(57)【要約】【課題】効果的に熱交換器の性能向上を図ることが可能な立体格子構造の２次伝熱部を有する熱交換器を提供する。【解決手段】この熱交換器１００は、１次伝熱部３を介して仕切られた複数の流路部２を含み、複数の流路部２のそれぞれを通過する流体間で熱交換を行うコア１を備る。少なくとも１つの流路部（第１流路部２ａ）は、流路部内に配置され、立体的な格子状の構造を有する単位格子１０が繰り返し複数配列されて構成された２次伝熱部８ａを含む。単位格子１０は、単位格子１０の各々の頂点１３から延びて単位格子１０の中心近傍で互いに接続された複数の第１梁部１１を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次伝熱部を介して仕切られた複数の流路部を含み、前記複数の流路部のそれぞれを通過する流体間で熱交換を行うコアを備え、
少なくとも１つの前記流路部は、前記流路部内に配置され、立体的な格子状の構造を有する単位立体格子構造が繰り返し複数配列されて構成された２次伝熱部を含み、
前記単位立体格子構造は、前記単位立体格子構造の各々の頂点から延びて前記単位立体格子構造の中心近傍で互いに接続された複数の第１梁部を含む、熱交換器。
【請求項２】
前記単位立体格子構造は、多角形状の底面から立ち上がる角柱状の立体形状を有しており、前記底面と直交する辺を構成する複数の第２梁部をさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記単位立体格子構造は、
直方体状の立体形状を有しており、
前記底面と直交する各辺を構成する４本の前記第２梁部と、
前記第２梁部の両端部から延びて前記単位立体格子構造の中心で互いに接続される８本の前記第１梁部と、を含む、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第２梁部は、前記単位立体格子構造が有する前記直方体状の立体形状を構成する辺の内、最大の長さを有する辺方向である長手方向に沿って延びている、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記１次伝熱部と前記２次伝熱部とは、一体形成されており、
前記第２梁部は、前記流路部の内壁としての前記１次伝熱部の表面と略平行に延びている、請求項３または４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記単位立体格子構造は、前記流路部を通過する流体の進行方向である流路奥行き方向に沿って隙間なく配列されており、
前記単位立体格子構造の前記流路奥行き方向の第１長さは、前記流路奥行き方向における前記コアの流路部長さを前記第１長さで除算して割りきれる大きさである、請求項３〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記単位立体格子構造は、前記流路部の前記流路奥行き方向と直交する流路幅方向に沿って隙間なく配列されており、
前記単位立体格子構造の前記流路幅方向の第２長さは、前記流路部の幅を前記第２長さで除算して余りが出る大きさである、請求項３〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１梁部は、前記単位立体格子構造の底面に対して３０度以上９０度未満の角度で傾斜している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱交換器に関し、特に、流路部内に２次伝熱部が設けられた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流路部内に２次伝熱部が設けられた熱交換器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような熱交換器としては、たとえば、１次伝熱部としてのプレートに仕切られた流路内に、２次伝熱部としてのコルゲートフィンが配置されたコアを備えたプレートフィン型熱交換器などがある。上記特許文献１では、ベースの上面に材料を積層する積層造形法により、コアの構成要素を造形する技術が開示されている。積層造形法を用いることにより、板材の加工成形などにより形成される板状フィンとは異なる立体構造の２次伝熱部を形成することが可能となる。上記特許文献１には、コアの構成要素として、立体的な格子状の構造を繰り返し配列した立体格子構造を造形することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１４９３０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１では、立体的な格子状の構造を繰り返し配列した立体格子構造をコアの構成要素として造形することが開示されているのみであり、具体的にどのような立体格子構造の２次伝熱部を形成するかについては明確な開示がない。２次伝熱部に立体的な格子状構造を採用した場合、単位重量当たりの表面積（比表面積）を増大させることができるので、熱交換性能の向上が期待できる。そこで、効果的に熱交換器の性能向上を図ることが可能な立体格子構造の２次伝熱部が望まれている。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、効果的に熱交換器の性能向上を図ることが可能な立体格子構造の２次伝熱部を有する熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明による熱交換器は、１次伝熱部を介して仕切られた複数の流路部を含み、複数の流路部のそれぞれを通過する流体間で熱交換を行うコアを備え、少なくとも１つの流路部は、流路部内に配置され、立体的な格子状の構造を有する単位立体格子構造が繰り返し複数配列されて構成された２次伝熱部を含み、単位立体格子構造は、単位立体格子構造の各々の頂点から延びて単位立体格子構造の中心近傍で互いに接続された複数の第１梁部を含む。
【０００８】
