JP2008223623A - 熱機関および熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の製造に困難を伴うことなく、また組み付け作業性の悪化を伴うことなく、熱交換器の熱交換効率を高める。
【解決手段】作動ガスの流れに沿って配置した加熱器１１，再生器１３および冷却器１５に対し、高温側，低温側各ピストン５５，５７の移動によって作動ガスを流通させて、加熱器１１側の高温作動空間６５および冷却器１５側の低温作動空間６７の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関。この熱機関の加熱器１１および冷却器１５は、複数の板材１７，１９，２１，２３を互いに接触させた状態で積層した積層体２５とし、各板材の貫通孔１７ｃ，１９ｃ，２１ｃ，２３ｃ，２１ｆ，２３ｆによって熱媒流体通路２７，２９を形成する。一方、互いに隣接する板材相互は重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分によって作動ガス通路３７，４５，５３を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、作動ガスの流れに沿って並べて配置した加熱器，再生器および冷却器に対し、ピストンの移動によって作動ガスを流通させて、加熱器側の高温作動空間および冷却器側の低温作動空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関および熱交換器に関する。

従来、例えば下記特許文献１には、加熱器，再生器および冷却器の配列方向両側に、互いに対向する方向に所定の位相差をもって往復移動する一対のピストンを設けてスターリングサイクルを構成した熱機関が記載されている。

このような従来のスターリングサイクルに使用している加熱器や冷却器からなる熱交換器は、熱媒流体が流通する伝熱管が貫通して設けられ、かつその周囲に複数のプレートフィンを設けた構成、つまりプレートフィンに伝熱管を貫通させる構成とされ、これら伝熱管の周囲でかつプレートフィン相互間を作動ガスが流れることで、作動ガスと熱媒流体との間で熱交換がなされる。
特開２００６−１１８４３０号公報

ところが、上記した従来の熱交換器にあっては、プレートフィンの板厚が、プレス成形性を考慮して例えば０．１５ｍｍ程度と極めて薄く、このためプレートフィン相互間に形成される作動ガスの流通空間が広くなりすぎて、圧縮比を高くする上で障害になるとともに、作動ガスが充分熱交換されずに通過する虞があって熱交換効率の低下を招く。

これを避けるために、プレートフィンの板厚を厚くする、もしくはプレートフィンの枚数を増やすことが考えられるが、前者はプレートフィンに対するプレス成形性の悪化を招いて熱交換器の製造が困難となり、後者は枚数を増やすことで組み付け作業性の悪化を招く。

特に、プレートフィンを等間隔に積層配置するために、従来では伝熱管が挿入される貫通孔の周縁を折り曲げ、この折り曲げ部の先端を隣接するプレートフィンに接触させることによって最小１．５ｍｍの間隔を保持するようにしており、このような折り曲げ部の加工は、特に板厚が厚い場合や間隔が狭い場合には極めて煩雑であり、加工コストの上昇を招いている。

そこで、本発明は、熱交換器の製造に困難を伴うことなく、また組み付け作業性の悪化を伴うことなく、熱交換器の熱交換効率を高めることを目的としている。

本発明は、加熱器，再生器および冷却器を作動ガスの流れに沿って並べて配置し、これら加熱器，再生器および冷却器に対し、ピストンの移動によって前記作動ガスを流通させて熱媒流体と熱交換を行い、前記加熱器側の高温作動空間および前記冷却器側の低温作動空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関において、前記加熱器と冷却器の少なくともいずれか一方を、板材を互いに接触した状態で複数枚積層した積層体で構成し、この積層体に、前記各板材の板厚方向に向けて貫通して設けた貫通孔によって構成されて前記作動ガスと前記熱媒流体とのいずれか一方が流通する第１の流体通路を設け、前記互いに隣接する板材相互は、前記板材の前記貫通孔の周囲の環状部分を除き重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分によって前記作動ガスと前記熱媒流体とのいずれか他方を前記第１の流体通路に対し交差する方向に流通させる第２の流体通路を形成することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、板材の貫通孔の周囲の環状部分を除く、互いに隣接する板材相互間の重なり合わない部分を利用して流体の通路としており、この通路を例えば作動ガスが流れるようにすることで、作動ガスの流通空間が広くなりすぎることを防止し、これにより圧縮比を高くできるとともに、作動ガスを充分熱交換された状態で通過させることができ、熱交換効率を高めることができる。

