JP2021050838A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器のサイズおよび重量の増大を抑制しながら、熱交換効率を改善させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】この熱交換器１００は、第１方向に延びる管状形状を有し、第１流体１を流通させる第１流路１１と、第１方向と交差する第２方向に延びる管状形状を有し、第１流体１と熱交換する第２流体２を流通させる第２流路１２と、が同一層内に配置された流路層１０を備える。第１流路１１および第２流路１２の各々は、流路の延びる方向に沿って流路断面積が縮小および拡大するように形成されている。第１流路１１および第２流路１２は、流路断面積が縮小された第１部分２３、３３が第１方向および第２方向と交差するＺ方向に変位することにより、第１部分２３、３３において同一層内で交差している。【選択図】図１

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に、流路を流れる流体間で熱交換を行う熱交換器に関する。

従来、流路を流れる流体間で熱交換を行う熱交換器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

熱交換器には、プレートフィン型の熱交換器やシェルアンドチューブ型の熱交換器など様々な種類があり、上記特許文献１では、プレートフィン型の熱交換器が開示されている。上記特許文献１の熱交換器は、第１の流路を確定する第１の層と、第１の層の上部に配置され第２の流路を確定する第２の層と、を備える。単一の層には、流れ方向を横切って複数個の横方向フィンが存在する。空気流は、横方向フィンを乗り越えて上昇および下降し、流路の上昇セグメントおよび下降セグメントが生じる。横方向フィンは、温度境界層を破壊して熱伝達率を改善するために配置される。

特開２０１７−１０１９１４号公報

しかし、上記特許文献１では、横方向フィンによって流体が上昇および下降するという単純な２次元的な流れを形成するだけなので、熱交換効率を改善するための流れの乱れを十分に形成できないという不都合がある。また、上記特許文献１では、第１の層と第２の層との間で積層方向に熱交換が生じるので、第１の層と第２の層との境界面によって伝熱面積が決まる。このため、熱交換効率を改善させるためには、各層の面積を増大させる必要があり、熱交換器のサイズおよび重量の増大が伴う。

ところで、近年、積層造形法などに代表される製造技術の改良が進んでおり、従来とは異なる新規な構造の熱交換器が実現可能になりつつある。そのような背景から、熱交換器のサイズおよび重量の増大を抑制しながら、熱交換効率を改善させることが可能な、新規な構造の熱交換器が求められている。

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、熱交換器のサイズおよび重量の増大を抑制しながら、熱交換効率を改善させることが可能な熱交換器を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明による熱交換器は、第１方向に延びる管状形状を有し、第１流体を流通させる第１流路と、第１方向と交差する第２方向に延びる管状形状を有し、第１流体と熱交換する第２流体を流通させる第２流路と、が同一層内に配置された流路層を備え、第１流路および第２流路の各々は、流路の延びる方向に沿って流路断面積が縮小および拡大するように形成され、第１流路および第２流路は、流路断面積が縮小された第１部分が第１方向および第２方向と交差する第３方向に変位することにより、第１部分において同一層内で交差している。なお、第１流路と第２流路とが同一層内に配置されるとは、単一の流路層内で、第１方向および第２方向に延びる平面内に、第１流路と第２流路との両方が存在することを意味する。

この発明による熱交換器では、上記構成により、第１流路および第２流路の各々が、流路断面積を縮小および拡大させつつ、さらに第１部分において第３方向に変位する。これにより、それぞれの流路内では、断面形状の変化に伴う２次元的な流れの変化に加えて、第３方向への流れの変化によって、３次元的に変化する流れを形成できる。その結果、熱伝達率を改善するための流れの乱れを効果的に形成できる。そして、第１流路および第２流路の各々に形成される第１部分を利用し、第１部分の位置を第３方向にずらすことによって、第１流路と第２流路とを同一層内で互いに交差するように形成できる。これにより、従来のプレートフィン型の熱交換器のように、第１流路の層と、第２流路の層との境界にのみ伝熱面が形成される（第３方向にのみ熱交換が行われる）構造と異なり、単一の流路層内で第１流路と第２流路との伝熱面を形成できる。その結果、従来の熱交換器と同等のサイズであれば、従来の熱交換器よりも伝熱面積を増大させることができ、従来の熱交換器と同等の伝熱面積であれば、従来の熱交換器よりも熱交換器のサイズおよび重量を低減できる。以上の結果、本発明によれば、熱交換器のサイズおよび重量の増大を抑制しながら、熱交換効率を改善させることができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、第１流路および第２流路の各々は、流路断面積を縮小および拡大させるように屈曲した隔壁により区画されており、第１流路と第２流路とは、同一層内で共通の隔壁により互いに区画されている。このように構成すれば、同一層内の第１流路と第２流路との隔壁によって１次伝熱面を構成することができる。これにより、流路断面積を変化させるために２次伝熱面となるフィンを流路内に配置する必要がなく、第１流路と第２流路と隔壁を介して直接隣接させることができるので、第１流路と第２流路との１次伝熱面を効果的に増大させることができる。なお、本明細書において、屈曲とは、折れ線状に曲がることだけでなく、曲線状に曲がること（湾曲）も含む広い概念である。

この場合、好ましくは、第１流路および第２流路は、流路の延びる方向の位置に応じて断面積が連続的に変化するように、傾斜した隔壁によって区画されている。このように構成すれば、たとえば段差状に形成された隔壁により流路断面積が急激に変化するような構造と比較して、流路断面積の変化を滑らかにすることができる。これにより、第１流路および第２流路において、熱交換効率を改善させる流れの変化を形成しつつ、圧力損失の過度な増大を抑制できる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、第３方向に配列された複数の流路層を備え、第１流路は、同一層内の第２流路と隣接し、かつ、第３方向に隣接する他の流路層内の第２流路と隣接するように設けられ、第２流路は、同一層内の第１流路と隣接し、かつ、第３方向に隣接する他の流路層内の第１流路と隣接するように設けられている。このように構成すれば、第１流路を同一層内だけでなく別の流路層の第２流路とも隣接させ、第２流路を同一層内だけでなく別の流路層の第１流路と隣接させることができる。これにより、第１流路と第２流路との間の伝熱面積を更に増大させることができるので、熱交換効率を効果的に改善させることができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、流路層は、第２方向に並ぶ複数の第１流路と、第１方向に並ぶ複数の第２流路とを含み、第１流路および第２流路は、流路の延びる方向に沿って複数の第１部分を有し、交差する第１流路の第１部分と第２流路の第１部分との第３方向の位置関係が交互に入れ替わるように、第１流路および第２流路が蛇行している。このように構成すれば、同一層内に配置される第１流路および第２流路の各々を、第３方向に複数回変位させることができる。その結果、各流路において、複数回に亘って第３方向への流れの変化を生じさせることができるので、熱交換効率を効果的に改善させることができる。

この場合、好ましくは、第１流路および第２流路は、流路の延びる方向の位置に応じて、第１部分が第３方向の第１位置と第２位置との間で変位するように蛇行し、第１位置における第１部分の第３方向の形成範囲と、第２位置における第１部分の第３方向の形成範囲とが、第３方向において重複しないようにずれている。このように構成すれば、第１流路において、第１位置にある第１部分と、第２位置にある第１部分とを第１方向に直線的に通過する領域が形成されない。第２流路においても同様に、第２方向に直線的に通過する領域が形成されない。そのため、流体が第１位置と第２位置とを通過する過程で、確実に、第３方向への流れの変化を形成することができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、流路層は、第２方向に並ぶ複数の第１流路と、第１方向に並ぶ複数の第２流路とを含み、第１流路および第２流路は、それぞれ、複数の第１部分と、第１部分よりも流路断面積が拡大された複数の第２部分と、を有し、第１部分と第２部分とは、流路の延びる方向に沿って交互に配置されている。このように構成すれば、第１部分における流路断面積の縮小と、第２部分における流路断面積の拡大と、を交互に複数回発生させることができる。これにより、断面形状の変化に伴う流れの変化を効果的に発生させることができる。

