JP3679589B2 - ２ピストン型ガス圧縮／膨張機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，蓄冷材で熱交換していない温度の高い作動ガスが，膨張ピストン上部の側壁を介して膨張空間に流入することにより発生する熱損失を低減して性能が向上するようにした２ピストン型ガス圧縮／膨張機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ガス圧縮／膨張機は，スターリング冷凍機，スターリングエンジン及びレシプロ式コンプレッサ等に用いられている。
【０００３】
図５は，かかるガス圧縮／膨張機の概略構成を示し，当該ガス圧縮／膨張機は，圧縮ピストン１２１を備えた圧縮部１２０，膨張ピストン１３１を備えた膨張部１３０，クランク機構１４３を備えた駆動部１４０，蓄冷材１５１が収納された蓄冷部１５０等を有し，蓄冷部１５０は圧縮部１２０と膨張部１３０とを連通するガス流路１６１の途中に配設されている。
【０００４】
圧縮部１２０は，圧縮ピストン１２１を収納する圧縮シリンダ１２２，該圧縮シリンダ１２２の頭部側に設けられた圧縮空間１２３，圧縮ピストン１２１と隔壁１６３とにより形成されるバッファ空間１２４，該バッファ空間１２４と連通したバッファ室１２５，隔壁１６３を挿通して圧縮ピストン１２１に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド１２６等を有して，圧縮ピストン１２１にはガスシール１２７が設けられ，また圧縮ピストンロッド１２６にはオイルシール１２８が設けられている。
【０００５】
膨張部１３０は，膨張ピストン１３１を収納する膨張シリンダ１３２，該膨張シリンダ１３２の頭部側に設けられた膨張空間１３３，膨張ピストン１３１と隔壁１６３とにより形成されるバッファ空間１３４，該バッファ空間１３４と連通したバッファ室１３５，隔壁１６３を挿通して膨張ピストン１３１に駆動力を伝達する膨張ピストンロッド１３６等を有して，膨張ピストン１３１にはガスシール１３７が設けられ，また膨張ピストンロッド１３６にはオイルシール１３８が設けられている。
【０００６】
圧縮シリンダ１２２等の周囲には放熱フィン１６４が設けられて，圧縮により発生する作動ガスの熱を外部に放熱するようになっている。また，膨張シリンダ１３２の頭部側には，負荷１６２が取付けられている。
【０００７】
なお，バッファ空間１２４，１３４及びバッファ室１２５，１３５内には作動ガスが満たされている。
【０００８】
駆動部１４０は，ロータ１４１，シャフト１４６に固定されたクランク１４２ａ，１４２ｂからなるクランク機構１４３，該クランク機構１４３等を潤滑するためのオイルを貯留する貯留槽１４７，クランク機構１４３及び圧縮ピストンロッド１２６とに連結されたコネクティングロッド１４４ａ及びクロスガイド１４５ａ，クランク機構１４３及び膨張ピストンロッド１３６と連結されたコネクティングロッド１４４ｂ及びクロスガイド１４５ｂ等を有している。
【０００９】
このような構成で，クランク機構１４３が回動することにより，回動力がコネクティングロッド１４４ａ，１４４ｂ等を介して圧縮ピストン１２１及び膨張ピストン１３１に伝達される。
【００１０】
このとき２つのクランク１４２ａ，１４２ｂは，膨張ピストン１３１が圧縮ピストン１２１より略９０度位相が進んで往復運動するようにシャフト１４６に固定されている。
【００１１】
そして，圧縮ピストン１２１が下死点から上死点に移動する間に，膨張ピストン１３１は上死点に達し下動する。このとき，圧縮空間１２３内の作動ガスは断熱圧縮されて温度上昇するが，圧縮シリンダ１２２等の周囲に形成された放熱フィン１６４により熱が大気に放熱され，結果として等温圧縮と見なせるようになる。
【００１２】
圧縮空間１２３の作動ガスは，膨張ピストン１３１の下動と共に蓄冷部１５０で熱交換しながらガス流路１６１を流動して膨張空間１３３側に移動し，膨張ピストン１３１が下死点に近づくに従って断熱膨張して，当該作動ガスの温度が下がる。
【００１３】
そして，膨張ピストン１３１の上動に伴い温度の下がった作動ガスは，負荷１６２を冷却しながらガス流路１６１を流動し，蓄冷部１５０で熱交換して圧縮空間１２３に戻り１サイクルが終了する。
【００１４】
なお，圧縮ピストン１２１及び膨張ピストン１３１が往復運動するとき，バッファ室１２４，１３４の空間は当該往復運動を妨げるように作用するため，駆動部１４０は大きな力で圧縮ピストン１２１等を駆動しなければならない。
【００１５】
従って，駆動部１４０に供給される電力が増大して，当該供給電力に対して負荷１６２から奪う熱量の比率が低下してしまう。かかる比率の低下はバッファ空間１２４，１３４が小さくなればなるほど大きくなるので，従来はバッファ室１２５，１３５を別途設けている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ガスシール１３７により膨張ピストン１３１と膨張シリンダ１３２とを密接させて，バッファ空間１３４から膨張空間１３３に作動ガスが流動するのを防止しているが，当該流動を完全になくすことが物理的に困難である。
【００１７】
このため，膨張空間１３３とバッファ空間１３４との圧力差が大きくなると，これらの間で作動ガスの流動が生じ，負荷１６２を冷却する能力が低下してしまう問題があった。
【００１８】
即ち，膨張空間１３３の体積が最も大きくなったときにはバッファ空間１３４の体積が最も小さくなり，大きな差圧が生じる。このためバッファ空間１３４から膨張空間１３３に作動ガスが流動する。
