JP2024517512A - 極低温材料を貯蔵する内部空洞を形成する熱交換チャネル - Google Patents

極低温材料を貯蔵する内部空洞を形成する熱交換チャネル Download PDF

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Abstract

Figure 2024517512000001
熱交換器は、入口、出口、熱交換チャネル、及び開口部を具備する。熱交換チャネルは空洞を取り囲んでいる。開口部は空洞への進入路を提供する。入口は熱交換チャネルの一方の端部に連結され、出口は熱交換チャネルのもう一方の端部に連結されている。熱交換チャネルは空洞から隔離されている。熱交換チャネルと空洞との間に進入路又は通路は存在しない。運転時、熱交換流体が熱交換チャネルを通って流れることにより空洞内の流体が冷却される。熱交換流体が空洞内の流体と接触することはない。様々な実施形態において、熱交換チャネルは断面に沿って見ると単一の層又は積み重なった層を有する。熱交換チャネルは、球形、円柱形、又は角胴形を有する。１つの実施形態では、熱交換チャネルの層の間に断熱層が配置される。

Description

発明の詳細な説明
［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めにより、「極低温材料を貯蔵する内部空洞を形成する熱交換チャネル（Heat Exchanging Channel Forming an Internal Cavity That Stores Cryogenic Material）」という名称の２０２１年４月１８日に出願された米国仮出願出願第６３／２０１，２０７号に基づく優先権の利益を主張し、米国仮出願出願第６３／２０１，２０７号はその全体が参照により本願に組み込まれる。
［技術分野］
本発明は概して液体の貯蔵に関し、より詳しくは極低温流体の貯蔵に関する。
［背景的情報］
水素は、航空宇宙関係の用途など各種用途に使用される一般的な極低温流体である。
［概要］
新規な軽量の熱交換器は、内部空洞の広域冷却を提供する熱交換チャネルを具備する。この新規な熱交換器は極低温流体（例えば推進薬）を封入して、ゼロボイルオフ又は現地資源の液化を可能とする。極低温流体の広域冷却により、種々様々な用途のための極低温貯蔵の能力が著しく拡大することになる。広域冷却及び流体貯蔵のために考案された熱交換器の融通性により、推進薬に加わる寄生熱負荷を適正に設計することが可能となるので、該熱交換器は、将来の宇宙飛行を支援するための短期・長期的な極低温燃料の貯蔵用にカスタマイズ可能となる。新規な熱交換器を極低温冷凍サイクルと連係させることにより、将来的な液体水素車の開発及び遠く離れた惑星体における現地資源利用（In Situ Resource Utilization）のために極めて重要な、ゼロボイルオフのタンク又は寒剤のオンサイト液化も可能となるであろう。流体通路の数、断熱材層の厚さ、及び冷却剤の特性を適正に設計して、寄生熱のタンク内への漏れ込みを制御し、その結果低ボイルオフ又はゼロボイルオフとすることが可能である。提言されるタンク技術は、液体水素を、その高い比エネルギーゆえに長距離電気航空機及び大型船舶のためのゼロエミッション燃料として革命的に変化させる潜在力を有する。この技術によりボイルオフ率が調整可能となって運転及び物流管理が簡素化されて、近い将来に航空宇宙セクター及び海事セクターにとって液体水素が財政的に実用可能となる。加えて、この新規な技術は、流入する冷却剤の特性により実冷却が可能である場合は現地での液化に容易に使用することができる。
１つの実施形態では、熱交換器は、入口、出口、熱交換チャネル、及び開口部を具備する。熱交換チャネルは空洞を取り囲んでいる。開口部は空洞への進入路を提供し、かつ開口部は空洞への唯一の進入路である。熱交換器は空洞の中に液体を貯蔵及び冷却する。熱交換チャネルを空洞内の流体から分離することにより、空洞の中の流体は、該流体の望ましからぬボイルオフを伴うことなく無期限に貯蔵可能である。熱交換チャネルは空洞を形成及び包囲して、空洞の内部には冷却システムが必要ないようになっている。一例において、空洞の中に貯蔵される流体は液体水素又は液体寒剤である。
入口は熱交換チャネルの一方の端部に連結され、出口は熱交換チャネルのもう一方の端部に連結されている。熱交換チャネルは空洞から隔離されている。熱交換チャネルと空洞との間には進入路も通路も存在しない。運転時、熱交換流体は熱交換チャネルを通って流れることにより空洞内の流体を冷却する。熱交換流体は空洞内の流体とは接触しない。様々な実施形態において、熱交換チャネルは断面に沿って見ると単一の層又は積み重なった層を有する。熱交換チャネルは、球形、円柱形、又は角胴形を有する。１つの実施形態では、熱交換チャネルの層の間に断熱層が配置される。
新規な熱交換器は、顕著な製造上の利点を提供する。新規な熱交換器の様々な実施形態は、特化型の形状及び層を備えて製造される。この特化型の形状及び層を使用して、様々な大きさ制限、容積の要件、及び様々な液体に合わせた最適化を満たすことができる。例えば、熱交換器のそのような新規な製造技術により、空洞内での内部冷却の必要がなくなる。重要なことであるが、特化型の形状及び層により、熱交換チャネルの表面積及び空洞の容積がより正確に制御される。例えば、熱交換チャネルの長さを長くすると、空洞の容積を大きくすることなく熱交換流体が熱交換チャネルを通って移動する時間を長くすることができる。
