(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体（１１２）が流れるように構成された第１の流路（１１０、６０２）と、第２の流体（１１６）が流れるように構成された第２の流路（１１４、６１０）と、を画定するコア（１０２）を含み、前記コア（１０２）は、
互いに結合された複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、第１の流路部分（１４８）と、第２の流路部分（１５０）と、前記第１の流体（１１２）が流れる複数の第１の開口部と、前記第２の流体（１１６）が流れる複数の第２の開口部と、を少なくとも部分的に画定する側壁（１３８、１５８）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、前記第１の流体（１１２）が前記第１の流路部分（１４８）において結合および分岐することができ、かつ、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路部分（１５０）において結合および分岐することができるように構成され、
前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）のうちの少なくとも１つの単位セルが前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）のうちの少なくとも３つの他の単位セルから前記第１の流体（１１２）を受け取るように構成されるように、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）は互いに流体連通して結合される、
熱交換器（１００）。
【請求項２】
筐体（１０６）をさらに含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）は、前記筐体（１０６）の形状に適合するように構成される、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項３】
前記第１の流路部分（１４８）が混合された流路を形成するように、前記側壁（１３８、１５８）は少なくとも部分的に湾曲した形状を有し、
前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）は、前記第１の流体（１１２）および前記第２の流体（１１６）が以下の流れ構成、すなわち、逆流、並流、交差流、および混成流のうちの少なくとも１つで前記コア（１０２）を通って流れるように構成される、請求項１または２に記載の熱交換器（１００）。
【請求項４】
第１のヘッダ（３１０、４１０）および第２のヘッダ（３１６、４１６）をさらに含み、前記第１の流体（１１２）は、第１の方向に前記第１のヘッダ（３１０、４１０）から前記第１の流路（１１０、６０２）に流入し、前記第２の流体（１１６）は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に前記第２のヘッダ（３１６、４１６）から前記第２の流路（１１４、６１０）に流入する、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器（１００）。
【請求項５】
前記コア（１０２）は、少なくとも部分的に環状形状を有し、
前記コア（１０２）は実質的に対称である、請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器（１００）。
【請求項６】
第１の流体（１１２）が流れるように構成された第１の流路（１１０、６０２）と、第２の流体（１１６）が流れるように構成された第２の流路（１１４、６１０）と、を画定するコア（１０２）を含み、前記コア（１０２）は、
互いに結合された複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、第１の流路部分（１４８）と、第２の流路部分（１５０）と、前記第１の流体（１１２）が流れる複数の第１の開口部と、前記第２の流体（１１６）が流れる複数の第２の開口部と、を少なくとも部分的に画定する側壁（１３８、１５８）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、前記第１の流体（１１２）が前記第１の流路部分（１４８）において結合および分岐することができ、かつ、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路部分（１５０）において結合および分岐することができるように構成され、
筐体（１０６）と、前記筐体（１０６）に隣接する周辺単位セル（１６８）と、をさらに含み、前記周辺単位セル（１６８）は、前記第１の流体（１１２）が停滞ゾーン（１７２）内に閉じ込められるのを阻止するために、前記筐体（１０６）から離れる方向に前記第１の流体（１１２）を導くように構成される、熱交換器（１００）。
【請求項７】
階層化されたマニホールド部分（１０４）と複数のコア（１０２）とをさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の熱交換器（１００）。
【請求項８】
第１の流体（１１２）が流れるように構成された第１の流路（１１０、６０２）と、第２の流体（１１６）が流れるように構成された第２の流路（１１４、６１０）と、を画定するコア（１０２）を含み、前記コア（１０２）は、
互いに結合された複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、第１の流路部分（１４８）と、第２の流路部分（１５０）と、前記第１の流体（１１２）が流れる複数の第１の開口部と、前記第２の流体（１１６）が流れる複数の第２の開口部と、を少なくとも部分的に画定する側壁（１３８、１５８）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、前記第１の流体（１１２）が前記第１の流路部分（１４８）において結合および分岐することができ、かつ、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路部分（１５０）において結合および分岐することができるように構成され、
前記第１の流体（１１２）を前記第１の流路（１１０、６０２）に導くように前記第１の流路（１１０、６０２）に結合された第１のヘッダ（３１０、４１０）をさらに含み、前記第１のヘッダ（３１０、４１０）は、前記第１の流路（１１０、６０２）と流体連通する複数のポート（１３０）を含み、前記第１のヘッダ（３１０、４１０）は、前記第１の流体（１１２）が前記第１のヘッダ（３１０、４１０）を通って流れる方向に断面積が減少し、
前記コア（１０２）は、前記第２の流体（１１６）が流れるためのプレナム（１３４、１３６）をさらに画定し、前記プレナム（１３４、１３６）は、前記第１のヘッダ（３１０、４１０）に隣接して配置され、
前記第１のヘッダ（３１０、４１０）に結合され、かつプレナム（１３４、１３６）に隣接して延在する複数の導管（１２５、７０２）をさらに含む、熱交換器（１００）。
【請求項９】
前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）のうちの各単位セルは、前記第１の流路（１１０、６０２）の第１の水力直径（１５２、６１２）および前記第２の流路（１１４、６１０）の第２の水力直径（１５４、６１４）を少なくとも部分的に画定し、前記第１の水力直径（１５２、６１２）は前記第２の水力直径（１５４、６１４）とは異なる、請求項１乃至８のいずれかに記載の熱交換器（１００）。
【請求項１０】
第１の流体（１１２）が流れるように構成された第１の流路（１１０、６０２）と、第２の流体（１１６）が流れるように構成された第２の流路（１１４、６１０）と、を画定するコア（１０２）を含み、前記コア（１０２）は、
互いに結合された複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、第１の流路部分（１４８）と、第２の流路部分（１５０）と、前記第１の流体（１１２）が流れる複数の第１の開口部と、前記第２の流体（１１６）が流れる複数の第２の開口部と、を少なくとも部分的に画定する側壁（１３８、１５８）を含み、前記複数の単位セル（１０８、１５６、５１２、６０６）の各単位セルは、前記第１の流体（１１２）が前記第１の流路部分（１４８）において結合および分岐することができ、かつ、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路部分（１５０）において結合および分岐することができるように構成され、
