を有する冷却チャネル（図３ｂを参照して以下で詳細に説明する）を設けることによって、比較的高いヌッセルト数を維持することを提案するものであり、前記チャネルセグメントの各々は、入口距離（Ｌｅ）よりも短い長さ（ＬS）を有する。これは、完全に発達した流れが各チャネルセグメントに生じないようにするためであり、それによって、図２の曲線６２で概略的に示すように、高いヌッセルト数が熱交換装置の全体に亘って維持される。図２において、熱交換装置は、複数の連続するセグメント１、２、．．．ｎ、など（図２には図示しないが、図３の２０，２２と同様）を有しており、各セグメントは、セグメントの長さＬS1、ＬS2、．．．、ＬSnなどを有する。管入口のヌッセルト数は、チャネルセグメント（例えば、セグメント１）の入口において理論的に最大となり、セグメントの長さ（ＬS1）に沿って減少する。しかし、本発明では、ヌッセルト数は、比較的少く減少し（以下でさらに説明するように、ＬSn＜Ｌｅ、かつ好ましくは、ＬSn＜＜Ｌｅであることによる）、その後、次のチャネルセグメント（例えば、セグメント２）の流路により、流れが次の連続するチャネルセグメント内へ再び方向づけられ、これにより、セグメント２の入口においてヌッセルト数が再び入口レベルへと急激に上昇する。したがって、セグメントの長さは、式１に従って、ＬＳ＜Ｌｅとなるように、ならびに、発達している流れが、好ましくは熱交換装置の全長にわたって、かつ高い熱伝達が望まれる熱交換装置の任意のセグメントにわたって確実に維持されるように制御される。
【００２１】
図３ａおよび図３ｂを参照すると、本発明は、交流（ＡＣ）電気機械９５に関して記載されている。図３ａを参照すると、本実施形態における電気機械９５は、少なくとも１つの磁気ロータ９５Ｒと、少なくとも１つの導電巻線９５Ｗが内部に配設されているステータ９５Ｓと、を備える。機械９５は、モータやジェネレータ、またはその両方として作動されてもよいが、巻線９５Ｗにおける熱放散は、通常、ジェネレータの用途においてより重大となることは理解されるであろう。通常、少なくとも３つの別個の巻線９５Ｗを有するように、三相の巻線が、上記のような機械に設けられる。１つまたは複数の巻線９５Ｗは、以下にさらに説明するように、本発明がそれを通して設けられる十分な寸法を有する棒形の導体であることが好ましい。連続するスロット内の巻線９５Ｗは、通常、機械の型式に応じて、座巻（図示せず）またはリスかご（図示せず）によって適切に連結される。
【００２２】
図３ｂを参照すると、巻線部分の内部が見えるように、巻線９５Ｗの部分１０の軸方向断面図が示されている。本実施形態における部分１０は、ステータ９５Ｓのスロット内に配置される巻線の部分（すなわち、連続する座巻の間の巻線の部分）を示している。通常、最も困難な熱遮断の要件を有するのは、巻線のこの「脚」部分である。巻線部分１０は、任意の適切な導体材料（銅、アルミニウムなど）からなる巻線導体本体１２を有し、この導体本体の内部において、蛇行形状の冷却流体通路１８が、巻線の一方の端部における冷却流体インレット１４と、巻線の他方の端部における冷却流体アウトレット１６との間において流体連通関係で設けられている。ガスタービンエンジン９０のオイルシステム（図示せず）などの冷却剤の供給源は、「新鮮な」冷却剤を供給するようにインレット１４と流体連通にあり、またオイルシステムに戻すために「使用済みの」冷却剤を排出するようにアウトレット１６と流体連通している。本実施形態において、部分１０内に亘って画定された蛇行した冷却流体通路１８は、曲がりくねった波形状を有するとともに、互いに実質的に垂直に配置されかつ流体連通する複数の交互に並んだ第１のチャネルセグメント２０および第２のチャネルセグメント２２を備える。各チャネルセグメントは、長さＬ20、Ｌ22をそれぞれ有し、長さＬ20、Ｌ22は入口距離（Ｌｅ）よりも短くなるように選択されており、これにより、発達している流れが維持され、したがって、層流がセグメント内で完全に発達することが防止される（以下で詳細に説明）。この場合のエンベロープ（外囲器）の条件を満たすために、第２のセグメントの長さＬ22は、第１のチャネルセグメント２０の長さＬ20よりも短いが、しかし、各セグメント２０，２２は、設計上の制約条件内で望まれる任意のセグメントの長さを有してもよく、連続するセグメントは、同一または対称である必要がない。
【００２３】
