JP3780281B2 - 冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は、空気を冷媒とした冷凍システムに関するものである。

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凍システム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凍システムの開発が進んでいる。

一般に、空気を冷媒とした冷凍システムは、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。

ところで、従来の上記冷凍システムでは、コンプレッサと膨張機が夫々別個の駆動系で駆動されており、このため、コンプレッサを駆動させる動力源と膨張機を駆動させる動力源が夫々必要であった。そのため、消費電力が嵩んでランニングコストが高くつき、不経済であるという問題があった。

そこで、本発明の目的とするところは、膨張機の膨張エネルギーを有効に利用して経済的な冷凍システムを提供することにある。

本発明に係る冷凍システムは、上記目的を達成するため、圧縮シリンダ内に圧縮ピストンを往復動可能に装架したコンプレッサと、駆動モータで常時作動し、この駆動モータの回転運動を往復運動に変換して取り出すクランクピンにコンプレッサの圧縮ピストンのピストンロッドを連結したクランク装置と、コンプレッサの圧縮シリンダと同軸上に膨張シリンダを配置し、この膨張シリンダ内に膨張ピストンを往復動可能に装架し、この膨張ピストンがコンプレッサの圧縮ピストンと所定の位相差で往復運動するように当該膨張ピストンのピストンロッドを圧縮ピストンのピストンロッドに連結した膨張機と、コンプレッサの排気口と前記膨張機の流入口を連通する配管の途中に設けた熱交換器とを備えた冷凍システムであって、クランク装置は、前記ピストンロッドの片側にのみ設置され、クランクケースに軸受を介して回転可能に軸支されるとともに、駆動モータに連結されるクランク主軸と、コンプレッサのピストンロッドに連結されるクランクピンと、クランク主軸とクランクピンの間に介装される遊星機構を備えてなり、遊星機構は、クランクケースに固定的に設けられるとともに、クランク主軸の回転中心と同心状に配置された太陽歯車からなる太陽部材と、この太陽部材の内周に沿って転動する遊星歯車からなる遊星部材を備え、この遊星部材の外径が前記太陽部材の内径の１／２に設定され、上記遊星部材の自転中心に、クランクピンが軸受を介して回転可能に枢支連結されるとともに、クランクピンの軸端において遊星部材の外周ピッチと圧縮シリンダの軸線との接点位置に、コンプレッサのピストンロッドの一端を、軸受を介して回転可能に枢支連結したことを特徴とする。

本発明は、従来のようにコンプレッサを駆動させる駆動源と膨張機を駆動させる駆動源というように２つの動力源を必要とせず、１つの動力源でコンプレッサと膨張機を連動して駆動できるとともに、膨張機の膨張ピストンが受ける圧縮空気の断熱膨張エネルギーをコンプレッサの圧縮ピストンの断熱圧縮エネルギーとして回収再利用させて効率向上できるから、従来と比較して消費電力の大幅な低減化が図れてランニングコストを少なく抑えることが可能となり、経済的な冷凍システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基いて説明する。

図１および図２において、１はコンプレッサで、圧縮シリンダ２内に圧縮ピストン３を往復動可能に装架するとともに、圧縮シリンダ２のヘッド部に外気の吸入を制御する吸気弁４および圧縮シリンダ２内で断熱圧縮した圧縮空気を熱交換器５へ配管６を通して送るのを制御する排気弁７を配設している。吸気弁４および排気弁７は、外気圧および圧縮空気圧で押し開かれる自動弁とする。

前記コンプレッサ１の圧縮ピストン３には、図中左側にピストンロッド８が突出しており、このピストンロッド８はクランク装置９を介して駆動モータ１０と連結されており、駆動モータ１０の作動に伴いクランク装置９およびピストンロッド８を介して圧縮ピストン３が上死点と下死点の間で往復運動するようになっている。

