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JP4166370B2 - Cooling system - Google Patents

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JP4166370B2
JP4166370B2 JP16597199A JP16597199A JP4166370B2 JP 4166370 B2 JP4166370 B2 JP 4166370B2 JP 16597199 A JP16597199 A JP 16597199A JP 16597199 A JP16597199 A JP 16597199A JP 4166370 B2 JP4166370 B2 JP 4166370B2
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Description

【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83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83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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling device using air as a refrigerant.
[0002]
[Prior art]
In recent years, environmental degradation surrounding the earth, such as the destruction of the ozone layer and global warming, which are affected by CFCs, has become a serious problem, and environmentally friendly cooling devices that do not use CFCs have been demanded. Development of clean and safe cooling devices using natural air as a refrigerant is progressing.
[0003]
In general, a cooling device using air as a refrigerant sucks and compresses the outside air with a compressor, introduces the compressed high temperature air to a heat exchanger, cools it to near normal temperature, and guides it to an expander to insulate it. In this configuration, the temperature of the air is lowered to a low temperature of minus several tens of degrees, and this cold air is guided to the freezer compartment to absorb the heat of the target object for freezing.
[0004]
The cooling device has a problem of improving energy efficiency during operation.
[0005]
As shown in FIG. 1, the present inventors have proposed a cooling device including a crank mechanism 9 having a planetary gear mechanism in order to improve energy efficiency. In this cooling device, the compression cylinder 2 of the compressor 1 and the expansion cylinder 23 of the expander 22 are arranged facing each other with the cylinder head facing outward on the same cylinder axis L, and the piston rods (8, 39) are connected. Then, each piston (3, 24) is reciprocated linearly along the cylinder axis by the crank mechanism, and the air compressed by the compressor 1 is primarily cooled by the heat exchanger 5 and then expanded. It is made to expand with a cool air.
[0006]
In this cooling device, since each piston linearly reciprocates, energy friction loss and noise due to piston slap and the like are reduced, and the expansion energy in the expander 22 is converted into energy when the compressor 1 compresses air. Since it can be used, the burden on the driving device can be reduced.
[0007]
Hereinafter, the crank device 9 will be described with reference to FIGS. 1, 2, 4, and 5.
[0008]
The planetary gear mechanism 15 includes an inner peripheral sun gear 16 having teeth on the inner peripheral surface and a planetary gear 17 having teeth on the outer peripheral surface as main components.
[0009]
The inner circumferential sun gear 16 is parallel to the cylinder axis L, and the crankshaft 11 is in a state where the central axis 16a of the inner circumferential sun gear 16 is orthogonal to the cylinder axis L and coincides with the rotation center of the crankshaft 13. It is fixedly arranged.
[0010]
The planetary gear 17 has a pitch circle diameter that is ½ of the pitch circle diameter of the inner peripheral sun gear 16, and is arranged so as to roll along the inner periphery of the inner peripheral sun gear 16. The planetary gear 17 has a rotation shaft 14 pivotally connected to the center of the planetary gear 17 via a bearing 18, and a counter balancer 19 that applies a rotational inertia force to the shaft end of the rotation shaft 14 is integrally formed.
[0011]
The rotation shaft 14 of the planetary gear 17 serves as a crank pin, and is supported by an arm portion 13 a protruding in the radial direction from the crank shaft 13.
[0012]
The connecting pin 20 is provided at a position corresponding to the intersection of the outer peripheral pitch circle of the planetary gear 17 and the cylinder axis L of the compression cylinder 2 on the side surface of the counter balancer 19. The connection pin 20 pivotally connects one end of the piston rod 8 of the compressor 1 via a bearing.
[0013]
As shown in the schematic diagram of FIG. 5, as described above, the crank device 9 has a diameter of the pitch circle 17 c of the planetary gear 17 of the planetary gear mechanism 15 that is 1 / diameter of the diameter of the pitch circle 16 c of the inner peripheral sun gear 16. 4 and when the diameter of the pitch circle 17c of the planetary gear 17 coincides with the cylinder axis L, the contact point between the pitch circle of the inner peripheral sun gear 16 and the pitch circle of the planetary gear 17 is set as shown in FIG. A connecting pin 20 is provided at a point corresponding to, and the piston rod 8 of the compressor 1 is connected. Thereby, the distance from the rotation center of the crankshaft 13 to the rotation shaft 14 of the planetary gear 17 is equal to the distance from the rotation shaft 14 of the planetary gear 17 to the connecting pin 20 that connects the piston rod 8, and the planetary gear 17. Since each rotation of the planetary gear 17 revolves twice, the connecting pin 20 reciprocates linearly on the cylinder axis L once every time the planetary gear 17 revolves once. As a result, the piston rod 8 reciprocates linearly with almost no oscillation, so that a lateral force perpendicular to the cylinder axis L hardly acts on the expansion piston 24 connected to the compression piston 3 and the piston rod 39, so-called pistons. Slap is unlikely to occur and vibration, noise, cavitation, wear loss, etc. are greatly reduced.
[0014]
The reciprocating range of the piston rod (8, 39) is equal to the distance between the top dead center and the bottom dead center of each cylinder (2, 23), and therefore the pitch circle diameter of the inner peripheral sun gear 16 is the same. Is set equal to the distance between the top dead center and the bottom dead center of each cylinder.