この場合、好ましくは、第１流路および第２流路は、それぞれ、流路の端部に配置された第２部分によって、入口開口または出口開口が構成されている。このように構成すれば、流路の端部において拡大された第２部分から流体を流路内に導入し、または流路内から導出することができる。これにより、流路断面積が変化する構造においても、流体を導入、導出するための十分な開口面積を確保できる。

上記第２部分によって、入口開口または出口開口が構成される構成において、好ましくは、第３方向に配列された複数の流路層を備え、流路層は、第１方向側の第１端面に複数の第１流路の入口開口を有し、第１方向側の第２端面に複数の第１流路の出口開口を有し、流路層は、第２方向側の第３端面に複数の第２流路の入口開口を有し、第２方向側の第４端面に複数の第２流路の出口開口を有する。ここで、従来のプレートフィン型の熱交換器のように第１の層と第２の層とが交互に設けられる構造では、流路の入口開口が１層おきに形成され、各入口開口が外部配管との接続用のヘッダ部によってまとめて覆われる構造が一般的である。この場合、ヘッダ部に覆われる面積に比べて、開口部の合計面積が小さいため、ヘッダ部と流路の入口開口との間で流路が急激に絞られることになり、圧力損失が生じる。これに対して、上記のように構成すれば、それぞれの流路層の同一の端面に、流路の入口開口または出口開口を集約して形成できるので、ヘッダ部に覆われる面積と、開口部の合計面積とを近づけることができる。その結果、流路の入口開口において圧力損失が生じることを抑制できる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、流路層は、１つの第１部分を含む１つの第１流路と、１つの第１部分を含む１つの第２流路とが形成された単位構造を、複数配列することにより構成されている。このように構成すれば、同一層内で流路断面積を変化させながら互いに交差する第１流路および第２流路を含む流路層を、単位構造を並べるだけの簡単な構造で形成できる。そして、単位構造の数を増減させるだけで、任意の流路数および任意の流路長さの熱交換器を容易に得ることができる。これにより、流路形状が３次元的に変化する新規な構造の熱交換器であっても、熱交換器の設計を極めて容易化することができる。

この場合、好ましくは、単位構造は、第１流路の第１部分が第３方向の一方側に配置され、第２流路の第１部分が第３方向の他方側に配置された第１構造と、第１流路の第１部分が第３方向の他方側に配置され、第２流路の第１部分が第３方向の一方側に配置され、第１構造を反転させた第２構造と、を含み、流路層は、第１構造と第２構造が第１方向および第２方向の少なくとも一方に交互に並ぶように配列された構造を有する。このように構成すれば、第１構造と、第１構造を反転させた第２構造との２種類の単位構造を配列するだけで、同一層内で第１流路または第２流路が第３方向に蛇行する構造を実現することができる。これにより、第３方向に蛇行する流路を含む構造であっても、流路層を容易に設計することができる。

上記流路層が単位構造を配列することにより構成される場合において、好ましくは、単位構造において、第１流路および第２流路は、第１部分よりも流路断面積が拡大された第２部分を両端にそれぞれ有し、第１流路は、複数の単位構造における第２部分同士が接続されることにより第１方向に延び、第２流路は、複数の単位構造における第２部分同士が接続されることにより第２方向に延びるように構成されている。このように構成すれば、単位構造における第２部分同士を接続するだけで、流路断面積の縮小と拡大とが交互に発生する構造を容易に実現することができる。

本発明によれば、上記のように、熱交換器のサイズおよび重量の増大を抑制しながら、熱交換効率を改善させることが可能な熱交換器を提供することができる。

本実施形態による熱交換器を示した模式的な斜視図である。 第１流路および第２流路の概略を説明するための模式的な平面図である。 熱交換器のコア部をＸ方向から見た側面図である。 コア部をＸ方向から見た断面図である。 熱交換器のコア部をＹ方向から見た側面図である。 コア部をＹ方向から見た断面図である。 第１流路をＹ方向から見た断面の模式図である。 図７の５００−５００線に沿った組み合わせ断面図である。 第２流路をＸ方向から見た断面の模式図である。 図９の５１０−５１０線に沿った組み合わせ断面図である。 単位構造の例を示した斜視図である。 単位構造に含まれる第１流路および第２流路の形状を説明するための模式図である。 図１１の単位構造をＸ方向から見た側面図である。 図１１の単位構造をＸ方向から見た断面図である。 図１１の単位構造をＹ方向から見た側面図である。 図１１の単位構造をＹ方向から見た断面図である。 図１６の５２０−５２０線に沿った断面図である。 図１４の５３０−５３０線に沿った断面図である。 第１構造と第２構造との組み合わせによる第１流路を説明するための断面図である。 第１構造と第２構造との組み合わせによる第２流路を説明するための断面図である。 比較例によるプレートフィン型熱交換器の入口開口部分の模式図である。 本実施形態の熱交換器における入口開口部分の模式図である。 第１部分の形成範囲（高さ）に関する変形例を示した模式図である。 第１部分の長さに関する変形例を示した模式図である。 第１部分の形成位置に関する変形例を示した模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図２０を参照して、一実施形態による熱交換器１００について説明する。

（熱交換器の全体構成）
図１に示すように、熱交換器１００は、第１流路１１と第２流路１２とが同一層内に配置された流路層１０を備えている。

熱交換器１００は、少なくとも１つの流路層１０を備える。図１の例では、流路層１０は、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に沿って広がる平板状の層である。流路層１０は、Ｘ方向およびＹ方向と直交するＺ方向に所定の厚みを有する。図１の例では、流路層１０は、Ｚ方向から見て矩形形状を有する。Ｘ方向は、特許請求の範囲の「第１方向」の一例である。Ｙ方向は、特許請求の範囲の「第２方向」の一例である。Ｚ方向は、特許請求の範囲の「第３方向」の一例である。

流路層１０は、少なくとも１つの第１流路１１と、少なくとも１つの第２流路１２とを含む。第１流路１１と第２流路１２とは、互いに流体的に独立した流路である。図１の例では、流路層１０は、Ｙ方向に並ぶ複数の第１流路１１と、Ｘ方向に並ぶ複数の第２流路１２とを含んでいる。具体的には、流路層１０は、４本の第１流路１１と、４本の第２流路１２とを含んでいる。流路層１０に含まれる第１流路１１の数と第２流路１２の数とは、任意であり、互いに異なっていてもよい。

第１流路１１は、Ｘ方向に延びる管状形状を有する。第１流路１１は第１流体１を流通させるように構成されている。第１流路１１は、隔壁１３によって区画された中空の通路である。第１流路１１がＸ方向に延びるとは、第１流路１１が全体としてＸ方向に延びていることを意味し、厳密にＸ方向に向いた直線形状である必要はない。４本の第１流路１１は、Ｙ方向に並んでいる。

第２流路１２は、Ｘ方向と交差するＹ方向に延びる管状形状を有する。第２流路１２は、第１流体１と熱交換する第２流体２を流通させるように構成されている。第２流路１２は、隔壁１３によって区画された中空の通路である。第２流路１２がＹ方向に延びるとは、第２流路１２が全体としてＹ方向に延びていることを意味し、厳密にＹ方向に向いた直線形状である必要はない。４本の第２流路１２は、Ｘ方向に並んでいる。

