JP2024051543A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善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、全体として所定方向に延びるように形成された複数の流路１０と、複数の流路１０の間を仕切る隔壁２０とを含むコア部１を備える。複数の流路１０は、第１流体３を流通させる第１流路１１と、第１流体３と隔壁２０を介して熱交換する第２流体４を流通させる第２流路１２とを含む。隔壁２０は、所定方向に延びる回転中心軸２２を中心に、所定方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、所定方向と直交する断面において、回転中心軸２２から渦巻状に延びるように形成された仕切壁部２１を有する。【選択図】図５

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）。

一般に熱交換器は、プレートフィン型、シェルアンドチューブ型などの基本構造が知られている。これに対して、本出願人の出願による上記特許文献１では、構造例の１つとして、十字形状の隔壁で仕切られた複数の管状の流路を備え、複数の流路が全体として所定方向に延びるように形成され、隔壁が、所定方向の一端から他端の間で螺旋状に形成された、新規な構造の熱交換器が提案されている。上記構造例の熱交換器は、特に、積層造形法による製造に適した構造を有している。

特開２０２０－４６１６１号公報

積層造形法は、造形可能な形状の自由度が高いが、製造時の水平面とのなす角度が概ね４５度以下の傾斜面（または水平面）を形成しようとすると、重力の作用によって、当該傾斜面において造形不良が生じ易くなることが知られている。そのため、上記特許文献１に記載の熱交換器を製造する場合にも、螺旋状の隔壁を構成する傾斜面の角度が、製造可能な構造の限界を規定する要因の１つとなる。

そこで、本願発明者らは、上記特許文献１の熱交換器に対して、積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善が可能な構造の改良を検討した。

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、積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善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、本願発明者らが鋭意検討した結果、螺旋状の隔壁が、１回転する間の軸方向の距離（以下、ピッチという）を小さくするほど、流路の経路長が大きくなり、流路の伝熱面積（すなわち、隔壁の表面積）が大きくなるので、熱交換効率を向上できることを見出した。一方、螺旋状の隔壁のピッチを小さくするほど、積層造形法により造形する際の水平面に対する隔壁の傾斜角度が、下限値（概ね４５度）に近付いてしまう。そこで、本願発明者は、設定したピッチに対する隔壁の傾斜角度を大きくすることが可能な以下の構造を想到するに至った。すなわち、この発明による熱交換器は、全体として所定方向に延びるように形成された複数の流路と、複数の流路の間を仕切る隔壁とを含むコア部を備え、複数の流路は、第１流体を流通させる第１流路と、第１流体と隔壁を介して熱交換する第２流体を流通させる第２流路とを含み、隔壁は、所定方向に延びる回転中心軸を中心に、所定方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、所定方向と直交する断面において、回転中心軸から渦巻状に延びるように形成された仕切壁部を有する。

なお、「複数の流路が全体として所定方向に延びる」とは、複数の流路が、いずれも、流路の入口から所定方向に配置された出口へ向けて延びているが、入口から出口へ向かう過程では、所定方向とは異なる方向に曲がることを許容することを意味する。「螺旋状」とは、回転中心軸周りに回転しながら回転中心軸が延びる所定方向へ移動する形状を意味する。「渦巻状」とは、回転中心軸周りの回転角度の増大に伴って回転中心軸からの距離が増大する形状を意味する。「～状」とは、厳密な幾何学的な定義からは異なっていても許容する広い概念であることを示す。

この発明による熱交換器では、上記のように、隔壁は、所定方向に延びる回転中心軸を中心に、所定方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、所定方向と直交する断面において、回転中心軸から渦巻状に延びるように形成された仕切壁部を有する。このように、所定方向と直交する断面において渦巻状の形状を有する仕切壁部が、所定方向に沿って螺旋状に形成される場合、この仕切壁部は、円錐状に傾斜した面が螺旋状に回転する３次元形状となる。仕切壁部が円錐状に傾斜しているため、所定方向と直交する断面で十字状の隔壁を同一のピッチの螺旋状に形成した場合（この場合、十字の隔壁がねじれた形状になる）と比べて、仕切壁部の傾斜角度（製造時の水平面とのなす角度）を大きくすることができる。このことは、仕切壁部の傾斜角度を製造限界となる下限角度（たとえば４５度）となるまでピッチを短縮した場合のピッチの大きさ（製造可能な最小ピッチ）を、十字状の隔壁を螺旋状に形成する場合と比べてより小さくでき、伝熱面積を大きくすることが可能であることを示す。したがって、本発明により、積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善が可能な熱交換器を提供することができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、仕切壁部は、所定方向と直交する断面において、１／２周期以上の渦巻状部分を有する。なお、渦巻状部分とは、所定方向と直交する断面において、仕切壁部のうちの渦巻形状を有する部分のことである。渦巻状部分の周期とは、渦巻状部分のある点における接線方向から、次に同じ接線方向に戻る点までの渦巻状部分の範囲のことである。そのため、１／２周期以上の渦巻状部分を有するとは、渦巻状部分の始点における接線方向を始点接線方向とし、終点における接線方向を終点接線方向としたとき、終点接線方向が始点接線方向から１８０度以上変化することを意味する。渦巻状部分の始点とは、渦巻状部分のうち、回転中心軸との接続点または回転中心軸からの距離が最小となる点である。渦巻状部分の終点とは、渦巻状部分のうち、回転中心軸からの距離が最大となる点である。ここで、一定面積内で、仕切壁部に含まれる渦巻状部分の周期が大きい程、仕切壁部の曲率が大きくなり、所定方向に沿った断面での仕切壁部の傾斜角度（製造時の水平面とのなす角度）を大きくすることができる。そのため、仕切壁部が１／２周期以上の渦巻状部分を有することによって、仕切壁部の傾斜角度に依存した製造可能な最小ピッチを、効果的に小さくすることができる。

この場合、好ましくは、仕切壁部は、所定方向と直交する断面において、３／４周期以上の渦巻状部分を有する。このように構成すれば、所定方向と直交する断面における仕切壁部の曲率がさらに大きくなり、所定方向に沿った断面での仕切壁部の傾斜角度（製造時の水平面とのなす角度）をより一層大きくすることができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、仕切壁部は、所定方向に沿った縦断面において、所定方向と直交する横断面に対する傾斜角度が４５度以上となる螺旋形状を有する。このように構成すれば、積層造形法により製造可能な傾斜角度の下限値（概ね４５度）を下回らない範囲で、仕切壁部のピッチを短縮することができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、隔壁は、回転中心軸周りに並ぶ第１流路と第２流路とを含む単位構造を形成するように、同一の回転中心軸から延びる複数の仕切壁部を含み、コア部は、所定方向と直交する方向に、複数の単位構造の配列を含む。このように構成すれば、複数の仕切壁部を介して第１流路と第２流路とが隣接する単位構造が、平面的に配列される。その結果、各流路のピッチを小さくして熱交換効率の改善が可能な流路構造を、容易に集積化することができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、単位構造は、回転中心軸を中心とする回転方向に間隔を隔てて形成された複数の仕切壁部により区画され、複数の仕切壁部の間の領域により、複数の第１流路と複数の第２流路とが、回転中心軸周りに交互に並んで形成されている。このように構成すれば、１つの単位構造内で、複数の第１流路と複数の第２流路とが交互に回転方向に隣接した配列を構築できる。このとき、各仕切壁部の一方表面および他方表面が、それぞれ第１流路および第２流路における１次伝熱面となる。そのため、上記した仕切壁部のピッチを短縮する構造によって、１次伝熱面の面積を効果的に増大させることが可能で、それにより熱交換効率を効果的に改善できる。

この場合において、好ましくは、隔壁は、同一の回転中心軸から延びる複数の仕切壁部の周囲を取り囲むことにより、個々の単位構造を区画する周壁部を含み、一の単位構造の第１流路と他の単位構造の第２流路とが、周壁部を介して隣接している。このように構成すれば、仕切壁部によって、同じ単位構造内の第１流路と第２流路との間での熱交換が可能であることに加えて、周壁部によって、隣り合う２つの単位構造の一方の第１流路と他方の第２流路との間での熱交換が可能となる。

