特開 2025-42514 スターリング機関の熱交換器、熱交換器の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025042514

(43)【公開日】2025-03-27

(54)【発明の名称】スターリング機関の熱交換器、熱交換器の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/16 20060101AFI20250319BHJP

   F02G 1/055 20060101ALI20250319BHJP

【ＦＩ】

F28D7/16 C

F02G1/055 E

F02G1/055 F

F28D7/16 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023149579

(22)【出願日】2023-09-14

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002505

【氏名又は名称】弁理士法人航栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒澤 佑太

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 恒雄

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA36

3L103BB15

3L103CC27

3L103DD53

3L103DD56

(57)【要約】

【課題】スターリング機関の出力性能を向上させたスターリング機関の熱交換器、及びその熱交換器の製造方法を提供する。
【解決手段】スターリングエンジン１の熱交換器６は、作動ガスの流れ方向において直列に接続された加熱器６７、再生器６９、及び冷却器６８を備え、膨張室２１と圧縮室２２とを加熱器６７、再生器６９、及び冷却器６８を介して連通させている。加熱器６７は、作動ガスが流通する作動ガス流路６７１と、作動ガスと熱交換を行う熱源流体が流通する熱源流体流路６７２と、作動ガス流路６７１及び熱源流体流路６７２を区画形成する隔壁６０と、を有する。熱源流体流路６７２には、螺旋状の流れを発生させる螺旋状流れ発生部５５が設けられ、作動ガス流路６７１には、螺旋状流れ発生部５５が設けられていない。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体の流れ方向において直列に接続された加熱器、再生器、及び冷却器を備え、膨張室と圧縮室とを前記加熱器、前記再生器、及び前記冷却器を介して連通させたスターリング機関の熱交換器であって、
前記加熱器は、
前記膨張室及び前記再生器に連通し、前記作動流体が流通する第１流路と、
前記作動流体と熱交換を行う第１流体が流通する第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路を区画形成する隔壁と、を有し、
前記第１流体が前記第２流路を流通するときの熱伝達率は、前記作動流体が前記第１流路を流通するときの熱伝達率よりも小さく、
前記第２流路には、前記第２流路が延在する方向に沿って螺旋状の流れを発生させる螺旋状流れ発生部が設けられ、
前記第１流路には、前記螺旋状流れ発生部が設けられていない、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項2】

請求項１に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記冷却器は、
前記圧縮室及び前記再生器に連通し、前記作動流体が流通する第３流路と、
前記作動流体と熱交換を行う第２流体が流通する第４流路と、
前記第３流路及び前記第４流路を区画形成する隔壁と、を有し、
前記第１流体が前記第２流路を流通するときの熱伝達率は、前記作動流体が前記第１流路及び前記第３流路を流通するときの熱伝達率、並びに前記第２流体が前記第４流路を流通するときの熱伝達率よりも小さく、
前記第１流路、前記第３流路、及び前記第４流路には、前記螺旋状流れ発生部が設けられていない、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記螺旋状流れ発生部は、前記隔壁から立設された複数のフィンにより構成され、
前記複数のフィンは、前記第２流路が延在する方向に沿って所定の間隔に配置され、前記第２流路の流路断面の中心を軸にして螺旋状に設けられている、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項4】

請求項３に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
各フィンは、前記隔壁に接続される基端部を有し、
前記基端部は、前記第２流路が延在する方向と垂直な面に対して所定の角度傾斜して前記隔壁に接続されている、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項5】

請求項４に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記第２流路が延在する方向において、隣り合うフィンは重ならない位置に設けられている、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項6】

請求項３に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記第２流路は、前記第２流路が延在する方向から見て、各フィンが配置されない貫通領域を有する、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項7】

請求項１又は２に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記加熱器は、金属粉末が積層された積層造形体である、
スターリング機関の熱交換器。

【請求項8】

請求項１又は２に記載の熱交換器の製造方法であって、
金属粉末を積層造形することによって前記加熱器の前記第１流路、前記第２流路、前記隔壁、及び前記螺旋状流れ発生部を一体に形成する、
熱交換器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スターリング機関の熱交換器、及びその熱交換器の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する研究開発が行われている。

【0003】

熱エネルギーと動力との変換を行う熱機関として、スターリングエンジンが知られている。スターリングエンジンは、作動ガスを加熱器、再生器、及び冷却器を介して加熱器側の膨張室と冷却器側の圧縮室の間で往復移動させて、膨張室及び圧縮室の容積変化を繰り返すことにより熱エネルギーと動力の変換を行う（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－１２６１８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

スターリングエンジンのようなスターリング機関では、その出力性能が熱交換器の熱交換性能に大きく依存する。熱交換器の熱交換性能を向上させ、優れた出力性能を有するスターリング機関の実現が望まれていた。

【0006】

本発明は、スターリング機関の出力性能を向上させたスターリング機関の熱交換器、及びその熱交換器の製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、
作動流体の流れ方向において直列に接続された加熱器、再生器、及び冷却器を備え、膨張室と圧縮室とを前記加熱器、前記再生器、及び前記冷却器を介して連通させたスターリング機関の熱交換器であって、
前記加熱器は、
前記膨張室及び前記再生器に連通し、前記作動流体が流通する第１流路と、
前記作動流体と熱交換を行う第１流体が流通する第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路を区画形成する隔壁と、を有し、
前記第１流体が前記第２流路を流通するときの熱伝達率は、前記作動流体が前記第１流路を流通するときの熱伝達率よりも小さく、
前記第２流路には、前記第２流路が延在する方向に沿って螺旋状の流れを発生させる螺旋状流れ発生部が設けられ、
前記第１流路には、前記螺旋状流れ発生部が設けられていない。

【0008】

また、本発明は、
上記熱交換器の製造方法であって、
金属粉末を積層造形することによって前記加熱器の前記第１流路、前記第２流路、前記隔壁、及び前記螺旋状流れ発生部を一体に形成する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、スターリング機関の出力性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明のスターリング機関の一例であるスターリングエンジン１を示す断面図である。

【図2】熱交換器６の要部構成を示す断面図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。

【図4】加熱器６７に設けられる作動ガス流路６７１及び熱源流体流路６７２を模式的に示す図である。

【図5】隔壁６０により区画形成された加熱器６７の作動ガス流路６７１及び熱源流体流路６７２の断面を模式的に示す図である。

【図6】（ａ）は、加熱器６７の作動ガス流路６７１に設けられた螺旋状流れ発生部５５を示す図であり、（ｂ）は、熱源流体の流れ方向から見た作動ガス流路６７１を示す図である。