図１の例では、熱交換器１００は、Ｚ方向に配列された複数の流路層１０を備えている。具体的には、４層の流路層１０が設けられている。それぞれの流路層１０は、同一形状を有する。隣接する流路層１０の間は、平板状の隔壁１３によって区画されている。図１の例では、Ｚ方向に並ぶ４層の流路層１０によって、熱交換器１００のコア部３が構成されている。コア部３内において、それぞれの第１流路１１を流れる第１流体１と、それぞれの第２流路１２を流れる第２流体２との間で、熱交換が行われる。コア部３は、４層の流路層１０によって、全体として直方体形状を有する。

図１および図２に示すように、流路層１０は、Ｘ方向側の端部に、第１端面１０Ａと第１端面１０Ａとは反対側の第２端面１０Ｂとを有する。流路層１０は、Ｙ方向側の端部に、第３端面１０Ｃと第３端面１０Ｃとは反対側の第４端面１０Ｄとを有する。

図２および図６に示すように、第１流路１１は、流路層１０内で第１端面１０Ａから第２端面１０Ｂまで延びるように形成され、流路層１０をＸ方向に貫通している。第１流路１１は、一方の端部と他方の端部とを有する。第１流路１１は、一方の端部に入口開口２１を有し、他方の端部に出口開口２２を有する。それぞれの流路層１０は、Ｘ方向側の第１端面１０Ａに複数（４本）の第１流路１１の入口開口２１を有し、Ｘ方向側の第２端面１０Ｂに複数（４本）の第１流路１１の出口開口２２を有する。

したがって、図３に示すように、第１端面１０Ａには、同一層内の４本の第１流路１１の入口開口２１がＹ方向に並んで設けられ、それぞれの流路層１０における入口開口２１がＺ方向に並んで設けられている。コア部３には、４層の流路層１０によって、合計１６個の入口開口２１がＹ方向およびＺ方向に行列状に並んで配置されている。第２端面１０Ｂにおける第１流路１１の出口開口２２の配置も同様であり、図示を省略する。コア部３には、４層の流路層１０によって、合計１６個の出口開口２２がＹ方向およびＺ方向に行列状に並んで配置されている。

図２および図４に示すように、第２流路１２は、流路層１０内で第３端面１０Ｃから第４端面１０Ｄまで延びるように形成され、流路層１０をＹ方向に貫通している。第２流路１２は、一方の端部と他方の端部とを有する。第２流路１２は、一方の端部に入口開口３１を有し、他方の端部に出口開口３２を有する。流路層１０は、Ｙ方向側の第３端面１０Ｃに複数の第２流路１２の入口開口３１を有し、Ｙ方向側の第４端面１０Ｄに複数の第２流路１２の出口開口３２を有する。

したがって、図５に示すように、第３端面１０Ｃには、同一層内の４本の第２流路１２の入口開口３１がＸ方向に並んで設けられ、それぞれの流路層１０における入口開口３１がＺ方向に並んで設けられている。コア部３には、４層の流路層１０によって、合計１６個の入口開口３１がＸ方向およびＺ方向に行列状に並んで配置されている。第４端面１０Ｄにおける第２流路１２の出口開口３２の配置も同様であり、図示を省略する。コア部３には、４層の流路層１０によって、合計１６個の出口開口３２がＸ方向およびＺ方向に行列状に並んで配置されている。

熱交換器１００には、図２に示したように、第１流路１１の入口開口２１、第１流路１１の出口開口２２、第２流路１２の入口開口３１、第２流路１２の出口開口３２を、別々に外部配管と接続するためのヘッダ部４Ａ〜４Ｄが設けられる。ヘッダ部４Ａ〜４Ｄは、対応する複数の入口開口または出口開口を、まとめて覆うように設けられる。

ヘッダ部４Ａは、第１端面１０Ａに形成された１６個の入口開口２１を覆い、外部配管から送られる第１流体１をそれぞれの入口開口２１へ分配する。ヘッダ部４Ｂは、第２端面１０Ｂに形成された１６個の出口開口２２を覆い、それぞれの出口開口２２から流出する第１流体１を合流させて外部配管へ送りだす。ヘッダ部４Ｃは、第３端面１０Ｃに形成された１６個の入口開口３１を覆い、外部配管から送られる第２流体２をそれぞれの入口開口３１へ分配する。ヘッダ部４Ｄは、第４端面１０Ｄに形成された１６個の出口開口３２を覆い、それぞれの出口開口３２から流出する第２流体２を合流させて外部配管へ送りだす。

このように、本実施形態の熱交換器１００は、第１流路１１によって第１流体１を第１端面１０Ａから第２端面１０Ｂに向けてＸ方向に流通させ、第２流路１２によって第２流体２を第３端面１０Ｃから第４端面１０Ｄに向けてＹ方向に流通させて熱交換を行う、直交流型の熱交換器として構成されている。直交流型とは、熱交換を行う流体同士が互いに直交する方向に向けて流通する方式のことである。

（流路の構造）
次に、第１流路１１および第２流路１２の詳細な構造について説明する。

〈流路断面形状の変化〉
本実施形態では、第１流路１１および第２流路１２の各々は、流路の延びる方向に沿って流路断面積が縮小および拡大するように形成されている。なお、本明細書において、流路断面積とは、流路の延びる方向に対して直交する断面における、流路（流体が流通する空間）の面積である。

図７および図８に示すように、第１流路１１は、流路断面積が縮小された第１部分２３を含む。また、第１流路１１は、第１部分２３よりも流路断面積が拡大された第２部分２４を含む。

第１流路１１は、第１部分２３において流路断面積が最小となる。第１流路１１は、第２部分２４において流路断面積が最大となる。第１部分２３において、流路断面は、図４に示すように、台形形状となる。第２部分２４において、流路断面は、図３に示すように、長方形形状となる。図７および図８に示すように、第１流路１１は、第２部分２４から第１部分２３に至るまでに、流路断面積が縮小され、第１部分２３から第２部分２４に至るまでに、流路断面積が拡大される。

図９および図１０に示すように、第２流路１２は、流路断面積が縮小された第１部分３３を含む。また、第２流路１２は、第１部分３３よりも流路断面積が拡大された第２部分３４を含む。

第２流路１２は、第１部分３３において流路断面積が最小となる。第２流路１２は、第２部分３４において流路断面積が最大となる。第１部分３３において、流路断面は、図６に示すように、台形形状となる。第２部分３４において、流路断面は、図５に示すように、長方形形状となる。図９および図１０に示すように、第２流路１２は、第２部分３４から第１部分３３に至るまでに、流路断面積が縮小され、第１部分３３から第２部分３４に至るまでに、流路断面積が拡大される。

このように、第１流路１１および第２流路１２は、それぞれ、複数の第１部分（２３、３３）と、複数の第２部分（２４、３４）と、を有している。そして、各流路において、第１部分（２３、３３）と第２部分（２４、３４）とは、流路の延びる方向に沿って交互に配置されている。したがって、第１流路１１および第２流路１２の各々では、流路断面積の縮小と拡大とが、交互に生じるように形成されている。

また、第１流路１１および第２流路１２は、それぞれ、流路の端部に配置された第２部分（２４、３４）によって、入口開口または出口開口が構成されている。

すなわち、第１流路１１（図７、図８、図１参照）では、第１端面１０Ａの第２部分２４によって、入口開口２１が構成され、第２端面１０Ｂの第２部分２４によって、出口開口２２が構成されている。同様に、第２流路１２（図９、図１０、図１参照）では、第３端面１０Ｃの第２部分３４によって、入口開口３１が構成され、第４端面１０Ｄの第２部分３４によって、出口開口３２が構成されている。

〈第１流路と第２流路との交差〉
また、第１流路１１および第２流路１２は、流路断面積が縮小された第１部分（２３、３３）がＸ方向およびＹ方向と交差するＺ方向に変位することにより、第１部分（２３、３３）において同一層内で交差している。

