(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンパクトな熱交換器（４）であって、
当該コンパクトな熱交換器は、互いに固着されてコア（６）およびヘッダ装置を形成する複数の層（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）から成り、
当該コアの内部には多数の第１の流路（２０）および多数の第２の流路（２２）から成る複数の流路（１６）が形成され、当該多数の第１の流路の少なくとも一部は当該多数の第２の流路の少なくとも一部と熱伝達関係に配置され、
当該ヘッダ装置は当該多数の流路の少なくとも一部の流路と流体連通する１つ以上の第１のヘッダ（２４Ａ）から成り、
当該１つ以上の第１のヘッダは流路端部（３２Ａ）および接続端部（３６Ａ）を有し、当該コアに隣接して配置される当該流路端部は少なくとも一部の当該流路と直接流体連通する多数の流路接続部（４４Ａ）を含み、当該接続端部は別の流路構造体と流体連通接続するように構成された開口（４０）を含み、当該１つ以上のヘッダは当該流路端部と当該接続端部との間を延びて当該多数の流路接続部と当該開口との流体連通を可能にする流路（３８Ａ）から成り、
当該複数の層のうち１つ以上の層は、
当該少なくとも１つの第１のヘッダの全体ではない一部を構成して内部に当該流路の少なくとも一部が形成された層、
互いに流体的に隔離された第１の流路の少なくとも一部および第２の流路の少なくとも一部が内部に形成された当該コアの少なくとも一部を構成する層、
当該複数の流路のうちの少なくとも一部の流路が内部に形成された当該コアの少なくとも一部を構成する層であって、当該１つ以上の第１のヘッダの一部を構成し当該流路の少なくとも一部が内部に形成された層
のうち１つ以上の層であり、
当該少なくとも１つの第１のヘッダは多数の導流器（５４、５６）から成り、当該多数の流路のうちの１つの流路は複数の流路部分（４６、４８、５０）から成り、当該複数の流路部分はいずれも当該少なくとも一部の流路の当該開口とそれに対応する流路との間を延びてその間の流体の流れを可能にし、当該多数の導流器のうち少なくとも１つの第１の導流器は当該コアに隣接して当該多数の第１の流路のうちの一対の第１の流路の間に位置し、当該少なくとも１つの第１の導流器は外部表面（６０）を有し、当該外部表面の一部は、当該一対の第１の流路のうちの１つの第１の流路と流体連通している当該複数の流路部分のうちの１つの流路部分の少なくとも一部を形成する
ことを特徴とするコンパクトな熱交換器。
【請求項２】
前記複数の流路のうちの少なくとも一部の流路の各々が、非円形である閉曲線の外縁（６２）を有することを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項３】
前記少なくとも一部の流路のうちの１つの流路に隣接する別の流路が、前記形状とは異なる別の形状である別の閉曲線の外縁（２６３）を有することを特徴とする、請求項２のコンパクトな熱交換器。
【請求項４】
前記多数の第１の流路が互いに流体連通し、前記多数の第２の流路が互いに流体連通し、前記多数の第１の流路が前記多数の第２の流路から流体的に隔離されており、前記多数の第１の流路のうちの１つ以上の第１の流路が前記多数の第１の流路のうちの３つ以上の他の第１の流路に隣接しており、かつ前記多数の第２の流路のうちの３つ以上の第２の流路に隣接していることを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項５】
前記コアの壁（６４）の片側には前記多数の第１の流路のうちの１つの第１の流路および前記多数の第２の流路のうちの１つの第２の流路があり、当該壁のもう一方の片側には前記多数の第１の流路および前記多数の第２の流路とは概して反対向きの壁表面（６８）があり、当該壁表面と当該第１の流路との間の壁の最小厚さ（７６Ａ）は、当該壁表面と当該第２の流路との間の壁の最小厚さ（７６Ｂ）とは異なることを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項６】
前記コアは互いに固着された複数のコア部分（５０７Ｘ、５０７Ｙ）から成り、当該複数のコア部分のうちの少なくとも一部のコア部分はそれぞれの内部に複数の流路部分（５１７）が形成されており、当該複数の流路部分は多数の第１の流路部分および多数の第２の流路部分から成り、当該複数のコア部分のうちの複数の部分のそれぞれにおける当該多数の第１の流路部分のうちの１つの第１の流路部分は端部同士で接続されて当該多数の第１の流路のうちの１つの第１の流路（５１６）の少なくとも一部を形成し、当該複数のコア部分のうちの当該複数の部分のそれぞれにおける当該多数の第２の流路部分のうちの１つの第２の流路部分は端部同士で接続されて当該多数の第２の流路のうちの１つの第２の流路の少なくとも一部を形成することを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項７】
前記外部表面の別の部分が、前記一対の第１の流路の別の第１の流路と直接流体連通する前記多数の流路のうちの別の流路における、前記複数の流路部分のうちの別の流路部分の少なくとも一部を形成することを特徴とする、請求項７のコンパクトな熱交換器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第１のヘッダが第１の入口ヘッダであり、前記ヘッダ装置がさらに第１の出口ヘッダ（２４Ｂ）から成る請求項１のコンパクトな熱交換器であって、
当該第１の入口ヘッダはその入口端部において前記多数の第１の流路の少なくとも一部と流体連通し、
当該第１の出口ヘッダはその出口端部において前記多数の第１の流路の当該少なくとも一部と流体連通し、
前記１つ以上の層は、内部に前記多数の第１の流路のうちの１つの第１の流路の少なくとも一部が形成されたコアの一部を成す層であり、かつ前記第１の流路の少なくとも一部と流体連通する当該第１の入口ヘッダの一部および当該第１の出口ヘッダの一部をさらに含む層であること
を特徴とする請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項９】
前記ヘッダ装置がさらに第２の入口ヘッダ（２４Ｃ）および第２の出口ヘッダ（２４Ｄ）から成り、当該第２の入口ヘッダはその入口端部で前記多数の第２の流路の少なくとも一部と流体連通し、当該第２の出口ヘッダはその出口端部で前記多数の第１の流路の少なくとも一部と流体連通する、請求項８のコンパクトな熱交換器。
【請求項１０】
前記複数の流路の少なくとも一部の流路がその長手方向に沿って細長い形状であり、多数の波状部（４１Ｂ）を有することを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項１１】
前記コアは前記複数の流路のうちの一対の隣接する流路の間に位置する壁（６４）を有し、前記コアのある位置において当該一対の隣接する流路は当該壁の厚さに等しい距離（９２）だけ離間し、前記コアの当該位置から離れた別の位置において当該一対の隣接する流路は当該壁の別の厚さに等しい別の距離（３９２）だけ離間し、当該厚さと当該別の厚さは異なることを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項１２】