マニホールド部分（１０４）および折り返し部分をさらに含み、前記マニホールド部分（１０４）は、前記コア（１０２）に前記第１の流体（１１２）を提供する入口プレナム（１３４）と、前記コア（１０２）から前記第１の流体（１１２）を受け取る出口プレナム（１３６）と、を含み、前記折り返し部分は、前記第１の流体（１１２）を前記出口プレナム（１３６）に向けて方向転換するように構成される、熱交換器（１００）。
【請求項１１】
第１の流体（１１２）が流れる第１の流路（１１０、６０２）と、第２の流体（１１６）が流れる第２の流路（１１４、６１０）と、を画定するコア（１０２）を含み、前記コア（１０２）は、第１の流路（１１０、６０２）の第１の部分および第２の流路（１１４、６１０）の第１の部分を少なくとも部分的に画定する第１の側壁を含む第１の単位セルと、
第１の流路（１１０、６０２）の第２の部分および第２の流路（１１４、６１０）の第２の部分を少なくとも部分的に画定する第２の側壁を含む第２の単位セルであって、前記第１の単位セルに結合された第２の単位セルと、
第１の流路（１１０、６０２）の第３の部分および第２の流路（１１４、６１０）の第３の部分を少なくとも部分的に画定する第３の側壁を含む第３の単位セルであって、前記第１の単位セルに結合された第３の単位セルと、を含み、前記第１の単位セルは、前記第１の流体（１１２）が前記第１の流路（１１０、６０２）の第１の部分から前記第１の流路（１１０、６０２）の第２の部分および前記第１の流路（１１０、６０２）の第３の部分に流れることができるように構成され、前記第１の単位セルは、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路（１１４、６１０）の第２の部分および前記第２の流路（１１４、６１０）の第３の部分から前記第２の流路（１１４、６１０）の第１の部分に流れることができるようにさらに構成され、
前記コア（１０２）は、第１のヘッダ（３１０、４１０）および第２のヘッダ（３１６、４１６）をさらに含み、前記第１のヘッダ（３１０、４１０）は、前記第１の流体（１１２）が第１の方向に前記第１のヘッダ（３１０、４１０）から前記第１の流路（１１０、６０２）に流入するように構成され、前記第２のヘッダ（３１６、４１６）は、前記第２の流体（１１６）が前記第１の方向と交差する第２の方向に前記第２のヘッダ（３１６、４１６）から前記第２の流路（１１４、６１０）に流入するように構成される、熱交換器（１００）。
【請求項１２】
第１の流体（１１２）が流れる第１の流路（１１０、６０２）と、第２の流体（１１６）が流れる第２の流路（１１４、６１０）と、を画定するコア（１０２）を含み、前記コア（１０２）は、第１の流路（１１０、６０２）の第１の部分および第２の流路（１１４、６１０）の第１の部分を少なくとも部分的に画定する第１の側壁を含む第１の単位セルと、
第１の流路（１１０、６０２）の第２の部分および第２の流路（１１４、６１０）の第２の部分を少なくとも部分的に画定する第２の側壁を含む第２の単位セルであって、前記第１の単位セルに結合された第２の単位セルと、
第１の流路（１１０、６０２）の第３の部分および第２の流路（１１４、６１０）の第３の部分を少なくとも部分的に画定する第３の側壁を含む第３の単位セルであって、前記第１の単位セルに結合された第３の単位セルと、を含み、前記第１の単位セルは、前記第１の流体（１１２）が前記第１の流路（１１０、６０２）の第１の部分から前記第１の流路（１１０、６０２）の第２の部分および前記第１の流路（１１０、６０２）の第３の部分に流れることができるように構成され、前記第１の単位セルは、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路（１１４、６１０）の第２の部分および前記第２の流路（１１４、６１０）の第３の部分から前記第２の流路（１１４、６１０）の第１の部分に流れることができるようにさらに構成され、
前記コア（１０２）は、第１のヘッダ（３１０、４１０）および第２のヘッダ（３１６、４１６）をさらに含み、前記第１のヘッダ（３１０、４１０）は、前記第１の流体（１１２）が第１の方向に前記第１のヘッダ（３１０、４１０）から前記第１の流路（１１０、６０２）に流入するように構成され、前記第２のヘッダ（３１６、４１６）は、前記第２の流体（１１６）が前記第１の方向に平行な第２の方向に前記第２のヘッダ（３１６、４１６）から前記第２の流路（１１４、６１０）に流入するように構成され、
前記第１の単位セルは、前記第２の流体（１１６）が前記第２の流路（１１４、６１０）の第１の部分から出るための少なくとも３つの出口を画定する側壁を含む、熱交換器（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には熱交換器に関し、より具体的には、分岐流路を形成する単位セルを含む熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの公知の熱交換器は、熱交換器を通って熱を伝達する熱伝達流体を利用する。熱交換器の熱伝達効率は、少なくとも部分的には、熱交換器を通る熱伝達流体の流れによって決定される。熱伝達流体が熱交換器を通って流れる際に、熱伝達流体は、熱抵抗を増加させ、かつ熱交換器の熱伝達効率を低下させる境界層を確立しようとする。加えて、熱交換器の熱伝達効率は、材料特性、表面積、流れ構成、圧力降下、および熱交換に対する抵抗率などの熱交換器の特性によって影響される。これらの特性のいずれかを向上させることによって、熱交換器の熱伝達効率を増大させることができる。
【０００３】
さらに、いくつかのシステムまたはアプリケーションは、熱交換器が指定されたシステムボリューム内に適合し、かつ指定された重量未満の重さであることを必要とする。しかし、システム要件を満たすように熱交換器のサイズを小さくすると、熱伝達効率を決定する特性に影響を与える。また、少なくともいくつかの熱交換器は、システム内に適合するように適切な形状に形成されておらず、空間の非効率的な使用および／または無駄な容積を招いている。さらに、少なくともいくつかの公知の熱交換器は、ろう付けおよび溶接による接合などの複数の接合を必要とする製造技術を用いて、システム要件を満たすように形成されている。このような接合は、時間の経過と共に劣化して、熱交換器の寿命を短くする可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９１３４０７２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一態様では、熱交換器が提供される。熱交換器は、第１の流体が流れるように構成された第１の流路と、第２の流体が流れるように構成された第２の流路と、を画定するコアを含む。コアは、互いに結合された複数の単位セルを含む。複数の単位セルの各単位セルは、第１の流路部分と、第２の流路部分と、第１の流体が流れる複数の第１の開口部と、第２の流体が流れる複数の第２の開口部と、を少なくとも部分的に画定する側壁を含む。複数の単位セルの各単位セルは、第１の流体が第１の流路部分において結合および分岐することができるように構成される。各単位セルは、第２の流体が第２の流路部分において結合および分岐することができるようにさらに構成される。
【０００６】
別の態様では、熱交換器が提供される。熱交換器は、第１の流体が流れる第１の流路と、第２の流体が流れる第２の流路と、を画定するコアを含む。コアは、第１の単位セル、第２の単位セル、および第３の単位セルを含む。第１の単位セルは、第１の流路の第１の部分および第２の流路の第１の部分を少なくとも部分的に画定する第１の側壁を含む。第２の単位セルは、第１の流路の第２の部分および第２の流路の第２の部分を少なくとも部分的に画定する第２の側壁を含む。第２の単位セルは、第１の単位セルに結合される。第３の単位セルは、第１の流路の第３の部分および第２の流路の第３の部分を少なくとも部分的に画定する第３の側壁を含む。第３の単位セルは、第１の単位セルに結合される。第１の単位セルは、第１の流体が第１の流路の第１の部分から第１の流路の第２の部分および第１の流路の第３の部分に流れることができるように構成される。さらに、第１の単位セルは、第２の流体が第２の流路の第２の部分および第２の流路の第３の部分から第２の流路の第１の部分に流れることができるようにさらに構成される。
【０００７】
本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な熱交換器の概略断面図である。
【図２】図１に示す熱交換器の一部の概略図である。
【図３】図１に示す熱交換器の単位セルの概略等角図である。
【図４】図３に示す複数の単位セルの概略側面図である。
【図５】図１に示す熱交換器で使用するための例示的な単位セルの概略側面図である。
【図６】図５に示す複数の単位セルを通る流体の流れの概略図である。