たとえば図６に示すように、第１流路１１は、領域７１において、第１部分２３がＺ１方向に偏るように変位している。そして、同じ領域７１において、第２流路１２の第１部分３３がＺ２方向に偏るように変位することにより、第１流路１１と交差している。領域７１では、第１流路１１（第１部分２３）が第２流路１２のＺ１方向側を跨ぐようにＸ方向に延びており、第２流路１２（第１部分３３）が第１流路１１のＺ２方向側をくぐるようにＹ方向に延びている。

また、第１流路１１は、領域７２において、第１部分２３がＺ２方向に偏るように変位している。そして、領域７２において、第２流路１２の第１部分３３がＺ１方向に偏るように変位することにより、第１流路１１と交差している。領域７２において、第１流路１１（第１部分２３）が第２流路１２のＺ２方向側をくぐるようにＸ方向に延びており、第２流路１２（第１部分３３）が第１流路１１のＺ１方向側を跨ぐようにＹ方向に延びている。

第２流路１２についても同様である。図４に示したように、第２流路１２は、領域７３において、第１部分３３がＺ１方向に偏るように変位し、Ｚ２方向に偏るように変位した第１流路１１と交差している。領域７４では、第２流路１２は、第１部分３３がＺ２方向に偏るように変位し、Ｚ１方向に偏るように変位した第１流路１１と交差している。

本実施形態では、交差する第１流路１１の第１部分２３と第２流路１２の第１部分３３とのＺ方向の位置関係が交互に入れ替わるように、第１流路１１および第２流路１２が蛇行している。

つまり、図６に示したように、第１流路１１では、第１部分２３がＺ１方向に偏り、第２流路１２に対してＺ１方向側に位置する領域７１と、第１部分２３がＺ２方向に偏り、第２流路１２に対してＺ２方向側に位置する領域７２とが、Ｘ方向に沿って交互に現れている。領域７１において、第１部分２３がＺ方向の第１位置Ｐ１に位置し、領域７２において、第１部分２３がＺ方向の第２位置Ｐ２に位置する。

また、図４に示したように、第２流路１２では、第１部分３３がＺ１方向に偏り、第１流路１１に対してＺ１方向側に位置する領域７３と、第１部分３３がＺ２方向に偏り、第１流路１１に対してＺ２方向側に位置する領域７４とが、Ｙ方向に沿って交互に現れている。領域７３において、第１部分３３がＺ方向の第１位置Ｐ１に位置し、領域７４において、第１部分３３がＺ方向の第２位置Ｐ２に位置する。

このように、第１流路１１および第２流路１２は、流路の延びる方向の位置に応じて、第１部分（２３、３３）がＺ方向の第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間で変位するように蛇行している。

ここで、本実施形態では、第１位置Ｐ１における第１部分（２３、３３）のＺ方向の形成範囲と、第２位置Ｐ２における第１部分（２３、３３）のＺ方向の形成範囲とが、Ｚ方向において重複しないようにずれている。

すなわち、図７に示すように、第１流路１１では、第１位置Ｐ１における第１部分２３は、Ｚ方向の範囲８１に亘って形成されている。第２位置Ｐ２における第１部分２３は、Ｚ方向の範囲８２に亘って形成されている。Ｚ方向において、範囲８１と範囲８２とが重複していない。

同様に、第２流路１２では、図９に示すように、第１位置Ｐ１における第１部分３３は、Ｚ方向の範囲８１に亘って形成されている。第２位置Ｐ２における第１部分３３は、Ｚ方向の範囲８２に亘って形成されている。Ｚ方向において、範囲８１と範囲８２とが重複していない。

つまり、本実施形態では、第１流路１１と第２流路１２とが、それぞれの第１部分（２３、３３）において、流路層１０をＺ方向に２等分するように形成されており、範囲８１と範囲８２とが流路層１０をＺ方向に２等分する範囲となっている。このため、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２とで、第１部分（２３、３３）の形成範囲が重複することがない。

〈流路間の隔壁〉
図７〜図１０に示したように、第１流路１１および第２流路１２の各々は、流路断面積を縮小および拡大させるように屈曲した隔壁１３により区画されている。第１流路１１の第１部分２３および第２部分２４と、第２流路１２の第１部分３３および第２部分３４とは、隔壁１３によって形成されている。

図７において、第１流路１１は、台形断面の第２流路１２のＺ１方向側またはＺ２方向側をＸ方向に横切る。隔壁１３は、台形断面の第２流路１２と、蛇行する第１流路１１とを区画するように屈曲している。隔壁１３は、台形断面の第２流路１２を形成するように流路層１０内に突出している。そして、流路層１０内に突出した隔壁１３によって、第１流路１１の流路断面積が縮小した第１部分２３が区画されている。

図９において、第２流路１２は、台形断面の第１流路１１のＺ１方向側またはＺ２方向側をＹ方向に横切る。隔壁１３は、台形断面の第１流路１１と、蛇行する第２流路１２とを区画するように屈曲している。隔壁１３は、台形断面の第１流路１１を形成するように流路層１０内に突出している。そして、流路層１０内に突出した隔壁１３によって、第２流路１２の流路断面積が縮小した第１部分３３が区画されている。

このように、第１流路１１と第２流路１２とは、同一層内で共通の隔壁１３により互いに区画されている。第１流路１１と第２流路１２とは、隔壁１３を介して互いに隣接している。そのため、隔壁１３は、第１流路１１と第２流路１２との間で熱交換を行う際の１次伝熱面を構成する。

また、第１流路１１および第２流路１２は、流路の延びる方向の位置に応じて断面積が連続的に変化するように、傾斜した隔壁１３によって区画されている。

隔壁１３は、図５および図３（図７および図９）に示したように、Ｚ方向において流路層１０の外縁部から流路層１０の中心に向けて突出するように傾斜した傾斜面４１、４２、４３、４４を有する。隔壁１３は、図３および図８に示したように、Ｙ方向において流路層１０の外縁部から流路層１０の中心に向けて突出するように傾斜した傾斜面４５、４６を有する。隔壁１３は、図５および図１０に示したように、Ｘ方向において流路層１０の外縁部から流路層１０の中心に向けて突出するように傾斜した傾斜面４７、４８を有する。

したがって、第１流路１１は、隔壁１３の傾斜面４１、４２（図７参照）によってＺ方向の流路高さが連続的に変化し、隔壁１３の傾斜面４５、４６（図８参照）によってＹ方向の流路幅が連続的に変化している。第１流路１１は、流路の延びる方向に沿って流路高さが縮小および拡大するように形成され、流路の延びる方向に沿って流路幅が縮小および拡大するように形成されている。

同様に、第２流路１２は、隔壁１３の傾斜面４３、４４（図９参照）によってＺ方向の流路高さが連続的に変化し、隔壁１３の傾斜面４７、４８（図１０参照）によってＸ方向の流路幅が連続的に変化している。第２流路１２は、流路の延びる方向に沿って流路高さが縮小および拡大するように形成され、流路の延びる方向に沿って流路幅が縮小および拡大するように形成されている。

これにより、第１流体１は、第１流路１１において、Ｚ方向の流路高さの変化およびＹ方向の流路幅の変化、Ｚ方向に蛇行する位置変化、の影響を受けて流れに３次元的な変化が生じる。同様に、第２流体２は、第２流路１２において、Ｚ方向の流路高さの変化およびＸ方向の流路幅の変化、Ｚ方向に蛇行する位置変化、の影響を受けて流れに３次元的な変化が生じる。