前記多数の第１の流路は互いに流体連通し、前記多数の第２の流路は互いに流体連通し、前記複数の流路はさらに前記多数の第１の流路および前記多数の第２の流路から流体的に隔離された多数の別の流路（８０、４８０）を有することを特徴とする、請求項１のコンパクトな熱交換器。
【請求項１３】
前記多数の別の流路は、前記多数の第１の流路のうちの１つ以上の第１の流路および前記多数の第２の流路のうちの１つの第２の流路に隣接する別の流路（８０、４８０）から成る、請求項１２のコンパクトな熱交換器。
【請求項１４】
前記コアの内部に、前記別の流路と前記コアの外面との間に延びる開口（８４）が形成されている、請求項１３のコンパクトな熱交換器。
【請求項１５】
前記別の流路（４８０）は、前記多数の第１の流路のうちの複数の第１の流路に隣接し、さらに前記多数の第２の流路のうちの複数の第２の流路に隣接することを特徴とする、請求項１３のコンパクトな熱交換器。
【請求項１６】
前記コアはさらに、前記多数の別の流路内に収まり前記コンパクトな熱交換器を予熱できるように構成された多数の加熱器（８６）から成ることを特徴とする、請求項１２のコンパクトな熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願で開示および特許請求する発明は概してコンパクトな熱交換器に関し、具体的には、積層造形法によって形成されるコンパクトな熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、その典型的構成として、第１の温度を有する流体を受けるホットレグと、より低い第２の温度を有する別の流体を受けるコールドレグとからなり、両レグは互いに熱伝達関係にあって、ホットレグ中の流体からコールドレグ中の流体へ熱が伝達される。熱交換器は、所期の目的達成に概して有効であるが、それなりの制約もある。
【０００３】
コンパクトな熱交換器には、比較的高温の流体と比較的低温の流体の間に金属または他の熱伝導材からなるある種の境界部があるが、この境界部そのものが、２つの流体間の温度差および圧力差ならびに他の要因による応力を受ける。そのような応力は、コンパクトな熱交換器の長期持続的使用に有害な可能性がある。しかしながら、現在の製造方法を使用し、コンパクトな熱交換器をそのような応力による反りや損傷が生じないように低コストで保護する試みは、大した成果をあげていない。
【０００４】
また、任意所与のコンパクトな熱交換器の効率は、とりわけ、ホットレグおよびコールドレグの流路の構成に左右される。コンパクトな熱交換器の既知の製造方法では、流路の構成を最適化する上でいろいろ制約があるため、得られる性能に限界がある。したがって、改良が望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
改良型熱交換器は、積層造形法によって複数の非常に薄い層を互いに固着して形成する。積層造形法は、熱交換器の流路の構造および配置の最適化により、熱伝達性能を改善し、熱応力および機械的応力に対する抵抗性を高めるとともに、熱交換器の設置環境などその他の要因に基づいて最適化するのを可能にする。
【０００６】
したがって、本願で開示および特許請求する発明の一側面は、積層造形法で複数の層を互いに固着することにより形成される改良型熱交換器を提供することである。
【０００７】
本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、熱伝達を最適化した流路を有する熱交換器を提供することである。
【０００８】
本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、流路にかかる熱応力および機械的応力が減少するように最適化した改良型熱交換器を提供することである。
【０００９】
本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、複数の層を互いに固着することにより形成される改良型熱交換器を提供することであり、そのうちの１つの層は、当該熱交換器のヘッダの全体ではない一部、互いに流体的に隔離された第１の流路の少なくとも一部と第２の流路の少なくとも一部とを含むコア部分、または流路の少なくとも一部とヘッダの少なくとも一部からなることを特徴とする。
【００１０】
したがって、本願で開示および特許請求する発明の一側面は、複数の層を互いに固着して形成するコアおよびヘッダ装置から成り、  当該コアの内部には多数の第１の流路および多数の第２の流路から成る複数の流路が形成され、当該多数の第１の流路の少なくとも一部は当該多数の第２の流路の少なくとも一部と熱伝達関係に配置され、当該ヘッダ装置は当該多数の流路の少なくとも一部の流路と流体連通する１つ以上の第１のヘッダから成り、当該１つ以上の第１のヘッダは流路端部および接続端部を有し、当該コアに隣接して配置される当該流路端部は少なくとも一部の当該流路と直接流体連通する多数の流路接続部を含み、当該接続端部は別の流路構造体と流体連通接続するように構成された開口を含み、当該１つ以上のヘッダは当該流路端部と当該接続端部との間を延びて当該多数の流路接続部と当該開口との流体連通を可能にする流路から成ると一般的に言える改良型コンパクトな熱交換器を提供することである。当該複数の層のうちの１つ以上の層は、当該少なくとも１つの第１のヘッダの全体ではない一部を構成して内部に当該流路の少なくとも一部が形成されていると一般的に言える層、互いに流体的に隔離された第１の流路の少なくとも一部および第２の流路の少なくとも一部が内部に形成された当該コアの少なくとも一部を構成すると一般的に言える層、当該複数の流路のうち少なくとも一部の流路が内部に形成された当該コアの少なくとも一部を構成する層であって、当該１つ以上の第１のヘッダの一部を構成し当該流路の少なくとも一部が内部に形成されていると一般的に言える層のうち１つ以上の層である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本願で開示および特許請求する発明の詳細を、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１２】
【図１】本願で開示および特許請求する発明の第１の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器の斜視図である。
【００１３】
【図２】図１の熱交換器の概略分解図である。
【００１４】
【図３】図１の熱交換器の熱伝達関係にある第１のレグおよび第２のレグの流路を示す図である。
【００１５】
【図４】図１の線４−４に沿った典型的な断面図である。
【００１６】
【図５】本願で開示および特許請求する発明の第２の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器である点を除き図４に類似する断面図である。
【００１７】
【図６】本願で開示および特許請求する発明の第３の実施態様に基づく改良型熱交換器である点を除き図５に類似する断面図である。
【００１８】
【図７】本願で開示および特許請求する発明の第４の実施態様に基づく改良型熱交換器である点を除き図４に類似する断面図である。