また、熱交換器は、貫通孔を設けた板材を重なり合わない部分を形成するよう単に積層するものであるから、プレス成形時のような成形性の悪化を回避して熱交換器の製造が容易になるとともに、組み付け作業性も向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の施形態に係わる熱交換器を備える熱機関の断面図である。この熱機関は、ハウジング本体１の図１中で上部開口にカバー３を、同下部開口にクランクケース５をそれぞれ設けてハウジング７を構成している。

ハウジング本体１の図１中で上下方向ほぼ中央の熱交換器ハウジング部１ａには熱交換器ユニット９を収容固定しており、熱交換器ユニット９は、図２中で上部から加熱器１１，再生器１３および冷却器１５を作動ガスの流れに沿って並べて配置してある。加熱器１１と冷却器１５は熱交換器を構成しており、これらは互いに同一の構造を備えているので、ここでは熱交換器１１，１５としてまとめて説明する。

この熱交換器１１，１５は、従来のようなプレートフィンを所定間隔をおいて複数積層してこれらに伝熱管を貫通させた構成とは異なり、図２（ａ），（ｄ）で示す板材１７，１９と、図２（ｂ），（ｃ）で示す板材２１，２３を、所定の厚さを備えた大略２種の板材として複数枚積層し、図３に示すような積層体２５としている。この際、図３に示すように、板材１７と板材２３とを互いに同一面上に配置するとともに、板材１９と板材２１とを互いに同一面上に配置し、これら板材１７，２３と板材１９，２１とを板厚方向に交互に配置して、互いの接触部を拡散接合により接合固定する。

なお、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面に相当する断面図、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線断面に相当する断面図である。

図２（ａ）に示す板材１７と図２（ｄ）に示す板材１９は、同一形状のものを向きを変えて配置しているだけであり、これら各板材１７，１９一方の側縁１７ａ，１９ａに半円弧形状の凸部１７ｂ，１９ｂをそれぞれ１列に複数設けるとともに、各凸部１７ｂ，１９ｂには円形の貫通孔１７ｃ，１９ｃをそれぞれ設けている。

そして、この貫通孔１７ｃの中心より前記した一方の側縁１７ａを図２（ａ）中で左側にずれた位置とし、同様に貫通孔１９ｃの中心より前記した一方の側縁１９ａを図２（ｄ）中で右側にずれた位置としている。

また、図２（ｂ）に示す板材２１と図２（ｃ）に示す板材２３は、同一形状のものを向きを変えて配置しているだけであり、板材２１の板材１７側の一方の側縁２１ａおよび、板材２３の板材１９側の一方の側縁２３ａには、半円弧形状の凸部２１ｂ，２３ｂをそれぞれ１列に複数設けるとともに、各凸部２１ｂ，２３ｂには円形の貫通孔２１ｃ，２３ｃをそれぞれ設けている。

ここで、図３（ａ）に示すように、板材１７と板材２１とを互いに重ね合わせる際に、互いに同形状の各貫通孔１７ｃ，２１ｃの中心を整合させるとともに、板材１９と板材２３とを互いに重ね合わせる際に、互いに同形状の各貫通孔１９ｃ，２３ｃの中心を整合させる。

このように、板材１７，２１を交互に重ね合わせることで、貫通孔１７ｃ，１９ｃが連続した一つの連通路となり、同様にして板材１９，２３を交互に重ね合わせることで、貫通孔１９ｃ，２３ｃが連続した一つの連通路となり、これら各連通路が第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路２７を構成する。

