JP2022520789A - Open cell foam metal heat exchanger - Google Patents

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JP2022520789A JP2021547104A JP2021547104A JP2022520789A JP 2022520789 A JP2022520789 A JP 2022520789A JP 2021547104 A JP2021547104 A JP 2021547104A JP 2021547104 A JP2021547104 A JP 2021547104A JP 2022520789 A JP2022520789 A JP 2022520789A
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ホール、ミッチェル
シャッファーツィック、デンバー
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イーアールジー エアロスペース コーポレイション
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Abstract

構造が連続的な流れ場全体にわたって流体および/または空気を分配する流体チャネルを使用する、連続気泡発泡金属熱交換器を強化する方法が提示される。熱交換器は、要求される圧力降下を考慮して熱伝達特性を改善するだけでなく、航空および宇宙産業に対する大容量スループット要件を満たすように大量生産できる低コストのソリューションを製造する必要性も考慮に入れている。A method of strengthening an open-cell foam metal heat exchanger using a fluid channel in which the structure distributes fluid and / or air throughout a continuous flow field is presented. Heat exchangers not only need to improve heat transfer characteristics to account for the required pressure drop, but also need to manufacture low cost solutions that can be mass-produced to meet high capacity throughput requirements for the aviation and space industries. Take into account.

Description

本発明の実施形態は、熱交換器の技術分野に関するものである。より具体的には、本発明の実施形態は、連続気泡(オープンセル)発泡金属を利用する低コストの高性能熱交換器に向けられている。 Embodiments of the present invention relate to the technical field of heat exchangers. More specifically, embodiments of the present invention are directed to low cost high performance heat exchangers that utilize open cell foam metal.

連続気泡発泡金属材料には多くの用途がある。これらの材料は、熱交換器ソリューションとして設計および製造されている。連続気泡発泡金属熱交換器アプリケーションの主な用途は、高性能と軽量要件が必要なため、主に航空および宇宙市場区分内にある。製品が熱交換器として使用された例には、衛星ミラー、航空機のコンピューターヒートシンク、商業宇宙遠征、電力供給された電子機器冷却、NASAのヨーロッパ火星探査車が含まれる。 Open cell foam metal materials have many uses. These materials are designed and manufactured as heat exchanger solutions. The main applications of open cell foam metal heat exchanger applications are mainly within the aviation and space market divisions due to the high performance and lightweight requirements. Examples of products used as heat exchangers include satellite mirrors, aircraft computer heatsinks, commercial space expeditions, powered electronics cooling, and NASA's European Mars rover.

連続気泡発泡金属材料は、一般的に基材合金の特性を引き継ぐ構造を有する。これらの基材合金は通常、アルミニウム、銅、亜鉛、およびその他の高融点金属などの低温合金からなる。連続気泡発泡構造の利点は、材料が大きな表面積と優れた強度対重量比を提供することである。独立気泡発泡とは異なり、気体、液体、およびその他の媒体は、材料の開いた細孔を通過することができる。これにより、この材料は、相変化熱交換器、空気/液体冷却式熱交換器、空気から空気への熱交換器、液体から液体への熱交換器、冷却板、および大きな表面積と透過性の格子構造を利用したその他の多くの熱伝達アプリケーションとして使用するのに理想的とすることができる。 The open cell foam metal material generally has a structure that inherits the characteristics of the base alloy. These base alloys usually consist of low temperature alloys such as aluminum, copper, zinc, and other refractory metals. The advantage of the open cell foam structure is that the material provides a large surface area and a good strength-to-weight ratio. Unlike closed cell foam, gases, liquids, and other media can pass through the open pores of the material. This makes this material a phase change heat exchanger, an air / liquid cooling heat exchanger, an air to air heat exchanger, a liquid to liquid heat exchanger, a cooling plate, and a large surface area and permeability. It can be ideal for use as many other heat transfer applications utilizing the lattice structure.

化学蒸着(CVD)タイプのプロセスを使用して製造される連続気泡発泡材料は、添加剤材料のベースとしてホスト構造を利用する。これらのホスト構造は、通常、プラスチックであるか、またはCVD添加剤と同じ組成をもたない他の材料である。その結果、CVDタイプで製造された発泡体は中空と見なされ、断面積が大幅に小さくなるため、熱還元特性が低下する。この材料の欠点は、CVDタイプの材料の性能を低下させ、CVDタイプのプロセスなしで製造された連続気泡発泡金属が遭遇しない制限を示す。 The open cell foam material produced using a chemical vapor deposition (CVD) type process utilizes a host structure as the base for the additive material. These host structures are usually plastic or other materials that do not have the same composition as CVD additives. As a result, the foam produced by the CVD type is regarded as hollow, and the cross-sectional area is significantly reduced, so that the heat reduction characteristics are deteriorated. Disadvantages of this material reduce the performance of CVD type materials and exhibit limitations that open-cell foamed metals manufactured without a CVD type process do not encounter.