【００１９】
【図８】本願で開示および特許請求する発明の第５の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器の概略図である。
【００２０】
【図９】図８の熱交換器の端面図である。
【００２１】
【図１０】図８のコンパクトな熱交換器の流路を示す図である。
【００２２】
【図１１】図１０の流路を示す別の図である。
【００２３】
【図１２】本願で開示および特許請求する発明の第６の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器の概略図である。
【００２４】
本願で使用する同じ参照番号は、同様の部分を指す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本願で開示および特許請求する発明の第１の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器４を、図１、２に示す。このコンパクトな熱交換器４は積層造形法によって形成される。限定の意図なく例を挙げると、積層造形法は、粉末状金属粒子または他のタイプの粒子の層を次々に積み重ね、金属粒子の各層にレーザー、イオンビームまたは他の形態の集中的なエネルギーを選択的に付与し、一部の金属粒子を溶融させて粒子同士を接合および／または粒子を別の層に接合させることによって実施できる。この操作が完了すると、金属粒子の積層体は、典型的には、互いに溶融接合して製品の形状を成す金属粒子と、溶融しなかったその他の金属粒子とからなる。金属粒子の積層体に圧縮空気を吹き付けると、溶融した金属粒子から溶融しなかった金属粒子が取り除かれ、製品が仕上がり状態となる。所望であれば、積層造形品に固有の多孔性を減少させる焼結または他の工程によって、完成品をさらに加工することができる。別のタイプの積層造形法では、多様型結合剤を用いて金属粉末を接合させた後に、焼結により粒子を互いに溶融接合させる。ほかにもそのような技術が存在し、同様に本発明に利用することができる。以下でさらに詳述するように、熱交換器４の形成に新規で独創的な積層造形法を用いると、熱伝達の最適化および／または熱応力と機械的応力に対する抵抗性の最適化および／またはその他の最適化を実現する熱交換器４の構成が得られるという利点がある。
【００２６】
改良型熱交換器４は、積層造形プロセスの一環としてともに現場で形成されるコア６およびヘッダ装置８を含むと言える。すなわち、熱交換器４は、図２の参照符号１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃで示すような、単体として形成され互いに固着される複数の層から成る。図２は、熱交換器４が、層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃによって表される複数の層から成ることを略示するものである。ただし、積層造形法は、図２に明示する３つの層より格段に多い数の層を使用するのが一般的であることを理解されたい。すなわち、層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃはそれぞれ、積層造形プロセスによって互いに溶融接合された多数の個別の層から成る可能性が高い。したがって、図２に示す層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは単に積層造形プロセスを図解するものであり、かかるプロセスの実施の態様を明示するものではない。
【００２７】
図１、２からわかるように、コア６は、溶融した金属材料から成るコア本体１４を含むと言える。また、コア本体１４の内部に複数の流路１６が形成されていることがわかる。流路１６は通常細長いものであり、一部の流路１６は複数の方向に延びている。流路１６は、図２の層１２Ａに示すような複数の第１の流路２０と、図２の層１２Ｂに示すような複数の第２の流路２２とを含む。以下でさらに詳述するように、当該複数の流路１６は随意的に、その他の目的で提供されるその他多数の流路１６を含むことができる。本願で用いる用語「多数の」およびその変化形は、広義に、ゼロを除き１を含む任意の数量を意味する。
【００２８】
ヘッダ装置８は、図１に参照符号２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄで示すような複数のヘッダを含むと言える。本願では、かかるヘッダを個別または集合的に参照符号２４で表すことがある。熱交換器４は、ここに示す例では、少なくとも一部のヘッダ２４の付近に直交流が存在する向流型熱交換器である。例示するヘッダ２４のうち、ヘッダ２４Ａは第１の入口ヘッダであり、ヘッダ２４Ｂは第２の出口ヘッダである。ヘッダ２４Ａおよび２４Ｂは、第１の流路２０と流体連通関係にあって図３に示す第１のレグ２８を形成するが、ここに例示する実施態様ではコールドレグである。ヘッダ２４Ｃは例示する第２の入口ヘッダであり、ヘッダ２４Ｄは例示する第２の出口ヘッダである。ヘッダ２４Ｃおよび２４Ｄは、第２の流路２２と流体連通関係にあって同様に図３に示す第２のレグ３０を形成するが、ここに例示する実施態様ではホットレグである。第１のレグ２８と第２のレグ３０、すなわち例示するコールドレグとホットレグは互いに熱伝達関係にあり、コア本体１４を取り外した状態を図３に示す。本願で使用する「コールド」、「ホット」およびそれに類する用語は、あくまでも例示的な意味合いであり、完全に非限定的であることを明記しておく。
【００２９】
図２からさらにわかるように、ヘッダ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄは、それぞれ流路端部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを有する。本願では、かかる流路端部を個別または集合的に参照符号３２で表す。各流路端部３２は、さまざまな流路１６のすぐ隣に位置し、それらの流路と流体連通関係にある。ヘッダ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄはさらに、それぞれの流路端部３２とは反対側にそれぞれ接続端部３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを有し、これらの接続端部は、配管（これに限定されない）など他の流路構造体と流体連通するように接続される。ヘッダ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄは、その内部にそれぞれ、流路３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｄが形成されていると言える。本願では、かかる流路を個別または集合的に参照符号３８で表すことがある。流路３８の各々は、対応する流路端部３２と接続端部３６との間を延びて、ヘッダ２４を第１の流路２０および第２の流路２４と流体連通させる。
【００３０】