また、図２に示すように板材２１，２３の互いに対向する側の他方の側縁２１ｄ，２３ｄには、互いに対向する側に突出する凸部２１ｅ，２３ｅをそれぞれ１列に複数設けるとともに、各凸部２１ｅ，２３ｅには円形の貫通孔２１ｆ，２３ｆをそれぞれ設けている。

そして、この貫通孔２１ｆの中心より前記した他方の側縁２１ｄを図２（ｂ）中で左側にずれた位置とし、同様に貫通孔２３ｆの中心より前記した他方の側縁２３ｄを図２（ｃ）中で右側にずれた位置とする。

ここで、図３（ｂ）に示すように、板材２１と板材２３とを互いに重ね合わせる際に、互いに同形状の各貫通孔２１ｆ，２３ｆの中心を整合させる。このように、板材２１，２３を交互に重ね合わせることで、貫通孔２１ｆ，２３ｆが連続した一つの連通路となり、この連通路が第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路２９を構成する。

上記した熱媒流体通路２７，２９の図１中で紙面に直交する方向の両端は熱交換器ハウジング部１ａから外部に開口し、この開口の一方に図示しない熱媒流体供給源の供給側を接続し、他の開口に熱媒流体を回収する回収側を接続している。

一方、図３（ａ）のように熱媒流体通路２７を構成する各貫通孔１７ｃ，２１ｃの周囲の環状部分３０は、板材１７，２１相互が互いに接触しており、この接触している環状部分３０を除き、板材１７と板材２１とは図３（ｂ）のように重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分では、一方の板材１７の他方の板材２１側の空間３１と、他方の板材２１の一方の板材１７側の空間３３とが、連通部３５によって連通して作動ガスが流れる第２の流体通路としての作動ガス通路３７となる。

すなわち、第２の流体通路は、互いに隣接する板材相互間で、一方の板材に対し他方の板材が存在しない前記一方の板材に接する空間および、前記他方の板材に対し前記一方の板材が存在しない前記他方の板材に接する空間と、前記両空間相互を連通する連通部とで構成されていることになる。

上記した連通部３５は、前述したように板材１７の側縁１７ａを貫通孔１７ｃの中心に対してずらし、また板材２１の側縁２１ａを貫通孔２１ｃの中心に対してずらすことで、側縁１７ａ，２１ａ相互間に隙間が形成されることで構成している。

図４は、板材２１の上に板材１７を重ねた状態の部分斜視図であり、板材１７の側縁１７ａと板材２１の側縁２１ａとの間の隙間（連通部３５）を示している。この連通部３５を介して、板材１７の図４中で紙面裏側の空間３１と、板材２１の図４中で紙面表側の空間３３とが連通部３５を通して互いに連通して作動ガス通路３７を形成する。

同様にして、図３（ａ）のように熱媒流体通路２７を構成する各貫通孔１９ｃ，２３ｃの周囲の環状部分３８を除き、板材１９と板材２３とは図３（ｂ）のように重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分では、一方の板材１９の他方の板材２３側の空間３９と、他方の板材２３の一方の板材１９側の空間４１とが、連通部４３によって連通して作動ガスが流れる第２の流体通路としての作動ガス通路４５となる。

さらに、図３（ｂ）のように熱媒流体通路２９を構成する各貫通孔２１ｆ，２３ｆの周囲の環状部分４６を除き、板材２１と板材２３とは図３（ａ）のように重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分では、一方の板材２１の他方の板材２３側の空間４７と、他方の板材２３の一方の板材２２側の空間４９とが、連通部５１によって連通して作動ガスが流れる第２の流体通路としての作動ガス通路５３となる。

そして、これらの各作動ガス通路３７，４５，５３は互いに連通した一つの作動ガス空間を構成しており、この作動ガス空間を流れる作動ガスと、前記した熱媒流体通路２７，２９を流れる熱媒流体とが互いに熱交換する。