再び図２を参照すると、所与のセグメントの長さ（ＬSn）は、そのセグメントに対する管の入口距離（Ｌｅ）よりも短いことが好ましい（すなわち、Ｌｓｎ＜Ｌｅであり、ここでＬｅは好ましくは式１によって決定される）。理想的な状況では、所与のセグメントの長さ（Ｌｓｎ）は、所与のレイノルズ数に対する最大の熱伝達効果が得られるように、可能な限り短いことが望ましい（例えば、Ｌｓｎ＜０．０５ＬｅまたはＬｓｎ＜０．１Ｌｅ）。理論的には、理論的最大値に等しい一定のヌッセルト数（すなわち、線６２が、可能な限り最大のヌッセルト数あり、かつ滑らかな水平方向の線である）が望ましいが、エンベロープの幾何形状などの設計上の制約、冷却剤の最大許容圧力、流速および温度などに対する制約により、熱交換システム全体を確実に最適化するために、より長いセグメントの長さが要求されることがある。そのような場合には、性能が低下する降順で、Ｌｓ＜０．２５Ｌｅ、Ｌｓ＜０．５Ｌｅ、Ｌｓ＜０．７５Ｌｅのセグメントの長さが好ましい。上述のように、セグメントの長さをそのセグメントに対する管の入口距離（Ｌｅ）より短くすると、完全に発達した層流を有するチャネルに対して相当な利点が得られる。対称であることが好ましいが、セグメントの長さおよび方向は、必要または要求に応じてセグメント間で変動してもよいことを理解されたい。一般的なガイドラインとして、有効な圧力損失内において可能な最も短いセグメントの長さを選択することが好ましい。
【００２４】
再び図３ｂを参照すると、使用時に、冷却流体流は、インレット１４から流入して連続するチャネルセグメント２０およびチャネルセグメント２２を通ってアウトレット１６まで流体チャネル１８内を通流するので、この場合、連続するセグメントの長さおよび角度は、通流する層流が、妨げられ、より好ましくは完全に発達することが完全に防止され、いわゆる発達している流れが通路１８の全体にわたって維持されるように選択される。（前述のように、セグメントの長さＬ20、Ｌ22は、エンベロープの制約条件を満たすように選択され、Ｌ20は巻線部分１０の幅によって規定される。）したがって、これにより、標準的な直線状の管通路と比べて、比較的高いヌッセルト数を冷却流体通路１８全体にわたって維持することで全体的な対流熱伝達効率が向上する。
【００２５】
したがって、各セグメントは、層流が完全に発達するのに必要となる長さよりも短い長さを有するため、あるチャネルセグメントから次のチャネルセグメントへ遷移することは、層流が新たに管に入ることに相当する。その結果、好ましく絶えず発達することのない流れを維持することにより、平均ヌッセルト数は、完全に発達した層流による場合よりも相当に高くなる。したがって、これにより、本体１２と、通路１８を通流する流体との間における熱伝達が著しく向上する。
【００２６】
式１を参照すると、セグメントの長さを制御することは同様に好まれるが、同時にまたはその代わりにセグメントの直径を制御して（すなわち制御可能に変化させて）、所望のセグメントにおける遷移流を維持してもよいことが明らかであろう。また、本発明の内容においてセグメントの長さのみを考慮する場合は、続くセグメントにおいて入口（エントランス）効果をもたらすように、連続するセグメントの方向を変化させることが望ましいが、チャネルの直径を同時にまたはその代わりに考慮する場合は、前のセグメントと直径が異なる連続したセグメントへの入口効果を実現するように、セグメントの方向を変化させる必要はない。したがって、「蛇行状の」経路が好ましいが、必須ではない。
【００２７】
図４を参照すると、本発明の冷却流通路１８の別の実施例の蛇行した経路の適用において、ヒートシンク５０（例えば、電子機器から熱を放散させるように使用する）は、アルミニウムなどの適切な材料からなる伝導性プレート５２を有しており、この伝導性プレート５２内に複数の冷却流通路１８が形成されている。図示されたヒートシンク５０では、冷却剤供給部（図示せず）により冷却流体が導かれるインレット冷却流体通路５４は、流体を、１つまたは複数、好ましくは全ての平行に配列された冷却流通路１８に供給し、各冷却流体通路のアウトレットと流体連通する共通の冷却流体出口通路５６は、最終的に冷却剤供給部へと再循環させるように、流体をヒートシンクから導く。
【００２８】
本発明の冷却流体通路１８の各々は、好ましくは、複数の連続するセグメントを有する単一の包囲された通路であり、各チャネルセグメントは、層流がその中で完全に発達するのに必要な距離よりも短い長さを備える。したがって、冷却流体通路の各チャネルセグメントの長さを正確に制御することは、入口距離よりも短い予め定められた各セグメントの最大長さを確実に維持するため好ましい。本発明の一実施形態では、これは、熱交換装置の伝導性の本体部内における冷却流体通路をフォトケミカルエッチングすることによって達成される。これは、好ましくは、反復的な管のインレット効果により、発達していない層流が冷却通路全体にわたって維持され、これにより、対流熱伝達効率が熱交換装置全体にわたって向上することが保証される。
【００２９】
図３および図４における流体流通路１８の蛇行形状は、良好な熱伝達結果をもたらすため好ましいが、他の形状を有する流体流通路であってもよい。図５ａ〜図５ｃを参照すると、別の実施例の３つの例示的な流体流通路が図示されている。図５ａにおいて、流体流通路１１８は、交互に並ぶ狭い水平チャネル１４０と、大きな矩形の開口部１４１と、を備えており、この矩形開口部１４１内のディバイダ（仕切板）１４２により、流体流が該ディバイダの周囲で垂直なチャネルセグメントへと分割される。図５ｂでは、流体流通路２１８は、細長いチャネル開口部２４３によって形成されており、このチャネル開口部２４３は、突出した複数のフローディバイダ（流れ仕切板）２４２によって画定された連続するチャネルセグメントを有しており、好ましくは、このフローディバイダ２４２は、広いチャネル開口部の長さにわたって対をなして配設される。図５ｃでは、流体流通路３１８は、連続する実質的に正弦波形の湾曲通路によって形成されている。特有の形態とは関係なく、各流体流通路１１８，２１８，３１８は、複数のチャネルセグメントを備えており、各チャネルセグメントは、入口距離（Ｌｅ）よりも短い長さ（ＬSn）を有する。したがって、層流に対する管のインレット効果は、流体流通路の長さ全体にわたって維持され（すなわち、発達している流れが維持され）、それによって、完全に発達した層流の流体流通路と比べて、熱伝達が向上する。