なお、本発明における「単位立体格子構造の頂点」とは、角の端部および第１梁部の端部を含む概念である。本発明における「単位立体格子構造の中心」とは、単位立体格子構造の各頂点を頂点とする立体的な多面体空間の内部であり、単位立体格子構造の各頂点から略等距離にある点である。多面体空間が立方体や直方体の場合、たとえば対角線の交点である。多面体空間が五角柱の場合、たとえば上面および底面の各重心点を結ぶ直線の中点としてよい。多面体空間の重心としてもよい。
【０００９】
この発明による熱交換器では、上記のように、立体的な格子状の構造を有する単位立体格子構造が繰り返し複数配列されて構成された２次伝熱部を設け、単位立体格子構造に、単位立体格子構造の各々の頂点から延びて単位立体格子構造の中心近傍で互いに接続された複数の第１梁部を設ける。これにより、複数の第１梁部によって単位立体格子構造の表面積（伝熱面積）を容易に大きくすることができる。また、単位立体格子構造を通過する流体の流れを遮るように複数の第１梁部が単位立体格子構造の中心近傍に集まるので、効率的に乱流を生じさせて熱伝達を効率的に行うことができる。これらの結果、熱伝達性能に優れた２次伝熱部を構成することができる。また、単位立体格子構造の各々の頂点と中心近傍とが複数の第１梁部により接続されるので、どの方向の外力に対しても機械的強度（剛性）を確保しやすい構造とすることができる。そのため、熱伝達性能のみならず、２次伝熱部の機械的強度（剛性）を容易に確保することができる。以上により、本発明によれば、効果的に熱交換器の性能向上を図ることが可能な立体格子構造の２次伝熱部を構成することができる。その結果、熱交換器の性能向上を図ることができる。
【００１０】
上記発明による熱交換器において、好ましくは、単位立体格子構造は、多角形状の底面から立ち上がる角柱状の立体形状を有しており、底面と直交する辺を構成する複数の第２梁部をさらに含む。このように構成すれば、角柱状の立体形状を有する単位立体格子構造の角部に相当する位置に第２梁部が配置されるので、単位立体格子構造の機械的強度を効果的に向上させることができる。その結果、単位立体格子構造の機械的強度を確保しつつ比表面積（重量辺りの表面積）を大きくすることができる。
【００１１】
この場合、好ましくは、単位立体格子構造は、直方体状の立体形状を有しており、底面と直交する各辺を構成する４本の第２梁部と、第２梁部の両端部から延びて単位立体格子構造の中心で互いに接続される８本の第１梁部と、を含む。このように構成すれば、直方体状の単位立体格子構造の四隅に配置された４本の第２梁部の両端が、それぞれ第１梁部を介して単位立体格子構造の中心で連結される構造になるので、熱伝達性能を向上させつつさらに容易に機械的強度を確保することができる。
【００１２】
上記単位立体格子構造が直方体状の立体形状を有する構成において、好ましくは、第２梁部は、単位立体格子構造が有する直方体状の立体形状を構成する辺の内、最大の長さを有する辺方向である長手方向に沿って延びている。このように構成すれば、第２梁部を単位立体格子構造の長手方向（直方体の最大長さの辺に沿う方向）に延びる柱として形成することができるので、単位立体格子構造の長手方向の機械的強度を容易に確保することができる。また、積層造形法により２次伝熱部(単位立体格子構造の配列)を造形する場合に、支柱となる第２梁部を起点に第１梁部を形成することができるので、形状精度が良く安定した造形が可能となる。
【００１３】
上記単位立体格子構造が直方体状の立体形状を有する構成において、好ましくは、１次伝熱部と２次伝熱部とは、一体形成されており、第２梁部は、流路部の内壁としての１次伝熱部の表面と略平行に延びている。このように構成すれば、１次伝熱部および２次伝熱部を積層造形法によりまとめて形成する場合に、流路部の隔壁となる１次伝熱部と、２次伝熱部（単位立体格子構造）の柱としての第２梁部とを、造形方向に沿って積層形成して行くことができる。その結果、積層造形法では単純に積層していく構造が最も形状精度を確保しやすいため、１次伝熱部および第２梁部の形状精度を容易に確保することができる。柱となる第２梁部の形状精度が確保されることにより、第２梁部を起点として第１梁部も精度良く安定して形成することが可能となるので、１次伝熱部および２次伝熱部の形状精度を容易に確保できる。
【００１４】
上記単位立体格子構造が直方体状の立体形状を有する構成において、好ましくは、単位立体格子構造は、流路部を通過する流体の進行方向である流路奥行き方向に沿って隙間なく配列されており、単位立体格子構造の流路奥行き方向の第１長さは、流路奥行き方向におけるコアの流路部長さを第１長さで除算して割りきれる大きさである。このように構成すれば、流路部を通過する流体の進行方向（流路奥行き方向）に沿って単位立体格子構造を配列した場合に、流路部の流路奥行き方向の両端部（入口部分および出口部分）で完全な形状の単位立体格子構造が形成される。これにより、２次伝熱部の入口または出口の強度を確保することができる。
【００１５】
上記発明による熱交換器において、好ましくは、単位立体格子構造は、流路部の流路奥行き方向と直交する流路幅方向に沿って隙間なく配列されており、単位立体格子構造の流路幅方向の第２長さは、流路部の幅を第２長さで除算して余りが出る大きさである。ここで、流路部の幅を第２長さで除算して余りが出ない場合には、２次伝熱部の流路幅方向両端の単位立体格子構造の側面が流路部の内壁と一体化してしまい、完全な格子構造にならなくなる。これに対して、余りが出る場合には、完全な形状の単位立体格子構造が流路部の内側に確実に収まるので、単位立体格子構造による比表面積の増加や乱流形成の効果を、２次伝熱部の流路幅方向の両端位置でも確実に得ることができる。なお、流路部の内壁と２次伝熱部との間に不必要な隙間を形成する必要はないので、除算した余りは、小さいほど好ましい。
【００１６】