【図７】図１に示す熱交換器の筐体に隣接する複数の例示的な流路の概略図である。
【図８】図１に示す熱交換器の複数の例示的な流れ構成の概略図である。
【図９】図１に示す熱交換器の混成逆流構成の概略図である。
【図１０】図１に示す熱交換器の混成並流構成の概略図である。
【図１１】環状形状を有する例示的な熱交換器コアの等角図である。
【図１２】図１１に示す熱交換器コアの一部の断面図である。
【図１３】図１１に示す熱交換器の複数の例示的な流れ構成の概略図である。
【図１４】図１１に示す熱交換器の複数の例示的な半径方向の流れ構成の概略図である。
【図１５】図１１に示す熱交換器の複数の例示的な円周方向の流れ構成の概略図である。
【図１６】ガス流のための流路を含む例示的な熱交換器コアの概略図である。
【図１７】図１に示す熱交換器と共に使用するための階層化されたマニホールド部分の概略図である。
【図１８】図１に示す熱交換器と共に使用するための平面マニホールド部分の概略図である。
【図１９】図１に示す熱交換器と共に使用するための平面方向転換部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示するものである。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムで適用できると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される実施形態の実施のために必要とされる当業者に知られているすべての従来の特徴を含むわけではない。
【００１０】
以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語に言及するが、それらは以下の意味を有すると規定する。
【００１１】
単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。
【００１２】
「任意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、続いて記載された事象または状況が生じてもよいし、また生じなくてもよいことを意味し、かつ、その説明が、事象が起こる場合と、それが起こらない場合と、を含むことを意味する。
【００１３】
近似する文言は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ（ａｂｏｕｔ）」、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、および「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限定は組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、これに包含されるすべての部分範囲を含む。
【００１４】
本明細書で用いる「軸方向の」および「軸方向に」という用語は、熱交換器の中心線に対して実質的に平行に延びる方向および向きを指す。また、「半径方向の」および「半径方向に」という用語は、熱交換器の中心線に対して実質的に垂直に延びる方向および向きを指す。さらに、本明細書で使用する「円周方向の」および「円周方向に」という用語は、熱交換器の中心線の周りに円弧状に延びる方向および向きを指す。本明細書で使用される「流体」という用語は、空気、気体、液体、および蒸気を含むが、これらに限定されない、流動する任意の媒体または材料を含むことを理解されたい。
【００１５】
本明細書で説明するシステムおよび方法は、熱交換器が種々の形状、大きさ、および流れ構成を有することを可能にするコアを含む。コアは、複数の単位セルを含む。単位セルは、単位セルの側壁によってのみ分離されて近接して流体が結合および分岐するように、少なくとも２つの異なる熱交換流体のための流路を画定する。いくつかの実施形態では、各単位セルは、流れが単一の流れに結合するように、少なくとも３つの他の単位セルからの熱交換流体の流れを受け取るように構成される。さらに、各単位セルは、流れが分岐して少なくとも３つの他の単位セル内に排出されるように、３つに分岐する流路部分を形成する。これにより、熱交換流体の温度境界層が低減され、熱交換流体は、公知の熱交換器の熱交換流体と比較して、単位セルの側壁を通って熱をより効率的に伝達する。さらに、本明細書に記載の熱交換器は、全体的なシステム要件を満たし、かつ効率が高くなるように、複数の配置および流れ構成を含む。
【００１６】
図１は、例示的な熱交換器１００の断面図である。図２は、熱交換器１００の一部の部分的な概略図である。熱交換器１００は、コア１０２、方向転換部分１０３、マニホールド部分１０４、および筐体１０６を含む。マニホールド部分１０４、コア１０２、および方向転換部分１０３の各々は、第１の流体１１２が流れるための第１の流路１１０と、第２の流体１１６が流れるための第２の流路１１４を画定する複数の単位セル１０８を含む。方向転換部分１０３では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、単位セル１０８によって方向転換される。具体的には、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、方向転換部分１０３で約１８０°折り返す。代替的な実施形態では、熱交換器１００は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６の少なくとも一部は、ワックス、可溶合金および／または溶融塩などの熱衝撃に適応するように構成された少なくとも部分的に固体の物体に置き換えられる。
【００１７】
例示的な実施形態では、マニホールド部分１０４は、第１の入口１１８、第２の入口１２０、入口ヘッダ１２２、出口ヘッダ１２４、第１の出口１２６、および第２の出口１２８を含む。代替的な実施形態では、マニホールド部分１０４は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、マニホールド部分１０４は、複数の第１の入口１１８、第２の入口１２０、入口ヘッダ１２２、出口ヘッダ１２４、第１の出口１２６、および／または第２の出口１２８を含む。さらなる実施形態では、熱交換器１００は、コア１０２に結合された複数のマニホールド部分１０４を含む。
【００１８】
この例示的な実施形態では、入口ヘッダ１２２および出口ヘッダ１２４の各々は、第１の流路１１０と流体連通する複数のポート１３０を含む。入口ヘッダ１２２および出口ヘッダ１２４は、ポート１３０を通って流れる第１の流体１１２に起因する入口ヘッダ１２２と出口ヘッダ１２４とにおける第１の流体１１２の異なる体積に適応するために、第１の流体１１２の流れの方向に沿って断面積が変化する。具体的には、入口ヘッダ１２２は、第１の入口１１８に隣接する最大断面積から入口ヘッダ１２２の遠位端部に隣接する最小断面積まで断面積が小さくなっている。出口ヘッダ１２４は、出口ヘッダ１２４の遠位端部に隣接する最小断面積から第１の出口１２６に隣接する最大断面積まで断面積が大きくなる。ポート１３０は、ポート１３０を通る流体の滑らかな流れを容易にし、不可逆的な流れの損失を最小にするために、実質的にベル形の形状をしている。代替的な実施形態では、熱交換器１００は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の入口ヘッダ１２２および出口ヘッダ１２４を含む。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器１００は、複数の入口ヘッダ１２２および出口ヘッダ１２４を含む。さらなる実施形態では、少なくとも１つの入口ヘッダ１２２および／または出口ヘッダ１２４は、第２の流路１１４に結合される。
【００１９】
例示的な実施形態では、コア１０２は、入口プレナム１３４および出口プレナム１３６をさらに含む。入口プレナム１３４および出口プレナム１３６は、第２の流路１１４と流体連通している。入口プレナム１３４は第２の入口１２０に結合され、出口プレナム１３６は第２の出口１２８に結合される。入口プレナム１３４および出口プレナム１３６は、第１の流体１１２および第２の流体１１６がコア１０２に流入流出する際に、第１の流体１１２および第２の流体１１６が熱交換するのを容易にするために、入口ヘッダ１２２および出口ヘッダ１２４に隣接している。さらに、複数の導管１２５が、入口ヘッダ１２２および出口ヘッダ１２４に結合され、入口プレナム１３４および出口プレナム１３６を通って延在する。代替的な実施形態では、熱交換器１００は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の入口プレナム１３４および出口プレナム１３６を含む。
【００２０】
