JP2020165615A

JP2020165615A - Cooling apparatus

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Publication number: JP2020165615A
Application number: JP2019068206A
Authority: JP
Inventors: 豊田　治; Osamu Toyoda; 治豊田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP7280494B2

Abstract

To provide a cooling apparatus in which a magnetic field hardly generates.SOLUTION: A cooling apparatus comprises: a Stirling engine which includes a first cylinder, a first displacer or a first piston reciprocally disposed inside the first cylinder, a second cylinder with temperature lower than that of the first cylinder, and a second piston reciprocally disposed inside the second cylinder and in conjunction with the first displacer or the first piston with delay of a prescribed phase, the first cylinder being communicated with one of two spaces divided by the second piston of the second cylinder; and a Stirling cooler including a third cylinder communicated with the second cylinder, the second piston, the other space of two spaces of the second cylinder, and a second displacer or a third piston reciprocally disposed inside the third cylinder and in conjunction with the second piston with delay of a prescribed phase.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device.

スターリング機構をモーターで強制的に駆動させることで低温部を形成するスターリングクーラーが知られている（例えば、特許文献1から３）。 A Stirling cooler that forms a low temperature portion by forcibly driving a Stirling mechanism with a motor is known (for example, Patent Documents 1 to 3).

特開昭６１−０１７８６７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-017867 特開平６−１５９８３５号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-159835 特開２０１７−０５８０５０号公報JP-A-2017-058050

スターリング機構をモーターで強制的に駆動させることで低温部を形成する場合、モーターの回転磁界によって冷却対象物に磁場の影響を与えることがある。冷却対象物が例えば超伝導量子干渉計のような磁気センサでは、モーターの回転磁界による磁場の影響によって検出精度の低下が生じてしまう。 When a low temperature portion is formed by forcibly driving the sterling mechanism with a motor, the rotating magnetic field of the motor may affect the object to be cooled by the magnetic field. When the object to be cooled is a magnetic sensor such as a superconducting quantum interferometer, the detection accuracy is lowered due to the influence of the magnetic field due to the rotating magnetic field of the motor.

１つの側面では、磁場が発生し難い冷却装置を提供することを目的とする。 On one side, it is intended to provide a cooling device in which a magnetic field is unlikely to be generated.

１つの態様では、第１シリンダと、前記第１シリンダの内部に往復動可能に設けられた第１ディスプレーサ又は第１ピストンと、前記第１シリンダよりも低温の第２シリンダと、前記第２シリンダの内部に往復動可能に設けられ、前記第１ディスプレーサ又は前記第１ピストンに所定の位相だけ遅れて連動する第２ピストンと、を含み、前記第１シリンダが前記第２シリンダの前記第２ピストンで区分けされる２つの空間のうちの一方の空間に連通したスターリングエンジンと、前記第２シリンダと、前記第２ピストンと、前記第２シリンダの前記２つの空間のうちの他方の空間に連通した第３シリンダと、前記第３シリンダの内部に往復動可能に設けられ、前記第２ピストンに所定の位相だけ遅れて連動する第２ディスプレーサ又は第３ピストンと、を含むスターリングクーラーと、を備える冷却装置である。 In one embodiment, a first cylinder, a first displacer or a first piston reciprocally provided inside the first cylinder, a second cylinder having a temperature lower than that of the first cylinder, and the second cylinder. The first cylinder includes the first displacer or the second piston which is interlocked with the first piston with a predetermined phase delay, and the first cylinder is the second piston of the second cylinder. The Sterling engine communicating with one of the two spaces divided by, the second cylinder, the second piston, and the other space of the two spaces of the second cylinder communicated with each other. Cooling including a third cylinder and a stirling cooler including a second displacer or a third piston that is reciprocally provided inside the third cylinder and interlocks with the second piston with a predetermined phase delay. It is a device.

１つの側面として、磁場が発生し難い冷却装置を得ることができる。 As one aspect, it is possible to obtain a cooling device in which a magnetic field is unlikely to be generated.

図１は、実施例１に係る冷却装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a cooling device according to the first embodiment. 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施例１に係る冷却装置の動作を説明する図（その１）である。2 (a) and 2 (b) are diagrams (No. 1) for explaining the operation of the cooling device according to the first embodiment. 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る冷却装置の動作を説明する図（その２）である。3A and 3B are diagrams (No. 2) for explaining the operation of the cooling device according to the first embodiment. 図４は、実施例２に係る冷却装置を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the cooling device according to the second embodiment. 図５（ａ）から図５（ｄ）は、実施例２に係る冷却装置の動作と第１作動気体及び第２作動気体の流動とを説明する図である。5 (a) to 5 (d) are diagrams for explaining the operation of the cooling device according to the second embodiment and the flow of the first working gas and the second working gas. 図６は、第１作動気体及び第２作動気体の温度変化を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating temperature changes of the first working gas and the second working gas. 図７は、実施例３に係る冷却装置を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the cooling device according to the third embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、実施例１に係る冷却装置１００を示す図である。図１のように、冷却装置１００は、スターリングエンジン１とスターリングクーラー２を備える。 FIG. 1 is a diagram showing a cooling device 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the cooling device 100 includes a Stirling engine 1 and a Stirling cooler 2.

スターリングエンジン１は、第１シリンダ１１と、第１シリンダ１１内を往復動するディスプレーサ１２と、第２シリンダ２１と、第２シリンダ２１内を往復動するパワーピストン２２と、を有する。ディスプレーサ１２は第１シリンダ１１との間に隙間を有し、作動気体はこの隙間を通って流動が可能となっている。パワーピストン２２は第２シリンダ２１との間に隙間をほとんど有さず、作動気体は第２シリンダ２１とパワーピストン２２との間を流動することが難しくなっている。 The Stirling engine 1 includes a first cylinder 11, a displacer 12 that reciprocates in the first cylinder 11, a second cylinder 21, and a power piston 22 that reciprocates in the second cylinder 21. The displacer 12 has a gap with the first cylinder 11, and the working gas can flow through this gap. The power piston 22 has almost no gap between the second cylinder 21 and the working gas, and it is difficult for the working gas to flow between the second cylinder 21 and the power piston 22.

ディスプレーサ１２は連結部材（コネクティングロッド）１３によってクランクシャフト４０に連結し、パワーピストン２２は連結部材（コネクティングロッド）２３によってクランクシャフト４０に連結している。クランクシャフト４０にはフライホイール４１が取り付けられている。クランクシャフト４０は、円盤形状のフライホイール４１の中心に接続されている。パワーピストン２２は、ディスプレーサ１２よりも位相が９０°遅れて往復動するように、ディスプレーサ１２が接続するクランクピン４２ａよりも９０°遅れて回転するクランクピン４２ｂに連結されている。 The displacer 12 is connected to the crankshaft 40 by a connecting member (connecting rod) 13, and the power piston 22 is connected to the crankshaft 40 by a connecting member (connecting rod) 23. A flywheel 41 is attached to the crankshaft 40. The crankshaft 40 is connected to the center of the disk-shaped flywheel 41. The power piston 22 is connected to a crank pin 42b that rotates 90 ° behind the crank pin 42a to which the displacer 12 is connected so that the power piston 22 reciprocates with a phase delayed by 90 ° from the displacer 12.

第１シリンダ１１と第２シリンダ２１は、連通管４３により連通している。連通管４３の一端は第１シリンダ１１の一方の端部に接続され、他端は第２シリンダ２１のパワーピストン２２で区分けされる２つの空間のうちの一方の第１空間２４に接続されている。第１シリンダ１１内及び第２シリンダ２１の第１空間２４内には作動気体が封入されている。 The first cylinder 11 and the second cylinder 21 communicate with each other by a communication pipe 43. One end of the communication pipe 43 is connected to one end of the first cylinder 11, and the other end is connected to the first space 24 of one of the two spaces divided by the power piston 22 of the second cylinder 21. There is. The working gas is sealed in the first cylinder 11 and the first space 24 of the second cylinder 21.

第１シリンダ１１の他方の端部に、第１シリンダ１１を加熱する加熱部４４が取り付けられている。第２シリンダ２１には、第２シリンダ２１を冷却する冷却部４５が取り付けられている。これにより、第２シリンダ２１は第１シリンダ１１よりも低温になっている。 A heating unit 44 for heating the first cylinder 11 is attached to the other end of the first cylinder 11. A cooling unit 45 for cooling the second cylinder 21 is attached to the second cylinder 21. As a result, the temperature of the second cylinder 21 is lower than that of the first cylinder 11.

