JP2019535987A - Structural heat exchanger - Google Patents
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Abstract
いくつかの実施形態において、液体燃料がエンジンのある領域(例えばチャンバ)の周囲を通って移動するときに液体燃料を冷却剤として使用する構造的熱交換器が提示される。熱交換器の冷却剤チャネルの形状は、より高い冷却特性が要求される可能性がある領域のエリアを考慮して、領域の頂部に進むにつれてピッチ角を変えるように構成することができる。いくつかの実施形態において、冷却剤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、均一の圧力で冷却剤チャネルを通る流体の通過を押し上げるように構成することができ、流体の体積が減少するにもかかわらずより遠くへ流体が最初の入力地点から移動する。いくつかの実施形態において、これは、徐々に減少する半径方向断面を有する環状に成形された燃料ダイバータとして実施されてもよい。【選択図】図6In some embodiments, a structural heat exchanger is provided that uses liquid fuel as a coolant as the liquid fuel moves around an area (eg, a chamber) of the engine. The shape of the coolant channel of the heat exchanger can be configured to change the pitch angle as it goes to the top of the region, taking into account the area of the region where higher cooling characteristics may be required. In some embodiments, the fuel diverter that allows for the first passage of fuel through the coolant channel can be configured to boost the passage of fluid through the coolant channel at a uniform pressure, and the volume of the fluid Fluid moves from the initial point of entry further away despite a decrease in. In some embodiments, this may be implemented as an annular shaped fuel diverter with a gradually decreasing radial cross section. [Selection diagram] FIG.
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2016年9月1日に出願され、“STRUCTURAL HEAT EXCHANGER(構造的熱交換器)”と題された米国仮特許出願第62/382,722号の利益を主張する。その開示内容は完全な形でそしてあらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 62 / 382,722, filed September 1, 2016 and entitled “STRUCTURE HEAT EXCHANGER”. To do. The disclosure is incorporated herein by reference in its entirety and for all purposes.
本明細書に開示されている主題は、概して、冷却剤システムに関する。より具体的には、本開示は、様々な産業上の利用可能性を有する構造的熱交換器に関する。 The subject matter disclosed herein generally relates to coolant systems. More specifically, the present disclosure relates to structural heat exchangers having various industrial applicability.
従来、工業用途のための冷却剤システムは除去的製造方法を用いて製造されており、これは、より大きな材料が使用され、所望の構造が形成されるまで少しずつ削られることを意味している。それ故、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。加えて、冷却剤システムは、従来複数の部品で構築されており、互いに溶接し結合する必要がある。製造および複製性を容易にするために、これらの設計は、したがって、多数の破損点または他の高応力領域を示す。さらに、より信頼性のある除去的製造方法を利用するために、熱伝達のための最適形状および冷却設計は使用されない。したがって、熱交換冷却剤システムおよびそれらの様々な構成要素を作る新しい方法を開発することが望ましい。 Traditionally, coolant systems for industrial applications are manufactured using a removable manufacturing method, which means that larger materials are used and are scraped in small increments until the desired structure is formed. Yes. Therefore, these designs are limited by the manufacturing method used. In addition, coolant systems are conventionally constructed with multiple parts and need to be welded and joined together. In order to facilitate manufacturing and replication, these designs therefore exhibit a number of breakage points or other high stress areas. Furthermore, the optimal shape and cooling design for heat transfer is not used in order to take advantage of more reliable ablation manufacturing methods. Therefore, it is desirable to develop new methods of making heat exchange coolant systems and their various components.
本開示の態様は、積層造形技術を使用して作製することができる最適な熱伝達および冷却特性を有する構造的熱交換器設計について提示される。 Aspects of the present disclosure are presented for structural heat exchanger designs with optimal heat transfer and cooling characteristics that can be made using additive manufacturing techniques.
いくつかの実施形態において、熱交換器は、周囲の量に対して大量の熱を含む領域を少なくとも部分的に囲む壁と、壁内の空いたチャネル空間によってそれぞれ画定される複数の冷却剤チャネルであって、流体が壁内を流れることを可能にするように構成される複数の冷却剤チャネルとを含むハウジングを含み、ハウジングは積層造形法を用いて作製される。 In some embodiments, the heat exchanger includes a plurality of coolant channels that are each defined by a wall that at least partially surrounds a region that contains a large amount of heat relative to a surrounding amount, and an open channel space in the wall. And including a housing including a plurality of coolant channels configured to allow fluid to flow through the wall, the housing being fabricated using additive manufacturing.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、豆の形状の断面領域の少なくとも一部を有する。 In some embodiments of the heat exchanger, each of the plurality of coolant channels has at least a portion of a bean-shaped cross-sectional area.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、丸みを帯びた隅部を有する台形の形状の断面領域の少なくとも一部を有する。 In some embodiments of the heat exchanger, each of the plurality of coolant channels has at least a portion of a trapezoidal shaped cross-sectional area having rounded corners.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、平行な凹状曲線を有する形状を有する断面領域の少なくとも一部を有し、凹状曲線のうちの1つは高熱量領域に最も近い内壁側に最も近い位置にあり、第2の凹状曲線は高熱量領域から最も遠い外壁側に最も近い位置にある。 In some embodiments of the heat exchanger, each of the plurality of coolant channels has at least a portion of a cross-sectional area having a shape with parallel concave curves, one of the concave curves being a high heat quantity region. The second concave curve is at a position closest to the outer wall side farthest from the high heat quantity region.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、壁の1つまたは複数の機能的または構造的特性を定める複数の境界条件を満たすことによって定められる形状の断面領域の少なくとも一部を有する。いくつかの実施形態において、複数の境界条件は以下を含む:壁が満たさなければならない少なくとも1つの熱条件;壁が満たさなければならない少なくとも1つの構造条件;壁が満たさなければならない壁に関する少なくとも1つの材料特性;および複数の冷却剤チャネルが満たさなければならない冷却剤チャネルの少なくとも1つの材料特性。いくつかの実施形態において、複数の境界条件は、冷却剤チャネルの第1の位置に適用される第1の複数の境界条件であり、複数の冷却剤チャネルのそれぞれは、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たすことによって定められる第2の形状の断面領域の少なくとも一部を第2の位置に有する。 In some embodiments of the heat exchanger, each of the plurality of coolant channels has a cross-sectional area of a shape defined by satisfying a plurality of boundary conditions that define one or more functional or structural properties of the wall. Have at least a portion. In some embodiments, the plurality of boundary conditions include: at least one thermal condition that the wall must satisfy; at least one structural condition that the wall must satisfy; at least one for the wall that the wall must satisfy One material property; and at least one material property of the coolant channel that the plurality of coolant channels must satisfy. In some embodiments, the plurality of boundary conditions is a first plurality of boundary conditions applied to a first location of the coolant channel, and each of the plurality of coolant channels includes a first plurality of boundary conditions. The second position has at least a part of the cross-sectional area of the second shape defined by satisfying a plurality of second boundary conditions different from the conditions.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのピッチ角が壁内の異なる位置で変化する。 In some embodiments of the heat exchanger, the pitch angle of the plurality of coolant channels varies at different locations within the wall.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルのうちの少なくとも1つは、第1の形状に成形された第1の断面領域を第1の位置に、および第2の形状に成形された第2の断面領域を第2の位置に含む。いくつかの実施形態において、第1の形状は豆の形状であり、第2の形状は楕円形である。 In some embodiments of the heat exchanger, at least one of the plurality of coolant channels has a first cross-sectional area shaped in a first shape in a first position and in a second shape. The molded second cross-sectional area is included at the second position. In some embodiments, the first shape is a bean shape and the second shape is an ellipse.
熱交換器のいくつかの実施形態において、複数の冷却剤チャネルは、壁内の異なる位置で断面領域のサイズが変化する。 In some embodiments of the heat exchanger, the plurality of coolant channels vary in cross-sectional area size at different locations within the wall.
熱交換器のいくつかの実施形態において、壁はシリンダとして成形されている。 In some embodiments of the heat exchanger, the wall is shaped as a cylinder.
熱交換器のいくつかの実施形態において、壁は複数の冷却剤チャネルの少なくとも一部を収容する平坦プレートを含む。 In some embodiments of the heat exchanger, the wall includes a flat plate that houses at least a portion of the plurality of coolant channels.
熱交換器のいくつかの実施形態において、ハウジングは積層造形法を用いて単一部品として作製される。 In some embodiments of the heat exchanger, the housing is made as a single part using additive manufacturing.
いくつかの実施形態が例として示され、添付の図面の図に限定されない。 Some embodiments are shown by way of example and are not limited to the figures of the accompanying drawings.
様々な産業用途向けの冷却剤システムは、それらの製造のために伝統的な除去的製造方法に依存している。結果として、それらの設計は使用される製造方法の制限を反映する。高性能工業用装置は、通常、2つ以上の部品で作られ、高圧領域を封止するためにOリングまたは他のガスケットを使用して互いに溶接または結合される。これらの設計は多数の破損点を示す。 Coolant systems for various industrial applications rely on traditional ablation manufacturing methods for their production. As a result, their design reflects the limitations of the manufacturing method used. High performance industrial devices are usually made of two or more parts and are welded or joined together using an O-ring or other gasket to seal the high pressure area. These designs exhibit a number of break points.
積層造形(AM:additive manufacturing)による冷却剤システムの製造は、これまでに見られなかった多数の改良を提供する。AM技術を使用して一連の熱交換器チャネルを単一部品で印刷する能力により、重量を軽減しながら耐久性と使いやすさが向上する。積層造形法が部品を製造することができる速度は、最も迅速な伝統的製造作業さえも追い越す。これまでに従来の製造方法では達成できなかった新しい形状を生み出す能力により、数え切れないほどの性能向上への扉が開かれた。 The manufacture of coolant systems by additive manufacturing (AM) provides a number of improvements not previously seen. The ability to print a series of heat exchanger channels in a single part using AM technology increases durability and ease of use while reducing weight. The speed at which additive manufacturing can produce parts overtakes even the quickest traditional manufacturing operations. The ability to create new shapes that could not be achieved with conventional manufacturing methods has opened the door to countless performance improvements.
実際、積層造形手法は、最も複雑な形状でさえも製造することを可能にする。これにより、設計者は従来型製造技術向けに設計する負担なしに最適化された構造を考案することができる。 In fact, additive manufacturing techniques make it possible to produce even the most complex shapes. This allows the designer to devise an optimized structure without the burden of designing for conventional manufacturing techniques.
