JP2017535738A - アディティブ製造された熱交換器を含んだクライオクーラー - Google Patents

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Abstract

装置は、クライオクーラー（100）の高温端（106）と低温端（108）との間を流体が流れるときに流体に熱を伝達するように、また、流体から熱を吸収するように構成された熱交換器（112，212）を含む。熱交換器は、炭素の少なくとも１つの同素形の基体（302）と、基体の上のナノ粒子の層（304）とを有する少なくとも１つのセクション（118，218）を含む。熱交換器は、複数のセクション（118，218）を含むことができ、各セクションが、複数の基体（302）のうちの１つとナノ粒子の複数の層（304）のうちの１つとを含み得る。熱交換器は更に、熱交換器の複数のセクションの中に細孔（602）を含むことができ、該細孔は、流体が熱交換器の中を流れて基体及びナノ粒子の層と接触することを可能にするように構成される。ナノ粒子は、少なくとも１つのランタニド元素又は合金を含むことができ、基体は、カーボンナノチューブ（402）又はグラフェン（500）を含み得る。

Description

本開示は、概して冷却システムに関する。より具体的には、本開示は、アディティブ（加法的に）製造された熱交換器を含んだクライオクーラー、並びに関連するシステム及び方法に関する。
様々なコンポーネントを極低温まで冷却するために、しばしばクライオクーラーが使用されている。例えば、様々な宇宙及び空中イメージングシステムにおいて焦点面（フォーカルプレーン）アレイを冷却するために、クライオクーラーが使用され得る。例えば、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、ターボ・ブレイトン冷凍機、及びジュール・トムソン冷凍機など、異なる設計を有する様々なタイプのクライオクーラーが存在する。これらのタイプのクライオクーラーは、クライオクーラー内を往復して流れる流体（例えば、液体又は気体）と熱を交換するのが典型的であるリジェネレータ又は向流（recuperative）熱交換器を含んでいる。熱がリジェネレータ又は向流（recuperative）熱交換器に蓄えられ、そしてそれから解放されることで、クライオクーラーの冷却動作を支援する。単純化のため、本明細書における表現“熱交換器”は、リジェネレータ、向流熱交換器、及びクライオクーラー内を流れる流体と熱を交換するその他の構造を含むものとする。
よりいっそう低い温度をクライオクーラーにて得ることを試みて、様々な設計が採用されてきた。それらの設計は、ガラス繊維、金属発泡体、積層（スタックト）スクリーン、鉛球及びレアアース球、並びにフォトエッチングされたディスクの使用を含む。しかしながら、極低温での冷却を実現することは、所望の温度が低下するにつれて、ますます困難になっている。例えば、約２０ケルビン（約−４２３．７°Ｆ）の温度未満でもっと効率的な冷却を実現することへの１つの障害は、現在利用可能な熱交換器の不十分さである。この温度域では、一般に、低い容積比熱及び低い熱伝導率が、熱交換器への及びそれからの熱伝達の有効性を妨げる。また、現在の低温熱交換器は典型的に、低い多孔率を有し且つ低い周波数で動作しており、それにより、クライオクーラーの効率をかなり制限してしまい得る。
本開示は、アディティブ製造された熱交換器を含んだクライオクーラー、並びに関連するシステム及び方法を提供する。
第１の実施形態において、装置は、クライオクーラーの高温端と低温端との間を流体が流れるときに流体に熱を伝達するように、また、流体から熱を吸収するように構成された熱交換器を含む。熱交換器は、炭素の少なくとも１つの同素形の基体と、基体の上のナノ粒子の層とを有する少なくとも１つのセクションを含む。
第２の実施形態において、方法は、クライオクーラー用の熱交換器を形成することを含む。熱交換器を形成することは、熱交換器の複数のセクションを形成することを含む。熱交換器の各セクションが、炭素の少なくとも１つの同素形の基体と、基体の上のナノ粒子の層とを含む。
第３の実施形態において、方法は、クライオクーラー用の熱交換器を形成することを含む。熱交換器を形成することは、熱交換器の複数のセクションを形成することを含む。熱交換器が、交互にされた基体及び金属の層を有するよう、熱交換器の各セクションが、基体と該基体の上の金属の層とを含む。
その他の技術的特徴が、以下の図面、説明、及び請求項から、当業者には容易に明らかになる。
より完全なる本開示の理解のため、ここでは、以下の図を含む添付図面とともに以下の説明を参照する。