[0015]
Further, in this case, the piston rod 8 and the piston rod 39 can in principle be constituted by an integral continuous rod, but in this embodiment, by using a connecting structure that can be bent by the pin 40, The reciprocating motion of the compression piston 3 and the expansion piston 24 is made smooth by absorbing the dimensional error of each part.
[0016]
This cooling device primarily cools the high-temperature compressed air produced on the compressor 1 side to approximately room temperature with the heat exchanger 5, and the room-temperature compressed air is at the top dead center of the expansion piston 24 on the expander 22 side. Cold air is obtained by sucking air into the cylinder and expanding the compressed air to substantially the same level as the outside air while the expansion piston 24 reaches from the top dead center to the bottom dead center.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the planetary gear mechanism 15 of the crank device 9 is driven by the motor 10 to rotate the crankshaft 13 and rotate the planetary gear 17 while the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 reaches from the bottom dead center to the top dead center. As shown in FIG. 10A, there is a possibility that the planetary gear 17 is revolving while being in contact with the teeth on the front side in the rotation direction A. On the other hand, while the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 reaches from the top dead center to the bottom dead center, the compressed air pushes the expansion piston 24, the piston rod 39, and the like to the compressor 1 side, so that it is shown in FIG. As described above, the planetary gear 17 is urged toward the compressor 1 and always revolves while being toothed on the rear side in the rotation direction A.
[0018]
For this reason, when compressed air is sucked into the expansion cylinder 23 at the top dead center of the expansion piston 24, the tooth contact of the planetary gear 17 changes from the front tooth contact in the rotation direction to the rear tooth contact. There was a case of a loud tooth noise.
[0019]
In the above cooling device, the temperature of the produced cold air is determined by the air pressure of the compressed air sucked into the expansion cylinder 23. However, since the expander 22 and the compressor 1 rotate at the same rotational speed, the temperature of the cold air is reduced. It is not always easy to adjust the pressure of the compressed air that is sucked into the expander 22 that affects the left and right.
[0020]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention provides a cooling device using a crank device having a planetary gear mechanism, in which the tooth noise of the planetary gear mechanism of the crank device is eliminated and the temperature of the cold air can be adjusted. It is in.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The cooling device according to the present invention includes a compression cylinder in which a compression piston is reciprocally accommodated and a plurality of expansion cylinders in which expansion pistons are reciprocally movable, with each cylinder head facing outward. The cylinder unit disposed on the cylinder axis, the piston rod that connects the compression piston and the expansion piston of the cylinder unit, and linearly reciprocates along the axis of the cylinder unit, and the cylinder axis between the cylinders of the cylinder unit The inner circumferential sun gear orthogonal to the central axis of the pitch circle and fixedly arranged parallel to the cylinder axis, and a pitch circle diameter that is a half of the pitch circle diameter of the inner circumferential sun gear, A planetary gear that is meshed so as to be able to rotate and revolve, and a crankshaft that is rotatably arranged around the central axis of the pitch circle of the inner sun gear And an arm portion that protrudes in the radial direction of the crankshaft and rotatably supports the rotation shaft of the planetary gear, and the intermediate portion of the piston rod is connected to the pin on the circumference of the pitch circle of the planetary gear. A cam follower is provided at a pin engaging portion between the crank mechanism and the planetary gear and the piston rod so that the planetary gear meshes with the sun gear on the front side in the rotation direction before the expansion piston reaches the top dead center. A cam mechanism in which a guide surface is set; a drive device that rotationally drives the crankshaft; an exhaust port that exhausts compressed air introduced from the intake port of the compression cylinder and compressed inside the compression cylinder; Compressed air supply passages communicating with the intake ports of the expansion cylinders respectively, a primary cooler disposed in the compressed air supply passages, and adiabatic expansion in each expansion cylinder reduce the temperature. And characterized by having a manifold for cold exhaust communicating an exhaust port for exhausting to the outside air.
[0022]
In the cam mechanism, the planetary gear rotates in the direction of rotation before the expansion piston reaches the bottom dead center. Rear side It is good also as what has a cam guide surface set so that it may mesh | engage with a sun gear.
[0023]
In addition, a compression cylinder unit disposed on the same cylinder axis with the cylinder heads of two compression cylinders accommodating the compression pistons reciprocally moved outward, and two compression cylinders reciprocally accommodated. An expansion cylinder unit disposed on the same cylinder axis with each cylinder head of the expansion cylinder facing outward, Compression Provided in the cylinder unit, At both ends Two compression While connecting the piston, compression Reciprocates linearly along the axis of the cylinder unit compression A piston rod; An expansion piston rod which is provided in the expansion cylinder unit and which connects two expansion pistons at both ends and linearly reciprocates along the axis of the expansion cylinder unit; Between the cylinders of each of the cylinder units, the central axis of the pitch circle is orthogonal to the cylinder axis, and the inner peripheral sun gear fixedly arranged in parallel to the cylinder axis, and the pitch circle diameter of the inner peripheral sun gear A planetary gear having a pitch circle diameter of a half, and arranged so as to be able to rotate and revolve by meshing; a crankshaft rotatably arranged around the central axis of the pitch circle of the inner peripheral sun gear; And an arm portion that protrudes in the radial direction of the crankshaft and rotatably supports the rotation shaft of the planetary gear, and pin-engages the intermediate portion of the piston rod on the circumference of the pitch circle of the planetary gear A crank mechanism, a power transmission means for interlocking the crankshafts provided in each cylinder unit, a drive device for rotationally driving the crankshaft, and an intake port of each of the compression cylinders. An exhaust port for exhausting compressed air compressed inside the compression cylinder, a compressed air supply passage communicating with the intake port of each expansion cylinder, and a primary cooler disposed in the compressed air supply passage; A cool air exhaust manifold that communicates with an exhaust port for exhausting air that has become low temperature due to adiabatic expansion in each expansion cylinder to the outside may be used.
