(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通路を有する熱伝達デバイスのためのフロー分配器であって、
各分配穴が前記熱伝達デバイスの各通路のそれぞれの通路入口部と流体連結するように構成されている、複数の分配穴を画定するシース部と、
その中の複数の流路と流体流入部とを画定する挿入部であって、各流路が前記流体流入部と流体連結し、前記挿入部が前記シース部内に配置されて前記流路を密閉し、各流路が前記分配穴のうちのそれぞれの１つと流体連結し、前記流体流入部が、二相流を前記流体流入部の中で混ぜ合わせて、前記二相流を前記挿入部の前記流路の中と前記熱伝達デバイスの各通路の中とに均一に分配するための、内側流入部と前記内側流入部から半径方向外側にある外側流入部とを含む、挿入部と、
を備え、
前記内側流入部が前記外側流入部の上流にあり、前記流体流入部が二相流ノズルに挿入されたときに、前記二相流のうち第１の相が前記内側流入部に流入し、かつ前記二相流のうち第２の相が前記流体流入部の周辺および前記外側流入部へと流入するように、前記二相流ノズルと前記流体流入部との間に間隙が形成された、フロー分配器。
【請求項２】
前記シース部と前記挿入部が一体である、請求項１に記載の分配器。
【請求項３】
前記複数の流路が、前記流体流入部と前記分配穴との間の機械加工による流路である、請求項１に記載の分配器。
【請求項４】
前記挿入部が前記シース部に締まりばめされている、請求項１に記載の分配器。
【請求項５】
前記複数の流路がお互いに流体を隔てるようにされている、請求項１に記載の分配器。
【請求項６】
前記複数の流路が周方向に間隔を空けられて、その中の圧力低下のバランスを取る、請求項１に記載の分配器。
【請求項７】
各流路が、前記流体流入部から前記分配穴にかけて等しい圧力低下を有するように画定される、請求項１に記載の分配器。
【請求項８】
前記外側流入部が、流れを流入分割部において前記内側流入部に合流させる径方法のポートを含み、前記流体流入部が、前記挿入部の中の各流路のための流路ポートをさらに画定して、流体が前記流入分割部の周辺の前記流体流入部から流れ出て、各流路に流れ込むことを可能にする、請求項１に記載の分配器。
【請求項９】
前記挿入部および前記シース部が、積層造形を使用して一体に形成された１つの部品である、請求項１に記載の分配器。
【請求項１０】
前記流体流入部がスロート部を画定し、前記内側流入部および前記外側流入部が前記スロート部において交わり、前記スロート部が、前記外側流入部と前記内側流入部とからの流れが前記流入分割部の上方で合流し、混ざり合うことを可能にする、請求項８に記載の分配器。
【請求項１１】
前記外側流入部が、前記スロート部に繋がる、複数の径方向のポートを画定する、請求項１０に記載の分配器。
【請求項１２】
前記径方向のポートの各々が前記挿入部の前記複数の流路の各々と整列する、請求項１１に記載の分配器。
【請求項１３】
冷却剤を熱伝達デバイスに流し込むための方法であって、
複数の通路を有する熱伝達デバイスのためのフロー分配器を形成するステップであって、前記フロー分配器が、
各分配穴が前記熱伝達デバイスの各通路のそれぞれの通路入口部と流体連結するように構成された、複数の分配穴を画定する本体部であって、前記本体部が、その中の複数の流路と流体流入部とを画定し、各流路が前記流体流入部と流体連結し、各流路が前記分配穴のうちのそれぞれの１つと流体連結し、前記流体流入部が、二相流を前記流体流入部の中で混ぜ合わせて、前記二相流を前記本体部の中で画定される前記流路の中と前記熱伝達デバイスの各通路の中とに均一に分配するための、内側流入部と前記内側流入部から径方向外側にある外側流入部とを含む、本体部、
を備える、形成するステップ、
を備え、
前記内側流入部が前記外側流入部の上流にあり、前記流体流入部が二相流ノズルに挿入されたときに、前記二相流のうち第１の相が前記内側流入部に流入し、かつ前記二相流のうち第２の相が前記流体流入部の周辺および前記外側流入部へと流入するように、前記二相流ノズルと前記流体流入部との間に間隙が形成された、方法。
【請求項１４】