上記したような各熱交換器１１，１５相互間に位置する再生器１３は、金網などを図１中で上下方向に複数積層して構成している。

図１に示す加熱器１１の上部側のハウジング本体１の高温側シリンダ部１ｂ内には高温側ピストン５５を、冷却器１５の下部側のハウジング本体１の低温側シリンダ部１ｃ内には低温側ピストン５７を、それぞれ図１中で上下方向に移動可能に収容している。

高温側ピストン５５は、熱交換器ユニット９および低温側ピストン５７に対して相対移動可能に貫通するピストンロッド５９を介してクランク軸６１のクランクピン６１ａに連結し、一方低温側ピストン５７は、２本のピストンロッド６３を介してクランク軸６１のクランクピン６１ｂに連結している。このような高温側ピストン５５と低温側ピストン５７とは、往復移動する際の互いの位相差が例えば９０度という所定の位相差となるようクランク軸６１に連結している。

なお、加熱器１１および冷却器１５におけるピストンロッド５９が貫通する部分には、前記した熱媒流体通路２７，２９を設けないようにする。

上記したハウジング７および高温側，低温側各ピストン５５，５７に囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動ガス空間であり、このうち加熱器１１と高温側ピストン５５との間が、加熱器１１にて加熱された作動ガスが膨脹する高温作動空間６５となり、冷却器１５と低温側ピストン５７との間が、冷却器１５にて放熱された作動ガスが圧縮される低温作動空間６７となる。この低温作動空間６７と高温作動空間６５の間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。

上記した高温側ピストン５５および低温側ピストン５７は、高温作動空間６５および低温作動空間６７それぞれに対し作動ガスの容積変化をもたらすとともに、作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達するパワーピストンを構成している。

なお、本熱機関におけるハウジング７は、高温側シリンダ部１ｂおよび低温側シリンダ部１ｃがいずれも円筒形状であるが、これら相互間に位置する熱交換器ユニット９を収容する熱交換器ハウジング部１ａは、熱交換器ユニット９の形状に対応して平面視で四角形状とている。

このように構成した熱機関では、作動ガスの圧力変化に基づく各ピストン５５，５７の往復運動をクランク軸６１が回転運動として外部に取り出すことで、本スターリングサイクルはエンジンとなり、逆にクランク軸６１に外部からモータなどの駆動手段によって回転させて各ピストン５５，５７を往復移動させることで、加熱器１１や冷却器１５の熱媒流体通路２７，２９を流れる熱媒流体を介して外部に温熱や冷熱を供給するヒートポンプや冷凍機となる。

この際、本実施形態では、加熱器１１および冷却器１５を、従来のような薄肉のプレートフィンを所定間隔をおいて複数積層してこれらに伝熱管を貫通させた構成とは異なり、複数の板材１７，２１同士、板材１９，２３同士、板材２１，２３同士を、それぞれを互いに接触させた状態で積層して積層体２５を構成し、各板材１７，２１を貫通する貫通孔１７ｃ，２１ｃおよび各板材１９，２３を貫通する貫通孔１９ｃ，２３ｃにより熱媒流体通路２７を形成するとともに、各板材２１，２３を貫通する貫通孔２１ｆ，２３ｆにより熱媒流体通路２９を形成する一方、隣接する板材、例えば板材１７，２１相互については、板材１７，２１の貫通孔１７ｃ，２１ｃの周囲の環状部分３０を除き重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分によって作動ガス通路３７を形成している。

ここで、上記した作動ガス通路３７，４５，５３は、板材相互間の重なり合わない部分を形成することで板厚分の空間によって形成できるので、従来の熱交換器のように、プレートフィン相互間に形成される作動ガスの流通空間が広くなりすぎることはなく、したがって圧縮比を高くすることは容易であり、また作動ガスを充分熱交換させた状態で通過させることが可能であり、熱交換効率を高めることができる。