〈隣接する他の流路層内の流路との位置関係〉
また、図６に示したように、第１流路１１は、同一層内の第２流路１２と隣接し、かつ、Ｚ方向に隣接する他の流路層１０内の第２流路１２と隣接するように設けられている。図６から分かるように、第１流路１１は、Ｚ１方向およびＺ２方向の一方側で同一層内の第２流路１２と隣接し、Ｚ１方向およびＺ２方向の他方側で隣接する他の流路層１０内の第２流路１２と隔壁１３を介して隣接している。

同様に、図４に示したように、第２流路１２は、同一層内の第１流路１１と隣接し、かつ、Ｚ方向に隣接する他の流路層１０内の第１流路１１と隣接するように設けられている。図４から分かるように、第２流路１２は、Ｚ１方向およびＺ２方向の一方側で同一層内の第１流路１１と隣接し、Ｚ１方向およびＺ２方向の他方側で隣接する他の流路層１０内の第１流路１１と隔壁１３を介して隣接している。

なお、図４に示したように、第１流路１１は、同一層内の第２流路１２と、隔壁を介してＹ方向の両側で隣接する。図６に示したように、第２流路１２は、同一層内の第１流路１１と、隔壁を介してＸ方向の両側で隣接する。

このように、本実施形態では、第１流路１１と第２流路１２とが、全て１次伝熱面を介して隣接するように構成されている。

（単位構造）
図１〜図１０に示した流路層１０は、単位構造５０（図１１参照）を複数配列することにより構成されている。図１１に示すように、単位構造５０は、１つの第１流路１１と、１つの第２流路１２とが形成された、流路層１０の最小単位である。流路層１０は、単位構造５０が繰り返し現れる周期的な構造を有する。

〈単位構造の構成〉
図１２は、単位構造５０における第１流路１１の形状と第２流路１２の形状とを、別々に描いた模式図である。図１１および図１２に示すように、単位構造５０において、Ｘ方向に延びる第１流路１１とＹ方向に延びる第２流路１２とが交差するように形成されている。したがって、１つの単位構造５０のみにより、同一層内に配置される第１流路１１と第２流路１２とが交差する直交流型の流路層１０が構成されうる。流路層１０は、１つの単位構造５０によって構成されていてもよい。

図１１に示す単位構造５０は、Ｘ方向およびＹ方向に拡がるととともに、Ｚ方向に所定の高さを有する直方体形状を有する。単位構造５０のＺ方向の高さが、流路層１０の高さ（厚み）に相当する。単位構造５０は、Ｘ方向側の一方に第１端面５０Ａを有し、Ｘ方向側の他方に第２端面５０Ｂを有する。単位構造５０は、Ｙ方向側の一方に第３端面５０Ｃを有し、Ｙ方向側の他方に第４端面５０Ｄを有する。

単位構造５０において、第１流路１１および第２流路１２は、第１部分（２３、３３）よりも流路断面積が拡大された第２部分（２４、３４）を両端にそれぞれ有する。

具体的には、第１流路１１は、図１６に示すように、単位構造５０においてＸ方向に延び、単位構造５０のＸ方向側の第１端面５０Ａおよび第２端面５０Ｂに開口する。第１流路１１は、単位構造５０の第１端面５０Ａおよび第２端面５０Ｂに、それぞれ第２部分２４を有する。それぞれの第２部分２４は、同一の断面形状を有する。第１流路１１は、Ｘ方向の両端の２つの第２部分２４の間に、第１部分２３を有する。第１部分２３と第２部分２４との間が、図１３および図１７に示すように、隔壁１３の傾斜面４１、４５および４６によって接続されている。

第２流路１２は、図１４に示すように、単位構造５０においてＹ方向に延び、単位構造５０のＹ方向側の第３端面５０Ｃおよび第４端面５０Ｄに開口する。第２流路１２は、単位構造５０の第３端面５０Ｃおよび第４端面５０Ｄに、それぞれ第２部分３４を有する。それぞれの第２部分３４は、同一の断面形状を有する。第２流路１２は、Ｙ方向の両端の２つの第２部分３４の間に、第１部分３３を有する。第１部分３３と第２部分３４との間が、図１５および図１８に示すように、隔壁１３の傾斜面４３、４７および４８によって接続されている。

単位構造５０において、第１流路１１の第１部分２３は、第２流路１２の第１部分３３に対してＺ方向のいずれか一方に変位し、第２流路１２の第１部分３３は、第１流路１１の第１部分２３に対してＺ方向のいずれか他方に変位している。これにより、単位構造５０では、第１流路１１と第２流路１２が、それぞれの第１部分（２３、３３）において互いに交差している。

〈複数の単位構造の配列〉
単位構造５０をＸ方向に配列することによって、第１流路１１の流路長さが任意に設定できる。すなわち、第１流路１１は、複数の単位構造５０における第２部分２４同士が接続されることによりＸ方向に延びるように構成されている。具体的には、１つの単位構造５０の第２端面５０Ｂの第２部分２４と、隣り合う１つの単位構造５０の第１端面５０Ａの第２部分２４とが接続される。

複数の単位構造５０によって第１流路１１を形成する場合、流路層１０には、単位構造５０のＸ方向の配列数に対応する数の第２流路１２が形成される。第１流路１１は、それぞれの第２流路１２と交差する。図１および図６〜図８の流路層１０では、４つの単位構造５０がＸ方向に配列されることにより、１本の第１流路１１が構成されている。これにより、１本の第１流路１１が、４本の第２流路１２と交差している。

同様に単位構造５０をＹ方向に配列することによって、第２流路１２の流路長さが任意に設定できる。すなわち、第２流路１２は、複数の単位構造５０における第２部分２４同士が接続されることによりＹ方向に延びるように構成されている。具体的には、１つの単位構造５０の第３端面５０Ｃの第２部分３４と、隣り合う１つの単位構造５０の第４端面５０Ｄの第２部分３４とが接続される。

複数の単位構造５０によって第２流路１２を形成する場合、流路層１０には、単位構造５０のＹ方向の配列数に対応する数の第１流路１１が形成される。第２流路１２は、それぞれの第１流路１１と交差する。図１、図４、図９および図１０の流路層１０では、４つの単位構造５０がＹ方向に配列されることにより、１本の第２流路１２が構成されている。これにより、１本の第２流路１２が、４本の第１流路１１と交差している。

〈単位構造による蛇行した流路の形成〉
図４および図６に示したように、第１流路１１および第２流路１２をＺ方向に蛇行させる場合、流路層１０は、少なくとも、第１部分（２３、３３）のＺ方向の位置が異なる２種類の単位構造５０の組み合わせによって構成されうる。

すなわち、図１９および図２０の例では、単位構造５０は、第１構造５１と、第１構造５１を反転させた第２構造５２と、を含む。第１構造５１と第２構造５２とは、構造的には同一の形状を有する。第１構造５１を、Ｚ方向に反転させたものが、第２構造５２である。なお、図１１〜図１８は、第１構造５１を示している。第２構造５２は、図１９および図２０に示すように、第１構造５１の傾斜面４１、４３に代えて、傾斜面４２、４４を含む。

第１構造５１では、第１流路１１の第１部分２３がＺ方向の一方側（Ｚ１方向側）に配置され、第２流路１２の第１部分３３がＺ方向の他方側（Ｚ２方向側）に配置されている。つまり、第１構造５１は、第１位置Ｐ１に配置された第１部分２３と、第２位置Ｐ２に配置された第１部分３３とを含む。図６の領域７１、図４の領域７４が、第１構造５１によって形成されている。

第２構造５２では、第１流路１１の第１部分２３がＺ方向の他方側（Ｚ２方向側）に配置され、第２流路１２の第１部分３３がＺ方向の一方側（Ｚ１方向側）に配置されている。つまり、第２構造５２は、第２位置Ｐ２に配置された第１部分２３と、第１位置Ｐ１に配置された第１部分３３とを含む。図６の領域７２、図４の領域７３が、第２構造５２によって形成されている。

