JP7231654B2

JP7231654B2 - 噴流衝突冷却装置および方法

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Publication number: JP7231654B2
Application number: JP2020566692A
Authority: JP
Inventors: ジャック・ニコラス; ツン・ホルト・ウォン; ロバート・ピアース; ピーター・アイアランド
Original assignee: オックスフォード・ユニバーシティ・イノベイション・リミテッド
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: GB201808726D0; US11592241B2; EP3803903A1; EP3803903B1; KR20210014691A; WO2019229415A1; CN112352291A; CN112352291B; JP2021526311A; US20210210218A1

Description

本発明は、噴流衝突冷却装置および方法に関する。

核融合は、高まる電力の需要を満たすことを助けるための有望なエネルギー源を代表している。実用的な核融合炉の主な候補の1つとしてはトカマクがあり、これは、強力な磁場が円環状の真空容器内で高温のプラズマを閉じ込める。プラズマは、最後の閉じた磁束面を横切って半径方向に放散すると、スクレイプオフ層と呼ばれる領域に入る。この領域に入ったプラズマは、ダイバータと呼ばれる容器の壁の領域に向かって流される。これは、炉心プラズマ内の不純物を最小限に保つ助けになり、また、核融合反応の副産物の除去を容易にする。しかしながら、この高エネルギープラズマがダイバータに衝突する結果、極めて高い熱束が生じる。ダイバータを適用するために、十分な性能を提供することができる冷却システムを設計することが必要であることがわかった。

航空宇宙産業および半導体産業において知られている冷却システムの例としては噴流衝突があり、ここでは、入口から冷却される面に高圧流体を噴出し、それによって、熱境界層厚さを最小限にすることによって表面からの熱伝達を強化する。このようなデバイスの例は、特許文献１に開示されている。冷却される面に隣接した狭い通路の列に流体を通す冷却システムも知られている。既存の噴流衝突冷却システムの知られている問題は、衝突面の熱伝達係数の分布が一様でないことである。この影響は、高い噴流密度の列を使用することによって最小限にすることができる。しかしながら、これは、単位熱量を除去するためのポンピング動力の要件を増大させかねず、配管を特に困難にする。さらに、複数の噴流システムの熱伝達性能は、交差流が増えることによって妨げられることが多い。

米国特許出願公開2007/119565号

本発明の目的は、改善された噴流衝突冷却を提供することである。

本発明の一態様によれば、目標面に接触係合し、それによって流体が流れることができる流れ容積部を画定するように構成された流体通路構造体を備える噴流衝突冷却装置が提供される。本流体通路構造体は、複数の入口であり、各入口が流れ容積部に通じ、入口から目標面上に流体を直接噴出することができるように構成された、複数の入口と、複数の出口であり、各出口が流れ容積部に通じ、出口を通して流れ容積部から流体を除去することができるように構成された、複数の出口と、入口と出口を流体的に接続する複数の通路を一緒に形成する複数の流れ誘導形体部であり、入口のいずれか1つを向く流れ容積部の領域から、出口のいずれか1つを向く流れ容積部の領域まで、流れ容積部を通る真っ直ぐな経路がないように配置された複数の流れ誘導形体部とを備える。ここで、流れ誘導形体部は、使用時に、各流れ誘導形体部の表面と接触する流体の時間平均の流れ方向が、流れ誘導形体部の表面の少なくとも大部分に対して、最も近い入口からの流体の噴出方向に平行であることより垂直であることに近いように構成され、入口と出口の1つまたは複数の対は、その対の入口から目標面上に噴出された流体の大部分が、同じ対の出口を通って流れ容積部から除去されるように構成される。

したがって、噴流衝突冷却と冷却通路との利点を組み合わせたデバイスが提供される。流れ容積部を通る真っ直ぐな経路がないことを確実にすると、流れ容積部内の流れ速度が高く保たれ、流体によって目標面の全領域が確実に覆われ、境界層が壊され、それによって冷却が強化される。上記のように、入口と出口を対で構成することは(任意選択で、1つまたは複数の対が出口を共有することができる)、流体の流れを特定の領域により効果的に向けることを可能にし、それによって、目標面の冷却の一様性を改善し、流体を流れ容積部から効率的に除去することができる。

一実施形態では、入口と出口のそれぞれ対に対して、入口を向く流れ容積部の領域から、出口を向く流れ容積部の領域への流路は、流体が、流路のすべてに沿う目標面と連続的に接触するように流路のすべてに沿う目標面によって部分的に画定される。したがって、流体の流れは、流れ容積部を通る流れの大部分に対して、目標面に沿って向けられ、それによって最大限の冷却が与えられる。

一実施形態では、入口と出口の前記対の1つまたは複数のそれぞれに対して、流れ容積部からその対の出口を通って除去される流体の大部分は、同じ対の入口を通って目標面上に噴出された流体である。この手法は、入口と出口の対の間の流体の流れを一対一に対応させ、装置内の流体の流れを誘導する能力をさらに改善する。

一実施形態では、目標面は、使用時、流体によって冷却される冷却領域を備え、入口の少なくとも1つは、冷却領域の外側境界から、入口の開口の直径の3倍未満の距離の範囲内に設けられる。この手法によって、装置の縁近くをより強く冷却することができ、それによって温度の突出を低減することができる。