【００３０】
本明細書を通じて、「管」、「チャネル」、「通路」などの用語は、流体輸送装置を説明するために交換可能に使用されており、特定の幾何形状、形態または装置を意味するものではなく、また、それらに限定されない。本発明は、インレット進入効果、遷移領域、および完全に発達した層流現象が存在し得る、強制的な流体輸送のための機器に適用することができる。
【００３１】
上記の説明は例示することを意図したものであり、当業者には、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、記載した実施形態を変更することができることが理解されよう。例えば、電気的な巻線およびヒートシンクは、銅またはアルミニウムで形成されているが、任意の適切な伝導性材料を用いてもよい。さらに、本発明について２つの例示的な用途を上述したが、乱流が存在しない他の多数の用途においても本発明を用いることができる。さらにまた、正弦波形の通路または蛇行した通路が好ましいが、適切なチャネル形態を備えていてもよい。蛇行した通路の幾何形状では、セグメント間において直交する角度が好ましいが、必須ではなく、鋭角または鈍角であってもよい。セグメントの幾何形状が規則的に反復されることが好ましいが、特定のセグメントに対して任意の長さおよび直径を選択してもよく、また、連続するセグメントを、所与のシステム制約条件内で所望の熱伝達を達成するように所望の密度で設けてもよい。セグメントのサイズは、互いに同一または対称である必要はない。チャネルは、必ずしも一定の流通面積を備える必要はなく、線形である必要もない。換言すれば、設計者の必要性に適合するように、チャネルの幾何形状、角度、寸法などを必要に応じてほぼ無限に調整することができる。また、概して、固体内に画定されたチャネルに関して説明したが、当業者であれば、本発明のチャネル幾何形状を様々な形態（導管、パイプなど）で適用することができることが理解されよう。説明を簡単にするために二次元的に実施例を示したが、本発明は三次元的に適用することもできる。本発明は、周囲環境を加熱または冷却するために使用することができる。熱交換装置は、チャネルの周囲から他の流体または媒体（例えば、燃料オイル熱交換器など）に、または前記他の流体または媒体から熱を伝達するさらなる手段（本発明またはそれ以外による）を有してもよい。本開示を鑑みると、さらに他の修正が当業者には明らかとなり、またかかる修正は添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ガスタービンエンジンの概略的な部分断面図。
【図２】管内の層流に対するヌッセルト数と管の長さを示すグラフ。
【図３ａ】本発明を組み込んだ電気機械の上部断面図。
【図３ｂ】本発明による棒形の導体または蛇行した流体流通路を有する電気機械からの巻線の断面図。
【図４】本発明による蛇行した流体流通路を有するヒートシンクの斜視断面図。
【図５ａ】本発明の図３に類似した他の実施例を示す図。
【図５ｂ】本発明の図３に類似した他の実施例を示す図。
【図５ｃ】本発明の図３に類似した他の実施例を示す図。
【図１】
2008501928.tif 000005
【図２】
2008501928.tif 000006
【図３ａ】
2008501928.tif 000007
【図３ｂ】
2008501928.tif 000008
【図４】
2008501928.tif 000009
【図５ａ】
2008501928.tif 000010
【図５ｂ】
2008501928.tif 000011
【図５ｃ】
2008501928.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成18年4月10日(2006.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達流体を導くように適合された少なくとも１つの蛇行通路を画定する本体を備える熱交換装置であって、
前記通路が、直列に流体連通する複数の連続するセグメントを有し、
前記複数の連続するセグメントが、第１のインレットセグメントと、最後の出口セグメントと、前記セグメント間で直列に設けられた複数の中間セグメントと、を有し、
前記複数の中間セグメントの各々が、前記熱伝達流体を直列に伝えるように、前記複数の中間セグメントのうち単一の上流側セグメントおよび単一の下流側セグメントと流体連通しており、