そして、図１９および図２０に示したように、流路層１０は、第１構造５１と第２構造５２とがＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に交互に並ぶように配列された構造を有する。図６に示すように、第１構造５１と第２構造５２とが、Ｘ方向に沿って２つずつ交互に並び、合計４つ配列されている。同様に、図４に示すように、第１構造５１と第２構造５２とが、Ｙ方向に沿って２つずつ交互に並び、合計４つ配列されている。

つまり、図１〜図１０の流路層１０では、Ｘ方向に４つの単位構造５０が配列され、Ｙ方向に４つの単位構造５０が配列されており、１６個の単位構造５０によって流路層１０が構成されている。

そして、１６個の単位構造５０の内訳として、第１構造５１と第２構造５２とがＸ方向およびＹ方向のそれぞれで交互に現れるように、８個ずつ設けられている。流路層１０は、図２に示したように、第１構造５１と第２構造５２とが市松模様状に配列された構造を有する。図２では、Ｚ１方向側（すなわち、第１位置Ｐ１）を通過する流路を実線矢印で示し、Ｚ２方向側（すなわち、第２位置Ｐ２）を通過する流路を破線矢印で示している。実線で示された第１流路１１と、破線で示された第２流路１２とが交差する部分が、第１構造５１により構成されている。破線で示された第１流路１１と、実線で示された第２流路１２とが交差する部分が、第２構造５２により構成されている。

このように構成された流路層１０が、Ｚ方向に配列されることにより、図１に示したコア部３が構成されている。それぞれの流路層１０では、同じ単位構造５０がＺ方向に並ぶ。すなわち、図４および図６に示すように、それぞれの流路層１０の第１構造５１同士がＺ方向に配列され、それぞれの流路層１０の第２構造５２同士がＺ方向に配列されている。これにより、いずれかの流路層１０の第１流路１１が、Ｚ方向に隣接する他の流路層１０内の第２流路１２と隣接しいずれかの流路層１０の第２流路１２が、Ｚ方向に隣接する他の流路層１０内の第１流路１１と隣接する構造が実現される。

（熱交換器の形成手法）
熱交換器１００のコア部３は、たとえば、積層造形法によって形成された立体構造物とされうる。より具体的には、積層造形法は、粉末積層造形法である。粉末積層造形法は、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）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手法である。粉末材料は、鉄系、銅系、チタン系、アルミニウム系などの金属材料であり、重量、機械的強度、伝熱性能など観点から、たとえばアルミニウム（またはアルミニウム合金）などが好ましい。

本実施形態では、コア部３が、積層造形法によって一体的に形成（単一部品として形成）された後、ヘッダ部４Ａ〜４Ｄと接合されることによって熱交換器１００として構成されうる。また、コア部３およびヘッダ部４Ａ〜４Ｄを含む熱交換器１００の全体が、積層造形法によって一体的に形成されうる。

（熱交換器の作用）
以上のように構成された熱交換器１００では、ヘッダ部４Ａから各第１流路１１に導入された第１流体１が、第１流路１１の第２部分２４と第１部分２３とを交互に通過する。さらに、第１流体１は、第１位置Ｐ１の第１部分２３と第２位置Ｐ２の第１部分２３とを交互に通過するように、Ｚ方向に蛇行して流れる。第１流体１が第１流路１１内を流れる過程で、隣接する複数の第２流路１２をそれぞれ流れる第２流体２との間で熱交換が行われる。熱交換の後、第１流体１は、出口開口２２からヘッダ部４Ｂへ排出される。

そして、ヘッダ部４Ｃから各第２流路１２に導入された第２流体２が、第２流路１２の第２部分３４と第１部分３３とを交互に通過する。さらに、第２流体２は、第１位置Ｐ１の第１部分３３と第２位置Ｐ２の第１部分３３とを交互に通過するように、Ｚ方向に蛇行して流れる。第２流体２が第２流路１２内を流れる過程で、隣接する複数の第１流路１１をそれぞれ流れる第１流体１との間で熱交換が行われる。熱交換の後、第２流体２は、出口開口３２からヘッダ部４Ｄへ排出される。

第１流路１１および第２流路１２の内部では、流路断面積の変化およびＺ方向の変位に伴って、流れの乱れが生じ、温度境界層が破壊されることにより熱交換が効率的に行われる。また、第１流路１１と第２流路１２とを区画する隔壁１３が全面に亘って１次伝熱面を構成する。つまり、隣り合う流路層１０同士を区画する境界だけでなく、同一層内の流路を区画する隔壁１３によっても１次伝熱面が構成されているので、従来のプレートフィン型熱交換器と比較して１次伝熱面の面積が増大している。その結果、隔壁１３を介した第１流体１と第２流体２との熱交換が効率的に行われる。

（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。

本実施形態では、上記のように、第１流路１１および第２流路１２の各々が、流路断面積を縮小および拡大させつつ、さらに第１部分（２３、３３）においてＺ方向に変位する。これにより、それぞれの流路内では、断面形状の変化に伴う２次元的な流れの変化に加えて、Ｚ方向への流れの変化によって、３次元的に変化する流れを形成できる。その結果、熱伝達率を改善するための流れの乱れを効果的に形成できる。そして、第１流路１１および第２流路１２の各々に形成される第１部分（２３、３３）を利用し、第１部分（２３、３３）の位置をＺ方向にずらすことによって、第１流路１１と第２流路１２とを同一層内で互いに交差するように形成できる。これにより、従来のプレートフィン型の熱交換器のように、第１の層と、第２の層との境界にのみ伝熱面が形成される構造（図２１参照）と異なり、単一の流路層１０内で第１流路１１と第２流路１２との伝熱面を形成できる。その結果、従来の熱交換器と同等のサイズであれば、従来の熱交換器よりも伝熱面積を増大させることができ、従来の熱交換器と同等の伝熱面積であれば、従来の熱交換器よりも熱交換器のサイズおよび重量を低減できる。以上の結果、本実施形態では、熱交換器のサイズおよび重量の増大を抑制しながら、熱交換効率を改善させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１流路１１および第２流路１２の各々が、流路断面積を縮小および拡大させるように屈曲した隔壁１３により区画されているので、流路断面積を変化させるために２次伝熱面となるフィンを流路内に配置する必要がなく、第１流路１１と第２流路１２と隔壁１３を介して直接隣接させることができる。そして、第１流路１１と第２流路１２とが、同一層内で共通の隔壁１３により互いに区画されているので、同一層内の第１流路１１と第２流路１２との隔壁１３によって１次伝熱面を構成することができる。これにより、第１流路１１と第２流路１２との１次伝熱面を効果的に増大させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１流路１１および第２流路１２は、流路の延びる方向の位置に応じて断面積が連続的に変化するように、傾斜した隔壁１３によって区画されているので、たとえば段差状に形成された隔壁１３により流路断面積が急激に（直角に）変化するような構造と比較して、流路断面積の変化を滑らかにすることができる。これにより、第１流路１１および第２流路１２において、熱交換効率を改善させる流れの変化を形成しつつ、圧力損失の過度な増大を抑制できる。

