JP2008523347A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、それぞれが、それ自体の利益と欠点を有する、多数の異なる方法を使用して製造されてもよい。複数の導管が通過するモノリシック熱交換器を作製する方法が提供され、この方法は、再溶解される複数の連続する材料層を設けるステップと、所定の設計に従って各層の所定の領域をエネルギービーム再溶解するステップとを含む。各層をエネルギービーム再溶解することは、連続する層を付加する前に実施される。エネルギービーム再溶解にかけられる各層の領域は、層内で固体構造を形成し、各層をエネルギービーム再溶解することは、各層の再溶解された領域を先行する層の再溶解された領域に融着させる。これは、３次元モノリシックユニットの製造をもたらす。熱交換器は、少なくとも５０００ｍ^２／ｍ^３の表面積密度と少なくとも０．６の平均多孔度を持つように製造される。エネルギービームは、たとえば、レーザビームまたは電子ビームとすることができる。

Description

本発明は、熱交換器及び熱交換器を生産する方法に関する。本発明の好ましい実施形態は、スターリングエンジンと共に使用するのに適した熱交換器及び熱交換器を生産する方法に関する。

スターリングエンジンの加熱器（熱い流体、典型的には燃料の燃焼からの熱いガスであるが、同様に、廃熱、太陽エネルギー及び他の熱源からの熱が、その熱の一部を、エンジン内部の加圧されたチャージガスに移動させる熱交換器）は、典型的にはＵ形管の円柱アレイから組み上げられてもよく、燃焼ガスは、通常、下方向で、アレイの中心の上から半径方向外側に、または、アレイの中心から半径方向外側に、最初は、Ｕ形管の内腕の間を、次に、Ｕ形管の外腕の間を通過する。管は、たとえば、ステンレス鋼または耐熱合金でできていてもよい。同様に、燃焼器は、通常物理的に、熱交換器から分離され、比較的大きな燃焼チャンバが、長い火炎長を収容するため、完全な混合を促進するため、また、乱流を生成するために必要とされる。燃焼ガスと管壁との間の熱移動は、主に、対流による。

スターリング加熱器の構造を指定し、設計することは、一部には、加熱器の管壁を介した燃焼ガスとチャージガスとの間での高い熱移動レートが望ましいこと、管を通した圧力降下が低いこと、管の内部容積が小さいこと、コストが安いこと、及び熱頑健性などの考慮事項を均衡させる必要性のため、多くの問題を提示する。スターリングエンジンの出力を改善し、全体のサイズ、重量、及びコストを低減するために、外部熱移動面積（燃焼ガス側）を増加させながら、熱交換器の内部容積（チャージガス側）を低減する必要性が存在する。これは、加熱器が、少数の幅広のボア管ではなく、多数の微細ボア管からなることを必要とする。許容可能なガス速度を維持し、圧力降下を許容可能なレベルに維持するために、長いボア管ではなく、短い微細なボア管が好ましい。同様に、熱を供給する流体は、通常、エンジン内部のチャージガスの圧力より低い圧力にあるガスである。このため、また、許容可能な長さの管内で、熱を供給する流体とチャージガスとの間の高い熱移動レートを得るために、管の外部熱移動表面積と内部熱移動表面積との高い比を提供することが望ましい。こうした高い比は、チャージガスの圧力を収容するのに必要とされる壁厚を超えて、管の壁厚を増加させることによって達成することができるが、これは、重量及びコストを増加させ、高い応力をもたらし、管の壁自体を通した熱移動レートを減少させる。一解決策は、Ｕ管の全てまたは一部（上述した例では、通常、内側上流腕に対してその熱の一部を既に失った流体を受け取る外側下流腕であることになる）が、フィンを付けられ、熱移動エリアを増加させ、管の壁に対する熱移動を最大にすることである。しかし、これらのフィンは、重量及びコストを増加させ、作製するのが難しく、また、熱的に脆弱である可能性がある。

実際に、多数の短い微細なボア管を有する熱交換器または加熱器のアセンブリに伴う費用及び技術的困難さは、熱交換器すなわち加熱器が、望まれるより少数の大きく長い管からなることになる妥協の産物を生じる。商業用途向けの典型的なエンジンは、２００〜５００ｍｍ長であってよい、３ｍｍ〜１０ｍｍ径の２０〜２００個の管を使用してもよい。こうした加熱器は、通常、２００ｍ^２／ｍ^３未満の比較的低い表面積密度を有し、０．４未満の表面多孔度を有する。

表面積密度は、熱交換器の単位ボックス容積当たりの湿潤熱移動表面積の尺度である。多孔度は、熱交換器の全容積内の湿潤流体通路容積によって反映される熱交換器のサーフェスボリュームレシオ（proportion of the total surface volume）の尺度である。スターリングエンジンについて上述した熱交換器構成は、以下の欠点を有する。
（ｉ）熱的脆弱性、
（ｉｉ）スターリングエンジンの出力及び／または効率を低下させる大きなデッドスペース、
（ｉｉｉ）高温材料、並びに、特にフィン付き管の製造及びアセンブリの高いコスト、
（ｉｖ）寿命及び熱移動効率の減少をもたらす管の不均一な加熱、
（ｖ）熱交換器と燃焼器との間の接合部分における応力及び漏れの危険、
（ｖｉ）大き過ぎ、重過ぎること、
（ｖｉｉ）少な過ぎ、長過ぎ、広過ぎる管

多くの他の異なるタイプの知られている熱交換器が存在するが、どれも、スターリングエンジン用の加熱器の寸法的及び性能的要件に適合しない。近年、小さな流体ダクトと３００ｍ^２／ｍ^３を超える高い熱移動表面積密度を有し、０．８を超える値に達することができる多孔度を有する、「コンパクト」熱交換器の開発は、初期の寸法的要件、すなわち、小さな水力直径を有する多数の短いダクトを満たす可能性を示す。しかし、知られているタイプのコンパクト熱交換器はいずれも、高圧と高温の組合せ性能要件を満たすことができない。

性能的要件並びに寸法的要件に最も近い熱交換器を製造する一方法は、拡散接合式熱交換器（diffusion bonded heat exchanger）である。これは、多数のプレートのアセンブリを必要とし、プレートの面の一方または両方は、チャネルまたは溝を機械加工されるか、または、エッチングされている（特許文献１及び特許文献２を参照されたい）。プレートが積重ねられると、これらの溝は、閉じ、それにより、流体がそこを通して流れ、反応し、かつ／または、熱を移動させる通路を形成する。こうした溝は、乱流を提供し、熱移動を高めるために、プレートの平面内で縫うように進むか、または、その他の方法で曲ってもよい。流体が、ある溝から同じプレート内の隣接する溝または別のプレート内の隣接する溝へ流れることを可能にするために、溝または溝壁の１つまたは複数において開口を設けることも可能である。必要である場合、ダクト壁の材料として、または、ダクト内に設置される／ダクト上にコーティングされて、触媒が、システムに含まれてもよい。こうした熱交換器は、いくつかの流体が、熱を交換し、かつ／または、反応することを可能にしてもよい。

これらの交換器の主要な利点は、交換器が、ダクトの水力直径を１ｍｍ以下に減少することを可能にし、５，０００ｍ^２／ｍ^３までの、または、それを超える表面積密度を達成することができ、たとえば、等価な熱移動負荷を有するシェル・アンド・チューブ式熱交換器（shell and tube heat exchanger）と比べて、全体のサイズと重量の大幅な低減を可能にすることである。適した材料で作られると、交換器は、４００ｂａｒを超える非常に高い圧力で、または、９００℃までの高温で動作することができる。