上記発明による熱交換器において、好ましくは、第１梁部は、単位立体格子構造の底面に対して３０度以上９０度未満の角度で傾斜している。ここで、積層造形法により２次伝熱部(単位立体格子構造の配列)を造形する場合、材料を造形方向に積層していくので、造形される構造が造形方向（積層方向）と直交する水平方向に近付くほど、重力によって造形性（形状精度）が悪くなる。そこで、第１梁部は、単位立体格子構造の底面に対して３０度以上９０度未満の角度で傾斜させることにより、単位立体格子構造（第１梁部）を形状精度が良好な状態で造形することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、上記のように、効果的に熱交換器の性能向上を図ることが可能な立体格子構造の２次伝熱部を有する熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態による熱交換器を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による熱交換器の第１流路部および第２流路部を平面視において示した拡大断面図である。
【図３】第２流路部を示した拡大縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による熱交換器の２次伝熱部の単位格子を示した斜視図である。
【図５】２次伝熱部を構成する単位格子を配列した斜視図である。
【図６】第１流路部を示した拡大縦断面図である。
【図７】単位格子が接続される第１流路部の内壁面を示した拡大斜視断面図である。
【図８】単位格子の第１変形例を模式的に示した図である。
【図９】単位格子の第２変形例を模式的に示した図である。
【図１０】シェルアンドチューブ型の熱交換器を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
まず、図１〜図７を参照して、本実施形態による熱交換器１００の構成について説明する。本実施形態では、プレートフィン型の熱交換器の例について説明する。プレートフィン型の熱交換器は、複数の流路部を平板状の１次伝熱部（プレート）により仕切り、流路部内に２次伝熱部（フィン）を配置した構造を有する。
【００２１】
（熱交換器の全体構成）
図１に示すように、熱交換器１００は、所定の方向に積み重なるように並ぶ複数の流路部２を含むコア１を備えている。コア１は、複数の流路部２の間に設けられた１次伝熱部３(図２参照)を含む。複数の流路部２は１次伝熱部３を介して互いに仕切られている。
【００２２】
具体的には、複数の流路部２は、第１流体が流れる複数の第１流路部２ａと、第２流体が流れる複数の第２流路部２ｂとを含む。コア１は、複数の流路部２のそれぞれを通過する流体間で熱交換を行う。すなわち、コア１は、第１流路部２ａを流れる第１流体と第２流路部２ｂを流れる第２流体との間で、熱交換を行うように構成されている。
【００２３】
コア１は、略直方体形状を有する。以下、各流路部２の配列方向をＸ方向とし、Ｘ方向に対して直交する面内で、互いに直交する２方向をＹ方向およびＺ方向とする。
【００２４】
（コア）
複数の第１流路部２ａと複数の第２流路部２ｂとは、１次伝熱部３を介してＸ方向に交互に並ぶ(積層される)ようにコア１に形成されている。積層方向（Ｘ方向）におけるコア１の両端には、それぞれ側面部４が設けられている。また、Ｚ方向におけるコア１の両端は、それぞれ側面部５が設けられている。本実施形態では、コア１は、たとえば積層造形法などの立体造形技術により、全体が一体形成されている。コア１は、熱伝導性の高い金属材料により形成されている。
【００２５】
第１流路部２ａと第２流路部２ｂとは、１次伝熱部３に挟まれた略矩形断面の流路形状を有する。図１の構成例では、第１流路部２ａは、コア１をＹ方向に貫通するように構成された流体通路であり、第２流路部２ｂは、コア１をＺ方向に貫通するように構成された流体通路である。したがって、第１流体は、第１流路部２ａの一方側の開口６ａ(図６参照)から他方側の開口６ａに向けてＹ方向に流通する。第２流体は、第２流路部２ｂの一方側の開口６ｂ(図３参照)から他方側の開口６ｂに向けてＺ方向に流通する。コア１は、熱交換する第１流体と第２流体との流通方向が互いに直交する、いわゆる直交流方式の熱交換器コアとして構成されている。
【００２６】
それぞれの第１流路部２ａには、一方側の開口６ａと他方側の開口６ａとを覆うヘッダ７ａが接続され、各ヘッダ７ａにより第１流路部２ａへの第１流体の供給および回収が行われる。同様に、それぞれの第２流路部２ｂには、一方側の開口６ｂと他方側の開口６ｂとを覆うヘッダ７ｂが接続され、各ヘッダ７ｂにより第２流路部２ｂへの第２流体の供給および回収が行われる。
【００２７】
図２に示すように、１次伝熱部３は、第１流路部２ａと第２流路部２ｂとを仕切る隔壁として構成されている。１次伝熱部３は、第１流路部２ａと第２流路部２ｂとの間で、Ｙ方向およびＺ方向に延びる平板形状を有する部分である。１次伝熱部３において、第１流路部２ａと第２流路部２ｂとの内部にそれぞれ露出する表面３ａが、熱交換の１次伝熱面として機能する。
【００２８】
それぞれの流路部２には、内部に２次伝熱部８ａまたは８ｂが設けられている。第１流路部２ａの内部には、２次伝熱部８ａが設けられている。第２流路部２ｂの内部には、２次伝熱部８ｂが設けられている。本実施形態では、１次伝熱部３と、２次伝熱部８ａおよび８ｂとは、一体形成されている。
【００２９】
第１流路部２ａの２次伝熱部８ａは、第１流路部２ａ内に配置され、立体的な格子状の構造（立体格子構造）を有する単位格子１０(図４および図５参照)が繰り返し複数配列されて構成されている。単位格子１０は、特許請求の範囲の「単位立体格子構造」の一例である。２次伝熱部８ａにおいて、それぞれの単位格子１０の表面が、熱交換の２次伝熱面として機能する。２次伝熱部８ａは、複数の単位格子１０をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に隙間なく配列した構造を有する。単位格子１０の詳細な構造については、後述する。