【図7】（ａ）は、熱源流体導入室８０を流れる熱源流体の流れ（破線）を示す図であり、（ｂ）は、膨張室２１側から見た天井壁２７を示す図である。

【図8】図２のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線の断面図である。

【図9】冷却器６８に設けられる作動ガス流路６８１及び冷却流体流路６８２を模式的に示す図である。

【図10】蓄熱体７１の斜視図である。

【図11】図１０の白抜き矢印方向から見た蓄熱体７１の側面図である。

【図12】蓄熱体７１の単位構造体７２の斜視図である。

【図13】蓄熱体７１の辺要素７３を第２方向から見た図（上図）と第１方向から見た図（下図）である。

【図14】蓄熱体７１が筐体７０に収容された状態の再生器６９の上面図である。

【図15】蓄熱体７１が筐体７０に収容された状態の再生器６９の側面図である。

【図16】一体に形成された熱交換器６、熱源流体導入室８０、及び熱源流体排出路５１の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態であるスターリング機関について、添付図面に基づいて説明する。以下では、スターリング機関として、β型のスターリングエンジンを一例に説明する。

【0012】

［スターリング機関］
図１に示すように、スターリングエンジン１は、作動ガスが封入されるシリンダ２と、シリンダ２内に内挿されるディスプレーサピストン３及びパワーピストン４と、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４に接続されるピストンクランク機構５と、シリンダ２内の作動ガスの温度を昇降させる熱交換器６と、を備える。作動ガスは、例えば高圧の空気やヘリウム、水素である。

【0013】

スターリングエンジン１は、例えばハーメティック形式のエンジンであり、ピストンクランク機構５の軸回転出力を電力として取り出す発電機１１がクランクケースの内部に配置される。

【0014】

シリンダ２は、一端に天井壁２７が設けられ、他端が開口した略円筒形状を有する。以下では説明のため、シリンダ２の軸方向を上下方向とも称し、軸方向において天井壁２７側を上側、開口側を下側とも称す。

【0015】

シリンダ２には、上側にディスプレーサピストン３が配設され、下側にパワーピストン４が配設される。ディスプレーサピストン３と天井壁２７との間は、作動ガスが高温となる膨張室２１を構成し、ディスプレーサピストン３とパワーピストン４との間は、作動ガスが低温となる圧縮室２２を構成する。以下では、シリンダ２内の膨張室２１及び圧縮室２２を作動空間２０とも称す。

【0016】

シリンダ２は、上側に位置する第１シリンダ２３と、下側に位置し、第１シリンダ２３と同径の第２シリンダ２４とを有し、第１シリンダ２３と第２シリンダ２４とは、互いが有するフランジ部２５，２６にて同軸上で連結される。

【0017】

第１シリンダ２３の上側の外周面には、熱交換器６の後述する複数の第１出入口部（出入口部）６１ａのそれぞれと連通する複数の第１連通部２３ａが設けられる。第１連通部２３ａは、第１出入口部６１ａと同数設けられる。各第１連通部２３ａは、対応する各第１出入口部６１ａと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第１出入口部６１ａと対向配置されており、複数の第１連通部２３ａが膨張室２１への出入口となる。

【0018】

第１シリンダ２３の下側の外周面には、熱交換器６の後述する複数の第２出入口部（出入口部）６１ｂのそれぞれと連通する複数の第２連通部２３ｂが設けられる。第２連通部２３ｂは、第２出入口部６１ｂと同数設けられる。各第２連通部２３ｂは、対応する各第２出入口部６１ｂと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第２出入口部６１ｂと対向配置されており、第２連通部２３ｂが圧縮室２２の出入口となる。

【0019】

ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４は、シリンダ２内で同軸上に配置される。ディスプレーサピストン３は、シリンダ２とパワーピストン４とで構成される空間を上下方向に２分割する。言い換えると、ディスプレーサピストン３は、ディスプレーサピストン３の上方に形成される膨張室２１と、ディスプレーサピストン３とパワーピストン４との間に形成される圧縮室２２とを構成する。膨張室２１及び圧縮室２２の内部空間（即ち作動空間２０）は、複数の第１連通部２３ａ及び複数の第２連通部２３ｂを介して熱交換器６の内部空間と繋がっており、熱交換器６の内部圧力と略同一の圧力となる。このように、膨張室２１と圧縮室２２とは、熱交換器６を介して連通しており、作動ガスは、後述するディスプレーサピストン３の移動により熱交換器６を通って膨張室２１と圧縮室２２との間を繰り返し往復移動する。

【0020】

ディスプレーサピストン３とパワーピストン４とは、パワーピストン４が９０度先行して動く位相（位相差が９０度）となるように、それぞれが異なるコネクティングロッド３０，４０を介してクランクシャフト１０に接続されており、パワーピストン４がコネクティングロッド４０を介してピストンクランク機構５に回転力を出力する。クランクシャフト１０は、カップリング１４を介してリコイルスタータ１５の出力軸１６に連結される。

【0021】

ディスプレーサピストン３は、シリンダ２内の作動ガスを移動させるために用いられ、シリンダ２内の作動ガスを移動させて膨張室２１及び圧縮室２２の容積比率を変化させる。例えば、膨張室２１に高温の作動ガスが大量に存在する場合にはシリンダ２の内部圧力が高くなり、圧縮室２２に低温の作動ガスが大量に存在する場合には、シリンダ２の内部圧力が低くなる。この圧力変動のタイミングに合わせて、高圧時にはパワーピストン４が上死点付近から押し下げられることでピストンクランク機構５に出力する軸回転力が得られ、低圧時には、ピストンクランク機構５によりパワーピストン４が押し上げられ、これを繰り返すことで連続した回転力を得ることができる。

【0022】

以上説明したように、スターリングエンジン１は、作動ガスを膨張室２１と圧縮室２２との間で熱交換器６を介して移動させて、膨張室２１及び圧縮室２２の容積変化を繰り返すことにより熱と動力との変換を行うスターリングサイクルを構成する。

【0023】

［熱交換器］
図２に示すように、熱交換器６は、第１シリンダ２３の外周面に沿って軸方向（即ち上下方向）に延在した二重円筒状に設けられおり、内周側に設けられた内周壁６１と、外周側に設けられた外周壁６２と、を有する。

【0024】

熱交換器６は、膨張室２１側に設けられ、作動ガスと熱源流体との間で熱交換を行う加熱器６７と、圧縮室２２側に設けられ、作動ガスと冷却流体との間で熱交換を行う冷却器６８と、加熱器６７と冷却器６８との間に配置され、作動ガスの熱を蓄熱可能な再生器６９と、を備える。例えば、熱源流体は高温の気体（例えば高温空気）であり、冷却流体は低温の液体（例えば冷却水）である。

【0025】

加熱器６７、再生器６９、及び冷却器６８は、内周壁６１と外周壁６２との間に配置され、シリンダ２の軸方向において直列に接続されている。

【0026】

加熱器６７、再生器６９、及び冷却器６８には、膨張室２１と圧縮室２２とを連通させ、作動ガスが流通する連通路６００が設けられている。連通路６００は、後述する加熱器６７の複数の作動ガス流路６７１、再生器６９の内部空間、及び冷却器６８の作動ガス流路６８１により構成される。

