以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
まず、図1〜図4を参照して、第1実施形態による積層造形物1について説明する。
(積層造形物の構造)
積層造形物1は、積層造形法によって形成された立体構造を有する物品である。積層造形物1は、粉末材料を層状に敷き詰め、造形すべき箇所にレーザや電子ビームなどを照射して溶融、凝固させることによって層状の造形部分を形成する処理を、積層方向(造形方向、A方向)に繰り返し、層状の造形部分を積層方向に積み重ねて立体構造を造形する粉末積層造形法によって形成されている。
なお、造形時において、積層方向は上下方向に一致し、粉末材料の層は、積層方向と略直交する方向(略水平方向、B方向)に拡がる層となる。粉末材料は、たとえば樹脂材料や金属材料を用いることができる。積層方向(A方向)は、特許請求の範囲の「第1方向」の一例であり、積層方向と略直交する方向(B方向)は、特許請求の範囲の「第2方向」の一例である。以下、B方向のうち直交する2方向をBx方向、By方向とする。
図1(A)および(B)に示すように、第1実施形態における積層造形物1は、A方向に積層造形された複数の柱状または壁状の第1部分2と、A方向と略直交するB方向に延びて複数の第1部分2を接続するように、複数の第1部分2と一体で積層造形された平面状の第2部分3とを備える。
積層造形物1の形状は、複数の第1部分2と第2部分3とを含んでいれば、特に限定されない。図1では、平面視で六角形のテーブル状の積層造形物1の例を示している。図1の例において、第1部分2は、A方向に延びる壁状部分であり、積層造形物1の幅方向(Bx方向)の両側に一対(2つ)設けられている。第2部分3は、一対の第1部分2のA方向の端部からB方向に延びて、各第1部分2を接続するように六角形の平板状に形成されている。
積層造形物1において、第1部分2の数は、複数であれば特に限定されない。第1部分2は、中実の構造を有していてもよいし、中空構造を有していてもよい。たとえば、第1部分2は、中空の管状部分または中空の壁部分であってもよい。第1部分2の大きさや外形形状は、特に限定されない。図1では、第1部分2がA方向に延びているが、A方向から傾斜したB方向以外の斜め方向に延びていてもよい。
第2部分3は、B方向に延びて複数の第1部分2同士を直接接続し、複数の第1部分2を構造的に連結するように形成されている。ただし、第2部分3は、積層造形物1に3つ以上の第1部分2がある場合に、全ての第1部分2と接続されている必要はない。第2部分3は、全体として平面状の形状を有していればよく、平面視における形状は特に限定されない。つまり、第2部分3は、六角形状以外の多角形状、楕円形状、円形状など、任意の平面状形状であってよい。第2部分3は、第1部分2のどの位置に形成されていてもよい。図1では、第1部分2のA方向における端部(頂部)に第2部分3が設けられているが、第2部分3は、A方向における第1部分2の両端間の任意の位置に設けられていてよい。
また、第2部分3は、B方向に拡がる面を有していれば、A方向に貫通する貫通孔を有していたり、中央に開口を有する環状の平面状形状を有していてもよい。
積層造形法によって第1部分2および第2部分3を造形する場合、図2(A)に示すように、A方向の下側から上側に向けて粉末材料層MLの積層と、造形部分14の溶融および凝固を伴う1層分の造形と、が繰り返される。粉末材料層MLの厚みt1は、造形装置の仕様に依存するが、たとえば数μm〜数百μm程度である。第2部分3の総厚みt2は、厚みt1よりも十分に大きい。たとえば総厚みt2は、厚みt1の数十倍から数百倍とすることができる。なお、図2における厚みt1は、説明のために誇張して図示している。
積層造形によって造形される第1部分2および第2部分3には、造形時のレーザや電子ビームを用いた粉末材料の加熱溶融状態から冷却凝固する時の体積変化(収縮)に起因して、熱歪みが生じる。熱歪みの大きさは、個々の粉末材料層MLにおける造形部分14の面積(B方向の面積)に応じるため、特にB方向に延びる第2部分3において顕著となる。仮に第2部分3が中実の板状部分と仮定すると、内部の熱歪みが蓄積して第2部分3の輪郭部(外周部)の形状変化および寸法変化として現れる。その結果、第1部分2も、中実板状の第2部分3の形状変化に伴う引張応力によって、意図せずに傾斜したり凹みが形成される場合がある。
そこで、第1実施形態では、第2部分3は、A方向に貫通する複数の孔部11を含んで積層造形された平板状部分10がA方向に複数重なる構造を有する。すなわち、第2部分3は、複数の平板状部分10によって構成されている。そして、第1実施形態では、各々の平板状部分10の孔部11が、他の平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置されている。
各平板状部分10は、B方向に延びる平板形状を有しており、粉末材料層MLから造形された造形部分の積層によって形成された部分である。平板状部分10の数は、複数であれば任意である。積層造形における厚みの最小単位が粉末材料層MLの厚みt1であるので、理論上は、平板状部分10の数はt2/t1とすることができ、平板状部分10の最小厚みをt1とすることができる。
