JP2012511120A - 多孔質媒体を用いる再生冷却型ジャケット - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
本出願は、2008年12月8日に出願された米国仮特許出願第61/120,776号であって発明の名称が「多孔質媒体を用いる再生冷却型ジャケット」であるものの優先権の効果を主張しており、特に、その米国仮特許出願は、それが開示しまたは教示するすべての内容につき、引用により本明細書に合体する。
ここで、〈 〉は、分子の平均自由行程より大きい寸法を有する体積であって、構造的な多孔質媒体基体の平均バルク特性を表すのに十分に大きい体積について平均された特性(特定体積についての平均値)を示し、
は、多孔質体積エレメント全体について平均されたダルシー流速(Darcy velocity)(気孔内の流体速度ではない)であり、添え字f,sおよびeはそれぞれ、流体(fluid)であるという特性、固体(solid)であるという特性および有効であるという特性を示しており、KおよびCはそれぞれ、前記多孔質媒体の透過係数および形状係数を表している。注記するに、式(3)においては、気孔空間内の流体がジャケットを通過して軸方向に移動するにつれて、前記気孔空間内の流体の密度が比較的緩やかに変化すると仮定されている。この仮定は、妥当な近似であり、ただし、相対的に緩やかである局所温度勾配および局所圧力勾配が、速度ベクトルに対して平行であり、その速度ベクトルは、適切に設計された(圧力低下が小さい)ジャケットと共に用いた場合に特に、流体密度に、対応する変化を生じさせる原因となるものであることを前提にする。
ここで、Gは、実験パラメータであって、前記固体の基体が熱の流れに及ぼす影響であって基体の捩れに基づくものに基づくものを示し、Peは、ペクレ数(Peclet number)であり、Dは、実験パラメータであって、流体の捩れが、増大する流体熱伝達に及ぼす影響を特徴付けるために用いられるものを示している。乱流は、熱伝導率の横方向成分を増大させるため、式(4)を、前記多孔質基体内への熱伝達を計算するために用いることが堅実である。
ここで、σは、固体の熱伝導率の、流体の熱伝導率に対する比率である。しかしながら、気体の場合には、
連続性は、次の式(12a)によって表される別の拘束条件を加える。
また、次の式(12b)および式(12c)が成り立つことが認められる。
ここで、式(14)は、前述のように、その断面において(同じ横断面において)一定である。流体の質量流束につき、
=ρfujであることと、形状係数Cが102から109までの範囲にほぼ等しいということを認めると、式(14)は、次の式(15)となる。
についての2次式である次の式(23)となり、この式(23)は、正の根(positive root)について解くことができる。
それらは、ワースト・ケースである(高温)断熱ケーシングの場合の境界条件である。
ここで、ηq''≡q''cw/q''jiであるとともに、断熱壁温度Tawが次の式(31)から推定される。
ここで、ηcblとPr0.33とが互いにほぼ等しい。ノードの温度は、その後、次の式(32a)および式(32b)を用いて計算することが可能である。
表1は、種々の多孔質金属媒体についての流量係数を示している。
本発明によって下記の各態様が得られる。
(1)再生冷却型ジャケットであって、
流体不透過性を有する内壁体であって、所望形状を有するチャンバを形成するものと、
流体不透過性を有する外壁体と、
前記内壁体と前記外壁体との間に位置する多孔質媒体基体と
を含み、
その多孔質媒体基体は、
前記所望形状を有するチャンバの一端部において冷却用流体が流入するように構成された流入部と、
前記所望形状を有するチャンバの他端部において前記冷却用流体が流出するように構成された流出部と
を含む再生冷却型ジャケット。
(2)前記多孔質媒体基体は、前記内壁体と前記外壁体との間に、それら内壁体と外壁体とを熱的に互いに直接的に接続する直接熱接続部を実現する構造体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(3)前記多孔質媒体基体は、前記冷却用流体であって攪拌されたものを前記内壁体から前記外壁体に誘導する構造体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(4)前記構造体は、マイクロチューブを含む(3)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(5)前記構造体は、リボン構造体を含む(3)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(6)前記多孔質媒体基体は、前記所望形状を有するチャンバの形状に倣う形状を有する(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(7)前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質リソグラフィ構造体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(8)前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質金属発泡体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(9)前記多孔質媒体基体は、前記冷却用流体に対して触媒として作用しない(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(10)前記多孔質媒体は、オープンセル型金属発泡体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(11)前記多孔質媒体は、アルミニウムを含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。(12)前記多孔質媒体は、ニッケルを含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(13)前記多孔質媒体は、ステンレス鋼を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(14)前記多孔質媒体は、80%未満の気孔率を有する(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(15)前記内壁体、前記多孔質媒体基体および前記外壁体は、互いに位置合わせされた複数枚の金属レイヤの積層体から形成されている(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(16)再生冷却型ジャケットであって、
流体不透過性を有する内壁体であって、チャンバを形成するものと、
流体不透過性を有する外壁体と、
前記内壁体と前記外壁体との間に位置する多孔質媒体基体と
を含み、
その多孔質媒体基体は、80%未満の気孔率を有し、
その多孔質媒体基体は、
前記チャンバの一端部において冷却用流体が流入する構成された流入部と、
前記チャンバの他端部において前記冷却用流体が流出するように構成された流出部と
を含む再生冷却型ジャケット。
(17)前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質リソグラフィ構造体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(18)前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質金属発泡体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(19)前記多孔質媒体基体は、前記冷却用流体に対して触媒として作用しない(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(20)前記多孔質媒体は、オープンセル型金属発泡体を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(21)前記多孔質媒体は、アルミニウムを含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(22)前記多孔質媒体は、ニッケルを含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(23)前記多孔質媒体は、ステンレス鋼を含む(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(24)前記多孔質媒体は、80%未満の気孔率を有する(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(25)前記内壁体、前記多孔質媒体基体および前記外壁体は、互いに位置合わせされた複数枚の金属レイヤの積層体から形成されている(1)項に記載の再生冷却型ジャケット。