【0027】

（加熱器）
図３に示すように、加熱器６７は、径方向に延び、周方向に所定間隔をあけて設けられた複数の第１隔壁６０ａと、第１隔壁６０ａの対向面同士を繋ぎ、作動ガス及び熱源流体の流れ方向（即ち上下方向）に延在して設けられた複数の第２隔壁６０ｂと、を有する。

【0028】

加熱器６７には、第１隔壁６０ａを隔てて、作動ガスを流通させる作動ガス流通層６３及び熱源流体を流通させる熱源流体流通層６４が周方向に交互に形成されている。加熱器６７は、作動ガスと熱源流体とが第１隔壁６０ａを介して熱交換を行うプレート式の熱交換器である。本実施形態では、熱源流体が作動ガスよりも高温であるので、加熱器６７は、第１シリンダ２３の第１連通部２３ａを介して膨張室２１に出入りする作動ガスを加熱する。

【0029】

図２に示すように、作動ガス流通層６３が位置する内周壁６１の上端部には、前述した第１出入口部６１ａが設けられる。第１出入口部６１ａは、対応する第１連通部２３ａと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第１シリンダ２３の第１連通部２３ａと対向配置されている。熱交換器６においては、第１出入口部６１ａがシリンダ２の膨張室２１への出入口となる。

【0030】

また、作動ガス流通層６３は、上端部６３１が閉塞されており、下端部が開放して再生器６９に連通している。作動ガス流通層６３を流れる作動ガスは、ディスプレーサピストン３の動きによりクランクシャフト１０が１回転する間に１回の割合で流れる方向が逆向きに変化する。

【0031】

熱源流体流通層６４は、上端部は開放されており、熱源流体導入室８０に連通している。熱源流体導入室８０は、外部から供給された熱源流体を熱源流体流通層６４に導入する。これにより、熱源流体流通層６４には、上方から熱源流体が導入される。熱源流体導入室８０の詳細については後述する。

【0032】

熱源流体流通層６４の下端部の位置における外周壁６２には、出口部６２ａが設けられる。出口部６２ａは、スリット状に形成されるとともに、対応する熱源流体流通層６４と対向配置されており、熱源流体を熱源流体流通層６４の径方向外側に設けられた熱源流体排出路５１に案内する。また、熱源流体流通層６４の下端部には、突当り部６４１が設けられている。突当り部６４１は、外周壁６２の出口部６２ａの下端に沿って設けられており、熱源流体を出口部６２ａに案内する。

【0033】

熱源流体排出路５１は、上下方向における熱交換器６の略中央部に設けられ、熱交換器６の周方向に沿って延設されている。熱源流体排出路５１には排出部５２が設けられており、各出口部６２ａから熱源流体排出路５１に案内された熱源流体が排出部５２から熱交換器６の外部へ排出される。

【0034】

作動ガス流通層６３及び熱源流体流通層６４の内側構造についてより詳しく説明すると、加熱器６７は、作動ガス流通層６３に設けられ、作動ガスが流通する複数の作動ガス流路６７１と、熱源流体流通層６４に設けられ、熱源流体を流通させる複数の熱源流体流路６７２と、を有する。各作動ガス流路６７１及び各熱源流体流路６７２は、第１隔壁６０ａ及び第２隔壁６０ｂにより区画形成される。なお、各流路を区画形成する第１隔壁６０ａ及び第２隔壁６０ｂを、まとめて隔壁６０と称することもある。

【0035】

図４は、作動ガス流路６７１及び熱源流体流路６７２を模式的に示す図であり、図４では、隔壁６０の図示を省略している。作動ガス流路６７１は、上下方向に延在しており、上端部が後述する空間６３０及び第１出入口部６１ａを介して膨張室２１に連通し、下端部が再生器６９に連通する。各作動ガス流通層６３には、径方向に沿って作動ガス流路６７１が複数個並列に並べて設けられている。なお、作動ガスが作動ガス流路６７１の下端部から上端部へ流れるときは熱源流体と対向流となり、作動ガスが上端部から下端部へ流れるときは熱源流体と並行流となる。

【0036】

作動ガス流路６７１の上端部は、第１出入口部６１ａの近くに（即ち内周側に）位置する作動ガス流路６７１ほど、作動ガス流通層６３の閉塞された上端部６３１から離れた位置に位置する。即ち、第１出入口部６１ａの近くに位置する作動ガス流路６７１から排出される作動ガスほど、作動ガス流通層６３の上端部６３１から離れた位置で排出される。

【0037】

加熱器６７の各作動ガス流通層６３において、上端部６３１と、複数の作動ガス流路６７１の上端部とにより形成される空間６３０は、側面視して略三角形状となる。空間６３０は、作動ガス流路６７１から流れ出た作動ガスの流れが第１出入口部６１ａに向かって曲がる部位である。空間６３０は、外周側から内周側に向かって徐々に流路断面が拡大する形状になっているので、各位置での流速が等しくなり、圧力損失を最小に抑えることができる。また、第１出入口部６１ａの最大面積を複数の作動ガス流路６７１の断面積の総和と等しくなるように設定することで、第１出入口部６１ａを含めた熱交換器６の圧力損失を最小とすることができる。

【0038】

図５は、各作動ガス流通層６３に設けられる複数の作動ガス流路６７１を模式的に示す図である。図５に示すように、複数の作動ガス流路６７１は、第１隔壁６０ａ及び第２隔壁６０ｂにより区画形成されている。このとき、複数の作動ガス流路６７１は、等価直径が等しくなるように、第２隔壁６０ｂで仕切られる。各作動ガス流路６７１の等価直径を等しくすることで圧力損失係数及び熱伝達率が等しくなり、各作動ガス流路６７１を流れる作動ガスの偏流がなくなる。作動ガス流路６７１を流れる作動ガスの偏流がなくなることで、全体としての圧力損失が減少し、伝熱性能が向上する。

【0039】

図２に戻り、熱源流体流路６７２は、熱交換器６の上下方向に延在しており、上端部が熱源流体導入室８０に連通し、下端部が後述する空間６４０及び出口部６２ａを介して熱源流体排出路５１に連通する。各作動ガス流通層６３には、径方向に沿って熱源流体流路６７２が複数個並列に並べて設けられている。

【0040】

熱源流体流路６７２の下端部は、出口部６２ａの近くに（即ち外周側に）位置する熱源流体流路６７２ほど、突当り部６４１から離れた位置に位置する。即ち、出口部６２ａの近くに位置する熱源流体流路６７２から排出される熱源流体ほど、突当り部６４１から離れた位置で排出される。

【0041】

各熱源流体流通層６４において、突当り部６４１と、複数の熱源流体流路６７２の下端部とにより形成される空間６４０は、側面視して略三角形状となる。空間６４０は、熱源流体流路６７２から流れ出た熱源流体の流れが出口部６２ａに向かって曲がる部位である。空間６４０は、内周側から外周側に向かって徐々に流路断面が拡大する形状になっているので、各位置での流速が等しくなり、圧力損失を最小に抑えることができる。