個々の平板状部分10は、複数の孔部11と、孔部11以外の非孔部12とを含んでいる。孔部11は、平板状部分10を貫通する貫通孔として形成されている。非孔部12は、平板状部分10において、粉末材料を溶融、凝固させて形成された造形部分14により形成されている。つまり、平板状部分10は、貫通孔からなる中空部(孔部11)と、造形部分14からなる中実部(非孔部12)とを含む。孔部11は、平板状部分10の外縁部に隣接していてもよく、その場合、完全な貫通孔ではなく平板状部分10を貫通する切欠となる。
図2の構成例では、第2部分3は、2つの平板状部分10aおよび10bにより構成されている。平板状部分10aおよび10bは、切欠状の孔部11を外縁部に含むものの、平面視における外形形状が概ね第2部分3の全体の外形形状と一致する六角形状となっている。平板状部分10aおよび10bの厚みt3は、互いに異なっていてもよいが、図2では同一で、t3=t2/2となっている。なお、平板状部分10aおよび10bは、それぞれ、特許請求の範囲の「第1平板状部分」および「第2平板状部分」の一例である。
図3(A)および(B)に、各平板状部分10aおよび10bの構成例を示す。図3に示すように、平板状部分10aおよび10bは、平面視における孔部11と非孔部12の位置が互いに異なっている。これにより、図2に示したように、平板状部分10aの孔部11が、平板状部分10bの非孔部12と第1方向に重なるとともに、平板状部分10bの孔部11が、平板状部分10aの非孔部12と第1方向に重なっている。つまり、平板状部分10aの各孔部11は、下側端部で平板状部分10bの非孔部12に塞がれ、平板状部分10bの各孔部11は、上側端部で平板状部分10aの非孔部12に塞がれている。その結果、図1〜図3の構成例では、第2部分3は、貫通孔を有しない板状形状に形成されている。なお、図4に示すように、第2部分3の上面は、平板状部分10aの各孔部11によって形成された深さ(t2/2)の凹部と、平板状部分10bの各非孔部12の上面とによって、凹凸を有する形状になる。
孔部11の大きさや形状は、特に限定されない。図3では、三角形状の孔部11の例を示しているが、四角形状などの多角形状、楕円形状、円形状でもよいし、任意の平面形状であってよい。複数の孔部11の間で、孔部11の大きさや形状が異なっていてもよい。各平板状部分10の間で、孔部11の大きさや形状が異なっていてもよい。
孔部11の数は、複数であれば限定されない。各平板状部分10の間で、孔部11の数が異なっていてもよい。複数の孔部11は、各々の平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列されていることが好ましい。図3の構成例では、各々の平板状部分10において、多数(27個)の孔部11が、平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列されている。孔部11が全体に分散するとは、たとえば、平板状部分10を平面視で同一面積の複数領域に区分したときに、各領域当たりの孔部11の数または面積が、所定範囲内で概ね等しくなることを意味する。
図3では、同一形状の孔部11が、平板状部分10にメッシュ状またはタイル状に配列されることにより、平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列されている例を示している。そのため、複数の孔部11は、各々の平板状部分10において略等間隔で配列されている。すなわち、複数の孔部11の配列ピッチpが略一定となっている。なお、図3では模式的に図示しているが、各平板状部分10において、非孔部12は、合流部分13で互いに連続して一体となっている。つまり、非孔部12は、各孔部11によって分断される形で形成された三角形状の造形部分14を複数含み、三角形状の頂点部分に相当する合流部分13で各造形部分14が互いに連続することにより、一体形成されている。
また、図3の構成例では、平板状部分10aおよび平板状部分10bは、孔部11と非孔部12との配置が反転したネガとポジの関係になるように形成されている。すなわち、第2部分3は、第1方向から見て、孔部11と非孔部12との配置が互いに入れ替わった平板状部分10aおよび平板状部分10bを含んでいる。このため、平板状部分10aおよび平板状部分10bがA方向に重なることによって、平板状部分10aおよび平板状部分10bの一方の孔部11が他方の非孔部12とA方向に重なって塞がれている。
(第1実施形態の効果)
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、上記のように、A方向と略直交するB方向に延びて複数の第1部分2を接続するように、複数の第1部分2と一体で積層造形された平面状の第2部分3を設け、第2部分3を、A方向に貫通する複数の孔部11を含んで積層造形された平板状部分10がA方向に複数重なる構造とし、各々の平板状部分10の孔部11を、他の平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置する。これにより、積層方向(A方向)と略直交するB方向に延びる平面状の第2部分3を、中実構造ではなく、それぞれ複数の孔部11を有する複数の平板状部分10の積み重ねによって構成することができる。そのため、中実の平板状部分を造形する場合と比較して、中実構造では輪郭部(外周部)に集中する歪を、複数の孔部11の周囲に分散させることができる。その結果、個々の平板状部分10で熱歪みの発生が抑制されるので、第2部分3の全体での熱歪みを抑制することができる。その結果、第2部分3を含む立体構造を形成する場合でも、傾斜面を含む構造や剛性の高い構造に設計変更する必要がなく、設計形状の自由度を低下させることがない。
