(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を、各シリンダヘッドを外側に向けた状態で、同一のシリンダ軸線上に配設したシリンダユニットと、
前記シリンダユニットの圧縮ピストンと膨張ピストンとを連結すると共に、シリンダユニットの軸線に沿って直線往復動するピストンロッドと、
前記シリンダユニットのシリンダ間でシリンダ軸線にそのピッチ円の中心軸を直交すると共に、シリンダ軸線と平行に固定的に配設した内周太陽歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円直径の二分の一のピッチ円直径を有し、噛合して自転及び公転可能に配設した遊星歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円の中心軸回りに回転自在に配設されるクランク軸と、前記クランク軸の半径方向に突設し前記遊星歯車の自転軸を回転自在に支持する腕部とを有し、前記遊星歯車のピッチ円の円周上において前記ピストンロッドの中間部をピン係合するクランク機構と、
前記遊星歯車とピストンロッドとのピン係合部にカムフォロアを設け、膨張ピストンが上死点に到達する以前に遊星歯車が自転方向の前側で太陽歯車に噛合するようにカム案内面を設定したカム機構と、
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排気口を連通する冷気排気用マニホールドと、
を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記カム機構が、膨張ピストンが下死点に到達する以前において遊星歯車が自転方向の後側で太陽歯車に噛合するように設定したカム案内面を有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
圧縮ピストンを往復動可能に収納した２つの圧縮シリンダの各シリンダヘッドを外側に向けた状態で同一シリンダ軸線上に配設した圧縮シリンダユニットと、
圧縮ピストンを往復動可能に収納した２つの膨張シリンダの各シリンダヘッドを外側に向けた状態で同一シリンダ軸線上に配設した膨張シリンダユニットと、
前記圧縮シリンダユニットに備えられ、両端に２つの圧縮ピストンを連結すると共に、圧縮シリンダユニットの軸線に沿って直線往復動する圧縮ピストンロッドと、
前記膨張シリンダユニットに備えられ、両端に２つの膨張ピストンを連結すると共に、膨張シリンダユニットの軸線に沿って直線往復動する膨張ピストンロッドと、
前記各シリンダユニットのシリンダ間で、シリンダ軸線にそのピッチ円の中心軸を直交すると共に、シリンダ軸線と平行に固定的に配設した内周太陽歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円直径の二分の一のピッチ円直径を有し、噛合して自転及び公転可能に配設した遊星歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円の中心軸回りに回転自在に配設されるクランク軸と、前記クランク軸の半径方向に突設し前記遊星歯車の自転軸を回転自在に支持する腕部とを有し、前記遊星歯車のピッチ円の円周上において前記ピストンロッドの中間部をピン係合するクランク機構と、
前記各シリンダユニットに備えられるクランク軸を相互に連動させる動力伝達手段と、
前記クランク軸を回転駆動する駆動装置と、
前記各圧縮シリンダの吸気口から導入されて前記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排気口を連通する冷気排気用マニホールドと、
を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
前記圧縮空気供給通路に、適時作動操作可能な増圧用のコンプレッサで作成した圧縮空気を供給することを特徴とする請求項１乃至３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記圧縮空気供給通路に気圧測定センサと減圧装置とを設け、前記冷気排気用マニホールド内に温度センサを設け、前記温度センサ及び気圧測定センサに基づいて圧縮空気供給通路の空気の圧力を増・減圧調整し、所望の温度の冷気を得るように構成したことを特徴とする請求項４記載の冷却装置。
【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】
上記冷却装置は、作動時のエネルギ効率を良くすることが課題となる。
【０００５】
図１に示すように、本発明者らは、エネルギ効率を向上させるべく、遊星歯車機構を有するクランク機構９を備えた冷却装置を提案している。この冷却装置は、コンプレッサ１の圧縮シリンダ２と膨張機２２の膨張シリンダ２３とを、同一のシリンダ軸線Ｌ上でシリンダヘッドを外側に向けて対向配置し、各ピストンロッド（８，３９）を連結して、クランク機構により各ピストン（３，２４）をシリンダ軸線に沿って直線的に往復動させるものであって、コンプレッサ１で圧縮した空気を、熱交換器５で一次冷却し、膨張機２２で膨張させて冷気を得るものである。
