JP5295116B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、熱交換器である。

特許文献１は、例えば選択式レーザー再溶融（ＳＬＲ）などのエネルギー光線法によって製造され得る、小型熱交換器及び小型反応装置を開示する。このような方法で形成された小型熱交換器は、体積に対する表面積比率の高い熱交換器を製造するという点で、結合された複雑で多岐的な構成を有する多数の微細な導管を備えることができる。しかしながら、そのような熱交換器が有する問題は、製造工程が不利的に遅く、高価であり得ることである。導管を形成する為に材料を再溶融するにはかなりの時間が掛かり、従って、再溶融する必要のある壁の材料、すなわち熱交換器の設計範囲内に存在している材料が多量になればなるほど、熱交換器を製造する時間がより長くなる。さらなる問題は、高い水準の熱移動を促すために薄い導管壁を有することが望ましい一方で、壁の異なる側に大きな圧力差が存在し得て、結果として、そのような圧力差に起因する力に耐える為に、壁の厚さを厚くする必要が出てくることである。そのような厚い導管壁は、再び製造時間を長くし、熱移動の水準を下げる。

国際公開第２００６／０６４２０２号パンフレット

一つの特徴から見ると、本発明は、流体を搬送するための略平行な複数のモザイク式導管であって、本体部を貫通する複数の前記モザイク式導管をその一部分に有した前記本体部を備えている熱交換器において、前記モザイク式導管が、１つ又は複数の形状から成り、前記１つ又は複数の形状を繰り返し使用することによって、前記本体部の前記一部分を通過し且つ前記モザイク式導管を横断する平面を略完全に覆っている横断面を有していることを特徴とする熱交換器を提供する。

本発明は、それら導管を横断する平面を完全に覆う為に、互いに十分に合致する形状を有する断面形状を備えるモザイク式導管によって、壁材料の量が減らされた熱交換器がもたらされることを認める。これによって、より速く、低コストで製造され、並びに他の利点も提供される。モザイク式導管は、少なくとも幾つかの隣接する導管が同じ液圧を有し得る構成を備えるので、そのような導管壁を有利に薄くできる状態で、導管壁上に掛けられた負荷を低減する。

平面を覆う為の隙間無く埋める特性を有する多くの形状、及び形状の組み合わせがあることが理解される一方で、熱交換器の構造は、モザイク式導管が平面を覆う為に規則的に隙間無く埋める１つの形状を有するとき、有利に単純化される。

規則的なモザイク状配列が様々な形状によって達成される一方で、特に好適な形状は正六角形である。正六角形は鋭すぎない内角（すなわち、潜在的な応力集中部を減らす）を有し、内圧又は外圧に対して良い強度を提供可能な円形断面に向かう傾向がある。

モザイク式導管は、各々、組導管の外側導管を形成してよく、前記外側導管は、少なくとも外側導管の一部に沿う外側導管内に配置される内側導管を備える。そのような導管内導管（ｐｉｐｅ‐ｉｎ‐ｐｉｐｅ）構成は、体積に対する熱移動面積比率の高い水準を提供できる。モザイク状外側導管は、体積に対する熱移動表面積比率を減らす、過剰な”デッドスペース”を回避し、表面の間隙率を減らすようにして、熱交換器本体の横断面を十分に完全に埋める。もしこれらの” デッドスペース”が材料で埋められたら、その材料は再溶融する必要があり、製造時間を増やす。同時に、高度な熱移動を与えるように、内側導管は外側導管内に含まれた液体によって囲まれている。

内側導管は様々な異なる形状を有し得るが、円形の形状が、使用された材料の量に関して良い強度を提供する。

内側導管は、内側導管から外側導管に延在する腕部によって保持されても良い。この構成は、熱交換器本体内の高い強度を提供できる。

モザイク式導管自身の検討に戻ると、モザイク式導管は、異なる液体を受容するために接続される、隣接する環と同心状のリングとして配置されても良い。したがって、例え組導管が使用されなくても、モザイク式導管は、導管内導管（ｐｉｐｅ‐ｉｎ-ｐｉｐｅ）構成に相当する集合体を共に生み出すことができる。そのような同心状のリングの構成と組み合わせて、組導管を使用することも可能である。