新規な熱交換器は、メンテナンス及び運転において顕著な利点を提供する。熱交換流体を空洞内の貯蔵流体から分離することにより、流体の流れ及び冷却動態のよりロバストな制御が提供される。熱交換流体を空洞内の貯蔵流体から隔離することにより、貯蔵流体の移動が極小化されるので必要とされるメンテナンスはより少なくなる。加えて、分離していることにより個別制御及び独立制御が可能となる。熱交換流体又は空洞内の貯蔵流体のうちいずれか一方に異物混入が生じた場合でも、異物混入のない流体のフラッシングが回避される。
さらなる詳細並びに実施形態及び方法については、以下の詳細な説明に記載されている。本概要は、本発明を定義する趣旨を有してはいない。本発明は特許請求の範囲によって定義される。
添付図面は本発明の実施形態を例証しており、図中の数字は同様の構成要素を示している。
新規な熱交換器１００の斜視図。 熱交換器１００を上から見下ろした図。 熱交換器１００の例示の断面を示す図。 別の実施形態による熱交換器２００の例示の断面を示す図。 別の実施形態による熱交換器３００の例示の断面を示す図。 より曲線的である熱交換器１００の例示の断面を示す図。 第１の端部１１２が第２の端部１１３に接続された熱交換器１００の例示の断面を示す図。 別の実施形態による熱交換器５００を上から見下ろした図。 熱交換器５００の例示の断面を示す斜視図。 熱交換流体５４０が熱交換チャネル５１１を通ってどのように流れるかを示す、熱交換器５００の断面図。 熱交換器５００の背面図。 熱交換器５００の断面分解斜視図。 熱交換器５００の断面分解斜視図。 熱交換器５００の断面斜視図。 １つの新規な態様による方法１０００のフローチャート。 １つの新規な態様による方法２０００のフローチャート。
［詳細な説明］
ここで本発明のいくつかの実施形態について詳細に述べるが、該実施形態の実施例は添付図面に例証されている。本説明及び特許請求の範囲において、「上（top）」、「底（bottom）」、「前（front）」、「背（back）」、及び「側（side）」という用語は相対的な方向及び配向について説明するために使用されており、かつ当然のことであるが、説明されている構造物全体は現実には三次元空間においてどのように配向することも可能である。
図１は新規な熱交換器１００の斜視図である。この実施形態では、熱交換器１００は曲線的な角部を備えた直方体とほぼ同じような形状を有する。別の実施形態では、熱交換器１００は異なる形状（例えば、円柱形）を有する。図２は熱交換器１００を上から見下ろした図である。従って、上から見下ろすと、熱交換器１００は角部が丸みを帯びた方形状を有する。図２は、熱交換器１００の例示の断面（Ａ－Ａ）を示している。この実施例では、断面（Ａ－Ａ）は曲線的な角部を備えた長方形と同じような形状である（図３を参照）。熱交換器１００について、以下の図３の詳細な説明においてさらに説明する。
図３は、熱交換器１００の例示の断面を示す図である。例えば、該断面図は、図２に示された断面指示線Ａ－Ａで得られる。
熱交換器１００は、熱交換チャネル１１１、入口１１４、出口１１５、空洞１１６、及び開口部１１７を具備する。熱交換チャネル１１１は、第１の端部１１２から第２の端部１１３まで伸びる。熱交換チャネル１１１は空洞１１６を取り囲んでいる。開口部１１７は、空洞１１６への進入路を提供する。例えば、流体１３２（例えば液体水素）は開口部１１７を介して熱交換器１００に添加されて空洞１１６に貯蔵される。別の例では、流体１３２は開口部１１７を介して熱交換器１００の空洞１１６から取り出される。入口１１４は熱交換チャネル１１１の第１の端部１１２に連結され、出口１１５は熱交換チャネル１１１の第２の端部１１３に連結されている。典型的な運転の際に、熱交換流体１４０の流体は、入口１１４から入り出口１１５から出て熱交換チャネル１１１の全体にわたって自由に流れる。
熱交換チャネル１１１は、空洞１１６、開口部１１７、及び熱交換器１００の最も外側の外面に沿って配置された、単一の層１２１を具備する。他の実施形態では、熱交換チャネル１１１は多数の層を備えた積層構成物である。例えば、１つの実施形態では、熱交換チャネル１１１は少なくとも１つの断熱層を備えている。さらに別の実施形態では、熱交換器１００は、流体をいかなる熱交換流体とも接触させずに空洞１１６から出し入れするのに使用可能な、熱交換チャネル１１１の部分間に配置された流体チャネルを備えている。
少なくとも１つの新規な態様によれば、熱交換チャネル１１１は空洞１１６から隔離されて、空洞１１６の中の流体１３２と熱交換チャネル１１１の中の熱交換流体１４０とが熱的には相互作用するが相互に接触はしないようになっている。熱交換チャネル１１１と空洞１１６との間に進入路は提供されない。例えば、空洞１１６の中の極低温流体は、熱交換チャネル１１１の中の熱交換流体とは接触しない。入口１１４と空洞１１６との間に進入路は提供されない。出口１１５と空洞１１６との間に進入路は提供されない。開口部１１７と熱交換チャネル１１１との間に進入路は提供されない。