しかし、こうして製造されるコンパクト熱交換器は欠点も有する。
１．精密機械加工、フォトケミカルエッチング及び／または他の同様のプロセス、並びに、拡散接合プロセス自体を必要とする、各プレートの製造は、費用がかかる。
２．プレートの使用は、熱交換器を３次元で設計する能力を制限する。
３．溝の使用は、性能並びに多孔度及び表面積密度について所定の意味を持つ。溝の長手方向縁部が、溝を閉じる隣接プレートの平面と接することによって形成される長手方向接合部分は、２つの不可避の長手方向応力集中部を形成する。フォトケミカルエッチング及び同様なプロセスによって作られた溝の断面は、通常、半円または円の弦の形態をとるが、溝の断面が、四角形または長方形の形態あるいは同様な形態をとり、溝が機械加工されるか、または、レーザエッチングされる場合にそうであるように、溝の閉じた端部において、角または溝の外周方向への比較的急峻な他の変化部を持つ場合、これらの角はまた、付加的な応力集中部を形成する場合がある。これは、拡散接合式構造の接合強度が、親金属の接合強度を達成する場合があるが、熱交換器が、スターリング加熱器において必要とされる高圧と高温の組合せで動作することができないことを意味する。
４．プレートを接合するのに使用される非常に高い圧力は、同じプレート内の隣接する溝の各対間のランドの歪をもたらす可能性があり、普通なら必要とされるはずのものより広いランドを設けることによって、余裕が作られなければならない。
５．こうした熱交換器についての多くの適用において、材料は、ステンレス鋼、あるいは、同様な高温材料及び／または高強度材料でなければならず、その比較的低い熱移動係数は、拡散接合式熱交換器において隣接する溝間のランドである肉厚のフィン、及び、溝の閉じた端部において必要とされるプレート厚の量を必要とする場合がある。
６．最後の２つの欠点の結果、コンパクトな、ろう付けステンレス鋼プレート−フィン熱交換器について０．６〜０．７であり、高性能でコンパクトなアルミニウムまたは銅プレート−フィン熱交換器について０．８を超えるのに比べて、こうした熱交換器についての多孔度が、比較的低い、約０．５〜０．６であることになる。
７．拡散接合式交換器のブロック形状は、接合プロセスの圧力要件のために、断面が、長方形、または、ほぼ長方形であるように必ず制約される。余分な材料の費用のかかる機械加工が採用されなければ、これは、形状、したがって、こうしたブロックの潜在的な適用にかなりの制限を課す。
８．コンパクト熱交換器を製造する拡散接合法は、フィン付け、または、他の表面強化手段を容易には可能にしない。
米国特許第６，６９５，０４４号明細書 国際公開第９０／１３７８４号パンフレット Rapid Manufacturing: The Technologies and Applications of Rapid Prototyping and Rapid Tooling」D.T. Pham, S.S. Dimov著、Springer-Verlag UK, ２００１年５月 「Laser-Induced Materials and Processes for Rapid Prototyping」L. Lu, J. Fuh及びY.-S. Wong著、Kluwer Academic Publisher （２００１年）

本発明は、コンパクト拡散接合式熱交換器のこれらの問題を克服し、溶接式またはろう付け式プレート−フィンコンパクト熱交換器などの他のタイプのコンパクト熱交換器を同様に改良するコンパクト熱交換器を提供しようとする。

本発明の一態様は、熱交換器の少なくとも一部分を作製する方法において、前記一部分を複数の導管が通過し、
再溶解される（remelted）材料の複数の連続する層を設けるステップと、
所定の設計に従って各層の所定の領域をエネルギービーム再溶解するステップであって、各層をレーザ再溶解する該ステップが連続する層を付加する前に実施されるステップとを含む方法であって、
エネルギービームレーザ再溶解するステップにかけられる各層の領域が、その層内で固体構造を形成し、各層をエネルギービームレーザ再溶解するステップが、各層の再溶解された領域を先行する層の再溶解された領域に融着させ、
前記複数の導管が、実質的に連続して湾曲した外側断面を有することを特徴とする方法を提供する。

エネルギービーム再溶解すること（たとえば、選択的レーザ再溶解ＳＬＲなど）によって形成され、（再入可能な突出部、更なる導管用の内部フィン及びスペーサ／支持体、他の導管との接合部など中断部を無視して）実質的に連続して湾曲した断面を持つ導管を有する熱交換器は、上述した問題が対処されることを可能にし、表面積密度（surface area density）及び多孔度（porosity）の増加が達成された、高温動作と高圧動作を同時に可能にするコンパクト熱交換器を特に可能にする。連続して湾曲させられた、どの再入可能な外側断面も、他のシステムにおける応力集中に伴う問題を削減しない。エネルギービーム再溶解は、レーザビーム、電子ビーム、または、何らかの他の形態のエネルギービームを使用することができる。従来の焼結は、摩擦及び／または熱によって粒子を融合させるために、高温と高圧を使用する。「エネルギービーム」焼結は、少なくとも部分的に材料を溶解し（おそらく、完全に溶解し）、その結果、材料が、再溶解された前の層に融着する、まさに目標とする温度で、層内で粒子を融合させ、また、このプロセスは、本技法内に包含される、ある形態のエネルギービーム再溶解である。エネルギービーム再溶解は、材料（粉末）層を融合するための種々の程度の再溶解を提供するために、種々の形態の１つまたは複数のビームを使用することができる。

本技法は、特定の実施形態に応じて、一般的な利点と特定の利点の両方を有する。利点が、全ての実施形態に当てはまるわけではない。一般的な利点の中で、第１に、本技法は、連続的で、かつ、ソフトウェア駆動型であることができるため、低コスト生産に適しており、第２に、本技法は、構造を３次元で構築する能力を可能にし、これは、過去には利用できなかった設計自由度を提供する。その特定の利点は、本技法が置き換える従来の熱交換器に応じて変わるであろう。

拡散接合式プレートタイプ熱交換器の形態で作製される場合、本技法は、そのタイプの熱交換器と比べて、以下の特定の利点を有する。
１．拡散接合で使用される非常に高い圧力による歪が無い場合、隣接するダクト間のランドは、薄くてもよいため、少ない材料が使用され、所与のダクト水力学的半径について、表面積密度及び多孔度が共に増加する。
２．エネルギービーム再溶解は、（更なる内部導管用の内部フィン及びスペーサ／支持体などの中断部を可能にする）実質的に連続して湾曲した外側断面を有する導管を可能にする。これは、応力集中部の問題を軽減し、または、更に解消する。次に、これは、普通なら可能であるはずのものより高い温度及び／または高い圧力の使用を可能にする。別法として、または、同様に、それは、上記１で述べた利点を持つ、より薄いランド及び／またはプレートを可能にする。導管断面は、単一熱交換器内で種々の形状及び複数の形状を有することができるが、好ましくは、円または楕円である。
３．所与の水力直径について、任意の形状または構成のダクトを可能にすることによって、エネルギービーム再溶解は、所与の平面寸法内で、また、所与のランド厚を有し、上記１で述べた利点を持つ、より多くのダクトを可能にする。
４．プロセスにおける高圧についての必要性をなくすことによって、エネルギービーム再溶解は、任意の立断面を有する熱交換器の製造を可能にする。

エネルギービーム再溶解プロセスはまた、真空ろう付け、溶接、または、他の手段による構築であれ、従来のプレート−フィンタイプの熱交換器を製造するのに使用されることができる。この場合、利点は、以下の通りである。
１．２つの材料の厚さを使用して、接合が行われる場合、たとえば、２つのプレートが、面と面を溶接される場合、エネルギービーム再溶解は、材料の一方の厚さだけを使用するであろう。これは、重量とコストを軽減し、所与のダクト水力直径について、表面積密度及び多孔度の少しの増加を可能にする。
２．通常、２次表面すなわちフィン構造が連続である場合、エネルギービーム再溶解は、ピン状フィンであって、円か、楕円などの他の断面のいずれかを持ち、また、ピンの長さに沿って断面幾何形状及び／または断面積が変動する、ピン状フィンを使用する代わりに、構造的完全性に影響を及ぼすことなく、表面積密度及び多孔度を増加させることを可能にする。ピン状フィンは、大きな表面積密度を提供し、境界層及びピン間の乱流の制御を可能にし、それにより、性能向上を可能にする。

エネルギービーム再溶解プロセスはまた、その設計が、拡散接合式熱交換器のブロック形態によって制約されず、また、好ましくは、楕円断面または円断面の管の形態である、非常に多くのフィンボアダクトからなることができる熱交換器を形成するのに使用されることができる。この場合、利点は、以下の通りである。
１．管の使用は、スターリングエンジン加熱器が受けるような高温と高圧で、熱交換器が動作することを可能にする。
２．プロセスは、所与の水力学的半径について、表面積密度と多孔度の更なる増加を提供する、同心管の使用などの構成の変形の使用を可能にし、既存のコンパクト熱交換器と比べて、容積、重量、及びコストの更なる低減がもたらされる。

熱交換器の１つまたは複数の部分は、エネルギービーム再溶解によって製造され、一部は、他の手段によって製造されてもよい。たとえば、一部または全ての導管は、ローリング及び溶接またはシームレス押し出し加工などの従来のプロセスによって製造されてもよい。一部の導管は、エネルギービーム再溶解式熱交換器の他のコンポーネント内の所定位置に挿入されてもよく、また、いくつかの異なる手段、たとえば、締りばめ、または、焼嵌めによって、エネルギービーム再溶解式熱交換器に定位置で固定され、かつ／または、取付けられてもよい。すなわち、一部の導管は、種々の手段によって、導管の長さの全てまたは一部に沿って定位置で溶接されるか、または、ろう付けされてもよい。こうした導管はまた、導管外壁にコンポーネントを更にエネルギービーム再溶解することによって、定位置に固定されてもよい。通常、プロセスを開始するベースとして導管の端部を使用して、エネルギービーム溶解した多岐管が構築されてもよい。あるいは、導管の外側表面上の多岐管またはフィンは、レーザ再溶解を使用して作製される熱交換器の唯一のコンポーネントである。