熱交換器本体を形成する為に必要とされる材料の量を減らす点における本実施形態の有効性は、隣接するモザイク式導管によって完全に囲まれるモザイク式導管が、その全ての壁を各々のモザイク式導管と共有することにある。これらの共有された壁は一体構造（一体成型部材で形成された）である。

熱交換器本体の縁部において、モザイク式導管が、隣接するモザイク式導管によって囲まれていないことは理解されている。そのような縁部の導管は、熱交換器の主要本体部内の導管に対して異なる形状を有し得て、より一層圧力差に耐えるために外側の壁が厚くされても良い。

導管は、それらの頂部近傍の壁が肉厚化され、鋭角というよりむしろ頂部に曲面を持たせることによって、さらに補強されて良い。

上述された構造的形態を有する熱交換器がいかに製造において有利でも、それらは、再溶融された材料、すなわち、再溶融される材料の連続的な層の堆積より先に、前記本体部を形成する為にエネルギー光線で再溶融された材料の層から製造するのに良く適している。

多岐管は、熱交換器本体内に形成された導管に接続する為に必要とされ、熱交換器本体の精微で複雑な形態を考えると、これらは複雑な形態を有する。そのような多岐管を製造する為に、再溶融された材料の層を使用することは、非常に便利である。

本願の技術に従って形成された熱交換器が、従来の熱交換器に比して体積に対する高い表面積率を有することができる限り、本発明の幾つかの実施形態において、５０００ｍ^２／ｍ^３、より好適な実施形態では１００００ｍ^２／ｍ^３、又はさらにより好適な実施形態では１５０００ｍ^２／ｍ^３を越えるように作られ得る。例え多数のより短い導管を使用することで取り組まれても良いとしても、これら増加の幾つかは、熱交換器を通る圧力低下の状態に関連した増加によって妨害されて良い。

別の特徴から見ると、本願発明は、熱交換器の少なくとも一部分を製造する方法であって、前記熱交換器の一部分は前記熱交換器の一部分を貫通する複数のモザイク式導管を備えていて、再溶融される材料の複数の連続的な層を提供する段階と、エネルギー光線が所定の段取りに従って各層の所定の領域を再溶融し、前記エネルギー光線が連続的な層の体積より先に各層の再溶融を実施する段階と、を備える前記方法において、エネルギー光線再溶融に曝された各層の所定の領域は、前記層内に立体的な構造を形成し、各層を前記エネルギー光線再溶融することで、前記層の再溶融された領域にまで各層の前記再溶融領域を溶かし、前記モザイク式導管が、１つ又は複数の形状から成り、前記１つ又は複数の形状を繰り返し使用することによって、前記本体部の前記一部分を通過し且つ前記モザイク式導管を横断する平面を略完全に覆っている横断面を有していることを特徴とする、熱交換器の少なくとも一部分を製造する方法を提供する。

本発明の代用的な実施形態が、添付図面を参照しながら、単なる代表例としてここで示される。

複数のモザイク式導管から形成された、熱交換器本体を通る横断面を図示する。 横断面を完全に覆うことが出来る導管形状の、更なる実施形態を図示する。 横断面を完全に覆うことが出来る導管形状の、更なる実施形態を図示する。 熱交換器の為の製造工程を図示する略図である。 少数の組導管を通る断面図である。 各組の外側導管がモザイク式導管である組導管から形成された、熱交換器を通る横断面である。 図６の熱交換器本体部を通る、縦断面である。 一面に装着された多岐管を有する、熱交換器本体部を図示する。