本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含む熱交換器を有するクライオクーラーの第１の例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含む熱交換器を有するクライオクーラーの第２の例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含む熱交換器を有するクライオクーラーの第２の例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製されたクライオクーラー熱交換器の部分の一例を示している。 本開示に従ったクライオクーラー熱交換器用の基体の例を示している。 本開示に従ったクライオクーラー熱交換器用の基体の例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製されたクライオクーラー熱交換器の部分の一具体例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いてクライオクーラー熱交換器を形成する方法の例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いてクライオクーラー熱交換器を形成する方法の例を示している。 本開示に従ったアディティブ製法を用いてクライオクーラー熱交換器を形成する方法の例を示している。
以下に説明される図１−６、及び本明細書にて本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単に例示によるものであり、本発明の範囲を限定するように解釈されるべきでない。当業者が理解するように、本発明の原理は、あらゆる種類の好適に構成された装置又はシステムにて実装され得る。
図１は、本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含む熱交換器を有する第１の例のクライオクーラー１００を示している。より具体的には、図１は、リジェネレータを有するパルス管冷凍機を例示しており、リジェネレータの一部がアディティブ製法を用いて作製されている。
図１に示すように、クライオクーラー１００は、圧縮機（コンプレッサ）１０２及び膨張機（エクスパンダ）アセンブリ１０４を含んでいる。圧縮機１０２は、膨張機アセンブリ１０４内の流体の流れを作り出す。例えば、圧縮機１０２は、各圧縮サイクル中に往復行程を行うピストンを含むことができ、指定された駆動周波数で多数の圧縮サイクルが行われる。ピストンは、故に、圧縮機１０２の動作中に、流体を膨張機アセンブリ１０４に押し込み、そして、流体を膨張機アセンブリ１０４から引き抜く。圧縮機１０２は、冷却システム内で少なくとも１つのガス又はその他の（１つ以上の）流体を動かすのに好適な如何なる構造を含んでいてもよい。
圧縮機１０２により、流体が膨張機アセンブリ１０４に押し込まれ、そして引き抜かれる。この流体の往復運動が、流体の制御された膨張及び収縮とともに、膨張機アセンブリ１０４における冷却を生み出す。この例において、膨張機アセンブリ１０４は、高温端１０６及び低温端１０８を持つ。これらの名前が暗示するように、膨張機アセンブリ１０４の高温端１０６は、膨張機アセンブリ１０４の低温端１０８よりも高い温度にある。膨張機アセンブリ１０４の低温端１０８は、例えば約４ケルビン（約−４５２．５°Ｆ）又は設計に応じて更に低くなど、何らかの好ましく低い温度に至り得る。故に、膨張機アセンブリ１０４の低温端１０８は、例えば、冷却すべき装置又はシステムに熱的に結合され得る。
膨張機アセンブリ１０４は、パルス管１１０及びリジェネレータ１１２を含んでいる。パルス管１１０は、それを通って流体が往復して移動する又は脈打つことができる通路を表す。リジェネレータ１１２は、流体と接触して流体と熱を交換する構造を表す。例えば、流体が膨張機アセンブリ１０４の高温端１０６から低温端１０８へと通るとき、流体からの熱をリジェネレータ１１２によって吸収することができる。流体が膨張機アセンブリ１０４の低温端１０８から高温端１０６へと通るとき、リジェネレータ１１２からの熱を流体によって吸収することができる。
パルス管１１０は、多数のサイクル中に脈打つ又はその他の方法で往復運動する流体を保持するのに好適な構造を含んでいる。パルス管１１０は、好適な如何なる（１つ以上の）材料から形成されてもよく、また、好適な如何なるサイズ、形状、及び寸法を有していてもよい。パルス管１１０はまた、好適な如何なる方法で製造されてもよい。
膨張機アセンブリ１０４の低温端１０８は、熱交換器１１４及び結合チャネル１１６を含んでいる。熱交換器１１４は一般に、膨張機アセンブリ１０４の低温端１０８における熱を除去するように動作する。結合チャネル１１６は、熱交換器１１４とリジェネレータ１１２とを流体的に結合する。
より詳細に後述するように、リジェネレータ１１２は、アディティブ製法を用いて部分的又は全体的に製造される複数の部分１１８を含んでいる。例えば、一部の実施形態において、各部分１１８は、（ｉ）炭素の少なくとも１つの同素形から形成された基体と、（ｉｉ）該基体の上のナノ粒子とを含むことができる。しかしながら、その他の基体及び／又は基体の上のその他の材料も使用され得る。
図２Ａ及び２Ｂは、本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含む熱交換器を有する第２の例のクライオクーラー２００を示している。より具体的には、図２Ａ及び２Ｂは、リジェネレータを有する二段スターリング冷凍機を例示しており、リジェネレータの一部がアディティブ製法を用いて作製されている。