本技法は、少なくとも一部の実施形態において、熱交換器が、５０００ｍ^２／ｍ^３を超える表面積密度及び０．６を超える多孔度を達成することを可能にする。これらの表面積密度及び平均多孔度特性を有するモノリシック熱交換器は、既存の選択的エネルギービーム再溶解プロセスによって過去に実現されなかった。エネルギービーム再溶解による熱交換器の構築に使用される最新の設計は、拡散接合式プレートなどの他の製造技法と共に使用される既存の熱交換器設計に基づく。最新の設計は、拡散接合式熱交換器のブロック形態を維持し、長方形ダクトを使用する。したがって、最新の設計は、本技法を用いて可能な温度と圧力の組合せで動作することができず、低い表面積密度及び平均多孔度を有する。エネルギービーム再溶解を使用して製造される熱交換器は、他の製造方法に関して当てはまる同じ制約によって制限される必要がないことを本発明は認識する。方法はまた、少なくとも５０００ｍ^２／ｍ^３の表面積密度と少なくとも０．６の平均多孔度を持つモノリシック熱交換器（monolithic heat exchanger）を形成するのに使用されてもよい。

導管断面は、単一熱交換器内で、種々の形状及び複数の形状を有することができるが、好ましくは、（少なくとも、その再入可能でないプロファイルにおいて）円または楕円である。

再溶解される材料は、ゲル、液体、または材料シートの形態であってよいことが理解されることになるが、再溶解される材料は、好ましくは、粉末形態で提供される。粉末は、エネルギービーム再溶解プロセスが終了した後に、たとえば、熱交換器を通して加圧された空気または水を当てることによって、再溶解された熱交換器から洗浄するのに特に簡単である。

再溶解された構造内の応力を減少させるために、各粉末層は、その層のエネルギービーム再溶解が始まる前に、ほぼその再溶解点まで加熱されてもよい。これは、層内に低い温度勾配をもたらし、再溶解された構造が、冷却されたときに割れる事例を減少させる。

ある層内で、かつ／または、複数の層間で、熱交換器の多孔度を変えることによって、熱交換器内での流体の混合に対する精密な制御が可能である。通常、熱交換器内の導管の壁は、実質的にゼロの多孔度を有することになる。すなわち、導管の壁は、熱交換器が収容するように設計される、任意の流体の通過に対して不浸透性であることになる。しかし、ある状況下では、別個の導管からの流体の混合または反応を促進するために、導管と導管との間の壁またはその一部が浸透性であり、流体が、ある導管から隣接導管へ、または、隣接導管からある導管内に流れることを可能にすることが望ましい。

熱交換器の構造及び熱特性に対する精密な制御は、１つまたは複数の連続する粉末層のグループが、１つまたは複数の連続する粉末層の別のグループと異なる材料を含むことを実現することによって得られてもよい。それに応じて、材料が対処しなければならない温度差と圧力差に適合するため、また、応力及び歪を最小にしながら熱移動を最大にするために、特定の特性、特に、所定の熱膨張係数及び熱伝導係数を有する材料を選択することができる。それは、これらのパラメータが、熱交換器内の位置に応じて変わるためである。これは、たとえば、高い温度と圧力を受けてもよい熱交換器のある領域を、費用がかかるがより頑健な材料から構築し、一方、熱交換器の残りの部分を、安価だが頑健性の低い材料、または、別法として、軽い材料から作ることを可能にする。

エネルギービーム再溶解法は、既存のコンパクト熱交換器設計の構成に対して改良を行うことを可能にする。導管は、（少なくとも、再入可能でないプロファイルを考える場合）湾曲部の急な中断部または方向変化が存在しない、実質的に完全に湾曲した断面を備えることができる。好ましくは、実質的に湾曲した断面は、実質的に円の、または、楕円の断面であるであろう。こうした配置構成は、拡散接合式プレート熱交換器では、プレートの２次元の性質のために容易には装備されることができず、２次元の性質は、セグメント形状ダクト（セグメント形状ダクトが形成されるプレートの接合部及び湾曲部を閉じる隣接プレートにおいて湾曲が中断される）、または、四角形もしくは長方形ダクトに容易に役立つ。

好ましくは円の断面を有する導管を設けることは、導管内で圧力降下を減少させるのに役立つ。次に、これは、２つの隣接する導管間の壁が、ダクトの水力直径と同じ水力直径の自由管について必要とされる壁の厚さ以下であることを必要とする厚さを有することを可能にする。この厚さは、同じ断面積の２つのセグメント形状、四角形、または長方形のダクト間で必要とされる最小距離より短く、多くの場合、かなり短いであろう。これは、拡散接合バージョンでは、別個の隣接プレート内にあったと思われる隣接ダクト、及び、拡散接合バージョンでは、同じプレート内の隣接溝であったと思われる任意の２つの溝間の両方に当てはまる。これは、所与の水力学的半径について高い多孔度と表面積密度を可能にし、熱交換器のサイズ、重量、及びコストの低減をもたらす。

エネルギービーム再溶解法はまた、熱交換器内の導管の方向の自由度の改善を可能にする。水平導管、垂直導管、または対角導管、あるいは、３つの組合せを提供することが可能である。たとえば、導管の第１サブセットは、第１方向を有し、導管の第２サブセットは、第２方向を有してもよく、第２方向は、第１方向と異なる。更に、導管の第３サブセットは、第３方向を有し、第３方向は、第１方向及び第２方向の両方と異なる。

導管は、真っ直ぐであっても、湾曲していてもよく、断面が一定でも、テーパ付きでもよい。湾曲した導管は、湾曲する、または真っ直ぐな他の導管の周りに縫うように進む（weave）ように構成されてもよく、隣接する導管間の空間を減らし、熱交換器の熱移動率及び多孔度を増加させる。

２つ以上の隣接導管を分離する熱交換器の領域は、エネルギービーム再溶解または他の適したプロセスによって堆積した断熱体を備えてもよい。断熱体は、熱交換器内の異なる領域間の熱移動を制御するのに役立つ。

エネルギービーム再溶解法はまた、導管が、他の導管内で形成されることを可能にする。それに応じて、導管の１つまたは複数は、外部導管であり、導管の長さの少なくとも一部に沿って、導管内に配設された内側導管を有してもよい。外側導管及び内側導管は、同じ流体か異なる流体のいずれかを受け取るように構成されてもよく、内側導管及び外側導管内での流体の流れの方向は、同じ方向か異なる方向のいずれかであってよい。内側導管は、外側導管内で終わってもよく、外側導管の全長に延びてもよい。内側導管が、外側導管内で終わる場合、内側導管は、閉じた端部によって終わってもよく、流体が内側導管を出て、外側導管内の流体と混合することを可能にするために、開いたままであってよい。ジェット、ノズル、ベンチューリなどのような他の構造が、内側導管を終わるために設けられてもよい。

内側導管の壁は、外側導管内の流体と内側導管内の流体との混合を可能にするために、１つまたは複数の開口を含んでもよく、または、多孔性であってもよい。こうした開口は、混合の程度の適切な制御を実現するように、設計され、配置されてもよい。内側導管及び外側導管は、実質的に共通の長手方向軸を有してもよく、または別法として、内側導管は、外側導管の長手方向軸からオフセットした長手方向軸を有してもよい。内側導管が、内側導管の長さの少なくとも一部に沿って内側導管内に配設された更なる内側導管を有するように、互いの内部に導管の複数の層を有することも可能である。

導管のうちの任意の導管の内側表面は、導管壁の材料、たとえば、触媒と異なる材料でコーティングされてもよい。更に、１つまたは複数の導管の内部表面または外部表面は、１つまたは複数の隆起部（protuberance）を備えてもよい。隆起部は、流体誘導構造（fluid directing formation）であってよく、流体または隣接する導管内に熱移動を提供してもよく、あるいは、導管に対して構造的支持を提供してもよい。たとえば、隆起部は、ダクトの長手方向軸に垂直であるか、または、螺旋状であるフィンの形態をとってもよく、または、ダクトの軸に対して任意の角度のピンの形態をとってもよい。例として、ダクト内に「ステー」を設けることによって、ダクトを真っ直ぐにし、収容される所与の圧力についての壁厚及び水力直径を減らすことが可能である。その機能を高めるためか、流体圧を均等にするためか、または、重量を減らすために、隆起部が、穿孔されてもよい。隆起部は、内側導管を外側導管に取り付けるか、あるいは、隣接する導管を、一緒に取り付けるか、または、熱交換器の本体の他の要素に取り付けるステーを含んでもよい。応力を減らすのに役立つために、隆起部は、任意の平面の１つまたは複数において、湾曲していてもよい。熱交換率を改善するために、隆起部の厚さが、その長さにわたって変わってもよい。隆起部は、熱移動、構造的結合、及び構造的安定性に必要な、最少量の金属などによって接合された導管の軽量「ハニカム」構造の構築を可能にするのに使用されることができる。これらの構造は、拡散接合によって提供されるブロックなどの擬固体ブロックと比べて、高温及び／または高圧によって生じる応力及び歪に対処するのにより適し、また、より迅速に製造される。これは、異なる温度勾配による応力を受けにくい、軽量で、安価で、より迅速に製造されるコンパクト熱交換器の提供を可能にする。

