(57)【要約】  反復単位セルの３次元格子（１０４）を画定する複数の一体的に形成された隣接単位セルを有する熱交換器（１００）と、熱交換器（１００）の３次元格子（１０４）構造における圧力降下を低減する方法を提供する。複数の一体的に形成された隣接単位セルは、複数の経路セル（２００）と複数の部分単位セル（３０４）とを含む。複数の経路セル（２００）は、複数の経路セル（２００）を横切ってそれぞれ流れる第１流体（１３８）および第２流体（１４４）のための第１および第２分岐流体ドメイン（２０４）、（２０６）をそれぞれ隣接して画定する内部および外部経路セル表面（２１０）を含むソリッドドメイン（２０２）を有する。複数の部分単位セル（３０４）は、第１流体（１３８）ドメインが丸みを帯びた第１単位セル入口（３０６）を含み、第２流体（１４４）ドメインが丸みを帯びた第２単位セル入口（３０８）を含むように、反復単位セルの３次元格子（１０４）に部分的な位相シフトを導入することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反復単位セルの３次元格子（１０４）を画定する複数の一体的に形成された隣接単位セルであって、
前記複数の一体的に形成された隣接単位セルは、ソリッドドメイン（２０２）を有する複数の経路セル（２００）を含み、
第１流体入口領域（１１６）から第１流体出口領域（１２０）への第１分岐蛇行流路（１０８）に続いて、第１流体（１３８）が前記複数の流路セル（２００）を横切って流れるための第１分岐流体ドメイン（２０４）を隣接して画定する内部経路セル表面（２０８）と、
第２流体入口領域（１２８）から第２流体出口領域（１３２）への第２分岐蛇行流路（１０８）に続いて、第２流体（１４４）が前記複数の流路セル（２００）を横切って流れるための第２分岐流体ドメイン（２０６）を隣接して画定する外部経路セル表面（２１０）と、
を含み、
前記複数の一体的に形成された隣接単位セルは、前記ソリッドドメイン（２０２）に適合する複数の部分単位セル（３０４）をさらに含み、
前記複数の部分単位セル（３０４）は、前記第１流体（１３８）ドメインが丸みを帯びた第１単位セル入口（３０６）を含み、第２流体（１４４）ドメインが丸みを帯びた第２単位セル入口（３０８）を含むように、反復単位セルの３次元格子（１０４）に部分位相シフトを導入する、
前記複数の一体的に形成された隣接単位セル、
を含む、熱交換器（１００）。
【請求項２】
前記部分単位セル（３０４）の少なくとも一部が、前記３次元格子（１０４）の第１流体入口領域（１１６）に設けられている、
請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項３】
前記部分単位セル（３０４）の少なくとも一部が、第１流体入口プレナム（１１４）に隣接して設けられる、
請求項２に記載の熱交換器（１００）。
【請求項４】
前記部分単位セル（３０４）の少なくとも一部が、前記３次元格子（１０４）の第２流体入口領域（１２８）に設けられている、
請求項１または請求項２に記載の熱交換器（１００）。
【請求項５】
前記部分単位セル（３０４）の少なくとも一部が、第１流体入口プレナム（１１４）に隣接して設けられる、
請求項４に記載の熱交換器（１００）。
【請求項６】
前記部分単位セル（３０４）の少なくとも一部が、前記３次元格子（１０４）の中央領域に設けられている、
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項７】
前記部分単位セル（３０４）の少なくとも一部が、部分経路セル（２００）である、
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項８】
前記部分位相シフトが、位相の１／１６から１５／１６である、
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項９】
前記部分位相シフトは、位相の１／２である、
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１０】
前記丸みを帯びた第１単位セル入口（３０６）および／または前記丸みを帯びた第２単位セル入口（３０８）が、０．０２〜０．４の抵抗係数Ｋを示す、
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１１】
前記丸みを帯びた第１単位セル入口（３０６）および／または前記丸みを帯びた第２単位セル入口（３０８）は、０．４以下の抵抗係数Ｋを示す、
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１２】
前記複数の一体的に形成された隣接単位セルを周方向に囲む本体部（１０２）、
をさらに含む、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１３】
第１入口プレナム（１１４）を画定する第１入口マニホルド（１１０）であって、前記第１入口プレナム（１１４）は、前記第１分岐流体ドメイン（２０４）の入口領域と流体連通し、第１出口マニホルド（１２４）は第１出口プレナム（１１８）を画定し、前記第１出口プレナム（１１８）は前記第１分岐流体ドメイン（２０４）の出口領域と流体連通する、第１入口マニホルド（１１０）、および／または、
第２入口プレナム（１２６）を画定する第２入口マニホルド（１２２）であって、前記第２入口プレナム（１２６）は、前記第２分岐流体ドメイン（２０６）の入口領域と流体連通し、第２出口マニホルド（１２４）は第２出口プレナム（１３０）を画定し、前記第２出口プレナム（１３０）は前記第２分岐流体ドメイン（２０６）の出口領域と流体連通する、第２入口プレナム（１２６）、
をさらに含む、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１４】
複数の経路セル（２００）の間に一体的に形成され、３次元格子（１０４）に適合する複数のバッフルセル（２５０）であって、
ソリッドドメイン（２０２）を有する前記複数のバッフルセル（２５０）は、
１つ以上の第１分岐経路バッフル（３００）を共に提供する１つ以上の第１分岐経路ブラインド（２５４）であって、前記第１分岐経路バッフル（３００）の各々は前記第１分岐流体ドメイン（２０４）への第１境界を隣接して画定する、１つ以上の第１分岐経路ブラインド（２５４）、および／または、
１つ以上の第２分岐経路バッフル（３０２）を共に提供する１つ以上の第２分岐経路ブラインド（２５６）であって、前記第２分岐経路バッフル（３０２）の各々は前記第２分岐流体ドメイン（２０６）への第２境界を隣接して画定する、１つ以上の第２分岐経路ブラインド（２５６）、
を含む、
複数のバッフルセル（２５０）、
をさらに含む、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１５】
熱交換器の３次元格子構造の入口における圧力低下を低減する方法であって、
反復単位セルの３次元格子を画定する複数の一体的に形成された隣接単位セルを形成し、
前記複数の一体的に形成された隣接単位セルは、ソリッドドメインを有する複数の経路セルを含み、
第１流体入口領域から第１流体出口領域への第１分岐蛇行流路に続いて前記複数の経路セルを横切って流れる第１流体のための第１分岐流体ドメインを隣接して画定する内部経路セル表面と、
第２流体入口領域から第２流体出口領域への第２分岐蛇行流路に続いて複数の経路セルを横切って流れる第２流体のための第２分岐流体ドメインを隣接して画定する外部経路セル表面と、
を含み、
前記複数の一体的に形成された隣接単位セルを形成することは、複数の部分単位セルを形成することを含み、