[0024]
Moreover, it is good also as what is characterized by supplying the compressed air produced with the compressor for the pressure increase which can be operated by timely operation to a compressed air supply channel.
[0025]
In addition, a pressure measurement sensor and a pressure reducing device are provided in the compressed air supply passage, a temperature sensor is provided in the cold air exhaust manifold, and an air pressure in the compressed air supply passage is increased based on the temperature sensor and the pressure measurement sensor. -You may comprise so that cold pressure of desired temperature may be obtained by adjusting pressure reduction.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a cooling device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
1 and 2, the first embodiment includes a compressor 1, a pipe (6, 21) as a compressed air supply passage, a first heat exchanger 5 as a primary cooler, an expander 22, A single cooling unit having an exhaust pipe 26, piston rods (8, 39), a crank device 9, a cam mechanism 65, and a drive motor 10 as a drive device.
[0028]
The compressor 1 houses a compression piston 3 in a compression cylinder 2 so as to be able to reciprocate, and is attached to an intake port and controls an intake valve 4 that controls the intake of outside air from the outside air introduction pipe 43 into the compression cylinder 2. And an exhaust valve 7 which is attached to the exhaust port and controls the exhaust of compressed air to the pipe 6. The intake valve 4 is an automatic valve that is pushed open by an external pressure, and the exhaust valve 7 is an automatic valve that is pushed open by a predetermined compressed air pressure. The compression piston 3 has a piston rod 8 protruding leftward in the drawing and is connected to a drive motor 10 via a crank device 9. As a result, the compression piston 3 reciprocates between the top dead center and the bottom dead center with the operation of the drive motor 10. The structure of the crank device 9 is as described above.
[0029]
In the first heat exchanger 5, for example, cooling water circulates between a cooling tower (not shown), and heat exchange is performed between the high-temperature compressed air sent from the compressor 1 through the pipe 6 and the cooling water. The primary cooling to near room temperature. The compressed air primarily cooled in the first heat exchanger 5 is sent to the expander 22 through the pipe 21.
[0030]
The expander 22 accommodates an expansion piston 24 in a reciprocating manner in an expansion cylinder 23 disposed opposite to the same cylinder axis L as the compression cylinder 2 of the compressor 1. As shown in FIG. 3, the expansion cylinder 23 is a heat insulation cylinder that ensures the heat insulation of air during expansion. For example, the expansion cylinder 23 is a cylinder having an inner and outer triple structure, and the inner cylinder 23a is made of stainless steel (low heat transfer coefficient). The outer cylinder 23b is made of an aluminum alloy, and air is sealed between the inner cylinder 23a and the outer cylinder 23b.
[0031]
The expansion piston 24 is such that a piston rod 39 protrudes to the right side in the drawing and is pivotally connected to the piston rod 8 by a pin 40 so as to reciprocate with the compression piston 3 with a phase difference of 180 °.
[0032]
Accordingly, when the drive motor 10 is operated and the compression piston 3 of the compressor 1 reciprocates between the top dead center and the bottom dead center, the expansion piston 24 has the same cycle as the compression piston 3 and 180 °. Reciprocates between top dead center and bottom dead center with phase difference.
[0033]
The head of the expansion cylinder 23 has an intake valve 25 attached to the intake port for controlling intake air from the pipe 21, and an exhaust valve 27 attached to the exhaust port for controlling exhaust of low-temperature air adiabatically expanded to the exhaust pipe 26. Are arranged. The intake valve 25 and the exhaust valve 27 are opened and closed by a valve mechanism 28 at a predetermined timing.
[0034]
The valve mechanism 28 is a timing pulley (33, 34) in which one end of two rocker arms (29, 30) provided to be swingable is rotated in synchronization with the timing pulley 31 on the crankshaft 13 side by a timing belt 32. The cams (37, 38) provided on the camshafts (35, 36) are brought into contact with each other so that the other end of the rocker arm 29 is at the intake valve 25 and the other end of the rocker arm 30 is at the tip of the tappet portion of the exhaust valve 27, respectively. It is a pressure contact. As a result, the valve mechanism 28 rotates the camshafts (35, 36) with the crank operation of the crank device 9, and the cams (37, 38) swing the rocker arms (29, 30) at a predetermined timing. Thus, the intake valve 25 and the outflow valve 27 are opened and closed at a predetermined timing.
[0035]
The exhaust pipe 26 is combined with the exhaust pipe 26 of another cooling unit arranged in parallel by the cold air exhaust manifold 70 and sent to a cooling object such as a freezer warehouse. The exhaust pipe 26 and the cold air exhaust manifold 70 are respectively covered with a heat insulating material 26a and a heat insulating material 70a in order to ensure the heat insulating property of the cold air exhausted from the expander 22.