また、例示的な実施形態では、コア１０２は積層造形プロセスを用いて製造される。積層造形プロセスにより、コア１０２の接合部の数を制限しながら、コア１０２が複雑な幾何学的形状を有することが可能になる。代替的な実施形態では、コア１０２は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の方法で形成される。
【００２１】
熱交換器１００の動作中に、第１の流体１１２は、第１の入口１１８を通って入口ヘッダ１２２に流入し、ポート１３０を通って第１の流路１１０に分配される。第１の流路１１０内の第１の流体１１２は、コア１０２、方向転換部分１０３、およびマニホールド部分１０４を通って導かれる。第１の流路１１０を通って流れた後に、第１の流体１１２は、ポート１３０を通って出口ヘッダ１２４に流入し、第１の出口１２６を通って熱交換器１００から排出される。第２の流体１１６は、第２の入口１２０を通って入口プレナム１３４に流入し、第２の流路１１４に分配される。第２の流路１１４の第２の流体１１６は、コア１０２、方向転換部分１０３、およびマニホールド部分１０４を通って導かれる。第２の流路１１４を通って流れた後に、第２の流体１１６は、出口プレナム１３６に流入し、第２の流体１１６は、第２の出口１２８を通って熱交換器１００から排出される。
【００２２】
代替的な実施形態では、熱交換器１００は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の流路を含む。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器１００は、第１の流体１１２および／または第２の流体１１６が第１の流路１１０および／または第２の流路１１４の少なくとも一部を迂回できるようにするために、少なくとも１つのバイパス流路（図示せず）を含む。バイパス流路（図示せず）は、熱交換器１００の任意の部分、たとえば、コア１０２、方向転換部分１０３、マニホールド部分１０４を通って、および／または熱交換器１００の外周に沿って延在する。これにより、バイパス流路（図示せず）は、第１の流体１１２および第２の流体１１６の余分な量に起因する圧力降下の管理を容易にする。
【００２３】
さらに、例示的な実施形態では、コア１０２は、第１の流体１１２および第２の流体１１６がコア１０２、方向転換部分１０３、およびマニホールド部分１０４を通って流れる際に、第１の流体１１２および第２の流体１１６が熱交換を行うように構成される。たとえば、図２に示すように、第１の流体１１２および第２の流体１１６が、単位セル１０８によって画定される第１の流路１１０および第２の流路１１４の一部を通って流れる際に、第１の流体１１２および第２の流体１１６は単位セル１０８の側壁を通して熱交換を行う。以下でより詳細に説明するように、単位セル１０８は、第１の流路１１０および第２の流路１１４の一部を画定し、そこで第１の流体１１２および第２の流体１１６が結合および分岐して、第１の流体１１２および第２の流体１１６の熱境界層を破壊する。この例示的な実施形態では、単位セル１０８は、コア１０２が実質的に対称となるように互いに整列され結合されており、熱交換器１００の複数の流れ構成を容易にする。たとえば、図示する実施形態では、コア１０２はダイヤモンド形状を有する。代替的な実施形態では、コア１０２は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、コア１０２は独立したゾーンに分割される。単位セル１０８は、コア１０２を独立したゾーンに区画および／または分割することを容易にする。さらなる実施形態では、熱交換器１００は、個別の複数のコア１０２を含む。単位セル１０８の繰り返しの幾何学的形状は、コア１０２が複数の異なる構成で他のコア１０２と結合することを容易にする。いくつかの実施形態では、流体の一部がコア１０２間のセグメントを通って流れるように、熱交換器１００は、セグメントを連結する個別のコア１０２（図示せず）を含む。
【００２５】
図３は、単位セル１０８の概略等角図である。図４は、複数の単位セル１０８の概略側面図である。いくつかの実施形態では、コア１０２は、いくつかの態様では図３および図４に示す単位セル１０８とは異なるいくつかの単位セル１０８を含む。例示的な実施形態では、各単位セル１０８は、複数の単位セル入口１４０、複数の単位セル出口１４２、内面１４４、および外面１４６を画定する側壁１３８を含む。第１の流体１１２は、単位セル入口１４０を通って単位セル１０８に流入し、内面１４４に接触し、単位セル出口１４２を通って単位セル１０８から流出する。第２の流体１１６は、第２の流体１１６が外面１４６と接触するように、単位セル１０８を通って流れる。図示する実施形態では、各単位セル１０８は、３つの単位セル入口１４０および３つの単位セル出口１４２を有する。代替的な実施形態では、単位セル１０８は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の単位セル入口１４０および単位セル出口１４２を有する。
【００２６】
また、例示的な実施形態では、各単位セル１０８は、第１の流路１１０の第１の流路部分１４８および第２の流路１１４の第２の流路部分１５０を形成する。第１の流路部分１４８および第２の流路部分１５０は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が側壁１３８を通して熱エネルギーを交換するように構成される。動作時には、第１の流体１１２は、他の単位セル１０８に付随する他の第１の流路部分１４８から第１の流路部分１４８に流入する。第１の流路部分１４８は、第１の流体１１２が第１の流路部分１４８からさらなる第１の流路部分１４８に向けて流出するように、分岐している。具体的には、第１の流体１１２が３つの異なる第１の流路部分１４８に向かって３つの流路に流入するように、第１の流路部分１４８は３つに分岐している。第２の流体１１６は、他の第２の流路部分１５０から第２の流路部分１５０に流入する。第２の流路部分１５０は、第２の流体１１６が第２の流路部分１５０からさらなる第２の流路部分１５０に向けて流出するように、分岐している。具体的には、第２の流体１１６が３つの異なる第２の流路部分１５０に向かって３つの流路に流入するように、第２の流路部分１５０は３つに分岐している。第１の流路部分１４８および第２の流路部分１５０は、約９０°の角度で分岐している。代替的な実施形態では、第１の流路部分１４８と第２の流路部分１５０は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の角度で分岐する。
【００２７】
第１の流路部分１４８および第２の流路部分１５０の分岐形状は、追加の表面積を提供して、第１の流体１１２と第２の流体１１６との間の熱交換を容易にする。さらに、単位セル１０８の分岐は、第１の流体１１２および第２の流体１１６の熱境界層の形成を低減および／または阻止する。たとえば、熱境界層および運動量境界層は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が単位セル１０８の分岐によって方向転換されるごとに分解される。さらに、単位セル１０８の繰り返しの分岐は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が重大な熱境界層および運動量境界層を確立することを阻止する。代替的な実施形態では、第１の流路部分１４８と第２の流路部分１５０は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。
【００２８】
加えて、この例示的な実施形態では、第１の流路部分１４８は第１の水力直径１５２を有し、第２の流路部分１５０は第２の水力直径１５４を有する。第１の水力直径１５２および第２の水力直径１５４は、流量、圧力降下、熱伝達などの流動要件、および／または熱交換器１００の体積要件に基づいて決定される。単位セル１０８は、第１の水力直径１５２が単位セル入口１４０の幅とほぼ等しくなるように、第１の流路部分１４８を形成する。第２の流路部分１５０は、複数の単位セル１０８によって形成される。したがって、単位セル１０８は、第２の水力直径１５４の一部のみに跨がっている。図示する実施形態では、単位セル１０８は、第２の水力直径１５４の約半分に跨がっている。さらに、例示的な実施形態では、第１の水力直径１５２は、第２の水力直径１５４とほぼ等しい。代替的な実施形態では、第１の流路部分１４８と第２の流路部分１５０は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の水力直径を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、第１の水力直径１５２と第２の水力直径１５４とは、互いに異なっている。さらなる実施形態では、第１の水力直径１５２対第２の水力直径１５４の比が少なくとも２：１であるように、第１の水力直径１５２は第２の水力直径１５４よりも大きい。