コア部が複数の単位構造の配列を含む構成において、好ましくは、コア部は、複数の単位構造の配列と、複数の単位構造の配列を取り囲みコア部の外周面を構成するコア外周壁と、を含み、複数の単位構造の各々の仕切壁部は、所定方向と直交する断面において隣接する他の単位構造の仕切壁部と接続するように形成され、仕切壁部の接続により、隣接する単位構造のそれぞれの流路が合流した合流部が形成されている。つまり、隣り合う単位構造同士を仕切る壁（周壁部）が存在しないため、隣り合う単位構造のそれぞれの仕切壁部が接続して形成された領域に、複数の単位構造に跨がる流路部分（合流部）が形成される。たとえば、いずれかの単位構造の第１流路と、他の単位構造の第１流路とが合流することで、それぞれの第１流路を流れる第１流体を混合させることができる。その結果、上記のように構成すれば、単位構造に含まれる流路毎の温度分布に差がある場合でも、流路中を流れる流体（第１流体同士、または第２流体同士）が混合されることにより、温度差を効果的に抑制することができる。

この場合、好ましくは、複数の単位構造の各々の仕切壁部は、所定方向に沿った螺旋形状により、所定方向の一端から他端までの間で、異なる２以上の単位構造の仕切壁部と交替で接続するように形成され、接続する仕切壁部の交替により、いずれかの単位構造の流路が、異なる２以上の単位構造の流路と合流および分離する。このように構成すれば、いずれかの単位構造に含まれる流路が、より多くの流路と合流部を形成できる。そのため、たとえば１つの単位構造の流路が他の単位構造の特定の１つの流路とだけ合流する場合と比べて、異なる２以上の流路と合流および分離することにより、より一層効果的に、流路毎の温度分布の差を抑制することができる。

本発明によれば、上記のように、積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善が可能な熱交換器を提供することができる。

第１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。 図１に示した熱交換器の概略構造を説明するための模式的な断面図である。 熱交換器のコア部を示した模式的な斜視図である。 図３に示したコア部の１つの単位構造を所定方向から見た拡大図である。 単位構造におけるＺ方向の位置に応じた仕切壁部の位置変化を説明するための図である。 単位構造のＺ方向に沿った断面を示した部分拡大図である。 単位構造における仕切壁部の３次元形状を示した模式図である。 Ｚ方向の位置に応じた各断面における各流路の位置変化を説明するための模式図である。 分配部の構造を説明するための模式的な分解斜視図である。 図９とは別のアングルから見た分配部の模式的な分解斜視図である。 比較例による十字の隔壁が螺旋状にねじれた単位構造を説明するための模式図である。 図１１に示した比較例のピッチが大きい場合（Ａ）とピッチが小さい場合（Ｂ）とにおける隔壁の角度の相違を説明するための図である。 ピッチを同一にした場合の第１実施形態の単位構造の縦断面図（Ａ）と比較例の単位構造の縦断面図（Ｂ）である。 第２実施形態のコア部を示した模式的な斜視図である。 図１４に示したコア部を所定方向から見た拡大図である。 Ｚ方向の位置に応じた各断面において、各流路が合流および分離する様子を説明するための模式図である。 図１４に示したコア部のＺ方向に沿った断面を示した模式的な斜視断面図である。 １／２周期の渦巻形状の仕切壁部を示した模式図である。 ３／４周期の渦巻形状の仕切壁部を示した模式図である。 １／２周期の渦巻状部分と直線部分とで構成された仕切壁部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。

［第１実施形態］
まず、図１～図１０を参照して、第１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、コア部１と、ヘッダ部２ａ、２ｂと、を備える。

コア部１は、両端が開放された矩形断面の筒状形状を有し、一端と他端との間で流体を流通させるように構成されている。コア部１は、少なくとも第１流体３と第２流体４とを別々の流路に流通させ、コア部１内を流通する過程で第１流体３と第２流体４との間で熱交換を行うように構成されている。

ヘッダ部２ａ、２ｂは、コア部１の両端にそれぞれ接続されている。ヘッダ部２ａ、２ｂは、コア部１への流体の導入、またはコア部１からの流体の導出を行うことが可能に構成されている。

ヘッダ部２ａ、２ｂには、それぞれ、流体の導入または導出を行うための開口が２つずつ設けられている。図１の例では、一方のヘッダ部２ａは、第１流体３の導入口４１と、第２流体４の導出口４２とを備える。他方のヘッダ部２ｂは、第１流体３の導出口４３と、第２流体４の導入口４４とを備える。

図２に示すように、それぞれのヘッダ部２ａ、２ｂは、上記の導入口および導出口が形成されたドーム状のカバー部４０を有する。カバー部４０は、コア部１の一端面または他端面を覆うように設けられている。ヘッダ部２ａ、２ｂは、コア部１の第１流路１１（図３参照）を第１流体３の導入口４１または導出口４３と連通させ、コア部１の第２流路１２（図３参照）を第２流体４の導入口４４または導出口４２と連通させる分配部５０を備えている。分配部５０は、カバー部４０の内部に配置され、第１流体３と第２流体４とを、それぞれ別々に仕切られた経路を介して、流通させる。

一方のヘッダ部２ａは、導入口４１から流入した第１流体３を、分配部５０を介してコア部１の第１流路１１に供給し、他方のヘッダ部２ｂは、コア部１の第１流路１１から流出した第１流体３を、分配部５０を介して導出口４３へ送り出す。

また、他方のヘッダ部２ｂは、導入口４４から流入した第２流体４を、分配部５０を介してコア部１の第２流路１２に供給し、一方のヘッダ部２ａは、コア部１の第２流路１２から流出した第２流体４を、分配部５０を介して導出口４２へ送り出す。

このように、第１実施形態の熱交換器１００は、第１流体３をコア部１の一端から他端に向けて流通させ、第２流体４をコア部１の他端から一端に向けて流通させて熱交換を行う、対向流型の熱交換器として構成されている。

対向流型とは、熱交換を行う流体同士が互いに反対方向に向けて流通する方式のことである。対向流型の熱交換器１００では、第１流体３の入口側と第２流体４の出口側とで熱交換を行い、第１流体３の出口側と第２流体４の入口側とで熱交換を行う関係になるため、第１流体３の出口温度を第２流体４の入口温度に近づけ、第２流体４の出口温度を第１流体３の入口温度に近づけることができる。このため、各流体の入口温度と出口温度との温度差を大きくとることができ、高い熱交換効率を得ることができる。

（コア部の構造）
次に、図３～図８を参照して、コア部１の具体的な構造について説明する。コア部１は、複数の流路１０と、複数の流路１０の間を仕切る隔壁２０とを含む。

複数の流路１０は、第１流体３を流通させる第１流路１１と、第１流体３と隔壁２０を介して熱交換する第２流体４を流通させる第２流路１２とを含む。

図３に示すコア部１は、直方体形状を有し、コア部１の一端と他端との間に渡って設けられた流路１０を複数含む。流路１０は、コア部１の一端から他端までをＺ方向に貫通するように設けられ、流体の入口または出口となる開口を両端に有する。第１実施形態では、流路１０は、１つの入口と１つの出口とを有した貫通孔である。つまり、流路１０は、途中で分岐または合流することがない。個々の流路１０は、隔壁２０を介して区画されている。つまり、各第１流路１１と各第２流路１２とは、隔壁２０によって区画されていて、互いに非連通となっている。

複数の流路１０は、全体として所定方向に延びるように形成されている。図３において、所定方向は、コア部１の一端と他端とを結ぶ方向である。以下、所定方向をＺ方向とし、Ｚ方向と直交する面内で、互いに直交する２方向を、それぞれＸ方向、Ｙ方向とする。図３では、Ｘ方向およびＹ方向を直方体形状のコア部１の各辺に沿うようにとる。したがって、以下の説明において、所定方向と直交する断面ＣＳ（図５参照）は、Ｚ方向と直交するＸＹ断面である。

コア部１は、複数の単位構造３０の配列と、複数の単位構造３０の配列を取り囲みコア部１の外周面を構成するコア外周壁３５と、を含む。コア外周壁３５は、コア部１のうちＸ方向に対向する２つの側面およびＹ方向に対向する２つの側面、を構成する最外周部であり、矩形筒状形状を有する。コア部１は、Ｚ方向と直交するＸＹ方向に、複数の単位構造３０の配列を含んでいる。コア部１に含まれる単位構造３０の数は、特に限定されない。図３の例では、コア部１のコア外周壁３５の内側に、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ３個の単位構造３０が並び、合計９個の単位構造３０の配列が設けられている。複数の単位構造３０は、ＸＹ方向に格子状に配列されている。これらの単位構造３０は、コア外周壁３５の内側に設けられた隔壁２０によって形成されている。つまり、複数の単位構造３０は、コア部１に一体形成されている。