前記複数の部分単位セルは、第１流体ドメインが丸みを帯びた第１単位セル入口を含み、前記第２分岐流体ドメインが丸みを帯びた第２単位セル入口を含むように、反復単位セルの前記３次元格子に部分的位相シフトを導入する、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、丸みを帯びた単位セル入口を有する３次元格子構造を有する熱交換器、および熱交換器の３次元格子構造内に丸みを帯びた単位セル入口を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、流体が熱交換器に入る入口プレナムを画定する入口マニホルドにおける流体の流れに結合されてもよい。典型的なシェルおよびチューブ熱交換器は、流体を熱交換器のチューブ内に導く入口プレナムとチューブ束との間の界面におけるパネルであるチューブシートを含む。入口プレナムから管束内への流体経路は、典型的には、比較的急激な遷移を示す。この急激な遷移は、プロセス設計上の考慮事項に影響を及ぼす可能性のある著しいせん断応力及び対応する圧力降下を引き起こす可能性がある。同様の急激な遷移が、管束ではなく３次元格子構造を採用する以前の熱交換器と共に存在する可能性がある。
【０００３】
熱交換器は時にバッフルを利用して、流体の流れを導いたり調節したりする。典型的なシェルおよびチューブ熱交換器は、バッフルによって規定される流路を通ってシェル側流体を導くバッフルを熱交換器のシェル側に含むことができる。バッフルは、熱交換器シェル内のチューブ束を支持する役割も果たすことができる。このようなバッフルは、典型的には、チューブ束内の各チューブに対応する多数の穴を有するパネルから製造される。パネルの穴は、熱交換器チューブの上に取り付けられ、パネルは所定の位置に溶接される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この性質のバッフルの製造プロセスは、複雑で時間を要する可能性があり、その結果、熱交換器は、通常、かなり単純なバッフル構成を有する。加えて、熱交換器チューブは、バッフルをチューブに取り付け、溶接する際に損傷を生じやすく、漏れまたは応力点は、不良溶接部などの製造誤差から生じ、最適以下の性能、流体のクロスコンタミネーション、または構造上の不具合につながる可能性がある。更に、熱交換器のチューブ側は、特に多数のチューブを有する熱交換器の場合、製造の複雑さのために、典型的にバッフルを欠く。３次元格子構造は、管群に代わるものを提供する。しかしながら、格子構造が典型的な管群に比べてはるかに複雑な構成を有する場合があるため、３次元格子構造にバッフルを追加する場合には、上述の欠点がさらに顕著になる可能性がある。
【０００５】
従って、改良された入口プレナム及び改良されたバッフルを有する熱交換器の必要性が存在する。加えて、熱交換器の３次元格子に入る流体の圧力降下を低減する方法、および熱交換器内にバッフルを形成する改良された方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
態様および利点は、以下の説明において部分的に記載されるか、または説明から明らかであり得るか、または本開示の主題を実施することによって学習され得る。
【０００７】
１つの側面において、本開示は、複数の一体的に形成された隣接する単位セルが複数の部分的な単位セルを含み、複数の一体的に形成された隣接する単位セルが複数の部分的な単位セルを含む、反復する単位セルの３次元格子を画定する複数の一体的に形成された隣接する単位セルを有する熱交換器を含む。複数の一体的に形成された隣接単位セルは、複数の経路セルを含む。複数の経路セルは、第１流体が複数の経路セルを横切って流れるための第１分岐流体ドメインを隣接して画定する内部経路−セル表面と、第２流体が複数の経路セルを横切って流れるための第２分岐流体ドメインを隣接して画定する外部経路−セル表面とを含むソリッドドメインを有する。
【０００８】
第１分岐流体ドメインは、第１流体が、第１流体入口領域から第１流体出口領域への第１分岐流路に続いて複数の経路セルを横切って流れるように構成および配置されてもよい。第２分岐流体ドメインは、第２流体が、第２流体入口領域から第２流体出口領域への第２分岐流路に続いて複数の経路セルを横切って流れるように構成および配置されてもよい。複数の一体的に形成された隣接単位セルは、ソリッドドメインに適合する複数の部分単位セルをさらに含むことができる。複数の部分単位セルは、第１流体ドメインが丸みを帯びた第１単位セル入口を含み、第２流体ドメインが丸みを帯びた第２単位セル入口を含むように、反復単位セルの３次元格子に部分的位相シフトを導入してもよい。
【０００９】
別の態様では、本開示は、複数の経路セルと、複数の経路セルの間に一体的に形成された複数のバッフルセルとを含む、複数の一体的に形成された隣接単位セルを有する熱交換器を包含する。複数の経路セルは、第１流体が複数の経路セルを横切って流れるための第１分岐流体ドメインを隣接して画定する内部経路−セル表面と、第２流体が複数の経路セルを横切って流れるための第２分岐流体ドメインを隣接して画定する外部経路−セル表面とを含むソリッドドメインを有する。複数のバッフルセルは、１つ以上の第１分岐経路バッフルおよび／または１つ以上の第２分岐経路バッフルを共に提供する１つ以上の第１分岐経路ブラインドを共に含むソリッドドメインを有する。第１分岐経路バッフルの各々は、第１分岐流体ドメインに対する第１境界を隣接して画定し、第２分岐経路バッフルの各々は、第２分岐流体ドメインに対する第２境界を隣接して画定する。
【００１０】
いくつかの実施形態では、複数の経路セルの内部経路−セル表面および１つ以上の第１分岐経路バッフルは、共に、第１流体が第１分岐流体ドメインを通って流れるための第１分岐流路を画定し、複数の経路セルの外部経路−セル表面および１つ以上の第２分岐経路バッフルは共に、第２流体が第２分岐流体ドメインを通って流れるための第２分岐流路を画定する。第１分岐流路は、第１流れ配向を含むことができ、第２分岐流路は、第２流れ配向を含むことができる。第１流れの向きは、第２流れの向きとは異なる場合がある。
【００１１】
別の態様では、本開示は、熱交換器の３次元格子構造の入口における圧力低下を低減する方法を含む。例示的な方法は、複数の経路セルを含む反復単位セルの３次元格子を画定する、複数の一体的に形成された隣接単位セルを形成することを含む。複数の経路セルは、第１流体が複数の経路セルを横切って流れるための第１分岐流体ドメインを隣接して画定する内部経路セル表面と、第２流体が複数の経路セルを横切って流れるための第２分岐流体ドメインを隣接して画定する外部経路セル表面とを含むソリッドドメインを有するように形成されてもよい。
【００１２】
第１分岐流体ドメインは、第１流体が、第１流体入口領域から第１流体出口領域への第１分岐流路に続いて複数の経路セルを横切って流れるような構成および配置で形成されてもよい。第２分岐流体ドメインは、第２流体入口領域から第２流体出口領域への第２分岐流路に続いて第２流体が複数の経路セルを横切って流れるような構成および配置で形成されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の一体的に形成された隣接する単位セルを形成するステップは、複数の部分単位セルを形成するステップを含むことができる。前記複数の部分単位セルは、第１流体ドメインが丸みを帯びた第１単位セル入口を含み、前記第２流体ドメインが丸みを帯びた第２単位セル入口を含むように、反復単位セルの３次元格子に部分的位相シフトを導入するように形成されてよい。
【００１３】