導管は、溶接管から形成されてもよい。溶接管は、平坦ストリップを巻き上げ、縁部を溶接することによって作られる。隆起部は、管の内側表面になるストリップの表面上にレーザ再溶解され、その後、管は、通常の方法で仕上げられてもよい。こうして、普通なら難しいはずの、流体制御隆起部をフィン管内部に載置することが可能になる。

ある適用の場合、熱を生成する一体燃焼器を熱交換器に設けることが望ましい場合がある。燃焼器は、セラミックまたは高ニッケル合金などの再溶解した多孔性材料の壁を有し、レーザ再溶解プロセス中に形成されたチャンバ内に収容され、おそらく、チャンバ内にシールされてもよい。燃焼器自体もまた、レーザ再溶解によって、熱交換器と別に、または、熱交換器とモノリシックに形成されることができる。燃焼器及び／または熱交換器内の燃焼を制御するために、たとえば、グロープラグ、抵抗ワイヤイグナイタ、熱電対、火炎検出器、圧力センサ、及び同様な構造を含む燃焼コントローラが設けられてもよい。燃焼コントローラ要素が、製造プロセス中に適切な位置に設置されてもよく、または、コントローラ要素をその後挿入するために、開口及び管継手が、製造中に設けられてもよい。燃焼はまた、燃焼器チャンバの代わりに、または、燃焼器チャンバに加えて、導管の１つまたは複数内で起こるように制御されてもよい。燃焼器は、事前混合された燃料及び燃焼空気を受け取るように構成されてもよく、または、別法として、燃料と燃焼空気を別々に受け取るように構成されてもよく、燃料と燃焼空気は、熱交換器内で混合される。後者の場合、混合された燃料と燃焼空気は、熱交換器内の所定の場所で燃焼されてもよい。点火及び燃焼を促進するために、多孔性セラミック材料または他の燃焼触媒が、燃焼チャンバ及び／または導管の構築に含まれてもよい。こうした材料は、再溶解プロセス中に定位置に載置された、層、コーティング、インサートまたはメッシュの形態で設けられてもよく、あるいは、再溶解プロセスが終了した後に、導管または燃焼チャンバ内に、挿入されるか、流されるか、または注入されてもよい。

熱交換器は、スターリングエンジンの場合、再生器及び／または冷却器などの、完全なシステムの他のコンポーネントと一体化されてもよい。後者のそれぞれは、熱交換器として、同じ方法で、かつ、同時に、構築されることができ、したがって、３つのコンポーネント間の多岐管がなくなる。あるいは、多岐管は、流体通路を含むように、同じ方法で製造されてもよい。スターリングエンジンでは、チャージガスは、２つの流体通路のうちの内側流体通路を通って流れ、燃焼ガスは、熱交換器の内側通路と本体との間で軸方向にフィンが付いた環状部を通るように構成される。

好ましくは、スターリングエンジンは、２つのシリンダからなってもよく、シリンダのピストンは同じ長手方向軸上にあり、加熱器、再生器、及び冷却器は、シリンダの間で整列する。好ましくは、こうした配置構成では、加熱器は、多数の短い真っ直ぐのフィンボア管の束からなる。適した燃焼器は、直交流または対向流（cross flow）の熱移動を提供してもよい。直交流は、管の間の異なる経路上で燃焼ガスを誘導する環状ダクトによって構成されてもよく、ステー及びフィンは、シリンダの軸に垂直な、シリンダのアレイの平面にわたって温度を均一にするために、異なる管または管のグループの間に燃焼ガスの通路を割り当てるように形成され、構成される。その平面にわたる管の分布は、温度分布のこの均一化を補助するために変わってもよく、これを達成するために、管径並びに隆起部の数及び形態の変動が存在してもよい。ダクトは、適切な量の燃焼ガスを特定の管の間、または、管のグループの間に流すために、等しくなくなる可能性があるセグメントに分割されてもよい。

対向流（counterflow）は、吸込及び吐出し多岐管によって提供されてもよく、多岐管のそれぞれは、エネルギービーム再溶解によって形成され、また、多岐管の１つは、高温シリンダ用の圧力開閉部を形成する。各多岐管は、それ自体、一連のダクトに分割されてもよく、ダクトの寸法及び形状は、各管内への熱移動を均等にするために、全燃焼ガスの特定の割合を、特定の管の間、または、管のグループの間に流すように設計される。各管は、シリンダ自体からアクセス可能であるために、多岐管を通過しなければならないことが明らかであろう。

ガスタービンの場合、レキュペレータ及び燃焼器を一体化することができる。気化器付きガスタービンの場合、レキュペレータ、内燃熱交換器、及び燃焼空間は、１つのモノリシックブロックに一体化されることができる。

導管はまた、排ガスを再循環して燃焼器に戻すために設けられてもよい。バイオマスガス化炉からの燃料などの汚染された燃料を使用するときに、反応を促進させるため、または熱交換気器内の導管を洗浄するために、蒸気が熱交換器内に注入されることを可能にする、更なる導管が設けられてもよい。

本発明の実施形態は、上記方法に従って、レーザ再溶解プロセスによって形成されるモノリシック熱交換器を提供する。

本発明の別の態様は、レーザ再溶解プロセスによって形成される熱交換器を提供し、熱交換器は、
モノリシック熱交換器本体であって、モノリシック熱交換器本体を通過する複数の導管を有し、かつ、実質的に連続して湾曲する外側断面を有する、モノリシック熱交換器本体を備える。

本発明の実施形態は、ここで、添付図面を参照して、例によってだけ述べられるであろう。

図１Ａ〜１Ｄを参照すると、本発明の実施形態による、熱交換器を製造するのに適したレーザ再溶解プロセスが述べられる。

このタイプの製造プロセスの説明は、非特許文献１及び非特許文献２に見出すことができる。

図１Ａでは、それぞれが、所与の仕様に従って熱交換器を形成するために再溶解するのに適した粉末１５、２５を収容する、２つの粉末供給チャンバ１０及び２０が設けられる。粉末供給チャンバ１０、２０内の粉末１５、２５のレベルは、ピストン１１、２１によって各チャンバ内で制御される。再溶解チャンバ３０が設けられており、レーザビームに対する暴露によって、粉末が再溶解されて固体構造が形成されてもよいのは、このチャンバ内である。レーザビームは、レーザ６０によって生成され、方向制御ミラー７０を使用して、再溶解チャンバ３０内の粉末層の所望の領域上に誘導される。再溶解チャンバ３０内において、現況生産技術の熱交換器である未再溶解粉末３２及び再溶解構造３３が示される。再溶解チャンバ３０内の粉末３２及び再溶解構造３３のレベルは、ピストン３１によって制御される。新しい層が再溶解チャンバ３０内に設けられる必要があるプロセスの各段階において、粉末供給チャンバ１０、２０の一方のチャンバ内の粉末１５、２５が、ローラ８０によって、再溶解チャンバ３０に分配される。

図１Ｂを参照すると、再溶解チャンバ３０内に新しい粉末層を作るプロセスが始動される。粉末供給チャンバ１０内のピストン１１は、粉末供給チャンバ１０内の粉末１５のレベルを、粉末供給チャンバ１０と再溶解チャンバ３０を分離する隔壁のレベルを超えるように上げる。更に、再溶解チャンバ３０内のピストン３１は、チャンバ内の粉末３２及び再溶解構造３３のレベルを下げて、新しい粉末層用の空間を提供する。

ここで、図１Ｃを参照すると、ローラ８０は、粉末供給チャンバ１０からの粉末１５の突出する上面部を、再溶解チャンバ３０内に押し込み、既存の粉末３２及び再溶解構造３３上に均一に広げて、再溶解チャンバ３０内に新しい粉末層が形成される。本実施形態では、ローラ８０は、装置の遠い右手側まで継続して進む。これによって、上記プロセスが、右手側粉末供給チャンバ２０からの粉末を使用して、その後、繰り返されることが可能になり、ローラ８０は、装置を横切って右から左へ移動する。したがって、粉末送出プロセスは、左から右動作と右から左動作を交互に行うことができる。本発明の他の実施形態は、単一粉末供給チャンバ１０または２０だけを設けてもよく、ローラは、新しい層を送出する前ごとに、その開始位置に戻る。

図１Ｄを参照すると、レーザ６０は、スイッチオンされ、再溶解チャンバ３０内の新鮮な粉末層の表面の所定領域にレーザビーム光を当てる。レーザビームの制御は、制御ミラー７０を使用して行われ、制御ミラー７０によって、レーザビームが、再溶解チャンバ３０内の粉末層の表面を横切って走査される。レーザビームは、パルス波か、連続波のいずれかであってよく、選択された特定の粉末を再溶解するのに適した、強度及び波長などの特性を有するであろう。制御ミラー７０は、データ処理装置（図示せず）によって制御され、データ処理装置は、製造される構造を記述する３次元設計の２次元スライスに従って再溶解される現在の粉末層の所定の領域を指定する。