スターリングクーラー２は、第２シリンダ２１と、第２シリンダ２１内を往復動するパワーピストン２２と、第３シリンダ３１と、第３シリンダ３１内を往復動するディスプレーサ３２と、を有する。ディスプレーサ３２は第３シリンダ３１との間に隙間を有し、作動気体はこの隙間を通って流動が可能となっている。 The Stirling cooler 2 includes a second cylinder 21, a power piston 22 that reciprocates in the second cylinder 21, a third cylinder 31, and a displacer 32 that reciprocates in the third cylinder 31. The displacer 32 has a gap between it and the third cylinder 31, and the working gas can flow through this gap.

ディスプレーサ３２は連結部材（コネクティングロッド）３３によってクランクシャフト４０に連結している。ディスプレーサ３２は、パワーピストン２２よりも位相が９０°遅れて往復動するように、パワーピストン２２が接続するクランクピン４２ｂよりも９０°遅れて回転するクランクピン４２ｃに連結されている。 The displacer 32 is connected to the crankshaft 40 by a connecting member (connecting rod) 33. The displacer 32 is connected to a crank pin 42c that rotates 90 ° behind the crank pin 42b to which the power piston 22 is connected so that the displacer 32 reciprocates with a phase delayed by 90 ° from the power piston 22.

第２シリンダ２１と第３シリンダ３１は、連通管４６により連通している。連通管４６の一端は第２シリンダ２１のパワーピストン２２で区分けされる２つの空間のうちの他方の第２空間２５に接続され、他端は第３シリンダ３１の端部に接続されている。第３シリンダ３１内及び第２シリンダ２１の第２空間２５内には作動気体が封入されている。第３シリンダ３１の体積は、例えば第１シリンダ１１の体積と同じになっている。 The second cylinder 21 and the third cylinder 31 communicate with each other by a communication pipe 46. One end of the communication pipe 46 is connected to the second space 25 of the other of the two spaces divided by the power piston 22 of the second cylinder 21, and the other end is connected to the end of the third cylinder 31. The working gas is sealed in the third cylinder 31 and the second space 25 of the second cylinder 21. The volume of the third cylinder 31 is, for example, the same as the volume of the first cylinder 11.

第３シリンダ３１の表面に冷却対象物４７が取り付けられる。冷却対象物４７は、第３シリンダ３１の表面に直接接して取り付けられてもよいし、冷却仲介部４８を介して第３シリンダ３１の表面に取り付けられてもよい。冷却仲介部４８は、例えば液体窒素が封入された筐体であってもよい。 The object to be cooled 47 is attached to the surface of the third cylinder 31. The object to be cooled 47 may be attached in direct contact with the surface of the third cylinder 31, or may be attached to the surface of the third cylinder 31 via the cooling mediator 48. The cooling mediation unit 48 may be, for example, a housing in which liquid nitrogen is sealed.

ここで、冷却装置１００の動作について説明する。図２（ａ）から図３（ｂ）は、実施例１に係る冷却装置１００の動作を説明する図である。スターリングエンジン１は、加熱、膨張、冷却、圧縮を繰り返し行い、スターリングクーラー２は、予冷、膨張、昇温、圧縮を繰り返し行う。 Here, the operation of the cooling device 100 will be described. 2 (a) to 3 (b) are views for explaining the operation of the cooling device 100 according to the first embodiment. The Stirling engine 1 repeatedly heats, expands, cools, and compresses, and the Stirling cooler 2 repeatedly precools, expands, raises, and compresses.

図２（ａ）から図２（ｂ）に変化する工程は、スターリングエンジン１における加熱工程であり、スターリングクーラー２における予冷工程である。ディスプレーサ１２は上死点（クランク角０°）の位置から下降する。パワーピストン２２はディスプレーサ１２よりも９０°位相が遅れた位置（クランク角２７０°）から上昇し、ディスプレーサ３２はパワーピストン２２よりも９０°位相が遅れた位置（下死点：クランク角１８０°）から上昇する。ディスプレーサ１２が下降し、パワーピストン２２が上昇することで、第２シリンダ２１の第１空間２４内の作動気体が第１シリンダ１１に流入する。第１シリンダ１１内の作動気体は、加熱部４４により加熱されて温度が上昇し、膨張する。これにより、第１シリンダ１１内及び第２シリンダ２１の第１空間２４内の圧力が上昇する。また、パワーピストン２２とディスプレーサ３２が上昇することで、第３シリンダ３１内の作動気体が第２シリンダ２１の第２空間２５に流入する。 The step changing from FIG. 2A to FIG. 2B is a heating step in the Stirling engine 1 and a precooling step in the Stirling cooler 2. The displacer 12 descends from the top dead center (crank angle 0 °) position. The power piston 22 rises from a position 90 ° behind the displayer 12 (crank angle 270 °), and the displacer 32 is 90 ° behind the power piston 22 (bottom dead center: crank angle 180 °). Rise from. As the displacer 12 descends and the power piston 22 rises, the working gas in the first space 24 of the second cylinder 21 flows into the first cylinder 11. The working gas in the first cylinder 11 is heated by the heating unit 44 to raise the temperature and expand. As a result, the pressure in the first cylinder 11 and in the first space 24 of the second cylinder 21 rises. Further, as the power piston 22 and the displacer 32 rise, the working gas in the third cylinder 31 flows into the second space 25 of the second cylinder 21.

図２（ｂ）から図３（ａ）に変化する工程は、スターリングエンジン１及びスターリングクーラー２の膨張工程である。第１シリンダ１１内及び第２シリンダ２１の第１空間２４内の圧力が上昇することで、パワーピストン２２が押し下げられる。ディスプレーサ１２は下死点まで下降し、パワーピストン２２はクランク角９０°まで下降する。このときにスターリングエンジン１は駆動力を得る。パワーピストン２２が押し下げられることで、クランクシャフト４０は回転方向に９０°回転し、ディスプレーサ３２は上死点まで上昇する。このときに第３シリンダ３１内の作動気体は最大体積に膨張して温度が低下する。このとき、第３シリンダ３１の温度が冷却装置１００で実現される最も低い温度となる。 The step changing from FIG. 2B to FIG. 3A is an expansion step of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2. The power piston 22 is pushed down by increasing the pressure in the first cylinder 11 and in the first space 24 of the second cylinder 21. The displacer 12 descends to bottom dead center, and the power piston 22 descends to a crank angle of 90 °. At this time, the Stirling engine 1 obtains a driving force. When the power piston 22 is pushed down, the crankshaft 40 rotates 90 ° in the rotation direction, and the displacer 32 rises to the top dead center. At this time, the working gas in the third cylinder 31 expands to the maximum volume and the temperature drops. At this time, the temperature of the third cylinder 31 becomes the lowest temperature realized by the cooling device 100.

図３（ａ）から図３（ｂ）に変化する工程は、スターリングエンジン１の冷却工程であり、スターリングクーラー２の昇温工程である。フライホイール４１に蓄えられたエネルギーを利用してクランクシャフト４０が回転する。これにより、ディスプレーサ１２は下死点の位置から上昇し、パワーピストン２２はディスプレーサ１２から９０°遅れた位置（クランク角９０°）から下降する。ディスプレーサ３２は上死点の位置から下降する。パワーピストン２２が下降することで、作動気体は第１シリンダ１１から第２シリンダ２１の第１空間２４に流入して冷却され、第１シリンダ１１内及び第２シリンダ２１の第１空間２４内の圧力が低下する。パワーピストン２２及びディスプレーサ３２が下降することで、第３シリンダ３１内の作動気体は圧力が上昇して温度が上昇する。 The step changing from FIG. 3A to FIG. 3B is a cooling step of the Stirling engine 1 and a heating step of the Stirling cooler 2. The crankshaft 40 rotates using the energy stored in the flywheel 41. As a result, the displacer 12 rises from the bottom dead center position, and the power piston 22 descends from a position 90 ° behind the displacer 12 (crank angle 90 °). The displacer 32 descends from the top dead center position. As the power piston 22 descends, the working gas flows from the first cylinder 11 into the first space 24 of the second cylinder 21 to be cooled, and is cooled in the first cylinder 11 and in the first space 24 of the second cylinder 21. The pressure drops. When the power piston 22 and the displacer 32 are lowered, the pressure of the working gas in the third cylinder 31 rises and the temperature rises.