【００３０】
第２流路部２ｂは、第１流路部２ａよりも幅狭（Ｘ方向の幅）の流路として形成されている。図３に示すように、第２流路部２ｂの２次伝熱部８ｂは、第２流路部２ｂ内で板状に形成されている。すなわち、図２および図３に示した構成例では、２次伝熱部８ｂは、立体的な格子状の構造（立体格子構造）ではなく、板状フィンにより構成されている。２次伝熱部８ｂは、第２流路部２ｂ内でＸ方向の一端（一方の１次伝熱部３）から他端（他方の１次伝熱部３）に渡って平板状に形成されている。また、２次伝熱部８ｂは、第２流路部２ｂ内でＹ方向の一端から他端までの間に略等間隔で複数配列されている。各２次伝熱部８ｂは、第２流路部２ｂ内でＺ方向の一端から他端まで直線状に延びている。そのため、第２流路部２ｂは、内部が複数の２次伝熱部８ｂによって区画されており、Ｚ方向に延びる流路がＹ方向に並べて配置された構造となっている。
【００３１】
（単位格子）
以下、第１流路部２ａの２次伝熱部８ａに設けられた単位格子１０について説明する。図４には、単位格子１０の一例を示し、図５では単位格子１０を配列した配列構造の一例を示している。単位格子１０の説明のため、直交座標系の各軸方向Ｘ、ＹおよびＺを設定する。
【００３２】
図４に示す単位格子１０は、複数の梁部１１の組み合わせにより格子形状に形成されている。単位格子１０は、梁（柱）のみにより構成されている必要はなく、部分的に壁状の面構造が存在してもよい。ただし、単位重量当たりの表面積（比表面積）の観点からは、壁状の面構造は少ない方が比表面積を大きくすることができる。また、梁（柱）は、直線状形状に限られず、曲線状形状を有していてもよい。単位格子１０は、積層造形法などの立体造形技術により造形することができる。
【００３３】
単位格子１０は、単位立体空間Ｕ内に、複数の梁部１１を格子状に配置したものとして定義することが可能である。単位立体空間Ｕは、単位格子１０に外接する最小の空間としてよい。単位立体空間Ｕとしてどのような立体空間を想定することも可能であるが、造形する際に隙間なく配列するためには制限が生じる。また、立体造形技術により造形する場合の造形のし易さ（造形性）も考慮すれば、単位立体空間Ｕは、多面体空間であり、角柱形状（四角柱、六角柱など）などのいくつかのものが好ましい。以下、便宜的にこのような単位立体空間Ｕを用いて説明を行う。
【００３４】
図４の構成例では、単位格子１０は、多角形状の底面Ｂから立ち上がる角柱状の立体形状を有している。つまり、単位格子１０は、底面Ｂを有する多角柱形状の単位立体空間Ｕに内接する形状を有する。より具体的には、単位格子１０は、長方形状（または正方形状）の底面Ｂから垂直に立ち上がる直方体状の立体形状を有する。すなわち、図４の単位格子１０は、Ｘ、ＹおよびＺの各軸方向の辺を有する直方体形状の単位立体空間Ｕにおいて、複数の梁部１１を配置した構造を有する。図５の配列は、単位格子１０が配置された単位立体空間Ｕを上下左右に隙間なく配列していったものと考えることができる。
【００３５】
図４に示すように、本実施形態では、単位格子１０は、単位格子１０の各々の頂点１３から延びて単位格子１０の中心近傍で互いに接続された複数の第１梁部１２を含む。言い換えると、第１梁部１２は、単位格子１０の中心近傍から単位格子１０の角部（頂点１３）に向けて延びるように形成されている。
【００３６】
単位格子１０の頂点１３は、梁部１１の外側端部であり、単位立体空間Ｕの頂点のいずれかに位置する。図４では全ての梁部１１の外側端部が幾何学的な頂点（２本の辺が交わる角部）を構成しているが、１本の梁部１１の端部のみであっても、頂点１３であるとする。単位格子１０の中心近傍とは、単位立体空間Ｕの内部であり、単位格子１０の各頂点１３から略等距離にある点である。図４のように単位立体空間Ｕが直方体であれば、中心は、対角線の交点または単位立体空間Ｕの重心位置である。
【００３７】
第１梁部１２は、単位格子１０の頂点１３と中心近傍の接続部１４との間を直線状に延びるように形成されている。本実施形態では、第１梁部１２は、単位格子１０の８つの頂点１３の各々から、合計８本設けられている。本実施形態では、第１梁部１２は、単位格子１０の底面Ｂに対して３０度以上９０度未満の角度θで傾斜するように形成されている。図４の構成例では、第１梁部１２の底面Ｂに対する傾斜角度θは、約３６．４度である。なお、直方体状の単位立体空間Ｕでは、各頂点から単位立体空間Ｕの中心に向けて延びる直線は、頂点同士を結ぶ対角線となる。そのため、図４に示した直方体状の単位格子１０では、接続部１４を挟んで対向する一対の第１梁部１２が単位格子１０の対角線を構成するように直線状に連続して延びている。つまり、単位格子１０では、接続部１４を挟んで対向する４対の第１梁部１２がそれぞれ４本の対角線を構成するように形成されている。
【００３８】
図４の構成例では、単位格子１０は、底面Ｂと直交する辺を構成する複数の第２梁部１５をさらに含む。つまり、第２梁部１５は、底面Ｂから垂直に立ち上がるようにＺ軸に沿って延びている。なお、第２梁部１５は、図２に示したように、第２梁部１５は、第１流路部２ａの内壁としての１次伝熱部３の表面３ａと略平行に延びている。
【００３９】
第２梁部１５は単位格子１０に４本設けられている。それぞれの第２梁部１５は、底面Ｂの４つの角部（頂点１３）に配置され、四角柱（直方体）外形の単位格子１０のＺ方向の各辺を構成している。したがって、各第２梁部１５は、両端部においてそれぞれ第１梁部１２の端部と接続されている。言い換えると、８本の第１梁部１２が、それぞれ対応する第２梁部１５の端部１５ａから延びて単位格子１０の中心近傍（接続部１４）で互いに接続されている。
【００４０】
これにより、第１実施形態では、端部同士で互いに接続された２本の第１梁部１２と１本の第２梁部１５とにより、三角枠状の梁構造が形成されている。この三角枠状の梁構造が４組設けられ、単位格子１０の中心近傍の接続部１４で互いに接続されている。
【００４１】