図２Ａ及び２Ｂに示すように、圧縮機２０２が、膨張機アセンブリ２０４に流体的に結合され、膨張機アセンブリ２０４内で流体に往復運動させる。好適な如何なる圧縮機２０２がクライオクーラー２００で使用されてもよい。膨張機アセンブリ２０４は、二段スターリング冷却システムの第１ステージ２０６の部分を表す。スターリング冷却システムの第２ステージ２０８はパルス管を含んでいる。
第１ステージ２０６の部分を、図２Ｂに更に詳細に示している。図２Ｂに示すように、第１ステージ２０６は、第１及び第２ステージ２０６−２０８の中を巡回する流体がその中を通るリジェネレータ２１２を含んでいる。またもや、リジェネレータ２１２は、流体と接触して流体と熱を交換する構造を表す。例えば、流体が図２Ｂのリジェネレータ２１２を右から左に通るとき、流体からの熱をリジェネレータ２１２によって吸収することができる。流体が図２Ｂのリジェネレータ２１２を左から右に通るとき、リジェネレータ２１２からの熱を流体によって吸収することができる。
より詳細に後述するように、リジェネレータ２１２は、アディティブ製法を用いて部分的又は全体的に製造される複数の部分２１８を含んでいる。一部の実施形態において、各部分２１８は、（ｉ）炭素の少なくとも１つの同素形から形成された基体と、（ｉｉ）該基体の上のナノ粒子とを含むことができる。しかしながら、その他の基体及び／又は基体の上のその他の材料も使用され得る。
図１、２Ａ、及び２Ｂは、アディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含んだ熱交換器を有するクライオクーラーの例１００、２００を示しているが、図１、２Ａ、及び２Ｂには様々な変更が為され得る。例えば、各リジェネレータ１１２、２１２又はその他の熱交換器は、如何なる数の部分１１８、２１８を含んでいてもよい。また、部分１１８、２１８はここでは物理的に隔てられて示されているが、これは単に図示の容易さのためである。クライオクーラー熱交換器のこれら様々な部分１１８、２１８は、好適な如何なる間隔を有していてもよく、あるいは、互いに物理的に接触していてもよい。また、図１、２Ａ、及び２Ｂは、アディティブ製法を用いて作製された１つ以上の部分を含んだ熱交換器を含むクライオクーラーの例を表している。このような熱交換器が、例えば単一段のスターリング冷凍機又はギフォード・マクマホン冷凍機など、その他のタイプのクライオクーラーにて使用されてもよい。さらに、同じ又は同様の構造が、例えば逆ターボ・ブレイトン冷凍機又はジュール・トムソン冷凍機に関してなどで、向流熱交換器にて使用されてもよい。概して、あらゆる単一段又は多段のクライオクーラーが、アディティブ製法を用いて作製された少なくとも１つの部分を有するリジェネレータ、向流熱交換器、又はその他の熱交換器を含み得る。
図３は、本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製されたクライオクーラー熱交換器の部分１１８、２１８の一例を示している。図３に示すように、クライオクーラー熱交換器の部分１１８、２１８は、基体３０２及びナノ粒子層３０４を含んでいる。一部の実施形態において、基体３０２は概して、炭素の少なくとも１つの同素形を含んだ構造を表す。また、一部の実施形態において、ナノ粒子層３０４は概して、その中で、基体の上に（場合により、或るパターンで）ナノ粒子が付与されている層を表す。
基体３０２は、その上にナノ粒子又はその他の材料を堆積、形成、又はその他の方法で置くことができる好適な（１つ以上の）材料を含む。特定の実施形態において、基体３０２は、例えばカーボンナノチューブ又はグラフェンなど、炭素の好適な（１つ以上の）同素形から形成される。基体３０２はまた、例えばカーボンナノチューブ又はグラフェンのシートを製造すること又は購入することによってなど、好適な如何なるやり方で形成されてもよい。
ナノ粒子層３０４は、好適な（１つ以上の）材料から形成されたナノ粒子を含む。特定の実施形態において、ナノ粒子層３０４は、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、又はその他の（１つ以上の）ランタニド元素若しくは（１つ以上の）合金から形成されたナノ粒子を含む。しかしながら、留意されたいことには、このナノ粒子は、非常に低い温度で非常に高い容積比熱を持つ好適な如何なる（１つ以上の）材料から形成されてもよい。その他の材料例は、鉛（Ｐｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はその他の（１つ以上の）元素若しくは（１つ以上の）合金を含み得る。ナノ粒子はまた、好適な如何なる手法で付与されてもよい。技術の例は、インクジェットプリンタを用いて、懸濁されたナノ粒子を含有するインクを基体上に印刷することを含む。