さらに、各々の平板状部分10の孔部11を、他の平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置することによって、孔部11が第2部分3を貫通しない形状とすることができる。すなわち、個々の平板状部分10が複数の孔部11を含む構造としながら、図1および図4のように、第2部分3の全体としては貫通孔が形成されない形状とすることが可能となっている。そのため、平板状部分10に孔部11を設ける場合でも、積層造形物1のどのような平面状部分にも第2部分3の構造を適用することが可能となる。以上の結果、第1実施形態では、積層方向と直交する平面状の部分(第2部分3)を含んだ立体構造を積層造形によって形成する場合でも、設計形状の自由度を低下させることなく熱歪みを抑制することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、複数の孔部11を、各々の平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列する。これにより、非孔部12を構成する造形部分14が大面積で連続することを抑制して、熱歪みによる形状変化を平板状部分10の全体(各孔部11)に分散させることができる。その結果、熱歪みを効果的に抑制して、第2部分3の寸法精度を向上させることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、複数の孔部11を、各々の平板状部分10において略等間隔(配列ピッチp)で配列する。これにより、孔部11が集中したりばらつくことなく平板状部分10の全体に孔部11を均一に分布させることができるので、熱歪みによる形状変化を平板状部分10の全体(各孔部11)で均一に分散させることができる。その結果、第2部分3の寸法精度をより効果的に向上させることができる。
また、第1実施形態(図3参照)では、上記のように、第2部分3に、A方向から見て、孔部11と非孔部12との配置が互いに入れ替わった平板状部分10aおよび平板状部分10bを設ける。これにより、平板状部分10aと平板状部分10bとを重ねて造形することによって、第2部分3の全体を貫通する貫通孔が意図しない位置で形成されることを確実に防ぐことができる。また、平板状部分10aと平板状部分10bとは、いわゆるネガとポジの関係になるため、孔部11と非孔部12とを共通のパターンで配置できる。したがって、孔部11と非孔部12とを含む平板状部分10の形状パターンを独立して別々に設計する必要がなく、孔部11と非孔部12とを含む平板状部分10の形状パターン数が増大するのを抑制できるので、立体構造の設計データを容易に作成できるようになる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、上記第1実施形態に示した積層造形物1の構造を、熱交換器100の本体部20に適用した例について説明する。第2実施形態では、シェルアンドチューブ型の熱交換器の例について説明する。
(熱交換器の全体構成)
図5に示すように、シェルアンドチューブ型の熱交換器100は、筒状のシェル23内に複数のチューブ22を配置した構造を有する。チューブ22は、内部に第1流体を流通させる流路部21(第1流路部21a)として機能する。シェル23は、内部(チューブ22との間)に第2流体を流通させる流路部21(第2流路部21b)として機能する。チューブ22内を流れる第1流体と、シェル23内でチューブ22の周囲を流れる第2流体との間で熱交換が行われる。
熱交換器100は、これらの複数の流路部21を含み、複数の流路部21のそれぞれを通過する流体間で熱交換を行う本体部20を備える。また、熱交換器100は、本体部20に流体を供給するヘッダ30を備える。本体部20は、アルミ合金などの熱伝導性の高い金属材料により構成されている。
第2実施形態では、本体部20は、第1流体の第1流路部21aを構成する複数のチューブ22と、複数のチューブ22を収容し、第2流体の第2流路部21bを構成する筒状のシェル23と、チューブ22を貫通させた状態でシェル23の両端の開口を塞ぐエンドプレート24と、シェル23内でチューブ22と直交する方向に延びてシェル23内の隔壁として設けられる平面上のバッフル25とを備える。
チューブ22は、A方向に延びる管状部材であり、シェル23内に複数設けられている。複数のチューブ22は、シェル23内の径方向および周方向に所定の間隔を隔てて配列されている。チューブ22内の第1流路部21aは、一対のエンドプレート24をA方向に貫通し、A方向の両側のヘッダ30とそれぞれ連通するように設けられている。A方向の両側の一対のヘッダ30は、チューブ22内への第1流体の導入口およびチューブ22からの第1流体の導出口となるポート31を有する。また、導入側のヘッダ30は、各チューブ22への第1流体の分配部として機能し、導出側のヘッダ30は、各チューブ22からの第1流体の集合部として機能する。これにより、各々のチューブ22(第1流路部21a)内を、第1流体が流通する。