図３（ｂ）から図２（ａ）に変化する工程は、スターリングエンジン１及びスターリングクーラー２の圧縮工程である。第１シリンダ１１及び第２シリンダ２１の第１空間２４内の圧力が低下することで、パワーピストン２２が引き上げられる。パワーピストン２２が引き上げられることでクランクシャフト４０が回転方向に９０°回転し、ディスプレーサ１２は上死点の位置まで上昇し、パワーピストン２２はクランク角２７０°の位置まで上昇し、ディスプレーサ３２は下死点まで下降する。このときに、第３シリンダ３１内の作動気体は最小体積に圧縮されて圧縮熱が発生する。 The step changing from FIG. 3B to FIG. 2A is a compression step of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2. The power piston 22 is pulled up by reducing the pressure in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21. When the power piston 22 is pulled up, the crankshaft 40 rotates 90 ° in the rotational direction, the displacer 12 rises to the top dead center position, the power piston 22 rises to the crank angle 270 ° position, and the displacer 32 lowers. It descends to dead center. At this time, the working gas in the third cylinder 31 is compressed to the minimum volume and heat of compression is generated.

実施例１によれば、冷却装置１００は、スターリングエンジン１とスターリングクーラー２を備える。スターリングエンジン１は、第１シリンダ１１と、第１シリンダ１１の内部に往復動可能に設けられたディスプレーサ１２と、第１シリンダ１１よりも低温の第２シリンダ２１と、第２シリンダ２１の内部に往復動可能に設けられたパワーピストン２２と、を含む。パワーピストン２２はディスプレーサ１２よりも位相が９０°遅れて連動する。第１シリンダ１１は第２シリンダ２１がパワーピストン２２で区分けされる２つの空間のうちの一方の第１空間２４に連通している。スターリングクーラー２は、第２シリンダ２１と、パワーピストン２２と、第２シリンダ２１の２つの空間のうちの他方の第２空間２５に連通した第３シリンダ３１と、第３シリンダ３１の内部に往復動可能に設けられたディスプレーサ３２と、を含む。ディスプレーサ３２はパワーピストン２２よりも位相が９０°遅れて連動する。これにより、スターリングエンジン１から得られる駆動力によってスターリングクーラー２を駆動させることができる。スターリングエンジン１は、モーターよりも磁場が発生し難い。したがって、スターリングエンジン１を用いてスターリングクーラー２を駆動させることで、磁場が発生し難い冷却装置１００を得ることができる。また、例えば内燃機関を用いてスターリングクーラー２を駆動させる場合では、内燃機関は爆発工程によって振動が発生することから、冷却対象物４７が振動の影響を受けることになる。冷却対象物４７がセンサの場合、振動の影響を受けることで検出精度の低下が生じてしまう。一方、スターリングエンジン１は外燃機関であり振動が小さい。このため、スターリングエンジン１を用いてスターリングクーラー２を駆動させることで、冷却対象物４７への振動の影響も抑えることができる。 According to the first embodiment, the cooling device 100 includes a Stirling engine 1 and a Stirling cooler 2. The Stirling engine 1 is provided inside a first cylinder 11, a displacer 12 reciprocating inside the first cylinder 11, a second cylinder 21 having a temperature lower than that of the first cylinder 11, and a second cylinder 21. It includes a power piston 22 provided so as to be reciprocating. The power piston 22 is interlocked with a phase delayed by 90 ° from the displacer 12. The first cylinder 11 communicates with the first space 24 of one of the two spaces in which the second cylinder 21 is divided by the power piston 22. The Stirling cooler 2 reciprocates inside the second cylinder 21, the power piston 22, the third cylinder 31 communicating with the other second space 25 of the two spaces of the second cylinder 21, and the third cylinder 31. It includes a displacer 32 provided so as to be movable. The displacer 32 is interlocked with a phase delayed by 90 ° from the power piston 22. As a result, the Stirling cooler 2 can be driven by the driving force obtained from the Stirling engine 1. The Stirling engine 1 is less likely to generate a magnetic field than a motor. Therefore, by driving the Stirling cooler 2 using the Stirling engine 1, it is possible to obtain a cooling device 100 in which a magnetic field is unlikely to be generated. Further, for example, when the Stirling cooler 2 is driven by using an internal combustion engine, the internal combustion engine vibrates due to the explosion process, so that the object to be cooled 47 is affected by the vibration. When the object to be cooled 47 is a sensor, the detection accuracy is lowered due to the influence of vibration. On the other hand, the Stirling engine 1 is an external combustion engine and has small vibration. Therefore, by driving the Stirling cooler 2 using the Stirling engine 1, the influence of vibration on the object to be cooled 47 can be suppressed.

図４は、実施例２に係る冷却装置２００を示す断面図である。図４のように、冷却装置２００では、スターリングエンジン１とスターリングクーラー２が一直線上に並んで配置されている。すなわち、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１は、ディスプレーサ１２とパワーピストン２２が一直線上で往復動するように並んで配置されている。第２シリンダ２１と第３シリンダ３１は、パワーピストン２２とディスプレーサ３２が一直線上で往復動するように並んで配置されている。例えば、ディスプレーサ１２の中心軸とパワーピストン２２の中心軸とディスプレーサ３２の中心軸とは一致している。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing the cooling device 200 according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, in the cooling device 200, the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2 are arranged side by side in a straight line. That is, the first cylinder 11 and the second cylinder 21 are arranged side by side so that the displacer 12 and the power piston 22 reciprocate in a straight line. The second cylinder 21 and the third cylinder 31 are arranged side by side so that the power piston 22 and the displacer 32 reciprocate in a straight line. For example, the central axis of the displacer 12, the central axis of the power piston 22, and the central axis of the displacer 32 coincide with each other.

第１シリンダ１１、連通管４３、及び第２シリンダ２１の第１空間２４内には第１作動気体が流動可能に封入されている。第１作動気体は、例えばヘリウムガスであるが、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガスなどの希ガス、又は空気などのその他のガスでもよい。第２シリンダ２１の第２空間２５、連通管４６、及び第３シリンダ３１内には第２作動気体が流動可能に封入されている。第２作動気体は、例えばヘリウムガスであるが、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガスなどの希ガス、又は空気などのその他のガスでもよい。第１作動気体と第２作動気体は、異なる種類の気体であってもよいが、同じ種類の気体であることが好ましい。 The first working gas is fluidly sealed in the first space 24 of the first cylinder 11, the communication pipe 43, and the second cylinder 21. The first working gas is, for example, helium gas, but may be a rare gas such as nitrogen gas, hydrogen gas, argon gas, or other gas such as air. The second working gas is fluidly sealed in the second space 25 of the second cylinder 21, the communication pipe 46, and the third cylinder 31. The second working gas is, for example, helium gas, but may be a rare gas such as nitrogen gas, hydrogen gas, argon gas, or other gas such as air. The first working gas and the second working gas may be different types of gases, but are preferably the same type of gas.

パワーピストン２２はディスプレーサ１２よりも位相が９０°遅れて往復動するが、これは機構系６０によって実現されている。機構系６０は、連結部材１３、２３ａとクランクシャフト４０ａ、４０ｂとフライホイール４１ａを含む。連結部材１３の一端はディスプレーサ１２に接続され、他端はクランクシャフト４０ａの一端に接続されている。クランクシャフト４０ａの他端はフライホイール４１ａに接続されている。連結部材１３は、第１シリンダ１１の壁部を貫通して、ディスプレーサ１２とクランクシャフト４０ａに接続されている。クランクシャフト４０ａと連結部材１３はピンジョイント６４で角度自在に結合されている。連結部材２３ａの一端はパワーピストン２２に接続され、他端はクランクシャフト４０ｂの一端に接続されている。クランクシャフト４０ｂの他端はフライホイール４１ａに接続されている。連結部材２３ａは、第２シリンダ２１の壁部を貫通して、パワーピストン２２とクランクシャフト４０ｂに接続されている。クランクシャフト４０ｂと連結部材２３ａはピンジョイント６４で角度自在に結合されている。クランクシャフト４０ｂは、クランクシャフト４０ａがフライホイール４１ａに接続する箇所よりもフライホイール４１ａの回転方向とは反対方向に９０°ずれて接続されている。これにより、パワーピストン２２はディスプレーサ１２よりも位相が９０°遅れて往復動するようになる。 The power piston 22 reciprocates 90 ° behind the displacer 12, which is realized by the mechanical system 60. The mechanical system 60 includes connecting members 13, 23a, crankshafts 40a, 40b, and flywheel 41a. One end of the connecting member 13 is connected to the displacer 12, and the other end is connected to one end of the crankshaft 40a. The other end of the crankshaft 40a is connected to the flywheel 41a. The connecting member 13 penetrates the wall portion of the first cylinder 11 and is connected to the displacer 12 and the crankshaft 40a. The crankshaft 40a and the connecting member 13 are angularly connected by a pin joint 64. One end of the connecting member 23a is connected to the power piston 22, and the other end is connected to one end of the crankshaft 40b. The other end of the crankshaft 40b is connected to the flywheel 41a. The connecting member 23a penetrates the wall portion of the second cylinder 21 and is connected to the power piston 22 and the crankshaft 40b. The crankshaft 40b and the connecting member 23a are angularly connected by a pin joint 64. The crankshaft 40b is connected with a deviation of 90 ° in the direction opposite to the rotation direction of the flywheel 41a from the position where the crankshaft 40a is connected to the flywheel 41a. As a result, the power piston 22 reciprocates with a phase delayed by 90 ° from the displacer 12.

