JP7176681B1 - 構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】流体が交わる領域で流体同士の衝突や流体流れの淀みが生じない熱交換用の構造体を提供する。【解決手段】或る方向にスパイラル状に延びる複数の第１の流路１２ａが互いに連通して形成される第１の流路空間と、上記或る方向にスパイラル状に延びる複数の第２の流路１４ａ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隔壁構造１０を含む熱交換用の構造体１が提供される。複数の第１の流路１２ａのうち互いに隣接する２つの第１の流路１２ａは、第１の流路１２ａが延びる方向に沿って見たときに、一方は第１の方向に旋回し、他方は第１の方向とは反対方向である第２の方向に旋回し、複数の第２の流路１４ａのうち互いに隣接する２つの第２の流路１４ａは、第２の流路１４ａが延びる方向に沿って見たときに、一方は第１の方向に旋回し、他方は第１の方向とは反対方向である第２の方向に旋回するように形成されている。【選択図】図３

Description

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

特許文献１，２には、それぞれ、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１，２に開示された構造によれば、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、熱交換効率の向上を図ることが可能である。

米国特許出願公開第２０２０／００３３０７０号明細書 米国特許第１０７０４８４１号明細書

特許文献１，２に開示された構造のうち、特にＧｙｒｏｉｄ曲面に基づいて形成された構造では、ある１つの方向にスパイラル状に延びる複数の流路をその延伸方向に沿って見たとき、それらの複数の流路のうち互いに隣接する２つの流路は共に同じ方向（例えば、時計周り）に旋回するように形成される。そのため、それらの２つの流路を流れる流体が交わる領域では、各流路を流れる流体同士が互いに逆向きに衝突し、その領域において流体流れに淀みが生じ得る。このようにして流体の流れが阻害されることは、熱交換効率の低下（熱伝達率の増大に寄与しない圧力損失の増大、換言すれば圧力損失と熱伝達率とのトレードオフの悪化）を生じさせる要因となる。

特許文献１，２に開示されたその他の周期極小曲面に基づいて形成された構造においても、互いに隣接する２つの流路を流れる流体が交わる領域における流れ方向が揃っていないため、それらの流体が交わる領域では流体同士の衝突や流体流れの淀みが生じ得る。

本開示の一態様によれば、或る方向にスパイラル状に延びる複数の第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、前記或る方向にスパイラル状に延びる複数の第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隔壁構造を含む熱交換用の構造体が提供される。複数の第１の流路のうち互いに隣接する２つの第１の流路は、第１の流路が延びる方向に沿って見たときに、一方の第１の流路は第１の方向に旋回し、他方の第１の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向に旋回するように形成されている。複数の第２の流路のうち互いに隣接する２つの第２の流路は、第２の流路が延びる方向に沿って見たときに、一方の第２の流路は第１の方向に旋回し、他方の第２の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向に旋回するように形成されている。

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（ａ）は隔壁構造を成す第１の流路要素を示す斜視図であり、図（ｂ）は隔壁構造を成す第２の流路要素を示す斜視図である。 図１に示した構造体の上面に表れる断面を示す図である。 図１に示した構造体の第１の流路空間に第１の流体を充填した状態を示す図である。 図１に示した構造体の第２の流路空間に第２の流体を充填した状態を示す図である。 他の形状及び構成を有する流路要素からなる他の隔壁構造を例示する概念図である。 本開示の一実施形態に係る構造体の第１の変形例を示す斜視図である。 隔壁構造内の第１の流路の断面積及び第２の流路に関する他の構成例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る構造体の第２の変形例を示す斜視図である。 本開示の一実施形態に係る構造体の第３の変形例を示す斜視図である。 本開示の一実施形態の第４の変形例に係る構造体を一部破断した状態で示す斜視図である。 図１１に示した構造体の全体を示す斜視図である。

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１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る。

図１に示すように、本実施形態の構造体１は、互いに隔てられた２つの流路空間１２，１４を形成する隔壁構造１０を含んでいる。本実施形態の説明においては、図１に示すように構造体１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。

隔壁構造１０は、第１の流体を通す複数の第１の流路１２ａ（図３等参照）が互いに連通して形成される第１の流路空間１２と、第２の流体を通す複数の第２の流路１４ａ（図３等参照）が互いに連通して形成される第２の流路空間１４とを形成している。それらの２つの流路空間１２，１４は隔壁構造１０によって互いに隔てられており、２つの流路空間１２，１４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。本実施形態の隔壁構造１０は、後述するように、延伸方向（図示ｚ方向）に沿って見たときに第１の方向（例えば反時計回り）に旋回するヘリコイド曲面に所定の厚みを有するように形成された第１の流路要素１０Ａ（図２（ａ）参照）と、上記延伸方向に沿って見たときに第２の方向（例えば時計回り）に旋回するヘリコイド曲面に所定の厚みを有するように形成された第２の流路要素１０Ｂ（図２（ｂ）参照）とが、格子状に互い違いに配置された構成を有している。