形成することが積層造形を含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱伝達システムに関し、より具体的には、熱伝達構造体と熱伝達板とに関する。
【背景技術】
【０００２】
回路（たとえば、航空機回路または宇宙船回路）中の電気部品は、機能し続けるために、部品および／またはシステムから十分な熱を移動させる必要がある。そのような役割を達成するための多くの機構、たとえば、ファン、熱伝達板、およびチューブやチューブを中に含むプレートなどの、冷却剤を高温面の上で通すための能動的に冷却されるデバイスが使用されている。回路が小さくなり続ける一方、熱を部品から移動させるのに十分な熱伝達デバイスを開発することは、ますます困難になっている。
【０００３】
いくつかの熱伝達デバイスは、冷却剤がその中を通り抜けるための通路から成る複数の層を含み、全部の通路は１つの入り口に接続されている。複数状態（たとえば、液体および気体）の冷却剤が共存するために、流体は異なる層に不均一に入り込み、各層の不均一な熱分布と熱受容とを引き起こす。これは、十分な熱性能のための設計において従来考慮されなければならなかった熱伝達の限界を提示している。
【０００４】
そのような従来の方法およびシステムは、一般に、それらの本来の目的に対しては満足できると見なされている。しかしながら、当業では、今もなお、改良された熱伝達デバイスに対する要求がある。本開示はこの要求に対する解決策を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の少なくとも１つの態様では、複数の通路を有する熱伝達デバイスのためのフロー分配器は、各分配穴が熱伝達デバイスの各通路のそれぞれの通路入口部と流体連結するように構成されている、複数の分配穴を画定するシース部と、その中の複数の流路と流体流入部とを画定する挿入部であって、各流路が流体流入部と流体連結している、挿入部とを含む。挿入部はシース部内に配置されて、各流路が分配穴のうちのそれぞれの１つと流体連結した状態で流路を密閉する。流体流入部は、流体の流れ（たとえば、二相流）を流体流入部の中で混ぜ合わせて、二相流を挿入部の流路の中と熱伝達デバイスの各通路の中とに均一に分配するための、内側流入部と内側流入部から径方向外側にある外側流入部とを含む。
【０００６】
シース部および挿入部は、お互いに一体にされてもよい。流路は、流体流入部と分配穴との間の機械加工による流路であることができる。いくつかの実施形態では、挿入部は、シース部の中に締まりばめ（たとえば、摩擦嵌合）することができる。挿入部およびシース部を、積層造形または他の適切な方法（たとえば、失ろう鋳造）を使用して、一体に形成された１つの部品として製造することができることも予期される。
【０００７】
流路は、お互いに流体を隔てるようにすることができる。流路は、また、周方向に間隔を空けられて、その中の圧力低下のバランスを取ることができる。いくつかの実施形態では、各流路は、流体流入部から分配穴までの全長が等しくなるように画定することができる。
【０００８】
外側流入部は、流入分割部において流れを内側流入部に合流させる径方向のポートを含み、流入部は、さらに、挿入部の中の各流路に対して流路ポートを画定して、流体が分割部の周辺の流入部から各流路に流れることを可能にする。
【０００９】
流入部は、さらに、スロート部を画定することができ、内側流入部および外側流入部はスロート部において交わり、スロート部は、外側流入部と内側流入部とからの流れが分割部の上方で合流し、混ざり合うようにする。外側流入部は、スロート部に繋がる、複数の径方向のポートを画定することができ、各外側流入部の穴は、挿入部の流路の各々と整列することができる。
【００１０】