また、従来のプレートフィンは、熱伝導度の高い銅やアルミの薄板を通常使用するが、本実施形態の板材１７，１９，２１，２３はプレートフィンよりも充分厚いものであるから、熱容量が大きくなり、したがって、銅やアルミなどより熱伝導度の低い例えば安価な鉄系の材料も使用でき、材料コストを下げることができる。

また、本加熱器１１および冷却器１５からなる熱交換器は、貫通孔１７ｃ，１９ｃ，２１ｃ，２３ｃ，２１ｆ，２３ｆを設けた板材１７，１９，２１，２３を単に積層するものであるから、プレス形成するときのような成形性の悪化を回避して製造が容易にとなるとともに、組み付け作業性も向上する。

図５は、上記した第１の実施形態の変形例を示す、前記図３に対応する断面図である。この変形例は、図３に示す各板材１７，１９，２１，２３における互いに連通している貫通孔１７ｃ，２１ｃ、貫通孔１９ｃ，２３ｃ、貫通孔２１ｆ，２３ｆに、それぞれ円筒部材としての管材６９を挿入固定し、この管材６９の内部を、第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路７１としている。その他の構成は、前記図３に示した実施形態と同様であり、図３の実施形態と同一構成要素には同一符号を付してある。

上記した変形例においては、熱媒流体通路７１を、貫通孔１７ｃ，２１ｃ、貫通孔１９ｃ，２３ｃ、貫通孔２１ｆ，２３ｆにそれぞれ挿入した管材６９により構成しているので、熱媒流体の板材１７，１９，２１，２３相互間への漏れを防止して熱交換効率をより高めることができ、熱交換器としての信頼性を高めることができる。また、管材６９を使用する際には、板材１７，１９，２１，２３相互を接合固定する必要がなく、単に接触させた状態でもよい。

図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態を示す、熱交換器である加熱器１１および冷却器１５に使用する板材７３の平面図である。ここでの熱交換器は、１種の板材７３を向きを変えて交互に積層して構成している。

板材７３は、図６（ａ）に示すように、一方の側縁７３ａに沿って貫通孔７３ｂを１列に複数形成し、この各貫通孔７３ｂ相互間の位置にて側縁７３ａと反対側に突出するほぼ三角形状の凸部７３ｃを設け、さらにこの凸部７３ｃの先端に環状部７３ｄを設けて、該環状部７３ｄ内が貫通孔７３ｅとなっている。これら各貫通孔７３ｂ、７３ｄは互いに同一形状である。

そして、図６（ａ）に示した板材７３を紙面上で１８０度回転させて図６（ｂ）に二点鎖線で示す板材７５と、図６（ａ）に示した板材７３とを重ね合わせる。その際、板材７３の貫通孔７３ｂと、貫通孔７３ｅに対応する板材７５の環状部７５ｄにおける貫通孔７５ｅとを整合させるとともに、板材７３の貫通孔７３ｅと、板材７５の一方の側縁７５ａに沿って設けてある、貫通孔７３ｂに対応する貫通孔７５ｂとを整合させる。

このようにして、板材７３と板材７５とを交互に重ね合わせて積層体７６を構成することで、図６のＣ−Ｃ断面図である図７（ａ）に示すように、貫通孔７３ｂ，７５ｅが連続した一つの連通路となり、同様にして貫通孔７３ｅ，７５ｂが連続した一つの連通路となり、これら各連通路が第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路７９，８１を構成する。

一方、熱媒流体通路７９を構成する各貫通孔７３ｂ，７５ｅの周囲の環状部分８２および、熱媒流体通路８１を構成する各貫通孔７３ｅ，７５ｂの周囲の環状部分８４は、図７（ａ）に示すように板材７３，７５相互が接触し、この接触している環状部分８２，８４を除き、図６のＤ−Ｄ断面図である図７（ｂ）のように板材７３と板材７５とは重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分では、一方の板材７３の他方の板材７５側の空間８３と、他方の板材７５の一方の板材１７側の空間８５とが、連通部８７によって連通して作動ガスが流れる第２の流体通路としての作動ガス通路８９となる。