3D印刷を含む他の積層造形プロセスは、同様の欠点を有する。ほとんどの3D印刷技術は、層間にすべり面を作成する。その結果、積層造形プロセス中の一貫性のない温度プロファイルは、そのような劣化した境界層効果を生み出す。これらの要因により、熱性能が低下する。 Other laminated modeling processes, including 3D printing, have similar drawbacks. Most 3D printing techniques create slip surfaces between layers. As a result, inconsistent temperature profiles during the layered build process produce such a degraded boundary layer effect. Due to these factors, the thermal performance deteriorates.

1967年以来ERG Aerospaceによって製造されたDUOCEL(登録商標)は、CVDまたは他のそのような積層造形プロセスなしで製造された連続気泡発泡金属の一例である。特許文献1に記載されているように、製造は、発泡体として機能する、最終製品に所望のパターンを有する網状ポリウレタンなどの市販の従来の発泡体から始まる。従来の発泡体は、焼き石膏などの型材料に埋め込まれ、プラスチック発泡体の中および周囲に固体構造を形成するように固定される。次に、この構造体を加熱してプラスチック発泡体を揮発させて排出し、発泡体の元の構成に対応する空隙を型内に残す。次に、溶融金属を型内の空隙に流し込み、型構造を洗い流す前に冷却して固める。得られる発泡金属は、一体的に形成された固体金属間膜と、隣接する気泡を接続する細孔を備えた連続気泡との網状構造である。中実の金属間膜構造は、積層造形プロセスから形成された中空間膜と比較して改善された特性を提供する。連続気泡発泡体を圧縮して、表面積対体積比をさらに高めることもできる。このタイプの圧縮は、CVDまたは積層造形された発泡構造では不可能である。 DUOCEL®, manufactured by ERG Aerospace since 1967, is an example of open cell foam metal manufactured without CVD or other such laminated molding processes. As described in Patent Document 1, production begins with a commercially available conventional foam, such as reticulated polyurethane, which acts as a foam and has the desired pattern in the final product. The conventional foam is embedded in a mold material such as gypsum and fixed to form a solid structure in and around the plastic foam. The structure is then heated to volatilize and expel the plastic foam, leaving voids in the mold that correspond to the original configuration of the foam. Next, the molten metal is poured into the voids in the mold and cooled and hardened before the mold structure is washed away. The obtained foam metal has a network structure of an integrally formed solid metal mesentery and open cells having pores connecting adjacent bubbles. The solid metal mesentery structure provides improved properties compared to the midspace membrane formed from the laminated molding process. The open cell foam can also be compressed to further increase the surface area to volume ratio. This type of compression is not possible with CVD or laminated foam structures.

DUOCEL(登録商標)を含む連続気泡発泡金属材料は、様々な細孔サイズで製造される。これらのサイズには、5細孔/インチ(PPI)、10PPI、20PPI、および40PPIが含まれる。異なる細孔サイズを有することの利点は、熱交換器の圧力降下要件と熱性能に基づいて、材料を様々な用途に最適化できることである。一例として、高い圧力降下がエンドユーザーの主要な要件である場合、40PPIの材料を選択して、より大きな表面積を考慮して、適切な圧力降下を提供できる。逆に、5PPIの材料では、圧力降下はより少ないが、より低い性能につながるより少ない熱伝達を有する。したがって、選択した特定の連続気泡発泡金属材料には、圧力降下と熱伝達性能に関する考慮事項がある。 Open cell foam metal materials, including DUOCEL®, are manufactured in a variety of pore sizes. These sizes include 5 pores / inch (PPI), 10 PPI, 20 PPI, and 40 PPI. The advantage of having different pore sizes is that the material can be optimized for a variety of applications based on the pressure drop requirements and thermal performance of the heat exchanger. As an example, if high pressure drop is a major end-user requirement, a material of 40 PPI can be selected to provide a suitable pressure drop in view of the larger surface area. Conversely, with a 5 PPI material, the pressure drop is less, but with less heat transfer leading to lower performance. Therefore, the particular open cell foam metal material selected has considerations for pressure drop and heat transfer performance.