【００１９】
バッファ空間１３４の作動ガスの温度は，膨張空間１３３で膨張して温度が低くなった作動ガスの温度より高いので，当該作動ガスの流動により膨張空間１３３の作動ガスの温度が上昇して，負荷１６２を冷却する能力が低下してしまう。
【００２０】
そこで，本発明は，かかる冷却能力の低下を防止したガス圧縮／膨張機を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は，上記課題を解決するため，請求項１にかかる発明は，駆動部と，該駆動部から駆動力を受けて往復運動することにより圧縮空間内の作動ガスを圧縮する圧縮部と，該圧縮部と位相が略９０度ずれて往復運動することにより膨張空間内の作動ガスを膨張させる膨張部と，圧縮部と膨張部とを連通して作動ガスの流路をなすガス流路とを有した２ピストン型ガス圧縮／膨張機において，圧縮部と膨張部とを列設して駆動部に設ける。
【００２２】
また，蓄冷材を収納した膨張ピストン上部と，該膨張ピストン上部に連結された膨張ピストン下部と，膨張ピストン上部と膨張ピストン下部との間に形成されてガス流路と連通する連通空間とにより膨張部を構成する。
【００２３】
そして，圧縮部からガス流路を介して連通空間に流入した作動ガスが，蓄冷材と熱交換しながら膨張ピストン上部を通過して膨張空間に流入すると共に，当該膨張ピストン上部及び膨張ピストン下部により当該膨張空間が拡張して作動ガスが膨張するようにする。
【００２４】
これにより，連通空間と膨張空間との差圧を略同圧にして，蓄冷材と熱交換していない温度の高い連通空間等の作動ガスが，膨張ピストン上部の側壁を介して膨張空間に流入するのを防止したことを特徴とする。
【００２５】
さらに，作動ガスを圧縮する圧縮ピストンと，該圧縮ピストンを往復自在に収納する圧縮シリンダと，該圧縮シリンダを覆うように配設された放熱フィンとにより圧縮部を構成する。
【００２６】
そして，該放熱フィンと圧縮シリンダとの間に隙間を形成し，当該隙間を円筒状のガス流路として作動ガスが流動する際に，当該作動ガスの熱を効率的に放熱するようにしたことを特徴とする。
【００２７】
また，膨張ピストン下部を往復自在に収納する膨張ピストン下部シリンダと，該膨張ピストン下部シリンダを覆うように配設された放熱フィンとにより膨張部を構成する。
【００２８】
そして，該放熱フィンと膨張ピストン下部シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなして，当該ガス流路を流動する作動ガスの熱を効率的に放熱してなることを特徴とする。
【００２９】
請求項２にかかる発明は，膨張ピストン上部及び膨張ピストン下部が往復運動しても連通空間とガス流路とが常に連通するように，連通空間側のガス流路開口部に溝を形成したことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本実施の形態にかかる２ピストン型ガス圧縮／膨張機の断面図を示している。
【００３１】
当該２ピストン型ガス圧縮／膨張機は，クランク４２ａ，４２ｂからなるクランク機構４３を備えた駆動部４０，膨張ピストン下部３１及び膨張ピストン上部３９を備えた膨張部３０及び圧縮ピストン２１を備えた圧縮部２０等を有している。
【００３２】
駆動部４０は，クランク機構４３に回転駆動力を与えるロータ４１，クランク機構４３を潤滑するためのオイルを貯留する貯留槽４７，クランク４２ａ，４２ｂに連結されたコネクティングロッド４４ａ，４４ｂ，該コネクティングロッド４４ａ，４４ｂからの駆動力を直線運動に変換するクロスガイド４５ａ，４５ｂ等を有している。
【００３３】
なお，クランク４２ａとクランク４２ｂとは，シャフト４６に偏心して連結され，かつ，圧縮ピストン２１の位相が膨張ピストン下部３１の位相に対して略９０度遅れるようになている。
【００３４】
膨張部３０は，膨張ピストン下部３１，該膨張ピストン下部３１に連結された膨張ピストン上部３９，膨張ピストン上部３９及び膨張ピストン上部３１を往復自在に収納する膨張シリンダ３２（３２ａ，３２ｂ），該膨張シリンダ３２の頭部側（図１において上側）に設けられた膨張空間３３，膨張ピストン下部３１の背圧側に形成されたバッファ空間３４，該バッファ空間３４と連通したバッファ室３５，膨張ピストン下部３１とクロスガイド４５ｂとを連結する膨張ピストンロッド３６等を有し，膨張シリンダ３２の頭部に負荷６２が取付けられている。
【００３５】
なお，膨張シリンダ３２は，膨張ピストン上部３９が往復運動する膨張ピストン上部シリンダ３２ａと膨張ピストン下部３１が往復運動する膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとにより形成されている。
【００３６】
膨張ピストン上部３９には蓄冷材５１が収納され，その上端面には膨張空間３３との連通用の連通孔３９ａが多数設けられている。
【００３７】
また膨張ピストン上部３９と膨張ピストン下部３１との接続部には，ガス流路Ｇ２と膨張ピストン上部３９とを連通させる連通空間３９ｂが形成されている。
【００３８】
従って，作動ガスは，ガス流路Ｇ２から連通空間３９ｂに流入し，蓄冷材５１で熱交換して連通孔３９ａから膨張空間３３に流出する。膨張空間３３からガス流路Ｇ２に流動する場合は，逆の流路を経て流動する。
【００３９】