本開示の態様は、積層造形技術を使用して作り出すことができる最適な熱伝達および冷却特性を有する構造的熱交換器設計について提示されている。熱交換器は、接合部も、結合具も、損傷の危険性を呈し得る他のいかなる領域も有さない単一部品として作製することができる。本明細書に記載の設計、および設計を導出するための原理は、結合具および他の外部ハードウェアの必要性を排除するために、産業用装置の重量を軽減し得る。一般に、産業用装置の重量は、必要な構造の周りに外部材料を含めることも排除するように最適化することができる。また、産業用装置は、より高い圧力を維持しながら、最小限のヘッドロスで燃料および他の流体のための最適な流れを有する、非常にエネルギー効率的であるように設計することができる。 Aspects of the present disclosure are presented for structural heat exchanger designs with optimal heat transfer and cooling characteristics that can be created using additive manufacturing techniques. The heat exchanger can be made as a single piece without joints, couplings, or any other area that can present a risk of damage. The design described herein and the principles for deriving the design may reduce the weight of industrial equipment to eliminate the need for couplers and other external hardware. In general, the weight of industrial equipment can be optimized to also exclude the inclusion of external materials around the required structure. Industrial equipment can also be designed to be very energy efficient with optimal flow for fuel and other fluids with minimal head loss while maintaining higher pressures.
いくつかの実施形態において、液体燃料が高温エンジンチャンバの周囲を通って移動するときに冷却剤として液体燃料を利用する構造的熱交換器が提示される。燃料ダイバータから始まり熱交換器通路を通って流れる冷却剤チャネルの形状は、より高い冷却特性が要求される可能性があるチャンバの領域を考慮して、高温エンジンチャンバの頂部に進むにつれて角度を変えるように構成することができる。いくつかの実施形態において、冷却剤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、均一の圧力で冷却剤チャネルを通る流体の通過を押し上げるように構成することができ、流体の体積が減少するにもかかわらずより遠くへ流体が最初の入力地点から移動する。いくつかの実施形態において、これは、徐々に減少する半径方向断面を有する環状に成形された燃料ダイバータとして実施されてもよい。 In some embodiments, a structural heat exchanger is presented that utilizes liquid fuel as a coolant as the liquid fuel moves through the perimeter of the hot engine chamber. The shape of the coolant channel that begins at the fuel diverter and flows through the heat exchanger passage changes angle as it goes to the top of the hot engine chamber, taking into account the region of the chamber where higher cooling characteristics may be required It can be constituted as follows. In some embodiments, the fuel diverter that allows the first passage of fuel through the coolant channel can be configured to boost the passage of fluid through the coolant channel at a uniform pressure, and the volume of fluid Despite the decrease, fluid moves further from the initial input point. In some embodiments, this may be implemented as an annular shaped fuel diverter having a gradually decreasing radial cross section.
いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルの断面領域は、特定の目的または境界条件を満たすように特別に成形されてもよい。例えば、境界条件は、冷却剤チャネルが工業用装置の壁に沿ってそしてその中の任意の特定の地点で熱歪みを減らすために一様な熱流束を生成すべきであることを指定し得る。いくつかの実施形態において、これは、台形の形状、または他の場合には豆形の形状の断面領域を有するように冷却剤チャネルを形成することによって達成され得る。いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルがエンジンの燃料噴射器部分に接近し、流体が分配されようとするときに、冷却剤チャネルの台形または豆形の形状は、チャネルの経路に沿って楕円形または円形の形状に徐々に変換され得る。 In some embodiments, the cross-sectional area of the coolant channel may be specially shaped to meet a particular purpose or boundary condition. For example, the boundary condition may specify that the coolant channel should generate a uniform heat flux to reduce thermal distortion along and at any particular point in the industrial equipment wall. . In some embodiments, this may be accomplished by forming the coolant channel to have a trapezoidal shape, or else a bean-shaped cross-sectional area. In some embodiments, when the coolant channel approaches the fuel injector portion of the engine and fluid is about to be dispensed, the trapezoidal or bean shape of the coolant channel is elliptical along the channel path. It can be gradually converted into a shape or a circular shape.
いくつかの実施形態において、複数の境界条件特性を満たすことに基づいて冷却剤チャネルの設計を導出するための方法が提示される。これらの特性は、特定の場所でさまざまなニーズを満たすように、内壁が特定の熱流束条件を満たすこと、チャネルを含む壁が特定の熱容量を満たすこと、チャネルの特定の部分が特定の圧力条件に達すること、およびこれらの特性をチャネルの経路に沿った様々な異なる地点で変更することを含むことができる。 In some embodiments, a method is provided for deriving a coolant channel design based on meeting a plurality of boundary condition characteristics. These characteristics are that the inner wall meets certain heat flux conditions, the walls containing the channel meet certain heat capacities, and certain parts of the channel meet certain pressure conditions to meet different needs at specific locations. And changing these characteristics at various different points along the channel's path.
いくつかの実施形態において、構造的熱交換器は、可変断面領域を有する複数の冷却剤チャネルを含む。さらに、任意の単一の冷却剤チャネルについて、断面領域は形状を徐々に変化させてそれらの位置における変化する境界条件を満たすことができる。いくつかの実施形態において、冷却剤チャネルのレイアウトは、円柱、平板、波状板、または本開示の原理と一致する他の配置の形状であり得る。 In some embodiments, the structural heat exchanger includes a plurality of coolant channels having variable cross-sectional areas. Furthermore, for any single coolant channel, the cross-sectional regions can gradually change shape to meet changing boundary conditions at their locations. In some embodiments, the coolant channel layout may be in the shape of a cylinder, plate, corrugated plate, or other arrangement consistent with the principles of the present disclosure.
本明細書に記載の様々な実施形態による構造的熱交換器は、ガスジェネレータターボ機械、発電熱交換器、自動車エンジン、HVACユニット、サーバ冷却モジュール、および発電所の原子炉や電力需要の高い様々な乗り物のような高性能の熱交換を必要とする用途を含む、多種多様な非限定的な工業用途で使用することができる。 Structural heat exchangers according to various embodiments described herein include gas generator turbomachines, power generation heat exchangers, automotive engines, HVAC units, server cooling modules, and power plant reactors and a variety of high power demands. It can be used in a wide variety of non-limiting industrial applications, including applications that require high performance heat exchange, such as modern vehicles.
図4は、熱交換器内の冷却剤チャネルのための文脈を提供し、本開示の新規かつ非自明な特徴を強調するための比較点として役立つ伝統的なエンジン設計の説明を提供する。ここでは、従来の製造方法を用いた典型的な再生冷却チャネルの断面形状が示されている。多材料の伝統的な製造は、長方形の再生冷却チャネルをもたらす傾向がある。 FIG. 4 provides a context for a coolant channel in a heat exchanger and provides a description of a traditional engine design that serves as a comparison point to highlight new and non-obvious features of the present disclosure. Here, the cross-sectional shape of a typical regenerative cooling channel using a conventional manufacturing method is shown. Traditional production of multi-materials tends to result in rectangular regenerative cooling channels.
前述のように、本開示の態様は、典型的なエンジン設計および製造において見られるこれらの問題のありとあらゆるものに対処するように設計および製造されたエンジン内に典型的に収容される再生冷却剤チャネルを有する構造的熱交換器を提供する。 As mentioned above, aspects of the present disclosure provide a regenerative coolant channel that is typically housed within an engine designed and manufactured to address any and all of these problems found in typical engine design and manufacture. A structural heat exchanger is provided.
図2〜7を参照して、いくつかの実施形態による、記載されたいくつかの問題に対処する燃料ダイバータの実施形態が考察される。 With reference to FIGS. 2-7, embodiments of a fuel diverter that address some of the described problems according to some embodiments will be discussed.
図2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。燃料がチャンバの頂部で噴射される前に燃料がエンジンの壁に沿って上向きに流れて冷却剤として作用することを可能にするために、燃料ダイバータがエンジンの底部に配置されてもよい。グレースケールの階調は、積層造形エンジンによる再生冷却の乱流シミュレーションを示している。このエンジンの方向転換セクションに存在する不均一な乱流は、無効なダイバータの設計を示している。 Referring to FIG. 2, a fuel diverter having a uniform annular radius is shown. A fuel diverter may be placed at the bottom of the engine to allow the fuel to flow upward along the engine wall and act as a coolant before it is injected at the top of the chamber. The gray scale gradation indicates a turbulent flow simulation of regenerative cooling by the additive manufacturing engine. The non-uniform turbulence present in this turning section of the engine indicates an invalid diverter design.
図3を参照すると、いくつかの実施形態による、減少する半径の環状部の形状の燃料ダイバータが提示されている。乱流を減少させ、燃料ダイバータによって供給される各再生冷却チャネル(例えば、48個の全冷却チャネル)への等しい質量流量の燃料を確実にするために、減少する半径の環状燃料ダイバータを使用することができる。環状部は、燃料入口の直径と等しい直径で始まり、各分岐チャネルに分岐する燃料の量に比例して減少する。これにより、各チャネルに供給される等しい質量流量を有する一定の圧力環状部が得られる。これにより、再生冷却によるチャンバ壁の均一な冷却が保証され、その後、取り付けられた燃料インジェクタ通路によって噴射される燃料の適切な分配が保証される。標準的な方向転換通路は、乱流による圧力降下を考慮していない。これは、様々な同一の方向転換チャネルの間で質量流量の予想外かつ不均一な分布をもたらす。そのような流体の不均一な分配は潜在的に破壊的なホットスポットおよび不安定性をもたらす可能性がある。 With reference to FIG. 3, a fuel diverter in the form of a decreasing radius annulus according to some embodiments is presented. Use a decreasing radius annular fuel diverter to reduce turbulence and ensure equal mass flow fuel to each regenerative cooling channel (eg, 48 total cooling channels) supplied by the fuel diverter be able to. The annulus begins with a diameter equal to the diameter of the fuel inlet and decreases in proportion to the amount of fuel that branches into each branch channel. This provides a constant pressure annulus with equal mass flow supplied to each channel. This ensures uniform cooling of the chamber walls by regenerative cooling and then ensures proper distribution of the fuel injected by the attached fuel injector passage. The standard turning path does not take into account the pressure drop due to turbulence. This results in an unexpected and non-uniform distribution of mass flow among the various identical turning channels. Such non-uniform distribution of fluid can result in potentially destructive hot spots and instabilities.
図4は、流体ダイバータから各チャネルを通して送出される流体の図を示す。グレースケールの階調は、各通路における圧力降下が同一であることを示しており、これは部分的には環状部の半径の減少によるものである。 FIG. 4 shows a diagram of the fluid delivered through each channel from the fluid diverter. The grayscale tone indicates that the pressure drop in each passage is the same, partly due to a decrease in the radius of the annulus.