【００２９】
さらに、例示的な実施形態では、第１の流路部分１４８と第２の流路部分１５０は、正方形の断面形状を有する。代替的な実施形態では、第１の流路部分１４８と第２の流路部分１５０は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の断面形状を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、第１の流路部分１４８および／または第２の流路部分１５０は、限定はしないが、以下の断面形状、すなわち長方形、菱形、円形、および三角形のいずれかを有する。さらに、いくつかの実施形態では、第１の流路部分１４８および／または第２の流路部分１５０は、限定はしないが、フィン、設計された粗さを有する表面、製造プロセスによって粗面化された表面、任意の他の熱伝達強化、およびこれらの組み合わせのいずれかを含む。
【００３０】
例示的な実施形態では、単位セル１０８の形状および大きさは、限定はしないが、表面積、圧力降下、コア１０２の小型性、および流体の流れのいずれかに少なくとも部分的に基づいて決定される。例示的な実施形態では、単位セル１０８は実質的に同一形状を有する。具体的には、単位セル１０８は部分的に直方体の形状を有する。代替的な実施形態では、コア１０２は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の単位セル１０８を含む。いくつかの実施形態では、コア１０２は、互いに構成の異なる単位セル１０８を含む。さらなる実施形態では、単位セル１０８の形状は、コア１０２の形状に少なくとも部分的に適合する。たとえば、いくつかの実施形態では、単位セル１０８は、コア１０２の環状の形状と整合するように少なくとも部分的に湾曲している。
【００３１】
いくつかの実施形態では、単位セル１０８の少なくとも一部は可撓性であり、第１の流体１１２および／または第２の流体１１６の圧力、流量、体積、および密度などの特性に応じて、単位セル１０８がシフトすることを容易にする。たとえば、いくつかの実施形態では、側壁１３８は可撓性であり、流体サージを減衰させるように調整する。さらなる実施形態では、単位セル１０８は可撓性であって、第１の流体１１２が第１の流路１１０を膨張させて、第２の流路１１４を通る第２の流体１１６を少なくとも部分的に推進させる。例示的な実施形態では、単位セル１０８の側壁１３８は実質的に剛性である。代替的な実施形態では、単位セル１０８は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする可撓性の任意の量を有する。
【００３２】
図５は、熱交換器１００で使用するための単位セル１５６の概略側面図である。図６は、複数の単位セル１５６を通る流体の流れの概略図である。単位セル１５６は、第１の流路部分１４８および第２の流路部分１５０を少なくとも部分的に画定する側壁１５８を含む。第１の流路部分１４８は第１の水力直径１５２を有し、第２の流路部分１５０は第２の水力直径１５４を有する。単位セル１５６は、第１の水力直径１５２が第２の水力直径１５４とは異なるように構成される。加えて、側壁１５８は、第１の流路部分１４８および第２の流路部分１５０が混合された流路を形成するように、少なくとも部分的に湾曲している。具体的には、側壁１５８の縁部は、滑らかな流体の流れを容易にするように混合されている。第１の流路部分１４８と第２の流路部分１５０の流体力学的形状は、第１の流体１１２と第２の流体１１６の方向の変化に起因する圧力降下を低減する。代替的な実施形態では、コア１０２は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の単位セル１５６を含む。いくつかの実施形態では、単位セル１５６は、単位セル１５６の混合を容易にするように最小限の表面を組み込んでいる。たとえば、いくつかの実施形態では、単位セル１５６は、構造的能力および圧力能力を向上させるために一定の質量および減少した応力を維持する。さらなる実施形態では、構造的能力および圧力能力は一定のままであり、質量が低減される。
【００３３】
特に図６を参照すると、複数の単位セル１０８を通る第１の流体１１２および第２の流体１１６の例示的な流れについて説明する。図６は、以下の説明を通して参照するためのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を有する。矢印１６０は、第１の流体１１２の流れ方向を示し、矢印１６２は、第２の流体１１６の流れ方向を示す。矢印１６０と矢印１６２は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に延びる。特に、Ｚ方向に延びる矢印１６０は観察者から紙面に向かっており、Ｚ方向に延びる矢印１６２は紙面から観察者に向かっている。
【００３４】
各第１の流路部分１４８が３つの他の第１の流路部分１４８から第１の流体１１２を受け取り、かつ、各第２の流路部分１５０が３つの他の第２の流路部分１５０から第２の流体１１６を受け取るように、単位セル１０８は流体連通して結合される。さらに、各第１の流路部分１４８は、第１の流体１１２を３つの異なる第１の流路部分１４８に向けて導き、各第２の流路部分１５０は、第２の流体１１６を３つの異なる第２の流路部分１５０に向けて導く。したがって、第１の流体１１２と第２の流体１１６は、少なくとも部分的に逆流方向に流れる。代替的な実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の方向に流れる。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器１００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が逆流、並流、交差流方向、およびこれらの混成に流れるように構成される。
【００３５】
図７は、熱交換器１００（図１に示す）の筐体１０６に隣接する流路１６６の概略図である。流路１６６は、流体１７０が流路１６６を通って流れるように、周辺単位セル１６８によって形成される。流体１７０は、第１の流体１１２（図１に示す）と第２の流体１１６（図１に示す）の一方である。代替的な実施形態では、流体１７０は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の流体である。例示的な実施形態では、流路１６６は、流体１７０が停滞ゾーン１７２内に閉じ込められることを阻止するために、流体１７０を筐体１０６から離れるように導くように構成される。いくつかの流路１６６は、流体１７０が停滞ゾーン１７２に入ることを阻止する障壁１７４を含む。いくつかの流路１６６は、流体１７０が停滞ゾーン１７２から流出するためのチャネル１７６を含む。代替的な実施形態では、流路１６６は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の方法で構成される。たとえば、いくつかの実施形態では、単位セル１６８は、幾何学的流れ遷移の少なくとも一部にわたって熱交換を維持しつつ、流体１７０が方向転換部分１０３（図１に示す）における１８０度折り返しなどの幾何学的流れ遷移を通って流れるように構成されている。
【００３６】
いくつかの実施形態では、コア１０２などの熱交換器１００の部品は、必ずしも熱交換を必要としない用途に使用される。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器１００の部品は、反応器用途、質量移送用途、相変化用途、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）で使用される。ＳＯＦＣシステムのいくつかの実施形態では、単位セル１０８は、アノード−電解質−カソード層の間に配置されている。相変化システムのいくつかの実施形態では、単位セル１０８は、流体が沸騰および／または凝縮することを可能にする小孔（図示せず）および／または加工された表面（図示せず）を有する側壁１３８を含む。代替的な実施形態では、熱交換器１００は、流体の移動を必要とする任意の用途および／またはシステムのために使用される。
【００３７】
