(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に第１方向に沿って往復動自在に設けられたピストンと、
前記ピストンの前記第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸と、
前記ピストンとクランク軸との間に設けられ、前記ピストンの往復運動と前記クランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構であって、前記第１方向に往復移動自在に設けられた支持部材と、前記第１方向と直交する第２方向に沿って往復移動自在に前記支持部材に取り付けられているとともに、前記クランク軸のクランクが回転自在に係合するクランク接続部材と、前記ピストンと前記支持部材とを連結し、前記第１方向に沿って前記ピストンおよび支持部材と一体的に往復移動する連結部材と、を備えるＸＹ分離クランク機構と、
前記シリンダに設けられ、前記ピストンとの間に、第１膨張圧縮室を規定しているとともに、前記第１膨張圧縮室に連通する吸気口および吐出口を有するシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに第３方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、
前記シリンダヘッドに第４方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吐出口を開閉する吐出バルブと、
前記吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構と、前記吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構と、を備え、
前記吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備え、
前記ＸＹ分離駆動機構は、前記シリンダヘッドに取付けられた第１ヒンジ部材と、この第１ヒンジ部材に回動自在に取付けられたロッカーアームと、前記吸気バルブに連結され、前記第１ヒンジ部材に前記第３方向に往復動自在に支持されたＹ軸分離スライダと、前記ロッカーアームの一端に回動自在に支持されているとともに、前記第３方向と直交する方向に沿って往復移動自在に前記Ｙ軸分離スライダに連結されたＸ軸分離スライダと、前記ロッカーアームの他端に当接し、前記ロッカーアームを揺動させるカムと、を備えている膨張機。
【請求項２】
前記支持部材は、前記第１方向に延びる第１支持部と、前記第１支持部から第２方向に延びる第２支持部とを有し、Ｌ字状に形成され、前記第１支持部は、第１方向スライダにより支持されている請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記クランク接続部材は、前記第２方向にスライド自在な第２スライダにより前記第２支持部に取り付けられ、前記クランク接続部材に、前記クランク軸のクランク部が回転自在に支持されている請求項２に記載の膨張機。
【請求項４】
前記シリンダは、前記シリンダヘッドと隙間を置いて対向し、前記ピストンとの間に第２膨張圧縮室を規定した隔壁と、前記第２膨張圧縮室に連通する第２吸気口および第２吐出口と、を有し、
前記第２吸気口を開閉する第２吸気バルブを有する第２吸気側バルブ機構と、
前記第２吐出口を開閉する第２吐出バルブを有する第２吐出側バルブ機構と、を更に備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載の膨張機。
【請求項５】
前記ピストンと前記支持部材とを連結した連結部材は、前記隔壁を気密に貫通して延びている請求項４に記載の膨張機。
【請求項６】
前記第２吸気側バルブ機構および第２吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている請求項４に記載の膨張機。
【請求項７】
空気を加圧する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された加圧空気を吸い込み、冷却して吐出する膨張機と、
発電機と、エンジンと、前記膨張機と発電機とを接続する第１クラッチと、前記エンジンと発電機とを接続する第２クラッチと、前記圧縮機とエンジンとを接続する第３クラッチと、を備え、
前記膨張機は、
シリンダ内に第１方向に沿って往復動自在に設けられたピストンと、
前記ピストンの前記第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸と、
前記ピストンとクランク軸との間に設けられ、前記ピストンの往復運動と前記クランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構であって、前記第１方向に往復移動自在に設けられた支持部材と、前記第１方向と直交する第２方向に沿って往復移動自在に前記支持部材に取り付けられているとともに、前記クランク軸のクランクが回転自在に係合するクランク接続部材と、前記ピストンと前記支持部材とを連結し、前記第１方向に沿って前記ピストンおよび支持部材と一体的に往復移動する連結部材と、を備えるＸＹ分離クランク機構と、
前記シリンダに設けられ、前記ピストンとの間に、第１膨張圧縮室を規定しているとともに、前記第１膨張圧縮室に連通する吸気口および吐出口を有するシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに第３方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、
前記シリンダヘッドに第４方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吐出口を開閉する吐出バルブと、
前記吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構と、前記吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構と、を備え、
前記吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている空気冷凍装置。
【請求項８】
前記膨張機から吐出された冷却空気を被冷凍物に当てて冷凍する冷凍機を備えている請求項７に記載の空気冷凍装置。
【請求項９】
前記冷凍機は、被冷凍物を覆うように設けられた冷却カバーと、前記膨張機から吐出された冷却空気を前記冷却カバー内へ導く送気管と、を備えている請求項８に記載の空気冷凍装置。
【請求項１０】
前記冷却カバーは、前記被冷凍物を覆う冷却位置と、前記被冷凍物を開放する開放位置との間を回動可能に支持されている請求項９に記載の空気冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、往復運動を回転運動に変換して伝達する、また、回転運動を往復運度に変換して伝達するＸＹ分離クランク機構を備えた膨張機、およびこの膨張機を備える空気冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気冷凍技術は、１４０年前にゴリーらにより発明され、世界初の製氷を行うことが始まった。その後、アンモニア、フロンなどの冷媒を使用し冷凍効率を高めてきた。しかし地球温暖化の問題から環境問題指数の高いフロンの使用が禁止されるに至っている。【０００３】
そこで、自然空気をそのまま使用して冷凍を行う空気冷凍技術が再び注目されている。このような空気冷凍に用いる膨張機としては、タービンを用いたものが多く提供されている。また、他の膨張機として、ピストン、クロスヘッド、コンロッド、クランクにより空気冷凍に係るシリンダーピストン部を構成し、サイドスラストロスによる熱発生を低減したものが提案されている。更に、遊星ギアによる回転往復運動変換などにより空気冷凍が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第０８０８０号