典型的な運転の際に、熱交換流体１４０は、熱交換チャネル１１１の温度以下の温度で熱交換チャネル１１１の第１の端部１１２に入る。熱交換流体１４０は、熱交換チャネル１１１を流れる間に熱を吸収する。従って、熱交換流体１４０は、第１の端部１１２に入った時の温度以上の温度で第２の端部１１３から出る。例えば、熱交換流体１４０が熱交換チャネル１１１を流れるにつれて、空洞１１６に入っている流体１３２から層１２１を通して熱が伝達される。更に、熱交換チャネル１１１を流れる熱交換流体１４０のうち少なくとも一部が外部環境１２０から発せられた外気熱１３３と熱的に相互作用することにより、空洞１１６の中に「漏れ」込む熱の量が低減される。
熱交換チャネル１１１は、貯蔵上の必要に応じて流体１３２及び１４０を受け入れるように構成することができる。例えば、熱交換チャネル１１１の長さを長くすることにより、空洞１１６の容積を大きくすることなく、熱交換流体１４０が第１の端部１１２から第２の端部１１３まで移動するのに要する時間を長くすることができる。別の例では、熱交換チャネル１１１の縮小により空洞１１６の表面積を縮小することができる。
熱交換流体１４０は、空洞１１６の温度維持に役立つ。これにより、空洞１１６の内部に貯蔵された流体１３２の物質の状態を制御することが可能となる。一例では、内部空洞１１６の中に貯蔵される流体１３２は液体水素（Ｈ２）である。他の例では、流体１３２は液体酸素、液体メタン、又は液体天然ガスである。熱交換器１００に供給される熱交換流体１４０は、ヘリウム、水素、ネオン、又は窒素のような冷媒である。熱交換チャネル１１１と空洞１１６とを分離することにより、熱交換器１００は、流体１３２と熱交換流体１４０との組み合わせをより多く提供する。流体１３２が熱交換流体１４０とは混ざり合わないことにより、空洞１１６から取り出される流体１３２の製品が薄まりにくくなる。流体１３２及び熱交換流体１４０を混合しないことにより、熱交換器１００は追加の分離工程を必要としなくなる。
熱交換チャネル１１１を形成する層１２１は、次の複合強化プラスチック、ポリマー、金属、及び／又はセラミックスのうち１つを含む材料で作られる。一例では、熱交換チャネル１１１は、付加製造工程、金属プリンティング工程、又は鍛造工程を経て、単一ユニット又は複数部分として製作される。別の例では、熱交換チャネル１１１は、溶接、押出し加工、鋳造、プレス加工、又は鍛造の工程を伴わずに単一ユニット又は複数部分として形成される。
熱交換チャネル１１１は、構造的完全性を損なうことも、断熱能力を低下させることもなく成形される。加えて、空洞１１６は熱交換チャネル１１１を成形することにより形成される。重要なことであるが、新規な熱交換器は、熱交換チャネル１１１の層１２１が熱交換器１００の全体的な形状を提供すると同時に空洞１１６を形成するので、液体を貯蔵するための分離した別個の構造物を必要としない。
図４は、別の実施形態による熱交換器２００の例示の断面を示す図である。熱交換器２００は、熱交換チャネル２１１、入口２１４、出口２１５、空洞２１６、及び開口部２１７を具備する。熱交換チャネル２１１は、第１の端部２１２から第２の端部２１３まで伸びる。熱交換チャネル２１１は空洞２１６を取り囲んでいる。開口部２１７は、空洞２１６への進入路を提供する。例えば、流体２３２（例えば液体水素）は開口部２１７を介して熱交換器２００に添加されて空洞２１６に貯蔵される。別の例では、流体２３２は開口部２１６を介して熱交換器２００の空洞２１６から取り出される。入口２１４は熱交換チャネル２１１の第１の端部２１２に連結され、出口２１５は熱交換チャネル２１１の第２の端部２１３に連結されている。典型的な運転の際に、熱交換流体２４０の流体は、入口２１４から入り出口２１５から出て熱交換チャネル２１１の全体にわたって自由に流れる。
熱交換チャネル２１１は、空洞２１６、開口部２１７、熱交換器２００の最も外側の外面に沿って配置された、層２２１を具備する。層２２１に沿って断熱層２２８が配置される。図４に示された例では、断熱層２２８は熱交換チャネル２１１の部分どうしの間に配置されている。断熱層２２８は、熱交換チャネル２１１の部分どうしの間を断熱するために任意の適切な断熱トポロジー（insulating topology）を利用し、かつ材料を含んでもよい。例えば、エアロゲル、硬質発泡体（例えばポリイソシアヌレート、ポリウレタン）、及び／又はセルラーガラスのような材料を、熱交換チャネル２２１の部分どうしを断熱するために使用することができる。断熱層２２８は、空洞２１６に入っている流体２３２と外部環境２２０との間の熱的相互作用の量を低減する。
断熱層２２８と熱交換チャネル２１１との間に接合部は提供されない。熱交換流体は断熱層２２８を通って流れることはできない。断熱層２２８と空洞２１６との間に進入路は提供されない。入口２１４と断熱層２２８との間に進入路は提供されない。出口２１５と断熱層２２８との間に進入路は提供されない。開口部２１７と断熱層２２８との間に進入路は提供されない。
別の実施形態では、熱交換チャネル２１１は断熱層を備えていない。例えば、熱交換チャネル２１１の各部分について断熱性を提供するために、層２２１との間に断熱材が配置されてもよい。さらに別の実施形態では、熱交換器２００は、熱交換チャネル２１１の様々な部分どうしの間に少なくとも２つの断熱層を備えている。