一実施形態では、本装置は、縦続構成の複数の流体通路構造体を備え、本縦続構成は、使用時、複数の流体通路構造体の第1の流体通路構造体の流れ容積部から第1の流体通路構造体の出口を通って流出する流体が、複数の流体通路構造体の第2の流体通路構造体の入口を通って第2の流体通路構造体の流れ容積部に流入するようなものである。この手法は縦続構成を使用し、この縦続構成では、装置を通って流れる流体は、表面に複数回衝突し、目標面の異なる領域に効果的に再使用される。これによって、装置を通る流体の全流量をより少なく使用して同じ冷却性能が達成され、それによって効率を改善することができる。

一実施形態では、出口の開口の全断面積は、入口の開口の全断面積よりも大きい。この手法は、流体が流れ容積部を効率的に流出して、装置の望まれない部分での圧力損失を低減することを確実にする。

本発明の一態様によれば、噴流衝突を使用する冷却方法が提供され、本方法は、目標面に接触係合されて、流体が流れることができる流れ容積部を画定する流体通路構造体を提供するステップと、複数の入口を通して流れ容積部内および目標面上に流体を噴出し、複数の出口を通して流れ容積部から流体を除去することによって、流れ容積部を通る流体の流れを駆動するステップと、入口と出口を流体的に接続する複数の通路を一緒に形成する複数の流れ誘導形体部を提供するステップとを含み、流れ誘導形体部は、入口のいずれか1つを向く領域から、出口のいずれか1つを向く領域まで、流れ容積部を通る真っ直ぐな経路がないように配置され、各流れ誘導形体部の表面と接触する流体の時間平均の流れ方向は、流れ誘導形体部の表面の少なくとも大部分に対して、最も近い入口からの流体の噴出方向に平行であることより垂直であることに近く、入口と出口の1つまたは複数の対は、その対の入口から目標面上に噴出された流体の大部分が、同じ対の出口を通って流れ容積部から除去されるようなものである。

一実施形態では、目標面は、流体通路構造体に対して目標面の反対側にある熱源によって加熱され、目標面の1つまたは複数の目標領域のそれぞれにおいて、目標面と流れ容積部内を流れる流体との間の熱伝達係数は最大になり、各目標領域は、全目標面にわたって平均化された平均冷却要件より少なくとも5%高い、目標領域にわたって平均化された冷却要件を有し、冷却要件は、目標領域のすぐ裏の目標面の反対側の領域によって受け取られる熱源からの熱束と、目標領域と目標領域のすぐ裏の目標面の反対側の領域との間の熱伝導経路長との積として定義される。

この手法は、最も強い冷却を必要とする目標面の領域に最も効率的に冷却を与えることを確実にする。

一実施形態では、複数の流体通路構造体が縦続構成で設けられ、本縦続構成は、複数の流体通路構造体の第1の流体通路構造体の流れ容積部から第1の流体通路構造体の出口を通って流出する流体が、複数の流体通路構造体の第2の流体通路構造体の入口を通って第2の流体通路構造体の流れ容積部に流入するようなものである。

この手法は縦続構成を使用し、この縦続構成では、装置を通って流れる流体は、表面に複数回衝突し、目標面の異なる領域に効果的に再使用される。これによって、装置を通る流体の全流量をより少なく使用して同じ冷却性能が達成され、それによって効率を改善することができる。

一実施形態では、目標面は、流体通路構造体に対して目標面の反対側にある熱源によって加熱され、第1の流体通路構造体は目標面の第1の小領域と係合され、第2の流体通路構造体は目標面の第2の小領域と係合され、第1の小領域の冷却要件は第2の小領域の冷却要件より高く、第1の小領域の冷却要件は、第1の小領域のすぐ裏の目標面の反対側の第1の領域によって受け取られる熱源からの熱束と、第1の小領域と第1の小領域のすぐ裏の目標面の反対側の第1の領域との間の熱伝導経路長との積の第1の小領域にわたる平均であり、第2の小領域の冷却要件は、第2の小領域のすぐ裏の目標面の反対側の第2の領域によって受け取られる熱源からの熱束と、第2の小領域と第2の小領域のすぐ裏の目標面の反対側の第2の領域との間の熱伝導経路長との積の第2の小領域にわたる平均である。

この手法は、最も強い冷却を必要とする目標面の領域に最も効率的に冷却が与えられ、一方で、また、縦続構成を使用して装置に必要な流体の全流量を削減することを確実にする。

一実施形態では、入口から噴出された流体は流れ容積部内部で相を変えない。この手法は、流体の流れ特性が流れ容積部内で変わらず、それによって、より予測可能で信頼できる流れおよび冷却性能を提供することを確実にする。

次に、対応する符号が対応する部品を表す添付の図面を参照して、本発明の実施形態を単なる例によって説明する。

目標面と係合した冷却装置を示す側面断面図である。図1の冷却装置の斜視図である。冷却装置内の様々な点における熱伝達係数を示すプロットである。図1の冷却装置のさらなる側面断面図である。縦続構成の複数の流体通路構造体を備える代替の冷却装置の上から見下ろした図である。縦続構成の複数の流体通路構造体を備える代替の冷却装置の上から見下ろした図である。フィンを備える流れ誘導形体部を備える代替の冷却装置の上から見下ろした図である。入力および出力マニホールドをさらに備える代替の冷却装置の側面断面図である。