【特許文献２】特開２００２−３１８０２７号公報
【特許文献３】特開２００４−３１７０８１号公報
【特許文献４】特開２００４−９３１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したタービン式の膨張機を用いた空気冷凍装置は、圧縮膨張比が２〜３と小さく、２段、３段と複数のタービンで構成する必要がある。そのため、装置全体が大型化し、小型化が困難となる。また、この膨張機は、回転を高速で一定にする必要があり、温度調整が難しく、更に、タービンは高価で壊れ易いという問題がある。タービンの回転速度を高速化しないと効率が悪い。このような、タービンの高速回転のため、タービンが破損し易く、タービンの羽根が１枚壊れると、巻き込みで必ず複数枚の羽根が壊れ、被害が大きくなり易い。【０００６】
ピストン、クロスヘッド、コンロッド、クランクを用いた構成の膨張機は、大型で小型化、多気筒化が難しい。また、この膨張機は、３００ｒｐｍ前後の低速で動作し、高速化が困難であり、かつ、効率が低い。【０００７】
遊星ギアを用いた膨張機は、ギアロスが大きく、１段で行うため、気筒サイズが大型化し他容量の増大は難しい。また、この膨張機は、多気筒化および高速化が難しい。多気筒化の代わりに、同一物による同時運転が主となり、大型化し効率が悪い。【０００８】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、高い効率で運動を変換伝達可能で小型化が可能な膨張機、およびこれを備えた空気冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態によれば、膨張機は、シリンダ内に第１方向に沿って往復動自在に設けられたピストンと、前記ピストンの前記第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸と、前記ピストンとクランク軸との間に設けられ、前記ピストンの往復運動と前記クランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構であって、前記第１方向に往復移動自在に設けられた支持部材と、前記第１方向と直交する第２方向に沿って往復移動自在に前記支持部材に取り付けられているとともに、前記クランク軸のクランクが回転自在に係合するクランク接続部材と、前記ピストンと前記支持部材とを連結し、前記第１方向に沿って前記ピストンおよび支持部材と一体的に往復移動する連結部材と、を備えるＸＹ分離クランク機構と、前記シリンダに設けられ、前記ピストンとの間に、第１膨張圧縮室を規定しているとともに、前記第１膨張圧縮室に連通する吸気口および吐出口を有するシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに第３方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、前記シリンダヘッドに第４方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吐出口を開閉する吐出バルブと、前記吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構と、前記吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構と、を備え、前記吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備え、前記ＸＹ分離駆動機構は、前記シリンダヘッドに取付けられた第１ヒンジ部材と、この第１ヒンジ部材に回動自在に取付けられたロッカーアームと、前記吸気バルブに連結され、前記第１ヒンジ部材に前記第３方向に往復動自在に支持されたＹ軸分離スライダと、前記ロッカーアームの一端に回動自在に支持されているとともに、前記第３方向と直交する方向に沿って往復移動自在に前記Ｙ軸分離スライダに連結されたＸ軸分離スライダと、前記ロッカーアームの他端に当接し、前記ロッカーアームを揺動させるカムと、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る膨張機を備えた空気冷凍装置を概略的に示すブロック図。
【図２】図２は、前記膨張機の外観を示す斜視図。
【図３】図３は、前記膨張機の背面側を示す斜視図。
【図４】図４は、前記膨張機の内部構造を示す膨張機の斜視図。
【図５】図５は、前記膨張機の正面図。
【図６】図６は、前記膨張機におけるＸＹ分離クランク機構のクランク軸を示す斜視図。
【図７】図７は、前記クランク軸の平面図。
【図８】図８は、前記クランク軸およびクランク接続プレートを示す分解斜視図。
【図９】図９は、前記膨張機のバルブ機構を一部破断して示す側面図。
【図１０】図１０は、ＸＹ分離バルブ機構を示す斜視図。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る空気冷却装置を概略的に示すブロック図。
【図１２】図１２は、第２の実施形態に係る空気冷却装置の冷凍機を示す斜視図。
【図１３】図１３は、前記冷凍機の側面図。
【図１４】図１４は、蓋部を開放した状態における前記冷凍機の側面図。
【図１５】図１５は、第３の実施形態に係る空気冷却装置を概略的に示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、実施形態に係るＺメカニズムＸＹ分離クランク機構を備える膨張機、およびこれを備えた空気冷凍装置の一例について説明する。  
（第１の実施形態）  
初めに、空気冷凍装置全体の構成について説明する。  
図１は、第１の実施形態に係る空気冷凍装置全体を概略的に示すブロック図である。この図に示すように、空気冷凍装置１１は、吸気側に入力フィルタ１０が設けられた圧縮機１２と、圧縮機１２の吐出側に接続された一次冷却器（熱交換器）１４、乾燥器１６、この乾燥器１６の排出側に繋がる二次冷却器（熱交換器）１８、この二次冷却器から送られた冷却空気を断熱膨張して冷却する膨張機２０、膨張機２０の回生エネルギにより駆動可能な発電機７５、を備えている。二次冷却器１８と膨張機２０との間には、空気の流量を調整する制御バルブ２１が設けられている。膨張機２０の吐出側は、例えば、生鮮食料品、冷凍食品等の被冷却物が収容された冷凍庫（冷凍室）２２に連通している。また、膨張機２０の吐出側の一部は、制御バルブ２３を介して二次冷却器１８に接続され、更に、冷凍庫２２の排気側は、二次冷却器１８に接続されている。フィルタ１０、圧縮機１２、一次冷却器１４、乾燥器１６、二次冷却器１８、および膨張機２０は、室内、室外のいずれに配置してもよい。
【００１２】
空気冷凍装置１１において、室内あるいは室外の自然空気は、フィルタ１０を通して圧縮機１２に吸い込まれ、断熱圧縮されて約７〜１０気圧の高温高圧空気となって圧縮機１２から吐出される。圧縮後、高温高圧空気は自身の熱により殺菌される。次いで、高温高圧空気は、一次冷却器１４へ送られ、ここで常温空気により常温まで冷却された後、乾燥器（ケミカルドライヤー、メンブレンドライヤーなど）１６で水分を除去される。更に、この空気は、二次冷却器１８でマイナス温度領域まで冷却され、約７〜１０気圧の低温乾燥高圧空気となる。この際、冷凍庫２２からの戻り冷気、膨張機２０からの制御された冷気を二次冷却器１８で使用し、空気の冷却効率を上げる事ができる。
【００１３】
