JP2022151553A - 構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】室内の空気の冷暖房のために消費されるエネルギーを低減する。
【解決手段】本開示の一実施形態によれば、複数の第１の流路１２２が互いに連通して形成される第１の流路空間１２０と、複数の第２の流路１３２が互いに連通して形成される第２の流路空間１３０とを互いに隔てた状態で形成する周期曲面に基づいて形成された隔壁構造１１０を有する構造体１００が提供される。構造体１００の少なくとも一部に、第１の流路１２２の流路径と第２の流路１３２の流路径との比が変遷する領域が設けられている。
【選択図】図３

Description

本開示は構造体に関し、より詳しくは、熱交換や換気等の用途にも用いることが可能な構造体に関する。

特許文献１には、ジャイロイドの周期極小曲面によって隔てられた２つの流路を有する気液分離装置が開示されている。また、特許文献２には、各種周期極小曲面によって隔てられた２つの流路を有する熱交換器が開示されている。特許文献１及び特許文献２は、それぞれ、２つの流路を隔てる隔壁に周期極小曲面を用いてその比表面積を大きくすることで、気液分離効率ないし熱交換効率の向上を図ることを意図している。

また、特許文献３には、ユニットセルの大きさが階層的に変化する三重周期極小曲面で形成された熱交換器が開示されている。

特開2019-155279号公報 米国特許第10704841号明細書 米国特許出願公開第2020/0215480号明細書

特許文献１及び２に開示された構造は、いずれも、周期極小曲面によって隔てられた２つの流路が互いに等しい形状および大きさを有しており、２つの流路は構造全体にわたって均質である。そのため、構造全体にわたって均質な気液分離特性ないし熱交換特性を得られることができる反面、構造内において気液分離特性ないし熱交換特性に分布を持たせることはできない。

また、特許文献３に開示された構造は、ユニットセルの大きさが階層的に変化する三重周期極小曲面で形成されており、各ユニットにおいて三重周期極小曲面で互いに隔てられた一方の流路の径と他方の流路の径とは、ユニットの大きさに応じて異なるものの、いずれの大きさのユニットにおいても互いの比は一定である。したがって、特許文献３に開示された構造においても、熱交換特性は構造全体にわたって均質であり、構造内において熱交換特性に分布を持たせることはできない。

さらに、特許文献１～３は、それぞれ、各種工業用プラント等において用いられる気液分離装置や熱交換器を開示するものであり、各々が開示するような周期極小曲面を用いた構造を熱交換や換気等のために窓や壁等に用いるという着想については何ら記載も示唆もしていない。そのため、特許文献１～３に開示されたような構造では、例えば熱交換や換気用に窓や壁等に用いた場合に外気及び内気の流入路及び流出路をどのように形成すべきか、採光のための開口をどのような形態とすべきか等については、何ら考慮されていない。

本開示の一態様によれば、複数の第１の流路が互いに連通して形成される第１の流路空間と、複数の第２の流路が互いに連通して形成される第２の流路空間とを互いに隔てた状態で形成する周期曲面に基づいて形成された隔壁構造を有する構造体であって、構造体の少なくとも一部に、第１の流路の流路径と第２の流路の流路径との比が変遷する領域が設けられている構造体が提供される。

本開示の他の特徴事項および利点は、例示的且つ非網羅的に与えられている以下の説明及び添付図面から理解することができる。

本開示の一実施形態に係る構造体を示す斜視図である。 図１に示した構造体の正面図である。 図１及び図２に示した構造体を図示ｘｙ平面と平行な平面に沿って切断した断面を示す図である。 図３に示された第１の流路の一つを拡大して示す図である。 図１及び図２に示した構造体を、図示ｘｙ平面と平行な平面であって、図３に示した断面に対して図示ｚ軸方向に周期曲面の半周期分だけずらした位置における平面に沿って切断した断面を示す図である。 図（ａ）は、図１及び図２に示した構造体を図示ｘｚ平面と平行な平面に沿って切断した断面を示す図であり、図（ｂ）は、図１及び図２に示した構造体を、図示ｘｚ平面と平行な平面であって、図（ａ）に示した断面に対して図示ｙ方向に周期曲面の半周期分だけずらした位置における平面に沿って切断した断面を示す図である。 図（ａ）は、図１及び図２に示した構造体を図示ｙｚ平面と平行な平面に沿って切断した断面を示す図であり、図（ｂ）は、図１及び図２に示した構造体を、図示ｙｚ平面と平行な平面であって、図（ａ）に示した断面に対して図示ｘ方向に周期曲面の半周期分だけずらした位置における平面に沿って切断した断面を示す図である。 図２に示した構造体の正面図に対して、説明のため一点鎖線を描画した図である。 本開示の一実施形態に係る構造体の一変形例を示す正面図である。

以下、本開示の実施の形態を図面を参照して説明する。

最初に、本開示の一実施形態に係る構造体１００の全体構成について説明する。図１は本開示の一実施形態に係る構造体を示す斜視図であり、図２は図１に示した構造体の正面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の構造体１００は、互いに隔てられた２つの流路空間１２０，１３０を形成する隔壁構造１１０を含んでおり、一例として直方体に形成されている。本実施形態の説明においては、図１及び図２に示すように構造体１００の横方向をｘ軸、縦方向をｙ軸、奥行き方向をｚ軸として座標系を定義する。

本実施形態の構造体１００の隔壁構造１１０は、図示ｙ軸方向に第１の流体を通す第１の流路空間１２０と、図示ｚ軸方向に第２の流体を通す第２の流路空間１３０とを形成している。それらの２つの流路空間１２０，１３０は隔壁構造１１０によって互いに隔てられており、２つの流路空間１２０，１３０をそれぞれ流れる第１及び第２の流体が互いに混じることはない。