図5は、いくつかの実施形態による、流体が流体ダイバータから分岐路に入るときの液体の方向および大きさの流れベクトルシミュレーションの図を示す。示されるように、乱流は、それが通路に入るときに概して均一に分配されるという点で、流体の分岐の方向は概して均一である。さらに、各流れベクトルの大きさは概して同じ長さであり、概して均一な圧力も示している。この図は、流体ダイバータの半径が減少しているため、各通路を表している可能性がある。 FIG. 5 shows a flow vector simulation diagram of liquid direction and magnitude as fluid enters the branch from the fluid diverter, according to some embodiments. As shown, the direction of fluid branching is generally uniform in that the turbulent flow is generally evenly distributed as it enters the passage. In addition, the magnitude of each flow vector is generally the same length, indicating a generally uniform pressure. This figure may represent each passage because the radius of the fluid diverter is decreasing.
一般に、図4および5に示されているダイバータ形状は、減少する環状ダイバータがどのようにして所望の質量流量を任意の数の通路に供給することができるかを示している。それは、幾何学的ドメインによって決定される流れ方向および流体経路が最大に一様であるところで常に燃料の指向性流れを維持する。この設計は、所望の質量流量を多くのオリフィスに供給することができる。オリフィス間の質量流の特定の不均一な分布が望まれる場合、分岐オリフィスは同一であってもサイズが異なってもよい。減少する環状ダイバータは、圧力または質量流量などの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。定圧環状部を形成するときにこれらの変化を考慮に入れることによって、様々な流体相、反応性、または非定常流の最適な流量を供給するためにもこれは使用することができる。 In general, the diverter configuration shown in FIGS. 4 and 5 shows how a decreasing annular diverter can deliver the desired mass flow rate to any number of passages. It always maintains a directional flow of fuel where the flow direction and fluid path determined by the geometric domain are maximally uniform. This design can supply the desired mass flow rate to many orifices. If a specific non-uniform distribution of mass flow between the orifices is desired, the branch orifices may be the same or different in size. A decreasing annular diverter can maintain a desired mass flow rate over a wide range of input conditions such as pressure or mass flow rate. It can also be used to provide optimal flow rates for various fluid phases, reactive or unsteady flows by taking these changes into account when forming the constant pressure annulus.
いくつかの実施形態によれば、本開示のダイバータ設計は他の流体通路にも適用され得る。例えば、減少する半径の本明細書に記載のダイバータの環状設計は、インジェクタオリフィスインターフェース、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降下で多数または複数の流体通路に流体を供給する流体通路の任意の組に適用できる。 According to some embodiments, the diverter design of the present disclosure may be applied to other fluid passages. For example, the divertor annular design described herein of decreasing radius utilizes an injector orifice interface, or generally one or a few fluid entry points, and can provide a large number or multiple fluid passages with a substantially uniform pressure drop. Applicable to any set of fluid passages for supplying fluid to
図6を参照すると、いくつかの実施形態による、エンジンの底部の半透明図が示されており、燃料ダイバータ610を他の構成要素との関連で示している。これらは、燃料入口605およびノズル615を含む。複数の冷却剤チャネルもまた示されている。示されるように、そして図7のより近接した図によれば、燃料ダイバータ610は、それがエンジンの底部の周囲を包むにつれて、その端部まではるかにより小さい半径を有する。いくつかの実施形態において、燃料ダイバータの端部は、閉ループを形成するために始点に接続されてもよく、他の場合には端部は切断される。図7はまた、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ているかを示す。
Referring to FIG. 6, a translucent view of the bottom of the engine is shown, according to some embodiments, showing the
図8A〜16を参照して、いくつかの実施形態による、上述したいくつかの問題に対処する再生冷却チャネルの実施形態を考察する。 With reference to FIGS. 8A-16, consider an embodiment of a regenerative cooling channel that addresses some of the problems discussed above, according to some embodiments.
再生(又は再生)冷却は、エンジンチャンバの内壁から熱を除去する手段として広く使用されている。冷却チャネルは内壁内に存在し、内壁は一般にエンジン全体または他の構造の一部としてケーシングまたはハウジング構造に含まれていてもよい。加圧流体が、チャンバ壁内に埋め込まれた、またはチャンバ壁の周りに巻き付けられたチャネルを通して供給される。この流体は、熱が流れ込む緩和流体として使用される。このプロセスはチャンバの壁を冷却し:材料の劣化、溶融、望ましくない相転移または粒子の変態を防ぎ、部品の寿命を延ばす。 Regenerative (or regenerative) cooling is widely used as a means of removing heat from the inner wall of the engine chamber. The cooling channel resides in the inner wall, which may generally be included in the casing or housing structure as part of the entire engine or other structure. Pressurized fluid is supplied through a channel embedded in or wrapped around the chamber wall. This fluid is used as a relaxation fluid into which heat flows. This process cools the chamber walls: preventing material degradation, melting, undesirable phase transitions or particle transformations and extending the life of the part.
標準的な再生冷却方式には、チャンバを小さな流体輸送チャネルで包むこと、長方形のチャネルをエンジンの壁に形成すること、および円形のチャネルをエンジンの壁に形成することが含まれる。積層造形は、伝統的な製造方法を用いては製造できないであろう多くの高度なチャネル設計の実施を可能にする。 Standard regenerative cooling schemes include wrapping the chamber with small fluid transport channels, forming a rectangular channel in the engine wall, and forming a circular channel in the engine wall. Additive manufacturing allows the implementation of many advanced channel designs that would not be possible to manufacture using traditional manufacturing methods.
図8Aおよび8Bを参照すると、典型的な冷却チャネルの断面、およびそれらの熱伝達特性が示されている。矩形チャネルは、それらの製造の容易さおよび良好な熱伝達特性のために一般的に使用されている。矩形チャネルはまた、他の幾何学的形状とは対照的に、熱伝達を増大させるために大きなガス側壁表面積を提供する。しかしながら、この方法は矩形により温度分布が劣るため最適ではない。矩形チャネルの鋭い縁部は、図8Bの隅部の不均一な色階調によって証明されるように、それぞれの個々のチャネルの隅部に応力集中を引き起こす。鋭い縁部によって引き起こされる応力集中は好ましくないが、この方法は製造が容易であることから依然として一般的に使用されている。 Referring to FIGS. 8A and 8B, typical cooling channel cross sections and their heat transfer characteristics are shown. Rectangular channels are commonly used because of their ease of manufacture and good heat transfer characteristics. The rectangular channel also provides a large gas sidewall surface area to increase heat transfer, as opposed to other geometric shapes. However, this method is not optimal because the temperature distribution is inferior due to the rectangle. The sharp edges of the rectangular channels cause stress concentrations at the corners of each individual channel, as evidenced by the uneven color gradation at the corners of FIG. 8B. Although stress concentrations caused by sharp edges are undesirable, this method is still commonly used because it is easy to manufacture.
円形チャネルは、圧力を全方向に分散させ、応力集中を防止するので、特定の基準によれば構造的に好ましい。同様に、円形チャネルの最大表面積は、緩和流体への熱流を増大させる。しかしながら、チャンバの軸の周りに方位角方向に分布する円形チャネルのアレイは、チャンバ材料自体から離れて内壁に沿って温度の不均一な分布をもたらし、かなりの熱応力をもたらす。 Circular channels are structurally preferred according to certain criteria because they distribute pressure in all directions and prevent stress concentration. Similarly, the maximum surface area of the circular channel increases the heat flow to the relaxation fluid. However, an array of circular channels distributed azimuthally around the chamber axis results in a non-uniform distribution of temperature along the inner wall away from the chamber material itself, resulting in significant thermal stress.
加圧および熱の観点からはより最適であるが、冷却剤チャネルのための非円形および非矩形の形状は、伝統的な製造技術を用いて作り出すことがはるかに困難である。それらが提供する性能、耐久性、および長寿命の利点は、そのような高度な形状を形成するために必要な増大する製造コストおよび追加の部品または構成要素よりも重要でない。しかしながら、これらの形状は積層造形によって、非常に低コストで迅速かつ正確に形成できる。 Although more optimal from a pressurization and heat standpoint, non-circular and non-rectangular shapes for the coolant channels are much more difficult to create using traditional manufacturing techniques. The performance, durability, and long-life benefits they provide are less important than the increased manufacturing costs and additional parts or components required to form such advanced shapes. However, these shapes can be formed quickly and accurately at a very low cost by additive manufacturing.
図9、10、および11に示され、かつ本開示のいくつかの実施形態による台形通路は、円形通路および矩形通路の両方のいくつかの利点を提供する。それらはまた、積層造形により容易に製造可能である。より大きなガス側壁表面積は、緩和流体へのより優れた熱伝達を可能にする。丸みを帯びた縁部と外壁により近い狭い断面は、チャネル内の高い流体圧力によって引き起こされる高い圧力差、および熱的考察による応力の管理の向上をもたらし、これは熱膨張の空間的変動による熱応力をもたらす。図9は、通常の使用中の台形の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減少させる。図10は、台形冷却剤チャネルの熱流束のグラフィックシミュレーションを示す。示されるように、冷却剤チャネルの周りの温度勾配は全体にわたってより均一であり、あらゆる隅部または縁部に沿ったあらゆる応力点を減少させる。図11は台形冷却剤チャネル設計の細長い部分における熱流束の別の図を示す。チャネルが湾曲しているときでも、熱流束特性はそれぞれの縁部および隅部の同じ部分に沿って一定のままである。 The trapezoidal passages shown in FIGS. 9, 10, and 11 and according to some embodiments of the present disclosure provide several advantages of both circular and rectangular passages. They can also be easily manufactured by additive manufacturing. A larger gas sidewall surface allows for better heat transfer to the relaxation fluid. A narrow cross-section closer to the rounded edges and outer walls results in higher pressure differentials caused by high fluid pressure in the channel, and improved stress management due to thermal considerations, which is due to thermal variations due to spatial variations in thermal expansion. Bring stress. FIG. 9 shows the thermal profile along the inner wall of the trapezoidal regenerative cooling channel during normal use. The trapezoidal channel reduces the temperature gradient along the inner wall. FIG. 10 shows a graphic simulation of the heat flux of the trapezoidal coolant channel. As shown, the temperature gradient around the coolant channel is more uniform throughout and reduces any stress points along any corner or edge. FIG. 11 shows another view of heat flux in the elongated portion of the trapezoidal coolant channel design. Even when the channel is curved, the heat flux characteristics remain constant along the same portion of each edge and corner.