複数の単位構造３０の各々は、コア部１の一端から他端までに亘ってＺ方向に直線状に延びている。各々の単位構造３０は、１つ以上の第１流路１１と、１つ以上の第２流路１２とを含んで構成されている。

〈単位構造〉
図４に示すように、単位構造３０は、Ｚ方向と直交するＸＹ断面（Ｚ方向の端面を含む）において矩形形状を有する。

第１実施形態では、隔壁２０は、複数の流路１０を仕切る仕切壁部２１を有する。仕切壁部２１は、単位構造３０に属する第１流路１１と第２流路１２との間を仕切る。図４の例では、１つの単位構造３０に、４つの仕切壁部２１が設けられている。

〈仕切壁部のＸＹ断面形状〉
仕切壁部２１は、Ｚ方向と直交する断面ＣＳ（ＸＹ断面）において、回転中心軸２２から渦巻状に延びるように形成されている。すなわち、仕切壁部２１は、回転中心軸２２を中心として、回転中心軸２２周りの回転角度の増大に伴って回転中心軸２２からの距離が増大する形状を有する。

仕切壁部２１が渦巻状に延びるとは、幾何学的には、ＸＹ断面において、回転中心軸２２の中心を点Ｏとし、点Ｏ周りの回転角度をθとし、点Ｏから仕切壁部２１上の点までの距離をｒとしたとき、仕切壁部２１は、距離ｒが角度θの滑らかな単調増加関数となることである。なお、図４では、仕切壁部２１の中心線と回転中心軸２２とが接続する方向を回転角度θ＝０と定義している。実際には、回転方向に隣り合う仕切壁部２１同士の間隔を確保したり、仕切壁部２１と単位構造３０の外周部分との隙間を確保したりする都合上、仕切壁部２１の形状は、厳密に幾何学的な渦巻の定義に合致していなくてもよい。仕切壁部２１は、渦巻状でない部分を局所的に含んでいてもよい。仕切壁部２１は、たとえば渦巻状に沿うように短い直線を繋いだ形状（渦巻の軌跡を直線で近似した形状）であってもよい。

渦巻形状には、対数螺旋、アルキメデスの螺旋、双曲螺旋などの様々な種類があるが、仕切壁部２１は、どのような渦巻形状に形成されていてもよい。たとえば対数螺旋は、ｒ＝ａｅ^ｂθ（ａ、ｂは形状を規定する定数、ｅはネイピア数）で表現される渦巻形状であり、アルキメデスの螺旋はｒ＝ａ＋ｂθで表現される渦巻形状であり、双曲螺旋はｒ＝ａ／θで表現される渦巻形状である。仕切壁部２１は、このような渦巻形状を表す関数で表現された軌跡に合致する渦巻状部分を含んでいる。

たとえば、仕切壁部２１は、Ｚ方向と直交するＸＹ断面において、１／２周期以上の渦巻状部分を有する。好ましくは、仕切壁部２１は、ＸＹ断面において、３／４周期以上の渦巻状部分を有する。図４の例では、仕切壁部２１の全体が渦巻状部分になっていて、対数螺旋で表現される３／４周期以上の渦巻状に形成されている例を示す。なお、仕切壁部２１の経路長は、仕切壁部２１の端部が単位構造３０の角部に接続するときに最も大きくなる。仕切壁部２１に含まれる渦巻状部分の周期を厳密に求める場合は、仕切壁部２１の端部が単位構造３０の角部に接続するときの仕切壁部２１の形状に基づいて判断するものとする。

回転中心軸２２は、単位構造３０の内部に設けられ、単位構造３０の一端から他端までＺ方向に延びる。１つの単位構造３０に、１つの回転中心軸２２が設けられている。回転中心軸２２は、ＸＹ断面において、単位構造３０の中心に配置されている。回転中心軸２２のＸＹ位置は、単位構造３０の中心からずれていてもよい。

このように、隔壁２０は、回転中心軸２２周りに並ぶ第１流路１１と第２流路１２とを含む単位構造３０を形成するように、同一の回転中心軸２２から延びる複数（４つ）の仕切壁部２１を含んでいる。これらの４つの仕切壁部２１は、いずれも、同じ対数螺旋で表現される渦巻状部分を含んだ渦巻状の形状を有している。４つの仕切壁部２１は、回転中心軸２２周りの回転方向に等間隔（等角度間隔）で設けられている。

そして、１つの単位構造３０は、回転中心軸２２を中心とする回転方向に間隔を隔てて形成された複数の仕切壁部２１により区画されている。複数の仕切壁部２１の間の領域により、複数の第１流路１１と複数の第２流路１２とが、回転中心軸２２周りに交互に並んで形成されている。図４では、４つの仕切壁部２１の間の空間によって、１つの単位構造３０に、２つの第１流路１１と２つの第２流路１２とが回転方向に交互に設けられている。これにより、回転方向に隣接する第１流路１１と第２流路１２とをそれぞれ流れる第１流体３と第２流体４との間で、仕切壁部２１を介して熱交換が行われる。仕切壁部２１の各表面は、第１流路１１および第２流路１２のそれぞれの１次伝熱面を構成する。

〈仕切壁部のＺ方向形状〉
図５に示すように、仕切壁部２１は、所定方向に延びる回転中心軸２２を中心に、Ｚ方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有している。すなわち、仕切壁部２１は、図４に示したＸＹ断面形状（渦巻形状）のままＺ方向に延びているのではなく、Ｚ方向の位置に応じて回転中心軸２２周りに回転するようにねじれている。

図５では、単位構造３０のＺ方向に沿った複数の位置における、各断面ＣＳ０～ＣＳ４を示している。なお、断面ＣＳ０は、単位構造３０のＺ方向の端面である。単位構造３０に含まれる４つの仕切壁部２１を、仕切壁部２１ａ～２１ｄとして区別し、これらのうち１つの仕切壁部２１ａについて着目する。

断面ＣＳ０では、仕切壁部２１ａは、回転中心軸２２から渦巻状に延びて、単位構造３０の外周部の辺３１ａに接続している。この断面ＣＳ０を基準とし、仕切壁部２１の回転角度を０度とする。断面ＣＳ０からＺ方向に所定距離ずれた位置の断面ＣＳ１では、仕切壁部２１ａは、断面ＣＳ０における位置から、回転中心軸２２を中心とした反時計方向に約９０度回転している。断面ＣＳ１では、仕切壁部２１ａは、回転中心軸２２から渦巻状に延びて、単位構造３０の外周部の辺３１ｂに接続している。

同様に、断面ＣＳ１からＺ方向に所定距離ずれた位置の断面ＣＳ２では、仕切壁部２１ａは、断面ＣＳ１における位置から、回転中心軸２２を中心とした反時計方向に約９０度回転している。断面ＣＳ２では、仕切壁部２１ａは、回転中心軸２２から渦巻状に延びて、単位構造３０の外周部の辺３１ｃに接続している。断面ＣＳ２からＺ方向に所定距離ずれた位置の断面ＣＳ３では、仕切壁部２１ａは、断面ＣＳ２における位置から、回転中心軸２２を中心とした反時計方向に約９０度回転している。断面ＣＳ３では、仕切壁部２１ａは、回転中心軸２２から渦巻状に延びて、単位構造３０の外周部の辺３１ｄに接続している。

断面ＣＳ３からＺ方向に所定距離ずれた位置の断面ＣＳ４では、仕切壁部２１ａは、断面ＣＳ３における位置から、回転中心軸２２を中心とした反時計方向に約９０度回転している。断面ＣＳ３の仕切壁部２１ａは、回転中心軸２２から渦巻状に延びて、単位構造３０の外周部の辺３１ａに接続している。この断面ＣＳ４における仕切壁部２１ａの位置は、断面ＣＳ０における仕切壁部２１ａの位置と一致する。

このように、仕切壁部２１ａは、Ｚ方向の位置に応じて回転中心軸２２周りに回転し、螺旋状にねじれている。図５では、９０度毎に回転した断面しか図示していないが、仕切壁部２１ａは、各断面ＣＳ０～ＣＳ４の間でも、Ｚ方向位置に応じて連続的かつ滑らかに回転する。他の仕切壁部２１ｂ～２１ｄも仕切壁部２１ａと同様である。そのため、複数の仕切壁部２１は、渦巻形状を維持したままＺ方向位置に応じて回転し、断面ＣＳ０から断面ＣＳ４までの距離をピッチＰ（図６参照）として、周期的に同一の位置に戻る螺旋形状を有している。