図８は、熱交換器１００の流れ構成の概略図である。熱交換器１００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が複数の方向にコア１０２を通って流れるように構成されている。具体的には、第１の流体１１２および第２の流体１１６がコア１０２を通って異なる方向に導かれるように、マニホールド部分１０４が構成され、および／または異なる場所でコア１０２に結合されている。コア１０２は、マニホールド部分１０４の異なる位置および構成に適応するように、単位セル１０８の形状、大きさ、および／または配置を変更する必要はない。さらに、コア１０２とマニホールド部分１０４の異なる構成は、熱交換器１００が形状、空間、および配管の要件などの具体的なシステム要件を満たすことを可能にする。たとえば、いくつかの実施形態では、マニホールド部分１０４は、熱交換器１００が種々の空間、形状、および／または配管接続に適合することを可能にするコア１０２上の特定の位置に結合される。さらなる実施形態では、単位セル１０８は、互いに結合されて、所望の形状および流れ構成を有するコア１０２を形成する。代替的な実施形態では、コア１０２およびマニホールド部分１０４は、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。
【００３８】
一実施形態では、熱交換器１００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が逆流構成２００のコア１０２を通って流れるように構成される。逆流構成２００では、第１のマニホールド部分２０２および第２のマニホールド部分２０４が、コア１０２の両端部に結合されている。第１のマニホールド部分２０２は、第１の流体入口２０６および第２の流体出口２０８を含む。第２のマニホールド部分２０４は、第１の流体出口２１０および第２の流体入口２１２を含む。第１の流体１１２は、コア１０２を通って第１の流体入口２０６から第１の流体出口２１０に向かって導かれ、第２の流体１１６は、コア１０２を通って第２の流体入口２１２から第２の流体出口２０８に向かって導かれる。これにより、第１の流体１１２と第２の流体１１６は、コア１０２を通って実質的に反対方向に流れる。
【００３９】
別の実施形態では、熱交換器１００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が並流構成２１４のコア１０２を通って流れるように構成される。並流構成２１４では、第１のマニホールド部分２１６および第２のマニホールド部分２１８が、コア１０２の両端部に結合されている。第１のマニホールド部分２１６は、第１の流体入口２２０および第２の流体入口２２２を含む。第２のマニホールド部分２１８は、第１の流体出口２２４および第２の流体出口２２６を含む。第１の流体１１２は、コア１０２を通って第１の流体入口２２０から第１の流体出口２２４に向かって導かれ、第２の流体１１６は、コア１０２を通って第２の流体入口２２２から第２の流体出口２２６に向かって導かれる。これにより、第１の流体１１２と第２の流体１１６は、コア１０２を通って実質的に平行な方向に流れる。
【００４０】
別の実施形態では、熱交換器１００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が交差流構成２２８のコア１０２を通って流れるように構成される。交差流構成２２８では、第１のマニホールド部分２３０および第２のマニホールド部分２３２が、コア１０２の両端部に結合されている。第３のマニホールド部分２３４および第４のマニホールド部分２３６が、コア１０２の側面に結合されている。第１のマニホールド部分２３０は、第１の流体入口２３８を含み、第２のマニホールド部分２３２は、第１の流体出口２４０を含む。第３のマニホールド部分２３４は、第２の流体入口２４２を含み、第４のマニホールド部分２３６は、第２の流体出口２４４を含む。第１の流体１１２は、コア１０２を通って第１の流体入口２３８から第１の流体出口２４０に向かって導かれる。第２の流体１１６は、コア１０２を通って第２の流体入口２４２から第２の流体出口２４４に向かって導かれる。これにより、第１の流体１１２と第２の流体１１６は、コア１０２を通って実質的に交差する方向に流れる。具体的には、第１の流体１１２の流れは、第２の流体１１６の流れに対して実質的に垂直である。
【００４１】
図９は、熱交換器１００の混成逆流構成３００の概略図である。混成逆流構成３００では、第１のマニホールド部分３０２は、コア１０２の側面に結合されている。第２のマニホールド部分３０４および第３のマニホールド部分３０６が、コア１０２の両端部に結合されている。第１のマニホールド部分３０２は、第１の流体入口３０８および第１のヘッダ３１０を含む。第２のマニホールド部分３０４は、第２の流体入口３１２、第１の流体出口３１４、第２のヘッダ３１６、および第３のヘッダ３１８を含む。第３のマニホールド部分３０６は、第４のヘッダ３２０および第２の流体出口３２２を含む。第１の流体１１２は、コア１０２を通って第１の流体入口３０８および第１のヘッダ３１０から第２のヘッダ３１６および第１の流体出口３１４に向かって導かれる。第１の流体１１２は、第１の流体１１２がコア１０２を通って流れる際に少なくとも部分的に方向転換する。第２の流体１１６は、コア１０２を通って第２の流体入口３１２および第３のヘッダ３１８から第４のヘッダ３２０および第２の流体出口３２２に向かって導かれる。これにより、第１の流体１１２と第２の流体１１６の流れ構成は、コア１０２の領域を通って変化する。具体的には、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、交差流領域３２４、混成流領域３２６、および逆流領域３２８を通って流れる。交差流領域３２４では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、実質的に交差する方向に流れる。混成流領域３２６では、第１の流体１１２および第２の流体１１６の流れの方向は、流れが部分的に交差し、かつ部分的に逆向きになるように、互いに対して変化する。混成流領域３２６では、第１の流体１１２および第２の流体１１６の流れの一部は、互いに対角的である。逆流領域３２８では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、実質的に反対方向に流れる。
【００４２】
図１０は、熱交換器１００の混成並流構成４００の概略図である。混成並流構成４００では、第１のマニホールド部分４０２は、コア１０２の側面に結合されている。第２のマニホールド部分４０４および第３のマニホールド部分４０６が、コア１０２の両端部に結合されている。第１のマニホールド部分４０２は、第１の流体入口４０８および第１のヘッダ４１０を含む。第２のマニホールド部分４０４は、第２の流体出口４１２、第１の流体出口４１４、第２のヘッダ４１６、および第３のヘッダ４１８を含む。第３のマニホールド部分４０６は、第４のヘッダ４２０および第２の流体入口４２２を含む。第１の流体１１２は、コア１０２を通って第１の流体入口４０８および第１のヘッダ４１０から第２のヘッダ４１６および第１の流体出口４１４に向かって導かれる。第１の流体１１２は、第１の流体１１２がコア１０２を通って流れる際に少なくとも部分的に方向転換する。第２の流体１１６は、コア１０２を通って第２の流体入口４２２および第４のヘッダ４２０から第３のヘッダ４１８および第２の流体出口４１２に向かって導かれる。これにより、第１の流体１１２と第２の流体１１６の流れ構成は、コア１０２の領域を通って変化する。具体的には、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、交差流領域４２４、混成流領域４２６、および並流領域４２８を通って流れる。交差流領域４２４では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、実質的に交差する方向に流れる。混成流領域４２６では、第１の流体１１２および第２の流体１１６の流れの方向は、流れが部分的に交差し、かつ部分的に平行になるように、互いに対して変化する。混成流領域４２６では、第１の流体１１２および第２の流体１１６の流れの一部は、互いに対角的である。並流領域４２８では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、実質的に平行な方向に流れる。
【００４３】
代替的な実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、コア１０２を通って、熱交換器１００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の方向に流れる。たとえば、いくつかの実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６の少なくとも一方は、第１の流体１１２および／または第２の流体１１６がコア１０２を通って流れる際に方向転換される。さらなる実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、限定はしないが、逆流、並流、交差流、およびこれらの組み合わせの流れ構成のいずれかでコア１０２を通って流れる。さらに、いくつかの実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、限定はしないが、互いに対して対角的な、湾曲した、垂直な、平行な、交差する、およびそれらの組み合わせの方向のいずれかでコア１０２を通って流れる。