本開示の別の態様では、冷却剤を熱伝達デバイスに流し込むための方法は、複数の通路を有する熱伝達デバイスのためのフロー分配器を形成するステップであって、フロー分配器が、各分配穴が熱伝達デバイスの各通路のそれぞれの通路入口部と流体連結するように構成された、複数の分配穴を画定する本体部を備える、形成するステップを含み、本体部は、その中の複数の流路と、各流路が流体連結している流体流入部とを画定し、各流路は分配穴のうちのそれぞれの１つと流体連結し、流体流入部は、二相流を流体流入部の中で混ぜ合わせて、二相流を本体部の中で画定される流路の中と熱伝達デバイスの各通路の中とに均一に分配するための、内側流入部と内側流入部から径方向に外側にある外側流入部とを含む。形成することは、積層造形または他の適切な方法（たとえば、失ろう鋳造）を含む、他の適切な方法で行うことができる。
【００１１】
本開示の一態様では、流体のためのフロー導波器は、本体軸に沿って伸びる円筒形のフロー本体部であって、本体部が、本体内壁部および本体外壁部と、前記内外壁部を通り抜けて放射状に伸びる、軸に沿う複数の流出部とを有する、円筒形のフロー本体部と、フロー本体部と同軸の円筒形のシース部であって、シース部が、シース内壁部とシース外壁部とによって画定されるシース本体部と、外壁部に沿って軸方向に伸びる複数の通路とを有し、シース外壁部がフロー本体内壁部に隣接し、シース壁部の中の各通路がフロー本体壁部の中のそれぞれの流出部と流体連結している、円筒形のシース部と、流体をシース壁部の中の各通路に供給するように構成されたフロー導波器流入部と、を含む。シース壁部は第１の通路と第２の通路とを含むことができ、第１の通路の軸の長さは第２の通路の軸の長さよりも大きい。
【００１２】
本開示のシステムと方法とのこれらの特徴および他の特徴は、図面と併用される以下の詳細な説明から、当業者にとってより容易に明らかになる。
【００１３】
本開示が属する技術分野の当業者が、過度の実験なしに、どのように本開示のデバイスと方法とを作成し、使用するかということを容易に理解するように、以下、本明細書で、いくつかの図を参照してその実施形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本開示による、フロー分配器の一実施形態の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａのフロー分配器の断面図である。
【図２】多通路熱伝達デバイスの中に配置されて示されている、図１Ａのフロー分配器の断面図である。
【図３】挿入部の流路構造を示している、図１Ａのフロー分配器の後面斜視分解図である。
【図４】挿入部の流路構造とシース部の分配穴とを示している、図１Ａのフロー分配器の前面斜視分解図である。
【図５】外側流入部の実施形態を示している、図１Ａのフロー分配器の流入部の斜視図である。
【図６】内側流入部を示している、図５の流入部の斜視図である。
【図７】流入部と流体連結している流路を示している、図１Ａのフロー分配器の一部の斜視分解図である。
【図８】液体が外側流入部を通って径方向内側に移動している二相流での動作を概略的に示している、図１Ａのフロー分配器の断面斜視図である。
【図９】液体が内側流入部を通って軸方向に移動している二相流での動作を概略的に示している、図１Ａのフロー分配器の断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
同じ参照番号が本開示の類似の構造的特徴または態様を特定する図面を以下参照する。限定ではなく、説明と図解との目的のために、本開示によるフロー分配器の実施形態の斜視図が図１Ａと図１Ｂとに示され、参照文字１００によって一般に指定される。図１Ａと図１Ｂとのフロー分配器の他の図、およびそれの他の態様を、図２から図９に示す。本明細書で説明するシステムおよび方法は、多相流を、多通路を有する熱伝達デバイスに均一に分配するために使用することができる。
【００１６】
図１Ａ、図１Ｂ、および図２を一般に参照すると、熱伝達デバイス（たとえば、図２に示すデバイス２０１）のためのフロー分配器１００は、複数の分配穴１０７を画定するシース部１０１を含む。図２に示す通り、各分配穴１０７は、熱伝達デバイス２０１の各通路２０５のそれぞれの通路入口部２０４と流体連結するように構成されている。
【００１７】