膨張ピストン上部３９及び膨張ピストン下部３１にはガスシール３７ａ，３７ｂが設けられて，これらと膨張ピストン上部シリンダ３２ａ及び膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとの密接状態を高めている。
【００４０】
また，膨張ピストンロッド３６と隔壁６３との間にはオイルシール３８が設けられて，駆動部４０のオイルが膨張部３０に侵入するのを防止している。
【００４１】
圧縮部２０は，圧縮ピストン２１を収納する圧縮シリンダ２２，該圧縮シリンダ２２の頭部側（図１において上側）に設けられた圧縮空間２３，圧縮シリンダ２２の背圧側に形成されたバッファ空間２４，該バッファ空間２４と連通したバッファ室２５等を有している。
【００４２】
また，圧縮ピストン２１には，ガスシール２７が配設されて圧縮ピストン２１と圧縮シリンダ２２とを密接させ，圧縮ピストンロッド２６と隔壁６３との間にはオイルシール２８が設けられて，駆動部４０のオイルが圧縮部２０に侵入するのを防止している。
【００４３】
さらに，圧縮シリンダ２２及び膨張ピストン下部シリンダ３２ｂの周囲には，これらを覆うように作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フィン６４が配設されている。
【００４４】
なお，図１において放熱フィン６４は，圧縮シリンダ２２と膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとの周囲を取巻く用に形成した場合について示しているが，本発明はこれに限定されるものではなく，圧縮シリンダ２２の周囲のみを取巻くように放熱フィンを形成してもよい。無論，この場合に膨張ピストン下部シリンダの周囲にも同様の放熱フィンを設けてもよいことはいうまでもない。
【００４５】
このように圧縮シリンダ２２等の周囲を独立に取巻くように放熱フィンを形成することにより，放熱フィンの面積を増やすことが可能になると共に，作動ガスの熱が当該放熱フィンまで伝熱する平均距離を短くすることができるので，効率的に放熱を行うことが可能になる。従って，当該ガス圧縮／膨張機を冷凍機等に用いた場合には，その成績係数を高くすることができるようになる。
【００４６】
図２は図１における矢視ＡＡ断面図で，放熱フィン６４と圧縮シリンダ２２との間に円筒状のガス流路Ｇ１が形成されると共に当該放熱フィン６４と膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとの間に円筒状のガス流路Ｇ２が形成されて，当該ガス流路Ｇ１，Ｇ２はガス流路Ｇ３により連結されて圧縮部２０と膨張部３０とが連通している。
【００４７】
そして圧縮部２０と膨張部３０とは，同一方向に配設されると共に，隔壁６３を介して駆動部４０に固着されて２ピストン型ガス圧縮／膨張機の占有空間を小さくしている。
【００４８】
次に上記構成に基づき，ガス圧縮／膨張機の動作を図３を参照して説明する。
【００４９】
図３（ａ）は，膨張ピストン下部３１が下動して下死点に近づいたときの状態を示し，図３（ｂ）は膨張ピストン下部３１が上動して上死点に近づいたときの状態を示している。そして，図中実線矢印は膨張ピストン下部３１の動く方向を示し，点線矢印は，その時の作動ガスの流動方向を示している。
【００５０】
クランク機構４３が回動することにより，回動力がコネクティングロッド４４ａ，４４ｂ等を介して圧縮ピストン２１及び膨張ピストン下部３１に伝達される。
【００５１】
これにより，圧縮ピストン２１は，膨張ピストン下部３１に対して位相が略９０度遅れた往復運動をするようになる。なお，先に述べたように，膨張ピストン上部３９は膨張ピストン下部３１と連結されているので，当該膨張ピストン上部３９も圧縮ピストン２１より略９０度位相が進んだ運動をする。
【００５２】
そして，圧縮ピストン２１が下死点から上死点に移動すると，圧縮空間２３内の作動ガスは圧縮される。この間，膨張ピストン下部３１は上動して上死点に達した後，下動するようになる。
【００５３】
圧縮ピストン２１の上動に伴い圧縮された作動ガスは，放熱フィン６４により放熱されながらガス流路Ｇ１，Ｇ３，Ｇ２を流動して膨張部３０に送られる。
【００５４】
膨張ピストン下部３１が下動すると，当該膨張ピストン下部３１と共に膨張ピストン上部３９が下動するので，作動ガスは連通空間３９ｂから膨張ピストン上部３９内に流入し，蓄冷材５１と熱交換して連通孔３９ａから膨張空間３３に流出する（図３（ａ）参照）。
【００５５】
このとき，膨張ピストン下部３１の下動により膨張空間３３の容積が拡大するので，作動ガスは膨張して，その温度が下がる。即ち，負荷６２を冷却することができる。
【００５６】
ところで，膨張空間３３の圧力と連通空間３９ｂの圧力は，蓄冷材５１により生じる圧力差だけであり，当該圧力差は小さく，かつ，当該圧力差により流動する作動ガスは常に蓄冷材５１と熱交換するので，膨張により温度の下がった作動ガスに温度の高い連通空間３９ｂの作動ガスが直接流入することがなくなる。従って，負荷６２を冷却する能力の低下が防止できる。
【００５７】
なお，この場合ガスシール３７ａによる完全なシール性は要求されず，そのコンダクタンスが蓄冷材５１のコンダクタンスより十分に小さければよい。このような条件は容易に達成することができるために，ガスシール３７ａの構成を簡単にすることが可能になる。
【００５８】
また，膨張空間３３及び連通空間３９ｂが略同圧になるため，膨張ピストン上部３９の耐圧特性は低くてもよくなる。
【００５９】