好ましくは、再溶解チャンバ３０内の粉末及び再溶解構造は、レーザビームを当てる前に、粉末の再溶解点の直下の温度まで加熱される。これは、再溶解構造内の温度差応力の発生率を減少させる。再溶解チャンバ３０は、不活性ガス（たとえば、窒素）を充填されて、高温における粉末材料の酸化を禁止してもよい。

他のレーザ再溶解法が想定される。たとえば、粉末層を材料の「シート」として載置すること、または、粉末層をディスペンサを介して再溶解チャンバ３０内に直接送出することなどの、異なる粉末送出メカニズムが設けられてもよい。同様に、粉末送出メカニズムが、レーザビームが所定の領域に当てられるのと同時に、再溶解チャンバ３０内の所定の領域に粉末を提供する場合、粉末送出プロセス及び再溶解プロセスが、実質的に同時に実施されることができる。用語「レーザ再溶解」は、レーザビームを使用して原料を選択的に再溶解する、または再再溶解することによって、未処理材料から固体構造を形成する任意の方法を意味すると考えることができる。

図２Ａは、図１Ａ〜１Ｄを参照して上述した方法を使用して構築することができる２次元スライスを概略的に示す。スライスを通過する穴は、粉末層の未再溶解領域を表し、スライスの残りのエリアは、粉末層の溶解領域を表す。この例では、穴は、熱交換器構造を垂直に延びる導管用の部分構造を表す。再溶解プロセスが終了すると、穴は、構造のいくつかの層に交差するであろう。

図２Ｂは、構築することができる別の２次元スライスを概略的に示す。この場合、導管は、スライスの平面に平行に、かつ、平面内に配設される。それに応じて、導管の径またはボアは、単一の粉末層の厚さより厚いため、粉末層の再溶解された領域は、粉末層の未再溶解領域によって、互いから分離される。この例の実施形態では、層は、レーザ再溶解プロセスによって垂直方向に設けられる最も小さい部分構造であり、それに応じて、１つの層より薄い導管は、構築することができないことが留意される。図２Ｂの再溶解された領域は、層の平面内で互いから分離するが、他の層内の再溶解材料を介して間接的に互いに接続されるであろう。

図２Ｃは、再溶解構造のいくつかの層の平面に平行で、かつ、平面内で延びる導管を示す。１７の層（２２１〜２３７）が示されており、一番上の層２２１と一番底の層２３７は、未再溶解領域２１２によって中断されない。残りの１５の層は、全て、未再溶解領域２１２によって中断され、構造を通って延びる導管を画定する。離散的な層上に働くことから、レーザ再溶解プロセスは、状況によっては、任意の再溶解構造上に、２つ以上の粉末層にわたる「階段状」表面を実現することをもたらすことになることが図２Ｃを見てわかる（これは、図において、誇張した形態で示される）。ある場合には、これらの急峻な縁部は、混合を促進するために望ましい場合がある。他の場合には、急峻な縁部は望ましくない場合があり、それに応じて、再溶解プロセスが終了した後に除去されてもよく、図２Ｃの導管の場合、これは、たとえば、導管を通して、研磨液かまたは腐食液を流すことによって実施されることができる。

上述した選択的なレーザ再溶解プロセスは、使用することができる、可能性のあるエネルギービーム再溶解プロセスの一例に過ぎないことが理解されるであろう。例として、レーザ再溶解の代わりに、または、レーザ再溶解と共に、電子ビーム再溶解を使用することができる。

上述したレーザ再溶解プロセスは、複雑な３次元設計を実現することを可能にする。熱交換器の場合、これは、熱交換器の本体を通って延びる導管の間の入り組んだ関係及び相互作用を可能にする。図３Ａは、湾曲導管３１０の第１セット、及び、湾曲導管３１０の第１セットの全体方向に直角である全体方向に延びる湾曲導管３２０の第２セットの編み込んだ配置構成を概略的に示す。こうした配置構成は、隣接する導管の間の空間を減らすため、また、熱移動率及び多孔度を増加させるために使用することができる。熱交換器のサイズ、重量、及びコストの低減の形態で、他の利点が得られてもよい。図３Ｂは、図３Ａの配置構成と同じであるが、湾曲導管３３０の一方のセットが真っ直ぐな導管を備え、湾曲導管３１０の他方のセットが、２つのセットの導管が編み込まれるのに必要な湾曲度を提供する、配置構成を概略的に示す。

図４Ａ及び４Ｂは、導管の長さが、垂直コンポーネントを有する方向に延び、導管の長さが、多数の再溶解層にわたる、例の導管配置構成を概略的に示す。図４Ａでは、実質的に一定の断面またはボアを有する導管が示される。導管の壁は、プロセスの離散的な性質のために、垂直軸において平滑でないことが、やはり見てわかる。図４Ｂでは、多くの再溶解層にわたる、変動する断面を有する導管が示される。導管の断面積または形状に変動を設けることは、流れ特性及び熱移動特性などの制御を可能にする。

図５は、再溶解チャンバ３０内の異なる層が、異なる材料からなる粉末を提供されることを実現することによって、再溶解構造の材料特性が、垂直位置に応じて（すなわち、１つまたは複数の層によって）変わることができる方法を概略的に示す。図５の例では、これは、粉末供給チャンバ１０内に、異なる材料を含む粉末層を設けることによって達成される。新しい粉末層が再溶解チャンバ３０内に分配されると、粉末供給チャンバ１０内のピストン１１は、持ち上げられ、第１粉末タイプ５１９の上の部分を露出させる。粉末タイプ５１９は、粉末タイプ５１９の供給がなくなるまで、粉末送出プロセスの後続の反復に関して使用され続けられるであろう。この段階で、粉末送出プロセスの更なる反復は、粉末タイプ５１８が使用され尽くされるまで、粉末タイプ５１８を使用するであろう。このプロセスは、レーザ再溶解プロセスが終了するまで、粉末タイプ５１７及び５１６を通して継続するであろう。再溶解材料の特性を制御する他の方法もまた利用可能である。たとえば、層の所与の領域上でのレーザビームの滞留時間を変更することによって、または、レーザビームによって生じる層内の温度を変えることによって、再溶解プロセス自体を変えることができる。

構造の材料特性を変える効果の例を、第１導管６１０及び第２導管６２０を示す図６を参照して示すことができる。第１導管６１０及び第２導管６２０は、壁６３０によって分離される。壁６３０は、（離散的な開口か、全体が多孔性のある構造によって）ある多孔度を持って製造されており、第１導管６１０と第２導管６２０との間での流体移動を可能にする。上述したプロセスを使用して、壁６２０の多孔度を変えることによって、流体が、壁６３０を通して、どれほど容易に移動することができるかを指定することが可能である。特に、壁６３０の多孔度が高ければ高いほど、流体移動速度が大きい。２つの導管の間で流体の移動をこうして可能にすることは、導管内での流体の混合及び／または反応を可能にする。

レーザ再溶解による熱交換器の製造は、有利には、導管が、他の導管内で構築されることを可能にする。これは、図７Ａに概略的に示される。図７Ａを参照すると、外側導管７１０は、外側導管７１０を囲む壁として働く材料エリア７３０内に設けられる。外側導管７１０の内部に、中空管状構造７４０によって画定される内側導管７２０が存在する。

内側導管７２０は、実質的に外側導管７１０の全長に延びる。この配置構成は、図７Ｂに示され、中空管状構造７４０ａは、外側導管７１０ａの外側壁７３０ａに平行に延びて、内側導管７２０ａが形成される。代替の配置構成では、内側導管７２０は、外側導管７１０の長さの一部のみに沿って延びてもよい（また、ある地点（図示せず）で外側導管７１０を通過してもよい）。この代替の配置構成の２つの例は、図７Ｃ及び７Ｄに概略的に示される。図７Ｃでは、内側導管７２０ｂは、外側導管７１０ｂの長さに沿って途中で終わる管状構造７４０ｂを備える。それに応じて、この地点を越えて、外側導管７１０ｂの外側壁７３０ｂ間には構造が存在しない。管状構造７４０ｂは、端部７５０で終わり、端部７５０は、流体が、その端を通って内側導管７２０ｂを出ることを部分的に抑制するか、または、完全に妨げる。

図７Ｄでは、外側導管７１０ｃの外側壁７３０ｃ及び内側導管７２０ｃの管状構造７４０ｃは、図７ｃと同様な方法で設けられるが、内側導管７２０ｃの端からの流体流を抑制するか、または、妨げる端部７５０は存在しない。それに応じて、この地点において、内側導管７２０ｃと外側導管７１０ｃに沿って移動する流体は、混合し、流体の組成に応じて、反応してもよい。