【０００６】
この冷却装置は、各ピストンが直線往復動するので、ピストンスラップ等によるエネルギの摩擦損失や騒音等が減少し、また、膨張機２２における膨張エネルギをコンプレッサ１において、空気を圧縮させる際のエネルギに利用することが可能であるから、駆動装置の負担を軽減できる。
【０００７】
以下、図１、図２、図４及び図５に基づいてこのクランク装置９を説明する。
【０００８】
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。
【０００９】
内周太陽歯車１６は、シリンダ軸線Ｌと平行に、内周太陽歯車１６の中心軸１６ａを前記シリンダ軸線Ｌと直交し、かつ、クランク軸１３の回転中心に一致した状態で、クランクケース１１に固定的に配設する。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
図５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４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回公転する毎に一回シリンダ軸線Ｌ上で直線往復運動することになる。これにより、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にシリンダ軸線Ｌに直交する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。
【００１４】
なお、ピストンロッド（８，３９）の往復動の範囲は、各シリンダ（２，２３）の上死点と下死点との間の距離に等しく、そのため、内周太陽歯車１６のピッチ円直径は、各シリンダの上死点と下死点との間の距離に等しく設定されている。
【００１５】
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。
【００１６】
この冷却装置は、コンプレッサ１側で作成される高温の圧縮空気を、熱交換器５にてほぼ常温まで一次冷却し、かかる常温の圧縮空気を膨張機２２側で膨張ピストン２４の上死点でシリンダ内に吸気し、膨張ピストン２４が上死点から下死点に至る間で、圧縮空気を略外気と同程度まで膨張させることにより、冷気を得ている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、クランク装置９の遊星歯車機構１５は、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が下死点から上死点に至る間は、モータ１０が主導してクランク軸１３を回転し遊星歯車１７を回し、図１０（Ａ）に示すように、遊星歯車１７が自転方向Ａの前側で歯当たりしながら公転している可能性がある。これに対し、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が上死点から下死点に至る間は、膨張ピストン２４やピストンロッド３９などを圧縮空気がコンプレッサ１側に押すので、図１０（Ｂ）に示すように、遊星歯車１７がコンプレッサ１側に付勢されて必ず自転方向Ａの後側で歯当たりしながら公転するものとなる。
【００１８】
このため、膨張ピストン２４の上死点において、圧縮空気を膨張シリンダ２３内に吸気した時に、遊星歯車１７の歯当たりが、自転方向の前側の歯当たりから後側の歯当たりに変わり、その時に大きな歯音がする場合があった。
【００１９】
また、上記の冷却装置では、膨張シリンダ２３内に吸気する圧縮空気の空気圧によって、作成される冷気の温度が定まるが、膨張機２２とコンプレッサ１が同じ回転数で回転するので、冷気の温度を左右する膨張機２２に吸気する圧縮空気の圧力を調整すること等が必ずしも容易ではなかった。
【００２０】
そこで、本発明は、遊星歯車機構を有するクランク装置を用いた冷却装置において、クランク装置の遊星歯車機構の歯音を解消し、かつ、冷気の温度の調整等が可能な冷却装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る冷却装置は、圧縮ピストンを往復動可能に収納した圧縮シリンダと、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を、各シリンダヘッドを外側に向けた状態で、同一のシリンダ軸線上に配設したシリンダユニットと、前記シリンダユニットの圧縮ピストンと膨張ピストンとを連結すると共に、シリンダユニットの軸線に沿って直線往復動するピストンロッドと、前記シリンダユニットのシリンダ間でシリンダ軸線にそのピッチ円の中心軸を直交すると共に、シリンダ軸線と平行に固定的に配設した内周太陽歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円直径の二分の一のピッチ円