図１においては、図示と説明の明瞭のために、立方体形状の構造体１の各面において各流路空間が開放した状態で描画されているが、各流路空間は、第１及び第２の流体を構造体１内で流す方向に応じて、各面に表れる端部が閉鎖される。例えば、第１の流体と第２の流体を図１の構造体１内を図示奥行方向（ｚ軸方向）に流す場合には、構造体１の図示左右方向の各面（ｙｚ平面）及び図示上下方向の各面（ｘｚ平面）に表れる端部が閉鎖される。

このように構成された本実施形態の構造体１によれば、図１の図示手前側端面（ｘｙ平面）から隔壁構造１０の第１の流路空間１２内に流入した第１の流体は、第１の流路空間１２を通り、図１の図示奥側端面において第１の流路空間１２から外部に流出する。第１の流体はこれとは逆方向に流すことも可能である。他方、図１の図示手前側端面（ｘｙ平面）から隔壁構造１０の第２の流路空間１４内に流入した第２の流体は、第２の流路空間内１４を通り、図１の図示奥側端面において第２の流路空間１４から外部に流出する。第２の流体もこれとは逆方向に流すことも可能である。第１の流体と第２の流体は、隔壁構造１０の第１及び第２の流路空間１２，１４内を同じ方向に流してもよいし、互いに逆方向に流してもよい。

第１の流路空間１２を流れる第１の流体と、第２の流路空間１４を流れる第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１２，１４を隔てる隔壁構造１０の壁を伝導して、他方の流体へ伝達する。これにより、一方の流体が他方の流体によって加熱され、逆に他方の流体が一方の流体によって冷却される熱交換が行われる。このように、本実施形態の構造体１は熱交換の用途として機能し得る。本例の構造体１は、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。

次に、本実施形態の構造体１における隔壁構造１０について説明する。図２（ａ）は隔壁構造を成す第１の流路要素を示す斜視図であり、図２（ｂ）は隔壁構造を成す第２の流路要素を示す斜視図である。

本実施形態における隔壁構造１０は、螺旋状に延伸する各流路１２ａ，１４ａを延伸方向（図１におけるｚ軸に沿う方向）に沿って見たときに第１の方向（例えば反時計回り）に旋回するヘリコイド曲面に所定の厚みｔを有するように形成された第１の流路要素１０Ａと、上記延伸方向に沿って見たときに第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば反時計回り）に旋回するヘリコイド曲面に所定の厚みｔを有するように形成された第２の流路要素１０Ｂとが、格子状に互い違いに配置された構成となっている。

図２（ａ）に示すように、第１の流路要素１０Ａは、延伸方向に反時計回りに螺旋状に旋回しながら延びるヘリコイド曲面（常螺旋面）に一定の厚みｔを持たせた形状に形成された構造を、そのヘリコイド曲面の中心軸を中心軸とする直方体状に切り出した形状を有する。ヘリコイド曲面は延伸方向に見たときに円形の形状を有するが、第１の流路要素１０Ａはそれを直方体形状に切り出した形状を有しているので、第１の流路要素１０Ａは延伸方向に見たときに正方形の形状を有する。図示するように、第１の流路要素１０Ａは、ヘリコイド曲面から成る隔壁によって、図の実線の補助線で示される第１の流路１２ａと、図の点線の補助線で示される第２の流路１４ａとを画定している。第１の流路要素１０Ａによって形成される第１の流路１２ａ及び第２の流路１４ａは、延伸方向に沿って見たおきに反時計回りに旋回しながら延伸方向にスパイラル状に延びている。

一方、図２（ｂ）に示すように、第２の流路要素１０Ｂは、第１の流路要素１０Ａを鏡映反転させた形状を有しており、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとは互いにキラリティを有する関係にある（互いにキラルである）。したがって、第２の流路要素１０Ｂは、上記延伸方向に反時計回りに螺旋状に旋回しながら延びるヘリコイド曲面（常螺旋面）に一定の厚みｔを持たせた形状に形成された構造を、そのヘリコイド曲面の中心軸を中心軸とする直方体状に切り出した形状を有する。第２の流路要素１０Ｂによって形成される第１の流路１２ａ及び第２の流路１４ａは、延伸方向に見たときに時計回りに旋回しながら延伸方向にスパイラル状に延びている。第２の流路要素１０Ｂのヘリコイド曲面の旋回方向は第１の流路要素１０Ａの螺旋面の旋回方向とは反対方向であるが、第２の流路要素１０Ｂの延伸方向に延びる常螺旋面のピッチや常螺旋面に持たせた厚みｔ等の各部寸法は第１の流路要素１０Ａのそれらと同じである。