図２の層１２Ａ、１２Ｂからもっともよくわかるように、ヘッダ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄは、それぞれ開口４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄを有する。本願では、かかる開口を個別または集合的に参照符号４０で表す。開口４０は、それぞれの接続端部３６に位置する。ヘッダ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄはさらに、それぞれ複数の流路接続部４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄを含む。本願では、かかる流路接続部を個別または集合的に参照符号４４で表すことがある。流路接続部４４の各々は、第１の流路２０のうちの１つまたは第２の流路２２のうちの１つの流路と直接流体連通関係にある。以下でさらに詳述するように、流路３８は、開口４０と流路接続部４４との間を延びて、それらの間を、また、対応する第１の流路２０および第２の流路２２との間を流体連通関係にする。この点に関して、繰り返し述べるが、ヘッダ２４Ａ、２４Ｂは第１の流路２０と流体連通して第１のレグ２８を形成し、ヘッダ２４Ｃ、２４Ｄは第２の流路２２と流体連通して第２のレグ３０を形成する。なお、第１のレグ２８は第２のレグ３０から流体的に隔離されているが、それらは熱伝達関係にある。
【００３１】
図２の層１２Ａ、１２Ｂからわかるように、各流路３８は複数の流路接続部４４を含むが、これらの流路接続部は対応する開口４０と流体連通関係にあると共に、前述したように、該開口４０と連通する対応の第１の流路２０または第２の流路２２と直接流体連通関係にある。１つの開口４０を通る流体の流れは、対応する流路接続部４４を通る流れの総和であり、その逆もまた同じである。
【００３２】
ヘッダ２４の各々は、開口４０と複数の対応する流路接続部４４との間に流体連通関係を形成して、流路接続部４４と対応する第１の流路２０または第２の流路２２との間に直接流体連通関係を形成するように構成されている。この構成は、主流路、それと流体連通関係にあり、流体の流れをそれを必要とする対象に直接供給するより小さな二次流路および三次流路から成る生物の血管と同様である。これは、大きめの流路と複数の小さめの流路がすべて流体連通する共通のプレナムがあり、このプレナムが必ずしも流体を当該小さめの流路に差し向けたり当該小さめの流路から受けたりしない従来のマニホールドによるフローシステムと対照的であり、それより有利である。流体が大きめの流路からプレナムに流入し、そこから小さめの流路に流入する例では、流体の流れは、小さめの流路との接続部に近接するプレナム領域に衝突してその場所で滞留する結果、圧力降下と乱流が生じる。
【００３３】
同様に、流体が小さめの流路からプレナムに流入した後、大きめの流路から流出する例において、プレナムへの流体の流入は自由噴流の形態をとり、この自由噴流がプレナム内の流体と混合する際に圧力降下が生じる。そのような状況において、小さめの流路から差し向けられた流体の流れを受ける位置から外れたプレナム領域では流体が滞留して渦流が発生する結果乱流が生じる。そのようなプレナム型フローシステムの流体の流れには、圧力降下や、例示するプレナム型システム構成の流れに必然的に生じるその他の問題があり、さらにはそのようなフローシステムには振動および機械的応力が生じるため、最善のものではない。
【００３４】
しかし、改良型熱交換器４のヘッダ２４は、開口４０とそれに対応する流路４４との間の流体の連通を改善する構成を備えるという利点がある。さらに、図２からわかるように、例示する流路接続部４４はそれぞれ、開口４０を介する流体の流れの第１の流路部分４６を含む。例示する流路接続部４４はそれぞれ、さらに第２の流路部分４８および第３の流路部分５０を含む。第３の流路部分５０は、流路端部３２に位置し、接続された第１の流路２０または第２の流路２２と直接流体連通する。第２の流路部分４８はそれぞれ、対応する第１の流路部分４６と対応する第３の流路部分５０との間に位置する。すなわち、所与の流路接続部４４の第１の流路４６、第２の流路４８および第３の流路５０は互いに流体連通するように逐次接続され、第３の流路部分５０を通る流体の流れが、対応する第１の流路部分４６を通る包括的な流体の流れの一部となり、その逆もまた同じである。
【００３５】
この点に関して、各ヘッダ２４は多数の一次導流器５４および多数の二次導流器５６を含み、それらは、流体が開口４０とそれに対応する流路接続部４４との間を流れるようにする。例示する各二次導流器５６は、一般的にコア６に隣接し、一対の第１の流路２０の間または一対の第２の流路２２の間に位置する。
【００３６】
ヘッダ２４Ａに関する次の例において、流体は開口４０Ａから入り、流路３８Ａを通り、流路接続部４４Ａから、それと直接流体連通する第１の流路２０に入る。ヘッダ２４Ａの中で、流体はまず開口４０Ａを通って第１の流路部分４６に流入し、その中で一次導流器５４の一対の外部表面部分５８Ｗ、５８Ｘに当たると、それにより小さめだがより数の多い第２の流路部分４８に差し向けられる。第２の流路部分４８の各々を流れる流体は、次いで、各々の二次導流器５６の一対の外部表面部分６０Ｗ、６０Ｘに当たって分流され、小さめだがより数の多い第３の流路部分５０に流入する。図２の層１２Ｂに、第２の流路部分４８Ａからの流体の流れをさらに分流する別の一対の外部表面部分６０Ｙ、６０Ｚを示す。図示のように少なくとも一部が層１２Ａ上に形成されるこの外部表面部分は、第２の流路部分４８Ａからの流体の流れを、層１２Ｃの下側に位置するため図２に明示されない別の一連の第１の流路２０に差し向ける。
【００３７】
したがって、本願で集合的または個別に参照符号６０で表すことがある外部表面部分６０Ｗ、６０Ｘ、６０Ｙ、６０Ｚは、ヘッダ２４Ａを例にとると、第２の流路部分４８のうちの１つからの流体の流れを分流して複数の小さめの第３の流路部分５０へ差し向け、さらにそれと流体連通関係にある第１の流路２０へ差し向けることによって、第３の流路部分５０の一部を構成する。したがって、外部表面部分６０は、二次導流器５６がない場合に存在する滞留と圧力降下を少なくとも部分的に回避する利点がある。同様に、外部表面部分５８Ｗ、５８Ｘは、第１の流路部分４６からの流れを分流し、より数の多い小さめの第２の流路部分４８へ差し向ける。これにより、従来のマニホールドと比べて、開口４０Ａから流路接続部４４Ａへの流れに発生する圧力降下と乱流が減少する。
【００３８】
流体がヘッダ２４のうちの１つ（例えば出口ヘッダ２４Ｂを有するもの）の中を逆方向に流れると、対応する第１の流路２０と直接流体連通関係にある一次導流器５４は、第３の流路部分５０からの流れを大きめの第２の流路部分４８へ差し向ける。同様に、一次導流器５４は、圧力降下を最小限に抑えながら、ヘッダ２４Ｂの第２の流路部分４８からの流体の流れを第１の流路部分４６へ差し向け、流体が開口４０Ｂから出て接続管など別の流路構造体に流入できるようにする。
【００３９】