【0042】

また、図５の括弧書きの符号で示すように、各熱源流体流通層６４に設けられる複数の熱源流体流路６７２も、作動ガス流路６７１と同様に、第１隔壁６０ａ及び第２隔壁６０ｂにより区画形成されている。

【0043】

ところで、本実施形態では、熱源流体の熱伝導率は作動ガスの熱伝導率よりも小さく、熱源流体が熱源流体流路６７２を流通するときの熱伝達率は、作動ガスが作動ガス流路６７１を流通するときの熱伝達率よりも小さい。換言すると、熱源流体の熱伝達による熱抵抗（以下、単に熱源流体側の熱抵抗とも称す）が大きい。

【0044】

そこで、図６の（ａ）、（ｂ）に示すように、熱源流体流路６７２には、熱源流体の流れ方向（即ち下方向）に沿って螺旋状の流れ（図６の（ａ）の実線矢印）を発生させる螺旋状流れ発生部５５が設けられている。これにより、熱源流体の流れ方向に沿って竜巻状の渦流が発生し、熱源流体流路６７２を流れる熱源流体が撹拌されるので、熱源流体側の熱抵抗が小さくなり、隔壁６０を介した作動ガスと熱源流体との伝熱性能が向上する。

【0045】

具体的に説明すると、螺旋状流れ発生部５５は、隔壁６０から立設された複数のフィン５６により構成されている。複数のフィン５６は、熱源流体の流れ方向に沿って所定の間隔に配置され、熱源流体流路６７２の流路断面の中心軸Ｌ１回りに螺旋状に設けられている。図６の（ａ）、（ｂ）では、熱源流体流路６７２の流路断面が矩形状を有し、複数のフィン５６が中心軸Ｌ１に沿って周方向に９０度間隔で螺旋状に設けられているものを一例として示す。なお、熱源流体流路６７２の流路断面の形状は任意である。また、複数のフィン５６の周方向の角度間隔は、９０度に限られず周方向に３０度以上１８０度以下の角度間隔で螺旋状に設けられていればよい。

【0046】

各フィン５６は、隔壁６０と接続する基端部５６ａを有する。基端部５６ａは、熱源流体の螺旋状の流れを発生させるように中心軸Ｌ１と垂直な面に対して所定の角度傾斜して隔壁６０に接続されている。フィン５６を設けない場合と比較するとフィン５６を設けることにより熱源流体流路６７２を流れる熱源流体の圧力損失が上昇するものの、各フィン５６を所定の角度傾斜して隔壁６０に接続させることで、圧力損失の上昇度合いを低減できる。また、熱源流体流路６７２に熱源流体と共に異物が混入した場合でも、異物がフィン５６に堆積しにくくなるので、熱源流体流路６７２が目詰まりすることを抑制できる。

【0047】

熱源流体の流れ方向で隣り合うフィン５６は、当該方向において重ならない位置に設けられている。換言すると、上流側のフィン５６の下流側端部５６ｂは、下流側のフィン５６の上流側端部５６ｃより上流側に位置するように設けられている。これにより、熱源流体が熱源流体流路６７２を流れる際の圧力損失の上昇度合いをより低減できる。さらに、異物の混入に関して、熱源流体流路６７２が目詰まりすることをより抑制できる。

【0048】

図６の（ｂ）に示すように、熱源流体流路６７２は、熱源流体の流れ方向から見て、フィン５６が配置されない貫通領域５７を有する。本実施形態では、熱源流体の流れ方向から見て、熱源流体流路６７２の中心軸Ｌ１を含む領域が貫通領域５７となる。これにより、熱源流体が熱源流体流路６７２を流れる際の圧力損失の上昇度合いをより低減できる。

【0049】

以上説明したように、螺旋状流れ発生部５５を流路内に設けた場合、熱伝達率が大きくなり、熱抵抗が小さくなる。一方で、螺旋状流れ発生部５５を設けない場合と比較すると、流体の圧力損失は上昇し、スターリングエンジン１の出力性能に影響を与え得る。よって、流路内に螺旋状流れ発生部５５を設けることによる熱抵抗の低下の効果と圧力損失の上昇の影響とのバランスを考慮して、流路内に螺旋状流れ発生部５５を設けるか否かを決定することが好ましい。

【0050】

熱交換器６に流れる作動ガス、熱源流体、及び冷却流体のうち、作動ガス及び冷却流体の熱伝導率は高い。また、作動ガスが加熱器６７の作動ガス流路６７１及び後述する冷却器６８の作動ガス流路６８１を流通するときの熱伝達率、並びに冷却流体が後述する冷却器６８の冷却流体流路６８２を流通するときの熱伝達率はいずれも高い。よって、作動ガス側及び冷却流体側の熱抵抗は小さい。このとき、加熱器６７の作動ガス流路６７１、並びに冷却器６８の作動ガス流路６８１及び冷却流体流路６８２に螺旋状流れ発生部５５を設けることによる熱抵抗の低下の効果は、比較的小さくなる。したがって、圧力損失の上昇の影響を考慮し、加熱器６７の作動ガス流路６７１、並びに冷却器６８の作動ガス流路６８１及び冷却流体流路６８２には螺旋状流れ発生部５５を設けないことが好ましい。

【0051】

一方で、前述のとおり熱源流体側の熱抵抗は大きく、熱源流体流路６７２に螺旋状流れ発生部５５を設けたことによる熱抵抗の低下の効果が大きい。したがって、圧力損失の上昇の影響を考慮しても、熱源流体流路６７２には螺旋状流れ発生部５５を設けて伝熱性能を向上させることが好ましい。

【0052】

続いて、熱源流体導入室８０について、図７の（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。熱源流体導入室８０は、膨張室２１の外側（本実施形態では上側）に設けられており、シリンダ２の天井壁２７により熱源流体導入室８０と膨張室２１とが区画形成されている。

【0053】

熱源流体導入室８０は、外部から熱源流体導入室８０へ熱源流体が導入される導入口８１と、熱源流体導入室８０から熱源流体流路６７２への熱源流体の入口となる案内口８２と、を有する。導入口８１は、熱源流体導入室８０の上端部に設けられており、案内口８２は、熱源流体流路６７２の上端部に連通して設けられている。

【0054】

熱源流体導入室８０と膨張室２１とが天井壁２７により区画形成されているので、熱源流体導入室８０を流れる熱源流体と膨張室２１を流れる作動ガスとが天井壁２７を介して熱交換される。これにより、膨張室２１側の作動ガスは、作動ガス流路６７１を流れるときだけでなく、膨張室２１に存在するときにも熱源流体と熱交換を行うので、熱源流体から多くの熱エネルギーを取り込むことができる。

【0055】

天井壁２７には、膨張室２１側に複数の溝２９が設けられている。複数の溝２９は、製造時に形成された面粗さではなく、設計により形成されたものである。なお、図７の（ｂ）では、複数の溝２９を膨張室２１側に設ける例を示したが、複数の溝２９を膨張室２１の外側、即ち熱源流体導入室８０側に設けてもよいし、膨張室２１側及び熱源流体導入室８０側の両方に設けてもよい。

