(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮ピストンを往復動可能に収納した一又は複数の圧縮シリンダと、
膨張ピストンを往復動可能に収納した複数の膨張シリンダと、
一又は相互に連動し同周期で回転する複数のクランク軸と、
前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各圧縮ピストンを往復運動可能に連結する第一クランク機構と、
前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各膨張ピストンを各々所定の位相差で往復運動可能に連結する第二クランク機構と、
前記各クランク軸を回転駆動する駆動装置と、
前記圧縮シリンダの吸気口から導入されて前記各圧縮シリンダの内部で圧縮された圧縮空気を排気する排気口と、前記各膨張シリンダの吸気口とをそれぞれ連通する圧縮空気供給通路と、前記圧縮空気供給通路に配設された一次冷却器と、
前記各膨張シリンダ内での断熱的膨張により低温となった空気を外部へ排気する複数の排気口を連通する冷気排気用マニホールドとを有する冷却装置であって、
前記駆動装置に換えて、前記クランク軸を始動時において回転駆動する始動用駆動装置と、前記圧縮空気供給通路に所定圧の駆動用圧縮空気を供給する圧縮空気供給源とを有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
圧縮ピストンを往復動可能に収納した一又は複数の圧縮シリンダと、
膨張ピストンを往復動可能に収納した一又は複数の膨張シリンダと、
一又は相互に連動する複数のクランク軸と、
前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各圧縮ピストンを往復運動可能に連結する第一クランク機構と、
前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各膨張ピストンを往復運動可能に連結する第二クランク機構と、
前記クランク軸を回転駆動する駆動装置と、
前記圧縮シリンダの吸気口から導入されて前記各圧縮シリンダの内部で圧縮された圧縮空気を排気する排気口と、
前記各膨張シリンダの吸気口とをそれぞれ連通する圧縮空気供給通路と、
前記圧縮空気供給通路に配設された一次冷却器と、
前記圧縮シリンダの吸気口に空気を導入する吸気通路又は前記圧縮空気供給通路に配設される空気乾燥装置と、
前記各膨張シリンダ内での断熱的膨張により低温となった空気を外部へ排気する複数の排気口を連通する冷気排気用マニホールドとを有する冷却装置であって、
前記空気乾燥装置が圧縮空気供給通路の一次冷却器よりも圧縮シリンダ側に配設されており、空気乾燥装置と圧縮シリンダとの間に二次冷却器を備えたことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記圧縮空気供給通路に気圧測定センサと気圧調整機構とを設け、前記冷気排気用マニホールド内に温度測定センサを設け、所要の温度の冷気が得られるように、前記温度センサ及び気圧測定用センサに基づいて膨張シリンダに吸気する圧縮空気の気圧を調整するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記圧縮シリンダの吸気口に空気を導入する吸気通路又は前記圧縮空気供給通路に配設される空気乾燥装置を備え、
前記空気乾燥装置が圧縮空気供給通路の一次冷却器よりも圧縮シリンダ側に配設されており、空気乾燥装置と圧縮シリンダとの間に二次冷却器を備え、
前記圧縮空気供給通路に気圧測定センサと気圧調整機構とを設け、前記冷気排気用マニホールド内に温度測定センサを設け、所要の温度の冷気が得られるように、前記温度センサ及び気圧測定用センサに基づいて膨張シリンダに吸気する圧縮空気の気圧を調整するように構成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
圧縮ピストンを往復動可能に収納した一又は複数の圧縮シリンダと、
膨張ピストンを往復動可能に収納した複数の膨張シリンダと、
一又は相互に連動し同周期で回転する複数のクランク軸と、
前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各圧縮ピストンを往復運動可能に連結する第一クランク機構と、
前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各膨張ピストンを各々所定の位相差で往復運動可能に連結する第二クランク機構と、