直径を有し、噛合して自転及び公転可能に配設した遊星歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円の中心軸回りに回転自在に配設されるクランク軸と、前記クランク軸の半径方向に突設し前記遊星歯車の自転軸を回転自在に支持する腕部とを有し、前記遊星歯車のピッチ円の円周上において前記ピストンロッドの中間部をピン係合するクランク機構と、前記遊星歯車とピストンロッドとのピン係合部にカムフォロアを設け、膨張ピストンが上死点に到達する以前に遊星歯車が自転方向の前側で太陽歯車に噛合するようにカム案内面を設定したカム機構と、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排気口を連通する冷気排気用マニホールドとを有することを特徴とする。
【００２２】
なお、カム機構は、膨張ピストンが下死点に到達する以前において遊星歯車が自転方向の後側で太陽歯車に噛合するように設定したカム案内面を有するものとしても良い。
【００２３】
また、圧縮ピストンを往復動可能に収納した２つの圧縮シリンダの各シリンダヘッドを外側に向けた状態で同一シリンダ軸線上に配設した圧縮シリンダユニットと、圧縮ピストンを往復動可能に収納した２つの膨張シリンダの各シリンダヘッドを外側に向けた状態で同一シリンダ軸線上に配設した膨張シリンダユニットと、前記圧縮シリンダユニットに備えられ、両端に２つの圧縮ピストンを連結すると共に、圧縮シリンダユニットの軸線に沿って直線往復動する圧縮ピストンロッドと、前記膨張シリンダユニットに備えられ、両端に２つの膨張ピストンを連結すると共に、膨張シリンダユニットの軸線に沿って直線往復動する膨張ピストンロッドと、前記各シリンダユニットのシリンダ間で、シリンダ軸線にそのピッチ円の中心軸を直交すると共に、シリンダ軸線と平行に固定的に配設した内周太陽歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円直径の二分の一のピッチ円直径を有し、噛合して自転及び公転可能に配設した遊星歯車と、前記内周太陽歯車のピッチ円の中心軸回りに回転自在に配設されるクランク軸と、前記クランク軸の半径方向に突設し前記遊星歯車の自転軸を回転自在に支持する腕部とを有し、前記遊星歯車のピッチ円の円周上において前記ピストンロッドの中間部をピン係合するクランク機構と、前記各シリンダユニットに備えられるクランク軸を相互に連動させる動力伝達手段と、前記クランク軸を回転駆動する駆動装置と、前記各圧縮シリンダの吸気口から導入されて前記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排気口を連通する冷気排気用マニホールドとを有することを特徴とするものでも良い。
【００２４】
また、圧縮空気供給通路に、適時作動操作可能な増圧用のコンプレッサで作成した圧縮空気を供給することを特徴とするものとしても良い。
【００２５】
また、前記圧縮空気供給通路に気圧測定センサと減圧装置とを設け、前記冷気排気用マニホールド内に温度センサを設け、前記温度センサ及び気圧測定センサに基づいて圧縮空気供給通路の空気の圧力を増・減圧調整し、所望の温度の冷気を得るように構成しても良い。
【００２６】
【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。
【００２７】
第一実施形態は、図１及び図２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、カム機構６５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である。
【００２８】
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、吸気口に取付けられて外気の導入配管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、排気口に取付けられて配管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の構造については上述した通りである。
【００２９】
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。
【００３０】
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３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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
膨張シリンダ２３のヘッド部には、吸気口に取付けられ配管２１からの吸気を制御する吸気弁２５と、排気口に取付けられ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