本実施形態の構造体１００は、図示左右の図示ｙｚ平面と平行な両面における隔壁構造１１０の開放端面を封止する第１の封止部１４０を有している。第１の封止部１４０は、隔壁構造１１０の図示左右の開放端面の全面をそれぞれ覆う壁状の形成を有している。隔壁構造１１０の開放端面では第１及び第２の流路空間１２０，１３０が隔壁構造１１０の外部空間に開放されるが、隔壁構造１１０の開放端面の全面を覆う第１の封止部１４０によって、第１及び第２の流路空間１２０，１３０が隔壁構造１１０により互いに隔てられた状態でそれぞれ終端している。これにより、第１及び第２の流路空間１２０，１３０を流れる流体はいずれも隔壁構造１１０の図示左右の開放端面から外部に流出しないようになっている。

また、本実施形態の構造体１００は、図示上下の図示ｘｚ平面と平行な両面における隔壁構造１１０の開放端面の一部を封止する第２の封止部１５０を有している。第２の封止部１５０は、隔壁構造１１０の図示上下方向の開放端面のうち、図示ｚ軸方向に第２の流体を通す第２の流路空間１３０のみを封止するように形成されている。これにより、構造体１００の図示上下の両面においては、図示ｙ軸方向に第１の流体を通す第１の流路空間１２０は外部空間に連通している一方で、第２の流体を通す第２の流路空間１３０は終端している。

さらに、本実施形態の構造体１００は、図示前後の図示ｘｙ平面と平行な両面における隔壁構造１１０の開放端面の一部を封止する第３の封止部１６０を有している。第３の封止部１６０は、隔壁構造１１０の図示前後方向の開放端面のうち、第１の流体を通す第１の流路空間１２０のみを封止するように形成されている。これにより、構造体１００の図示前後の両面においては、図示ｚ軸方向に第２の流体を通す第２の流路空間１３０は外部空間に連通している一方で、第１の流体を通す第１の流路空間１２０は終端している。

このように構成された本実施形態の構造体１００によれば、図示ｙ軸方向に沿う図示上下の一方の面側から第１の流路空間１２０内に流入した第１の流体は、第１の流路空間１２０を通って図示上下方向の他方の面側において第１の流路空間１２０から外部に流出する。他方、図示ｚ軸方向に沿う図示前後方向の一方の面側から第２の流路空間１３０内に流入した第２の流体は、第２の流路空間１３０を通って図示前後方向の他方の面側において第２の流路空間１３０から外部に流出する。

次に、本実施形態の構造体１００における隔壁構造１１０について説明する。隔壁構造１１０は、周期曲面に基づいて形成され、一定の厚みを占める壁によって構成することができる。周期曲面としては、例えば、一方の螺旋壁と他方の螺旋壁とによって互いに隣接しかつ互いに隔てられた２つの螺旋空間を形成する二重螺旋スクリューを成す螺旋状の曲面や、周期極小曲面、とりわけ三重周期極小曲面（以下、「ＴＰＭＳ」：Ｔｒｉｐｌｙ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｍｉｎｉｍａｌ Ｓｕｒｆａｃｅとも称する。）を用いることができる。

ここで、「極小曲面」は、その面積を局所的に最小化する表面であり、その表面は全ての点でゼロ平均曲率を有する。ゼロ平均曲率は、その表面上のすべての点で極小曲面の平均曲率がゼロであることを意味する。平均曲率は２つの主曲率の平均であり、主曲率は極小曲面の表面上の特定の点における法線曲率の最大値および最小値である。極小曲面の表面の各点の反対側には絶対値が等しく正負が反対である曲率を持つ点が存在するため、表面全体での平均曲率はゼロとなる。

また、「三重周期極小曲面（ＴＰＭＳ）」は、表面が３つの異なる方向に周期的に繰り返される三重周期的な極小曲面である。三重周期最小曲面は、空間を互いに隔てられた２つの容積に分割する。互いに隔てられた２つの容積は互いに複雑に絡み合う２つの空間を形成し得るが、それらの２つの空間は互いに連通しない。三重周期極小曲面としては、例えばＧｙｒｏｉｄ曲面、Ｓｃｈｗａｒｚ・Ｐ曲面、Ｓｃｈｗａｒｚ・Ｄ曲面、Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｋｏｃｈ・Ｓ曲面、Ｌｉｄｉｎｏｉｄ曲面が含まれるが、本実施形態において採用し得る三重周期極小曲面はこれらに限定されない。また、本実施形態においては、上記のような三重周期極小曲面の２つ以上を任意に組み合わせて形成された周期極小曲面構造を採用してもよい。

本実施形態で示した例では、隔壁構造１１０はＴＰＭＳの一例であるジャイロイドに基づいて形成されている。ジャイロイド極小曲面は、下記の関数Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）によって表現される。

Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ｓｉｎ（ｘ）ｃｏｓ（ｙ）＋ｓｉｎ（ｙ）ｃｏｓ（ｚ）＋ｓｉｎ（ｚ）ｃｏｓ（ｘ） ・・・ （式１）

続いて、隔壁構造１１０内に形成された第１及び第２の流路空間１２０，１３０についてより詳しく説明する。

図３は、図１及び図２に示した構造体を図示ｘｙ平面と平行な平面に沿って切断した断面を示す図である。図４は、図３に示された第１の流路の一つを拡大して示す図である。図５は、図１及び図２に示した構造体を、図示ｘｙ平面と平行な平面であって、図３に示した断面に対して図示ｚ軸方向に周期曲面の半周期分だけずらした位置における平面に沿って切断した断面を示す図である。

図３を参照すると、図３に示す断面においては、本実施形態における構造体１００の隔壁構造１１０内に図示上下方向であるｙ軸方向に延びる複数の第１の流路１２２が互いに間隔をおいて形成されている。第１の流路１２２は、その断面が延伸方向に正弦波形状を成している。それらの第１の流路１２２は、構造体１００の図示下面と図示上面において構造体１００の外部空間に開放されている。これらの第１の流路１２２は後述するように互いに連通するように形成されており、それらの第１の流路１２２が一体となって、図示ｙ軸方向に第１の流体を通す第１の流路空間１２０を形成している。