前記各クランク軸を回転駆動する駆動装置と、
前記圧縮シリンダの吸気口から導入されて前記各圧縮シリンダの内部で圧縮された圧縮空気を排気する排気口と、前記各膨張シリンダの吸気口とをそれぞれ連通する圧縮空気供給通路と、前記圧縮空気供給通路に配設された一次冷却器と、
前記各膨張シリンダ内での断熱的膨張により低温となった空気を外部へ排気する複数の排気口を連通する冷気排気用マニホールドとを有する冷却装置であって、
前記圧縮空気供給通路に気圧測定センサと気圧調整機構とを設け、前記冷気排気用マニホールド内に温度測定センサを設け、所要の温度の冷気が得られるように、前記温度センサ及び気圧測定用センサに基づいて膨張シリンダに吸気する圧縮空気の気圧を調整するように構成したことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を冷媒とした冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フロンガスが影響するオゾン層破壊、地球温暖化等の地球をとりまく環境悪化が深刻な問題となり、フロンガスを使わない環境にやさしい冷却装置が求められるようになってきており、その一つの流れとして自然界の空気を冷媒としたクリーンで安全な冷却装置の開発が進んでいる。
【０００３】
一般に、空気を冷媒とした冷却装置は、外気をコンプレッサで吸入・圧縮し、圧縮されて高温状態となった空気を熱交換器に導いて常温近くまで冷却し、これを膨張機に導いて断熱膨張させる構成であり、空気の温度はマイナス数十度という低い温度に低下し、この冷気を冷凍室に導き目的物の熱を吸収して冷凍するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記冷却装置は以下に列挙する実用上の問題がある。
（ａ）コンプレッサと膨張機とは別個の駆動系で駆動する。コンプレッサにおいては外気を圧縮させるエネルギが必要で、膨張機においても圧縮空気を膨張させるエネルギが必要であるので、消費電力が嵩んでランニングコストが高くつき不経済である。
（ｂ）膨張機の作動位相に基づいて冷気に脈動が生じる場合があり、目的物の一定した冷却を図るためには、この冷気の脈動を抑制することが望まれる。
（ｃ）膨張機内では、空気の温度が急激に下がり、マイナス数十℃になるため、膨張機内で空気中に含まれる水分が、膨張シリンダの排気弁等に結露・氷結して冷却装置の作動を妨げる可能性がある。
（ｄ）冷却装置の冷却効率を更に向上させることが望まれる。
【０００５】
そこで、本発明の目的とするところは、上記の問題点を解決する冷気を供給できる冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷却装置は、冷気の脈動を低減する手段として、圧縮ピストンを往復動可能に収納した一又は複数の圧縮シリンダと、膨張ピストンを往復動可能に収納した複数の膨張シリンダと、一又は相互に連動し同周期で回転する複数のクランク軸と、前記クランク軸よりクランクピンを介して前記各圧縮ピストンを往復運動可能に連結する第一クランク機構と、クランク軸よりクランクピンを介して前記各膨張ピストンを各々所定の位相差で往復運動可能に連結する第二クランク機構と、前記各クランク軸を回転駆動する駆動装置と、前記圧縮シリンダの吸気口から導入されて前記各圧縮シリンダの内部で圧縮された圧縮空気を排気する排気口と、前記各膨張シリンダの吸気口とをそれぞれ連通する圧縮空気供給通路と、前記圧縮空気供給通路に配設された一次冷却器と、前記各膨張シリンダ内での断熱的膨張により低温となった空気を外部へ排気する複数の排気口を連通する冷気排気用マニホールドとを有する冷却装置であって、前記駆動装置に換えて、前記クランク軸を始動時において回転駆動する始動用駆動装置と、前記圧縮空気供給通路に所定圧の駆動用圧縮空気を供給する圧縮空気供給源とを有することを特徴とする。
【０００７】
また、圧縮シリンダの吸気口に空気を導入する吸気通路又は圧縮空気供給通路において、空気乾燥装置を圧縮空気供給通路の一次冷却器よりも圧縮シリンダ側に配設し、空気乾燥装置と圧縮シリンダとの間に二次冷却器を備えてもよい。
【０００８】
また、圧縮空気供給通路に気圧測定センサと気圧調整機構とを設け、冷気排気用マニホールド内に温度測定センサを設け、所要の温度の冷気が得られるように、前記温度センサ及び気圧測定用センサに基づいて膨張シリンダに吸気する圧縮空気の気圧を調整するように構成してもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る冷却装置の実施形態を図面に基いて説明する。