他の実施形態では熱交換チャネル２１１は、多数の層を備えた積層構成物である。さらに別の実施形態では、熱交換器２００は、流体をいかなる熱交換流体とも接触させずに空洞２１６から出し入れするために使用可能な、熱交換チャネル５１１の部分間に配置された流体チャネルを備えている。
少なくとも１つの新規な態様によれば、熱交換チャネル２１１は空洞２１６から隔離されて、空洞２１６の中の流体２３２と熱交換チャネル２１１の中の熱交換流体２４０とが熱的には相互作用するが相互に接触はしないようになっている。熱交換チャネル２１１と空洞２１６との間に進入路は提供されない。例えば、空洞２１６の中の極低温流体は、熱交換チャネル２１１の中の熱交換流体とは接触しない。入口２１４と空洞２１６との間に進入路は提供されない。出口２１５と空洞２１６との間に進入路は提供されない。開口部２１７と熱交換チャネル２１１との間に進入路は提供されない。
典型的な運転の際に、熱交換流体２４０は、熱交換チャネル２１１の温度以下の温度で熱交換チャネル２１１の第１の端部２１２に入る。熱交換流体２４０は、熱交換チャネル２１１を流れる間に熱を吸収する。従って、熱交換流体２４０は、第１の端部２１２に入った時の温度以上の温度で第２の端部２１３から出る。例えば、熱交換流体２４０が熱交換チャネル２１１を流れるにつれて、空洞２１６に入っている流体２３２から層２２１を通して熱が伝達される。更に、熱交換チャネル２１１を流れる熱交換流体２４０のうち少なくとも一部が外部環境２２０から発せられた外気熱２３３と熱的に相互作用することにより、空洞２１６の中に「漏れ」込む熱の量が低減される。
熱交換チャネル２１１は、貯蔵上の必要に応じて流体２３２及び２４０を受け入れるように構成することができる。例えば、熱交換チャネル２１１の長さを長くすることにより、空洞２１６の容積を大きくすることなく、熱交換流体２４０が第１の端部２１２から第２の端部２１３まで移動するのに要する時間を長くすることができる。別の例では、熱交換チャネル１１１の縮小により空洞１１６の表面積を縮小することができる。
熱交換流体２４０は、空洞２１６の温度維持に役立つ。これにより、空洞２１６の内部に貯蔵された流体２３２の物質の状態を制御することが可能となる。一例では、内部空洞２１６の中に貯蔵される流体２３２は液体水素（Ｈ２）である。他の例では、流体２３２は液体酸素、液体メタン、又は液体天然ガスである。熱交換器２００に供給される熱交換流体２４０は、ヘリウム、水素、ネオン、又は窒素のような冷媒である。熱交換チャネル２１１及び空洞２１６を分離することにより、熱交換器２００は、極低温流体の貯蔵と物質の状態が様々である熱交換流体との組み合わせをより多く提供する。流体２３２が熱交換流体２４０とは混ざり合わないことにより、空洞２１６から取り出される流体２３２の製品が薄まりにくくなる。流体２３２及び熱交換流体２４０を混合しないことにより、熱交換器２００は追加の分離工程を必要としなくなる。
熱交換チャネル２１１を形成する層２２１は、次の複合強化プラスチック、ポリマー、金属、及び／又はセラミックスのうち１つを含む材料で作られる。一例では、熱交換チャネル２１１は、付加製造工程、金属プリンティング工程、又は鍛造工程を経て、単一ユニット又は複数部分として製作される。別の例では、熱交換チャネル２１１は、溶接、押出し加工、鋳造、プレス加工、又は鍛造の工程を伴わずに単一ユニット又は複数部分として形成される。
熱交換チャネル２１１は、構造的完全性を損なうことも、断熱能力を低下させることもなく成形される。加えて、空洞２１６は熱交換チャネル２１１を成形することにより形成される。重要なことであるが、新規な熱交換器は、熱交換チャネル２１１の層２２１が熱交換器２００の全体的な形状を提供すると同時に空洞２１６を形成するので、液体を貯蔵するための分離した別個の構造物を必要としない。
図５は、別の実施形態による熱交換器３００の例示の断面を示す図である。熱交換器３００は、熱交換チャネル３１１、入口３１４、出口３１５、空洞３１６、開口部３１７、及び流体チャネル３１９を具備する。
熱交換チャネル３１１は、第１の端部３１２から第２の端部３１３まで伸びる。入口３１４は熱交換チャネル３１１の第１の端部３１２に連結され、出口３１５は熱交換チャネル３１１の第２の端部３１３に連結されている。熱交換チャネル３１１は空洞３１６を取り囲んでいる。開口部３１７は、空洞３１６への進入路を提供する。例えば、流体３３２（例えば液体水素）は開口部３１７を介して熱交換器３００に添加されて空洞３１６に貯蔵される。別の例では、流体３３２は開口部３１７を介して熱交換器３００の空洞３１６から取り出される。
図５に示された例では、流体３３２は流体チャネル３１９を介して空洞３１６から取り出すこともできる。流体チャネル３１９は流体入口３３４及び流体出口３３５を具備する。流体チャネル３１９は流体入口３３４から流体出口３３５まで伸びる。流体チャネル３１９の一部は熱交換チャネル３１１に沿って配置される。流体チャネル３１９は流体入口３３４を介して空洞１１６に連結される。流体チャネル３１９の、空洞３１６の内部に配置される部分の長さは、流体３３２が流体入口３３４に接触するように、空洞３１６の中に貯蔵された流体３３２の量に基づいて決まる。図５に示された例では、流体チャネル３１９は、空洞３１６から取り出される流体３３２の流量を制御するために使用されるバルブ３３６を備えている。