二次冷却器１８から送られる低温高圧空気は、膨張機２０に吸い込まれ、この膨張機２０で断熱膨張されて、更に温度が下がった冷気、例えば、例えば−１００℃の冷気となる。この冷気（陽圧冷気）は、膨張機２０から吐出され、冷凍庫２２へ供給される。これにより、冷凍庫２２内は例えば、−８０℃に冷却されるとともに、陽圧となる。冷凍庫２２内の余剰冷気は、陽圧により、二次冷却器１８に戻し、二次冷却器１８を通過した後、大気に開放される。
【００１４】
次に、本実施形態に係る膨張機２０について詳細に説明する。  
図２は、膨張機の前面側の外観を示す斜視図、図３は、膨張機の背面側の外観を示す斜視図、図４は、膨張機の内部構造を示す膨張機の斜視図、図５は、膨張機の正面図である。
【００１５】
図２ないし図５に示すように、膨張機２０は、支持フレーム２４、支持フレーム上に取付けられたシリンダ２６、シリンダ２６の上端開口を塞ぐようにシリンダに固定されたシリンダヘッド２８、シリンダ２６内に昇降自在に配置されたピストン３０、シリンダヘッド２８およびシリンダ２６に設けられた複数のバルブ機構４０、支持フレーム２４に回転自在に支持された駆動軸（クランク軸）５０、ピストンの往復運動を回転運動に変換してクランク軸に伝達するＸＹ分離クランク機構６０を備えている。
【００１６】
支持フレーム２４は、一対の脚部を有する矩形状のベースフレーム２５と、ベースフレーム２５の前面側に脱可能に取り付けられベースフレームの前面側開口を閉塞した矩形状の第１ベース板２７ａと、ベースフレームの背面側に固定されベースフレームの背面側開口を閉塞した矩形状の第２ベース板２７ｂと、ベースフレーム２５の上壁上に立設され、互いに隙間を置いて平行に対向した一対の支持板３１ａ、３１ｂと、を有している。ベースフレーム２５は、ほぼ水平に延びる底壁２５ａおよび上壁２５ｂと、これら底壁２５ａと上壁２５ｂとの間の鉛直に延びる２つの側壁２５ｃと、を一体に有し、更に、各側壁の下端にフランジ状に形成された一対の脚部２９を有している。
【００１７】
シリンダ２６は、ベースフレーム２５の上壁２５ｂのほぼ中央に固定され、鉛直方向に沿ってベースフレーム２５から上方へ延びている。シリンダヘッド２８がシリンダの上端に固定され、シリンダ２６の上端開口を覆っている。本実施形態において、シリンダ２６は、角柱形状の外形を有し、一対の支持板３１ａ、３１ｂ間に挟持され、これらの支持板により支持されている。
【００１８】
図４および図５に示すように、シリンダ２６の下端部近傍に隔壁３２が設けられ、この隔壁３２によりシリンダ２６の下端側開口が閉じられている。シリンダ２６内で、隔壁３２とシリンダヘッド２８との間に円柱形状のピストン３０が摺動自在に配置されている。ピストン３０の外周には複数本のピストンリングが装着され、これらのピストンリングは、シリンダ２６の内周面に気密に接触している。シリンダ２６内には、ピストン３０とシリンダヘッド２８により、第１膨張圧縮室２６ａが規定され、また、ピストン３０と隔壁３２とにより第２膨張圧縮室が規定されている。ピストン３０は、シリンダ２６内を昇降することにより、すなわち、シリンダ２６の軸方向（Ｙ軸方向）に沿って往復移動することにより、第１膨張圧縮室２６ａおよび第２膨張圧縮室２６ｂの体積を、交互に増加、減少させるものであり、いわゆる複動型のピストンを構成している。
【００１９】
ピストン３０にピストンロッド３４が連結され、あるいは、一体に形成されている。このピストンロッド３４は、ピストン３０から隔壁３２に形成された円形の第１透孔３６ａ、および、ベースフレーム２５の上壁２５ｂ中央に形成された円形の第２透孔３６ｂを通り、ベースフレーム２５内まで延びている。ピストンロッド３４は、シリンダ２６と同軸的に設けられ、鉛直方向に沿って延在している。また、隔壁３２の第１透孔３６ａには、例えば、２つのロッドパッキン３７が嵌合され、ピストンロッド３４は、これらのロッドパッキン３７を気密に貫通して延びている。
【００２０】
なお、シリンダ２６の上端とシリンダヘッド２８との間、並びに、シリンダ２６の下端とベースフレーム２５との間、には、それぞれ断熱部材、例えば、フッ素樹脂で形成された断熱シート３８、が配置されている。これらの断熱シート３８は、外部から、例えば、シリンダヘッド２８側から、あるいは、ベースフレーム２５側からシリンダ２６へ伝わろうとする熱を断熱し、シリンダ２６を低温に維持する。
【００２１】
図２ないし図５に示すように、クランク軸５０は、ピストン３０の中心軸（移動軸、Ｙ軸）を含む基準平面と直交する方向に延びている。本実施形態では、クランク軸５０の軸方向両端部は、支持フレーム２４の第１ベース板２７ａに取付けられた第１軸受３８ａ、および第２ベース板２７ｂに取付けられた第２軸受３８ｂにより、それぞれ回転自在に支持されている。これにより、クランク軸５０は、ベースフレーム２５のほぼ中央部に位置し、かつ、第１および第２ベース板２７ａ、２７ｂと直交する方向に延在し、ピストン３０の中心軸と直交する軸の周りで回転自在に支持フレーム２４に支持されている。
【００２２】
なお、クランク軸５０の一端は、第１ベース板２７ａの外側に突出し、この突出端に、大径の出力ホイール（フライホイール）５２が同軸的に取り付けられている。また、クランク軸５０の他端は、第２ベース板２７ｂの外側に突出し、この突出端に、駆動プーリ５３が同軸的に取り付けられている。これにより、出力ホイール５２および駆動プーリ５３は、クランク軸５０と一緒に回転する。
【００２３】
図６は、クランク軸およびクランクホイールを示す斜視図、図７は、クランク軸およびクランクホイールを示す平面図、図８は、クランク軸およびクランク接続プレートを示す分解斜視図である。  
図４ないし図８に示すように、クランク軸５０の中途部に、２つのクランクウェブ（クランクアーム及びカウンタウェイト）５４ａ、５４ｂが固定され、更に、これらのクランクウェブ５４ａ、５４ｂ間にクランクピンと同等に作用するクランクホイール５７が固定されている。クランクホイール５７の中心軸は、クランク軸５０と平行に、かつ、クランク軸の中心軸に対して、偏心して位置している。クランクウェブ５４ａ、５４ｂのカウンタウェイトは、クランクホイール５７と１８０度、反対向きに配置されている。これらのクランクホイール５７およびクランクウェブ５４ａ、５４ｂは、ベースフレーム２５内に配置され、クランク軸５０の回転に応じて、クランク軸５０の周りで偏心回転する。
【００２４】
なお、クランクピンとして大径のクランクホイールを用いることにより、クランクホイール端部の偏心量を大きく取ることができ、これにより、後述するピストンの移動ストロークを大きくすることが可能となる。
【００２５】
図４、図５、図８に示すように、ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構６０は、ピストン３０とクランク軸５０との間に設けられ、ピストン３０のＹ軸方向に沿った往復運動とクランク軸５０の回転運動とを相互に変換して伝達するように構成されている。本実施形態に係る膨張機２０においては、シリンダ２６内で膨張する加圧空気によりピストン３０に駆動力が入力され、ピストン３０がＹ軸方向に沿って往復移動する。ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構６０は、駆動入力であるピストン３０の往復運動を、回転運動に変換してクランク軸５０に伝達し、クランク軸５０に回転出力を与える。
【００２６】
ＸＹ分離クランク機構６０は、ピストン３０の中心軸（移動軸、Ｙ軸）を含む基準平面において、Ｙ軸方向に沿って往復移動自在に設けられた支持部材（Ｌ型コンビネータ）６２と、基準平面において、Ｙ軸方向と直交する第２方向（Ｘ軸方向）に沿って往復移動自在に支持部材６２に取り付けられたクランク接続部材（クランク接続プレート）６４と、ピストン３０と支持部材６２とを連結する連結部材６６と、を備えている。支持部材６２の移動中心軸（Ｙ軸方向）、クランク接続部材６４の移動中心軸（Ｘ軸方向）、および連結部材６６の中心移動軸（Ｙ軸方向）は、基準平面に位置している。
【００２７】