シェル23は、A方向に延びる円筒形状を有する。なお、図5では、シェル23の一端側のヘッダ30が、シェル23と一体で形成されている例を示している。シェル23のA方向の両端は、一対のエンドプレート24によって区画されている。シェル23の側面には、シェル23を貫通するように2つのポート23aが形成されている。2つのポート23aは、シェル23の内部(第2流路部21b)への第2流体の導入口およびシェル23の内部(流路部21)からの第2流体の導出口である。各ポート23aは、両端の一対のエンドプレート24の間の位置に設けられている。そのため、一端側のポート23aからシェル23内に導入された第2流体は、シェル23内でチューブ22の周囲を通り抜けて第2流路部21b内を通過し、他端側のポート23aから流出する。
一対のエンドプレート24は、A方向と直交するB方向に延びる平板状形状を有し、シェル23の内部の第2流路部21bを区画している。各エンドプレート24は、シール部材24aを介して、シェル23の内部の流体がシェル23の端部開口から流出しないようにシールしている。各エンドプレート24には、各チューブ22の端部が接続されている。これにより、エンドプレート24は、各々のチューブ22の端部を互いに接続して支持している。
バッフル25は、A方向と直交する平面方向であるB方向に延びるとともに、複数のチューブ22を接続する平面状部材である。なお、複数のチューブ22は、バッフル25をA方向に貫通している。バッフル25は、シェル23内で、A方向に間隔を隔てて複数設けられている。バッフル25は、複数のチューブ22をB方向に接続して支持する機能を有する。また、バッフル25は、第2流路部21bが所定の経路となるようにシェル23の内部を仕切る機能を有する。具体的には、バッフル25は、シェル23の内周面に接触するとともに中央に貫通孔を有する円環形状のリングバッフル25aと、中央に貫通孔がなくシェル23の内周面に対して径方向に隙間が形成される円板形状のディスクバッフル25bとを含んでいる。リングバッフル25aとディスクバッフル25bとは、A方向に交互に配置されている。リングバッフル25aは、シェル23内における径方向の中央部で第2流体を通過させ、ディスクバッフル25bは、シェル23内における径方向の外周部で第2流体を通過させる。これにより、第2流体は、各バッフル25によって、シェル23内で中央側と外周側とに径方向に蛇行する経路で流れる。第2流体は、各チューブ22の間を径方向および周方向に横切るように流通する。これによって、シェル23内を流れる第2流体とチューブ22内を流れる第1流体との熱交換が効率的に行われる。
このような構造を有する熱交換器100において、第2実施形態では、熱交換器100の本体部20の少なくとも一部が、積層造形物1の第1部分2および第2部分3により構成されている。第2実施形態では、少なくとも複数のチューブ22と複数のバッフル25とが、積層造形法によって一体形成された構造を有している。なお、第2実施形態では、さらに一対のエンドプレート24の一方または両方を含めて積層造形してもよいし、さらにシェル23を含めて本体部20の全体を積層造形物1により構成してもよい。図5では、チューブ22、エンドプレート24およびバッフル25が積層造形物1として一体形成された例を示す。
複数のチューブ22は、A方向に積層造形された中空柱状(管状)の第1部分2であり、一対のエンドプレート24および複数のバッフル25は、A方向と直交するB方向に延びて複数のチューブ22を接続するように、複数のチューブ22と一体で積層造形された平面状の第2部分3である。図5の場合、別途作成されたシェル23に、チューブ22、エンドプレート24およびバッフル25を一体形成した積層造形物1が組み付けられて、本体部20が構成される。
(積層造形部分の説明)
第2実施形態では、図6に示すように、各々のチューブ22は、A方向に直線状に延びる円筒(管)形状を有する。各々のチューブ22の形状は同一である。なお、チューブ22は、A方向から傾斜したB方向以外の斜め方向に延びていてもよい。
バッフル25は、A方向に貫通する複数の孔部11を含んで積層造形された平板状部分10がA方向に複数重なる構造を有している。そして、各々の平板状部分10の孔部11が、他の平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置されている。
図6および図7では、バッフル25は、2つの平板状部分10aおよび10bにより構成されている。なお、図5では平板状部分10の図示を省略しており、図7では、平板状部分10aおよび10bのB方向に沿う断面の一部のみを図示している。つまり、図7では、図中に示された全てのチューブ22を接続するように図示しているが、リングバッフル25aでは、図7で示す形状が反復して、径方向中央部に開口が形成された円環状形状となり、ディスクバッフル25bでは、外径がリングバッフル25aよりも小さい円形状となる。リングバッフル25aでは、中央の開口を通過する径方向中央のチューブ22とは接続されずに外周側のチューブ22と接続される形状となる。同様に、ディスクバッフル25bでは、外周に配置されたチューブ22とは接続されずに径方向中央側のチューブ22と接続される形状となる。