従って，当該膨張ピストン上部３９は，樹脂等の熱伝導度が小さく，軽量部材を用いることが可能になって，当該膨張ピストン上部シリンダ３２ａから膨張ピストン上部３９等に侵入する熱を防ぐことが可能になると共に装置の軽量化及び低コストかが可能になる。
【００６０】
その後，圧縮ピストン２１が下死点に近づくに従い，膨張ピストン下部３１は上動を始め，作動ガスは膨張ピストン上部３９内を流動して蓄冷材５１と熱交換し，連通空間３９からガス流路Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１を介して圧縮空間２３に戻ってサイクルが終了する（図３（ｂ）参照）。
【００６１】
なお，上記構成では，膨張ピストン下部３１等が上下動した際に，これら膨張ピストン下部３１及び膨張ピストン上部３９がガス流路Ｇ２を塞ぐことがないように連通空間３９ｂの大きさが設定されている。
【００６２】
即ち，図３（ａ）からも容易に理解できるように，連通空間３９ｂの高さｈ１は，膨張ピストン下部３１のストロークをＳ，ガス流路Ｇ２の開口の大きさをｈ２としたとき，
ｈ１≧Ｓ＋ｈ２
を満たすように設定されている。
【００６３】
このとき，連通空間３９ｂの高さｈ１は，ストローク分だけ不要空間を持つことになるが，このような場合には，図４に示すように，連通空間３９ｂ側のガス流路Ｇ２開口部に溝Ｍを形成することにより，当該不要空間を除去することが可能になる。
【００６４】
図４は図３に対応した図で，図４（ａ）は膨張ピストン下部３１が下死点に近づいたとき，図４（ｂ）は膨張ピストン下部３１が上死点に近づいたときの作動ガスの流れ等を示している。
【００６５】
なお，溝Ｍはガス流路Ｇ２の開口に形成するばかりでなく膨張ピストン上部３９や膨張ピストン下部３１に形成してもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように，請求項１にかかる発明によれば，膨張部を，膨張ピストン上部，膨張ピストン下部，連通空間とにより構成して，圧縮部からガス流路を介して連通空間に流入した作動ガスが，蓄冷材と熱交換しながら膨張ピストン上部を通過して膨張空間に流入すると共に，当該膨張ピストン上部等により当該膨張空間が拡張して，作動ガスを膨張するようにしたので，連通空間と膨張空間との差圧を略同圧にすることが可能になって，連通空間等の温度の高い作動ガスが蓄冷材と熱交換せずに膨張ピストン上部側壁を介して膨張空間に流動しないようにすることができる。
【００６７】
これにより，装置の小型化，コストダウンが図られると共に，当該装置を冷凍機等に使用した際には，成績計数を高くすることが可能になる。
【００６８】
さらに，圧縮シリンダを覆うように放熱フィンを設け，該放熱フィンと圧縮シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなすようにしたので，効率的に作動ガスの熱を外部に放熱することが可能になる。
【００６９】
また，膨張ピストン下部シリンダを覆うように放熱フィンを設け，該放熱フィンと膨張ピストン下部シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなすようにしたので，効率的に作動ガスの熱を外部に放熱することが可能になる。
【００７０】
請求項２にかかる発明によれば，連通空間側のガス流路開口部に溝を形成したので，連通空間とガス流路とが常に連通するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用される２ピストン型ガス圧縮／膨張機の断面図である。
【図２】図１の矢視ＡＡ断面図である。
【図３】膨張部における膨張ピストン下部等の動作に伴う作動ガスの流動方向を示す図である。
【図４】ガス流路に溝を設けた場合の，図３に対応する図である。
【図５】従来の技術の説明に適用される２ピストン型ガス圧縮／膨張機の断面図である。
【符号の説明】
２０ 圧縮部
２１ 圧縮ピストン
２２ 圧縮シリンダ
２３ 圧縮空間
２４ バッファ空間
２５ バッファ室
２７，３７ａ，３７ｂ ガスシール
２８，３８ オイルシール
３０ 膨張部
３１ 膨張ピストン下部
３２ａ 膨張ピストン下部シリンダ
３２ｂ 膨張ピストン下部シリンダ
３３ 膨張空間
３４ バッファ空間
３５ バッファ室
３９ 膨張ピストン上部
３９ａ 連通孔
３９ｂ 連通空間
４０ 駆動部
４３ クランク機構
６４ 放熱フィン
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ ガス流路
【発明の属する技術分野】
本発明は，蓄冷材で熱交換していない温度の高い作動ガスが，膨張ピストン上部の側壁を介して膨張空間に流入することにより発生する熱損失を低減して性能が向上するようにした２ピストン型ガス圧縮／膨張機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ガス圧縮／膨張機は，スターリング冷凍機，スターリングエンジン及びレシプロ式コンプレッサ等に用いられている。
【０００３】
図５は，かかるガス圧縮／膨張機の概略構成を示し，当該ガス圧縮／膨張機は，圧縮ピストン１２１を備えた圧縮部１２０，膨張ピストン１３１を備えた膨張部１３０，クランク機構１４３を備えた駆動部１４０，蓄冷材１５１が収納された蓄冷部１５０等を有し，蓄冷部１５０は圧縮部１２０と膨張部１３０とを連通するガス流路１６１の途中に配設されている。
【０００４】