そして、このコンプレッサ１は、前述のように圧縮ピストン３を上死点と下死点の間で往復運動させることにより外気を吸入・圧縮して熱交換器５へ送るようになっている。即ち、圧縮ピストン３が上死点を過ぎて下死点へ移行すると、圧縮シリンダ２内が減圧されることにより外気圧で吸気弁４が開かれて外気を圧縮シリンダ２内に吸入する。次に、圧縮ピストン３が下死点を過ぎて上死点へ移行すると、圧縮シリンダ２内が増圧されることにより吸気弁４が閉じられて圧縮シリンダ２内に吸入された外気を圧縮ピストン３で断熱圧縮する。外気を断熱圧縮すると、外気は高温の圧縮空気となる。次に、圧縮ピストン３が上死点付近に達すると、圧縮空気圧で排気弁７が開かれて高温の圧縮空気は配管６を通して熱交換器５へ送られる。

前記熱交換器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されており、コンプレッサ１から配管６を通し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ようになっている。

尚、クランク装置９は、駆動モータ１０の回転運動をコンプレッサ１の圧縮ピストン３の直線往復運動に変換させるようになっており、図２に示すように、クランクケース１１に軸受１２を介して回転可能に軸支されるとともに、駆動モータ１０に連結されるクランク主軸１３と、コンプレッサ１のピストンロッド８に連結されるクランクピン１４と、クランク主軸１３とクランクピン１４の間に介装される遊星機構１５を備えてなり、前記遊星機構１５は、クランクケース１１に固定的に設けられるとともに、クランク主軸１３の回転中心と同心状に配置された例えば太陽歯車からなる太陽部材１６と、この太陽部材１６の内周に沿って転動する例えば遊星歯車からなる遊星部材１７を備え、この遊星部材１７の外径が前記太陽部材１６の内径の１／２に設定され、上記遊星部材１７の自転中心に、クランク
ピン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、クランクピン１４の軸端には回転慣性力として働くカウンターバランサ１９が一体形成され、このカウンターバランサ１９の側面における遊星部材１７の外周ピッチと圧縮シリンダ２の軸線との接点位置にコンプレッサ１のピストンロッド８の一端が軸受２０を介して回転可能に枢支連結されている。

このクランク装置９は、前述のように、遊星機構１５の遊星部材１７の外径を太陽部材１６の内径の１／２に設定させるとともに、遊星部材１７の外周ピッチと対応点にコンプレッサ１のピストンロッド８を連結させたことで、クランク主軸１３の回転中心からクランクピン１４の回転中心までの距離と、クランクピン１４の回転中心からピストンロッド８の連結点までの距離が等しくなり、この連結点が遊星部材１７の転動に伴いクランク主軸１３の回転中心を通る直線上を移動するようになり、コンプレッサ１の圧縮ピストン３のピストンロッド８をほとんど揺動させることなく直線往復運動させることができるようになっている。このようにピストンロッド８がほとんど揺動することなく直線往復運動すると、圧縮ピストン３には半径方向横向きの力がほとんど作用せず、いわゆるピストンスラップが生じ難くて振動・騒音・キャビテーション・摩耗損失などが大幅に低減される。

前記熱交換器５で常温近くまで冷却された圧縮空気は、配管２１を通して膨張機２２に送られるようになっている。

前記膨張機２２は、コンプレッサ１の圧縮シリンダ２と同軸上に配置された膨張シリンダ２３内に膨張ピストン２４を往復動可能に装架するとともに、膨張シリンダ２３のヘッド部に熱交換器５からの圧縮空気の流入を制御する流入弁２５および膨張シリンダ２３内で断熱膨張した低温空気をチャンバ２６へ送るのを制御する流出弁２７を配設している。流入弁２５および流出弁２７は、駆動モータ１０の作動に伴い動弁機構２８を介して適時に開閉操作されるようになっている。動弁機構２８は、ロッカーアーム２９および３０を揺動可能に設け、このロッカーアーム２９および３０の一端が、駆動モータ１０の作動に伴いクランク装置９のクランク主軸１３、タイミングプーリ３１、タイミングベルト３２、タイミングプーリ３３および３４を介して回転されるカムシャフト３５および３６に設けたカム３７および３８に当接されるとともに、ロッカーアーム２９および３０の他端が、流入弁２５および流出弁２７のタペット部先端に圧接されており、駆動モータ１０の作動に伴いカムシャフト３５および３６が回転されることにより、カム３７および３８によりロッカーアーム２９および３０を揺動させて流入弁２５および流出弁２７を適時に開閉操作するようになっている。