支持部材６２は、例えば、Ｌ字形状に形成され、Ｙ軸方向に延びる第１支持部６２ａと、第１支持部６２ａの一端（ここでは、上端）からＸ軸方向に延びる第２支持部６２ｂとを一体に有している。第１支持部６２ａに第１リニアスライダ６７ａが固定され、また、ベースフレーム２５の一方の側壁２５ｃの内面にガイドレール６８ａが固定されＹ軸方向に延びている。第１リニアスライダ６７ａは、ガイドレール６８ａに往復移動自在に支持およびガイドされている。これにより、第１支持部６２ａは、Ｙ軸方向に沿って往復移動自在にベースフレーム２５に支持されている。
【００２８】
支持部材６２の第２支持部６２ｂには、Ｘ軸方向に延びるガイドレール６８ｂが固定されている。クランク接続部材６４に２つの第２リニアスライダ６７ｂが取付けられ、Ｘ軸方向に並んで配置されている。これらの第２リニアスライダ６７ｂは、ガイドレール６８ｂに往復移動自在に支持およびガイドされている。これにより、クランク接続部材６４は、Ｘ軸方向に沿って往復移動自在に支持部材６２に支持されている。なお、第２支持部６２ｂの延出端（第１支持部と反対側の端）にバランスウエイト（ストッパ）６３が固定されている。  
なお、第１および第２リニアスライダ６７ａ、６７ｂは、それぞれガイドレールに転接するボールベアリングを内蔵していてもよい。
【００２９】
クランク接続部材６４は、例えば、ほぼ円環状に形成され、円形の透孔７０を有している。クランク接続部材６４は、透孔７０の中心を含む分割面６５で、第１ハーフ部６４ａと第２ハーフ部６４ｂとに分割可能に形成され、第２ハーフ部６４ｂは、第１ハーフ部６４ａにネジ等で固定されている。第１ハーフ部６４ａの平坦部に前述した一対の第２リニアスライダ６７ｂが固定されている。
【００３０】
クランク接続部材６４の透孔７０に、クランク軸５０のクランクホイール５７がボールベアリングあるいはプレーンベアリング７１等の軸受を介して回転自在に挿通されている。これにより、クランク接続部材６４はクランク軸５０に係合し、クランク軸５０と支持部材６２とを接続している。
【００３１】
連結部材６６は、例えば、細長い連結ロッドとして構成され、その一端は支持ピンを介してピストンロッド３４に連結され、他端は、支持部材６２の第２支持部２０ｂに連結されている。本実施形態において、連結部材６６は支持部材６２と一体に成形されている。連結部材６６は、ピストン３０の中心軸（移動軸）と同軸的に延びている。連結部材６６は、Ｙ軸方向に沿って支持部材６２と一体的に往復移動し、ピストン３０をＹ軸方向に沿って往復移動させる。
【００３２】
上記のように構成されたＺメカニズムＸＹ分離クランク機構６０を備えた膨張機２０において、シリンダ２６内に導入された圧縮空気の膨張によりピストン３０がＹ軸方向に沿って往復移動すると、この往復運動は、ピストンロッド３４および連結部材６６を介して支持部材６２に伝達され、ＸＹ分離クランク機構６０によりＹ軸方向の移動とＸ軸方向の移動とに分離される。すなわち、支持部材６２は、クランク接続部材６４と共に、第１リニアスライダ６７ａによりＹ軸方向に沿って往復動し、クランク接続部材６４は第２リニアスライダ６７ｂによりＸ軸方向に沿って往復動する。これにより、クランクホイール５７がクランク軸５０の周りで偏心回転し、クランク軸５０に回転出力が与えられる。
【００３３】
図２および図３に示すように、ベースフレーム２５の側壁２５ｃ外面に、例えば、発電機７５が取付けられている。発電機７５の入力軸７５ａは、複数のプーリ、あるいはプーリ列９１を介して、出力ホイール５２に係合している。クランク軸５０の回転出力は、出力ホイール５２を回転させ、プーリ列９１を介して、発電機７５に入力される。すなわち、発電機７５の入力軸７５ａを回転させて、発電を行うことができる。
【００３４】
次に、膨張機２０のバルブ機構について説明する。  
図４および図５に示すように、シリンダヘッド２８は、シリンダ２６の第１膨張圧縮室２６ａに連通する第１吸気口４２ａおよび第１吐出口４２ｂを有している。第１吸気口４２ａおよび第１吐出口４２ｂの一端はシリンダヘッド２８の下面にそれぞれ開口し、他端は、シリンダヘッド２８の両側面にそれぞれ開口している。また、シリンダ２６の隔壁３２は、シリンダ２６の第２膨張圧縮室２６ｂに連通する第２吸気口４４ａおよび第２吐出口４４ｂを有している。第２吸気口４４ａおよび第２吐出口４４ｂの一端は隔壁３２の上面にそれぞれ開口し、他端は、シリンダ２６の前面側にそれぞれ開口している。
【００３５】
膨張機２０のバルブ機構は、第１吸気口４２ａを開閉する第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６、第１吐出口４２ｂを開閉する第１吐出側バルブ機構４８、第２吸気口４４ａを開閉する第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４、および、第２吐出口４４ｂを開閉する第２吐出側バルブ機構５６を備えている。
【００３６】
図９は、シリンダヘッド、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構、および第１吐出側バルブ機構を拡大して示す側面図、図１０は、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構を示す斜視図である。  
図４、図５、図９、および図１０に示すように、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６は、バルブガイド７０ａにより、Ｙ軸方向（第３方向）に沿って昇降自在にガイドされ、第１吸気口４２ａの第１膨張圧縮室２６ａ側の端開口を開閉する吸気バルブ（例えば、きのこ弁）７２ａと、吸気バルブ７２ａを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）７４ａと、吸気バルブ７２ａのステム延出端に連結され、吸気バルブ７２ａの開閉駆動するＸＹ分離駆動機構７７と、を備えている。吸気バルブ７２ａのステムは、シーリング７６ａを気密に貫通してシリンダヘッド２８の上方に突出している。
【００３７】
ＸＹ分離駆動機構７７は、吸気バルブ７２ａのステム延出端に固定され、吸気バルブ７２ａと一体にＹ軸方向に移動するＹ軸分離スライダ（コンビネータ）７８ａ、シリンダヘッド２８に立設され、Ｙ軸方向に延びる支点ヒンジ８０ａ、この支点ヒンジ８０ａの延出端に揺動自在に支持されたロッカーアーム８２ａ、ロッカーアーム８２ａの一端（力点）に揺動自在に支持されたＸ軸分離スライダ（力点ブロック）８４ａ、ロッカーアーム８２ａの他端（作用点）に回転自在に支持されたカムフォロア（ローラ）８５ａ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロア８５ａに転接する第１吸気カム８６ａを備えている。
【００３８】
Ｙ軸分離スライダ７８ａは、ほぼ矩形ブロック形状に形成され、Ｙ軸方向に延びる側面およびＸ軸方向に延びる上面を有している。Ｙ軸分離スライダ７８ａの側面上にＹ軸方向に延びるＹ軸リニアスライダ８７ａが固定され、あるいは、Ｙ軸分離スライダ７８ａと一体に形成されている。Ｙ軸分離スライダ７８ａの上面に、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイドレール８８ａが固定されている。また、支点ヒンジ８０ａのＹ軸分離スライダ７８ａと対向する側面上に、Ｙ軸方向に延びるＹ軸ガイドレール９０ａが固定されている。Ｙ軸分離スライダ７８ａのＹ軸リニアスライダ８７ａは、Ｙ軸ガイドレール９０ａにＹ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。また、Ｘ軸分離スライダ８４ａのＹ軸分離スライダ７８ａと対向する下面にＸ軸リニアスライダ９２ａが固定され、あるいは、Ｘ軸分離スライダ８４ａと一体に形成されている。このＸ軸リニアスライダ９２ａは、Ｙ軸分離スライダ７８ａのＸ軸ガイドレール８８ａにＸ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。  