圧縮部１２０は，圧縮ピストン１２１を収納する圧縮シリンダ１２２，該圧縮シリンダ１２２の頭部側に設けられた圧縮空間１２３，圧縮ピストン１２１と隔壁１６３とにより形成されるバッファ空間１２４，該バッファ空間１２４と連通したバッファ室１２５，隔壁１６３を挿通して圧縮ピストン１２１に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド１２６等を有して，圧縮ピストン１２１にはガスシール１２７が設けられ，また圧縮ピストンロッド１２６にはオイルシール１２８が設けられている。
【０００５】
膨張部１３０は，膨張ピストン１３１を収納する膨張シリンダ１３２，該膨張シリンダ１３２の頭部側に設けられた膨張空間１３３，膨張ピストン１３１と隔壁１６３とにより形成されるバッファ空間１３４，該バッファ空間１３４と連通したバッファ室１３５，隔壁１６３を挿通して膨張ピストン１３１に駆動力を伝達する膨張ピストンロッド１３６等を有して，膨張ピストン１３１にはガスシール１３７が設けられ，また膨張ピストンロッド１３６にはオイルシール１３８が設けられている。
【０００６】
圧縮シリンダ１２２等の周囲には放熱フィン１６４が設けられて，圧縮により発生する作動ガスの熱を外部に放熱するようになっている。また，膨張シリンダ１３２の頭部側には，負荷１６２が取付けられている。
【０００７】
なお，バッファ空間１２４，１３４及びバッファ室１２５，１３５内には作動ガスが満たされている。
【０００８】
駆動部１４０は，ロータ１４１，シャフト１４６に固定されたクランク１４２ａ，１４２ｂからなるクランク機構１４３，該クランク機構１４３等を潤滑するためのオイルを貯留する貯留槽１４７，クランク機構１４３及び圧縮ピストンロッド１２６とに連結されたコネクティングロッド１４４ａ及びクロスガイド１４５ａ，クランク機構１４３及び膨張ピストンロッド１３６と連結されたコネクティングロッド１４４ｂ及びクロスガイド１４５ｂ等を有している。
【０００９】
このような構成で，クランク機構１４３が回動することにより，回動力がコネクティングロッド１４４ａ，１４４ｂ等を介して圧縮ピストン１２１及び膨張ピストン１３１に伝達される。
【００１０】
このとき２つのクランク１４２ａ，１４２ｂは，膨張ピストン１３１が圧縮ピストン１２１より略９０度位相が進んで往復運動するようにシャフト１４６に固定されている。
【００１１】
そして，圧縮ピストン１２１が下死点から上死点に移動する間に，膨張ピストン１３１は上死点に達し下動する。このとき，圧縮空間１２３内の作動ガスは断熱圧縮されて温度上昇するが，圧縮シリンダ１２２等の周囲に形成された放熱フィン１６４により熱が大気に放熱され，結果として等温圧縮と見なせるようになる。
【００１２】
圧縮空間１２３の作動ガスは，膨張ピストン１３１の下動と共に蓄冷部１５０で熱交換しながらガス流路１６１を流動して膨張空間１３３側に移動し，膨張ピストン１３１が下死点に近づくに従って断熱膨張して，当該作動ガスの温度が下がる。
【００１３】
そして，膨張ピストン１３１の上動に伴い温度の下がった作動ガスは，負荷１６２を冷却しながらガス流路１６１を流動し，蓄冷部１５０で熱交換して圧縮空間１２３に戻り１サイクルが終了する。
【００１４】
なお，圧縮ピストン１２１及び膨張ピストン１３１が往復運動するとき，バッファ室１２４，１３４の空間は当該往復運動を妨げるように作用するため，駆動部１４０は大きな力で圧縮ピストン１２１等を駆動しなければならない。
【００１５】
従って，駆動部１４０に供給される電力が増大して，当該供給電力に対して負荷１６２から奪う熱量の比率が低下してしまう。かかる比率の低下はバッファ空間１２４，１３４が小さくなればなるほど大きくなるので，従来はバッファ室１２５，１３５を別途設けている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ガスシール１３７により膨張ピストン１３１と膨張シリンダ１３２とを密接させて，バッファ空間１３４から膨張空間１３３に作動ガスが流動するのを防止しているが，当該流動を完全になくすことが物理的に困難である。
【００１７】
このため，膨張空間１３３とバッファ空間１３４との圧力差が大きくなると，これらの間で作動ガスの流動が生じ，負荷１６２を冷却する能力が低下してしまう問題があった。
【００１８】
即ち，膨張空間１３３の体積が最も大きくなったときにはバッファ空間１３４の体積が最も小さくなり，大きな差圧が生じる。このためバッファ空間１３４から膨張空間１３３に作動ガスが流動する。
【００１９】
バッファ空間１３４の作動ガスの温度は，膨張空間１３３で膨張して温度が低くなった作動ガスの温度より高いので，当該作動ガスの流動により膨張空間１３３の作動ガスの温度が上昇して，負荷１６２を冷却する能力が低下してしまう。
【００２０】
そこで，本発明は，かかる冷却能力の低下を防止したガス圧縮／膨張機を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は，上記課題を解決するため，請求項１にかかる発明は，駆動部と，該駆動部から駆動力を受けて往復運動することにより圧縮空間内の作動ガスを圧縮する圧縮部と，該圧縮部と位相が略９０度ずれて往復運動することにより膨張空間内の作動ガスを膨張させる膨張部と，圧縮部と膨張部とを連通して作動ガスの流路をなすガス流路とを有した２ピストン型ガス圧縮／膨張機において，圧縮部と膨張部とを列設して駆動部に設ける。
【００２２】