上記の細孔サイズの各々に対して、DUOCEL(登録商標)を含む連続気泡発泡金属材料の相対密度を制御することも可能である。言い換えれば、連続気泡発泡金属の個々の間膜に材料を追加して、相対密度範囲を作成することが可能である。一例として、5PPIの連続気泡発泡金属片を個々の間膜レベルで変更して、相対密度の範囲をどこでも(固体合金の重量または金属の体積分率に対して)3~20%の相対密度を達成することができる。相対密度は、PPIと同様に、エンドユーザーの要件を満たすように設計パラメーターとして変更できる。この設計のカスタマイズにより、連続気泡発泡金属はさらに、顧客の正確な圧力降下と熱性能の基準を満たすことができる。 It is also possible to control the relative density of the open cell foam metal material, including DUOCEL®, for each of the above pore sizes. In other words, it is possible to add material to the individual interstitial membranes of open cell foam metal to create a relative density range. As an example, 5 PPI open cell foamed metal pieces can be varied at the individual interstitial level to increase the relative density range anywhere (relative to the weight of the solid alloy or the volume fraction of the metal) to a relative density of 3-20%. Can be achieved. Relative density, like PPI, can be changed as a design parameter to meet end-user requirements. With this design customization, open cell foam metal can also meet customer's precise pressure drop and thermal performance standards.

DUOCEL(登録商標)などのいくつかの連続気泡発泡金属材料は何年も前から入手可能であり、カスタマイズして高性能熱交換器を作成できるが、このような改良された熱交換器の設計および製造に関連するコストにより、製品はより安価なピンフィンスタイルの熱交換システムと比べてより望ましいものではなくなってしまった。 Some open cell foam metal materials such as DUOCEL® have been available for many years and can be customized to create high performance heat exchangers, such improved heat exchanger designs. And due to manufacturing costs, the product has become less desirable than the cheaper pin fin style heat exchange systems.

米国特許第3616814号明細書U.S. Pat. No. 3,616,814

したがって、DUOCEL(登録商標)などの高性能で手頃な価格の製造の両方に適した連続気泡発泡金属材料から熱交換器を開発する必要がある。そうすることで、そのような材料の使用が拡大し、ジェットエンジン、自動車、および最適な製造可能性によって高い需要が達成され得る電子冷却構造が含まれるようになる。そうすることで、そのような材料は、高い需要スループットが達成され得る航空および宇宙市場区分で現在利用可能な3D印刷構造、CVDタイプ、およびピンフィンタイプの熱交換器と直接競合することもできる。 Therefore, it is necessary to develop heat exchangers from open cell foam metal materials suitable for both high performance and affordable manufacturing such as DUOCEL®. In doing so, the use of such materials will be expanded to include jet engines, automobiles, and electronic cooling structures where high demand can be achieved with optimal manufacturability. In doing so, such materials can also directly compete with the 3D printed structures, CVD type, and pin fin type heat exchangers currently available in the aviation and space market segments where high demand throughput can be achieved.

さらに、異なるエネルギーレベル要件に対する圧力降下を考慮して、設計がモジュール式である熱伝達性能を改善する必要がある。言い換えると、熱交換器の設計は、流体と空気の両方の幅広い様々な異なるエネルギーレベルに対応するように拡張可能である。これには、1キロワットのエネルギー除去システム、2キロワットのエネルギー除去システム、3キロワットのエネルギー除去システム、およびそれ以上のものの設計が含まれる。 In addition, the heat transfer performance, which is modular in design, needs to be improved, taking into account pressure drops for different energy level requirements. In other words, the heat exchanger design is extensible to accommodate a wide variety of different energy levels, both fluid and air. This includes the design of 1 kW energy removal systems, 2 kW energy removal systems, 3 kW energy removal systems, and more.

本発明のさらなる目的は、真空ろう付け、浸漬ろう付け、または鋳造技術を使用して大量生産することができる、DUOCEL(登録商標)などの連続気泡発泡金属材料から熱交換器を作成することである。これらの標準的な技術は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタン、およびその他の一般的で新しい熱伝達合金に使用できる。 A further object of the present invention is to create a heat exchanger from an open cell foam metal material such as DUOCEL® that can be mass-produced using vacuum brazing, immersion brazing, or casting techniques. be. These standard techniques can be used for aluminum, copper, stainless steel, titanium, and other common and new heat transfer alloys.

本発明のさらに別の目的は、DUOCEL(登録商標)などの連続気泡発泡材料の流れ場全体にわたって流体の分配を可能にする流路を製造する方法を提供することである。これらの流路は、圧力降下を低減しながら材料被覆率を確実に向上させるが、長さ全体にわたる圧力降下の考慮事項に対処するように設計される。 Yet another object of the present invention is to provide a method of making a flow path that allows distribution of fluid over the entire flow field of an open cell foam material such as DUOCEL®. These channels are designed to address pressure drop considerations across length, while reliably improving material coverage while reducing pressure drop.