別の態様では、本開示は、熱交換器の３次元格子構造内にバッフルを形成する方法を含む。例示的な方法は、反復する単位セルの３次元格子を画定する複数の一体的に形成された隣接する単位セルを形成することを含む。複数の一体的に形成された隣接単位セルを形成することは、複数の経路セルを形成することと、複数の経路セルの間に複数のバッフルセルを一体的に形成することとを含む。複数の経路セルは、第１流体が複数の経路セルを横切って流れるための第１分岐流体ドメインを隣接して画定する内部経路セル表面と、第２流体が複数の経路セルを横切って流れるための第２分岐流体ドメインを隣接して画定する外部経路セル表面とを含むソリッドドメインを有するように形成されてもよい。複数のバッフルセルは、１つ以上の第１分岐経路バッフルおよび／または１つ以上の第２分岐経路バッフルを含むソリッドドメインを有するように形成されてもよい。第１分岐経路バッフルの各々は、第１分岐流体ドメインに対する第１境界を隣接して画定するように形成されてもよく、第２分岐経路バッフルの各々は、第２分岐流体ドメインに対する第２境界を隣接して画定するように形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】例示的な熱交換器を概略的に示しており、その内部には、共に反復単位セルの３次元格子を画定する複数の一体的に形成された隣接単位セルが配置されている；
【図２Ａ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルは経路セルである。
【図２Ｂ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルは経路セルである。
【図２Ｃ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルはバッフルセルである。
【図２Ｄ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルはバッフルセルである。
【図２Ｅ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルはバッフルセルである。
【図２Ｆ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルはバッフルセルである。
【図２Ｇ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルはバッフルセルである。
【図２Ｈ】例示的な単位セルを概略的に示し、示されている単位セルはバッフルセルである。
【図３Ａ】反復単位セルの例示的な３次元格子を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】反復単位セルの例示的な３次元格子を概略的に示す図である。
【図３Ｃ】反復単位セルの例示的な３次元格子を概略的に示す図である。
【図４】単位セルの例示的入口幾何形状、および例示的入口幾何形状に対応する例示的抵抗係数を示す。
【図５Ａ】第１流体についての、例示的な部分単位セルおよび３次元格子への対応する丸みを帯びた単位セル入口を概略的に示す図である。
【図５Ｂ】第１流体についての、例示的な部分単位セルおよび３次元格子への対応する丸みを帯びた単位セル入口を概略的に示す図である。
【図５Ｃ】第１流体についての、例示的な部分単位セルおよび３次元格子への対応する丸みを帯びた単位セル入口を概略的に示す図である。
【図６Ａ】例示的な経路セルと、第２流体のための３次元格子への対応する丸みを帯びた単位セル入口とを概略的に示す。
【図６Ｂ】例示的な経路セルと、第２流体のための３次元格子への対応する丸みを帯びた単位セル入口とを概略的に示す。
【図６Ｃ】例示的な経路セルと、第２流体のための３次元格子への対応する丸みを帯びた単位セル入口とを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書および図面における参照符号の繰り返しの使用は、本開示の同一または類似の特徴または要素を表すことを意図している。
【００１６】
当業者を対象とした、その最良の形態を含む、完全かつ可能な開示が、添付の図面を参照する本明細書に記載されている。
【００１７】
これらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することにより、より良く理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、例示的な実施形態を示し、説明とともに、現在開示されている主題の特定の原理を説明する役割を果たす。
【００１８】
ここで、本開示の主題の例示的な実施形態を詳細に参照し、その１つまたは複数の例を図面に示す。各実施例は、説明のために提供され、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。実際、本開示の範囲または思想から逸脱することなく、本開示において様々な修正および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴は、さらに別の実施形態をもたらすために別の実施形態と共に使用することができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るような修正および変形を包含することが意図される。
【００１９】
「上流」および「下流」という用語は、流体経路内の流体流に対する相対方向を指し、例えば、「上流」は、流体が流れて来る方向を指し、「下流」は、流体が流れて行く方向を指す。「上部」、「底部」、「外側」、「内側」などの用語は、便宜上の用語であり、限定的な用語として解釈されるべきではないことも理解される。本明細書で使用されるように、「第１」、「第２」および「第３」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために互換的に使用されてもよく、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図していない。用語「１つの」は、量の限定を示すものではなく、むしろ、参照される項目の少なくとも１つの存在を示す。
【００２０】
ここで、および明細書および特許請求の範囲全体を通して、範囲限定は組み合わされ、交換され、そのような範囲は、文脈または言語が別段の指示をしない限り、識別され、そこに含まれるすべてのサブ範囲を含む。例えば、本明細書に開示される全ての範囲は、端点を含み、端点は、互いに独立して組み合わせ可能である。
【００２１】
本明細書および特許請求の範囲の全体にわたって本明細書で使用されるように、近似言語は、関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく、許容可能に変化することができる任意の定量的表現を修正するために適用される。したがって、「約」、「ほぼ」、および「実質的に」などの１つまたは複数の用語によって修正された値は、指定された正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの例では、近似言語は、値を測定するための機器の精度、または構成要素および／またはシステムを構築または製造するための方法または機械の精度に対応し得る。
【００２２】
本開示は、一般に、バッフルセルを有する３次元格子構造を有する熱交換器を提供する。例示的な熱交換器は、反復する単位セルの３次元格子を画定する複数の一体的に形成された隣接する単位セルを含む。一体的に形成された隣接した単位セルは、複数の経路セル及び複数のバッフルセルを含む。経路セルおよびバッフルセルは、３次元格子に適合し、バッフルセルは、経路セルの間に一体的に形成される。本開示は、さらに、熱交換器の３次元格子構造内にバッフルを形成する方法を包含する。
【００２３】
本開示の熱交換器は、改善された製造性を提供することができる。例えば、３次元格子は、一体的に形成された隣接する単位セルのアレイとしてモデル化されてもよく、これらは共に、反復される単位セルの３次元格子を画定する。３次元格子構造は、例えば、任意の所望のサイズ、形状、または構成で、および任意の所望の数または組み合わせの単位セルを用いて、付加製造技術を使用して、迅速かつ正確に製造することができる。３次元格子内のバッフルセルの配置は、３次元格子の配置を変更することなく修正することができる。このように、同じ３次元格子構成から出発して、多種多様な流路を設けてもよい。例えば、流路は、３次元格子の構成を変更することなく、特定の用途に合わせてカスタマイズすることができる。