図７Ａ〜７Ｄでは、内側導管及び外側導管は、断面で観察されると同心である。別の導管内に１つの導管を設けることによって得られる利点は、完全にこの同心性によっているわけではなく、内側導管は、それに応じて、わずかに、または実質的に偏心していてもよく、または、管状構造７４０は、更に、外側導管７１０の壁７３０と接触してもよい。更に、内側導管及び外側導管は、断面が円である必要はないが、楕円または任意の他の連続する湾曲形状であってよい。内側導管７２０の長さに応じて、支持体が、内側導管７２０の長さに沿って、連続して、または断続的に必要とされる場合がある。これらの支持体は、管状構造７４０と外側壁７３０との間に延びるストラットまたはプレートの形態（隆起部の形態）をとってもよい。

導管は、それらの壁からの隆起部が流体流内に延び、（よりよい熱移動のための）熱移動面積、構造的支持、ステー、乱流内のトリッピング層流（triping laminar flow）の増加を実現すること、及び、（ある方向により多くの流体流抵抗を設けることによって）熱交換器を通して流体流を誘導するための空力弁を形成することなどの、種々の機能に役立つように形成される。

本発明の実施形態に従って作製される熱交換器と燃焼器の組合せの例は、ここで、図８〜１５を参照して述べられる。熱交換器及び燃焼器は、４つの側面、上面、及び底面を有する長方形ブロックを備える。最初に図８を参照すると、熱交換器と燃焼器の組合せの側面図が、概略的に示される。この場合、燃焼器は、熱交換器本体８００部の底のキャビティ内に配設された一体多孔性バーナブロック８０２である。バーナブロック８０２は、空気／燃料混合物を提供されると動作して、この空気／燃料混合物を燃焼させ、熱い排ガスを生成する。空気／燃料混合物は、熱交換器本体８００及びバーナブロック８０２の下に配設され、熱交換器本体８００の底面に結合したダクト（図８には示さないが、後で、図１５Ａ〜１５Ｃを参照して述べられる）によってバーナブロック８０２に供給されるであろう。バーナブロック８０２によって生成された熱い排ガスは、その後、上昇して、バーナブロック８０２の真上に配設され、熱交換器本体８００の屋根までのほとんどを延びるバーナチャンバ８０４内に入るであろう。

熱交換器本体８００は、バーナチャンバ８０４及びバーナブロック８０２に加えて、いくつかの異なる領域を備える。図８の底部から始まって、熱交換器本体８００は、四角形または長方形開口で表される８列のチャージガス導管８１３を備えるベース部８１２を含む。チャージガス導管８１３は、図８に示す位置において、熱交換器本体８００に入る吸込開口を有し、熱交換器本体８００を通して延び、最終的に、熱交換器本体８００の対向面の吐出し開口で終わる。ベース部８１２内のチャージガス導管８１３の列は、ベース部８１２の中央領域にバーナブロック８０２が存在するため、熱交換器本体８００の面の全長に沿って存在しない。

ベース部８１２の上方には、２９列のチャージガス導管８１３を備える主要部８１４がある。図８の線Ｃ−Ｃに沿った断面は、後で図１４を参照して述べられ、主要部８１４内のチャージガス導管８１３の幾何形状を更に示す。ベース部８１２と対照的に、熱交換器本体８００の主要部８１４では、チャージガス導管８１３の列は、熱交換器本体８００の面８４１から面８４３までチャージガス導管８１３に対して垂直に延びる排ガス導管８１５の列によって、垂直方向に交互に、すなわち１層おきになる。排ガス導管８１５の幾何形状は、熱交換器本体８００の側面図を示す図１１及び図８の線Ｂ−Ｂを通る断面図を示す図１３を参照して後で述べられる。チャージガス導管８１３の列は、各列の中央領域で中断されないが、２つの小さい領域、すなわち各列の左側の領域及び各列の右側の領域内で中断される。これらの２つの中断領域は、各列の中央領域に吸込点を有するチャージガス導管８１３が、熱交換器本体８００を通過するときに、バーナチャンバ８０４を迂回することを可能にする。バーナチャンバ８０４は、熱交換器本体８００の主要部８１４の上面まで延びる。

熱交換器本体８００の主要部８１４の上方には、５列のチャージガス導管８１３を備える屋根部８１６がある。主要部８１４と同様な方法で、チャージガス導管８１３の列は、熱交換器本体８００の面８４１から面８４３までチャージガス導管８１３に対して垂直に延びる排ガス導管８１５の列によって、垂直方向に交互になる。しかし、主要部８１４と対照的に、チャージガス導管８１３の列に対する実質的な中断は存在しないが、チャージガス導管への吸込点間の空間は、（一番上の列を除いて）各列の中央領域内で大きい。図８の線Ａ−Ａを通る断面は、後で図１２を参照して述べられ、屋根部８１６内の、チャージガス導管８１３及び排ガス導管８１５の幾何形状を更に示す。バーナチャンバ８０４は、熱交換器本体８００の屋根部８１６内に延びないが、屋根部８１６内の中央領域に設けられる垂直導管は、バーナチャンバ８０４内のガスが中央屋根領域８１６に入り、その後、屋根領域８１６内の排ガス導管８１５を通って出ることを可能にする。この場合、図８に示す面に対向する熱交換器８００の面は、図示する面と同じであるが、他の例の実施形態では、異なってもよい。

動作中、燃焼がバーナブロック８０２内で起こり、熱い排ガスがバーナチャンバ８０４に入るが、チャージガスは、チャージガス導管８１３の吸込点に入り、熱交換器本体８００内でチャージガス導管８１３を通って流れ、吸込点に対応する吐出し点を介して熱交換器本体８００を出るように構成される。チャージガスは、ダクトを介して熱交換器本体８００の吸込点に供給され、熱交換器本体８００から出るチャージガスは、別のダクトを介して収集されるであろう。ダクトの配置構成は、後で図１５Ａ〜１５Ｃを参照して述べられるであろう。バーナチャンバ８０４は、熱い排ガスで充満するため、バーナチャンバ８０４内の圧力は、上昇し、排ガス導管８１５内の圧力を超えるであろう。これは、バーナチャンバ８０４から排出されるべき熱い排気ガスが、排ガス導管８１５を介して熱交換器本体８００を出ることを可能にするであろう。排ガスは、水平にバーナチャンバ８０４から熱交換器本体８００の主要部８１４の排ガス導管８１５内にも、また、垂直に熱交換器本体８００の屋根部８１６の中央領域内に（排ガスは、その後、熱交換器本体８００の屋根部８１６内の排ガス導管８１５を介して水平に出ることができる）も移動するであろう。熱交換器本体８００を出る排ガスは、熱交換器本体８００の端面８４１及び端面８４３に結合するダクト（図示せず）によって収集されるであろう。ダクトの構成は、後で図１５Ａ〜１５Ｃを参照して述べられるであろう。

熱い排ガスは、熱交換器本体８００を通過するチャージガスより高い温度にある。熱交換器の目的は、熱交換器本体８００を通過する２つの流体間の熱移動を実現することである。本配置構成では、チャージガス導管８１３は、排ガス導管８１５の近くに配設され、チャージガス導管８１３と排ガス導管８１５を分離する壁を通して、熱い排ガスからチャージガスへの高速でかつ効率的な熱移動を可能にする。

図９を参照すると、図８の熱交換器と燃焼器の組合せの底面図が概略的に示される。図９は、熱交換器本体８００のベースの中央にある、バーナブロック８０２の位置を示す。バーナブロック８０２の破断図は、空気／燃料混合物が燃焼のために注入される複数の孔８０３を表す。バーナブロック８０２の上方に配設されるバーナチャンバ８０４の位置は、点線８０５で表される。熱交換器本体８００のベース部８１２内のチャージガス導管８１３の１つの例の位置が示され、チャージガスが熱交換器本体８００内に注入される吸込点８２２、及び、チャージガスが内部で加熱された後、熱交換器本体８００から排出される吐出し点８２４を含む。チャージガス吸込ダクト（図示せず）は、チャージガス吸込部８２２にチャージガスを供給するために、フランジ８２６によって面８４５に結合され、チャージガス吐出しダクト（図示せず）は、チャージガス吐出し部８２４からの排出されたチャージガスを受け取るために、フランジ８２８によって面８４７に結合される。

図１０を参照すると、図８及び図９の熱交換器及び燃焼器の組合せの上面図が、概略的に示される。図１０に示す熱交換器本体８００の上面は、一方向において、面８４７及びフランジ８２８の上面部から面８４５及びフランジ８２８の上面部まで延び、他方の方向において、排気ダクトに係合する面８４１及びフランジ８４４の上面部から別の排気ダクトに係合する面８４３及び別のフランジ８４６の上面部まで延びる平坦金属表面８３０を含む。

図１１を参照すると、図８、９、及び１０の熱交換器及び燃焼器の組合せの端面図が概略的に示される。バーナブロック８０２は、図８を参照して述べた、熱交換器本体８００の底面部８１２に相当する、中央下領域に見ることができる。チャージガス導管８１３の側面は、図１１の左下領域及び右下領域内に表される。この上方で、図８に示す主要部８１４及び屋根部８１６に相当するエリアにおいて、熱交換器本体８００の端面は、排気吐出し部で一杯である。排気吐出し部からの排気物は、熱交換器本体８００の端面８４１及び端面８４３に結合した排気ダクトを介して、熱交換器本体から、（永久にまたは再循環されるように）取り去られる。

