JPH11153365A - ガス圧縮／膨張機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス圧縮／膨張機の占有空間を小さくすると
共に，圧縮された作動ガスの放熱効率を高める。 【解決手段】 圧縮部５０と膨張部３０とを並設して駆
動部２０に固定する。また，圧縮シリンダ５２を覆うよ
うに円筒状の放熱フィン５４を挿嵌し，当該放熱フィン
５４と圧縮シリンダ５２との間に圧縮部５０と膨張部３
０とを連通するガス流路Ｇを形成する。これにより，装
置の小型化を図りながら，圧縮部５０からの作動ガスが
当該ガス流路Ｇを流動する際にその熱を放熱フィン５４
を介して効率的に放熱できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，ガス圧縮部とガス
膨張部との設置方向が同一方向になるようにして装置の
小型化を図ると共に，圧縮された作動ガスの熱を効率的
に外部に放熱可能にしたガス圧縮／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４は，かかるガス圧縮／膨張機の概略構
成を示している。ガス圧縮／膨張機１００は，圧縮ピス
トン１５１を備えたピストン型圧縮機である圧縮部１５
０，ディスプレーサ１３１を備えた膨張部１３０，クラ
ンク機構１２１を備えた駆動部１２０等を有し，圧縮部
１５０と膨張部１３０とは，ガス流路１６０で連通され
ている。

【０００４】また，圧縮部１５０は，圧縮ピストン１５
１を収納する圧縮シリンダ１５２，該圧縮シリンダ１５
２の頭部側（図４において左側）に設けられた圧縮空間
１５３，圧縮シリンダ１５２の外側面に設けられて圧縮
により発生した作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フィ
ン１５４，圧縮シリンダ１５２の駆動部１２０側に配設
された隔壁１５５，圧縮ピストン１５１と圧縮シリンダ
１５２とにより形成されるバッファ空間１５６，隔壁１
５５を挿通して圧縮ピストン１５１に駆動力を伝達する
圧縮ピストンロッド１５８等を有している。

【０００５】膨張部１３０は，ディスプレーサ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（図４において上側）に設けられた膨張空間１３
４，ディスプレーサ１３１に駆動力を伝達するディスプ
レーサロッド１３５，ディスプレーサ１３１内に設けら
れた蓄冷材１３３等を有して，膨張シリンダ１３２の頭
部に負荷１１２が取付けられる。

【０００６】駆動部１２０は，クランク機構１２１等を
潤滑するためのオイルを貯留する貯留槽１２２，クラン
ク機構１２１及び圧縮ピストンロッド１５８と連結され
たコネクティングロッド１２３，クランク機構１２１及
びディスプレーサロッド１３５と連結されたコネクティ
ングロッド１２４等を有している。

【０００７】このような構成で，クランク機構１２１が
回動することにより，回動力がコネクティングロッド１
２３，１２４等を介して圧縮ピストン１５１及びディス
プレーサ１３１に伝達される。

【０００８】このとき，２つのコネクティングロッド１
２３，１２４は，同一の作用点でクランク機構１２１か
ら駆動力を受けているので，圧縮ピストン１５１はディ
スプレーサ１３１より略９０度位相がずれて往復運動す
るようになっている。

【０００９】そして，圧縮ピストン１５１が右端死点か
ら左端死点に移動すると，圧縮空間１５３内の作動ガス
は等温圧縮される。

【００１０】この間，ディスプレーサ１３１は下動し，
下死点に達した後，上動するようになる。ディスプレー
サ１３１の上動に伴い圧縮された作動ガスは，ガス流路
１６０を介して膨張部１３０側に送られ，ディスプレー
サ１３１が下動すると作動ガスは蓄冷材１３３を通過し
当該蓄冷材１３３と熱交換して膨張空間１３４に送られ
る。

【００１１】ディスプレーサ１３１が下死点に達するに
従い，圧縮ピストン１５１は左端死点から右端死点に移
動し，作動ガスは膨張して降温する。この時の膨張過程
は等温膨張過程であるため，膨張により降温しただけ外
部の熱を吸熱する。即ち，負荷から熱を奪うようにな
る。

【００１２】圧縮ピストン１５１が右端死点に近づくに
従い，ディスプレーサ１３１は上動を始め，作動ガスは
ディスプレーサ１３１を通過し，蓄冷材１３３から吸熱
して１サイクルが終了する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記構
成では圧縮部１５０，膨張部１３０，駆動部１２０がそ
れぞれ三角形の頂点位置に配設され，かつ，圧縮ピスト
ン１５１とディスプレーサ１３１との位相が略９０度ず
れるようにするために当該三角形は略直角三角形となっ
ている。このため，折角圧縮部１５０等を小型化しても
ガス圧縮／膨張機が占有する空間が大きくなる問題があ
った。