より詳細に後述するように、所望の熱伝達特性、流体フロー特性、又は熱交換器におけるその他の特性を達成するために、基体３０２の多孔率及びナノ粒子層３０４にナノ粒子を用いて形成されるパターンを制御又は変更することができる。例えば、基体上にナノ粒子が付与された後に、その構造が、その構造内に１つ以上の所望サイズの細孔（ポア）を作り出すように、１つ以上のポスト製造処理操作を受け得る。これは、例えば１つ以上のレーザを用いることによってなど、好適な如何なる手法で遂行されてもよい。一部の実施形態において、熱交換器内の流体の流れを実質的に妨げないように、多孔率が十分に高くなるように制御することができ、従来構造と比較して低減された、熱交換器内での圧力降下を得ることができる。
炭素同素体から形成された基体の使用とナノ粒子とを組み合わせることは、実装に応じて様々な利点をもたらすことができる。例えば、クライオクーラーの高温端と低温端との間での熱交換器内の熱流は、クライオクーラーの全体的な冷却能力及び有効性を低下させる。しかしながら、カーボンナノチューブ又はグラフェンのような炭素同素体から形成された基体は、容易に、熱交換器内で軸方向（図１での上／下、又は図２Ｂでの左／右）に熱が伝わることを実質的に阻止しながら、径方向又は横方向（図１での左／右、又は図２Ｂでの上／下）に熱が伝わることを可能にする。本明細書において、用語“軸方向”は、熱交換器のより長い寸法に沿った熱交換器の軸に対して実質的に平行な方向を指す。用語“径方向”及び“横方向”は、軸方向に対して実質的に垂直な方向を指す。このように熱伝達を支援することにより、熱交換器内の軸方向の熱流を実質的に抑制することができながら、ナノ粒子層３０４の中及び外への径方向／横方向の熱伝達を向上させることができ、熱交換器内での端部間（エンド・ツー・エンド）熱伝導損失を低減して、クライオクーラーの全体的な冷却能力及び有効性を高める助けとなる。
他の一例として、ナノ粒子の付与は、従来のクライオクーラー製造技術を用いてよりも遥かに小さいフィーチャ（造形）サイズを達成するように精密に制御され得る。例えば、ナノ粒子を含有するインクを基体上に印刷することは、約５ミクロンから１０ミクロンほどの小ささの（又は更に小さい）フィーチャサイズで行われ得る。これは、所望の熱伝達をなおも達成しながら遥かに低い圧力損失を持つ熱交換器の設計を容易にする。これはまた、従来の低温クライオクーラーに対して有意に高い周波数での動作を可能にすることができる。それは何故なら、より小さいフィーチャサイズは、より小さい、基体３０２／ナノ粒子層３０４とクライオクーラー内の流体との間の距離での、より迅速な熱交換を支援するからである。
これら及びその他の特徴は、クライオクーラー１００、２００が、より小型のパッケージ内で、より高い周波数で動作することを可能にする。例えば、４ケルビンの温度に到達しようとする多くの従来クライオクーラーは、１ヘルツ（Ｈｚ）と２０Ｈｚとの間の周波数で動作することが多い。本明細書に記載されるアプローチは、例えば約３０Ｈｚから約６０Ｈｚの間など、より高い周波数で使用されることができる。クライオクーラーのサイズ／質量は典型的にその周波数とは逆に増減するので、これは、クライオクーラー１００、２００のサイズ／質量を低減する助けとなる。また、これら及びその他の特徴は、クライオクーラー１００、２００が、固体材料のいっそう効果的な使用による効率増大を達成することを可能にする。さらに、これら及びその他の特徴は、クライオクーラー１００、２００が圧力降下を低減してクライオクーラー１００、２００における伝導損を低減することを可能にする。全体として、これは、クライオクーラー１００、２００が、例えば２０ケルビン未満の温度（約１０ケルビン又は約４ケルビンを含めて）などの、より低い極低温をいっそう効率的且つ効果的に達成することを可能にする。
図３は、アディティブ製法を用いて作製されたクライオクーラー熱交換器の部分１１８、２１８の一例を示しているが、図３には様々な変更が為され得る。例えば、（１つ以上の）材料の更なる層が、好適な（１つ以上の）位置に使用され得る。また、本開示は、熱交換器における炭素同素体及びナノ粒子との使用のみに限定されるものではない。様々なその他の構造及び技術（例えば、化学気相成長など）が、クライオクーラーの熱交換器をアディティブ（加法的）に製造するために使用され得る。特定の例として、１つ以上のランタニド合金を適用するために、以下の化学気相成長（ＣＶＤ）技術を使用することができる。一例の技術は、望ましい金属／合金組成を有するとともにこの金属／合金をシート基板上に直接的に堆積させるように真空下で加熱される球体／ペレットの形態をした開始材料を使用する。他の一例の技術は、各ランタニド又はその他の金属の複数のサブミクロン層を設けてスタックを形成し、その後に、このスタックが、各金属層の間での相互拡散を促進する（故に、合金を形成する）ように、上昇された温度に晒される。
図４及び５は、本開示に従ったクライオクーラー熱交換器用の基体の例を示している。より具体的には、図４及び５は、図１、２Ａ、及び２Ｂのリジェネレータ１１２、２１２、又はその他の好適なクライオクーラー熱交換器の中の様々な部分１１８、２１８に使用され得る基体３０２の例を示している。
図４は、カーボンナノチューブ４０２のシート４００の一部の拡大図を示している。図４にて見て取れるように、カーボンナノチューブ４０２は、概して平面状であり、シート４００内で実質的に横方向に走る。ここではカーボンナノチューブ４０２がシート内でランダムな経路で走っているが、より規則的な経路がシート４００内に与えられてもよい。