【００１０】
第一実施形態は、図３及び図４に示すようにコンプレッサ１と、圧縮空気供給通路としての配管（６，２１）と、一次冷却器としての第一熱交換器５と、膨張機２２と、排気管２６と、ピストンロッド（８，３９）と、クランク装置９と、駆動装置としての駆動モータ１０とを有する単一の冷却ユニットを、図１及び図２に示すように、システム基台６０上に３つ並列的に配設し、各冷却ユニットの排気管２６を冷気排気用マニホールド７０（図３参照）に連結したものである。
【００１１】
システム基台６０は、冷却ユニットを上下方向等間隔に支持するものであって、各冷却ユニットを支持するための支持アーム６０ａを有する。
【００１２】
図３及び図４は単一の冷却ユニットの構造を示す図面である。
【００１３】
コンプレッサ１は、圧縮シリンダ２内に圧縮ピストン３を往復動可能に収納するとともに、外気の導入配管４３からの圧縮シリンダ２内への外気の吸入を制御する吸気弁４と、配管６への圧縮空気の排気を制御する排気弁７とを配設している。吸気弁４は外気圧で押し開かれる自動弁であり、排気弁７は所定の圧縮空気圧で押し開かれる自動弁である。圧縮ピストン３は、ピストンロッド８が図中左側に突出しており、クランク装置９を介して駆動モータ１０に連結したものである。これにより圧縮ピストン３は、駆動モータ１０の作動に伴って上死点と下死点の間で往復運動する。なお、クランク装置９の構造については後述する。
【００１４】
第一熱交換器５は、例えばクーリングタワー（図示せず）との間で冷却水が循環しており、コンプレッサ１から配管６を通って送られてきた高温の圧縮空気を、冷却水と熱交換して常温近くまで一次冷却するものである。第一熱交換器５において一次冷却された圧縮空気は、配管２１を通って膨張機２２に送られる。
【００１５】
なお、第一熱交換器５は、単一の冷却ユニットに対して一つ構成されるように図示されているが、本実施形態では、複数の冷却ユニットの配管６を連通して圧縮空気を一旦まとめ、単一の第一熱交換器にて一次冷却を行ない、冷却後の圧縮空気を配分して各膨張機２２に送っている。
【００１６】
膨張機２２は、コンプレッサ１の圧縮シリンダ２と同じシリンダ軸線Ｌ上に対向配置した膨張シリンダ２３内に、膨張ピストン２４を往復動可能に収納する。図５に示すように、膨張シリンダ２３は、膨張時の空気の断熱性を確保した断熱シリンダであり、例えば、内外３重構造を有するシリンダで、内筒２３ａがステンレス製（伝熱率小）で構成され、外筒２３ｂがアルミ合金製で構成され、内筒２３ａと外筒２３ｂとの間に空気を封入した構成を有する。膨張ピストン２４は、ピストンロッド３９が図中右側に突出しており、圧縮ピストン３と１８０°の位相差で往復動するように、ピン４０にてピストンロッド８に枢支連結したものである。
【００１７】
これにより駆動モータ１０を作動して、コンプレッサ１の圧縮ピストン３が上死点と下死点との間で往復運動すると、膨張ピストン２４は、圧縮ピストン３と同周期で、かつ、１８０°の位相差で上死点と下死点の間で往復運動する。
【００１８】
膨張シリンダ２３のヘッド部には、配管２１からの吸気を制御する吸気弁２５と、断熱膨張した低温空気の排気管２６への排気を制御する排気弁２７とが配設されている。この吸気弁２５および排気弁２７は、動弁機構２８により所定のタイミングで開閉操作される。
【００１９】
動弁機構２８は、揺動可能に設けた２つのロッカーアーム（２９，３０）の一端を、タイミングベルト３２によりクランク軸１３側のタイミングプーリ３１と同期で回転するタイミングプーリ（３３，３４）のカムシャフト（３５，３６）に設けたカム（３７，３８）を当接させて、ロッカーアーム２９の他端を吸気弁２５、またロッカーアーム３０の他端を排気弁２７のそれぞれタペット部先端に圧接したものである。これにより動弁機構２８は、クランク装置９のクランク動作に伴ってカムシャフト（３５，３６）が回転し、カム（３７，３８）がロッカーアーム（２９，３０）を所定のタイミングで揺動させて、吸気弁２５と流出弁２７を所定のタイミングで開閉操作する。
【００２０】
排気管２６は、冷気排気用マニホールド７０によって並列に配設された他の冷却ユニットの排気管２６と一つにまとめられて、例えば冷凍倉庫等の冷却目的物に送られる。排気管２６及び冷気排気用マニホールド７０は、膨張機２２から排気される冷気の断熱性を確保するために、断熱材２６ａ及び断熱材７０ａでそれぞれ被覆している。