【００４４】
図１１は、環状形状を有する熱交換器コア５００の等角図である。具体的には、熱交換器コア５００は、リング状シリンダを形成する。熱交換器コア５００は、第１の端部５０２、第２の端部５０４、第１の端部５０２および第２の端部５０４を通って延びる軸線５０６を有する。内面５０８は、第１の端部５０２と第２の端部５０４との間で軸線５０６の周りに延在する。外面５１０は、第１の端部５０２と第２の端部５０４との間に延在し、内面５０８から半径方向に離間して配置される。代替的な実施形態では、熱交換器コア５００は、熱交換器コア５００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の形状を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器コア５００は、偏心開口部を有する少なくとも部分的に環状形状を有する。
【００４５】
図１２は、熱交換器コア５００の一部の断面図である。熱交換器コア５００は、複数の単位セル５１２を含む。単位セル５１２は、単位セル５１２が内面５０８と外面５１０から一定の間隔を維持するように、円弧に沿って配置されている。その上、単位セル５１２は、少なくとも部分的に湾曲している。したがって、単位セル５１２は、熱交換器コア５００の形状に適合している。これにより、熱交換器コア５００は、増加した利用可能な空間の量を利用し、廃棄物を減少させる。また、単位セル５１２は、熱交換器コア５００が、指定されたシステムおよび／または用途のために所望の形状を有することを可能にする。代替的な実施形態では、単位セル５１２は、熱交換器コア５００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の方法で配置され、かつ任意の形状を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、単位セル５１２は、整合した単位セル５１２が内面５０８と外面５１０から一定の間隔で配置されないように直線状に配置される。さらなる実施形態では、単位セル５１２は、単位セル５１２が熱交換器コア５００に適合することを容易にする異なる形状を有する。
【００４６】
図１３は、熱交換器コア５００の流れ構成の概略図である。軸方向並流構成５１４では、熱交換器コア５００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が第１の端部５０２から熱交換器コア５００を通って第２の端部５０４に向かって流れるように構成される。このようにして、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、軸線５０６に平行な方向に熱交換器コア５００を通って流れる。軸方向逆流構成５１６では、熱交換器コア５００は、第１の流体１１２が第２の端部５０４から第１の端部５０２に向かって流れ、第２の流体１１６が第１の端部５０２から第２の端部５０４に向かって流れるように構成される。このようにして、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、軸線５０６に平行な反対方向に熱交換器コア５００を通って流れる。
【００４７】
図１４は、熱交換器コア５００の半径方向流れ構成の概略図である。半径方向並流構成５１８では、熱交換器コア５００は、第１の流体１１２および第２の流体１１６が内面５０８から外面５１０に向かって流れるように構成される。このようにして、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、軸線５０６に垂直な方向に熱交換器コア５００を通って流れる。軸方向逆流構成５２０では、熱交換器コア５００は、第１の流体１１２が外面５１０から内面５０８に向かって流れ、第２の流体１１６が内面５０８から外面５１０に向かって流れるように構成される。このようにして、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、軸線５０６に垂直な反対方向に熱交換器コア５００を通って流れる。
【００４８】
図１５は、熱交換器コア５００の円周方向流れ構成の概略図である。円周方向並流構成５２２では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、内面５０８と外面５１０との間の少なくとも部分的に湾曲した経路に沿って熱交換器コア５００を通って流れる。具体的には、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、軸線５０６の周りに円周方向に流れる。円周方向逆流構成５２４では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、内面５０８と外面５１０との間の少なくとも部分的に湾曲した経路に沿って熱交換器コア５００を通って流れる。具体的には、第１の流体１１２は軸線５０６の周りで時計方向に流れ、第２の流体１１６は軸線５０６の周りで反時計方向に流れる。代替的な実施形態では、第１の流体１１２および第２の流体１１６は、熱交換器コア５００を通って、熱交換器コア５００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の方向に流れる。たとえば、いくつかの実施形態では、第１の流体１１２は軸方向に流れ、第２の流体１１６は半径方向に流れる。さらなる実施形態では、第１の流体１１２は軸方向に流れ、第２の流体は円周方向に流れる。さらなる実施形態では、第１の流体１１２は半径方向に流れ、第２の流体は円周方向に流れる。
【００４９】
図１６は、ガス流６０４のための第１の流路６０２を含む熱交換器コア６００の概略図である。熱交換器コア６００は、六角形の断面形状を有する。代替的な実施形態では、熱交換器コア６００は、熱交換器コア６００が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の形状を有する。例示的な実施形態では、熱交換器コア６００は、ガス流６０４と液流６０８などの別の流体との間で熱交換を容易にするように構成される複数の単位セル６０６を含む。単位セル６０６は、ガス流６０４のための第１の流路６０２と、液流６０８のための第２の流路６１０と、を形成する。第１の流路６０２は、第２の流路６１０の第２の水力直径６１４よりも大きい第１の水力直径６１２を有する。いくつかの実施形態では、第１の水力直径６１２対第２の水力直径６１４の比は、少なくとも２：１である。さらなる実施形態では、第１の水力直径６１２対第２の水力直径６１４の比は、少なくとも４：１である。代替的な実施形態では、単位セル６０６は、熱交換器が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、側壁の厚さおよび高さなどの単位セル６０６の寸法は、流体のうちの少なくとも１つに対して利用可能な流路面積を調整するために変更される。さらなる実施形態では、平行フィン、ヘリカルストレーク、およびピンフィンなどの延在する表面は、ガス流６０４の経路に隣接して延在している。
【００５０】
図１７は、熱交換器１００（図１に示す）と共に使用するための階層化されたマニホールド部分７００の概略図である。階層化されたマニホールド部分７００は、導管７０２と複数の階層化された接合部７０４を含む。複数の接合部７０４は、導管７０２が流路７０６を画定するように、複数の導管７０２を流体連通して結合する。流体が流路７０６を通って流れると、流体の流れは、比較的大きな入口流れからより小さい流れに順次分岐される。いくつかの実施形態では、マニホールド部分７００は、第１の流体１１２（図２に示す）および／または第２の流体１１６（図２に示す）をコア１０２（図１に示す）に供給する。さらなる実施形態では、階層化されたマニホールド部分７００は、コア１０２（図１に示す）から第１の流体１１２（図２に示す）および／または第２の流体１１６（図２に示す）を受け取り、１つまたは複数の出口ポートから放出するために、比較的小さい出口流れを連続的に大きくなる出口流れに徐々に結合する。代替的な実施形態では、階層化されたマニホールド部分７００は、熱交換器１００（図１に示す）が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。