本発明のさらなる目的は、各々の流れ場が、所与の圧力降下および熱伝達要件に固有の、DUOCEL(登録商標)などの連続気泡発泡金属材料の使用を含む、交差路流れ場を使用することである。 A further object of the present invention is to use a crossroad flow field, wherein each flow field comprises the use of an open cell foamed metal material such as DUOCEL®, which is specific to a given pressure drop and heat transfer requirements. That is.

本発明のさらなる目的は、個々の間膜構造の形状を考慮して、乱流場と層流場が粘度およびレイノルズ数を考慮して、個々の間膜を横切る流れを改善することである。 A further object of the present invention is to improve the flow of turbulent and laminar flow fields across individual membranes, taking into account the viscosity and Reynolds number, taking into account the shape of the individual membrane structures.

本発明は、本明細書の以下に与えられる詳細な説明および例示としてのみ与えられ、したがって本発明を限定するものではない添付の図面からより完全に理解されるであろう。 The present invention is given only as a detailed description and illustration given below herein and will therefore be more fully understood from the accompanying drawings which are not limiting the invention.

圧力降下を考慮した、熱伝達のための連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)の斜視図である。It is a perspective view of the open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) for heat transfer in consideration of a pressure drop. 高温パネル(2)と低温パネル(3)の組み合わせが向流熱交換器を作成するために組み合わされた、連続気泡発泡金属パネル(4)の組み合わせを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the combination of the open cell foam metal panel (4) which combined the combination of the high temperature panel (2) and the low temperature panel (3) for making a countercurrent heat exchanger. 燃料および油の入力および出力の方向の一実施形態を示す、連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)の上面図である。It is a top view of the open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) which shows one embodiment of the input and output directions of fuel and oil. 高温流体の入口(5)および出口(6)が示されている、個々の高温パネル(2)の上面図である。It is a top view of the individual high temperature panel (2) which shows the inlet (5) and outlet (6) of a hot fluid. 低温流体の入口(7)および出口(8)が示されている、個々の低温パネル(3)の上面図である。It is a top view of the individual cold panel (3) showing the inlet (7) and the outlet (8) of the cold fluid. 間膜(16)および細孔(17)構造を示す、緻密化前の相対密度連続ワンピース不溶性網状連続気泡発泡材料の単一気泡(15)の斜視図である。It is a perspective view of a single cell (15) of a relative density continuous one-piece insoluble reticulated open cell foam material before densification, showing the intermembrane (16) and pore (17) structures. 間膜(16)および細孔(17)構造を示す、特定の圧力降下を考慮して熱伝達が改善された、緻密化後の相対密度連続ワンピース不溶性網状連続気泡発泡材料からの気泡(15)の斜視図である。Bubbles (15) from densified relative density continuous one-piece insoluble reticulated open-cell foam material showing intermembrane (16) and pore (17) structures and improved heat transfer in view of specific pressure drops. It is a perspective view of. 層流および乱流の選択肢を考慮して流体の流れについて考慮される個々の間膜の異なる形状を示すチャートであり、サイズバーは1mmである。It is a chart showing different shapes of individual mesentery considered for fluid flow considering laminar and turbulent options, with a size bar of 1 mm.

ここで、いくつかの図全体で同じまたは類似の要素を識別するために同じ符号を使用する添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面は、符号の方向の向きで見られるべきであることに留意すべきである。 The present invention is now described in detail with reference to the accompanying drawings in which the same reference numerals are used to identify the same or similar elements throughout several figures. It should be noted that the drawings should be viewed in the orientation of the sign.

また、実施形態は液体の流れを示しているが、高温ガスと低温ガスとの間の熱交換も想定され、本発明に含まれる。したがって、本発明は液体に限定されると見なされるべきではない。 Further, although the embodiment shows the flow of a liquid, heat exchange between a high temperature gas and a low temperature gas is also assumed and is included in the present invention. Therefore, the invention should not be considered limited to liquids.