図１は、熱交換器本体部２の概略的な横断面図である。この熱交換器本体部２は、正六角形状の複数のモザイク式導管４（tessellating conduit）から形成されている。熱交換器本体部２の中央から始まるので、これらモザイク式導管４は同心のリング状に配置されている。同心のリングの流れ方向は、交互に逆向きである。したがって、図１において、中心に配置された導管の流れ方向が紙面に対して鉛直上方であり、隣接する６つのモザイク式導管の流れ方向は紙面に対して鉛直下方である。モザイク式導管４間の共有壁は（固体物質で一体形成された）一体構造である。

モザイク式導管４は、熱交換器本体部２内部において、隣接するモザイク式導管によって完全に囲まれている。このようなモザイク式導管を形成する各壁は、隣接するモザイク式導管４のうち一のモザイク式導管と共有されている。壁は、耐負荷を向上させるために断面の頂部に向かって肉厚化されている。さらに、負荷の上昇を低減するために、頂部には尖った角部ではなく曲面が形成されている。

モザイク式導管４は、熱交換器本体部２の縁部において、隣接するモザイク式導管によって完全に囲まれている訳ではない。したがって、これら縁部のモザイク式導管５の形状は、熱交換器本体部２内部の形状と異なる場合がある。さらに、これら縁部の導管５は、最外壁全体に亘る大きな圧力差に耐えることができるように熱交換器本体内部の壁に比して肉厚化されている場合がある。

上述のように、交互に配設された同心状のリングは、異なる方向に流体を流すための適切な多岐管（図示せず）によって結合されている。これら流体は相違する場合があり、例えば一方のリングでは燃焼する空気ガス混合物であり、他方のリングでは加熱される水である。燃焼する空気ガス混合物を含んでいるモザイク式導管４の内面は、このような燃焼を促進するために適切な触媒でコーティングされている場合がある。

図２は、熱交換器内でモザイク式導管４を形成するように配置された、モザイク形状の集合体から成る他の実施形態を表わす。図２は、このような導管の形状を使用している熱交換器の部分的な横断面図である。

図３は、モザイク式導管４の更なる実施形態を表わす。この場合には、平面を完全に充填するように繰り返される２つの異なる形状、すなわち正方形及び三角形が使用されている。

モザイク形状及びモザイクパターンから成る多くの他の形態も実施可能であり、このようなモザイクパターンを利用することによって壁材料の必要量が低減されることは言うまでもない。壁材料を過度に充填することを必要とする導管間の“デッドスペース”が存在しないからである。

図４は、本発明における熱交換器を製造するための装置を概略的に表わす。製造技術は、特許文献１に記載の製造技術と同一である場合がある（製造技術の詳細並びに好ましい導管の形状及び特徴を含む特許文献１の内容全体が、参照によって本明細書に組み込まれている）。粉体状物質のためのホッパー６は、ローラー８によって標的体（target body）を形成する領域１０の上面全体に亘って散布されるべき粉体状物質を連続的に分配するために特に使用される。部分的に形成された熱交換器本体部１２が図示されている。この部分的に形成された熱交換器本体部１２には、ローラー８によって該熱交換器本体部の上面全体に分散された粉体状物質から成る薄層が形成されている。例えばレーザー１４及び走査鏡１６によって生成された、走査されるエネルギー光線は、部分的に形成された熱交換器本体部１２上方の所望の地点において当該粉体状物質の一部を選択的に再溶融することによって、その次の層のために中実の壁部分を形成するために使用される。このようにして、熱交換器本体部１２の３次元形状は層ごとの基礎に基づいて形成され、壁が中実一体構造の導管同士の間に形成されている。この製造技術によって高いフレキシビリティを有する三次元形状が製造可能となるので、複雑且つ高精微であって精巧に形成された、本明細書の熱交換器の形状が可能となる。