また、本実施形態では、上記のように、第１流路１１がＺ方向に隣接する他の流路層１０内の第２流路１２と隣接するように設けられ、第２流路１２がＺ方向に隣接する他の流路層１０内の第１流路１１と隣接するように設けられているので、第１流路１１を同一層内だけでなく別の流路層１０の第２流路１２とも隣接させ、第２流路１２を同一層内だけでなく別の流路層１０の第１流路１１と隣接させることができる。これにより、第１流路１１と第２流路１２との間の伝熱面積を更に増大させることができるので、熱交換効率を効果的に改善させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、交差する第１流路１１の第１部分２３と第２流路１２の第１部分３３とのＺ方向の位置関係が交互に入れ替わるように、第１流路１１および第２流路１２が蛇行しているので、同一層内に配置される第１流路１１および第２流路１２の各々を、Ｚ方向に複数回変位させることができる。その結果、各流路において、複数回に亘ってＺ方向への流れの変化を生じさせることができるので、熱交換効率を効果的に改善させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１位置Ｐ１における第１部分（２３、３３）のＺ方向の形成範囲８１と、第２位置Ｐ２における第１部分（２３、３３）のＺ方向の形成範囲８２とが、Ｚ方向において重複しないようにずれているので、第１流路１１において、第１位置Ｐ１にある第１部分２３と、第２位置Ｐ２にある第１部分２３とをＸ方向に直線的に通過する領域が形成されない。第２流路１２においても同様に、Ｙ方向に直線的に通過する領域が形成されない。そのため、流体が第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２とを通過する過程で、確実に、Ｚ方向への流れの変化を形成することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１流路１１および第２流路１２の各々において、第１部分（２３、３３）と第２部分（２４、３４）とが、流路の延びる方向に沿って交互に配置されているので、第１部分（２３、３３）における流路断面積の縮小と、第２部分（２４、３４）における流路断面積の拡大と、を交互に複数回発生させることができる。これにより、断面形状の変化に伴う流れの変化を効果的に発生させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１流路１１および第２流路１２の各々において、流路の端部に配置された第２部分（２４、３４）によって、入口開口（２１、３１）または出口開口（２２、３４）が構成されているので、流路の端部において拡大された第２部分（２４、３４）から流体を流路内に導入し、または流路内から導出することができる。これにより、流路断面積が変化する構造においても、流体を導入、導出するための十分な開口面積を確保できる。

また、本実施形態では、上記のように、流路層１０が、Ｘ方向側の第１端面１０Ａに複数の第１流路１１の入口開口２１を有し、Ｘ方向側の第２端面１０Ｂに複数の第１流路１１の出口開口２２を有し、流路層１０は、Ｙ方向側の第３端面１０Ｃに複数の第２流路１２の入口開口２１を有し、Ｙ方向側の第４端面１０Ｄに複数の第２流路１２の出口開口３２を有する。これにより、それぞれの流路層１０の同一の端面に、流路の入口開口（２１、３１）または出口開口（２２、３２）を集約して形成できるので、ヘッダ部４Ａ〜４Ｄに覆われる面積と、開口部の合計面積とを近づけることができる。その結果、流路の入口開口（２１、３１）において圧力損失が生じることを抑制できる。

すなわち、図２１に示すプレートフィン型の熱交換器の比較例のように、第１の層と第２の層とが交互に設けられる構造では、流路の入口開口が１層おきに形成され、各入口開口が外部配管との接続用のヘッダ部によってまとめて覆われる。この場合、ヘッダ部に覆われる面積Ａ１に比べて、開口部の合計面積（２×Ａ２）が小さいため、ヘッダ部と入口開口との間で流路が急激に絞られることになり、圧力損失が生じる。一方、図２２に示す本実施形態の熱交換器１００では、第１端面１０Ａの略全面が入口開口２１となり、ヘッダ部４Ａに覆われる面積Ａ１と開口部の合計面積（４×Ａ３）とが近付くので、流体の導入に伴う圧力損失が低減できる。図５に示した第３端面１０Ｃについても同様である。

また、本実施形態では、上記のように、流路層１０が、単位構造５０を複数配列することにより構成されているので、同一層内で流路断面積を変化させながら互いに交差する第１流路１１および第２流路１２を含む流路層１０を、単位構造５０を並べるだけの簡単な構造で形成できる。そして、単位構造５０の数を増減させるだけで、任意の流路数および任意の流路長さの熱交換器を容易に得ることができる。これにより、流路形状が３次元的に変化する新規な構造の熱交換器であっても、熱交換器の設計を極めて容易化することができる。

また、本実施形態では、上記のように、流路層１０は、第１構造５１と第２構造５２がＸ方向およびＹ方向に配列された構造を有するので、第１構造５１と、第１構造５１を反転させた第２構造５２との２種類の単位構造５０を配列するだけで、同一層内で第１流路１１および第２流路１２がＺ方向に蛇行する構造を実現することができる。これにより、Ｚ方向に蛇行する流路を含む構造であっても、容易に設計することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１流路１１は、複数の単位構造５０における第２部分２４同士が接続されることによりＸ方向に延び、第２流路１２は、複数の単位構造５０における第２部分３４同士が接続されることによりＹ方向に延びるように構成されているので、単位構造５０における第２部分（２４、３４）同士を接続するだけで、流路断面積の縮小と拡大とが交互に発生する構造を容易に実現することができる。

［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。

たとえば、上記実施形態では、複数の流路層１０をＺ方向に配列した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、流路層１０を１層だけ設けてもよい。

また、上記実施形態において、単位構造５０の各部の寸法は、図示したものに限られず、任意に変更してよい。たとえば、単位構造５０における流路長さは任意である。上記実施形態では、第２流路１２のＹ方向の流路長さに比べて第１流路１１のＸ方向の流路長さが大きい（すなわち、単位構造５０のＸ方向寸法がＹ方向寸法よりも大きい）例を示したが、流路長さが等しくてもよいし、第２流路１２の流路長さに比べて第１流路１１の流路長さが小さくてもよい。

また、単位構造５０における第１部分２３のＺ方向の形成範囲は任意である。たとえば図１９では、第１流路１１の第１部分２３と第２流路１２の第１部分３３とが、単位構造５０のＺ方向高さを２等分するように形成されているが、図２３に示すように、第１部分２３および第１部分３３のいずれか一方の形成範囲を小さくし、いずれか他方の形成範囲を大きくしてもよい。図２３では、第１部分３３の形成範囲８４を小さくし、第１部分２３の形成範囲８３を大きくした例を示しているが、逆の関係としてもよい。

この場合、第１部分のＺ方向の形成範囲が大きくされた方の流路（図２３では第１流路１１）では、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２とで第１部分２３の形成範囲８３がＺ方向に重複する。そのため、流路内に、入口開口から出口開口まで直線的に貫通する領域９０が形成されることになり、流路内の流れをＺ方向に蛇行させる効果が低くなる。熱交換効率を向上させる観点では、上記実施形態（図１９参照）のように、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２とで第１部分（２３、３３）のＺ方向の形成範囲がＺ方向に重複しないようにすることが好ましい。一方、図２３の構成では、流体が直線的に流通可能な領域９０が部分的に形成されるため、圧力損失を低減できる。そのため、熱交換を行う第１流体１および第２流体２の種類、流量や熱交換量を考慮して、いずれかの流路における圧力損失の低減を優先する場合には、図２３のように構成してもよい。

この他、たとえば単位構造５０における第１部分２３の長さは任意である。たとえば図１６に示した第１流路１１の第１部分２３の長さＬ１は、図２４に示すように、より小さい長さＬ２であってもよいし、より大きい長さ（図示省略）であってもよい。第２流路１２の第１部分３３についても同様である。

また、単位構造５０における第１部分２３の流路の延びる方向の位置は任意である。たとえば図１６の第１流路１１の第１部分２３は、Ｘ方向における単位構造５０の中央に配置されているが、図２５に示すように、第１部分２３が、第１端面５０Ａ側または第２端面５０Ｂ側のいずれかに偏った位置に配置されていてもよい。第２流路１２の第１部分３３についても同様である。