また、このとき、板材７３の凸部７３ｃにおける傾斜縁部７３ｆと、板材７５の凸部７５ｃにおける傾斜縁部７５ｆとの間には隙間を設けてあり、この隙間が上記した連通部８７となる。

図８は、板材７３の上に板材７５を重ね合わせた状態の斜視図であり、板材７３の傾斜縁部７３ｆと板材７５の傾斜縁部７５ｆとの間の隙間（連通部８７）を示している。この連通部８７を介して、板材７３の図８中で紙面表側の空間８３と、板材７５の図８中で紙面裏側の空間８５とが連通部８７を通して互いに連通して作動ガス通路８９を形成する。

上記した作動ガス通路８９を流れる作動ガスと、前記した熱媒流体通路７９，８１を流れる熱媒流体とが互いに熱交換する。

上記した第２の実施形態においても、作動ガス通路８９は板材相互間の重なり合わない部分を形成することで、板厚分の空間によって形成でき、したがって第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態の変形例である図５に示したものと同様に、板材７３，７５における互いに連通している貫通孔７３ｂ，７５ｅ、貫通孔７３ｅ，７５ｂに、それぞれ円筒部材としての管材６９を挿入固定し、この管材６９の内部を、第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路７１としてもよい。

図９は、本発明の第３の実施形態を示す、熱交換器である加熱器１１および冷却器１５に使用する板材７３０の平面図である。ここでの熱交換器は、前記図６に示した第２の実施形態における板材７３に代えて１種の板材７３０を向きを変えて交互に積層して構成している。

板材７３０の板材７３と異なる点は、図６の凸部７３ｃを山形形状としているのに対し、図９の板材７３０は凸部７３０ｃの両側端部が互いに平行であり、かつ凸部７３０ｃ相互間の縁部７３０ｆが凸部７３０ｃの配列方向に対して平行としている点である。

本実施形態においても、実線で示す板材７３０と、この板材７３０を紙面上で１８０度回転させた状態の二点鎖線で示す板材７５０とを互いに重ね合わせる。その際、板材７３０の貫通孔７３０ｂと、貫通孔７３０ｅに対応する板材７５０の環状部７５０ｄにおける貫通孔７５０ｅとを整合させるとともに、板材７３０の環状部７３０ｄにおける貫通孔７３０ｅと、板材７５０の一方の側縁７５０ａに沿って設けてある、貫通孔７３０ｂに対応する貫通孔７５０ｂとを整合させる。

このようにして、板材７３０と板材７５０とを交互に重ね合わせることで、貫通孔７３０ｂ，７５０ｅが連続した一つの連通路となり、同様にして貫通孔７３０ｅ，７５０ｂが連続した一つの連通路となり、これら各連通路が第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路７９０，８１０を構成する。

そして、板材７３０と板材７５０との互いに対向する縁部７３０ｆ，７５０ｆ相互間に、図６の連通路８７に相当する連通路８７０が形成される。

上記した第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、作動ガス通路は板材相互間の重なり合わない部分を形成することで、板厚分の空間によって形成でき、したがって第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１０（ａ）は本発明の第４の実施形態に係わる加熱器１１および冷却器１５の一部を示す斜視図、図１０(ｂ)は図１０（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。この加熱器１１および冷却器１５においても、従来のようなプレートフィンを所定間隔をおいて複数積層してこれらに伝熱管を貫通させた構成とは異なり、複数の板材１７０を互いに接触した状態で積層して積層体１９０としている。

各板材１７０には貫通孔１７０ａをそれぞれ複数設け、これら各板材１７０の貫通孔１７０ａ相互を整合させて第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路２１０を複数形成している。熱媒流体通路２１０の図１中で紙面に直交する方向の両端は熱交換器ハウジング部１ａから外部に開口し、この開口の一方に図示しない熱媒流体供給源の供給側を接続し、他の開口に熱媒流体を回収する回収側を接続している。