チャージガス導管８１３は、図１１を横切って水平に延びるように示され、チャージガスは、面８４５において熱交換器本体８００に入り、面８４７から熱交換器本体８００を出る。熱交換器本体８００の面８４１及び８４３に結合する排気ダクトと類似のチャージダクトは、熱交換器本体８００の面８４５及び８４７に結合して、チャージガスを熱交換器本体８００の面８４５に供給し、熱交換器本体８００の面８４７からチャージガスを受け取る。

この場合、図１１に示す面に対向する熱交換器本体８００の面は、図示する面と同じであるが、本発明の他の実施形態では、異なってもよい。

図１２は、図８の線Ａ−Ａに沿った、熱交換器本体の屋根部８１６を通る水平断面を概略的に示す。断面は、バーナチャンバ８０４の上方から、熱交換器本体の面８４１及び面８４３まで延びる排ガス導管８１５を示す。排ガスは、十字四角形で図１２に示す垂直導管８１９を介してバーナチャンバ８０４の上方の屋根部８１６に入る。垂直導管８１９から面８４１及び面８４３までの排ガスの全体の経路は、排ガス導管８１５内の方向矢印で示される。図１２はまた、排ガス導管８１５に対するチャージガス導管８１３の位置を示す。チャージガス導管８１３は、隣接層内で排ガス導管８１５に対して垂直に延びる。

図１３は、図８の線Ｂ−Ｂに沿った、熱交換器本体の主要部８１４を通る水平断面を概略的に示す。図１３に示す断面は、排ガス導管８１５の層に相当する。図１２に示す断面と同様に、排ガス導管８１５は、図示する断面の平面内で、バーナチャンバ８０４から熱交換器本体の面８４１及び面８４３まで延びる。バーナチャンバ８０４を出る方向矢印は、バーナチャンバ８０４内の熱い排気ガスの流れの方向を示す。

図１４は、図８の線Ｃ−Ｃに沿った、熱交換器本体の主要部８１４を通る水平断面を概略的に示す。図１４に示す断面は、チャ−ジガス導管８１３の層に相当する。チャ−ジガス導管８１３は、面８４５から対向する面８４７まで延び、チャ−ジガスは、面８４５においてチャ−ジガス導管８１３に入り、チャ−ジガス導管８１３を通って移動して、面８４７において熱交換器本体を出る。この移動方向は、チャ−ジガス導管８１３に入り、移動し、出る、図示する方向矢印によって、チャ−ジガス導管８１３のある選択について示される。中央チャ−ジガス導管８１３は、熱交換器本体の面８４５から面８４７まで間接経路をとることによって、バーナチャンバ８０４を迂回する。

図１５Ａ〜１５Ｃは、チャージガスを供給し、受け取るための、燃料／空気混合物を供給するための、また、排ガスを受け取るためのダクト配置構成を概略的に示す。最初に図１５Ａを参照すると、熱交換器８００の底面には、燃焼のために燃料／空気混合物をバーナブロック８０２に供給するための燃料／空気混合物ダクト８８４が結合されている。２つの排気ダクト８８６ａ及び８８６ｂは、熱交換器８００の対向する面に結合され、熱交換器８００の上方で完全に連結して、単一排気ダクト８８６ｃが形成される。排気ダクト８８６ａ及び８８６ｂによって収集された排気ガスは、湾曲した方向矢印によって示される経路をたどる。チャージガス吸込ダクト８８０及びチャージガス吐出しダクト８８２も、熱交換器８００に結合される。チャージガス吸込ダクト８８０及びチャージガス吐出しダクト８８２の相対位置は、図１５Ｂ及び１５Ｃを見ると明確にわかり、チャージガス吸込ダクト８８０とチャージガス吐出しダクト８８２は、排気ダクト８８６ａ、８８６ｂに結合していない熱交換器８００の残りの２つの側面に結合されているのが示される。

図１６は、水加熱器内のＳＬＲによって製造された熱交換器を概略的に示す。図示するように、熱交換器は、架橋結合及び導管が次々と重なるように配設された、複雑な形態の管状マトリクス構造を有する。この複雑な３Ｄ形態は高い効率を可能にし、以前に知られている非ＳＬＲ技法に従って作製することが非実用的であると思われる形態である。

図１７は、選択的レーザ再溶解によって共に形成された、吸込多岐管１００２及び吐出し多岐管１００４を有する熱交換器を示す。組立て式微細管からなる導管１０００は、締りばめ、多岐管が形成されるときに多岐管を管に融着する多岐管のレーザ再溶解、ろう付け、または、ある他の方法でなどによって、多岐管１００２、１００４に接合される。この部分的な事前作製は、低コストの組立て式管１０００が、（おそらく、同心管配置構成を有する）熱交換器の大部分に使用されることを可能にし、複雑かつ、普通なら形成するのが難しいはずの多岐管が、レーザ再溶解によって作製され、それにより、普通なら非実用的であるはずの多岐管配置構成が可能になる。

上記配置構成は、「気体」である排気ガス及びチャージガスの両方を参照して述べられたが、実際には、これらの一方または両方は、液体形態とすることができ、混合相の実施形態が、ある使用には特に有用である場合がある。

本発明の例示的な実施形態が、添付図面を参照して本明細書において詳細に述べられたが、本発明は、これらの厳密な実施形態に限定されないこと、及び、添付特許請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって、種々の変更及び修正を行うことができることが理解される。特に、本発明はまた、改質器、反応器、燃焼器、及びそれらの任意の組合せに関連し、材料のサイズ、重量、及び／または使用を低減すること、並びに、反応及び／または熱移動効率を改善することが重要である場合、あるいは、高温及び／または高圧が加えられる場合に、特に重要である。応用は、スターリングエンジンを超えて、たとえば、擬似スターリングサイクル機器、ブレイトンサイクル機器、ボイラ、水または他の流体加熱器、燃料電池、気化器、低温デバイス、冷却デバイス、空調装置、及び冷凍装置、並びに、化学、製薬、及び関連プロセスで使用するためのデバイスに広がる。一般的に、本発明は、熱交換、改質、反応、または燃焼を必要とする任意の機器またはプロセスに適用される。

熱交換器が構築されることができる例のレーザ再溶解プロセスを概略的に示す図である。 熱交換器が構築されることができる例のレーザ再溶解プロセスを概略的に示す図である。 熱交換器が構築されることができる例のレーザ再溶解プロセスを概略的に示す図である。 熱交換器が構築されることができる例のレーザ再溶解プロセスを概略的に示す図である。 再溶解層についての例の設計を概略的に示す図である。 再溶解層についての例の設計を概略的に示す図である。 再溶解層についての例の設計を概略的に示す図である。 本発明の実施形態において設けられてもよい「縫うように進む」タイプの導管の配置構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態において設けられてもよい「縫うように進む」タイプの導管の配置構成を概略的に示す図である。 例の導管の配置構成を概略的に示す図である。 例の導管の配置構成を概略的に示す図である。 熱交換器の異なる層の構築のために、いくつかの異なる材料が設けられるレーザ再溶解プロセスを概略的に示す図である。 ２つの導管内の流体間で、ある程度の混合を可能にするように多孔性がある分離壁を有する２つの熱交換器導管を概略的に示す図である。 内側導管が外側導管内部に設けられる熱交換器導管の配置構成を概略的に示す図である。 内側導管が外側導管内部に設けられる熱交換器導管の配置構成を概略的に示す図である。 内側導管が外側導管内部に設けられる熱交換器導管の配置構成を概略的に示す図である。 内側導管が外側導管内部に設けられる熱交換器導管の配置構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による、熱交換器及び燃焼器の組合せの略側面図である。 図８の熱交換器及び燃焼器の組合せの略底面図である。 図８及び図９の熱交換器及び燃焼器の組合せの略上面図である。 図８〜１０の熱交換器及び燃焼器の組合せの略端面図である。 図８〜１２の熱交換器及び燃焼器の組合せの第１の略断面図である。 図８〜１２の熱交換器及び燃焼器の組合せの第２の略断面図である。 図８〜１２の熱交換器及び燃焼器の組合せの第３の略断面図である。 本発明の実施形態による、熱交換器の例の管路配置構成の略図である。 本発明の実施形態による、熱交換器の例の管路配置構成の略図である。 本発明の実施形態による、熱交換器の例の管路配置構成の略図である。 本技法に従って少なくとも部分的に製造された水加熱器用の熱交換器の略図である。 レーザ再溶解によって作製された多岐管を有し、組み立て式導水管（prefabricated conduit tubes）を有する熱交換器の略図である。