(26)ロケットエンジンを冷却するロケットエンジン冷却方法であって、
推進剤タンクから流入ポートを通過して流入した、流体である推進剤兼冷却剤を、多孔質媒体基体であって前記ロケットエンジンの、流体不透過性を有する内壁体と、前記ロケットエンジンの、流体不透過性を有する外壁体との間に設置されたものを通過させ、そして、流出ポートを通過させて前記ロケットエンジンの燃焼室内に送り込む通過工程を含むロケットエンジン冷却方法。
(27)再生冷却型ジャケットを積層接合構造体から製造する再生冷却型ジャケット製造方法であって、
パターン付きデザインを、金属部品である複数の個別レイヤに適用する適用工程と、
それら個別レイヤを、互いに位置合わせされた状態で積層する積層工程と、
それら個別レイヤを互いに接合し、それにより、流体不透過性を有する内壁体と流体不透過性を有する外壁体との間のチャネル内に3次元流体通路を有するブロックを形成する接合工程と、
前記ブロックの内側部プロファイルおよび外側部プロファイルを機械加工によって形成し、それにより、最終的な仕上がり寸法を有する前記再生冷却型ジャケットであって多孔質媒体を用いるものを製造する機械加工工程と
を含む再生冷却型ジャケット製造方法。
Claims (27)
- 再生冷却型ジャケットであって、
流体不透過性を有する内壁体であって、所望形状を有するチャンバを形成するものと、
流体不透過性を有する外壁体と、
前記内壁体と前記外壁体との間に位置する多孔質媒体基体と
を含み、
その多孔質媒体基体は、
前記所望形状を有するチャンバの一端部において冷却用流体が流入するように構成された流入部と、
前記所望形状を有するチャンバの他端部において前記冷却用流体が流出するように構成された流出部と
を含む再生冷却型ジャケット。 - 前記多孔質媒体基体は、前記内壁体と前記外壁体との間に、それら内壁体と外壁体とを熱的に互いに直接的に接続する直接熱接続部を実現する構造体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、前記冷却用流体であって攪拌されたものを前記内壁体から前記外壁体に誘導する構造体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記構造体は、マイクロチューブを含む請求項3に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記構造体は、リボン構造体を含む請求項3に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、前記所望形状を有するチャンバの形状に倣う形状を有する請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質リソグラフィ構造体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質金属発泡体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、前記冷却用流体に対して触媒として作用しない請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、オープンセル型金属発泡体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、アルミニウムを含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、ニッケルを含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、ステンレス鋼を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、80%未満の気孔率を有する請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記内壁体、前記多孔質媒体基体および前記外壁体は、互いに位置合わせされた複数枚の金属レイヤの積層体から形成されている請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 再生冷却型ジャケットであって、
流体不透過性を有する内壁体であって、チャンバを形成するものと、
流体不透過性を有する外壁体と、
前記内壁体と前記外壁体との間に位置する多孔質媒体基体と
を含み、
その多孔質媒体基体は、80%未満の気孔率を有し、
その多孔質媒体基体は、
前記チャンバの一端部において冷却用流体が流入する構成された流入部と、
前記チャンバの他端部において前記冷却用流体が流出するように構成された流出部と
を含む再生冷却型ジャケット。 - 前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質リソグラフィ構造体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、マイクロ流体多孔質金属発泡体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体基体は、前記冷却用流体に対して触媒として作用しない請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、オープンセル型金属発泡体を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、アルミニウムを含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、ニッケルを含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、ステンレス鋼を含む請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記多孔質媒体は、80%未満の気孔率を有する請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- 前記内壁体、前記多孔質媒体基体および前記外壁体は、互いに位置合わせされた複数枚の金属レイヤの積層体から形成されている請求項1に記載の再生冷却型ジャケット。
- ロケットエンジンを冷却するロケットエンジン冷却方法であって、
推進剤タンクから流入ポートを通過して流入した、流体である推進剤兼冷却剤を、多孔質媒体基体であって前記ロケットエンジンの、流体不透過性を有する内壁体と、前記ロケットエンジンの、流体不透過性を有する外壁体との間に設置されたものを通過させ、そして、流出ポートを通過させて前記ロケットエンジンの燃焼室内に送り込む通過工程を含むロケットエンジン冷却方法。 - 再生冷却型ジャケットを積層接合構造体から製造する再生冷却型ジャケット製造方法であって、
パターン付きデザインを、金属部品である複数の個別レイヤに適用する適用工程と、
それら個別レイヤを、互いに位置合わせされた状態で積層する積層工程と、
それら個別レイヤを互いに接合し、それにより、流体不透過性を有する内壁体と流体不透過性を有する外壁体との間のチャネル内に3次元流体通路を有するブロックを形成する接合工程と、
前記ブロックの内側部プロファイルおよび外側部プロファイルを機械加工によって形成し、それにより、最終的な仕上がり寸法を有する前記再生冷却型ジャケットであって多孔質媒体を用いるものを製造する機械加工工程と
を含む再生冷却型ジャケット製造方法。
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