なお、図３に示した断面では隔壁構造１１０の図示中央寄りの領域における第１の流路１２２は流路が途切れているように見えるが、実際には流路は途切れることなく繋がっており、他の第１の流路１２２と同様に構造体１００の図示下面と図示上面との間で連通している。第１の流路１２２は、断面が延伸方向に正弦波形状を成し、かつ全体としてスパイラル状に旋回しながら延伸する形状を有している。第１の流路１２２のうち、流路が途切れているように見える部分１２４は、実際には図示ｙ軸方向周りをスパイラル状に延びる形状を有しており、他の部分より径が小さいために流路の断面が表れている。図３に示す断面では、その比較的径が小さい部分１２４の図示ｙ軸方向に沿った長手方向断面が示されており、その部分１２４内を通る１つの第１の流路１２２の断面が点在するように表されている。

このようなスパイラル状の部分１２４を有する第１の流路１２２における流体の流れについて図４を参照して説明すると、例えば図４の図示下方から第１の流路１２２の図示ｙ軸方向への延伸部分に流入した流体は、第１の流路１２２のその延伸部分内を図示ｙ軸方向に上方に流れ、次いで、径が小さい部分１２４に流入してその部分１２４内の第１の流路１２２内を図４の矢印で模式的に示すように図示ｙ軸周りを旋回しながら図示ｙ軸方向に上方に流れ、次いで、第１の流路１２２の図示上側の延伸部分内を図示ｙ軸方向に上方に流れて、第１の流路１２２の外部に流出する。

再び図３を参照すると、隔壁構造１１０内には図示上下方向であるｙ軸方向に延びる複数の第２の流路１３２が互いに間隔をおいて形成されている。複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とは、図示ｘ軸方向において互い違いに隣接するように配置されている。第２の流路１３２も、その断面が延伸方向に正弦波形状を成し、かつ全体としてスパイラル状に旋回しながら延伸する形状を有している。それらの第２の流路１３２は、構造体１００の図示下面と図示上面において第２の封止部１５０によって封止されて終端しており、構造体１００の外部空間に対して開放されていない。これらの第２の流路１３２も後述するように互いに連通するように形成されており、それらの第２の流路１３２が一体となって、図示ｚ軸方向に第２の流体を通す第２の流路空間１３０を形成している。

図３に示すように正面方向から（あるいはその反対側から）構造体１００を見たときには、図示ｚ軸方向に延びる各々の第２の流路１３２を開口１３４を通じて構造体１００の反対側が透けて見えるようになっている。

次に図５を参照すると、図５に示す断面においては、本実施形態における構造体１００の隔壁構造１１０内には、複数の第１の流路１２２が図示左右方向であるｘ軸方向に延びるように互いに間隔をおいて形成されている。第１の流路１２２は、その断面が延伸方向にスパイラル状に延びる正弦波形状を成している。これらの図示ｘ軸方向に延びる複数の第１の流路１２２の各々は、図３に示す断面において図示上下方向であるｙ軸方向に延びる複数の第１の流路１２２の各々と連通している。隔壁構造１１０内には、図３に示す断面において示すような図示上下方向（ｙ軸方向）に延びる複数の第１の流路１２２と、図５に示す断面において示すような図示左右方向（ｘ軸方向）に延びる複数の第１の流路１２２とが図示前後方向（ｚ軸方向）において交互に出現するように形成されている。したがって、それらの第１の流路１２２は隔壁構造１１０内において立体的なグリッドを形成している。それらの複数の第１の流路１２２は一体となって、複雑で入り組んだラビリンスを成す第１の流路空間１２０を形成している。

同じく図５に示す断面においては、本実施形態における構造体１００の隔壁構造１１０内には、複数の第２の流路１３２が図示左右方向であるｘ軸方向に延びるように互いに間隔をおいて形成されている。第２の流路１３２は、その断面が延伸方向にスパイラル状に延びる正弦波形状を成している。図示ｘ軸方向においても、複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とは互い違いに隣接するように配置されている。第２の流路１３２についても第１の流路１２２と同様に、これらの図示ｘ軸方向に延びる複数の第２の流路１３２の各々は、図３に示す断面において図示上下方向であるｙ軸方向に延びる複数の第２の流路１３２の各々と連通し、隔壁構造１１０内には、図３に示す断面において示すような図示上下方向（ｙ軸方向）に延びる複数の第２の流路１３２と、図５に示す断面において示すような図示左右方向（ｘ軸方向）に延びる複数の第２の流路１３２とが図示前後方向（ｚ軸方向）において交互に出現するように形成されており、それらの第２の流路１３２は隔壁構造１１０内において立体的なグリッドを形成している。それらの複数の第２の流路１２２は一体となって、複雑で入り組んだラビリンスを成す第２の流路空間１３０を形成している。

なお、上述したように、図示左右の隔壁構造１１０の開放端面はそれぞれ第１の封止部１４０によって封止されており、隔壁構造１１０の開放端面において隔壁構造１１０の外部空間に開放された第１及び第２の流路空間１２０，１３０は第１の封止部１４０によって隔壁構造１１０により互いに隔てられた状態でそれぞれ終端している。

図６（ａ）は、図１及び図２に示した構造体を図示ｘｚ平面と平行な平面に沿って切断した断面を示す図である。図６（ｂ）は、図１及び図２に示した構造体を、図示ｘｚ平面と平行な平面であって、図６（ａ）に示した断面に対して図示ｙ方向に周期曲面の半周期分だけずらした位置における平面に沿って切断した断面を示す図である。