このため、図６のように、単位構造３０の回転中心軸２２を通るＺ方向に沿った縦断面ＴＳを見ると、渦巻状の仕切壁部２１が、それぞれ回転中心軸２２から斜め上方に傾斜して延びており、隣り合う２つの仕切壁部２１の間の傾斜した隙間部分が、流路１０（第１流路１１または第２流路１２）となっている。縦断面ＴＳにおいては、各流路１０は、Ｚ方向に沿って、１つめの第１流路１１－１、１つ目の第２流路１２－１、２つめの第１流路１１－２、２つ目の第２流路１２－２、という順番で並んでいる。いずれかの位置にある流路１０は、Ｚ方向にピッチＰだけ離れた位置で、回転中心軸２２周りに１回転して再び断面ＴＳに現れる。

図７に示すように、Ｚ方向と直交するＸＹ方向の断面ＣＳにおいて渦巻状の形状を有する仕切壁部２１が、Ｚ方向に沿って螺旋状に形成される場合、この仕切壁部２１は、円錐状に傾斜した面ＩＳ（仕切壁部２１の表面）が螺旋状に回転する３次元形状となる。この面ＩＳは、回転中心軸２２を通る縦断面ＴＳ（図６参照）では、Ｖ字状の断面として現れる。仕切壁部２１は、図６に示すＺ方向に沿った縦断面ＴＳにおいて、Ｚ方向と直交する横断面ＣＳに対する傾斜角度αが４５度以上となる螺旋形状を有する。

以上のようにして、仕切壁部２１は、所定方向（Ｚ方向）に延びる回転中心軸２２を中心に、Ｚ方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状（図５参照）を有し、かつ、Ｚ方向と直交する断面（断面ＣＳ）において、回転中心軸２２から渦巻状に延びるように形成されている。したがって、流路１０（第１流路１１、第２流路１２）は、流路１０の一端から他端までの間のＺ方向における位置に応じて、断面ＣＳにおける位置が変化した後で元の位置に戻るように、断面ＣＳにおける位置が周期的に変化するように形成されている。いずれかの断面ＣＳにおける流路１０（または仕切壁部２１）の位置が、回転方向に１周して、別の断面ＣＳで同じ位置まで戻るとき、この２つの断面ＣＳ間の距離がピッチＰ(図６参照)である。

なお、単位構造３０の他端面は図示していないが、単位構造３０の他端面でも、仕切壁部２１はいずれかの断面ＣＳの形状で現れる。たとえば、単位構造３０の一端面と他端面とで、仕切壁部２１は同一位置および同一形状（たとえば断面ＣＳ０の位置および形状）となっている。そのため、単位構造３０に含まれる流路１０の開口形状は、単位構造３０の一端面と他端面とで同一である。コア部１の端面では、それぞれの流路１０は、各仕切壁部２１の形状を反映して、回転中心軸２２を中心とした渦巻状の開口形状を有する。

〈周壁部〉
また、図４に示すように、第１実施形態では、隔壁２０は、同一の回転中心軸２２から延びる複数の仕切壁部２１の周囲を取り囲むことにより、個々の単位構造３０を区画する周壁部２３を含んでいる。すなわち、１つの単位構造３０は、同一の回転中心軸２２から延びる４つの仕切壁部２１と、これらの４つの仕切壁部２１を取り囲む矩形状の周壁部２３と、を含む。上記した単位構造の辺３１ａ～３１ｄは、この周壁部２３の各辺である。

単位構造３０に含まれる各流路１０（第１流路１１、第２流路１２）は、回転中心軸２２周りの回転方向に隣り合う２つの仕切壁部２１と、周壁部２３と、によって区画された管状空間である。なお、Ｚ方向位置が異なるいずれの断面ＣＳにおいても、周壁部２３の位置および形状は変化しておらず、単位構造３０の外形形状は一定（矩形形状）である。それぞれの単位構造３０の内部で、仕切壁部２１がＺ方向沿って螺旋状に回転することによって、単位構造３０内の各流路１０の位置が螺旋状に変化している。

このように、各々の単位構造３０の外周部は、周壁部２３によって区画されている。そのため、図８に示すように、ＸＹ方向に配列された各々の単位構造３０において、一の単位構造３０の第１流路１１と他の単位構造３０の第２流路１２とは、周壁部２３を介して隣接している。ただし、単位構造３０毎に、周壁部２３が別個に設けられている訳ではない。隣接する２つの単位構造３０は、周壁部２３の一部を共有している。また、３×３の格子状に配列された単位構造３０のうち、最外周に位置する単位構造３０の周壁部２３は、コア部１のコア外周壁３５（図３参照）の一部を構成している。

〈単位構造の配列〉
図８は、９個の単位構造３０の各々における第１流路１１と第２流路１２との、各断面ＣＳ０～ＣＳ３での位置関係を示す。上記の通り、断面ＣＳ４（図５参照）では断面ＣＳ０と同じ断面形状に戻るため、図８では、各断面形状がＣＳ０～ＣＳ３の間で循環する態様で図示している。

ここで、９個の単位構造３０は、基本的な構造は同一であるが、各断面ＣＳにおける渦巻の方向およびＺ方向位置に応じた螺旋の回転方向が異なる、２種類に分類される。

すなわち、コア部１の四隅および中央に位置する５個の単位構造３０Ａは、図８において渦巻の方向が反時計方向に向いた仕切壁部２１を有し、Ｚ方向位置に応じて仕切壁部２１が反時計方向に回転する螺旋形状を有する。一方、他の４個の単位構造３０Ｂは、図８において渦巻の方向が時計方向に向いた仕切壁部２１を有し、Ｚ方向位置に応じて仕切壁部２１が時計方向に回転する螺旋形状を有する。回転方向の異なる単位構造３０Ａと単位構造３０Ｂとは、市松模様状に、Ｘ方向およびＹ方向において交互に配置（図３参照）されている。

そして、互いに隣接する単位構造３０Ａと単位構造３０Ｂとの間で、第１流路１１と第２流路１２とが周壁部２３を介して隣接している。つまり、いずれかの単位構造３０Ａの第１流路１１は、隣の単位構造３０Ｂの第２流路１２と、周壁部２３を介して隣接し、熱交換が可能である。いずれかの単位構造３０Ａの第２流路１２は、隣の単位構造３０Ｂの第１流路１１と、周壁部２３を介して隣接し、熱交換が可能である。

５個の単位構造３０Ａは、図５と同様に、断面ＣＳ０から断面ＣＳ１、断面ＣＳ１から断面ＣＳ２、断面ＣＳ２から断面ＣＳ３、断面ＣＳ３から断面ＣＳ０に至る各過程で、４つの仕切壁部２１が反時計方向に９０度ずつ回転して、元の位置に戻る。

他の４個の単位構造３０Ｂは、断面ＣＳ０から断面ＣＳ１、断面ＣＳ１から断面ＣＳ２、断面ＣＳ２から断面ＣＳ３、断面ＣＳ３から断面ＣＳ０に至る各過程で、４つの仕切壁部２１が時計方向に９０度ずつ回転して、元の位置に戻る。

これにより、たとえば中央の単位構造３０Ａにおける１つの第１流路１１が、断面ＣＳ０ではＹ１方向およびＸ２方向に隣り合うそれぞれの第２流路１２と隣接して熱交換可能であり、断面ＣＳ１ではＹ１方向およびＸ１方向に隣り合うそれぞれの第２流路１２と隣接して熱交換可能であり、断面ＣＳ２ではＹ２方向およびＸ１方向に隣り合うそれぞれの第２流路１２と隣接して熱交換可能であり、断面ＣＳ３ではＹ２方向およびＸ２方向に隣り合うそれぞれの第２流路１２と隣接して熱交換可能である。

このように、いずれかの単位構造３０の第１流路１１が、隣接する他の複数の単位構造３０のそれぞれの第２流路１２と、Ｚ方向位置に応じて交替で隣接することになる。そのため、１つの第１流路１１を流れる第１流体３が同一の第２流路１２を流れる第２流体４とのみ隣接する場合と比べて、コア部１内の個々の流路１０における流体の温度ばらつきが小さくなる。

以上のような構成により、コア部１では、複数の単位構造３０の各々で、一端から他端（または他端から一端）にかけて、第１流体３および第２流体４が螺旋状にうねりながら流通する。