連通管４３は、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の間に機構系６０を配置することが可能となるように、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１よりも外側を延在している。第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の間に形成された空間は、機構系６０が配置された機構室６２となる。機構室６２は、連通管４３と、第１シリンダ１１及び第２シリンダ２１に接合された接合部材６５と、により気密封止されている。接合部材６５は、機構室６２の気密性を良好にするために金属部材であることが好ましいが、その他の部材であってもよい。 The communication pipe 43 extends outward from the first cylinder 11 and the second cylinder 21 so that the mechanical system 60 can be arranged between the first cylinder 11 and the second cylinder 21. The space formed between the first cylinder 11 and the second cylinder 21 becomes a mechanism chamber 62 in which the mechanism system 60 is arranged. The mechanism chamber 62 is hermetically sealed by a communication pipe 43 and a joining member 65 joined to the first cylinder 11 and the second cylinder 21. The joining member 65 is preferably a metal member in order to improve the airtightness of the mechanism chamber 62, but may be another member.

機構室６２内には、第１シリンダ１１、連通管４３、及び第２シリンダ２１の第１空間２４内に封入された第１作動気体と同じ第１作動気体が気密に封入されている。第１作動気体が封入された機構室６２内の圧力と、第１作動気体が封入された第１シリンダ１１、連通管４３、及び第２シリンダ２１の第１空間２４内の圧力と、は同じである場合が好ましい。なお、同じとは、完全に同じ圧力である場合に限られず、機構室６２内の圧力と第１シリンダ１１、連通管４３、及び第２シリンダ２１の第１空間２４内の圧力との差が±１０％以下の場合であればよい。 In the mechanism chamber 62, the same first working gas as the first working gas sealed in the first space 24 of the first cylinder 11, the communication pipe 43, and the second cylinder 21 is airtightly sealed. The pressure in the mechanism chamber 62 filled with the first working gas and the pressure in the first space 24 of the first cylinder 11, the communication pipe 43, and the second cylinder 21 filled with the first working gas are the same. Is preferable. The same is not limited to the case where the pressures are exactly the same, and the difference between the pressure in the mechanism chamber 62 and the pressure in the first space 24 of the first cylinder 11, the communication pipe 43, and the second cylinder 21 is The case may be ± 10% or less.

ディスプレーサ３２はパワーピストン２２よりも位相が９０°遅れて往復動するが、これは機構系６１によって実現されている。機構系６１は、連結部材２３ｂ、３３とクランクシャフト４０ｃ、４０ｄとフライホイール４１ｂを含む。連結部材２３ｂの一端はパワーピストン２２に接続され、他端はクランクシャフト４０ｃの一端に接続されている。クランクシャフト４０ｃの他端はフライホイール４１ｂに接続されている。連結部材２３ｂは、第２シリンダ２１の壁部を貫通して、パワーピストン２２とクランクシャフト４０ｃに接続されている。クランクシャフト４０ｃと連結部材２３ｂはピンジョイント６４で角度自在に結合されている。連結部材３３の一端はディスプレーサ３２に接続され、他端はクランクシャフト４０ｄの一端に接続されている。クランクシャフト４０ｄの他端はフライホイール４１ｂに接続されている。連結部材３３は、第３シリンダ３１の壁部を貫通して、ディスプレーサ３２とクランクシャフト４０ｄに接続されている。クランクシャフト４０ｄと連結部材３３はピンジョイント６４で角度自在に結合されている。クランクシャフト４０ｄは、クランクシャフト４０ｃがフライホイール４１ｂに接続する箇所よりもフライホイール４１ｂの回転方向とは反対方向に９０°ずれて接続されている。これにより、ディスプレーサ３２はパワーピストン２２よりも位相が９０°遅れて往復動するようになる。 The displacer 32 reciprocates with a phase 90 ° behind the power piston 22, which is realized by the mechanical system 61. The mechanical system 61 includes connecting members 23b and 33, crankshafts 40c and 40d, and a flywheel 41b. One end of the connecting member 23b is connected to the power piston 22, and the other end is connected to one end of the crankshaft 40c. The other end of the crankshaft 40c is connected to the flywheel 41b. The connecting member 23b penetrates the wall portion of the second cylinder 21 and is connected to the power piston 22 and the crankshaft 40c. The crankshaft 40c and the connecting member 23b are angularly connected by a pin joint 64. One end of the connecting member 33 is connected to the displacer 32, and the other end is connected to one end of the crankshaft 40d. The other end of the crankshaft 40d is connected to the flywheel 41b. The connecting member 33 penetrates the wall portion of the third cylinder 31 and is connected to the displacer 32 and the crankshaft 40d. The crankshaft 40d and the connecting member 33 are angularly connected by a pin joint 64. The crankshaft 40d is connected with a deviation of 90 ° in the direction opposite to the rotation direction of the flywheel 41b from the position where the crankshaft 40c is connected to the flywheel 41b. As a result, the displacer 32 reciprocates 90 ° behind the power piston 22.

連通管４６は、第２シリンダ２１と第３シリンダ３１の間に機構系６１を配置することが可能となるように、第２シリンダ２１と第３シリンダ３１よりも外側を延在している。第２シリンダ２１と第３シリンダ３１の間に形成された空間は、機構系６１が配置された機構室６３となる。機構室６３は、連通管４６と、第２シリンダ２１及び第３シリンダ３１に接合された接合部材６５と、により気密封止されている。なお、図４では、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１と第３シリンダ３１に１つの接合部材６５が接合されて、機構室６２、６３が気密封止されている場合を例に示しているが、この場合に限られない。第１シリンダ１１と第２シリンダ２１に接合されて機構室６２を気密封止する接合部材と、第２シリンダ２１と第３シリンダ３１に接合されて機構室６３を気密封止する接合部材とが、分離された別々の接合部材であってもよい。 The communication pipe 46 extends outside the second cylinder 21 and the third cylinder 31 so that the mechanical system 61 can be arranged between the second cylinder 21 and the third cylinder 31. The space formed between the second cylinder 21 and the third cylinder 31 becomes a mechanism chamber 63 in which the mechanism system 61 is arranged. The mechanism chamber 63 is airtightly sealed by a communication pipe 46 and a joining member 65 joined to the second cylinder 21 and the third cylinder 31. Note that FIG. 4 shows an example in which one joining member 65 is joined to the first cylinder 11, the second cylinder 21, and the third cylinder 31, and the mechanism chambers 62 and 63 are hermetically sealed. However, this is not the case. A joining member that is joined to the first cylinder 11 and the second cylinder 21 to hermetically seal the mechanism chamber 62, and a joining member that is joined to the second cylinder 21 and the third cylinder 31 to hermetically seal the mechanism chamber 63. , It may be a separate joining member separated.

機構室６３内には、第２シリンダ２１の第２空間２５、連通管４６、及び第３シリンダ３１内に封入された第２作動気体と同じ第２作動気体が気密に封入されている。第２作動気体が封入された機構室６３内の圧力と、第２作動気体が封入された第２シリンダ２１の第２空間２５、連通管４６、及び第３シリンダ３１内の圧力と、は同じである場合が好ましい。なお、同じとは、完全に同じ圧力である場合に限られず、機構室６３内の圧力と第２シリンダ２１の第２空間２５、連通管４６、及び第３シリンダ３１内の圧力との差が±１０％以下の場合であればよい。 The same second working gas as the second working gas sealed in the second space 25 of the second cylinder 21, the communication pipe 46, and the third cylinder 31 is airtightly sealed in the mechanism chamber 63. The pressure in the mechanism chamber 63 filled with the second working gas and the pressure in the second space 25, the communication pipe 46, and the third cylinder 31 of the second cylinder 21 filled with the second working gas are the same. Is preferable. The same is not limited to the case where the pressure is exactly the same, and the difference between the pressure in the mechanism chamber 63 and the pressure in the second space 25 of the second cylinder 21, the communication pipe 46, and the third cylinder 31 is the same. The case may be ± 10% or less.