カーボンナノチューブ４０２のこの構成は、流体がシート４００中を流れてカーボンナノチューブ４０２及び隣接する（１つ以上の）ナノ粒子層３０４内のナノ粒子と接触することを可能にする。流体とカーボンナノチューブ４０２との間で熱伝達が起こることができる。熱伝達はまた、カーボンナノチューブ４０２と、隣接する（１つ以上の）ナノ粒子層３０４（ここでは、流体とナノ粒子との間で熱伝達が起こっている）の中のナノ粒子との間でも起こることができる。シート４００の多孔率は、例えば、シート４００内のカーボンナノチューブ４０２の量及びサイズと、何らかのポスト製造処理操作（例えば、シート４００中でのレーザエッチングなど）とに基づいて制御されることができる。また、シート４００の全体的なサイズ及び形状は、例えば所望の容積熱容量及び熱交換器の形状などの様々なファクタに基づき得る。
シート４００内での熱輸送は概してカーボンナノチューブ４０２に沿って起こる。図４にて見て取れるように、カーボンナノチューブ４０２はシート４００内で概して横方向（左右）に走っている。結果として、カーボンナノチューブ４０２を通じて輸送される熱のうちのかなりの部分が、シート４００内で横方向に輸送される。カーボンナノチューブ４０２は小さい程度でシート４００内を軸方向（上下）に走っており、これは、シート４００の軸方向にかなり小さい量の熱輸送をもたらす。なお、熱交換器の容積熱容量を調節するように、カーボンナノチューブ４０２を、１つ以上のその他の材料でドープすること又はそれとともに共析出させることも可能である。
図５では、グラフェン（時折“グラフェンペーパー”と呼ばれる）のシート５００が使用されている。図５にて見て取れるように、シート５００は、炭素原子の密な六角形配列５０２を用いて形成された薄い構造を表す。例えばレーザエッチングによってなどの好適な手法で、グラフェンのシート５００内に細孔を形成することができる。これは、流体がシート５００中を流れてグラフェンと接触することを可能にする。流体とグラフェンとの間で熱伝達が起こることができ、熱伝達はまた、グラフェンと、隣接する（１つ以上の）ナノ粒子層３０４（ここでは、流体とナノ粒子との間で熱伝達が起こっている）の中のナノ粒子との間でも起こることができる。なお、ディスク形状であるように示されているが、シート５００の全体的なサイズ及び形状は、例えば所望の容積熱容量及び熱交換器の形状などの様々なファクタに基づき得る。
またもや、シート５００内での熱輸送は、主に炭素原子の配列５０２に沿って、概して横方向に起こる。配列５０２はシート５００内で横方向（左右）に配されるので、配列５０２を通じて輸送される熱のうちのかなりの部分が、シート５００内で横方向に輸送される。配列５０２は小さい程度でシート５００内を軸方向（上下）に走っており、これは、シート５００内の軸方向にかなり小さい量の熱輸送をもたらす。
図４及び５は、クライオクーラー熱交換器用の基体の例を示しているが、図４及び５には様々な変更が為され得る。例えば、各部分１１８、２１８は、例えば、長方形シート、円形ディスク、ドーナツ形ディスク、又はその他の規則的若しくは不規則な形状など、好適な如何なるフォームファクタを有していてもよい。また、上述のように、本開示は、炭素同素体を含有する基体との使用に限定されるものではない。
図６は、本開示に従ったアディティブ製法を用いて作製されたクライオクーラー熱交換器の部分１１８、２１８の一具体例を示している。この例において、ナノ粒子層３０４は、ナノ粒子の横線及び縦線を持つ格子パターンで印刷されている。しかしながら、留意されたいことには、ナノ粒子のその他のパターン又は追加のパターンが使用されてもよい。
これまた図６に示すように、構造内に細孔６０２が形成されている。細孔６０２は、クライオクーラー熱交換器の部分１１８、２１８の中を流体が流れるための通路を表す。細孔６０２は、例えばレーザエッチングによってなど、好適な如何なる手法で形成されてもよい。好適な如何なる数の細孔が、好適な如何なるパターンで形成されてもよい。
ナノ粒子を付与するために印刷が使用される実施形態において、この印刷及びレーザプロセスは、例えば多孔率、水力学的及び固体のフィーチャサイズ、フィーチャ間隔、並びにパターンなどのパラメータに対する精密な制御を可能にし得る。一部の実施形態において、印刷されるナノ粒子材料（層３０４を形成する格子線）及び流路（細孔６０２）の双方について、約５ミクロンから１０ミクロンのフィーチャサイズを使用し得る。
図６は、アディティブ製法を用いて作製されるクライオクーラー熱交換器の部分１１８、２１８の一具体例を示しているが、図６には様々な変更が為され得る。例えば、その他の又は追加の規則的若しくは不規則な配置のナノ粒子及び細孔が使用されてもよい。また、細孔６０２の使用は、図６に示した基体３０２及びナノ粒子層３０４の特定の実装に限定されるものではない。さらに、上述のように、本開示は、ナノ粒子との使用に限定されるものではない。