【００２４】
流路は、改善された熱伝達を提供することができる所望の熱伝達特性を提供するように選択することができる。例えば、バッフルセルは、熱交換器の有効長さを増大させることができ、一方、部分経路セルおよび対応する丸みを帯びた単位セル入口は、圧力損失を低減することができる。加えて、バッフルセルは、３次元格子に付加された構造的支持を提供してもよい。バッフルセルは、任意の所望の構成で３次元格子内に設けられてもよく、熱交換器の３次元格子構造を通って流れる各別個の流体が、それ自体の独立した流路に追従することを可能にする。複数のバッフルセルは、３次元格子を通って流れ１つまたは複数の流体のための流路を画定することができる。
【００２５】
経路セルは、反復単位セルの３次元格子に部分的な位相シフトを導入する部分経路セルを含むことができ、反復単位セルは、第１流体ドメインおよび第２流体ドメインの両方への丸みを帯びた単位セル入口を含むことができる。このような丸みを帯びた単位セル入口は、単位セルの入口形状に対応する抵抗係数Ｋに従って、単位セルに入る流体の圧力損失を下げるか、あるいは最小化する。
【００２６】
現在開示されている熱交換器および３次元格子構造および対応する単位セルは、任意の所望の設定で採用されてもよい。一例として、現在開示されている熱交換器および３次元格子構造を、ターボ機械に関連して、または電気機械に関連して採用してもよい。そのようなターボ機械および／または電気機械を利用することができるいくつかの例には、航空機、船舶、自動車、発電施設、製造施設、産業機械などが含まれる。航空機の文脈において、ターボ機械は、ターボファンエンジンの形態をとることができ、電気機械は、このようなターボ機械エンジンに電力を供給するために使用することができる。そのような航空機は、商用、軍用、または民間の航空機、ならびに無人航空機、電気回転翼航空機、無人機などの無人航空機を含むことができる。発明開示されている熱交換器および３次元格子構造ならびに対応する単位セルは、多数の他の設定で使用されてもよく、発明開示されている熱交換器および３次元格子構造ならびに対応する単位セルは、本開示の範囲または思想から逸脱することなく、任意の設定で実施されてもよいことが理解されるであろう。
【００２７】
ここで、本開示の様々な実施形態をより詳細に説明する。図１を参照すると、例示的な熱交換器１００が示されている。熱交換器１００は、本体１０２を含み、本体内には、複数の一体的に形成された隣接する単位セル（図２Ａ〜図２Ｈ）が配置され、これらは、共に、反復単位セルの３次元格子１０４を画定する（図３Ａ〜図３Ｃ）。熱交換器１００は、少なくとも２つの流体が反復単位格子の３次元格子１０４を通って流れるための経路を含む。図示の実施形態は、２つの経路を含むが、本開示の思想または範囲から逸脱することなく、追加の経路が提供されてもよいことが理解されるであろう。実際、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上の経路を含む、任意の所望の数の経路を提供することができる。図示のように、第１流路１０６は、第１流体が反復する単位セルの３次元格子１０４を通って流れることを可能にし、第２流路１０８は、反復する単位セルの３次元格子１０４を通って第２流体が流れることを可能にする。本明細書で説明するように、第１流路１０６は、第１流体が流れる第１分岐流体ドメインを含み、第２経路は、第２流体が流れる第２分岐流体ドメインを含む。
【００２８】
熱交換器１００は、熱交換器の本体１０２に動作可能に連結されるか、または一体的に形成される１つまたは複数の入口マニホルドおよび／または出口マニホルドを含んでもよい。図示のように、第１流体入口マニホルド１１０および第１流体出口マニホルド１１２は、熱交換器１００の本体１０２に動作可能に連結されるか、または一体的に形成されてもよい。第１流体入口マニホルド１１０の内面は、第１分岐流体ドメインの第１流体入口領域１１６と流体連通する第１流体入口プレナム１１４を画定する。第１流体出口マニホルド１１２の内面は、第１分岐流体ドメインの第１流体出口領域１２０と流体連通する第１流体出口プレナム１１８を画定する。さらに、第２流体入口マニホルド１２２および第２流体出口マニホルド１２４は、熱交換器１００の本体１０２に動作可能に連結されるか、または一体的に形成される。第２流体入口マニホルド１２２の内面は、第２分岐流体ドメインの第２流体入口領域１２８と流体連通する第２流体注入口プレナム１２６を画定する。第２流体出口マニホルド１２４の内面は、第２分岐流体ドメインの第２流体出口領域１３２と流体連通する第２流体出口プレナム１３０を画定する。
【００２９】
熱交換器１００は、例えば、第１流体入口マニホルド１１０および第１流体出口マニホルド１１２のような、熱交換器１００にそれぞれ動作可能に連結または一体的に形成された１つ以上のパイプ等によって提供される、第１流体源１３４および／または第１流体目的地１３６と流体連絡状態にあってもよい。第１流体源１３４は、第１流体１３８を熱交換器１０２に提供し、第１流体１３８は、本明細書に記載されるように、第１分岐流体領域を通って流れる。熱交換器１０２を出た後、第１流体１３８は、第１流体目的地１３６に流れてもよい。同様に、熱交換器１００は、例えば、第２流体入口マニホルド１２２および第２流体出口マニホルド１２４のような、熱交換器１００にそれぞれ動作可能に連結されるか、または一体的に形成される１つまたは複数のパイプ等によって提供される、第２流体源１４０および／または第２流体目的地１４２と流体連絡状態にあってもよい。第２流体源１４０は、第２流体１４４を熱交換器１０２に提供し、第２流体１４４は、本明細書に記載されるように、第２分岐流体領域を通って流れる。熱交換器１０２を出た後、第２流体１４４は、第２流体目的地１４２に流れてもよい。
【００３０】
第１流体１３８は、潤滑剤および／または冷却剤などのプロセス流体とすることができる。このようなプロセス流体は、例えば、ターボファンエンジンまたは電気機械のようなエンジンを潤滑および／または冷却するために使用することができる。第２流体１４４は、液体または空気などの冷却剤であってもよい。冷却剤のようなものは、例えば、プロセス流体のような第１流体１３８を冷却するために使用されてもよい。例示的な実施形態において、第１流体１３８は、ターボファンエンジンまたは電気機械から熱を抽出するために使用される液体冷却剤であり、第２流体１４４は、第１流体１３８を冷却するために使用される液体または空気である。
【００３１】
次に、図２Ａ〜２Ｈを参照して、３次元格子１０４の例示的な単位セルについて説明する。言及したように、複数の一体的に形成された隣接する単位セルは、反復する単位セルの３次元格子１０４を画定する。単位格子は、３次元格子１０４の各反復単位を表す、少なくとも４つの周辺平面によって画定される３次元空間を包含する。単位セルの周辺平面は、単位セルが包囲する３次元空間の周囲の一部に対応する二次元平面を包囲する。単位セルは、３次元格子の個々の反復単位に対応する任意の形状、大きさ、又は幾何形状を有していてもよい。３次元格子１０４を構成する単位セルは、それぞれが同一の形状、サイズ、又は幾何形状を有する必要はない。実際、反復単位セルの３次元格子１０４は、形状、サイズ、または幾何形状の任意の所望の組み合わせを有する反復パターンまたは単位セルの組み合わせを含んでもよいことが理解されるであろう。３次元格子１０４の周辺は、単位セルの反復パターンの存在によって識別されてもよいが、部分単位セルが３次元格子１０４に含まれてもよい。例として、部分単位格子は、３次元格子１０４の周辺として、またはその近くに、バッフルセルとして、またはその近くに、あるいは３次元格子１０４全体のどこかに含まれてもよい。本開示の目的のために、単位格子の反復パターンから逸脱する構造は、３次元格子１０４の一部とは見なされない。これは、熱交換器の本体１０２などの周辺構造、ならびに単位格子の反復パターンから逸脱する内部構造を含む。