クランク装置９は、図１、図２、図４及び図５に示すように、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。なお、このクランク装置９に関する説明は上述したので省略する。
【００３７】
カム機構６５は、クランク装置９の連結ピン２０のピストンロッド８側の端部に例えばベアリングを取付けて構成したカムフォロア６６と、カムフォロア６６を所定の軌跡に沿って案内するように設定したカム案内面（６７，６８）とを備える。
【００３８】
カム案内面６７は、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が上死点に到達する以前において、遊星歯車１７がその自転方向の前側で歯当たりして太陽歯車１６を公転するように、カムフォロア６６を案内するものである。この実施形態では、図示するように遊星歯車１７が太陽歯車１６の内周を右回りに公転しているので、カム案内面６７は、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が上死点に近づくにつれて、徐々にシリンダ軸線Ｌより歯車のバックラッシュ相当分上方にカムフォロア６６を案内し、遊星歯車１７が自転方向の前側で歯当たりするようにカム案内面６７を設定している。
【００３９】
カム案内面６８は、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が下死点に到達する以前において、遊星歯車１７がその自転方向の後側で歯当たりして太陽歯車１６を公転するように、カムフォロア６６を案内するものである。この実施形態では、図示するように遊星歯車１７が太陽歯車１６の内周を右回りに公転しているので、カム案内面６８は、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が下死点に近づくにつれて、徐々にシリンダ軸線Ｌより歯車のバックラッシュ相当分下方にカムフォロア６６を案内し、遊星歯車１７が自転方向の後側で歯当たりするようにカム案内面６８を設定している。
【００４０】
このカム機構６５の作用により、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が上死点において圧縮空気を吸気したときに、遊星歯車１７が既に自転方向の後側で歯当たりした状態になっているので、歯当たりが逆転した場合に生じる大きな歯音がしない。また、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が下死点に到達したときに、遊星歯車１７が既に自転方向の前側で歯当たりした状態になっているので、膨張シリンダ２３の膨張ピストン２４が下死点から上死点の間で、遊星歯車１７がモータ主導でスムーズに転動するものとなる。
【００４１】
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。
【００４２】
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、コンプレッサ１は、圧縮ピストン３が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内に吸入する。そして、コンプレッサ１は、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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から配管２１を通して導いた圧縮空気を断熱膨張させて排気口から排気管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内の冷気を排気管２６へ排気する。
【００４５】
この第一実施形態の冷却装置は、膨張ピストン２４が上死点から下死点に至る間で、圧縮空気が膨張ピストン２４を押すので遊星歯車１７は自転方向の後側で歯当たりするが、カム機構６５により、膨張ピストン２４が上死点に到達する以前に遊星歯車１７が自転方向に後側で歯当たりするようにしているので、歯当たりが逆転することによる大きな歯音の発生を解消することができる。また、膨張ピストン２４が上死点から下死点に至る間は、遊星歯車１７の公転慣性力及びモータ１０がクランク軸１３を回転させる駆動力により遊星歯車１７が転動するが、このときはカム機構６５により、膨張ピストン２４が下死点に到達する以前に遊星歯車１７が自転方向の前側で歯当たりしているので、モータ１０からスムーズに駆動力を受けて転動することができ、また、歯当たりが逆転することによる大きな歯音の発生も解消することができる。
【００４６】
なお、遊星歯車１７の歯音は、膨張シリンダ２３に圧縮空気を吸気する場合に発生する歯音が特に大きい。この歯音のみの解消を図る場合は、カム機構６５は、カム案内面６８を省略し、カム案内面３７のみ設定してもよい。
【００４７】