符号の説明

１０，２０ 粉末供給チャンバ
１５，２５ 粉末
１１，２１，３１ ピストン
３０ 再溶解チャンバ
３２ 未再溶解粉末
３３ 再溶解構造
６０ レーザ
７０ 方向制御ミラー
８０ ローラ
２１２ 未再溶解領域
２２１ 一番上の層
２３７ 一番底の層
３１０，３２０，３３０ 湾曲導管
５１６，５１７，５１８，５１９ 粉末タイプ
６１０ 第１導管
６２０ 第２導管
６３０ 壁
７１０，７１０ａ，７１０ｂ，７１０ｃ 外側導管
７２０，７２０ａ，７２０ｂ，７２０ｃ 内側導管
７４０，７４０ａ，７４０ｂ，７４０ｃ 中空管状構造
７３０，７３０ａ，７３０ｂ，７３０ｃ 外側壁
７５０ 端部
８００ 熱交換器本体
８０２ バーナブロック
８０３ 孔
８０４ バーナチャンバ
８０５ 点線
８１２ ベース部（底面部）
８１３ チャージガス導管
８１４ 主要部
８４１，８４３，８４５，８４７ 面
８１５ 排ガス導管
８１６ 屋根部
８１９ 垂直導管
８２２ チャージガス吸込部
８２４ チャージガス吐出し部
８２６，８２８，８４４，８４６ フランジ
８３０ 平坦金属表面
８８０ チャージガス吸込ダクト
８８２ チャージガス吐出しダクト
８８４ 燃料／空気混合物ダクト
８８６ａ，８８６ｂ，８８６ｃ 排気ダクト
１０００ 導管
１００２ 吸込多岐管
１００４ 吐出し多岐管

Claims (53)

1. 熱交換器の少なくとも一部分を作製する方法において、前記一部分を複数の導管が通過し、
   再溶解される材料の複数の連続する層を設けるステップと、
   所定の設計に従って各層の所定の領域をエネルギービーム再溶解するステップであって、各層をレーザ再溶解する該ステップが連続する層を付加する前に実施されるステップと、
   を含む方法であって、
   エネルギービーム再溶解するステップにかけられる各層の前記領域が、該層内で固体構造を形成し、各層をエネルギービーム再溶解するステップが、各層の前記再溶解された領域を先行する層の前記再溶解された領域に融着させ、
   前記複数の導管が、実質的に連続して湾曲した外側断面を有することを特徴とする方法。
2. 前記複数の導管が、実質的に連続した円または楕円の外側断面を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記モノリシック熱交換器が、少なくとも５０００ｍ^２／ｍ^３の表面積密度、及び少なくとも０．６の平均多孔度を備えて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 再溶解される前記材料が、粉末形態であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 各層を、該層をエネルギービーム再溶解する前に、再溶解される前記材料の再溶解点近くまで加熱するステップを更に含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記熱交換器が、少なくとも８０００ｍ^２／ｍ^３の表面積密度と少なくとも０．７の平均多孔度を備えて形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. ある層内で、かつ／または、複数の層間で、前記熱交換器の前記多孔度を変動させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記熱交換器内で２つ以上の隣接する導管を分離する前記熱交換器の領域が、前記隣接する導管の１つまたは複数を通過する流体に対して浸透性であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. １つまたは複数の連続する粉末層のグループが、１つまたは複数の連続する粉末層の別のグループと異なる材料を含むことができることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記導管の第１サブセットが第１方向を有し、前記導管の第２サブセットは第２方向を有し、該第２方向が、前記第１方向と異なることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記導管の第３サブセットが第３方向を有し、該第３方向が、前記第１方向または前記第２方向と異なることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記導管の少なくとも一部が、湾曲していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記湾曲した導管が、湾曲する、または真っ直ぐな他の導管の周りに縫うように進むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. ２つ以上の隣接する導管を分離する前記熱交換器の領域が、断熱体を備えることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記導管の１つまたは複数が、該導管の長さにわたって変動する断面積または形状を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 少なくとも１つの導管が、外側導管であり、前記導管の長さの少なくとも一部に沿って、前記導管内に配設された内側導管を有することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記外側導管及び前記内側導管が、異なる流体を受け取るように構成されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記内側導管が、前記外側導管内で終わることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
19. 前記内側導管が、閉じた端部によって終わることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記内側導管が、開いた端部によって終わることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記内側導管の壁が、前記外側導管内の流体と前記内側導管内の流体との混合を可能にする１つまたは複数の開口を含むことを特徴とする請求項１６から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記内側導管の壁が、前記外側導管内の流体と前記内側導管内の流体との混合を可能にするように多孔性であることを特徴とする請求項１６から２０のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記内側導管及び前記外側導管が、実質的に共通の長手方向軸を有することを特徴とする請求項１６から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記内側導管が、前記外側導管の前記長手方向軸からオフセットした長手方向軸を有することを特徴とする請求項１６から２２のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記内側導管が、該内側導管の長さの少なくとも一部に沿って前記内側導管内に配設された更なる内側導管を有することを特徴とする請求項１６から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記内側導管が、１つまたは複数の位置において、前記外側導管の壁を通過することを特徴とする請求項１６から２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 任意の１つまたは複数の導管の内側表面が、前記導管壁の材料と異なる材料でコーティングされることを特徴とする請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記コーティング材料が触媒であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. １つまたは複数の導管の内側表面が、１つまたは複数の隆起部を備えることを特徴とする請求項１から２８のいずれか一項に記載の方法。
30. １つまたは複数の導管の外側表面が、１つまたは複数の隆起部を備えることを特徴とする請求項１から２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 前記隆起部の少なくとも１つが、反対方向と比べて、前進方向で低い流体流抵抗を提供する流体誘導構造であることを特徴とする請求項２９または３０に記載の方法。
32. 前記隆起部の少なくとも１つが、流体または隣接する導管への熱移動を実現することを特徴とする請求項２９から３１のいずれか一項に記載の方法。
33. 前記隆起部の少なくとも１つが、前記導管に対する構造的支持を提供することを特徴とする請求項２９から３２のいずれか一項に記載の方法。
34. 前記隆起部の少なくとも１つが、前記導管内のステーとして働くことを特徴とする請求項２９から３３のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記隆起部の少なくとも１つが、導管内の流体流を、層流から乱流へ変えるように形作られることを特徴とする請求項２９から３４のいずれか一項に記載の方法。
36. 前記熱交換器が、燃焼器を受け取るためのチャンバを備えることを特徴とする請求項１から３５のいずれか一項に記載の方法。
37. 前記燃焼器が、前記チャンバ内で設けられ、前記熱交換器内でシールされることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
38. エネルギービーム再溶解することによって、前記燃焼器を製造するステップを更に含むことを特徴とする請求項３６または３７に記載の方法。
39. 前記熱交換器及び前記燃焼器が、単一ユニットとして一緒に形成されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 前記燃焼器が、燃焼コントローラを備えることを特徴とする請求項３６から３９のいずれか一項に記載の方法。
41. 前記熱交換器が、前記導管の１つまたは複数内で遊離基燃焼が起こることを可能にするように構成されることを特徴とする請求項３６から４０のいずれか一項に記載の方法。
42. 前記燃焼器が、事前混合された燃料及び燃焼空気を受け取るように構成されることを特徴とする請求項３６から４１のいずれか一項に記載の方法。
43. 前記熱交換器が、前記燃料及び前記燃焼空気を別々に受け取るように構成され、前記燃料及び前記燃焼空気が、前記熱交換器内で混合されることを特徴とする請求項３６から４１のいずれか一項に記載の方法。
44. 前記混合された燃料及び前記燃焼空気が、前記熱交換器内の所定の場所において燃焼されることを特徴とする請求項４３に記載の方法。
45. １つまたは複数の導管が、排ガスを前記燃焼器に戻るように再循環させることを特徴とする請求項３７から４４のいずれか一項に記載の方法。
46. 再生器及び／または冷却器が、前記熱交換器と一緒に形成されることを特徴とする請求項１から４５のいずれか一項に記載の方法。
47. １つまたは複数の導管が、前記熱交換器内に蒸気を送るように動作することを特徴とする請求項１から４６のいずれか一項に記載の方法。
48. 前記熱交換器が、前記レーザ再溶解によって形成された導水多岐管に接合された複数の組立て式導水管で形成されることを特徴とする請求項１から４７のいずれか一項に記載の方法。
49. 前記組立て式導水管が、締りばめ、レーザ再溶解、溶接、ろう付け、及び焼嵌めのうちの１つによって、前記導水多岐管に接合されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
50. 前記エネルギービーム再溶解が、レーザ再溶解であることを特徴とする請求項１から４９のいずれか一項に記載の方法。
51. 前記エネルギービーム再溶解が、電子ビーム再溶解であることを特徴とする請求項１から４９のいずれか一項に記載の方法。
52. 請求項１から５１のいずれか一項に記載の方法に従って、レーザ再溶解プロセスによって形成されることを特徴とするモノリシック熱交換器。
53. レーザ再溶解プロセスによって形成される熱交換器であって、
    モノリシック熱交換器本体部であって、モノリシック熱交換器本体部を通過し、実質的に連続して湾曲した外側断面を有する複数の導管を有する、モノリシック熱交換器本体部を備えることを特徴とする熱交換器。

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