[0036]
As shown in FIGS. 1, 2, 4 and 5, the crank device 9 converts the rotational motion of the drive motor 10 into linear reciprocating motion of the piston rod 8. As shown in FIG. 4, the crank device 9 includes a crankshaft 13 rotatably supported through a bearing 12 in a crankcase 11 and connected to a drive motor 10, and a connecting pin connected to a piston rod 8. 20 and a planetary gear mechanism 15 interposed between the crankshaft 13 and the connecting pin 20. Since the description about the crank device 9 has been described above, the description thereof will be omitted.
[0037]
The cam mechanism 65 includes a cam follower 66 configured by attaching a bearing, for example, to the end of the connecting pin 20 of the crank device 9 on the piston rod 8 side, and a cam guide surface set so as to guide the cam follower 66 along a predetermined locus. (67, 68).
[0038]
Before the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 reaches the top dead center, the cam guide surface 67 allows the planetary gear 17 to move in the rotation direction. in front The cam follower 66 is guided so that the sun gear 16 revolves with the teeth. In this embodiment, since the planetary gear 17 revolves clockwise around the inner periphery of the sun gear 16 as shown in the drawing, the cam guide surface 67 is moved as the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 approaches the top dead center. The cam follower 66 is gradually guided above the cylinder axis L by an amount corresponding to the backlash of the gear, and the planetary gear 17 moves in the direction of rotation. in front The cam guide surface 67 is set so as to contact the teeth.
[0039]
Before the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 reaches the bottom dead center, the cam guide surface 68 is arranged so that the planetary gear 17 rotates in its rotation direction. Rear side The cam follower 66 is guided so that the sun gear 16 revolves with the teeth. In this embodiment, since the planetary gear 17 revolves clockwise around the inner periphery of the sun gear 16 as shown in the drawing, the cam guide surface 68 is moved as the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 approaches the bottom dead center. Gradually, the cam follower 66 is guided below the cylinder axis L by an amount corresponding to the backlash of the gear, and the planetary gear 17 moves in the direction of rotation. Rear side The cam guide surface 68 is set so that the teeth contact with each other.
[0040]
Due to the action of the cam mechanism 65, when the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 sucks compressed air at the top dead center, the planetary gear 17 is already in contact with the teeth on the rear side in the rotation direction. There is no loud tooth noise that occurs when the hit is reversed. Further, when the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 reaches bottom dead center, the planetary gear 17 is already in contact with the front side in the rotation direction, so that the expansion piston 24 of the expansion cylinder 23 is bottom dead center. From the top dead center to the top dead center, the planetary gear 17 rolls smoothly under the initiative of the motor.
[0041]
Hereinafter, the operation of the cooling device in the first embodiment will be described.
[0042]
In the compressor 1, as described above, the compression piston 3 reciprocates between the top dead center and the bottom dead center, sucks and compresses the outside air, and sends hot compressed air to the first heat exchanger 5. That is, in the compressor 1, when the compression piston 3 passes the top dead center and moves to the bottom dead center, the intake valve 4 is pushed open by the external pressure as the air in the compression cylinder 2 is depressurized. Outside air is sucked into the compression cylinder 2. Then, when the compression piston 3 passes the bottom dead center and moves to the top dead center, the compressor 1 automatically closes the intake valve 4 by increasing the pressure of the air in the compression cylinder 2, and the compressor 1 enters the compression cylinder 2. Compress inhaled air. At this time, the air in the compression cylinder 2 becomes hot compressed air. Next, in the compressor 1, when the compression piston 3 reaches near the top dead center and the air in the compression cylinder 2 reaches a predetermined compressed air pressure, the exhaust valve 7 is pushed open by the pressure and compressed into the pipe 6. Exhaust the air.
[0043]
This hot compressed air is sent to the first heat exchanger 5 through the pipe 6. As described above, the first heat exchanger 5 primarily cools high-temperature compressed air to near normal temperature by heat exchange with cooling water. The compressed air cooled here is sent to the expander 22 through the pipe 21.
[0044]
The expander 22 adiabatically expands the compressed air guided from the heat exchanger 5 through the pipe 21 by the reciprocating motion of the expansion piston 24 between the top dead center and the bottom dead center, and sends the compressed air from the exhaust port to the exhaust pipe 26. . That is, the expander 22 opens the intake valve 25 for a short period of time when the expansion piston 24 starts to move from the top dead center to the bottom dead center by the cam 37, sucks compressed air into the expansion cylinder 23, and expands. In the process where the piston 24 reaches the bottom dead center, the compressed air is adiabatically expanded to near atmospheric pressure in the expansion cylinder 23. The air in the expansion cylinder 23 is cooled to minus several tens of degrees due to a decrease in temperature during the adiabatic expansion. Next, the expander 22 opens the exhaust valve 27 and exhausts the cold air in the expansion cylinder 23 to the exhaust pipe 26 while the expansion piston 24 moves from the bottom dead center to the top dead center by the cam 38.