【００３２】
単位セルは、１つ以上の単位セルドメインにセグメント化されてもよい。単位セルドメインは、ソリッドドメインまたは流体ドメインであり得る。示された実施形態は、ソリッドドメインによって分離された２つの流体ドメインを含むが、本開示の思想または範囲から逸脱することなく、追加の流体ドメインが提供されてもよいことが理解されるであろう。各追加の流体ドメインについて、追加のソリッドドメインが、追加の流体ドメインを他の流体ドメインから分離するために提供される。例えば、単位セルは、３つの流体ドメインおよび２つのソリッドドメイン、または４つの流体ドメインおよび３つのソリッドドメインなどを含み得る。実際、任意の所望の数のドメインを提供することができる。単位セルのソリッドドメインは、完全にソリッドであってもよく、または中空空間がソリッドドメイン内に位置していてもよい（すなわち、流体ドメインから隔離されていてもよい）。ソリッドドメイン内に位置する中空空間は、３次元格子構造の全体重量を減少させる可能性がある。
【００３３】
単位セルは、経路セルまたはバッフルセルであってもよい。単位セルが単位セルドメインにセグメント化される方法は、単位セルが経路セルであるかバッフルセルであるかを決定する。図２Ａおよび２Ｂは、例示的な経路セル２００を示し、図２Ｃ〜２Ｈは、例示的なバッフルセル２５０を示す。単位セルは、少なくとも４つの周辺平面を含む。図２Ａ〜２Ｈに示すように、単位セルは、６つの周辺平面を含むことができ、６つの周辺平面は、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、またはＺ軸に垂直に配向することができる。単位セルは、任意の所望の数の周辺平面を含むことができ、単位セルは、任意の所望の多面体の形態をとることができることが理解されよう。さらに、周辺平面は、任意の所望の向きで構成されてもよいことが理解されるであろう。
【００３４】
図２Ａおよび２Ｂを参照すると、経路セル２００は、少なくとも２つの別個の分岐した流体ドメインを画定するソリッドドメイン２０２を有する３次元格子１０４の単位セルを含み、流体は、この分岐した流体ドメインを通って、単位セルの各周辺平面まで、またはそれを横切って流れることができる。経路セル２００は、少なくとも４つの周辺平面を含む。図に示すように。２Ａおよび２Ｂ、経路セル２００は、６つの周辺平面を含み得る。６つの周辺平面は、それぞれ、Ｘ、Ｙ、またはＺ軸に垂直に向けられてもよい。経路セル２００は、複数の分岐流体ドメインを分離し画定するソリッドドメイン２０２を含む。分岐した流体ドメインは、流体が３次元格子１０４全体にわたって複数の方向に流れることを可能にする分岐を有する。任意の数の分岐部を設けることができることが理解されよう。このような分岐流体ドメインの構成および配置は、３次元格子１０４を構成するそれぞれの単位セルのソリッドドメイン２０２の構成および配置によって規定され得る。
【００３５】
図示のように、経路セル２００は、第１分岐流体ドメイン２０４および第２分岐流体ドメイン２０６を画定するソリッドドメイン２０２を含む。第１分岐流体ドメイン２０４は、第１流体が経路セル２００の各周辺平面を横切って流れることができるように分岐する。図示のように、ソリッドドメイン２０２は、第１分岐流体ドメイン２０４を画定する内部経路−セル表面２０８と、第２分岐流体ドメイン２０６を画定する外部経路−セル表面２１０とを有する。ソリッドドメイン２０２は、完全にソリッドであってもよく、または内部経路−セル表面２０８と外部経路−セル表面２１０との間に位置する中空空間を有してもよい。
【００３６】
第１分岐流体ドメイン２０４は、第１流体１３８が経路セル２００の各周辺平面を横切って流れることができるように分岐する。図示のように、第１分岐流体ドメイン２０４は、３つの方向に分岐する経路（例えば、第１および第２周辺平面が法線方向を有する第１Ｘ経路２１２、第３および第４の周辺平面が法線方向を有する第１Ｙ経路２１４、および第５および第６の周辺平面が法線方向を有する第１Ｚ経路２１６）を含む。各々が内部経路−セル表面２０８を有する複数の一体的に形成された隣接した経路セル２００は、第１流体１３８が複数の経路セル２００を横切って流れるための第１分岐した流体ドメイン２０４を共に隣接して画定することができる。
【００３７】
第２分岐流体ドメイン２０６は、第２流体１４４が経路セル２００の各周辺平面を横切って流れることができるように分岐する。図示のように、第２分岐流体ドメイン２０６は、３つの方向に分岐する経路（例えば、第１および第２周辺平面が交差配向を有する第２Ｘ経路２１８、第３および第４の周辺平面が交差配向を有する第２Ｙ経路２２０、および第５および第６の周辺平面が交差配向を有する第２Ｚ経路２２２）を含む。各々が外部経路−セル表面２１０を有する複数の一体的に形成された隣接した経路セル２００は、第２流体１４４が複数の経路セル２００を横切って流れるための第２分岐した流体ドメイン２０６を共に隣接して画定することができる。
【００３８】
図２Ｃ〜２Ｈを参照すると、バッフルセル２５０は、ソリッドドメイン２５２の一部として一体的に形成された分岐経路ブラインド２５４、２５６を含むソリッドドメイン２５２を有する３次元格子１０４の単位セルを含む。バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、第１分岐流体ドメイン２０４への境界を画定する第１分岐経路ブラインド２５４、および／または第２分岐流体ドメイン２０６への境界を画定する第２分岐経路ブラインド２５６を含むことができる。バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、完全にソリッドであってもよく、または第１分岐流体ドメイン２０４および第２分岐流体ドメイン２０６の両方から隔離された中空空間を有してもよい。以下、図３Ａ〜３Ｃを参照して説明する。第１分岐経路ブラインド２５４を含む複数の一体的に形成された隣接バッフルセル２５０は、共に第１分岐経路バッフルを画定し、第２分岐経路ブラインド２５６を含む複数の一体的に形成された隣接バッフルセル２５０は、共に第２分岐経路バッフルを画定する。
【００３９】
バッフルセル２５０は、少なくとも４つの周辺平面を含む。示されるように、バッフルセルは、６つの周辺平面を含んでもよい。６つの周辺平面は、それぞれ、Ｘ、Ｙ、またはＺ軸に垂直に向けられてもよい。分岐経路ブラインド２５４、２５６は、分岐流体領域内の流体がバッフルセル２５０の少なくとも１つの周辺平面を横切って流れないように境界を画定する。境界は、バッフルセル２５０の分岐した流体ドメイン２０４、２０６から３次元格子１０４の隣接する単位セルへの流体の流れに関して、または隣接する単位セルの分岐した流体ドメイン２０４、２０６からバッフルセル２５０への流体の流れに関して規定されてもよい。分岐した経路ブラインドは、バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２のそのような部分を含み、それは、バッフルセル２５０のそのような周辺平面に関して分岐した流体ドメイン２０４、２０６へのそのような境界を定義する。バッフルセル２５０は分岐経路ブラインド２５４、２５６を含むが、いくつかの実施形態では、バッフルセル２５０は、流体が単位セルの１つ以上の外周面まで、またはそれを横切って流れることができる１つ以上の分岐流体ドメイン２０４、２０６も含むことができる。しかし、分岐経路ブラインド２５４、２５６が単位セル内に存在すると、経路セル２００とは対照的に、単位セルをバッフルセル２５０として区別する。分岐経路ブラインド２５４、２５６は、バッフルセル２５０の単一の周辺平面、バッフルセル２５０のすべての周辺平面、またはバッフルセル２５０の周辺平面のサブセットを含む、１つまたは複数の許容平面において分岐流体ドメインへの境界を画定することができる。