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、この冷却装置は、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ーを圧縮ピストン３の圧縮エネルギーの一部として利用することで、駆動エネルギーを供給する駆動モータ１０の負担を軽減している。また、この冷却装置は、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。また、この冷却装置は、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、図７、図８、図９に示す本発明に係る第二実施形態の冷却装置について説明する。
【００５１】
図７に示すように、この冷却装置は、圧縮シリンダユニット８１と、膨張シリンダユニット８２と、圧縮ピストンロッド８３ａと、膨張ピストンロッド８３ｂと、クランク装置９と、駆動装置としてのモータ１０と、圧縮空気供給通路としての配管８７と、一次冷却器としての一次熱交換器５と、エアドライヤ８９と、二次熱交換器９０と、冷気排気用マニホールド７０とを備える。なお、図７、図８、図９において、上記第一実施形態に係る冷却装置と同様の構成を有する部材は、同じ符号を付しその重複説明を省略する。
【００５２】
図８に示すように、圧縮シリンダユニット８１は、２つの圧縮シリンダ２を同一のシリンダ軸線Ｌ１上にシリンダヘッドを外側に向けて対向配置したものであり、各圧縮シリンダ２に往復動可能に収容した圧縮ピストン３が同周期にて１８０°の位相差で往復動するように、それぞれ圧縮ピストンロッド８３ａに枢支連結したものである。
【００５３】
各圧縮シリンダ２は、第一実施形態のコンプレッサ１の圧縮シリンダ２と同様のもので、シリンダヘッドに吸気弁４と排気弁７とを有し、外気の吸気し、圧縮空気を排気するものである。
【００５４】
図９に示すように、膨張シリンダユニット８２は、２つの膨張シリンダ２３を同一のシリンダ軸線Ｌ２上にシリンダヘッドを外側に向けて対向配置したものであり、各膨張シリンダ２３に往復動可能に収容した膨張ピストン２４が同周期にて１８０°の位相差で往復動するように、それぞれ膨張ピストンロッド８３ｂに枢支連結したものである。
【００５５】
各膨張シリンダ２３は、第一実施形態の膨張機２２の膨張シリンダ２３と同様のもので、シリンダヘッドに吸気弁２５、排気弁２７及び動弁機構２８とを有し、所定のタイミングで膨張シリンダ２３内に圧縮空気を吸気し、断熱膨張させて冷気を排気するものである。また、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、排気管２６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でそれぞれ被覆してある。
【００５６】
なお、ピストンロッド８３は、一本のピストンロッドでも良いが、２本のピストンロッドをピン４０で連結した中折れ可能なピストンロッドとしてもよい。
【００５７】
クランク装置９は、第一実施形態のクランク装置９と同様、遊星歯車機構１５を備えたもので、上記シリンダユニット（８１，８２）のピストンロッド８３に連結した連結ピン９１をシリンダ軸線に沿って往復動するものである。
【００５８】
モータ１０は、圧縮シリンダユニット８１のクランク軸１３を回転駆動する駆動源となるものである。また、圧縮シリンダユニット８１のクランク軸１３と膨張シリンダユニット８２のクランク軸１３は、動力伝達手段としてのベルト或はカップリング等で互いに連動するように連結している。
【００５９】
圧縮シリンダユニット８１の各圧縮シリンダ２によって排気される高温の圧縮空気は、配管８７を通して、圧縮空気収集用マニホールド８８にまとめ、第一熱交換器５、エアドライヤ８９、第二熱交換器９０に順番に送ってから膨張シリンダユニット８２へ吸気させる。
【００６０】
ここで、第一熱交換器５は、上記第一実施形態の第一熱交換器５と同様のものであり、圧縮空気をぼほ常温まで一次冷却する。エアドライヤ８９は、例えば、シリカゲルや活性アルミナなどの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。第二熱交換器９０は、第一熱交換器５と同様の構成を有し、エアドライヤ８９において発生する吸着熱を除去し、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。
【００６１】
膨張シリンダ２３は、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が下死点に至る間で、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して冷気を作成し、膨張ピストン２４が下死点から上死点へ至る間で排気弁２７を開いて冷気を排気する。膨張シリンダユニット８２から排気された冷気は、冷気排気用マニホールド７０でまとめて目的物の冷却に用いる。
【００６２】