本実施形態では、図５に示したように、それぞれの単位格子１０は、Ｘ、ＹおよびＺの各軸方向に沿って隙間なく配列されている。すなわち、単位格子１０は、第１流路部２ａを通過する流体の進行方向である流路奥行き方向（Ｙ方向）に沿って隙間なく配列されている。また、単位格子１０は、流路奥行き方向（Ｙ方向）と直交する第１流路部２ａの流路幅方向（Ｘ方向）に沿って隙間なく配列されている。なお、図５では、互いに隣接する単位格子１０の間の第２梁部１５は、明確な境界線によって別個に形成されているように図示しているが、実際に一体形成すれば、個々の第２梁部１５は区別なく一体になる。また、単位格子１０は、第１流路部２ａの高さ方向（Ｚ方向）に沿って隙間なく配列されている。したがって、Ｚ方向に隣接する単位格子１０同士の第１梁部１２は、端部同士が互いに接続されている。それぞれの単位格子１０は一体形成されているので、単位格子１０の配列全体では、２次伝熱部８ａのＺ方向の一端から他端まで延びる第２梁部１５が、Ｘ方向およびＹ方向に配列されているということができる。
【００４２】
図４に示すように、個々の単位格子１０としては、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各々に、長さＡｘ、ＡｙおよびＡｚを有する。第１流路部２ａの構造との関係では、第１流路部２ａを通過する流体の進行方向がＹ方向であるので、長さＡｙが、第１流路部２ａの流路奥行き方向における単位格子１０の長さに相当する。また、後述する造形方向（Ｚ方向）との対応のため、Ｚ方向を第１流路部２ａの高さ方向とし、残るＸ方向を第１流路部２ａの流路幅方向とする。したがって、長さＡｚが単位格子１０の高さであり、第２梁部１５の長さＬ２に等しい。長さＡｘが単位格子１０の幅である。長さＡｙおよび長さＡｘは、それぞれ、特許請求の範囲の「第１長さ」および「第２長さ」の一例である。
【００４３】
本実施形態では、単位格子１０は、長さＡｘ、ＡｙおよびＡｚのうちで、長さＡｚが最大となるように構成されている（Ａｘ、Ａｙ＜Ａｚ）。したがって、Ｚ方向が単位格子１０の長手方向であり、第２梁部１５は、単位格子１０が有する直方体状の立体形状を構成する辺の内、最大の長さを有する辺方向である長手方向に沿って延びている。第２梁部１５の長さＬ２は、第１梁部１２の長さＬ１よりも大きい。なお、単位格子１０の長手方向は、単位格子１０自体の形状に基づいて定義される方向であり、第１流路部２ａおよび２次伝熱部８ａの向き（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）とは無関係に定義できる。一方、流路奥行き方向および流路幅方向は、第１流路部２ａ（コア１）の構造（方向）に基づいて定義される方向である。したがって、「流路奥行き方向（または流路幅方向）における単位格子１０の長さ」とは、第１流路部２ａの向きを基準として決定される単位格子１０の相対的な寸法であり、たとえば同じ単位格子１０でも、流路奥行き方向がＹ方向の場合とＸ方向の場合とでは、異なる値となる。「単位格子１０の長手方向における単位格子１０の長さ」と言う場合は、第１流路部２ａの構造とは無関係に、単位格子１０自体の形状により決定される寸法を意味する。
【００４４】
本実施形態では、単位格子１０の流路奥行き方向（Ｙ方向）の長さＡｙは、流路奥行き方向における第１流路部２ａの長さＬｙ(図６参照)を長さＡｙで除算して割りきれる大きさである。すなわち、Ａｙ＝Ｌｙ／Ｎ（Ｎは自然数）である。なお、図６に示すように、２次伝熱部８ａは、第１流路部２ａのＹ方向の一端から他端までの全範囲にわたって形成されており、２次伝熱部８ａのＹ方向の長さＬｙは、第１流路部２ａのＹ方向の長さに等しい。各単位格子１０は、第１流路部２ａの流路奥行き方向（Ｙ方向）に沿って隙間なく配列されているため、長さＡｙが２次伝熱部８ａ（第１流路部２ａ）の長さＬｙのＮ分の１となることにより、２次伝熱部８ａ（第１流路部２ａ）のＹ方向端部の単位格子１０が完全な形状で形成されている。つまり、２次伝熱部８ａ（第１流路部２ａ）の入口面および出口面に単位格子１０の第２梁部１５がそれぞれ配置される。
【００４５】
また、本実施形態では、単位格子１０の流路幅方向の長さＡｘは、第１流路部２ａの幅Ｌｘ(図２参照)を長さＡｘで除算して余りが出る大きさである。すなわち、Ａｘ＝（Ｌｘ＋Ｐ）／Ｍ（Ｍは自然数、Ｐは剰余）である。上記のように、各単位格子１０は、第１流路部２ａの流路幅方向（Ｘ方向）に沿って隙間なく配列されているため、第１流路部２ａに単位格子１０をＭ個配列すると幅Ｌｘ内に収まらなくなる。そのため、単位格子１０は、第１流路部２ａの幅Ｌｘ内に収まるように、Ｘ方向に（Ｍ−１）個配列される。その結果、図２に示したように、単位格子１０の端面を構成する第２梁部１５が第１流路部２ａの内壁（１次伝熱部３の表面３ａ）に一体化せずに内壁から離間して形成される。この構成は、２次伝熱部８ａのＸ方向の幅が、第１流路部２ａのＸ方向の幅Ｌｘよりも小さい、と言い換えてもよい。図２の構成例では、１次伝熱部３の表面３ａと最外部の第２梁部１５との間に、間隔ＣＬが設けられており、表面３ａと第２梁部１５とが離間している。
【００４６】
このように、単位格子１０の各軸方向の大きさは、第１流路部２ａの大きさ（２次伝熱部８ａの大きさ）に応じて設定される。なお、個々の梁部１１（第１梁部１２および第２梁部１５）の断面形状（梁部の延びる方向と直交する断面形状）は、特に限定されない。本実施形態では、図４に示した各梁部１１の断面形状は共通であり、１辺が長さＡｔの正方形状である。断面形状は、正方形以外の矩形、六角形や八角形などの多角形、円又は楕円形状などでもよい。梁部１１の断面積（太さ）は、造形技術上の制約や、単位格子１０または２次伝熱部８ａ全体としての機械的強度の制約などを考慮した上で、小さいほど比表面積を大きくできる点で好ましい。たとえば、長さＡｔは、梁部１１（第１梁部１２または第２梁部１５）の長さの１／５未満であり、１／１０未満から１／２０以上程度であってよい。
【００４７】