したがって、開口４０のうちの１つがそれに対応する流路接続部４４と円滑に流体連通するように流路３８を構成することによって、圧力降下の低減と、乱流および滞留の少ない改善された流体の流れを実現できるが、それらはすべて流体の流れ環境において望ましいことである。上述の積層造形法は、そのような設計のヘッダ２４を備えた改良型熱交換器４の比較的低コストでの製造を可能にする。したがって、改良型熱交換器４では、ヘッダ２４の改良により、熱交換器４の流体の流れ性能を低コスト且つ高い機械的信頼性が得られる態様で改善できるが、これは非常に望ましく有利なことである。さらに、積層造形法の汎用性と多様性は、流体の流れに焦点を当てたヘッダ２４の設計の最適化を可能にする。すなわち、流体システム設計ソフトウェアを用いるコンピュータシステムによる設計、完成した設計の積層造形機へのダウンロード、積層造形機による与えられた設計通りの熱交換器の製造が可能になる。そのような最適化は、熱交換器が使用される任意所与の状況のさまざまな要求に応じて適切に調整可能であるが、そうした調整を効率的に行えることは非常に有利で望ましい。
【００４０】
図４からわかるように、第１の流路２０と第２の流路２２の横断面は流れ方向に対して横方向であり、流路の外縁６２は例示する実施態様では非円形の閉曲線であり、長円形、楕円形または半楕円形に近い。外縁６２の形状は、高い熱伝達率と低い圧力降下を実現するように最適化された流路の断面形状の一例である。本願の他の箇所でより詳細に説明するように、任意所与の流路の形状は、熱応力、機械的応力およびその他の多種多様な考慮事項につき最適化することができる。図４の例示する第１の流路２０と第２の流路２２は、同じ形状であり、外縁６２、形状係数、サイズも同じである。また図４に例示する態様として、第１の流路２０は複数の第１の列７０を、また、第２の流路２２も同様に複数の第２の列７２を形成するように配置され、第１の列７０と第２の列７２とは交互に並んでいる。第１の流路２０と第２の流路２２の外縁６２には長軸と短軸があると言えるが、第１の流路２０の長軸は第１の列７０と方向が同じである。長軸が第２の列７２と同じ方向の第２の流路２２についても、同じことが言える。第１の列７０と第２の列７２は、図４上で水平方向に延びている。図４の例示する第１の流路２０および第２の流路２２において、第１の流路２０の第１の列７０は、第２の流路２２の第２の列７２に隣接するが、第１の流路２０の別の第１の列７０にも隣接している。
【００４１】
図４でさらにわかるように、コア本体１４の壁６４の表面６８は熱交換器４の外側であって、第１の流路２０および第２の流路２２とは概して反対側に向いている。壁６４の壁厚７６Ａは、第１の流路２０の１つと壁表面６８との間、別の壁厚７６Ｂは第２の流路２２の１つと壁表面６８との間の距離と言える。この点に関して、壁厚７６Ａは、壁表面６８とそこから最も近い第１の流路２０の外縁６２との間の最小厚さを意味する。壁厚７６Ｂは同様に、壁表面６８とそこから最も近い第２の流路２２の外縁６２との間の最小距離と定義される。この例示する実施態様では、壁厚７６Ａは壁厚７６Ｂより小さいことがわかる。大きいほうの壁厚７６Ｂは、例えば第２の流路２２が第１の流路２０より高い圧力（すなわち静圧）の流体を運ぶ場合に、例えば、コア本体１４の剛性が大きくなるように最適化されており、有利である。そのような最適化は、静圧や動圧などの違いに応じて行うことが可能であるが、ここに示す壁厚７６Ａおよび７６Ｂの間のさまざまな関係は、例示する所与の環境において如何に最適化を行うかの一例に過ぎない。
【００４２】
第１の流路２０と第２の流路２２の関係は、流路の配列や流路間の壁６４の厚さなどについても、必要に応じて、それ以外の最適化を行うことができる。例えば、図４に示すように、第１の流路２０と第２の流路２２とが隣接する関係には、さまざまな態様がある。任意所与の第１の流路２０または第２の流路２２（図４の例では第１の流路２０）は、参照符号７８Ａで示すように、それと流体連通する別の流路１６の隣に位置するが、参照符号７８Ｂで示すように、流体連通する別の流路１６の隣でもある。すなわち、例示する実施態様において、少なくとも一部の第１の流路２０は、参照符号７８Ａ、７８Ｂで示すように、それぞれ他の一対の第１の流路２０の間に位置する。一部の流路１６（例えばコア６の周辺部にあるもの）は、必ずしも上述したすべての関係を有するわけではないが、他の多くの流路１６はこれらすべての関係を有している。上述したこれらの位置関係７８Ａ、７８Ｂは、図４上では水平方向のものであり、ここで特定した３つの第１の流路２０は同じ第１の列７０に含まれる。
【００４３】
前述の第１の流路２０は、参照符号７８Ａ、７８Ｂで示すように、２つの隣接する第１の流路２０の間にあるが、この第１の流路２０は、参照符号７８Ｃ、７８Ｄ、７８Ｅ、７８Ｆで示すように、それから流体的に隔離された別の４つの流路１６、すなわち、第２の流路２２にも隣接している。これらの位置関係７８Ｃ、７８Ｄ、７８Ｅ、７８Ｆは、図４上で垂直、水平のいずれでもなく、斜め方向である。
【００４４】
位置関係７８Ａ、７８Ｂで示すように、隣接するこの第１の流路２０間の距離である第１の距離９０は、隣接する第１の流路２０の各対間に介在するコア本体１４の最小の厚さに等しい。例示する実施態様において、第１の流路２０と、隣接する両側の第１の流路２０との間の第１の距離９０は等しい。繰り返し述べるが、図４の例のこの第１の距離９０は、互いに流体連通関係にある隣接流路１６の間の距離である。
【００４５】
さらに、そのような第１の流路２０は、７８Ｃ、７８Ｄ、７８Ｅ、７８Ｆで示すように、当該第１の流路２０から流体的に隔離されているが隣接する他の４つの流路１６から第２の距離９２だけ離間していると言える。第２の距離９２は、第１の流路２２のうち１つと、当該第１の流路２０から流体的に隔離されているが隣接する第２の流路２２の各々との間に介在するコア本体１４の最小の厚さを表す。例示する実施態様は、第２の距離９２が互いに等しい例である。
【００４６】
この点に関し、第１の距離９０と第２の距離９２は熱伝達率、熱応力、機械的応力、流量、流圧、および熱交換器４の設計にかかわる他のさまざまな検討事項を勘案し最適化するために、必要に応じて調整できることがわかる。
【００４７】
また、図４の第１の流路２０と第２の流路２２は、いずれも同じ断面積９６を有している。ここでも、断面積９６を前述のさまざまな性能因子および／または他の因子を最適化するために、ほかに必要なまたは与えられた最適化と組み合わせて、必要に応じて調整することができる。
【００４８】
図２、特に層１２Ｂからさらにわかるように、複数の流路１６はさらに、第１の流路２０のうち１つとそれに隣接する壁６４の表面６８との間に形成された別の流路８０を含む。この別の流路８０は、内部に何らかの計装８６を挿入できる、細長い、熱交換器４の外側からアクセス可能な開口８４を備えている。計装８６は例えば温度センサなどの装置であるが、その場合、この別の流路８０は計装チャンネルとなる。同様に、計装８６の代わりに、冷温時高温の流体が最初に流路１６に導入される際の熱衝撃を減らすために熱交換器４を予熱するように構成された多数の加熱器であってもよい。そのような加熱は、特に、熱サイクル中にコア６に突然発生する熱応力の有害な影響を減じる利点がある。計装８６が多数の加熱器の場合、この別の流路８０として、図２に明示するコア６上の位置とは別の位置に１つ以上の流路８０を設け、その中に当該多数の加熱器を挿入してもよい。
【００４９】