例が図1～図8に示されている実施形態では、冷却装置2が提供される。装置2は、噴流衝突によって目標面6を冷却するのに適する。目標面6は、熱源1から熱束を受ける。熱源1の種類は特に限定しない。例えば、目標面6は、トカマク核融合炉、固体レーザのレーザダイオードのアレイ、マイクロプロセッサチップ、ソリッドステートインバータ、または高熱束を受ける任意の他の面の内側であってもよい。目標面6は、平面状であってもよいし、凸状または凹状の湾曲部などの別の形状を有してもよい。下に説明される特徴によって、装置2は、より少ない冷却剤流体の全質量流量を使用して従来技術のデバイスと同等またはそれらより優れた冷却性能を提供することができる。

一実施形態では、装置2は、目標面6に接触係合し、それによって流体が流れることができる流れ容積部8を画定するように構成された流体通路構造体4を備える。一実施形態では、流体通路構造体4は、目標面に対して非一体的に形成される(その結果、流体通路構造体4を形成する材料と目標面6を形成する材料との間に認識可能な境界が存在する)。他の実施形態では、流体通路構造体4は目標面6に一体的に接続される。流体通路構造体4は、装置2が機能するのに必要な温度および圧力で流れ容積部8に流体が流れることを可能にするいかなる材料または材料の組合せから形成されてもよい。例えば、流体通路構造体4は、銅または高熱伝導率無酸素銅、あるいはCuCrZrなどの銅合金を含んでもよい。

一実施形態では、流れ容積部8は目標面6に隣接する。一実施形態では、流体通路構造体4は、目標面6に着脱可能に接触係合するように構成される。一実施形態では、流体通路構造体4は、使用しないときには、目標面6から取り外すことができて、目標面6または流体通路構造体4の点検または保守が可能である。

一実施形態では、流体通路構造体4は複数の入口10を備える。各入口10は、流れ容積部8に通じ、入口10から目標面6上に直接、および流れ容積部8内に流体を噴出することができる。一実施形態では、入口10は、目標面6に対して流れ容積部8の反対側にある。したがって、入口10は目標面6を向くことができる。一実施形態では、各入口10は開口12を備え、入口10はこの開口12で流れ容積部8に通じる。一実施形態では、入口10の開口12はすべて同じ平面にある。各開口12の形状およびサイズは特に限定されない。例えば、開口12の1つまたは複数のそれぞれは、スロットなどの細長い特徴を備えてもよいし、方形、矩形、楕円、または円を備えてもよい。一実施形態では、入口10の1つまたは複数のそれぞれは、円形の開口12を備える。入口10の開口12の面積は、所与の流体圧力に対して、入口10から噴出される流体の速度を制御するように選ぶことができる。一実施形態では、入口10は、直径が0.1mm～5mm、任意選択的には0.5mm～3mm、任意選択的には1mm～2mmの円である。

一実施形態では、流体通路構造体4は複数の出口11をさらに備える。各出口11によって、(入口を通して流れ容積部8内に噴出された)流れ容積部8内の流体を、出口11を通して流れ容積部8から除去することができる。一実施形態では、出口11は、目標面6に対して流れ容積部8の反対側にある。したがって、出口11は目標面6を向く。一実施形態では、各出口11は開口13を備え、出口11はこの開口13で流れ容積部8に通じる。一実施形態では、出口11の開口13はすべて同じ平面にある。出口11の開口13は、入口10に対して上で説明した形態のうちのいかなる形態も採り得る。一実施形態では、出口11の開口13のそれぞれは、入口10の開口12のそれぞれよりも大きい。一実施形態では、出口11の開口13の全断面積は、入口10の開口12の全断面積よりも大きい。出口11の相対的なサイズを大きくすると、流体が装置2を通って流れるとき、出口11にわたる流体圧力の降下が小さくなる。一実施形態では、出口11の開口13は、入口10の開口12と同じ平面にある、または、入口10の開口12の平面と平行な平面にある。一実施形態では、出口11は、直径が0.5mm～10mm、任意選択的には2mm～3mmの円形の開口を備える。

一実施形態では、流体通路構造体4は、複数の流れ誘導形体部20をさらに備える。流れ誘導形体部20は共同で複数の通路25を形成する。複数の通路25は、入口10と出口11を流体的に接続する。一実施形態では、流体通路構造体4が目標面6に接触係合されると、流れ誘導形体部20の1つまたは複数は互いに、および目標面6と良好に熱接触する。

流れ誘導形体部20は、複数の有用な機能を果たすことができる。一実施形態では、流れ誘導形体部20は、流れ容積部8内の流体と接触する流体通路構造体4の表面積を増大させるように、流れ容積部8内の流体の流れを誘導する。流体と接触する流体通路構造体4の表面積を増大させることは、(熱が、目標面6から流れ誘導形体部20に流れ、次いで、流体に流れるように)流れ誘導形体部20の1つまたは複数が目標面6と良好に熱接触している場合は特に、(流体に熱を伝えることによって)目標面6からの熱をより効率的に除去する助けになる。熱伝達をさらに改善するために、流れ誘導形体部20は、銅または銅合金などの高熱伝導率の材料から形成されてもよい。一実施形態では、流れ誘導形体部20はまた、流れ容積部8内の流体の流れの乱れを増大させる。乱れは、流体の混合を改善することによって、流体への熱伝達効率を増大させる。乱れはまた、熱境界層の形成を妨げ、それによって、流体の混合および熱伝達効率をさらに改善する。