前記膨張機２２の膨張ピストン２４には、図中右側にピストンロッド３９が突出しており、このピストンロッド３９はコンプレッサ１の圧縮ピストン３と膨張機２２の膨張ピストン２４が所定の位相差で往復動するように圧縮ピストン３のピストンロッド８とピン４０を介して連結されており、駆動モータ１０の作動に伴いコンプレッサ１の圧縮ピストン３が上死点と下死点の間で往復運動されると、膨張ピストン２４が圧縮ピストン３と同期して所定の位相差で上死点と下死点の間で往復運動するようになっている。尚、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、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にすることができる。

そして、この膨張機２２は、前述のように膨張ピストン２４を上死点と下死点の間で往復運動させることにより熱交換器５から導いた圧縮空気を断熱膨張してチャンバ２７へ送るようになっている。即ち、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流入弁２５を開いて、熱交換器５で一次冷却した圧縮空気を配管２６を通して膨張シリンダ２３内に流入させる。次に、膨張シリンダ２３内に流入した圧縮空気を、膨張ピストン２４が下死点に至る過程で大気圧近くまで断熱膨張させる。圧縮空気を大気圧近くまで断熱膨張させると、圧縮空気の温度が低下してマイナス数十度の冷気となる。次に、膨張ピストン２４が下死点を過ぎて上死点に移行する間に流出弁２７を開いて、膨張シリンダ２３内の冷気をチャンバ２６へ送りるようになっている。

また、前記膨張機２２は、膨張シリンダ２３内で圧縮空気を断熱膨張させる際に膨張ピストン２４が受ける力を利用してコンプレッサ１の圧縮ピストン３の圧縮工程運動を手助けするようになっている。コンプレッサ１の圧縮ピストン３の圧縮工程と膨張機２２の膨張ピストン２４の膨張行程は完全に一致しており、このため、圧縮ピストン３の主たる駆動エネルギーは駆動モータ１０から供給されるが、膨張ピストン２４が受ける圧縮空気の膨張エネルギーの一部が圧縮ピストン３の圧縮エネルギーとして回収再利用されるのである。

そして、前記膨張機２２で二次冷却されてチャンバ２６に送られた冷気は、このチャンバ２６内に一時的に滞留された後、冷凍室へ送られ目的物の熱を吸収して冷凍するようになっている。

この実施形態は、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を同軸上に配置し、コンプレッサ１の圧縮ピストン３のピストンロッド８をクランク装置９を介して駆動モータ１０に連結するとともに、膨張機２２の膨張ピストン２４のピストンロッド３９をコンプレッサ１の圧縮ピストン３のピストンロッド８に連結させたことにより、コンプレッサ１の圧縮ピストン３と膨張機２２の膨張ピストン２４を同軸上において所定の位相差で同期して往復運動させることができるから、１つの駆動モータ１０でコンプレッサ１と膨張機２２を連動して駆動させることができるとともに、膨張機２２の断熱膨張エネルギーによりコンプレッサ１の圧縮ピストン３の往復運動を手助けして断熱膨張エネルギーを断熱圧縮エネルギーとして有効に利用することができる。

図３は、本発明の他の実施形態を示し、外部圧縮空気を利用して駆動するようにしたものである。

この実施形態は、配管２１の途中に圧縮空気供給手段（図示せず）から外部圧縮空気を導入する導入管４１を接続するとともに、クランク装置９のクランク主軸１３をセルモータ４２に連結したものであり、その他の構成は図１および図２に示した実施例と同様である。