熱交換流体は流体チャネル３１９を通って流れることはできない。入口３１４と流体チャネル３１９との間に進入路は提供されない。出口３１５と流体チャネル３１９との間に進入路は提供されない。流体入口３３４と熱交換チャネル３１１との間に進入路は提供されない。流体出口３３５と熱交換チャネル３１１との間に進入路は提供されない。
熱交換チャネル３１１は、空洞３１６、開口部３１７、熱交換器３００の最も外側の外面、流体チャネル３１９、及び断熱層３２８に沿って配置された、層３２１を具備する。断熱層３２８は層３２１に沿って配置される。図５に示された例では、断熱層３２８は、熱交換チャネル３１１の一部と流体チャネル３１９との間に配置されている。断熱層３２８は、熱交換チャネル３１１の部分どうしの間を断熱するために任意の適切な断熱トポロジーを使用し、かつ材料を含んでもよい。例えば、エアロゲル、硬質発泡体（例えばポリイソシアヌレート、ポリウレタン）、及び／又はセルラーガラスのような材料を、熱交換チャネル３２１の部分どうしを断熱するために使用することができる。断熱層３２８は、空洞３１６に入っている流体３３２と外部環境３２０との間の熱的相互作用の量を低減する。
断熱層３２８と熱交換チャネル３１１又は流体チャネル３１９との間に接合部は提供されない。熱交換流体は断熱層３２８を通って流れることはできない。断熱層３２８と空洞３１６との間に進入路は提供されない。入口３１４又は流体入口３３４と断熱層３２８との間に進入路は提供されない。出口３１５又は流体出口３３５と断熱層３２８との間に進入路は提供されない。開口部３１７と断熱層３２８との間に進入路は提供されない。
別の実施形態では、熱交換チャネル３１１は断熱層を備えていない。例えば、熱交換チャネル３１１の各部分について断熱性を提供するために、層３２１との間に断熱材が配置されてもよい。さらに別の実施形態では、熱交換器３００は、熱交換チャネル３１１の様々な部分どうしの間に少なくとも２つの断熱層を備えている。さらに別の実施形態では、熱交換器３００は流体チャネル３１９を備えていない。他の実施形態では、熱交換チャネル３１１は多数の層を備えた積層構成物である。
少なくとも１つの新規な態様によれば、熱交換チャネル３１１は空洞３１６から隔離されて、空洞３１６の中の流体３３２と熱交換チャネル３１１の中の熱交換流体３４０とが熱的には相互作用するが相互に接触はしないようになっている。熱交換チャネル３１１と空洞３１６との間に進入路は提供されない。例えば、空洞３１６の中の極低温流体は、熱交換チャネル３１１の中の熱交換流体とは接触しない。入口３１４と空洞３１６との間に進入路は提供されない。出口３１５と空洞３１６との間に進入路は提供されない。開口部３１７と熱交換チャネル３１１との間に進入路は提供されない。
典型的な運転の際に、熱交換流体３４０は、熱交換チャネル３１１の温度以下の温度で熱交換チャネル３１１の第１の端部３１２に入る。熱交換流体３４０は、熱交換チャネル３１１を流れる間に熱を吸収する。従って、熱交換流体３４０は、第１の端部３１２に入った時の温度以上の温度で第２の端部３１３から出る。例えば、熱交換流体３４０が熱交換チャネル３１１を流れるにつれて、空洞３１６に入っている流体３３２から層３２１を通して熱が伝達される。更に、熱交換チャネル３１１を流れる熱交換流体３４０のうち少なくとも一部が外部環境３２０から発せられた外気熱３３３と熱的に相互作用することにより、空洞３１６の中に「漏れ」込む熱の量が低減される。
熱交換チャネル３１１は、貯蔵上の必要に応じて流体３３２及び３４０を受け入れるように構成することができる。例えば、熱交換チャネル３１１の長さを長くすることにより、空洞３１６の容積を大きくすることなく、熱交換流体３４０が第１の端部３１２から第２の端部３１３まで移動するのに要する時間を長くすることができる。別の例では、熱交換チャネル３１１の縮小により、空洞３１６の表面積を縮小することができる。さらに別の例では、流体チャネル３１９の長さを長くしても空洞３１６の容積が大きくならない場合もある。
熱交換流体３４０は空洞３１６の温度維持に役立つ。これにより、空洞３１６の内部に貯蔵された流体３３２の物質の状態を制御することが可能となる。一例では、内部空洞３１６の中に貯蔵される流体３３２は液体水素（Ｈ２）である。他の例では、流体３３２は液体酸素、液体メタン、又は液体天然ガスである。熱交換器３００に供給される熱交換流体３４０は、ヘリウム、水素、ネオン、又は窒素のような冷媒である。熱交換チャネル３１１及び空洞３１６を分離することにより、熱交換器３００は、極低温流体の貯蔵と物質の状態が様々である熱交換流体との組み合わせをより多く提供する。流体３３２が熱交換流体３４０とは混ざり合わないことにより、空洞３１６から取り出される流体３３２の製品が薄まりにくくなる。流体３３２及び熱交換流体３４０を混合しないことにより、熱交換器３００は追加の分離工程の必要がなくなる。