図1Aは、圧力降下を考慮した、熱伝達のための連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)を示している。図1Bは、熱交換器(1)の構造の垂直断面を示しており、熱交換器(1)は、不浸透性容器(10)に封入された少なくとも1つの高温パネル(2)と少なくとも1つの低温パネル(3)の組み合わせ(4)から構成される。不浸透性容器(10)は、適切な熱安定性物質で作ることができる。いくつかの実施形態では、連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)の不浸透性容器(10)は、A.B.S.(アクリロニトリル、ブタジエン、およびスチレン)、アセテート、アクリル(例えば、ACRYLITE(登録商標)、LUCITE(登録商標)、プレキシガラスなど)、セラミックス(例えば、MACOR(登録商標)、アルミナなど)、DELRIN(登録商標)、エポキシ/グラスファイバー、FEP、グラスファイバーラミネート、耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)、KAPTON(登録商標)、KAPTREX(登録商標)、KYNAR(登録商標)、メラミン、MELDIN(登録商標)7001、マイカ、ネオプレン、NOMEX(登録商標)、NORYL(商標名)、ナイロン、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、P.E.T.G.、フェノール、PFA(パーフルオロアルコキシ)、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリウレタン、TEFLON(登録商標)、ポリ塩化ビニル、REXOLITE(登録商標)1422および2200、RYTON(登録商標)、シリコーン/グラスファイバー、シリコーンゴム、TECHTRON(登録商標)、ULTEM(登録商標)、VESPEL(登録商標)SP-1を含むがこれらに限定されない断熱特性を有する熱安定性物質から作られる。いくつかの実施形態では、金属および金属合金(例えば、アルミニウム、銅、真ちゅう、鋼、青銅など)などの効率的な熱伝達が可能な材料が好ましい。しかしながら、さらに他の実施形態では、ステンレス鋼、鉄とクロムの合金、鉛、およびチタンなどの金属が好ましい。 FIG. 1A shows an open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) for heat transfer in consideration of pressure drop. FIG. 1B shows a vertical cross section of the structure of the heat exchanger (1), where the heat exchanger (1) has at least one high temperature panel (2) and at least one enclosed in an impermeable container (10). It is composed of a combination (4) of two low temperature panels (3). The impermeable container (10) can be made of a suitable heat stable material. In some embodiments, the impermeable vessel (10) of the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) is A. B. S. (Acrylonitrile, butadiene, and styrene), acetate, acrylic (eg ACRYLITE®, LUCITE®, plexiglass, etc.), ceramics (eg MACOR®, alumina, etc.), DELRIN®. , Epoxy / glass fiber, FEP, glass fiber laminate, impact resistant polystyrene (HIPS), KAPTON (registered trademark), KAPTREX (registered trademark), KYNAR (registered trademark), melamine, MELDIN (registered trademark) 7001, mica, neoprene , NOMEX (registered trademark), NORYL (trademark), nylon, PEEK (polyether ether ketone), PET (polyethylene terephthalate), P. et al. E. T. G. , Pphenol, PFA (Perfluoroalkoxy), Polycarbonate, Polyester, Polyester, Polysulfone, Polysulfone, Polyurethane, TEFLON®, Polyvinyl Chloride, REXOLITE® 1422 and 2200, RYTON®, Silicone / Glass It is made from heat-stabilizing materials with thermal insulation properties including, but not limited to, fiber, silicone rubber, TECHTRON®, ULTEM®, VESPEL® SP-1. In some embodiments, materials capable of efficient heat transfer, such as metals and metal alloys (eg, aluminum, copper, brass, steel, bronze, etc.) are preferred. However, in still other embodiments, metals such as stainless steel, iron-chromium alloys, lead, and titanium are preferred.

図示の実施形態では、燃料などの低温液体は、不浸透性バリア(11)によって高温パネル(2)から分離されている低温パネル(3)の外縁に沿ってチャネル(12)に入り、次に、連続気泡発泡金属構造(9)を通り抜けてから、連続気泡発泡金属構造(9)の他方の側に位置するチャネル(13)に出る。同時に、または時間的に近接して、油などの高温の液体が、高温パネル(2)の外縁に沿ってチャネル(12)に入り、冷却パネル(2)を通って流れる液体として反対方向に連続気泡発泡金属構造(9)を通り抜けてから、連続気泡発泡金属構造(9)の他方の側にあるチャネル(13)に出る。 In the illustrated embodiment, the cold liquid, such as fuel, enters the channel (12) along the outer edge of the cold panel (3), which is separated from the hot panel (2) by the impermeable barrier (11), and then enters the channel (12). After passing through the open-cell foamed metal structure (9), they exit into a channel (13) located on the other side of the open-cell foamed metal structure (9). Simultaneously or in close proximity, hot liquids such as oil enter the channel (12) along the outer edge of the hot panel (2) and continue in opposite directions as a liquid flowing through the cooling panel (2). It passes through the bubble foam metal structure (9) and then exits into the channel (13) on the other side of the open cell foam metal structure (9).