図７−９は、本開示に従ったアディティブ製法を用いてクライオクーラー熱交換器を形成する方法の例７００、８００、９００を示している。図７に示すように、ステップ７０２にて、基体と、ナノ粒子を含有するインクとが取得される。これは、例えば、カーボンナノチューブ又はグラフェンのシートを製造、購入、又はその他の方法で取得することを含み得る。これはまた、ランタニド元素、ランタニド合金、又はその他のナノ粒子を含有するインクを製造、購入、又はその他の方法で取得することを含み得る。
ステップ７０４にて、ナノ粒子層を形成するように、基体上にインクが印刷される。これは、例えば、インクジェットプリンタを用いて、基体上にインクを印刷することを含み得る。例えばＯＰＴＯＭＥＣ ＡＥＲＯＪＥＴプリンタなど、好適な如何なるインクジェットプリンタが使用されてもよい。また、インクは、例えば格子パターン又はその他のパターンなど、好適な如何なるやり方で付与されてもよい。
ステップ７０６にて、ナノ粒子層内のナノ粒子を溶かすように、熱処理が実行される。これは、例えば、約１５０℃（約３０２°Ｆ）で熱処理を実行することを含み得る。特定の一例として、これは、光焼結プロセスを実行することを含み得る。この熱処理は、ナノ粒子を用いて形成される格子パターン又はその他の（１つ以上の）パターンにおける連続性を確保する助けとするために、ナノ粒子を溶かす。
ステップ７０８にて、この構造体が穿孔される。これは、例えば、レーザを用いて基体中に細孔を形成することを含み得る。細孔の位置に応じて、これは、ナノ粒子パターン中に細孔を形成することを含むこともあるし含まないこともある。ステップ７１０にて、この構造体が複数のディスクへと切断され、これらのディスクが、ステップ７１２にて、熱交換器を形成するように積み重ねられる。これは、例えば、レーザを用いて構造体をディスクへと切断することを含み得る。これはまた、好適な接合剤又はその他の機構を用いてディスクを積層することを含み得る。なお、ディスクの使用は単に例示のためであり、熱交換器は、他の所望断面形状のセクション（区画）を有していてもよい。得られた構造体が、完成した熱交換器を表し得る。あるいは、その他の処理工程が実行されて、完成した熱交換器の製造を完了し得る。
図８に示すように、ステップ８０２にて、ナノ粒子を含有するインクが取得される。これは、例えば、ランタニド元素、ランタニド合金、又はその他のナノ粒子を含有するインクを製造、購入、又はその他の方法で取得することを含み得る。
ステップ８０４にて、基体が形成される。これは、例えば、インクジェットプリンタ又はその他の装置を用いて、カーボンナノチューブ又はグラフェンを所望の基体の形状に形成することを含み得る。しかしながら、留意されたいことには、その他の好適技術を用いて、例えば炭素の同素形を含有する基体を作り出してもよい。ステップ８０６にて、ナノ粒子層を形成するように、基体上にインクが印刷される。これは、例えば、インクジェットプリンタを用いて、基体上にインクを格子パターン又はその他の（１つ以上の）パターンで印刷することを含み得る。
ステップ８０８にて、更なる基体及びナノ粒子層を形成すべきかの決定が為される。これは、例えば、所望数の基体及びナノ粒子層が製造されたかを決定することを含み得る。更なる基体及びナノ粒子層が必要な場合、このプロセスはステップ８０４へと戻り、先に製造されたナノ粒子層の上に別の基体が形成され得る。
そうでない場合、ステップ８１０にて、ナノ粒子層内のナノ粒子を溶かすように、熱処理が実行され、そして、ステップ８１２にて、この構造体が穿孔される。これは、例えば、約１５０℃（約３０２°Ｆ）又はその他の温度で、光焼結プロセス又はその他の熱処理を実行することを含み得る。これはまた、レーザを用いて基体中に細孔を形成することを含み得る。得られた構造体が、完成した熱交換器を表し得る。あるいは、その他の処理工程が実行されて、完成した熱交換器の製造を完了し得る。
図９に示すように、ステップ９０２にて、基体が取得される。これは、例えば、カーボンナノチューブ又はグラフェンのシートを製造、購入、又はその他の方法で取得することを含み得る。しかしながら、留意されたいことには、基体はその他の（１つ以上の）好適材料から形成されてもよい。
ステップ９０４にて、基体の上に金属の層が形成される。これは、例えば、金属ナノ粒子（例えば、１つ以上のランタニド金属又は合金など）を含有するインクを基体上に印刷して、ナノ粒子層を形成することを含み得る。これはまた、ＣＶＤ技術を使用することを含んでいてもよい。上述のように、１つのＣＶＤ技術は、所望の金属又は合金組成を持つ球体／ペレットを真空下で加熱して、シート基板上に直接的に金属／合金を堆積させる。別の１つのＣＶＤ技術は、複数層の金属を形成し、該金属を加熱して合金を形成する。
ステップ９０６にて、この構造体が穿孔される。これは、例えば、レーザを用いて構造体の中に細孔を形成することを含み得る。ステップ９０８にて、この構造体が複数のディスクへと切断され、これらのディスクが、ステップ９１０にて、熱交換器を形成するように積み重ねられる。これは、例えば、レーザを用いて構造体をディスクへと切断することを含み得る。これはまた、好適な接合剤又はその他の機構を用いてディスクを積層することを含み得る。なお、ディスクの使用は単に例示のためであり、熱交換器は、他の所望断面形状のセクションを有していてもよい。得られた構造体が、完成した熱交換器を表し得る。あるいは、その他の処理工程が実行されて、完成した熱交換器の製造を完了し得る。