流体の流れは、レイノルズ数によって特徴付けることができる。レイノルズ数が高いと、流れは乱れる傾向になり、一方、レイノルズ数が低いと、層流を示す傾向になる。乱流は、熱伝達および流体の混合を改善するのに有利であるので、流体通路構造体4および/または流れ誘導形体部20は、流れ容積部8を通る流体の流れが、流れ誘導形体部20を設けないときと比べて大きなレイノルズ数を有するように構成されてもよい。一実施形態では、少なくとも目標面6上に流体を噴出させると、高い乱れ状態になる。一実施形態では、流体は入口10から噴出されて、レイノルズ数が4000より大きい、任意選択的に6000より大きい流れになる。

一実施形態では、流れ誘導形体部20は、流体通路構造体4の強度と剛性を増大させる。強度と剛性を増大させることは、より高い圧力の使用を可能にする。流体圧力をより高くすると、装置2を通る流体の流量が増大し、それによって、装置2の性能が改善される。一実施形態では、流れ誘導形体部20によって流体への熱伝達を改善すると、装置2内の熱勾配が低減される。熱勾配を低減することは、熱応力を低減し、装置2の耐久性を改善する。熱勾配は、特に、目標面6と流体通路構造体4との間の温度勾配を低減することによって低減される。

一実施形態では、流れ誘導形体部20の1つまたは複数のそれぞれは、以下のもの、すなわち、脚部21、壁22、およびフィン23(例えば、図7参照のこと)の1つまたは複数を備える。脚部21は、主として、流体の熱境界層を壊す形体部の例である。脚部21は細長くない形体部であってもよく、流れ容積部8の全高にわたって延在し、目標面6と直接接触する。壁22は、主として、流れ容積部8内の流体の流れを誘導する形体部の例である。壁22は細長い形体部であってもよく、流れ容積部8の全高にわたって延在し、目標面6と直接接触する。フィン23は、主として、流れの乱れを増大させる形体部の例である。フィン23は細長くても細長くなくてもよい形体部であり、流れ容積部8の高さを部分的にのみ延在してもよく、目標面6とは直接接触しない。これらのタイプの流れ誘導形体部20、および他のタイプの流れ誘導形体部20の1つまたは複数の任意の組合せを使用して、流体の流れを望むように誘導し、流体と接触する流体通路構造体4の表面積を増大させることができる。

一実施形態では、流れ誘導形体部20は、入口10のいずれか1つを向く流れ容積部8の領域(例えば、入口10の開口12と目標面6との間にすぐにある領域で、流体はその領域を通って目標面6上に噴出される)から、出口11のいずれか1つを向く流れ容積部8の領域(例えば、出口11の開口13と目標面との間にすぐにある領域)まで、流れ容積部8を通る真っ直ぐな経路がないように配置される。真っ直ぐな経路がないことは、流れ容積部8を通る流れの速度を増大させる。真っ直ぐな経路がないことはまた、流体を流れ誘導形体部20を横切って流れさせる、または流れ誘導形体部20の周りを回って流れさせることによって、流体と接触する装置2の表面積を増大させる。

一実施形態では、入口10と出口11の1つまたは複数の対は、その対の入口10を通って目標面6上に噴出された流体の大部分が、同じ対の出口11を通って流れ容積部8から除去されるように構成される。この特徴は、流れ容積部8を通る流れの対応関係を予測可能にし、その結果、後でより詳細に説明するように、装置2の性能を改善するように流れをより容易に制御することができる。一実施形態では、入口10と出口11の対の1つまたは複数のそれぞれは、同じ出口11を共有する。したがって、入口と出口との対応関係は、多対1の対応関係を含んでもよい。出口11より多くの入口10があってもよい。

一実施形態では、各流れ誘導形体部20の表面と接触する流体の時間平均の流れ方向は、流体と接触する流れ誘導形体部20の表面の少なくとも大部分に対して(任意選択的には、流体と接触する流れ誘導形体部20の表面のすべてに対して)、最も近い入口10からの流体の噴出方向に平行であることより垂直であることに近い。これは、装置2内の流体の流れが、大部分、一貫した平面内で向きを変え、それが、流れ方向を制御する能力を改善することを確実にする。上記によれば、一実施形態では、流れ誘導形体部20の表面の少なくとも大部分に対して、任意選択的に、流れ誘導形体部20の表面のすべてに対して、各流れ誘導形体部20の表面と接触する流体の時間平均の流れ方向の、最も近い入口10からの流体の噴出方向に垂直の成分は、噴出方向に平行な時間平均の流れの成分より大きい、任意選択的に少なくとも2倍大きい、任意選択的に少なくとも10倍大きい、任意選択的に少なくとも100倍大きい。

一実施形態では、入口と出口の対のうちの入口10を通って目標面6上に噴出された流体の大部分が、同じ対の出口11を通って流れ容積部8から除去される、入口と出口との対のそれぞれに対して、入口10を向く流れ容積部8の領域から、出口11を向く流れ容積部8の領域への流路16は、流体が流路16のすべてに沿う目標面6と連続的に接触するように、流路16のすべてに沿う目標面6によって部分的に画定される。流体を流路16に沿う目標面6との接触させ続けることは、流体と接触する目標面6の表面積を増大させ、それによって、目標面6から流体への熱の伝達を改善する。これは、流れ通路構造体4および流れ誘導形体部20を、流れ容積部8内の流れが目標面6に主として平行になるように構成することによって達成することができる。