【００２１】
クランク装置９は、駆動モータ１０の回転運動をピストンロッド８の直線往復運動に変換するものである。図４に示すように、クランク装置９は、クランクケース１１内において、軸受１２を介して回転可能に軸支し、かつ駆動モータ１０に連結したクランク軸１３と、ピストンロッド８に連結した連結ピン２０と、これらクランク軸１３と連結ピン２０との間に介装される遊星歯車機構１５とを備える。
【００２２】
以下、図３、図４、図６及び図７に基づいてこのクランク装置９を説明する。
【００２３】
前記遊星歯車機構１５は、内周面に歯を形成した内周太陽歯車１６と、外周面に歯を形成した遊星歯車１７とを主要な構成部材とする。
【００２４】
内周太陽歯車１６は、その中心軸１６ａが前記シリンダ軸線Ｌと直交し、シリンダ軸線Ｌと平行で、かつ、内周太陽歯車１６の中心軸１６ａをクランク軸１３の回転中心に一致させて、クランクケース１１に固定的に配設する。
【００２５】
遊星歯車１７は、そのピッチ円直径が内周太陽歯車１６のピッチ円直径の１／２であり、この内周太陽歯車１６の内周に沿って転動するように配設する。遊星歯車１７は、その中心に自転軸１４が軸受１８を介して回転可能に枢支連結されるとともに、自転軸１４の軸端に回転慣性力を付与するカウンタバランサ１９が一体形成される。
【００２６】
遊星歯車１７の自転軸１４は、クランクピンとなり、クランク軸１３から半径方向に突設した腕部１３ａに軸支される。
【００２７】
連結ピン２０は、このカウンターバランサ１９の側面における遊星歯車１７の外周ピッチ円と圧縮シリンダ２のシリンダ軸線Ｌとの交点に対応する位置に設けられる。連結ピン２０は、軸受を介してコンプレッサ１のピストンロッド８の一端を回転可能に枢支連結している。
【００２８】
図７の概略図に示すように、このクランク装置９は、前述のように、遊星歯車機構１５の遊星歯車１７のピッチ円１７ｃの直径を内周太陽歯車１６のピッチ円１６ｃの直径の１／２に設定するとともに、図６に示すように、遊星歯車１７のピッチ円１７ｃの直径がシリンダ軸線Ｌと一致するときに、内周太陽歯車１６のピッチ円と遊星歯車１７のピッチ円との接点に対応する点に連結ピン２０を設けて、コンプレッサ１のピストンロッド８を連結している。これにより、クランク軸１３の回転中心から遊星歯車１７の自転軸１４までの距離と、遊星歯車１７の自転軸１４からピストンロッド８を連結する連結ピン２０までの距離が等しく、また、遊星歯車１７が１回公転する毎に２回自転するので、この連結ピン２０は、遊星歯車１７が１回公転する毎にシリンダ軸線Ｌ上で直線往復運動することになる。このため、ピストンロッド８がほとんど揺動することなく直線往復運動するので、圧縮ピストン３及びピストンロッド３９に連結した膨張ピストン２４に半径方向横向きの力がほとんど作用せず、いわゆるピストンスラップが生じ難くて振動・騒音・キャビテーション・摩耗損失などが大幅に低減される。
【００２９】
なお、ピストンロッドの往復動の範囲は、シリンダの上死点と下死点の距離に等しく、そのため、内周太陽歯車１６のピッチ円直径は、シリンダの上死点と下死点の距離に等しく設定されている。
【００３０】
また、この場合、ピストンロッド８とピストンロッド３９は原理的には一体の連続ロッドで構成することが可能であるが、本実施形態では、ピン４０による中折れ可能な連結構造とすることにより、各部の寸法誤差を吸収して圧縮ピストン３および膨張ピストン２４の往復運動をスムーズなものとしている。
【００３１】
第１図において、各冷却ユニットのクランク装置（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、並列に配設した冷却ユニットを所定の位相差をもって作動させるため、それぞれのクランク軸１３に嵌挿したタイミングプーリ５０に、１本のタイミングベルト５２を掛け回す。なお、各冷却ユニットの作動タイミングがずれないように、タイミングプーリ５０及びタイミングベルト５２は、歯付プーリ及び歯付ベルトで構成し、互いに噛合してスリップの絶無を図っている。この実施形態に係る冷却装置では、３つの冷却ユニットで構成しているので、各冷却ユニットがπ／３の位相差で作動するように設定している。なお、図中５４と５６のプーリは、アイドラプーリであり、タイミングベルト５２に所要の張力を確保している。また、図１及び図２に示すように、３つのクランク装置（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、タイミングプーリ５０によって連動するので、真ん中のクランク装置９ｂに大きなフライホイール９ｂ１を設けることにより、冷却装置全体の動作を安定させている。これにより、他のクランク装置９ａ，９ｃの動作は、真ん中のクランク装置９ｂの動作に主導され、所定の位相差で従動するものとなる。