【0056】

複数の溝２９は、天井壁２７の全域に設けられており、天井壁２７の中心側から外周側（加熱器６７側）に向かって延設されている。

【0057】

天井壁２７に複数の溝２９が形成されていることにより天井壁２７の表面積が増大するので、作動ガスは熱源流体からより多くの熱エネルギーを取り込むことができ、作動ガスと熱源流体との天井壁２７を介した熱交換効率が向上する。結果として、スターリングエンジン１の熱効率及び出力性能を向上させることができる。なお、複数の溝２９は、天井壁２７の全域に設けられている必要はなく、部分的に設けられる構成であってもよい。

【0058】

図７の（ｂ）では、複数の溝２９が直線状に中心側から外周側へ延設する例を示したが、これに限られない。複数の溝２９は、例えば折れ線状（延設方向が途中で変わる形状）に中心側から外周側へ延設してもよいし、曲線状に中心側から外周側へ延設してもよい。さらに、天井壁２７の位置によって複数の溝２９は、直線状、折れ線状、及び曲線状の溝を組み合わせてもよい。このように、複数の溝２９の形状を適宜変更することにより、より多くの熱エネルギーを取り込むことも可能となる。

【0059】

天井壁２７には、膨張室２１側に突出した略円錐形状の突出部２８が設けられている。突出部２８は、天井壁２７の一部が膨張室２１側に凹んで形成され、中心軸がシリンダ２の中心軸に一致するようにして設けられている。天井壁２７に突出部２８が設けられているので、天井壁２７が平板状に構成されている場合と比較して、天井壁２７の表面積を増大することができる。よって、作動ガスが取り込む熱エネルギーをさらに増加させることができ、作動ガスと熱源流体との天井壁２７を介した熱交換効率がより向上する。さらに、突出部２８を設けることにより、天井壁２７の耐圧強度も増加する。

【0060】

熱源流体導入室８０には、天井壁２７の突出部２８の頂部２８ａに向かって熱源流体を案内するガイド部８３が設けられている。ガイド部８３は、突出部２８の中心軸に沿って延在しており、シリンダ２の軸方向において突出部２８に重なる位置まで延設されている。ガイド部８３は、図７の（ａ）の破線で示すように、導入口８１から流入した熱源流体を天井壁２７の頂部２８ａまで案内する。ガイド部８３により頂部２８ａまで案内された熱源流体は、略円錐形状の突出部２８に沿って径方向外側に向かって流れ、案内口８２から熱源流体流路６７２に導入される。よって、熱源流体が天井壁２７に沿って流れやすくなり、作動ガスと熱源流体との天井壁２７を介した熱交換効率をより向上させることができる。

【0061】

また、複数の溝２９は、突出部２８の頂部２８ａから加熱器６７側に延設されているので、熱源流体を頂部２８ａから加熱器６７側に円滑に流すことができる。

【0062】

（冷却器）
図８に示すように、冷却器６８は、加熱器６７と同様に、径方向に延び、周方向に所定間隔をあけて設けられた複数の第１隔壁６０ａを有する。

【0063】

図２及び図８に示すように、冷却器６８には、第１隔壁６０ａを隔てて、作動ガスを流通させる作動ガス流通層６５及び冷却流体を流通させる冷却流体流通層６６が周方向に交互に形成されている。冷却器６８は、作動ガスと冷却流体とが第１隔壁６０ａを介して熱交換を行うプレート式の熱交換器である。本実施形態では、冷却流体が作動ガスよりも低温であるので、冷却器６８は、第１シリンダ２３の第２連通部２３ｂを介して圧縮室２２に出入りする作動ガスを冷却する。

【0064】

作動ガス流通層６５が位置する内周壁６１の下端部には、前述した第２出入口部６１ｂが設けられる。第２出入口部６１ｂは、対応する第２連通部２３ｂと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第１シリンダ２３の第２連通部２３ｂと対向配置されている。熱交換器６においては、第２出入口部６１ｂがシリンダ２の圧縮室２２への出入口となる。

【0065】

また、作動ガス流通層６５は、下端部６５１が閉塞されており、上端部が開放して再生器６９に連通している。作動ガス流通層６５を流れる作動ガスは、ディスプレーサピストン３の動きによりクランクシャフト１０が１回転する間に１回の割合で流れる方向が逆向きに変化する。

【0066】

作動ガス流通層６５及び冷却流体流通層６６の内側構造についてより詳しく説明すると、冷却器６８は、作動ガス流通層６５に設けられ、作動ガスが流通する複数の作動ガス流路６８１と、冷却流体流通層６６に設けられ、冷却流体を流通させる複数の冷却流体流路６８２と、を有する。本実施形態では、各冷却流体流通層６６に２つの冷却流体流路６８２が周方向に並んで設けられており、それぞれ径方向に延びる第３隔壁６０ｃで区画形成されている。各作動ガス流路６８１も、各作動ガス流路６７１及び各熱源流体流路６７２と同様に、第１隔壁６０ａ及び第２隔壁６０ｂにより区画形成される。なお、作動ガス流路６８１の構成は、加熱器６７に設けられた作動ガス流路６７１の構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

【0067】

図９は、冷却器６８に設けられる作動ガス流路６８１及び冷却流体流路６８２を模式的に示す図である。なお、図９では、隔壁６０の図示を省略している。

【0068】

作動ガス流路６８１は、上下方向に延在しており、下端部が後述する空間６５０及び第２出入口部６１ｂを介して圧縮室２２に連通し、上端部が再生器６９に連通する。各作動ガス流通層６３には、径方向に沿って作動ガス流路６８１が複数個並列に並べて設けられている。

【0069】

作動ガス流路６８１の下端部は、第２出入口部６１ｂの近くに（即ち内周側に）位置する作動ガス流路６８１ほど、作動ガス流通層６５の閉塞された下端部６５１から離れた位置に位置する。即ち、第２出入口部６１ｂの近くに位置する作動ガス流路６８１から排出される作動ガスほど、作動ガス流通層６５の下端部６５１から離れた位置で排出される。

【0070】

冷却器６８の作動ガス流通層６３においても、下端部６５１と、複数の作動ガス流路６８１の下端部とにより形成される空間６５０は、側面視して略三角形状となる。また、複数の作動ガス流路６８１は、複数の作動ガス流路６７１と同様に、一対の第１隔壁６０ａの間を第２隔壁６０ｂで仕切ることで形成される。このため、作動ガス流路６７１の説明を援用して、ここではその説明を省略する。

【0071】

各冷却流体流路６８２は、径方向に延びる管状部材を径方向の一端部（例えば外周側端部）で折り返した後に他端部（例えば内周側端部）で折り返し、これを繰り返した形状に形成される。各冷却流体流路６８２は、いわゆるつづら折り状に形成される。各冷却流体流路６８２を複数の直線状の流路から構成せず、１本の流路を折り曲げた状態に形成することで、冷却流体の冷却流体流路６８２に対する接触面を増やすことができる。