加熱部４４は、例えば第１シリンダ１１の側壁のうちの機構室６２とは反対側の側壁に取り付けられている。加熱部４４は、例えば電熱ヒータであるが、温水又は廃熱などの熱源を用いた場合など、その他の場合でもよい。冷却部４５は、例えば第２シリンダ２１に対応する位置で接合部材６５の表面に取り付けられているが、第２シリンダ２１の表面に直接接して取り付けられていてもよい。冷却部４５は、例えば冷却水が循環する配管であるが、放熱フィンなど、その他の場合でもよい。冷却対象物４７は、例えば第３シリンダ３１の側壁のうちの機構室６３とは反対側の側壁に直接接して又は冷却仲介部を介して取り付けられる。 The heating unit 44 is attached to, for example, a side wall of the side wall of the first cylinder 11 opposite to the mechanism chamber 62. The heating unit 44 is, for example, an electric heater, but may be in other cases such as when a heat source such as hot water or waste heat is used. The cooling unit 45 is attached to the surface of the joining member 65 at a position corresponding to, for example, the second cylinder 21, but may be attached in direct contact with the surface of the second cylinder 21. The cooling unit 45 is, for example, a pipe through which cooling water circulates, but may be other cases such as heat radiation fins. The cooling object 47 is attached, for example, directly in contact with the side wall of the third cylinder 31 opposite to the mechanism chamber 63 or via a cooling mediator.

ここで、図５（ａ）から図５（ｄ）及び図６を用いて、冷却装置２００の動作による第１作動気体及び第２作動気体の流動と温度変化について説明する。図５（ａ）から図５（ｄ）は、冷却装置２００の動作と第１作動気体及び第２作動気体の流動とを説明する図である。なお、図５（ａ）から図５（ｄ）では、第１作動気体及び第２作動気体の流れを太矢印で示している。図６は、第１作動気体及び第２作動気体の温度変化を説明する図である。図６の横軸は時間であり、図５（ａ）のタイミングをＩ、図５（ｂ）のタイミングをＩＩ、図５（ｃ）のタイミングをＩＩＩ、図５（ｄ）のタイミングをＩＶとしている。図６の縦軸は温度である。図６では、第１シリンダ１１での第１作動気体の温度変化を点線、第２シリンダ２１の第１空間２４での第１作動気体の温度変化を一点鎖線、第２シリンダ２１の第２空間２５での第２作動気体の温度変化を破線、第３シリンダ３１での第２作動気体の温度変化を実線で示している。なお、図６は、第１作動気体及び第２作動気体の温度が安定状態まで低下し、スターリングエンジン１及びスターリングクーラー２のエネルギー変換効率が４０％程度であるときの第１作動気体及び第２作動気体の温度変化を図示している。 Here, the flow and temperature change of the first working gas and the second working gas due to the operation of the cooling device 200 will be described with reference to FIGS. 5A to 5D and FIG. 5 (a) to 5 (d) are diagrams for explaining the operation of the cooling device 200 and the flow of the first working gas and the second working gas. In addition, in FIGS. 5A to 5D, the flow of the first working gas and the second working gas is indicated by a thick arrow. FIG. 6 is a diagram illustrating temperature changes of the first working gas and the second working gas. The horizontal axis of FIG. 6 is time, where I is the timing of FIG. 5 (a), II is the timing of FIG. 5 (b), III is the timing of FIG. 5 (c), and IV is the timing of FIG. 5 (d). There is. The vertical axis of FIG. 6 is the temperature. In FIG. 6, the temperature change of the first working gas in the first cylinder 11 is a dotted line, the temperature change of the first working gas in the first space 24 of the second cylinder 21 is a alternate long and short dash line, and the second space of the second cylinder 21. The temperature change of the second working gas at 25 is shown by a broken line, and the temperature change of the second working gas at the third cylinder 31 is shown by a solid line. In addition, FIG. 6 shows the first working gas and the second working gas when the temperatures of the first working gas and the second working gas are lowered to a stable state and the energy conversion efficiency of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2 is about 40%. The temperature change of the working gas is illustrated.

図５（ａ）から図５（ｂ）への変化は、スターリングエンジン１における加熱工程、スターリングクーラー２における予冷工程である。図５（ｂ）の状態では、スターリングエンジン１においては、第１シリンダ１１で温められた第１作動気体が膨張して第２シリンダ２１に流れるとともに、第２シリンダ２１では第１作動気体が圧縮されて第１シリンダ１１に流れる。このため、図６のように、ＩからＩＩへの変化において、第１シリンダ１１では第１作動気体の温度が低下し、第２シリンダ２１の第１空間２４では第１作動気体の温度が上昇する。スターリングクーラー２においては、第３シリンダ３１では膨張によって第２作動気体の温度が低下し、第２シリンダ２１では第２空間２５の体積が増大するとともに第３シリンダ３１から温度が低下した第２作動気体が流れ込む。このため、図６のように、ＩからＩＩへの変化においては、第２シリンダ２１の第２空間２５及び第３シリンダ３１では第２作動気体の温度が低下する。 The change from FIG. 5A to FIG. 5B is a heating step in the Stirling engine 1 and a precooling step in the Stirling cooler 2. In the state of FIG. 5B, in the Stirling engine 1, the first working gas warmed by the first cylinder 11 expands and flows to the second cylinder 21, and the first working gas is compressed in the second cylinder 21. It flows to the first cylinder 11. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from I to II, the temperature of the first working gas decreases in the first cylinder 11, and the temperature of the first working gas rises in the first space 24 of the second cylinder 21. To do. In the Stirling cooler 2, the temperature of the second working gas is lowered by expansion in the third cylinder 31, the volume of the second space 25 is increased in the second cylinder 21, and the temperature is lowered from the third cylinder 31 in the second operation. Gas flows in. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from I to II, the temperature of the second working gas decreases in the second space 25 and the third cylinder 31 of the second cylinder 21.

図５（ｂ）から図５（ｃ）への変化は、スターリングエンジン１及びスターリングクーラー２の膨張工程である。図５（ｃ）の状態では、スターリングエンジン１においては、第１シリンダ１１で温められた第１作動空気が膨張して第２シリンダ２１に流れて冷却部４５で冷却され、第２シリンダ２１で冷やされた第１作動気体は第１シリンダ１１に流れる。また、フライホイール４１ａの回転によって第１シリンダ１１及び第２シリンダ２１の第１空間２４の体積が増大する。このため、図６のように、ＩＩからＩＩＩへの変化においては、第１シリンダ１１及び第２シリンダ２１の第１空間２４では第１作動気体の温度が低下する。スターリングクーラー２においては、第２シリンダ２１から冷却水温程度に温められた第２作動気体が第３シリンダ３１に流れるとともに、第２シリンダ２１の第２空間２５では第２作動気体が圧縮される。第３シリンダ３１では膨張による第２作動気体の体積が最大となる。このため、図６のように、ＩＩからＩＩＩへの変化においては、第２シリンダ２１の第２空間２５では第２作動気体の温度は上昇し、第３シリンダ３１では第２作動気体の温度が最低温度まで低下する。 The change from FIG. 5 (b) to FIG. 5 (c) is an expansion step of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2. In the state of FIG. 5C, in the Stirling engine 1, the first working air warmed by the first cylinder 11 expands, flows to the second cylinder 21, is cooled by the cooling unit 45, and is cooled by the second cylinder 21. The cooled first working gas flows into the first cylinder 11. Further, the rotation of the flywheel 41a increases the volume of the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from II to III, the temperature of the first working gas decreases in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21. In the Stirling cooler 2, the second working gas warmed to about the cooling water temperature flows from the second cylinder 21 to the third cylinder 31, and the second working gas is compressed in the second space 25 of the second cylinder 21. In the third cylinder 31, the volume of the second working gas due to expansion becomes maximum. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from II to III, the temperature of the second working gas rises in the second space 25 of the second cylinder 21, and the temperature of the second working gas rises in the third cylinder 31. It drops to the lowest temperature.

図５（ｃ）から図５（ｄ）への変化は、スターリングエンジン１の冷却工程であり、スターリングクーラー２の昇温工程である。図５（ｄ）の状態では、スターリングエンジン１においては、第１シリンダ１１から第２シリンダ２１に温められた第１作動気体が流れるとともに、第１シリンダ１１では第１作動気体に圧縮が生じる。第２シリンダ２１の第１空間２４ではフライホイール４１ａの回転によって第１作動気体に強制的に膨張が生じる。このため、図６のように、ＩＩＩからＩＶへの変化においては、第１シリンダ１１では第１作動気体の温度は上昇し、第２シリンダ２１の第１空間２４では第１作動気体の温度は低下する。スターリングクーラー２において、第２シリンダ２１から冷却水温程度に温められた第２作動気体が第３シリンダ３１に流れるとともに、第３シリンダ３１から低温に冷やされた第２作動気体が第２シリンダ２１に流れる。また、第２シリンダ２１の第２空間２５及び第３シリンダ３１では第２作動気体に圧縮が生じる。このため、図６のように、ＩＩＩからＩＶへの変化においては、第２シリンダ２１の第２空間２５及び第３シリンダ３１では第２作動気体の温度は上昇する。 The change from FIG. 5C to FIG. 5D is a cooling step of the Stirling engine 1 and a heating step of the Stirling cooler 2. In the state of FIG. 5D, in the Stirling engine 1, the warmed first working gas flows from the first cylinder 11 to the second cylinder 21, and the first working gas is compressed in the first cylinder 11. In the first space 24 of the second cylinder 21, the rotation of the flywheel 41a forcibly causes the first working gas to expand. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from III to IV, the temperature of the first working gas rises in the first cylinder 11, and the temperature of the first working gas rises in the first space 24 of the second cylinder 21. descend. In the Stirling cooler 2, the second working gas warmed to about the cooling water temperature flows from the second cylinder 21 to the third cylinder 31, and the second working gas cooled to a low temperature from the third cylinder 31 flows to the second cylinder 21. It flows. Further, in the second space 25 and the third cylinder 31 of the second cylinder 21, compression occurs in the second working gas. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from III to IV, the temperature of the second working gas rises in the second space 25 and the third cylinder 31 of the second cylinder 21.