この実施形態は、始動時にセルモータ４２を作動させるとともに、外部圧縮空気を導入管４１から配管２１に導入させることにより、セルモータ４１の作動に伴いクランク装置９を介してコンプレッサ１の圧縮ピストン３が上死点と下死点の間で往復運動されるとともに、このコンプレッサ１の圧縮ピストン３の往復運動および配管２１を通して膨張機２２の膨張シリンダ２３内に導入される外部圧縮空気を利用して膨張ピストン２４が上死点と下死点の間で往復運動されるようになっており、これによって図１および図２に示した実施例と同様に外気をマイナス数十度に冷却させた冷気を冷凍室に送るようになっている。このような動作において、システムがいったん作動開始した後にセルモータ４２を停止しても、既に膨張機２２の膨張ピストン２４が外部圧縮空気により高速で往復運動されて圧縮空気を断熱膨張させるようになっているから、この膨張機２２の膨張ピストン２４の往復運動および断熱膨張の際のエネルギーを利用してコンプレッサ１の圧縮ピストン３が連続的に往復運動されるようになっており、従って、外部圧縮空気のみによる駆動が可能となる。

この実施形態によれば、外部圧縮空気という１つの動力源でコンプレッサ１と膨張機２２を連動して駆動させることができるとともに、膨張機２２の断熱膨張エネルギーをコンプレッサ１の断熱圧縮エネルギーとして有効に利用することができる。

尚、図３では熱交換器５の下流側の配管２１に導入管４０を接続しているが、熱交換器５の上流側の配管６に導入管４０を接続した場合でも、図３の場合と同様の作用効果が得られる。

上述した両実施例はいずれも、あくまでも本発明の好適な具体例を示すものであって本発明はこれら実施例に限定されることなく、その技術的思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。

本発明の冷凍システムの要部縦断面図である。 図１の要部横断面図である。 本発明の他の実施例の要部縦断面図である。

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 クランク主軸
１４ クランクピン
１５ 遊星機構
２２ 膨張機
２３ 膨張シリンダ
２４ 膨張ピストン
２５ 流入弁
２６ チャンバ
２７ 流出弁
２８ 動弁機構
３９ ピストンロッド
４１ 導入管
４２ セルモータ

Claims (1)

1. 圧縮シリンダ内に圧縮ピストンを往復動可能に装架したコンプレッサと、
   駆動モータで常時作動し、この駆動モータの回転運動を往復運動に変換して取り出すクランクピンに前記コンプレッサの圧縮ピストンのピストンロッドを連結したクランク装置と、
   前記コンプレッサの圧縮シリンダと同軸上に膨張シリンダを配置し、この膨張シリンダ内に膨張ピストンを往復動可能に装架し、この膨張ピストンが前記コンプレッサの圧縮ピストンと所定の位相差で往復運動するように当該膨張ピストンのピストンロッドを前記圧縮ピストンのピストンロッドに連結した膨張機と、
   前記コンプレッサの排気口と前記膨張機の流入口を連通する配管の途中に設けた熱交換器とを備えた冷凍システムであって、
   前記クランク装置は、前記ピストンロッドの片側にのみ設置され、
   クランクケースに軸受を介して回転可能に軸支されるとともに、駆動モータに連結されるクランク主軸と、
   コンプレッサのピストンロッドに連結されるクランクピンと、クランク主軸とクランクピンの間に介装される遊星機構を備えてなり、
   前記遊星機構は、クランクケースに固定的に設けられるとともに、クランク主軸の回転中心と同心状に配置された太陽歯車からなる太陽部材と、
   この太陽部材の内周に沿って転動する遊星歯車からなる遊星部材を備え、
   この遊星部材の外径が前記太陽部材の内径の１／２に設定され、上記遊星部材の自転中心に、クランクピンが軸受を介して回転可能に枢支連結されるとともに、クランクピンの軸端において遊星部材の外周ピッチと圧縮シリンダの軸線との接点位置に、コンプレッサのピストンロッドの一端を、軸受を介して回転可能に枢支連結したことを特徴とする冷凍システム。