【0072】

冷却流体流路６８２は、図１に示すように、上下方向の下端側に設けられた流入口６８３と、上端側に設けられた流出口６８４を有し、全体として、上方に向かって冷却流体が流れるように構成される。

【0073】

加熱器６７で温められた作動ガスが上端側から下端側に、即ち冷却器６８に流れ込むとき、作動ガス流路６８１を流れる作動ガスは、上端側から下端側、即ち膨張室２１側から圧縮室２２側に向かって温度が低くなる温度分布を取り、冷却流体流路６８２を流れる冷却流体は、下端側から上端側に向かって温度が高くなる温度分布を取る。換言すると、作動ガスが上端側から下端側に流れるとき、作動ガス流路６８１及び冷却流体流路６８２には、全体として対向流の温度分布となるように作動ガス及び冷却流体が流れるので、冷却器６８において高い熱交換効率を実現できる。さらに、つづら折り状に形成された冷却流体流路６８２により、作動ガス及び冷却流体の接触面積も増えているので、冷却器６８において熱交換効率がより高くなる。なお、作動ガスが下端側から上端側へ作動ガスが流れるときは、作動ガス流路６８１及び冷却流体流路６８２には、全体として並行流の温度分布となるように作動ガス及び冷却流体が流れる。

【0074】

（再生器）
再生器６９は、作動ガスが高温の膨張室２１から低温の圧縮室２２に移動する際には、作動ガスの熱エネルギーを取り込む（即ち蓄熱する）ことで作動ガスを冷却し、逆に作動ガスが低温の圧縮室２２から高温の膨張室２１に移動する際には蓄熱した熱エネルギーを作動ガスに与える（即ち放熱する）ことで作動ガスを加熱する。

【0075】

図２に示すように、再生器６９は、作動ガスの熱を蓄熱可能な蓄熱体７１と、蓄熱体７１を囲う筐体７０と、を有する。

【0076】

筐体７０は、前述した内周壁６１及び外周壁６２を含み、二重円筒状に設けられている。筐体７０の内部空間に、蓄熱体７１が収容される。

【0077】

本実施形態では、蓄熱体７１及び筐体７０が、互いに連続に接続されて一体に設けられている。具体的に説明すると、再生器６９は、金属粉末が積層された積層造形体であって、金属積層造形により、蓄熱体７１及び筐体７０が一体に設けられる。このような構成によると、蓄熱体として金属メッシュや発泡金属等を筐体内に組み込んで形成された従来の再生器と比較して、高い熱交換性能を有する複雑な構造体を採用することができる。さらに、組み立て工数を低減できる。

【0078】

以下、蓄熱体７１の構造について図１０から図１５を参照して説明する。なお、図１０から図１５に示す蓄熱体７１の構造は一例であり、蓄熱体７１の構造は様々な形状を取り得る。また、以下の説明では、図中の上下方向、即ち作動ガスの流れ方向を第１方向とも称し、図中の水平方向、即ち第１方向に交差する方向を第２方向とも称す。

【0079】

蓄熱体７１は、複数の辺要素７３を含み、複数の辺要素７３が三次元状に連続に接続されて一体に設けられることにより構成される。

【0080】

より具体的には、蓄熱体７１は、図１０及び図１１に示すように複数の辺要素７３が互いに接続されて形成された単位構造体７２を含み、単位構造体７２が作動ガスの流れ方向及びこれに交差する方向に複数個連続に設けられることにより構成される。図１０及び図１１に示す一例では、単位構造体７２が、ダイヤモンド構造の単位格子において頂点を除く位置に配置された原子を辺要素７３で結ぶようにして形成される三次元形状を有する構成を示す。なお、単位構造体７２は、様々な構造を採用することができ、例えば正十二面体や正二十面体のような多面体の頂点を辺要素７３で結ぶ構造であってもよい。

【0081】

蓄熱体７１は、複数の辺要素７３が三次元状に連続に接続されて一体に設けられて構成されているので、筐体７０内のうち熱交換に関与しない容積である死容積を低減でき、再生器６９の蓄熱性能を向上させることができる。

【0082】

各辺要素７３は、板形状を有する。各辺要素７３の厚さは、例えば０．１ｍｍ以下であり、微細に構成される。各辺要素７３は、作動ガスとの熱エネルギーの授受を行う際、短時間に蓄熱及び放熱を繰り返す必要があるので、このように微細に形成し、熱容量を小さくしている。

【0083】

図１２及び図１３に示すように、各辺要素７３は、表面積が最大である面７３１が第１方向に沿って設けられている。即ち、各辺要素７３は、第２方向から見たときの投影面積Ｓ２が第１方向から見たときの投影面積Ｓ１よりも大きくなるように設けられている。

【0084】

第１方向の投影面積Ｓ１が小さいので、各辺要素７３によって作動ガスの流れが妨げられることが抑制され、作動ガスが第１方向に流れる際の圧力損失を低減できる。さらに、第２方向の投影面積Ｓ２が大きいので、作動ガスの流れに沿った接触面が大きくなり、蓄熱体７１の蓄熱量を大きくすることができる。したがって、各辺要素７３によれば、圧力損失の低減及び熱交換効率の向上を両立させることができる。

【0085】

各辺要素７３は、第１方向に沿って切断した断面において、加熱器６７側の端部７３２及び冷却器６８側の端部７３３が曲線状に設けられている。具体的には、各辺要素７３は、図１２に示すように第１方向に沿って切断した断面７３ｓが楕円形状を有し、楕円形の長径の両端部が端部７３２，７３３に相当する。これにより、作動ガスが各辺要素７３の端部７３２，７３３に衝突するときの圧力損失を低減できる。なお、各辺要素７３の第１方向に沿って切断した断面形状は任意であり、楕円形状に限られず、例えば長方形状であってもよいが、端部７３２，７３３は、曲線状に設け、又は、傾斜して設けることが好ましい。

【0086】

図１４及び図１５は、蓄熱体７１が筐体７０に収容された状態の再生器６９の上面図及び側面図を示す。なお、図１５においては、第１方向における一部分のみを図示している。図１４及び図１５に示すように、筐体７０内に蓄熱体７１が周方向及び軸方向（第１方向）に一様に配置されており、前述のとおり筐体７０と蓄熱体７１とが互いに連続に接続されて一体に設けられているので、再生器６９の強度は高い。

【0087】

図１４に示すように、蓄熱体７１を第１方向から見たとき、蓄熱体７１は、加熱器６７側の端部から冷却器６８側の端部まで貫通し、規則的に配置された貫通部７４を有する。具体的に説明すると、各単位構造体７２は、第１方向から見たときに複数の辺要素７３により格子状に区画形成された４つの貫通箇所を有し、単位構造体７２を第１方向に複数個連続に設けることにより、内周壁６１と外周壁６２との間で格子状に配置された貫通部７４を有する蓄熱体７１が形成される。