熱交換チャネル３１１を形成する層３２１は、次の複合強化プラスチック、ポリマー、金属、及び／又はセラミックスのうち１つを含む材料で作られている。一例では、熱交換チャネル３１１は、付加製造工程、金属プリンティング工程、又は鍛造工程を経て、単一ユニット又は複数部分として製作される。別の例では、熱交換チャネル３１１は、溶接、押出し加工、鋳造、プレス加工、又は鍛造の工程を伴わずに単一ユニット又は複数部分として形成される。
熱交換チャネル３１１は、構造的完全性を損なうことも、断熱能力を低下させることもなく成形される。加えて、空洞３１６は熱交換チャネル３１１を成形することにより形成される。重要なことであるが、新規な熱交換器は、熱交換チャネル３１１の層３２１が熱交換器３００の全体的な形状を提供すると同時に空洞３１６を形成するので、液体を貯蔵するための分離した別個の構造物を必要としない。
図６は、より曲線的である熱交換器１００の例示の断面を示す図である。
図７は、第１の端部１１２が第２の端部１１３に接続されている熱交換器１００の例示の断面を示す図である。
図８は、別の実施形態による熱交換器５００を上から見下ろした図である。この実施形態では、熱交換器５００は曲線的な角部を備えた円柱とほぼ同じような形状を有する。従って、上から見下ろすと、熱交換器５００は円形状を有する。図８は、熱交換器５００の例示の断面（Ａ－Ａ）を示している。この例では、断面は曲線的な角部を備えた長方形と同じような形状となる（図９を参照）。熱交換器５００について、以下の図９～１４の詳細な説明においてさらに説明する。
図９は、熱交換器５００の例示の断面を示す斜視図である。例えば、この断面図は、図８に示された断面指示線Ａ－Ａで得られる。
熱交換器５００は、熱交換チャネル５１１、入口５１４、出口５１５、内部空洞５１６、及び開口部５１７を具備する。熱交換チャネル５１１は、第１の端部５１２から第２の端部５１３まで伸びる。熱交換チャネル５１１は空洞５１６を取り囲んでいる。開口部５１７は、空洞５１６への進入路を提供する。例えば、極低温流体５３２（例えば液体水素）は開口部５１７を介して熱交換器５００に添加されて空洞５１６に貯蔵される。別の例では、流体５３２は開口部５１７を介して熱交換器５００の空洞５１６から取り出される。入口５１４は熱交換チャネル５１１の第１の端部５１２に連結され、出口５１５は熱交換チャネル５１１の第２の端部５１３に連結されている。典型的な運転の際に、熱交換流体５４０は、入口５１４から入り出口５１５から出て熱交換チャネル５１１を通って流れる。
熱交換チャネル５１１は、複数の積み重なった層５２１、５２２、５２３、５２４、及び５２５と、少なくとも１つの断熱層５２８とを具備する。第１層５２１は熱交換器５００の最も外側の外面に沿って配置される。第２層５２２は第１層５２１に隣接して配置される。第１層５２１及び第２層５２２は、熱交換チャネル５１１の第１の部分５２６を形成する。第３層５２３は第４層５２４に隣接して配置される。第３層５２３及び第４層５２４は、熱交換チャネル５１１の第２の部分５２７を形成する。第５層５２５は第４層５２４に隣接して配置される。第４層５２４及び第５層５２５は、熱交換チャネル５１１の第３の部分５２９を形成する。
断熱層５２８は第２層５２２と第３層５２３との間に配置される。断熱層５２８は、熱交換チャネル５１１の部分どうしの間を断熱するために任意の適切な断熱トポロジーを使用し、かつ材料を含みうる。例えば、エアロゲル、硬質発泡体（例えばポリイソシアヌレート、ポリウレタン）、及び／又はセルラーガラスのような材料を、熱交換チャネル５１１の部分どうしを断熱するために使用することができる。断熱層５２８は、空洞５１６に入っている流体５３２と外部環境５２０との間の熱的相互作用の量を低減する。換言すれば、断熱層５２８は、内部空洞５１６の貯蔵温度をより低く維持するのに役立つ。
断熱層５２８と熱交換チャネル５１１との間に接合部は提供されない。熱交換流体は断熱層５２８を通って流れることはできない。断熱層５２８と内部空洞５１６との間に進入路は提供されない。入口５１４と断熱層５２８との間に進入路は提供されない。出口５１５と断熱層５２８との間に進入路は提供されない。開口部５１７と断熱層５２８との間に進入路は提供されない。
別の実施形態では、熱交換チャネル５１１は断熱層を備えていない。さらに別の実施形態では、熱交換器５００は、熱交換チャネル５１１の様々な部分の間に少なくとも２つの断熱層を備えている。
第１の部分５２６、第２の部分５２７、及び第３の部分５２９の各々は共に接続及び連結されて、流体が熱交換チャネル５１１の全体を自由に流れるようになっている。第１の接合部５３８は第４層５２４を通り抜けて伸びている。第１の接合部５３８は、熱交換チャネル５１１の第２及び第３の部分５２７及び５２９の間の流路を提供する。第２の接合部５３７は断熱層５２８を通り抜けて伸びている。第２の接合部５３７は、熱交換チャネル５１１の第１及び第２の部分５２６及び５２７の間の流路を提供する。別の実施形態では、３以上の接合部が存在して各々の接合部が熱交換チャネル５１１の部分どうしの間の通路を提供するようになっている。他の実施形態では、熱交換チャネル５１１は非積層構成物であって、単一の層を通って伸びている。