フロー分配器１００は、その中の複数の流路１０９と流体流入部１０５とを画定する挿入部１０３を含む。各流路１０９は流体流入部１０５と流体連結している。図３から図７をさらに参照すると、挿入部１０３はシース部１０１の内部に配置され、（以下でより詳細に説明する通り）シース部１０１の内側面と共同して、各流路１０９が分配穴１０７のうちの各それぞれの１つと流体連結した状態で、シース部１０１内で流路１０９をお互いに密閉する。
【００１８】
図５でも示す通り、流体流入部１０５は、内側流入部１０５aと、内側流入部１０５aから径方向外側にある外側流入部１０５bとを含む。これにより、二相流を流路１０９に均一に分配するために、（以下でより詳細に説明する）二相流を流体流入部１０５の中で混ぜ合わせることが可能になり、それによって、熱伝達デバイス２０１の各通路２０５に混合された二相流を提供する。流入部１０５は、挿入部１０３の流路１０９を画定する挿入部分よりも小さい外径を含むことができ、挿入部１０３がシース部１０１の中に挿入され、熱伝達デバイス２０１内に設置された時、流れが流入部１０５周辺から外側流入部１０５ｂに移動することができるようにする。流体を外側流入部１０５ｂへ流すことを可能にする他の適切な設計はどれも、本明細書の対象となる（たとえば、流入部１０５の外側部分を通り抜けて画定される流路）。
【００１９】
いくつかの実施形態では、シース部１０１および挿入部１０３は、それらが適切な方法で１つの部品に結合され、および／または形成されるように、お互いに一体になっていてもよい。他の実施形態では、流路１０９は、流体流入部１０５と分配穴１０７との間の機械加工された流路であってもよい。
【００２０】
いくつかの実施形態では、挿入部１０３はシース部１０１に締まりばめ（たとえば、摩擦嵌合）されている。他の適切なはめ合いまたは取り付けはどれも本明細書の対象となり、シース部１０１および挿入部１０３が、流体の全てを穴１０７に流すことを確実にするように作成され、配置されるようにし、また挿入部１０３とシース部１０１との間で流体の漏れがないようにする。
【００２１】
図３および図４を参照すると、各流路１０９はお互いに流体を隔てるようにされ、各流路１０９が、流路１０９の長さに沿って他の流路１０９と混ざらないようにすることができる。流路１０９は、また、周方向に間隔を空けられて、および／または他のやり方で寸法付けられて、その中の圧力低下のバランスを取り、各流路１０９が他の流路１０９に対して所定の圧力低下（たとえば、全流路１０９で同じ）を経験するようにすることができる。いくつかの実施形態では、各流路は、流体流入部１０５から分配穴１０７までの間で等しい全長および／または容積を有するように画定されて、各流路１０９にかかる圧力低下が等しくなるようにすることができる。代替的には、流路１０９は、不均一に間隔を空けられて、および／または異なる大きさにされて、穴と穴との間の圧力低下を非画一にし、および／または各穴１０７から出る流体の流れを不平等にすることができる。たとえば、他の穴１０７を通る流体の流れと比較して、より多量の流体が１つまたは複数の穴１０７を通って流れるように、流路１０９を作成し、配置することができる。
【００２２】
図５を参照すると、外側流入部１０５ｂは、流れを、（たとえば、図６で示す）流入分割部１１１において内側流入部１０５a中の流れに合流させる径方向のポート１０６を含み、流入部１０５に入る流れが異なる流路１０９に均一に分割されるようにする。流体の流れの不均一な分割も本明細書の対象となる。
【００２３】
図示する通り、外側流入部１０５ｂは、いくつかの実施形態では、環帯のマニホールドまたは他の形状を画定することができる。図７を参照すると、挿入部１０３は、さらに、挿入部の各流路１０９に対して流路ポート１１３を画定して、流れを、分割部１１１周辺の流入部１０５から各流路１０９に流れさせることができる。流路ポート１１３は、流入部１０５と分割部１１１において連結する、挿入部１０３の中で画定される流路１０９の上部であることができ、または他の適切な設計を含むことができ、流れが流入部１０５（たとえば、内側流入部１０５aおよび／または径方向のポート１０５ｂ）を通って各流路１０７の中に流れ込むことができるようにする。
【００２４】