図1では、流体通路構造体4は目標面6と係合され、それによって流れ容積部8を画定しているように示されている。流れ容積部8は目標面6の領域を覆い、したがって、流れ容積部8内を流れる流体によって冷却される目標面6の冷却領域7を画定する。一実施形態では、冷却領域7は、使用時に流体と直接接触する目標面6の領域のすべてを完全に取り囲むことができる最小の多角形(例えば、方形、矩形、六角形など)として画定される。流体は、入口10を通って流れ容積部8に流入し、出口11を通って流れ容積部8を出る。流体通路構造体4は、流れ容積部8内を流れる流体が、出口11を通らずに流れ容積部8を出ることができないように、目標面6に封止係合する。この実施形態では、目標面6は、流体通路構造体4に対してプレート5の反対側(すなわち、目標面6の反対側)の熱源1によって加熱されるプレート5の面である。図示の実施形態では、プレート5によって画定される目標面6は実質的に平面状である。他の実施形態では、目標面6は湾曲していてもよい。熱源1は、プレート5よりも高い温度の流体または固体、輻射流入、あるいは任意の他の熱エネルギー源を含んでもよい。

図2の実施形態では、入口10および出口11は、同じ平面に設けられた円形の開口12、13を有する。流れ誘導形体部20は、脚部21および壁22を備える。流れ誘導形体部20は、入口10および出口11の開口12、13の平面から離れるように延在し、入口10と出口11との間に複数の通路25を画定する。図2の実施形態では、開口12、13は、通路25の天井24に設けられる。他の実施形態では、開口12、13は天井24から突出してもよい。通路25の高さHは、流体通路構造体4が目標面6と係合されたときの、天井24と目標面6との間の距離である。図2の流れ誘導形体部20は、通路25の全高Hに延在する。他の実施形態では、流れ誘導形体部20の1つまたは複数は、通路25の全高Hに延在しない。いくつかの実施形態では、通路25の高さHは、0.1mm～4mm、任意選択的に0.5mm～1.5mm、任意選択的に0.75mm～1.25mmである。いくつかの実施形態では、通路25の幅は、0.25mm～2mm、任意選択的に0.5mm～1.5mm、任意選択的に0.75mm～1.25mmである。

図2の実施形態では、流体通路構造体4によって覆われる目標面6の面積(熱束面積)と、流れ容積部8を通って流れる流体と接触する装置2の表面積(濡れ面積)との間の比が高いことが有利である。熱束面積に対する濡れ面積の比は、0.8:1より大きくてもよく、好ましくは1:1より大きく、より好ましくは1.2:1より大きい。

図3は、流れ容積部8内の様々な点で計算された、目標面6と流れ容積部8を通って流れる流体との間の熱伝達係数を示す。熱伝達係数(Wm^-2K^-1で測定される)は、流体による目標面6の冷却の効率を示す。入口10、出口11、および流れ誘導形体部20は、冷却の必要性がより高い目標面の目標領域に、より高い熱伝達係数を有する流れ容積部8の領域を設けるように配置される。目標領域、したがって、最も高い熱伝達係数は、流れ容積部8を通って流れる流体によって冷却される目標面6の領域である冷却領域7の縁または角に近くてもよい。上記のように、冷却領域7は、使用時に流体と直接接触する目標面6の領域のすべてを完全に取り囲むことができる最小の多角形(例えば、方形、矩形、六角形など)として画定されてもよい。冷却領域7の縁および角の近くでは、熱流経路は、流れ容積部8内の流体と、熱源1によって加熱される目標面6の反対側との間でより長い(したがって、熱伝導抵抗がより高い)。これはまた、この熱流経路は、流れ容積部8内の流体と熱源1との間でより長い(したがって、熱伝導抵抗がより高い)ことを意味する。したがって、これらの領域の目標面6の温度が突出しないように、角または縁の近くではより高い熱伝達係数が必要とされ得る。これは、流体通路構造体4および/または冷却領域7の縁または角の近くに入口10の1つまたは複数を配置することによって達成することができる。例えば、入口10の1つまたは複数は、冷却領域7の外側境界から、入口10の開口の直径の3倍未満、任意選択的に直径の2倍未満、任意選択的に直径の1倍未満の距離の範囲内に配置されてもよい。冷却領域7が複数の角を備える場合、入口10の1つまたは複数は、角の1つから、入口10の開口の直径の3倍未満、任意選択的に直径の2倍未満、任意選択的に直径の1倍未満の距離の範囲内に配置されてもよい。

図4は、冷却領域7の縁または角にない目標面6の領域がより高い冷却を必要とする場合に対処するために適する実施形態を示す。最も高い熱伝達係数が与えられる目標領域40は、冷却要件が最も高い目標面6の領域とすることができる。目標面6の目標領域40の冷却要件は、加えられる熱の量および熱を除去する困難さの両方による。目標面6の反対側が熱源1によって加熱される場合、加えられた熱の量は、熱源1から、目標領域40のすぐ裏の目標面6の反対側の領域42によって受け取られる熱束であり、熱を除去する困難さは、目標領域40と、目標領域40のすぐ裏の目標面6の反対側の領域42との間の熱伝導経路長によって特徴付けられる。冷却要件は、熱束と熱伝導経路長との積である。これは、全熱入力領域にわたって同じ材料が使用されていると仮定している。複数の異なる材料が使用されている場合、関係する材料の相対的な熱伝導率について適正に考慮することができる。熱抵抗が、より低い熱伝導率を有する材料の存在によって大きくなる場合には、冷却要件は、比例的に高くなる。