なお、Ｙ軸リニアスライダ８７ａおよびＸ軸リニアスライダ９２ａは、それぞれガイドレールに転接するボールベアリングを内蔵していてもよい。
【００３９】
支点ヒンジ８０ａの延出端部（上端部）は、Ｙ軸方向に対してＹ軸分離スライダ７８ａ側（ＸＣ軸分離スライダ８４ａ側）に湾曲している。そのため、ロッカーアーム８２ａは、その長手方向中央部よりも力点側、すなわち、Ｘ軸分離スライダ８４ａ側で、支点ヒンジ８０ａに揺動自在に支持されている。そのため、力点（カムフォロアー）と支点との距離Ｌ１は、支点と力点（Ｘ分離スライダ８４ａとロッカーアーム８２ａの係合位置）との距離Ｌ２よりも十分に大きく（Ｌ１＞Ｌ２）設定されている。これにより、ロッカーアーム８２ａは大きなてこ比（Ｌ１／Ｌ２）が得られ、比較的小さな力を作用点に作用させることで、Ｘ軸分離スライダ８４ａ、Ｙ軸分離スライダ７８ａ、および吸気バルブ７２ａを容易に引き上げることが可能となる。
【００４０】
吸気口４２ａの吸気側端開口には、第１吸気側カップラ９３ａが嵌合されている。この第１吸気側カップラ９３ａに、前述した二次冷却器１８からの配管（供給ライン）が接続され、二次冷却器１８から低温高圧空気が第１吸気口４２ａに導かれる。
【００４１】
閉塞時、第１吸気バルブ７２ａはコイルバネ７４ａにより付勢されて下降し、第１吸気口４２ａの弁座（バルブシート）に密着して、第１吸気口４２ａを閉じている。第１吸気カム８６ａが回転し、所定のタイミングでロッカーアーム８２ａのカムフォロア８５ａを下方へ押す。ロッカーアーム８２ａが支点の周りで時計方向に回動し、Ｘ軸分離スライダ８４ａは上方へ回動する。これにより、Ｘ軸分離スライダ８４ａは、Ｙ軸分離スライダ７８ａおよび吸気バルブ７２ａをＹ軸方向に沿って上方へ引き上げ、同時に、Ｙ軸分離スライダ７８ａに対してＸ軸方向にスライドする。すなわち、Ｘ軸分離スライダ８４ａの回動運動は、Ｙ軸方向の移動とＸ軸方向の移動とに分離され、Ｙ軸方向の移動のみがＹ軸分離スライダ７８ａに伝達される。これにより、Ｙ軸分離スライダ７８ａおよび第１吸気バルブ７２ａは、Ｙ軸リニアスライダ８７ａによりＹ軸方向に沿って往復動し、第１吸気口４２ａを開閉する。
【００４２】
なお、第１吸気カム８６ａが更に回転すると、カムフォロア８５ａが第１吸気カム８６ａの小径部に転接し、吸気カム８６ａによる押圧が低減する。そのため、コイルバネ７４ａの付勢力により、第１吸気バルブ７２ａおよびＹ軸分離スライダ７８ａがＹ軸方向に沿って下方へ移動し、第１吸気口４２ａを閉じる。また、ロッカーアーム８２ａが半時計方向に回動し、Ｘ軸分離スライダ８４ａは、Ｘ軸方向に摺動しながら、Ｙ軸分離スライダ７８ａと一緒に下方へ移動する。
【００４３】
図４、図５、および、図９に示すように、第１吐出側バルブ機構４８は、シリンダヘッド２８に埋め込まれたバルブガイド９４ａにより、Ｙ軸方向（第３方向）に沿って昇降自在にガイドされた吐出バルブ（例えば、きのこ弁）９６ａを有している。吐出バルブ９６ａのステムは、シーリング９５ａを気密に貫通してシリンダヘッド２８の上方に突出している。吐出バルブ９６ａは、Ｙ軸方向に昇降することにより、第１吐出口４２ｂの第１膨張圧縮室２６ａ側の端開口を開閉する。
【００４４】
第１吐出側バルブ機構４８は、吐出バルブ９６ａを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）９７ａと、吐出バルブ９６ａのステム延出端に連結され、吐出バルブ９６ａを開閉駆動するスライド駆動機構９８と、を備えている。このスライド駆動機構９８は、吐出バルブ９６ａのステム延出端に固定され、吐出バルブ９６ａと一体にＹ軸方向に移動するＹ軸スライダ１００ａ、Ｙ軸スライダ１００ａに回転自在に取り付けられたカムフォロア（ローラ）１０２ａ、シリンダヘッド２８に立設され、Ｙ軸方向に延びるスライドホルダ１０４ａ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロア１０２ａに転接する第１吐出カム１０５ａを備えている。
【００４５】
Ｙ軸スライダ１００ａは、ほぼ矩形ブロック形状に形成され、Ｙ軸方向に延びる側面を有している。Ｙ軸スライダ１００ａの側面上にＹ軸方向に延びるＹ軸リニアスライダ１０６ａが固定され、あるいは、Ｙ軸スライダ１００ａと一体に形成されている。また、スライドホルダ１０４ａのＹ軸スライダ１００ａと対向する側面上に、Ｙ軸方向に延びるＹ軸ガイドレール１０８ａが固定されている。Ｙ軸スライダ１００ａのＹ軸リニアスライダ１０６ａは、Ｙ軸ガイドレール１０８ａにＹ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。Ｙ軸リニアスライダ１０６ａは、Ｙ軸ガイドレール１０８ａに転接するボールベアリングを内蔵していてもよい。  
なお、第１吐出口４２ｂの吐出側端開口には、第１吐出側カップラ１０９ａが嵌合されている。この第１吐出側カップラ１０９ａに配管（吐出ライン）が接続され、膨張機２０から吐出された冷却空気は、配管を通して冷凍庫２２へ送られる。
【００４６】
閉塞時、第１吐出バルブ９６ａおよびY軸スライダ１００ａは、コイルバネ９７ａにより付勢されて上昇し、第１吐出バルブ９６ａは第１吐出口４２ｂの弁座（バルブシート）に密着して、第１吐出口４２ｂを閉じている。第１吐出カム１０５ａが回転し、所定のタイミングでＹ軸スライダ１００ａのカムフォロア１０２ａを下方へ押す。これにより、Ｙ軸スライダ１００ａは、Ｙ軸方向に沿って下方へスライドし、一緒に、第１吐出バルブ９６ａをＹ軸方向に沿って下方へ移動させ、第１吐出口４２ｂを開放する。
【００４７】
第１吐出カム１０５ａが更に回転すると、カムフォロア１０２ａが第１吐出カム１０５ａの小径部に転接する。そのため、コイルバネ９７ａの付勢力により、第１吐出バルブ９６ａおよびＹ軸スライダ１００ａがＹ軸方向に沿って上方へ移動し、第１吐出バルブ９６ａは第１吐出口４２ｂを閉じる。
【００４８】
図４および図５に示すように、第２吸気口４４ａを開閉する第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、上述した第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６と同様に構成されている。ただし、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６は、第１吸気バルブおよびＹ軸分離スライダがＹ軸方向に沿って昇降する、いわゆる縦型に構成されているが、第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、第２吸気バルブおよび分離スライダがＸ軸方向に往復移動する、いわゆる横型に構成されている。
【００４９】
すなわち、第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、バルブガイドにより、Ｘ軸方向（第４方向）に沿って往復動自在にガイドされ、第２吸気口４４ａの第２膨張圧縮室２６ｂ側の端開口を開閉する第２吸気バルブ（例えば、きのこ弁）７２ｂと、第２吸気バルブ７２ｂを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）７４ｂと、第２吸気バルブ７２ｂのステム延出端に連結され、第２吸気バルブ７２ｂの開閉駆動するＸＹ分離駆動機構と、を備えている。第２吸気バルブ７２ｂのステムは、シーリング７６ｂを気密に貫通してシリンダ２６の側方に突出している。
【００５０】