再生冷却チャネルについての1つの新規な考えは、一様な温度プロファイルが非一定のチャネル断面で達成され得るという発見からもたらされる。新しい設計法により、ほぼ一様な温度プロファイルを持つ断面が形成された。この形状は、「豆」形状と呼ばれ、この形状を有する冷却剤チャネルの一実施例が図12に示されている。圧力分布は豆チャネル内で均一である。等価応力の分布は、壁セクション全体にわたって一様ではないが、いくつかの実施形態によれば、所与の熱構造境界条件に対して豆チャネルによって最小限に最適化される。 One novel idea for the regenerative cooling channel comes from the discovery that a uniform temperature profile can be achieved with non-constant channel cross sections. The new design method produced a cross section with a nearly uniform temperature profile. This shape is referred to as a “bean” shape, and one example of a coolant channel having this shape is shown in FIG. The pressure distribution is uniform within the bean channel. The distribution of equivalent stress is not uniform across the wall section, but according to some embodiments is minimally optimized by the bean channel for a given thermal structure boundary condition.
本明細書中の本開示によって、冷却剤チャネルの内壁と外壁の縁部が(豆と同様に)平行な凹状パターンで形成されているが、側面は(豆のように)曲がっているのではなくより真っ直ぐになっている(曲がったマカロニ片の輪郭のように見える)「マカロニ」形状を有する断面領域など、豆の形状に対する他の変形形態が考えられる。積層造形は各断面層が互いの間で徐々に形状を変化することを可能にし得るので、これらの様々な形状の間で徐々に変形する変形形態も考えられる。 According to the present disclosure herein, the edges of the inner and outer walls of the coolant channel are formed in a parallel concave pattern (similar to beans), but the sides are curved (like beans). Other variations to the bean shape are conceivable, such as a cross-sectional area having a “macaroni” shape that is less straight and looks like the contour of a bent macaroni piece. Laminated modeling can allow each cross-sectional layer to gradually change shape between each other, so that variations that gradually deform between these various shapes are also conceivable.
図13は、これを説明するために、どのように冷却通路の頂部がむしろ円または楕円に近い形状にされ得るかを示す。したがって、いくつかの実施形態において、冷却通路は、流体が移動し終わる前に、冷却およびより良好な熱伝達のために設計された形状(たとえば台形または豆の形状)からより均一な形状に徐々に移行するように設計される。加えて、通路の始点に向かう通路の形状、すなわち燃料が燃料ダイバータから各冷却通路に供給されるときの通路の形状は、より楕円形に近くてもよく、その後より冷却に最適な形状へ徐々に変化してもよい。これらの移り変わりは以下により詳細に記載される。 To illustrate this, FIG. 13 shows how the top of the cooling passage can be shaped more like a circle or ellipse. Thus, in some embodiments, the cooling passages gradually move from a shape designed for cooling and better heat transfer (eg, trapezoidal or bean shape) to a more uniform shape before the fluid has finished moving. Designed to transition to. In addition, the shape of the passage toward the starting point of the passage, that is, the shape of the passage when the fuel is supplied from the fuel diverter to each cooling passage, may be closer to an ellipse, and then gradually becomes more optimal for cooling. It may change to. These transitions are described in more detail below.
図14は、いくつかの実施形態による再生冷却通路の上面図を示す。 FIG. 14 illustrates a top view of a regenerative cooling passage according to some embodiments.
図15〜16は、いくつかの実施形態による、チャネルがチャンバ壁に沿って上向きに流れるにつれて、冷却通路のピッチ、断面形状、およびサイズがどのように変化し得るかについての異なる図を示す。典型的には、伝統的な製造を使用する冷却チャネルは、これらの程度のいずれも決して変動しない。しかしながら、積層造形技術において利用可能な特性のために、これらの冷却チャネルは、エンジン壁に沿った異なる点における異なるニーズを考慮するために様々な方法で調整することができる。 15-16 illustrate different views of how the pitch, cross-sectional shape, and size of the cooling passages can change as the channel flows upward along the chamber wall, according to some embodiments. Typically, cooling channels using traditional manufacturing will never vary in any of these degrees. However, due to the properties available in additive manufacturing technology, these cooling channels can be adjusted in various ways to account for different needs at different points along the engine wall.
一般に、チャネル断面形状、サイズ、およびピッチの変動は、乱流ひいては熱伝達を具体的に調整するために使用することができる。これは、熱伝達ならびに緩和流体の温度および圧力を制御するために使用することができる。これは、超臨界緩和流体の温度および圧力が臨界点を超え、ガス化または液化が回避されることを確実にするために特に重要である。それというのもこれらは潜在的にエンジンに損傷を与えるからである。チャネルの断面積を増減することにより、流体への熱伝達を軸方向に最適化することが可能になる。 In general, variations in channel cross-sectional shape, size, and pitch can be used to specifically tune turbulence and thus heat transfer. This can be used to control heat transfer and relaxation fluid temperature and pressure. This is particularly important to ensure that the temperature and pressure of the supercritical relaxation fluid exceeds the critical point and gasification or liquefaction is avoided. This is because they potentially damage the engine. By increasing or decreasing the cross-sectional area of the channel, it is possible to optimize the heat transfer to the fluid in the axial direction.
図15は、いくつかの実施形態による、異なる部分にそれらの異なるピッチ角および形状変化を有する、冷却チャネルの底面図を示す。この図は、スロートから流れ出るチャネルの残りの部分は拡大して見えなくなるので、スロート内に上昇する部分だけを示している(図16参照)。この観点から、単一チャネルに沿って変化する角度は変化するピッチを示す。また、単一チャネルの断面領域が円形の領域から豆の形に変化することが分かる。 FIG. 15 shows a bottom view of a cooling channel with their different pitch angles and shape changes in different parts, according to some embodiments. This figure shows only the portion that rises into the throat, since the remainder of the channel flowing out of the throat is enlarged and disappears (see FIG. 16). From this point of view, the changing angle along a single channel indicates a changing pitch. It can also be seen that the cross-sectional area of the single channel changes from a circular area to a bean shape.
図16は、いくつかの実施形態による、冷却通路のスロート領域の近接図を示す。示されるように、冷却通路は螺旋状に配置され、そしてこの接合部で、通路が互いに接近し、同様にチャネルのサイズが減少することに加えて、ピッチ角はより水平になる(すなわち増大される)ように変更される。一般に、これらの特性はどれも伝統的な製造技術を用いて容易に再現できない。 FIG. 16 shows a close-up view of the throat region of the cooling passage according to some embodiments. As shown, the cooling passages are arranged in a spiral, and at this junction, the pitch angles become more horizontal (i.e., increased), in addition to the passages approaching each other, as well as reducing the size of the channels. Changed). In general, none of these properties can be easily reproduced using traditional manufacturing techniques.
「豆」冷却剤チャネルの詳細 Details of the “bean” coolant channel
本節は、熱交換器内の豆形の流体チャネルの使用に固有の様々な特徴を考察する。 This section considers various features inherent in the use of bean-shaped fluid channels in heat exchangers.
背景として、そして部分的に前述したように、流体熱交換器は、冷却剤充填チャネルを使用して、固体からより低温の流体に熱を伝達する。伝統的に、チャネルは矩形と円形の設計に限定されてきた。矩形チャネルは円形チャネルよりも熱伝達率が大きいが、それらの隅部は応力集中のために構造的弱点である。構造的安定性と効率的な熱伝達の間の選択を避けるために、エンジニア達は、熱伝達を犠牲にすることなくより良い構造的特徴を達成するために矩形の幾何学的形状を修正しようとしてきたが、その結果はほとんど実利を生まなかった。 As a background and in part, as described above, fluid heat exchangers use a coolant-filled channel to transfer heat from a solid to a cooler fluid. Traditionally, channels have been limited to rectangular and circular designs. Rectangular channels have a higher heat transfer rate than circular channels, but their corners are structural weaknesses due to stress concentrations. To avoid the choice between structural stability and efficient heat transfer, engineers will modify the rectangular geometry to achieve better structural features without sacrificing heat transfer However, the result was hardly profitable.
研究開発を通じて、増強されたチャネル断面、すなわち豆が開発された。図17に示すように、豆はその名前が示すように正確に成形される。この形状は、円形チャネルの構造曲線と矩形チャネルの大きな表面積とを組み合わせて、非常に効率的で構造的に健全な熱伝達チャネルを作り出す。図17は、豆冷却剤チャネルの断面領域の例を示す。 Through research and development, an enhanced channel profile, or bean, was developed. As shown in FIG. 17, the beans are accurately shaped as their names indicate. This shape combines the structural curve of the circular channel with the large surface area of the rectangular channel to create a very efficient and structurally sound heat transfer channel. FIG. 17 shows an example of a cross-sectional area of a bean coolant channel.
両方の伝統的な形状の構造上の利点を組み合わせることに加えて、豆形のチャネルは壁の長さにわたってより均一な熱伝達を提供する。それは標準的な幾何学に固有の温度の極端な山と谷がない。この均一な分布は、大きな熱勾配および不均一な熱膨張率によって引き起こされる壁内の熱応力を低減する。 In addition to combining the structural advantages of both traditional shapes, the bean-shaped channel provides more uniform heat transfer across the wall length. It lacks the extreme peaks and valleys of temperature inherent in standard geometry. This uniform distribution reduces the thermal stress in the wall caused by large thermal gradients and non-uniform thermal expansion rates.
矩形、円形および豆形のチャネル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実施した。環状断面と長さに沿って延びる冷却チャネルとを有するシリンダを各形状についてモデル化した。これらのチャネルは、個々のチャネル断面、合計流体占有面積、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18Aの矩形チャネルシミュレーション形状は3つすべての代表的な例として役立つ。図18Aは、矩形チャネルを有するシリンダがどのように見えるかを示す一方、図18Bは、豆形のチャネルを有するシリンダがどのように見えるかの一例を示す。したがって、円形および他の形状のチャネルがシリンダの周りにどのように配置され得るかを同様に考えることができる。 Simulations were performed to compare the effectiveness of heat transfer between rectangular, round and bean shaped channels. A cylinder with an annular cross section and a cooling channel extending along the length was modeled for each shape. These channels were designed to have approximately equal individual channel cross sections, total fluid footprint, and minimum distance from the inner wall. The rectangular channel simulation shape of FIG. 18A serves as all three representative examples. FIG. 18A shows how a cylinder with a rectangular channel looks, while FIG. 18B shows an example of how a cylinder with a bean-shaped channel looks. Thus, one can similarly think about how circular and other shaped channels can be placed around the cylinder.