また，蓄冷材を収納した膨張ピストン上部と，該膨張ピストン上部に連結された膨張ピストン下部と，膨張ピストン上部と膨張ピストン下部との間に形成されてガス流路と連通する連通空間とにより膨張部を構成する。
【００２３】
そして，圧縮部からガス流路を介して連通空間に流入した作動ガスが，蓄冷材と熱交換しながら膨張ピストン上部を通過して膨張空間に流入すると共に，当該膨張ピストン上部及び膨張ピストン下部により当該膨張空間が拡張して作動ガスが膨張するようにする。
【００２４】
これにより，連通空間と膨張空間との差圧を略同圧にして，蓄冷材と熱交換していない温度の高い連通空間等の作動ガスが，膨張ピストン上部の側壁を介して膨張空間に流入するのを防止したことを特徴とする。
【００２５】
さらに，作動ガスを圧縮する圧縮ピストンと，該圧縮ピストンを往復自在に収納する圧縮シリンダと，該圧縮シリンダを覆うように配設された放熱フィンとにより圧縮部を構成する。
【００２６】
そして，該放熱フィンと圧縮シリンダとの間に隙間を形成し，当該隙間を円筒状のガス流路として作動ガスが流動する際に，当該作動ガスの熱を効率的に放熱するようにしたことを特徴とする。
【００２７】
また，膨張ピストン下部を往復自在に収納する膨張ピストン下部シリンダと，該膨張ピストン下部シリンダを覆うように配設された放熱フィンとにより膨張部を構成する。
【００２８】
そして，該放熱フィンと膨張ピストン下部シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなして，当該ガス流路を流動する作動ガスの熱を効率的に放熱してなることを特徴とする。
【００２９】
請求項２にかかる発明は，膨張ピストン上部及び膨張ピストン下部が往復運動しても連通空間とガス流路とが常に連通するように，連通空間側のガス流路開口部に溝を形成したことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本実施の形態にかかる２ピストン型ガス圧縮／膨張機の断面図を示している。
【００３１】
当該２ピストン型ガス圧縮／膨張機は，クランク４２ａ，４２ｂからなるクランク機構４３を備えた駆動部４０，膨張ピストン下部３１及び膨張ピストン上部３９を備えた膨張部３０及び圧縮ピストン２１を備えた圧縮部２０等を有している。
【００３２】
駆動部４０は，クランク機構４３に回転駆動力を与えるロータ４１，クランク機構４３を潤滑するためのオイルを貯留する貯留槽４７，クランク４２ａ，４２ｂに連結されたコネクティングロッド４４ａ，４４ｂ，該コネクティングロッド４４ａ，４４ｂからの駆動力を直線運動に変換するクロスガイド４５ａ，４５ｂ等を有している。
【００３３】
なお，クランク４２ａとクランク４２ｂとは，シャフト４６に偏心して連結され，かつ，圧縮ピストン２１の位相が膨張ピストン下部３１の位相に対して略９０度遅れるようになている。
【００３４】
膨張部３０は，膨張ピストン下部３１，該膨張ピストン下部３１に連結された膨張ピストン上部３９，膨張ピストン上部３９及び膨張ピストン上部３１を往復自在に収納する膨張シリンダ３２（３２ａ，３２ｂ），該膨張シリンダ３２の頭部側（図１において上側）に設けられた膨張空間３３，膨張ピストン下部３１の背圧側に形成されたバッファ空間３４，該バッファ空間３４と連通したバッファ室３５，膨張ピストン下部３１とクロスガイド４５ｂとを連結する膨張ピストンロッド３６等を有し，膨張シリンダ３２の頭部に負荷６２が取付けられている。
【００３５】
なお，膨張シリンダ３２は，膨張ピストン上部３９が往復運動する膨張ピストン上部シリンダ３２ａと膨張ピストン下部３１が往復運動する膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとにより形成されている。
【００３６】
膨張ピストン上部３９には蓄冷材５１が収納され，その上端面には膨張空間３３との連通用の連通孔３９ａが多数設けられている。
【００３７】
また膨張ピストン上部３９と膨張ピストン下部３１との接続部には，ガス流路Ｇ２と膨張ピストン上部３９とを連通させる連通空間３９ｂが形成されている。
【００３８】
従って，作動ガスは，ガス流路Ｇ２から連通空間３９ｂに流入し，蓄冷材５１で熱交換して連通孔３９ａから膨張空間３３に流出する。膨張空間３３からガス流路Ｇ２に流動する場合は，逆の流路を経て流動する。
【００３９】
膨張ピストン上部３９及び膨張ピストン下部３１にはガスシール３７ａ，３７ｂが設けられて，これらと膨張ピストン上部シリンダ３２ａ及び膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとの密接状態を高めている。
【００４０】
また，膨張ピストンロッド３６と隔壁６３との間にはオイルシール３８が設けられて，駆動部４０のオイルが膨張部３０に侵入するのを防止している。
【００４１】
圧縮部２０は，圧縮ピストン２１を収納する圧縮シリンダ２２，該圧縮シリンダ２２の頭部側（図１において上側）に設けられた圧縮空間２３，圧縮シリンダ２２の背圧側に形成されたバッファ空間２４，該バッファ空間２４と連通したバッファ室２５等を有している。
【００４２】
また，圧縮ピストン２１には，ガスシール２７が配設されて圧縮ピストン２１と圧縮シリンダ２２とを密接させ，圧縮ピストンロッド２６と隔壁６３との間にはオイルシール２８が設けられて，駆動部４０のオイルが圧縮部２０に侵入するのを防止している。
【００４３】
さらに，圧縮シリンダ２２及び膨張ピストン下部シリンダ３２ｂの周囲には，これらを覆うように作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フィン６４が配設されている。