別の流路８０は熱交換器４の全体設計の一部であることから、壁６４を熱応力、機械的応力、およびこの別の流路８０が熱交換器４の離散箇所に形成されることにより生じうるその他の応力の集中に耐えるように最適化することができる。この点に関し、必要に応じて、別の流路８０付近のコア本体１４が重くなるように寸法を設定することができる。あるいは、応力および／または機械的応力が小さめとなるように、また他の考慮事項に基づいて、別の流路８０をコア本体１４の異なる位置に配置することができる。
【００５０】
別の流路８０は、熱交換器４の初期製造時に、積層造形プロセスによって形成される。その結果、例えば壁６４にドリルビットを当ててこの別の流路８０を形成した場合に生じるような加工硬化や他の残留応力は生じない。また開口８４は、別の流路８０の長軸方向と斜交するヘッダ２４Ｂの表面上に設けられるが、従来のドリルビットによりそのような角度で穿孔するのは一般的に非常に難しい。開口と外面がそのような関係にある状況では、そうした別の流路またはその下穴を穿孔するために、レーザーなどその他のプロセスを使用することも可能である。しかし、本願の積層造形プロセスによって別の流路８０を形成すると費用が最小限に抑えられるのに比べ、そのようなレーザーまたは他の方法を用いた場合費用は高くつく。
【００５１】
したがって、熱交換器４は、そのさまざまな構成要素、第１のレグ２８および第２のレグ３０を合わせて最適化し、圧力降下、熱応力、機械的応力、熱伝達効率、およびその他の検討事項に基づいて望ましい（すなわち最適化された）特性が得られるように全体設計できることがわかる。特定の用途での要求に依存するが、特定の用途がその他の有利な最適化を提供する必要性に応じて、熱交換器４の部品および第１のレグ２８と第２のレグ３０の部品の間のさまざまな相互関係を調整することができる。そのような最適化は、種々の圧力、温度およびその他の検討事項など、その他の用途のその他の要求を満たすように最低限の費用でなされる。
【００５２】
熱交換器４に類似する改良型熱交換器１０４を、図４と同様な断面図である図５に略示する。この熱交換器１０４の構成は、熱交換器４と同一に見えるが、必ずしもそうではない。
【００５３】
熱交換器１０４は、内部に複数の細長い流路１１６が形成されたコア１０６を有し、その複数の細長い流路１１６は複数の第１の流路１２０と複数の第２の流路１２２を含む。第１の流路１２０は互いに流体連通し、第２の流路１２２も同様に互いに流体連通するが、第１の流路１２０は第２の流路１２２から流体的に隔離されている。
【００５４】
図５に例示する実施態様において、第１の流路１２０と第２の流路１２２は、断面が非円形の閉曲線で全てが同一サイズおよび形状の外縁１６２を有する。完全を期すため繰り返し述べると、使用環境で熱交換器１０４に要求される最適化に応じて、外縁１６２のサイズおよび／または形状を変更することができる。第１の流路１２０と第２の流路１２２は、コア１０６の壁１６４の表面１６８からの距離が等しい。すなわち、壁１６４の表面１６８とそれに隣接する第１の流路１２０との間の最小の壁厚１７６Ａは壁表面１６８とそれに隣接する第２の流路１２２との間の別の最小壁厚１７６Ｂに等しい。ここでも、そのような壁厚は、特定の用途の要求に応じて最適化することができる。
【００５５】
さらに図５からわかるように、第１の流路１２０および第２の流路１２２は、互いに流体連通する流路が水平方向に配列されていない点で、図４に示す熱交換器４の第１の流路２０および第２の流路２２とは配置構成が異なる。繰り返し述べるが、図４における流路の配列方向は第１の流路２０および第２の流路２２の主軸と同じである。しかし、図５に示す第１の流路１２０および第２の流路１２２の配列方向はそれとは異なる。第１の流路１２０はそれぞれ、それから流体的に隔離された４つの流路１１６（すなわち４つの第２の流路１２２）に隣接するだけでなく、それと流体連通する別の４つの流路１１６（すなわち別の４つの第１の流路１２０）にも隣接している。例えば、図５に示す第１の流路１２０の１つは、それと流体連通する別の４つの隣接する第１の流路１２０とそれぞれ４つの隣接関係１７８Ａ、１７８Ｂ、１７８Ｃ、１７８Ｄを有している。これらの隣接関係１７８Ａ、１７８Ｂ、１７８Ｃ、１７８Ｄは図５の上で、水平でも垂直でもなく、斜め方向である。この同じ第１の流路１２０および別の第１の流路１２０はさらに、それぞれ流体的に隔離されるが熱伝達関係にある別の４つの流路１１６（すなわち４つの第２の流路１２２）に隣接しており、それらの隣接関係は１７８Ｅ、１７８Ｆ、１７８Ｇ、１７８Ｈで表される。一例として示す隣接関係１７８Ｅ、１７８Ｆ、１７８Ｇ、１７８Ｈの方向は、図５上で水平および垂直である。壁表面１６８に隣接する流路１１６はそれぞれ、必ずしも、それと流体連通関係にある別の４つの流路１１６およびそれから流体的に隔離された別の４つの流路１１６に隣接するとは限らないが、例示する熱交換器１０４のその他の流路１１６は、そのような位置関係を有することがわかる。そのような第１の流路１２０と第２の流路１２２の相互位置関係は、例えば熱交換器４に比べて、一般的に第１の流路１２０と第２の流路１２２の間の熱伝達率を高くすることが可能である。このような図５に示す第１の流路１２０と第２の流路１２２の配置は、熱交換器１０４の使用が意図される一連の環境において熱伝達など特定の目的につき最適化した結果であるかもしれない。
【００５６】
また、隣接関係１７８Ａ、１７８Ｂ、１７８Ｃ、１７８Ｄのいずれも、第１の距離１９０は等しいことが分かる。隣接関係１７８Ｅ、１７８Ｇの方向は図５上で水平であるが、第１の流路１２０は隣接する２つの第２の流路１２２から第２の距離１９２だけ離れており、この２つの第２の距離１９２は互いに等しい。第１の流路１２０はさらに、位置関係１７８Ｆ、１７８Ｈで示すように、隣接する別の２つの第２の流路１２２から、図５上で垂直方向に第３の距離１９４だけ離れており、この第３の距離１９４は互いに等しい。第１の距離１９０、すなわち、互いに流体連通関係にあるためおそらく同じまたは同様の温度を有する第１の流路１２０同士の距離は、第２の距離１９２および第３の距離１９４のいずれよりも大きいことがわかる。第２の距離１９２と第３の距離１９４は、第１の流路１２０と、この第１の流路１２０から流体的に隔離されるが熱伝達関係にあり温度が異なる第２の流路１２２との間の距離である。第１の距離１９０、第２の距離１９２、および第３の距離１９４（すなわち壁１６４の厚さ）で指定されるこのような相対的な配置は、特定の用途の要求に応じて如何に熱伝達率および効率を最適化または調整できるかを示す別の例である。
【００５７】
また、第１の流路１２０と第２の流路１２２は、内部を流れる流体の流れ方向に対して横方向の断面積１９６が同じである。繰り返し述べるが、この断面積１９６の同等性は、所与の用途に適したさまざまな基準のいずれかを満たすような性能を実現するために調整可能な複数の関係のうちの１つである。
【００５８】
本願で開示および特許請求する発明の第３の実施態様に基づく改良型熱交換器２０４のコア２０６の概略断面図を図６に示す。コア２０６の内部には、複数の細長い流路２１６が形成されているが、当該流路は、互いに流体連通関係にある複数の第１の流路２２０、２２１と、互いに流体連通関係にある複数の第２の流路２２２、２２３とから成る。例示する第１の流路２２０および第２の流路２２２の外縁２６２の断面形状は、図５の第１の流路１２０および第２の流路１２２の例示する外縁１６２と同じサイズおよび形状（長円形、楕円形または半楕円形）である。ただし、第１の流路２２１と第２の流路２２３の外縁２６３は円形の閉曲線である。第１の流路２２０と第２の流路２２２は同じ断面積２９６を有し、第１の流路２２１と第２の流路２２３は別の同じ断面積２９７を有し、例示する実施態様では断面積２９７は断面積２９６より小さい。