図2Aは、上から見たときの、連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)の不浸透性容器の一実施形態の液体の流れを示している。ここで、高温の液体(例えば、油)は、熱交換器(1)の一端の外側の角で連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)に入り、熱交換器(1)の反対側の面の反対側の端部で出る。同様に、低温液体(例えば、燃料)は、高温液体用の入口と同じ端部の反対側の角から連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)に入り、高温液体用の出口と同じ端部の反対側の角から出る。他の実施形態では、高温液体用の入口は、低温液体用の出口と同じ面の反対側の角に配置され、高温液体用の出口は、低温液体用の入口と同じ面の反対側の角に配置される。 FIG. 2A shows the flow of the liquid of one embodiment of the impermeable container of the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) when viewed from above. Here, the hot liquid (eg, oil) enters the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) at the outer corner of one end of the heat exchanger (1) and is on the opposite side of the heat exchanger (1). It comes out at the opposite end of the face. Similarly, the cold liquid (eg, fuel) enters the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1) from the opposite corner of the same end as the hot liquid inlet and has the same end as the hot liquid outlet. It comes out from the opposite corner of the part. In another embodiment, the hot liquid inlet is located at the opposite corner of the same surface as the cold liquid outlet, and the hot liquid outlet is located at the opposite corner of the same face as the cold liquid inlet. Is placed in.

図2Bは、個々の高温パネル(2)を示し、図2Cは、個々の低温パネル(3)を示している。高温パネル(2)と低温パネル(3)の各々は、不浸透性基体(12)を有する。不浸透性基体に適した材料には、金属および金属合金(例えば、アルミニウム、銅、真ちゅう、鋼、青銅など)などの効率的な熱伝達が可能な熱安定性物質が含まれる。しかしながら、いくつかの実施形態では、ステンレス鋼、鉄とクロムの合金、鉛、およびチタンなどの金属が好ましい。DUOCEL(登録商標)などの連続気泡金属発泡材料(9)は、不浸透性基体上に配置されている。連続気泡金属発泡材料は、熱安定性であり、効率的な熱伝達が可能であり、通常、アルミニウム、炭素、銅、白金、炭化ケイ素、および亜鉛を含むがこれらに限定されない低温合金で作られる。連続気泡金属発泡材料は、流体が入口(5、7)を通ってパネルに入り、連続気泡金属発泡材料(9)に流入し、出口(6、8)でパネルを出る前に連続気泡金属発泡材料(9)を通過しなければならないように、不浸透性基体上に配置される。いくつかの実施形態では、連続気泡金属発泡材料(9)は、パネルの不浸透性基体(11)、不浸透性容器(10)、気泡金属発泡材料(9)と、上方のパネルの不浸透性基体(11)または連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)を収容する不浸透性容器(10)の上部のいずれかとの間に開放空間(12、13)が存在するように、不浸透性基体の中心に置かれる(図1Bを参照)。他の実施形態では、流体入口(5、7)は、連続気泡金属発泡材料(9)に直接入る。 FIG. 2B shows the individual high temperature panels (2) and FIG. 2C shows the individual low temperature panels (3). Each of the high temperature panel (2) and the low temperature panel (3) has an impermeable substrate (12). Suitable materials for impermeable substrates include heat-stabilizing materials capable of efficient heat transfer, such as metals and metal alloys (eg, aluminum, copper, brass, steel, bronze, etc.). However, in some embodiments, metals such as stainless steel, iron-chromium alloys, lead, and titanium are preferred. The open cell metal foam material (9), such as DUOCEL®, is located on an impermeable substrate. Open cell metal foam materials are thermally stable, capable of efficient heat transfer, and are usually made of low temperature alloys including, but not limited to, aluminum, carbon, copper, platinum, silicon carbide, and zinc. .. The open-cell metal foam material is such that the fluid enters the panel through the inlet (5, 7), flows into the open-cell metal foam material (9), and exits the panel at the outlet (6, 8). It is placed on an impermeable substrate so that it must pass through the material (9). In some embodiments, the open-cell metal foam material (9) is an impermeable substrate (11) for the panel, an impermeable container (10), a foam metal foam material (9), and an impermeable material for the upper panel. Not such that there is an open space (12, 13) between the sex substrate (11) or the upper part of the impermeable container (10) accommodating the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger (1). Placed in the center of the permeable substrate (see Figure 1B). In another embodiment, the fluid inlets (5, 7) enter directly into the open cell metal foam material (9).