【００３２】
以下、この第一実施形態における冷却装置の作用について説明する。
【００３３】
コンプレッサ１は、上述のように圧縮ピストン３が上死点と下死点の間で往復運動して外気を吸入・圧縮して第一熱交換器５へ高温の圧縮空気を送る。即ち、圧縮ピストン３は、上死点を過ぎて下死点へ移行する際に、圧縮シリンダ２内の空気が減圧することに伴って、外気圧により吸気弁４が押し開かれて外気を圧縮シリンダ２内に吸入し、そして、圧縮ピストン３が下死点を過ぎて上死点へ移行する際に、圧縮シリンダ２内の空気が増圧することにより吸気弁４を自動的に閉じ、圧縮シリンダ２内に吸入された空気を圧縮する。このとき、圧縮シリンダ２内の空気は高温の圧縮空気となる。次に、コンプレッサ１は、圧縮ピストン３が上死点付近に達し、圧縮シリンダ２内の空気が所定の圧縮空気圧となったときに、その圧力で排気弁７が押し開かれて配管６へ圧縮空気を排気する。
【００３４】
この高温の圧縮空気は配管６を通して第一熱交換器５へ送られる。第一熱交換器５は、上述のように、冷却水との熱交換により高温の圧縮空気を常温近くまで一次冷却する。ここで冷却された圧縮空気は、配管２１を通って膨張機２２に送られる。
【００３５】
膨張機２２は、膨張ピストン２４が上死点と下死点の間で往復運動することにより、熱交換器５から導いた圧縮空気を断熱膨張させて排気口２６へ送る。即ち、膨張機２２は、カム３７により膨張ピストン２４が上死点を過ぎて下死点へ移行し始める少しの間のみ吸気弁２５を開いて、圧縮空気を膨張シリンダ２３内に吸気し、膨張ピストン２４が下死点に至る過程で、膨張シリンダ２３内で圧縮空気を大気圧近くまで断熱膨張する。膨張シリンダ２３内の空気は、この断熱膨張の際に温度が低下してマイナス数十度の冷気となる。次に、膨張機２２は、カム３８により膨張ピストン２４が下死点を過ぎて上死点に移行する間排気弁２７を開いて、膨張シリンダ２３内の冷気を排気口２６へ排気する。
【００３６】
そして、各冷却ユニットの膨張機２２で二次冷却された冷気は、排気口２６からマニホールド７０へ送られ合流した後、冷凍目的物の熱を吸収して冷凍する。このとき、位相差の異なる３つの冷却ユニットの冷気が一つにまとめられるので、各冷却ユニットにより発生する発生冷気の脈動が合成され、合成後の排気冷気は脈動がほとんど生じなく無くなる。
【００３７】
なお、排気冷気は最終的に冷気排気空間７１に排気され、最終的に冷気排気空間７１の気圧まで膨張する。つまり、膨張シリンダ２３に吸気する圧縮空気は、冷気排気空間７１の気圧まで断熱膨張することとなるため、排気冷気の温度は、膨張シリンダ２３に吸気する圧縮空気の温度と圧力によって定まる。上記の冷却ユニットでは、第一熱交換器５により、圧縮空気はほぼ常温まで冷やされるので、圧縮空気の圧力を高くすればより冷たい冷気が得られ、圧縮空気の圧力を低くすれば、冷気の温度が高くなる。
【００３８】
図３に示すように、冷気の温度を調整する構成としては、例えば、冷気排気用マニホールド７０内に温度センサ９４を設け、配管２１内に気圧測定センサ９５を設け、温度センサ９４及び気圧測定センサ９５に基づいて配管２１内の気圧を、所要の冷気が得られるように調整する構成としても良い。配管２１内の気圧を調整する構成は、例えば、配管２１に減圧装置９３を設け、かつ、配管６又は２１に例えばコンプレッサなどの増圧装置（図示省略）より圧縮空気を供給する構成としても良い。減圧装置は、配管２１内の気圧が所定の圧力以上である場合に空気を外部に排気することにより、膨張シリンダ２３に送る圧縮空気の圧力を調整するものでも良い。また、増圧装置は、例えば、適時駆動するようにした増圧用のコンプレッサにより作成される圧縮空気を配管９２より配管６内に供給し、配管６内の空気の圧力を増圧させるものでも良い。さらに、このコンプレッサは、上記冷却ユニットのクランク軸１３に適時接離操作することが可能なクラッチ機構を備えて駆動するもの、または、別駆動のモータによって適時駆動するものとして構成することができる。
【００３９】
なお、増圧用のコンプレッサを上述のようにクランク軸１３にクラッチ機構を介して連結する場合は、膨張機２２の膨張エネルギを利用することができるので、別個独立したモータを駆動源とする場合に比べてより経済的であり、かつ、膨張シリンダ２３内の圧縮空気からより多くの熱エネルギを奪うことができるので、より温度の低いの冷気を作成することができるものとなる。