図７−９は、アディティブ製法を用いてクライオクーラー熱交換器を形成する方法の例７００、８００、９００を示しているが、図７−９には様々な変更が為され得る。例えば、各図が一連のステップを示しているが、各図の様々なステップは、重なっていたり、並行して行われたり、異なる順序で行われたり、又は複数回行われたりしてもよい。また、その他のアディティブ製造技術が使用されてもよい。
上述のナノ粒子は、現在既知の又は将来開発される好適な如何なる技術を用いて製造されてもよい。例えば、一部の実施形態において、米国特許第７７８９９３５号（その全体をここに援用する）に記載された技術を用いて、上述のようにして使用されるナノ粒子を製造することができる。
他の実施形態において、ランタニド元素又はランタニド合金のナノ粒子をサポートするように、米国特許第７７８９９３５号に記載された技術を変更することができる。ランタニド元素は水と反応して水素ガスと金属水酸化物とを生成するので、ランタニドナノ粒子は、有機又はその他の非水性溶液を用いて製造され得る。
更なる他の実施形態において、ランタニドナノ粒子は、米国特許出願第１４／５４２１５０号（その全体をここに援用する）に記載されるようにして製造され得る。そのアプローチによれば、ランタニドナノ粒子は、有機溶媒（例えば、アルコールなど）又はその他の非水性液体に溶解されたランタニド化合物（例えば、金属塩など）を用いて製造されることができる。この溶液が、有機溶媒（例えば、アルコールなど）又はその他の非水性液体の中に光開始剤（例えば、ベンゾフェノンなど）を含有した別の溶液と混ぜ合わされる。この混合の前、最中、又は後に、この（１つ以上の）溶液中に溶解された１つ以上のガス（例えば、酸素など）を実質的に除去するために、この（１つ以上の）溶液が脱気され得る。得られた混合物が、少なくとも規定時間量、紫外線（ＵＶ）照射に曝され、そして、混合物が乾燥される。残った残留物がランタニドナノ粒子を含有する。
特定の実施形態において、ランタニドナノ粒子は、以下のようにして製造されてもよい。高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）グレードのイソプロピルアルコール中におよそ１０−３Ｍのベンゾフェノンを含有する溶液を調合するとともに、ＨＰＬＣグレードのイソプロピルアルコール中におよそ１０−３Ｍの高純度の無水塩化エルビウムを含有する別の溶液を調合する。これらの溶液中に、例えば最短で約１５分など、乾燥窒素を泡立てることで、溶解している酸素をこれらの溶液から抜くことができる。およそ５０ｍｌの上記ベンゾフェノン溶液を、およそ２５ｍｌの上記エルビウム溶液と混ぜ合わせ、例えばペトリ皿などの容器内に置く。この容器を、例えば水銀ランプ又はその他の卓上ＵＶライトからのＵＶ照明に、好適な時間長さ（例えば、約２分と約１０分との間など）だけ曝す。この混合物を、例えば約１２時間にわたって室温のアクティブ気流の中で等により、乾燥させ、そして、得られた残留物がエルビウムナノ粒子を含有する。
なお、上で援用した米国特許第７７８９９３５号はまた、ナノ粒子を含有するインクを策定する技術についても開示しており、それがここで使用され得る。しかしながら、現在既知の又は将来開発されるその他の技術を用いて、ランタニド又はその他のナノ粒子を含有するインクを策定してもよい。
本特許文献の全体を通して使用される特定の単語及びフレーズの定義を説明しておくことが有益であるかもしれない。用語“含む”及び“有する”、並びにこれらの派生語は、限定なしでの包含を意味する。用語“又は”は、及び／又はを意味する包括的なものである。“〜と関連付けられる”なる言い回し、及びその派生語は、〜を含む、〜の中に含まれる、〜と相互接続される、〜を含有する、〜内に含有される、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協働する、〜と交互である、〜隣り合う、〜に近接した、〜に又は〜と結合される、〜を有する、〜の特性を有する、〜に又は〜と関係を有する、又はこれらに類するものを意味し得る。“〜のうちの少なくとも１つ”なる言い回しは、アイテムのリストとともに使用されるとき、リストアップされたアイテムのうちの１つ以上の様々な組み合わせが使用され得ることを意味し、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされることもある。例えば、“Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ”は、以下の組み合わせ：Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、及びＡとＢとＣ、のうちの何れをも含む。
本開示は、特定の実施形態及び概して関連する方法を述べてきたが、これらの実施形態及び方法の改変及び並べ替えが当業者に明らかになる。従って、以上の実施形態例の説明は、本開示を定めたり制約したりするものではない。以下の請求項によって規定される本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、その他の変形、代用、及び改変も可能である。