【0088】

このように、蓄熱体７１が第１方向に貫通する貫通部７４を有するので、作動ガスは蓄熱体７１の内部空間を円滑に通過することができる。例えば、従来の蓄熱体のように、蓄熱体を複数の金属メッシュ等を積み重ねて構成した場合、各金属メッシュの位置がずれると貫通部が形成されず蓄熱体の内部で目詰まりを引き起こす可能性がある一方で、本実施形態の蓄熱体７１では貫通部７４を確実に設けることができる。

【0089】

蓄熱体７１は、第１方向において、作動ガスが高温である加熱器６７側の位置、及び作動ガスが低温である冷却器６８側の位置ほど、作動ガスとの熱交換量が多い一方で、第１方向における中央位置では、作動ガスとの熱交換量が比較的少ない。

【0090】

そこで、蓄熱体７１の各辺要素７３は、第１方向における位置に応じてその形状を異なるように構成されていてもよい。例えば、第１方向における中央部分に配置される辺要素７３は、蓄熱体７１のうち第１方向における両側部分に配置される辺要素７３よりも、第２方向の投影面積Ｓ２を小さくしてもよい。

【0091】

以上説明した熱交換器６において、加熱器６７、冷却器６８、及び再生器６９は、互いに連続に接続されて一体に設けられている。具体的には、加熱器６７、冷却器６８、及び再生器６９は、後述する金属粉末材料の積層造形により連続に接続されて一体に設けられている。

【0092】

各器が一体に設けられているので、加熱器、冷却器、及び再生器をそれぞれ別体で設け、各器を例えばロウ付けや溶接等によって結合したり、各器にフランジ部を設けてフランジ部でのボルト締結によって結合したりする必要がない。よって、熱交換器６の製造時間の短縮や製造コストの低減を図ることができる。また、結合のための部材が不要となるので、熱交換器６の小型化及び軽量化を図ることができる。

【0093】

また、別体で設けられた加熱器、再生器、及び冷却器をそれぞれ結合して構成された熱交換器では、結合箇所で作動ガスの漏れが生じ得るが、本実施形態では、各器が一体に設けられているので、作動ガスの漏れの発生を回避できる。

【0094】

［熱交換器の製造方法］
本実施形態の熱交換器６は、金属粉末材料を一層ずつ積層凝固させて三次元の複雑な形状の部品を製造することができる付加製造技術（Additive Manufacturing技術、以下ＡＭ技術とも称する）で形成される。ＡＭ技術により、従来の機械加工や鋳造のような製造方法では製造が困難であった微細で複雑な三次元形状の部品を製造することができる。

【0095】

加熱器６７及び冷却器６８は、それぞれ微細で複雑な三次元形状を有する流路（即ち、作動ガス流路６７１，６８１、熱源流体流路６７２、及び冷却流体流路６８２）を有するものの、ＡＭ技術により製造することができる。特に、微細な熱源流体流路６７２中に螺旋状流れ発生部５５を設けた構造は、ＡＭ技術を用いない従来の製造方法では製造が困難である。

【0096】

従来の再生器は、ＡＭ技術により製造されるものではなく筐体内に金属メッシュ等を積み重ねて構成されるものであったが、本実施形態の再生器６９は、ＡＭ技術により、筐体７０と蓄熱体７１とを一体に形成して製造することができる。特に蓄熱体７１は、ＡＭ技術により実現される微細で複雑な三次元形状を有し、ＡＭ技術を用いない従来の製造方法では製造が困難である。

【0097】

このように、加熱器６７、冷却器６８、及び再生器６９は、それぞれＡＭ技術により製造可能であり、本実施形態では、これらをＡＭ技術により一体に形成する。これにより、前述のとおり、各器の結合のための工程（ロウ付け等）が不要となり、熱交換器６の製造時間の短縮や製造コストの低減を図ることができる。

【0098】

また、熱交換器６の内周側に設けられた第１シリンダ２３及びその天井壁２７、加熱器６７及び第１シリンダ２３の上方に設けられた熱源流体導入室８０、並びに熱交換器６の外周側に設けられた熱源流体排出路５１は、ＡＭ技術により熱交換器６と一体に形成される。具体的には、図１６に示すように、例えば第１シリンダ２３のフランジ部２５を底面として上方に向かって金属粉末材料を一層ずつ積層凝固させて積層造形を行う。特に、第１シリンダ２３の天井壁２７に設けられた複数の溝２９は、微細な形状を有し、ＡＭ技術を用いない従来の製造方法では形成が困難である。

【0099】

これにより、熱交換器６、第１シリンダ２３、熱源流体導入室８０、及び熱源流体排出路５１の組み立てが不要となり、スターリングエンジン１の製造時間の短縮や製造コストの低減を図ることができる。なお、第１シリンダ２３、熱源流体導入室８０、及び熱源流体排出路５１を熱交換器６と必ずしも一体に形成しない構成であってもよいし、これらのうち一つ又は二つを熱交換器６と一体に形成する構成であってもよい。

【0100】

さらに、ＡＭ技術により微細な流路や蓄熱体７１が製造可能であるので、熱交換器６の小型化を図ることができる。スターリングエンジンでは、熱交換器が大きいと、作動ガスが流れる空間の死容積が大きくなり、作動ガスの圧縮率が低下するので、熱効率及び出力が低減する。本実施形態では、熱交換器６の小型化により、熱交換器６の容積のうち死容積の割合を低減することができ、スターリングエンジン１の熱効率及び出力を向上させることができる。

【0101】

ところで、所定の大きさを有する部品を積層造形するとき、積層方向と交差する面に対して所定の角度未満（例えば４５度未満）の傾斜角度で金属粉末材料を積層するためには、当該傾斜部分を下方から支持するサポート材も同時に積層造形で形成する必要がある。サポート材を形成した場合、部品の製造後、例えば手作業でサポート材を除去する必要がある。

【0102】

本実施形態では、熱交換器６、第１シリンダ２３、熱源流体導入室８０、及び熱源流体排出路５１のうち、傾斜して上方に積層される部分には適宜、上記所定の角度以上（例えば４５度）の傾斜角度を設定し、積層造形時にサポート材の形成を不要としている。図１６に示すように、例えば、熱源流体排出路５１の壁面や、熱源流体排出路５１の排出部５２のうち、傾斜して上方に積層される部分には、傾斜角度を４５度に設定している。これにより、サポート材の形成を回避することができる。

【0103】

（変形例）
前述した実施形態では、本発明のスターリング機関としてスターリングエンジン１を一例に説明したが、これに限られない。例えば、本発明のスターリング機関は、逆スターリングサイクルを利用したヒートポンプであってもよい。具体的には、スターリング機関としてのヒートポンプは、前述したスターリングエンジン１の発電機１１を、ピストンクランク機構５に動力を入力するモータとして機能させ、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４を往復動させる構成であってもよい。