図4の例では、熱伝導経路長は、目標領域40では、目標面6の他の領域と同じであるが、目標領域40のすぐ裏の目標面6の反対側の領域42によって受け取られる熱束は、目標面6の他の領域よりも目標領域40の方が高い。したがって、目標領域40の冷却要件はより高く、目標面6と流れ容積部8内を流れる流体との間の熱伝達係数は目標領域40で最大になる。目標領域40にわたる冷却要件の平均である目標領域40の冷却要件は、全目標面6にわたって平均化された冷却要件である平均冷却要件より少なくとも5%高くてもよく、任意選択的に少なくとも10%高くてもよく、任意選択的に少なくとも15%高くてもよく、任意選択的に少なくとも20%高くてもよい。あるいは、目標領域40にわたる冷却要件の平均である目標領域40の冷却要件は、全目標面6にわたって平均化された冷却要件である平均冷却要件より少なくとも1標準偏差高くてもよく、任意選択的に少なくとも2標準偏差高くてもよく、任意選択的に少なくとも3標準偏差高くてもよい。

図5は、装置2が縦続構成の複数の流体通路構造体4を備える代替の実施形態を示す。縦続構成では、第1の流体通路構造体4aの流れ容積部8aから第1の流体通路構造体4aの出口11aを通って流出する流体は、続いて、第2の流体通路構造体4bの入口10bを通って第2の流体通路構造体4bの流れ容積部8bに流入する。したがって、同じ流体が、複数の流れ容積部8a、8bを通って流れる。目標面6の異なる領域で流体を再使用することによって、装置2を通る流体のより少ない全流量を使用して同じ冷却性能を得ることができる。

縦続構成では、異なる流体通路構造体4の流れ容積部8は異なっていてもよい。これによって、第2の流体通路構造体4bを通る流体の全量と同じ量の流体が、単位時間当たり、第1の流体通路構造体4aを通らなければならないので、流れ容積部8を通る流体の流量を制御することができる。例えば、より大きな流れ容積部8を有する流体通路構造体4は、より小さな流れ容積部8を有する流体通路構造体4に流体を供給してもよい。この場合、単位時間当たり同じ量の流体が両方の流体通路構造体4を通り、したがって、より小さな流れ容積部8を有する流体通路構造体4内の流量はより高い。

縦続構成では、1つの流体通路装置4が、複数の他の流体通路装置4によって流体を供給されてもよい。言い換えれば、第1の流体通路装置および/または第2の流体通路装置のそれぞれが、複数の流体通路装置を備えてもよい。例えば、第1および第2の流れ通路構造体4の両方の流れ容積部8から流出する流体のすべてが、続いて、第3の流体通路構造体4の流れ容積部8に供給されてもよい。

縦続構成はまた、3つ以上の段階を有する縦続配列を含んでもよい。例えば、上記のように、第2の流体通路構造体4bの流れ容積部8bから第2の流体通路構造体4bの出口11bを通って流出する流体が、続いて、第3の流体通路構造体4の入口10を通って第3の流体通路構造体4の流れ容積部8に流入する。任意の数のこのような段階が設けられてもよい。しかしながら、装置2が多くの段階を有する縦続配列を備える場合、配列の後ろの方の段階は良好な冷却性能を提供することができず、したがって、多くの段階を有する配列は、いくつかの状況では望ましくないことがある。

縦続構成では、縦続配列の前の方にある流体通路構造体4(すなわち、その前により少ない他の流体通路構造体4を通った流体、または他の流体通路構造体4を通っていない流体を受け入れる流体通路構造体4)は、より良好な冷却性能を提供することができる。これは、少なくとも部分的に、流体の温度がより低いことが理由である。したがって、縦続配列の前の方にある流体通路構造体4は、前述したものなど、より高い冷却要件を有する目標面6の領域に設けられてもよい。例えば、縦続構成は、目標面6の第1の小領域と係合された第1の流体通路構造体4aの流れ容積部8aから流出する流体が、目標面6の第2の小領域と係合された第2の流体通路構造体4bの流れ容積部8bに流入するようなものであってもよい。そのとき、第1および第2の流体通路構造体4a、4bの位置は、第1の小領域7にわたって平均化された冷却要件が、第2の小領域7にわたって平均化された冷却要件よりも高くなるように選ばれてもよい。

図6は、より小さい流れ容積部8aを有する2つの第1の流体通路構造体4aの両方が、より大きな流れ容積部8bを有する単一の第2の流体通路構造体4bに流体を供給する場合を示している。この場合、第1の流体通路構造体4aは、より高い冷却性能を必要とする(すなわち、より高い冷却要件を有する)目標面6の領域を覆うことができ、第2の流体通路構造体4bは、より低い冷却性能でもよい(すなわち、より低い冷却要件を有する)目標面6の領域を覆うことができる。