図６（ａ）に示す断面においては、隔壁構造１１０内には、複数の第１の流路１２２が図示上下方向であるｚ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成され、複数の第２の流路１３２も図示上下方向であるｚ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成されている。図６（ａ）に示す断面では、図示ｘ軸方向において複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とが互い違いに隣接するように配置されている。なお、各々の第１の流路１２２の図示ｚ軸方向の端部は第３の封止部１６０によって封止されている。

他方、図６（ｂ）に示す断面においては、隔壁構造１１０内には、複数の第１の流路１２２が図示左右方向であるｘ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成され、複数の第２の流路１３２も図示左右方向であるｘ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成されている。図６（ｂ）に示す断面では、図示ｘ軸方向において複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とが互い違いに隣接するように配置されている。

ここで、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して第１の流路１２２について説明する。説明のため、第１の流路１２２の一例として、図６（ａ）の図示一番左側の第１の流路１２２に着目する。第１の流路１２２には、隣接する他の第１の流路１２２に連通する複数の連通路１２２ａが形成されている。図６（ａ）では図の明確化のために１つの参照符号１２２ａのみが付与されているが、各々の第１の流路１２２には同様の連通路１２２ａが複数形成されている。一例として、図６（ａ）の図示一番左側の図示ｚ軸方向に延びる第１の流路１２２から延出した参照符号１２２ａを付して示す連通路１２２ａは、図示ｙ軸方向に周期曲面の半周期分だけずれた位置に形成される図示ｘ軸方向に延びる第１の流路１２２のうち、図６（ｂ）の図示一番上側の第１の流路１２２に連通している。互いに異なる方向に延びる隣接する第１の流路１２２同士は、このように形成された連通路１２２ａによって互いに連通している。したがって、図示ｘ，ｙ，ｚ軸方向にそれぞれ延びる複数の第１の流路１２２はこのような連通路１２２ａによって互いに連通し、それらが一体となって複雑で入り組んだラビリンス状の第１の流路空間１２０を形成していることが理解できる。

第２の流路１３２も第１の流路１２２と同様に、連通路１３２ａによって互いに連通している。説明のため、第２の流路１３２の一例として、図６（ａ）の図示一番右側の第２の流路１３２に着目する。第２の流路１３２にも、隣接する他の第２の流路１３２に連通する複数の連通路１３２ａが形成されている。図６（ａ）では図の明確化のために１つの参照符号１３２ａのみが付与されているが、各々の第２の流路１３２には同様の連通路１３２ａが複数形成されている。一例として、図６（ａ）の図示一番右側の図示ｚ軸方向に延びる第２の流路１３２から延出した参照符号１３２ａを付して示す連通路１３２ａは、図示ｙ軸方向に周期曲面の半周期分だけずれた位置に形成される図示ｘ軸方向に延びる第２の流路１３２のうち、図６（ｂ）の図示一番上側の第２の流路１３２に連通している。互いに異なる方向に延びる隣接する第２の流路１３２同士は、このように形成された連通路１３２ａによって互いに連通している。したがって、図示ｘ，ｙ，ｚ軸方向にそれぞれ延びる複数の第２の流路１３２もこのような連通路１３２ａによって互いに連通し、それらが一体となって複雑で入り組んだラビリンス状の第２の流路空間１３０を形成していることが理解できる。

図７（ａ）は、図１及び図２に示した構造体を図示ｙｚ平面と平行な平面に沿って切断した断面を示す図である。図７（ｂ）は、図１及び図２に示した構造体を、図示ｙｚ平面と平行な平面であって、図７（ａ）に示した断面に対して図示ｘ方向に周期曲面の半周期分だけずらした位置における平面に沿って切断した断面を示す図である。

図７（ａ）に示す断面においては、隔壁構造１１０内には、複数の第１の流路１２２が図示左右方向であるｚ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成され、複数の第２の流路１３２も図示左右方向であるｚ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成されている。図７（ａ）に示す断面では、図示ｙ軸方向において複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とが互い違いに隣接するように配置されている。各々の第１の流路１２２の図示ｚ軸方向の端部は第３の封止部１６０によって封止されている。

他方、図７（ｂ）に示す断面においては、隔壁構造１１０内には、複数の第１の流路１２２が図示上下方向であるｙ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成され、複数の第２の流路１３２も図示上下方向であるｙ軸方向に正弦波形状を成してスパイラル状に延びるように互いに間隔をおいて形成されている。図７（ｂ）に示す断面では、図示ｚ軸方向において複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とが互い違いに隣接するように配置されている。

図７に示すこれらの複数の第１の流路１２２も、連通部１２２ａ（図７では符号での図示省略）によって互いに連通してラビリンス状の第１の流路空間１２０を形成し、同様に複数の第２の流路１３２も、連通部１３２ａ（図７では符号での図示省略）によって互いに連通してラビリンス状の第２の流路空間１３０を形成している。

以上の説明から理解できるように、本実施形態の構造体１００では、複数の第１及び第２の流路１２２，１３２は３つの異なる方向（ｘ，ｙ，ｚ軸方向）に延伸しており、それら３つの異なる方向の各々の方向（ｘ，ｙ，ｚ軸方向の各々）において、複数の第１の流路１２２と複数の第２の流路１３２とが交互に隣接するように配置されている。

上述したように構成された本実施形態の構造体１００によれば、隔壁構造１１０の図示左右（ｘ軸方向）の開放端面は第１の封止部１４０で封止されており、さらに隔壁構造１１０の図示前後方向（ｚ軸方向）の端面において複数の第１の流路１２２の開口が第３の封止部１６０で封止されているので、図示ｘ軸方向に延びる第１の流路１２２および図示ｚ軸方向に延びる第１の流路１２２の両端はいずれも終端した状態にある。そのため、それらの方向に延びる第１の流路１２２から構造体１００の外に第１の流体が流出することはない。したがって、例えば構造体１００の図示下面側から構造体１００に流入した第１の流体は、複数の第１の流路１２２で形成された第１の流路空間１２０を通り、構造体１００の図示上面側から構造体１００の外に流出する。つまり、本実施形態の構造体１００では、第１の流体は第１の流路空間１２０内を図示上下方向（ｙ軸方向）に流れるように構成されている。