Claims (20)

  1. クライオクーラーの高温端と低温端との間を流体が流れるときに、前記流体に熱を伝達するように、また、前記流体から熱を吸収するように構成された熱交換器、
    を有し、
    前記熱交換器は、
    炭素の少なくとも１つの同素形を有する基体と、
    前記基体の上のナノ粒子の層と、
    を有する少なくとも１つのセクションを含む、
    装置。
  2. 前記熱交換器は、複数の基体のうちの１つとナノ粒子の複数の層のうちの１つとを各セクションが有した、複数のセクションを含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記熱交換器は更に、前記熱交換器の前記複数のセクションの中に細孔を有し、該細孔は、前記流体が前記熱交換器の中を流れて前記基体及び前記ナノ粒子の層と接触することを可能にするように構成されている、請求項２に記載の装置。
  4. 前記複数のセクションは、前記熱交換器を形成するように積み重ねられている、請求項２に記載の装置。
  5. 前記ナノ粒子は、前記基体の上で格子パターンに配置されている、請求項１に記載の装置。
  6. 前記ナノ粒子は、少なくとも１つのランタニド元素又はランタニド合金を有し、且つ
    前記基体は、カーボンナノチューブ又はグラフェンを有する、
    請求項１に記載の装置。
  7. 前記ナノ粒子の層の部分を形成しているインク、
    を更に有する請求項１に記載の装置。
  8. クライオクーラー用の熱交換器を形成することを有する方法であって、
    前記熱交換器を形成することは、前記熱交換器の複数のセクションを形成することを有し、
    前記熱交換器の各セクションは、
    炭素の少なくとも１つの同素形を有する基体と、
    前記基体の上のナノ粒子の層と
    を有する、
    方法。
  9. 前記熱交換器を形成することは、交互にされた基体及びナノ粒子の層を形成することを有する、請求項８に記載の方法。
  10. 前記熱交換器を形成することは、
    前記基体の上に前記ナノ粒子の層を付与し、
    前記基体及び前記ナノ粒子の層をセクションへと切断し、且つ
    該セクションを積み重ねて前記熱交換器を形成する
    ことを有する、請求項８に記載の方法。
  11. 前記熱交換器の各セクションを形成することが、
    該セクション用の前記基体を形成し、且つ
    該セクション用の前記基体の上に、該セクション用の前記ナノ粒子の層を付与する
    ことを有する、請求項８に記載の方法。
  12. 各セクションについて、前記ナノ粒子の層の中の前記ナノ粒子を溶かすこと
    を更に有する請求項８に記載の方法。
  13. 当該方法は更に、前記熱交換器の前記複数のセクションの中に細孔を形成することを有し、前記細孔は、流体が前記熱交換器の中を流れて前記基体及び前記ナノ粒子の層と接触することを可能にするように構成される、請求項８に記載の方法。
  14. 前記熱交換器を形成することは、
    各セクションについて、前記ナノ粒子を含有するインクを前記基体の上に印刷して、前記ナノ粒子の層を形成する
    ことを有する、請求項８に記載の方法。
  15. クライオクーラー用の熱交換器を形成することを有する方法であって、
    前記熱交換器を形成することは、前記熱交換器の複数のセクションを形成することを有し、
    前記熱交換器が、交互にされた基体及び金属の層を有するよう、前記熱交換器の各セクションが、基体と該基体の上の金属の層とを有する、
    方法。
  16. 各セクションの前記金属の層が、ナノ粒子の層を有し、且つ
    各金属の層が、前記ナノ粒子を含有するインクを付与することによって形成される、
    請求項１５に記載の方法。
  17. 前記ナノ粒子は、少なくとも１つのランタニド元素又はランタニド合金を有する、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記ナノ粒子を、
    非水性液体中に金属塩を溶解させることによって第１の溶液を形成し、
    前記第１の溶液を、非水性液体中に光開始剤を有する第２の溶液と混合し、且つ
    得られた混合物を紫外線照射に曝す
    ことによって製造する、
    ことを更に有する請求項１７に記載の方法。
  19. 各セクションの前記金属の層が、金属の球体又はペレットを真空下で加熱して前記金属の層を直接的に堆積させることによって形成される、請求項１６に記載の方法。
  20. 各セクションの前記金属の層が、スタックを形成するように複数層の金属を堆積させ、前記複数層の金属を加熱して合金を形成することによって形成される、請求項１６に記載の方法。
JP2017512042A 2014-09-03 2015-06-26 アディティブ製造された熱交換器を含んだクライオクーラー Active JP6694874B2 (ja)

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