図５（ｄ）から図５（ａ）への変化は、スターリングエンジン１及びスターリングクーラー２の圧縮工程である。図５（ａ）の状態では、スターリングエンジン１においては、第２シリンダ２１から第１シリンダ１１に第１作動気体が流れる。また、第１シリンダ１１及び第２シリンダ２１の第１空間２４では第１作動気体に圧縮が生じる。このため、図６のように、ＩＶからＩへの変化においては、第１シリンダ１１及び第２シリンダ２１の第１空間２４では第１作動気体の温度は上昇する。スターリングクーラー２においては、第２シリンダ２１から第３シリンダ３１に第２作動気体が流れるとともに、第３シリンダ３１から第２シリンダ２１に第２作動気体が流れる。また、第２シリンダ２１の第２空間２５ではフライホイール４１ａの回転によって第２作動気体に強制的に膨張が生じ、第３シリンダ３１では第２作動気体に圧縮が生じる。このため、図６のように、ＩＶからＩへの変化においては、第２シリンダ２１の第２空間２５では第２作動気体の温度が低下し、第３シリンダ３１では第２作動気体の温度が上昇する。 The change from FIG. 5D to FIG. 5A is a compression step of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2. In the state of FIG. 5A, in the Stirling engine 1, the first working gas flows from the second cylinder 21 to the first cylinder 11. Further, in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21, compression occurs in the first working gas. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from IV to I, the temperature of the first working gas rises in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21. In the Stirling cooler 2, the second working gas flows from the second cylinder 21 to the third cylinder 31, and the second working gas flows from the third cylinder 31 to the second cylinder 21. Further, in the second space 25 of the second cylinder 21, the rotation of the flywheel 41a forcibly expands the second working gas, and in the third cylinder 31, the second working gas is compressed. Therefore, as shown in FIG. 6, in the change from IV to I, the temperature of the second working gas drops in the second space 25 of the second cylinder 21, and the temperature of the second working gas drops in the third cylinder 31. To rise.

次に、冷却装置２００で得られる冷却温度の例について説明する。例えば、加熱部４４の温度が１３５０℃、冷却部４５の温度が２０℃であり、スターリングエンジン１及びスターリングクーラー２のエネルギー変換効率が４０％である場合を想定する。この場合、スターリングエンジン１では、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の温度差１３５０℃−２０℃＝１３３０℃とエネルギー変換効率４０％とにより算出される５３２℃に相当する温度差分の運動エネルギーが生じる。したがって、スターリングクーラー２では、エネルギー変換効率が４０％であることを考慮すると、（２０℃−５３２℃）×０．４で表される運動エネルギーからの熱変換が生じて−２０５℃程度の冷却温度が得られる。 Next, an example of the cooling temperature obtained by the cooling device 200 will be described. For example, it is assumed that the temperature of the heating unit 44 is 1350 ° C., the temperature of the cooling unit 45 is 20 ° C., and the energy conversion efficiency of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2 is 40%. In this case, in the Stirling engine 1, the kinetic energy of the temperature difference corresponding to 532 ° C. calculated by the temperature difference of 1350 ° C.-20 ° C. = 1330 ° C. between the first cylinder 11 and the second cylinder 21 and the energy conversion efficiency of 40% is obtained. Occurs. Therefore, in the Stirling cooler 2, considering that the energy conversion efficiency is 40%, heat conversion from the kinetic energy represented by (20 ° C.-532 ° C.) × 0.4 occurs, and cooling is performed at about −205 ° C. The temperature is obtained.

したがって、冷却装置２００で取得したい冷却温度が予め決まっている場合には、この冷却温度が得られるように加熱部４４と冷却部４５の温度を適切に設定すればよい。すなわち、加熱部４４の温度をＸ、冷却部４５の温度をＹ、スターリングクーラー２で取得したい冷却温度をＺとし、スターリングエンジン１のエネルギー変換効率をｍ％、スターリングクーラー２のエネルギー変換効率をｎ％とする。この場合に、｛Ｙ−（（Ｘ−Ｙ）×ｍ％）｝×ｎ％＝Ｚを満たすようにすればよい。ｍ％、ｎ％はスターリングエンジン１、スターリングクーラー２の性能を示す特定の値であり、Ｚは冷却装置２００で取得したい値であることから、予め決定されている。したがって、加熱部４４の温度Ｘと冷却部４５の温度Ｙを適切な関係になるようにすることで、冷却温度Ｚが得られる。また、冷却部４５が冷却水を循環するような場合では冷却部４５の温度Ｙは決定されているため、加熱部４４の温度Ｘを適切な値にすればよい。 Therefore, when the cooling temperature to be acquired by the cooling device 200 is determined in advance, the temperatures of the heating unit 44 and the cooling unit 45 may be appropriately set so that this cooling temperature can be obtained. That is, the temperature of the heating unit 44 is X, the temperature of the cooling unit 45 is Y, the cooling temperature to be acquired by the Stirling cooler 2 is Z, the energy conversion efficiency of the Stirling engine 1 is m%, and the energy conversion efficiency of the Stirling cooler 2 is n. %. In this case, {Y− ((XY) × m%)} × n% = Z may be satisfied. Since m% and n% are specific values indicating the performance of the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2, and Z is a value desired to be acquired by the cooling device 200, they are predetermined. Therefore, the cooling temperature Z can be obtained by making the temperature X of the heating unit 44 and the temperature Y of the cooling unit 45 have an appropriate relationship. Further, in the case where the cooling unit 45 circulates the cooling water, the temperature Y of the cooling unit 45 is determined, so that the temperature X of the heating unit 44 may be set to an appropriate value.

実施例２によれば、スターリングエンジン１は機構系６０を備える。機構系６０は、ディスプレーサ１２に一端が接続された連結部材１３と、連結部材１３の他端に接続されたクランクシャフト４０ａと、を含む。また、機構系６０は、パワーピストン２２に一端が接続された連結部材２３ａと、連結部材２３ａの他端に接続されたクランクシャフト４０ｂと、クランクシャフト４０ａ、４０ｂが接続したフライホイール４１ａと、を含む。機構系６０は、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の第１空間２４に封入された第１作動気体と同じ第１作動気体が気密に封入された機構室６２内に配置されている。このように、スターリングエンジン１の機構系６０が、第１作動気体が気密封入された機構室６２内に配置されていることで、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の第１空間２４に封入された第１作動気体が冷却装置２００の外部へ漏れることを抑制できる。例えば、第１シリンダ１１の壁部と連結部材１３の間のシール性及び第２シリンダ２１の壁部と連結部材２３ａの間のシール性が劣化した場合でも、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の第１空間２４に封入される第１作動気体の量の減少が抑制される。これにより、スターリングエンジン１の効率の低下を抑制できる。 According to the second embodiment, the Stirling engine 1 includes a mechanical system 60. The mechanical system 60 includes a connecting member 13 having one end connected to the displacer 12 and a crankshaft 40a connected to the other end of the connecting member 13. Further, the mechanical system 60 includes a connecting member 23a having one end connected to the power piston 22, a crankshaft 40b connected to the other end of the connecting member 23a, and a flywheel 41a to which the crankshafts 40a and 40b are connected. Including. The mechanism system 60 is arranged in a mechanism chamber 62 in which the same first working gas as the first working gas sealed in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21 is airtightly sealed. As described above, the mechanical system 60 of the Stirling engine 1 is arranged in the mechanism chamber 62 in which the first working gas is airtightly sealed, so that the mechanical system 60 is enclosed in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21. It is possible to prevent the generated first working gas from leaking to the outside of the cooling device 200. For example, even if the sealing property between the wall portion of the first cylinder 11 and the connecting member 13 and the sealing property between the wall portion of the second cylinder 21 and the connecting member 23a deteriorate, the first cylinder 11 and the second cylinder 21 The decrease in the amount of the first working gas enclosed in the first space 24 of the above is suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of the Stirling engine 1.