[0045]
In the cooling device of the first embodiment, while the expansion piston 24 reaches from the top dead center to the bottom dead center, the compressed air pushes the expansion piston 24, so that the planetary gear 17 contacts the rear side in the rotation direction. The cam mechanism 65 allows the planetary gear 17 to contact the rear side in the direction of rotation before the expansion piston 24 reaches the top dead center, thereby eliminating the generation of a large tooth noise caused by the reverse contact of the tooth. can do. Further, while the expansion piston 24 reaches from the top dead center to the bottom dead center, the planetary gear 17 rolls due to the revolution inertia force of the planetary gear 17 and the driving force by which the motor 10 rotates the crankshaft 13. By the cam mechanism 65, the planetary gear 17 is in contact with the teeth on the front side in the rotation direction before the expansion piston 24 reaches the bottom dead center, so that it can smoothly receive the driving force from the motor 10 and roll. In addition, the generation of a loud tooth noise due to the reverse contact of the teeth can be eliminated.
[0046]
The tooth noise of the planetary gear 17 is particularly large when the compressed air is sucked into the expansion cylinder 23. In order to eliminate only the tooth noise, the cam mechanism 65 may omit the cam guide surface 68 and set only the cam guide surface 37.
[0047]
Further, in this cooling device, the force received by the expansion piston 24 when the compressed air is adiabatically expanded by the expander 22 assists the compression process motion of the compression piston 3 of the compressor 1. That is, since this cooling device is operated by the compression piston 3 and the expansion piston 24 with the same crankshaft 13, the expansion energy of the compressed air received by the expansion piston 24 is used as a part of the compression energy of the compression piston 3. This reduces the burden on the drive motor 10 that supplies drive energy. In this cooling device, the compression cylinder 2 and the expansion cylinder 23 are arranged on the same cylinder axis L, and the piston rod 8 of the compression piston 3 and the piston rod 39 of the expansion piston 24 are connected on the cylinder axis L. Thus, when the expansion piston 24 moves from the top dead center to the bottom dead center, the expansion energy of the compressed air that acts to push the expansion piston 24 is used as it is, and the compression energy when the compression piston 3 compresses the external air as it is. Energy efficient and more economical. Further, in this cooling device, since the compressed air in the expansion cylinder 23 works as part of the compression energy of the compressor 1, the air in the expansion cylinder 23 is deprived of heat energy accordingly. It is possible to create cooler air at a lower temperature.
[0048]
Note that the cold air adiabatically expanded in the expansion cylinder 23 is further adiabatically expanded to the pressure of the exhausted cool air exhaust space. Therefore, the higher the pressure of the compressed air sucked into the expansion cylinder 23, the higher the temperature. On the other hand, the higher the pressure of the compressed air sucked into the expansion cylinder, the higher the expansion energy that can be obtained from the expander 22. Therefore, even if the temperature of the generated cold air is low, the motor The burden of 10 does not increase too much.
[0049]
The cooling device described above can generate cold air of about minus 70 ° C., and is considered to be used, for example, for air conditioning in a freezer warehouse or cooling of a cutting part of a machine tool. Among these, when used for machine tools, it is used for applications in which cooled air is sent to a cutting blade to absorb frictional heat during cutting. As a result, the amount of cutting oil used can be suppressed to an amount necessary for lubrication. Therefore, by configuring the cutting oil with, for example, a vegetable oil that is easily decomposed, a machine tool that is easy on the environment can be created.
[0050]
Next, a cooling device according to a second embodiment of the present invention shown in FIGS. 7, 8, and 9 will be described.
[0051]
As shown in FIG. 7, the cooling device includes a compression cylinder unit 81, an expansion cylinder unit 82, compression Piston rod 83a and expansion piston rod 83b A crank device 9, a motor 10 as a driving device, a pipe 87 as a compressed air supply passage, a primary heat exchanger 5 as a primary cooler, an air dryer 89, a secondary heat exchanger 90, And an exhaust manifold 70. 7, 8, and 9, members having the same configurations as those of the cooling device according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
[0052]
As shown in FIG. 8, the compression cylinder unit 81 has two compression cylinders 2 arranged opposite to each other on the same cylinder axis L1 with the cylinder head facing outward, and is accommodated in each compression cylinder 2 so as to be able to reciprocate. So that the compressed piston 3 reciprocates with a phase difference of 180 ° in the same period. compression Piston rod 83 a It is pivotally connected to.
[0053]
Each compression cylinder 2 is the same as the compression cylinder 2 of the compressor 1 of the first embodiment, and has an intake valve 4 and an exhaust valve 7 in the cylinder head, and sucks outside air and exhausts compressed air. is there.
[0054]
As shown in FIG. 9, the expansion cylinder unit 82 has two expansion cylinders 23 arranged on the same cylinder axis L2 so as to face each other with the cylinder head facing outward, and is accommodated in each expansion cylinder 23 so as to be able to reciprocate. So that the expanded piston 24 reciprocates with a phase difference of 180 ° in the same period. expansion Piston rod 83 b It is pivotally connected to.
[0055]
Each expansion cylinder 23 is the same as the expansion cylinder 23 of the expander 22 of the first embodiment, and has an intake valve 25, an exhaust valve 27, and a valve operating mechanism 28 in the cylinder head, and the expansion cylinder is at a predetermined timing. Compressed air is sucked into 23 and adiabatic expansion is performed to exhaust cool air. The expansion cylinder 23 is a heat insulation cylinder that ensures the heat insulation of the air during expansion, and the exhaust pipe 26 is covered with a heat insulating material 26a to ensure the heat insulation of the cold air exhausted from the expander 22. .