【００４４】
なお，図１において放熱フィン６４は，圧縮シリンダ２２と膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとの周囲を取巻く用に形成した場合について示しているが，本発明はこれに限定されるものではなく，圧縮シリンダ２２の周囲のみを取巻くように放熱フィンを形成してもよい。無論，この場合に膨張ピストン下部シリンダの周囲にも同様の放熱フィンを設けてもよいことはいうまでもない。
【００４５】
このように圧縮シリンダ２２等の周囲を独立に取巻くように放熱フィンを形成することにより，放熱フィンの面積を増やすことが可能になると共に，作動ガスの熱が当該放熱フィンまで伝熱する平均距離を短くすることができるので，効率的に放熱を行うことが可能になる。従って，当該ガス圧縮／膨張機を冷凍機等に用いた場合には，その成績係数を高くすることができるようになる。
【００４６】
図２は図１における矢視ＡＡ断面図で，放熱フィン６４と圧縮シリンダ２２との間に円筒状のガス流路Ｇ１が形成されると共に当該放熱フィン６４と膨張ピストン下部シリンダ３２ｂとの間に円筒状のガス流路Ｇ２が形成されて，当該ガス流路Ｇ１，Ｇ２はガス流路Ｇ３により連結されて圧縮部２０と膨張部３０とが連通している。
【００４７】
そして圧縮部２０と膨張部３０とは，同一方向に配設されると共に，隔壁６３を介して駆動部４０に固着されて２ピストン型ガス圧縮／膨張機の占有空間を小さくしている。
【００４８】
次に上記構成に基づき，ガス圧縮／膨張機の動作を図３を参照して説明する。
【００４９】
図３（ａ）は，膨張ピストン下部３１が下動して下死点に近づいたときの状態を示し，図３（ｂ）は膨張ピストン下部３１が上動して上死点に近づいたときの状態を示している。そして，図中実線矢印は膨張ピストン下部３１の動く方向を示し，点線矢印は，その時の作動ガスの流動方向を示している。
【００５０】
クランク機構４３が回動することにより，回動力がコネクティングロッド４４ａ，４４ｂ等を介して圧縮ピストン２１及び膨張ピストン下部３１に伝達される。
【００５１】
これにより，圧縮ピストン２１は，膨張ピストン下部３１に対して位相が略９０度遅れた往復運動をするようになる。なお，先に述べたように，膨張ピストン上部３９は膨張ピストン下部３１と連結されているので，当該膨張ピストン上部３９も圧縮ピストン２１より略９０度位相が進んだ運動をする。
【００５２】
そして，圧縮ピストン２１が下死点から上死点に移動すると，圧縮空間２３内の作動ガスは圧縮される。この間，膨張ピストン下部３１は上動して上死点に達した後，下動するようになる。
【００５３】
圧縮ピストン２１の上動に伴い圧縮された作動ガスは，放熱フィン６４により放熱されながらガス流路Ｇ１，Ｇ３，Ｇ２を流動して膨張部３０に送られる。
【００５４】
膨張ピストン下部３１が下動すると，当該膨張ピストン下部３１と共に膨張ピストン上部３９が下動するので，作動ガスは連通空間３９ｂから膨張ピストン上部３９内に流入し，蓄冷材５１と熱交換して連通孔３９ａから膨張空間３３に流出する（図３（ａ）参照）。
【００５５】
このとき，膨張ピストン下部３１の下動により膨張空間３３の容積が拡大するので，作動ガスは膨張して，その温度が下がる。即ち，負荷６２を冷却することができる。
【００５６】
ところで，膨張空間３３の圧力と連通空間３９ｂの圧力は，蓄冷材５１により生じる圧力差だけであり，当該圧力差は小さく，かつ，当該圧力差により流動する作動ガスは常に蓄冷材５１と熱交換するので，膨張により温度の下がった作動ガスに温度の高い連通空間３９ｂの作動ガスが直接流入することがなくなる。従って，負荷６２を冷却する能力の低下が防止できる。
【００５７】
なお，この場合ガスシール３７ａによる完全なシール性は要求されず，そのコンダクタンスが蓄冷材５１のコンダクタンスより十分に小さければよい。このような条件は容易に達成することができるために，ガスシール３７ａの構成を簡単にすることが可能になる。
【００５８】
また，膨張空間３３及び連通空間３９ｂが略同圧になるため，膨張ピストン上部３９の耐圧特性は低くてもよくなる。
【００５９】
従って，当該膨張ピストン上部３９は，樹脂等の熱伝導度が小さく，軽量部材を用いることが可能になって，当該膨張ピストン上部シリンダ３２ａから膨張ピストン上部３９等に侵入する熱を防ぐことが可能になると共に装置の軽量化及び低コストかが可能になる。
【００６０】
その後，圧縮ピストン２１が下死点に近づくに従い，膨張ピストン下部３１は上動を始め，作動ガスは膨張ピストン上部３９内を流動して蓄冷材５１と熱交換し，連通空間３９からガス流路Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１を介して圧縮空間２３に戻ってサイクルが終了する（図３（ｂ）参照）。
【００６１】
なお，上記構成では，膨張ピストン下部３１等が上下動した際に，これら膨張ピストン下部３１及び膨張ピストン上部３９がガス流路Ｇ２を塞ぐことがないように連通空間３９ｂの大きさが設定されている。
【００６２】
即ち，図３（ａ）からも容易に理解できるように，連通空間３９ｂの高さｈ１は，膨張ピストン下部３１のストロークをＳ，ガス流路Ｇ２の開口の大きさをｈ２としたとき，
ｈ１≧Ｓ＋ｈ２
を満たすように設定されている。
【００６３】