第１の流路空間１２０を形成する複数の第１の流路１２２は、構造体１００内を図示ｘ，ｙ，ｚ軸方向の三方向に立体的な格子構造を形成するようにして互いに連通している。そのため、例えば構造体１００の図示下面側から図示ｙ軸方向に延びる或る第１の流路１２２に流入した第１の流体は、そのままその第１の流路１２２を通って図示ｙ軸方向上方へ流れることもあれば、これに交差してｘ軸方向ないしｚ軸方向に延びる第１の流路１２２を通り、図示ｙ軸方向に延びる他の第１の流路１２２に流入してさらに図示ｙ軸方向上方へ流れることもある。第１の流体は、いずれの第１の流路１２２の経路を経たとしても、最終的には構造体１００の図示上面側から構造体１００の外に流出する。

また、本実施形態の構造体１００によれば、隔壁構造１１０の図示左右（ｘ軸方向）の開放端面は第１の封止部１４０で封止されており、さらに隔壁構造１１０の図示上下方向（ｙ軸方向）の端面において複数の第２の流路１３２の開口が第２の封止部１５０で封止されているので、図示ｘ軸方向に延びる第２の流路１３２および図示ｙ軸方向に延びる第２の流路１３２の両端はいずれも終端した状態にある。そのため、それらの方向に延びる第２の流路１３２から構造体１００の外に第２の流体が流出することはない。したがって、例えば構造体１００の図示手前側から構造体１００に流入した第２の流体は、複数の第２の流路１３２で形成された第２の流路空間１３０を通り、構造体１００の図示奥側から構造体１００の外に流出する。つまり、本実施形態の構造体１００では、第２の流体は第２の流路空間１３０内を図示前後方向（ｚ軸方向）に流れるように構成されている。

第２の流路空間１３０を形成する複数の第２の流路１３２は、第１の流路空間１３０を形成する三方向に延びた複数の第１の流路１２２の外周面によって画定され、構造体１００内を図示ｘ，ｙ，ｚ軸方向の三方向に立体的な格子構造を形成するようにして互いに連通している。そのため、例えば構造体１００の図示手前側から図示ｚ軸方向に延びる或る第２の流路１３２に流入した第２の流体は、そのままその第２の流路１３２を通って図示ｚ軸方向奥側へ流れることもあれば、第１の流路１２２の外周面に当たって流れ方向を変えて、ｘ軸方向ないしｙ軸方向に延びる第２の流路１３２を通り、図示ｚ軸方向に延びる他の第２の流路１３２に流入してさらに図示ｚ軸方向奥側へ流れることもある。第２の流体は、いずれの第２の流路１３２の経路を経たとしても、最終的には構造体１００の図示奥側から構造体１００の外に流出する。

次に、本実施形態の構造体１００におけるより特徴的な構成について説明する。

図８は、図２に示した構造体の正面図に対して、説明のため一点鎖線を描画した図である。図８に示すように、本実施形態の構造体１００は、第１の空間領域１００Ａ、第２の空間領域１００Ｂ及び第３の空間領域１００Ｃを有している。

本実施形態の例では、第１の空間領域１００Ａは構造体１００の周囲領域に存在している。図８に示した２つの一点鎖線円のうち、外側の一点鎖線円よりも外側の領域が第１の空間領域１００Ａに相当する。第１の空間領域１００Ａは、図８の外側の一点鎖線円よりも外側の領域が図示ｚ軸方向に延びて形成される立体的な空間である。

第１の空間領域１００Ａにおいては、第１の流路１２２の流路径（もしくは「流路幅」。以下同じ）と第２の流路１３２の流路径とは等しく、これを「第１の流路１２２の流路径／第２の流路１３２の流路径」で表される第１の比とすると、その値は１である。

また本実施形態の例では、第２の空間領域１００Ｂは、構造体１００の中央寄りに存在しており、図８に示すように構造体１００を正面から前後方向（図示ｚ軸方向）に見たときに円形の形状を有している。図８に示した２つの一点鎖線円のうち、内側の一点鎖線円で囲まれた領域が第２の空間領域１００Ｂに相当する。第２の空間領域１００Ｂは、図８の内側の一点鎖線で囲まれた領域が図示ｚ軸方向に延びて形成される立体的な空間である。

第２の空間領域１００Ｂでは、第１の流路１２２は第１の領域１００Ａにおける第１の流路１２２の径よりも小さい流路径を有している一方、第２の流路１３２は第１の空間領域１００Ａにおける第２の流路１３２の流路径よりも大きい流路径を有している。第２の空間領域１００Ｂにおける「第１の流路１２２の流路径／第２の流路１３２の流路径」で表される比を「第２の比」とすると、その値は１より小さい値となり、「第１の比＞第２の比」の関係となる。

さらに、本実施形態の例では、第３の空間領域１００Ｃは第１の空間領域１００Ａと第２の空間領域１００Ｂとの間に存在している。図８に示した２つの一点鎖線円同士の間に挟まれた環状の領域が第３の空間領域１００Ｃに相当する。第３の空間領域１００Ｃは、図８の２つの一点鎖線円同士の間に挟まれた環状の領域が図示ｚ軸方向に延びて形成される立体的な空間である。