第2実施形態においても、個々の平板状部分10は、複数の孔部11と、孔部11以外の非孔部12を含んでいる。平板状部分10aおよび10bは、平面視における孔部11と非孔部12の位置が互いに異なっている。第2実施形態において、複数の孔部11は、各々の平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列されている。また、第2実施形態では、複数の孔部11は、各々の平板状部分10において略等間隔(配列ピッチp)で配列されている。
第2実施形態では、非孔部12は、一のチューブ22と、一のチューブ22の周囲の他のチューブ22との間を接続するように設けられている。図7の例(破線で囲まれた領域参照)では、あるチューブ22aに着目すると、チューブ22aの周囲に6つのチューブ22bが配列されている。非孔部12は、チューブ22aと周囲のチューブ22bとを接続するように形成されている。図7の例では、チューブ22aから延びる3つの非孔部12が、それぞれ周囲の2つのチューブ22bに接続している。各々の平板状部分10では、この3つの非孔部12によって、チューブ22aが周囲の6つのチューブ22bの全てと接続され一体となっている。
また、孔部11は、一のチューブ22と他のチューブ22とを接続する非孔部12の間に配置されている。すなわち、チューブ22aから他のチューブ22bに向けて延びる3つの非孔部12同士の間の部分に、それぞれ孔部11が形成されている。1つのチューブ22aに着目すると、周囲の6つのチューブ22bとの間で、3つの非孔部12と3つの孔部11が、チューブ22aを取り囲むように周方向に交互に並んで設けられている。
また、図7の構成例では、平面視における孔部11の形状と非孔部12の形状とが略一致する。そのため、1つのチューブ22aと周囲のチューブ22bとの間に設けられた孔部11の総面積と、非孔部12の総面積とが、略等しい。図7では、各平板状部分10において、各チューブ22の間に設けられた孔部11および非孔部12の配置および形状は、同一である。
第2実施形態では、第1実施形態と同様、平板状部分10aおよび平板状部分10bは、A方向から見て、孔部11と非孔部12との配置が互いに入れ替わった形状を有する。すなわち、平板状部分10aにおいて孔部11となる位置に、平板状部分10bの非孔部12が形成されており、平板状部分10aにおいて非孔部12となる位置に、平板状部分10bの孔部11が形成されている。このため、図6に示したように、平板状部分10aおよび平板状部分10bがA方向に重なることによって、平板状部分10aおよび平板状部分10bの一方の孔部11が他方の非孔部12とA方向に重なって塞がれている。これにより、バッフル25は、チューブ22の形成箇所、および、リングバッフル25aの場合の中央の貫通孔の部分を除いた隔壁となる部分では、孔部11が非貫通となり第2流体が流通することがない。
図8に示すように、平板状部分10aおよび平板状部分10bが重なることによって、バッフル25の一方の表面は、平板状部分10aの各孔部11によって形成された凹部と、平板状部分10bの各非孔部12の表面とによって、凹凸を有する形状となっている。バッフル25の他方の表面(図6参照)も同様に、平板状部分10bの各孔部11によって形成された凹部と、平板状部分10aの各非孔部12の表面とによって、凹凸を有する形状となっている。
なお、エンドプレート24も、バッフル25と同様の構造を有している。そのため、エンドプレート24の詳細な説明を省略する。
(第2実施形態の効果)
第2実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第2実施形態では、上記のように、A方向に積層造形された複数のチューブ22と、A方向と略直交するB方向に延びるとともに複数のチューブ22を接続する平面状のバッフル25(エンドプレート24)とを、積層造形法によって一体形成された構造とし、バッフル25(エンドプレート24)を、A方向に貫通する複数の孔部11を含んで積層造形された平板状部分10がA方向に複数重なる構造を有し、各々の平板状部分10の孔部11が、他の平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置された構造とすることができるので、バッフル25(エンドプレート24)の全体での熱歪みを抑制することができる。その結果、平面状のバッフル25(エンドプレート24)を含む構造を形成する場合でも、傾斜面を含む構造や剛性の高い構造に設計変更する必要がなく、設計形状の自由度を低下させることがない。さらに、各平板状部分10bに孔部11を設けつつ、バッフル25(エンドプレート24)の全体としては貫通孔が形成されない形状(流体を通過させない形状)とすることができるので、これによっても設計形状の自由度を低下させる43ことがない。以上により、第2実施形態では、積層方向と直交する平面状の部分(バッフル25、エンドプレート24)を含んだ立体構造を積層造形によって形成する場合でも、設計形状の自由度を低下させることなく熱歪みを抑制することができる。
また、第2実施形態では、上記のように、複数の孔部11を、各々の平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列する。これにより、熱歪みによる形状変化を平板状部分10の全体に分散させることができるので、熱歪みを効果的に抑制して、バッフル25(エンドプレート24)の寸法精度を向上させることができる。