【００１４】また，圧縮された作動ガスの熱を外部に放
熱する放熱フィン１５４は，ガス流路１６０等に設けら
れていないため効率的に放熱が行えず，加えて当該ガス
流路を別途外部配管等する必要があった。

【００１５】そこで，本発明は，効率的に放熱が行え，
かつ，装置の占有空間を小さくしたガス圧縮／膨張機を
提供することを目的とする。

【００１６】

【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る圧縮ピストンが，圧縮シリンダ
内に往復自在に配設されて，当該圧縮シリンダ内に形成
された圧縮空間の作動ガスを圧縮する圧縮部と，該圧縮
部と位相が略９０ずれて往復運動して，当該圧縮部から
の作動ガスを膨張させる膨張部とを有したガス圧縮／膨
張機において，圧縮部と膨張部とを並設して駆動部に固
定する。また，圧縮部の周囲に放熱フィンを形成する。
これにより，装置の小型化を図りながら，圧縮で発生し
た作動ガスの熱を効率的に放熱できるようにしたことを
特徴とする。

【００１７】請求項２にかかる発明は，放熱フィンを円
筒状に形成して圧縮シリンダに被せて配設する。これに
より，当該放熱フィンと圧縮シリンダとの間に圧縮部と
膨張部とを連通するガス流路を形成し，当該ガス流路を
流動する作動ガスの熱を放熱フィンを介して効率的に放
熱するようにしたことを特徴とする。

【００１８】請求項３にかかる発明は，圧縮シリンダの
周囲に放熱フィンを直接形成して，圧縮過程で発生した
熱を効率的に放熱してなることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１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ガス
圧縮／膨張機の断面図を示している。

【００２０】ガス圧縮／膨張機は，クランク２２ａ，２
２ｂからなるクランク機構２２を備えた駆動部２０，デ
ィスプレーサ３１を備えた膨張部３０及び圧縮ピストン
５１を備えた圧縮部５０等を有し，膨張部３０と圧縮部
５０とが並設されて駆動部２０の上部に設けられてい
る。

【００２１】駆動部２０は，クランク機構２２に回転駆
動力を与えるロータ２１，クランク機構２２を潤滑する
ためのオイルを貯留するオイル槽２３，クランク２２
ａ，２２ｂに連結されたコネクティングロッド２４ａ，
２４ｂ，該コネクティングロッド２４ａ，２４ｂに連結
されたクロスガイド２５ａ，２５ｂ等を有している。

【００２２】なお，クランク２２ａとクランク２２ｂと
は，シャフト２２ｃに偏心して連結され，かつ，圧縮ピ
ストン５１の位相がディスプレーサ３１の位相に対して
略９０度遅れるようにクランク２２ａ，２２ｂの取付角
度が設定されている。

【００２３】膨張部３０は，ディスプレーサ３１を収納
する膨張シリンダ３２，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３４，ディ
スプレーサ３１に駆動力を伝達するディスプレーサロッ
ド３５，ディスプレーサ３１内に設けられた蓄冷材３３
等を有して，膨張シリンダ３２の頭部に負荷１２が取付
けられている。

【００２４】また，圧縮部５０は，圧縮ピストン５１を
収納する圧縮シリンダ５２，該圧縮シリンダ５２の頭部
側（図１において上側）に設けられた圧縮空間５３，圧
縮シリンダ５２の外側面に被せて設けられて圧縮により
発生した作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フィン５
４，圧縮シリンダ５２の駆動部２０側に配設された隔壁
５５，隔壁５５に形成された挿通孔５９ｂを挿通して圧
縮ピストン５１に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド
５８等を有している。

【００２５】なお，圧縮シリンダ５２及び隔壁５５に
は，挿通孔５９ｂと並設された挿通孔５９ａが形成さ
れ，当該挿通孔５９ａにディスプレーサロッド３５が挿
通している。

【００２６】これにより，圧縮部５０と膨張部３０とを
同一方向に配設することができ，ガス圧縮／膨張機の占
有空間を小さくすることが可能になる。

【００２７】また，圧縮ピストンロッド５８が挿通する
挿通孔５９ｂの両端部分には，シール部材７１，７２が
挿着され，ディスプレーサロッド３５が挿通する挿通孔
５９ａの両端部分には，シール部材７３，７４が挿着さ
れて，オイルが圧縮部５０や膨張部３０に侵入しないよ
うになっている。