[0056]
The piston rod 83 may be a single piston rod, but may be a piston rod that can be bent and that includes two piston rods connected by a pin 40.
[0057]
Like the crank device 9 of the first embodiment, the crank device 9 is provided with a planetary gear mechanism 15, and a connecting pin 91 connected to the piston rod 83 of the cylinder unit (81, 82) is provided along the cylinder axis. It reciprocates.
[0058]
The motor 10 serves as a drive source that rotationally drives the crankshaft 13 of the compression cylinder unit 81. The crankshaft 13 of the compression cylinder unit 81 and the crankshaft 13 of the expansion cylinder unit 82 are connected to each other by a belt or a coupling as power transmission means.
[0059]
The high-temperature compressed air exhausted by each compression cylinder 2 of the compression cylinder unit 81 is collected into a compressed air collecting manifold 88 through a pipe 87, and in order to the first heat exchanger 5, the air dryer 89, and the second heat exchanger 90. Then, the air is sucked into the expansion cylinder unit 82.
[0060]
Here, the first heat exchanger 5 is the same as the first heat exchanger 5 of the first embodiment, and primarily cools the compressed air to approximately room temperature. The air dryer 89 includes a filter as an adsorbent such as silica gel or activated alumina, for example, and dries air by chemically reacting and removing water vapor in the air in the filter. The second heat exchanger 90 has the same configuration as that of the first heat exchanger 5, removes the heat of adsorption generated in the air dryer 89, and lowers the temperature of the compressed air sucked into the expansion cylinder 23. .
[0061]
The expansion cylinder 23 opens the intake valve 25 only for a short time when the expansion piston 24 starts to move to the bottom dead center after passing through the top dead center, sucks compressed air into the expansion cylinder 23, and the expansion piston 24 bottoms out. In the expansion cylinder 23, the compressed air is adiabatically expanded to near atmospheric pressure to create cool air, and the expansion piston 24 opens the exhaust valve 27 from the bottom dead center to the top dead center to cool the air. Exhaust. The cool air exhausted from the expansion cylinder unit 82 is used together by the cool air exhaust manifold 70 to cool the target object.
[0062]
The compression cylinder unit 81 and the expansion cylinder unit 82 are coupled so that the crankshafts 13 of the respective crank devices 9 are interlocked with each other by belts or couplings. Expansion energy is transmitted to the crankshaft 13. Thereby, the burden on the motor 10 can be reduced and it is economical, and by using the expansion energy as the compression energy in the compression cylinder unit 81, the thermal energy of the compressed air in the expansion cylinder 23 is more kinetic energy. Can be converted to That is, since this cooling device can take more heat energy from the compressed air in the expansion cylinder 23, it is possible to create cool air having a lower temperature.
[0063]
In this embodiment, the crank device 9 of the compression cylinder unit 81 is always driven by the motor 10 and revolves while the planetary gear 17 revolves with teeth on the front side in the rotation direction. There is no tooth noise. In addition, the crank device 9 of the expansion cylinder unit 82 always rotates by obtaining expansion energy from one of the expansion pistons 24, and the planetary gear 17 revolves while revolving in the rear side in the rotation direction. There is no loud tooth sound due to the reverse.
[0064]
Next, based on FIG. 7, a third embodiment according to the present invention will be described.
[0065]
The basic configuration of this embodiment is the same as that of the cooling device of the second embodiment.
[0066]
A pipe 91 in FIG. 7 sends high-temperature compressed air exhausted by a pressure-increasing compression cylinder unit (not shown).
[0067]
This pressure-increasing compression cylinder unit is the same as the compression cylinder unit 81 of the second embodiment shown in FIG. 9, and is configured to operate as necessary in a timely manner. The drive source of the pressure-increasing compression cylinder unit may be connected to the crankshaft 13 of the crank device 9 of the expansion cylinder unit 82 via a clutch mechanism (not shown) capable of power transmission / reception, Alternatively, an independent motor (not shown) may be operated as a drive source.
[0068]
When connecting to the crankshaft 13 of the crank device 9 of the expansion cylinder unit 82 via the clutch mechanism, the expansion energy of the expansion cylinder unit 82 can be used as described above, so that a separate and independent motor is driven. It is more economical than the case of using the source, and more heat energy can be taken from the compressed air in the expansion cylinder 23, so that cold air having a lower temperature can be created. .
[0069]
The cooling device according to this embodiment is used for collecting compressed air when the pressure in the compressed air collecting manifold 88 in compressed air is lower than a required pressure at the time of start-up, or to create cool air having a lower temperature. When the pressure in the manifold 88 is desired to be further increased, the pressure increasing compression cylinder unit is configured to operate.
[0070]
Thereby, for example, the compression cylinder unit for pressure increase can be operated at the time of starting, and the pressure of the compressed air sucked into the expansion cylinder unit 82 can be set to a predetermined pressure at an early stage, so that cold air at a required temperature is selected. Can be shortened. In addition, the expansion cylinder unit 82 is provided by providing a pressure measuring sensor 95 and a pressure reducing device 93 on the pipe for intake air to the expansion cylinder unit 82 and attaching a temperature sensor 94 for measuring the temperature of the cold air created in the cold air exhaust manifold 70. Since the pressure of the compressed air sucked into the air 82 can be freely increased / decreased, it is possible to obtain a cool air having a desired temperature.