第３の空間領域１００Ｃでは、第１の流路１２２と第２の流路１３２との流路径の比が、第１の空間領域１００Ａ側の第１の径比から第２の空間領域１００Ｂ側の第２の径比へと連続的に変遷するように、第１の流路１２２及び第２の流路１３２はそれぞれの径が連続的に漸減または漸増するように形成されている。したがって、第３の空間領域１００Ｃは、第１の流路１２２と第２の流路１３２との流路径の比が異なる２つの空間領域の間を第１の流路１２２及び第２の流路１３２の流路径を連続的に遷移させて接続する遷移領域として機能する。ここで、「第１の流路１２２及び第２の流路１３２の流路径を連続的に遷移させる」とは、隣接する第１又は第２の空間領域１００Ａ，１００Ｂの第１の流路１２２及び第２の流路１３２との接続部に角や段差が形成されることがなく、また、第３の空間領域１００Ｃにおける第１の流路１２２及び第２の流路１３２においても角や段差が形成されておらず、第１の流路１２２及び第２の流路１３２が滑らかな曲面で形成されていることを意味する。なお、隔壁構造１１０の第３の空間領域１００Ｃにおける部分は、周期極小曲面で隔てられる２つの流路の流路径の比が次第に変わるように、基となる周期極小曲面を修正することで形成することができる。

このように、本実施形態の構造体１００は流路径の比が互いに異なる第１及び第２の空間領域１００Ａ，１００Ｂを備えている。第１の空間領域１００Ａでは第１の流路１２２の径と第２の流路１３２の径とが等しい。これに対し、第２の空間領域１００Ｂでは、第１の流路１２２の径が第１の空間領域１００Ａにおける第１の流路１２２の径よりも小さく、第２の流路１３２の径が第１の空間領域１００Ａにおける第２の流路１３２の径よりも大きいので、第２の空間領域１００Ｂの第１の流路１２２を流れる第１の流体の流量は、第１の空間領域１００Ａの第１の流路１２２を流れる第１の流体の流量よりも少なくなり、かつ、第２の空間領域１００Ｂの第２の流路１３２を流れる第２の流体の流量は、第１の空間領域１００Ａの第２の流路１３２を流れる第１の流体の流量よりも多くなる。そのため、第２の空間領域１００Ｂでは、第１の流路１２２を流れる第１の流体の単位時間当たりの体積に比べて、第２の流路１３２を流れる第２の流体の単位時間当たりの体積が大きくなるので、第２の流体が有する熱エネルギーが第１の流体に対してより多く供給される。したがって、第２の空間領域１００Ｂでは第１の空間領域１００Ａに比べて、第１の流路１２２を流れる第１の流体が第２の流路１３２を流れる第２の流体によってより冷却ないし加熱され、両流体間の熱交換が促される。つまり、本実施形態の構造体１００は、第１の流路１２２及び第２の流路１３２の径比が異なる空間領域を設けることにより、第１の流路１２２及び第２の流路１３２をそれぞれ流れる第１の流体と第２の流体との間の熱交換効率が異なるように分布を持たせることができる。

また、本実施形態の構造体１００では、ｘ，ｙ，ｚ軸方向にそれぞれ延びる第１及び第２の流路１２２，１３２について、互いに隣接する１つの第１の流路１２２と１つの第２の流路１３２とを一組としてみたときに、その一組の流路１２２，１３２が占める流路幅は第１及び第２の流路１２２，１３２の流路径の比によらず一定である。つまり、その流路径比が第１の比である第１の空間領域１００Ａにおいても、あるいは、路径比が第２の比である第２の空間領域１００Ｂにおいても、さらには流路径比が変遷する第３の空間領域１００Ｃにおいても、互いに隣接する一組の流路１２２，１３２が占める流路幅は一定である。このことは、各流路の断面を示す各図において示されている。ただし、上記構成は例示であるにすぎず、本実施形態の構造体１００において互いに隣接する一組の流路１２２，１３２が占める流路幅は必ずしも一定でなくてもよい。

さらに、隔壁構造１１０を形成する周期曲面をユニット単位でみたときに、隔壁構造１１０はその一部あるいは全体にわたってユニットの大きさが段階的に変わるように形成されていてもよい。この場合、ユニットの大きさが段階的に変わることに加えて、上記に説明したように第１及び第２の流路１２２，１３２の流路径の比が変遷するように形成してもよい。

次に、本実施形態の構造体１００の適用例について説明する。

本実施形態の構造体１００は、一例として熱交換器の一要素部分として利用することが可能である。第１の流路空間１２０を図示上下（ｙ軸）方向に流れる第１の流体と、第２の流路空間１３０を図示前後（ｚ軸）方向に流れる第２の流体とに温度差がある場合、一方の流体が有する熱が、各流路空間１２０，１３０を隔てる隔壁構造１１０の壁を伝導して、他方の流体へ伝達する。これにより、例えば、第１の流体として常温よりも冷やされた液体（水あるいはエーテル油やエステル油などのオイル等）を第１の流路空間１２０に流し、常温の空気を第２の流路空間１３０に流した場合、第２の流路空間１３０を通る空気が第１の流路空間１２０を流れる液体で冷やされ、冷風となって構造体１００から流出する。この場合、構造体１００はクーラーあるいは冷風機の一部として機能する。あるいは、第１の流体として常温よりも温められた液体を第１の流路空間１２０に流し、常温の空気を第２の流路空間１３０に流した場合、第２の流路空間１３０を通る空気が第１の流路空間１２０を流れる液体で温められ、温風となって構造体１００から流出する。この場合、構造体１００はヒーターあるいは温風器の一部として機能する。なお、第１及び第２の流体として用いる上述した流体の種類とその温度は任意であり、上記の例に限定されるものではない。

特に、構造体１００は第２の空間領域１００Ｂにおいて第２の流路１３２の流路径が第１の流路１２２の流路径よりも大きくなっているため、第２の空間領域１００Ｂでは他の空間領域に比べて第２の流路１３２をより多くの流量の空気が流れることができる。そのため、構造体１００を例えば上記のように冷風機あるいは温風器として用いた場合には、その中央寄りの第２の空間領域１００Ｂでより多くの風量を提供することができる。