図3は、緻密化前の相対密度連続ワンピース不溶性網状連続気泡発泡材料(9)の気泡(15)の構造を示している。通常、各々の気泡(10)は、3次元の14ファセット多面体(テトラカイデカヘドロン)構造である。各々の気泡(10)は、細孔(17)を作成する間膜(16)によって画定される。しかしながら、間膜(16)は相互接続されているため、各々の細孔(17)は少なくとも2つの気泡(15)のコンポーネントである。したがって、結果として得られる構造は、3つの方向すべてで同一であり、等方性と見なされる。
その結果、すべての細孔(17)が相互接続されているため、流体は連続気泡発泡材料(9)に自由に出入りして通過することができる。
FIG. 3 shows the structure of the bubbles (15) of the relative density continuous one-piece insoluble reticulated open-cell foam material (9) before densification. Usually, each bubble (10) has a three-dimensional 14-faceted polyhedron (tetracaideca hedron) structure. Each bubble (10) is defined by a mesentery (16) that creates pores (17). However, because the mesentery (16) is interconnected, each pore (17) is a component of at least two bubbles (15). Therefore, the resulting structure is identical in all three directions and is considered isotropic.
As a result, since all the pores (17) are interconnected, the fluid can freely enter and exit the open cell foam material (9).

図4は、緻密化後の相対密度連続ワンピース不溶性網状連続気泡発泡材料(9)の単一気泡(15)を示している。相対密度は、図5に示されるように、間膜(16)の断面形状を制御する。図5に見られるように、連続気泡金属発泡材料(9)の細孔の数は一定のままであるが、間膜(16)の断面形状は、相対密度に応じて変化する。低密度(例えば、3~5%)から高密度(例えば、11~13%)に移行すると、間膜は角が鋭い三角柱の形状から推移して、角が丸い中間の三角柱を通って、最終的にほぼ完全な円筒形になる。 FIG. 4 shows a single cell (15) of the relative density continuous one-piece insoluble reticulated open cell foam material (9) after densification. The relative density controls the cross-sectional shape of the mesentery (16), as shown in FIG. As can be seen in FIG. 5, the number of pores in the open cell metal foam material (9) remains constant, but the cross-sectional shape of the interstitial membrane (16) changes with relative density. When transitioning from low density (eg 3-5%) to high density (eg 11-13%), the membranous transitions from the shape of a triangular prism with sharp corners and finally through an intermediate triangular prism with rounded corners. It becomes almost a perfect cylindrical shape.

現在、熱交換器の熱設計時の圧力降下の管理は重要な問題である。理想的には、計算された圧力降下は許容圧力降下の範囲内であり、可能な限りそれに近いものである。本発明では、流体の流れは、圧力降下を低減しながら、材料被覆率の向上を提供する、DUOCEL(登録商標)などの連続気泡発泡金属材料の領域を通過する。高温流体と低温流体との交差場の流れにより、特に粘度とレイノルズ数を考慮して乱流場と層流場が異なる状況において、細孔数と間膜形状を正確に選択して性能を向上させることができる。高圧システムの場合、40細孔/インチ(PPI)および7~8%の相対密度を有し、圧縮性のある連続気泡金属発泡体を使用すると、改善された結果が得られる。 Currently, managing the pressure drop during heat design of heat exchangers is an important issue. Ideally, the calculated pressure drop is within the permissible pressure drop and is as close as possible. In the present invention, the fluid flow passes through a region of open cell foamed metal material such as DUOCEL®, which provides improved material coverage while reducing pressure drop. Due to the cross-field flow of hot and cold fluids, the number of pores and the shape of the interstitial membrane are accurately selected to improve performance, especially in situations where the turbulent flow field and the laminar flow field are different, especially considering the viscosity and Reynolds number. Can be made to. For high pressure systems, using a compressible open cell metal foam with 40 pores / inch (PPI) and a relative density of 7-8% gives improved results.

連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)は、当技術分野で知られている標準的な真空ろう付け、浸漬ろう付け、および/または鋳造技術を使用して低コストで製造することができる。本発明の連続気泡発泡金属向流熱交換器(1)は、ジェットエンジン、自動車エンジン、および電子冷却構造での使用に適している。 The open cell foam metal countercurrent heat exchanger (1) can be manufactured at low cost using standard vacuum brazing, immersion brazing, and / or casting techniques known in the art. .. The open cell foam metal countercurrent heat exchanger (1) of the present invention is suitable for use in jet engines, automobile engines, and electronic cooling structures.