【００２８】さらに，放熱フィン５４は，上述したよう
に圧縮シリンダ５２を覆うように配設され，かつ，膨張
部３０と接しないようにして設けられて，当該放熱フィ
ン５４の内壁面と圧縮シリンダ５２の外壁面とがなす空
間がガス流路Ｇ１を形成している。

【００２９】図２は図１における矢視ＡＡ方向から見た
圧縮部５０の断面図である。ガス流路Ｇ１は圧縮空間５
３と膨張部３０と連通している。これにより作動ガス
は，圧縮空間５３，ガス流路Ｇ１，膨張部３０を行き来
するようになっている。

【００３０】次に上記構成に基づき，ガス圧縮／膨張機
の動作を説明する。クランク機構２２が回動することに
より，回動力がコネクティングロッド２４ａ，２４ｂ等
を介して圧縮ピストン５１及びディスプレーサ３１に伝
達されて，圧縮ピストン５１はディスプレーサ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。

【００３１】そして，圧縮ピストン５１が下死点から上
死点に移動すると，圧縮空間５３内の作動ガスは圧縮さ
れる。この間，ディスプレーサ３１は上動して上死点に
達した後，下動するようになる。

【００３２】圧縮ピストン５１の上動に伴い圧縮された
作動ガスは，ガス流路Ｇ１を流動して放熱フィン５４に
より放熱して膨張部３０側に送られる。ディスプレーサ
３１が下動すると作動ガスは蓄冷材３３を通過し当該蓄
冷材３３と熱交換して膨張空間３４に送られる。

【００３３】ディスプレーサ３１が下死点に達するに従
い，圧縮ピストン５１は上死点から下死点に移動し，作
動ガスは膨張して降温する。この時の膨張過程は等温膨
張過程であるため，膨張により降温しただけ外部の熱を
吸熱する。即ち，負荷１２から熱を奪うことができる。

【００３４】圧縮ピストン５１が下死点に近づくに従
い，ディスプレーサ３１は上動を始め，作動ガスはディ
スプレーサ３１を通過し，蓄冷材３３から吸熱して圧縮
空間５３に戻り１サイクルが終了する。

【００３５】このような，サイクルにおいて成績係数を
高くするためには，圧縮部５０で圧縮された作動ガスの
熱を速やかに，かつ，効率的に外部に放熱することが必
要となる。そこで，本発明では，放熱フィン５４と圧縮
シリンダ５２との間に隙間を形成し，当該隙間がガス流
路Ｇ１となるようにして，作動ガスと放熱フィン５４と
の熱接触面積を大きくし，効率的に作動ガスの熱を放熱
フィン５４に伝達できるようにしている。

【００３６】また，該放熱フィン５４の放熱部（フィ
ン）は，当該ガス流路Ｇ１に近接し，かつ，その周囲を
覆って設けられているので，作動ガスから受けた熱を効
率的に外気等に放出することが可能になる。従って，冷
凍機の場合には成績係数を高くすることができる。

【００３７】次に第２の実施の形態について説明する。
上記説明においては膨張部に蓄冷材が収納されたディス
プレーサを用いた構成について説明したが，本発明はこ
れに限定されるものではなく，いわゆる２ピストンタイ
プのガス圧縮／膨張機であっても良い。

【００３８】即ち，図３に示すようなガス圧縮／膨張機
であってもよい。同図におけるガス圧縮／膨張機は，２
５１を備えた圧縮部２５０，膨張ピストン２３１を備え
た膨張部２３０，クランク機構２２２を備える駆動部２
２０，蓄冷材２４１を内包した蓄冷部２４０等を有して
いる。

【００３９】そして，圧縮部２５０と膨張部２３０と
は，隔壁２５５を介して駆動部２２０に固着され，圧縮
部２５０の周りに放熱フィン２５４が設けられている。
さらに，圧縮部２５０と膨張部２３０とは，ガス流路Ｇ
２により連通され，その途中に蓄冷部２４０が配設され
る。

【００４０】圧縮部２５０は，圧縮ピストン２５１を収
納する圧縮シリンダ２５２，該圧縮シリンダ２５２の頭
部側に設けられた圧縮空間２５３，隔壁２５５を挿通し
て圧縮シリンダ２５１に駆動力を伝達する圧縮シリンダ
ロッド２５８等を有している。

【００４１】膨張部２３０は，膨張ピストン２３１を収
納する膨張シリンダ２３２，該膨張シリンダ２３２の頭
部側に設けられた膨張空間２３４，隔壁２５５を挿通し
て膨張ピストン２３１に駆動力を伝達する膨張ピストン
ロッド２３５等を有して，膨張シリンダ２３２の頭部側
に負荷２１２が取付けられる。