一方、第２の空間領域１００Ｂでは第１の流路１２２の流路径が第２の流路１３２の流路径よりも小さくなっており、第２の空間領域１００Ｂでは他の空間領域に比べて第１の流路１２２を流れる空気の流量は少ない。第２の空間領域１００Ｂの第１及び第２の流路１２２，１３２における単位断面積あたりの流量が同じであると仮定すると、単位時間あたりに各流路１２２，１３２を流れる各流体の体積は各流路１２２，１３２の流路径の比に応じて異なる。そして、各流体によって運ばれる、あるいは吸収される熱エネルギー量も各流体の体積に比例する。そのため、第１の流体が第２の空間領域１００Ｂの第１の流路１２２を通過する間に、その第１の流体が蓄えている高温あるいは低温の熱エネルギーが、同じく第２の空間領域１００Ｂの第２の流路１３２を流れる第２の流体により多く吸収されることとなる。つまり、構造体１００の第２の空間領域１００Ｂでは、流路径が比較的小さい第１の流路１２２を流れる第１の流体の熱エネルギーを、流路径が比較的大きい第２の流路１３２を流れる第２の流体により多く伝達することができる。その結果、第２の空間領域１００Ｂの第１の流路１２２を通過する第１の流体は、他の空間領域の第１の流路１２２を通過する場合に比べて、第２の流路１３２を流れる第２の流体によってより冷却あるいは温められた状態で第１の流路１２２から流出する。換言すれば、第２の空間領域１００Ｂでは、第２の流路１３２を流れる第２の流体が蓄えている熱エネルギーを、より確実に第１の流路１２２を流れる第１の流体に伝達することができる。

さらに、本実施形態の構造体１００は第２の空間領域１００Ｂにおいて第２の流路１３２の流路径が第１の流路１２２の流路径よりも大きくなっていることにより、特に図２に示すように構造体１００を正面から見たときに、第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２は、より大きく開口して構造体１００の反対側へ貫通した状態となる。そのため、このような第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２の開口１３４（図３等参照）を通して構造体１００の反対側の様子を透かして見ることが可能である。あるいは、第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２を通して構造体１００の反対側から採光することも可能である。さらには、第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２を通して音を伝達することも可能である。

特に、第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２の開口１３４を通して構造体１００の反対側の様子を透かして見る場合には、構造体１００を正面から見た場合と、その正面を斜めから見た場合とで、構造体１００の反対側の様子の見え具合が変化する。構造体１００を正面から見た場合は、図２に示すように第２の空間領域１００Ｂの円形形状と同様に反対側の様子が見えるが、これに対して斜め方向から見た場合には、構造体１００の図示ｚ軸方向の厚みによって第２の空間領域１００Ｂの第２の流路１３２を通る光の一部が遮られるため（いわゆる「ケラレ」現象）、構造体１００の反対側を視認できる領域の位置、広さ及び形状が見る角度に応じて変化する。

これらの特徴を活かして、本実施形態の構造体１００を例えば家屋の窓枠や壁の少なくとも一部として用いてもよい。この場合、例えば、第１の流路空間１２０に冷却あるいは温めた第１の流体を流し、第２の流路空間１３０に家屋の外部から内部に流入する方向で空気を流すことにより、外気を構造体１００で冷却あるいは温めた状態で家屋内部に取り込むことができる。

さらに、第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２を通して家屋の外部から太陽光等の光を直接取り込むこともできる。太陽光を取り込む場合、構造体１００を設置する方角に応じて、採光する時間帯や光の方向を設定することができる。例えば、構造体１００の正面（図示ｘｙ平面）が東を向くように設置することで朝日を取り込むことができ、南向きに設置することで一日のより長い時間を通して太陽光を取り込むことが可能である。

さらには、第２の空間領域１００Ｂにおける第２の流路１３２を通して、家屋の内部から外部の音を聞いたり、家屋の内部と外部との間で会話をしたりすることができる。特に来客時等に、扉や窓を開けずに構造体１００を通して直接会話をすることも可能となる。

また、上記では構造体１００の第１の流路空間１２０と第２の流路空間１３０とで互いに異なる流体を流す例を示したが、それらに同じ流体を流してもよい。一例として、第１の流路空間１２０に家屋内部から外部に排出する方向で空気を流し、第２の流路空間１３０に家屋の外部から内部に流入する方向で空気を流すようにしてもよい。この場合、構造体１００は熱交換形の換気機器の一要素部分として機能する。例えば外気が冷たく、家屋内の空気が温かい場合、構造体１００の第２の流路空間１３０を通じて外部から家屋内に取り込まれる外気は、構造体１００を通過する間に、第１の流路空間１２０を流れて家屋内から排出される空気によって温められる。一方で、第１の流路空間１２０を流れて家屋内から排出される空気は、第２の流路空間１３０を通じて外部から家屋内に取り込まれる外気によって冷やされる。外気温と室内の空気の温度とが上記とは逆の場合には、それぞれの空気の温め／冷却も上記とは逆となる。このように、本実施形態の構造体１００を熱交換形の換気機器として用いた場合には、換気の際に排出される室内空気が蓄えている温熱又は冷熱の熱エネルギーを再利用しながら換気を行うことができる。そのため、室内の空気の冷暖房のために消費されるエネルギーを低減することが可能となる。

（変形例）
次に、本実施形態の構造体の変形例について説明する。図９は、本開示の一実施形態に係る構造体の一変形例を示す正面図である。

図９に示すように、本変形例に係る構造体２００は、正面側の図示ｘｙ平面内の右下側のほとんどの領域と、正面側の図示ｘｙ平面内の左上側の一部の領域とに第１の空間領域２００Ａを有している。また構造体２００は、正面側の図示ｘｙ平面内の左上側の領域において図示左下側から右上方向へ斜めに延びる形状の第２の空間領域２００Ｂを有している。さらに構造体２００は、第１の空間領域２００Ａと第２の空間領域２００Ｂとの間の２か所の領域に第３の空間領域２００Ｃを有している。