【００５１】
図１８は、熱交換器１００と共に使用するための平面マニホールド部分８００の概略図である。図１９は、熱交換器１００と共に使用するための平面折り返し部分８０２の概略図である。平面マニホールド部分８００は、入口８０４、出口８０６、および平面形状を有する複数のマニホールド導管８０８を含む。平面折り返し部分８０２は、平面形状を有する複数の折り返し導管８１０を含む。平面折り返し部分８０２は、折り返し導管８１０を通って流れる流体を方向転換するように構成される。平面マニホールド部分８００のマニホールド導管８０８および平面折り返し部分８０２の折り返し導管８１０の平面形状は、コア１０２（図１に示す）の中へ、それを通って、および／またはその外への流体の均一な流れ分布を容易にする。代替的な実施形態では、平面マニホールド部分８００と平面折り返し部分８０２は、熱交換器１００（図１に示す）が本明細書で説明するように動作することを可能にする任意の構成を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、平面マニホールド部分８００および平面折り返し部分８０２の少なくとも一方が省略される。
【００５２】
上述したシステムおよび方法は、熱交換器が種々の形状、大きさ、および流れ構成を有することを可能にするコアを含む。コアは、複数の単位セルを含む。単位セルは、単位セルの側壁によってのみ分離されて近接して流体が結合および分岐するように、少なくとも２つの異なる熱交換流体のための流路を画定する。いくつかの実施形態では、各単位セルは、流れが単一の流れに結合するように、少なくとも３つの他の単位セルからの熱交換流体の流れを受け取るように構成される。さらに、各単位セルは、流れが分岐して少なくとも３つの他の単位セル内に排出されるように、３つに分岐する流路部分を形成する。これにより、熱交換流体の温度境界層が低減され、熱交換流体は、公知の熱交換器の熱交換流体と比較して、単位セルの側壁を通って熱をより効率的に伝達する。さらに、上述した熱交換器は、全体的なシステム要件を満たし、かつ効率が高くなるように、複数の配置および流れ構成を含む。
【００５３】
本明細書に記載する方法、システム、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）熱交換器の熱伝達効率の増加、（ｂ）複数の流れ構成で使用することができる熱交換器コアの提供、（ｃ）寸法、形状、および配管などのシステム要件を満たすように構成された熱交換器の提供、（ｄ）熱交換器の柔軟性の向上、（ｅ）異なる形状を有する熱交換器の提供、（ｆ）熱交換器の体積の縮小、（ｇ）熱交換器の重量の低減、（ｈ）熱交換器コアとして使用するためのモノリシック構造の提供、ならびに（ｉ）熱交換器コアを通る流体の流れのための流路の大きさの縮小、のうちの少なくとも１つを含む。
【００５４】
以上、熱交換器組立体の例示的な実施形態について、詳細に説明した。組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の構成要素および／またはステップから独立に、かつ別個に利用することができる。たとえば、本明細書に記載した構成要素の構成は、他のプロセスと組み合わせて使用することもでき、本明細書で説明した熱交換器および関連する方法のみでの実施に限定されるものではない。むしろ、例示的な実施形態は、流体のための分岐流路が所望される多くの用途に関連して実施および利用することができる。
【００５５】
本開示の様々な実施形態の具体的な特徴をいくつかの図面には示してあって、他の図面には示していないが、これは単に便宜上のためである。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または請求することができる。
【００５６】
本明細書は、実施形態を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も実施形態を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【００５７】
１００  熱交換器
１０２  コア
１０３  方向転換部分
１０４  マニホールド部分
１０６  筐体
１０８  複数の単位セル
１１０  第１の流路
１１２  第１の流体
１１４  第２の流路
１１６  第２の流体
１１８  第１の入口
１２０  第２の入口
１２２  入口ヘッダ
１２４  出口ヘッダ
１２５  複数の導管
１２６  第１の出口
１２８  第２の出口
１３０  ポート
１３４  入口プレナム
１３６  出口プレナム
１３８  側壁
１４０  単位セル入口
１４２  単位セル出口
１４４  内面
１４６  外面
１４８  第１の流路部分
１５０  第２の流路部分
１５２  第１の水力直径
１５４  第２の水力直径
１５６  複数の単位セル
１５８  側壁
１６０  矢印
１６２  矢印
１６６  流路
１６８  周辺単位セル
１７０  流体
１７２  停滞ゾーン
１７４  障壁
１７６  チャネル
２００  逆流構成
２０２  第１のマニホールド部分
２０４  第２のマニホールド部分
２０６  第１の流体入口
２０８  第２の流体出口
２１０  第１の流体出口
２１２  第２の流体入口
２１４  並流構成
２１６  第１のマニホールド部分
２１８  第２のマニホールド部分
２２０  第１の流体入口
２２２  第２の流体入口
２２４  第１の流体出口
２２６  第２の流体出口
２２８  交差流構成
２３０  第１のマニホールド部分
２３２  第２のマニホールド部分
２３４  第３のマニホールド部分
２３６  第４のマニホールド部分
２３８  第１の流体入口
２４０  第１の流体出口
２４２  第２の流体入口
２４４  第２の流体出口
３００  混成逆流構成
３０２  第１のマニホールド部分
３０４  第２のマニホールド部分
３０６  第３のマニホールド部分
３０８  第１の流体入口
３１０  第１のヘッダ
３１２  第２の流体入口
３１４  第１の流体出口
３１６  第２のヘッダ
３１８  第３のヘッダ
３２０  第４のヘッダ
３２２  第２の流体出口
３２４  交差流領域
３２６  混成流領域
３２８  逆流領域
４００  混成並流構成
４０２  第１のマニホールド部分
４０４  第２のマニホールド部分
４０６  第３のマニホールド部分
４０８  第１の流体入口
４１０  第１のヘッダ
４１２  第２の流体出口
４１４  第１の流体出口
４１６  第２のヘッダ
４１８  第３のヘッダ
４２０  第４のヘッダ
４２２  第２の流体入口
４２４  交差流領域
４２６  混成流領域
４２８  並流領域
５００  熱交換器コア
５０２  第１の端部
５０４  第２の端部
５０６  軸線
５０８  内面
５１０  外面
５１２  複数の単位セル
５１４  軸方向並流構成
５１６  軸方向逆流構成
５１８  半径方向並流構成
５２０  軸方向逆流構成
５２２  円周方向並流構成
５２４  円周方向逆流構成
６００  熱交換器コア
６０２  第１の流路
６０４  ガス流
６０６  複数の単位セル
６０８  液流
６１０  第２の流路
６１２  第１の水力直径
６１４  第２の水力直径
７００  階層化されたマニホールド部分
７０２  複数の導管
７０４  接合部
７０６  流路
８００  平面マニホールド部分
８０２  平面折り返し部分
８０４  入口
８０６  出口
８０８  マニホールド導管
８１０  折り返し導管
【図１】
0006462026.tif 000002
【図２】
0006462026.tif 000003
【図３】
0006462026.tif 000004
【図４】
0006462026.tif 000005
【図５】
0006462026.tif 000006
【図６】
0006462026.tif 000007
【図７】
0006462026.tif 000008
【図８】
0006462026.tif 000009
【図９】
0006462026.tif 000010
【図１０】
0006462026.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0006462026.tif 000013
【図１３】
0006462026.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0006462026.tif 000016
【図１６】
0006462026.tif 000017
【図１７】
0006462026.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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