ところで、積層造形法による立体構造の造形は、水平なベース面から上方に向けて、水平断面構造を積層させていくことにより行われる。重力の作用があるため、積層造形法は完全に任意の形状を造形できるわけではない。たとえば、下側が支持されない水平面または水平に近い傾斜した構造は、造形中に崩れたり、造形時に歪んで形状精度が悪化したりする。反対に、造形方向に一致して延びる垂直な梁（柱）は、重力下での積層により精度よく造形することが可能である。
【００４８】
そこで、本実施形態のコア１では、図２のＺ方向の一方（下側）の端面（ＸＹ平面）をベース面に一致させ、Ｚ方向を造形方向に一致させた状態で造形される。すなわち、図２の下側から上側に向けて造形することになる。この場合、Ｚ方向に延びる１次伝熱部３（および第２流路部２ｂの２次伝熱部８ｂ）と、単位格子１０の第２梁部１５とが、造形方向（Ｚ方向）に一致した状態で積層造形されることになり、精度よく造形される。
【００４９】
この場合、図４に示した単位格子１０の底面Ｂはベース面と略平行になる。第１梁部１２は、単位格子１０の底面Ｂ（ベース面）に対して３０度以上９０度未満の角度θで傾斜するように形成されているため、水平面に対して十分な傾斜角度が確保される。その結果、Ｚ方向を造形方向に一致させた状態で造形することにより、第１梁部１２も精度よく造形することが可能となる。
【００５０】
一方、図２のＺ方向の他方（上側）に位置する第１流路部２ａの端部は、造形方向の上側を覆う構造となってしまう。そこで、図７に示すように、第１流路部２ａは、第２梁部１５の端部が接続される内壁面３０を備え、内壁面３０が単位格子１０の底面Ｂ（ベース面）に対して３０度以上９０度未満の角度φで傾斜するように形成されている。
【００５１】
内壁面３０は、たとえば、図７に示す構成例のように、第１流路部２ａの内部側に向けて突出するように形成される。内壁面３０は、角度φの傾斜面３２を有する凸部３１を含んで形成される。図７の構成例では、凸部３１は、四角錐形状に形成されている。単位格子１０の第２梁部１５は、四角錐形状の内壁面３０の頂点部分に接続されている。凸部３１は、内壁面３０に複数配列され、それぞれの凸部３１の頂点部分が、柱部３３を介して、対応するそれぞれの第２梁部１５と接続される。図７では、便宜的に、Ｙ方向端部側の柱部３３のみを図示している。
【００５２】
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００５３】
本実施形態では、上記のように、立体的な格子状の構造を有する単位格子１０が繰り返し複数配列されて構成された２次伝熱部８ａを設け、単位格子１０に、単位格子１０の各々の頂点１３から延びて単位格子１０の中心近傍で互いに接続された複数の第１梁部１２を設ける。これにより、複数の第１梁部１２によって単位格子１０の表面積（伝熱面積）を容易に大きくすることができる。また、単位格子１０を通過する流体の流れを遮るように複数の第１梁部１２が単位格子１０の中心近傍に集まるので、効率的に乱流を生じさせて熱伝達を効率的に行うことができる。これらの結果、熱伝達性能に優れた２次伝熱部８ａを構成することができる。また、単位格子１０の各々の頂点１３と中心近傍とが複数の第１梁部１２により接続されるので、どの方向の外力に対しても機械的強度（剛性）を確保しやすい構造とすることができる。そのため、熱伝達性能のみならず、２次伝熱部８ａの機械的強度（剛性）を容易に確保することができる。以上により、本実施形態の熱交換器１００によれば、効果的に熱交換器の性能向上を図ることが可能な立体格子構造の２次伝熱部８ａを構成することができる。その結果、熱交換器の性能向上を図ることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、上記のように、単位格子１０に、角柱状の単位格子１０の底面Ｂと直交する辺を構成する複数の第２梁部１５を設ける。これにより、角柱状の単位格子１０の角部（底面Ｂにおける角部）に相当する位置に第２梁部１５が配置されるので、単位格子１０の機械的強度を効果的に向上させることができる。その結果、単位格子１０の機械的強度を確保しつつ比表面積（重量辺りの表面積）を大きくすることができる。
【００５５】
また、本実施形態では、上記のように、単位格子１０を直方体状の立体形状に構成し、底面Ｂと直交する各辺を構成する４本の第２梁部１５と、第２梁部１５の両端部から延びて単位格子１０の中心で互いに接続される８本の第１梁部１２とを、単位格子１０に設ける。これにより、直方体状の単位格子１０の四隅に配置された４本の第２梁部１５の両端が、それぞれ第１梁部１２を介して単位格子１０の中心で連結される構造になるので、熱伝達性能を向上させつつさらに容易に機械的強度を確保することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、上記のように、第２梁部１５を、単位格子１０が有する直方体状の立体形状を構成する辺の内、最大の長さを有する辺方向である長手方向（Ｚ方向）に沿って延びるように形成する。これにより、第２梁部１５を単位格子１０の長手方向（Ｚ方向）に延びる柱として形成することができるので、単位格子１０の長手方向（Ｚ方向）の機械的強度を容易に確保することができる。また、積層造形法により２次伝熱部８ａ(単位格子１０の配列)を造形する場合に、支柱となる第２梁部１５を起点に第１梁部１２を形成することができるので、形状精度が良く安定した造形が可能となる。
【００５７】
また、本実施形態では、上記のように、１次伝熱部３と２次伝熱部８ａとを一体形成し、第２梁部１５を、第１流路部２ａの内壁としての１次伝熱部３の表面３ａと略平行に延びるように形成する。これにより、１次伝熱部３および２次伝熱部８ａを積層造形法によりまとめて形成する場合に、第１流路部２ａの隔壁となる１次伝熱部３と、２次伝熱部８ａ（単位格子１０）の柱としての第２梁部１５とを、造形方向（Ｚ方向）に沿って積層形成して行くことができる。その結果、１次伝熱部３および第２梁部１５の形状精度を容易に確保することができる。柱となる第２梁部１５の形状精度が確保されることにより、第２梁部１５を起点として第１梁部１２も精度良く安定して形成することが可能となるので、１次伝熱部３および２次伝熱部８ａの形状精度を容易に確保できる。