【００４０】
また、この冷却装置は、膨張機２２で圧縮空気を断熱膨張する際に、膨張ピストン２４が受ける力は、コンプレッサ１の圧縮ピストン３の圧縮工程運動を手助けする。すなわち、各冷却ユニットは、同一のクランク軸１３で圧縮ピストン３と膨張ピストン２４で動作させているので、膨張ピストン２４の受ける圧縮空気の膨張エネルギを圧縮ピストン３の圧縮エネルギの一部として利用することで、駆動エネルギを供給する駆動モータ１０の負担を軽減している。
【００４１】
また、この冷却ユニットは、圧縮シリンダ２と膨張シリンダ２３を同一のシリンダ軸線Ｌ上に配置し、圧縮ピストン３のピストンロッド８と膨張ピストン２４のピストンロッド３９とをこのシリンダ軸線Ｌ上で連結することにより、膨張ピストン２４が上死点から下死点へ移動する際に、膨張ピストン２４を押すように作用する圧縮空気の膨張エネルギを、そのまま圧縮ピストン３が外部空気を圧縮する際の圧縮エネルギに変換できるので、エネルギ効率が良くより経済的である。
【００４２】
また、この冷却ユニットは、膨張シリンダ２３内の圧縮空気がコンプレッサ１の圧縮エネルギの一部として仕事をすることによって、膨張シリンダ２３内の空気は熱エネルギがその分多く奪われることになるので、より低い温度の冷気を作成することが可能になる。
【００４３】
なお、膨張シリンダ２３内で断熱膨張した冷気は、さらに、排気される冷気排気空間の圧力まで断熱膨張することになるので、膨張シリンダ２３に吸気する圧縮空気の圧力が高ければ高いほど、より温度の低い冷気が得られるが、他方、膨張シリンダに吸気する圧縮空気の圧力が高ければ高いほど、膨張機２２からより大きな膨張エネルギが得られるので、作成する冷気の温度が低くなっても、モータ１０の負担はあまり大きくならない。
【００４４】
上述した冷却装置は、約マイナス７０℃の冷気を発生させることができ、例えば、冷凍倉庫内の空調や、工作機械の切削部分の冷却に利用することが考えられている。このうち、工作機械に利用する場合は、冷却された空気を切削刃に送り切削時の摩擦熱を吸収する用途に用いられる。この結果、切削油の使用量を潤滑に必要な量に抑えることができるので、さらに切削油を例えば分解され易い植物油で構成することにより、環境に易しい工作機械を作成することができる。
【００４５】
次に、本発明に係る他の実施形態について説明する。
【００４６】
図８に本発明に係る第二実施形態に係る冷却装置を示す。この冷却装置は、全体構成において上述の図１及び図２に示す冷却装置と同様のものであるが、外部圧縮空気を利用して冷却ユニットを駆動するようにしたものである。
【００４７】
第二実施形態の冷却ユニットは、配管２１の途中に外部の圧縮空気供給手段（例えば、別駆動で動くコンプレッサ（図示省略）など）から外部圧縮空気を導入する導入管４１を接続するとともに、クランク装置９のクランク軸１３を始動用駆動装置としてのセルモータ４２に連結したものであり、その他の構成は図３および図４に示した実施形態と同様である。
【００４８】
第二実施形態の冷却ユニットは、始動時にセルモータ４２を作動するとともに、外部圧縮空気を導入管４１から配管２１に導入することにより、セルモータ４２の作動に伴いクランク装置９を介してコンプレッサ１の圧縮ピストン３を上死点と下死点の間で往復運動させるとともに、このコンプレッサ１の圧縮ピストン３の往復運動および配管２１を通して膨張機２２の膨張シリンダ２３内に導入される外部圧縮空気を利用して膨張ピストン２４が上死点と下死点の間で往復運動されるようになっており、これによって第一実施形態と同様に外気をマイナス数十度に冷却させた冷気を冷凍室に送るようになっている。このような動作において、システムがいったん作動開始した後は、セルモータ４２を停止しても、既に膨張機２２の膨張ピストン２４が外部圧縮空気により高速で往復運動して圧縮空気を断熱膨張するようになっているから、この膨張機２２の断熱膨張のエネルギを利用してコンプレッサ１の圧縮ピストン３が連続的に往復運動するようになっており、従って、外部圧縮空気のみによる駆動が可能となる。
【００４９】
上記実施形態では、外部圧縮空気を導入管４１により配管２１へ供給しているが、外部圧縮空気は第一熱交換器５に圧縮空気を送る配管６に供給しても良い。
【００５０】
この実施形態によれば、例えば、外部コンプレッサ（図示省略）による外部圧縮空気という１つの動力源でコンプレッサ１と膨張機２２を連動して駆動させることができるとともに、膨張機２２の断熱膨張エネルギをコンプレッサ１の圧縮エネルギとして有効に利用しており、経済的に作動させることができる。