隔壁構造１０は、上述した第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとを、各流路１２ａ，１４ａの延伸方向（図１におけるｚ軸に沿う方向）に対して直交する方向（図１におけるｘｙ平面）において格子状に互い違いに隣接するように配置された構成を有している。ただし、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとは、直方体形状の延伸方向の各々の側面のうち、側面に現れる隔壁断面形状が互いにキラルである側面同士が接するように配置される。これにより、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとは、互いに逆方向に旋回するヘリコイド曲面から成る隔壁同士が連続して、各要素１０Ａ．１０Ｂが画定する第１の流路１２ａ同士が連通するとともに、各要素１０Ａ．１０Ｂが画定する第２の流路１４ａ同士が連通する。

本実施形態における隔壁構造１０は、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとがこのように格子状に互い違いに隣接するように配置された構成であることにより、上述したように、第１の流体を通す複数の第１の流路１２ａ（図３等参照）が互いに連通して形成される第１の流路空間１２と、第２の流体を通す複数の第２の流路１４ａ（図３等参照）が互いに連通して形成される第２の流路空間１４とを形成している。

続いて、隔壁構造１０に形成された第１の流路１２ａ及び第２の流路１４ａの構成についてより詳しく説明する。図３は、図１に示した構造体の上面に表れる断面を示す図である。

図３を参照すると、図３に示すｘｚ平面に沿った断面においては、本実施形態の構造体１の隔壁構造１０は、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとが、互いに対応する流路壁が接するように、図示横方向（ｘ方向）及び図示紙面方向（ｙ方向）において交互に配置された構成を備えている。図中、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとの構成上の境界が、理解の容易のために一点鎖線で示されている。図３から分かるように、各流路要素１０Ａ，１０Ｂの第１の流路１２ａは図示横方向（ｘ方向）において互いに連通し、また、各流路要素１０Ａ，１０Ｂの第２の流路１４ａも図示横方向（ｘ方向）において互いに連通している。同様に、各流路要素１０Ａ，１０Ｂの第１の流路１２ａは図示紙面方向（ｚ方向）においても互いに連通し、各流路要素１０Ａ，１０Ｂの第２の流路１４ａも図示紙面方向（ｚ方向）においても互いに連通している。これらの第１の流路１２ａは、互いに連通して複雑で入り組んだラビリンスを成す、第１の流体を通す第１の流路空間１２を形成している。また、これらの第２の流路１４ａは、互いに連通して複雑で入り組んだラビリンスを成す、第２の流体を通す第２の流路空間１４を形成している。

上述したように、第１の流路要素１０Ａの第１及び第２の流路１２ａ．１４ａと第２の流路要素１０Ｂの第１及び第２の流路１２ａ．１４ａとは、延伸方向に沿って見たときに互いに逆方向に旋回するように形成されている。これにより、図３に示す隔壁構造１０において、第１及び第２の流体がそれぞれ第１及び第２の流路１２ａ，１４ａ内を図示矢印で示す方向（ｚ方向）に流れるとした場合、隣接する第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとが互いに接する領域では、各々の第１の流路１２ａを互いに逆方向に旋回しながら流れる第１の流体は、流れ方向が順方向に揃うように合流し、また、各々の第２の流路１４ａを互いに逆方向に旋回しながら流れる第２の流体は、流れ方向が順方向に揃うように合流する。そして、第１の流体はさらに下流側に流れ、下流側に位置する流路壁によって、第１の流路要素１０Ａの第１の流路１２ａと、第２の流路要素１０Ｂの第１の流路１２ａとに分流される。第２の流体も同様に、さらに下流側に流れ、下流側に位置する流路壁によって、第１の流路要素１０Ａの第２の流路１４ａと、第２の流路要素１０Ｂの第２の流路１４ａとに分流される。第１及び第２の流体は、隣接する第１の流路１２ａ同士ないし第２の流路１４ａ同士の間で合流と分流とをこのように繰り返しながら、隔壁構造１０内を延伸方向下流側に流れる。

図４は、図１に示した構造体の第１の流路空間に第１の流体を充填した状態を示す図であり、図５は、図１に示した構造体の第２の流路空間に第２の流体を充填した状態を示す図である。図４には、構造体１の隔壁構造１０に形成された複数の第１の流路１２ａが互いに連通して形成された第１の流路空間１２に第１の流体が通ることが示されている。また、図５には、構造体１の隔壁構造１０に形成された複数の第２の流路１４ａが互いに連通して形成された第２の流路空間１４に第２の流体が通ることが示されている。

以上説明したように、本実施形態の構造体１は、或る所定の方向（例えば、図１等に示すｙ方向）にスパイラル状に延びる複数の第１の流路１２ａが互いに連通して形成される第１の流路空間１２と、上記方向にスパイラル状に延びる複数の第２の流路１４ａが互いに連通して形成される第２の流路空間１４とを互いに隔てた状態で形成する隔壁構造１０を含む。複数の第１の流路１２ａのうち互いに隣接する２つの第１の流路１２ａは、上記方向に沿って見たときに、一方の第１の流路１２ａは第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第１の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。複数の第２の流路１４ａのうち互いに隣接する２つの第２の流路１４ａも同様に、上記方向に沿って見たときに、一方の第２の流路１４ａは第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第２の流路１４ａは第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。