ＸＹ分離駆動機構は、第２吸気バルブ７２ｂのステム延出端に固定され、吸気バルブ７２ｂと一体にＸ軸方向に移動するＸ軸分離スライダ（コンビネータ）７８ｂ、シリンダ２６に立設され、Ｘ軸方向に延びる支点ヒンジ８０ｂ、この支点ヒンジ８０ｂの延出端に揺動自在に支持されたロッカーアーム８２ｂ、ロッカーアーム８２ｂの一端（力点）に揺動自在に支持されたＹ軸分離スライダ（力点ブロック）８４ｂ、ロッカーアーム８２ｂの他端（作用点）に回転自在に支持されたカムフォロア（ローラ）８５ｂ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロア８５ｂに転接する第２吸気カム８６ｂを備えている。
【００５１】
Ｘ軸分離スライダ７８ｂのＸ軸リニアガイドは、支点ヒンジ８０ｂに取付けられたＸ軸ガイドレールにＸ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。Ｙ軸分離スライダ８４ｂのＹ軸リニアスライダは、Ｘ軸分離スライダ７８ｂのＹ軸ガイドレールにＹ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。
【００５２】
第２吸気口４４ａの吸気側端開口には、第２吸気側カップラ９３ｂ（図２参照）が嵌合されている。この第２吸気側カップラ９３ｂに、前述した二次冷却器１８からの配管（供給ライン）が接続され、二次冷却器１８から低温高圧空気が吸気口４４ａに導かれる。  
このように構成された第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、上述した第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６と同様に動作して、第２吸気口４４ａを開閉する。
【００５３】
図４および図５に示すように、第２吐出口４４ｂを開閉する第２吐出側バルブ機構５６は、上述した第１吐出側バルブ機構４８と同様に構成されている。ただし、第１吐出側バルブ機構４８は、第１吐出バルブおよびＹ軸スライダがＹ軸方向に沿って昇降する、いわゆる縦型に構成されているが、第２吐出側バルブ機構５６は、第２吐出バルブおよびＸ軸スライダがＸ軸方向に往復移動する、いわゆる横型に構成されている。
【００５４】
すなわち、第２吐出側バルブ機構５６は、シリンダ２６に埋め込まれたバルブガイドにより、Ｘ軸方向（第４方向）に沿って往復動自在にガイドされた吐出バルブ（例えば、きのこ弁）９６ｂを有している。吐出バルブ９６ｂのステムは、シーリングを気密に貫通してシリンダ２６の側方に突出している。吐出バルブ９６ｂは、Ｘ軸方向に往復移動することにより、第２吐出口４４ｂの第２膨張圧縮室２６ｂ側の端開口を開閉する。
【００５５】
第２吐出側バルブ機構５６は、吐出バルブ９６ｂを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）９７ｂと、吐出バルブ９６ｂのステム延出端に連結され、吐出バルブ９６ｂを開閉駆動するスライド駆動機構と、を備えている。このスライド駆動機構は、吐出バルブ９６ｂのステム延出端に固定され、吐出バルブ９６ｂと一体にＸ軸方向に移動するＸ軸スライダ１００ｂ、Ｘ軸スライダ１００ｂに回転自在に取り付けられたカムフォロア（ローラ）、シリンダ２６に立設され、Ｘ軸方向に延びるスライドホルダ１０４ｂ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロアに転接する第２吐出カム１０５ｂを備えている。Ｘ軸スライダ１００ｂのＸ軸リニアスライダは、スライドホルダ１０４ｂに設けられＸ軸方向に延びるＸ軸ガイドレールにＸ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。
【００５６】
第２吐出口４４ｂの吐出側端開口には、第２吐出側カップラ１０９ｂ（図２参照）が嵌合されている。この第２吐出側カップラ１０９ｂに配管（吐出ライン）が接続され、膨張機２０から吐出された冷却空気は、配管を通して冷凍庫２２へ送られる。  
このように構成された第２吐出側バルブ機構５６は、上述した第１吐出側バルブ機構４８と同様に動作して、第２吐出口４４ｂを開閉する。
【００５７】
図２ないし図５に示すように、支持フレーム２４に複数本のカムシャフトが回転自在に取り付けられ、各カムシャフトに、前述した種々のカムが取り付けられている。詳細には、第１吸気カムシャフト１１０ａおよび第１吐出カムシャフト１１２ａが、支持フレーム２４の一対の支持板３１ａ、３１ｂに回転自在に支持されている。第１吸気カムシャフト１１０ａおよび第１吐出カムシャフト１１２ａは、互いに平行に、かつ、シリンダヘッド２８の上方に設けられている。第１吸気カムシャフト１１０ａに第１吸気カム８６ａが固定され、カムシャフトと一体に回転する。第１吐出カムシャフト１１２ａに第１吐出カム１０５ａが固定され、カムシャフトと一体に回転する。
【００５８】
第１吸気カムシャフト１１０ａの一端部、および第１吐出カムシャフト１１２ａの一端部は、それぞれ支持板３１ｂから背面側に突出している。そして、これらの一端部に、第１従動プーリ１２４ａおよび第２従動プーリ１２４ｂがそれぞれ取り付けられ、カムシャフトと一体に回転可能となっている。
【００５９】
第２吸気カムシャフト１１０ｂおよび第２吐出カムシャフト１１２ｂが、支持フレーム２４の一対の支持板３１ａ、３１ｂに回転自在に支持されている。第２吸気カムシャフト１１０ｂおよび第２吐出カムシャフト１１２ｂは、互いに平行に、かつ、シリンダ２６の両側に設けられている。第２吸気カムシャフト１１０ｂに第２吸気カム８６ｂが固定され、カムシャフトと一体に回転する。第２吐出カムシャフト１１２ｂに第２吐出カム１０５ｂが固定され、カムシャフトと一体に回転する。
【００６０】
第２吸気カムシャフト１１０ｂの一端部、および第２吐出カムシャフト１１２ｂの一端部は、それぞれ支持板３１ｂから背面側に突出している。そして、これらの一端部に、第３従動プーリ１２４ｃおよび第４従動プーリ１２４ｄがそれぞれ取り付けられ、カムシャフトと一体に回転可能となっている。
【００６１】
支持板３１ｂの背面、および、第２ベース板２７ｂの背面に、複数のテンションプーリ１２６が回転自在に取り付けられている。そして、第１ないし第４従動プーリ１２４ａ〜１２４ｄ、４つのテンションプーリ１２６、および、クランク軸に取付けられた受動プーリ５３に、ループ状のタイミングベルト１２８が架け渡されている。
【００６２】
クランク軸５０と共に駆動プーリ５３が回転すると、タイミングベルト１２８により、第１ないし第４従動プーリ１２４ａ〜１２４ｄが、同期して回転される。これにより、第１、第２吸気カムシャフト１１０ａ、１１０ｂ、第１、第２吐出カムシャフト１１２ａ、１１２ｂが回転し、これらのカムシャフトと共に、第１、第２吸気カム８６ａ、８６ｂ、第１、第２吐出カム１０５ａ、１０５ｂが回転して、対応するバルブ機構のバルブを所定の周期、タイミングで開閉する。
【００６３】
以上のように構成された膨張機２０によれば、始動時、図示しないモータ等により、クランク軸５０を回転させ、ピストン３０を昇降させる。例えば、図５に示すように、ピストン３０が上死点に移動したところで、第１吸気バルブ７２ａが開放され、第１吸気口４２ａから第１膨張圧縮室２６ａに低温高圧空気が供給される。第１吸気バルブ７２ａが閉じた後、ピストン３０が下死点に向かって下降することにより、第１膨張圧縮室２６ａの容積が徐々に増大し、これに伴い、内部の低温高圧空気が断熱膨張する。これにより、空気は、−８０〜１００℃の極低温に冷却される。ピストン３０が下死点から上死点に向かって移動する際、第１吐出バルブ９６ａが開放され、第１膨張圧縮室２６ａ内の冷却空気（冷気）は、ピストン３０により押されて第１吐出口４２ｂ、第１吐出カップラ１０９ａから配管へ吐出される。吐出された冷却空気は、配管を通して、冷凍庫２２内へ放出され、冷凍庫２２内を冷却する。
【００６４】