前記複数の連続するセグメントの各々が、該セグメント内で前記流体が完全に発達した層流を達成するのに必要な長さよりも短い長さを有し、それによって、管のインレット効果を前記流体流通路全体にわたって生じさせることによって対流熱伝達効率を向上させる熱交換装置。
【請求項２】
前記本体が、電気機械の導電巻線であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記本体が、電子装置用のヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記連続するセグメントが、互いに異なる長さを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記セグメントの長さが、前記セグメント内で前記流体が完全に発達した層流を達成するのに必要な前記長さの４分の３未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記セグメントの長さが、前記セグメント内で前記流体が完全な層流を達成するのに必要な前記長さの半分未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記セグメントの長さが、前記セグメント内で前記流体が完全な層流を達成するのに必要な前記長さの４分の１未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項８】
本体と、通路を通流するとともに前記本体に隣接する流体との間の熱伝達を改善する方法であって、
境界セグメント幾何形状を決定するステップであって、該境界セグメント幾何形状は、少なくとも通路の長さを有し、該通路の長さは、該通路を通って移動する前記流体が完全に発達した層流になるのに必要な長さである、境界セグメント幾何形状を決定するステップと、
前記本体に隣接して前記通路を設けるステップであって、該通路が、直列に流体連通する複数の連続するセグメントを有し、前記複数の連続するセグメントが、第１のインレットセグメントと、最後の出口セグメントと、前記セグメント間で直列に設けられた複数の中間セグメントと、を有し、前記複数の中間セグメントの各々が、前記熱伝達流体を直列に伝えるように、前記複数の中間セグメントのうち単一の上流側セグメントおよび単一の下流側セグメントと流体連通しており、前記複数の連続するセグメントの各々が、該セグメントを通過する流体が完全に発達した層流になることができないような、前記境界セグメント幾何形状に対する幾何形状を有する、前記通路を設けるステップと、
発達している流れが前記セグメント内で維持されるように前記通路を通して前記流体を導くステップと、
を含む熱伝達改善方法。
【請求項９】
前記通路が、前記本体に画定されることを特徴とする請求項８に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１０】
本体と、該本体に隣接する通路を通流する流体との間の熱伝達を改善する方法であって、
複数の連続するセグメントを有する通路幾何形状を選択するステップであって、前記複数の連続するセグメントが、第１のインレットセグメントと、最後の出口セグメントと、前記セグメント間で直列に設けられた複数の中間セグメントと、を有し、前記複数の中間セグメントの各々が、前記熱伝達流体を直列に伝えるように、前記複数の中間セグメントのうち単一の上流側セグメントおよび単一の下流側セグメントと流体連通しており、前記通路幾何形状が、前記連続するセグメントの各々に対して所望のヌッセルト数をもたらすように前記流体に対して選択され、前記所望のヌッセルト数が、前記セグメントへの層流のインレット流に対応するヌッセルト数と、前記セグメント内の完全に発達した層流に対応するヌッセルト数との間の範囲内で得られる、通路幾何形状を選択するステップと、
前記通路幾何形状からなる通路を設けるステップと、
前記通路を通して前記流体を導くステップと、
を含む熱伝達改善方法。
【請求項１１】
前記所望のヌッセルト数が、前記セグメントへのインレット流に対応する前記ヌッセルト数の少なくとも４分の３であることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１２】
前記本体内に前記通路を画定するステップをさらに含む請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１３】
前記通路幾何形状を選択するステップが、各セグメントに対して実質的に一定の効果的な直径を決定し、次いで各セグメントに対してセグメントの長さを決定するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１４】
前記通路幾何形状を選択するステップが、連続するセグメントを互いに１８０度未満の角度で配置するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１５】