圧縮シリンダユニット８１と膨張シリンダユニット８２は、それぞれのクランク装置９のクランク軸１３をベルト又はカップリング等で相互に連動するように連結し、膨張シリンダユニット８２のクランク軸１３から圧縮シリンダユニット８１のクランク軸１３へ膨張エネルギを伝達している。これにより、モータ１０の負担を軽減することができ経済的であると共に、膨張エネルギを圧縮シリンダユニット８１における圧縮エネルギに利用することで、膨張シリンダ２３内の圧縮空気の熱エネルギをより多く運動エネルギに変換することができる。即ち、この冷却装置は、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、より温度の低い冷気を作成することが可能となる。
【００６３】
この実施形態では、圧縮シリンダユニット８１のクランク装置９は、常にモータ１０が主導して回転し、遊星歯車１７が自転方向の前側で歯当たりしながら公転するので、歯当たりが逆転することによる大きな歯音がしない。また、膨張シリンダユニット８２のクランク装置９は、常に、いずれか一方の膨張ピストン２４から膨張エネルギを得て回転し、遊星歯車１７が自転方向の後側で歯当たりしながら公転するので、歯当たりが逆転することによる大きな歯音がない。
【００６４】
次に、図７に基づいて、本発明に係る第三実施形態について説明する。
【００６５】
なお、この実施形態の基本構成は第二実施形態の冷却装置と同じである。
【００６６】
図７における配管９１は、図示しない増圧用圧縮シリンダユニットで排気される高温の圧縮空気を送るものである。
【００６７】
この増圧用圧縮シリンダユニットは、図９に示す第二実施形態の圧縮シリンダユニット８１と同様のもので、適時必要に応じて作動するように構成したものである。増圧用圧縮シリンダユニットの駆動源は、例えば、膨張シリンダユニット８２のクランク装置９のクランク軸１３に、動力伝達が接離操作可能なクラッチ機構（図示せず）を介して連結してもよく、或は、別個独立したモータ（図示省略）を駆動源として作動するものでもよい。
【００６８】
なお、膨張シリンダユニット８２のクランク装置９のクランク軸１３にクラッチ機構を介して連結する場合は、上述したように膨張シリンダユニット８２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。
【００６９】
この実施形態の冷却装置は、例えば、始動時において圧縮空気内の圧縮空気収集用マニホールド８８内の圧力が所要の圧力より低い場合、或は、より低い温度の冷気を作成すべく圧縮空気収集用マニホールド８８内の圧力を更に高くしたい場合に、この増圧用圧縮シリンダユニットが作動するように構成したものである。
【００７０】
これにより、例えば、始動時において増圧用圧縮シリンダユニットを作動させて、膨張シリンダユニット８２に吸気する圧縮空気の圧力を早期に所定の圧力とすることができるので、所要の温度の冷気が選られるまでの時間を短縮することができる。また、併せて膨張シリンダユニット８２に吸気する配管に気圧測定センサ９５と減圧装置９３を設け、かつ、冷気排気用マニホールド７０内に作成した冷気の温度図る温度センサ９４を取付けることにより、膨張シリンダユニット８２に吸気する圧縮空気の圧力を自由に増・減圧調整することができるようになるので、所望の温度の冷気が得られるように構成することができる。
【００７１】
例えば、制御装置（図示省略）により、この温度センサ９４が感知した冷気の温度が所望の温度より高い場合（作成した冷気の温度をより低くしたい場合）は、増圧用圧縮シリンダユニットを作動して、気圧測定センサ９５で感知する膨張シリンダユニット８２に吸気する圧縮空気の圧力を増圧調整して、温度センサ９４が所望の温度を感知するように制御する。逆に、制御装置  （図示省略）により、この温度センサ９４が感知した冷気の温度が所望の温度より低い場合（作成した冷気の温度をより高くしたい場合）は、減圧装置９３を作動して、気圧測定センサ９５で感知する膨張シリンダユニット８２に吸気する圧縮空気の圧力を減圧調整して、温度センサ９４が所望の温度を感知するように制御する。
【００７２】
上述のように、第３実施形態によれば、圧縮シリンダユニット８１と膨張シリンダユニット８２とが同周期で作動した場合に困難であった、冷気の温度調整等を容易に行うことができる。
【００７３】
以上、本発明に係る冷却装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。
【００７４】
例えば、第一実施形態の冷却装置又は第二実施形態の冷却装置を複数並列的に配設し、各クランク軸をそれぞれ同周期で所定の位相差をもって連動するように連結して単一のモータで駆動するように構成してもよい。
【００７５】
この場合、発生する冷気がまとめられ、冷気の脈動が無くなる。
【００７６】
また、第一実施形態でも第二実施形態と同様にエアドライヤや第二熱交換器を設けても良いし、また、第三実施形態と同様に増圧用コンプレッサや減圧装置や温度センサ等を設けても良い。
【００７７】