また、第2実施形態では、上記のように、複数の孔部11を、各々の平板状部分10において略等間隔(配列ピッチp)で配列する。これにより、熱歪みによる形状変化を平板状部分10の全体(各孔部11)で均一に分散させることができるので、バッフル25(エンドプレート24)の寸法精度をより効果的に向上させることができる。
また、第2実施形態では、上記のように、バッフル25(エンドプレート24)に、A方向から見て、孔部11と非孔部12との配置が互いに入れ替わった平板状部分10aおよび平板状部分10bを設ける。これにより、バッフル25(エンドプレート24)の全体を貫通する貫通孔が意図しない位置で形成されることを確実に防ぐことができる。また、平板状部分10aと平板状部分10bとがネガとポジの関係になるため、孔部11と非孔部12とを含む平板状部分10の形状パターンを共通化することができ、平板状部分の形状パターン数が増大するのを抑制できるので、その結果、立体構造の設計データを容易に作成できるようになる。
また、第2実施形態では、上記のように、非孔部12を、一のチューブ22と、一のチューブ22の周囲の他のチューブ22との間を接続するように設ける。そして、孔部11を、一のチューブ22と他のチューブ22とを接続する非孔部12の間に配置する。これにより、個々のチューブ22を、非孔部12によって周囲の他のチューブ22に確実に接続することができるので、積層造形物1(本体部20)の強度を容易に確保することができる。そして、各チューブ22同士を接続する非孔部12の間の部分に孔部11を配置して、チューブ22同士を接続する非孔部12において発生する熱歪みを孔部11によって吸収することができる。その結果、積層造形物1(本体部20)の強度を確保しつつ、バッフル25の熱歪みの影響がチューブ22にも及ぶことを効果的に抑制することができる。
また、第2実施形態では、上記のように、積層造形物1の第1部分2および第2部分3が、熱交換器100の本体部20の少なくとも一部(チューブ22、エンドプレート24およびバッフル25)を構成している。これにより、設計形状の自由度を低下させることなく熱歪みを抑制することが可能な積層造形物1を本体部20に含んだ熱交換器100を得ることができる。そして、本体部20の寸法精度を確保しつつ設計形状を実現することができるので、積層造形法を用いる場合でも所望の熱交換性能を得ることができる。
[第2実施形態の第1変形例]
次に、第2実施形態の第1変形例について説明する。上記第2実施形態では、シェルアンドチューブ型の熱交換器100の例を示したが、図9および図10に示す第1変形例のように、積層造形物1の構造を、プレートフィン型の熱交換器101の本体部40に適用してもよい。
(熱交換器の全体構成)
図9に示すように、第1変形例による熱交換器101は、プレートフィン型の本体部40を備えている。プレートフィン型の本体部40は、平面状(層状)の流路部41が複数重ねて配列された構造を有する熱交換部である。
本体部40を構成する流路部41は、個々の流路(チャンネル)を構成するフィン部42と、フィン部42の外周壁を構成するサイドバー43とを含む平面状(平板状)の構造を有する。フィン部42の形状は様々であるが、図9では、フィン部42が波板状のコルゲートフィンである例を示している。サイドバー43は、流路部41の入口または出口以外の流路部41の外周部分を閉塞するように設けられている。また、各流路部41が、A方向両側の隔壁であるチューブプレート44によって仕切られている。つまり、流路部41は、フィン部42、サイドバー43およびチューブプレート44によって仕切られた空間部分である。チューブプレート44およびフィン部42は、本体部40内で熱を伝達する伝熱面として機能する。
また、A方向における複数の流路部41の最外部(上面および下面)には、一対のエンドプレート45が設けられている。各流路部41は、平面視で矩形状に形成され、本体部40は、全体として矩形箱状(直方体形状)に形成されている。入口および出口には、図示しないヘッダなどが取り付けられ、ヘッダを介して各流路部41に流体が出入りする。
複数の流路部41は、第1流体を流通させる第1流路部41aと、第2流体を流通させる第2流路部41bとを含む。本体部40は、第1流路部41aを流れる第1流体と、第2流路部41bを流れる第2流体との間で熱交換をさせる。図9は、第1流体の流通方向と第2流体の流通方向とがB方向において直交する直交流型の熱交換器の例を示している。熱交換器101は、第1流体の流通方向と第2流体の流通方向とが同じ方向になる並行流型、または第1流体の流通方向と第2流体の流通方向とが反対方向になる対向流型であってもよい。
この第1変形例では、このような構造を有するプレートフィン型の熱交換器101の本体部40の少なくとも一部が、積層造形物1の第1部分2および第2部分3により構成されている。ここでは一例として、本体部40の全体が、積層造形された積層造形物1である例を示す。本体部40は、熱伝導性の高いアルミなどの金属材料により形成されている。
(積層造形部分の説明)