また、ピストン３０が下死点に移動したところで、第２吸気バルブ７４ｂが開放され、第２吸気口４４ａから第２膨張圧縮室２６ｂに低温高圧空気が供給される。第２吸気バルブ７４ｂが閉じた後、ピストン３０が上死点に向かって上昇することにより、第２膨張圧縮室２６ｂの容積が徐々に増大し、これに伴い、内部の低温高圧空気が断熱膨張する。これにより、空気は、−８０〜１００℃の極低温に冷却される。ピストン３０が下死点から上死点に向かって移動する際、第２吐出バルブ９６ｂが開放され、第２膨張圧縮室２６ｂ内の冷却空気（冷気）は、ピストン３０により押されて第２吐出口４４ｂ、第２吸気カップラ１０９ｂから配管へ吐出される。吐出された冷却空気は、配管を通して、冷凍庫２２内へ放出され、冷凍庫２２内を冷却する。
【００６５】
第１および第２吐出口４２ｂ、４４ｂから吐出した冷気の一部は、制御バルブ２３を通して二次冷却器１８へ送られる。  
膨張機２０の始動時以降は、ピストン３０は低温高圧空気に駆動され、その往復運動をＸＹ分離クランク機構６０により回転運動に変換してクランク軸５０を回転させる。すなわち、クランク軸５０は、高圧空気の膨張力により回転し、この回転力で発電機７５等を駆動することにより、回生電力を得ることができる。
【００６６】
上記のように構成された膨張機２０によれば、ＸＹ分離クランク機構によりピストンの往復運動を回転運動に変換してクランク軸に伝えることができ、揺動するコンロッド（連結棒）を用いた機構やスライダークランクと比較して、ピストンおよびシリンダのサイドスラストロス（摩擦ロス）、および振動を大幅に低減することできる。摩擦ロスがないことから、低振動となり、高速動作が可能となる。同時に、サイドスラストロスによる熱損失がなく、大幅な効率向上を図ることができるとともに、容易に小型化を図ることができる。本実施形態によれば、複動式のピストンおよびシリンダを用いることにより、容積で２倍となり、効率が好いことで３倍の効果が見込める。
【００６７】
複動ピストン、シリンダを用いた場合でも、ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構と直動連結部材で力は伝達するが、シリンダ部とクランク部は、離すことができるため、間隙に断熱部材を容易に設けることが容易でき、これにより熱移動を最小限にすることができる。従って、熱損失を一層低減し、より効率向上を図ることができる。また、複動ピストン、シリンダを用いることにより、スペースファクタが１／２となり、膨張機の小型化が用意となる。
【００６８】
バルブ機構として、ＸＹ分離バルブ機構を用いることにより、バルブに作用するサイドサイドスラストを無くし、摩擦ロスによる熱損失の低減し、かつ、サイドスラストによるバルブの変形を排除することができる。バルブはバルブ開閉方向のリニアガイドにより厳正直線運動となるため、バルブとバルブシートが正確に密着しシール性が向上するとともに、正確な開閉動作を実現することがきる。バルブ機構の効率が良く、耐久性に優れている。バルブの動作油が潤滑油を兼ねる場合、バルブの不要な回転を止めることが容易であり、ソレノイド式の電磁機構を持たせることも容易となる。
【００６９】
このように、ＸＹ分離バルブ機構により、冷却空気の供給、吐出を正確に、かつ、高いシール性を持って高速に行うことができる。これにより、膨張機の膨張比率、空気冷却効率が一層向上させることができる。例えば、圧縮膨張比を１０以上とすることも容易であり、１段で−１００℃以上の冷却が可能となる。
【００７０】
タービン式の膨張機に比較して、本実施形態の膨張機は、膨張比が大きくとれるため、バイパスなど種々の調整機構を簡素化できる。また、装置を大型のものから小型のものまで自由に設計することができる。膨張機の回転は任意に変化させ、温度調整が容易である。タービン式と異なり安価で、製造しやすく丈夫である。
【００７１】
膨張機の膨張仕事を、例えば、発電機により回生エネルギとして回収することができる。膨張エネルギを負荷として、１：１であるため、エネルギをほぼ１００％回収することができ、かつ、冷気を生成することができる。例えば、軸出力７００Ｗの膨張機で５００Ｗの回収電力が実測されている。
【００７２】
ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構およびＸＹ分離バルブ機構により、ピストンおよびバルブの完全な平行運動ができるため、３０φ程度の小型ピストンでも、あるいは、５００ｍｍの大型ピストンを用いる場合でも、シール性がよくロスレスで効率が良い。多段化が容易であり、２気筒、３気筒、８気筒と任意に多段化できる柔軟性に優れている。サイドスラストロスがないため、ピストンやバルブを容易にセラミック化することが可能であり、セラミックを用いることにより、軽量化、断熱性の向上を図ることができる。
【００７３】
本実施形態の膨張機を用いることにより、従来の空気冷凍装置に比べ構成が簡略化され安価な空気冷凍装置を提供することができる。一般の室内用クーラーを作ると室内用クーラー内部にチラーが不要なため、常温空気との混合吹き出しだけで良いので、小型化される。  
本実施形態に係る空気冷凍装置によれば、圧縮機で、室温から１ＭＰａにすると２００℃になるため、空気中のウイルスや細菌の滅菌が容易となる。ウイルス、細菌の滅菌が容易であるため、クリーンルーム化が容易である。手術室、半導体製造工場用などでは、フィルタの小型化を図ることができ、トータルコスト削減が実現する。膨張機から冷凍庫内に冷気を吐出するため、冷凍庫内は陽圧となり、外部から冷凍庫内に外気が侵入することがない。そのため、冷凍庫を簡易な構造としても充分な冷凍機能を発揮することができ、冷凍庫の製造コストを大幅に削減することが可能となる。
【００７４】
次に、他の実施形態に係る空気冷凍装置について説明する。なお、以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
【００７５】
（第２の実施形態）  
図１１は、第２の実施形態に係る空気冷凍装置を概略的に示すブロック図である。この図に示すように、第２の実施形態によれば、空気冷凍装置１１は、吸気側に入力フィルタ１０が設けられた圧縮機１２と、圧縮機１２の吐出側に接続された一次冷却器（熱交換器）１４、乾燥器１６、この乾燥器１６の排出側に繋がる二次冷却器（熱交換器）１８、この二次冷却器から送られた冷却空気を断熱膨張して冷却する膨張機２０と、膨張機２０の吐出側に接続された冷凍機２００と、を備えている。すなわち、第２の実施形態によれば、冷凍庫に換えて、冷凍機２００を備え、膨張機２０から吐出した冷気を、直接、冷凍機２００へ供給する。膨張機２０は、前述した第１の実施形態における膨張機と同様に構成されている。
【００７６】
空気冷凍装置１１において、室内あるいは室外の自然空気は、入力フィルタ１０を通して圧縮機１２に吸い込まれ、断熱圧縮されて約７〜１０気圧の高温高圧空気となって圧縮機１２から吐出される。圧縮後、高温高圧空気は自身の熱により殺菌される。次いで、高温高圧空気は、一次冷却器１４へ送られ、ここで常温空気により常温まで冷却された後、乾燥器（ケミカルドライヤー、メンブレンドライヤーなど）１６で水分を除去される。更に、この空気は、二次冷却器１８でマイナス温度領域まで冷却され、約７〜１０気圧の低温乾燥高圧空気となる。
【００７７】
二次冷却器１８から送られる低温高圧空気は、膨張機２０に吸い込まれ、この膨張機２０で断熱膨張されて、更に温度が下がった冷気、例えば、例えば−１００℃の冷気となる。この冷気（陽圧冷気）は、膨張機２０から吐出され、冷凍機２００へ供給される。冷凍機２００内の余剰冷気は、この冷凍機を通過した後、冷凍機の設置空間（作業室）に放出される。
【００７８】
次に、本実施形態に係る冷凍機２００について詳細に説明する。  
図１２は、冷凍機を示す斜視図、図１３および図１４は、冷凍機の側面図である。  