【００４２】駆動部２２０は，ロータ２２１，該ロータ
２２１のシャフト２２２ｃに固定されたクランク２２２
ａ，２２２ｂからなるクランク機構２２２等を潤滑する
ためのオイルを貯留する貯留槽２２３，クランク機構２
２２及び圧縮シリンダロッド２５８とに連結されたコネ
クティングロッド２２４ｂ及びクロスガイド２２５ｂ，
クランク機構２２２及び膨張ピストンロッド２３５と連
結されたコネクティングロッド２２４ａ及びクロスガイ
ド２２５ａ等を有している。

【００４３】このような構成で，クランク機構２２２が
回動することにより，回動力がコネクティングロッド２
２４ａ，２２４ｂ等を介して圧縮シリンダ２５１及び膨
張ピストン２３１に伝達される。

【００４４】このとき，膨張ピストン２３１が圧縮シリ
ンダ２５１より略９０度位相が進んで往復運動するよう
に各クランク２２２ａ，２２２ｂが位置を変えてシャフ
ト２２２ｃに固定されている。

【００４５】そして，圧縮シリンダ２５１が下死点から
上死点に移動する間に，膨張ピストン２３１は上死点に
達し下動する。この間，圧縮空間２５３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２５２の
周囲に形成された放熱フィン２５４により熱が大気に効
率的に放熱され，結果として等温圧縮と見なせるように
なり，当該ガス圧縮／膨張機を冷凍機に用いた場合には
成績係数を高くすることが可能になる。

【００４６】圧縮空間２５３の作動ガスは，膨張ピスト
ン２３１の下動と共に蓄冷部２４０で熱交換しながらガ
ス流路Ｇ２を流動して膨張空間２３４側に移動し，膨張
ピストン２３１が下死点に近づくに従い，作動ガスは断
熱膨張して，当該作動ガスの温度が降下する。

【００４７】膨張ピストン２３１の上動に伴い，温度の
下がった作動ガスは負荷２１２を冷却しながらガス流路
Ｇ２を流動し，蓄冷部２４０で熱交換して圧縮空間２５
３に戻り１サイクルが終了する。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば圧
縮部の周囲に放熱フィンを設けたので，圧縮により温度
が上がった作動ガスの熱を効率的に外部に放熱すること
が可能になり，例えば冷凍機等に用いた場合には，装置
の小型化を図りながら，成績係数を高くすることができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の説明に適用されるガス圧縮
／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】第２の実施の形態の説明に適用されるガス圧縮
／膨張機の断面図である。

【図４】従来の技術の説明に適用されるガス圧縮／膨張
機の断面図である。

【符号の説明】

２０，２５０ 駆動部 ３０ 膨張部 ３１ ディスプレーサ ３３ 蓄冷材 ３５ ディスプレーサロッド ５０，２５０ 圧縮部 ５１，２５１ 圧縮ピストン ５２，２５２ 圧縮シリンダ ５３，２５３ 圧縮空間 ５４，２５４ 放熱フィン ５５，２５５ 隔壁 ５８，２５８ 圧縮シリンダロッド ２３０ 膨張部 ２３１ 膨張ピストン ２３２ 膨張シリンダ ２３５ 膨張ピストンロッド ２４０ 蓄冷部 ２４１ 蓄冷材 Ｇ１，Ｇ２ ガス流路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動部と，該駆動部から駆動力を受ける
   圧縮ピストンが，圧縮シリンダ内に往復自在に配設され
   て，当該圧縮シリンダ内に形成された圧縮空間の作動ガ
   スを圧縮する圧縮部と，該圧縮部と位相が略９０ずれて
   往復運動して，当該圧縮部からの作動ガスを膨張させる
   膨張部とを有したガス圧縮／膨張機において，前記圧縮
   部と前記膨張部とを並設して前記駆動部に固定すると共
   に，前記圧縮部の周囲に放熱フィンを形成して，当該圧
   縮部で圧縮された作動ガスの熱を放熱してなることを特
   徴とするガス圧縮／膨張機。
2. 【請求項２】 前記放熱フィンが，円筒状に形成される
   と共に前記圧縮シリンダに被せて配設されて，当該放熱
   フィンと前記圧縮シリンダとの間に前記圧縮部と前記膨
   張部とを連通するガス流路を形成し，当該ガス流路を流
   動する作動ガスの熱を前記放熱フィンを介して放熱して
   なることを特徴とする請求項１記載のガス圧縮／膨張
   機。
3. 【請求項３】 前記放熱フィンが，前記圧縮シリンダの
   周囲に形成されて，前記圧縮部で圧縮された作動ガスの
   熱を放熱してなることを特徴とする請求項１記載のガス
   圧縮／膨張機。