このように構成された本実施形態の構造体１によれば、隔壁構造１０内の互いに隣接する２つの第１の流路１２ａをそれぞれ互いに逆方向に旋回しながら上記方向に流れる第１の流体は、流れ方向が順方向に揃うように合流した後、その下流側に位置する流路壁によって、２つの第１の流路１２ａに分流され、これらの合流と分流とを繰り返しながら上記方向の下流側に流れていく。同様に、隔壁構造１０内の互いに隣接する２つの第２の流路１４ａをそれぞれ互いに逆方向に旋回しながら上記方向に流れる第２流体は、流れ方向が順方向に揃うように合流した後、その下流側に位置する流路壁によって、２つの第２の流路１４ａに分流され、これらの合流と分流とを繰り返しながら上記方向の下流側に流れていく。

互いに隣接する２つの第１の流路１２ａを流れる第１の流体が合流する領域、及び、互いに隣接する２つの第２の流路１４ａを流れる第２の流体が合流する領域では、流れ方向が順方向に揃うように流体が合流するので、互いに逆方向に旋回する流体同士が衝突して合流する従来技術に比べて、流体の流れが阻害され得ることを抑えることができ、また、流体が合流する領域に流体流れの淀みが生じ得ることを抑えることができる。そのため、本実施形態の構造体１は、熱交換器として用いられたときに、流体流れの阻害や淀みに起因して生じ得る圧力損失の増大を抑えることができ、ひいては熱交換効率をより高めることができる。

なお、上記では理解の容易化のために、本実施形態における隔壁構造１０が第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとが格子状に互い違いに配置された構成であると説明したが、これは、それぞれ個別に成形された第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとを格子状に互い違いに組み合わせて隔壁構造１０を作製することを必ずしも意味するものではない。隔壁構造１０は、個別に成形された第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとを格子状に互い違いに接合して組み合わせて作製しても良いが、この他にも、第１の流路要素１０Ａと第２の流路要素１０Ｂとが格子状に互い違いに組み合わせたように構成される隔壁構造１０を、鋳造技術、３Ｄ印刷技術、光硬化性樹脂を用いた光造形技術等の利用可能な製造技術を用いて一体的に作製することも可能である。

また上記の例では、各流路要素１０Ａ，１０Ｂが、常螺旋面の中心軸に沿って直方体状に切り出された形状を有し、延伸方向に延びる常螺旋面のピッチや常螺旋面に持たせた厚みｔ等の各部寸法が第１の流路要素１０Ａのそれらと同じである旨を説明したが、流路要素１０Ａ，１０Ｂの形状や構成はこれに限られない。第１及び第２の流路要素１０Ａ，１０Ｂは、隣接する第１及び第２の流路要素１０Ａ，１０Ｂの側面に現れる隔壁断面形状が互いにキラルである側面同士が接するように配置され、かつ第１及び第２の流路要素１０Ａ，１０Ｂ同士を空間内に隙間なく充填できるように構成されていれば、常螺旋面の中心軸に沿って延びる任意の面（平面あるいは曲面）によって側面が画定された任意の形状を有していてもよい。各流路要素のそのような形状としては、常螺旋面の中心軸に対して直交する面における形状が矩形形状や三角形形状であるものの他、下記に図６を参照して例示するような形状も含まれる。

図６は、他の形状及び構成を有する流路要素からなる他の隔壁構造を例示する概念図である。図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ隔壁構造を延伸方向（図１のｚ方向に相当）に沿って見たときの図を示している。図６（ａ），（ｂ）では図の見易さのため参照符号１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ１つずつ示されているが、流路要素１０Ａ，１０Ｂは格子状に互い違いに配置されている。

図６（ａ）の例では、流路要素１０Ａ，１０Ｂの各々が、それぞれ任意の形状の４つの側面を有し、隣接する１０Ａ，１０Ｂは少なくとも互いに接する側面断面が互いにキラルである形状を有している。各々の流路要素１０Ａ，１０Ｂは、互いの隙間を埋めた状態で全体として略直方体状の隔壁構造を形成している。

図６（ｂ）は、流路要素１０Ａ，１０Ｂが中空円筒状の隔壁構造を構成する例を示している。図６（ｂ）の例では、流路要素１０Ａ，１０Ｂの各々が、中空円筒の内径側の円周曲面の一部である円周側の円弧状曲面と、外径側の円周曲面の一部である外径側の円弧状曲面と、中空円筒の径方向の平面の一部である平面側面とによって画定される形状を有している。各流路要素１０Ａ，１０Ｂの大きさは、内径側に配置されたものから外径側に配置されたものになるにしたがって、次第に大きくなっている。図６（ｂ）の例でも、隣接する流路要素１０Ａ，１０Ｂは少なくとも互いに接する側面断面が互いにキラルである形状を有している。各々の流路要素１０Ａ，１０Ｂは、互いの隙間を埋めた状態で全体として中空円筒状の隔壁構造を形成している。