シミュレーションの一例のセットにおいて、対流と伝導の両方の熱伝達効果を捉えるために、ANSYS17.1を使用して定常状態連結流体−熱伝達シミュレーションを実施した。固体にはニッケルを使用し、液体には液体灯油を使用した。形状の内壁は726℃に設定されたが、外壁は上面および底面とともに断熱材としてモデル化した。入口は総質量流量0.2kg/sおよび温度27℃で定めた。 In an example set of simulations, steady state coupled fluid-heat transfer simulations were performed using ANSYS 17.1 to capture both convective and conductive heat transfer effects. Nickel was used for the solid and liquid kerosene was used for the liquid. The inner wall of the shape was set at 726 ° C., but the outer wall was modeled as a heat insulator along with the top and bottom surfaces. The inlet was defined with a total mass flow rate of 0.2 kg / s and a temperature of 27 ° C.
各形状の結果についての熱的等高線は、図19、20および21に見出すことができ、それぞれ矩形断面チャネル、円形断面チャネル、および豆形断面チャネルについて説明する。円形の冷却チャネルよりも矩形の冷却チャネルを使用することの熱的な利点は、壁を通る熱の浸透がより少ないことに加えて、より温度が低いことからもわかる。以下の表1は、矩形チャネルの平均および最小温度の両方は円形チャネルのそれらと比較した場合により低いものとして、これらの視覚的指標を確認する。しかしながら、図21によれば、豆の効率の向上は明白である。豆は、円形形状の構造的に有利な曲線を維持しながら、両方の形状と比較してチャンバを効果的に冷却する。表1は、最低温度と平均温度がそれぞれ490.28℃と561.36℃であることで豆の優位性を実証している。
矩形、円形、および豆形の断面チャネルについてそれぞれ図22、23、および24に示されるように、結果のビジュアルが拡大されて温度帯が強調されると、豆チャネル内の熱伝達の均一な分布が容易に見られる。グレースケールの階調は、さまざまな種類の断面チャネルのそれぞれの帯状温度等高線をより明確に示している。矩形チャネルは熱伝達率に関して並外れた形状を有し得るが、それらはそれらの壁に沿って非常に不均一な温度勾配を有する。円形の形状は、この不均一な熱伝達を改善するが、その冷却においては平均以下である。豆は、両方の重要な測定基準において、より効果的であることを示している。 Uniform distribution of heat transfer in the bean channel when the resulting visual is magnified and the temperature zone is emphasized, as shown in FIGS. 22, 23, and 24 for rectangular, circular, and bean cross-sectional channels, respectively. Is easily seen. The gray scale tone more clearly shows the respective band temperature contours of the various types of cross-sectional channels. Although rectangular channels can have an unusual shape with respect to heat transfer coefficient, they have a very non-uniform temperature gradient along their walls. The circular shape improves this non-uniform heat transfer but is below average in its cooling. Beans have been shown to be more effective in both important metrics.
積層造形と組み合わされた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、最適化された豆形の流体熱交換器の形状の創出を可能にした。これらの豆形の流体チャネルは、矩形と円形の両方の冷却チャネルの最良点を組み合わせる。それらは、円形チャネルの強度特性を維持しながら、矩形チャネルの優れた熱交換能力を有する。さらに、この形状はまた、熱のより均一な抽出を可能にし、それは次に冷却されている壁内の熱応力を減少させる一助となる。これらの特性により、豆の形状は過去の円形および矩形の設計よりもはるかに優れたものであることができる。 Recent advances in simulation and optimization software combined with additive manufacturing have enabled the creation of optimized bean-shaped fluid heat exchanger shapes. These bean-shaped fluid channels combine the best of both rectangular and circular cooling channels. They have the excellent heat exchange capability of rectangular channels while maintaining the strength characteristics of circular channels. In addition, this shape also allows for a more uniform extraction of heat, which helps to reduce the thermal stress in the wall that is then cooled. These properties allow the bean shape to be much better than previous circular and rectangular designs.
構造的熱交換器の追加の例示的実施形態 Additional exemplary embodiments of structural heat exchangers
マルチチャネル実装 Multi-channel implementation
いくつかの実施形態において、構造的熱交換器チャネルは、台形または豆形のチャネル断面を含むトラス状の配置で組み合わされてもよく、特定の先進境界条件の組を満たすように組み合わされてもよい。これは、プレートを横切る大きな圧力変動または熱変動を含むことがあり、ガス側壁は熱交換器の一方の面から他方の面へと交互になることがある。この実施形態は、出て行くまたは戻る冷却剤によって交互のチャネルが供給される向流熱交換器の流れに対して極めて実用的である。 In some embodiments, the structural heat exchanger channels may be combined in a truss-like arrangement that includes trapezoidal or bean-shaped channel cross sections and may be combined to meet a specific set of advanced boundary conditions. Good. This can include large pressure fluctuations or thermal fluctuations across the plate, and the gas sidewalls can alternate from one side of the heat exchanger to the other. This embodiment is very practical for countercurrent heat exchanger flows where alternating channels are provided by the outgoing or returning coolant.
平坦プレート Flat plate
豆チャネルヒートパイプは、非円形断面形状に実装することができる。これらは平坦なまたは湾曲したプレートだけでなく、より複雑で予測可能に変化する形状を含んでもよい。図25および26は、いくつかの実施形態による、豆形冷却剤チャネルを有する平坦プレートの例を異なる角度から示す。別の例として、図27および28は、上面に豆形の冷却剤チャネルを有するが、豆形の凹形状と一致する波状の表面を底面に有する平坦プレートを示す。この例示的実施形態において、底面の熱特性により、底面に沿ってより均一な温度損失が可能になる。 The bean channel heat pipe can be mounted in a non-circular cross-sectional shape. These may include not only flat or curved plates but also more complex and predictably changing shapes. FIGS. 25 and 26 show examples of flat plates with bean-shaped coolant channels from different angles, according to some embodiments. As another example, FIGS. 27 and 28 show a flat plate having bean-shaped coolant channels on the top surface, but with a wavy surface on the bottom surface that matches the concave shape of the bean shape. In this exemplary embodiment, the thermal characteristics of the bottom surface allow for more uniform temperature loss along the bottom surface.
不均一な熱 Uneven heat
構造的熱交換器は、冷却剤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対して容易に実施することができる。冷却剤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に空間的におよび/または時間的に変化する熱境界条件に対しては、チャネル形状の追加の処理がなければならない。圧力降下を犠牲にしてチャネルのサイズを変更して流速を、したがって乱流を増加させる必要がある。これは、各熱交換器チャネルを、断面積が減少または増加した対応する豆のような形状に滑らかに移行させて、特定の位置で熱交換器表面を横切るピーク熱負荷に対応して流速を増減することによって達成される。あるいは、増加した質量流量が、空間的におよび/または時間的に変化する熱負荷を有するチャネルに送達され得る。 Structural heat exchangers can be easily implemented for the principal components of the coolant flow and thermal boundary conditions that vary along the channel direction. For thermal boundary conditions that vary spatially and / or temporally in the principal direction of the coolant flow or in a direction predominantly perpendicular to the channel direction, there must be additional processing of the channel shape. There is a need to resize the channel at the expense of pressure drop to increase flow velocity and thus turbulence. This is a smooth transition of each heat exchanger channel to a corresponding bean-like shape with reduced or increased cross-sectional area, resulting in a flow rate corresponding to the peak heat load across the heat exchanger surface at a particular location. Achieved by increasing or decreasing. Alternatively, an increased mass flow rate can be delivered to a channel having a heat load that varies spatially and / or temporally.
不均一な流れ Uneven flow
理想的な熱交換器では、各チャネルが同一の質量流量、または熱負荷に対応する特定の流量分布を有するように、冷却剤を均一なチャネルに供給することができる。しかしながら、全てのチャネルにわたって冷却剤を均一かつ安定して分配することが不可能である場合、これを考慮に入れるためにチャネル形状に対する変更がなされてもよい。これらの変更は、利用可能な熱流束および流れに対応するサイズ変更および/または形状変更された豆チャネルの形態をとり得る。 In an ideal heat exchanger, coolant can be supplied to the uniform channels so that each channel has the same mass flow rate or a specific flow rate distribution corresponding to the heat load. However, if it is not possible to distribute the coolant uniformly and stably across all channels, changes to the channel shape may be made to take this into account. These changes may take the form of resized and / or reshaped bean channels corresponding to available heat fluxes and flows.
例示的な産業上の利用可能性 Exemplary industrial applicability
以下は、本開示の様々な種類の熱交換器の用途の記載である。 The following is a description of various types of heat exchanger applications of the present disclosure.
ガス発生器ターボ機械:冷却剤チャネルは、圧縮機または膨張機サイクルの円筒形の壁に(またはブレード自体の内側に)埋め込まれてもよい。 Gas generator turbomachine: The coolant channel may be embedded in the cylindrical wall of the compressor or expander cycle (or inside the blade itself).
発電熱交換:適合性内面を有するまたは有しない円筒構造熱交換器は、作動流体から緩和流体(または冷却剤)へ熱を移すのに理想的である。 Power generation heat exchange: Cylindrical heat exchangers with or without a compatible inner surface are ideal for transferring heat from the working fluid to the relaxation fluid (or coolant).
自動車用エンジン:各燃焼シリンダ内で使用される円筒形熱交換器。チャネルは、エンジンスラスタと同一の境界条件を有してもよい。燃料または冷却剤は、壁から熱を除去するために使用することができ、より高い動作温度およびより少ない熱損失を可能にする。 Automotive engine: Cylindrical heat exchanger used in each combustion cylinder. The channel may have the same boundary conditions as the engine thruster. The fuel or coolant can be used to remove heat from the walls, allowing for higher operating temperatures and less heat loss.
HVACユニット:平坦プレートは標準フィンおよびパイプ熱交換器と対照的にHVACシステムで使用されてもよい。 HVAC unit: Flat plates may be used in HVAC systems as opposed to standard fin and pipe heat exchangers.
サーバ冷却:豆冷却チャネルは燃料環境の代わりに熱をチップから引くために高性能コンピュータ環境で使用することができる。冷却剤チャネルを使用する平坦プレートもこの場合に使用されてよい。 Server cooling: Bean cooling channels can be used in high performance computing environments to draw heat away from the chip instead of the fuel environment. A flat plate using coolant channels may also be used in this case.
本開示の構造的に最適化された熱交換器の他の例は、ジェットエンジン、工作用ビット、鉱業用ビット、ブレーキディスクロータ、および射出成形用金型に適用されてもよい。 Other examples of structurally optimized heat exchangers of the present disclosure may be applied to jet engines, machine bits, mining bits, brake disk rotors, and injection molds.