【0104】

熱交換器６をスターリング機関としてのヒートポンプに適用した場合、発電機１１をモータとして機能させることによって加熱器６７を流れる流体は作動ガスから熱を受け取り、高温の流体となり、冷却器６８を流れる流体は作動ガスに吸熱され、低温の流体となる。本実施形態では、熱交換器６は、内部の微細な構造により、死容積を低減した高い熱交換性能を有するので、流体を超高温まで加熱したり、極低温まで冷却したりすることができる。

【0105】

以上、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

【0106】

例えば、前述した実施形態では、熱交換器６が適用されるスターリング機関として、β型のスターリングエンジン１を一例に説明したが、これに限られない。熱交換器６は、他の形態のスターリング機関、具体的にはα型のスターリングエンジンやγ型のスターリングエンジン等に適用されてもよい。

【0107】

また、前述した実施形態では、再生器６９をスターリング機関の一例であるスターリングエンジン１に適用した例を説明したが、これに限られず、様々な熱機関に対して適用可能である。

【0108】

また、前述した実施形態では、蓄熱体７１を構成する辺要素７３が板形状を有したが、これに限られず、線状体であってもよい。

【0109】

本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を一例として示しているが、これに限定されるものではない。

【0110】

（１） 作動流体（作動ガス）の流れ方向において直列に接続された加熱器（加熱器６７）、再生器（再生器６９）、及び冷却器（冷却器６８）を備え、膨張室（膨張室２１）と圧縮室（圧縮室２２）とを前記加熱器、前記再生器、及び前記冷却器を介して連通させたスターリング機関（スターリングエンジン１）の熱交換器（熱交換器６）であって、
前記加熱器は、
前記膨張室及び前記再生器に連通し、前記作動流体が流通する第１流路（作動ガス流路６７１）と、
前記作動流体と熱交換を行う第１流体（熱源流体）が流通する第２流路（熱源流体流路６７２）と、
前記第１流路及び前記第２流路を区画形成する隔壁（隔壁６０）と、を有し、
前記第１流体が前記第２流路を流通するときの熱伝達率は、前記作動流体が前記第１流路を流通するときの熱伝達率よりも小さく、
前記第２流路には、前記第２流路が延在する方向に沿って螺旋状の流れを発生させる螺旋状流れ発生部（螺旋状流れ発生部５５）が設けられ、
前記第１流路には、前記螺旋状流れ発生部が設けられていない、
スターリング機関の熱交換器。

【0111】

（１）によれば、熱抵抗の低下の効果と圧力損失の上昇の影響とのバランスを考慮し、熱伝達率の小さい第２流路に螺旋状流れ発生部を設けて伝熱性能を向上させ、熱伝達率の大きい第１流路には螺旋状流れ発生部を設けないことで圧力損失の上昇を回避するので、熱交換器の熱交換性能を適切に向上させることができる。よって、スターリング機関の出力性能を向上させることができる。

【0112】

（２） （１）に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記冷却器は、
前記圧縮室及び前記再生器に連通し、前記作動流体が流通する第３流路（作動ガス流路６８１）と、
前記作動流体と熱交換を行う第２流体（冷却流体）が流通する第４流路（冷却流体流路６８２）と、
前記第３流路及び前記第４流路を区画形成する隔壁（隔壁６０）と、を有し、
前記第１流体が前記第２流路を流通するときの熱伝達率は、前記作動流体が前記第１流路及び前記第３流路を流通するときの熱伝達率、並びに前記第２流体が前記第４流路を流通するときの熱伝達率よりも小さく、
前記第１流路、前記第３流路、及び前記第４流路には、前記螺旋状流れ発生部が設けられていない、
スターリング機関の熱交換器。

【0113】

（２）によれば、熱伝達率の高い第１流路、第３流路、及び第４流路には螺旋状流れ発生部を設けないので、圧力損失の上昇を回避することができ、熱交換器の熱交換性能をより適切に向上させることができる。

【0114】

（３） （１）又は（２）に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記螺旋状流れ発生部は、前記隔壁から立設された複数のフィンにより構成され、
前記複数のフィンは、前記第２流路が延在する方向に沿って所定の間隔に配置され、前記第２流路の流路断面の中心を軸にして螺旋状に設けられている、
スターリング機関の熱交換器。

【0115】

（３）によれば、隔壁から立設された複数のフィンにより螺旋状流れ発生部を構成することができる。

【0116】

（４） （３）に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
各フィンは、前記隔壁に接続される基端部を有し、
前記基端部は、前記第２流路が延在する方向と垂直な面に対して所定の角度傾斜して前記隔壁に接続されている、
スターリング機関の熱交換器。

【0117】

（４）によれば、複数のフィンを設けたことによる第１流体の圧力損失の上昇を低減しつつ、第１流体を撹拌させることができる。さらに、第２流路に第１流体とともに異物が混入した場合でも、異物がフィンに滞積することを防止できる。

【0118】

（５） （４）に記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記第２流路が延在する方向において、隣り合うフィンは重ならない位置に設けられている、
スターリング機関の熱交換器。

【0119】

（５）によれば、第１流体が第２流路を流れる際の圧力損失の上昇度合いをより低減できる。さらに、異物の混入に関して、第２流路が目詰まりすることをより抑制できる。

【0120】

（６） （３）から（５）のいずれかに記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記第２流路は、前記第２流路が延在する方向から見て、各フィンが配置されない貫通領域を有する、
スターリング機関の熱交換器。

【0121】

（６）によれば、第１流体が第２流路を流れる際の圧力損失の上昇度合いをより低減できる。

【0122】

（７） （１）から（６）のいずれかに記載のスターリング機関の熱交換器であって、
前記加熱器は、金属粉末が積層された積層造形体である、
スターリング機関の熱交換器。

【0123】

（７）によれば、積層造形により第１流路、第２流路、隔壁、及び螺旋状流れ発生部を有する加熱器を一体に形成することができる。

【0124】

（８） （１）から（６）のいずれかに記載の熱交換器の製造方法であって、
金属粉末を積層造形することによって前記加熱器の前記第１流路、前記第２流路、前記隔壁、及び螺旋状流れ発生部を一体に形成する、
熱交換器の製造方法。

【0125】

（８）によれば、金属粉末を積層造形することによって加熱器の第１流路、第２流路、隔壁、及び前記螺旋状流れ発生部を有する加熱器を一体に形成することができる。

【符号の説明】

【0126】

１ スターリングエンジン（スターリング機関）
６ 熱交換器
２１ 膨張室
２２ 圧縮室
５６ フィン
５６ａ 基端部
６０ 隔壁
６７ 加熱器
６７１ 作動ガス流路（第１流路）
６７２ 熱源流体流路（第２流路）
６８ 冷却器
６８１ 作動ガス流路（第３流路）
６８２ 冷却流体流路（第４流路）
６９ 再生器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】