［変形例］
次に、本実施形態の構造体１の変形例について説明する。

＜第１の変形例＞
図７は、本開示の一実施形態に係る構造体の第１の変形例を示す斜視図である。

本変形例の構造体１Ａにおける隔壁構造２０は、図１等に示した隔壁構造１０と同様に、第１の流体を通す複数の第１の流路が互いに連通して形成される第１の流路空間２２と、第２の流体を通す複数の第２の流路が互いに連通して形成される第２の流路空間２４とを形成している。それらの２つの流路空間２２，２４は隔壁構造２０によって互いに隔てられており、２つの流路空間２２，２４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。本変形例の隔壁構造２０も、複数の第１の流路のうち互いに隣接する２つの第１の流路は、延伸方向に沿って見たときに、一方の第１の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第１の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。複数の第２の流路のうち互いに隣接する２つの第２の流路も同様に、延伸方向に沿って見たときに、一方の第２の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第２の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。本変形例の構造体１Ａにおいても、各流路は延伸方向（図示ｚ方向）に沿って直線状に延びている。

各流路空間２２，２４が、第１及び第２の流体を構造体１Ａ内で流す方向に応じて、各面に表れる端部が閉鎖されること（例えば、第１の流体と第２の流体を図７の構造体１Ａ内を図示奥行方向（ｚ軸方向）に流す場合には、構造体１Ａの図示左右方向の各面（ｙｚ平面）及び図示上下方向の各面（ｘｚ平面）に表れる端部が閉鎖されること）、及び本変形例の構造体１Ａが熱交換の用途に用いることが可能なことは、構造体１に関して上述した通りである。

このように構成された本変形例の構造体１Ａも、上述した構造体１と同様に、隣接する流路同士が合流する領域では流れ方向が順方向に揃うように流体が合流するので、流体の流れが阻害され得ることを抑えることができ、また、流体が合流する領域に流体流れの淀みが生じ得ることを抑えることができる。そのため、本変形例の構造体１Ａも、熱交換器として用いられたときに、流体流れの阻害や淀みに起因し得る圧力損失の増大を抑えることができ、ひいては熱交換効率をより高めることができる。

本変形例の構造体１Ａは、各流路を形成するヘリコイド曲面のおけるピッチが上述した構造体１と相違している。このようにヘリコイド曲面のピッチを変えることにより、その壁面によって画定される各流路の断面積（あるいは「単位体積に占める各流路の容積」。以下同じ）を調節することができる。これにより、各流路を流れる流体に生じ得る圧力損失と熱交換効率とのトレードオフを勘案して、所望の熱交換特性を発揮し得る断面積を有する各流路を設計することが可能となる。

なお、図７に示した変形例では、第１の流路空間２２を成す第１の流路の断面積と、第２の流路空間２４を成す第２の流路の断面積との比が等しい例を示したが、第１の流路の断面積と第２の流路の断面積との比が異なるように、各流路を形成するヘリコイド曲面のピッチを変化させてもよい。第１の流路の断面積と第２の流路の断面積との比は、延伸方向に沿って一定に異なるようにしてもよいし、延伸方向に沿って連続的に変化するように異なっていてもよい。

図８に、隔壁構造内の第１の流路の断面積及び第２の流路に関する他の構成例を示す。図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ１つの流路要素を参照して、隔壁構造内の第１の流路の断面積と第２の流路の断面積との比が異なる例を示している。図８（ａ）は、隔壁構造内の第１の流路１２ａの断面積と第２の流路１４ａの断面積との比が延伸方向に沿って一定に異なる例を示している。また、図８（ｂ）は、隔壁構造内の第１の流路１２ａの断面積と第２の流路１４ａの断面積との比が延伸方向に沿って連続的に変化するように異なる例を示している。図８（ａ），（ｂ）に示した例は一例に過ぎず、例えば、隔壁構造の延伸方向の一部では第１の流路１２ａの断面積と第２の流路１４ａの断面積との比が同じであるが、他の一部では断面積の比が一定に異なる、もしくは連続的あるいは段階的に変化して異なるようにしてもよい。

また、上記ではヘリコイド曲面（常螺旋面）に一定の厚みｔを持たせた形状に形成される例を示したが、常螺旋面からなる流路壁の厚みｔは一定であることに限られない。流路壁の厚みｔは、隔壁構造１０内において部分的に異なっていてもよい。一例として、図８（ｃ）に示すように、隔壁構造１０の延伸方向に沿って流路壁の厚みｔが連続的あるいは段階的に変化してもよい。図８（ｃ）に示す例では、隔壁構造１０の延伸方向に沿って流路壁の厚みｔが連続的に変化している。この例では、第１の流路１２ａの断面積と第２の流路１４ａの断面積は図示ｚ方向へ行くに連れて次第に小さくなるが、それらの比は一定に保たれている。このような構成とすることにより、隔壁構造内において各流路を流れる流体の流量や、隔壁を伝導する熱の熱伝導率に変化をもたらすことができ、隔壁構造に熱交換特性の分布を持たせることができる。