【００５１】
なお、図８では第一熱交換器５の下流側の配管２１に導入管４１を接続しているが、第一熱交換器５の上流側の配管６に導入管４１を接続した場合でも、図３の場合と同様の作用効果が得られる。
【００５２】
次に、図９に示す本発明に係る第三実施形態の冷却装置について説明する。
【００５３】
この冷却装置は、上記に示す第一実施形態の冷却装置に、冷却ユニットの配管２１の第一冷却器５と膨張機２２との間に空気乾燥装置としてのエアドライヤ６１と、第二熱交換器６２とを設けたものである。
【００５４】
エアドライヤ６１は、例えば、シリカゲルや活性アルミナなどを吸着材とするフィルタを備え、空気中の水蒸気をフィルタ内で化学反応させ吸着除去することにより、空気を乾燥させるものである。
【００５５】
かかるエアドライヤ６１では吸着反応の際には吸着熱が発生する。第二熱交換器６２は、かかる吸着熱を放熱するために、エアドライヤ６１と膨張機２２との間の配管２１に設ける。この第二熱交換器６２は、第一熱交換器５と同様の構成であり、冷却水と空気配管との間で熱交換を行ない、エアドライヤ６１の吸着熱を放熱し、膨張シリンダ２３に吸気する圧縮空気の温度をより低くするものである。
【００５６】
この場合、空気を膨張シリンダ２３に送る前に、空気中に含まれる水分を除去することができるので、冷却装置の作動の妨げとなる膨張シリンダ２３内或は冷気排気用マニホールド７０内などでの結露や氷結を無くすことができる。
【００５７】
なお、エアドライヤ６１は、コンプレッサ１に空気を導入する導入配管４３又はコンプレッサ１と第一熱交換器５との間の配管６に設けても良く、この場合、第一熱交換器５にて空気を冷却することができるので、第二熱交換器６２は不要である。
【００５８】
次に、図１０に示す本発明に係る第四実施形態に係る冷却装置について説明する。
【００５９】
この冷却装置は、上記に示す第三実施形態の冷却装置の冷気排気用マニホールド７０が開口する冷気排気空間７１から導入配管４３に連通して、圧縮シリンダ２に空気を導入する第一導入配管７２と、冷却排気用マニホールド７０から冷気を一部取出して圧縮シリンダ２に導入する第二導入配管７３とを備える。
【００６０】
第一導入配管７２は、例えば、冷気排気空間７１としての冷却装置が取付けられる冷凍倉庫などの閉鎖空間、若しくは、工具切削部に向け開口した冷気排気孔の近傍などに導入口７２ａを設けたものである。かかる導入口から導入する空気は、エアドライヤ６１の作用により、外気に比べ乾燥した空気であるから、再度冷却装置に導入することにより、エアドライヤ６１が除去する空気中の水分が少なくて済み、エアドライヤ６１の負担が軽減されると共に、エアドライヤ６１で発生する吸着熱も減少するので、第二熱交換器６２或は第一熱交換器５の負担を軽減できる。
【００６１】
第二導入配管７３は、冷却排気用マニホールド７０と圧縮シリンダ２の導入配管４３とを連結する配管である。冷却排気用マニホールド７０との連結部には、例えば、三方向バルブ７４が取付けられており、例えば、冷気排気用マニホールド７０内の圧力が所定の圧力より高い場合や、冷却倉庫等の冷気排気空間の温度が所定の温度以下になった場合など、冷却装置において冷気が必要以上に作られた場合に、その余分な冷気を再び圧縮シリンダ２に導入するものである。かかる導入口から導入する空気は、乾燥した冷気であるから、圧縮シリンダ２に導入される空気の温度が低く、かつ、より乾燥したものとすることができる。これにより、第一熱交換器５やエアドライヤ６１等の負担を軽減できる。また、図１０中の破線７４ａで示すように、この三方向バルブを常時半開き状態として、第一熱交換器５や、第二熱交換器６２の冷却水内に第二導入配管７３を通してから導入配管４３に連通して、作成した冷気の一部をかかる冷却水の冷却に用いた後、圧縮シリンダに導入するものとしても良い。
【００６２】
上述した実施形態はいずれも、あくまでも本発明の好適な具体例を示すものであって本発明はこれら実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００６３】