このとき，連通空間３９ｂの高さｈ１は，ストローク分だけ不要空間を持つことになるが，このような場合には，図４に示すように，連通空間３９ｂ側のガス流路Ｇ２開口部に溝Ｍを形成することにより，当該不要空間を除去することが可能になる。
【００６４】
図４は図３に対応した図で，図４（ａ）は膨張ピストン下部３１が下死点に近づいたとき，図４（ｂ）は膨張ピストン下部３１が上死点に近づいたときの作動ガスの流れ等を示している。
【００６５】
なお，溝Ｍはガス流路Ｇ２の開口に形成するばかりでなく膨張ピストン上部３９や膨張ピストン下部３１に形成してもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように，請求項１にかかる発明によれば，膨張部を，膨張ピストン上部，膨張ピストン下部，連通空間とにより構成して，圧縮部からガス流路を介して連通空間に流入した作動ガスが，蓄冷材と熱交換しながら膨張ピストン上部を通過して膨張空間に流入すると共に，当該膨張ピストン上部等により当該膨張空間が拡張して，作動ガスを膨張するようにしたので，連通空間と膨張空間との差圧を略同圧にすることが可能になって，連通空間等の温度の高い作動ガスが蓄冷材と熱交換せずに膨張ピストン上部側壁を介して膨張空間に流動しないようにすることができる。
【００６７】
これにより，装置の小型化，コストダウンが図られると共に，当該装置を冷凍機等に使用した際には，成績計数を高くすることが可能になる。
【００６８】
さらに，圧縮シリンダを覆うように放熱フィンを設け，該放熱フィンと圧縮シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなすようにしたので，効率的に作動ガスの熱を外部に放熱することが可能になる。
【００６９】
また，膨張ピストン下部シリンダを覆うように放熱フィンを設け，該放熱フィンと膨張ピストン下部シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなすようにしたので，効率的に作動ガスの熱を外部に放熱することが可能になる。
【００７０】
請求項２にかかる発明によれば，連通空間側のガス流路開口部に溝を形成したので，連通空間とガス流路とが常に連通するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用される２ピストン型ガス圧縮／膨張機の断面図である。
【図２】図１の矢視ＡＡ断面図である。
【図３】膨張部における膨張ピストン下部等の動作に伴う作動ガスの流動方向を示す図である。
【図４】ガス流路に溝を設けた場合の，図３に対応する図である。
【図５】従来の技術の説明に適用される２ピストン型ガス圧縮／膨張機の断面図である。
【符号の説明】
２０ 圧縮部
２１ 圧縮ピストン
２２ 圧縮シリンダ
２３ 圧縮空間
２４ バッファ空間
２５ バッファ室
２７，３７ａ，３７ｂ ガスシール
２８，３８ オイルシール
３０ 膨張部
３１ 膨張ピストン下部
３２ａ 膨張ピストン下部シリンダ
３２ｂ 膨張ピストン下部シリンダ
３３ 膨張空間
３４ バッファ空間
３５ バッファ室
３９ 膨張ピストン上部
３９ａ 連通孔
３９ｂ 連通空間
４０ 駆動部
４３ クランク機構
６４ 放熱フィン
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ ガス流路
Claims (2)
- 駆動部と，該駆動部から駆動力を受けて往復運動することにより圧縮空間内の作動ガスを圧縮する圧縮部と，該圧縮部と位相が略９０度ずれて往復運動することにより膨張空間内の作動ガスを膨張させる膨張部と，前記圧縮部と前記膨張部とを連通して作動ガスの流路をなすガス流路とを有した２ピストン型ガス圧縮／膨張機において，
前記圧縮部と前記膨張部とが，列設して前記駆動部に設けられ，かつ，
前記膨張部が，蓄冷材を収納した膨張ピストン上部と，
該膨張ピストン上部に連結されて，前記膨張空間内の作動ガスを膨張させる膨張ピストン下部と，
前記膨張ピストン上部と前記膨張ピストン下部との間に形成されて，前記ガス流路と連通する連通空間とを有し，
前記圧縮部からガス流路を介して前記連通空間に流入した作動ガスが，前記蓄冷材と熱交換しながら前記膨張ピストン上部を通過して前記膨張空間に流入すると共に，当該膨張ピストン上部及び前記膨張ピストン下部により当該膨張空間が拡張して作動ガスが膨張してなると共に，
前記圧縮部が，作動ガスを圧縮する圧縮ピストンと，
該圧縮ピストンを往復自在に収納する圧縮シリンダと，
該圧縮シリンダを覆うように配設された放熱フィンとを有し，
該放熱フィンと前記圧縮シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなして，当該ガス流路を流動する作動ガスの熱を放熱してなり，
前記膨張部が，前記膨張ピストン下部を往復自在に収納する膨張ピストン下部シリンダと，
該膨張ピストン下部シリンダを覆うように配設された放熱フィンとを有し，
該放熱フィンと前記膨張ピストン下部シリンダとの間に形成される隙間が円筒状のガス流路をなして，当該ガス流路を流動する作動ガスの熱を放熱してなることを特徴とする２ピストン型ガス圧縮／膨張機。 - 前記膨張ピストン上部及び膨張ピストン下部が往復運動しても前記連通空間と前記ガス流路とが常に連通するように，前記連通空間側のガス流路開口部に溝を形成したことを特徴とする請求項１記載の２ピストン型ガス圧縮／膨張機。
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