少なくとも１つの新規な態様によれば、熱交換チャネル５１１は空洞５１６から隔離されて、空洞５１６の中の流体と熱交換チャネル５１１の中の熱交換流体とが熱的には相互作用するが互いに接触はしないようになっている。熱交換チャネル５１１と空洞５１６との間に進入路は提供されない。例えば、空洞５１６の中の極低温流体は、熱交換チャネル５１１の中の熱交換流体とは接触しない。別の実施形態では、熱交換器５００は、流体をいかなる熱交換流体とも接触させずに空洞５１６から出し入れするために使用可能な、熱交換チャネル５１１の部分どうしの間に配置されたチャネルを備えている。
図１０は、熱交換流体５４０が熱交換チャネル５１１を通ってどのように流れるかを示す、熱交換器５００の断面図である。運転時、熱交換流体５４０は入口５１４に流れ込む。熱交換流体５４０は、熱交換チャネル５１１の第１の端部５１２に流れ込み、熱交換チャネル５１１の第３の部分５２９を通って流れる。熱交換流体５４０は、熱交換チャネル５１１の第３の部分５２９から、第１の接合部５３８を通り、かつ熱交換チャネル５１１の第２の部分５２７を通って流れる。熱交換流体５４０は、熱交換チャネル５１１の第２の部分５２７から、第２の接合部５３７を通り、かつ熱交換チャネル５１１の第１の部分５２６を通って流れる。熱交換流体５４０は、熱交換チャネル５１１の第１の部分から、熱交換チャネル５１１の第２の端部５１３の外へと流れる。熱交換流体５４０は出口５１５から流れ出る。
典型的な運転の際に、熱交換流体５４０は、熱交換チャネル５１１の温度以下の温度で熱交換チャネル５１１の第１の端部５１２に入る。熱交換流体５４０は、熱交換チャネル５１１を流れる間に熱を吸収する。従って、熱交換流体５４０は、第１の端部５１２に入った時の温度以上の温度で第２の端部５１３から出る。例えば、熱交換流体５４０が熱交換チャネル５１１を通って流れるにつれて、いくらかの熱が、内部空洞５１６に入っている流体５３２から、様々な層５２１、５２２、５２３、５２８、５２４、及び５２５を通して伝達される。更に、熱交換チャネル５１１を流れる熱交換流体５４０のうち少なくとも一部が外部環境５２０から発せられた外気熱５３３と熱的に相互作用することにより、内部空洞５１６の中に「漏れ」込む熱の量が低減される。
熱交換チャネル５１１は、貯蔵上の必要に応じて流体５３２及び５４０を受け入れるように構成することができる。例えば、熱交換チャネル５１１の長さを長くすることにより、空洞５１６の容積を大きくすることなく、熱交換流体５４０が第１の端部５１２から第２の端部５１３まで移動するのに要する時間を長くすることができる。別の例では、熱交換チャネル５１１の縮小により、空洞５１６の表面積を縮小することができる。
熱交換流体５４０は、内部空洞５１６の温度維持に役立つ。これにより、内部空洞５１６の中に貯蔵された流体５３２の物質の状態を制御することが可能となる。一例では、内部空洞５１６の中に貯蔵される流体５３２は液体水素（Ｈ２）である。この例では、熱交換器５００に供給される熱交換流体５４０は、冷媒（例えばヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ２）、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ２））である。
図１１は熱交換器５００の背面図である。１つの実施形態では、第１層５２１は熱交換器５００の最も外側の外面に沿って配置される。別の実施形態では、第１層５２１及び第２層５２２が熱交換チャネル５１１の第１の部分５２６を作り出し、かつ第１層５２１は熱交換器５００の最も外側の外面の部分を構成する。
図１２は、熱交換器５００の断面分解斜視図である。図１２は、熱交換チャネル５１１の第３の部分５２９が第１の接合部５３８を介して交換チャネル５１１の第２の部分５２７に接続されていることを示している。運転時、熱交換流体５４０は第３の部分５２９から第１の接合部５３８を通って第２の部分５２７へと流れる。
別の実施形態では、少なくとも２つの接合部が、熱交換チャネル５１１の第３の部分５２９及び第２の部分５２７に隣接して各々配置される。
図１３は、熱交換器５００の断面分解斜視図である。図１３は、熱交換チャネル５１１の第２の部分５２７が第２の接合部５３７を介して交換チャネル５１１の第１の部分５２６に接続されていることを示している。運転時、熱交換流体５４０は第２の部分５２７から第２の接合部５３７を通って第１の部分５２６へと流れる。別の実施形態では、少なくとも２つの接合部が、熱交換チャネル５１１の第２の部分５２７及び第１の部分５２６に隣接して各々配置される。
図１４は、熱交換器５００の断面斜視図である。１つの実施形態では、熱交換器５００は、層５２５、５２４、５２３、５２２、及び５２１をそれぞれ積み重ねることにより形成される。別の例では、熱交換器５００は２つの部分を溶接することにより形成される。さらに別の例では、熱交換器５００は成形されることで熱交換チャネル５１１、空洞５１６を形成している単一の層である。
図１５は、１つの新規な態様による方法１０００のフローチャートである。第１のステップ（ステップ１００１）において、熱交換器が提供される。該熱交換器は、入口、出口、空洞を取り囲む熱交換チャネル、及び空洞への進入路を提供する開口部を有する。