（分配部）
次に、ヘッダ部２ａ、２ｂの分配部５０の構成を説明する。図２に示すように、分配部５０は、コア部１の一端または他端に設けられ、コア部１の各流路１０と連通するように構成されている。

分配部５０は、一方のヘッダ部２ａと他方のヘッダ部２ｂとにそれぞれ設けられているが、ヘッダ部２ａの分配部５０とヘッダ部２ｂの分配部５０とは、同一構造を有する。そのため、以下では、ヘッダ部２ａの分配部５０を例にとって説明する。

図９に示すように、分配部５０は、変換部５１と、分岐部６１と、の２つの構造を含む。変換部５１は、コア部１の端面上に設けられ、コア部１の各流路１０と連通する複数の流体通路５４ａ、５４ｂを含む。変換部５１は、各流路の開口形状を単純形状に変換する機能を有する。分岐部６１は、変換部５１の端面（コア部１とは反対側の端面）に設けられ、変換部５１の各流体通路５４ａ、５４ｂと連通する複数の流体通路６５ａ、６５ｂを含む。分岐部６１は、第１流体３を流通させる流体通路６５ａと、第２流体４を流通させる流体通路６５ｂとを別々の方向に分岐させる機能を有する。

〈変換部〉
変換部５１は、コア部１の端面に接続される第１面５２と、第１面５２とは反対側で分配部５０に接続される第２面５３とを含む。変換部５１は、コア部１の第１流路１１とそれぞれ接続する複数の流体通路５４ａと、コア部１の第２流路１２とそれぞれ接続する複数の流体通路５４ｂとを含む。

複数の流体通路５４ａと複数の流体通路５４ｂとは、いずれも、変換部５１をＺ方向に貫通するように設けられ、第１面５２および第２面５３にそれぞれ開口している。変換部５１では、コア部１の９つの単位構造３０に対応した９つの単位構造５５が、格子状に設けられている。個々の単位構造５５は、２個の流体通路５４ａと２個の流体通路５４ｂとを含んでいる。

図１０に示すように、第１面５２では、複数の流体通路５４ａと複数の流体通路５４ｂとは、それぞれ、コア部１の端面におけるそれぞれの第１流路１１および第２流路１２と同一位置および同一の開口形状となるように設けられている。したがって、第１面５２では、複数の流体通路５４ａと複数の流体通路５４ｂとは、単位構造５５毎に、回転中心軸を中心とする渦巻状に形成された複数の壁５６によって区画された渦巻状の開口部を有する。

一方、図９に示すように、第２面５３では、複数の流体通路５４ａと複数の流体通路５４ｂとは、それぞれ矩形状の開口形状を有し、流体通路５４ａと流体通路５４ｂとが、市松模様状に並ぶように、Ｘ方向およびＹ方向に交互に配列されている。各単位構造５５は、第２面５３において、ＸＹ方向における２×２の４つの矩形状の開口部（２つの流体通路５４ａの開口部と２つの流体通路５４ｂの開口部）を有する。つまり、第１面５２では渦巻状に形成された４つの壁５６が、第１面５２と第２面５３との間のＺ方向位置に応じてＸＹ断面における位置および形状を変化させ、第２面５３では単位構造５５内を格子状に区画するように十字に延びる４つの直線状の壁５６になっている。

コア部１の個々の単位構造３０に含まれる２つの第１流路１１は、変換部５１の第１面５２において、対応する単位構造５５の２つの流体通路５４ａとそれぞれ連通する。この２つの流体通路５４ａは、変換部５１の第２面５３では、単位構造５５の対角方向に位置する２つの矩形状の開口部に繋がる。同様に、コア部１の個々の単位構造３０に含まれる２つの第２流路１２は、変換部５１の第１面５２において、対応する単位構造５５の２つの流体通路５４ｂとそれぞれ連通する。この２つの流体通路５４ｂは、変換部５１の第２面５３では、単位構造５５の他の対角方向に位置する２つの矩形状の開口部に繋がる。

〈分岐部〉
分岐部６１は、変換部５１上に設けられる第１のバッフル部６２と、変換部５１とは反対側に設けられた第２のバッフル部６３と、２つのバッフル部６２および６３を接続するようにＺ方向に延びる複数の管状部６４とを含む。分岐部６１は、変換部５１の複数の流体通路５４ａとそれぞれ連通する複数の流体通路６５ａと、変換部５１の複数の流体通路５４ｂとそれぞれ連通する複数の流体通路６５ｂと、を有する。

図１０に示すように、バッフル部６２には、流体通路６５ａと流体通路６５ｂとが、変換部５１の第２面５３における複数の流体通路５４ａと複数の流体通路５４ｂとの配列と対応した配列で、開口している。すなわち、バッフル部６２では、流体通路６５ａと流体通路６５ｂとが、市松模様状に並ぶように、Ｘ方向およびＹ方向に交互に配列されている。各流体通路６５ａおよび各流体通路６５ｂの開口形状は、円形状であり、それぞれの開口部は、変換部５１の第２面５３における矩形状の開口部に内包される大きさとなっている。

第１流体３を流通させるそれぞれの流体通路６５ａは、バッフル部６２を貫通して、バッフル部６２とバッフル部６３との間を通過するように形成されている。バッフル部６２とバッフル部６３との間の空間は、ＸＹ方向に開放されている。そのため、流体通路６５ａは、図２に示したヘッダ部２ａのカバー部４０によってＸＹ方向の周囲を区画され、かつ、カバー部４０の側面の一部に開口した導入口４１と連通している。流体通路５４ａは、バッフル部６２、バッフル部６３およびカバー部４０によって囲まれた空間であって、かつ、それぞれの複数の管状部６４の間（外側）の空間部分によって構成され、第１流体３の導入口４１に接続している。

一方、第２流体４を流通させるそれぞれの流体通路６５ｂは、図９に示すように、バッフル部６２を貫通して、対応する管状部６４の内部を通って、バッフル部６３に開口するように形成されている。バッフル部６３には、流体通路６５ｂの端部が開口している一方、流体通路６５ａは開口していない。バッフル部６３の開口は、図２に示したヘッダ部２ａの合流部４５を介して、第２流体４の導出口４２に連通している。なお、合流部４５は、カバー部４０の内部であって、バッフル部６３と導出口４２との間の領域である。

このため、図２、図９および図１０において、導入口４１から流入した第１流体３は、流体通路６５ａ（バッフル部６２とバッフル部６３との間の空間）を通過して、バッフル部６２に設けられたそれぞれの流体通路６５ａの開口に分配され、各流体通路６５ａの開口から、変換部５１の対応する流体通路５４ａに流入する。変換部５１の各流体通路５４ａを通過した第１流体３が、コア部１の各第１流路１１へ流入する。

一方、コア部１の各第２流路１２から流出した第２流体４は、変換部５１の対応する流体通路５４ｂに流入する。変換部５１の各流体通路５４ｂを通過した第２流体４が、バッフル部６２に設けられたそれぞれの流体通路６５ｂの開口に流入する。第２流体４は、流入した流体通路６５ｂの管状部６４を通過して、バッフル部６３の各開口からヘッダ部２ａ内の合流部４５に流出することで、合流する。合流した第２流体４は、合流部４５から、第２流体４の導出口４２を通過して、熱交換器１００の外部へ導出される。

なお、ヘッダ部２ｂ（図２参照）側の分配部５０でも、変換部５１の流体通路５４ａおよび分岐部６１の流体通路６５ａが第１流路１１と連通し、変換部５１の流体通路５４ｂおよび分岐部６１の流体通路６５ｂが第２流路１２と連通している。このため、コア部１のそれぞれの第１流路１１を通過した第１流体３は、図２に示したように、変換部５１の流体通路５４ａおよび分岐部６１の流体通路６５ａを通過して、第１流体３の導出口４３から導出される。導入口４４から合流部４５に流入した第２流体４は、分岐部６１の流体通路６５ｂおよび変換部５１の流体通路５４ｂを通過して、コア部１の端面に開口したそれぞれの第２流路１２に流入する。

第１実施形態の熱交換器１００は、以上のように構成されている。

熱交換器１００のコア部１およびヘッダ部２ａ、２ｂの各々は、積層造形法によって形成された立体構造物としてされうる。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。

コア部１およびヘッダ部２ａ、２ｂは、それぞれ、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、相互に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１およびヘッダ部２ａ、２ｂ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。