図５は、一の例示的な実施例における熱交換器の部分的な横断面図である。この実施例では、モザイク式導管の横断面は、正六角形１８、２０である。これらモザイク式導管それぞれの内部に、略円状の横断面を有する内部導管２２、２４が配置されている。腕部２６は、外側導管（モザイク式導管）１８、２０と内側導管２２、２４との間に延在している。外側導管１８、２０と内側導管２２、２４とは組導管を形成し、組導管の各々が１つの外側導管１８と１つの内側導管２２とを有している。

図示の実施形態では、外側導管１８、２０は流体を一方の方向（例えば紙面に対して鉛直上方）に運び、内側導管２２、２４は、流体をその逆方向（例えば紙面に対して鉛直下方）に運ぶ。外側導管１８、２０が同一方向に同一の流体を運ぶ他の外側導管に隣接しているので、外側導管は、外側導管１８、２０の間に境界を形成する壁の両側において等しい内圧を有するようになっている。これによって当該壁に作用する負荷が低減され、壁を薄肉化することができるので、材料の使用量が低減される。熱が、壁及び腕部２６を通じた熱伝導によって伝達されると共に、内側導管２２、２４の壁を横切って導管内の流体から直接伝達される。

内側導管２２、２４は、導管内導管（pipe-in-pipe）の構成を形成するように、外側導管の少なくとも一部分と平行に且つ該外側導管の少なくとも一部分に沿って貫通している。

図５に示された寸法は一の実施形態のためのものであり、その単位はｍｍである。この例示的な実施例の熱交換器本体部は、厚さ０．２ｍｍの壁を有する微細な導管を備えていることが分かる。このタイプの構造は、図４の選択的レーザー再溶融技術（selective laser remelting technique）による製造に適している。

図６は、図５に表わす多数の組導管１８、２２から形成された熱交換器本体部２８の横断面図である。熱交換機本体部２８の外縁に配設された組導管は、異なる形状（断面）を有しており、又はこの例示的な実施例では非常に厚い壁を備えている。このような熱交換器２８の表面積と体積との比の値は大きい。本発明の技術は、５０００ｍ^２／ｍ^３より大きな比を得るために使用可能とされる。より好適な実施形態は、圧力損失の増加を伴うかもしれないが、１００００ｍ^２／ｍ^３より大きな、さらには１５０００ｍ^２／ｍ^３より大きな率に高めることができる。

図７は、一の例示的な組導管を構成する外側導管２２と内側導管１８とを示している熱交換器２８の縦断面図である。

図８は、各々が外側導管２２及び内側導管１８に接続するために設けられた多岐管３０、３２を備えた熱交換器２８を表わす。多岐管の（多くの集合体を含む）管路は、互いの間を通過し、且つ、主入口及び主出口に集合及び統合される必要があるので、多岐管３０、３２の形状は複雑であり、該多岐管は選択的レーザー光線再溶融技術で製造するのに適している。対応する多岐管は、図８に表わさないが、熱交換器本体部２８の両面に設けられる。

１０ 領域
１２ 熱交換器本体部
１４ レーザー
１６ 走査鏡
１８、２０ 外側導管
２、２８ 熱交換器本体部
２２、２４ 内側導管
２６ 腕部
３０、３２ 多岐管
４ 導管
５ 縁部の導管
６ ホッパー
８ ローラー

Claims (14)