図9の例では、フィン部42およびサイドバー43が、A方向に積層造形された壁状の部分であり、第1部分2により構成されている。チューブプレート44およびエンドプレート45が、A方向と直交するB方向に延びて複数のフィン部42およびサイドバー43を接続するように、フィン部42およびサイドバー43と一体で積層造形された平面状の部分であり、第2部分3により構成されている。なお、フィン部42、サイドバー43およびチューブプレート44のみが積層造形によって形成され、別途作成されたエンドプレート45が取り付けられてもよい。
図10では、チューブプレート44およびエンドプレート45は、2つの平板状部分10aおよび10bにより構成されている。個々の平板状部分10は、複数の孔部11と、孔部11以外の非孔部12を含んでいる。平板状部分10aおよび10bは、平面視における孔部11と非孔部12の位置が互いに異なっている。第1変形例において、複数の孔部11は、各々の平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列されている。また、第1変形例では、複数の孔部11は、各々の平板状部分10において略等間隔で配列されている。
図10の構成例においても、第2実施形態と同様、平板状部分10aおよび平板状部分10bは、A方向から見て、孔部11と非孔部12との配置が互いに入れ替わった形状を有する。すなわち、平板状部分10aにおいて孔部11となる位置に、平板状部分10bの非孔部12が形成されており、平板状部分10aにおいて非孔部12となる位置に、平板状部分10bの孔部11が形成されている。このため、平板状部分10aおよび平板状部分10bがA方向に重なることによって、平板状部分10aおよび平板状部分10bの一方の孔部11が他方の非孔部12とA方向に重なって塞がれている。したがって、チューブプレート44およびエンドプレート45は、孔部11が貫通して流体が通過することがない。
平板状部分10aおよび平板状部分10bが重なることによって、チューブプレート44およびエンドプレート45の一方の表面は、平板状部分10aの各孔部11によって形成された凹部と、平板状部分10bの各非孔部12の表面とによって、凹凸を有する形状となっている。チューブプレート44およびエンドプレート45の他方の表面も同様に、平板状部分10bの各孔部11によって形成された凹部と、平板状部分10aの各非孔部12の表面とによって、凹凸を有する形状となっている。
[第2実施形態の第2変形例]
次に、第2実施形態の第2変形例について説明する。図11および図12に示す第2変形例では、第1変形例と同様のプレートフィン型の熱交換器であるが、造形方向(A方向)が第1変形例とは異なる例を示す。
(熱交換器の全体構成)
図11に示すように、第2変形例による熱交換器102は、上記第1変形例と同構造のプレートフィン型の本体部40を備えている。図11に示す第2変形例では、積層造形物1により構成された本体部40の造形方向(A方向)が、図9に示した第1変形例とは異なっている。すなわち、図9の第1変形例では、流路部41が並ぶ方向と、積層造形の造形方向(A方向)とが一致していたが、この第2変形例では、流路部41が並ぶ方向(Bx方向)と、積層造形の造形方向(A方向)とが直交している。すなわち、図11の構成例では、造形方向(A方向)が、流路部41の延びる平面に沿う方向となっている。
図11の構成例では、第1流路部41aは、本体部40をBy方向に貫通する通路として形成され、第2流路部41bは、本体部40をA方向に貫通する通路として形成されている。つまり、第2流路部41bの延びる方向と、積層造形物1としての本体部40の造形方向とが、一致している。第1流路部41aの両側部のサイドバー43aは、By方向に延びており、第2流路部41bの両側部のサイドバー43bは、A方向に延びている。
(積層造形部分の説明)
図11の例では、複数のフィン部42、サイドバー43b、チューブプレート44およびエンドプレート45が、A方向に積層造形された壁状の部分であり、第1部分2により構成されている。そして、第1流路部41aのサイドバー43aが、A方向と直交するB方向(By方向)に延びて複数の第1部分2(フィン部42、チューブプレート44またはエンドプレート45)を接続するように、第1部分2と一体で積層造形された平面状の部分であり、第2部分3により構成されている。なお、図11の構成例では、第2流路部41bが本体部40をA方向に貫通する構造となっているため、B方向に延びる第2部分3により構成される部分を備えていない。
図12は、1つの第1流路部41aのA方向端部(図11の上側端部)の部分を拡大して示したA−Bx方向に沿う断面図である。Bx方向に隣接する第2流路部41bの図示は省略している。図12の構成例では、サイドバー43a(第2部分3)は、3つの平板状部分10(10a、10bおよび10c)により構成されている。個々の平板状部分10は、複数の孔部11と、孔部11以外の非孔部12を含んでいる。平板状部分10a、10bおよび10cは、平面視における孔部11と非孔部12の位置が互いに異なっている。第2変形例では、複数の孔部11は、各々の平板状部分10の全体に分散するように間隔を隔てて配列されている。
一方、第2変形例では、複数の孔部11は、各々の平板状部分10において非等間隔で配列されている。また、第2変形例では、平板状部分10a、10bおよび10cは、いわゆるネガポジの配置にはなっていない。