（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、隔壁２０は、Ｚ方向に延びる回転中心軸２２を中心に、Ｚ方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、Ｚ方向と直交するＸＹ断面（断面ＣＳ）において、回転中心軸２２から渦巻状に延びるように形成された仕切壁部２１を有するので、この仕切壁部２１は、図７に示すように、円錐状に傾斜した面ＩＳが螺旋状に回転する３次元形状となる。仕切壁部２１が円錐状に傾斜しているため、Ｚ方向と直交する断面ＣＳで十字状の隔壁を同一のピッチＰの螺旋状に形成した場合（この場合、十字の隔壁がねじれた形状になる）と比べて、仕切壁部２１の傾斜角度α（製造時の水平面とのなす角度、図６参照）を大きくすることができる。

この点について、本願発明者が見出した知見とともに詳細に説明する。図１１の比較例に示すように、Ｚ方向と直交するＸＹ断面で十字状の隔壁５２０によって矩形状の４つの流路５１０が区画される単位構造５３０で、隔壁５２０を螺旋状に形成した場合、十字の隔壁５２０がＺ方向位置に応じてねじれた形状になる。この比較例の単位構造５３０の縦断面では、図１２に示すように、隔壁５２０が単位構造５３０の一方側面から他方側面にかけて斜めに傾斜した面として現れる。そのため、図１２（Ａ）に示す構造よりも、図１２（Ｂ）に示すようにピッチＰを小さくした構造の方が、単位構造５３０に含まれる流路５１０の経路長が大きくなり、１次伝熱面である隔壁５２０の表面積が大きくなるので、熱交換効率を向上できる。つまり、螺旋構造の流路では、Ｚ方向におけるピッチＰを小さくするほど、熱交換効率を向上できる。

ところが、積層造形法では、作製したい立体形状をスライスした多数の断層形状を定義し、水平面上で、各断層形状を下側から垂直上方に向けて順次積層することによって、立体形状を作製する。単位構造がＺ方向に延びる構造では、典型的には、水平面がＸＹ平面に一致し、垂直方向がＺ方向に一致するように、積層造形が行われる。この積層造形では、形成する面の水平面に対する傾斜角度が一定角度よりも小さくなると、重力の作用によって造形不良が発生しやすくなる。積層造形により造形可能な傾斜角度の下限値は、概ね４５度となる。図１２（Ｂ）に示すように、ピッチＰを小さくするほど、螺旋状の隔壁５２０の縦断面における傾斜角度βが小さくなり、水平方向に近付くため、ピッチＰの大きさは、隔壁５２０の傾斜角度βが造形可能な下限値（概ね４５度）に一致するまでしか、短縮できない。

図１３（Ａ）および（Ｂ）は、第１実施形態の単位構造３０（図１３（Ａ））と、比較例の単位構造５３０（図１３（Ｂ））とで、ピッチＰの大きさを略同一にした場合の、それぞれの隔壁（仕切壁部）の傾斜角度α、βを比較した図である。同一のピッチＰで比較した場合、第１実施形態の仕切壁部２１の傾斜角度αが傾斜角度βよりも明らかに大きくなっていることが分かる。図１３（Ａ）の場合、仕切壁部２１の傾斜角度αが下限値（概ね４５度）となるまでには余裕があり、さらにピッチＰを小さくすることが可能である。言い換えると、仕切壁部２１の傾斜角度αを製造限界となる角度となるまでピッチＰを短縮した場合のピッチＰの大きさ（製造可能な最小ピッチ）を、十字状の隔壁５２０を螺旋状に形成する比較例の場合と比べてより小さくでき、伝熱面積を大きくすることが可能である。したがって、第１実施形態では、積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善が可能な熱交換器１００が得られる。

ここで、仕切壁部２１の傾斜角度αは、Ｚ方向と直交する断面ＣＳにおける渦巻状の仕切壁部２１の曲率が大きくなるほど、大きくなる。つまり、単位構造３０において、渦巻状部分の周期が大きいほど、仕切壁部２１の曲率が大きくなるため、傾斜角度αが大きくなる。

そこで、第１実施形態では、上記のように、仕切壁部２１は、Ｚ方向と直交する断面ＣＳにおいて、１／２周期以上の渦巻状部分を有するので、Ｚ方向に沿った縦断面ＴＳでの仕切壁部２１の傾斜角度α（製造時の水平面とのなす角度）を大きくすることができる。そのため、仕切壁部２１が１／２周期以上の渦巻状部分を有することによって、仕切壁部２１の傾斜角度に依存した製造可能な最小ピッチを、効果的に小さくすることができる。

さらに、第１実施形態では、上記のように、仕切壁部２１は、Ｚ方向と直交する断面ＣＳにおいて、３／４周期以上の渦巻状部分を有するので、Ｚ方向と直交する断面ＣＳにおける仕切壁部２１の曲率がさらに大きくなり、Ｚ方向に沿った縦断面ＴＳでの仕切壁部２１の傾斜角度α（製造時の水平面とのなす角度）を大きくすることができる。そのため、仕切壁部２１の傾斜角度αを製造限界となる角度（たとえば４５度）となるまでピッチＰを短縮した場合のピッチの大きさを、より一層効果的に小さくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、仕切壁部２１は、Ｚ方向に沿った縦断面ＴＳにおいて、Ｚ方向と直交する横断面（断面ＣＳ）に対する傾斜角度αが４５度以上となる螺旋形状を有するので、積層造形法により製造可能な傾斜角度αの下限値（概ね４５度）を下回らない範囲で、仕切壁部２１のピッチを短縮することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、隔壁２０は、回転中心軸２２周りに並ぶ第１流路１１と第２流路１２とを含む単位構造３０を形成するように、同一の回転中心軸２２から延びる複数の仕切壁部２１を含み、コア部１は、Ｚ方向と直交するＸＹ方向に、複数の単位構造３０の配列を含むので、複数の仕切壁部２１によって、互いに熱交換する流体を流通させる第１流路１１と第２流路１２を含んだ単位構造３０が、平面的に配列される。その結果、各流路１０のピッチを小さく熱交換効率の改善が可能な流路構造を、容易に集積化することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、単位構造３０は、複数の仕切壁部２１の間の領域により、複数の第１流路１１と複数の第２流路１２とが、回転中心軸２２周りに交互に並んで形成されているので、１つの単位構造３０内で、複数の第１流路１１と複数の第２流路１２とが交互に回転方向に隣接した配列を構築できる。このとき、各仕切壁部２１の一方表面および他方表面が、それぞれ第１流路１１および第２流路１２における１次伝熱面となる。そのため、上記した仕切壁部２１のピッチＰを短縮する構造によって、１次伝熱面の面積を効果的に増大させることが可能で、それにより熱交換効率を効果的に改善できる。

また、第１実施形態では、上記のように、隔壁２０は、同一の回転中心軸２２から延びる複数の仕切壁部２１の周囲を取り囲むことにより、個々の単位構造３０を区画する周壁部２３を含み、一の単位構造３０の第１流路１１と他の単位構造３０の第２流路１２とが、周壁部２３を介して隣接しているので、仕切壁部２１によって、同じ単位構造３０内の第１流路１１と第２流路１２との間での熱交換が可能であることに加えて、周壁部２３によって、隣り合う２つの単位構造３０の一方の第１流路１１と他方の第２流路１２との間での熱交換が可能となる。

［第２実施形態］
次に、図１４～図１７を参照して、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、隔壁２０が個々の単位構造３０を区画する周壁部２３を含む例を示した上記第１実施形態とは異なり、個々の単位構造３０に周壁部２３を設けない例について説明する。第２実施形態では、コア部１０１以外の構造は上記第１実施形態と同一であるので、コア部１０１以外の構成については、上記第１実施形態と同じ符号を用いるとともに説明を省略する。

図１４に示すように、第２実施形態のコア部１０１は、上記第１実施形態と同様、ＸＹ方向に３×３で並ぶ合計９個の単位構造１３０を含む。一方、第２実施形態のコア部１０１における各単位構造１３０には、周壁部２３（図４参照）が設けられていない。

すなわち、第２実施形態のコア部１０１は、複数（９個）の単位構造１３０の配列と、複数の単位構造１３０の配列を取り囲みコア部１０１の外周面を構成するコア外周壁３５と、を含む。９個の単位構造１３０は、配列全体の最外周がコア外周壁３５によって取り囲まれている一方で、個々の単位構造１３０の周囲が囲まれることなく、隣の単位構造１３０とつながっている。