図7は、装置2に対する代替の設計を示す。この設計では、流れ誘導形体部20は、通路25の全高に延在しないフィン23をさらに備える。

図8は、単一の流体通路構造体4を備え、入力マニホールド30および出力マニホールド32をさらに備える実施形態を示す。流体は入力マニホールド30を通って装置2に入り、複数の入口10に向けられる。出口11を通って流れ容積部8を出た後、流体は、出力マニホールド32を通って装置2を出る。入力マニホールド30と出力マニホールド32との間の流体圧力の全降下の多くが、入口10と出口11との間で生じるならば、装置2に入るより低い圧力の流体に対して、同じ冷却性能を与えることができる。したがって、入口10と出口11との間の流体圧力の降下が、流体圧力の全降下の少なくとも40%、任意選択的に少なくとも50%、任意選択的に少なくとも60%寄与するように、装置を構成することが有利である。

流れ容積部8を通って流れる流体は水であってもよく、または空気などの別の流体であってもよい。装置2は、流れ容積部8を通って流れる流体が、流れ容積部8内部で状態を変えないように構成されてもよい。本装置は、1bar～300bar、任意選択的に10～200barの圧力流体を受け入れるように構成されてもよい。
本出願に至るプログラムは、助成金契約番号633053の下で、欧州原子力共同体(Euratom)研究訓練プログラム2014-2018から資金提供を受けた。

1 熱源
2 冷却装置
4 流体通路構造体、流れ通路構造体、流体通路装置
4a 第1の流体通路構造体
4b 第2の流体通路構造体
5 プレート
6 目標面
7 冷却領域
8 流れ容積部
8a 流れ容積部
8b 流れ容積部
10 入口
10b 入口
11 出口
11a 出口
11b 出口
12 開口
13 開口
16 流路
20 流れ誘導形体部
21 脚部
22 壁
23 フィン
24 天井
25 通路
30 入力マニホールド
32 出力マニホールド
40 目標領域
42 領域
H 高さ

