(57)【要約】【課題】磁場が発生し難い冷却装置を提供すること。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記スターリングエンジンは、前記第１ディスプレーサ又は前記第１ピストンに一端が接続された第１連結部材と、前記第１連結部材の他端に接続された第１クランクシャフトと、前記第２ピストンに一端が接続された第２連結部材と、前記第２連結部材の他端に接続された第２クランクシャフトと、前記第１クランクシャフトと前記第２クランクシャフトが接続した第１フライホイールと、を含む第１機構系を備え、
前記スターリングクーラーは、前記第２ピストンに一端が接続された第３連結部材と、前記第３連結部材の他端に接続された第３クランクシャフトと、前記第２ディスプレーサ又は前記第３ピストンに一端が接続された第４連結部材と、前記第４連結部材の他端に接続された第４クランクシャフトと、前記第３クランクシャフトと前記第４クランクシャフトが接続した第２フライホイールと、を含む第２機構系を備え、
前記第１機構系は、前記第１シリンダと前記第２シリンダの前記一方の空間に封入された作動気体と同じ作動気体が気密に封入された第１機構室内に配置され、
前記第２機構系は、前記第２シリンダの前記他方の空間と前記第３シリンダに封入された作動気体と同じ作動気体が気密に封入された第２機構室内に配置されている、請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記第１機構室内に気密に封入された前記作動気体の圧力と前記第１シリンダと前記第２シリンダの前記一方の空間に封入された前記作動気体の圧力とは同じであり、
前記第２機構室内に気密に封入された前記作動気体の圧力と前記第２シリンダの前記他方の空間と前記第３シリンダに封入された前記作動気体の圧力とは同じである、請求項２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記スターリングエンジンと前記スターリングクーラーが動作する際に、前記第１フライホイールと前記第２フライホイールは反対方向に回転する、請求項２または３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記第１シリンダと前記第２シリンダと前記第３シリンダは、前記第１ディスプレーサ又は前記第１ピストンと前記第２ピストンと前記第２ディスプレーサ又は前記第３ピストンが往復動する方向で直線上に並んで配置され、
前記第１機構室は、前記第１シリンダと前記第２シリンダの間に設けられ、前記第１シリンダと前記第２シリンダの前記一方の空間を連通させる第１連通管と前記第１及び第２シリンダに接合された接合部材とによって気密封止され、
前記第２機構室は、前記第２シリンダと前記第３シリンダの間に設けられ、前記第２シリンダの前記他方の空間と前記第３シリンダを連通させる第２連通管と前記第２及び第３シリンダに接合された接合部材とによって気密封止されている、請求項２から４のいずれか一項記載の冷却装置。
【請求項６】
前記第１シリンダを加熱する加熱部と、
前記第２シリンダを冷却する冷却部と、を備える、請求項１から５のいずれか一項記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−０１７８６７号公報
【特許文献２】特開平６−１５９８３５号公報
【特許文献３】特開２０１７−０５８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１に係る冷却装置を示す図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】図４は、実施例２に係る冷却装置を示す断面図である。
【図５】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。
【図６】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７】図７は、実施例３に係る冷却装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【実施例２】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【実施例３】
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020165615.tif 000007
【図６】
2020165615.tif 000008
【図７】
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