図１２および図１３に示すように、冷凍機２００は、例えば、生鮮食料品、冷凍食品等の被冷却物を搬送する搬送ライン、例えば、ベルトコンベア２０２と、ベルトコンベア２０２の少なくとも一部を覆うように配置された冷却器２０３と、を備えている。冷却器２０３は、ベルトコンベア２０２の両側に設置された２つの支持台２０８、２１０と、ヒンジ２１２により一方の支持台２１０に回動可能に支持された冷却カバー２０４と、を備えている。冷却カバー２０４は、図１３に示すように、ベルトコンベア２０２を覆う冷却位置と、図１４に示すように、ベルトコンベア２０２を開放する開放位置との間を回動可能に支持されている。
【００７９】
冷却カバー２０４内に、複数の整流板２０６が設けられている。冷却カバー２０４に複数、例えば、２つの供給孔２１６ａ、２１６ｂが形成され、これらの供給孔に、送風ファン２１４ａ、２１４ｂが設けられている。更に、供給孔２１６ａ、２１６ｂにそれぞれ送気管２２０ａ、２２０ｂが連結されている。これらの送気管２２０ａ、２２０ｂは、それぞれフレキシブルに形成され、また、吐出ラインを介して、前述した膨張機２０の第１吐出側カップラ１０９ａおよび第２吐出側カップラ１０９ｂに接続される。
【００８０】
膨張機２０から吐出した冷気は、送気管２２０ａ、２２０ｂを通して冷却カバー２０４内へ供給され、更に、送風ファン２１４ａ、２１４ｂにより、ベルトコンベア２０２上の被冷凍物に吹き付けられる。このように、−８０〜―１００℃の冷却空気を被冷凍物に直接、当てることにより、被冷凍物を直ぐに冷凍することができる。
【００８１】
また、冷却カバー２０４は、開放位置へ回動可能であることから、清掃時には、冷却カバー２０４をあけた状態で、冷却カバー２０４の内側や、ベルトコンベア２０２の上面等を容易に清掃することができる。
【００８２】
以上のように構成された空気冷凍装置によれば、比較的、簡易な構成の冷凍機２００を用いて、容易に被冷凍物を冷凍することができる。また、冷凍機２００の設置場所は、必ずしも冷凍庫あるいは冷凍室に限られることがなく、自由な設置が可能となる。その他、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００８３】
（第３の実施形態）  
図１５は、第３の実施形態に係る空気冷凍装置を概略的に示している。この図に示すように、空気冷凍装置は、第１の実施形態で示した膨張機と同一の構成を有する膨張機２０と、圧縮機１２と、エンジン３００と、熱交換器３０６と、膨張機２０の出力側に接続可能な発電機７５と、を備えている。
【００８４】
本実施形態において、圧縮機１２は、膨張機２０と同一の構造に構成されている。但し、バルブ機構４６、４８、５４、５６の開閉タイミングは、圧縮機としての機能を発揮するように適宜設定されている。
【００８５】
エンジン３００は、膨張機２０と同一の構造に構成されている。エンジン３００は、シリンダ２６の第１膨張圧縮室に点火するための第１点火プラグ３０２、および、シリンダ２６の第２膨張圧縮室に点火するための第２点火プラグ３０４を備えている。また、バルブ機構４６、４８、５４、５６の開閉タイミングは、エンジンとしての機能を発揮するように適宜設定されている。
【００８６】
膨張機２０のクランク軸５０は、第１クラッチ３０８により、発電機７５に選択的に接続される。発電機７５は、第２クラッチ３１０により、エンジン３００のクランク軸５０に選択的に接続される。更に、圧縮機１２の出力軸（クランク軸５０）は、第３クラッチ３１２により、エンジン３００のクランク軸５０に選択的に接続される。熱交換器３０６は、エンジン３００の吐出側に接続されている。発電機７５には、電力利用機器、例えば、照明機器３２０等を接続可能である。
【００８７】
上記のように構成された空気冷凍装置は、第１〜第３クラッチ３０８、３１０、３１２を切換えることにより、種々のモードで運転される。  
第１クラッチ３０８をオン、第２クラッチ３１０をオフ、第３クラッチ３１２をオンにより、空気冷凍装置は、空気冷凍モードで同時発電を行う。すなわち、圧縮機１２から低温高圧の空気を膨張機２０に供給し、膨張機２０により極低温の冷気を生成して吐出する。同時に、膨張機２０の回生エネルギにより発電機７５を駆動して発電を行う。発生した電力は、例えば、照明機器３２０に供給される。また、エンジン３００を駆動することにより、このエンジン３００の出力を利用して、圧縮機１２を駆動することができる。
【００８８】
第１クラッチ３０８をオフ、第２クラッチ３１０をオン、第３クラッチをオフにより、空気冷凍装置は、発電モードで運転される。すなわち、エンジン３００の出力により発電機７５を駆動し、発電を行う。電力が優先で冷凍冷房が不要な場合は、電力を優先できる。
【００８９】
その他のボイラー等の熱源を併せ持つ構成とすることにより、冷熱、温熱いずれの対応も効率よく行える。そのため、従来型のコジェネ機に本実施形態の空気冷凍装置を追加することにより、冷熱温熱、発電といずれも効率よく運転することが可能となる。ＺメカニズムＸＹ分離機構を有する膨張機に発電機を取り付け、エンジン３００にも発電機を取り付けても良い。発電機は電磁石をオフして、負荷を取らなければ、フライホイールと同程度の負荷として扱うことができる。しかし、クラッチで切り替えることにより、設備を小型化することが可能となる。２つの発電機を持つシステムであれば、自由度は更に上がることになる。
【００９０】
上記の空気冷凍装置によれば、冷房が２．５Ｋｗ、3台、７．５Ｋｗがエンジン３００、圧縮機１２でガス等の熱源をまかなうことが可能となる。自動的に２．５Ｋｗが発電されるので、１Ｋｗを消費する場合は、差引１．５Ｋｗを売電に当てることも可能となる。
【００９１】
産油国等では、ガスを直接冷房と発電に変換できるこことになり、１０万戸であれば、７５Ｋｗが浮き、２５万Ｋｗが発電される。すなわち、１００万Ｋｗの原発１基に相当することになる。更に、ＧＤＰ値（温暖化指数）はフロンの８５００から、１になり、地球環境にも非常に良いことになる。
【００９２】
こうした冷凍、冷房領域は一般家庭のみならず、半導体製造、電気化学領域等幅広く効率改善をすることができる。 
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００９３】
ＸＹ分離クランク機構において、支持部材およびクランク接続部材を往復移動自在に支持する支持部は、リニアスライダに限らず、他の支持構造としてもよい。リニアスライダに代えて、蟻溝によるスライド支持構造を用いてもよい。更に、ＸＹ分離クランク機構のリニアガイド部にリニアモータ機構のような磁気浮上システムも導入可能で、この場合、一層の高速運転が可能となる。上記述した膨張機は、１気筒に限らず、２気筒以上としてもよい。膨張機は、いわゆる縦型に限らず、シリンダおよびピストンが水平に位置する横型としてもよい。
【要約】
実施形態によれば、膨張機は、シリンダ（２６）内に往復動自在に設けられたピストン（３９）と、ピストンの第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸（５０）と、ピストンとクランク軸との間に設けられ、ピストンの往復運動とクランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構（６０）と、吸気口および吐出口を有するシリンダヘッド（２８）と、吸気口を開閉する吸気バルブと、吐出口を開閉する吐出バルブと、吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構（４６）と、吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構（４８）と、を備えている。吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている。【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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