そのため、第２実施形態では、図１５に示すように、複数（９個）の単位構造１３０の各々の仕切壁部２１は、所定方向（Ｚ方向）と直交する断面ＣＳにおいて隣接する他の単位構造１３０の仕切壁部２１と接続するように形成されている。すなわち、別々の単位構造１３０に属する仕切壁部２１の端部同士が接続して、接続部１２１を構成している。そして、仕切壁部２１の接続により、隣接する単位構造１３０のそれぞれの流路１０が合流した合流部ＪＰが形成されている。

合流部ＪＰは、互いに隣接する複数の単位構造１３０に跨がっている。たとえば合流部ＪＰ１は隣接する２つの単位構造１３０に跨がっている。合流部ＪＰ１は、別々の単位構造１３０に属する２本の流路１０が、合流した部分である。１つの合流部ＪＰ１は、一方の単位構造１３０の２つの仕切壁部２１と、他方の単位構造１３０の２つの仕切壁部２１と、コア外周壁３５と、によって囲まれている。

合流部ＪＰ２は、４つの単位構造１３０に跨がっている。合流部ＪＰ２は、４つの単位構造１３０のそれぞれ２つの仕切壁部２１（合計８つの仕切壁部２１）が、相互に接続し合うことによって、断面ＣＳにおいて閉じた空間となっている部分である。合流部ＪＰ２は、別々の単位構造１３０に属する４本の流路１０が、合流した部分である。

この他、四隅に位置する単位構造１３０には、他の単位構造１３０に跨がることなく単位構造１３０内で閉じた流路１０も形成されている。この流路１０の形状は、上記第１実施形態で示した流路１０の形状と同等である。

なお、第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様、９個の単位構造１３０（図１４参照）のうち、単位構造１３０Ａと単位構造１３０Ｂとが、市松模様状に、Ｘ方向およびＹ方向において交互に配置されている。５個の単位構造１３０Ａは、図１５において渦巻の方向が反時計方向に向いた仕切壁部２１を有し、Ｚ方向位置に応じて仕切壁部２１が反時計方向に回転する螺旋形状を有する。他の４個の単位構造１３０Ｂは、図１５において渦巻の方向が時計方向に向いた仕切壁部２１を有し、Ｚ方向位置に応じて仕切壁部２１が時計方向に回転する螺旋形状を有する。

複数の単位構造１３０の各々の仕切壁部２１は、Ｚ方向に沿った螺旋形状により、Ｚ方向の一端から他端までの間で、異なる２以上の単位構造１３０の仕切壁部２１と交替で接続するように形成されている。そして、接続する仕切壁部２１の交替により、いずれかの単位構造１３０の流路１０が、異なる２以上の単位構造３０の流路１０と合流および分離する。

図１６は、Ｚ方向位置に応じた各断面ＣＳ１０～ＣＳ２０で仕切壁部２１の位置変化を模式的に示している。ここで、ハッチングを付して示した４つの流路１０について着目する。

断面ＣＳ１０では、４つの流路１０が合流することで、ハッチングで示した合流部ＪＰが形成されている。断面ＣＳ１０の合流部ＪＰは、Ｙ方向に延びている。断面ＣＳ１１、断面ＣＳ１２を経て、断面ＣＳ１３では、ハッチングで示した合流部ＪＰがＹ１方向側の部分ＳａとＹ２方向側の部分Ｓｂとに、分離している。部分Ｓａと部分Ｓｂとは、それぞれ２つの流路１０からなる。この断面ＣＳ１３では、Ｙ１方向側の部分Ｓａは、部分ＳａのＹ１方向側に隣接する２つの流路１０と合流して、４つの単位構造１３０に跨がった合流部ＪＰを構成する。

断面ＣＳ１４、断面ＣＳ１５を経て断面ＣＳ１６になると、Ｙ１方向側の部分Ｓａ（断面ＣＳ１３参照）が、Ｘ１方向側の部分ＳｃとＸ２方向が部分Ｓｄとに分離している。同様に、Ｙ２方向側の部分Ｓｂ（断面ＣＳ１３参照）が、Ｘ１方向側の部分ＳｅとＸ２方向が部分Ｓｆとに分離している。これらの部分Ｓｃ、部分Ｓｄおよび部分Ｓｅは、それぞれ、別々の合流部ＪＰを構成している。部分Ｓｆは単一の流路１０となっている。

断面ＣＳ１７を経て、断面ＣＳ１８になると、Ｘ１方向側の部分Ｓｃおよび部分Ｓｅの２つ（断面ＣＳ１６参照）が、Ｙ方向に近付いて合流し、部分Ｓｇとなっている。部分Ｓｇは、Ｘ１方向側に隣接する２つの流路１０と合流して、４本の流路１０からなる合流部ＪＰを構成している。同様に、Ｘ２方向側の部分Ｓｄおよび部分Ｓｆ（断面ＣＳ１６参照）が、合流して部分Ｓｈとなっている。

断面ＣＳ１９を経て、断面ＣＳ２０になると、Ｘ１方向側の部分Ｓｇ（断面ＣＳ１８参照）と、Ｘ２方向側の部分Ｓｈ（断面ＣＳ１８参照）とが、再びＸ方向に近付いて合流して、断面ＣＳ１０で示した合流部ＪＰを構成している。この断面ＣＳ２０は、断面ＣＳ１０と同一であり、コア部１０１においてピッチＰの分だけＺ方向位置が変化したことを示す。

ここではハッチングを付した４本の流路１０から構成された合流部ＪＰについての変化を説明したが、図１６から分かるように、それぞれの単位構造１３０の流路１０が、上記と同じように位置および形状を変化させて、異なる２以上の単位構造３０の流路１０と合流および分離を繰り返す。

なお、ここでは第１流路１１と第２流路１２とを区別せずに説明しているが、複数の流路１０のうち、第１流路１１は、他の第１流路１１とのみ合流および分離し、第２流路１２は、他の第２流路１２とのみ合流および分離するのであって、第１流路１１と第２流路１２とが合流することはない。

図１７は、コア部１０１の縦断面ＴＳを示している。第２実施形態でも、周壁部２３がないだけで、それぞれの単位構造１３０における仕切壁部２１の形状は上記第１実施形態と同様である。つまり、仕切壁部２１が、Ｚ方向に延びる回転中心軸２２を中心に、Ｚ方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、Ｚ方向と直交する断面ＣＳにおいて、回転中心軸２２から渦巻状に延びるように形成されている。そのため、縦断面ＴＳにおける仕切壁部２１の傾斜角度αは、上記第１実施形態と同様の理由で比較例（図１３参照）と比べて大きくなっている。

（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、上記第１実施形態と同様に、隔壁２０は、Ｚ方向に延びる回転中心軸２２を中心に、Ｚ方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、Ｚ方向と直交するＸＹ断面（断面ＣＳ）において、回転中心軸２２から渦巻状に延びるように形成された仕切壁部２１を有するので、仕切壁部２１の傾斜角度αを大きくすることができる。その結果、傾斜角度αに依存した製造可能な最小ピッチを、比較例の場合と比べてより小さくできるので、積層造形法により製造可能で更なる熱交換効率の改善が可能な熱交換器が得られる。

また、第２実施形態では、上記のように、コア部１は、複数の単位構造３０の配列と、複数の単位構造３０の配列を取り囲みコア部１の外周面を構成するコア外周壁３５と、を含み、複数の単位構造３０の各々の仕切壁部２１は、所定方向（Ｚ方向）と直交する断面ＣＳにおいて隣接する他の単位構造３０の仕切壁部２１と接続するように形成され、仕切壁部２１の接続により、隣接する単位構造３０のそれぞれの流路１０が合流した合流部ＪＰが形成されているので、複数の単位構造３０に跨がる流路部分（合流部ＪＰ）を形成することができる。たとえば、いずれかの単位構造３０の第１流路１１と、他の単位構造３０の第１流路１１とが合流することで、それぞれの第１流路１１を流れる第１流体３を混合させることができる。その結果、単位構造３０に含まれる流路１０毎の温度分布に差がある場合でも、流路１０中を流れる流体（第１流体３同士、または第２流体４同士）が混合されることにより、温度差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、複数の単位構造３０の各々の仕切壁部２１は、所定方向に沿った螺旋形状により、所定方向の一端から他端までの間で、異なる２以上の単位構造３０の仕切壁部２１と交替で接続するように形成され、接続する仕切壁部２１の交替により、いずれかの単位構造３０の流路１０が、異なる２以上の単位構造３０の流路１０と合流および分離するので、いずれかの単位構造３０に含まれる流路１０が、他の複数の単位構造３０に含まれる流路１０を、より多くの流路１０と合流（つまり合流部ＪＰを形成）させることができる。そのため、たとえば１つの単位構造３０の流路１０が他の単位構造３０の特定の１つの流路１０とだけ合流する場合と比べて、異なる２以上の流路１０と合流および分離することにより、より一層効果的に、流路１０毎の温度分布の差を抑制することができる。