冷却剤チャネルを形成する方法例 Example method of forming a coolant channel
本節は、本明細書に記載の冷却剤チャネルの様々な断面領域を形成し導出するためのコンピュータ実施方法を考察する。前述のように、チャネルを収容する構造体は積層造形されてもよく、すなわち、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ためのすべての特性および仕様を有するCADファイルにアクセスする3Dプリンタのような既知の積層造形技術を用いて構造体は層ごとに構成されてもよい。例えば、そのCADファイルを開発することは、本開示のコンピュータ実施方法が開発することができる重要な作業である。さらに、この方法は、任意のそしてすべてのチャネルの断面領域を層ごとに徐々に変えて、同じチャネルに沿った異なる位置に異なる形状を形成することができる(例えば、図15参照)。 This section discusses computer-implemented methods for forming and deriving various cross-sectional regions of the coolant channels described herein. As described above, the structure containing the channel may be layered, that is, accessing a CAD file having all the characteristics and specifications for placing solid material to form the structure having the channel. The structure may be configured layer by layer using known additive manufacturing techniques such as 3D printers. For example, developing the CAD file is an important task that the computer-implemented method of the present disclosure can develop. In addition, the method can gradually change the cross-sectional area of any and all channels from layer to layer to form different shapes at different locations along the same channel (see, eg, FIG. 15).
図29を参照すると、フローチャート2900は、様々な産業上の利用可能性の様々なニーズを満たすように構築された、様々な断面形状を有する、任意の数の冷却剤チャネルを有する構造的熱交換器を開発するための方法例を提供する。場合によっては、構造的熱交換器を設計するためのコンピュータ実施方法は、形状および構造を手動で設計することによって実行することができる。しかしながら、構造的熱交換器が所与の使用事例に対して望まれる冷却特性を満足させるのにより良く適合するためには、より正確な技術が採用されるべきである。フローチャート2900は、指定された必要性を満たすためにコンピュータがそのような構造的熱交換器をどのように作り出すかについての例を提供する。
Referring to FIG. 29, a
いくつかの実施形態によれば、ブロック2905において、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、1つまたは複数の境界条件が設定され、アクセスされる。これらのインプットは、さまざまな必要性を計算した、または他の当局によって提供された仕様に従っているかもしれない人間のエンジニアによって提供され得る。様々なCADまたはCAE(コンピュータ支援エンジニアリング)ツールを使用してこれらの境界条件を計算し、そして決定することができる。境界条件は、以下の非限定的な例をいくつでも含むことができる。
According to some embodiments, at
熱的なもの:熱流束、周囲温度/初期温度、冷却剤流量、表面粗さ、放射加熱/冷却 Thermal: heat flux, ambient / initial temperature, coolant flow rate, surface roughness, radiant heating / cooling
構造的なもの:内圧、チャネル圧力、外圧、構造的負荷 Structural: internal pressure, channel pressure, external pressure, structural load
構造の材料特性:密度、引張/降伏強さ、破壊靭性、熱伝導率、熱膨張、熱拡散率、放射率、融点/沸点、内部応力、熱容量、比熱、ゲインモルフォロジー、および相変化情報 Structural material properties: density, tensile / yield strength, fracture toughness, thermal conductivity, thermal expansion, thermal diffusivity, emissivity, melting point / boiling point, internal stress, heat capacity, specific heat, gain morphology, and phase change information
冷却剤の材料特性:密度、熱伝導率、熱拡散率、放射率、融点/沸点、熱容量および比熱 Coolant material properties: density, thermal conductivity, thermal diffusivity, emissivity, melting point / boiling point, heat capacity and specific heat
材料特性は、温度および/または圧力において変化し得る。記載されているすべての特性が必要というわけではない。温度や圧力によって変化するこれらの材料特性などを正確にリストすると、熱交換器から見た物理的環境を非常によく表すシミュレーション結果が得られる。 Material properties can vary in temperature and / or pressure. Not all the listed properties are necessary. Accurate listing of these material properties that change with temperature and pressure gives simulation results that very well represent the physical environment as seen from the heat exchanger.
例として、豆チャネル実装のための最適環境を作り出す構造的熱交換器境界条件は、以下を含む:
内部(ガス側壁)の高熱流束状態;
液相状態を維持しながら、高熱容量、低温冷却剤がチャネルを通って急速に流れる;
圧力条件Pcc>Pw>Po、
ここで:
Pcc:冷却剤チャネル内の圧力;
Pw:高熱流束壁から見た圧力;
Po:熱交換器外部の周囲圧力。
As an example, structural heat exchanger boundary conditions that create an optimal environment for bean channel implementation include the following:
High heat flux condition inside (gas side wall);
High heat capacity, low temperature coolant flows rapidly through the channel while maintaining liquid phase;
Pressure condition Pcc>Pw> Po,
here:
Pcc: pressure in the coolant channel;
Pw: pressure seen from the high heat flux wall;
Po: Ambient pressure outside the heat exchanger.
コンピュータは、これらの境界条件を利用し、本明細書に記載の方法論を実行して、優れた冷却剤チャネルであることが証明されている豆形の形状を導き出した。 The computer took advantage of these boundary conditions and implemented the methodology described herein to derive a bean shape that has proven to be a good coolant channel.
いくつかの実施形態において、様々な場所での異なる冷却ニーズを満たすために、それぞれ熱交換器の異なる場所に対して複数の境界条件セットを設定することができる。したがって、境界条件はさまざまな場所に固有のものにすることができる。 In some embodiments, multiple boundary condition sets can be set for each different location of the heat exchanger to meet different cooling needs at various locations. Thus, the boundary conditions can be unique to various locations.
いくつかの実施形態によれば、ブロック2910において、冷却剤チャネルを収容する構造的熱交換器の初期形状が、CADおよびCAEツールを用いて作成されてもよい。これは初期のシード開始値のように見なすことができ、そこでは最良の形状が何であるかについての初期近似推定値がコンピュータによって入力および受信され得る。人間の開発者は、すべての境界条件をおおよそ満たす初期形状の作成を補助し得る。いくつかの実施形態において、コンピュータは、境界条件をある程度のしきい値程度でおおよそ満たすことを検証できることが知られている解決策を使用して提案を提供することができる。利用可能な冷却剤質量流量に応じて、チャネル数とサイズを選択できる。これは、超音速流などのエッジケースを防止するだけでなく、冷却チャネル内の境界層を最小限に抑えるために行われるべきである。
According to some embodiments, at
ブロック2915で、全体的なチャネル形状を設定することができる。この場合もやはり、これはコンピュータによって受け取られた入力を用いて人間のエンジニアによって設定されてもよく、またはコンピュータは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てもよい。ここでもやはり、これは初期シード開始値として見直すことができ、そこでは最良の形状が何であるべきかについての初期近似推定値をコンピュータに提供することができる。例えば、一般的な豆のチャネル形状は、典型的には異なる曲率半径を有する内縁および外縁、ならびにこれらの縁を両側で連結して閉チャネルを形成する湾曲部分によって特徴付けられて設定され得る。
At
ブロック2920において、初期パラメータおよび目的が設定された状態で、コンピュータは直ちに、熱交換器の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。いくつかのケースでは、これは結合された計算流体力学と有限要素解析(CFD/FEA)シミュレーションを実行することを含む。境界条件をさらに設定し、流体の熱負荷を決定するために、コンピュータは代表的なサブセットまたは全体の熱交換器の形状のいずれかをシミュレートすることができる。
At
ブロック2925で、コンピュータは次に、分解された熱交換器の形状のスライスに対して最適化シミュレーションを実行することができる。形状全体はシミュレーションを実行しているコンピュータによって最初にスライスに分解されてよい。これらのスライスは、積層造形によって作製される層のセットを表すことができる。例えば、スライスは、図18Aまたは18Bいずれかに示される熱交換器の水平層であり得る。次いで、コンピュータは、ブロック2920の前のステップからのマクロ境界条件を利用して、内部チャネルおよび/またはそれらが存在する壁構造の幾何学的最適化を実行することができる。言い換えれば、最適化技法は熱交換器の形状のより小さい部分に分離することができる。いくつかの実施形態によれば、結合されたCFD/FEAシミュレーションは、各スライスに対して実行されてもよい。
At block 2925, the computer may then perform an optimization simulation on the slices of the decomposed heat exchanger shape. The entire shape may be first decomposed into slices by a computer running a simulation. These slices can represent a set of layers produced by additive manufacturing. For example, the slice can be the horizontal layer of the heat exchanger shown in either FIG. 18A or 18B. The computer can then take advantage of the macro boundary conditions from the previous step of
例えば、収束拡散ノズル(例えば、図16参照)の場合、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化によって表される。最適化された豆の熱構造特性が壁の厚さと豆の間隔によって変化することを考えると、各スライスリングを最適化することが重要である。加えて、レイヤ・バイ・レイヤ法は流体の軌跡をたどるので、冷却剤の加熱(距離にわたり減少される熱伝導率)を考慮に入れることができる。 For example, in the case of a converging diffusion nozzle (see, eg, FIG. 16), this is represented by changes to the inner and outer diameters of the various slicing rings. It is important to optimize each slicing given that the thermostructural properties of the optimized beans vary with wall thickness and bean spacing. In addition, since the layer-by-layer method follows the fluid trajectory, it can take into account the heating of the coolant (the reduced thermal conductivity over distance).
チャネルの形状および全体的な形状を改良するプロセスにおいて、コンピュータは、様々な位置で冷却剤チャネルの断面領域を変える構造を作り出すことができる。例えば、冷却特性の必要性は低いが一様な質量流量の必要性が高い領域、または他のより一様な形状に供給する領域の場合、熱交換器は、断面領域が豆の形状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。 In the process of improving the channel shape and overall shape, the computer can create structures that change the cross-sectional area of the coolant channel at various locations. For example, in areas where the need for cooling properties is low but where there is a high need for uniform mass flow, or areas that feed into other more uniform shapes, the heat exchanger will have a cross-sectional area that is oval from the bean shape. It can have channels that gradually change in shape.
さらに、境界条件を考慮して、冷却剤チャネルのピッチ角を変更することができる。例えば、図22に示すように、単一の熱交換器部品の異なる部分は、異なる位置での異なる冷却の必要性に基づいて、上方に流れるそれらのピッチ角を変える平行なチャネルを有する。ピッチ角がそれほど急でない(より水平である)ようにされると、集合冷却剤チャネルによる表面積が増大し、それによって熱伝達率を増大させることができる。 Furthermore, the pitch angle of the coolant channel can be changed in consideration of boundary conditions. For example, as shown in FIG. 22, different portions of a single heat exchanger component have parallel channels that change their pitch angle flowing upward based on different cooling needs at different locations. When the pitch angle is made less steep (more horizontal), the surface area due to the aggregate coolant channel increases, thereby increasing the heat transfer rate.