[0071]
For example, when the temperature of the cold air sensed by the temperature sensor 94 is higher than a desired temperature by the control device (not shown) (when the temperature of the produced cold air is desired to be lower), the pressure increasing compression cylinder unit is operated. Then, the pressure of the compressed air sucked into the expansion cylinder unit 82 detected by the atmospheric pressure measurement sensor 95 is adjusted to be increased, and the temperature sensor 94 is controlled to detect a desired temperature. On the contrary, when the temperature of the cold air sensed by the temperature sensor 94 is lower than a desired temperature by the control device (not shown) (when the temperature of the created cold air is desired to be higher), the decompression device 93 is operated, The pressure of the compressed air sucked into the expansion cylinder unit 82 detected by the atmospheric pressure measurement sensor 95 is adjusted to be reduced, and the temperature sensor 94 is controlled to detect a desired temperature.
[0072]
As described above, according to the third embodiment, it is possible to easily adjust the temperature of the cold air, which is difficult when the compression cylinder unit 81 and the expansion cylinder unit 82 operate in the same cycle.
[0073]
As mentioned above, although one Embodiment of the cooling device concerning this invention was described, this invention is not limited to said form.
[0074]
For example, a plurality of cooling devices of the first embodiment or the cooling device of the second embodiment are arranged in parallel, and each crankshaft is connected so as to be interlocked with a predetermined phase difference at the same period, and a single motor You may comprise so that it may drive.
[0075]
In this case, the generated cool air is collected and the cool air pulsation is eliminated.
[0076]
In the first embodiment, an air dryer or a second heat exchanger may be provided in the same manner as in the second embodiment, and a pressure increasing compressor, a pressure reducing device, a temperature sensor, or the like is provided in the same manner as in the third embodiment. Also good.
[0077]
【The invention's effect】
The cooling device according to the present invention includes a planetary planetary cooling device in which a compression cylinder and an expansion cylinder are arranged on the same cylinder axis and the piston rod is linearly reciprocated by a crank device having a planetary gear mechanism. A cam mechanism in which a cam follower is provided at the pin engaging portion of the gear and the piston rod, and the cam guide surface is set so that the planetary gear meshes with the sun gear on the rear side in the rotation direction before the expansion piston reaches the top dead center. Therefore, when compressed air is sucked into the expansion cylinder, the planetary gear is already meshed with the sun gear on the rear side in the rotation direction, and the large tooth noise generated by reversing the tooth contact is not generated. .
[0078]
Further, the cooling device provided with a cam guide surface set so that the planetary gear meshes with the sun gear on the front side in the rotation direction before the expansion piston reaches the bottom dead center is provided on the cam mechanism. Since the planetary gear meshes with the sun gear on the front side in the rotation direction from the point to the top dead center, the motor can operate smoothly.
[0079]
In addition, the cooling device has a compression cylinder unit disposed on the same cylinder axis in a state where the cylinder heads of the two compression cylinders in which the compression pistons are housed so as to be able to reciprocate, and the compression pistons can be reciprocated. The piston rod is moved along the cylinder axis by a crank mechanism having a planetary gear mechanism on an expansion cylinder unit disposed on the same cylinder axis with the cylinder heads of the two stored expansion cylinders facing outward. The one configured to reciprocate linearly, the compression cylinder unit is driven by the motor, and the expansion cylinder unit is operated by the expansion energy of the compressed air, so that the contact of the planetary gear of the crank mechanism is not reversed, No loud teeth are generated.
[0080]
Further, a cooling device configured to supply compressed air supplied from a compressor that can be operated in a timely manner to a compressed air supply passage that communicates the exhaust port of the compression cylinder and the intake port of the expansion cylinder. By operating, it is possible to increase and adjust the pressure of the compressed air before sucking into the expansion cylinder, so the temperature of the created cold air can be adjusted with a cooling device that works with the compression cylinder and the expansion cylinder. Is possible.
[0081]
In addition, the cooling device is provided with a pressure measurement sensor and a pressure reduction device in the compressed air supply passage, a temperature sensor is provided in the cold air exhaust manifold, and the compressed air supply passage is provided on the basis of the pressure measurement sensor and the temperature sensor. Since the pressure reducing device and the compressor are operated in a timely manner in order to increase / decrease the pressure of the air, a cooling device in which the compression cylinder and the expansion cylinder work together is configured to obtain cool air at a desired temperature. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an essential part showing the structure of a cooling device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of FIG.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an expansion cylinder according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a crank device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a crank device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a cam mechanism of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a drawing showing the overall configuration of a cooling device according to a second embodiment and a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an essential part of a structure of a compression cylinder unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of an essential part of a structure of a compression cylinder unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10A is a diagram showing tooth contact of a planetary gear mechanism of a crank device driven by a motor, and FIG. 10B is a diagram showing tooth contact of a planetary gear mechanism of a crank device driven by expansion energy.