第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

［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、上記第１および第２実施形態では、複数の単位構造３０を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、複数の単位構造３０を配列しなくてもよい。たとえば３×３の９個の単位構造３０を設ける代わりに、コア部１に１つの回転中心軸２２を設けて、この回転中心軸２２からコア外周壁３５に向けて延びるように、渦巻状の仕切壁部２１を設けてもよい。この場合、より多くの数の仕切壁部２１を回転方向に並べることで、多数の流路１０を形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、４本の流路１０（２本の第１流路１１および２本の第２流路１２）を含む単位構造３０を構成した例を示したが、単位構造３０に含まれる流路１０の本数は、４本未満または５本以上でもよい。言い換えると、単位構造３０に設ける仕切壁部２１の数は、４個未満または５個以上でもよい。図１８は、６個の仕切壁部２１により、３本の第１流路１１および３本の第２流路１２を設けた例を示す。回転中心軸２２を中心とする回転方向に第１流路１１と第２流路１２とが配列される構造のため、第１流路１１と第２流路１２が互いに回転方向に隣接できるように、単位構造３０内に設けられる第１流路１１の数と第２流路１２の数とは同数であることが好ましい。

また、上記第１および第２実施形態では、仕切壁部２１が３／４周期以上の渦巻状部分を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば図１８では、仕切壁部２１が１／２周期の渦巻状に形成されている例を示す。図１９では、仕切壁部２１が３／４周期の渦巻状に形成されている例を示す。

また、図２０では、仕切壁部２２１が、渦巻状部分２２２と、非渦巻状部分２２３とを含む例を示す。非渦巻状部分２２３は、直線部分である。このように、仕切壁部２２１の全部が完全な渦巻状に形成されていなくてもよい。渦巻状部分２２２の経路長Ｌ１は、非渦巻状部分２２３の経路長Ｌ２より大きい。渦巻状部分２２２の経路長Ｌ１は、たとえば、仕切壁部２２１の全体の経路長（Ｌ１＋Ｌ２）の１／２よりも大きい。

この他、本発明では、隔壁には、異なる周期の仕切壁部（渦巻）が混在していてもよい。例えば同じ回転中心軸から、１／２周期渦巻の仕切壁部（図１８参照）と、３／４周期渦巻の仕切壁部（図１９参照）とが延びていてもよい。異なる周期の渦巻が混在すると、周期の差異や、Ｚ方向の大きさによって仕切壁部同士が干渉する可能性があるので、それぞれの仕切壁部の渦巻形状は、仕切壁部同士が互いに干渉しない範囲で任意に設定されうる。異なる周期の複数の仕切壁部（渦巻）が隔壁に混在している場合、仕切壁部の周期は、それらの仕切壁部の内、最も小さい周期の値で判断する。周期が小さいほど、造形時の水平面となす角度が水平に近くなり、造形不良が起きやすいためである。

また、上記第１および第２実施形態では、ＸＹ断面における各流路１０（第１流路１１および第２流路１２）が略同一の断面形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。各流路１０の断面形状は、異なっていてもよい。たとえば、第１流体３と第２流体４との流量が異なる場合に、流量比などに応じて、各流路１０のうちで第１流路１１および第２流路１２の一方の流路断面積が大きく、他方の流路断面積が小さくなるように流路１０が形成されていてもよい。言い換えると、複数の仕切壁部２１の回転方向の間隔が、一定でなくてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、複数の単位構造３０を、所定方向（Ｚ方向）と直交する方向に格子状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、単位構造３０の配列は格子状以外でもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、個々の単位構造３０がＸＹ断面において矩形形状に形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、個々の単位構造３０の断面形状が矩形以外でもよい。単位構造３０の断面形状は、たとえば円形状でもよいし、三角形状、六角形状または八角形状など、４未満または５以上の頂点を有する多角形状でもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、コア部１が全体として直方体形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、コア部１が全体として円柱状形状など、直方体形状以外の形状を有していてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、仕切壁部２１の渦巻の方向および螺旋の回転方向が異なる２種類の単位構造３０（単位構造３０Ａおよび単位構造３０Ｂ）を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。複数の単位構造３０は、仕切壁部２１の渦巻の方向が同一であってもよいし、螺旋の回転方向が同一であってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、複数の流路１０が第１流体３を流通させる第１流路１１および第２流体４を流通させる第２流路１２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、複数の流路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。複数の流路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、１０１ コア部
３ 第１流体
４ 第２流体
１０ 流路
１１、１１－１、１１－２ 第１流路
１２、１２－１、１２－２ 第２流路
２０ 隔壁
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２２１ 仕切壁部
２２ 回転中心軸
２３ 周壁部
３０、３０Ａ、３０Ｂ、１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ 単位構造
３５ コア外周壁
４５ 合流部
１００ 熱交換器
２２２ 渦巻状部分
ＣＳ（ＣＳ０～ＣＳ４、ＣＳ１０～ＣＳ２０） ＸＹ断面（所定方向と直交する断面）
ＪＰ、ＪＰ１、ＪＰ２ 合流部
Ｐ ピッチ
ＴＳ 縦断面（所定方向に沿った縦断面）
α 傾斜角度
Ｚ方向（所定方向）

Claims (9)

1. 全体として所定方向に延びるように形成された複数の流路と、前記複数の流路の間を仕切る隔壁とを含むコア部を備え、
   前記複数の流路は、第１流体を流通させる第１流路と、前記第１流体と前記隔壁を介して熱交換する第２流体を流通させる第２流路とを含み、
   前記隔壁は、前記所定方向に延びる回転中心軸を中心に、前記所定方向の位置に応じて回転した螺旋状の形状を有し、かつ、前記所定方向と直交する断面において、前記回転中心軸から渦巻状に延びるように形成された仕切壁部を有する、熱交換器。
2. 前記仕切壁部は、前記所定方向と直交する断面において、１／２周期以上の渦巻状部分を有する、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記仕切壁部は、前記所定方向と直交する断面において、３／４周期以上の渦巻状部分を有する、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記仕切壁部は、前記所定方向に沿った縦断面において、前記所定方向と直交する横断面に対する傾斜角度が４５度以上となる螺旋形状を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記隔壁は、前記回転中心軸周りに並ぶ前記第１流路と前記第２流路とを含む単位構造を形成するように、同一の前記回転中心軸から延びる複数の前記仕切壁部を含み、
   前記コア部は、前記所定方向と直交する方向に、複数の前記単位構造の配列を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記単位構造は、前記回転中心軸を中心とする回転方向に間隔を隔てて形成された複数の前記仕切壁部により区画され、
   前記複数の仕切壁部の間の領域により、複数の前記第１流路と複数の前記第２流路とが、前記回転中心軸周りに交互に並んで形成されている、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記隔壁は、同一の前記回転中心軸から延びる複数の前記仕切壁部の周囲を取り囲むことにより、個々の前記単位構造を区画する周壁部を含み、
   一の前記単位構造の前記第１流路と他の前記単位構造の前記第２流路とが、前記周壁部を介して隣接している、請求項５に記載の熱交換器。
8. 前記コア部は、複数の前記単位構造の配列と、前記複数の単位構造の配列を取り囲み前記コア部の外周面を構成するコア外周壁と、を含み、
   前記複数の単位構造の各々の前記仕切壁部は、前記所定方向と直交する断面において隣接する他の前記単位構造の前記仕切壁部と接続するように形成され、
   前記仕切壁部の接続により、隣接する前記単位構造のそれぞれの前記流路が合流した合流部が形成されている、請求項５に記載の熱交換器。
9. 前記複数の単位構造の各々の前記仕切壁部は、前記所定方向に沿った螺旋形状により、前記所定方向の一端から他端までの間で、異なる２以上の前記単位構造の前記仕切壁部と交替で接続するように形成され、
   接続する前記仕切壁部の交替により、いずれかの前記単位構造の前記流路が、異なる２以上の前記単位構造の前記流路と合流および分離する、請求項８に記載の熱交換器。

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