【００４０】
図２Ｃ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｈに示すように、バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、第１分岐流体ドメイン２０４への境界を画定する第１分岐経路ブラインド２５４を含むことができる。第１分岐経路ブラインド２５４を含む複数の一体的に形成された隣接バッフルセルは、図３Ａ〜３Ｃを参照して以下に説明するように、第１分岐経路バッフルを共に提供する。第１分岐経路ブラインド２５４は、バッフルセル２５０（図２Ｃおよび２Ｅ）の各周辺平面、またはバッフルセル（図２Ｆおよび２Ｈ）の周辺平面のサブセットへの境界を画定してもよい。経路セル２００のような別の単位セルに隣接する第１分岐経路ブラインド２５４では、第１分岐経路ブラインド２５４が第１分岐流体ドメイン２０４への境界を画定するので、第１分岐流体ドメイン２０４内の流体は、第１分岐経路ブラインド２５４を有するバッフルセル２５０の周辺平面を横切って流れないことがある。
【００４１】
バッフルセル２５０のソリッド領域２５２は、経路セル２００と同様に、第２分岐流体領域２０６を画定する外部バッフルセル表面２５８を含むことができる。示されるように、バッフルセル２５０の第２分岐流体ドメイン２０６は、３つの方向に分岐する経路を含む（例えば、第１および第２周辺平面が法線方向を有する第２Ｘ経路２１８、第３および第４の周辺平面が法線方向を有する第２Ｙ経路２２０、および第５および第６の周辺平面が法線方向を有する第２Ｚ経路２２２）。外部バッフルセル表面２５８を有するバッフルセル２５０は、外部バッフルセル表面２５８も有する別のバッフルセルおよび／または外部経路セル表面２０８を有する経路セル２００に隣接してもよい。各々が外部バッフルセル表面２５８を有する複数の一体的に形成された隣接バッフルセル２５０は、第２流体１４４が複数のバッフルセル２５０を横切って流れるための第２分岐流体ドメイン２０６を共に隣接して画定することができる。さらに、または代替として、外部経路セル表面２１０を有する１つまたは複数の経路セル２００に隣接する外部バッフルセル表面２５８を有する１つまたは複数のバッフルセル２５０は、第２流体１４４が１つまたは複数のバッフルセル２５０および経路セル２００を横切って流れるための第２分岐流体ドメイン２０６をともに隣接して画定することができる。
【００４２】
図２Ｄ、２Ｅ、２Ｇ、および２Ｈに示すように、バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、第２分岐流体ドメイン２０６への境界を画定する第２分岐経路ブラインド２５６を含むことができる。第２分岐経路ブラインド２５６を含む複数の一体的に形成された隣接バッフルセル２５０は、図３Ａ〜３Ｃを参照して以下に説明するように、第２分岐経路バッフルを共に提供する。第２分岐経路ブラインド２５６は、バッフルセル２５０（図２Ｄおよび２Ｅ）の各周辺平面、またはバッフルセル（図２Ｇおよび２Ｈ）の周辺平面のサブセットへの境界を画定してもよい。さらに、バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、第１分岐した流体ドメイン２０４および第２分岐した流体ドメイン２０６（例えば、図２Ａおよび２Ｂ）の両方に対する境界をそれぞれ規定する、第１分岐した経路ブラインド２５４および第２分岐した経路ブラインド２５６（図２Ｅおよび２Ｈ）の両方を含み得る。経路セル２００のような別の単位セルに隣接する第２分岐経路ブラインド２５６では、第２分岐経路ブラインド２５４が第２分岐流体ドメイン２０６への境界を画定するので、第２分岐流体ドメイン２０６内の流体は、第２分岐経路ブラインド２５６を有するバッフルセル２５０の周辺平面を横切って流れることができない。
【００４３】
バッフルセル２５０のソリッド領域２５２は、経路セル２００と同様に、第１分岐流体領域２０４を画定する内部バッフルセル表面２６０を含むことができる。図示のように、バッフルセル２５０の第１分岐流体ドメイン２０４は、３つの方向に分岐する経路を含む（例えば、第１および第２周辺平面が法線方向を有する第１Ｘ経路２１２、第３および第４の周辺平面が法線方向を有する第１Ｙ経路２１４、および第５および第６の周辺平面が法線方向を有する第１Ｚ経路２１６）。内部バッフルセル表面２６０を有するバッフルセル２５０は、内部バッフルセル表面２６０も有する別のバッフルセルおよび／または内部経路セル表面２０８を有する経路セル２００に隣接してもよい。各々が内部バッフルセル表面２６０を有する複数の一体的に形成された隣接バッフルセル２５０は、第１流体１３８が複数のバッフルセル２５０を横切って流れるための第１分岐流体ドメイン２０４を共に隣接して画定することができる。加えて、または代替として、内部経路セル表面２０８を有する１つ以上の経路セル２００に隣接する内部バッフルセル表面２６０を有する１つ以上のバッフルセル２５０は、第１流体１３８が１つ以上のバッフルセル２５０および経路セル２００を横切って流れるための第１分岐流体ドメイン２０４をともに隣接して画定し得る。
【００４４】
図２Ｅおよび２Ｈに示すように、バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、第１分岐経路ブラインド２５４および第２分岐経路ブラインド２５６の両方を含み得る。第１分岐経路ブラインド２５４は、第１分岐流体ドメイン２０４への境界を画定し、第２分岐経路ブラインド２５６は、第２分岐流体ドメイン２０６への境界を画定する。第１分岐経路ブラインド２５４および第２分岐経路ブラインド２５６は、それぞれ、バッフルセル２５０（図２Ｅ）の各周辺平面への境界、またはバッフルセルの周辺平面のサブセット（図２Ｈ）への境界を画定することができる。図２Ｅに示すように、バッフルセル２５０のソリッドドメイン２５２は、バッフルセル２５０の全体を占有することができる。あるいは、図２Ｈに示すように、バッフルセル２５０のソリッド領域２５２は、第２分岐流体領域２０６を画定する外部バッフルセル表面２５８と、第１分岐流体領域２０４を画定する内部バッフルセル表面２６０とを含むことができる。
【００４５】
次に、図３Ａ〜３Ｃを参照して、熱交換器１００の例示的な３次元格子１０４を更に詳細に論じる。図３Ａ〜３Ｃに示す例示的な熱交換器１００は、反復単位セルの３次元格子１０４を含む。３次元格子１０４は、複数の一体的に形成された隣接する単位セルによって規定される。単位セルは、複数の経路セル２００と複数のバッフルセル２５０とを含み、各バッフルセルは３次元格子に適合する。複数の経路セル２００は、第１流体１３８が複数の経路セル２００を横切って流れるための第１分岐流体ドメイン２０４を隣接して画定する内部経路−セル表面２０８を含むソリッドドメイン２０２を有する。複数の経路セル２００のソリッドドメイン２０２は、第２流体１４４が複数の経路セル２００を横切って流れるための第２分岐流体ドメイン２０６を隣接して画定する外部経路−セル表面２１０をさらに含む。複数のバッフルセル２５０は、複数の経路セル２００の間に一体的に形成される。複数のバッフルセル２５０は、１つ以上の第１分岐経路ブラインド２５４および／または１つ以上の第２分岐経路ブラインド２５６を含むソリッドドメイン２５２を有する。
【００４６】