[Explanation of symbols]
1 Compressor
2 Compression cylinder
3 Compression piston
4 Intake valve
5 Heat exchanger
6 Piping
7 Exhaust valve
8 Piston rod
9 Crank device
10 Drive motor
13 Crankshaft
14 Crankpin
15 Planetary gear mechanism
16 Inner Sun Gear
17 Planetary gear
22 Expander
23 Expansion cylinder
24 Expansion piston
25 Intake valve
26 Exhaust pipe
27 Exhaust valve
28 Valve mechanism
31, 33, 34 Timing pulley
32 Timing belt
37,38 cams
39 Piston rod
42 Cell motor
43 Introduction piping
65 Cam mechanism
66 Cam Follower
67 Cam guide surface
68 Cam guide surface
70 Manifold for cold air exhaust
81 Compression cylinder unit
82 Expansion cylinder unit
92 Piping (Compression cylinder unit for pressure increase)
93 Pressure reducing device
94 Temperature sensor

Claims (5)

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。
A cylinder in which a compression cylinder storing a compression piston so as to reciprocate and a plurality of expansion cylinders storing expansion pistons so as to reciprocate can be disposed on the same cylinder axis with each cylinder head facing outward. Unit,
A piston rod for connecting the compression piston and the expansion piston of the cylinder unit and reciprocating linearly along the axis of the cylinder unit;
The central axis of the pitch circle is orthogonal to the cylinder axis between the cylinders of the cylinder unit, and the inner peripheral sun gear is fixedly arranged in parallel to the cylinder axis, and is a half of the pitch circle diameter of the inner peripheral sun gear. A planetary gear having a pitch circle diameter and meshingly arranged so as to be able to rotate and revolve, a crankshaft rotatably arranged around a central axis of a pitch circle of the inner peripheral sun gear, and the crank A crank that protrudes in the radial direction of the shaft and rotatably supports the rotation shaft of the planetary gear, and that pin-engages the intermediate portion of the piston rod on the circumference of the pitch circle of the planetary gear Mechanism,
A cam with a cam follower provided in the pin engaging portion of the planetary gear and the piston rod, and a cam guide surface set so that the planetary gear meshes with the sun gear on the front side in the rotation direction before the expansion piston reaches the top dead center. Mechanism,
A drive device for rotationally driving the crankshaft;
An exhaust port that exhausts compressed air introduced from the intake port of the compression cylinder and compressed inside the compression cylinder; and a compressed air supply passage that communicates with the intake port of each expansion cylinder;
A primary cooler disposed in the compressed air supply passage;
A cold air exhaust manifold that communicates with an exhaust port for exhausting air that has become low temperature due to adiabatic expansion in each expansion cylinder to the outside;
A cooling device comprising:
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。2. The cooling according to claim 1, wherein the cam mechanism has a cam guide surface set so that the planetary gear meshes with the sun gear on the rear side in the rotation direction before the expansion piston reaches bottom dead center. apparatus. 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。
A compression cylinder unit disposed on the same cylinder axis in a state in which the cylinder heads of the two compression cylinders that house the compression pistons so as to reciprocate are directed outward;
An expansion cylinder unit disposed on the same cylinder axis with each cylinder head of the two expansion cylinders storing the compression piston reciprocally facing outward,
A compression piston rod that is provided in the compression cylinder unit, connects two compression pistons at both ends, and linearly reciprocates along the axis of the compression cylinder unit;
An expansion piston rod which is provided in the expansion cylinder unit and which connects two expansion pistons at both ends and linearly reciprocates along the axis of the expansion cylinder unit;
Between the cylinders of each of the cylinder units, the central axis of the pitch circle is orthogonal to the cylinder axis, and the inner peripheral sun gear fixedly arranged in parallel to the cylinder axis, and the pitch circle diameter of the inner peripheral sun gear A planetary gear having a pitch circle diameter of a half, and arranged so as to be able to rotate and revolve by meshing; a crankshaft rotatably arranged around the central axis of the pitch circle of the inner peripheral sun gear; And an arm portion that protrudes in the radial direction of the crankshaft and rotatably supports the rotation shaft of the planetary gear, and pin-engages the intermediate portion of the piston rod on the circumference of the pitch circle of the planetary gear A crank mechanism to
Power transmission means for interlocking the crankshafts provided in each of the cylinder units;
A drive device for rotationally driving the crankshaft;
An exhaust port that exhausts compressed air introduced from the intake port of each compression cylinder and compressed inside the compression cylinder; and a compressed air supply passage that communicates with the intake port of each expansion cylinder;
A primary cooler disposed in the compressed air supply passage;
A cold air exhaust manifold that communicates with an exhaust port for exhausting air that has become low temperature due to adiabatic expansion in each expansion cylinder to the outside;
A cooling device comprising:
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。  4. The cooling apparatus according to claim 1, wherein compressed air produced by a pressure-increasing compressor that can be operated and operated in a timely manner is supplied to the compressed air supply passage. 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。  A pressure measurement sensor and a pressure reducing device are provided in the compressed air supply passage, a temperature sensor is provided in the cold air exhaust manifold, and the pressure of the compressed air supply passage is increased / decreased based on the temperature sensor and the pressure measurement sensor. The cooling device according to claim 4, wherein the cooling device is configured so as to obtain cold air having a desired temperature.
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