Claims (14)

a.不浸透性のハウジング容器と、
b.少なくとも2つの隣接するパネルの組み合わせであって、各々のパネルは、
i.不浸透性基体と、
ii.間膜および細孔から構成される気泡を含む連続気泡発泡金属の領域と、
iii.流体入口と、
iv.流体出口と、
v.任意選択で、少なくとも1つの流体チャネルとを含む、少なくとも2つの隣接するパネルの組み合わせと
を備える、連続気泡発泡金属向流熱交換器。
a. Impermeable housing container and
b. A combination of at least two adjacent panels, each panel
i. Impermeable substrate and
ii. A region of open-cell foamed metal containing bubbles composed of mesentery and pores,
iii. With the fluid inlet,
iv. With fluid outlet,
v. An open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger, optionally comprising a combination of at least two adjacent panels, including at least one fluid channel.
各々のパネルは、前記隣接するパネルと同じ端部に位置する前記流体入口を有する、請求項1に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to claim 1, wherein each panel has the fluid inlet located at the same end as the adjacent panel. 各々のパネルは、前記隣接するパネルと同じ端部に位置する前記流体出口を有する、請求項1に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to claim 1, wherein each panel has the fluid outlet located at the same end as the adjacent panel. 各々のパネルは、前記隣接するパネルとは反対側の端部に位置する前記流体入口を有する、請求項1に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to claim 1, wherein each panel has the fluid inlet located at an end opposite to the adjacent panel. 各々のパネルは、前記隣接するパネルとは反対側の端部に位置する前記流体出口を有する、請求項1に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to claim 1, wherein each panel has the fluid outlet located at an end opposite to the adjacent panel. 前記連続気泡発泡金属の領域は、乱流および層流の流体の流れを強化するための間膜形状を有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open-cell foam metal countercurrent heat exchange according to any one of claims 1 to 5, wherein the open-cell foam metal region has a membranous shape for enhancing turbulent and laminar fluid flow. vessel. 前記連続気泡発泡金属は、40細孔/インチ(PPI)および7~8%の相対密度を有し、圧縮可能である、請求項1~6のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open cell foam metal according to any one of claims 1 to 6, wherein the open cell foam metal has 40 pores / inch (PPI) and a relative density of 7 to 8% and is compressible. Flow heat exchanger. 前記連続気泡発泡金属はDUOCEL(登録商標)である、請求項1~7のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器。 The open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to any one of claims 1 to 7, wherein the open-cell foamed metal is DUOCEL (registered trademark). 流体の流れの場を組み合わせて改善された熱伝達性能を作り出すステップを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器の製造方法。 The method for manufacturing an open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, comprising a step of combining fluid flow fields to produce improved heat transfer performance. a.前記組み合わせのうちの第1のパネルに第1の液体を挿入するステップと、
b.前記連続気泡発泡金属の前記領域を通して前記第1の液体を移動させ、前記第1のパネルから前記第1の液体を取り除くステップと、
c.前記組み合わせのうちの第2のパネルに第2の液体を挿入するステップと、
d.前記連続気泡発泡金属の前記領域を通して前記第2の液体を移動させるステップと、
e.前記第2のパネルから前記第2の液体を取り除くステップとを含み、
前記第2の液体の流れは、前記第1の液体の流れと反対方向であり、前記第1の液体と前記第2の液体との間で熱交換される、請求項1~9のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器を使用する方法。
a. The step of inserting the first liquid into the first panel of the combination,
b. A step of moving the first liquid through the region of the open-cell foamed metal and removing the first liquid from the first panel.
c. The step of inserting the second liquid into the second panel of the combination,
d. The step of moving the second liquid through the region of the open cell foam metal,
e. Including the step of removing the second liquid from the second panel.
One of claims 1 to 9, wherein the flow of the second liquid is in the opposite direction to the flow of the first liquid, and heat is exchanged between the first liquid and the second liquid. A method of using the open cell foam metal countercurrent heat exchanger according to item 1.
前記組み合わせは、前記第2のパネルに隣接する前記第1のパネルを含む、請求項10に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器を使用する方法。 The method of using the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger of claim 10, wherein the combination comprises the first panel adjacent to the second panel. 前記組み合わせは、一連の第1および第2のパネルを含む、請求項10または11に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器を使用する方法。 The method of using the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger of claim 10 or 11, wherein the combination comprises a series of first and second panels. 前記第1の液体は低温液体であり、前記第2の液体は高温液体である、請求項10~12のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器を使用する方法。 The method using the open cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to any one of claims 10 to 12, wherein the first liquid is a low temperature liquid and the second liquid is a high temperature liquid. 前記第1の液体は燃料であり、前記第2の液体は油である、請求項10~13のいずれか一項に記載の連続気泡発泡金属向流熱交換器を使用する方法。 The method of using the open-cell foamed metal countercurrent heat exchanger according to any one of claims 10 to 13, wherein the first liquid is a fuel and the second liquid is an oil.
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