例示的な３次元格子１０４は、１つまたは複数の第１分岐経路バッフル３００および／または１つまたは複数の第２分岐経路バッフル３０２を含むことができる。第１分岐経路バッフル３００は、１つ以上の第１分岐経路ブラインド２５４および／または１つ以上の第２分岐経路ブラインド２５６を有するバッフルセル２５０を含み得る。第２分岐経路バッフル３０２は、第２分岐経路ブラインド２５６及び／又は１以上の第１分岐経路ブラインド２５４を有するバッフルセル２５０を含むことができる。各々が第１分岐経路ブラインド２５４を共に含む複数の一体的に形成された隣接バッフルセルは、第１分岐流体ドメイン２０４に対する境界を隣接して画定する３次元格子１０４内の第１分岐経路バッフル３００を提供する。第２分岐経路ブラインド２５６を共に含む複数の一体的に形成された隣接バッフルセル２５０は、第２分岐流体ドメイン２０６への境界を隣接して画定する３次元格子１０４内に第２分岐経路バッフル３０２を提供する。３次元格子は、各々が第１分岐流体ドメイン２０４への境界を隣接して画定する１つ以上の第１分岐経路バッフル３００を含むことができる。加えて、または代替として、３次元格子は、各々が第２分岐流体ドメイン２０６への境界を隣接して画定する１つ以上の第２分岐経路バッフル３０２を含んでもよい。
【００４７】
第１分岐経路バッフル３００は、経路セル２００の外部経路セル表面２１０の少なくとも一部と隣接する外部バッフルセル表面２５８を含むことができる。そのような外部バッフルセル表面２５８は、第２分岐流体ドメイン２０６をさらに隣接して画定し、第２流体１４４が、第１分岐経路ブラインド２５４の少なくとも１つを含む複数のバッフルセル２５０を横切って流れることを可能にする。第２分岐経路バッフル３０２は、内部経路セル表面２０８の少なくとも一部と隣接する内部バッフルセル表面２６０を含むことができる。そのような内部バッフルセル表面２６０は、第１分岐流体ドメイン２０４をさらに隣接して画定し、第１流体１３８が、第２分岐経路バッフルのうちの少なくとも１つを備える複数のバッフルセル２５０を横切って流れることを可能にする。
【００４８】
複数の経路セル２００の内部経路−セル表面２０８および１つ以上の第１分岐経路バッフル３００は、共に、第１流体１３８が第１分岐流体ドメイン２０４を通って流れるための第１分岐蛇行流路１０６を画定する。限定ではなく例として、第１分岐蛇行流路１０６は、ワンパス構成、ツーパス構成、マルチパス構成、スプリットフロー構成、複合フロー構成、およびスパイラルフロー構成を含むことができる。第１分岐蛇行流路１０６は、第２蛇行流路１０８と部分的または全体的に重なっていてもよい。第１分岐蛇行流路１０６は、第２分岐蛇行流路１０８と１回以上交差してもよい。第１分岐蛇行流路１０６は、第２分岐経路ブラインド２５６を有するバッフルセル２５０の少なくともいくつかを通過することができる。第２分岐蛇行流路１０８は、第１分岐経路ブラインド１５６を有するバッフルセル２５０の少なくともいくつかを通過することができる。
【００４９】
複数の経路セル２００の外部経路−セル表面２１０および１つ以上の第２分岐経路バッフル３０２は、共に、第２流体１４４が第２分岐流体ドメイン２０６を通って流れるための第２分岐蛇行流路１０８を画定する。任意の流れ方向が、第１分岐蛇行流路１０６および第２分岐蛇行流路１０８に対して提供されてもよい。限定ではなく例として、第２分岐蛇行流路１０８は、ワンパス構成、ツーパス構成、マルチパス構成、スプリットフロー構成、複合フロー構成、およびスパイラルフロー構成を含むことができる。
【００５０】
第１分岐蛇行流路１０６および第２分岐蛇行流路１０８は、任意の所望の構成で互いに対して配向されてもよい。一例として、かつこれに限定されないが、第１分岐蛇行流路１０６の少なくとも一部および第２分岐蛇行流路１０８の少なくとも一部は、平行流方向、逆流方向、および／または横断流方向を有する互いに対して構成および配置されてもよい。図３Ａ〜３Ｃに示される３次元格子１０４について、第１分岐蛇行流路１０６および第２分岐蛇行流路１０８は、３次元格子１０４の上部左側領域の少なくとも一部の周囲に平行流配向、３次元格子１０４の下部中央領域の少なくとも一部の周囲に逆流配向、および３次元格子１０４の右側領域の少なくとも一部の周囲に横断流配向を有する。
【００５１】
バッフルセル２５０は、任意の所望の構成または配置で３次元格子１０４全体にわたって選択的に配置されてもよく、任意の所望の構成および配置で流路１０６、１０８を可能にすることが理解されるであろう。そのように、流路１０６、１０８は、熱交換器１００全体にわたって改善された熱伝達を提供するように選択的に構成され、配置されてもよい。
【００５２】
熱交換器１００の動作中、第１流体１３８は、一般に第１蛇行流路１０６に続いて３次元格子１０４の第１分岐流体ドメイン２０４を流れ、第２流体１４４は、一般に第２蛇行流路１０８に続いて、３次元格子１０４の第２分岐流体ドメイン２０６を流れる。第１流体１３８は、比較的高温の流体であってもよく、第２流体１４４は、比較的低温の流体であってもよく、またはその逆であってもよい。熱は、第１流体ドメイン２０４を第２流体ドメイン２０６から分離するソリッドドメイン２０２、２５２を通して、第１流体と第２流体との間を移動し得る。
【００５３】
第１流体１３８は、第１流体入口プレナム１１４から、第１分岐流体ドメイン２０４の第１流体入口領域１１６へと流れ、第１分岐蛇行流路１０６を通って、第１分岐流体ドメイン２０４の出口領域１２０を通って、第１流体出口プレナム１１８へと流れる。第２流体１４４は、第２流体入口プレナム１２６から、第２分岐流体ドメイン２０６の第２流体入口領域１２８へと流れ、第２分岐蛇行流路１０８を通って、第２分岐流体ドメイン２０６の出口領域１３２を通って、第２流体出口プレナム１３０へと流れる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、３次元格子構造に入る流体は、著しい圧力損失を呈し得る。典型的には、せん断応力は、境界層の厚さが最小である３次元格子１０４のそれぞれの単位セル入口で最も高い。せん断応力が沈下すると境界層が厚くなり、流体は完全に発達した流れ特性を示す可能性がある。圧力損失は、それぞれの流体入口プレナムとそれぞれの流体ドメインの入口領域との間の界面における単位セルの入口幾何学形状に対応する抵抗係数Ｋで記述することができる。抵抗係数Ｋを決定するためのいくつかの方法が当技術分野で知られている。一例として、抵抗係数Ｋは、以下のように計算することができる。ここで、ｆは摩擦係数であり、Ｌは単位格子入口の等価長さであり、Ｄは単位格子の内径または断面である。より大きな抵抗係数は、単位セルの入口を横切るより大きな圧力損失に対応する。いくつかの実施態様において、単位セル入口の等価長さＬを減少させることによって、抵抗係数Ｋを最小化又は低下させることができる。より低い抵抗係数Ｋは、単位セルの入口を横切るより小さな圧力損失に対応する。
【００５５】
【数１】
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【００５６】
種々の単位セル入口の幾何形状に対する典型的な抵抗係数、Ｋ値が、図４に提供される。入口プレナムに面するフラッシュ又は角張った縁を有する入口を有する単位セルは、０．４〜０．６の間、又は０．４５〜０．５５の間のように、約０．５の抵抗係数Ｋを有することができる。入口プレナムに対向する外向きに突出する入口を有する単位セルは、０．７〜０．８５の間、または０．７５〜０．８の間など、約０．７８の抵抗係数Ｋを有してもよい。対照的に、入口プレナムに対向する丸みを帯びた単位セル入口を有する単位セルは、かなり低い抵抗係数Ｋを有し得、これは、次のように計算され得る。ここで、ｆは摩擦係数、ｒは丸みを帯びた単位セル入口の半径、Ｄは単位セルの内径または断面である。丸みを帯びた単位セル入口を有する単位セルの抵抗係数Ｋは、０．０２〜０．４、例えば０．０４〜０．３５、例えば０．０２〜０．０９、例えば０．０４〜０．１５、例えば０．０９〜０．２４、例えば０．１５〜０．２８、例えば０．２４〜０．３であってよい。丸みを帯びた単位セル入口を有する単位セルの抵抗係数Ｋは、０．０２より大きく０．４未満、例えば０．３以下、例えば０．２８以下、例えば０．２４以下、例えば０．１５以下、例えば０．０９以下、例えば０．０４以下であってもよい。