前記通路幾何形状を選択するステップが、セグメントのヌッセルト数を最大にするようにセグメントの長さを最小にするステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達改善方法。
【請求項１６】
前記本体に隣接するとともに、熱伝達流体を導くように適合された少なくとも１つの通路を備えた本体を有する熱交換装置であって、
前記通路が、直列で互いに流体連通する複数の連続するセグメントを有し、
前記複数の連続するセグメントが、第１のインレットセグメントと、最後の出口セグメントと、前記セグメント間で直列に設けられた複数の中間セグメントと、を有し、
前記複数の中間セグメントの各々が、前記熱伝達流体を直列に伝えるように、前記複数の中間セグメントのうち単一の上流側セグメントおよび単一の下流側セグメントと流体連通しており、
前記セグメントの各々は、使用時に、該セグメントを通って前記熱伝達流体が導かれる際に、発達している流れ状態で前記熱伝達流体を維持するように適合されており、
前記セグメントが、該セグメントの幾何形状が互いに関連するように適合されていることを特徴とする熱交換装置。
【請求項１７】
前記各幾何形状が、セグメントの長さを有し、
セグメントの長さは、該セグメント内で前記熱伝達流体が完全に発達した層流となるために必要な長さよりも短い長さであることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換装置。
【請求項１８】
セグメントの前記セグメントの長さが、直接的に連続するセグメントの長さとは異なることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換装置。
【請求項１９】
前記各幾何形状が、互いに実質的に垂直な角度をなす直接的に連続するセグメントをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の熱交換装置。
【請求項２０】
前記通路が、前記本体内部に少なくとも部分的に画定されることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
電気機械９５は、通常、ロータおよびステータ（図３ａ参照）を有し、ステータは、本発明による少なくとも１つの巻線を有している（下記参照）。以下により詳細に説明する電気機械は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，３１３，５６０号明細書、または同時係属中の米国特許出願公開第２００４／０２３９２０２号明細書に記載された型式であることが好ましいが、任意の適切な電気機械構造であってもよい。そのようなスタータ／ジェネレータは、航空機エンジン用途に対する全体的な寸法制限のため、非常に小型であり、したがって、非常に高い電流密度を有することができる。したがって、巻線を著しく冷却することが必要となる。以下にさらに詳細に説明するように、本発明の一実施形態は、層流（層状）の冷却流体流の対流熱伝達によって巻線をより効率的に冷却する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
上記の説明は例示することを意図したものであり、当業者には、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、記載した実施形態を変更することができることが理解されよう。例えば、電気的な巻線およびヒートシンクは、銅またはアルミニウムで形成されているが、任意の適切な伝導性材料を用いてもよい。さらに、本発明について２つの例示的な用途を上述したが、乱流が存在しない他の多数の用途においても本発明を用いることができる。さらにまた、正弦波形の通路または蛇行した通路が好ましいが、適切なチャネル形態を備えていてもよい。蛇行した通路の幾何形状では、セグメント間において直交する角度が好ましいが、必須ではなく、鋭角または鈍角であってもよい。セグメントの幾何形状が規則的に反復されることが好ましいが、特定のセグメントに対して任意の長さおよび直径を選択してもよく、また、連続するセグメントを、所与のシステム制約条件内で所望の熱伝達を達成するように所望の密度で設けてもよい。セグメントのサイズは、互いに同一または対称である必要はない。チャネルは、必ずしも一定の流通面積を備える必要はなく、線形である必要もない。換言すれば、チャネルの幾何形状、角度、寸法などを変えてもよい。また、概して、固体内に画定されたチャネルに関して説明したが、当業者であれば、本発明のチャネル幾何形状を様々な形態（導管、パイプなど）で適用することができることが理解されよう。説明を簡単にするために二次元的に実施例を示したが、本発明は三次元的に適用することもできる。本発明は、周囲環境を加熱または冷却するために使用することができる。熱交換装置は、チャネルの周囲から他の流体または媒体（例えば、燃料オイル熱交換器など）に、または前記他の流体または媒体から熱を伝達するさらなる手段を有してもよい。
【国際調査報告】
2008501928.tif 000013
2008501928.tif 000014