＜第２の変形例＞
図９は、本開示の一実施形態に係る構造体の第２の変形例を示す斜視図である。

本変形例の構造体１Ｂにおける隔壁構造３０は、図７に示した構造体１Ａの隔壁構造２０を基本形とし、それに対して変形が加えられた形状を有している。本変形例における隔壁構造３０も、第１の流体を通す複数の第１の流路が互いに連通して形成される第１の流路空間３２と、第２の流体を通す複数の第２の流路が互いに連通して形成される第２の流路空間３４とを互いに隔てるように形成されている。本変形例の隔壁構造３０も、複数の第１の流路のうち互いに隣接する２つの第１の流路は、延伸方向に沿って見たときに、一方の第１の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第１の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。複数の第２の流路のうち互いに隣接する２つの第２の流路も同様に、延伸方向に沿って見たときに、一方の第２の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第２の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。

具体的には、第１に、本変形例の隔壁構造３０は、延伸方向（ｚ方向）に延びる各流路を形成するヘリコイド曲面のその延伸方向におけるピッチが、隔壁構造３０の延伸方向における一端側（例えば図示左側）から隔壁構造３０の中央部へ向かうに連れて次第に小さくなり、次に隔壁構造３０の中央部から隔壁構造３０の延伸方向における他端側（例えば図示右側）へ向かうに連れて次第に大きくなるように変化するように形成されている。

第２に、隔壁構造３０は、延伸方向における一端側（例えば図示左側）から隔壁構造３０の中央部へ向かうに連れて隔壁構造３０の径が次第に小さくなり、次に隔壁構造３０の中央部から隔壁構造３０の延伸方向における他端側（例えば図示右側）へ向かうに連れて隔壁構造３０の径が次第に大きくなるように変化するように形成されている。これにより、隔壁構造３０の内部では、隔壁構造３０の延伸方向における一端側（例えば図示左側）から隔壁構造３０の中央部へ向かうに連れて各流路要素の径（したがって各流路の径）が次第に小さくなり、次に隔壁構造３０の中央部から隔壁構造３０の延伸方向における他端側（例えば図示右側）へ向かうに連れて各流路要素の径（したがって各流路の径）が次第に大きくなっている。

第３に、隔壁構造３０は、各流路要素の図示ｘ方向における幅（したがって各流路の図示ｘ方向における幅）が、図示ｘ方向の奥側から手前側に向かうに連れて次第に狭くなるように形成されている。各流路要素の図示ｙ方向における幅（したがって各流路の図示ｙ方向における幅）は一定である。そのため、各流路要素において形成される流路の形状は、図示ｘ方向の奥側では図示ｘｙ方向に等しい寸法を有するのに対し、図示ｘ方向手前側に向かうに連れて図示ｘ方向の寸法がより小さい縦長の形状になる。

本変形例における隔壁構造３０では、延伸方向（ｚ方向）に延びる各流路のうち、図示ｘｙ平面における中央部付近の流路はｚ方向に沿って直線状に延び、図示ｘｙ平面において隔壁構造３０の中央部から外周部にかけて配置された流路は外周部に近い流路ほど曲率が大きく湾曲した状態に延びている。このように、本明細書及び図面において開示される構造体の隔壁構造に形成される各流路の「延伸方向」は、直線状に延びる方向の他、曲線状に延びる方向をも意味する。

このように構成された本変形例の構造体１Ｂによれば、構造体１，１Ａが有する上述した作用効果に加え、隔壁構造３０内に形成される各流路の断面積（単位体積当たりの容積）や各流路の形状を隔壁構造３０内において変化させることができ、その結果として、構造体１Ｂを熱交換器として用いた場合に構造体１Ｂ内において熱交換特性の分布を持たせることが可能である。

＜第３の変形例＞
図１０は、本開示の一実施形態に係る構造体の第３の変形例を示す斜視図である。

本変形例の構造体１Ｃにおける隔壁構造４０も、図７に示した構造体１Ａの隔壁構造２０を基本形とし、それに対して変形が加えられた形状を有している。本変形例における隔壁構造４０も、第１の流体を通す複数の第１の流路が互いに連通して形成される第１の流路空間４２と、第２の流体を通す複数の第２の流路が互いに連通して形成される第２の流路空間４４とを互いに隔てるように形成されている。本変形例の隔壁構造４０も、複数の第１の流路のうち互いに隣接する２つの第１の流路は、延伸方向に沿って見たときに、一方の第１の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第１の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。複数の第２の流路のうち互いに隣接する２つの第２の流路も同様に、延伸方向に沿って見たときに、一方の第２の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第２の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。

具体的には、図７に示した構造体１Ａの隔壁構造２０は延伸方向（ｚ方向）に直線状に延びているのに対し、本変形例の構造体１Ｃにおける隔壁構造４０は全体としてｙｚ平面内で湾曲した形状を有している。そのため、隔壁構造４０内に形成された各流路は、隔壁構造４０全体の湾曲と同様に湾曲して曲線状に延びている。図１０には隔壁構造４０が一方向に二次元的に湾曲した例が示されているが、本変形例における構造体１Ｃの湾曲はこれに限られず、例えば任意の方向に三次元的に延びる曲面に沿って湾曲した構成としてもよい。