シミュレーション中に、コンピュータは形状を複数回シミュレートし、その都度、設定された性能基準を満たすように試みるために、形状に対する小さな変更がコンピュータによって、または人間のオペレータによる支援によって行われる。その後、変更が有効だったかどうかを確認するためにシミュレーションが再度実行される。基準が満たされるまで、プロセスは繰り返さる。ブロック2930で、コンピュータは、収束があり、最適化目標が満たされたかどうかを判断することができる。そうでない場合、プロセスはブロック2920から始めて繰り返すことができる。シミュレーションが実行され調整が行われた後に形状およびチャネル形状の変化が止まると収束が達成される。以下の最適化目標のうちの1つ以上が満たされるまで、コンピュータは各スライスを繰り返し最適化することができる:
安全基準の規定された係数との一致;
チャネル間の低い応力集中;
熱応力を表す内壁に沿った熱勾配の最小発散;および
対称流と熱条件を与えられた対称チャネル。
During the simulation, the computer simulates the shape multiple times, each time a small change to the shape is made by the computer or with the assistance of a human operator to try to meet the set performance criteria. The simulation is then run again to see if the change was valid. The process repeats until the criteria are met. At
Conformity with the specified coefficient of safety standards;
Low stress concentration between channels;
Minimal divergence of the thermal gradient along the inner wall representing thermal stress; and symmetrical channel given symmetric flow and thermal conditions.
ブロック2935において、最適化目標が達成され構造の収束が達成されたと仮定して、結果として得られる熱交換器が次に分析される。テストまたは結合システムシミュレーションにより、性能基準が満たされ、動作条件が設定されていることを確認するために分析が行われる。これは、結果として得られる断面が円滑に組み立てられ、全ての構成要素ならびに全体としての形状が積層造形装置の特徴特有の解像度に基づいて製造可能であることを保証するのを助ける。場合によっては、この分析によって欠陥が明らかになった場合は、必要に応じてシミュレーションの最適化を繰り返す。
At
本開示の実施形態はまた、本明細書に記載されるような構造的熱交換器の実施形態の様々な構成要素のうちのいずれかおよびすべてを作製するための例示的な技法を含む。さらに、実施形態は、前記構成要素を作製するように機械をプログラムするために使用されるありとあらゆるソフトウェアまたは他のコンピュータ可読媒体も含み、実施形態はそのように限定されない。 Embodiments of the present disclosure also include exemplary techniques for making any and all of the various components of the structural heat exchanger embodiments as described herein. Further, embodiments include any and all software or other computer readable media used to program a machine to create the components, and embodiments are not so limited.
図30を参照すると、ブロック図は、機械可読媒体3022(例えば、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れらのいずれかの適切な組合せ)から命令3024を読み取り、そして、本明細書で考察される方法論のうちのいずれか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ができる、いくつかの例示的実施形態による、機械3000の構成要素を示す。具体的に、図30は、コンピュータシステム(例えば、コンピュータ)の形態例で機械3000を示し、本明細書で論じられる方法論のうちのいずれか1つまたは複数を全体的にまたは部分的に機械3000に実行させるための命令3024(例えば、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)がその中で実行され得る。
With reference to FIG. 30, a block diagram reads
代替の実施形態において、機械3000は、独立型装置として動作するか、または他の機械に接続(例えば、ネットワーク接続)することができる。ネットワーク接続された配置では、機械3000は、サーバ−クライアントネットワーク環境においてはサーバ機械またはクライアント機械のキャパシティで、または分散型(例えば、ピアツーピア)ネットワーク環境においてはピア機械として動作することができる。機械3000は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを含むことができ、例えば、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、携帯電話、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)、ウェブ機械、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、またはその機械で実行される動作を指定する命令3024を順次または別の方法で実行することができるいずれかの機械などであり得る。さらに、単一の機械3000のみが示されているが、「機械」という用語はまた、命令3024を個別にまたは共同で実行して、本明細書で考察される方法論のいずれか1つ以上の全部または一部を実行する機械の任意の集合を含むと解釈すべきである。
In alternative embodiments, the
機械3000は、プロセッサ3002(例えば、中央処理装置(CPU)、グラフィックス処理装置(GPU)、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、無線周波数集積回路(RFIC)またはそれらのいずれかの組み合わせ)、メインメモリ3004、およびスタティックメモリ3006を含み、これらは、バス3008を介して互いに通信するように構成されている。プロセッサ3002は、プロセッサ3002が全体的にまたは部分的に本明細書に記載の方法論のうちのいずれか1つまたは複数を実行するように構成可能であるように命令3024の一部または全部によって一時的にまたは恒久的に構成可能なマイクロ回路を含むことができる。例えば、プロセッサ3002の1つまたは複数のマイクロ回路のセットは、本明細書に記載されている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であり得る。
The
機械3000は、ビデオディスプレイ3010(例えば、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またはビデオを表示することができる他のいずれかのディスプレイ)をさらに含み得る。機械3000はまた、英数字入力装置3012(例えば、キーボードまたはキーパッド)、カーソル制御装置3014(例えば、マウス、タッチパッド、トラックボール、ジョイスティック、モーションセンサー、アイトラッキング装置、または他のポインティング機器)、記憶装置3016、信号生成装置3018(例えば、サウンドカード、増幅器、スピーカ、ヘッドホンジャック、またはそれらのいずれかの適切な組み合わせ)、およびネットワークインタフェース装置3020を含み得る。
The
記憶装置3016は、例えば、図1〜29の記載のいずれかを含む、本明細書に記載される方法論または機能のうちのいずれか1つまたは複数を実施する命令3024を記憶する機械可読媒体3022(たとえば有形の非一時的な機械可読記憶媒体)を含む。命令3024はまた、機械3000によるその実行前または実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ3004内、プロセッサ3002内(例えば、プロセッサのキャッシュメモリ内)、またはその両方に存在することができる。命令3024はまた、スタティックメモリ3006内に存在してもよい。
The
したがって、メインメモリ3004およびプロセッサ3002は、機械可読媒体3022(例えば、有形の非一時的な機械可読媒体)と見なすことができる。命令3024は、ネットワークインターフェースデバイス3020を介してネットワーク3026を介して送信または受信することができる。例えば、ネットワークインターフェースデバイス3020は、任意の1つまたは複数の転送プロトコル(例えばHTTP)を使用して命令3024を通信することができる。機械3000はまた、図1〜29に記載のプロセスを含む、本明細書に記載の機能のうちのいずれかを実行するための手段の例を表してもよい。
Accordingly,
いくつかの例示的な実施形態において、機械3000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であり得、1つまたは複数の追加の入力要素(たとえば、センサまたはゲージ)(図示せず)を有し得る。そのような入力要素の例は、画像入力要素(例えば、1つまたは複数のカメラ)、音声入力要素(例えば、マイク)、方向入力要素(例えば、コンパス)、位置入力要素(例えば、GPS受信機)、方位要素(例えばジャイロスコープ)、動き検出要素(例えば1つまたは複数の加速度計)、高度検出要素(例えば高度計)、およびガス検出要素(例えばガスセンサ)を含む。これらの入力要素のうちのいずれか1つまたは複数によって収集された入力は、本明細書に記載のモジュールのいずれかによってアクセス可能であり使用可能であり得る。
In some exemplary embodiments,
本明細書で使用されるとき、「メモリ」という用語は、データを一時的にまたは恒久的に記憶することができる機械可読媒体3022を指し、これに限定されないが、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリーメモリ(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ように解釈されてもよい。機械可読媒体3022は例示的実施形態では単一の媒体であるように示されているが、「機械可読媒体」という用語は命令3024を記憶することができる単一の媒体または複数の媒体(例えば集中型または分散型データベース115、または関連するキャッシュおよびサーバ)を含むように解釈されるべきである。「機械可読媒体」という用語はまた、機械3000による実行のために命令3024を記憶することができる、いずれかの媒体、または複数の媒体の組合せを含むように解釈されるものとし、その結果、命令3024は、機械3000の1つまたは複数のプロセッサ(たとえば、プロセッサ3002)によって実行されると、機械3000に、本明細書に記載される方法論のうちのいずれか1つまたは複数を全体的または部分的に実行させる。したがって、「機械可読媒体」は、単一の記憶装置またはデバイス、ならびにクラウドベースの記憶システムまたは複数の記憶装置またはデバイスを含む記憶ネットワークを指す。したがって、「機械可読媒体」という用語は、限定しないが、ソリッドステートメモリ、光学媒体、磁気媒体、またはそれらのいずれかの組み合わせの形態の1つまたは複数の有形の(例えば、非一時的な)データリポジトリを含むように解釈されるものとする。
As used herein, the term “memory” refers to a machine-
さらに、機械可読媒体3022は、伝搬信号を具現化しないという点で非一時的である。しかしながら、有形の機械可読媒体3022を「非一時的」としてラベル付けすることは、その媒体が移動できないことを意味すると解釈されるべきではなく、媒体は、ある物理的な場所から別の場所へ移動可能であると解釈されるべきである。さらに、機械可読媒体3022は有形であるので、媒体は機械可読デバイスであると見なすことができる。
Further, the machine readable medium 3022 is non-transitory in that it does not embody a propagated signal. However, labeling a tangible machine-
本明細書を通して、複数のインスタンスが、単一のインスタンスとして記載されている構成要素、動作、または構造を実装することがある。1つまたは複数の方法の個々の動作は別々の動作として図示および記載されているが、個々の動作の1つまたは複数は同時に実行されてもよく、動作が図示の順序で実行される必要はない。例の中で別々の構成要素として提示されている構造および機能は、組み合わされた構造または構成要素として実装されてもよい。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は、別々の構成要素として実装されてもよい。これらおよび他の変形、修正、追加、および改良は、本明細書の主題の範囲内に含まれる。 Throughout this specification, multiple instances may implement a component, operation, or structure that is described as a single instance. Although individual operations of one or more methods are illustrated and described as separate operations, one or more of the individual operations may be performed simultaneously and the operations need to be performed in the order shown. Absent. Structures and functions presented as separate components in the examples may be implemented as a combined structure or component. Similarly, structures and functions presented as a single component may be implemented as separate components. These and other variations, modifications, additions and improvements are included within the scope of the subject matter herein.