また、上記した各板材１７０は、貫通孔１７０ａの周囲の環状部分１７０ｂを除く他の部位の板厚を薄くして薄肉部１７０ｃを形成している。この薄肉部１７０ｃは、板材１７０の一方の面（図１０中で上側の面）に対し、上記した環状部分１７０ｂにマスキングした状態で、エッチング加工することで形成している。

そして、各板材１７０を、薄肉部１７０ｃを同一方向（図１０中で上方）に向かせた状態で、互いに重ね合わせて拡散接合により接合固定して積層体１９０とする。このような積層体１９０は、エッチングにより薄肉化した薄肉部１７０ｃと、薄肉部１７０ｃに隣接する他の板材１７０との間の空間が、第２の流体通路となる前記した作動ガスが流れる作動ガス通路２３０となる。この作動ガス通路２３０を流れる作動ガスと、前記した熱媒流体通路２１０を流れる熱媒流体とが互いに熱交換する。

ここで、上記した作動ガス通路２３０は、薄肉部１７０ｃの板厚をエッチング加工する過程で適宜調整することができるので、その通路面積を効率的な熱交換を行えるように容易に設定可能であり、したがって従来の熱交換器のように、プレートフィン相互間に形成される作動ガスの流通空間が広くなりすぎることはなく、圧縮比を高くすることが容易であり、また作動ガスを充分熱交換させた状態で通過させることが可能であり、熱交換効率を高めることができる。

また、従来のプレートフィンは、熱伝導度の高い銅やアルミの薄板を通常使用するが、本実施形態の板材１７０はプレートフィンよりも充分厚いものであるから、熱容量が大きくなり、したがって、銅やアルミなどより熱伝導度の低い例えば安価な鉄系の材料も使用でき、材料コストを下げることができる。

また、本加熱器１１および冷却器１５からなる熱交換器は、貫通孔１７０ａおよび薄肉部１７０ｃを設けた板材１７０を単に積層するものであるから、プレス形成するときのような成形性の悪化を回避して製造が容易にとなるとともに、組み付け作業性も向上する。

図１１は、上記した第４の実施形態の変形例であり、前記図５に示したものと同様に、図１０の実施形態の各板材１７０における互いに連通している貫通孔１７０ａに、円筒部材としての管材６９を挿入固定し、この管材６９の内部を、第１の流体通路となる熱媒流体が流れる熱媒流体通路７１としている。その他の構成は、前記図１０に示した実施形態と同様であり、図１０の実施形態と同一構成要素には同一符号を付してある。

なお、上記した各実施形態では、板材相互を拡散接合により接合固定するものとしているが、例えばロウ付けにより行ってもよく、また第４の実施形態における薄肉部１７０ｃを形成する際のエッチング加工に代えて、サンドブラスト加工や放電加工を行ってもよい。

また、各実施形態のような積層した熱交換器は、加熱器１１と冷却器１５のいずれか一方にのみ適用してもよい。さらに、熱媒流体通路２７，２９，７９，８１，２１０，７１としている通路に作動ガスを流し、作動ガス通路３７，４５，５３，８９，２３０としている通路に熱媒流体を流してもよいが、この場合には複数の板材を図１中で上下方向に積層した形態となる。

本発明の第１の施形態に係わる熱交換器を備える熱機関の断面図である。 図１の熱交換器に使用する各板材の平面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ線断面に相当する断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線断面に相当する断面図である。 板材相互を重ねた状態の部分斜視図である。 第１の実施形態の変形例を示す、図３に対応する断面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態を示す熱交換器に使用する板材の平面図、（ｂ）は板材相互を重ねた状態の平面図である。 （ａ）は図６のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）は図６のＤ−Ｄ断面図である。 第２の実施形態による板材相互を重ねた状態の斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係わる、図６（ｂ）に対応する平面図である。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係わる熱交換器の一部を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 第４の実施形態の変形例を示す、図１０（ｂ）に対応する熱交換器の断面図である。