【発明の効果】
本発明に係る冷却装置は、圧縮シリンダと膨張シリンダを同一のシリンダ軸線に配設し、遊星歯車機構を備えたクランク装置により、そのピストンロッドを直線往復動するように構成した冷却装置に、遊星歯車とピストンロッドとのピン係合部にカムフォロアを設け、膨張ピストンが上死点に到達する以前に遊星歯車が自転方向の後側で太陽歯車に噛合するようにカム案内面を設定したカム機構を設けたので、膨張シリンダに圧縮空気を吸気したときに、既に遊星歯車が自転方向の後側で太陽歯車に噛合しており、歯当たりが逆転することにより生じていた大きな歯音がしなくなる。
【００７８】
また、上記カム機構に、膨張ピストンが下死点に到達する以前において遊星歯車が自転方向の前側で太陽歯車に噛合するように設定したカム案内面を設けた冷却装置は、膨張シリンダの下死点から上死点に至る間において、遊星歯車が自転方向の前側で太陽歯車に噛合するから、モータ主導でスムーズに作動することができる。
【００７９】
また、冷却装置を、圧縮ピストンを往復動可能に収納した２つの圧縮シリンダの各シリンダヘッドを外側に向けた状態で同一シリンダ軸線上に配設した圧縮シリンダユニットと、圧縮ピストンを往復動可能に収納した２つの膨張シリンダの各シリンダヘッドを外側に向けた状態で同一シリンダ軸線上に配設した膨張シリンダユニットとに、遊星歯車機構を備えたクランク機構により、そのピストンロッドをシリンダ軸線に沿って直線往復動するように構成したものは、圧縮シリンダユニットはモータ主導で作動し、膨張シリンダユニットは圧縮空気の膨張エネルギにより作動するので、クランク機構の遊星歯車の歯当たりが逆転することがなくなり、大きな歯音が発生しなくなる。
【００８０】
また、圧縮シリンダの排気口と膨張シリンダの吸気口とを連通する圧縮空気供給通路に、適時作動操作可能なコンプレッサより供給される圧縮空気を供給するように構成した冷却装置は、このコンプレッサを適時作動操作することにより、膨張シリンダに吸気する前の圧縮空気の圧力を増圧調整することが可能であるから、圧縮シリンダと膨張シリンダとが連動する冷却装置で、作成冷気の温度を調整することが可能となる。
【００８１】
また、冷却装置に、圧縮空気供給通路に気圧測定センサと減圧装置とを設け、冷気排気用マニホ−ルド内に温度センサを設け、前記気圧測定センサ及び温度センサに基づいて、圧縮空気供給通路の空気の圧力を増・減圧調整すべく、減圧装置とコンプレッサを適時操作するように構成したので、圧縮シリンダと膨張シリンダとが連動する冷却装置で、所望の温度の冷気が得るように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一実施形態に係るの冷却装置の構造を示す要部縦断面図。
【図２】  図１の要部横断面図である。
【図３】  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４】  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５】  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６】  本発明の第一実施形態に係る冷却装置のカム機構を示す図面。
【図７】  本発明の第二実施形態及び第三実施形態に係る冷却装置の全体構成を示す図面。
【図８】  本発明の第二実施形態に係る圧縮シリンダユニットの構造の要部縦断面図。
【図９】  本発明の第二実施形態に係る圧縮シリンダユニットの構造の要部縦断面図。
【図１０】  （Ａ）は、モータ主導で駆動するクランク装置の遊星歯車機構の歯当たりを示す図、（Ｂ）は、膨張エネルギにより駆動するクランク装置の遊星歯車機構の歯当たりを示す図。
【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    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
１４  クランクピン
１５  遊星歯車機構
１６  内周太陽歯車
１７  遊星歯車
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
６５  カム機構
６６  カムフォロア
６７  カム案内面
６８  カム案内面
７０  冷気排気用マニホールド
８１  圧縮シリンダユニット
８２  膨張シリンダユニット
９２  配管（増圧用圧縮シリンダユニット）
９３  減圧装置
９４  温度センサ
【図１】
0004166370.tif 000002
【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】
0004166370.tif 000008
【図８】
0004166370.tif 000009
【図９】
0004166370.tif 000010
【図１０】
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