【数２】
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【００５７】
図２Ａおよび２Ｂに示すように、経路セル２００が、第１流体注入口プレナム１１４に隣接して配置される場合に、第１流体入口プレナム１１４に対向する第１流体ドメイン２０４へのフラッシュまたは角張った縁を有する入口を提供し得るソリッドドメイン２０２を含む。いくつかの実施形態では、図２Ａおよび２Ｂに示すように、経路セルのソリッドドメイン２０２は、第１流体ドメイン２０４への外側に突出する入口を提供し得る。一方、経路セル２００のソリッドドメイン２０２は、図２Ａおよび２Ｂに示されているように、第２流体入口プレナム１２６に隣接して配置されたときに、第２流体ドメイン２０６への丸みを帯びた単位セル入口を提供することができる外部経路セル表面２１０を含む。第２流体ドメイン２０６へのそのような丸みを帯びた単位セル入口は、有利には、最小化されたまたは低下された抵抗係数Ｋを示すが、第１流体ドメインへの角張った縁または外向きに突出する入口は、第２流体ドメインへの入口に対してはるかに高い抵抗係数Ｋを示すことができる。
【００５８】
しかしながら、いくつかの実施形態では、反復単位セルの３次元格子１０４は、第１流体ドメインおよび第２流体ドメインの両方への丸みを帯びた単位セル入口を含むことができる。これは、例えば、３次元格子１０４を画定する複数の一体的に形成された隣接する単位セルの中に複数の部分単位セル３０４を含むことによって達成され得る。複数の部分単位セル３０４は、同様に一体的に形成され、隣接しており、同様に、反復する単位セルの３次元格子１０４のそれぞれの部分を画定する。このような部分的な単位セル３０４は、反復する単位セルの３次元格子１０４に部分的な位相シフトを導入する。位相シフトの大きさは、単位セル全体に対する部分単位セル３０４の割合に対応する。部分単位セル３０４は、位相の１／８から位相の７／８までのような、位相の１／１６から１５／１６までの範囲の部分的な位相シフトを導入することができ、例えば、位相の３／８から５／８までのような、位相の１／４から３／４までの部分的な位相シフトを導入することができる。例示的な実施形態では、部分的な位相シフトは、位相の１／２である。
【００５９】
部分的単位セル３０４は、第１流体入口領域１１６（例えば、第１流体入口プレナム１１４に隣接する）、第２流体入口領域１２８（例えば、第２流体入口プレナム１２６に隣接する）、および／または３次元格子１０４の中間領域を含む、３次元格子１０４の任意の所望の位置に設けられてもよい。部分単位セルは、部分経路セル２００および／または部分バッフルセル２５０であってもよい。例えば、部分バッフルセル２５０は、第１分岐経路ブラインド２５４及び／又は第２分岐経路ブラインド２５６を含むことができる。
【００６０】
図３Ａ〜３Ｃに示すように、一実施形態では、第１流体入口プレナム１１４（図１）に隣接することができる第１流体入口領域１１６に複数の部分経路セル３０４が設けられる。そのように、反復する単位セルの３次元格子１０４は、第１流体ドメイン２０４への丸みを帯びた第１単位セル入口３０６を含む。部分経路セル３０４および第１流体ドメイン２０４への対応する丸みを帯びた第１単位セル入口３０６は、図５Ａ〜５Ｃにより明確に示されている。図示されるように、第１流体１３８は、部分経路セル３０４の内部経路−セル表面２０８によって画定される丸みを帯びた流路５００に従う。３次元格子１０４は、第２流体ドメイン２０６への丸みを帯びた第２単位セル入口３０８も含む。経路セル２００の外部経路−セル表面２１０に対応する第２流体ドメイン２０６への丸みを帯びた第２単位セル入口３０８が、図６Ａ〜６Ｃにより示されている。図示されるように、第２流体１４４は、経路セル２００の内部経路−セル表面２０８によって画定される丸みを帯びた流路６００に従う。別の実施態様において、反復する単位セルの３次元格子１０４のすべて又は一部を部分位相だけシフトさせることができ、複数の部分単位セル３０４を第２流体入口プレナム１２６（図１）に隣接して設けることができ、同様に、第１流体ドメイン２０４に丸みを帯びた第１単位セル入口３０６を、第２流体ドメイン２０６に丸みを帯びた第２単位セル入口３０８を設ける。
【００６１】
熱交換器１００の様々な態様を製造するために、３次元格子１０４およびそのそれぞれの単位セル、ならびに本明細書で説明する様々な他の構成要素を含む、任意の所望の技術を使用することができる。そのような様々な構成要素を製造するために使用され得る技術には、付加製造、機械加工、穿孔、鋳造、またはそれらの組み合わせ、あるいは任意の他の技術が含まれる。付加製造プロセスは、（従来の機械加工プロセスのような材料除去とは対照的に）層ごとの構成または付加製造を含む任意のプロセスを含むことができる。このようなプロセスは、「急速製造プロセス」とも呼ばれる。付加製造プロセスには、直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ）、レーザーネット形状製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、インクジェットおよびレーザージェットによるような３Ｄ印刷、バインダージェット（ＢＪ）、材料ジェット（ＭＪ）、フォトポリマージェット（ＰＪ）、ステロリソグラフィー（ＳＬＡ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、溶融蒸着モデリング（ＦＤＭ）、レーザー工学的ネットシェーピング（ＬＥＮＳ）、直接金属蒸着（ＤＭＤ）、およびハイブリッドプロセス（ＨＰ）などが含まれるが、これらに限定されない。
【００６２】
熱交換器１００の様々な態様を製造するために、３次元格子１０４およびそのそれぞれの単位セル、ならびに本明細書に記載される様々な他の構成要素を含む、任意の所望の材料を使用することができる。このような種々の構成要素を製造するために使用され得る材料は、アルミニウム合金、鋼合金、チタン合金、ニッケル合金（例えば、超合金）、およびセラミック基複合材料（ＣＭＣ）材料のような複合材料を含む。例示的なＣＭＣ材料は、炭化ケイ素、ケイ素、シリカ、またはアルミナマトリックス材料、およびそれらの組合せを含むことができる。セラミック繊維、例えば、サファイアおよび炭化ケイ素のようなモノフィラメントを含む酸化安定性強化繊維、炭化ケイ素を含むヤーン、アルミナシリケート、ならびにチョップドウィスカーおよび繊維、ならびに任意選択でセラミック粒子（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙ、およびそれらの組み合わせの酸化物）および無機充填剤（例えば、パイロフィライト、ウォラストナイト、マイカ、タルク、キアナイト、およびモンモリロナイト）などをマトリックス内に埋め込むことができる。さらなる例として、ＣＭＣ材料はまた、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または炭素繊維布を含んでもよい。いくつかの実施態様において、３次元格子１０４を形成する材料は、熱伝導性材料などの熱伝達を促進するように適合された材料であってもよい。
【００６３】
本明細書は、例示的な実施形態を使用して、最良の形態を含む、現在開示されている主題を説明し、また、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、任意の当業者がそのような主題を実施することを可能にする。本開示の主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語と実質的に異なる同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
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