図１６は、１つの新規な態様による方法２０００のフローチャートである。第１のステップ（ステップ２００１）において、熱交換器が形成される。該熱交換器は、内部空洞、熱交換チャネル、入口、出口、及び内部空洞への開口部を有する。
ある特定の実施形態について教示目的で上述されているが、本特許文書の教示内容は一般的適用性を有し、かつ上述の特定の実施形態に限定はされない。
例えば、熱交換器１００、２００、３００、４００、及び５００各々の入口、出口、及び開口部は、部分的に内在かつ部分的に外在していてもよいし、完全に内在又は完全に外在していてもよい。
図示されていないが、熱交換器は外部環境から閉ざされていてよい。例えば、典型的な運転の際には、熱交換器５００の入口５１４、出口５１５、及び開口部５１７の各々は、いかなる流体も熱交換器５００の中にある間は外部環境５２０と直接接触しないようにする外部供給源に接続される。別の例では、入口５１４、出口５１５、及び／又は開口部５１７のうち少なくとも１つが、流体が熱交換器に入るか又は出るのを防止するカバーを備えている。さらに別の例では、熱交換器は、電子制御することができる少なくとも１つのバルブを備えてもよい。例えば、熱交換器５００の入口５１４に連結されたバルブは、熱交換チャネル５１１に入る流体５４０の流量の制御に役立つであろう。
熱交換チャネル５１１の部分どうしの間の接合部は、層の数に応じて、又は流体が熱交換チャネルの部分を通って移動する時間の所望の長さに応じて、様々な場所に配置されてよい。例えば、図９は、第４層５２４の右上部に配置された第１の接合部５３８を示している。別の例では、第１の接合部５３８は第４層５２４の異なる場所に配置される。加えて、図９は、第２層５２２及び第３層５２３の底部中央に配置された第２の接合部５３７を示しているが、異なる場所に配置されることも可能である。
他の実施形態では、熱交換器は、温度、圧力、流量、及び／又は組成のような流体の特性を計測するためのセンサを備えている。例えば、センサを備えた熱交換器５００の実施形態では、流体特性用センサは第１の端部５１２、第２の端部５１３、及び／又は空洞５１６に設置されてよい。
従って、記載された実施形態の様々な特徴についての様々な改変、適応、及び組み合わせを、特許請求の範囲に述べる本発明の範囲から逸脱することなく実践することが可能である。

Claims (21)

  1. 入口；
    出口；
    空洞を取り囲む熱交換チャネル；及び
    空洞への進入路を提供する開口部
    を具備する装置。
  2. 熱交換チャネルは空洞を形成し、入口は熱交換チャネルの一方の端部に連結され、かつ出口は熱交換チャネルのもう一方の端部に連結されている、請求項１に記載の装置。
  3. 熱交換チャネルは空洞から隔離されて、空洞の中の流体と熱交換チャネルの中の熱交換流体とが互いに接触しないようになっている、請求項１に記載の装置。
  4. 熱交換チャネルと空洞との間に進入路は提供されていない、請求項１に記載の装置。
  5. 熱交換チャネルに沿って断熱層が配置されている、請求項１に記載の装置。
  6. 熱交換チャネルは積み重なった層を有する、請求項１に記載の装置。
  7. 熱交換チャネルは、球形、円柱形、又は角胴形を有する、請求項１に記載の装置。
  8. 熱交換チャネルは、付加製造工程、金属プリンティング工程、又は鍛造工程を経て形成される、請求項１に記載の装置。
  9. 流体チャネルであって、該流体チャネルの一方の端部は流体入口を介して空洞に連結され、かつ流体チャネルの他方の端部は流体出口に連結されている、流体チャネル
    をさらに具備する、請求項１に記載の装置。
  10. 流体チャネルの外側表面の一部分は流体と接触する、請求項９に記載の装置。
  11. 内部空洞、熱交換チャネル、入口、出口、及び内部空洞への開口部を有する熱交換器を形成するステップ
    を含む方法。
  12. 熱交換流体が入口に流れ込み、熱交換チャネルを通り、出口から流出する、請求項１１に記載の方法。
  13. 内部空洞は熱交換チャネルによって完全に取り囲まれている、請求項１１に記載の方法。
  14. 内部空洞には開口部を介してのみ進入可能であり、かつ熱交換チャネルは内部空洞への進入路を有していない、請求項１１に記載の方法。
  15. 熱交換器は、熱交換チャネルの部分どうしの間に配置された断熱層を備えている、請求項１１に記載の方法。
  16. 内部空洞は流体を貯蔵する、請求項１１に記載の方法。
  17. 熱交換器は、溶接、押出し加工、鋳造、プレス加工、又は鍛造の工程を伴わずに形成される、請求項１１に記載の方法。
  18. 熱交換器は三次元プリンティング工程により形成される、請求項１１に記載の方法。
  19. 内部空洞であって、該内部空洞への進入路を提供する進入口を有する内部空洞と；
    内部空洞を取り囲んでいる、内部空洞との間で熱を交換するための手段と
    を具備する熱交換器。
  20. 内部空洞との間で熱を交換するための手段は熱交換チャネルである、請求項１９に記載の熱交換器。
  21. 手段は内部空洞から隔離されている、請求項１９に記載の熱交換器。
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