このように構成された本変形例の構造体１Ｃによれば、構造体１，１Ａが有する上述した作用効果に加え、構造体１Ｃを例えば熱交換器として用いる際に内部の流路を曲線状に延伸させる必要がある場合等において、所望の曲線に沿って延伸させた流路を内部に形成することが可能となる。

＜第４の変形例＞
図１１は、本開示の一実施形態の第４の変形例に係る構造体を一部破断した状態で示す斜視図であり、図１２は図１１に示した構造体の全体を示す斜視図である。

図１１に示すように、本変形例の構造体１Ｄにおける隔壁構造５０も、上述した実施形態及び各変形例における隔壁構造と同様に、第１の流体を通す複数の第１の流路が互いに連通して形成される第１の流路空間５２と、第２の流体を通す複数の第２の流路が互いに連通して形成される第２の流路空間５４とを互いに隔てるように形成されいる。本変形例の隔壁構造５０も、複数の第１の流路のうち互いに隣接する２つの第１の流路は、延伸方向に沿って見たときに、一方の第１の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第１の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。複数の第２の流路のうち互いに隣接する２つの第２の流路も同様に、延伸方向に沿って見たときに、一方の第２の流路は第１の方向（例えば、反時計回り）に旋回し、他方の第２の流路は第１の方向とは反対方向である第２の方向（例えば、時計回り）に旋回するように形成されている。

本変形例おける隔壁構造５０は、図１０に示した隔壁構造４０と同様に全体として平面内で湾曲した形状を有しているとともに、図示右側の側面において窪んだ形状を有している。これにより、隔壁構造４０内に形成された各流路は、隔壁構造４０の全体形状に従って湾曲しているとともに、隔壁構造４０の窪みがある領域では各流路の径（流路断面積ないし単位体積当たりの容積）が窪みの無い他の領域に比べて小さくなっている。

図１１及び図１２を参照すると、構造体１Ｄはさらに、隔壁構造５０を収容する空間を形成する周囲壁面５６を有する。周囲壁面５６は、隔壁構造５０の延伸方向に沿った側面全体に接している。周囲壁面５６が隔壁構造５０に接する部分では、隔壁構造５０の第１及び第２の流路の端部が周囲壁面５６によって閉じられている。

周囲壁面５６は、隔壁構造５０の図示下側の端部との間に、第１の入口空間５３ｂと第２の出口空間５５ｃとを形成している。それらの空間５３ｂ，５５ｃは、周囲壁面５６内に形成された仕切り壁５６ａによって互いに隔てられた状態で仕切られている。隔壁構造５０の図示下側の端部のうち、第１の入口空間５３ｂに露出している部分では、各々の第２の流路の開口部が閉じるように形成され、第２の出口空間５５ｃに露出している部分では、各々の第１の流路の開口部が閉じるように形成されている。周囲壁面５６の第１の入口空間５３ｂに連通する部分には第１の入口開口部５３ａが形成され、周囲壁面５６の第２の出口空間５５ｃに連通する部分には第２の出口開口部５５ｄが形成されている。

また、周囲壁面５６は、隔壁構造５０の図示左上側の端部との間に、第２の入口空間５５ｂと第１の出口空間５３ｃとを形成している。それらの空間５５ｂ，５３ｃは、周囲壁面５６内に形成された仕切り壁５６ａによって互いに隔てられた状態で仕切られている。隔壁構造５０の図示左上側の端部のうち、第２の入口空間５５ｂに露出している部分では、各々の第１の流路の開口部が閉じるように形成され、第１の出口空間５３ｃに露出している部分では、各々の第２の流路の開口部が閉じるように形成されている。周囲壁面５６の第２の入口空間５５ｂに連通する部分には第２の入口開口部５５ａが形成され、周囲壁面５６の第１の出口空間５３ｃに連通する部分には第１の出口開口部５３ｄが形成されている。

このように構成された構造体１Ｄによれば、例えば、第１の入口開口部５３ａから構造体１Ｄ内に第１の流体を流入させると、第１の流体は第１の入口空間５３ａを経て隔壁構造５０の図示下側の端面において開口している各々の第１の流路から隔壁構造５０内に流入し、隔壁構造５０内の全体にわたって連通している第１の流路空間５２を通って、隔壁構造５０の図示左上側の端面から第１の出口空間５３ｃ内に流れ出て、最後に第１の出口開口部５３ｄから構造体１Ｄの外部に流出する。このとき、第１の入口空間５３ａは、流入してきた第１の流体を隔壁構造５０の端面に開口した各々の第１の流路に分配するように機能し、第１の出口空間５３ｃは、隔壁構造５０の各々の第１の流路から流出してきた第１の流体を第１の出口開口部５３ｄへ向けて集約するように機能する。