同様に、スターリングクーラー２は機構系６１を備える。機構系６１は、パワーピストン２２に一端が接続された連結部材２３ｂと、連結部材２３ｂの他端に接続されたクランクシャフト４０ｃと、を含む。また、機構系６１は、ディスプレーサ３２に一端が接続された連結部材３３と、連結部材３３に他端が接続されたクランクシャフト４０ｄと、クランクシャフト４０ｃ、４０ｄが接続したフライホイール４１ｂと、を含む。機構系６１は、第２シリンダ２１の第２空間２５と第３シリンダ３１に封入された第２作動気体と同じ第２作動気体が気密に封入された機構室６３内に配置されている。このように、スターリングクーラー２の機構系６１が、第２作動気体が気密封入された機構室６３内に配置されていることで、第２シリンダ２１の第２空間２５と第３シリンダ３１に封入された第２作動気体が冷却装置２００の外部へ漏れることを抑制できる。例えば、第２シリンダ２１の壁部と連結部材２３ｂの間のシール性及び第３シリンダ３１の壁部と連結部材３３の間のシール性が劣化した場合でも、第２シリンダ２１の第２空間２５と第３シリンダ３１に封入される第２作動気体の量の減少が抑制される。これにより、スターリングクーラー２の効率の低下を抑制できる。 Similarly, the Stirling cooler 2 includes a mechanical system 61. The mechanical system 61 includes a connecting member 23b having one end connected to the power piston 22 and a crankshaft 40c connected to the other end of the connecting member 23b. Further, the mechanical system 61 includes a connecting member 33 having one end connected to the displacer 32, a crankshaft 40d having the other end connected to the connecting member 33, and a flywheel 41b to which the crankshafts 40c and 40d are connected. .. The mechanism system 61 is arranged in the mechanism chamber 63 in which the same second working gas as the second working gas sealed in the second space 25 of the second cylinder 21 and the third cylinder 31 is airtightly sealed. As described above, the mechanical system 61 of the Stirling cooler 2 is arranged in the mechanism chamber 63 in which the second working gas is airtightly sealed, so that the mechanical system 61 is enclosed in the second space 25 and the third cylinder 31 of the second cylinder 21. It is possible to prevent the second working gas from leaking to the outside of the cooling device 200. For example, even if the sealing property between the wall portion of the second cylinder 21 and the connecting member 23b and the sealing property between the wall portion of the third cylinder 31 and the connecting member 33 deteriorate, the second space 25 of the second cylinder 21 And the decrease in the amount of the second working gas sealed in the third cylinder 31 is suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of the Stirling cooler 2.

機構室６２内に気密封入された第１作動気体の圧力と第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の第１空間２４に封入された第１作動気体の圧力とは同じである場合が好ましい。これにより、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の第１空間２４に封入された第１作動気体の漏れを効果的に抑制できる。同様に、機構室６３内に気密封入された第２作動気体の圧力と第２シリンダ２１の第２空間２５と第３シリンダ３１に封入された第２作動気体の圧力とは同じである場合が好ましい。これにより、第２シリンダ２１の第２空間２５と第３シリンダ３１に封入された第２作動気体の漏れを効果的に抑制できる。なお、圧力が同じとは、完全に同じ場合に限られず、圧力の差が±１０％以下である場合でもよく、±５％以下の場合でもよく、±３％以下の場合でもよい。 It is preferable that the pressure of the first working gas airtightly sealed in the mechanism chamber 62 and the pressure of the first working gas sealed in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21 are the same. As a result, leakage of the first working gas sealed in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21 can be effectively suppressed. Similarly, the pressure of the second working gas hermetically sealed in the mechanism chamber 63 may be the same as the pressure of the second working gas sealed in the second space 25 and the third cylinder 31 of the second cylinder 21. preferable. As a result, leakage of the second working gas sealed in the second space 25 of the second cylinder 21 and the third cylinder 31 can be effectively suppressed. The pressure is not limited to exactly the same, and the pressure difference may be ± 10% or less, ± 5% or less, or ± 3% or less.

図４のように、スターリングエンジン１とスターリングクーラー２が動作する際に、フライホイール４１ａとフライホイール４１ｂは反対方向に回転することが好ましい。これにより、フライホイール４１ａ、４１ｂは互いに回転モーメントを打ち消す方向に回転するため、振動の発生を抑制することができる。 As shown in FIG. 4, when the Stirling engine 1 and the Stirling cooler 2 operate, the flywheel 41a and the flywheel 41b preferably rotate in opposite directions. As a result, the flywheels 41a and 41b rotate in directions that cancel each other's rotational moments, so that the generation of vibration can be suppressed.

図４のように、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１と第３シリンダ３１は、ディスプレーサ１２とパワーピストン２２とディスプレーサ３２が往復動する方向で一直線上に並んで配置されていることが好ましい。そして、機構室６２は、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の間に設けられ、連通管４３と接合部材６５によって気密封止されていることが好ましい。機構室６３は、第２シリンダ２１と第３シリンダ３１の間に設けられ、連通管４６と接合部材６５によって気密封止されていることが好ましい。これにより、冷却装置２００が大型になることを抑制できるとともに、機構室６２、６３を容易に気密封止することができる。つまり、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の第１空間２４に封入された第１作動気体及び第２シリンダ２１の第２空間２５と第３シリンダ３１に封入された第２作動気体の漏れが抑制される構造を容易に得ることができる。 As shown in FIG. 4, the first cylinder 11, the second cylinder 21, and the third cylinder 31 are preferably arranged side by side in a straight line in the direction in which the displacer 12, the power piston 22, and the displacer 32 reciprocate. The mechanism chamber 62 is preferably provided between the first cylinder 11 and the second cylinder 21 and airtightly sealed by the communication pipe 43 and the joining member 65. The mechanism chamber 63 is preferably provided between the second cylinder 21 and the third cylinder 31 and airtightly sealed by the communication pipe 46 and the joining member 65. As a result, it is possible to prevent the cooling device 200 from becoming large, and the mechanism chambers 62 and 63 can be easily airtightly sealed. That is, leakage of the first working gas sealed in the first space 24 of the first cylinder 11 and the second cylinder 21 and the second working gas sealed in the second space 25 and the third cylinder 31 of the second cylinder 21 leaks. A suppressed structure can be easily obtained.

図４のように、第１シリンダ１１を加熱する加熱部４４と、第２シリンダを冷却する冷却部４５と、を備えることが好ましい。これにより、第１シリンダ１１と第２シリンダ２１の温度差を大きく取ることが可能となり、冷却装置２００の第３シリンダ３１で実現し得る冷却温度を低くすることができる。 As shown in FIG. 4, it is preferable to include a heating unit 44 for heating the first cylinder 11 and a cooling unit 45 for cooling the second cylinder. As a result, the temperature difference between the first cylinder 11 and the second cylinder 21 can be made large, and the cooling temperature that can be realized by the third cylinder 31 of the cooling device 200 can be lowered.

冷却装置２００で冷却される冷却対象物４７は、磁場を検出する磁気センサである場合が好ましい。冷却装置２００は磁場が発生し難いことから、磁気センサの検出精度の低下を抑制できる。例えば、冷却対象物４７は、極めて弱い磁場を検出する超伝導量子干渉計である場合が好ましい。超伝導量子干渉計は、ニオブ系合金又はイットリウム系合金などの物質を超伝導状態にして用いられるが、これらは臨界磁場が低い。冷却装置２００は磁場が発生し難いことから、ニオブ系合金又はイットリウム系合金などの物質が超伝導状態でなくなることを抑制できる。 The object to be cooled 47 to be cooled by the cooling device 200 is preferably a magnetic sensor that detects a magnetic field. Since the cooling device 200 is unlikely to generate a magnetic field, it is possible to suppress a decrease in the detection accuracy of the magnetic sensor. For example, the object to be cooled 47 is preferably a superconducting quantum interferometer that detects an extremely weak magnetic field. Superconducting quantum interferometers are used with substances such as niobium-based alloys and yttrium-based alloys in a superconducting state, but these have a low critical magnetic field. Since the cooling device 200 is unlikely to generate a magnetic field, it is possible to prevent a substance such as a niobium alloy or an yttrium alloy from being in a superconducting state.