また、上述した実施形態は、いずれも遊星歯車機構を備えたクランク装置を用いたものを示したが、本発明は係るクランク装置に限定されず、例えば、圧縮シリンダに備えるクランク装置のクランク軸と、膨張シリンダに備えるクランク装置のクランク軸とを別体で構成した場合であっても、例えば、ベルトやカップリングなどの動力伝達手段で各クランク軸を連動させたものであれば、膨張機における膨張エネルギをコンプレッサにおける圧縮エネルギとして有効に利用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る冷却装置は、所定の位相差で作動する複数の冷却ユニットにより発生する冷気を一つにまとめて排気するので、各冷却ユニットの発生冷気に生じた脈動が合成され、排気冷気において脈動を無すことができる。
【００６５】
また、冷却装置の駆動を、冷却ユニットのクランク軸に設けた始動用の駆動装置と、圧縮空気供給通路に駆動用圧縮空気を供給するものとしたものでは、駆動用の圧縮空気のみで駆動させることができる。冷却ユニットの駆動を効率の良いものとすることができる。
【００６６】
また、圧縮シリンダに空気を導入する導入通路や、圧縮シリンダの排気孔と膨張シリンダの吸気孔とを連通する圧縮空気供給通路に空気乾燥装置を設けたから、圧縮空気の膨張行程前に空気中の水分を除去して、膨張シリンダ内等における結露・氷結を防止することができる。
【００６７】
また、冷気排気用マニホールドや冷気排気空間から圧縮シリンダに空気を導入する導入配管を設けて、これらの場所から圧縮シリンダに導入する空気の一部を得ることにより、空気乾燥装置や熱交換器の負担を軽減することができる。
【００６８】
圧縮空気供給通路内に気圧測定用センサと気圧調整機構とを設け、冷気排気用マニホ−ルド内に温度測定センサを設けることにより、温度測定センサ及び気圧測定用センサに基づいて膨張シリンダに吸気する圧縮空気の気圧を調整して所要の温度の冷気を得ることができる。
【００６９】
また、各冷却ユニットが、各冷却ユニットのクランク装置を連動させる連動手段で連動し、その内の一つのクランク装置に大きなフライホイールを設けることによって、他のクランク装置の動作は、大きなフライホイールの設けられたクランク装置の動作に主導され、同期に所定の位相差をもって従動するので、各クランク装置にフライホイールを設ける場合よりも低コスト化が図られる。
【００７０】
また、冷却ユニットにおける膨張機の膨張シリンダを断熱性の良い断熱シリンダで構成することによって、膨張機における断熱膨張が効率よく行われるので、経済的に有利である。
【００７１】
また、クランク装置に遊星歯車機構を備え、各２つのシリンダのピストンロッドを直線的に連結したものでは、ピストンスラップが生じ難くて振動・騒音・キャビテーション・摩耗損失などが大幅に低減される。また、膨張機の断熱膨張エネルギをコンプレッサの圧縮エネルギとしてより有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施形態に係る冷却装置の全体構造を示す図面。
【図２】 本発明の第一実施形態に係る冷却装置の全体構造を示す図面。
【図３】 本発明の第一実施形態に係る単一の冷却ユニットの構造を示す要部縦断面図。
【図４】 図３の要部横断面図である。
【図５】 本発明の第一実施形態に係る膨張シリンダの縦断面図。
【図６】 本発明の第一実施形態におけるクランク装置の概略図。
【図７】 本発明の第一実施形態におけるクランク装置の概略図。
【図８】 本発明の第二実施形態に係る単一の冷却ユニットの要部縦断面図。
【図９】 本発明の第三実施形態に係る単一の冷却ユニットの要部縦断面図。
【図１０】 本発明の第三実施形態に係る単一の冷却ユニットの要部縦断面図。
【符号の説明】
１ コンプレッサ
２ 圧縮シリンダ
３ 圧縮ピストン
４ 吸気弁
５ 第一熱交換器
６ 配管
７ 排気弁
８ ピストンロッド
９ クランク装置
１０ 駆動モータ
１３ クランク軸
１３ａ 腕部
１４ 自転軸
１５ 遊星歯車機構
１６ 内周太陽歯車
１７ 遊星歯車
２０ 連結ピン
２２ 膨張機
２３ 膨張シリンダ
２４ 膨張ピストン
２５ 吸気弁
２６ 排気管
２７ 排気弁
２８ 動弁機構
３１，３３，３４ タイミングプーリ
３２ タイミングベルト
３７，３８ カム
３９ ピストンロッド
４２ セルモータ
４３ 導入配管
５０ タイミングプーリ
５２ タイミングベルト
５４，５６ アイドラプーリ
６０ システム基台
６１ エアドライヤ
６２ 第二熱交換器
７０ 冷気排気用マニホールド
７１ 冷気排気空間
７２ 第一導入配管
７３ 第二導入配管
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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