1. 流体を搬送するための略平行な複数のモザイク式導管であって、本体部の一部分を貫通する複数の前記モザイク式導管をその一部分に有した前記本体部を備えている熱交換器において、
   前記モザイク式導管が、１つ又は複数の形状から成り、前記１つ又は複数の形状を繰り返し使用することによって、前記本体部の前記一部分を通過し且つ前記モザイク式導管を横断する平面を略完全に覆っている横断面を有しており、
   隣接しているモザイク式導管は、多角状の横断面を有し、
   隣接しているモザイク式導管同士の間の壁は、隣接しているモザイク式導管によって完全に囲まれているモザイク式導管の全ての壁が共有壁となるように共有されており、
   前記本体部は、連続層を堆積する前に前記本体部の一部分を形成するために、エネルギー光線によって再溶融された材料の層である再溶融された材料から形成され、
   前記モザイク式導管は、組導管それぞれの外側導管であり、
   前記組導管それぞれは、前記外側導管と、前記外側導管の少なくとも一部分に亘って前記外側導管内に配置された内側導管とから成り、
   前記外側導管は流体を一方の方向に運ぶためのものであり、前記内側導管は流体をその逆方向に運ぶためのものであることを特徴とする熱交換器。
2. 前記モザイク式導管は、前記平面を覆う為に規則的に隙間無く配設された１つの形状から成る横断面を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記モザイク式導管の横断面は、正六角状であることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記組導管内の前記外側導管と前記内側導管とは、それぞれ異なる流体を受容するために接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記内側導管は、略円状の横断面を有していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 複数の腕部が、前記内側導管を所定の位置に保持するために、前記組導管内において前記内側導管から前記外側導管に延在していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記モザイク式導管は、それぞれ異なる液体を受容するために結合されている隣接するリング内のモザイク式導管と同心状のリングとして配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 縁部に配設された導管は、他のモザイク式導管によって完全には囲まれてなく、前記１つ又は複数の形状と異なる横断面を有していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 前記縁部に配設された導管は、隣接しているモザイク式導管と共有する少なくとも１つの壁と、隣接しているモザイク式導管と共有せず、前記隣接しているモザイク式導管と共有した少なくとも１つの壁よりも厚い少なくとも１つの壁とを有していることを特徴とする、請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記モザイク式導管の導管壁は、前記１つ又は複数の形状の頂部近傍において肉厚化されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器。
11. 前記導管壁は、前記頂部で曲面になっていることを特徴とする、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記モザイク式導管に接続された１つ又は複数の気体のための多岐管を備え、
    １つ又は複数の気体のための前記多岐管は、連続層を堆積する前に前記多岐管の一部分を形成するために、エネルギー光線によって再溶融された材料の層である再溶融された材料から形成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
13. 前記熱交換器は、５０００ｍ^２／ｍ^３、１００００ｍ^２／ｍ^３、及び１５０００ｍ^２／ｍ^３のうち１つの値よりも大きな、体積に対する表面積の比率を有していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器。
14. 熱交換器の少なくとも一部分を製造する方法であって、前記熱交換器の一部分は前記熱交換器の一部分を貫通する複数のモザイク式導管を備えていて、
    再溶融される材料の複数の連続的な層を提供する段階と、
    エネルギー光線が所定の段取りに従って各層の所定の領域を再溶融し、前記エネルギー光線が連続的な層の体積より先に各層の再溶融を実施する段階と、を備える前記方法において、
    エネルギー光線再溶融に曝された各層の所定の領域は、前記層内に立体的な構造を形成し、各層を前記エネルギー光線再溶融することで、前記層の再溶融された領域にまで各層の前記再溶融領域を溶かし、
    前記モザイク式導管が、１つ又は複数の形状から成り、前記１つ又は複数の形状を繰り返し使用することによって、前記本体部の前記一部分を通過し且つ前記モザイク式導管を横断する平面を略完全に覆っている横断面を有しており、
    隣接しているモザイク式導管は、多角状の横断面を有し、
    隣接しているモザイク式導管同士の間の壁は、隣接しているモザイク式導管によって完全に囲まれているモザイク式導管の全ての壁が共有壁となるように共有され、
    前記モザイク式導管は、組導管それぞれの外側導管であり、
    前記組導管それぞれは、前記外側導管と、前記外側導管の少なくとも一部分に亘って前記外側導管内に配置された内側導管とから成り、
    前記外側導管は流体を一方の方向に運ぶためのものであり、前記内側導管は流体をその逆方向に運ぶためのものであることを特徴とする、熱交換器の少なくとも一部分を製造する方法。

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