冷却装置２００において、連通管４３に蓄熱式再生器が設けられていてもよい。蓄熱式再生器は、第１シリンダ１１から第２シリンダ２１に第１作動気体が流れる際に第１作動気体を冷却するとともにその熱を蓄熱する。また、第２シリンダ２１から第１シリンダ１１に第１作動気体が流れる際に蓄熱された熱を放熱するとともに自身を冷却する。同様に、連通管４６に蓄熱式再生器が設けられていてもよい。 In the cooling device 200, a heat storage type regenerator may be provided in the communication pipe 43. The heat storage type regenerator cools the first working gas and stores the heat when the first working gas flows from the first cylinder 11 to the second cylinder 21. Further, when the first working gas flows from the second cylinder 21 to the first cylinder 11, the heat stored is dissipated and the self is cooled. Similarly, the communication pipe 46 may be provided with a heat storage type regenerator.

図７は、実施例３に係る冷却装置３００を示す断面図である。図７のように、冷却装置３００では、第１シリンダ１１内にはディスプレーサ１２の代わりにピストン１４が設けられ、第３シリンダ３１内にはディスプレーサ３２の代わりにピストン３４が設けられている。連通管４３は、ピストン１４に対して連結部材１３とは反対側で第１シリンダ１１に接続されている。連通管４６は、ピストン３４に対して連結部材３３とは反対側で第３シリンダ３１に接続されている。その他の構成は、図４の冷却装置２００と同じであるため説明を省略する。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing the cooling device 300 according to the third embodiment. As shown in FIG. 7, in the cooling device 300, a piston 14 is provided in the first cylinder 11 instead of the displacer 12, and a piston 34 is provided in the third cylinder 31 instead of the displacer 32. The communication pipe 43 is connected to the first cylinder 11 on the side opposite to the connecting member 13 with respect to the piston 14. The communication pipe 46 is connected to the third cylinder 31 on the side opposite to the connecting member 33 with respect to the piston 34. Since other configurations are the same as those of the cooling device 200 of FIG. 4, the description thereof will be omitted.

実施例２の冷却装置２００のように、第１シリンダ１１内に往復動可能にディスプレーサ１２が設けられていてもよいし、実施例３の冷却装置３００のように、第１シリンダ１１内に往復動可能にピストン１４が設けられていてもよい。同様に、実施例２の冷却装置２００のように、第３シリンダ３１内に往復動可能にディスプレーサ３２が設けられていてもよいし、実施例３の冷却装置３００のように、第３シリンダ３１内に往復動可能にピストン３４が設けられていてもよい。なお、上述したように、ディスプレーサはシリンダとの間に隙間を有し、作動気体はこの隙間を通って流動が可能となっている。ピストンはシリンダとの間に隙間をほとんど有さず、作動気体はシリンダとピストンとの間を流動することが難しくなっている。 A displacer 12 may be provided in the first cylinder 11 so as to be reciprocating as in the cooling device 200 of the second embodiment, or reciprocating in the first cylinder 11 as in the cooling device 300 of the third embodiment. The piston 14 may be provided so as to be movable. Similarly, the displacer 32 may be provided in the third cylinder 31 so as to be reciprocating as in the cooling device 200 of the second embodiment, or the third cylinder 31 may be provided in the third cylinder 31 as in the cooling device 300 of the third embodiment. A piston 34 may be provided so as to be able to reciprocate inside. As described above, the displacer has a gap between the displacer and the cylinder, and the working gas can flow through this gap. The piston has almost no gap between the cylinder and the working gas, making it difficult for the working gas to flow between the cylinder and the piston.

実施例１及び実施例２では、パワーピストン２２は、ディスプレーサ１２又はピストン１４に位相が９０°遅れて往復動する場合を例に示したが、この場合に限られない。例えば、パワーピストン２２は、ディスプレーサ１２又はピストン１４に位相が８５°から９５°の範囲内で遅れて往復動する場合でもよい。同様に、ディスプレーサ３２又はピストン３４は、パワーピストン２２に位相が９０°遅れて往復動する場合に限られず、８５°から９５°の範囲内で遅れて往復動する場合でもよい。 In the first and second embodiments, the power piston 22 reciprocates with a phase delay of 90 ° from the displacer 12 or the piston 14, but the case is not limited to this case. For example, the power piston 22 may reciprocate with a delay in the phase of 85 ° to 95 ° with respect to the displacer 12 or the piston 14. Similarly, the displacer 32 or the piston 34 is not limited to the case where the power piston 22 reciprocates with a phase delay of 90 °, and may reciprocate with a delay within the range of 85 ° to 95 °.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific examples, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１スターリングエンジン
２スターリングクーラー
１１第１シリンダ
１２ディスプレーサ
１３連結部材
１４ピストン
２１第２シリンダ
２２パワーピストン
２３、２３ａ、２３ｂ連結部材
２４第１空間
２５第２空間
３１第３シリンダ
３２ディスプレーサ
３３連結部材
３４ピストン
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄクランクシャフト
４１、４１ａ、４１ｂフライホイール
４２ａ、４２ｂ、４２ｃクランクピン
４３、４６連通管
４４加熱部
４５冷却部
４７冷却対象物
６０、６１機構系
６２、６３機構室
６５接合部材
１００、２００、３００冷却装置 1 Stirling engine 2 Stirling cooler 11 1st cylinder 12 Displacer 13 Connecting member 14 Piston 21 2nd cylinder 22 Power piston 23, 23a, 23b Connecting member 24 1st space 25 2nd space 31 3rd cylinder 32 Displacer 33 Connecting member 34 Piston 40, 40a, 40b, 40c, 40d Crankshaft 41, 41a, 41b Flywheel 42a, 42b, 42c Crank pin 43, 46 Communication pipe 44 Heating part 45 Cooling part 47 Cooling object 60, 61 Mechanical system 62, 63 Mechanical chamber 65 Joint member 100, 200, 300 Cooling device

Claims

A first cylinder, a first displacer or a first piston reciprocally provided inside the first cylinder, a second cylinder having a temperature lower than that of the first cylinder, and reciprocating inside the second cylinder. 2. The first cylinder is divided by the second piston of the second cylinder, including a second piston that is possibly provided and interlocks with the first displacer or the first piston with a predetermined phase delay. A sterling engine that communicates with one of the two spaces,
The second cylinder, the second piston, the third cylinder communicating with the other space of the two spaces of the second cylinder, and the third cylinder are provided so as to be reciprocating inside the third cylinder. A cooling device comprising a sterling cooler including a second displacer or a third piston that interlocks with the second piston with a predetermined phase delay.

The Stirling engine has a first connecting member having one end connected to the first displacer or the first piston, a first crankshaft connected to the other end of the first connecting member, and one end to the second piston. Includes a second connecting member to which is connected, a second crankshaft connected to the other end of the second connecting member, and a first flywheel to which the first crankshaft and the second crankshaft are connected. Equipped with the first mechanism system
The sterling cooler has a third connecting member having one end connected to the second piston, a third crankshaft connected to the other end of the third connecting member, and one end to the second displacer or the third piston. Includes a fourth connecting member to which is connected, a fourth crankshaft connected to the other end of the fourth connecting member, and a second flywheel to which the third crankshaft and the fourth crankshaft are connected. Equipped with a second mechanism system
The first mechanism system is arranged in a first mechanism chamber in which the same working gas as the working gas sealed in the one space of the first cylinder and the second cylinder is airtightly sealed.
The second mechanism system is arranged in the other space of the second cylinder and in the second mechanism chamber in which the same working gas as the working gas sealed in the third cylinder is airtightly sealed. The cooling device described.

The pressure of the working gas hermetically sealed in the first mechanism chamber and the pressure of the working gas sealed in the one space of the first cylinder and the second cylinder are the same.
2. The second mechanism, wherein the pressure of the working gas hermetically sealed in the second mechanism chamber, the other space of the second cylinder, and the pressure of the working gas sealed in the third cylinder are the same. Cooling device.

The cooling device according to claim 2 or 3, wherein when the Stirling engine and the Stirling cooler operate, the first flywheel and the second flywheel rotate in opposite directions.

The first cylinder, the second cylinder, and the third cylinder are aligned in a straight line in the direction in which the first displacer or the first piston and the second piston and the second displacer or the third piston reciprocate. Placed in,
The first mechanism room is provided between the first cylinder and the second cylinder, and the first communication pipe and the first and second communication pipes that communicate the space between the first cylinder and the second cylinder. Airtightly sealed by a joining member joined to the cylinder
The second mechanism room is provided between the second cylinder and the third cylinder, and has a second communication pipe and the second and third cylinders that communicate the other space of the second cylinder with the third cylinder. The cooling device according to any one of claims 2 to 4, which is airtightly sealed with a joining member joined to the cylinder.

A heating unit that heats the first cylinder and
The cooling device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a cooling unit for cooling the second cylinder.