【００５９】
一般的に、第１の流路２２０、２２１と第２の流路２２２、２２３は、隣接関係１７８Ａ、１７８Ｂ、１７８Ｃ、１７８Ｄ、１７８Ｅ、１７８Ｆ、１７８Ｇ、１７８Ｈと類似する隣接関係２７８Ａ、２７８Ｂ、２７８Ｃ、２７８Ｄ、２７８Ｅ、２７８Ｆ、２７８Ｇ、２７８Ｈで示すように、同じタイプの相互関係を有する（ただし、コア２０６の周辺部は例外）。しかし、第１の流路２２１と第２の流路２２３の断面積２９７を小さめにすることにより、第１の流路２２０、２２１のいずれかと、その斜め方向に隣接する別の４つの第１の流路２２０、２２１（隣接関係２７８Ａ、２７８Ｂ、２７８Ｃ、２７８Ｄに基づく）との間の第１の距離２９０は、図５の第１の距離１９０より大きくなる。同様に、第１の距離２９０は、流路２１６と、それと流体連通せずに流体的に隔離された水平方向に隣接する一対の他の流路２１６との間の、隣接関係２７８Ｅ、２７８Ｇにより示す第２の距離２９２より大きい。この第２の距離２９２は、同様に、図６上で垂直方向に隣接する第１の流路２２０と第２の流路２２２の各対間の第３の距離２９４および垂直方向に隣接する第１の流路２２１と第２の流路２２３の各対間の第４の距離２９５より大きい。ここでも、そのような間隔および相互関係により、隣接する流路２１６間の相対的な近さまたは相対距離が決まるため、熱伝達および／または互いに流体的に隔離された流路２１６間にあって、熱応力と機械的応力が存在するコア２０６の構造材の量を最適化することができる。
【００６０】
また図６から、第１の流路２２０の、壁２６４の表面２６８からの距離は２７６Ａで一定であり、第２の流路２２２の、壁表面２６８からの同様の第２の距離２７６Ｂは距離２７６Ａに等しいことがわかる。特定の用途の要求と熱交換器２０４で要求される性能に応じて、壁厚をこれ以外の相対的に等しいおよび／または等しくない値にすることができる。
【００６１】
したがって、熱伝達能力、熱応力、機械的応力および他の因子に関連するさまざまな最適化因子基づいて、さまざまな流路２１６の配置と、さまざまな流路２１６のさまざまな形状およびサイズを選択できることがわかる。その他の変形例についても自明である。
【００６２】
図６は、図５の熱交換器１０４とは別の熱交換器２０４の断面図であるが、図６から、図５のさまざまな流路１１６のサイズと形状を、同じ列の流路１１６であっても縦方向位置により変えるやり方もあることがわかる。例えば、図６は、特定の第１の流路１２０を、熱交換器内の位置により、図５から、図６に示すように変化させ得ることを示しているとも言える。例えば、図５の或る特定の第１の流路１２０の形状と断面積を、或る縦方向位置の丸い閉曲線（図５に示す）から、別の縦方向位置の別の閉曲線および断面積（図６に示す）に変えることができる。同様に、或る特定の第２の流路１２２（図５）を、小円状の第２の流路２２３（図６）へ変えることができる。そのように、さまざまな流路のサイズや形状などが変わると、それに応じて流路間のコアの壁の寸法も変わり、流路の流れ特性も変わることになる。意図される用途向けの特定の熱交換器の性能要求が、そうした設計につながる可能性がある。したがって、熱交換器の任意所与の流路は、その縦方向の全てにおいて断面形状、断面外縁または断面積が一定である必要はなく、むしろそのような寸法および対応する壁の寸法を、所与の用途の特定の要求に応じて変えることができる。同様に、壁の寸法は、所与の用途において必要な熱応力と機械的応力に対する抵抗力に基づいて最適化してもよく、流路の形状とサイズは、そのようにコアの壁を最適化した結果である。
【００６３】
そのような最適化の別の例として、本願で開示および特許請求する発明の第４の実施態様に基づく別の熱交換器３０４を図７に示す。この熱交換器３０４のコア３０６の本体３１４では、流路３１６が、熱交換器３０４内の位置によるが、図４に示すものから図７に示すものへ変化している。すなわち、図７は、第１の流路２０を、同じ熱交換器３０４内の位置に応じて、図４の断面形状９６から小さめの断面形状３９８へ変化させるやり方を表すと言える。さらに別の例として、第２の流路２２は、図４と図７（参照符号２２、３２２で表される）の間で変えないこともありうる。すなわち、図４の参照符号９６で示す断面形状と図７の断面形状３９６を比べると、各列の第２の流路のサイズと形状は図４と図７とでは変わらず、外縁６２、３６２も同じであるが、各列の第１の流路は図７では図４より小さくなっていることを示している。これは、図７で示す位置における熱衝撃を防ぐ必要性や、その他さまざまな理由でなされると考えられる。そのような熱衝撃は、熱交換器３０４の起動時に第１の流路３２０内の比較的冷温の流れを減らすこと、および／または熱交換器３０４の運転初期のいずれかの時点で熱衝撃が起きる可能性のある流体的に隔離された流路の間の壁厚（参照符号３９２で表す）を比較的大きな値にすることにより、緩和できる。完全を期して述べるが、図７の第１の流路３２０を小さめにすると、図７の上で水平方向に隣接する互いに流体連通する第１の流路３２０の間の第１の距離３９１は変化するが、水平方向に隣接する第２の流路３２２の間の第１の距離３９０は図４の第１の距離９０から変化しない。
【００６４】
第１の流路３２０と第２の流路３２２は、この例でも、それぞれ真っ直ぐな第１の列３７０および第２の列３７２を形成しているが、他の実施態様では必ずしもそうではない。第１の流路３２０のうちの１つと、それと流体連通する一対の隣接流路３２０との隣接関係３７８Ａ、３７８Ｂは、図４に示すのとほぼ同じ方向（水平）であるが、第１の流路３２０間の距離は一様ではない。そのような第１の流路３２０と、それから流体的に隔離された斜め方向に隣接する４つの第２の流路３２２との間の隣接関係を３７８Ｃ、３７８Ｄ、３７８Ｅ、３７８Ｆで示すが、これらの隣接関係は、図４の場合とおおむね同じ斜め方向であるものの、第１の流路３２０の断面形状３９８が小さめであるため相互間の距離が変化している。さらに一例として、図７の第１の流路３２０と壁３６４の表面３６８との間の壁厚３７６Ａは、第２の流路３２２と壁表面３６８との間の壁厚３７６Ｂより大きい。
【００６５】
したがって、本願に記載するコンパクトな改良型熱交換器３０４および他の熱交換器ならびにそれらの変形例のさまざまな流路は、その縦方向位置により違いのあるさまざまな外縁および断面形状を有するのは明らかである。さらに、そのような熱交換器は、何らかの様式で互いに流体的に隔離されているが互いに熱伝達関係にある３つ以上のレグを有することもある。また、流路の相対的位置も同様に、流路の縦方向位置によりまたは他の態様で変化させることができる。そのような流路の縦方向位置に応じて流路の構成を変化させるのもさまざまな最適化手法の１つであり、それを適用することにより、特定の用途の要求に応じて、特定の熱伝達特性および／または熱応力と磁気応力への抵抗性を実現させたり、流れ特性および他の特性を実現させたりすることができる。その他の変形例についても自明である。