特定の実施形態が、論理またはいくつかの構成要素、モジュール、または機構を含むものとして本明細書に記載されている。モジュールはソフトウェアモジュール(例えば、機械可読媒体3022または伝送媒体に記憶されているか別の方法で具現化されているコード)、ハードウェアモジュール、またはそれらのいずれかの適切な組合せを構成し得る。「ハードウェアモジュール」は、特定の動作を実行することができる有形の(例えば、非一時的な)ユニットであり、特定の物理的方法で構成または配置することができる。様々な例示的実施形態において、1つまたは複数のコンピュータシステム(例えば、スタンドアロン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つまたは複数のハードウェアモジュール(例えば、プロセッサ3002またはプロセッサ3002のグループ)は、本明細書に記載されるように特定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(例えば、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。
Particular embodiments are described herein as including logic or several components, modules or mechanisms. A module may comprise a software module (eg, code stored on machine-
いくつかの実施形態において、ハードウェアモジュールは、機械的に、電子的に、またはそれらのいずれかの適切な組み合わせで実装され得る。例えば、ハードウェアモジュールは、特定の動作を実行するように恒久的に構成された専用の回路または論理を含み得る。例えば、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などの専用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また、特定の動作を実行するためにソフトウェアによって一時的に構成されるプログラマブルロジックまたは回路を含み得る。例えば、ハードウェアモジュールは、汎用プロセッサ3002または他のプログラマブルプロセッサ3002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、専用の恒久的に構成された回路内に、または一時的に構成された(例えば、ソフトウェアによって構成されている)回路内に実装する決定はコストと時間の考慮事項によって推進され得ることが認識されよう。
In some embodiments, the hardware module may be implemented mechanically, electronically, or any suitable combination thereof. For example, a hardware module may include dedicated circuitry or logic that is permanently configured to perform a particular operation. For example, the hardware module can be a dedicated processor such as a field programmable gate array (FPGA) or ASIC. A hardware module may also include programmable logic or circuitry that is temporarily configured by software to perform a particular operation. For example, the hardware module may include software included within a
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提供したり、他のハードウェアモジュールから情報を受信したりできる。したがって、記載したハードウェアモジュールは通信可能に結合されていると見なすことができる。複数のハードウェアモジュールが同時に存在する場合、通信は、2つ以上のハードウェアモジュール間またはそれらの間の信号伝送を介して(例えば、適切な回路およびバス3008を介して)達成され得る。複数のハードウェアモジュールが異なる時間に構成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間の通信は、例えば、複数のハードウェアモジュールがアクセスするメモリ構造内の情報の記憶および取出しを通じて達成され得る。例えば、1つのハードウェアモジュールが動作を実行し、その動作の出力をそれが通信可能に結合されているメモリデバイスに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、後で、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て処理することができる。ハードウェアモジュールはまた、入力デバイスまたは出力デバイスとの通信を開始し得、そしてリソース(例えば、情報の集合体)上で動作し得る。 A hardware module can provide information to other hardware modules or receive information from other hardware modules. Accordingly, the described hardware modules can be considered to be communicatively coupled. If multiple hardware modules are present at the same time, communication may be achieved between two or more hardware modules or via signal transmission between them (eg, via appropriate circuitry and bus 3008). In embodiments where multiple hardware modules are configured or instantiated at different times, communication between such hardware modules is through, for example, storage and retrieval of information in a memory structure accessed by the multiple hardware modules. Can be achieved. For example, one hardware module can perform an operation and store the output of that operation in a memory device to which it is communicatively coupled. Thereafter, additional hardware modules can later access the memory device to retrieve and process the stored output. A hardware module may also initiate communication with an input device or output device and may operate on a resource (eg, a collection of information).
本明細書に記載される例示的な方法の様々な動作は、関連動作を実行するように一時的に(例えばソフトウェアによって)構成されるか、または恒久的に構成される1つまたは複数のプロセッサ3002によって少なくとも部分的に実行され得る。一時的または恒久的に構成されているかどうかにかかわらず、そのようなプロセッサ3002は、本明細書に記載の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行モジュールを構成し得る。本明細書で使用される際、「プロセッサ実行モジュール」は、1つまたは複数のプロセッサ3002を使用して実行されるハードウェアモジュールを指す。
The various operations of the exemplary methods described herein are one or more processors configured temporarily (eg, by software) or permanently configured to perform related operations. 3002 can be performed at least in part. Such a
同様に、本明細書に記載の方法は、少なくとも部分的にプロセッサによって実行されてもよく、プロセッサ3002はハードウェアの一例である。例えば、方法の動作のうちの少なくともいくつかは、1つまたは複数のプロセッサ3002またはプロセッサ実行モジュールによって実行され得る。本明細書で使用される際、「プロセッサ実行モジュール」は、ハードウェアが1つまたは複数のプロセッサ3002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3002はまた、「クラウドコンピューティング」環境における関連動作の実行をサポートするようにまたは「サービスとしてのソフトウェア(software as a service)」(SaaS)として動作し得る。例えば、動作の少なくともいくつかは(プロセッサ3002を含む機械3000の例として)一群のコンピュータによって実行されてもよく、これらの動作はネットワーク3026(例えばインターネット)を介しておよび1つまたは複数の適切なインターフェース(例えばAPI)を介してアクセス可能である。
Similarly, the methods described herein may be performed at least in part by a processor, and
特定の動作のパフォーマンスは、単一の機械3000内に存在するだけでなく、複数の機械3000にわたって配備されている、1つまたは複数のプロセッサ3002の間で分散されてもよい。いくつかの例示的な実施形態において、1つまたは複数のプロセッサ3002またはプロセッサ実行モジュールは、単一の地理的場所(例えば、家庭環境、オフィス環境、またはサーバーファーム内)に配置されてもよい。他の例示的実施形態において、1つまたは複数のプロセッサ3002またはプロセッサ実行モジュールは、いくつかの地理的場所にわたって分散することができる。
The performance of a particular operation may not only exist within a
特に明記しない限り、「処理する」、「計算する」、「計算する」、「決定する」、「提示する」、「表示する」またはそれらに類するものなどの単語を使用する本明細書における考察は、1つまたは複数のメモリ(例えば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはそれらのいずれかの適切な組合せ)、レジスタ、または情報を受け取り、記憶し、伝達し、または表示する他の機械構成要素内の物理的(例えば、電子的、磁気的、または光学的)な量として表されるデータを操作または変換する機械3000(たとえばコンピュータ)の動作またはプロセスを指すことがある。さらに、特に明記しない限り、「a」または「an」という用語は、本明細書では、特許文書において一般的であるように、1つまたは複数の例を含むように使用される。最後に、本明細書で使用される際、接続詞「または」は、特に明記しない限り、非排他的な「または」を指す。 Unless otherwise stated, considerations in this specification that use words such as “process”, “calculate”, “calculate”, “determine”, “present”, “display” or the like Is one or more memories (eg, volatile memory, non-volatile memory, or any suitable combination thereof), registers, or other mechanical configuration that receives, stores, communicates, or displays information May refer to the operation or process of a machine 3000 (eg, a computer) that manipulates or transforms data represented as physical (eg, electronic, magnetic, or optical) quantities within an element. Further, unless otherwise specified, the term “a” or “an” is used herein to include one or more examples, as is common in patent documents. Finally, as used herein, the conjunction “or” refers to a non-exclusive “or” unless stated otherwise.
本開示は例示的であり、限定的ではない。さらに修正はこの開示に照らして当業者には明らかであろうし、そして添付の特許請求の範囲の範囲内に入ることが意図されている。 This disclosure is illustrative and not restrictive. Further modifications will be apparent to those skilled in the art in light of this disclosure and are intended to fall within the scope of the appended claims.
Claims (20)
前記壁内の空いたチャネル空間によってそれぞれ画定され、流体が前記壁内を流れることを可能にするように構成された複数の冷却剤チャネルと、
備えるハウジングを含み、
前記ハウジングは積層造形法を用いて作製される、
熱交換器。 A wall that at least partially surrounds an area containing a large amount of heat relative to the surrounding volume;
A plurality of coolant channels, each defined by an open channel space in the wall and configured to allow fluid to flow through the wall;
Including a housing comprising,
The housing is made using additive manufacturing,
Heat exchanger.
前記壁が満たさなければならない少なくとも1つの熱条件;
前記壁が満たさなければならない少なくとも1つの構造条件;
前記壁が満たさなければならない前記壁に関する少なくとも1つの材料特性;および
前記複数の冷却剤チャネルが満たさなければならない前記冷却剤チャネルの少なくとも1つの材料特性
を含む、請求項5に記載の熱交換器。 The plurality of boundary conditions are
At least one thermal condition that the wall must satisfy;
At least one structural condition that the wall must satisfy;
The heat exchanger of claim 5, comprising: at least one material property for the wall that the wall must satisfy; and at least one material property of the coolant channel that the plurality of coolant channels must satisfy. .
前記複数の冷却剤チャネルのそれぞれが、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たすことによって定められる第2の形状の断面領域の少なくとも一部を第2の位置に有する、
請求項5に記載の熱交換器。 The plurality of boundary conditions is a first plurality of boundary conditions applied to a first position of the coolant channel;
Each of the plurality of coolant channels has at least a part of a cross-sectional area of a second shape defined by satisfying a second plurality of boundary conditions different from the first plurality of boundary conditions at a second position. Have
The heat exchanger according to claim 5.
前記領域を取り囲むハウジングであって、
周囲の量に対して大量の熱を含有する前記領域を少なくとも部分的に囲む壁、および
前記壁内の空いたチャネル空間によってそれぞれ画定され、流体が前記壁内を流れることを可能にするように構成された複数の冷却剤チャネルを備え、
積層造形法を用いて単一部品として作製されるハウジング、
を備える熱交換器と、
を備える、エンジン。 A region that generates thermal energy; and
A housing surrounding the region,
A wall at least partially surrounding the region containing a large amount of heat relative to a surrounding quantity, and an open channel space in the wall, respectively, to allow fluid to flow in the wall Comprising a plurality of configured coolant channels;
A housing made as a single part using additive manufacturing,
A heat exchanger comprising:
With an engine.
前記壁が満たさなければならない少なくとも1つの熱条件;
前記壁が満たさなければならない少なくとも1つの構造条件;
前記壁が満たさなければならない前記壁に関する少なくとも1つの材料特性;および
前記複数の冷却剤チャネルが満たさなければならない前記冷却剤チャネルの少なくとも1つの材料特性
を含む、請求項15に記載のエンジン。
The plurality of boundary conditions are
At least one thermal condition that the wall must satisfy;
At least one structural condition that the wall must satisfy;
The engine of claim 15, comprising: at least one material property for the wall that the wall must satisfy; and at least one material property of the coolant channel that the plurality of coolant channels must satisfy.
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