【００５８】
また、本実施形態では、上記のように、単位格子１０を第１流路部２ａの流路奥行き方向（Ｙ方向）に沿って隙間なく配列し、単位格子１０の流路奥行き方向（Ｙ方向）の長さＡｙを、流路奥行き方向（Ｙ方向）における２次伝熱部８ａの長さＬｙを長さＡｙで除算して割りきれる大きさとする。これにより、２次伝熱部８ａの流路奥行き方向（Ｙ方向）の両端部（入口部分および出口部分）で完全な形状の単位格子１０を形成することができるので、２次伝熱部８ａの入口または出口の強度を確保することができる。また、両端部に単位格子１０の頂点位置の第１梁部１２同士の交点を配置することが可能となり、全ての第１梁部１２を途切れることなく造形することが可能となる。
【００５９】
また、本実施形態では、上記のように、単位格子１０を第１流路部２ａの流路幅方向（Ｘ方向）に沿って隙間なく配列し、単位格子１０の流路幅方向（Ｘ方向）の長さＡｘを、第１流路部２ａの幅Ｌｘを長さＡｘで除算して余りが出る大きさとする。これにより、完全な形状の単位格子１０が第１流路部２ａの内側に（表面３ａから間隔ＣＬだけ離間した状態で）確実に収めることができる。その結果、単位格子１０による比表面積の増加や乱流形成の効果を、２次伝熱部８ａの流路幅方向（Ｘ方向）の両端位置でも確実に得ることができる。
【００６０】
また、本実施形態では、上記のように、第１梁部１２を、単位格子１０の底面Ｂに対して３０度以上９０度未満の角度θで傾斜するように形成する。これにより、重力によって造形性（形状精度）が悪くなることを抑制することができるので、単位格子１０（第１梁部１２）を形状精度が良好な状態で造形することができる。
【００６１】
（比較実験結果の説明）
本実施形態の効果を確認するために行った比較実験結果について説明する。本実施形態による熱交換器１００と、従来型のプレートフィン型熱交換器（比較例）とで、熱交換特性についての対比を行った。
【００６２】
比較例の熱交換器は、所定長さのコルゲートフィンが半ピッチずつずれるように配置されたセレート型のフィンを２次伝熱部に備える構成とした。
【００６３】
本実施形態による熱交換器１００は、２次伝熱部８ａの表面積を比較例の熱交換器の２次伝熱部（セレート型フィン）の表面積と略一致するように設計したものである。
【００６４】
その結果、２次伝熱部８ａは、比較例の２次伝熱部（セレート型フィン）と比較して１２％軽量化され、比表面積が増大した。また、本実施形態による熱交換器１００および比較例による熱交換器の熱交換特性として、コルバーンのｊ因子を求めた。本実施形態による熱交換器１００では、比較例の熱交換器（セレート型フィン）と比較して、ｊ因子が約２倍の値を示した。この結果から、本実施形態の熱交換器１００による比表面積の増加と、これに伴う熱交換特性の向上の効果が得られることが確認された。
【００６５】
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【００６６】
たとえば、上記実施形態では単位格子１０に第１梁部１２および第２梁部１５の２種類の梁部１１を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば図８に示す第１変形例のように、第１梁部１２のみにより構成された単位格子１１０を設けてもよい。単位格子１１０は、特許請求の範囲の「単位立体格子構造」の一例である。単位格子１１０では、単位格子１１０の８つの頂点１３の各々から延びて、単位格子１１０の中心近傍の接続部１４で互いに接続された複数（８本）の第１梁部１２が設けられている。この単位格子１１０に、第２梁部１５をＺ方向の各辺に設ければ、図４に示した単位格子１０と同様になる。このほか、たとえば単位立体空間Ｕの四角形状の側面Ｓの対角線を構成する第３梁部１１１を、単位格子１１０に加えてもよい。
【００６７】
単位格子を構成する梁部１１は、全てが頂点１３を通らなくてもよい。たとえば接続部１４の位置を通過するようにＺ方向に延びる梁部を設けてもよい。ただし、頂点１３に端部が配置されるように梁部１１を構成することにより、隣接した他の単位格子を構成する梁部１１と容易に相互接続して機械的強度を効果的に向上させることが可能である。
【００６８】
また、上記実施形態では、四角柱（直方体）形状の単位格子１０（単位立体空間Ｕ）の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、四角柱（直方体）形状の単位格子（単位立体空間Ｕ）であってもよい。たとえば、図９に示したように、六角柱形状の単位格子１２０（単位立体空間Ｕ）を設けてもよい。単位格子１２０は、特許請求の範囲の「単位立体格子構造」の一例である。単位格子１２０では、六角柱形状の単位格子１２０の１２個の頂点１３の各々から延びて、単位格子１２０の中心近傍の接続部１４で互いに接続された複数の第１梁部１２が設けられている。このほか、単位格子（単位立体空間Ｕ）は、４角柱および六角柱以外の他の多角柱形状であってもよいし、たとえば四角錐形状や三角錐形状など、角柱形状以外でもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、プレートフィン型の熱交換器の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば図１０に示すシェルアンドチューブ型の熱交換器２００に本発明を適用してもよい。熱交換器２００は、円筒状のシェル（胴部）２１０内に多数のチューブ２２０を配置した構造を有する。シェル２１０内には、複数のバッフル２１１が配置され、バッフル２１１によりチューブ２２０が保持されるとともに、バッフル２１１とシェル２１０との間の隙間またはバッフル２１１の開口部を介して流路部２１２が構成されている。シェル２１０内でチューブ２２０の周囲を流れる第１流体と、チューブ２２０内を流れる第２流体との間で熱交換が行われる。チューブ２２０は、特許請求の範囲の「１次伝熱部」の一例である。ここで、たとえば図１０のバッフル２１１間の流路部分（ハッチング部分）に、単位格子１０が繰り返し複数配列されて構成された２次伝熱部２１３が設けられる。なお、単位格子の図示は省略する。また、たとえば、チューブ２２０の内部に単位格子１０を配列して２次伝熱部を構成してもよい。本発明では、１次伝熱部により仕切られた流路部の内部に２次伝熱部が配置される構造の熱交換器であれば、どのようなタイプの熱交換器であってもよい。