流入部１０５は、さらに、径が小さくなっている部分を含むスロート部１１０を画定することができる。内側流入部１０５aおよび外側流入部１０５ｂはスロート部１１０で交わり、スロート部１１０が、外側流入部１０５ｂと内側流入部１０５aとからの流れを分割部１１１の上方で合流させ、混ぜ合わせることを可能にするようにできる。外側流入部１０５ｂは、スロート部１１０に繋がる、複数の径方向のポート１０６を画定することができる。いくつかの実施形態では、各径方向のポート１０６は、挿入部１０３の流路ポート１１３と整列することができる。各流路ポート１１３に対して１つの外側流入穴があるように図示されているが、適切な数の径方向のポート１０６とそれらの位置決めとが予期される。
【００２５】
挿入部１０３およびシース部１０１が、適切な方法で一体に形成された１つの部品として製造され、はっきりと区別できるシース部１０１または挿入部１０３はないが、同じまたは同様の流路１０９が分配器１００内で画定されるようにできることも予期される。適切な方法は、積層造形および／または失ろう鋳造を含むが、これらに限定されない。また、フロー分配器１００は、２つの部品であるとして図示されているが、適切な数の部品から製造することもできる。
【００２６】
本開示の別の態様では、方法は、複数の通路を有する熱伝達デバイス２０１のためのフロー分配器１００を形成することを含む。いくつかの実施形態では、フロー分配器は、上記で説明した、複数の分配穴１０７と、複数の流路１０９と、流入部１０５とを画定する本体部を含む、１つの部品として形成される。形成することは、たとえば、積層造形、失ろう鋳造を含む適切な方法で行うことができる。
【００２７】
図２を再び参照すると、フロー分配器１００は熱伝達デバイス２０１の中に挿入されて、分配穴１０９が熱伝達デバイス２０１の各通路２０５の熱伝達通路入口部２０４と流体連結しているようにすることができる。ノズル２０７をフロー分配器１００の流入部１０５に取り付けることができ、冷却剤がその中を通り抜けることが可能になる。
【００２８】
図８に示すように、熱伝達システム内の流体の流れは、ノズル２０７の径方向外側部分に沿って流れる液相とその液相の中を流れる気相とを含む二相流に移行することができる。そのような場合、液相が流入部１０５周辺と外側流入部１０５ｂの中とに流れて流入部１０５に入る一方、気相は内側流入部１０５aに流れ込み、流入部内で液相と混ざり合う。これにより、気相と液相それぞれのおおよそ等しい量を各流路１０９に入れ、各穴１０７から出し、そのそれぞれの通路入口部２０４を通し、したがって、熱伝達デバイス２０１の中に入れる。均一に分配された相が各入口部２０４を通り抜けるため、各熱伝達通路２０５が同じように多量の冷却流を含むために、熱伝達が熱伝達デバイス２０１の中で均一化される。
【００２９】
図９に示すように、熱伝達システム内の流体の流れは、ノズル２０７の径方向外側部分に沿って流れる気相と気相の径方向内側を流れる液相とを含む二相流に移行することができる。そのような場合、気相が流入部１０５周辺と外側流入部１０５ｂの中とに流れて流入部１０５に入る一方、液相は内側流入部１０５aに流れ込み、流入部１０５内で気相と混ざり合う。これにより、気相と液相それぞれのおおよそ等しい量を各流路１０９に入れ、各穴１０７から出し、そのそれぞれの通路入口部２０４を通し、熱伝達デバイス２０１の中に入れる。均一に分配された相が各入口部２０４を通り抜けるため、各熱伝達通路２０５が同じように多量の冷却流を含むために、熱伝達が熱伝達デバイス２０１の中で均一化される。
【００３０】
本開示の方法およびシステムは、上記で説明し、図面で示した通り、フロー分配器に、たとえば、多通路熱伝達デバイスのために多相流を均一に分配することを含む、優れた特性を提供する。本開示の装置および方法を、実施形態を参照して図示し、説明したが、当業者は、それらの変更および／または修正を、本開示の趣旨と範囲とから逸脱することなしに行うことができるということを容易に理解するであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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