また、上記実施形態では、第１流路１１および第２流路１２を区画する隔壁１３が、折れ線状に屈曲する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、隔壁１３が、曲線状に屈曲（湾曲）していてもよい。

また、上記実施形態では、第１流路１１および第２流路１２の流路断面積が連続的に変化するように、傾斜した隔壁１３を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば流路断面積が段階的に変化するように、階段状（段差状）の隔壁を設けてもよい。

また、上記実施形態では、第１流路１１が、他の流路層１０内の第２流路１２と隣接し、第２流路１２が、他の流路層１０内の第１流路１１と隣接する例を示したが、本発明はこれに限られない。第１流路１１は、他の流路層１０の第１流路１１と隣接するように設けられてもよい。同様に、第２流路１２は、他の流路層１０の第２流路１２と隣接するように設けられてもよい。

また、上記実施形態では、交差する第１流路１１の第１部分２３と第２流路１２の第１部分３３とのＺ方向の位置関係が交互に入れ替わる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流路１１の第１部分２３と第２流路１２の第１部分３３とのＺ方向の位置関係が交互に入れ替わらなくてもよい。たとえば、第１構造５１および第２構造５２の一方のみを複数接続することにより、第１流路１１または第２流路１２が構成されてもよい。また、たとえば２つの第１構造５１と１つの第２構造５２との組み合わせなど、第１構造５１の数と第２構造５２の数とを異ならせて、第１流路１１または第２流路１２が構成されてもよい。

また、上記実施形態では、第２部分（２４、３４）によって、入口開口２１または出口開口２２が構成されている例を示したが、第１部分（２３、３３）によって、入口開口２１または出口開口２２が構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、流路層１０の第１端面１０Ａに第１流路１１の入口開口２１を設け、第２端面１０Ｂに第１流路１１の出口開口２２を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば第１流路１１を第２端面１０Ｂ側から第１端面１０Ａ側にＵターンさせて、第１端面１０Ａに第１流路１１の入口開口２１と出口開口２２との両方を設けてもよい。第２流路１２についても同様である。

また、上記実施形態では、流路層１０が、単位構造５０を複数配列することにより構成される例を示したが、本発明はこれに限られない。単位構造５０の配列によって流路層１０を構成しなくてもよい。つまり、流路層１０は、特定の流路形状のパターンが反復される構造ではなく、流路の一端から他端までの間が反復するパターンを有しない構造で構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、流路層１０が、第１構造５１と第２構造５２との２種類の単位構造５０により構成される例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、流路層１０が、３種類以上の単位構造の組み合わせにより構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、流路層１０が第１流路１１と第２流路１２とを含む例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、流路層１０が、第１流路１１および第２流路１２に加えて、さらに第３流体を流通させる第３流路を含んでもよい。流路層１０は、何種類の流体を流通させるように構成されていてもよく、流体の種類に応じた数（種類）の流路を含みうる。

１ 第１流体
２ 第２流体
１０ 流路層
１０Ａ 第１端面
１０Ｂ 第２端面
１０Ｃ 第３端面
１０Ｄ 第４端面
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１３ 隔壁
２１ 入口開口
２２ 出口開口
２３ 第１部分
２４ 第２部分
３１ 入口開口
３２ 出口開口
３３ 第１部分
３４ 第２部分
５０ 単位構造
５０Ａ 第１端面
５０Ｂ 第２端面
５０Ｃ 第３端面
５０Ｄ 第４端面
５１ 第１構造
５２ 第２構造
８１ 形成範囲
８２ 形成範囲
１００ 熱交換器
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置

Claims (12)

1. 第１方向に延びる管状形状を有し、第１流体を流通させる第１流路と、前記第１方向と交差する第２方向に延びる管状形状を有し、前記第１流体と熱交換する第２流体を流通させる第２流路と、が同一層内に配置された流路層を備え、
   前記第１流路および前記第２流路の各々は、流路の延びる方向に沿って流路断面積が縮小および拡大するように形成され、
   前記第１流路および前記第２流路は、流路断面積が縮小された第１部分が前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に変位することにより、前記第１部分において同一層内で交差している、熱交換器。
2. 前記第１流路および前記第２流路の各々は、流路断面積を縮小および拡大させるように屈曲した隔壁により区画されており、
   前記第１流路と前記第２流路とは、同一層内で共通の前記隔壁により互いに区画されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１流路および前記第２流路は、流路の延びる方向の位置に応じて断面積が連続的に変化するように、傾斜した前記隔壁によって区画されている、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第３方向に配列された複数の前記流路層を備え、
   前記第１流路は、同一層内の前記第２流路と隣接し、かつ、前記第３方向に隣接する他の前記流路層内の前記第２流路と隣接するように設けられ、
   前記第２流路は、同一層内の前記第１流路と隣接し、かつ、前記第３方向に隣接する他の前記流路層内の前記第１流路と隣接するように設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記流路層は、前記第２方向に並ぶ複数の前記第１流路と、前記第１方向に並ぶ複数の前記第２流路とを含み、
   前記第１流路および前記第２流路は、流路の延びる方向に沿って複数の前記第１部分を有し、
   交差する前記第１流路の前記第１部分と前記第２流路の前記第１部分との前記第３方向の位置関係が交互に入れ替わるように、前記第１流路および前記第２流路が蛇行している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記第１流路および前記第２流路は、流路の延びる方向の位置に応じて、前記第１部分が前記第３方向の第１位置と第２位置との間で変位するように蛇行し、
   前記第１位置における前記第１部分の前記第３方向の形成範囲と、前記第２位置における前記第１部分の前記第３方向の形成範囲とが、前記第３方向において重複しないようにずれている、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記流路層は、前記第２方向に並ぶ複数の前記第１流路と、前記第１方向に並ぶ複数の前記第２流路とを含み、
   前記第１流路および前記第２流路は、それぞれ、複数の前記第１部分と、前記第１部分よりも流路断面積が拡大された複数の第２部分と、を有し、
   前記第１部分と前記第２部分とは、流路の延びる方向に沿って交互に配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 前記第１流路および前記第２流路は、それぞれ、流路の端部に配置された前記第２部分によって、入口開口または出口開口が構成されている、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記第３方向に配列された複数の前記流路層を備え、
   前記流路層は、前記第１方向側の第１端面に複数の前記第１流路の前記入口開口を有し、前記第１方向側の第２端面に複数の前記第１流路の前記出口開口を有し、
   前記流路層は、前記第２方向側の第３端面に複数の前記第２流路の前記入口開口を有し、前記第２方向側の第４端面に複数の前記第２流路の前記出口開口を有する、請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記流路層は、１つの前記第１部分を含む１つの前記第１流路と、１つの前記第１部分を含む１つの前記第２流路とが形成された単位構造を、複数配列することにより構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 前記単位構造は、
    前記第１流路の前記第１部分が前記第３方向の一方側に配置され、前記第２流路の前記第１部分が前記第３方向の他方側に配置された第１構造と、
    前記第１流路の前記第１部分が前記第３方向の他方側に配置され、前記第２流路の前記第１部分が前記第３方向の一方側に配置され、前記第１構造を反転させた第２構造と、を含み、
    前記流路層は、前記第１構造と前記第２構造が前記第１方向および前記第２方向の少なくとも一方に交互に並ぶように配列された構造を有する、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記単位構造において、
    前記第１流路および前記第２流路は、前記第１部分よりも流路断面積が拡大された第２部分を両端にそれぞれ有し、
    前記第１流路は、複数の前記単位構造における前記第２部分同士が接続されることにより前記第１方向に延び、
    前記第２流路は、複数の前記単位構造における前記第２部分同士が接続されることにより前記第２方向に延びるように構成されている、請求項１０または１１に記載の熱交換器。

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