【００７０】
また、上記実施形態では、積層造形法などの立体造形技術により、コア１の全体を一体形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、単位格子１０が繰り返し複数配列された２次伝熱部８ａの部分だけを立体造形技術により形成してもよい。そして、その他の構造部分は構造材の積み重ねにより構成し、予め造形しておいた２次伝熱部８ａとともに、ろう付けなどによりまとめて接合してもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、第１流路部２ａと第２流路部２ｂとのうち、第１流路部２ａのみに単位格子１０が繰り返し複数配列された２次伝熱部８ａを形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流路部２ａおよび第２流路部２ｂの両方に、単位格子１０が繰り返し複数配列された２次伝熱部を形成してもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、第１流路部２ａと第２流路部２ｂとを設けて２種類の流体間で熱交換を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、３種類以上の流体間で熱交換を行うように、３種類以上の流路部を設けてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、第１流体と第２流体とが互いに直交する向きに流れる直交流型の熱交換器の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流体と第２流体とが同じ向きに流れる並行流型や、第１流体と第２流体とが反対方向に流れる対向流型の熱交換器であってもよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、第２梁部１５を、第１流路部２ａの内壁としての１次伝熱部３の表面３ａと略平行に延びるように形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第２梁部が１次伝熱部３の表面３ａと直交する向きに延びるようにしてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、第２梁部１５を、単位格子１０の長手方向（Ｚ方向)に沿って延びるように形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第２梁部が単位格子の短手方向に沿って延びるように形成してもよい。つまり、長さＡｘまたは長さＡｙが長さＡｚよりも大きくなってもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では、第１流路部２ａを通過する流体の進行方向である流路奥行き方向（Ｙ方向）における単位格子１０の長さＡｙを、Ｙ方向における第１流路部２ａの長さＬｙを長さＡｙで除算して割りきれる大きさとする例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流路部２ａの長さＬｙを長さＡｙで除算して割り切れない大きさとなるように、長さＡｙを設定してもよい。
【００７７】
なお、上記実施形態では、第１流路部２ａがＹ方向に直線状に形成されている例を示したが、第１流路部２ａが屈曲していてもよい。その場合、流路奥行き方向における第１流路部２ａの長さは、第１流路部２ａを通過する流体が流れる経路長と考えてよい。
【００７８】
また、上記実施形態では、単位格子１０のＸ方向の長さＡｘを、第１流路部２ａの幅Ｌｘを長さＡｘで除算して余りが出る大きさとする例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流路部２ａの幅Ｌｘを長さＡｘで除算して割り切れる大きさとなるように、長さＡｘを設定してもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、第１梁部１２を、単位格子１０の底面Ｂに対して３０度以上９０度未満の角度θで傾斜するように形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１梁部１２を３０度未満の角度で傾斜させてもよい。この場合、Ｚ方向に造形するのが難しい場合には、造形方向に対してＺ方向を傾斜させた向きで２次伝熱部８ａを造形してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１  コア
２、２１２  流路部
２ａ  第１流路部
２ｂ  第２流路部
３  １次伝熱部
３ａ  表面
８ａ、２１３  ２次伝熱部
１０、１１０、１２０  単位格子（単位立体格子構造）
１２  第１梁部
１５  第２梁部
２２０  チューブ（１次伝熱部）
Ａｙ  長さ（第１長さ）
Ａｘ  長さ（第２長さ）
Ｂ  底面
Ｘ方向（流路幅方向）
Ｙ方向（流路奥行き方向）
Ｚ方向（長手方向）
θ  角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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