すなわち、図12の構成例では、複数の孔部11は、各々の平板状部分10の全体に分散するように配列されているものの、各々の孔部11の大きさおよび間隔は、必ずしも一致しない。つまり、各々の平板状部分10の孔部11が、ランダム性のある配列となっている。ただし、この第2変形例においても、各々の平板状部分10の孔部11は、他の少なくともいずれか1つの平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置されている。
たとえば、平板状部分10aおよび10cの孔部11のうち、ある孔部11pは、中間の平板状部分10bの非孔部12pとA方向に重なっている。一方、平板状部分10bおよび平板状部分10cの孔部11qは、互いにA方向に重なって連通しているものの、平板状部分10aの非孔部12q(正確には、さらに孔部11qの周囲の非孔部12p)と重なっている。このため、サイドバー43aは、全体として孔部11が非貫通となっており流体が通過することがない。
平板状部分10が重なることによって、サイドバー43aの外表面は、平板状部分10aの各孔部11によって形成された凹部と、平板状部分10bの各非孔部12の表面とによって、凹凸を有する形状となっている。サイドバー43aの内表面も同様に、平板状部分10cの各孔部11によって形成された凹部と、平板状部分10b(または平板状部分10c)の各非孔部12の表面とによって、凹凸を有する形状となっている。
このように、積層造形物の造形方向(A方向)は、流路部41の配列方向には限られず、任意性がある。また、平板状部分10の孔部11および非孔部12は、必ずしも等間隔や、同一形状の規則的あるいは周期的な配列でなくてもよい。
(変形例)
なお、今回開示された各実施形態および各変形例は、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、上記した各実施形態および各変形例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。
たとえば、上記第2実施形態では、熱交換器100の本体部20の一部または全部を積層造形物1により構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、上記の第1部分2および第2部分3を備える積層造形物1の構造を、熱交換器以外のどのような物品に適用してもよい。
また、上記第2実施形態ではシェルアンドチューブ型の熱交換器100の本体部20の一部または全部を積層造形物1により構成する例を示し、上記第2実施形態の第1変形例および第2変形例では、プレートフィン型の熱交換器101(102)の本体部40を積層造形物1により構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、シェルアンドチューブ型およびプレートフィン型の熱交換器に限られず、どのようなタイプの熱交換器であってもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態では、2つの平板状部分10を孔部11および非孔部12がネガポジ状に反転した構造とした例を示したが、第2実施形態の第2変形例(図12参照)においても示した通り、平板状部分における孔部および非孔部の配置はこれに限られない。たとえば、図13では、第2部分3を3つの矩形状の平板状部分10a、10bおよび10cによって構成する場合の、孔部および非孔部の配置例を示している。図13の例では、平板状部分10a(図13(A)参照)の3つの隅部に非孔部12を配置し、平板状部分10b(図13(B)参照)の各辺の中央に合計4つの非孔部12を配置し、平板状部分10c(図13(C)参照)において残りの1つの隅部および中央部に2つの非孔部12を配置した例を示す。
図13のように、各平板状部分における孔部および非孔部の配置は、平板状部分同士で、特定の配列パターンが規則的に変化するような周期性を有している必要はない。また、図13のように、平板状部分同士を比較した場合に、孔部および非孔部の粗密(全体に対する孔部の面積割合)が異なっていてもよい。つまり、平板状部分同士で孔部11の個数や大きさが異なっていてもよい。たとえば図13では、各平板状部分10において非孔部12よりも孔部11の面積割合が大きくなるように構成している。ただし、各平板状部分の熱歪みを平均的に低減させる観点からは、孔部および非孔部の粗密が概ね均一な範囲内に収まる方が好ましい。
また、上記第2実施形態および各変形例では、第1流路部21a(41a)と第2流路部21b(41b)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。また、互いに反応や溶解が生じにくい第1流体と第2流体とを、共通の流路部内に流通させて熱交換を行ってもよい。その場合には、1種類の流路部だけを設ければよい。
また、上記第1および第2実施形態では、各第2部分3における各々の平板状部分10の孔部11が、他の平板状部分10の非孔部12とA方向に重なるように配置され、全体として非貫通の構造となる例を示したが、本発明はこれに限られない。積層造形物1の用途において、第2部分3に全体を貫通する貫通孔の存在を許容する場合には、平板状部分10の孔部11が完全に塞がっていなくてもよい。