【００６６】
本願で開示および特許請求する発明の第５の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器４０４を図８、９に示すが、この熱交換器４０４はコア４０６と、前述のものに類似するヘッダ装置４０８とを有する。このコア４０６の本体４１４には、複数の第１の流路４２０、複数の第２の流路４２２および１つの膨張流路４８０を含む複数の細長い流路４１６が形成されている。
【００６７】
第１の流路４２０と第２の流路４２２は、膨張流路４８０の周囲に交互に配置されている。第１の流路４２０は互いに流体連通し、第２の流路４２２も同様に互いに流体連通しているが、第１の流路４２０は第２の流路４２２から流体的に隔離されている。第１の流路４２０と第２の流路４２２は交互に配置されているので、隣接する第１の流路４２０と第２の流路４２２の各対の間のコア４０６の壁は、それらの流路の温度差により有意な熱応力および機械的応力を受ける可能性が高い。第１の流路４２０および第２の流路４２２から流体的に隔離されている膨張流路４８０は、第１の流路４２０と第２の流路４２２を介する流体の流れを有意に変えずにコア本体４１４が拡張流路４０８の中に膨張できるように設けられている。
【００６８】
第１の流路４２０と第２の流路４２２はいずれも、楕円形でも円形でもない閉曲線で、前述のほかの形状とは異なる断面形状の外縁４６５を有する。外縁４６５はむしろ、熱伝達と圧力降下の間で異なるタイプの最適化を行うために複葉形になっているか、または他の考慮事項に関して最適化されているか、またはその両方である。第１の流路４２０と第２の流路４２２は、いずれも同じ断面形状４９９を有している。
【００６９】
したがって、膨張流路４８０は、特定の用途の要求に応じて、熱交換器４０４に生じる特定の熱応力または機械的応力を緩和するために設けることがわかる。膨張流路４８０は、本願で述べる積層造形プロセス時に現場で形成される。他の実施態様において、本発明の思想から逸脱することなく、さまざまなサイズおよび／または形状を有する別の膨張流路４８０をさまざまな位置に設けることができる。
【００７０】
第１の流路４２０と第２の流路４２２それ自体を、コア４０６を表示せずに、図１０、１１に示す。図１０、１１からわかるように、第１の流路４２０と第２の流路４２２は、その長手方向に沿って多数の波状部４１８Ａ、４１８Ｂ、４１８Ｃ、４１８Ｄを有するように形成される。本願で集合的または個別に参照符号４１８で表されることがある波状部４１８Ａ、４１８Ｂ、４１８Ｃ、４１８Ｄは、例えば図１１において左から右へまたは右から左へ移行したとき、第１の流路４２０および第２の流路４２２の長手方向に生じるゆるやかな変化を表す。そのような波状部４１８は、さまざまな形状が可能であり、熱伝達特性の最適化および／または熱応力と機械的応力に対する解決策、またはその他の理由により提供される。そのような波状部は、性能の最適化を実現する別の方法として、本願の別の箇所で記述した熱交換器のいずれにも提供できる。
【００７１】
本願で開示および特許請求する発明の第６の実施態様に基づくコンパクトな改良型熱交換器５０４の概要を、図１２に示す。コンパクトな熱交換器５０４のコア５０６は、互いに接続された複数のコア部分５０７Ｘ、５０７Ｙから成る。例示する実施態様において、コンパクトな熱交換器５０４はさらに、互いに接続されコア５０６にも接続された複数のヘッダ部分５２５Ｘ、５２５Ｙ、５２５Ｚをヘッダ装置５０８を含む。
【００７２】
コンパクトな熱交換器５０４は、本願の別の個所に記述されたコア６および同様のものを互いに接続するやり方により、前述の積層造形プロセスを実施する従来の装置により容易に作製可能なものより格段に大きな熱交換器５０４を提供できることを示している。すなわち、所与の時点で利用可能な積層造形装置では限られたサイズの構成機器しか製造できないが、熱交換器５０４は、そのような構成機器の大きさを変えれば、おそらく一回の積層造形作業では製造できない、特定の用途に適した大きなサイズの熱交換器５０４を提供できることを示している。
【００７３】
例示するコア部分５０７Ｘ、５０７Ｙは、比較的まっすぐで細長い流路部分５１７（コア部分５０７Ｘ）、または１つ以上の屈曲部（コア部分５０７Ｙ）を含む流路部分５１７である。そのような流路部分５１７の端部を、必要に応じて焼結または他の拡散結合法によって互いに接続することにより、さまざまなコア部分５０７Ｘ、５０７Ｙによって形成され一体化された所望の流路５１６が得られる。すなわち、図１２に例示する一体化された流路５１６は、端部同士を接続した複数の流路部分５１７から成る。
【００７４】
本願では、参照符号５２４Ａ、５２４Ｂ、５２４Ｃ、５２４Ｄで示す複数のヘッダから成るヘッダ装置５０８を、集合的または個別に参照符号５２４で表わす。熱交換器５０４の用途に適した所望の性能特性の実現に必要な、ヘッダ部分５２５Ｘ、５２５Ｙ、５２５Ｚのさまざまな組み合わせにより、さまざまなヘッダ５２４が形成される。図８、９に示すコア４０６、本願の別の箇所で述べたその他のコア、またはそれらの変形例は、特定の用途の要求に応じて、図１２に略示する１つ以上のコア部分５０７Ｘ、５０７Ｙとして使用できることを明記しておく。さらに、流路の位置、サイズ、形状などの相互関係の任意のものを、最適化またはその他の理由で、必要に応じて熱交換器５０４に組み込むことができる。
【００７５】
したがって、本願で提示するさまざまなコンパクトな熱交換器およびそれらの構成機器は、さまざまな用途において必要な最適化を実現するために、多種多様な特徴およびさまざまな構成機器間の相互関係のうち任意のものを有することができる。最適化は、流体の流れ性能に基づいて、および／または熱伝達性能に基づいて、および／または熱応力および／または機械的応力への抵抗性に基づいて、および／またはその他の最適化の根拠に基づいて行うことができる。上述の積層造形プロセスによって、そのような最適化の費用効果が高くなる。本願に記述するさまざまな特徴および相互関係は、本発明の思想から逸脱することなく、任意の様式で組み合わせることができる。
【００７６】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明したが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替を想到できるであろう。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
0006777731.tif 000002
【図２】
0006777731.tif 000003
【図３】
0006777731.tif 000004
【図４】
0006777731.tif 000005
【図５】
0006777731.tif 000006
【図６】
0006777731.tif 000007
【図７】
0006777731.tif 000008
【図８】
0006777731.tif 000009
【図９】
0006777731.tif 000010
【図１０】
0006777731.tif 000011
【図１１】
0006777731.tif 000012
【図１２】
0006777731.tif 000013