Claims

目標面に係合し、それによって流体が流れることができる流れ容積部を画定するように構成された流体通路構造体であって、
前記流体通路構造体は、
複数の入口であって、各入口が前記流れ容積部に通じ、前記入口から前記目標面上に直接、および前記流れ容積部内に流体を噴出することができるように構成された、複数の入口と、
複数の出口であって、各出口が前記流れ容積部に通じ、前記出口を通して前記流れ容積部から前記流体を除去することができるように構成された、複数の出口と、
前記入口と前記出口を流体的に接続する複数の通路を一緒に形成する複数の流れ誘導形体部であって、前記入口のいずれか1つを向く前記流れ容積部の領域から、前記出口のいずれか1つを向く前記流れ容積部の領域まで、前記流れ容積部を通る真っ直ぐな経路がないように配置された複数の流れ誘導形体部と、
を備え、
前記流れ誘導形体部が、使用時に、各流れ誘導形体部の表面と接触する流体の時間平均の流れ方向が、前記流れ誘導形体部の前記表面の少なくとも大部分に対して、最も近い入口からの前記流体の噴出方向に平行であることよりも垂直であることに近いように構成され、
前記入口と前記出口の1つまたは複数の対が、前記対の前記入口から前記目標面上に噴出された流体の大部分が、同じ対の前記出口を通って前記流れ容積部から除去されるように構成される、噴流衝突冷却装置。
前記目標面が平面状である、請求項1に記載の噴流衝突冷却装置。
入口と出口のそれぞれの前記対に対して、前記入口を向く前記流れ容積部の領域から、前記出口を向く前記流れ容積部の領域への流路が、前記流体が、前記流路のすべてに沿う前記目標面と連続的に接触するように前記流路のすべてに沿う前記目標面によって部分的に画定される、請求項1または2に記載の噴流衝突冷却装置。
入口と出口の前記対の1つまたは複数のそれぞれが出口を共有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
入口と出口の前記対の1つまたは複数のそれぞれに対して、前記流れ容積部から前記対の前記出口を通って除去される流体の大部分が、同じ対の前記入口を通って前記目標面上に噴出された流体である、請求項1から3のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記流体通路構造体が、前記目標面に対して取り外し可能に係合可能である、請求項１から４のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記目標面が、使用時、前記流体によって冷却される冷却領域を備え、
前記入口の少なくとも1つが、前記冷却領域の外側境界から、前記入口の開口の直径の3倍未満の距離の範囲内に設けられた、請求項1から6のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記冷却領域が複数の角を備え、前記入口の前記少なくとも1つが、前記角の1つから、前記入口の開口の直径の3倍未満の距離の範囲内に設けられた、請求項7に記載の噴流衝突冷却装置。
前記流体通路構造体が前記目標面に係合されたとき、前記流れ誘導形体部の1つまたは複数のそれぞれが、前記入口の1つまたは複数のそれぞれの開口と前記目標面との間の距離に等しい高さを有する、請求項1から8のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記流体通路構造体が前記目標面に係合されたとき、前記流れ誘導形体部の1つまたは複数のそれぞれが、前記目標面と直接物理的に接触するように延在する、請求項1から9のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記噴流衝突冷却装置は、縦続構成の複数の前記流体通路構造体を備え、
前記縦続構成が、使用時、前記複数の流体通路構造体の第1の流体通路構造体の前記流れ容積部から前記第1の流体通路構造体の出口を通って流出する流体が、前記複数の流体通路構造体の第2の流体通路構造体の入口を通って前記第2の流体通路構造体の前記流れ容積部に流入するようなものである、請求項1から10のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記第1の流体通路構造体の前記流れ容積部のサイズが、前記第2の流体通路構造体の前記流れ容積部のサイズよりも小さい、請求項11に記載の噴流衝突冷却装置。
前記出口の開口の全断面積が、前記入口の開口の全断面積よりも大きい、請求項1から12のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
前記流体通路構造体および前記流れ誘導形体部は、前記流れ容積部内の流れが前記目標面に主として平行になるように、構成される、請求項1から13のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
複数の前記入口が、直径が0.1mm～5mmの開口を有する、請求項1から14のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
流体が前記噴流衝突冷却装置に入るための入力マニホールド、および流体が前記噴流衝突冷却装置を出るための出口マニホールドをさらに備え、前記入口と前記出口との間の流体圧力の降下が、前記入力マニホールドと出力マニホールドとの間の流体圧力の全降下に対して40%より多く寄与するように前記噴流衝突冷却装置が構成された、請求項1から15のいずれか一項に記載の噴流衝突冷却装置。
目標面に係合されて、流体が流れることができる流れ容積部を画定する流体通路構造体を提供するステップと、
複数の入口を通して前記流れ容積部内および前記目標面上に流体を噴出し、複数の出口を通して前記流れ容積部から前記流体を除去することによって、前記流れ容積部を通る流体の流れを駆動するステップと、
前記入口と前記出口を流体的に接続する複数の通路を一緒に形成する複数の流れ誘導形体部を提供するステップと
を含み、
前記流れ誘導形体部が、前記入口のいずれか1つを向く領域から、前記出口のいずれか1つを向く領域まで、前記流れ容積部を通る真っ直ぐな経路がないように配置され、
各流れ誘導形体部の表面と接触する流体の時間平均の流れ方向が、前記流れ誘導形体部の前記表面の少なくとも大部分に対して、最も近い入口からの前記流体の噴出方向に平行であることよりも垂直であることに近く、
前記入口と前記出口の1つまたは複数の対が、前記対の前記入口から前記目標面上に噴出された流体の大部分が、同じ対の前記出口を通って前記流れ容積部から除去されるようなものである、噴流衝突を使用する冷却方法。
前記目標面が、前記流体通路構造体に対して前記目標面の反対側にある熱源によって加熱され、
前記目標面の1つまたは複数の目標領域のそれぞれにおいて、前記目標面と前記流れ容積部内を流れる流体との間の熱伝達係数が最大になり、
各目標領域が、全目標面にわたって平均化された平均冷却要件より少なくとも5%高い、前記目標領域にわたって平均化された冷却要件を有し、
前記冷却要件が、前記目標領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の領域によって受け取られる前記熱源からの熱束と、前記目標領域と前記目標領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の領域との間の熱伝導経路長との積として定義される、請求項17に記載の方法。
前記目標面が、前記流体通路構造体に対して前記目標面の反対側にある熱源によって加熱され、
前記目標面の1つまたは複数の目標領域のそれぞれにおいて、前記目標面と、前記流れ容積部内を流れる流体との間の熱伝達係数が最大になり、
各目標領域が、全目標面にわたって平均化された平均冷却要件より少なくとも1標準偏差高い、前記目標領域にわたって平均化された冷却要件を有し、
前記冷却要件が、前記目標領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の領域によって受け取られる前記熱源からの熱束と、前記目標領域と前記目標領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の領域との間の熱伝導経路長との積として定義される、請求項17または18に記載の方法。
複数の前記流体通路構造体が縦続構成で設けられ、
前記縦続構成は、前記複数の流体通路構造体の第1の流体通路構造体の前記流れ容積部から前記第1の流体通路構造体の出口を通って流出する流体が、前記複数の流体通路構造体の第2の流体通路構造体の入口を通って前記第2の流体通路構造体の前記流れ容積部に流入するようなものである、請求項17から19のいずれか一項に記載の方法。
前記目標面が、前記流体通路構造体に対して前記目標面の反対側にある熱源によって加熱され、
前記第1の流体通路構造体が前記目標面の第1の小領域と係合され、前記第2の流体通路構造体が前記目標面の第2の小領域と係合され、
前記第1の小領域の冷却要件が前記第2の小領域の冷却要件より高く、
前記第1の小領域の前記冷却要件が、前記第1の小領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の第1の領域によって受け取られる前記熱源からの熱束と、前記第1の小領域と前記第1の小領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の前記第1の領域との間の熱伝導経路長との積の前記第1の小領域にわたる平均として定義され、
前記第2の小領域の前記冷却要件が、前記第2の小領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の第2の領域によって受け取られる前記熱源からの熱束と、前記第2の小領域と前記第2の小領域のすぐ裏の前記目標面の反対側の前記第2の領域との間の熱伝導経路長との積の前記第2の小領域にわたる平均として定義される、請求項20に記載の方法。
前記第1の流体通路構造体が複数の第1の流体通路構造体を備え、および/または、前記第2の流体通路構造体が複数の流体通路構造体を備える、請求項20または21に記載の方法。
前記入口から噴出された流体は、流れ容積部内部にある間は相を変えない、請求項17から22のいずれか一項に記載の方法。
前記流体が、前記入口から、4000より大きいレイノルズ数を有する流れで、噴出される、請求項17から23のいずれか一項に記載の方法。
流体が、1bar～300barの圧力で前記入口に供給される、請求項17から24のいずれか一項に記載の方法。