本変形例の構造体２００の各空間領域２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃにおいて隔壁構造によって形成される第１及び第２の流路空間、およびそれら各流路空間をそれぞれ形成する第１及び第２の流路の構成は、上述した構造体１００におけるそれらの構成と同様である。また、本変形例の構造体２００における各封止部も上述した構造体１００におけるそれらの構成と同様である。

本変形例の構造体２００では、図示ｘｙ平面内の左上側の領域において図示左下側から右上方向へ斜めに延びる形状の第２の空間領域２００Ｂにおいて第２の流路の流路径が比較的大きくなっており、その領域において構造体１００を参照して上述したような種々の利点を活用することができる。

なお、上記の構造体１００，２００では、第１の流路と第２の流路との流路径の比が異なる２つの空間領域と、それらの間を遷移する空間領域とを有する例を示したが、本実施形態の構造体が備えることができる空間領域はこれらに限られない。

例えば、第１の流路と第２の流路との流路径の比が異なる空間領域を３つ以上備え、それに応じてそれらの間を遷移する空間領域を複数備える構成としてもよい。あるいは、構造体の全体にわたって、第１の流路と第２の流路との流路径の比が変遷するように構成されていてもよい。この場合、第１の流路と第２の流路との流路径の比が構造体の全体にわたって一様に変遷するように構成しても良く、あるいは、構造体のある領域では第１の流路と第２の流路との流路径の比が漸減し、他の領域では漸増するように構成してもよい。

これにより、第１の流路と第２の流路とをそれぞれ流れる第１及び第２の流体の流量比を構造体内でより多段階に設定することができる。また、構造体の表面に現れる各流路の開口によってもたらされる意匠をより多様にデザインすることが可能になる。

このように、本実施形態に係る構造体では、構造体に求める用途、機能、意匠性等に応じて、第１の流路と第２の流路との流路径の比が異なる空間領域を、種々の形状および大きさで適宜配置することができる。

また、上記では本実施形態の構造体を家屋等において用いられる熱交換器や換気装置に適用する例を挙げて説明したが、本実施形態の構造体の適用はこれに限られず、例えば各種工業用の熱交換器や、航空エンジン、発電プラント等で用いられる熱交換器にも適用可能である。

本実施形態の構造体の一部又は全部は、例えば、付加製造技術を用いて樹脂材料もしくは金属材料等によって形成することが可能である。付加製造技術としては、一例として、３Ｄ印刷技術、光硬化性樹脂を用いた光造形技術等を用いることができる。ただし、本実施形態の構造体の製造に付加製造技術を用いることは必須ではなく、構造体が他の製造技術（例えば、切削、モールド成形、射出成形、粉末圧縮成形、レーザー加工等）で製造できる形状である場合には、付加製造技術以外のこれらの製造技術を用いて製造してもよい。

以上、開示の実施形態を通じて本開示を説明したが、上述の実施形態は、請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本開示の実施形態の中で説明されている特徴を組み合わせた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得る。さらに、上述の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることも当業者に明らかである。

Claims (11)

1. 複数の第１の流路が互いに連通して形成される第１の流路空間と、複数の第２の流路が互いに連通して形成される第２の流路空間とを互いに隔てた状態で形成する周期曲面に基づいて形成された隔壁構造を有する構造体であって、
   前記構造体の少なくとも一部に、前記第１の流路の流路径と前記第２の流路の流路径との比が変遷する領域が設けられている、構造体。
2. 互いに隣接する１つの前記第１の流路と１つの前記第２の流路とからなる一組の流路が占める流路幅が一定である、請求項１に記載の構造体。
3. 前記領域における前記第１及び第２の流路は、一方の端部における流路径の比が第１の比であり、他方の端部における流路径の比が前記第１の比とは異なる第２の比であり、流路径の比が前記第１の比から前記第２の比に連続的に変遷するように形成されている、請求項１又は２に記載の構造体。
4. 前記構造体には、前記第１の流路の流路径と前記第２の流路の流路径との比が前記第１の比である第１の領域と、前記第１の流路の流路径と前記第２の流路の流路径との比が前記第２の比である第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置する第３の領域とが少なくとも設けられており、
   前記第３の領域における前記第１及び第２の流路は、前記第１の領域の前記第１及び第２の流路に接続される前記一方の端部の流路径の比が前記第１の比であり、前記第２の領域の前記第１及び第２の流路に接続される前記他方の端部の流路径の比が前記第２の比であり、流路径の比が前記第１の比から前記第２の比に連続的に変遷するように形成されている、請求項３に記載の構造体。
5. 前記構造体は直方体の形状を有し、前記第１の流路空間は前記構造体の１つの対向する面において前記複数の第１の流路が前記構造体の外部に開口し、前記第２の流路空間は前記構造体の前記１つの対向する面に対して直交する他の対向する面において前記複数の第２の流路が前記構造体の外部に開口するように形成されており、
   前記第２の領域は、前記構造体の前記他の対向する面の一方を正面から見たときに円形に形成されており、
   前記第２の領域における前記第２の比が前記第１の領域における前記第１の比よりも小さい、請求項４に記載の構造体。
6. 前記周期曲面は周期極小曲面に基づいて形成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の構造体。
7. 前記周期極小曲面は三重周期極小曲面である、請求項６に記載の構造体。
8. 前記三重周期極小曲面は、Ｇｙｒｏｉｄ曲面、Ｓｃｈｗａｒｚ・Ｐ曲面、Ｓｃｈｗａｒｚ・Ｄ曲面、Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｋｏｃｈ・Ｓ曲面およびＬｉｄｉｎｏｉｄ曲面のいずれか１つを含む、請求項７に記載の構造体。
9. 前記複数の第１及び第２の流路は３つの異なる方向に延伸しており、当該３つの異なる方向の各々の方向において、前記複数の第１の流路と前記複数の第２の流路とが交互に隣接するように配置されている、請求項７又は８に記載の構造体。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の構造体を含む熱交換器。
11. 請求項１～９のいずれか１項に記載の構造体を含む換気装置。
    

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