符号の説明

１１ 加熱器（熱交換器）
１３ 再生器
１５ 冷却器（熱交換器）
１７，１９，２１，２３，７３，７５，１７０，７３０，７５０ 板材
１７ｃ，１９ｃ，２１ｃ，２１ｆ，２３ｃ，２３ｆ，７３ｂ，７３ｅ，７５ｂ，７５ｅ，１７０ａ，７３０ｂ，７３０ｅ，７５０ｂ，７５０ｅ 板材の貫通孔
２５，７６，１９０ 積層体
２７，２９，７１，７９，８１，２１０ 熱媒流体通路（第１の流体通路）
３０，３８，４６，８２，８４，１７０ｂ 板材の貫通孔周囲の環状部分
３７，４５，５３，８９，２３０ 作動ガス通路（第２の流体通路）
５５ 高温側ピストン（ピストン）
５７ 低温側ピストン（ピストン）
６５ 高温作動空間
６７ 低温作動空間
６９ 管材（円筒部材）
１７０ｃ 板材の薄肉部

Claims (9)

1. 加熱器，再生器および冷却器を作動ガスの流れに沿って並べて配置し、これら加熱器，再生器および冷却器に対し、ピストンの移動によって前記作動ガスを流通させて熱媒流体と熱交換を行い、前記加熱器側の高温作動空間および前記冷却器側の低温作動空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関において、前記加熱器と冷却器の少なくともいずれか一方を、板材を互いに接触した状態で複数枚積層した積層体で構成し、この積層体に、前記各板材の板厚方向に向けて貫通して設けた貫通孔によって構成されて前記作動ガスと前記熱媒流体とのいずれか一方が流通する第１の流体通路を設け、前記互いに隣接する板材相互は、前記板材の前記貫通孔の周囲の環状部分を除き重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分によって前記作動ガスと前記熱媒流体とのいずれか他方を前記第１の流体通路に対し交差する方向に流通させる第２の流体通路を形成することを特徴とする熱機関。
2. 前記板材相互間の重なり合わない部分によって形成される前記第２の流体通路は、前記互いに隣接する板材相互間で、一方の板材に対し他方の板材が存在しない前記一方の板材に接する空間および、前記他方の板材に対し前記一方の板材が存在しない前記他方の板材に接する空間と、前記両空間相互を連通する連通部とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
3. 前記連通部は、前記一方の板材と前記他方の板材とのそれぞれの縁部が離間して形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
4. 前記板材相互間の重なり合わない部分によって形成される前記第２の流体通路は、前記板材の前記貫通孔の周囲の環状部分を除く他の部位の板厚を前記環状部分に比べて薄くして薄肉部を設け、この薄肉部と薄肉部を設けた部分に隣接する他の板材との間に形成されていることを特徴とする熱機関。
5. 前記板材の薄肉部をエッチングで形成することを特徴とする請求項４に記載の熱機関。
6. 前記第１の流体通路は、前記各板材に設けた貫通孔に前記積層体の積層方向に沿って挿入した円筒部材で構成したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱機関。
7. 前記積層する各板材相互を拡散接合で接合固定したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱機関。
8. 前記第２の流体通路は、作動ガスが流れる作動ガス通路であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の熱機関。
9. 作動ガスと熱媒流体との間で熱交換を行う熱交換器において、板材を互いに接触した状態で複数枚積層した積層体で構成し、この積層体に、前記各板材の板厚方向に向けて貫通して設けた貫通孔によって構成されて前記作動ガスと前記熱媒流体とのいずれか一方が流通する第１の流体通路を設け、前記互いに隣接する板材相互は、前記板材の前記貫通孔の周囲の環状部分を除き重なり合わない部分を備え、この重なり合わない部分によって前記作動ガスと前記熱媒流体とのいずれか他方を前記第１の流体通路に対し交差する方向に流通させる第２の流体通路を形成したことを特徴とする熱交換器。

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