一方、第２の入口開口部５５ａから構造体１Ｄ内に第２の流体を流入させると、第２の流体は第２の入口空間５５ｂを経て隔壁構造５０の図示左上側の端面において開口している各々の第２の流路から隔壁構造５０内に流入し、隔壁構造５０内の全体にわたって連通している第２の流路空間５４を通って、隔壁構造５０の図示下側の端面から第２の出口空間５５ｃ内に流れ出て、最後に第２の出口開口部５５ｄから構造体１Ｄの外部に流出する。このとき、第２の入口空間５５ｂは、流入してきた第２の流体を隔壁構造５０の端面に開口した各々の第２の流路に分配するように機能し、第２の出口空間５５ｃは、隔壁構造５０の各々の第２の流路から流出してきた第２の流体を第２の出口開口部５５ｄへ向けて集約するように機能する。

第１の流路空間５２に流れる第１の流体と、第２の流路空間５４を流れる第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５２，５４を隔てる隔壁構造５０の壁を伝導して、他方の流体へ伝達する。これにより、一方の流体が他方の流体によって加熱され、逆に他方の流体が一方の流体によって冷却される熱交換が行われる。このように、本変形例の構造体１Ｄは熱交換の用途として機能し得る。本変形例の構造体１Ｄは、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。

本変形例の隔壁構造５０も、複数の第１の流路のうち互いに隣接する２つの第１の流路が互いに逆方向に旋回しながら延伸方向に延び、複数の第２の流路のうち互いに隣接する２つの第２の流路が互いに逆方向に旋回しながら延伸方向に延びる構成を有していることから、隣接する流路同士が合流する領域では流れ方向が順方向に揃うように流体が合流するので、流体同士が衝突して流体の流れが阻害されることを抑えることができ、また、流体が合流する領域に流体流れの淀みが生じ得ることを抑えることができる。そのため、本変形例の構造体１Ｄは、熱交換器として用いられたときに、流体流れの阻害や淀みに起因し得る圧力損失の増大や熱伝達率の低下等を抑えることができ、ひいては熱交換効率をより高めることができる。

なお、上記では、第１の流体を第１の入口開口部５３ａから構造体１Ｄ内に流入させて第１の出口開口部５３ｄから構造体１Ｄの外部に流出させ、また、第２の流体を第２の入口開口部５５ａから構造体１Ｄ内に流入させて第２の出口開口部５５ｄから構造体１Ｄの外部に流出させる場合について説明したが、第１及び第２の流体をそれぞれ逆方向に流してもよい。すなわち、第１の流体を第１の出口開口部５３ｄから構造体１Ｄ内に流入させて第１の入口開口部５３ａから構造体１Ｄの外部に流出させ、また、第２の流体を第２の出口開口部５５ｄから構造体１Ｄ内に流入させて第２の入口開口部５５ａから構造体１Ｄの外部に流出させてもよい。

本実施形態及び各変形例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、鋳造、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、開示の実施形態及び変形例を通じて本開示を説明したが、上述の実施形態及び変形例は、請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本開示の実施形態及び変形例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。

Claims (7)

1. 或る方向にスパイラル状に延びる複数の第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、前記或る方向にスパイラル状に延びる複数の第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隔壁構造を含む熱交換用の構造体であって、
   複数の前記第１の流路のうち互いに隣接する２つの前記第１の流路は、前記第１の流路が延びる方向に沿って見たときに、一方の前記第１の流路は第１の方向に旋回し、他方の前記第１の流路は前記第１の方向とは反対方向である第２の方向に旋回するように形成されており、
   複数の前記第２の流路のうち互いに隣接する２つの前記第２の流路は、前記第２の流路が延びる方向に沿って見たときに、一方の前記第２の流路は第１の方向に旋回し、他方の前記第２の流路は前記第１の方向とは反対方向である第２の方向に旋回するように形成されている、構造体。
2. 前記隔壁構造は、前記第１の方向に旋回する前記第１の流路及び前記第２の流路を形成する第１のヘリコイド曲面に基づいて形成された第１の流路要素と、前記第２の方向に旋回する前記第１の流路及び前記第２の流路を形成する第２のヘリコイド曲面に基づいて形成された第２の流路要素とが互い違いに配置された構成を有する、請求項１に記載の構造体。
3. 前記隔壁構造は、単位体積において前記第１の流路が占める容積と前記第２の流路が占める容積との比が一定となるように形成されている、請求項１に記載の構造体。
4. 前記隔壁構造は、単位体積において前記第１の流路が占める容積と前記第２の流路が占める容積との比が異なるように形成されている、請求項１に記載の構造体。
5. 前記隔壁構造は、単位体積において前記第１の流路が占める容積と前記第２の流路が占める容積との比が前記第１及び第２の流路が延びる方向に沿って変化するように形成されている、請求項１に記載の構造体。
6. 前記隔壁構造は、前記第１及び第２の流路が直線状又は曲線状に延びるように形成されている、請求項１に記載の構造体。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の構造体を含む熱交換器。
   

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